工业4.0 底层逻辑

许多场合下，工业4.0 的概念已经被滥用了，它与物联网，工业物联网等概念被滥用一样，几乎什么都往里面装。演变成了一句口号和愿景。许多人并不清楚工业4.0的底层逻辑到底是什么？如何遵循工业4.0 的思想构建新一代智能制造系统？需要清晰地展示工业4.0的技术路线图。

本文对工业4.0 的底层逻辑做一些解释。

工业4.0 参考模型

什么是工业4.0？欧洲人抛出了一个三维立方体模型，称为RAMI 4.0 。它长成下面的这个样子

第一维度：价值流生命周期
第二维度：层级
第三维度：互操作

RAMI 4.0 告诉我们如何从三个维度来看待未来的制造，但是，RAMI 4.0 这个模型过于抽象了，很难理解它的底层逻辑到底是什么，也难以理解如何按照这样一个立方体模型来构建工业4.0 的制造产线。

资产网络模型（Asset Network）

从RAMI 4.0 立方模型看，层级的底层不是传统的PLC，DCS和传感器，而是所谓的“资产”（asset）。通常来讲，“资产”是一个经济学术语-资产是个人、公司或国家拥有或控制的具有经济价值的资源，并期望它能提供未来的利益。

在RAMI 4.0模型中，将制造过程中的所有元素抽象成为“资产”，它包括生产过程中的所有要素，包括制造设备，软件，产品和原材材料。在某些场合，也使用“资源”来表示这些要素，所以”资产和资源有相似之处。

“资产”表示为信息领域的一个实体，以实现与 IT 系统的有意义的交互。工业4.0认为资产不仅仅是机器、生产模块或系统;还有单个产品、软件安装、知识产权或人力资源。资产必须是可识别的实体，具有已知的资产类型、资产生命周期阶段或实例以及资产状态。

每一个资产抽象成为一个信息模型，成为资产管理壳。这个名称非常贴切，为所有物理事物套上了一个信息化的壳。

制造业是十分复杂的，涉及大量的设备，人员和物料，这给制造业的管理带来了巨大的挑战，传统工业3.0的制造管理将企业进行分层管理。比如设备，产线，车间，区域工厂，企业等等。

在工业4.0 的新世界中，基本思想是系统的灵活性，所有的机器通过网络连接。所以工业4.0 倾向将工业3.0 刻板的分层架构转变成为资产的网络（asset network），通过各种管理壳之间的信息交互，控制物理设备制造出产品。资产网络是扁平的，资产可以跨越层级.

基于资产网络的实例如下：

资产网络是工业4.0 基本架构。从资产网络模型出发，可以构建制造业完整的信息模型，并且使用IT技术构建这样的物理信息系统。

资产管理壳（AAS）

资产管理壳是资产网络的基本组件，制造过程中所有设备，软件和物料都具有一个管理壳，它是资产的信息模型，资产通过AAS相互交换信息。

资产管理壳结构

资产管理壳的动态交互能力

值得注意的是，资产管理壳并不是静态的信息模型，它具有动态交互的能力。举个例子

当AGV 小车将一个机械零件运送到CNC 机床边上，AGV 小车的AAS 与CNC AAS的对话

AVG：“嘿！哥们，能在该零件上打四个小孔么？“

CNC：”可以呀“ CNC 查找零件的AAS ，找到相关的加工单，按要求打了四个小孔

CNC：”打好了，将它运走吧"

AGV:"OK"

AAS 之间有一种会话语言，DI/VDE 2193 标准定义了这种语言。它们被称为“I4.0-Language”，这是一种基于MQTT 的协议。

工业4.0平台（Plattform Industrie 4.0）

在实际制造过程中，资产网络是及其复杂的，资产众多，网络纵错交横，数据交换频繁。为了实现资产网络需要构建一个平台，这就是工业4.0平台。

资产管理壳网络平台基于计算机网络，底层协议采取了OPCUA 协议。管理壳模型能够映射到OPC UA 信息模型。物理网络的趋势是采用时间铭感网络（tsn）。管理壳语言目前基于MQTT 协议实现。

资产管理壳数据库

资产管理壳的数据是巨大的，需要合适的AAS 存储技术。资产管理壳的存储方式：

嵌入OPCUA

对于小型设备而言，AAS 的数据可以嵌入在OPC UA 服务器中，通过OPC UA 服务器内部的运行时对数据存储和访问。

数据库

对于系统级聚合服务器而言，就需要使用大型数据库存储AAS 数据。

资产管理壳模板

为种类繁多的资产构建资产管理壳并非易事。需要大量的专业领域工程师合作完成。相信会出现一些第三方服务商，专业提供各个行业的AAS 模板，并且提供资产管理壳模板库服务。

AAS 的JSON 结构

使用JSON 描述AAS 的优点是它比XML 更具有灵活性和可扩展性，并且能够嵌入支持JSON文档的数据库（例如MongoDB）。

例子：AAS 头

{
"Header": {
"HeaderID": "100",
"HeaderName": "CNC Machine Header",
"AssetIdentification": {
"Name": "CNC Machine",
"AASID": {
"IDType": "URI",
"IDSpec": "https://company.org/AAS/MachineTwin1234"
},
"AssetID": {
"IDType": "URI",
"IDSpec": "https://company.org/Assets/M1234"
}
}
},