德國信息技術(shù)、電信和新媒體協(xié)會(BITKOM)：德國工業(yè)40實施戰(zhàn)略報告

1、3 德國科學(xué)顧問委員會的課題德國科學(xué)顧問委員會由16位來自生產(chǎn)與自動化、計算機科學(xué)、法學(xué)和社會學(xué)這幾個專業(yè)領(lǐng)域的教授組成。該委員會為工業(yè)4.0平臺提供與當(dāng)前研究緊密相關(guān)的、科技和編程方面的研究課題。德國科學(xué)顧問委員會在2014年漢諾威工業(yè)博覽會上(2014年4月3日)公開發(fā)表了相關(guān)的課題，這些課題還公布在工業(yè)4.0平臺的網(wǎng)站上。以下引用的課題按照人類、技術(shù)、組織三個方面進行劃分：人類1.很可能建立以人為本的工作組織形式，這種工作組織形式也可稱為自組織和自治。尤其有可能出現(xiàn)適合老年人的工作組織形式。2.工業(yè)4.0作為一套社會技術(shù)系統(tǒng)，為拓展員工的工作范圍、提高員工的素質(zhì)和技能、大幅提高員工的知識

2、水平提供了機會。3.促進學(xué)習(xí)的工作設(shè)備(學(xué)習(xí)工具)和有利于溝通的工作方式(實踐社區(qū))會提高教學(xué)效率；而員工不斷提高信息技術(shù)能力有助于在繼續(xù)教育中補充新內(nèi)容。4.把簡單易用且能促進學(xué)習(xí)的設(shè)備作為學(xué)習(xí)工具，能夠自然而然地把設(shè)備的功能傳授給用戶。技術(shù)5.工業(yè)4.0的系統(tǒng)對于用戶來說簡單易用而且操作直觀。這些系統(tǒng)可以促進學(xué)習(xí)并給出可靠的反饋。6.通用的、公開的解決方案模板允許多個參與者共同設(shè)計、實施和操作工業(yè)4.0系統(tǒng)(基于設(shè)計的工業(yè)4.0)。7.產(chǎn)品和業(yè)務(wù)流程的網(wǎng)絡(luò)化和個性化會帶來復(fù)雜性。可以通過建模、仿真、自組織對這種復(fù)雜性進行管理，更快速的分析可以擴大求解空間，并更快地確定解決方案。8.能夠?qū)Y

3、源有效性和資源效率進行持續(xù)的規(guī)劃、實施、監(jiān)控和自動優(yōu)化。9.智能產(chǎn)品是良好的信息載體，能對各個生命周期階段進行定位和識別。10.同樣，系統(tǒng)組件可在內(nèi)部對生產(chǎn)資料進行尋址和識別。工業(yè)4.0的系統(tǒng)組件支持生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)流程的虛擬規(guī)劃。11.新型的系統(tǒng)組件是可更換的，并且具有功能兼容性。12.系統(tǒng)組件提供的功能本身作為一種服務(wù)，可供外部訪問。13.只有創(chuàng)造一種新型的安全文化，才能最終建立可靠、靈活、受歡迎的“工業(yè)4.0”系統(tǒng)。組織14.新的和現(xiàn)有的價值網(wǎng)絡(luò)通過集成產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)過程和服務(wù)過程獲得增值，并使分工得以動態(tài)調(diào)整。15.合作和競爭促使企業(yè)管理和法律發(fā)生結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變。16.有效的法律框架反映了對

4、應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)流程。新的法律解決方案將可能產(chǎn)生新的協(xié)議模式。17.工業(yè)4.0的發(fā)展有利于協(xié)調(diào)區(qū)域性的和發(fā)展中市場的價值創(chuàng)造。為了開展上述課題的研究，工業(yè)4.0平臺在2014年漢諾威工業(yè)博覽會上發(fā)表的工業(yè)4.0研發(fā)課題白皮書介紹了上述多個課題領(lǐng)域及其內(nèi)容和目標(biāo)。另外還粗略制定了完成這些課題的時間計劃。課題領(lǐng)域及其時間計劃(詳見第4章和第5章)有工業(yè)4.0平臺工作小組擬定。4 工業(yè)4.0實施戰(zhàn)略為了加強德國的經(jīng)濟地位，工業(yè)4.0平臺制定了工業(yè)4.0的實施戰(zhàn)略。一方面制定出工業(yè)4.0技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、商業(yè)模式和組織模式等方面的跨部門實施方法；另一方面，加強大學(xué)和研究機構(gòu)與中小企業(yè)和工業(yè)企業(yè)的緊密合作，

5、推動工業(yè)4.0的實施。實施工業(yè)4.0的目標(biāo)是，創(chuàng)造新的價值鏈和價值網(wǎng)絡(luò)，并不斷加強它們的數(shù)字化程度，最終實現(xiàn)自動化。圖1列出工業(yè)4.0實施戰(zhàn)略的核心模塊和相關(guān)課題領(lǐng)域，其中核心模塊包括： 研究與創(chuàng)新 參考體系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化與標(biāo)準(zhǔn) 網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的安全性 建立法律框架除“建立法律框架”以外，其他核心模塊的相關(guān)內(nèi)容由工業(yè)4.0平臺的具體工作組擬定。而“建立法律框架”模塊的工作則是由德國工業(yè)聯(lián)合會(BDI)工作組來承擔(dān)。在“研究與創(chuàng)新”這個核心模塊，工業(yè)4.0平臺與德國科學(xué)顧問委員會共同制定了實施工業(yè)4.0所需的“研究與創(chuàng)新路線圖”，并從德國工業(yè)的視角出發(fā)協(xié)調(diào)和推動創(chuàng)新和研究活動。以下是幾個最重要的相關(guān)課

6、題領(lǐng)域(詳見第5章)： 價值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成：這個領(lǐng)域的重點在于加強跨企業(yè)的合作(包括供應(yīng)商、中小企業(yè)、制造企業(yè)等)，其中包括建立新商業(yè)模式的各個方面和各種方法。 全生命周期工程的連貫性：這個領(lǐng)域的中心課題是“基于產(chǎn)品生命周期管理(PLM)的工程”。在這個課題中，要將產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計結(jié)合起來，從而實現(xiàn)對整個價值創(chuàng)造過程的持續(xù)支持。這就要求對系統(tǒng)工程、建模和仿真中的技術(shù)要素進行綜合性的考慮。 縱向集成與網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)系統(tǒng)：這個領(lǐng)域的中心課題是生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)化，而生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)化能否實現(xiàn)往往取決于能否滿足實時的要求。課題重點包括：確保必要的應(yīng)變能力和生產(chǎn)技術(shù)的安全性(例如，通過信息冗余和容錯達到安全要求)。

7、這既需要進一步開發(fā)相關(guān)組件和系統(tǒng)(例如傳感器網(wǎng)絡(luò))，還需要深入研究預(yù)測性分析等方法。工作中的新型社會性基礎(chǔ)設(shè)施：“人”永遠是工業(yè)4.0成功的決定性因素。因此，積極推動工作場所的變革，給予所有參與者(包括工會和雇主組織)支持和鼓勵，都具有重大的意義。除了改革和完善培訓(xùn)和繼續(xù)教育方面，還需要在技術(shù)方面作出改進，如采用新型的人機系統(tǒng)和通用的輔助系統(tǒng)。 不斷開發(fā)通用技術(shù)：為了實現(xiàn)工業(yè)4.0，需要為實施各種技術(shù)創(chuàng)造條件，確切來講是需要在工業(yè)應(yīng)用中結(jié)合不同技術(shù)。重要的技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)通訊、寬帶網(wǎng)絡(luò)、云計算、數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)安全、安全的終端設(shè)備，以及機對機的解決方案(包括語義學(xué))?！皡⒖俭w系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化與標(biāo)準(zhǔn)”這

8、個核心模塊的目標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)的運用和制定的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個適用于所有解決方案的參考體系結(jié)構(gòu)。(詳見第6章)在“網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的安全性”這個核心模塊中，應(yīng)該在示范性價值鏈的基礎(chǔ)上，研究用于保證橫向網(wǎng)絡(luò)(客戶和供應(yīng)商)和縱向網(wǎng)絡(luò)(企業(yè)內(nèi)部)中信息技術(shù)安全的概念。這將有助于確定一般性的安全要求和信息安全原則(詳見第7章)。要成功設(shè)計出迭代的流程，涉及到研究和標(biāo)準(zhǔn)化兩個方面，而創(chuàng)建工業(yè)4.0參考體系結(jié)構(gòu)正好促進了這兩方面的發(fā)展?！胺煽蚣堋边@個核心模塊中的課題主要解決如何合法地建立新生產(chǎn)流程和橫向業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的問題。其中，合同法(自動化價值鏈中動態(tài)的合同締結(jié))、企業(yè)數(shù)據(jù)保護、數(shù)字資產(chǎn)的處理、賠償責(zé)任問題以及個人信

9、息處理都是極具挑戰(zhàn)性的課題。5.研究與創(chuàng)新5.1 序言工業(yè)4.0平臺致力于將工業(yè)4.0領(lǐng)域的研究活動進行梳理和整合，并據(jù)此對研究議程進行結(jié)構(gòu)化和優(yōu)先級排序。本章將以上述工業(yè)4.0平臺擬定的研究議程作為依據(jù)，闡述工業(yè)4.0研究路線圖的相關(guān)內(nèi)容。另外，工業(yè)4.0平臺將可能為隨后的研究工作提供充足且具有國際競爭力的資金預(yù)算。這可以為參與其中的企業(yè)提供更多資源，同時為有針對性地解決實施工業(yè)4.0過程中遇到的問題創(chuàng)造重要條件。此外，政府必須通過適當(dāng)?shù)拇胧┖腿谫Y工具(頂尖集群、示范實驗室、示范設(shè)施、示范工廠等等)支持、投資和規(guī)范企業(yè)與研究機構(gòu)之間、不同規(guī)模的企業(yè)之間以及不同部門之間的進一步聯(lián)網(wǎng)和合作。由于

10、不同的企業(yè)對不同的領(lǐng)域感興趣并且有不同的期望，很難確定單一確切的工業(yè)4.0愿景。因此，在國家主導(dǎo)下實施預(yù)設(shè)的路線圖并不能最終實現(xiàn)工業(yè)4.0。確切地說，一系列具體應(yīng)用場景的實現(xiàn)(包括對實施工業(yè)4.0的效益和價值創(chuàng)造潛力進行分析)將帶來漸進式發(fā)展，而工業(yè)4.0將會是這些發(fā)展的結(jié)果。理想情況下，德國聯(lián)邦政府應(yīng)該考慮對更為務(wù)實的計劃給予支持。這些支持有助于確立完整的創(chuàng)新路徑：從探討新方法和新技術(shù)，到利用大學(xué)附近的演示設(shè)備，再到建設(shè)試點工廠。本章將以德國科學(xué)顧問委員會的課題為基礎(chǔ)概述工業(yè)4.0的“研究與創(chuàng)新”這個核心模塊。早在2014年的漢諾威工業(yè)博覽會上，這些課題的初步成果便被發(fā)表于工業(yè)4.0研發(fā)課題

11、白皮書之中。在此之后還針對指定的相關(guān)課題開展進一步的研究工作。隨后，在2015年2月發(fā)布了修訂版(修訂工作由工業(yè)4.0平臺負責(zé)，修訂版中對各個課題領(lǐng)域進行了更詳細的介紹，而本報告僅涉及當(dāng)中的部分內(nèi)容)。同時在2015年的上半年也出版了工業(yè)4.0研發(fā)課題白皮書的新版本，當(dāng)中更詳細地探討了這些課題。下面簡要概括所有的課題，包括：(1)研究與創(chuàng)新的內(nèi)容概述；(2)預(yù)期成果；(3)主要的里程碑。5.2 課題領(lǐng)域：價值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成橫向集成是指對用于支持或?qū)嵤┎煌瑑r值創(chuàng)造過程(比如生產(chǎn)、物流、營銷、管理、服務(wù))的不同信息技術(shù)系統(tǒng)的集成。橫向集成是制造企業(yè)內(nèi)部和不同企業(yè)之間一種普遍適用的解決方案。5.2.

12、1 課題：創(chuàng)建新商業(yè)模式的方法5.2.1.1 研究與創(chuàng)新的內(nèi)容商業(yè)模式簡要描述了一家企業(yè)如何運作和如何進行價值創(chuàng)造，即抽象地描述這家企業(yè)和哪些合作伙伴、在哪些市場、針對哪些顧客群、怎樣獲得收入等問題。在工業(yè)4.0背景下，由于新的價值創(chuàng)造過程催生了新業(yè)務(wù)，也由于價值網(wǎng)絡(luò)中分工的變化，新的商業(yè)模式將在企業(yè)中產(chǎn)生。這個課題需要考慮的方面包括： 進入市場策略(GTMs) 分析需求、創(chuàng)造需求和評估潛力的方法 支付模式與結(jié)算模式 針對網(wǎng)絡(luò)中的每個參與者的效益評估與風(fēng)險評估 法律方面 激勵與認可制度5.2.1.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果人們一致認為，商業(yè)模式是可持續(xù)地發(fā)揮跨企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的潛力的先決條件。創(chuàng)建新商業(yè)

13、模式的方式方法應(yīng)相互結(jié)合并加以完善，尤其應(yīng)該系統(tǒng)化地理解和掌握不同部門得出的最佳實踐和經(jīng)驗，然后將其轉(zhuǎn)化到生產(chǎn)上，并且分析由此產(chǎn)生的效果。在此過程中，應(yīng)仔細觀察價值網(wǎng)絡(luò)中的不同角色。以下為這個課題的預(yù)期成果： 根據(jù)最佳實踐擬定示范性的、針對價值網(wǎng)絡(luò)中不同供應(yīng)商角色的進入市場策略 根據(jù)實施工業(yè)4.0的需求，從價值網(wǎng)絡(luò)的各個方面考慮創(chuàng)建新商業(yè)模式的適用方法 示范性的支付、結(jié)算和許可模式 評估工業(yè)4.0典型效益和相關(guān)風(fēng)險的指南 法律方面的指南，除此以外還應(yīng)明確軟件即服務(wù)(SaaS)和平臺即服務(wù)(PaaS)的服務(wù)水平協(xié)議(SLA)所涉及的責(zé)任問題。5.2.1.3 主要的里程碑5.2.2 課題：價值網(wǎng)絡(luò)

14、的框架5.2.2.1 研究與創(chuàng)新的內(nèi)容價值網(wǎng)絡(luò)是以各個價值創(chuàng)造階段及相應(yīng)技術(shù)之間的關(guān)系為基礎(chǔ)建立的系統(tǒng)。每個價值創(chuàng)造階段都由自主、合法且獨立的價值網(wǎng)絡(luò)參與者完成。他們通過自身所處的價值網(wǎng)絡(luò)形成了復(fù)雜的、相互的緊密關(guān)系，同時他們建立起了一個價值創(chuàng)造伙伴關(guān)系的利益共同體，這一共同體致力于獲得可持續(xù)的經(jīng)濟增值。這個課題需要考慮的方面包括： 新型價值網(wǎng)絡(luò)形成的前提條件、驅(qū)動力與結(jié)果 信息物理融合系統(tǒng)平臺在增值中扮演重要角色，即作為價值網(wǎng)絡(luò)的集成者 業(yè)務(wù)上潛在的問題以及由此造成的后果 價值網(wǎng)絡(luò)的組織形式、不同的組成部分及其角色，還有價值網(wǎng)絡(luò)的合理實施5.2.2.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果在客戶、供應(yīng)商、合

15、作伙伴和市場加強參與價值網(wǎng)絡(luò)的背景下，為了闡明諸如(新)商業(yè)戰(zhàn)略、商業(yè)模式與商業(yè)流程這樣的課題，應(yīng)擬定實施價值網(wǎng)絡(luò)的方案并且將其應(yīng)用在試點項目中。為此，應(yīng)該制定具體的示范性商業(yè)計劃，并收集相關(guān)的規(guī)劃經(jīng)驗。這些商業(yè)計劃和經(jīng)驗將被公布，而這正是構(gòu)建支持價值網(wǎng)絡(luò)的信息物理融合系統(tǒng)平臺所必需的。以下為這個課題的預(yù)期成果： 在生產(chǎn)中靈活地集成價值網(wǎng)絡(luò) 從價值網(wǎng)絡(luò)伙伴及其客戶的角度，提出分析和評估經(jīng)濟潛力與技術(shù)潛力的方法 動員中小企業(yè)參與到價值網(wǎng)絡(luò)的合作中 發(fā)掘新商機 建立雙贏的價值網(wǎng)絡(luò)伙伴關(guān)系以及可持續(xù)的、“集成”的商業(yè)模式5.2.2.3 主要的里程碑5.2.3 課題：價值網(wǎng)絡(luò)的自動化5.2.3.1 研

16、究與創(chuàng)新的內(nèi)容價值創(chuàng)造過程的自動化可使橫向集成的自動化程度得到提高。其中需要重點研究價值創(chuàng)造過程中可以實現(xiàn)自動化的階段，即可以與“數(shù)字世界”融合的階段。這個課題需要考慮的方面包括： 信息流的連貫性 運用建模、計算、仿真和優(yōu)化的方法 對產(chǎn)品生命周期管理(PLM)、先進生產(chǎn)計劃與調(diào)度(APS)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、供應(yīng)鏈管理(SCM)和企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)這些系統(tǒng)的應(yīng)用進行集成 全員參與，作為全球價值流中的創(chuàng)造性實踐者 構(gòu)建人機界面 培訓(xùn)措施和遷移過程的關(guān)系5.2.3.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果價值創(chuàng)造過程應(yīng)該有效、靈活并且具有較高的可預(yù)見性，而人們應(yīng)該從毫無創(chuàng)造性的工作中解放出來。達到這個目

17、標(biāo)的關(guān)鍵是生產(chǎn)率、資源效率以及自動化程度的提高。通過不斷提高復(fù)雜規(guī)劃過程中每一環(huán)節(jié)的自動化程度，可根據(jù)全球目標(biāo)對價值鏈、價值網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)進行優(yōu)化。在此過程中，應(yīng)顧及到其中的各種關(guān)系并達到協(xié)同效應(yīng)。最終，通過集成分層的流程以及使部分流程實現(xiàn)同步或自主運行來實現(xiàn)上述目標(biāo)。以下為這個課題的預(yù)期成果： 得出能夠直接或者間接描述所有業(yè)務(wù)流程的關(guān)系和相關(guān)性的方法論(業(yè)務(wù)流程包括企業(yè)資源計劃、產(chǎn)品生命周期管理、先進生產(chǎn)計劃與調(diào)度、制造執(zhí)行系統(tǒng)等)。 建立統(tǒng)一的目標(biāo)層次體系。所有根據(jù)該全球目標(biāo)開展的活動和流程所產(chǎn)生的影響將以此為參照。 根據(jù)上述目標(biāo)層次體系，從達成最佳全球目標(biāo)的角度出發(fā)，設(shè)計與組織最優(yōu)的流程與活

18、動。 易于應(yīng)用與集成且能夠自我描述的模塊。 可以通過簡單、直觀的演示和連續(xù)仿真的能力來支持用戶的工具和程序。5.2.3.3 主要的里程碑5.3 課題領(lǐng)域：全生命周期工程的連貫性產(chǎn)品生命周期指的是一個產(chǎn)品的開發(fā)過程以及與生產(chǎn)系統(tǒng)有關(guān)的工程。產(chǎn)品由生產(chǎn)系統(tǒng)負責(zé)生產(chǎn)，然后交付用戶使用，最終被回收。人們應(yīng)該將整個生命周期中有關(guān)產(chǎn)品的所有信息聯(lián)系起來。5.3.1 課題：現(xiàn)實世界與虛擬世界的結(jié)合5.3.1.1 研究與創(chuàng)新的內(nèi)容現(xiàn)實世界與虛擬/數(shù)字世界的相互作用是工業(yè)4.0的核心。所有物體都有一個數(shù)字化的映像(模型)。在模型中，我們通常用亟待解決的問題及其決策過程的特征來刻畫現(xiàn)實世界。虛擬/數(shù)字世界的要素是

19、仿真模型、規(guī)劃模型和解釋模型。此外，協(xié)同建模能夠在不同的尺度上對兩個世界的界面進行觀察。從根本上講，規(guī)劃模型是構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的基礎(chǔ)。人們借助解釋模型分析這些復(fù)雜系統(tǒng)并將分析轉(zhuǎn)化為最終的解決方案和決策。就這方面而言，虛擬世界通過上述兩個模型對現(xiàn)實世界的構(gòu)建具有重大影響。與此同時，構(gòu)建模型時需要估計現(xiàn)實世界的客觀條件、要求和目標(biāo)并且評估其對虛擬世界產(chǎn)生的影響。在機械設(shè)備制造中，需要有與生產(chǎn)建模理論相關(guān)的科學(xué)基礎(chǔ)。經(jīng)過驗證的、結(jié)合了計算機科學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)的理論、描述方式和方法將通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、拓展和結(jié)合，便能廣泛應(yīng)用到各種工藝中，從而得到進一步加強。在這個過程中，對現(xiàn)有的、針對特定領(lǐng)域的工作方法與軟件工具

20、進行適當(dāng)?shù)募善鸬疥P(guān)鍵作用。這個課題需考慮的方面包括： 在構(gòu)建建模理論的基礎(chǔ)時，需要回答下列問題：“什么是好的模型?”(包括不確定性評估)、“我怎么能找到適合的模型?”、“我在數(shù)字世界中和現(xiàn)實世界中各能實現(xiàn)什么?”和“如何在虛擬世界和現(xiàn)實世界之間搭建界面?”。另外，現(xiàn)有模型也必須納入考慮范圍之內(nèi)。 在建模理論中，必須在已定義語義的基礎(chǔ)上把概念和指導(dǎo)思想確定下來，例如：抽象概念、普遍性、視角、相關(guān)性、類型和案例、模塊化、深度建模和模型驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu)。 建模的經(jīng)濟可行性：除了因建模過程本身的成本，還應(yīng)考慮在全生命周期中使用模型的成本。人們對模型如何能在其生命周期內(nèi)“共同成長”這一問題十分感興趣。此

21、外，通過保留參考數(shù)據(jù)增加現(xiàn)有數(shù)據(jù)源有利于日后持續(xù)對相關(guān)方面的系統(tǒng)歸納。5.3.1.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果在生產(chǎn)領(lǐng)域中，建模的長期目標(biāo)是通過建立反映生產(chǎn)企業(yè)能力的、有針對性的、雙向的經(jīng)濟模型，使虛擬世界的要素能夠在較高的語義層面上、跨學(xué)科地與真實世界聯(lián)系，從而大幅提高內(nèi)部指令處理的效率和決策的安全性。為此，人們對機械制造、電氣工程和計算機科學(xué)的模型有一致的理解是必要的基礎(chǔ)。以下為這個課題的預(yù)期成果： 建模理論包括由(自動化的所有層面上的)工具、數(shù)據(jù)流或信息流衍生出來的要求 證明經(jīng)濟可行性和進行案例研究的方法 可行的建模規(guī)則 有工具支持的一般性元模型5.3.1.3 主要的里程碑5.3.2 課題：

22、系統(tǒng)工程5.3.2.1 研究與創(chuàng)新的內(nèi)容系統(tǒng)工程是用于技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)的、通用的跨領(lǐng)域?qū)W科(涉及各個方面)。系統(tǒng)工程主要用于開發(fā)跨學(xué)科系統(tǒng)，它體現(xiàn)了所有研發(fā)活動的整體水平。這個課題需要考慮的方面包括： 對產(chǎn)品、流程以及生產(chǎn)系統(tǒng)進行綜合開發(fā)。從開發(fā)的最初階段就必須考慮到各個方面緊密的相互作用，并在市場周期中不斷完善產(chǎn)品。 在早期階段對設(shè)計決策進行測試與驗證，同時要考慮到哪些預(yù)期的機械化和電氣化功能隨后會由硬件、軟件或者服務(wù)實現(xiàn)。 所有相關(guān)數(shù)據(jù)和流程可用于不同系統(tǒng)(子系統(tǒng)、機器/流程、生產(chǎn)設(shè)備、工廠)和不同企業(yè)，從而為建立可擴展的系統(tǒng)做好準(zhǔn)備。 設(shè)備與系統(tǒng)的模塊化和再利用有助于管理日益增加的復(fù)雜性和可

23、擴展性。 設(shè)備和系統(tǒng)被用于開發(fā)、工程或操作的過程，應(yīng)通過這個使用過程收集經(jīng)驗。 使用系統(tǒng)工程的方法有助于形成具有互操作性的工程鏈。該工程鏈可以安全地用于工程系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)和企業(yè)目前使用的各類系統(tǒng)(例如用作數(shù)據(jù)交換、演示模型和訪問方式)。該工程鏈還可以形成不同的版本，應(yīng)用于各種商業(yè)模式中(例如授權(quán)許可、結(jié)算系統(tǒng))。5.3.2.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果系統(tǒng)工程的目標(biāo)是把跨學(xué)科整體設(shè)計復(fù)雜系統(tǒng)的方法融入到機械、電子、軟件、設(shè)備制造和工藝等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有的開發(fā)方法和工具環(huán)境中，最終實現(xiàn)對這些開發(fā)方法和工具環(huán)境的改進。企業(yè)，尤其是中小企業(yè)應(yīng)該廣泛采用系統(tǒng)工程來提高協(xié)作能力，以便管理工業(yè)4.0系統(tǒng)日益增

24、加的復(fù)雜性。這使人們能夠在工程網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中高效且有效地開展項目。以下為這個課題的預(yù)期成果： 制定統(tǒng)籌兼顧的方法，形成協(xié)調(diào)的工具鏈和開發(fā)環(huán)境 工具的利用不受系統(tǒng)與地點的限制 應(yīng)用接口的語義 對復(fù)雜系統(tǒng)中的需求進行跨學(xué)科的、持續(xù)的管理5.3.2.3 主要的里程碑5.4 課題領(lǐng)域：縱向集成和網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)系統(tǒng)縱向集成是指對一個生產(chǎn)系統(tǒng)中不同層面(例如促發(fā)器和傳感器層面、控制層面、生產(chǎn)管理層面、制造執(zhí)行層面、企業(yè)規(guī)劃層面)的信息技術(shù)系統(tǒng)進行集成，從而形成通用的解決方案。5.4.1 課題：傳感器網(wǎng)絡(luò)5.4.1.1 研究與創(chuàng)新的內(nèi)容分析傳感器數(shù)據(jù)的主要目的在于不斷記錄(技術(shù))流程的信息，這些信息要么作為

25、控制和管理流程的基礎(chǔ)，要么用于診斷或警告等。例如，可以通過訪問流程參數(shù)對其進行調(diào)整；或通過診斷預(yù)報機器故障。其中，主要的挑戰(zhàn)是如何把這些傳感器連接起來并對它們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行評估(特別是在臨界的實時條件下)。這個課題需要考慮的方面包括： 在實踐中，如何通過大量的傳感器采集實時數(shù)據(jù)? 哪里能進行有效的數(shù)據(jù)處理? 如何確定被測值與所產(chǎn)生效果之間的定性和定量的關(guān)系，并將其轉(zhuǎn)化為(狀態(tài))模型?5.4.1.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果在工業(yè)4.0的場景中，應(yīng)該建立一個框架，以便于實施對不同狀態(tài)的監(jiān)測和控制。對負責(zé)傳感器數(shù)據(jù)處理的主要組件(層面)的訪問應(yīng)盡可能標(biāo)準(zhǔn)化。如果能夠建立一個軟件架構(gòu)，就不必掌握傳感器物

26、理層面的知識也能夠訪問傳感器，尤其是在接入無線傳感器時。應(yīng)該通過即插即用的方式實現(xiàn)圖像化和交互式的調(diào)試和配置。即使不對每個應(yīng)用進行單獨開發(fā)，也能使用更多的傳感器數(shù)據(jù)流，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。為了實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的高度自主性，應(yīng)豐富傳感器的語義描述(開發(fā)語義傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù))。以下為這個課題的預(yù)期成果： 擴展和完善用于確定系統(tǒng)/生產(chǎn)狀態(tài)的模型，這種模型用于推導(dǎo)有效的行動建議 生產(chǎn)流程的在線管理需要根據(jù)流程中循環(huán)的、有關(guān)流程產(chǎn)出質(zhì)量的實時數(shù)據(jù) 為了保證質(zhì)量，采用針對具體情況的、自適應(yīng)的測量戰(zhàn)略 建立一個跨領(lǐng)域的社區(qū)5.4.1.3 主要的里程碑5.4.2 課題：智能、柔性、可變性5.4.2.1 研究與創(chuàng)新的內(nèi)

27、容智能生產(chǎn)系統(tǒng)是自適應(yīng)的，也就是說這些系統(tǒng)基于集成模型知識與它們的環(huán)境相互作用并自主地適應(yīng)環(huán)境。這些系統(tǒng)非常強大，能夠在不斷變化的環(huán)境中應(yīng)付系統(tǒng)開發(fā)者沒有考慮到的意外情況，并且效率絲毫不受影響。這些系統(tǒng)還具有前瞻性，它們能根據(jù)經(jīng)驗知識預(yù)測在不同影響因素下將產(chǎn)生的結(jié)果。最后，這些系統(tǒng)也是便于使用的，它們不僅考慮到用戶的不同行為，還考慮到了不同的信息需求并自主適應(yīng)這一切。柔性的意思是，流程或系統(tǒng)中預(yù)設(shè)且有限的路徑中被事先考慮過了，因此能滿足各種不同的要求。在生產(chǎn)環(huán)境中，這意味著在生產(chǎn)不同產(chǎn)品時人員、機器、生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)作?？勺冃允侵福ㄟ^調(diào)整柔性路徑的邊界，能夠變更或者重組流程與系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)性的步驟。

28、在生產(chǎn)環(huán)境中，這意味著可以輕松地重組一臺機器制造新產(chǎn)品及其變體的過程，或改變生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這個課題需要考慮的方面包括： 識別、形式化和描述對全球目標(biāo)有直接和間接影響的柔性和可變性特征 對接口進行標(biāo)準(zhǔn)化，從而能夠運用生產(chǎn)單元(模塊)建立靈活可變的生產(chǎn)流程 社會、倫理、生態(tài)以及人體工程學(xué)方面的影響在生產(chǎn)環(huán)境中對自治系統(tǒng)實施工程和測試時，要求自治系統(tǒng)的開發(fā)人員必須接受過相關(guān)的教育和培訓(xùn)。5.4.2.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果智能使產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)能夠發(fā)揮新功能并減輕用戶的負擔(dān)：開發(fā)、工程、維護和生命周期管理等方面得以改進；產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性、安全性和可用性得以提高；資源(比如能源和材料)將被更高效

29、地利用；生產(chǎn)流程與生產(chǎn)系統(tǒng)也具有極高的柔性和可變性。以下為這個課題的預(yù)期成果： 識別自治、可再用的生產(chǎn)單元(模塊)，并分析實施這些模塊對工作模式的要求和影響 通過強大而可靠的算法獲得集中的和分散的智能 智能系統(tǒng)在生產(chǎn)環(huán)境中協(xié)作的策略 直觀人機交互的相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用實例 通過遷移策略實現(xiàn)柔性可變的生產(chǎn)5.4.2.3 主要的里程碑5.5 課題領(lǐng)域：工作中的新型社會基礎(chǔ)設(shè)施工業(yè)4.0平臺工作組3(AG3)根據(jù)自身的能力與經(jīng)驗，僅能從技術(shù)的角度提出研發(fā)要求。因此，本章內(nèi)容由德國科學(xué)顧問委員會撰寫。5.5.1 課題：多模式輔助系統(tǒng)5.5.1.1 研究與創(chuàng)新的內(nèi)容該課題是關(guān)于以人為本的人機交互界面的設(shè)計原則

30、。人與技術(shù)交互方式的改變是工業(yè)4.0的內(nèi)容之一：機器將適應(yīng)人，而不是反過來由人適應(yīng)機器。多模式的、界面友好的智能工業(yè)輔助系統(tǒng)能夠支持員工的工作，并且將數(shù)字化學(xué)習(xí)技術(shù)直接帶到工作場所中去。在設(shè)計人機交互界面時需要考慮的因素包括： 輸入/輸出的清晰度 在惡劣環(huán)境下的能見度 可識別性，確保不發(fā)生混淆 適應(yīng)任務(wù)的能力 自我描述能力 可控性 符合預(yù)期的可能性5.5.1.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果在工廠里，應(yīng)該在智能輔助系統(tǒng)的支持下形成協(xié)作式的新型工作模式。增強現(xiàn)實、二維現(xiàn)實和同步多維現(xiàn)實的方法和技術(shù)(即傳感器驅(qū)動的、語義的工廠模型與真實工廠實時同步)使高度復(fù)雜的組件能夠進行協(xié)作式的遠程操作(如故障排除)。

31、因此，工作模式將發(fā)生根本上的改變。例如，借助自適應(yīng)的社會網(wǎng)絡(luò)和社交媒體，員工可以突破企業(yè)和受教育程度的限制進行合作和協(xié)作。因為在系統(tǒng)開發(fā)過程中針對特定目標(biāo)員工群體進行了個性化設(shè)計，所以這些適應(yīng)性強的交互系統(tǒng)能夠考慮到不同員工的差異。以下為這個課題的預(yù)期成果： 運用集成虛擬人體模型來支持機械化生產(chǎn)流程的仿真 提供必要條件支持員工利用和獲得經(jīng)驗知識，這些條件也是穩(wěn)定的系統(tǒng)操作的前提 確保系統(tǒng)狀態(tài)對員工透明可見 保證所有員工能夠接受培訓(xùn) 促進數(shù)字化學(xué)習(xí)技術(shù)的使用 進一步開發(fā)數(shù)字化學(xué)習(xí)技術(shù)5.5.1.3 主要的里程碑5.5.2 課題：技術(shù)的接受度與工作設(shè)計5.5.2.1 研究與創(chuàng)新的內(nèi)容生產(chǎn)員工接受工

32、業(yè)4.0的前提在于：工業(yè)4.0為員工提供靈活的工作環(huán)境并能支持他們發(fā)展創(chuàng)造與學(xué)習(xí)的能力。“多模式輔助系統(tǒng)”將為此創(chuàng)造技術(shù)方面的前提條件。這一課題的其他研究重點還包括：技能發(fā)展和工作組織，適應(yīng)工業(yè)4.0系統(tǒng)的工作工具的設(shè)計。這個課題需要考慮的方面包括： 對工業(yè)4.0的基本理解如下：它是一個社會技術(shù)系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，技術(shù)、組織以及人員必須系統(tǒng)地相互協(xié)調(diào)。 工作設(shè)計應(yīng)使員工獲得能力的發(fā)展并擁有舒適健康的工作環(huán)境，從而接受工業(yè)4.0 員工和工會的工作小組應(yīng)參與決策過程5.5.2.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果企業(yè)應(yīng)擴大員工的職責(zé)范圍，同時應(yīng)完善他們獲得知識的途徑，從而提升他們的素質(zhì)和技能。這樣做的發(fā)點是為

33、了能夠形成協(xié)作式的新型生產(chǎn)工作模式。此外，工業(yè)4.0可以增加生產(chǎn)工作的吸引力和應(yīng)對未來技能人才短缺的問題。最后，通過工作設(shè)計方面的措施，可以較好地解決勞動力老化的問題。以下為這個課題的預(yù)期成果： 提出對生產(chǎn)活動和任務(wù)進行設(shè)計的概念，這一概念可以確保員工獲得能力的發(fā)展并擁有舒適健康的工作環(huán)境，從而接受工業(yè)4.0 有關(guān)整合工作場所中計劃、組織、執(zhí)行和控制等一系列活動的建議 建立模型，用于在要求較低的例行任務(wù)和要求較高的問題求解任務(wù)之間取得適當(dāng)平衡 開發(fā)促進學(xué)習(xí)且能支持工作組織的工作工具 建立模型，用于展現(xiàn)相關(guān)員工和企業(yè)工會參與實施工業(yè)4.0的過程5.5.2.3 主要的里程碑5.6 課題領(lǐng)域：工業(yè)4

34、.0的通用技術(shù)本章的通用技術(shù)列表并不是詳盡無遺的，而是可擴展的。為了技術(shù)進一步發(fā)展，必須分別強調(diào)各項通用技術(shù)在工業(yè)4.0中的重要性。5.6.1 課題：工業(yè)4.0場景中的網(wǎng)絡(luò)通信5.6.1.1 研究與創(chuàng)新的內(nèi)容這一課題研究信息物理融合系統(tǒng)(CPS)包含的各個固定組件和移動組件之間的網(wǎng)絡(luò)通信。正是在企業(yè)車間和后臺系統(tǒng)的組件、服務(wù)系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在相連的供應(yīng)鏈和生命周期各階段進行交換。這個課題需要考慮的方面包括： 根據(jù)需求在辦公室和車間中利用無線通信 不同的無線和有線通信系統(tǒng)和個人專屬系統(tǒng)的共存 不同無線通信系統(tǒng)的互操作性 在變化的系統(tǒng)配置中進行預(yù)測性的效果分析 產(chǎn)品被用于全球可用的生產(chǎn)線上

35、對有關(guān)帶寬、確定性和實時性的要求進行管理 在可互操作的工程鏈中可擴展和一般性的應(yīng)用 信息安全和作業(yè)安全5.6.1.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果為了滿足工業(yè)4.0生產(chǎn)場景應(yīng)用中的所有要求，應(yīng)該開發(fā)和評估跨領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)化和網(wǎng)絡(luò)接入解決方案。另外，發(fā)送功率、穩(wěn)定性、保密性、安全性和可靠性的要求，以及經(jīng)濟可行性和國際部署能力，都是這個課題的目標(biāo)。以下為這個課題的預(yù)期成果： 通過標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案提高工業(yè)4.0的成效和被接受程度，這些解決方案的標(biāo)準(zhǔn)考慮到了互操作性、可擴展性、成本敏感性(例如減少昂貴傳感器的使用)和要求的可接受性等目標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)通過一定的機制評定，可用于一般的開發(fā)流程，不需要高成本的認證(既非技術(shù)驅(qū)

36、動也非空間驅(qū)動)，比如使用盡可能開放的認證方法(例如歐共體CE認證的“制造商自行申報”)。 對目前和未來的潛力進行評估 工業(yè)4.0場景中的開放網(wǎng)絡(luò) 無線局域(WLAN)技術(shù)和備選技術(shù)方案，如藍牙技術(shù) 工業(yè)4.0場景中的近場技術(shù) 明確特定的需求 無線電技術(shù)、開放網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專用解決方案以及備選方案的確定 建筑、工藝技術(shù)或基礎(chǔ)設(shè)施(能源、水、交通運輸)等應(yīng)用領(lǐng)域5.6.1.3 主要的里程碑5.6.2 課題：微電子技術(shù)5.6.2.1 研究與創(chuàng)新的內(nèi)容在工業(yè)4.0中，信息物理融合系統(tǒng)用于智能地識別、監(jiān)測和操控生產(chǎn)與物流過程，而微電子技術(shù)是信息物理融合系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)。微電子技術(shù)為逐步實現(xiàn)工業(yè)4.0奠

37、定基礎(chǔ)。在此，微電子技術(shù)具有特殊意義，它既代表了“摩爾定律”，也代表了“超越摩爾”。在微電子技術(shù)的發(fā)展過程中，系統(tǒng)集成技術(shù)(例如：圓晶級芯片的3D集成、自我診斷功能、能源效率)起到關(guān)鍵作用。該課題的研究重點包括： 含傳感器和促動器的微機電系統(tǒng)(MEMS) 芯片上的嵌入式系統(tǒng)，包括：專用處理器、專用實時微控制器、最低功耗的高性能高科技多核架構(gòu)存儲器 用于高性能促動器系統(tǒng)的工業(yè)電子技術(shù) 無線電通信(低功耗、低延遲) 能源收集帶來盡可能高的收益 系統(tǒng)集成 嵌入式信息技術(shù)安全體系結(jié)構(gòu) 魯棒性與耐用性5.6.2.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果微電子技術(shù)是工業(yè)4.0中的關(guān)鍵技術(shù)之一，有助于實現(xiàn)提高靈活性和生產(chǎn)率

38、以及降低成本的目標(biāo)。而專用電子硬件和智能軟件之間的優(yōu)化組合是實現(xiàn)上述目標(biāo)的必要前提。唯有開發(fā)出適用的微電子組件和系統(tǒng)，才能滿足工業(yè)4.0場景的具體需求，因此需要持續(xù)地研發(fā)微電子技術(shù)。5.6.2.3 主要的里程碑5.6.3 課題：作業(yè)安全與信息安全5.6.3.1研究與創(chuàng)新的內(nèi)容“信息安全”是指保證工業(yè)4.0設(shè)備與系統(tǒng)中信息的可用性、完整性和機密性。因此，保證信息安全是為了阻擋對設(shè)備及其功能產(chǎn)生影響的威脅，尤其是別有動機的攻擊。所有功能的信息安全都應(yīng)得到保障既指操作功能，也指監(jiān)測功能和保護功能(例如作業(yè)安全功能)?！白鳂I(yè)安全”則是指“功能性安全”，即系統(tǒng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┦箼C器或設(shè)備的功能不會對人或環(huán)

39、境產(chǎn)生危害?！白鳂I(yè)安全”屬于保護功能的一部分，旨在保證機器或設(shè)備的可靠性。工業(yè)4.0的產(chǎn)品、組件和設(shè)備涉及下列安全性目標(biāo)： 可用性和完整性 可靠性 專有技術(shù)保護 數(shù)據(jù)保護在工業(yè)4.0背景中，通過身份證明保證安全性十分重要。這個課題需要考慮的方面包括： 擬定評估潛在威脅和風(fēng)險的方法，包括安全措施的成本效益分析 保護對外和對內(nèi)的接口 保護生產(chǎn)設(shè)備中的通信系統(tǒng) 信息安全漏洞對設(shè)備可靠性的損害 在數(shù)據(jù)保護中，法律法規(guī)與信息安全的相互作用 基于設(shè)計的信息安全 長期適用的安全解決方案 對攻擊進行檢測和分析同時還應(yīng)考慮下列幾點： 對相關(guān)的水平和垂直價值網(wǎng)絡(luò)進行安全評估 對具體用例進行研究并將其盡快轉(zhuǎn)化成可應(yīng)

40、用的成果，以表明研究的實用性 應(yīng)考慮到與“人”有關(guān)的方面：透明度、可用性、用戶接受度、數(shù)據(jù)保護5.6.3.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果如今有各種各樣安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，然而目前為止，它們很少被應(yīng)用到工業(yè)環(huán)境中。其原因是多方面的，但最根本的原因在于，自動化解決方案的主要目的不在于實現(xiàn)信息安全功能。對于供應(yīng)商而言，用于保證信息安全的流程會增加開發(fā)和制造的成本，并且不能使用現(xiàn)成的知識。另外，為操作人員設(shè)計的安全方案往往由于成本和接受度的問題而無法落實。為了提高各方面對安全方案的接受度，并最終落實便于用戶使用的方案，方案開發(fā)者應(yīng)該提供能夠輕松、高效地進行信息安全評估的方法。以下為這個課題的預(yù)期成果： 易于操作

41、和使用的信息安全方法 可擴展的工業(yè)信息安全基礎(chǔ)設(shè)施 開發(fā)出簡單易用的方法和程序，用以評估工業(yè)4.0設(shè)備及其組件的信息安全屬性。可考慮采用即插即用的方法和自治、動態(tài)的配置 考慮到目前的信息安全水平無法抵御作業(yè)安全方面的殘留風(fēng)險，應(yīng)采取動態(tài)檢測和評估設(shè)備作業(yè)安全功能的方法。 為信息安全的標(biāo)準(zhǔn)化做好準(zhǔn)備 擬定合理的安全措施目錄，以便應(yīng)對安全漏洞帶來的威脅，例如參考“計算機安全應(yīng)急響應(yīng)組”(CERT)的方法5.6.3.3 主要里程碑有關(guān)“信息安全與作業(yè)安全”課題長期規(guī)劃的里程碑，即該課題涉及的方法論、解決方案和前提條件尚未提出。5.6.4 課題：數(shù)據(jù)分析5.6.4.1 研究與創(chuàng)新的內(nèi)容數(shù)據(jù)分析的主要目

42、的包括兩方面：一方面是數(shù)據(jù)分析可能產(chǎn)生(新)知識；另一方面是數(shù)據(jù)分析可以得出“可操作的”建議，有助于支持人們的決策和機器的自主決策(在什么時候?qū)κ裁慈颂峁┦裁葱畔?，這將幫助企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率并能夠盡早發(fā)現(xiàn)潛在的不利趨勢。這一切都是新商業(yè)模式的基礎(chǔ)。為此，人們將采用預(yù)測性分析方法，該方法運用統(tǒng)計學(xué)、機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘等基礎(chǔ)技術(shù)。當(dāng)前和歷史的測量值以及來自社交網(wǎng)絡(luò)等來源的“非結(jié)構(gòu)化”數(shù)據(jù)將得到分析，由此揭示目前尚不為人所知的事物之間的聯(lián)系(描述性分析)，同時可以據(jù)此評估未來系統(tǒng)行為及其影響(預(yù)測性分析)。最終，新獲得的知識不僅能用于評估不同的行動備選方案，還能用于不斷優(yōu)化系統(tǒng)、流程和策略

43、(規(guī)范性分析)。然而，在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上提出行動建議或是直接措施才是重大挑戰(zhàn)。這個課題需要考慮以下幾個方面： 數(shù)據(jù)處理 狀態(tài)檢測 預(yù)測性評估 提出建議5.6.4.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果應(yīng)擬定進行數(shù)據(jù)分析所需的標(biāo)準(zhǔn)目錄，以便于實施下列規(guī)則： 在不了解具體(物理)來源的情況下(封裝或虛擬化)允許訪問數(shù)據(jù) 采取即插即用的方法，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口集成新的數(shù)據(jù)源 利用跨領(lǐng)域價值網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù) 應(yīng)建立廣泛且能持續(xù)擴展的工藝基礎(chǔ)，從而促使新應(yīng)用場景的產(chǎn)生 提供法律保障(什么人對什么數(shù)據(jù)以及由此產(chǎn)生的知識有什么權(quán)利)另外，軟件架構(gòu)和相應(yīng)的接口應(yīng)能夠處理多個數(shù)據(jù)流(即實現(xiàn)元層面的數(shù)據(jù)融合)，而不必針對各個應(yīng)用場景進

44、行單獨開發(fā)。為此，應(yīng)該擬定和實施相應(yīng)的規(guī)則： 解釋模型可用于描述當(dāng)前狀態(tài)和判斷未來狀態(tài) 應(yīng)該開發(fā)能夠高效且有效的應(yīng)用程序和算法，用以分析不斷增加的大量數(shù)據(jù)5.6.4.3 主要里程碑5.6.5 課題：工業(yè)4.0的句法和語義5.6.5.1 研究與創(chuàng)新的內(nèi)容實現(xiàn)工業(yè)4.0場景的前提是操作主體(如：人員、軟件工具、軟件智能體、控制系統(tǒng)、軟件服務(wù))能夠?qū)⑴c對象(例如機器、機械零件、產(chǎn)品和產(chǎn)品說明或是數(shù)字工廠相關(guān)資源)進行解釋，也就是說，操作主體能夠識別并理解參與對象。為此，必須以信息模型為基礎(chǔ)描述參與對象的相關(guān)特征，例如在模型中設(shè)定相關(guān)的屬性或符合對象角色的任務(wù)。人們需要生產(chǎn)環(huán)境中的(數(shù)據(jù))模型、系統(tǒng)

45、模型、解釋模型、規(guī)劃模型和組件模型，才能在計算機中完成上述過程。在這里，句法中包含了描述文件與數(shù)據(jù)的有效符號(如字母、數(shù)字、特殊字符、圖形符號)，同時說明了這些字符如何正確地相互連接成符號鏈。語義則通過給符號鏈或數(shù)據(jù)賦予意義，建立符號與模型之間的關(guān)系，這樣我們才能從數(shù)據(jù)中得出信息。例如，協(xié)議就是這樣一種關(guān)系。一個協(xié)議文件中的某個字符串描述模型中的某個屬性，協(xié)議文件還確切指出這些模型屬性描述的是哪些特征，以及這些特征可能有哪些體現(xiàn)。5.6.5.2 研究與創(chuàng)新的預(yù)期成果該課題旨在為工業(yè)4.0場景開發(fā)一套形式化的、計算機可處理的通用語義，用以在應(yīng)用層面解釋特定領(lǐng)域的“語言”，從而使所有對象和主體及其

46、結(jié)合過程(即流程、通信網(wǎng)絡(luò)和價值網(wǎng)絡(luò))能夠運用這些“語言”。這樣做的目的是確保價值鏈上和價值鏈間的信息流暢通無阻，以及消除現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中的漏洞。 語義和句法是數(shù)據(jù)存儲、傳輸和處理過程中實現(xiàn)跨企業(yè)互操作性的基本前提。 標(biāo)準(zhǔn)化的語義描述能夠支持價值鏈的自優(yōu)化和自動化 通用語義的開發(fā)使生命周期各階段模型的結(jié)合成為可能(可對工程中的產(chǎn)品、流程和資源進行語義描述) 有了句法和語義，就可以創(chuàng)建一般的工具或功能 語義和句法支持工業(yè)4.0組件的“即插即生產(chǎn)”功能，并使其具備靈活性和適應(yīng)性這個課題中的挑戰(zhàn)包括：一方面，要盡快開發(fā)出工業(yè)4.0的句法和語義；同時，應(yīng)盡可能擴大其應(yīng)用范圍。5.6.5.3 主要里程碑5.

47、7 課題之間的關(guān)系不同的研究課題并不是孤立存在，而是相互關(guān)聯(lián)的。因此，一個研究領(lǐng)域的最新成果將會影響另一研究領(lǐng)域的活動。目前，工業(yè)4.0平臺工作組3和德國科學(xué)顧問委員會運用Gausemeier教授的場景分析法，合作分析課題之間的相關(guān)性。分析結(jié)果將于今年公布，不過目前已經(jīng)能夠確定，下列課題的研究成果對其他研究的成果有巨大的影響： “智能、柔性、可變性” “傳感器網(wǎng)絡(luò)” “價值網(wǎng)絡(luò)的框架” “信息安全與作業(yè)安全”6.參考體系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化與標(biāo)準(zhǔn)本章是多個機構(gòu)2的合作研究成果，其中概括了工業(yè)4.0的參考體系結(jié)構(gòu)，闡明了標(biāo)準(zhǔn)化與標(biāo)準(zhǔn)的必要性。在合作研究過程中，工業(yè)4.0平臺負責(zé)協(xié)調(diào)大量子工作組的活動，并

48、確保不同組織和協(xié)會協(xié)同行動。以下介紹的大量研究成果是確保德國工業(yè)競爭力的重要一步。6.1 引言工業(yè)4.0參考體系結(jié)構(gòu)其中一個基本思路就是在一個共同的模型當(dāng)中體現(xiàn)不同的方面。工廠內(nèi)的縱向集成是指生產(chǎn)資料的網(wǎng)絡(luò)化，例如自動化設(shè)備或服務(wù)的聯(lián)網(wǎng)。產(chǎn)品和工件是在工業(yè)4.0的背景下必須考慮的新方面，相關(guān)的模型必需反映這一點。工業(yè)4.0還涉及第二個方面，價值鏈的整體工程意味著：在整個價值鏈中，有關(guān)一臺生產(chǎn)設(shè)備或一個工件的所有技術(shù)、管理和商業(yè)數(shù)據(jù)都被持久地保存，并且隨時可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問。工業(yè)4.0的第三個方面就是價值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成，即跨越單個工廠的界限，動態(tài)地組成價值網(wǎng)絡(luò)，并且在一個共同的模型中體現(xiàn)上述這些方

49、面。在這個模型中，控制回路以毫秒為周期進行采樣，從商業(yè)問題求解的角度，描述共同的價值網(wǎng)絡(luò)中多個工廠之間的動態(tài)協(xié)作。也就是說，要從不同應(yīng)用領(lǐng)域的視角去理解，抓住其本質(zhì)并統(tǒng)一體現(xiàn)在一個模型中。在研究工業(yè)4.0參考體系結(jié)構(gòu)模型(RAMI4.0)的具體工作開始之前，有必要大致了解現(xiàn)有的路徑和方法。我們很快就發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)有一系列可用的路徑，但它們通常只是針對工業(yè)4.0的局部內(nèi)容，而不能從上述工業(yè)4.0完整視角出發(fā)。下面我們具體地探討各個路徑：通信層的實現(xiàn)路徑： 過程控制標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一框架(OPC UA)：基于IEC 62541信息層的實現(xiàn)路徑： 國際電工委員會“通用數(shù)據(jù)詞典”(CDD)(IEC 61360系列/

50、ISO 13584-42) 參考eCIss的屬性、分類和工具 電子設(shè)備描述(EDD) 現(xiàn)場設(shè)備工具(FDT)功能和信息層的實現(xiàn)路徑： 現(xiàn)場設(shè)備集成(FDI)作為集成技術(shù)整體工程的實現(xiàn)路徑： AutomationML ProSTEP iViP eCIss(屬性)第一步是對上述路徑作基礎(chǔ)測試，看是否符合本章接下來介紹的參考體系結(jié)構(gòu)。本質(zhì)上，上述路徑都是值得肯定的，但對具體概念和方法還需要進一步研究。6.2 工業(yè)4.0參考體系結(jié)構(gòu)在工業(yè)4.0的討論中會涉及到各種不同的利益群體：從流程自動化到工廠自動化，不同產(chǎn)業(yè)采用不同的標(biāo)準(zhǔn)、信息通信技術(shù)和自動化技術(shù)；不同的協(xié)會和標(biāo)準(zhǔn)組織制定出各種標(biāo)準(zhǔn)，例如：不同的

51、協(xié)會包括德國信息技術(shù)、電信和新媒體協(xié)會(BITKOM)、德國機械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(VDMA)、德國電子電氣制造商協(xié)會(ZVEI)、德國工程師協(xié)會(VDI)；不同的標(biāo)準(zhǔn)組織包括國際電工委員會(IEC)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)以及它們在德國的分支機構(gòu)德國電氣電工信息技術(shù)委員會(DKE)和德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(DIN)。為了就“哪些標(biāo)準(zhǔn)和用例在工業(yè)4.0中是必不可少的?”這個問題達成共識，必須建立一個統(tǒng)一的參考體系結(jié)構(gòu)模型，才能在此基礎(chǔ)上討論各種關(guān)系和細節(jié)。這項工作的最終成果就是工業(yè)4.0參考體系結(jié)構(gòu)(RAMI4.0)。它包含了工業(yè)4.0的重要方面，補充了IEC 62264的層次結(jié)構(gòu)：在底層補充了產(chǎn)品/

52、工件層；在頂層補充了超越單個工廠的“互聯(lián)世界”層面。橫軸表示設(shè)備或產(chǎn)品的生命周期，也體現(xiàn)了原型和實物之間的區(qū)別。在六個層面之上，最后結(jié)構(gòu)化地描述了工業(yè)4.0組件中代表信息技術(shù)的部分。因此，工業(yè)4.0參考體系結(jié)構(gòu)模型的主要特點把生命周期和價值鏈以分層結(jié)構(gòu)的方式結(jié)合，用于定義工業(yè)4.0組件。此外，這個模型中的層次結(jié)構(gòu)還體現(xiàn)了工業(yè)4.0環(huán)境中極高的柔性，并允許對各種功能進行封裝。參考體系結(jié)構(gòu)模型為描述和實施柔性生產(chǎn)的概念奠定基礎(chǔ)。這個模型可以隨著工業(yè)4.0的發(fā)展做出調(diào)整，還能夠針對有特殊規(guī)定和要求的應(yīng)用領(lǐng)域進行定義。工業(yè)4.0參考體系結(jié)構(gòu)模型將引入DIN SPEC 91345標(biāo)準(zhǔn)。6.2.1 要求與

53、目標(biāo)目標(biāo)工業(yè)4.0是專門研究“物聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)”的領(lǐng)域，該領(lǐng)域涉及大約15個產(chǎn)業(yè)。借助參考體系結(jié)構(gòu)模型，可以對任務(wù)和流程進行具體清晰的分解，更直觀地呈現(xiàn)真實情況，從而有助于對標(biāo)準(zhǔn)化與標(biāo)準(zhǔn)等問題進行有針對性的討論。在解決未來的問題時也要依據(jù)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，找出有待拓展或修改的地方。原有標(biāo)準(zhǔn)中疏漏或重復(fù)多余之處也可以被發(fā)現(xiàn)，然后進行討論研究。如果不同標(biāo)準(zhǔn)模型中出現(xiàn)同樣或類似的方面，便可將其作為參考體系結(jié)構(gòu)模型中優(yōu)先討論的標(biāo)準(zhǔn)。這樣做的目標(biāo)是在可行的范圍內(nèi)盡可能地減少標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量。標(biāo)準(zhǔn)的達成選定的標(biāo)準(zhǔn)要經(jīng)過檢驗，看它們在多大程度上適合工業(yè)4.0應(yīng)用場景中已有的方案和方法。這些標(biāo)準(zhǔn)最初在工業(yè)4.0應(yīng)用中實施時，能夠?qū)嵤┮粋€標(biāo)準(zhǔn)的部分內(nèi)容已經(jīng)足夠。這樣有利于引入和實施工業(yè)4.0所必需的跨制造商解決方案，為小企業(yè)增加和創(chuàng)造機會，從而幫助它們快速實施和適應(yīng)工業(yè)4.0。用例參考體系結(jié)構(gòu)模型也可用于工業(yè)4.0用例的評價，例如用于評價用例中必需用到的標(biāo)準(zhǔn)。確定研究課題的關(guān)系不同研究課題之間的關(guān)系在參考體系結(jié)構(gòu)模型中形成多個空間結(jié)構(gòu)(子空間)。實