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科普走一波:管理壳——为工业4.0组件披上数字马甲
来源:树根互联2019.10.12

本文由知识自动化(zhishipai)授权转载

作者:赵敏 刘法旺

导读
当我们正忙着对智能制造进行各种“智能”意义的解读时,德国除了在明火执仗的工厂解决方案之外,在另外一条隐秘的小路上走的同样深入——这个超出了我们热情洋溢的视线。

工业4.0组件与管理壳

在2015年4月,德国率先提出工业4.0的顶层架构RAMI模型,这个模型甚至先于美国工业互联网联盟IIC提出的工业互联网参考框架IIRA。

图1 2015年4月 1.0版本 ZVEI

这个RAMI模型给出了德国工业的整体框架体系的思考,而在微观的基础上,工业4.0 工作组同时提出了“工业4.0单组件”的概念,并且区分了“工业4.0组件”和“非工业4.0组件”。

图2 非工业4.0组件,2015年4月

在很久一段时间,非工业4.0组件是我们所熟悉的“物”,包括设备,元器件,甚至是一个软件程序。这是一个“黑暗的世界”,它通过既定的执行机构或者特定的连接,实现对外的沟通。

CPS像是一个全新的火把,重新点燃了一切。德国工业4.0决定赋予“非工业4.0组件”以全新的意义。

而这一切,都通过一个叫做“管理壳”进行。

对每一个“物”增加了一个“管理壳”,工业4.0 组件就变得开始能够对外进行有效地交流。“智能体”出现了,无论是一台智能机床,或者是一个智能传感器,它都封装了自己的各种信息,是一个描述了赛博物理系统CPS详细特性的模型。

管理壳的定义


在工业领域,人们习惯用模型化的方法来提出产品需求、描述产品功能/生产流程、描述和控制各种技术形式(软、硬、网、机、电、磁、液、气等)的生产工具。

然而,如何对既定的设备资产,进行更好的定义。本文作者试图这里给“管理壳”下一个尝试性的定义。

管理壳是一种遵循各种相关标准,对工业4.0组件的资产特性及技术功能,进行数字化描述的一种壳式管理软件。有了可用软件平台来查询、读取的自我描述式的数字化“资产说明书”,资产由此而变得可管理、可操作。

图3 管理壳,ZVEI,2016.11

管理壳基本构成为“清单+组件管理器”。清单”用来表示组件内容目录,如功能、信息、通信等业务活动的层次范围;“组件管理器”来管理组件范围内的相关资产。管理壳清晰界定该组件所在的层次、价值流、级别,确认了所需的数据、功能与安全要求,规避了因为不按标准建设组件系统而在未来可能发生的信息失控问题。

可以把管理壳形象地理解为是一种给所有企业资产穿上了“数字化马甲”,可让那些原先不好管理、不能管理的资产,都有了唯一的标识。

以某个“数字化工厂(DF)”中的零部件——电机轴为例,如图2所示,如果将电机轴的管理壳结构从左至右展开,可以看到在整个DF的视图的“清单”中有总资产和管理壳的标识,通过API而映射为DF的“标头(header)”,“标头”中的特性列表保证了DF的有形资产与管理壳在各自工作环境中的识别与认证,保证了在恰当的时间引用部分资产与视图的能力。

图4 管理壳的结构,德国ZVEI,2016年11月

管理壳“标头”之下是“主体(body)”。“组件管理器”负责管理“主体”的各子模型。子模性包含了资产特性的层次、系统级别,可以针对不同的资产引用各种数据与功能(上图中白色几何元素)。这些被引用的数据主要运行在信息层。

通过管理壳的确定,所有的资产,所有的对应模型,都可在全生命周期中被管理平台识别、交互、实施、验证、维护,能够实现数字化的虚拟产品开发和自动测试,以适应和响应现代制造系统内外部的高度的不确定性(部门协调、客户需求、供应链变化等),优化制造资源配置,力争真正实现工业升级。

这意味着借助于管理壳,我们终于可以用数字模型和语言,来体现业务、功能、信息、交流综合、资产的整体价值,包括这些内容来自哪里。这使得设备相连,可以真正实现整个时间线上的价值流的自由流动,成为实体世界与虚拟世界的无缝连接。

管理壳的价值

管理壳中的诸项内容都尽量做到遵从标准,为未来的系统扩展和万物互联打好基础。图3简介了管理壳及子模块的特性需要符合的标准与规范。

图5 管理壳需要符合的标准

有了这些基本的规范与标准示例,管理壳之间,就可以开始进行数据与信息的交换。在图4中,管理壳之间的“连线”,实际上就是某种形式上的数据总线(或“数字主线”),因为所有资产之间的数据检索、查询与交换所形成的数据流,都是跑在数据总线上的。

图6 管理壳的互联性,ZVEI,2016.11

当原有的那些物理实体的各种资产,都有了一个机器可读、语义相通、适用于生产系统所有生命周期阶段的管理壳,那么人、机、物万物互联网的时代就真正来到了。

遵从各种标准来构建管理壳及所属的子模块,对企业来说是非常必要的。只要坚持按照相应的标准、规范持续地做下去,那么任何一个企业的工业4.0系统的建设结果,未来都具有以下三大益处。

图7 管理壳的价值


• 以高度模块化的方式来构建和扩展自身的系统,所有的系统扩展都以类似于乐高积木的方式搭接而成;

• 基于标准的协议与接口与其他国内外合作伙伴顺畅交换数据,而无需为此单独开发特定的数据转换工具;

• 所有的有管理壳的资产之间,都可以实现信息的互通、互操作。


管理壳与CPS

如果为了简单描述,不妨略带武断地说,CPS是工业4.0的使能技术,而管理壳则是CPS的一个标准化的界面。管理壳与CPS,二者是分工合作、完美协作,实现两个最优:

资产最优管理:管理壳让所有的系统组件之间、系统的系统(SoS)之间变得容易集成、容易打通。尽管管理壳的作用是以给系统和系统组件穿上具有唯一标识的“数字化马甲”、促进互联互通为主,并不负责深入到物理实体内部。

资源最优配置:打通二者的界限与隔阂,把知识和算法嵌入软件,软件嵌入芯片,芯片嵌入到物理实体之中,由此而最终让系统行为在赛博的作用下变得精确可控,让企业资源得到最优配置。

不固根基,难起高楼。德国工业4.0从RAMI和 CPS体系出发,稳扎稳打地来构建工业4.0基础组件。而深入了解管理壳,则是理解工业4.0最为基础的必修功课。

如果要实现CPS更为广泛的应用,很难躲开对管理壳的深入研究和应用。


后    记

通过对工业4.0组件和管理壳的研究,我们看到了德国工业4.0相关的协会学会的稳扎稳打,跟工业4.0实践一步一呼应,这给我们留下了深刻的印象。中国智能制造,需要这样的更接地气的理论模型和应更用研究的对接,这样才能推进中国制造走向更稳健的未来。

作者简介

赵    敏:英诺维盛公司总经理

刘法旺:赛迪研究院中国软件评测中心常务副主任

林雪萍:联讯动力咨询公司,南山工业书院发起人

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