彭瑜教授：2017年，智能製造推進越來越有章法 | #智能製造大咖談#

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作者：彭瑜教授

來源：發表於《環球新工業》2017年12月刊，[造奇智能]編輯，原文標題：中國製造的自信力來自何方？

【簡介】：彭瑜教授，PLCopen中國組織名譽主席，中國自動化學會儀錶和裝置專委會名譽委員，PowerLink中國用戶協會理事長，工信部智能製造標準化建設工作組專家。

在智能製造方面，彭教授有著深厚的理論造詣與豐富的實踐經驗，並在借鑒國內外先進理念的基礎上，結合中國實際情況，提出了很多前瞻而又務實的觀點，非常值得我們學習與借鑒。

（一）中國製造的自信力正在加強

繼2015年德國為捍衛其製造業的領先地位推行工業4.0國家戰略，美國製造業和IT行業巨頭在美國政府倡導再工業化的總體方針下聯袂發展工業互聯網之後，2016年日本由機械行業協會發起、迅速得到日本政府支持的工業價值鏈計劃IVI公諸於眾，這是迄今為止日本在世界工業轉型升級和智能製造的熱潮中發出的最強音。日本人的意圖顯然是，企圖將工業價值鏈與德國工業4.0、美國工業互聯網直接對標。

　　在這個舉世矚目的轉型大潮中，我國作為世界的第二大經濟體和製造大國，結合實際國情和科學發展的需要，正推動著《中國製造2025》的舉國戰略，逐步實現中國製造向中高端價值鏈轉移的雄偉目標。

毫無疑問，《中國製造2025》在這幾年的推進，特別是2017年的發展，顯得越來越有章法，也越來越有成效。僅看最近發布的《中國智能製造系統解決方案市場研究報告》白皮書就給人耳目一震。工信部不僅有智能製造發展規劃（2016-2020）的方針政策引導，還有具體的組織措施，建立了中國智能製造系統解決方案供應商聯盟，從而導致了這份有價值的、以市場為導向的報告的誕生。

　再看一個具體的實例。寧夏銀川的共享集團，以生產大型的鑄鐵、鑄鋼件為主的傳統企業，其生產特點是多品種、小批量，承接國內外包括西門子、GE的工業燃氣輪機的外殼、大型水輪機的葉輪等鑄鋼鑄鐵件。自從實施了工信部的智能製造示範項目，實現了以數據的自由流動為特徵的MES／APS，收到了顯著效果。李總理在考察之後，將該企業比喻為「傻大黑粗」轉型升級成為「窈窕淑女」，稱讚共享集團的智能製造項目「展示了『中國製造2025+互聯網』的融合，是新舊動能轉換的生動體現。」實施這項目是我國土生土長的北京蘭光創新科技有限公司。

顯然，2017年中國製造業的發展正在提速，中國製造業的進程亮點紛呈。從大的方面講，中國多年前就成為世界第一汽車製造大國，中國的高速鐵路及其裝備製造、基礎設施及其裝備製造等長線產業在全球獨樹一幟，中國的製造業的產出已雄踞世界首位，因而儘管全球經濟復甦乏力，但表現在全球貿易中我國的進出口總量也是第一的。

　我國製造業的底氣足了，自信力自然上升。自信力來自哪裡？

• 來自黨中央高瞻遠矚的全局部署，來自政府部門的政策引導和有效舉措；
• 來自我國具有龐大的市場需求；
• 來自我國幾十年積累的健全的基礎設施、受過良好專業教育的充沛人力資源，以及專業門類齊全的產業規模；
• 來自各類企業的積極響應和實際努力，特別是為數眾多的科技型中小企業生機勃勃的發力。
• 歸根結底來自中國共產黨凝聚了中華民族強烈的復興願望和讓全國人民過上幸福生活的不懈追求。

儘管在發展的過程中還有許多困難和不足：

• 在工業基礎和技術基礎方面質量意識的不足，急功近利的多，深耕技術和產品的少，乃至不願在基礎技術上化硬功夫、夯實基礎；
• 產業科學發展的規劃欠缺，往往忽視為行業創建帶動一大片的平台技術、基礎技術的發展；
• 在科技管理和科技政策上尚有短板和缺陷，致使一些項目追求所謂亮點和顯示度，不能解決實際的需求；等等。

（二）從德國工業 4.0 的落地生根談起

德國工業 4.0 的規劃正在參考架構模型 RAMI4.0和 I4.0 基本單元等頂層設計的理念引導下踏實推進，落地生根。德國工業界差不多用了兩年不到的時間，完成了 I4.0 基本元件的示範開發，目前 I4.0 基本單元的開發已經從大學和研究機構的基礎開發，發展到由相關的行業協會牽頭的實施開發，逐步形成了一套不斷完善的開發體系。

為了說明由 RAMI4.0 到 I4.0 基本單元，再到工業場景的描述的邏輯關係，我們先看圖 1 所清晰表達RAMI4.0 和物理－數字化架構及通信遞階關係。把物理實體（包括硬體、軟體、工程文件等）通過數字化演化為能在虛擬世界完整表達、通信、推理、判斷、決策等，讓控制信息和業務信息都能實時傳遞交換和處理，從而使企業中的各類資產都能互聯、互操作。根據不同資產的作用，當它們數字化後相互的關聯，應該按控制要求和業務要求，構建它們之間的扁平化的通信遞階關係。

　　這裡，物理實體實際上包含了工業製造技術、工業製造工藝、工業製造裝備、工業製造材料、工業製造基礎零部件、工業控制技術等，由它們構成工業製造的源和本。無論 IT 技術的發展和應用對工業製造形成了多麼巨大的推動，但離開了這一系列的物理實體，IT 也好，軟體也好，互聯網和物聯網也好，終將成為無源之水，無本之木。

接著我們再看如何利用 I4.0 基本單元描述工業場景。不言而喻，工業場景是極其多樣化，變幻無窮的。不同的工業場景是由數以億億萬計的基本元件中的有限數量的元件構成。I4.0 基本單元的管理殼承載著反映某個或某些工業資產在其整個生命周期中採集的相關數據，同時還具備符合工業 4.0 要求的通信能力。於是首先是設計全世界億萬萬數量級的工業資產的唯一標識及其鏈接方式，以便為今後對這些資產進行虛擬描述打好基礎。國際標準 ISO 29002-5 即《工業自動化系統和集成 特徵數據交換》的第五部分「標識方法」為每一種資產提供分類，並與該資產對應的管理殼相對應，利用分類產品描述的軟體 eCl@ss 用URI 和 URL 進行唯一資源標識和唯一資源定位。

管理殼的內容由子模型、性質、複雜數據和功能等構成。從可視的角度看，一個經標識的資產其管理殼也是經標識的，都是顯性化的知識，即表徵這個資產的性質。而其數據和功能都是可通過 APIs 被語義化存取，資產的運行時數據都遵照嚴格而統一的格式表達性質的集合。

從以上稍顯繁複的描述中可以看出，德國工業4.0的發展軌跡是多麼符合邏輯，開發的腳步又多麼踏實，他們的目標絕不是追求顯示度，獲得暫時的和局部的利益。這是一種為今後幾十年發展打基礎、需要動員工業界、學術界整體努力的工作。

對比一下，我們很容易發現差距。幸而要真正實現工業 4.0，需要在全世界範圍內（注意：不僅僅在德國範圍內）組織開發數量極大、類型眾多的、標準化數字化的基本元件庫。進行這項涉及面極廣的組織工程，首先要保護工程領域的核心功能性；其次要造就具有最大化的靈活性，同時又能保護每個公司的的信息網路；再次是為了採購、系統集成工程、維護等需要，必須持續地提高可互操作性和客戶的利益。所以，作為工業基礎極其龐大、工業實踐極為豐富的中國，是不可能被排斥在外的。不過，我們是否能深入這一核心的進程，就需要看我們自己的組織能力、動員能力和技術能力了。

（三）日本工業價值鏈計劃對我們的啟迪

在這場全球工業互聯的熱潮中，一些國家的工業行業協會和企業致力於企業內部的互聯互通問題，提出了種種相關理念、方法和參考架構。日本產業界卻從產業整體出發，希望通過工業價值鏈計劃 IVI 建立一種實現企業之間互聯互通的生態系統，從而使大中小各類企業都能從中收益。這種智能製造轉型升級的整體觀，明白地宣示不僅要為每個企業的智能製造或轉型升級提供引導，更要緊的是在企業間、行業間乃至整個產業界構建智能製造生態環境或生態系統。

　　IVRA 與 RAMI4.0 一樣採用三維模型，所不同的是維度的設計完全不同。IVRA（圖 2）的三個維度：資產、管理和行動，都是反映物理世界的，沒有涉及數字世界對物理世界的映射； IVRA 的每個維度都劃分為 4 個層級，例如資產分為設備、產品、流程和人員，管理分為質量、成本、交付和環境，活動分為計劃、執行、檢查和實施（即 PDCA，這裡明顯體現了豐田精益製造模式）。

IVRA所表現的日本特色，首先是凸顯物理實體，把對物理實體的虛擬映射用另外的方法處理；其次是充分體現了日本工業界重視現場的執行力，在計劃、執行、檢查和實施的所有階段，都要對預想的目標進行實時檢查和即時反饋；再次是十分強調人員在智能製造全過程中的作用，將所有分布在不同部門、不同階段的人員儘可能融入整體架構中，成為實現智能製造的關鍵角色，而不是隱藏於幕後。

　　日本工業價值鏈計劃旨在推進整個產業實現互聯製造，這與在一個企業集團內實現互聯製造目標的最大區別，就是必須構造一種適應整個產業的生態系統，來解決大中小各色企業的互聯協同問題。他們所設計的寬鬆定義標準的方法，企圖在現有的先進聯網系統的基礎上務實地創建可以連接協同的數據模型。很明顯這一技術要取得成功還有一段很長的路要走。

　　在發展中國製造 2025 的進程中，我們應該兼收並蓄，在學習研究德國工業 4.0 和美國工業互聯網先進理念和方法的同時，也重視日本在智能製造方向上的理念和方法創新，從中汲取有利於我國智能製造發展的要素。我們必須明白，一個國家製造業的未來必須植根於自己的工業傳統和工業文明，繼承和發揚自己的民族稟賦和民族精神。

正像德國工業 4.0 立足於自己優秀的製造理念和強大的質量基礎及教育水準，美國工業互聯網著意發揚其互聯網和軟體領域長期積累的優勢一樣，日本工業價值鏈參考架構也帶有鮮明的本土特色，突出精益製造管理，突出現場執行力，突出現場人員，令人印象深刻。

中國的智能製造參考框架理應體現中國製造業的傳統和特色，遺憾的是我們的製造業在過去數十年中學來學去，真正沉澱下來屬於自己的東西實在不多。從這個意義上來說，凝練中國製造業的靈魂或基因顯得太重要了。

（四）亟待引起重視的工業網路轉型升級問題

當我國工業界關注人工智慧深度學習與智能製造的關係、智能製造系統的解決方案的時候，很少有人提及工業發達國家自動化領軍企業，正在以巨大的精力關注工業通信系統如何適應工業4.0、IIoT和工業互聯網的要求，積極開發新一代工業乙太網的動向。似乎兩者之間有巨大的差異。

　　傳統的網路結構秉承工業自動化的分層遞階架構，基本上是多級的分層遞階系統,。顯而易見，實現工業4.0、智慧工廠和智能製造，必須建立在業務應用扁平化的基礎上，即控制級、流程式控制制級、生產管理級和企業管理級的各類應用，必須根據要求直接而且動態地建立鏈接（見圖3）。

這就需要建立一類包括實時控制和及時監控在內的、建立強有力的聯網技術和規範的基礎。這類聯網技術和規範可以在一定程度上繼承原有的聯網技術和規範，但更重要的是一定要突破原有技術和規範的局限，以及明顯不能滿足實現工業4.0、智慧工廠和智能製造的架構和思維。

新的網路結構必須具有以下特點：流量控制方式必須是動態的；信息技術必須是「客制化」的，按用戶要求配置智能，提升雲服務的能力；應對大數據的挑戰，意味著網路需要更多的帶寬。

　　我們知道，現有的自動化技術所採用的基於乙太網的實時系統，通常都是建立在運用市場可提供的缺乏實時性能的乙太網技術的基礎上。IEEE 802.3ab(1Gb) 標準在1999年就被採用了，但是直到今天為止所有領先的基於乙太網的自動化系統，仍然最多採用100Mb。擴展到1Gb在技術上可行，但要求修改相應的規範以及專用的晶元ASIC。

由於開發成本、實現成本和維護成本較高，許多在物理層、數據鏈路層採用專用標準的廠家如EtherCAT、ProfiNet等面臨著進一步開發困難。如果在數據鏈路層統一採用TSN（見圖4），可以採用商用晶元解決這個問題（一些晶元廠商如TI、瑞薩等都是有關TSN晶元的積極開發者），現有不同的工業乙太網的解決方案的各自特點都將表現在應用層，區別都體現在軟體上，那麼這個障礙就不存在了。

OPC UA 通過TSN時間敏感聯網技術傳輸，作為工業控制器和雲端之間的通信解決方案正在得到領先的自動化廠商和信息廠商的支持。要高效的實現智能製造，工業4.0、工業物聯網的通信技術需要從傳統升級改造到像OPC UA TSN那樣，把現場的實時通信、SCADA、控制器、生產製造管理的通信，乃至企業的運營管理，雲端等等全部納入一個網路，解決不同網速要求、不同帶寬要求、不同通信數據量要求、不同實時性要求、不同網段長度的各種通信容納在一個網路中的技術問題。

國內對這一基礎性、顛覆性的技術的必要和發展，根本認識不足，所以關心的人並不多，真正做工作的人就更少了。雖然目前TCN技術還處在開發過程中，在這個歷史的節骨眼上，如果我們再不重視和努力，中國人又只能跟隨，缺乏話語權了。

　　順便指出，在國際上，目前致力於利用IEEE 802和803的系列標準開發運用於工業自動化系統的TSN系統的四個組織是：IEEE的TSN組，AVnu，IIC和OPC基金會。

2016年美國開始規劃成立「IEEE 802.3 10 MB/s一對雙絞線乙太網研究組」，目標是傳輸距離1公里，採用幻影phantom供電（即單一的雙絞線既是信號線，也是電源線），成本可與現在的儀錶用雙絞線相同。計劃在2019年以前完成該標準的開發制定和驗證。

在技術上的潛在應用是替代傳統的4-20mA 電流迴路，一旦開發成功，它會立即無縫的集成到基於TSN的網路中來，那時過程式控制制中到處運用的儀錶雙絞線將被全面替代，也能使用工業乙太網了。德國企業如E+H（重點是本質安全）、菲尼克斯（重點是乙太網雙絞線電纜的布線和接插件）也已經積极參与其中。可是因為這是潛在的顛覆性的基礎技術，他們極少會在中國談及。

【專題鏈接】

之一：國家製造業創新中心怎麼建？羅文副部長權威解答 #2017造奇回想#

之二：深度辨析 | 為何工業互聯網勢頭一度蓋過智能製造？兩者有何關係？#2017造奇回想#

之三：2017智能製造年度人物 | 致敬中國工程院周濟院長 #2017造奇回想#

之四：年度致敬 | 周濟院長首提新一代智能製造技術原理：人-信息-物理系統（HCPS）

之五：工程院周濟院長權威解讀中國智能製造發展戰略（附PPT下載）

之六：年度致敬 | 周濟院長首提新一代智能製造技術原理：人-信息-物理系統（HCPS）

之七：獨家 | 周濟：推進智能製造的主基調——數字化、智能製造1.0、2.0

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