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工業(yè)4.0里的共同使用性的前提條件是全球通用的技術(shù)規(guī)范和標準。為此，為描述系統(tǒng)環(huán)境，人們研發(fā)出了工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型。本文是首個關(guān)于工業(yè)4.0標準化研究主題的結(jié)構(gòu)性概述。

我們的世界現(xiàn)正處在數(shù)字化變革中，這將關(guān)系到所有的工業(yè)領(lǐng)域，并使其發(fā)生改變。工業(yè)4.0的概念就是工業(yè)第四次革命。工業(yè)4.0的基本前提條件之一是工業(yè)物體相互互動以及基于云的平臺的企業(yè)應(yīng)用集成。這個關(guān)于數(shù)字世界的新思想需要一個有著與現(xiàn)實世界進行虛擬交際可能性的連貫、統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化。

一個數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)和工業(yè)需要規(guī)范和標準，這樣，各個具體組件便能相互工作

相互作用的組件間的共同使用是成功合作的前提。為此，既要有對進行交換數(shù)據(jù)的共同理解，又要約定交互規(guī)則的規(guī)范和標準。對于全球行動和外向型的德國工業(yè)來說，確定全球通用的標準體系的技術(shù)要求則具有尤為重要的意義。這樣做的目標是逐步將所有統(tǒng)一的技術(shù)功能和應(yīng)用的可能性在國際標準的重要規(guī)定中加以確定。

工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型(RAMI 4.0)和工業(yè)4.0組件組成了工業(yè)4.0的核心基石共同成為基于新業(yè)務(wù)模式的網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品研發(fā)和服務(wù)的基礎(chǔ)。

參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)是必要的

目前，在廣泛的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)存在著各種不同的軟件工具、局部的模型和自主行動的技術(shù)解決方法。為了完備的集成水平和垂直的價值鏈，并確保工藝鏈順暢的數(shù)據(jù)流，基于世界公認的規(guī)范和總標準的體系統(tǒng)環(huán)境的廣泛描述是必須的。由此便產(chǎn)生了未來議題的總?cè)蝿?wù)之一，也就是研發(fā)工業(yè)4.0應(yīng)用的參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型。

為此，工業(yè)4.0平臺成員們于2015年9月首次創(chuàng)立了“DIN SPEC 91345工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型”項目。工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型(RAMI 4.0)通過對生產(chǎn)技術(shù)資產(chǎn)的研發(fā)和在生產(chǎn)中的利用及維護乃至取自市場的整個技術(shù)解決方案空間的合理完整的描述，來確保其在應(yīng)用中的共同使用性。

工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型(RAMI 4.0)基本想法之一是在一個共同的模型里集合各種不同的觀點。這不僅有益于系統(tǒng)的途徑定位，同時對在各個不同的企業(yè)和各種不同的行業(yè)成功實施工業(yè)4.0 是必要的。

工業(yè)4.0組件是技術(shù)資產(chǎn)和工業(yè)4.0組件管理殼之間的必要連接

該結(jié)構(gòu)架構(gòu)描述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 這包括系統(tǒng)的元素類型、它的結(jié)構(gòu)、相互交互類型以及它的環(huán)境。 還要定義基本的工作方案設(shè)計或特性，并由此與組件和互動一起共同組成一個重要技術(shù)系統(tǒng)的研發(fā)、構(gòu)造和分布編排的框架。

工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型(RAMI 4.0)是一個用于描述工業(yè)4.0空間的三維參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型。在該工業(yè)4.0空間的三維參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型中可對應(yīng)用以及相關(guān)的技術(shù)規(guī)定在產(chǎn)品生命周期、功能的等級和架構(gòu)等級中進行三軸定位。這樣，沿著這些確定的軸便能夠清楚的確定所有重要的信息和工業(yè)4.0系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且能夠?qū)⑵渫该鞯恼故境鰜怼?/p>

RAMI 4.0的結(jié)構(gòu)

右邊的水平軸上顯示的是架構(gòu)的分級。它是應(yīng)用的功能分類編排以技術(shù)資產(chǎn)的模型形式體現(xiàn)。 產(chǎn)品、生產(chǎn)運行設(shè)備被具體劃分為在一個工廠內(nèi)各種不同的功能以及工廠外相互聯(lián)網(wǎng)的組件。

左邊的水平軸上顯示的是生命周期的時間軸。一個技術(shù)資產(chǎn)的特點在生命周期的不同階段是各不相同的。一個應(yīng)用實例與一個有著專門功能要求的專門應(yīng)用類型的復(fù)制是不具有可比性的。隨著一個產(chǎn)品生產(chǎn)的開始，在申報應(yīng)用實例時便將功能特點指派給數(shù)字類型。

在垂直的軸上顯示的是一個技術(shù)資產(chǎn)的功能等級。為了實施一個虛擬的代表，集成層面位于該資產(chǎn)層的上方。它確保了對物理資產(chǎn)特性的信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取。在通信層則是包括國際網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，以便進行數(shù)據(jù)傳輸，這是集成層和信息層之間的連接部分。信息層的內(nèi)容包括了對所有必要功能數(shù)據(jù)的描述和技術(shù)資產(chǎn)的服務(wù)以及公共語言方面的內(nèi)容，這樣傳送的數(shù)據(jù)便有了來源和目的地。功能層包含所有合乎程序描述的功能，業(yè)務(wù)層則顯示的是重要的業(yè)務(wù)流程。

德國工業(yè)標準 DIN SPEC 91345中定義的三維工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型

工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型(RAMI 4.0)借助于一個三維層次模型來描述一個技術(shù)對象的主要元素。參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型的應(yīng)用如下：

生產(chǎn)場景的資產(chǎn)分類編排參考架構(gòu)內(nèi)部的定位斷定關(guān)聯(lián)和專門的挑戰(zhàn)通過分類實現(xiàn)簡化現(xiàn)有工藝技術(shù)的分類編排重要規(guī)范和標準的本土化通過共同的術(shù)語進行通信

借助于一個建筑業(yè)市場便能夠很好的說明工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型(RAMI 4.0)的運行模式。該建筑業(yè)市場專營本地生產(chǎn)的建筑材料，并將這些建筑分類成各種不同的產(chǎn)品組，如工具和釘子，涂料和壁紙，木料和建筑材料。這些產(chǎn)品分門別類被放置在各個不同的通道里和貨架上。顧客根據(jù)所需情況從通道的具體貨架里提取所需的產(chǎn)品并將這些產(chǎn)品放在他的貨物筐內(nèi)。技術(shù)資產(chǎn)的分類和所需的標準在具體的工業(yè)4.0應(yīng)用中起著與三個軸類似的功能。

工業(yè)4.0的組件

另一個重要的要素是工業(yè)4.0組件模型的通用描述， 這是一個網(wǎng)宇、實體與系統(tǒng)專業(yè)化的展示與描述，如何從一個現(xiàn)實的技術(shù)資產(chǎn)中通過虛擬的工業(yè)4.0組件管理殼使其變成一個世界范圍內(nèi)定義精確、可識別并具有通信能力的工業(yè)4.0組件。

工業(yè)4.0組件管理殼是一個在工業(yè)4.0系統(tǒng)里的資產(chǎn)的虛擬數(shù)字化的和主動的表示。它和它的對象能夠在若干資產(chǎn)中一個資產(chǎn)里作為嵌入式的系統(tǒng)包含在其中，或是分布在一個或是多個高一級的IT系統(tǒng)里。由此，它便有一個表現(xiàn)和工業(yè)4.0組件管理員，該表現(xiàn)是一個可找到工業(yè)4.0組件管理殼的所有信息、數(shù)據(jù)和功能的內(nèi)容目錄。反之，工業(yè)4.0組件管理員則組織尋址和標識，并確保與工業(yè)4.0組件的各種 IT技術(shù)服務(wù)的連接。

帶有部分模型的工業(yè)4.0組件管理殼的示意圖

一個工業(yè)4.0組件包括邏輯視圖的一個或多個東西和一個工業(yè)4.0組件管理殼。這個概念規(guī)定，必須是邏輯包括一個這樣的組件或是其他多個組件，作為一個單位行動，并能夠在邏輯上不考慮上級系統(tǒng)。由此，其他的工業(yè)4.0組件(例如機器的結(jié)構(gòu)件)便能邏輯的歸入一個工業(yè)4.0組件(如一整部機器)，這樣便服從于一個(臨時的)嵌套結(jié)構(gòu)。

一個工業(yè)4.0組件的狀態(tài)總是由一個與工業(yè)4.0相一致的通信的其他成員獲取的。工業(yè)4.0組件管理殼是工業(yè)4.0通信和技術(shù)資產(chǎn)之間的接口，并且追隨著一個定義的狀態(tài)模型。它在網(wǎng)絡(luò)里是可明確進行識別的，且它的物理東西借助于明確的識別標記進行識別。

工業(yè)4.0組件管理殼

工業(yè)4.0組件管理殼是技術(shù)資產(chǎn)對所有信息的數(shù)據(jù)儲存器。這些信息多數(shù)是由生產(chǎn)廠家預(yù)備好的。由服務(wù)商或機器、設(shè)備和工廠的操作人員進行進一步補充的重要信息。除此之外，工業(yè)4.0組件管理殼還有預(yù)備補充的功能(例如，規(guī)劃、設(shè)計、組態(tài)、操作或維護)。這樣，工業(yè)4.0組件管理殼便起著一個產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)庫的作用。

工業(yè)4.0組件管理殼至少要有組件管理器以及用于管理的結(jié)構(gòu)，并且要由頭和主體構(gòu)成。 頭擁有工業(yè)4.0系統(tǒng)里技術(shù)資產(chǎn)的識別和標識信息，還擁有該技術(shù)資產(chǎn)的管理和應(yīng)用信息。而主體則含有組件管理器，該組件管理器用其各種不同域的特征和功能來管理部分模型。在此，每個部分模型有結(jié)構(gòu)化的特征，這些部分模型的結(jié)構(gòu)化特征又以各種不同數(shù)據(jù)格式發(fā)揮著當(dāng)前的功能。 基本特征是提供給技術(shù)資產(chǎn)使用不可缺少的特征。

部分模型的目標是使不同類型和不同生產(chǎn)廠家的部件、結(jié)構(gòu)組合件、機器和設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)，以確保在價值鏈中的共同使用性。在此，部分模型含有借助于工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型 (RAMI 4.0)定義的在工業(yè)4.0組件管理殼的垂直軸上定位的技術(shù)資產(chǎn)的數(shù)理邏輯學(xué)描述。 在這里，部分模型的任務(wù)是描述正在利用的特征，連同它們的結(jié)構(gòu)以及它們聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)和功能對象。

多個技術(shù)資產(chǎn)的顯示，例如，工業(yè)4.0組件管理殼里的一個存儲器程序化控制裝置的顯示

特征必須基于工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型的預(yù)定參數(shù)進行內(nèi)容方面的加工處理和最終的改編。對所有工業(yè)4.0組件管理殼有約束力且標準化的特征均被稱為基本特征。除此之外，具體的單個技術(shù)資產(chǎn)既能定義為準備好的責(zé)任功能，又能定義為可選擇利用的特征。在此，工業(yè)4.0組件管理殼應(yīng)能從各種不同的特征量和域中接收特征并能對其進行相互區(qū)分。具體的單個特征必須是借助于語言表達方式的不同而相互獨立的，并且是能夠維護的。

這種通過工業(yè)4.0的標準化方法為用戶提供了利用新的技術(shù)系統(tǒng)進行跨行業(yè)和跨部門研發(fā)的可能性。在此，工業(yè)4.0組件管理殼的構(gòu)成必須能夠使得在各種不同的部分模型和特征之間實現(xiàn)一個適用的顯示。由此，現(xiàn)有的特征便也能夠在各種不同的域里進行使用。

內(nèi)容與互動

工業(yè)4.0系統(tǒng)應(yīng)用方案的特點是在企業(yè)或商業(yè)的實際運行中參與組件始終保持著高度靈活性、適用性和自主性。各個具體的工業(yè)4.0組件管理殼之間的有效且可靠的合作最終使各個價值鏈在一個這樣的系統(tǒng)里實現(xiàn)協(xié)調(diào)一致。為此，需要一種共同的、基于互動樣式的語言。 這種語言由詞匯和為此定義的語法組成，語言的內(nèi)容和作用必須依靠數(shù)理邏輯學(xué)進行明確的描述。

工業(yè)4.0組件交換對其性能產(chǎn)生影響的信息，信息元素是互動必要的基本存在和各種不同的域存在的一個部分。這些存在的內(nèi)容已經(jīng)記錄在工業(yè)4.0組件的表現(xiàn)里。在工業(yè)4.0系統(tǒng)里，存在是為人們所共知且明確的。

為了實施處理和利用部分模型里的與應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的功能，重點優(yōu)先的技術(shù)條件是互動?；颖灰暈橹辽偈莾蓚€系統(tǒng)狀態(tài)過渡的聯(lián)想。在此，一個系統(tǒng)(發(fā)送器)發(fā)出的信息表現(xiàn)為第二個系統(tǒng)(接受器)輸入的信息值。但是，該描述并不說明哪些工業(yè)4.0組件必須提供哪些互動。但是，該描述確定了，當(dāng)應(yīng)該提供相應(yīng)的應(yīng)用功能時，互動是如何進行是確定的。

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