從數字化工廠到工業4.0
——訪機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所所長歐陽勁松

【編者按】歐陽勁松，享受政府特殊津貼的教授級高工，機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所（簡稱儀綜所）所長，全國工業過程（過程指生產過程，包括連續控制、批控制、數控、機器人控制、工廠自動化控制五個方面。）測量控制和自動化標準化技術委員會（SAC/TC124，對口IEC/TC65和ISO/TC30）副主任委員，現任科技部“十二五”國家科技重大專項（智能制造）專家組成員、國家能源局智能電網設備標準化總體工作組副組長、國家發改委及國家標準化管理委員會成立的國家物聯網標準化專家委員會委員。從1987年開始從事儀器儀表、測控及自動化等領域技術研究及標準化工作，從1992年開始從事對口的國際標準化工作，1994年至今一直是IEC/TC65中國代表團主要負責人，具有豐富的標準化工作經驗。2009年由于其在國際標準化工作中的突出貢獻被IEC授予IEC專家最高榮譽“IEC 1906獎”（ IEC于1906年成立。）。

數字化工廠和工業4.0是近年來工業界的熱門話題。為了更好地了解數字化工廠和工業4.0的相關情況，編者采訪了歐陽勁松教授，就如何建設數字化工廠、在工業4.0背景下如何提升我國高端裝備制造業的有關技術背景和標準化進行了深入探討。

機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所所長 歐陽勁松

Q：數字化工廠可以說是提升我國戰略性新興產業高端裝備制造業的關鍵內容之一。您認為什么是數字化工廠？它相比傳統意義上的工廠有什么突出特點？

歐陽勁松：IEC詞匯庫給出的定義是：數字化工廠是數字模型、方法和工具的綜合網絡（包括仿真和3D虛擬現實可視化），通過連續的沒有中斷的數據管理集成在一起。它是以產品全生命周期的相關數據為基礎，在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優化，并進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式，是現代數字制造技術與計算機仿真技術相結合的產物。國際上十幾年前就開始對數字化工廠進行研究。最初的思想是使用電子描述替代紙質文件，并在軟件工具中使用它進行電子布線和安裝，以便于集成并減少工程成本。隨著信息技術和數據庫技術的發展，數字化工廠的概念有了很大的擴展。它集成了產品、生產過程和工廠模型數據庫，通過先進的可視化、仿真和文檔管理，提高產品質量和生產過程所涉及的質量和動態性能。

目前國內外流程工廠或制造工廠在設計、運行和維護等各個階段基本都是獨立進行，大量存在上述由于描述工廠內所布置的自動化資產的信息和數據的不一致而導致的互操作障礙，如果想改變一個生產任務十分耗時費力。數字化工廠的突出特點就是建立統一的數據平臺，通過連通產品組件與生產系統，將用戶需求用描述語言的方式輸入系統，全網絡統籌組織生產過程的各項資源，在改進質量的同時減少設計時間，加速產品開發周期，實現主機廠內部、生產線供應商、工裝夾具供應商等環節同步進行的并行工程。

Q：“工業4.0”是2013年漢諾威國際工業博覽會上的最大熱詞，也是目前國內外關注的熱門話題。您認為什么是“工業4.0”？它與數字化工廠之間是什么樣的關系？

歐陽勁松：“工業4.0”是由德國聯盟教研部與聯邦經濟技術部聯手推動的戰略性項目，被看作是繼機械制造設備的使用、電力驅動的大規模生產和引入電子信息技術的制造自動化之后，以智能制造為主導的“第四次工業革命”。它的理念源自信息技術與工業技術的融合，通過信息物理系統（CPS）實現產品全生命周期中各制造單元間相互獨立地自動交換信息、觸發動作和實現控制，將制造業向智能化轉型。目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式，實現人、產品與機器之間的互動。工業4.0時代將改變整個生產技術的使用，整個系統將更加智能，聯網更加緊密，不同組件之間可以相互溝通，工作更快、做出反應也更加迅速。德國提出工業4.0的概念，也是希望通過整合全國相關企業的資源要素，打通企業間的壁壘，從用戶需求出發，形成一體化的制造和服務能力，在保證安全的前提下占領國際市場。

“工業4.0”主要分為兩大主題，一是“智能工廠”，重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現；二是“智能生產”，主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等。

去年10月中國工程院與國務院國有資產監督委員會共同舉辦了“德國工業4.0的理論及實踐”學術報告會，特別邀請德國西門子工業集團總裁魯斯沃博士就工業4.0的概念和西門子公司運用這一概念指導企業發展等情況進行介紹。報告會的舉辦體現了我國對這一新理念的重視，也為構建我國以企業為主體的技術創新體系和產業轉型發展提供了有利借鑒。

當前支撐工業4.0的技術基礎主要包括：數字化工廠、工業通信協議、OPCUA、M2M、片上系統、功能安全、信息安全、集成技術、工程標記語言等。相比數字化工廠，工業4.0是一個更大更宏觀的概念。工業4.0是從數字化工廠演變提升而來，數字化工廠是工業4.0的基礎和落腳點。只有實現了數字化工廠，才有可能實現工業4.0。

Q：對于現在的工廠而言，“數字化工廠”或者“工業4.0”仍是個新概念，真正地落到實處可能還需要假以時日。那您覺得下一步建設數字化工廠主要會面臨哪些困難？預計需要多長時間來實現這一目標？

歐陽勁松：數字化工廠的核心是為產品全生命周期的生產過程打造統一的全數字數據平臺。這就需要對資產的結構、功能、性能、位置、業務等方面進行定義，并通過規定的方式將各資產間的關系進行描述，融合相關的國際標準建立一套眾多參與企業都可接受的商業模式。因此，打造數字化工廠需要最大限度地應用數字化、仿真及互聯網技術，實現硬件全集成、軟件全集成、統一數據庫，將自動化設計貫穿于整個產品生產過程。實現這些都會面臨許多的困難，包括技術、管理、規范等方面，這也是我們下一步的努力方向。

當前，不管是數字化工廠，還是工業4.0，他們作為未來工業發展的前瞻性主題，應當說其概念意義遠比現實意義更突出。雖然我國在十一五規劃、十二五規劃、戰略性新興產業等政策中將先進制造、兩化融合都放在很重要的位置并給予支持，相關產業取得了顯著進步和大量技術成果，也涌現出西電電氣、海爾等一批在先進制造領域有突出業績的企業，但我們對于智能制造而言，目前無論是理論構架還是現實技術條件都還處于初級階段，要真正進入工業4.0時代，估計還需要至少20年的時間。現在包括西門子在成都新建的工業自動化產品生產研發基地、大眾汽車生產線仿真系統等，雖然已經用到虛擬仿真、優化工程規劃等技術，但距離真正的全生命周期的數字化還有較長的路要走。而我們作為一個標準化技術委員會和公益性研究所，會繼續加強有關標準、政策和技術的研究和宣貫，配合相關政府部門，服務于行業內的廣大企業，協助他們更快更好地完成數字化工廠的建設。

工業4.0 和數字化工廠的相關技術將促進產業鏈和價值鏈的分工重組，傳統的行業界限將消失，并會產生各種新的業態和合作形式，形成自動化、信息化、一體化、精益化、集成化的數字化工廠。

Q：標準既是技術集成的載體和大規模應用的基礎，也是掌控市場主動權的關鍵。您認為標準在實現數字化工廠和工業4.0中起到什么樣的作用？

歐陽勁松：由于數字化工廠是通過網絡將公司和業務聯系并集成起來，因此必須規定統一的合作機制和信息交換機制，這就需要建立在標準的基礎上。完善的標準體系能為數字化工廠相關技術系統的構建、開發、集成和運行提供基礎和框架。在工業4.0的八個優先行動領域中，標準化和參考架構排在首位，這也體現了標準的重要作用。在實現過程中，有大量需要進行標準化的內容，比如基本的參考模型、術語、語義、服務架構、特性和結構描述；在管理復雜系統中的規劃模型、仿真模型、模型形式化描述、一致性、互操作性、接口等；在為工業建立寬頻基礎設施中的通信協議、時鐘同步、可靠性、可用性、實時性；在安全和保障中的安全標識、本質安全、功能安全、工業信息安全；以及資源利用效率中的設備能效、系統能效、能效KPI（關鍵性能指標）、實時優化、綠色標識等。目前盡管一些既定標準已經在各種學科、專業協會和工作組中使用，但是仍缺乏對這些標準的協調和統一。數字化工廠和工業4.0的建設涉及多個方面，必須統籌安排，標準先行，以國際標準為基礎，融合相關技術要求，將現有標準納入全球體系中進行考慮，才有可能真正實現數字化工廠或工業4.0。

Q：請您介紹一下國際上在數字化工廠和工業4.0標準化方面的現狀？作為工業自動化領域的國內對口標準化組織，為推進數字化工廠的實現，SAC/TC124目前已經開展了哪些工作？

歐陽勁松：數字化工廠是目前IEC/TC65（工業過程測量、控制和自動化）技術領域中的一個重要議題。2011年6月，IEC/TC65成立了TC65/WG16“數字化工廠”工作組，專門從事數字化工廠國際標準的制定工作。西門子、施耐德電氣、羅克韋爾自動化、橫河電機等國際知名自動化企業都參與了相關工作。2012年11月，發布了技術報告IEC/TR 62794《工業過程測量、控制和自動化 生產過程表示用參考模型（數字工廠）》。同時啟動了正式國際標準的制定程序，并于2012年3月進行了新項目草案（NP）的投票，目前正處在委員會草案（CD）投票過程中。為了更好地研究工業4.0相關技術，IEC/SMB（標準管理局）成立了ahG 49工業4.0特別工作組，但其涉及的基礎標準大部分都來自IEC/TC65，也包括ISO/TC184（工業自動化系統集成）、ISO/IEC JTC1（信息技術）、IEC/SC3D（產品屬性、分類及標識）、IEC/TC17B（低壓開關和控制器）、IEC/TC44（機械安全）等的標準項目。目前德國DKE（德國電工電子及信息技術委員會）梳理的工業4.0標準基礎包括：

? 現場總線標準：IEC61158（現場總線規范）、IEC 62683（低壓開關和控制器）、I E C 6 2 5 9 1（WirelessHART）、IEC 62601（WIAPA）、IEC 62734（ISA 100.11a）、PROFIBUS 過程控制行規等；

? 系統與集成標準： IEC 62541（OPC UA）、IEC 61804-1（功能塊）、IEC 61784-3（EDDL）、IEC 62769（FDI）、ISO/IEC 62264（企業系統集成）、IEC 61588（精確時鐘同步）、IEC 61360（電氣項目的標準數據元素類型和相關分類模式）、IEC 61987（工業過程測量和控制過程設備目錄中的數據結構和元素）等；

? 安全與保障標準：IEC 61508（功能安全）、IEC 61511（過程儀表的功能安全）、IEC 62443（工控系統信息安全）、IEC 61984（連接器安全要求與試驗）、ISO/IEC 2700x（信息安全要求）、VDMA Einheitsblatt（狀態監控）等；

? 數字化工廠標準：I E C/T R 62794（數字工廠）、ISO 13584-42（工業自動化系統與集成 零件庫 第42部分：描述方法）、ISO 15926（工業自動化系統與集成 包括油氣生產設施的加工設備使用壽命數據的集成）、ecl@ass V8.0（產品和服務的分類與描述）、ISO 8000（數據質量）等；

? 能效標準：IEC/TR 62837（自動化系統能效）、ISO/IEC 20140（自動化系統和集成 能效評價及制造系統的其他環境影響因素）等。

作為IEC/TC65的國內對口標委會，SAC/TC124標委會一直積極跟蹤相關國際標準的制定工作，委派4名中國專家參與IEC/TC65/WG16工作組的標準制定工作。目前，標委會已開展數十項數字化工廠相關技術標準的轉化工作，包括：《工業過程測量和控制 在過程設備目錄中的數據結構和元素》、《過程控制用功能塊》、《可編程測量設備接口系統（字節串行、位并行）的代碼、格式、協議和公共命令》、《工業過程測量和控制 過程設備目錄中的數據結構和元素》、《現場設備工具（FDT）接口規范》、《工業自動化控制系統 信息安全》、《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全》、《測量和控制數字數據通信 工業控制系統用現場總線》等系列標準，并正以這些標準為基礎開展相關的關鍵技術研究、國際合作等工作。同時，2013年《工業過程測量、控制和自動化 制造工廠表示用參考模型（數字工廠）》作為國家標準化指導性技術文件項目正式立項，等同采用國際標準IEC/TR 62794，目前已到征求意見稿階段，預計明年發布。

工業4.0只能作為參考，我們必須走自己的路，互相學習，以標準化工作為抓手共同推進先進制造業的發展。通過數字化工廠的建設，提高生產效率和資源利用率，增強國內制造企業的市場競爭力，從而提升我國高端裝備制造業的整體水平。

Q：您認為將來我們的制造業會是什么樣的形式？針對我國自動化行業的現狀，您認為下一步的工作應該從哪幾方面入手？

歐陽勁松：未來我們的制造業將會是一種泛在信息化制造形式，它將物理設備連接到互聯網上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治五大功能。其網絡規模將遠遠超過現有的工控網絡。智能工廠將使制造流程的日益復雜性變得可控；智能產品具有獨特的可識別性，借助于具體的規劃設計和驗證可以預見所有的制造任務。在未來，有特殊產品特性需求的客戶可直接參與到產品的設計、構造、預定、計劃、生產、運作和回收各階段中，實現定制化服務。工業4.0和數字化工廠的相關技術將促進產業鏈和價值鏈的分工重組，傳統的行業界限將消失，并會產生各種新的業態和合作形式，形成自動化、信息化、一體化、精益化、集成化的數字化工廠。

相比之下，美、歐、日、韓等先進工業國家在數字化工廠領域起步早，總體實力較強。而中國起步較晚，應用水平較低，仍處于跟蹤學習階段。因此，下一步我們應從幾個方面入手：首先，積極參與相關國際標準化工作，及時將國際上最新技術和標準引入國內。第二，重視核心技術突破，建立國內總體標準工作組，聯合相關標準化組織，開展數字化工廠和工業4.0相關的技術和標準研究，逐步建立科學、統一的數字化工廠標準體系，不斷提升我國在國際標準化組織中的競爭力。第三，在相關部委的支持下，開展工業4.0標準化基礎研究工作，如數字化工廠、參考模型、屬性定義等，建立與國際接軌的統一的數據服務平臺。第四，重視安全標準研制，探索專門的法律、行政法規及規章對其進行規范。

我國目前提出的“ 中國制造2020”，以及中科院提出的《中國至2050先進制造科技發展路線圖》中都詳細介紹了先進制造的未來發展方向，說明我們在數字化工廠及工業4.0包含的內容上已有基礎。工業4.0只能作為參考，我們必須走自己的路，互相學習，以標準化工作為抓手共同推進先進制造業的發展。通過數字化工廠的建設，提高生產效率和資源利用率，增強國內制造企業的市場競爭力，從而提升我國高端裝備制造業的整體水平。