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根云-工業(yè)趨勢(shì)分析
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作者：趙敏 劉法旺
導(dǎo)讀
當(dāng)我們正忙著對(duì)智能制造進(jìn)行各種“智能”意義的解讀時(shí)，德國(guó)除了在明火執(zhí)仗的工廠解決方案之外，在另外一條隱秘的小路上走的同樣深入——這個(gè)超出了我們熱情洋溢的視線。
工業(yè)4.0組件與管理殼
在2015年4月，德國(guó)率先提出工業(yè)4.0的頂層架構(gòu)RAMI模型，這個(gè)模型甚至先于美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考框架IIRA。
圖1 2015年4月 1.0版本 ZVEI
這個(gè)RAMI模型給出了德國(guó)工業(yè)的整體框架體系的思考，而在微觀的基礎(chǔ)上，工業(yè)4.0 工作組同時(shí)提出了“工業(yè)4.0單組件”的概念，并且區(qū)分了“工業(yè)4.0組件”和“非工業(yè)4.0組件”。
圖2 非工業(yè)4.0組件，2015年4月
在很久一段時(shí)間，非工業(yè)4.0組件是我們所熟悉的“物”，包括設(shè)備，元器件，甚至是一個(gè)軟件程序。這是一個(gè)“黑暗的世界”，它通過(guò)既定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者特定的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)外的溝通。
CPS像是一個(gè)全新的火把，重新點(diǎn)燃了一切。德國(guó)工業(yè)4.0決定賦予“非工業(yè)4.0組件”以全新的意義。
而這一切，都通過(guò)一個(gè)叫做“管理殼”進(jìn)行。
對(duì)每一個(gè)“物”增加了一個(gè)“管理殼”，工業(yè)4.0 組件就變得開(kāi)始能夠?qū)ν膺M(jìn)行有效地交流。“智能體”出現(xiàn)了，無(wú)論是一臺(tái)智能機(jī)床，或者是一個(gè)智能傳感器，它都封裝了自己的各種信息，是一個(gè)描述了賽博物理系統(tǒng)CPS詳細(xì)特性的模型。
管理殼的定義
在工業(yè)領(lǐng)域，人們習(xí)慣用模型化的方法來(lái)提出產(chǎn)品需求、描述產(chǎn)品功能/生產(chǎn)流程、描述和控制各種技術(shù)形式（軟、硬、網(wǎng)、機(jī)、電、磁、液、氣等）的生產(chǎn)工具。
然而，如何對(duì)既定的設(shè)備資產(chǎn)，進(jìn)行更好的定義。本文作者試圖這里給“管理殼”下一個(gè)嘗試性的定義。
管理殼是一種遵循各種相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工業(yè)4.0組件的資產(chǎn)特性及技術(shù)功能，進(jìn)行數(shù)字化描述的一種殼式管理軟件。有了可用軟件平臺(tái)來(lái)查詢、讀取的自我描述式的數(shù)字化“資產(chǎn)說(shuō)明書”，資產(chǎn)由此而變得可管理、可操作。
圖3 管理殼，ZVEI，2016.11
管理殼基本構(gòu)成為“清單+組件管理器”。清單”用來(lái)表示組件內(nèi)容目錄，如功能、信息、通信等業(yè)務(wù)活動(dòng)的層次范圍；“組件管理器”來(lái)管理組件范圍內(nèi)的相關(guān)資產(chǎn)。管理殼清晰界定該組件所在的層次、價(jià)值流、級(jí)別，確認(rèn)了所需的數(shù)據(jù)、功能與安全要求，規(guī)避了因?yàn)椴话礃?biāo)準(zhǔn)建設(shè)組件系統(tǒng)而在未來(lái)可能發(fā)生的信息失控問(wèn)題。
可以把管理殼形象地理解為是一種給所有企業(yè)資產(chǎn)穿上了“數(shù)字化馬甲”，可讓那些原先不好管理、不能管理的資產(chǎn)，都有了唯一的標(biāo)識(shí)。
以某個(gè)“數(shù)字化工廠（DF）”中的零部件——電機(jī)軸為例，如圖2所示，如果將電機(jī)軸的管理殼結(jié)構(gòu)從左至右展開(kāi)，可以看到在整個(gè)DF的視圖的“清單”中有總資產(chǎn)和管理殼的標(biāo)識(shí)，通過(guò)API而映射為DF的“標(biāo)頭（header）”，“標(biāo)頭”中的特性列表保證了DF的有形資產(chǎn)與管理殼在各自工作環(huán)境中的識(shí)別與認(rèn)證，保證了在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間引用部分資產(chǎn)與視圖的能力。
圖4 管理殼的結(jié)構(gòu)，德國(guó)ZVEI，2016年11月
管理殼“標(biāo)頭”之下是“主體（body）”。“組件管理器”負(fù)責(zé)管理“主體”的各子模型。子模性包含了資產(chǎn)特性的層次、系統(tǒng)級(jí)別，可以針對(duì)不同的資產(chǎn)引用各種數(shù)據(jù)與功能（上圖中白色幾何元素）。這些被引用的數(shù)據(jù)主要運(yùn)行在信息層。
通過(guò)管理殼的確定，所有的資產(chǎn)，所有的對(duì)應(yīng)模型，都可在全生命周期中被管理平臺(tái)識(shí)別、交互、實(shí)施、驗(yàn)證、維護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和自動(dòng)測(cè)試，以適應(yīng)和響應(yīng)現(xiàn)代制造系統(tǒng)內(nèi)外部的高度的不確定性（部門協(xié)調(diào)、客戶需求、供應(yīng)鏈變化等），優(yōu)化制造資源配置，力爭(zhēng)真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)升級(jí)。
這意味著借助于管理殼，我們終于可以用數(shù)字模型和語(yǔ)言，來(lái)體現(xiàn)業(yè)務(wù)、功能、信息、交流綜合、資產(chǎn)的整體價(jià)值，包括這些內(nèi)容來(lái)自哪里。這使得設(shè)備相連，可以真正實(shí)現(xiàn)整個(gè)時(shí)間線上的價(jià)值流的自由流動(dòng)，成為實(shí)體世界與虛擬世界的無(wú)縫連接。
管理殼的價(jià)值
管理殼中的諸項(xiàng)內(nèi)容都盡量做到遵從標(biāo)準(zhǔn)，為未來(lái)的系統(tǒng)擴(kuò)展和萬(wàn)物互聯(lián)打好基礎(chǔ)。圖3簡(jiǎn)介了管理殼及子模塊的特性需要符合的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。
圖5 管理殼需要符合的標(biāo)準(zhǔn)
有了這些基本的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)示例，管理殼之間，就可以開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)與信息的交換。在圖4中，管理殼之間的“連線”，實(shí)際上就是某種形式上的數(shù)據(jù)總線（或“數(shù)字主線”），因?yàn)樗匈Y產(chǎn)之間的數(shù)據(jù)檢索、查詢與交換所形成的數(shù)據(jù)流，都是跑在數(shù)據(jù)總線上的。
圖6 管理殼的互聯(lián)性，ZVEI，2016.11
當(dāng)原有的那些物理實(shí)體的各種資產(chǎn)，都有了一個(gè)機(jī)器可讀、語(yǔ)義相通、適用于生產(chǎn)系統(tǒng)所有生命周期階段的管理殼，那么人、機(jī)、物萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代就真正來(lái)到了。
遵從各種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)構(gòu)建管理殼及所屬的子模塊，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)是非常必要的。只要堅(jiān)持按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范持續(xù)地做下去，那么任何一個(gè)企業(yè)的工業(yè)4.0系統(tǒng)的建設(shè)結(jié)果，未來(lái)都具有以下三大益處。
圖7 管理殼的價(jià)值
• 以高度模塊化的方式來(lái)構(gòu)建和擴(kuò)展自身的系統(tǒng)，所有的系統(tǒng)擴(kuò)展都以類似于樂(lè)高積木的方式搭接而成；
• 基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議與接口與其他國(guó)內(nèi)外合作伙伴順暢交換數(shù)據(jù)，而無(wú)需為此單獨(dú)開(kāi)發(fā)特定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具；
• 所有的有管理殼的資產(chǎn)之間，都可以實(shí)現(xiàn)信息的互通、互操作。
管理殼與CPS
如果為了簡(jiǎn)單描述，不妨略帶武斷地說(shuō)，CPS是工業(yè)4.0的使能技術(shù)，而管理殼則是CPS的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的界面。管理殼與CPS，二者是分工合作、完美協(xié)作，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)最優(yōu)：
資產(chǎn)最優(yōu)管理：管理殼讓所有的系統(tǒng)組件之間、系統(tǒng)的系統(tǒng)（SoS）之間變得容易集成、容易打通。盡管管理殼的作用是以給系統(tǒng)和系統(tǒng)組件穿上具有唯一標(biāo)識(shí)的“數(shù)字化馬甲”、促進(jìn)互聯(lián)互通為主，并不負(fù)責(zé)深入到物理實(shí)體內(nèi)部。
資源最優(yōu)配置：打通二者的界限與隔閡，把知識(shí)和算法嵌入軟件，軟件嵌入芯片，芯片嵌入到物理實(shí)體之中，由此而最終讓系統(tǒng)行為在賽博的作用下變得精確可控，讓企業(yè)資源得到最優(yōu)配置。
不固根基，難起高樓。德國(guó)工業(yè)4.0從RAMI和 CPS體系出發(fā)，穩(wěn)扎穩(wěn)打地來(lái)構(gòu)建工業(yè)4.0基礎(chǔ)組件。而深入了解管理殼，則是理解工業(yè)4.0最為基礎(chǔ)的必修功課。
如果要實(shí)現(xiàn)CPS更為廣泛的應(yīng)用，很難躲開(kāi)對(duì)管理殼的深入研究和應(yīng)用。
后 記
通過(guò)對(duì)工業(yè)4.0組件和管理殼的研究，我們看到了德國(guó)工業(yè)4.0相關(guān)的協(xié)會(huì)學(xué)會(huì)的穩(wěn)扎穩(wěn)打，跟工業(yè)4.0實(shí)踐一步一呼應(yīng)，這給我們留下了深刻的印象。中國(guó)智能制造，需要這樣的更接地氣的理論模型和應(yīng)更用研究的對(duì)接，這樣才能推進(jìn)中國(guó)制造走向更穩(wěn)健的未來(lái)。
作者簡(jiǎn)介
趙 敏：英諾維盛公司總經(jīng)理
劉法旺：賽迪研究院中國(guó)軟件評(píng)測(cè)中心常務(wù)副主任
林雪萍：聯(lián)訊動(dòng)力咨詢公司，南山工業(yè)書院發(fā)起人
