美國智能制造三部曲（下）| 去中心化的挑戰

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

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

　　傳統的自動(dòng)化層級被顛覆的

　　最引人注目的是，傳統自動(dòng)化控制層級的變化。要想完整實(shí)現智能制造系統功能，必須替代傳統制造系統體系結構中，那種基于金字塔分層模型的控制范式。CPS賽博物理系統，給出了一個(gè)基于分布式的新制造服務(wù)范式，這也稱(chēng)為賽博物理生產(chǎn)系統 (CPPS)。由于各種智能設備的引入，設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式控制的預測分析;每一個(gè)層面，都可以使用虛擬化控制和工程功能的云計算技術(shù)。

　　有了這些能力，使用新的方法來(lái)控制跨層級的更廣泛的自動(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)化層級被分解

　　新的面向服務(wù)范式最終將智能制造系統轉換成一個(gè)完全連接和集成的系統，如圖2所示。除了在車(chē)間級別上對時(shí)序和安全要求非常嚴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

　　這個(gè)全新制造式的改變，需要我們打破多年來(lái)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去靠攏。2

　　智能制造的標準與

　　生態(tài)系統映射分析

　　現有的制造業(yè)標準遠遠不能滿(mǎn)足面向服務(wù)的智能制造生態(tài)系統。作為嗷嗷待哺的標準，包括：體系參考架構、網(wǎng)絡(luò )安全、工廠(chǎng)聯(lián)網(wǎng)、供應鏈集成，以及數據從工廠(chǎng)車(chē)間到企業(yè)級的無(wú)縫傳輸。具體地說(shuō)，在這些領(lǐng)域新的或改進(jìn)的標準，仍然是瞄準智能制造的四大目標，提高敏捷性(A)、質(zhì)量(Q)、生產(chǎn)率(P)和可持續性(S)。借著(zhù)美國國家標準院的這個(gè)提法，我們在此也需要謹慎地提醒讀者，新一代工業(yè)升級顯然是多目標的。有些認為工業(yè)4.0的目標就是大規模個(gè)性化定制生產(chǎn)，是過(guò)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。  

　　圖3：智能制造的四大目標

　　那么，到底需要何種技術(shù)，來(lái)支持何種功能?下表給出了智能制造體系的映射表。第一列表示新標準的機會(huì )領(lǐng)域。第二列顯示出新標準如何影響智能制造生態(tài)系統包括產(chǎn)品生命周期、生產(chǎn)系統生命周期、商業(yè)周期和智能制造金字塔(SPP)。第三列顯示了新標準對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準起點(diǎn)的基礎要素。

　　智能制造體系的映射表  

　　以PLM/MES集成為例，產(chǎn)品生命周期數據如果能結合制造工藝數據，就可以對過(guò)程本身做一個(gè)更好的分析,在生產(chǎn)率、可持續性和質(zhì)量方面促進(jìn)過(guò)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(wèn)題。這是對CPS最為完美的闡述。

　　智能制造系統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(lái)的。MTConnect研究所已經(jīng)開(kāi)始研究這一類(lèi)標準活動(dòng)，完善產(chǎn)品的可追溯性。而大數據和云制造技術(shù)，則提供更多類(lèi)型的先進(jìn)分析和服務(wù)，從而使它們更容易被制造商訪(fǎng)問(wèn)。

　　這張圖表最引人注意的地方就是，美國標準院非?？隙ǖ貜娬{，智能制造系統所有環(huán)節中，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的定義——這也是筆者一直在呼吁的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節。只有有了高質(zhì)量的工業(yè)參考體系，企業(yè)內部、外部包括供應鏈和用戶(hù)，才能真正將各種功能集成在一起。毫無(wú)疑問(wèn)，“中國制造2025參考體系”是不能不看、不能不聽(tīng)、不能不說(shuō)的的攔路石。任何對參考體系的省略與忽視，都會(huì )讓我們在這次工業(yè)升級的起始元年(不妨定義在2015年)，在起跑線(xiàn)上留下了致命的伏筆。3工業(yè)升級的全球版本寫(xiě)到這里，美國標準院NIST不無(wú)得意地聲稱(chēng)，描述到的大多數標準領(lǐng)域已經(jīng)被擴展到智能制造系統功能。當然，NIST也注意到了全球范圍內也出現了許多其他的戰略方向，但也只是略帶散漫地聲稱(chēng)，“這些的技術(shù)變革趨勢，對上述標準和機遇也有各自的貢獻?！?/p>

　　每個(gè)機構都是只覺(jué)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)標準的發(fā)展。工業(yè)4.0?是的，工業(yè)4.0工作組建議以標準化和開(kāi)放標準做為參考架構是實(shí)現工業(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)項目開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)參考模型和參考架構。IoT@Work是歐盟另外一個(gè)項目，由西門(mén)子公司主導，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)連接所有可連的設備，通過(guò)大數據分析來(lái)提高效率。

　　賽博物理系統CPS?物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注唯一的、可識別的、可聯(lián)網(wǎng)的物理對象，而賽博物理系統更為關(guān)注信息與物理本質(zhì)的結合和軟件控制系統“系統的系統”特征。美國標準院領(lǐng)導的公開(kāi)工作小組正在為CPS的術(shù)語(yǔ)和參考體系結構工作。4智能制造系統的結語(yǔ)為了實(shí)現智能制造的愿景，基于分層控制模型經(jīng)典的制造系統體系結構范式必須要被替換。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(lái)的智能設備作為一個(gè)可以獲取的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，各個(gè)級別的嵌入式智能，預測分析和云計算技術(shù)。而所有這些技術(shù)都將依賴(lài)于標準。

　　本份報告提供了一個(gè)對智能制造的檢驗標準。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

　　為了研究現有標準和他們如何可以應用于智能制造，美國標準院定義了智能制造生態(tài)系統對分析現有標準和建立未來(lái)的智能制造標準需求的一致的上下文分析環(huán)境。在這個(gè)報告中，智能制造生態(tài)系統作為基礎進(jìn)行分類(lèi)和評估現有的標準，并識別出能夠促進(jìn)智能制造系統實(shí)現的新標準活動(dòng)領(lǐng)域。

　　現有的制造業(yè)標準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)，供應鏈集成和數據分析領(lǐng)域。

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

　　后記 至此，我們完成了美國標準院對于智能制造的全部報告和解讀。它有一套完整的智能制造系統的思路，并且緊盯著(zhù)標準，細致扎實(shí)。NIST認為，標準是智能制造發(fā)展的一個(gè)基本組成部分。有了標準，才會(huì )有系統的、可重復和高效的生產(chǎn)系統;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(wú)須考慮其大小和所在地點(diǎn)。

　　然而讀者恐怕很難想象，美國國家標準院不僅僅對工業(yè)4.0幾存忽略之心，連工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也不無(wú)粗魯地被塞進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的大籃子里。NIST甚至把GE領(lǐng)導的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)比喻成德國工業(yè)4.0的表親。當然中國制造2025，更不在其提及之列，想來(lái)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(lái)一件事，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不是國家戰略。根正苗紅的國家標準研究院NIST，才是真正代表美國國家戰略意圖。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，都要拿出體系、拿出標準、拿出生態(tài)模型，這是所有政府機構需要面對的現實(shí)。