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張相木:按照“三步法”思路構建智能制造標準體系
2016-01-13    來源:電子信息產業網     發布者:王繼宏
  智能制造正成為未來制造業發展的重大趨勢和核心內容,是加快發展方式轉變,促進工業向中高端邁進、建設制造強國的重要舉措,也是新常態下打造新的國際競爭優勢的必然選擇?!秶抑悄苤圃鞓藴鼠w系建設指南(2015版)》(以下簡稱“《建設指南》”)的制定以建立既符合我國國情,又與國際接軌的智能制造標準體系為目標,以跨行業、跨領域融合創新為手段,統籌標準資源,優化體系結構,聚焦重點領域,從基礎共性、關鍵技術、重點行業三個方面,構建由5+5+10類標準組成的智能制造標準體系框架,為實施智能制造提供強有力的標準支撐。

  2014年12月,工信部印發了《工業和信息化部辦公廳關于成立智能制造綜合標準化工作組的函》,成立了由工信部部內司局牽頭,國內智能制造相關標委會、科研機構、企業以及行業專家共同參加的智能制造綜合標準化工作組,正式啟動了《建設指南》編制工作。

  《建設指南》編制歷時一年,工作組系統研究了德國工業4.0標準化路線圖和RAMI4.0模型、美國工業互聯網參考體系結構等國外先進成果,先后召開4次工作會,調研了近百家智能制造相關企業,組織全國信息技術標準化技術委員會(TC28)、全國自動化系統與集成標準化技術委員會(TC159)、全國工業過程測量和控制標準化技術委員會(TC124)、全國信息安全標準化技術委員會(TC260)等標準化技術委員會梳理了1000余項與智能制造相關的已發布、制定中的標準,確定了“統籌規劃,分類施策”、“跨界融合,急用先行”、“立足國情,開放合作”的建設原則,按照“三步法”思路構建智能制造標準體系。

  第一步,構建智能制造系統架構,界定智能制造標準化的對象、內涵和外延,識別智能制造現有和缺失的標準,認知現有標準間的交叉重疊關系。在充分調研和學習借鑒國外先進成果的基礎上,通過研究各類智能制造應用系統,提取其共性抽象特征,構建出由系統層級、智能功能和生命周期組成的三維智能制造系統架構,展示了智能制造的全貌。智能制造的關鍵是實現貫穿企業設備層、控制層、車間層、工廠層、協同層不同層面的縱向集成,跨智能功能不同級別的橫向集成,以及覆蓋產品全生命周期的端到端集成,體現在智能制造系統架構里就是系統層級、智能功能和生命周期三個坐標軸。標準化是確保實現全方位集成的關鍵途徑。

  智能制造系統架構如圖1所示。

  

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  圖 1 智能制造系統架構

  系統層級坐標軸自下而上共五層,分別為設備層、控制層、車間層、企業層和協同層,其中:

  第一層設備層級是感知和執行單元,包括傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識別、機器等,是企業進行生產活動的物質技術基礎;

  第二層控制層級包括可編程邏輯控制器(PLC)、數據采集與監視控制系統(SCADA)、分布式控制系統(DCS)和現場總線控制系統(FCS)等;

  第三層車間層級由控制車間/工廠進行生產的系統所構成,包括制造執行系統(MES)等;

  第四層企業層級實現面向企業的經營管理,包括企業資源計劃系統(ERP)、產品生命周期管理(PLM)、供應鏈管理系統(SCM)和客戶關系管理系統(CRM)等;

  第五層協同層級代表產業鏈上不同企業通過互聯網絡共享信息,實現協同研發、智能生產、精準物流和智能服務等。

  智能制造的系統層級體現了裝備智能化和管理信息化,以及產業鏈網絡化的趨勢。

  智能功能坐標軸包括資源要素、系統集成、互聯互通、信息融合和新興業態等五層,其中:

  第一層資源要素代表制造資源物理實體,包括設計施工圖紙、產品工藝文件、原材料、制造設備、生產車間和工廠等物理實體,也包括電力、燃氣等能源。此外,人員也可視為資源的一個組成部分。

  第二層系統集成是指通過信息技術集成原材料、零部件、能源、設備等各種制造資源。由小到大實現從智能裝備到智能生產單元、智能生產線、數字化車間、智能工廠,乃至智能制造系統的集成。

  第三層互聯互通是指通過有線、無線等通信技術,實現機器之間、機器與控制系統之間、企業之間的互聯互通。

  第四層信息融合是指在系統集成和通信的基礎上,利用云計算、大數據等新一代信息技術,在保障信息安全的前提下,實現信息協同共享。

  第五層新興業態包括個性化定制、遠程運維和工業云等服務型制造模式。

  生命周期坐標軸是由設計、生產、物流、銷售、服務等一系列相互聯系的價值創造活動組成的鏈式集。生命周期中各項活動相互關聯、相互影響。在智能制造的大趨勢下,企業從主要提供產品向提供產品和服務轉變,價值鏈得以延伸。

  第二步,將智能制造系統架構映射為五類關鍵技術標準,與基礎共性標準和重點行業標準共同構成智能制造標準體系結構。在深入分析標準化需求的基礎上,綜合智能制造系統架構各維度邏輯關系,智能制造系統架構中的生命周期維度、系統層級維度和智能功能維度的節點之間相互映射,描繪出了智能制造標準的完整需求,并可以歸納為由關鍵技術標準、基礎共性標準和重點行業標準構成的智能制造標準體系結構來表示,如圖2所示。

  

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  圖2 智能制造標準體系結構

  基礎共性標準作為關鍵技術標準和重點行業標準的基礎支撐,位于智能制造標準體系結構圖的最底層;關鍵技術標準中,“智能裝備”標準與智能制造實際生產聯系最為緊密,位于關鍵技術這一類標準的最底層;“智能工廠”標準,是對智能制造裝備、軟件、數據的綜合集成,位于“智能裝備”和“智能服務”標準之間,在智能制造標準體系中起著承上啟下的作用;“智能服務”涉及到對智能制造新模式和新業態的標準研究,位于關鍵技術類標準的頂層;“工業軟件和大數據”標準與“工業互聯網”標準貫穿關鍵技術標準的其它3個領域,分別位于智能制造標準體系結構圖的關鍵技術標準的最左側和最右側,打通物理世界和信息世界,推動生產型制造向服務型制造轉型;重點行業標準位于智能制造標準體系結構圖的最頂層,面向行業具體需求,對基礎共性標準和關鍵技術標準進行細化和落地,指導各行業推進智能制造。

  第三步,建立智能制造標準體系框架,指導智能制造標準制修訂工作。根據智能制造標準體系結構圖,對各領域進行進一步細化,形成智能制造標準體系框架,在此基礎上,梳理標準體系中各領域的相關標準,確定標準之間的相互關系,并明確待立項重點標準,力爭在2016年立項20項以上智能制造標準體系中的基礎通用標準和關鍵技術標準。智能制造標準體系框架如圖3所示。

  

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  圖3智能制造標準體系框架

  智能制造系統架構是《建設指南》的亮點和創新點,是一個復雜的系統。智能制造標準體系結構和標準體系框架的建立都是基于智能制造系統架構衍生而來。為了更好的理解系統架構,下面將為更好的解讀和理解系統架構,以可編程邏輯控制器(PLC)、工業機器人和工業互聯網為例,分別從點、線、面三個方面詮釋智能制造重點領域在系統架構中所處的位置。

  PLC位于智能制造系統架構生命周期的生產環節、系統層級的控制層級,以及智能功能的系統集成層,如圖4所示。

  

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  圖 4 PLC在智能制造系統架構中的位置

  工業機器人位于智能制造系統架構生命周期的生產環節、系統層級的設備層級和控制層級,以及智能功能的資源要素,如圖5所示。

  

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  圖 5 工業機器人在智能制造系統架構中的位置

  工業互聯網位于智能制造系統架構生命周期的所有環節、系統層級的設備、控制、工廠、企業和協同五個層級,以及智能功能的互聯互通,如圖6所示。

  

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  圖 6 工業互聯網在智能制造系統架構中的位置

  在解讀《建設指南》時應特別注意以下幾個問題:

  一是智能制造標準體系面向跨領域、跨行業的系統集成,聚焦數據交換、互聯互通,與行業標準體系存在交集,但非包含關系。智能制造標準化的對象是具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式。智能制造標準體系與船舶、航空等行業標準體系之間有交集,相互之間不是覆蓋關系。智能制造標準體系不是一個大而全的體系,而是一個聚焦在數據、通訊和信息等方面的有限目標體系。

  二是智能制造標準體系包含工業互聯網標準子體系。工業互聯網是智能制造的基礎設施,包括工廠內部和外部網絡,是工業數據信息傳輸的渠道,是實現智能制造各單元互聯互通的支撐技術。工業互聯網標準子體系是智能制造標準體系的一個重要組成部分。

  三是隨著智能制造技術、產業的發展,新模式新業態的不斷涌現,智能制造標準體系將進行動態調整和完善。智能制造是一個動態發展的龐大系統,產業界對智能制造的認識將是一個不斷深入的過程。智能制造標準體系也必然是一個動態調整更新的過程。我們力圖通過本版《建設指南》打造一個基礎框架,并建立起動態更新完善機制,以2—3年為周期及時開展標準體系更新、標準復審和維護更新工作。

  (作者張相木,系工業和信息化部裝備工業司司長)

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