從數(shù)字化工廠到工業(yè)4.0
——訪機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)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(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所（簡稱儀綜所）所長，全國工業(yè)過程（過程指生產(chǎn)過程，包括連續(xù)控制、批控制、數(shù)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(xiàn)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(wǎng)設備標準化總體工作組副組長、國家發(fā)改委及國家標準化管理委員會成立的國家物聯(lián)網(wǎng)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(jīng)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(shù)字化工廠和工業(yè)4.0是近年來工業(yè)界的熱門話題。為了更好地了解數(shù)字化工廠和工業(yè)4.0的相關情況，編者采訪了歐陽勁松教授，就如何建設數(shù)字化工廠、在工業(yè)4.0背景下如何提升我國高端裝備制造業(yè)的有關技術背景和標準化進行了深入探討。

機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所所長 歐陽勁松

Q：數(shù)字化工廠可以說是提升我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高端裝備制造業(yè)的關鍵內容之一。您認為什么是數(shù)字化工廠？它相比傳統(tǒng)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(shù)字化工廠是數(shù)字模型、方法和工具的綜合網(wǎng)絡（包括仿真和3D虛擬現(xiàn)實可視化），通過連續(xù)的沒有中斷的數(shù)據(jù)管理集成在一起。它是以產(chǎn)品全生命周期的相關數(shù)據(jù)為基礎，在計算機虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程進行仿真、評估和優(yōu)化，并進一步擴展到整個產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式，是現(xiàn)代數(shù)字制造技術與計算機仿真技術相結合的產(chǎn)物。國際上十幾年前就開始對數(shù)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(shù)據(jù)庫技術的發(fā)展，數(shù)字化工廠的概念有了很大的擴展。它集成了產(chǎn)品、生產(chǎn)過程和工廠模型數(shù)據(jù)庫，通過先進的可視化、仿真和文檔管理，提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)過程所涉及的質量和動態(tài)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(chǎn)的信息和數(shù)據(jù)的不一致而導致的互操作障礙，如果想改變一個生產(chǎn)任務十分耗時費力。數(shù)字化工廠的突出特點就是建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，通過連通產(chǎn)品組件與生產(chǎn)系統(tǒng)，將用戶需求用描述語言的方式輸入系統(tǒng)，全網(wǎng)絡統(tǒng)籌組織生產(chǎn)過程的各項資源，在改進質量的同時減少設計時間，加速產(chǎn)品開發(fā)周期，實現(xiàn)主機廠內部、生產(chǎn)線供應商、工裝夾具供應商等環(huán)節(jié)同步進行的并行工程。

Q：“工業(yè)4.0”是2013年漢諾威國際工業(yè)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(yè)4.0”？它與數(shù)字化工廠之間是什么樣的關系？

歐陽勁松：“工業(yè)4.0”是由德國聯(lián)盟教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟技術部聯(lián)手推動的戰(zhàn)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(guī)模生產(chǎn)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(yè)革命”。它的理念源自信息技術與工業(yè)技術的融合，通過信息物理系統(tǒng)（CPS）實現(xiàn)產(chǎn)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(fā)動作和實現(xiàn)控制，將制造業(yè)向智能化轉型。目標是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務的生產(chǎn)模式，實現(xiàn)人、產(chǎn)品與機器之間的互動。工業(yè)4.0時代將改變整個生產(chǎn)技術的使用，整個系統(tǒng)將更加智能，聯(lián)網(wǎng)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(yè)4.0的概念，也是希望通過整合全國相關企業(yè)的資源要素，打通企業(yè)間的壁壘，從用戶需求出發(fā)，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(yè)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(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡化分布式生產(chǎn)設施的實現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用等。

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

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

Q：對于現(xiàn)在的工廠而言，“數(shù)字化工廠”或者“工業(yè)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(shù)字化工廠主要會面臨哪些困難？預計需要多長時間來實現(xiàn)這一目標？

歐陽勁松：數(shù)字化工廠的核心是為產(chǎn)品全生命周期的生產(chǎn)過程打造統(tǒng)一的全數(shù)字數(shù)據(jù)平臺。這就需要對資產(chǎn)的結構、功能、性能、位置、業(yè)務等方面進行定義，并通過規(guī)定的方式將各資產(chǎn)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(yè)都可接受的商業(yè)模式。因此，打造數(shù)字化工廠需要最大限度地應用數(shù)字化、仿真及互聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)硬件全集成、軟件全集成、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，將自動化設計貫穿于整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程。實現(xiàn)這些都會面臨許多的困難，包括技術、管理、規(guī)范等方面，這也是我們下一步的努力方向。

當前，不管是數(shù)字化工廠，還是工業(yè)4.0，他們作為未來工業(yè)發(fā)展的前瞻性主題，應當說其概念意義遠比現(xiàn)實意義更突出。雖然我國在十一五規(guī)劃、十二五規(guī)劃、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)取得了顯著進步和大量技術成果，也涌現(xiàn)出西電電氣、海爾等一批在先進制造領域有突出業(yè)績的企業(yè)，但我們對于智能制造而言，目前無論是理論構架還是現(xiàn)實技術條件都還處于初級階段，要真正進入工業(yè)4.0時代，估計還需要至少20年的時間。現(xiàn)在包括西門子在成都新建的工業(yè)自動化產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)基地、大眾汽車生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)等，雖然已經(jīng)用到虛擬仿真、優(yōu)化工程規(guī)劃等技術，但距離真正的全生命周期的數(shù)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(xù)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(yè)內的廣大企業(yè)，協(xié)助他們更快更好地完成數(shù)字化工廠的建設。

工業(yè)4.0 和數(shù)字化工廠的相關技術將促進產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈的分工重組，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的業(yè)態(tài)和合作形式，形成自動化、信息化、一體化、精益化、集成化的數(shù)字化工廠。

Q：標準既是技術集成的載體和大規(guī)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(xiàn)數(shù)字化工廠和工業(yè)4.0中起到什么樣的作用？

歐陽勁松：由于數(shù)字化工廠是通過網(wǎng)絡將公司和業(yè)務聯(lián)系并集成起來，因此必須規(guī)定統(tǒng)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(shù)字化工廠相關技術系統(tǒng)的構建、開發(fā)、集成和運行提供基礎和框架。在工業(yè)4.0的八個優(yōu)先行動領域中，標準化和參考架構排在首位，這也體現(xiàn)了標準的重要作用。在實現(xiàn)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(tǒng)中的規(guī)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(yè)建立寬頻基礎設施中的通信協(xié)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(yè)信息安全；以及資源利用效率中的設備能效、系統(tǒng)能效、能效KPI（關鍵性能指標）、實時優(yōu)化、綠色標識等。目前盡管一些既定標準已經(jīng)在各種學科、專業(yè)協(xié)會和工作組中使用，但是仍缺乏對這些標準的協(xié)調和統(tǒng)一。數(shù)字化工廠和工業(yè)4.0的建設涉及多個方面，必須統(tǒng)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(xiàn)有標準納入全球體系中進行考慮，才有可能真正實現(xiàn)數(shù)字化工廠或工業(yè)4.0。

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

歐陽勁松：數(shù)字化工廠是目前IEC/TC65（工業(yè)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(shù)字化工廠”工作組，專門從事數(shù)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(yè)都參與了相關工作。2012年11月，發(fā)布了技術報告IEC/TR 62794《工業(yè)過程測量、控制和自動化 生產(chǎn)過程表示用參考模型（數(shù)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(yè)4.0相關技術，IEC/SMB（標準管理局）成立了ahG 49工業(yè)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(yè)自動化系統(tǒng)集成）、ISO/IEC JTC1（信息技術）、IEC/SC3D（產(chǎn)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(yè)4.0標準基礎包括：

? 現(xiàn)場總線標準：IEC61158（現(xiàn)場總線規(guī)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(guī)等；

? 系統(tǒng)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(yè)系統(tǒng)集成）、IEC 61588（精確時鐘同步）、IEC 61360（電氣項目的標準數(shù)據(jù)元素類型和相關分類模式）、IEC 61987（工業(yè)過程測量和控制過程設備目錄中的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tài)監(jiān)控）等；

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

? 能效標準：IEC/TR 62837（自動化系統(tǒng)能效）、ISO/IEC 20140（自動化系統(tǒng)和集成 能效評價及制造系統(tǒng)的其他環(huán)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(shù)十項數(shù)字化工廠相關技術標準的轉化工作，包括：《工業(yè)過程測量和控制 在過程設備目錄中的數(shù)據(jù)結構和元素》、《過程控制用功能塊》、《可編程測量設備接口系統(tǒng)（字節(jié)串行、位并行）的代碼、格式、協(xié)議和公共命令》、《工業(yè)過程測量和控制 過程設備目錄中的數(shù)據(jù)結構和元素》、《現(xiàn)場設備工具（FDT）接口規(guī)范》、《工業(yè)自動化控制系統(tǒng) 信息安全》、《電氣/電子/可編程電子安全相關系統(tǒng)的功能安全》、《測量和控制數(shù)字數(shù)據(jù)通信 工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)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(yè)過程測量、控制和自動化 制造工廠表示用參考模型（數(shù)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(fā)布。

工業(yè)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(yè)的發(fā)展。通過數(shù)字化工廠的建設，提高生產(chǎn)效率和資源利用率，增強國內制造企業(yè)的市場競爭力，從而提升我國高端裝備制造業(yè)的整體水平。

Q：您認為將來我們的制造業(yè)會是什么樣的形式？針對我國自動化行業(yè)的現(xiàn)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(yè)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(lián)網(wǎng)上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調和自治五大功能。其網(wǎng)絡規(guī)模將遠遠超過現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡。智能工廠將使制造流程的日益復雜性變得可控；智能產(chǎn)品具有獨特的可識別性，借助于具體的規(guī)劃設計和驗證可以預見所有的制造任務。在未來，有特殊產(chǎn)品特性需求的客戶可直接參與到產(chǎn)品的設計、構造、預定、計劃、生產(chǎn)、運作和回收各階段中，實現(xiàn)定制化服務。工業(yè)4.0和數(shù)字化工廠的相關技術將促進產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈的分工重組，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的業(yè)態(tài)和合作形式，形成自動化、信息化、一體化、精益化、集成化的數(shù)字化工廠。

相比之下，美、歐、日、韓等先進工業(yè)國家在數(shù)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(lián)合相關標準化組織，開展數(shù)字化工廠和工業(yè)4.0相關的技術和標準研究，逐步建立科學、統(tǒng)一的數(shù)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(yè)4.0標準化基礎研究工作，如數(shù)字化工廠、參考模型、屬性定義等，建立與國際接軌的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)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(guī)及規(guī)章對其進行規(guī)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(fā)展路線圖》中都詳細介紹了先進制造的未來發(fā)展方向，說明我們在數(shù)字化工廠及工業(yè)4.0包含的內容上已有基礎。工業(yè)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(yè)的發(fā)展。通過數(shù)字化工廠的建設，提高生產(chǎn)效率和資源利用率，增強國內制造企業(yè)的市場競爭力，從而提升我國高端裝備制造業(yè)的整體水平。