丁研 | 自動化的演化路徑（下）
頂層的行動綱領(lǐng)
從實踐角度講，“生產(chǎn)工具普及”的說法更具說服力。以控制系統(tǒng)為例，該項技術(shù)早在工業(yè)3.0階段之前（上世紀(jì)70年代以前），便已經(jīng)被發(fā)明與使用；然而，由于受限于控制電路的開發(fā)效率，所以直到PLC的普及之后，控制系統(tǒng)才真正在工業(yè)中得到大規(guī)模推廣。
與上述邏輯相同，只有智能制造中的技術(shù)被大范圍使用時，工業(yè)4.0時代才算真正的來臨。然而，由于涉及到各類工業(yè)軟件的集成應(yīng)用，以及由此帶來的高昂成本，智能制造的普及也絕非易事。
圖1 工業(yè)4.0參考架構(gòu)(來源：工業(yè)4.0官網(wǎng))
集成難、集成貴的問題絕非一兩家企業(yè)能夠解決的問題，因此需要行業(yè)內(nèi)的主要參與者坐在一起，并就標(biāo)準(zhǔn)與路線達(dá)成共識，而這也是工業(yè)4.0參考架構(gòu)(RAMI 4.0)這一頂層行動綱領(lǐng)產(chǎn)生的大背景。
工業(yè)4.0參考架構(gòu)由德國電工電子于信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(DKE)主持與擬定，其內(nèi)容可以由一個三維立方體進(jìn)行概括；生命周期價值鏈和系統(tǒng)層級兩個維度是對智能制造（或物理信息系統(tǒng)）應(yīng)用場景的總結(jié)，其中生命周期價值鏈維度闡述了從產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)工藝研發(fā)、再到實際生產(chǎn)與產(chǎn)品的一整套流程；而系統(tǒng)層級則覆蓋了從產(chǎn)品、感知、裝備，到車間、工廠、企業(yè)各層級的數(shù)字化功能。
RAMI 4.0的前兩個維度涵蓋到了眾多的環(huán)節(jié)，如果這些工業(yè)要素都處于彼此孤立的狀態(tài)，智能制造的潛力將難以發(fā)揮；為此，RAMI 4.0將（標(biāo)準(zhǔn)）共性技術(shù)引入到“立方體”的第三個維度，并希望借此提高各工業(yè)要素的集成效率。同時，當(dāng)把（第三維度中的）各項標(biāo)準(zhǔn)/技術(shù)組合為一個整體時，便又出現(xiàn)了一個新的概念-數(shù)字孿生。
圖2 資產(chǎn)管理殼（來源：Detail of Asset Administration Shell）
如果從之前提到的語言角度出發(fā)，系統(tǒng)構(gòu)成碎片化，實質(zhì)上是數(shù)字模型“語言不統(tǒng)一”所帶來的問題（可以理解為“方言”），而“通用語言”的推廣，則有利于將各類模型統(tǒng)一到一個彼此相容的“數(shù)字虛擬空間”內(nèi)。
實現(xiàn)數(shù)字化“語言”的一統(tǒng)，無論是從頂層設(shè)計層面，還是在想法落地階段，都是一項龐大的系統(tǒng)工程。
首先，設(shè)計者需要將數(shù)字模型的通用特性進(jìn)行系統(tǒng)梳理，其中涉及到數(shù)字模型的編排方式、信息組織結(jié)構(gòu)、運行與通訊的機制、技術(shù)支撐體系等一系列問題；
其次，參與統(tǒng)一數(shù)字空間構(gòu)建的各方，需要將本行業(yè)既有的知識、行業(yè)Know-How，“翻譯”為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字模型規(guī)范；
最后，技術(shù)開發(fā)者需要根據(jù)模型規(guī)范，開發(fā)相應(yīng)的模型功能，并集成模型背后既有的技術(shù)（如算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、通訊協(xié)議等）。
為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，工業(yè)4.0工作組于2015年開始著手準(zhǔn)備，并于2018年推出了俗稱德國版數(shù)字孿生的資產(chǎn)管理殼(Asset Administration Shell - AAS)標(biāo)準(zhǔn)體系；由于被視為支撐、構(gòu)建工業(yè)4.0“數(shù)字空間”的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此資產(chǎn)管理殼也被稱為工業(yè)4.0語言(I4.0 Language)。
自動化開放性語言應(yīng)對三不統(tǒng)一
圖3 自動化系統(tǒng)的碎片化問題(來源：部分圖片來源自西門子)
無論是工業(yè)數(shù)字化早期的可編程控制器，還是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、兩化融合，自動化一直在伴隨著技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)步。未來，隨著柔性加工、柔性運輸、自適應(yīng)產(chǎn)線、增材制造、智能機器人等智能制造場景的普及，自動化也將在工業(yè)體系中繼續(xù)發(fā)揮至關(guān)重要的的作用。
標(biāo)準(zhǔn)/技術(shù)的碎片化、工程/開發(fā)的高成本，是自動化發(fā)展中不得不突破的瓶頸。而造成這一現(xiàn)象的背后原因同樣也在于統(tǒng)一模型“語言”的缺失。
通訊協(xié)議不統(tǒng)一（發(fā)音不統(tǒng)一）：自動化系統(tǒng)在運行過程中，會不斷的與其它系統(tǒng)（如MES/CAX/自動化系統(tǒng)）分享設(shè)備、產(chǎn)線、工藝相關(guān)的數(shù)據(jù)，同時自動化系統(tǒng)也會不斷的接收其它系統(tǒng)發(fā)來的操作指令；當(dāng)通信協(xié)議不統(tǒng)一時，會給集成商、軟件開發(fā)人員帶來一系列的附加成本。
信息結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一（語法不統(tǒng)一）：自動化系統(tǒng)會通過數(shù)據(jù)字典對自身的信息構(gòu)成進(jìn)行描述，同時數(shù)據(jù)字典還可以作為工程模板，用于工程知識的沉淀與復(fù)用；各廠商數(shù)據(jù)字典格式的不同，會造成相同設(shè)備（如機器人、機床、閥門等設(shè)備）的數(shù)據(jù)格式千差萬別，并導(dǎo)致工程效率的下降。
工程&技術(shù)語言的不統(tǒng)一：在現(xiàn)代自動化系統(tǒng)中，很多技術(shù)都是跨專業(yè)的。涉及到大量跨專業(yè)、跨領(lǐng)域的應(yīng)用。例如CAM和控制工藝的組合，可以實現(xiàn)數(shù)控機床、3D打印等應(yīng)用場景；CAD、成像技術(shù)和機器人控制功能的融合，則可實現(xiàn)形狀質(zhì)檢功能；而標(biāo)識技術(shù)與控制功能的組合，則可實現(xiàn)柔性加工、柔性運輸?shù)膱鼍埃挥捎诟鲗I(yè)模型背后隱含了一系列彼此不兼容的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，因此也使跨專業(yè)的融合應(yīng)用，成為發(fā)展未來自動化的主要難點。
為了使自己的產(chǎn)品更開放、兼容與可持續(xù)，自動化行業(yè)需要探索出一套融合且統(tǒng)一的“通用語言”體系；在這一共同目標(biāo)的驅(qū)動下，原本屬于不同陣營的自動化廠商開始坐在一起，并形成了一系列意在解決“語言”問題（又稱互操作性）的標(biāo)準(zhǔn)（如OPC UA、IEC61131-補充內(nèi)容、IEC 61499、AutomationML等）。
圖4 OPC基金會合作伙伴(來源：OPC基金會)
OPC UA（OPC統(tǒng)一架構(gòu)）是過去十多年間，非常值得關(guān)注的語義互操作標(biāo)準(zhǔn)之一。
首先，OPC UA提供了一套基礎(chǔ)的信息模型規(guī)則（基礎(chǔ)語法），供各細(xì)分行業(yè)（在基礎(chǔ)模型之上）設(shè)計面向自己行業(yè)（如裝備、通訊、控制、CAD等）的行規(guī)模型（行業(yè)語言及Know-How）。
其次，OPC UA提供的通訊能力，可以將工業(yè)通訊協(xié)議(Modbus等)、通訊網(wǎng)絡(luò)(TSN,5G)，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的OPC UA通訊接口（語言發(fā)音）。
最后，當(dāng)不同的模型被“翻譯”為OPC UA這一“公共語言”時，原本彼此割裂的網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、知識，便融入到了OPC UA的（分布式）數(shù)字空間中，而由此構(gòu)成的系統(tǒng)，也隨之具備了跨系統(tǒng)、跨網(wǎng)絡(luò)、跨專業(yè)的能力。
由于上述原因，OPC UA在過去十年間，逐漸發(fā)展為涵蓋裝備行業(yè)Know-How(行業(yè)設(shè)備模型)、數(shù)字孿生(對CAX軟件的集成能力)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（標(biāo)識技術(shù)、M2M）以及新興ICT技術(shù)(邊緣計算/5G/TSN)的標(biāo)準(zhǔn)化家族體系。同時，工業(yè)4.0在制定資產(chǎn)管理殼（AAS）標(biāo)準(zhǔn)時，OPC UA也被順理成章的吸納到工業(yè)4.0的體系之中。
工業(yè)數(shù)字化的未來
圖5 工業(yè)4.0 2030愿景(來源：工業(yè)4.0官網(wǎng))
隨著工業(yè)4.0的逐漸落地，德國也于近期推出了下一個十年規(guī)劃-“2030愿景”，并將“互操作性、自主性、可持續(xù)性”作為下一階段所要達(dá)成的目標(biāo)。雖然看似籠統(tǒng)，但如果對工業(yè)4.0參與者的動向有所了解，便會發(fā)現(xiàn)上述愿景實際上是一套正在實施的行動計劃。
自主性：在工業(yè)軟件方面，以西門子、達(dá)索為代表的巨頭則在不遺余力的自研或收購相關(guān)的公司和技術(shù)；同時，德語圈的幾個國家，也在就芯片（尤其是用于嵌入式系統(tǒng)的芯片）供應(yīng)鏈安全方面尋求自主化；在關(guān)鍵軟硬件供應(yīng)得到保障后，數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也開始被提上日程，這便是歐洲的Gaia-X數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施計劃。
互操作性：德國與歐洲正在通過資產(chǎn)管理殼（數(shù)字孿生）這一“公共語言”構(gòu)建協(xié)同、兼容、一統(tǒng)的“數(shù)字模型虛擬空間”；而人工智能技術(shù)的使用，則可以對“數(shù)字空間”中的“語言”進(jìn)行進(jìn)一步“洞察”，并使隱性的規(guī)律顯性化（如設(shè)備故障，開發(fā)者建模習(xí)慣等）。
可持續(xù)性涉及到如何通過教育培訓(xùn)，使社會各方參與到“數(shù)字空間”的構(gòu)建中，并借此實現(xiàn)可續(xù)的經(jīng)濟發(fā)展模式（生產(chǎn)靈活性、循環(huán)經(jīng)濟、環(huán)保）。
通過一系列的努力，“數(shù)字模型空間”也將隨之建成，而一個國家也將進(jìn)入到以數(shù)字模型為驅(qū)動的知識型社會；屆時，人不但可以通過易用的工具，將知識、設(shè)想注入給機器，并使機器更好的服務(wù)于人，而且得益于標(biāo)準(zhǔn)化以及配套的教育體系，整個社會對“數(shù)字模型空間”的使用成本，也將得到極大的降低。
與上面形成鮮明對比的是，一些熱衷炒作的市場參與者（如部分美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟成員），由于缺乏對工業(yè)數(shù)字化發(fā)展規(guī)律的必要認(rèn)知與敬畏，承接了大量超出自身能力的工程任務(wù)，并陷入到項目交付的泥潭中，難以自拔。然而，當(dāng)從泥潭中抽身之后，再回過頭看看自己的原有產(chǎn)品，則由于缺少必要的關(guān)注與維護(hù)，仍處于原地踏步的狀態(tài)。
小記
與其他從事工業(yè)軟件的同行一樣，自動化也是通過幾十年的打磨，并通過用戶不斷的使用與反饋，發(fā)展出的產(chǎn)業(yè)。
自動化要得到廣泛的應(yīng)用，需要針對各細(xì)分行業(yè)提供不同的工藝方案；而在交付階段，則需要投入大量的人力物力，對工業(yè)現(xiàn)場的系統(tǒng)進(jìn)行安裝、配置與調(diào)試。
為了使一線的工程師（電氣、機械、工藝）能夠開發(fā)自動化系統(tǒng)；需要根據(jù)他們的知識結(jié)構(gòu)，量身定制系統(tǒng)開發(fā)的語言，并提供簡單、易用的開發(fā)工具。
而為了順應(yīng)未來的趨勢，需要主動的參與到行業(yè)的頂層設(shè)計工作中，甚至于主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的制定與推廣工作。自動化是一項涉及到多方面內(nèi)容的系統(tǒng)工程，而要形成這樣一套產(chǎn)業(yè)，并且為中國智能制造更好地服務(wù)，這將是一個深入且漫長艱苦的過程。
