淺談國內外對智慧製造體系的定義和標準

【引  言】

說起智慧製造，不同的企業，由於各自不同的產品不同的解決方案，對智慧製造有不同的理解，企業根據自身的產品、方案和能力，對智慧製造某一個或多個方面都有基於自身理解的實踐和表述。那我們今天來看一下，國際上主流國家對智慧製造是怎麼理解和定義的。      

本文將綜合對比分析美國智慧工廠生態系統、德國工業4.0模型架構、中國智慧製造標準體系，從而幫助我們對“智慧製造”的定義和標準有著更廣域角度的理解。

01

美國智慧工廠的生態系統

它是基於美國的NIST於2016年2月釋出的 《智慧製造系統標準》（Current Standards Landscape for Smart Manufacturing Systems）中，其對於智慧製造的定義是，智慧製造是將資訊和通訊技術應用於生產製造相關的各個業務環節中，實現生產製造企業的業務目標。

我們來看看其標準主要的介紹，可以看出，即便到現在，製造的本質還是提質、降本、增效。製造商的可持續競爭力取決於其在成本、交付、靈活性和質量。智慧製造系統（SMS）試圖透過使用促進數字資訊在內部和之間快速流動和廣泛使用的先進技術製造系統。智慧製造系統在生產靈活性、質量和美國製造商的效率，提高長期競爭力。具體來說，智慧製造系統使用資訊和通訊技術以及智慧軟體應用程式。

• 最佳化勞動力、材料和能源的使用，生產定製的高質量產品，以便按時交付。

• 快速響應市場需求和供應鏈的變化。

與其他基於技術的製造模式不同，智慧製造定義了具有增強功能的下一代製造。它建立在新興資訊和通訊技術，並透過結合早期製造模式的特徵來實現。

其智慧製造生態系統架構圖如下所示：

智慧製造生態系統包括製造業務中的廣泛系統，包括生產、管理、設計和工程功能。圖示展示了每個維度——產品（綠色）、生產系統（藍色）和業務（橙色），都顯示在自己的生命週期內的活動。

• 產品生命週期與資訊流和控制從早期產品設計階段開始，一直持續到產品壽命結束；

• 生產系統生命週期的重點是整個生產設施（包括其系統）的設計、部署、執行和退市；

• 業務週期處理供應商和客戶互動的功能。

在其定義中分為三個主軸：Business（商業），Product（產品），Production（生產），藉由這三個主軸之間的互聯互通，這三個維度中的每一個活動都在機器、工廠和企業系統的垂直整合中發揮作用，我們稱之為製造金字塔，製造軟體應用程式在各個維度上的整合有助於實現車間的控制以及工廠和企業的決策支撐。這些觀點和支援它們的系統的結合構成了製造軟體系統的生態系統。

美國智慧製造生態系統讓企業有更快的產品創新週期，更高效的供應鏈協同，並讓生產系統產生更大的柔性和智慧性。這個架構將企業運營整體納入到智慧製造的考慮範疇，以多維度相互關聯解釋現實的商業環境，也呈現未來智慧製造的複雜系統姿態。

02

德國工業4.0參考架構模型

RAMI4.0是由德國發布的關於智慧製造的一種參考模型，英文全稱為Reference Architecture Model Industrie 4.0，即工業4.0參考架構模型，它由三維座標系組成，從層級、價值流和系統控制不同層次級別，將工業4.0的框架進行定義，描述了工業4.0所有關鍵方面。

這三個座標系分別是：

1

右側橫軸上顯示的“層次級別”

是IEC 62264中的層次級別，IEC 62264是企業IT和控制系統的國際標準系列。這些層次結構級別表示工廠或設施內的不同功能，為了代表工業4.0環境，這些功能已擴充套件到包括標有“產品”的工件，以及標有“互聯世界”的物聯網和服務連線。其不僅僅是工廠或者內部的連線，而是連線到一個廣域的連結，從產品-現場裝置-控制裝置-車間-工廠-企業-外部連結的完整的產業鏈條，把企業的上下游，透過該層擴充套件到產業鏈的領域，社會化大協同的一種智慧製造模式。

2

左側橫軸“生命週期和價值流”軸

左側橫軸代表設施和產品的生命週期，基於IEC 62890進行生命週期管理。此外，還對“型別”和“例項”進行了區分。當設計和原型設計完成，實際產品正在製造時，“型別”就變成了“例項”。西門子的Digital Twins數字孿生，提出了三個數字化雙胞胎，產品、生產和運營的數字化雙胞胎，就是描述從設計-生產虛實結合的樣例。從Type（也可以理解為prototype原型）到Instances（也可以理解為Production生產）的過程，在虛擬中設計，在生產中實現，同時將實現的結果返回到開發設計中，不停的進行迭代最佳化，形成完整的虛-實結合的閉環。

3

縱週上的“層”軸

六層用於描述機器分解為逐層結構化的特性，即機器的虛擬對映。這種表示源於資訊和通訊技術，複雜系統的特性通常被分解為層。

• 資產Asset：現實世界中的實物

• 整合Integration：從真實世界到數字世界的轉變

• 溝通Communication：獲取資訊

• 資訊Information：必要的資料

• 功能Functional：資產的功能

• 業務Business：組織和業務流程

該RAMI 4.0 模型整合了不同的使用者視角，並提供了對工業4.0技術的共同理解。有了RAMI 4.0，從製造自動化、機械工程到工藝工程等行業的要求都可以在行業協會和標準化委員會中得到解決。因此，RAMI4.0為標準和用例提供了一個共同的理解。RAMI4.0可以被視為工業4.0解決方案的一種3D地圖：它為繪製行業要求以及國家和國際標準提供了一個方向，以定義和推進工業4.0。

03

我國智慧製造標準體系

中國於2015年提出《國家智慧製造標準體系建設指南》，並且在2021年重新發布和更新。

國家智慧製造標準體系建設指南(2021版)中，對中國的智慧製造做出了更加精準的定義：智慧製造是基於先進製造技術與新一代資訊科技深度融合，貫穿於設計、生產、管理、服務等產品全生命週期，具有自感知、自決策、自執行、自適應、自學習等特徵，旨在提高製造業質量、效率效益和柔性的先進生產方式。

國家對智慧製造體系架構做了清晰的定義和解析。智慧製造系統架構從生命週期、系統層級和智慧特徵等3個維度對智慧製造所涉及的要素、裝備、活動等內容進行描述，主要用於明確智慧製造的標準化物件和範圍。其目標是到2025年，逐步構建起適應技術創新趨勢、滿足產業發展需求、對標國際先進水平的智慧製造標準體系。

具體的層級內容如下：

1

橫軸生命週期

生命週期涵蓋從產品原型研發到產品回收再製造的各個階段，包括設計、生產、物流、銷售、服務等一系列相互聯絡的價值創造活動。 生命週期的各項活動可進行迭代最佳化，具有可持續性發展等特點，不同行業的生命週期構成和時間順序不盡相同。

（1）設計是指根據企業的所有約束條件以及所選擇的技術來對需求進行實現和最佳化的過程； 

（2）生產是指將物料進行加工、運送、裝配、檢驗等活動創造產品的過程； 

（3）物流是指物品從供應地向接收地的實體流動過程； 

（4）銷售是指產品或商品等從企業轉移到客戶手中的經營活動； 

（5）服務是指產品提供者與客戶接觸過程中所產生的一系列活動的過程及其結果。

2

系統層級

系統層級是指與企業生產活動相關的組織結構的層級劃分，包括裝置層、單元層、車間層、企業層和協同層。

（1）裝置層是指企業利用感測器、儀器儀表、機器、裝置等，實現實際物理流程並感知和操控物理流程的層級；

（2）單元層是指用於企業內處理資訊、實現監測和控制物理流程的層級；

（3）車間層是實現面向工廠或車間的生產管理的層級；

（4）企業層是實現面向企業經營管理的層級；

（5）協同層是企業實現其內部和外部資訊互聯和共享，實現跨企業間業務協同的層級。

3

智慧特徵

智慧特徵是指製造活動具有的自感知、自決策、自執行、自學習、自適應之類功能的表 徵，包括資源要素、互聯互通、融合共享、系統整合和新興業態等智慧化要求。

（1）資源要素是指企業從事生產時所需要使用的資源或工具及其數字化模型所在的層級；

（2）互聯互通是指透過有線或無線網路、通訊協議與介面，實現資源要素之間的資料傳遞與引數語義交換的層級；

（3）融合共享是指在互聯互通的基礎上，利用雲端計算、大資料等新一代資訊通訊技術，實現資訊協同共享的層級；

（4）系統整合是指企業實現智慧製造過程中的裝備、生產單元、生產線、數字化車間、智慧工廠之間，以及智慧製造系統之間的資料交換和功能互連的層級； 

（5）新興業態是指基於物理空間不同層級資源要素和數字空間整合與融合的資料、模型及系統，建立的涵蓋了認知、診斷、預測及決策等功能，且支援虛實迭代最佳化的層級。

以上是三個國家對於智慧製造體系的標準和定義的初步內容，也有助於我們對智慧製造能有更深入的理解和體會。

 

來源和引用：

-中國電子技術標準化研究院-智慧製造能力成熟度模型白皮書(1.0版)

-國家智慧製造標準體系建設指南(2021版）

-GB/T 39116—2020 智慧製造能力成熟度模型          

-NISTIR 8107：Current Standards Landscape for Smart Manufacturing Systems

-Reference Architecture Model Industrie 4.0

-ZVEI-German Electrical and Electronic Manaufacturers' Association對RAMI 4.0的理解

術語：

-美國NIST：美國標準與技術研究院（前身為國家標準局，NBS）

-IEC 62264：ISO/IEC62264標準是由國際電工委員會（IEC）和國際標準化組織（ISO）共同制定的，該標準主要關注MES系統的整體架構和發展規劃。它提供了MES系統的參考模型，包括業務過程模型、資訊模型和功能模型等。透過遵循ISO/IEC62264標準，企業可以更好地規劃和設計自己的MES系統，提高生產管理的效率和水平          

-IEC 62890：工業過程測量、控制和自動化，系統和部件的生命週期管理，是工業4.0的核心標準，Industrial-process measurement, control and automation， Lifecycle management for systems and components