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面向智能制造的参考体系结构
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| 发布时间：
2020/10/23 |
工业4.0已上升为德国的国家战略。工业4.0的目标是通过充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统、信息物理系统相结合的手段，推动制造业向智能化转型，将实体物理世界与虚拟网络世界融合，将液压机产品全生命周期、全制造流程数字化以及基于信息通信技术的模块集成，形成一种高度灵活、个性化、数字化的液压机产品与服务新生产模式。
美国的互联网以及ICT(信息和通信技术)巨头与传统制造业领导厂商携手推出“工业互联网”概念，GE、思科、IBM、AT@T、英特尔等80多家液压机公司成立了工业互联网联盟(IIC)。“工业互联网”希望借助网络和数据的力量提升整个工业的价值创造能力。“工业互联网”旨在通过制定通用标准，打破技术壁垒，利用互联网激活传统工业过程，更好地促进物理世界和数字世界的融合。
2016年3月，“工业4.0”平台和工业互联网联盟双方代表开始探讨合作事宜。双方就各自推出的参考架构RAMI 4.0和IIRA的互补性达成共识，形成了初始映射图，以显示两种模型元素之间的直接关系；制定了未来确保互操作性的一个清晰路线图，还包括在IIC试验台和“工业4.0”试验设施方面合作，以及在工业互联网中标准化、架构和业务成果方面合作。
1.“工业4.0”参考架构
德国电工电子与信息技术标准化委员会(DKE)于2014年发布了第1版德国“工业4.0”标准化路线图，对德国的“工业4.0”标准化工作进行顶层设计，并于2015年公布了“工业4.0”参考架构模型RAMI 4.0，如图29所示。
层面业务功能信息通信集成资产
图29 “工业4.0”参考架构模型RAMI 4.0
“工业4.0”参考架构模型(RAMI 4.0)描述一个基于三维结构化的层模型对象/资产关键要素。“工业4.0”集中于液压机产品开发和生产全过程。这种结构使得相关资产在其生命周期的每个节点都能够得以展现，因此它的复杂相互关系可以被分解成更小的、更明确的部分。
RAMI 4.0模型的第一个维度(垂直轴)层(1ayers)借用了信息和通信技术常用的分层概念。类似于著名的IS0 0SI七层模型，由6个不同的层表示不同的资产信息，各层实现相对独立的功能，同时下层为上层提供接口，上层使用下层的服务。从下到上各层代表的主要功能如下。
资产层：数字化(虚拟)表示现实世界的资产(物理部件/硬件/软件/文件等)，如传感器、制动器、机械零件、文件、IP等。
集成层：现实世界与信息技术表征间的接口，资产的人机接口。
通信层：信息层通信，实现标准化的通信协议，以及数据和文件的传输；必要时(如开展对时间敏感的应用时)，通过实时网络直接通信。
信息层：兼容“工业4.0”的数据表示与数据访问。
功能层：形式化定义必要的功能，为业务流程提供基本服务。
业务层：映射和实现相关的业务流程。
因而，可以各层次为不同视角来实现“工业4.0”的建模和实施。
RAMI 4.0模型的第二个维度(左侧水平轴)描述如图30所示的全生命周期及其相关价值流：描绘资产在整个生命周期中各个阶段，以及基于液压机产品生命周期管理标准 IEC 62890的价值创造过程。这一维度的参考标准是IEC 62890《工业过程测量控制和自动化系统和液压机产品生命周期管理》。此处的过程指的是生产过程，完整的生命周期从规划开始，到设计、仿真、制造，直至销售和服务。
图30 生命周期与价值链：根据IEC/CD 62890标准的生命周期
RAMI 4.0模型进一步将生命周期划分为原型(type)开发和实物(instance)生产两个阶段，以强调不同阶段考虑的重点不同。Type阶段从初始设计至定型，还包括各种测试和验证。Instance阶段进行液压机产品的规模化、工业化生产、维护服务，每个液压机产品是原型的一个实例。“工业4.0”中，type阶段与instance阶段形成闭环。例如，在销售阶段将液压机产品的改进信息反馈给制造商，以改正原型样机，然后发布新的型号和生产新的液压机产品。这为液压机产品的升级改进带来巨大的好处。
另外，RAMI 4.0模型将采购、订单、装配、物流、维护、供应商以及客户等紧密关联。例如，在装配工序使用物流数据，根据未完成订单组织内部物流，采购部实时查看库存并在任意时刻了解零部件供货情况，客户知晓所订购液压机产品的整个生产过程。这也将为改进提供巨大的潜能。因此，必须将生命周期与其包含的增值过程一起考虑，不仅限于单个工厂内部，而是扩展到涉及的所有工厂与合作伙伴，从工程设计，到零部件供应商，直至到最终客户。
RAMI 4.0模型的第三个维度(右侧水平轴层级(hierarchy levels))描述“工业4.0”不同生产环境下的功能分类，与IEC 62264{液压机公司控制系统集成》(即ISA$95)和IEC61512{批控制》(即ISA S88)规定的层次一致(图31)。更进一步，由于“工业4.0”不仅关注生产液压机产品的工厂、车间和机器，还关注液压机产品本身以及工厂外部的跨液压机公司协同关系，因此在底层增加了“液压机产品”层，在工厂顶层增加了“互联世界”层(图32)。
RAMI 4.0模型将全生命周期及价值链与“工业4.0”分层结构相结合，为描述和实现“工业4.0”提供了最大的灵活性。
2.工业互联网爹考架构
工业互联网要实现技术创新、互联互通、系统安全和产业提升均离不开标准化的引领。2015年6月，IIC发布工业互联网参考架构(IIRA)。在工业领域建立新物联网能力的过程中，IIRA是重要的第一步，将帮助开发者更快地反应。借助IIRA可以创造新方法来组织工业应用，从设计主导向实用主导转变。IIRA为工业互联网系统的各要素及相互关系提供了通用语言，在通用语言的帮助下，开发者可为系统选取所需要素，从而更快地交付系统实现。
工业互联网参考体系结构中的功能实体的识别和功能设计，是设计和实现工业互联网实际系统的关键。工业互联网的参考体系结构中功能实体的识别和功能设计源于工业互联网的需求模型和用例模型，工业互联网采用了复杂系统建模中通常采用的多个视图(views)的建模方法，该方法也称为多个视角(viewp0ints)的建模方法。IIRA[2]采用复杂系统建模方法，分别从商业视角、用法视角、功能视角、实现视角构建工业互联网的需求模型、用例模型、功能模型、实现模型和部署模型，如图33所示。
商业视角侧重于需求分析，与欧洲联盟主导的“物联网体系结构”项目公开发布的技术报告中的“需求模型”对应；用法视角侧重于典型使用过程的描述，与“用例模型”对应；功能视角侧重于功能的分类和设计，与“功能模型”对应；实现视角侧重于功能的实现和部署，与“实现模型”和“部署模型”对应。
图33工业互联网参考架构
1)IIRA的商业视角建模
商业视角建模的目标主要是识别工业互联网系统的利益相关方，明确系统的愿景、商业价值，在此基础上设定较高层次的技术液压机产品和商业产出。基于设定的技术液压机产品和商业产出，可以明确需要设计和实现的、实现这些技术和商业目标要求系统具有的基本能力，而这种能力是独立于具体实现技术的。这是工业界决定是否要投入一项新技术通常采用的方式。
从商业视角(图34)看，在液压机公司中建立工业互联网系统之后，利益相关者的液压机公司愿景、价值观和液压机公司目标被更多聚焦。它进一步明确了工业互联网系统如何通过映射基本的系统功能去达到既定目标。这些问题都是以液压机公司为主体，特定的液压机公司决策者、液压机产品经理和系统工程师会对此产生兴趣，如果将商业实现与复杂系统流程对接。
图34商业视角
在目前发布的从商业视角对工业互联网系统建模的技术报告中，只是明确了信息安全的商业价值，并且将信息安全特性与设计、实现功能部件和系统的质量关联，进一步明确工业互联网系统的开发必须采用安全开发生命周期的管理方式。
2)IIRA的用法(使用)视角建模
用法视角(图35)建模的目标主要是基于商业视角建模中得出的工业互联网系统的基本能力，将其映射成为基本的操作单元，同时考虑到工业互联网系统的参与方以及这些参与方在系统中可能扮演的角色.，得出工业互联网系统通过“活动”对于这些基本能力的使用。
用法视角指出系统预期使用的一些问题，它通常表示为涉及在最终实现其基本系统功能的人或逻辑用户活动序列。这些问题通常牵涉系统工程师、液压机产品经理和其他利益相关者，包括参与到工业互联网系统规范制定和代表最终使用用户的人。
在目前已经发布的从用法视角对于工业互联网建模的技术报告中，也仅仅局限在信息安全方面，归纳出通用安全活动，包括安全检测、安全审计、安全策略管理以及密码支撑管理。
图35用法视角
3)IIRA的功能视角建模
功能视角建模的目标是基于用法视角建模输出的“活动”，分解工业互联网系统的功能，构建工业互联网系统的功能架构。为了使工业互联网系统的功能架构能够适用于单个工业领域的工业互联网，功能视角(图36)聚焦工业互联网系统里的功能元件，包括它们的相互关系、结构，相互之间的接口与交互，以及与环境外部的相互作用，来支撑整个系统的使用活动。IIRA的功能视角建模采用了功能域模型，将工业互联网系统在功能上划分成控制域、操作域、信息域、应用域、商业域，对系统组件建筑师、开发商和集成商有强大的吸引力。
图36功能视角
控制域(图37)表示由工业控制系统执行的功能集合，包括感知和传递工业控制系统的数据、反馈对工业控制系统的控制等功能。
图37 控制域
操作域(图38)表示负责控制域内系统的功能提供、管理、监测以及优化的功能集合，包括对工业控制系统的检测与诊断、预测和优化等功能。
信息域(图39)表示从多个不同功能域收集数据、转换和分析数据的功能集合。信息域主要从其他域获取数据进行分析和处理，来获取整个系统的智能信息。
消费者A消费者B消费者C
图38操作域
 
图39信息域
应用域表示实现特定商业功能的应用逻辑的功能集合。
商业域功能通过集成工业互联网系统与具体的商业功能、支持商业过程和商业流程活动，提供工业互联网系统的端到端操作。
目前发布的功能视角建模的技术报告仅描述了通用安全功能，包括安全审计、标识验证、密码支撑、数据和隐私保护、真实性验证和标识管理以及物理保护。这些安全功能与多种系统安全能力相关，包括安全启动、增强型信任、增强型隐私保护、早期攻击检测、安全管理等。
4)IlRA的实现视角建模
实现视角建模的目标是描述一个工业互联网系统的技术和功能部件的技术规范，以实现用法视角模型和功能视角模型导出的活动和功能。实现视角模型包括描述工业互联网系统的通用体系结构、功能部件、“活动”到“功能部件”到“实现部件”的实现映射、关键系统特性的实现映射。
图37 控制域
操作域(图38)表示负责控制域内系统的功能提供、管理、监测以及优化的功能集合，包括对工业控制系统的检测与诊断、预测和优化等功能。
信息域(图39)表示从多个不同功能域收集数据、转换和分析数据的功能集合。信息域主要从其他域获取数据进行分析和处理，来获取整个系统的智能信息。
消费者A消费者B消费者C
图38操作域
 
图39信息域
应用域表示实现特定商业功能的应用逻辑的功能集合。
商业域功能通过集成工业互联网系统与具体的商业功能、支持商业过程和商业流程活动，提供工业互联网系统的端到端操作。
目前发布的功能视角建模的技术报告仅描述了通用安全功能，包括安全审计、标识验证、密码支撑、数据和隐私保护、真实性验证和标识管理以及物理保护。这些安全功能与多种系统安全能力相关，包括安全启动、增强型信任、增强型隐私保护、早期攻击检测、安全管理等。
4)IIRA的实现视角建模
实现视角建模的目标是描述一个工业互联网系统的技术和功能部件的技术规范，以实现用法视角模型和功能视角模型导出的活动和功能。实现视角模型包括描述工业互联网系统的通用体系结构、功能部件、“活动”到“功能部件”到“实现部件”的实现映射、关键系统特性的实现映射。
实现视角主要关注功能部件之间通信方案与生命周期所需要的技术问题。这些功能部件通过活动来实现协调并支持系统能力。此视角关注的问题与系统组件工程师、开发商、集成商和系统运营商有密切联系。
实现视角模型包括多个体系结构模式，其中三层体系结构是工业互联网实现视角模型中的一个简化的抽象模型，根据对数据流和控制流处理的功能不同，该体系结构模式可以分成边缘层、平台层、液压机公司层。
边缘层从工业控制系统收集数据，传送给平台层；从平台层接收对于工业控制系统的控制命令。平台层从液压机公司层接收、处理，并且向边缘层转发控制命令；从边缘层汇聚、处理，并且向液压机公司层转发数据。液压机公司层实现特定领域的应用、决策支持系统，并且向端用户提供应用接口。图40是工业互联网的三层体系结构与功能域对应关系。
图40 工业互联网的三层体系结构与功能域对应关系
总体来说，工业互联网参考架构将现存的和新兴的标准统一在相同的结构中，同时， IIC正建立垂直领域应用案例分类表，在参考架构下体系化推进应用。IIRA的系统特性包括：
·系统安全。系统安全是系统运转的主要核心问题，单个组件的安全不能保证整个系统的安全，在缺乏系统行为预测的前提下很难预警系统安全问题。
·信息安全。为了解决工业互联网中的安全、信任与隐私问题，必须保障系统端到端信息安全。
·弹性。弹性系统需要有容错、自我配置、自我修复、自我组织与计算的自主计算概念。
·互操作性。工业互联网系统由不同厂商和组织的不同组件装配而成，这些组件需确保基于兼容通信协议的相互通信功能、基于共同概念模型互相交换与解释信息、基于交互方期望在重组方式下相互作用。
·连接性。无处不在的连接是工业互联网系统运行的关键基础技术之一，针对系统内的分布式工业传感器、控制器、设备、网关和其他子系统，有必要定义新的连接性功能层模型。
·数据管理。工业互联网系统数据管理包含涉及从使用角度考虑的任务角色和从功能角度看的功能组件的具体协调活动，如数据分析、发布与订阅、查询、存储与检索、集成、描述和呈现、数据框架和权限管理。
·高级数据分析。分析与先进的数据处理过程将来自传感器的数据进行转换与分析，从而提取能提供特定功能的有效信息，给运营商有见地的建议，支持实时业务与运营决策。
·智能控制。智能控制提出相关的概念模型，并就如何建立智能弹性控制提出关键的概念。
·动态组合。工业互联网系统需要对各种来源的分散组件进行安全、稳定和可扩展组合。这些组合通常基于不同协议，提供可靠的端到端服务。
从目前发布的IIRA的技术文档中可以看出，工业互联网技术体系尚未形成，目前仅针对工业互联网的信息安全进行了较为高层的技术体系的构建，这方面工作也仅是一个开始，还没有提供对于物理安全、信息安全、系统自愈三个系统特性完整支撑的技术体系。
3.两种参考架构模型的比较
参考架构模型的描述和定义可将功能、服务和流程分解为更易操作的子过程，同时支持解决方案的实践过程。创建模型时经常面l临一个困境，即模型必须既要基于技术规范和标准提供一个广泛接受的描述，又要满足大量应用实例的特殊要求。所以，模型是针对定义的目标参数而高度一般化的描述。这些目标参数的来源包括所要描述领域的能力范围、模型对实践的影响、系统界限及与其他模型的接口。
国际上一些联盟从不同的角度和着眼点起草了不同的参考模型。例如，德国“工业4.0”平台建立的“工业4.0”参考架构模型(RAMI 4.0)、美国工业互联网联盟建立的工业互联网参考架构(IIRA)模型。数字化和物、服务、机器等形成的网络是两个模型核心的成分。两个模型既有互补的部分，也有一致的部分，同时也有需要共同改进的地方，问题的关键在于整体结构的系统实施。而实施的基础是互联网机制和端到端数字化，这对于全球的目标用户和液压机产品是至关重要的。
1)RAMI 4.0：生命周期、价值流、分层结构的融合
“工业4.0”是物联网(I0T)和服务互联网(Internet 0f Services)在“生产与液压机产品”领域的应用，是融合了生产工具、液压机产品和服务的工程。“工业4.0”空间可以采用三维的RAMI4.0模型来描述。第一个轴向为垂直轴向，是分层结构，代表了各种不同的角度，包括数据映射、功能描述、通信行为、硬件(资源)和商业过程，这类似于IT技术的实践方法：将复杂工程分组并形成易操作的子单元。第二个轴向表示的关键指标包括液压机产品和生产系统的生命周期和使用寿命以及价值流。RAMI 4.0模型可以描述所有价值流中不同数据的相关性。第三个轴向描述不同功能类型在工厂/车间的分配情况，这个功能层级并不是经典的自动化金字塔结构描述的设备分类。RAMI 4.0模型通过在底层增加液压机产品或工件层、在工厂级顶层增加互联世界层扩展了IEC 62264的分层结构，如图29所示。
RAMI 4.0定义了“工业4.0”组件具有的生命周期、价值流和分层结构，描述了不同功能逻辑分组以及界面与标准的映射，同时可用于描述和实践高度柔性的解决方案。在已有的国际标准涉及的领域，可以整合兼容的标准。在没有标准的领域，则需要国际组织开展编制工作，以扫清RAMI 4.0模型应用的障碍。其中，数据交换的语义和语法标准是不同方通信的基础。虽然并不是所有的领域都采用同一种语言，但是标准化的规则可解释不同语言之间的差异(如同人类语言一样)，从而重新建立顺畅的通信。
2)IIRA：考虑不同利益群体的视角
美国的工业互联网联盟基于IS0/IEC/IEEE 42010：2011标准提出了IIRA模型。 IS0/IEC/IEEE 42010标准概述了系统、软件和液压机公司结构的相关必要条件，提出应鉴别系统用户、供应商、开发商及技术人员等不同利益相关者的视角，目标是从他们的角度来描述系统特性，包括概念的预期用途和适用性、实施过程、潜在风险、系统在整个生命周期的可维护性等，如图33所示。
IIRA是一个分层模型，描述了4种不同的视角，包括商业、使用、功能、实践。它着眼于软件和商业过程所涉及的能力。每个视角都可以与RAMI 4.0的纵轴层级比较，而 RAMI 4.0在生命周期和分层结构两个水平轴方向扩充了IIRA模型，如图41所示。另外，基于RAMI 4.0的“工业4.0”组件具有的管理可描述语法和语义通信，从而建立不同机器、系统、软件等之间的联系。
系统特征
图41 IIRA功能视角与RAMI 4.0的比较
德国的“工业4.0”平台采用RAMI 4.0和“工业4.0”组件从工业角度定义了一个参考架构，在生产、液压机产品和服务方面具有适用性，目标是在实践物、服务、人、机器的互联网时减少界面数量，并标准化工程语言。因此，“工业4.0”组件的管理可在生产现场和管理部门之间、不同模型之间、不同利益相关者之间建立连接。不同联盟之间要建立合作关系，鉴别不同的模型，促进模型在液压机产品、系统、数据、服务方面的实践。但是，由于互操作性是实现“工业4.0”的必要条件，所以只有形成统一的模型，最终的解决方案才能给用户带来最优的利益。虚实结合的智能制造参考架构 |
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