《智慧企業工業互聯網平臺開發與創新》 ——2.3.3　基于CPS理論建立新的企業數字化架構

2.3.3　基于CPS理論建立新的企業數字化架構

在新的制造業創新范式中，由于CPS的日益普及，在搭建新的企業數字化架構時，有必要對CPS進行組織和分類，以便于CPS的開發和互連互通。

在工業4.0的工業標準，即參考架構模型工業4.0（Reference Architectural Model Industry 4.0，RAMI 4.0）中，可通過三維坐標軸的方式，將工業4.0中CPS復雜的相互關系分解為小且簡單的群組。如圖2-24所示，構成三維坐標的軸分別是分級層次（Hierarchy Level）軸、生命周期與價值流（Life Cycle & Value Stream）軸、層級（Layer）軸。

圖2-24　參考架構模型工業4.0

分級層次軸：這條軸位于模型的右方，其標準來自于IEC 62264 / IEC 61512——企業IT和控制系統國際標準系統。分級層次軸里面包含的多個分級層次代表了工廠或設施的不同功能。為了代表工業4.0的環境，這些功能被加以擴展，包括工件、帶有標簽的產品、與物聯網和服務網的連接，以及帶有標簽的“互聯世界”，如圖2-25所示。

圖2-25　第一個軸是從外部到企業，從企業到產品的層級結構

生命周期和價值流軸：這條軸位于模型的左方，代表了設備和產品的生命周期。它的定義基于生命周期管理的IEC 62890標準。進一步地，RAMI4.0還對“類型”和“實例”進行了區分。當設計和原型試制工作完成，實際的產品投入生產之后，一個“類型”就變成了一個“實例”，如圖2-26所示。

圖2-26　第二個軸是圍繞著產品的生命周期，從開發一直到維護使用

層級軸：在垂直的方向分為六個層次，用來將一臺機器設備按照屬性結構，一層一層地進行分解，即機器設備的虛擬映射。這里每一層屬性的劃分都參考了通信行業著名的七層協議結構，將復雜的系統分解到具體的一個個層次上，如

圖2-27所示。由下至上，它們分別如下。

資產層：例如傳感器、執行器、機械零件、文檔，等等。

集成層：“真實的世界”與IT代表之間的接口，以及資產的人機接口。

通信層：實現與信息層之間協調的通信。在需要的情況下，如對于時間特別敏感的應用，可以通過實時的網絡實現直接通信。

信息層：實現對數據的工業4.0兼容數據的代表與訪問。

功能層：實現對資產的工業4.0兼容的功能訪問。此外，它也是業務流程的基本服務。

業務層：組織和業務流程的實現。

在RAMI4.0的三維坐標軸中，最能體現工業4.0精髓的就是第三個軸。在它的六個層級中，我們可以將CPS劃分為兩大部分：一是物理世界中的“資產”和一部分的“集成”；二是數字世界中的“業務”、“功能”、“信息”、“通信”和一部分的“集成”。我們將數字世界部分稱為“管理殼”（Administration Shell），它由CPS的整個數字部分構成。與“管理殼”對應的就是物理世界部分，由整個CPS的實物部分構成，稱之為“物”（Thing）——也就是說：CPS =“管理殼” + “物”。

圖2-27　第三個軸是系統架構的分層，分為“業務–功能–信息–通信–集成–資產”

“管理殼”和“物”的分離是RAMI4.0的精髓之一，它為整個工業4.0的系統架構奠定了重要的基礎。我們可以設想，在工業4.0的系統中，無論是產品還是設備，每一個“物”在某一個時間點都對應有一個“管理殼”。隨著時間的推移，當產品移動到另一臺設備，或者離開工廠進入消費和使用環節，無論這個“物”是否有實質上的材料或裝配或性質上的改變，它的“業務”“功能”“信息”“通信”等一定都發生了改變，這個“物”就會對應于另一個“管理殼”。所以，一個“物”可以對應多個“管理殼”。同樣的，“物”既可以是一個最小的資產，也可以是多個資產的組合。如圖3-28所示，“管理殼”作為與物對應的數字部分，既可以集中部署在云端，也可以部署在“物”上，這與嵌入式系統或今天流行的邊緣計算等概念十分吻合。

無疑，工業4.0系統的架構目標可以用如下兩句話來描述：

工業資產變成可以通過標準的接口提供數據和服務的“工業4.0組件”。

“管理殼”將一個“工業4.0組件”的數據和服務暴露給另一個“工業4.0組件”。

圖2-28　工業4.0標準將CPS的數字化部分抽取出來，稱之為“管理殼”

對于傳統的在各個業務部門或業務人員之間以文檔/單證驅動的業務來說，“管理殼”和“物”的出現是一個革命性的變化。工業4.0將會轉向由“管理殼+物”構成的“工業4.0組件”之間的數據交換和服務請求與提供來驅動的業務（如圖2-29所示），具體表現在以下幾個方面：

業務部門或業務人員之間的協同，轉變為“工業4.0組件”之間的服務請求與提供，其自動化水平和智能化水平將大大提高。

業務執行過程從過去的集中執行（預先在中央服務器上集中定義所有的文檔/單證流處理邏輯），轉變為“工業4.0組件”之間通過服務-請求方式的分布執行，業務邏輯駐留在“工業4.0組件”的“管理殼”上。

業務的執行從過去業務部門或業務人員的手工處理或在IT系統中的人機交互處理，轉變為“工業4.0組件”進行自動處理。

文檔與單證在業務部門或業務人員之間的流轉，轉變為“工業4.0組件”的數字化映像的共享和交換，共享和交換的內容得到大大豐富。

業務部門或業務人員對文檔和單證的處理邏輯，將被“工業4.0組件”的“管理殼”所取代，其功能將大大提高。

圖2-29　業務推動方式在工業4.0時代將會發生深刻的變化

在新的業務流程架構下，以往難以實現的很多功能利用新的思路可以迎刃而解。如圖2-30所示的生產線上多個設備的協同場景中，在吹塑機、包裝機、貼標機和自動導引運輸車（Automated Guided vehicle，AGV）之間，當某一個設備的產能發生波動時，從生產線整體優化的角度來看，需要另外的設備加以配合。按照以往的實現方式，需要在集中的MES中將這些場景提前編入程序。而在工業4.0下，可以通過這些“工業4.0組件”之間的服務請求和執行，用一種更加自然、易于擴展和維護的方式加以實現。

圖2-30　每一臺設備都可以在“管理殼”的支持下進行“設備-設備”間的協商，從而推動業務流程

事實上，“管理殼”的概念和標準正在SAP的系統中得到應用和實現。所有的產品和設備都將對應到一個或多個資產管理殼（Asset Administration Shell，AAS）中，使其成為承載產品和設備業務處理邏輯的載體。

隨著管理殼概念的引入，ERP和 MES之間的界限在工業4.0的環境下也會不斷地淡化和融合，企業層的功能和應用會被不斷地整合到車間的生產管理中，而車間層的功能和應用也會不斷地被整合到企業層中。換句話說，IT與OT將會從上一階段的集成架構走向IT/OT融合架構。MES中的一些典型功能將在ERP系統中執行，傳統的ERP系統的計劃任務也可以轉移到MES的詳細計劃中執行。

總的來說，在工業4.0的環境中：

設備會變得更加智能。

ERP和MES之間的邊界會更加模糊，ERP和MES都有可能直接訪問設備。

整個架構會變成一個智能系統的網絡。

以“服務到服務”的方式進行協作。

自動化金字塔固定等級劃分的消失并不意味著各個層面上的系統變得多余，它更多的是讓不同的層面實現無縫連接，以達到工業4.0所提出的要求。實際上，不僅是ERP與MES之間的界限會更加模糊，在IT/OT融合的大背景下，ERP、MES、SCADA和PLC之間的界限也會逐漸模糊。最終，這些系統的功能會形成云端的多個服務節點（“管理殼”），相互之間可以柔性地組合、通信和交互，從而實現更加靈活的制造流程（如圖2-31所示）。

在實現這一目標的很長一段時間里，ERP、MES、SCM等應用作為商品化軟件仍將存在。在目前階段，一個比較現實的方案是在私有云或公有云的平臺上搭建虛擬世界中的智能工廠系統，將ERP、MES、SCM等軟件提供的功能，按照服務的顆粒度進行組合，并通過統一的制造服務總線，供物理世界中的設備和人員接入——這就是如圖2-32所示的基于云計算的面向制造行業的新一代系統架構。在圖2-32中標明的制造服務總線就是本書后面章節里要談到的數字化雙胞胎網絡。

圖2-31　基于“物聯網”和“服務聯網”的分布式自動化，是集中式控制的自動化金字塔轉型的終極階段

圖2-32　在目前階段，搭建數字化架構的第一步是“上云”，利用云端的ERP/MES/SCM打造面向制造的新一代系統架構

IT/OT從分散走向集成，再到融合，不僅涉及技術和系統的升級，也包括對應的產品、設備、工藝、流程和業務的改造。目前大部分企業現狀距離CPS的理想狀態還有很長一段道路要走。

如圖2-33所示，對于任何一個新技術來說，前期都會面臨一個相對尷尬的時期——人們對其期望的高速膨脹，而技術的發展則仍處于相對不成熟的階段。“集中式生產自動化金字塔”從建立到打破，再到建立分布式云端結構，需要仔細考慮其中的技術路線和策略——“自上而下”，還是“自下而上”，或者是兩者兼備？

圖2-33　實現新一代架構的兩種技術路線需要經過仔細的考慮

按照目前軟件行業的發展趨勢，ERP、SCM乃至MES的SaaS化都是自上而下朝著未來的“服務聯網”方向發展的一股力量。而按照目前工業界的發展趨勢，圍繞著設備、PLC和傳感器進行數據采集和匯總，在云端開發各種工業App，則是自下而上朝著未來的“服務聯網”方向的另外一股力量。對于這兩股力量所分別代表的兩種技術路線，企業需要進行仔細的研究和斟酌。

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