彭瑜教授：2017年，智能制造推进越来越有章法 | #智能制造大咖谈#

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造奇新媒体导读

      在2017年度“造奇回想”系列中，设置了一个“智能制造大咖谈”的版块，今天推出工信部智能制造标准化建设工作组专家彭瑜教授的观点。后续陆续推出其他业界大咖的“真知灼见”，敬请期待！

      彭教授认为，《中国制造2025》在这几年的推进，特别是2017年的发展，显得越来越有章法，也越来越有成效。

      但彭老也能冷静指出其中的不足，如：“在科技管理和科技政策上尚有短板和缺陷，致使一些项目追求所谓亮点和显示度，不能解决实际的需求”。需要借鉴德国工业4.0、美国工业互联网、日本工业价值链IVI的优秀做法，扎实地推进具体的工作。

作者：彭瑜教授

来源：发表于《环球新工业》2017年12月刊，转载于蓝光创新，[造奇智能]编辑，原文标题：中国制造的自信力来自何方？

【简介】：彭瑜教授，PLCopen中国组织名誉主席，中国自动化学会仪表和装置专委会名誉委员，PowerLink中国用户协会理事长，工信部智能制造标准化建设工作组专家。

在智能制造方面，彭教授有着深厚的理论造诣与丰富的实践经验，并在借鉴国内外先进理念的基础上，结合中国实际情况，提出了很多前瞻而又务实的观点，非常值得我们学习与借鉴。

（一）中国制造的自信力正在加强  

      继2015年德国为捍卫其制造业的领先地位推行工业4.0国家战略，美国制造业和IT行业巨头在美国政府倡导再工业化的总体方针下联袂发展工业互联网之后，2016年日本由机械行业协会发起、迅速得到日本政府支持的工业价值链计划IVI公诸于众，这是迄今为止日本在世界工业转型升级和智能制造的热潮中发出的最强音。日本人的意图显然是，企图将工业价值链与德国工业4.0、美国工业互联网直接对标。

　　在这个举世瞩目的转型大潮中，我国作为世界的第二大经济体和制造大国，结合实际国情和科学发展的需要，正推动着《中国制造2025》的举国战略，逐步实现中国制造向中高端价值链转移的雄伟目标。

      毫无疑问，《中国制造2025》在这几年的推进，特别是2017年的发展，显得越来越有章法，也越来越有成效。仅看最近发布的《中国智能制造系统解决方案市场研究报告》白皮书就给人耳目一震。工信部不仅有智能制造发展规划（2016-2020）的方针政策引导，还有具体的组织措施，建立了中国智能制造系统解决方案供应商联盟，从而导致了这份有价值的、以市场为导向的报告的诞生。

　　再看一个具体的实例。宁夏银川的共享集团，以生产大型的铸铁、铸钢件为主的传统企业，其生产特点是多品种、小批量，承接国内外包括西门子、GE的工业燃气轮机的外壳、大型水轮机的叶轮等铸钢铸铁件。自从实施了工信部的智能制造示范项目，实现了以数据的自由流动为特征的MES／APS，收到了显著效果。李总理在考察之后，将该企业比喻为“傻大黑粗”转型升级成为“窈窕淑女”，称赞共享集团的智能制造项目“展示了‘中国制造2025+互联网’的融合，是新旧动能转换的生动体现。”实施这项目是我国土生土长的北京兰光创新科技有限公司。

　　显然，2017年中国制造业的发展正在提速，中国制造业的进程亮点纷呈。从大的方面讲，中国多年前就成为世界第一汽车制造大国，中国的高速铁路及其装备制造、基础设施及其装备制造等长线产业在全球独树一帜，中国的制造业的产出已雄踞世界首位，因而尽管全球经济复苏乏力，但表现在全球贸易中我国的进出口总量也是第一的。

　　我国制造业的底气足了，自信力自然上升。自信力来自哪里？

• 来自党中央高瞻远瞩的全局部署，来自政府部门的政策引导和有效举措；

• 来自我国具有庞大的市场需求；

• 来自我国几十年积累的健全的基础设施、受过良好专业教育的充沛人力资源，以及专业门类齐全的产业规模；

• 来自各类企业的积极响应和实际努力，特别是为数众多的科技型中小企业生机勃勃的发力。

• 归根结底来自中国共产党凝聚了中华民族强烈的复兴愿望和让全国人民过上幸福生活的不懈追求。

　　尽管在发展的过程中还有许多困难和不足：

• 在工业基础和技术基础方面质量意识的不足，急功近利的多，深耕技术和产品的少，乃至不愿在基础技术上化硬功夫、夯实基础；

• 产业科学发展的规划欠缺，往往忽视为行业创建带动一大片的平台技术、基础技术的发展；

• 在科技管理和科技政策上尚有短板和缺陷，致使一些项目追求所谓亮点和显示度，不能解决实际的需求；等等。

（二）从德国工业 4.0 的落地生根谈起

       德国工业 4.0 的规划正在参考架构模型 RAMI4.0和 I4.0 基本单元等顶层设计的理念引导下踏实推进，落地生根。德国工业界差不多用了两年不到的时间，完成了 I4.0 基本元件的示范开发，目前 I4.0 基本单元的开发已经从大学和研究机构的基础开发，发展到由相关的行业协会牵头的实施开发，逐步形成了一套不断完善的开发体系。

　　为了说明由 RAMI4.0 到 I4.0 基本单元，再到工业场景的描述的逻辑关系，我们先看图 1 所清晰表达RAMI4.0 和物理－数字化架构及通信递阶关系。把物理实体（包括硬件、软件、工程文件等）通过数字化演化为能在虚拟世界完整表达、通信、推理、判断、决策等，让控制信息和业务信息都能实时传递交换和处理，从而使企业中的各类资产都能互联、互操作。根据不同资产的作用，当它们数字化后相互的关联，应该按控制要求和业务要求，构建它们之间的扁平化的通信递阶关系。

　　这里，物理实体实际上包含了工业制造技术、工业制造工艺、工业制造装备、工业制造材料、工业制造基础零部件、工业控制技术等，由它们构成工业制造的源和本。无论 IT 技术的发展和应用对工业制造形成了多么巨大的推动，但离开了这一系列的物理实体，IT 也好，软件也好，互联网和物联网也好，终将成为无源之水，无本之木。

       图 1   RAMI4.0 和物理－数字化架构及通信递阶关系

      接着我们再看如何利用 I4.0 基本单元描述工业场景。不言而喻，工业场景是极其多样化，变幻无穷的。不同的工业场景是由数以亿亿万计的基本元件中的有限数量的元件构成。I4.0 基本单元的管理壳承载着反映某个或某些工业资产在其整个生命周期中采集的相关数据，同时还具备符合工业 4.0 要求的通信能力。于是首先是设计全世界亿万万数量级的工业资产的唯一标识及其链接方式，以便为今后对这些资产进行虚拟描述打好基础。国际标准  ISO 29002-5 即《工业自动化系统和集成   特征数据交换》的第五部分“标识方法”为每一种资产提供分类，并与该资产对应的管理壳相对应，利用分类产品描述的软件 eCl@ss 用URI 和 URL 进行唯一资源标识和唯一资源定位。

     管理壳的内容由子模型、性质、复杂数据和功能等构成。从可视的角度看，一个经标识的资产其管理壳也是经标识的，都是显性化的知识，即表征这个资产的性质。而其数据和功能都是可通过 APIs 被语义化存取，资产的运行时数据都遵照严格而统一的格式表达性质的集合。

　　从以上稍显繁复的描述中可以看出，德国工业4.0的发展轨迹是多么符合逻辑，开发的脚步又多么踏实，他们的目标绝不是追求显示度，获得暂时的和局部的利益。这是一种为今后几十年发展打基础、需要动员工业界、学术界整体努力的工作。

       对比一下，我们很容易发现差距。幸而要真正实现工业 4.0，需要在全世界范围内（注意：不仅仅在德国范围内）组织开发数量极大、类型众多的、标准化数字化的基本元件库。进行这项涉及面极广的组织工程，首先要保护工程领域的核心功能性；其次要造就具有最大化的灵活性，同时又能保护每个公司的的信息网络；再次是为了采购、系统集成工程、维护等需要，必须持续地提高可互操作性和客户的利益。所以，作为工业基础极其庞大、工业实践极为丰富的中国，是不可能被排斥在外的。不过，我们是否能深入这一核心的进程，就需要看我们自己的组织能力、动员能力和技术能力了。

（三）日本工业价值链计划对我们的启迪

        在这场全球工业互联的热潮中，一些国家的工业行业协会和企业致力于企业内部的互联互通问题，提出了种种相关理念、方法和参考架构。日本产业界却从产业整体出发，希望通过工业价值链计划 IVI 建立一种实现企业之间互联互通的生态系统，从而使大中小各类企业都能从中收益。这种智能制造转型升级的整体观，明白地宣示不仅要为每个企业的智能制造或转型升级提供引导，更要紧的是在企业间、行业间乃至整个产业界构建智能制造生态环境或生态系统。

　　IVRA 与 RAMI4.0 一样采用三维模型，所不同的是维度的设计完全不同。IVRA（图  2）的三个维度：资产、管理和行动，都是反映物理世界的，没有涉及数字世界对物理世界的映射；  IVRA 的每个维度都划分为 4 个层级，例如资产分为设备、产品、流程和人员，管理分为质量、成本、交付和环境，活动分为计划、执行、检查和实施（即 PDCA，这里明显体现了丰田精益制造模式）。

图2   IVRA三维模型

        IVRA所表现的日本特色，首先是凸显物理实体，把对物理实体的虚拟映射用另外的方法处理；其次是充分体现了日本工业界重视现场的执行力，在计划、执行、检查和实施的所有阶段，都要对预想的目标进行实时检查和即时反馈；再次是十分强调人员在智能制造全过程中的作用，将所有分布在不同部门、不同阶段的人员尽可能融入整体架构中，成为实现智能制造的关键角色，而不是隐藏于幕后。

　　日本工业价值链计划旨在推进整个产业实现互联制造，这与在一个企业集团内实现互联制造目标的最大区别，就是必须构造一种适应整个产业的生态系统，来解决大中小各色企业的互联协同问题。他们所设计的宽松定义标准的方法，企图在现有的先进联网系统的基础上务实地创建可以连接协同的数据模型。很明显这一技术要取得成功还有一段很长的路要走。

　　在发展中国制造 2025 的进程中，我们应该兼收并蓄，在学习研究德国工业 4.0 和美国工业互联网先进理念和方法的同时，也重视日本在智能制造方向上的理念和方法创新，从中汲取有利于我国智能制造发展的要素。我们必须明白，一个国家制造业的未来必须植根于自己的工业传统和工业文明，继承和发扬自己的民族禀赋和民族精神。

      正像德国工业 4.0 立足于自己优秀的制造理念和强大的质量基础及教育水准，美国工业互联网着意发扬其互联网和软件领域长期积累的优势一样，日本工业价值链参考架构也带有鲜明的本土特色，突出精益制造管理，突出现场执行力，突出现场人员，令人印象深刻。

     中国的智能制造参考框架理应体现中国制造业的传统和特色，遗憾的是我们的制造业在过去数十年中学来学去，真正沉淀下来属于自己的东西实在不多。从这个意义上来说，凝练中国制造业的灵魂或基因显得太重要了。

（四）亟待引起重视的工业网络转型升级问题

       当我国工业界关注人工智能深度学习与智能制造的关系、智能制造系统的解决方案的时候，很少有人提及工业发达国家自动化领军企业，正在以巨大的精力关注工业通信系统如何适应工业4.0、IIoT和工业互联网的要求，积极开发新一代工业以太网的动向。似乎两者之间有巨大的差异。

　　传统的网络结构秉承工业自动化的分层递阶架构，基本上是多级的分层递阶系统,。显而易见，实现工业4.0、智慧工厂和智能制造，必须建立在业务应用扁平化的基础上，即控制级、流程控制级、生产管理级和企业管理级的各类应用，必须根据要求直接而且动态地建立链接（见图3）。

    这就需要建立一类包括实时控制和及时监控在内的、建立强有力的联网技术和规范的基础。这类联网技术和规范可以在一定程度上继承原有的联网技术和规范，但更重要的是一定要突破原有技术和规范的局限，以及明显不能满足实现工业4.0、智慧工厂和智能制造的架构和思维。

　　图 3   智能制造系统需要分散型的通信服务

      新的网络结构必须具有以下特点：流量控制方式必须是动态的；信息技术必须是“客制化”的，按用户要求配置智能，提升云服务的能力；应对大数据的挑战，意味着网络需要更多的带宽。

　　我们知道，现有的自动化技术所采用的基于以太网的实时系统，通常都是建立在运用市场可提供的缺乏实时性能的以太网技术的基础上。IEEE 802.3ab(1Gb)  标准在1999年就被采用了，但是直到今天为止所有领先的基于以太网的自动化系统，仍然最多采用100Mb。扩展到1Gb在技术上可行，但要求修改相应的规范以及专用的芯片ASIC。

     由于开发成本、实现成本和维护成本较高，许多在物理层、数据链路层采用专用标准的厂家如EtherCAT、ProfiNet等面临着进一步开发困难。如果在数据链路层统一采用TSN（见图4），可以采用商用芯片解决这个问题（一些芯片厂商如TI、瑞萨等都是有关TSN芯片的积极开发者），现有不同的工业以太网的解决方案的各自特点都将表现在应用层，区别都体现在软件上，那么这个障碍就不存在了。

　　图4  采用TCN将统一各种工业以太网的数据链路层

       OPC UA 通过TSN时间敏感联网技术传输，作为工业控制器和云端之间的通信解决方案正在得到领先的自动化厂商和信息厂商的支持。要高效的实现智能制造，工业4.0、工业物联网的通信技术需要从传统升级改造到像OPC UA  TSN那样，把现场的实时通信、SCADA、控制器、生产制造管理的通信，乃至企业的运营管理，云端等等全部纳入一个网络，解决不同网速要求、不同带宽要求、不同通信数据量要求、不同实时性要求、不同网段长度的各种通信容纳在一个网络中的技术问题。

    国内对这一基础性、颠覆性的技术的必要和发展，根本认识不足，所以关心的人并不多，真正做工作的人就更少了。虽然目前TCN技术还处在开发过程中，在这个历史的节骨眼上，如果我们再不重视和努力，中国人又只能跟随，缺乏话语权了。

　　顺便指出，在国际上，目前致力于利用IEEE 802和803的系列标准开发运用于工业自动化系统的TSN系统的四个组织是：IEEE的TSN组，AVnu，IIC和OPC基金会。

　　2016年美国开始规划成立“IEEE 802.3 10 MB/s一对双绞线以太网研究组”，目标是传输距离1公里，采用幻影phantom供电（即单一的双绞线既是信号线，也是电源线），成本可与现在的仪表用双绞线相同。计划在2019年以前完成该标准的开发制定和验证。

       在技术上的潜在应用是替代传统的4-20mA  电流回路，一旦开发成功，它会立即无缝的集成到基于TSN的网络中来，那时过程控制中到处运用的仪表双绞线将被全面替代，也能使用工业以太网了。德国企业如E+H（重点是本质安全）、菲尼克斯（重点是以太网双绞线电缆的布线和接插件）也已经积极参与其中。可是因为这是潜在的颠覆性的基础技术，他们极少会在中国谈及。

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之二：深度辨析 | 为何工业互联网势头一度盖过智能制造？两者有何关系？#2017造奇回想#

之三：2017智能制造年度人物 | 致敬中国工程院周济院长 #2017造奇回想#

之四：年度致敬 | 周济院长首提新一代智能制造技术原理：人-信息-物理系统（HCPS）

之五：工程院周济院长权威解读中国智能制造发展战略（附PPT下载）

之六：年度致敬 | 周济院长首提新一代智能制造技术原理：人-信息-物理系统（HCPS）

之七：独家 | 周济：推进智能制造的主基调——数字化、智能制造1.0、2.0

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