从“工业4.0”的角度看智能工厂

目前“工业4.0”具有多重定义。通常，德国的“工业4.0”研究专家是不会给出“工业4.0”明确定义的，因为“工业4.0”所描述的是未来的下一级产品开发、智能生产以及与这些智能“工业4.0”产品有关的各种智能服务。例如，我在研讨会中，经常用两句话描述“工业4.0”的含义，将“工业4.0”与物联网进行对比。

陈述1：通过构建所有涉及增值的实例网络的方法，实时获得所有相关信息的可用性。 在任何特定时间内，能够使用这些数据在业务流程中建立最佳价值流，并促进全新业务模式发展的能力。

陈述2：在所有产品生命周期过程中，实时信息无缝流动，包括信息技术（IT）、操作技术（OT）（车间），以及基于“工业4.0”环境当中各个部件数字双胞胎的产品开发和优化。

“智能工厂”这一词，自动包含了一条更加智能的生产线、机器模块、机器和机器人的模块化理念。 无缝信息的可用性大大提高了效率和质量，同时缩短了产品开发周期。在未来的“智能工厂”中，安全性、可靠性和连接性将成为“工业4.0”组件的既定属性（硬件和软件）。

OT生产自动化应用信息技术是“工业4.0”智能工厂发展的第一步。“工业4.0”的概念思想通过在智能工厂（纵向整合）中应用AI等无缝可用信息，同时结合不同智能工厂（横向整合）的不同技术，创建样本规模唯一的独特产品，从而优化生产技术。

“工业4.0”描述了未来制造业的一种方式，即工厂传统边界部分消失，产品可以靠近客户开发和生产，并为特定客户提供完全定制化服务。未来，我们将看到各种工厂生产线，多家批量生产智能工厂，其中部分工厂灵活基于“工业4.0”机器和“工业4.0”机器人，部分虚拟工厂基于“工业4.0”数字双胞胎靠近客户生产。在所谓的“未来工厂”中应用“工业4.0”原理的结果是改变了销售、开发和生产产品的方式。

工业物联网功能金字塔描述了超越物理资产（我们目前和未来所有的传感器和执行器）之上的所有层级，以实现业务流程专用相关信息的连通性和可用性。在整合或设备层当中整合资产，其次是通信、信息和功能层。最高层是业务层，我们期待业务层当中的新业务应用程序。工业物联网功能金字塔可以映射到智能工厂边缘云实施当中，只有在最高级别需要与外部连接。我想借助RAMI 4.0来解释这些层级，因为RAMI整合了IT，OT和生命周期三大维度。

图1 数字化转型——物联网和工业物联网能力金字塔

各种不同的物联网、智能电网和工业互联网，都需要不同的参考架构模型，以为企业行动提供指引。这些模型描述了网络物理组件和网络物理系统的基本原理，并将其应用于特定的细分市场当中。“工业4.0”参考架构模型（RAMI 4.0）是基于当前可用的工业标准，并精确描述了RAMI模型当中每个机柜的资产管理外壳内部所有信息无缝可用性的需求。RAMI模型明确了实现所有信息无缝可用性的九大要求。“工业4.0”通讯基于SOA——服务导向架构原则。安全性、可靠性和互操作性逐渐成为“工业4.0”组件的特殊属性。

“工业4.0”环境中的数字化转型描述了创建一个或多个生态系统的任务，该系统将RAMI 4.0的所有通用规则转换为基于行业标准的具体实施，以实现无缝的互操作性。必须在架构原则当中推动贯彻（开发）可靠和安全原则，满足连接到云的完全模块化智能工厂生产设备的要求。数字化转型是一个发展缺失概念、实施、学习和优化的过程。在这个过程，为实体资产（包括设备、软件等）建立一个资产管理外壳（包括属性、功能等甚至更多）非常重要。这相当于为实体资产装上一个“数字马甲”，从而可以进一步应用CPS赛博物理系统的概念，将基于连接的机器和机器模块的虚拟测试和虚拟验证实现无缝整合。在“工业4.0”智能工厂环境中工作的人员通过相同的原则进行连接，因此人机界面HMI逐渐成为一个关键的推动要素。

过去20年里，逐渐形成了机械安全原则，机械安全原则基于基础性安全原则。应用相同的基本原理，并将安全概念作为“工业4.0”组件的固有属性，确保机器安全性达到相同或更高的水平。所有信息的实时可用性与目前安全监控的一个子集形成鲜明对比，如果所有组件满足RAMI 4.0通用规则，安全性将会大大提高。

美国的工业互联网IIC和“工业4.0”平台创建了描述参考体系结构和系统要求的基本文档。将这些原则应用于试点生产线、智能工厂并创建搭载最新IT技术的测试平台的过程显示出即将到来的工业革命的巨大潜力。未来，全球都将采用“工业4.0”的概念（所有相关信息的无缝可用性）。 “工业4.0”的关键推动因素具有互操作性和连通性， 使得新建工厂无论在那里都可以轻松实现。 在全球范围内，一场新的比赛已经开始，与应用全新理念的发展速度相比，局部的历史性因素已经变得不那么重要。