德國(guó)工業(yè)4.0子體系統(tǒng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解析

德國(guó)工業(yè)4.0平臺(tái)，仍然在孜孜不倦地深耕技術(shù)細(xì)節(jié)。一段時(shí)間以來(lái)，在工業(yè)4.0的大背景下，人們漸漸意識(shí)到，要實(shí)現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化，除了技術(shù)驅(qū)動(dòng)的自下而上的方法外，還必須通過(guò)自上而下的驅(qū)動(dòng)方式。這種自上而下方法的起點(diǎn)是業(yè)務(wù)場(chǎng)景，從而衍生出很多的技術(shù)應(yīng)用實(shí)例。而這些實(shí)例是獲得新產(chǎn)品、解決方案和服務(wù)以及標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)。

德國(guó)工業(yè)4.0平臺(tái)構(gòu)建了一個(gè)“基于價(jià)值服務(wù)VBS（value-based Service）”的工業(yè)4.0子體系，已經(jīng)完全向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)靠攏，進(jìn)行了嚴(yán)格的技術(shù)對(duì)標(biāo)，而且重點(diǎn)是從業(yè)務(wù)場(chǎng)景層面出發(fā)。因?yàn)閷?duì)于技術(shù)用戶而言，這些業(yè)務(wù)場(chǎng)景本身已經(jīng)存在而且具體化了。

技術(shù)層面的實(shí)例如何描述

如何在技術(shù)層面上，以實(shí)例的形式描述參與者與技術(shù)系統(tǒng)的相互作用？德國(guó)工業(yè)4.0平臺(tái)之一的目標(biāo)是，按照以下的一個(gè)簡(jiǎn)單原則的邊界條件，找到合適的抽象實(shí)例描述的標(biāo)準(zhǔn)。

基于價(jià)值服務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景

通常情況下，產(chǎn)品供應(yīng)商向客戶交付產(chǎn)品，但不會(huì)從客戶對(duì)產(chǎn)品的使用中獲得任何反饋（參見工業(yè)百條“產(chǎn)品孤兒”）?；趦r(jià)值的服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景是基于一個(gè)創(chuàng)新的假設(shè)，即未來(lái)交付的產(chǎn)品將連接到一個(gè)服務(wù)平臺(tái)，客戶使用產(chǎn)品的反饋數(shù)據(jù)將提供給服務(wù)平臺(tái)，基于使用數(shù)據(jù)，服務(wù)提供商可以向客戶提供（數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的）增值服務(wù)。圖1表示了其中的利益相關(guān)者，底層價(jià)值網(wǎng)絡(luò)以及從客戶到服務(wù)平臺(tái)的新信息流，這些便是新的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)服務(wù)的基礎(chǔ)。

圖1 基于價(jià)值的服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景價(jià)值網(wǎng)絡(luò)

從商業(yè)視角而言，圖2說(shuō)明了如何應(yīng)用如圖1所示的基于價(jià)值的服務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景。在此考慮的產(chǎn)品是一臺(tái)機(jī)器設(shè)備。為便于區(qū)分，這里用兩種不同顏色表示兩個(gè)不同的業(yè)務(wù)利益相關(guān)者：設(shè)備供應(yīng)商（綠色）Supplier of machines和設(shè)備使用者（橙色）Operator of machines。

圖2 從產(chǎn)品孤兒到產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)

應(yīng)用場(chǎng)景引入了兩個(gè)額外的業(yè)務(wù)角色：服務(wù)平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)商和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型服務(wù)的供應(yīng)商。要討論未來(lái)誰(shuí)將完成這些額外的業(yè)務(wù)角色?，F(xiàn)有的商業(yè)利益相關(guān)者，即機(jī)器的供應(yīng)商或機(jī)器的操作者，可能會(huì)完成這些角色，但其他業(yè)務(wù)利益相關(guān)者也可能會(huì)這樣做。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)邏輯與角色

對(duì)于一個(gè)在規(guī)劃的系統(tǒng)，即IIoT系統(tǒng)中，具有如圖3所示的通用邏輯結(jié)構(gòu)。

邏輯結(jié)構(gòu)的中心是一個(gè)服務(wù)平臺(tái)，分為三層：設(shè)備連接層、基礎(chǔ)設(shè)施層和應(yīng)用層。在應(yīng)用層中，包含各種應(yīng)用。這些應(yīng)用程序往往不需要特別的編程技術(shù)，可以通過(guò)配置庫(kù)中提供的功能模塊來(lái)創(chuàng)建應(yīng)用程序，而不必反復(fù)編輯。

圖3 基于價(jià)值服務(wù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

對(duì)基于價(jià)值的服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，需要9種角色，可以分為三個(gè)類別。

圖4 角色分工

第一組角色，與資產(chǎn)的使用有關(guān)。這些角色與今天的典型設(shè)置非常相似，尤其是在制造業(yè)中，機(jī)器被認(rèn)為是非常典型的資產(chǎn)。

☆ 設(shè)備使用者（Operator of an asset）：設(shè)備使用者通常指的是機(jī)器或整個(gè)工廠;

☆ 生產(chǎn)經(jīng)理（制造公司）（Production manager）：管理整個(gè)制造過(guò)程（生產(chǎn)的計(jì)劃和調(diào)度）;

☆ 設(shè)備供應(yīng)商（Supplier of an asset）：有形資產(chǎn)的供應(yīng)商;

☆ 設(shè)備集成商（Asset integrator）：通過(guò)服務(wù)平臺(tái)的連接層和設(shè)備本身提供的功能，將設(shè)備連接到服務(wù)平臺(tái)。

第二組角色，與服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施層以及服務(wù)平臺(tái)的整體使用有關(guān)：

☆ 功能模塊的開發(fā)人員：通過(guò)服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施層提供的開發(fā)功能;

☆ 服務(wù)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商（Operator of the service）：管理和運(yùn)營(yíng)服務(wù)平臺(tái)提供的所有功能。包括支持和咨詢活動(dòng)，以便不同層級(jí)服務(wù)平臺(tái)的使用;

☆ 計(jì)算資源（Computing resource）：云計(jì)算或者本地計(jì)算能力。

第三個(gè)集群，包含與基于功能模塊配置的應(yīng)用程序相關(guān)的角色：

☆ 設(shè)備使用顧問(wèn)（Asset user advisor）：一個(gè)專家角色，將連接設(shè)備使用數(shù)據(jù)的技術(shù)分析的見解轉(zhuǎn)換為建議，作為一種向設(shè)備使用者提供的服務(wù)。

值得注意的是，這些角色有可能是同一個(gè)人擔(dān)任。

業(yè)務(wù)活動(dòng)與具體實(shí)例

業(yè)務(wù)活動(dòng)可以分為技術(shù)和商業(yè)。技術(shù)活動(dòng)細(xì)分為兩類：第一類活動(dòng)與工程相關(guān)，涉及到設(shè)置、重新配置資產(chǎn)和IIoT系統(tǒng);第二類活動(dòng)與運(yùn)營(yíng)相關(guān)，資產(chǎn)和IIoT系統(tǒng)的使用和維護(hù)。

以“設(shè)備連接”活動(dòng)為例。最早的觸發(fā)動(dòng)機(jī)是，此活動(dòng)將由生產(chǎn)經(jīng)理以明確的方式發(fā)起、設(shè)計(jì)和調(diào)度。這里需要定義數(shù)據(jù)從設(shè)備到服務(wù)平臺(tái)的轉(zhuǎn)換要求。

圖5 設(shè)備連接的流程

工作流程：

☆ 任務(wù)1“根據(jù)產(chǎn)品經(jīng)理的要求定義要傳輸?shù)椒?wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)（包括傳輸協(xié)議）”：角色-資產(chǎn)集成商和供應(yīng)商;

☆ 任務(wù)2“將設(shè)備連接到服務(wù)平臺(tái)（包括提供配置功能以在服務(wù)平臺(tái)上模擬顯示資產(chǎn)整個(gè)生命周期的管理）”：角色-設(shè)備集成商;

☆ 任務(wù)3“提供對(duì)設(shè)備使用數(shù)據(jù)的訪問(wèn)”：角色-服務(wù)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商;

☆ 任務(wù)4“驗(yàn)證設(shè)備連接”：角色-設(shè)備集成商、服務(wù)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備供應(yīng)商;

☆ 任務(wù)5“接受設(shè)備連接”：角色-設(shè)備集成商和生產(chǎn)經(jīng)理。

在這個(gè)過(guò)程中，設(shè)備到服務(wù)平臺(tái)的連接必須以“自主配置”的方式實(shí)現(xiàn)。設(shè)備的重新配置，會(huì)引起連接的調(diào)整（目前通常由設(shè)備使用者執(zhí)行），在以前這是一件非常耗時(shí)麻煩的事情。而今天，如果設(shè)備使用者執(zhí)行重新配置，可以在沒(méi)有設(shè)備集成商的幫助下，完成設(shè)備連接到服務(wù)平臺(tái)。

服務(wù)平臺(tái)的連接層，必須讓設(shè)備集成商可以在沒(méi)有其他角色幫助的情況下測(cè)試設(shè)備的連接（當(dāng)然如果有問(wèn)題，可以請(qǐng)求服務(wù)平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)商提供支持）的功能。

同樣在“設(shè)備重新配置”、應(yīng)用配置等一系列的活動(dòng)中，都要有明確的流程和約束條件。例如“設(shè)備重新配置”（包括管理消耗品，輔助材料和供應(yīng)商材料），最基本的要求是，設(shè)備與服務(wù)平臺(tái)的連接必須便于配置，這樣在后續(xù)更改配置的過(guò)程中，只有重新配置原始狀態(tài)的請(qǐng)求時(shí)，才有必要向設(shè)備集成商求助。

小記

本文對(duì)德國(guó)工業(yè)4.0平臺(tái)的一個(gè)子分支進(jìn)行了跟蹤分析。其結(jié)果令人嘆服。德國(guó)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?a target="_blank">工程師精神，再次得到了驗(yàn)證。在頂層框架與一線實(shí)踐上，二者取得了完美的融合。既有頂層視角，又有工程實(shí)踐。這種結(jié)合，打破了我們對(duì)于德國(guó)擅長(zhǎng)制造機(jī)器的看法。在如何構(gòu)建一個(gè)機(jī)器群的生態(tài)上，德國(guó)人三年來(lái)的實(shí)踐，超過(guò)我們的想象。而且值得注意的是，德國(guó)工業(yè)4.0平臺(tái)不僅僅在跟美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC對(duì)標(biāo)，也在積極跟日本的工業(yè)價(jià)值鏈IVI進(jìn)行用例對(duì)接。而中國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則似乎獨(dú)立創(chuàng)造了一個(gè)空曠的語(yǔ)境。德國(guó)面向未來(lái)、面向國(guó)際合作、面向應(yīng)用實(shí)踐的頂層設(shè)計(jì)，值得當(dāng)下中國(guó)工業(yè)界深入、再深入的思考。