美國智能制造三部曲（下）| 去中心化的挑戰(zhàn)

　　在過去的30年里，大多數(shù)制造業(yè)的國際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)高度成熟。然而，智能制造系統(tǒng)像長身體的孩子一樣迎風(fēng)而起，使得原有一部分標(biāo)準(zhǔn)像是顯得過小的衣服，必須加以修訂。全新智能制造生態(tài)系統(tǒng)的若干領(lǐng)域，一經(jīng)識(shí)別和描述，那么新的標(biāo)準(zhǔn)和舉措，都變成了一種不容等待的呼叫。

　　在這樣一個(gè)當(dāng)口，我們首先需要識(shí)別的是，背后是什么在發(fā)生根本性的變化?

　　傳統(tǒng)的自動(dòng)化層級(jí)被顛覆的

　　最引人注目的是，傳統(tǒng)自動(dòng)化控制層級(jí)的變化。要想完整實(shí)現(xiàn)智能制造系統(tǒng)功能，必須替代傳統(tǒng)制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中，那種基于金字塔分層模型的控制范式。CPS賽博物理系統(tǒng)，給出了一個(gè)基于分布式的新制造服務(wù)范式，這也稱為賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng) (CPPS)。由于各種智能設(shè)備的引入，設(shè)備可以相互連接從而形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。每一個(gè)層面，都擁有更多的嵌入式智能和響應(yīng)式控制的預(yù)測分析;每一個(gè)層面，都可以使用虛擬化控制和工程功能的云計(jì)算技術(shù)。

　　有了這些能力，使用新的方法來控制跨層級(jí)的更廣泛的自動(dòng)化操作就變?yōu)榱丝赡堋?nbsp; 

　　圖1：分布式服務(wù)使得自動(dòng)化層級(jí)被分解

　　新的面向服務(wù)范式最終將智能制造系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成一個(gè)完全連接和集成的系統(tǒng)，如圖2所示。除了在車間級(jí)別上對(duì)時(shí)序和安全要求非常嚴(yán)格的一些制造功能外，所有在這三個(gè)維度和制造金字塔內(nèi)部的制造功能都可以被虛擬化和被托管成服務(wù)。  

　　圖2：基于服務(wù)的智能制造系統(tǒng)

　　這個(gè)全新制造式的改變，需要我們打破多年來形成的控制分層的思維模式，而向全連接、分布式的智能制造系統(tǒng)去靠攏。2

　　智能制造的標(biāo)準(zhǔn)與

　　生態(tài)系統(tǒng)映射分析

　　現(xiàn)有的制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足面向服務(wù)的智能制造生態(tài)系統(tǒng)。作為嗷嗷待哺的標(biāo)準(zhǔn)，包括：體系參考架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)安全、工廠聯(lián)網(wǎng)、供應(yīng)鏈集成，以及數(shù)據(jù)從工廠車間到企業(yè)級(jí)的無縫傳輸。具體地說，在這些領(lǐng)域新的或改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)，仍然是瞄準(zhǔn)智能制造的四大目標(biāo)，提高敏捷性(A)、質(zhì)量(Q)、生產(chǎn)率(P)和可持續(xù)性(S)。借著美國國家標(biāo)準(zhǔn)院的這個(gè)提法，我們?cè)诖艘残枰?jǐn)慎地提醒讀者，新一代工業(yè)升級(jí)顯然是多目標(biāo)的。有些認(rèn)為工業(yè)4.0的目標(biāo)就是大規(guī)模個(gè)性化定制生產(chǎn)，是過于偏頗的。在許多裝備制造業(yè)領(lǐng)域，定制生產(chǎn)并非第一選項(xiàng)。  

　　圖3：智能制造的四大目標(biāo)

　　那么，到底需要何種技術(shù)，來支持何種功能?下表給出了智能制造體系的映射表。第一列表示新標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)會(huì)領(lǐng)域。第二列顯示出新標(biāo)準(zhǔn)如何影響智能制造生態(tài)系統(tǒng)包括產(chǎn)品生命周期、生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期、商業(yè)周期和智能制造金字塔(SPP)。第三列顯示了新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智能制造的能力支撐。這個(gè)表并不是完整的，而只是作為探索和討論智能制造標(biāo)準(zhǔn)起點(diǎn)的基礎(chǔ)要素。

　　智能制造體系的映射表  

　　以PLM/MES集成為例，產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)如果能結(jié)合制造工藝數(shù)據(jù)，就可以對(duì)過程本身做一個(gè)更好的分析,在生產(chǎn)率、可持續(xù)性和質(zhì)量方面促進(jìn)過程改進(jìn)。例如，分析產(chǎn)品性能有時(shí)可以揭示在生產(chǎn)中的質(zhì)量問題。這是對(duì)CPS最為完美的闡述。

　　智能制造系統(tǒng)SMS的愿景之一就是，產(chǎn)品成為真正的生命體，本身可以包含歷史。每一個(gè)產(chǎn)品都有一個(gè)不間斷的自傳，如何、何時(shí)、何地被制造出來的。MTConnect研究所已經(jīng)開始研究這一類標(biāo)準(zhǔn)活動(dòng)，完善產(chǎn)品的可追溯性。而大數(shù)據(jù)和云制造技術(shù)，則提供更多類型的先進(jìn)分析和服務(wù)，從而使它們更容易被制造商訪問。

　　這張圖表最引人注意的地方就是，美國標(biāo)準(zhǔn)院非常肯定地強(qiáng)調(diào)，智能制造系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)中，都涉及到了工業(yè)參考體系(reference architecture)，包括功能模型和體系架構(gòu)的定義——這也是筆者一直在呼吁的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。只有有了高質(zhì)量的工業(yè)參考體系，企業(yè)內(nèi)部、外部包括供應(yīng)鏈和用戶，才能真正將各種功能集成在一起。毫無疑問，“中國制造2025參考體系”是不能不看、不能不聽、不能不說的的攔路石。任何對(duì)參考體系的省略與忽視，都會(huì)讓我們?cè)谶@次工業(yè)升級(jí)的起始元年(不妨定義在2015年)，在起跑線上留下了致命的伏筆。3工業(yè)升級(jí)的全球版本寫到這里，美國標(biāo)準(zhǔn)院NIST不無得意地聲稱，描述到的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域已經(jīng)被擴(kuò)展到智能制造系統(tǒng)功能。當(dāng)然，NIST也注意到了全球范圍內(nèi)也出現(xiàn)了許多其他的戰(zhàn)略方向，但也只是略帶散漫地聲稱，“這些的技術(shù)變革趨勢，對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)遇也有各自的貢獻(xiàn)?！?/p>

　　每個(gè)機(jī)構(gòu)都是只覺得自己的孩子最漂亮吧。NIST心不在焉地描述了別的工業(yè)方向和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。工業(yè)4.0?是的，工業(yè)4.0工作組建議以標(biāo)準(zhǔn)化和開放標(biāo)準(zhǔn)做為參考架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的首要任務(wù)。

　　物聯(lián)網(wǎng)?在物聯(lián)網(wǎng)IoT領(lǐng)域，歐盟(EU)成立了多個(gè)項(xiàng)目開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)參考模型和參考架構(gòu)。IoT@Work是歐盟另外一個(gè)項(xiàng)目，由西門子公司主導(dǎo)，致力于利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)和自動(dòng)化環(huán)境的應(yīng)用。而在美國成立了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接所有可連的設(shè)備，通過大數(shù)據(jù)分析來提高效率。

　　賽博物理系統(tǒng)CPS?物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注唯一的、可識(shí)別的、可聯(lián)網(wǎng)的物理對(duì)象，而賽博物理系統(tǒng)更為關(guān)注信息與物理本質(zhì)的結(jié)合和軟件控制系統(tǒng)“系統(tǒng)的系統(tǒng)”特征。美國標(biāo)準(zhǔn)院領(lǐng)導(dǎo)的公開工作小組正在為CPS的術(shù)語和參考體系結(jié)構(gòu)工作。4智能制造系統(tǒng)的結(jié)語為了實(shí)現(xiàn)智能制造的愿景，基于分層控制模型經(jīng)典的制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)范式必須要被替換。一種基于分布式制造服務(wù)發(fā)展的新范式已然在進(jìn)化和演變。這一演變帶來的智能設(shè)備作為一個(gè)可以獲取的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，各個(gè)級(jí)別的嵌入式智能，預(yù)測分析和云計(jì)算技術(shù)。而所有這些技術(shù)都將依賴于標(biāo)準(zhǔn)。

　　本份報(bào)告提供了一個(gè)對(duì)智能制造的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。包括用于集成和跨越三個(gè)制造生命周期維度——產(chǎn)品生命周期、生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期和商業(yè)(企業(yè))生命周期。

　　三個(gè)維度

　　為了研究現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和他們?nèi)绾慰梢詰?yīng)用于智能制造，美國標(biāo)準(zhǔn)院定義了智能制造生態(tài)系統(tǒng)對(duì)分析現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和建立未來的智能制造標(biāo)準(zhǔn)需求的一致的上下文分析環(huán)境。在這個(gè)報(bào)告中，智能制造生態(tài)系統(tǒng)作為基礎(chǔ)進(jìn)行分類和評(píng)估現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，并識(shí)別出能夠促進(jìn)智能制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的新標(biāo)準(zhǔn)活動(dòng)領(lǐng)域。

　　現(xiàn)有的制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不足以完全啟用智能制造，特別是在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域、基于云制造服務(wù)，供應(yīng)鏈集成和數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域。

　　美國標(biāo)準(zhǔn)院確定了以下領(lǐng)域作為重點(diǎn)需要發(fā)展的領(lǐng)域，這是標(biāo)準(zhǔn)的全新興盛之地，包括智能制造系統(tǒng)參考模型和參考體系架構(gòu)、制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IOT)參考體系架構(gòu)、制造服務(wù)模式、M2M機(jī)器通訊、PLM/ERP/MES/SCM/CRM集成、云制造、可持續(xù)性制造、制造網(wǎng)絡(luò)安全等。

　　后記 至此，我們完成了美國標(biāo)準(zhǔn)院對(duì)于智能制造的全部報(bào)告和解讀。它有一套完整的智能制造系統(tǒng)的思路，并且緊盯著標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)致扎實(shí)。NIST認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)是智能制造發(fā)展的一個(gè)基本組成部分。有了標(biāo)準(zhǔn)，才會(huì)有系統(tǒng)的、可重復(fù)和高效的生產(chǎn)系統(tǒng);從大型跨國公司到小型制造商，才能以網(wǎng)狀的方式廣泛參與，而無須考慮其大小和所在地點(diǎn)。

　　然而讀者恐怕很難想象，美國國家標(biāo)準(zhǔn)院不僅僅對(duì)工業(yè)4.0幾存忽略之心，連工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也不無粗魯?shù)乇蝗M(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的大籃子里。NIST甚至把GE領(lǐng)導(dǎo)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)比喻成德國工業(yè)4.0的表親。當(dāng)然中國制造2025，更不在其提及之列，想來NIST不知道如何解讀這個(gè)體系和組成要素。

　　這個(gè)時(shí)候，我們才能想起來一件事，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不是國家戰(zhàn)略。根正苗紅的國家標(biāo)準(zhǔn)研究院NIST，才是真正代表美國國家戰(zhàn)略意圖。即使如此，我們也不得不為NIST的傲慢而心生詫異。然而，最根本的事實(shí)是，每個(gè)國家的工業(yè)升級(jí)，都要拿出體系、拿出標(biāo)準(zhǔn)、拿出生態(tài)模型，這是所有政府機(jī)構(gòu)需要面對(duì)的現(xiàn)實(shí)。