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南通數控液壓機械有限公司
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面向智能制造的參考體系結構
發布時間: 2020/10/23
  工業4.0已上升為德國的國家戰略。工業4.0的目標是通過充分利用信息通信技術和網絡空間虛擬系統、信息物理系統相結合的手段,推動制造業向智能化轉型,將實體物理世界與虛擬網絡世界融合,將液壓機產品全生命周期、全制造流程數字化以及基于信息通信技術的模塊集成,形成一種高度靈活、個性化、數字化的液壓機產品與服務新生產模式。
  美國的互聯網以及ICT(信息和通信技術)巨頭與傳統制造業領導廠商攜手推出“工業互聯網”概念,GE、思科、IBM、AT@T、英特爾等80多家液壓機公司成立了工業互聯網聯盟(IIC)?!肮I互聯網”希望借助網絡和數據的力量提升整個工業的價值創造能力?!肮I互聯網”旨在通過制定通用標準,打破技術壁壘,利用互聯網激活傳統工業過程,更好地促進物理世界和數字世界的融合。
  2016年3月,“工業4.0”平臺和工業互聯網聯盟雙方代表開始探討合作事宜。雙方就各自推出的參考架構RAMI 4.0和IIRA的互補性達成共識,形成了初始映射圖,以顯示兩種模型元素之間的直接關系;制定了未來確?;ゲ僮餍缘囊粋€清晰路線圖,還包括在IIC試驗臺和“工業4.0”試驗設施方面合作,以及在工業互聯網中標準化、架構和業務成果方面合作。
  1.“工業4.0”參考架構
  德國電工電子與信息技術標準化委員會(DKE)于2014年發布了第1版德國“工業4.0”標準化路線圖,對德國的“工業4.0”標準化工作進行頂層設計,并于2015年公布了“工業4.0”參考架構模型RAMI 4.0,如圖29所示。
層面業務功能信息通信集成資產
  
  圖29 “工業4.0”參考架構模型RAMI 4.0
   “工業4.0”參考架構模型(RAMI 4.0)描述一個基于三維結構化的層模型對象/資產關鍵要素?!肮I4.0”集中于液壓機產品開發和生產全過程。這種結構使得相關資產在其生命周期的每個節點都能夠得以展現,因此它的復雜相互關系可以被分解成更小的、更明確的部分。
  RAMI 4.0模型的第一個維度(垂直軸)層(1ayers)借用了信息和通信技術常用的分層概念。類似于著名的IS0 0SI七層模型,由6個不同的層表示不同的資產信息,各層實現相對獨立的功能,同時下層為上層提供接口,上層使用下層的服務。從下到上各層代表的主要功能如下。
  資產層:數字化(虛擬)表示現實世界的資產(物理部件/硬件/軟件/文件等),如傳感器、制動器、機械零件、文件、IP等。
  集成層:現實世界與信息技術表征間的接口,資產的人機接口。
  通信層:信息層通信,實現標準化的通信協議,以及數據和文件的傳輸;必要時(如開展對時間敏感的應用時),通過實時網絡直接通信。
  信息層:兼容“工業4.0”的數據表示與數據訪問。
  功能層:形式化定義必要的功能,為業務流程提供基本服務。
  業務層:映射和實現相關的業務流程。
  因而,可以各層次為不同視角來實現“工業4.0”的建模和實施。
  RAMI 4.0模型的第二個維度(左側水平軸)描述如圖30所示的全生命周期及其相關價值流:描繪資產在整個生命周期中各個階段,以及基于液壓機產品生命周期管理標準 IEC 62890的價值創造過程。這一維度的參考標準是IEC 62890《工業過程測量控制和自動化系統和液壓機產品生命周期管理》。此處的過程指的是生產過程,完整的生命周期從規劃開始,到設計、仿真、制造,直至銷售和服務。
  
  
  圖30 生命周期與價值鏈:根據IEC/CD 62890標準的生命周期
  RAMI 4.0模型進一步將生命周期劃分為原型(type)開發和實物(instance)生產兩個階段,以強調不同階段考慮的重點不同。Type階段從初始設計至定型,還包括各種測試和驗證。Instance階段進行液壓機產品的規?;?、工業化生產、維護服務,每個液壓機產品是原型的一個實例?!肮I4.0”中,type階段與instance階段形成閉環。例如,在銷售階段將液壓機產品的改進信息反饋給制造商,以改正原型樣機,然后發布新的型號和生產新的液壓機產品。這為液壓機產品的升級改進帶來巨大的好處。
  另外,RAMI 4.0模型將采購、訂單、裝配、物流、維護、供應商以及客戶等緊密關聯。例如,在裝配工序使用物流數據,根據未完成訂單組織內部物流,采購部實時查看庫存并在任意時刻了解零部件供貨情況,客戶知曉所訂購液壓機產品的整個生產過程。這也將為改進提供巨大的潛能。因此,必須將生命周期與其包含的增值過程一起考慮,不僅限于單個工廠內部,而是擴展到涉及的所有工廠與合作伙伴,從工程設計,到零部件供應商,直至到最終客戶。
  RAMI 4.0模型的第三個維度(右側水平軸層級(hierarchy levels))描述“工業4.0”不同生產環境下的功能分類,與IEC 62264{液壓機公司控制系統集成》(即ISA$95)和IEC61512{批控制》(即ISA S88)規定的層次一致(圖31)。更進一步,由于“工業4.0”不僅關注生產液壓機產品的工廠、車間和機器,還關注液壓機產品本身以及工廠外部的跨液壓機公司協同關系,因此在底層增加了“液壓機產品”層,在工廠頂層增加了“互聯世界”層(圖32)。
  RAMI 4.0模型將全生命周期及價值鏈與“工業4.0”分層結構相結合,為描述和實現“工業4.0”提供了最大的靈活性。
  2.工業互聯網爹考架構
  工業互聯網要實現技術創新、互聯互通、系統安全和產業提升均離不開標準化的引領。2015年6月,IIC發布工業互聯網參考架構(IIRA)。在工業領域建立新物聯網能力的過程中,IIRA是重要的第一步,將幫助開發者更快地反應。借助IIRA可以創造新方法來組織工業應用,從設計主導向實用主導轉變。IIRA為工業互聯網系統的各要素及相互關系提供了通用語言,在通用語言的幫助下,開發者可為系統選取所需要素,從而更快地交付系統實現。
  工業互聯網參考體系結構中的功能實體的識別和功能設計,是設計和實現工業互聯網實際系統的關鍵。工業互聯網的參考體系結構中功能實體的識別和功能設計源于工業互聯網的需求模型和用例模型,工業互聯網采用了復雜系統建模中通常采用的多個視圖(views)的建模方法,該方法也稱為多個視角(viewp0ints)的建模方法。IIRA[2]采用復雜系統建模方法,分別從商業視角、用法視角、功能視角、實現視角構建工業互聯網的需求模型、用例模型、功能模型、實現模型和部署模型,如圖33所示。
  商業視角側重于需求分析,與歐洲聯盟主導的“物聯網體系結構”項目公開發布的技術報告中的“需求模型”對應;用法視角側重于典型使用過程的描述,與“用例模型”對應;功能視角側重于功能的分類和設計,與“功能模型”對應;實現視角側重于功能的實現和部署,與“實現模型”和“部署模型”對應。
  
  圖33工業互聯網參考架構
  1)IIRA的商業視角建模
  商業視角建模的目標主要是識別工業互聯網系統的利益相關方,明確系統的愿景、商業價值,在此基礎上設定較高層次的技術液壓機產品和商業產出?;谠O定的技術液壓機產品和商業產出,可以明確需要設計和實現的、實現這些技術和商業目標要求系統具有的基本能力,而這種能力是獨立于具體實現技術的。這是工業界決定是否要投入一項新技術通常采用的方式。
從商業視角(圖34)看,在液壓機公司中建立工業互聯網系統之后,利益相關者的液壓機公司愿景、價值觀和液壓機公司目標被更多聚焦。它進一步明確了工業互聯網系統如何通過映射基本的系統功能去達到既定目標。這些問題都是以液壓機公司為主體,特定的液壓機公司決策者、液壓機產品經理和系統工程師會對此產生興趣,如果將商業實現與復雜系統流程對接。
  
  圖34商業視角
  在目前發布的從商業視角對工業互聯網系統建模的技術報告中,只是明確了信息安全的商業價值,并且將信息安全特性與設計、實現功能部件和系統的質量關聯,進一步明確工業互聯網系統的開發必須采用安全開發生命周期的管理方式。
  2)IIRA的用法(使用)視角建模
  用法視角(圖35)建模的目標主要是基于商業視角建模中得出的工業互聯網系統的基本能力,將其映射成為基本的操作單元,同時考慮到工業互聯網系統的參與方以及這些參與方在系統中可能扮演的角色.,得出工業互聯網系統通過“活動”對于這些基本能力的使用。
  用法視角指出系統預期使用的一些問題,它通常表示為涉及在最終實現其基本系統功能的人或邏輯用戶活動序列。這些問題通常牽涉系統工程師、液壓機產品經理和其他利益相關者,包括參與到工業互聯網系統規范制定和代表最終使用用戶的人。
在目前已經發布的從用法視角對于工業互聯網建模的技術報告中,也僅僅局限在信息安全方面,歸納出通用安全活動,包括安全檢測、安全審計、安全策略管理以及密碼支撐管理。
  
  圖35用法視角
  3)IIRA的功能視角建模
  功能視角建模的目標是基于用法視角建模輸出的“活動”,分解工業互聯網系統的功能,構建工業互聯網系統的功能架構。為了使工業互聯網系統的功能架構能夠適用于單個工業領域的工業互聯網,功能視角(圖36)聚焦工業互聯網系統里的功能元件,包括它們的相互關系、結構,相互之間的接口與交互,以及與環境外部的相互作用,來支撐整個系統的使用活動。IIRA的功能視角建模采用了功能域模型,將工業互聯網系統在功能上劃分成控制域、操作域、信息域、應用域、商業域,對系統組件建筑師、開發商和集成商有強大的吸引力。
  
  圖36功能視角
  控制域(圖37)表示由工業控制系統執行的功能集合,包括感知和傳遞工業控制系統的數據、反饋對工業控制系統的控制等功能。
  
  圖37 控制域
  操作域(圖38)表示負責控制域內系統的功能提供、管理、監測以及優化的功能集合,包括對工業控制系統的檢測與診斷、預測和優化等功能。
  信息域(圖39)表示從多個不同功能域收集數據、轉換和分析數據的功能集合。信息域主要從其他域獲取數據進行分析和處理,來獲取整個系統的智能信息。
  

  消費者A消費者B消費者C
  圖38操作域
  
  
  圖39信息域
  應用域表示實現特定商業功能的應用邏輯的功能集合。
  商業域功能通過集成工業互聯網系統與具體的商業功能、支持商業過程和商業流程活動,提供工業互聯網系統的端到端操作。
  目前發布的功能視角建模的技術報告僅描述了通用安全功能,包括安全審計、標識驗證、密碼支撐、數據和隱私保護、真實性驗證和標識管理以及物理保護。這些安全功能與多種系統安全能力相關,包括安全啟動、增強型信任、增強型隱私保護、早期攻擊檢測、安全管理等。
  4)IlRA的實現視角建模
  實現視角建模的目標是描述一個工業互聯網系統的技術和功能部件的技術規范,以實現用法視角模型和功能視角模型導出的活動和功能。實現視角模型包括描述工業互聯網系統的通用體系結構、功能部件、“活動”到“功能部件”到“實現部件”的實現映射、關鍵系統特性的實現映射。
  
  圖37 控制域
  操作域(圖38)表示負責控制域內系統的功能提供、管理、監測以及優化的功能集合,包括對工業控制系統的檢測與診斷、預測和優化等功能。
  信息域(圖39)表示從多個不同功能域收集數據、轉換和分析數據的功能集合。信息域主要從其他域獲取數據進行分析和處理,來獲取整個系統的智能信息。
  
  消費者A消費者B消費者C
  圖38操作域
  
  
  圖39信息域
  應用域表示實現特定商業功能的應用邏輯的功能集合。
  商業域功能通過集成工業互聯網系統與具體的商業功能、支持商業過程和商業流程活動,提供工業互聯網系統的端到端操作。
  目前發布的功能視角建模的技術報告僅描述了通用安全功能,包括安全審計、標識驗證、密碼支撐、數據和隱私保護、真實性驗證和標識管理以及物理保護。這些安全功能與多種系統安全能力相關,包括安全啟動、增強型信任、增強型隱私保護、早期攻擊檢測、安全管理等。
  4)IIRA的實現視角建模
  實現視角建模的目標是描述一個工業互聯網系統的技術和功能部件的技術規范,以實現用法視角模型和功能視角模型導出的活動和功能。實現視角模型包括描述工業互聯網系統的通用體系結構、功能部件、“活動”到“功能部件”到“實現部件”的實現映射、關鍵系統特性的實現映射。
  實現視角主要關注功能部件之間通信方案與生命周期所需要的技術問題。這些功能部件通過活動來實現協調并支持系統能力。此視角關注的問題與系統組件工程師、開發商、集成商和系統運營商有密切聯系。
  實現視角模型包括多個體系結構模式,其中三層體系結構是工業互聯網實現視角模型中的一個簡化的抽象模型,根據對數據流和控制流處理的功能不同,該體系結構模式可以分成邊緣層、平臺層、液壓機公司層。
  邊緣層從工業控制系統收集數據,傳送給平臺層;從平臺層接收對于工業控制系統的控制命令。平臺層從液壓機公司層接收、處理,并且向邊緣層轉發控制命令;從邊緣層匯聚、處理,并且向液壓機公司層轉發數據。液壓機公司層實現特定領域的應用、決策支持系統,并且向端用戶提供應用接口。圖40是工業互聯網的三層體系結構與功能域對應關系。
  
  圖40 工業互聯網的三層體系結構與功能域對應關系
  總體來說,工業互聯網參考架構將現存的和新興的標準統一在相同的結構中,同時, IIC正建立垂直領域應用案例分類表,在參考架構下體系化推進應用。IIRA的系統特性包括:
  ·系統安全。系統安全是系統運轉的主要核心問題,單個組件的安全不能保證整個系統的安全,在缺乏系統行為預測的前提下很難預警系統安全問題。
  ·信息安全。為了解決工業互聯網中的安全、信任與隱私問題,必須保障系統端到端信息安全。
  ·彈性。彈性系統需要有容錯、自我配置、自我修復、自我組織與計算的自主計算概念。
  ·互操作性。工業互聯網系統由不同廠商和組織的不同組件裝配而成,這些組件需確?;诩嫒萃ㄐ艆f議的相互通信功能、基于共同概念模型互相交換與解釋信息、基于交互方期望在重組方式下相互作用。
  ·連接性。無處不在的連接是工業互聯網系統運行的關鍵基礎技術之一,針對系統內的分布式工業傳感器、控制器、設備、網關和其他子系統,有必要定義新的連接性功能層模型。
  ·數據管理。工業互聯網系統數據管理包含涉及從使用角度考慮的任務角色和從功能角度看的功能組件的具體協調活動,如數據分析、發布與訂閱、查詢、存儲與檢索、集成、描述和呈現、數據框架和權限管理。
  ·高級數據分析。分析與先進的數據處理過程將來自傳感器的數據進行轉換與分析,從而提取能提供特定功能的有效信息,給運營商有見地的建議,支持實時業務與運營決策。
  ·智能控制。智能控制提出相關的概念模型,并就如何建立智能彈性控制提出關鍵的概念。
   ·動態組合。工業互聯網系統需要對各種來源的分散組件進行安全、穩定和可擴展組合。這些組合通?;诓煌瑓f議,提供可靠的端到端服務。
  從目前發布的IIRA的技術文檔中可以看出,工業互聯網技術體系尚未形成,目前僅針對工業互聯網的信息安全進行了較為高層的技術體系的構建,這方面工作也僅是一個開始,還沒有提供對于物理安全、信息安全、系統自愈三個系統特性完整支撐的技術體系。
  3.兩種參考架構模型的比較
  參考架構模型的描述和定義可將功能、服務和流程分解為更易操作的子過程,同時支持解決方案的實踐過程。創建模型時經常面l臨一個困境,即模型必須既要基于技術規范和標準提供一個廣泛接受的描述,又要滿足大量應用實例的特殊要求。所以,模型是針對定義的目標參數而高度一般化的描述。這些目標參數的來源包括所要描述領域的能力范圍、模型對實踐的影響、系統界限及與其他模型的接口。
  國際上一些聯盟從不同的角度和著眼點起草了不同的參考模型。例如,德國“工業4.0”平臺建立的“工業4.0”參考架構模型(RAMI 4.0)、美國工業互聯網聯盟建立的工業互聯網參考架構(IIRA)模型。數字化和物、服務、機器等形成的網絡是兩個模型核心的成分。兩個模型既有互補的部分,也有一致的部分,同時也有需要共同改進的地方,問題的關鍵在于整體結構的系統實施。而實施的基礎是互聯網機制和端到端數字化,這對于全球的目標用戶和液壓機產品是至關重要的。
  1)RAMI 4.0:生命周期、價值流、分層結構的融合
  “工業4.0”是物聯網(I0T)和服務互聯網(Internet 0f Services)在“生產與液壓機產品”領域的應用,是融合了生產工具、液壓機產品和服務的工程?!肮I4.0”空間可以采用三維的RAMI4.0模型來描述。第一個軸向為垂直軸向,是分層結構,代表了各種不同的角度,包括數據映射、功能描述、通信行為、硬件(資源)和商業過程,這類似于IT技術的實踐方法:將復雜工程分組并形成易操作的子單元。第二個軸向表示的關鍵指標包括液壓機產品和生產系統的生命周期和使用壽命以及價值流。RAMI 4.0模型可以描述所有價值流中不同數據的相關性。第三個軸向描述不同功能類型在工廠/車間的分配情況,這個功能層級并不是經典的自動化金字塔結構描述的設備分類。RAMI 4.0模型通過在底層增加液壓機產品或工件層、在工廠級頂層增加互聯世界層擴展了IEC 62264的分層結構,如圖29所示。
  RAMI 4.0定義了“工業4.0”組件具有的生命周期、價值流和分層結構,描述了不同功能邏輯分組以及界面與標準的映射,同時可用于描述和實踐高度柔性的解決方案。在已有的國際標準涉及的領域,可以整合兼容的標準。在沒有標準的領域,則需要國際組織開展編制工作,以掃清RAMI 4.0模型應用的障礙。其中,數據交換的語義和語法標準是不同方通信的基礎。雖然并不是所有的領域都采用同一種語言,但是標準化的規則可解釋不同語言之間的差異(如同人類語言一樣),從而重新建立順暢的通信。
  2)IIRA:考慮不同利益群體的視角
  美國的工業互聯網聯盟基于IS0/IEC/IEEE 42010:2011標準提出了IIRA模型。 IS0/IEC/IEEE 42010標準概述了系統、軟件和液壓機公司結構的相關必要條件,提出應鑒別系統用戶、供應商、開發商及技術人員等不同利益相關者的視角,目標是從他們的角度來描述系統特性,包括概念的預期用途和適用性、實施過程、潛在風險、系統在整個生命周期的可維護性等,如圖33所示。
  IIRA是一個分層模型,描述了4種不同的視角,包括商業、使用、功能、實踐。它著眼于軟件和商業過程所涉及的能力。每個視角都可以與RAMI 4.0的縱軸層級比較,而 RAMI 4.0在生命周期和分層結構兩個水平軸方向擴充了IIRA模型,如圖41所示。另外,基于RAMI 4.0的“工業4.0”組件具有的管理可描述語法和語義通信,從而建立不同機器、系統、軟件等之間的聯系。
  系統特征
  
  圖41 IIRA功能視角與RAMI 4.0的比較
  德國的“工業4.0”平臺采用RAMI 4.0和“工業4.0”組件從工業角度定義了一個參考架構,在生產、液壓機產品和服務方面具有適用性,目標是在實踐物、服務、人、機器的互聯網時減少界面數量,并標準化工程語言。因此,“工業4.0”組件的管理可在生產現場和管理部門之間、不同模型之間、不同利益相關者之間建立連接。不同聯盟之間要建立合作關系,鑒別不同的模型,促進模型在液壓機產品、系統、數據、服務方面的實踐。但是,由于互操作性是實現“工業4.0”的必要條件,所以只有形成統一的模型,最終的解決方案才能給用戶帶來最優的利益。虛實結合的智能制造參考架構
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