基于RAMI 4.0解讀新一代智能制造

趙敏

（英諾維盛（北京）新技術發展有限公司，北京 100083）

一、前言

從2017年5月初起，筆者開始多次參與中國工程院“基于新一代人工智能的‘中國智能制造發展戰略研究報告’”（以下簡稱“工程院報告”）項目的研討與文本修訂工作。

2017年12月7日，周濟院士在南京“世界智能制造大會”上做了題為《關于中國智能制造發展戰略的思考》的講演，并于2018年1月在中國工程院再次做了同樣題目的報告，系統地闡述了我國智能制造的發展戰略。周濟院士的報告引發了社會上極大的關注和熱烈的反響。其中最重要的理論創新，是將智能制造的發展過程分成了三個階段與三個基本范式[1]，這在當前世界智能制造業內屬于首創，特別是對于第三范式“新一代智能制造”的定義，更是在智能理論和內涵上超越了當前國際范圍內的11個智能制造參考架構模型[2]，成就了獨樹一幟的學術高地。

為了更好地認識該報告的重要意義，筆者剖析了架構相對比較完備的德國工業4.0參考架構模型（RAMI 4.0）[3]，將其諸要素與工程院報告中的內容做了對比，既加深了對工程院報告提出的中國版智能制造總體架構和智能制造三個基本范式的認識，也深化了讀者對RAMI 4.0的認識。

二、RAMI 4.0概述

2013年4月，世界傳統工業強國——德國在漢諾威工業博覽會上正式推出了“工業4.0”的概念，同時成立了工業4.0平臺。平臺秘書處包括：德國信息技術、通信、新媒體協會（BITKOM），德國機械設備制造業聯合會（VDMA）和德國電氣和電子工業聯合會（ZVEI）。工業4.0平臺于2015年7月發布了《工業4.0參考架構模型（RAMI 4.0）》研究報告[4]，ZVEI于2015年10月4日發布了《參考架構模型RAMI4.0和工業4.0組建》研究報告，ZVEI將其稱之為是他們與合作伙伴共同在工業4.0標準化方面取得的重要里程碑，是 “第一個精確描述符合工業4.0標準的開發生產設備的工業4.0組件的版本”“為公司提供了開發未來產品和商業模式的基礎”[3]。

RAMI 4.0的原文稿，讀起來晦澀難懂，有些詞匯不宜直譯，只能根據內容理解來轉譯，才能得其要領。筆者經過對RAMI 4.0一年多的持續學習，逐漸理解和掌握了RAMI 4.0的主線和基本內容，比較贊賞其精確性、實用性和適用性，認為它具有較大的彈性和發展空間，可以用它來理解、延伸和對接其他的智能制造模型，如對接工業互聯網參考架構（IIRA）或對接中國工程院提出的“新一代智能制造發展戰略”中的智能制造總體架構[5]。

RAMI 4.0是一個基于高度模型化的理念而構建的三維架構體系。RAMI 4.0通過垂直軸層（Layers）、左水平軸流（Stream）、右水平軸級（Levels）三個維度，構建并連接了工業4.0中的基本單元——工業4.0組件。基于這一架構可以對工業4.0技術進行系統的分類與細化。理論上，任何級別的企業，都可以在這個三維架構中找到自己的業務位置——一個或多個可以被區分的、由工業4.0組件構成的管理區塊。

工業4.0參考架構模型如圖1所示。

從術語翻譯來看，對于左水平軸流（Stream）的翻譯，一般沒有異議。對于右水平軸“系統級別（Hierarchy Levels）”的翻譯，大部分人采取了直譯為“層次結構”或“層次”，不易區別于垂直軸“層（Layers）”的翻譯。其實，如果仔細看右水平軸上所描述的具體內容，就知道“Hierarchy Levels”在此處翻譯為“級”比較合適，表示系統集成和控制的級別，符合國際標準IEC 62264（企業和控制系統集成系列國際標準）的規定，而“Layers”是講企業管理的內涵與層次。

圖1 工業4.0參考架構模型

三、對RAMI 4.0的解構與重組

對于RAMI 4.0自下向上的資產層、集成層、通信層、信息層、功能層、業務層六層結構，既可以綜合觀察，也可以拆開逐層解讀。而恰恰是逐層拆解再重組之后，讓筆者看出了它的奧妙。這引發了筆者一個有趣的思考：標準的內容皆源于實踐，是經過提煉后逐漸建立的，RAMI 4.0也應該經歷了一個不斷提煉、抽象和優化的過程，那么，它能否傳承一兩百年前的工業基因，描述工業革命早期的企業管理狀態？能否描述今天的第三次工業革命以及即將到來的第四次工業革命？

筆者將RAMI 4.0按照“層”的定義拆解并從最低層自底向上逐層重構，得到了如圖2所展現的幾種不同工業階段的模型，發現了一些隱含在RAMI 4.0背后沒有說明的內容。盡管這種拆解與重構未必完全體現德國人設計RAMI 4.0的初衷，未必精準匹配工業革命的歷史發展過程，但是架構模型本身就是對工業發展模式的抽象與凝練，是要提取共性主旨內容并忽略枝梢末節差異的。筆者認為這是加深對RAMI 4.0理解的一個有效方式。

在圖2中，資產層是企業經營的基礎，盡管資產形式隨著歷史年代會有所不同，但是其基本性質不變。因此會在從圖2（a）～圖2（d）的四個模型中出現。功能層在過去實際上也是存在的，盡管在那時甚至還沒有出現明確的功能定義，但是在蒸汽機時代的工廠里，已經逐漸有了比較詳細的分工生產，這種分工通常是按照產品結構件的功能來劃分的。至于業務層，則從來不會缺位，自從有了“工廠”這個基本企業單元之后，廠內的活動規劃，廠外的交易流程，都屬于工廠業務層的管理范疇。

在圖2（a）工業1.0中，只有最基本的資產層、功能層（表現不明顯）和業務層，企業活動層次少且管理上相對簡單，機器普遍缺乏控制裝置。如果以流的維度上的兩大階段（原型、實物）觀察，產品研發以工程藍圖為表達，以實物樣機為原型。所有的研發與生產都是串行過程，即一個環節完成之后，才能開始下一個環節。

在圖2（b）工業2.0中，集成層逐漸加入進來，因為有了電，機器有了逐漸增多的機電控制裝置，企業在對生產活動中的控制能力有較大增強，原本必須手工調整的設備可以變成由機電控制裝置來自動調整，企業活動層次增加，內容豐富了很多；產品研發以圖紙及油泥/木模型來表達，以實物樣機為原型。研發與生產都是串行過程。

圖2 RAMI 4.0解構并重組后的四種模型

在圖2（c）工業3.0中，信息層加入進來，極大地豐富了企業的管控手段。在產品和設備本身中有了諸如可編程邏輯控制器（PLC）、嵌入式系統等數字化裝置，在設計工具上，企業開始有了CAX等數字化研發手段。在數字化、網絡化的賦能和放大下，企業活動層次和水平都大為提升；產品研發開始以數字化2D繪圖及3D造型來表達，以數字樣機為原型，研發過程開始有了并行工程，數控設備在生產中逐步應用并普及。

在圖2（d）中，描述的是未來工業4.0愿景下的數字工廠（DF）或智能工廠（SF）。以DF或SF為企業最小單元進行管控是工業4.0的基本思想。在系統級別的維度上，體現的是“縱向集成”；在流的維度上，體現的是基于產品（或裝置、設備、工作站等）全生命周期的“端到端集成”；在“層”的維度上，體現的是“信息物理系統（CPS）”；最難做到的一步是“橫向集成”，需要從模型中的“互聯世界”去找答案[4]，因為“橫向集成”所表現的是不同行業的企業之間的集成，所有參與者需要對諸如協同（誰主導）、圈子（誰參與）、標準（用誰的）、利益分配（誰受益）之類的問題做出協商，在共識的基礎上彼此做出妥協，協同高效工作，共創商業價值，合理分享利益。企業以“互聯世界”集成的方式大致有兩種，如圖3所示。

圖3（a）所示的是典型的“央企”或大集團企業模式，圖中的連接線表示了企業之間以“總部”為中心的業務指令和信息流的流動，不同央企集團之間的合作（即彼此聯接）肯定屬于“橫向集成”，例如，航空母艦的研制必定涉及到多個央企國防軍工集團之間的合作；圖3（b）所示的是更為一般化的互不隸屬的同業企業或者各自獨立的非同業企業之間的合作，彼此之間只有合作和信息流動而沒有指令。非同業企業之間也可以因為共同開發某個大型復雜產品項目而形成“橫向集成”。未來，在各種互聯網的支撐與作用下，企業之間的協作方式往往是“圖3（a）+圖3（b）”的混合模式，并且更趨向于向圖3（b）發展。

事實上，企業內、外的聯網所構成的“互聯世界”，已經構成了工業互聯網（或工業物聯網）。從這個意義上說，工業4.0與工業互聯網兩種不同的工業發展范式所使用的參考架構雖然不同，構建模型的出發點也未必一樣，但是對企業來說，無論采用哪一種架構，最終結果是殊途同歸的。

四、智能制造三個基本范式與CPS

周濟院士多次提到：德國工業4.0的模式，按照現有標準的描述和技術要素的支撐，完全可以達到工業3.5或稍高的水平，但是如果沒有新一代人工智能的支持，是無法真正達到工業4.0的水平的。因此，“真正意義上的‘工業4.0’”概念就被正式提出來。這個要點也在工程院報告中有明確闡述：如果說數字化網絡化制造是新一輪工業革命的開始，那么新一代智能制造的突破和廣泛應用將推動形成這次工業革命的高潮，重塑制造業的技術體系、生產模式、產業形態，并將引領真正意義上的‘工業4.0’，實現第四次工業革命 [1] 。

在工程院報告中，定義了智能制造的三個基本范式，如圖4所示。

關于“數字化制造”的第一范式，有關論述已經很多，本文不作討論。按照工程院報告的定義，“數字化網絡化制造（以下簡稱“數網化”）屬于智能制造的第二發展階段和第二范式。在該范式中，數網化技術都已經得到較大的發展，形形色色的“互聯網（并非僅僅是因特網）”與制造業形成深度融合，CPS成為智能制造的主流使能技術。

圖3 企業聯接的兩種基本模式

以《三體智能革命》中的“三體智能模型”觀點來看，此時數字虛體（工程院報告寫作“信息系統”）與物理實體（工程院報告寫作“物理系統”）的交互融合形成了CPS [6]。CPS的面世具有里程碑式的意義。因為從20世紀80年代末到21世紀初，日本為發展人工智能而開發的第五代計算機項目和“智能制造系統（IMS）”項目失敗，人工智能陷入第二次低谷。人們開始尋求一種新的科技手段來構建智能系統。于是在2006年，美國國家科學基金會（NSF）的海倫·吉爾提出了CPS構想，并且很快得到了德國等工業國家的積極響應。CPS作為一種數網化的智能體，是工業4.0、智能制造、工業互聯網等落地的“最大公約數”和關鍵使能技術，甚至可以說，未來世界的形式就是CPS。

圖4 智能制造基本范式的演進

《三體智能革命》提出的 “狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行、學習提升”的20字箴言較好地表達了CPS智能體的基本邏輯[6]，已經成為中華人民共和國工業和信息化部、中國電子技術標準化研究院發布的《信息物理系統白皮書（2017）》中的一個主要觀點[7]。

不同國家的研究團隊對CPS有著不同的理解。從常理和表面上來理解，CPS是一種典型的C（數字虛體）和P（物理實體）兩體相互作用，但是實際上，伴隨著人腦中的隱性知識不斷顯性化，顯性知識不斷優化、篩選和積累，以知識為載體的“人類智能（人智）”不斷數字化、編碼化，轉化到人造系統中，形成“機器智能（機智）”，在比例上，“機智”日益增多，其結果是人腦逐漸從“感知-分析-決策-執行”的系統回路中撤出，最終不在系統回路中出現，但是“人智”仍然以數字化軟件的形式駐留在人造系統中，一直在系統回路中作為“知識引擎”來驅動智能系統（如智能制造）的實現。

在意識人體（工程院報告寫作“人”，筆者將“人”細分為人體、人腦、意識）對CPS影響的判斷上，中國人的理解已經比美國、德國對CPS的理解更為豐富和寬泛。筆者認為，即使人腦離開系統回路，也會以更合理的分工方式專業從事知識生產，未來“人智”會源源不斷進入數字虛體而促成越來越多的“機智”產生。貌似兩體融合的CPS，實質上還是一種三體融合的結果。可以認為，人的影響力從未離開CPS，并且一直牢牢地主導著CPS的形成與發展。“人智”是智能制造事實上的主導和決定性因素（該觀點與工程院報告的人-信息-物理系統（HCPS）內涵基本一致）。

軟件是數字虛體的重要載體。軟件在硬件許可的范圍內，可以定義很多新規則和新事物。而“人智”恰恰就是以數字化知識的形式駐留在軟件中，定義了軟件的推理與判斷規則。以軟件的形式實現“人智在回路”從而替代了“人腦在回路”，是CPS作為一種數網化智能體的主要作用。可以將CPS的普遍應用作為判斷是否實現了第二范式“數網化智能制造”的技術要素。

德國人提出的工業4.0是基于CPS來實現的，但是，要想實現工程院定義的“真正意義上的‘工業4.0’”，必須在基于CPS的數網化智能制造的基礎上做進一步的技術升級和范式轉換，即走向基于“新一代HCPS” 技術的“新一代智能制造”。

五、RAMI 4.0與中國智能制造架構的異同

王春喜等[2]經研究發現，智能制造的參考架構，以三維架構為主流，不管是德國的RAMI 4.0、美國的IIRA和短信業務（SMS）、日本的工業價值鏈參考架構（IVRA）、國內早先提出的IMSA、國際標準化組織提出的全局三維圖等，大多數都是三維參考架構。因此工程院報告中給出的智能制造總體參考架構也順應了這種架構建設主流趨勢。

工程院報告認為：智能制造涵蓋了產品、制造、服務全生命周期中所涉及的理論、方法、技術和應用，其總體架構可以從價值維、技術維和組織維三個維度描述，即以制造為主體的價值維、以兩化融合為主線的技術維和以人為本的組織維。如圖5所示[5]。

在智能制造總體架構中三個維度的具體定義和簡述是：

價值維——以制造為主體的價值實現維度。智能制造的價值實現主要體現在產品、生產、服務三個方面及其系統集成；

技術維——以兩化融合為主線的技術進化維度。智能制造從技術演變的角度體現為數字化制造、數字化網絡化制造、新一代智能制造三個基本范式；

組織維——以人為本的組織系統維度。實施智能制造的組織系統包含智能單元、智能系統和系統之系統（SoS）三個層次[5]。

因為智能制造總體架構也采用了三個維度，因此盡管在維度細節設計上與RAMI 4.0三個維度上的內容有一定的差異，但是彼此之間的絕大部分內容都可以實現直接對接或近似對接，如圖6所示。

在左水平軸上，兩個架構描述生命周期價值流的內容比較吻合，只是圖6（a）價值維中的“流”稍顯隱蔽，嵌入在了“產品、生產、服務”這個全生命周期之中，而在全生命周期的三個階段中，其實也都隱含了“原型、實物”兩個階段，而圖6（b）的“流”只給出了“原型、實物”兩個階段。

在右水平軸上，圖6（a）組織維給出了單元、系統、系統之系統三種系統級別，同時強調了以人為本的“人智”參與，即從單元到SoS，都由HCPS組成，概念上顯得抽象；圖6（b）“級”中對系統級別劃分得比較具體，提出了擴展的“互聯世界”，但是只述及設備，不明確人是否參與。或者，另一種理解是RAMI 4.0在“資產層”中隱含了人的要素，將人作為一種被動的被管理要素，而不是一種主動的管理要素。

圖5 智能制造總體架構

在垂直軸上，圖6中（a）和（b）的差異就較大了。圖6（a）表示的是兩化融合水平和系統智能化水平，是比較宏觀抽象的概念，另外在第三范式中強調了導入“新一代人工智能”；圖6（b）“層”中講的是系統/組件實施的技術層次和企業管理層次，以及由此而形成的CPS。因此，二者之間無法一一對應。只能說，二者之間的某些要素是同時具備的，例如圖6（a）的數字化、網絡化一定與圖6（b）的集成層、通信層、信息層有較多的對應。而在圖6（b）中明確標出的資產層，在圖6（a）中就難以找到了，或者說在“組織維”上有，在“技術維”上也有。

總之，圖6（a）更具宏觀和抽象性，面向包括但不限于智能工廠的廣域適用范圍，更符合中國兩化融合、多范式并存的復雜情況；圖6（b）更具微觀和具體性，面向智能功能工廠的建設，更聚焦在企業內部的數網化建設以及外部的“互聯世界”。

盡管在對比中可以看到兩個架構具有很多相同或類似的要素，但是RAMI 4.0明顯少了對“新一代人工智能”的引入，也沒有突出人的要素，而在智能制造總體架構中，這兩點是清晰、明確的核心支撐要素。

圖6 RAMI 4.0與智能制造總體架構對接

這個對比啟發筆者做了一個大膽設想，假如要RAMI 4.0成為一個“真正意義上的‘工業4.0’”架構，可能要做出一點修改，至少要在“層”維度上明確給出與新一代人工智能有關的內容。為了形象表達這種改進后的架構對應關系，筆者做了一個假設的“RAMI 4.0-AI版”，在信息層和功能層之間增加了一個AI算法層。在RAMI 4.0中，功能層的作用是實現功能的形式化描述、根據下層的應用場景形成決策；信息層是規則和機理模型的形式化、數字化描述，并具體執行、運行與事件相關的規則和機理模型。信息層的載體是軟件，所有的規則和機理模型（算法）都嵌入在軟件中。眾所周知，AI通常以算法的形式體現出來，判斷一個軟件是否是AI軟件，看其所采用的算法以及處理大規模數據的能力即可。算法既是AI的立足點，也是改進與變化最快的活躍要素。因此，在不對RAMI 4.0原有結構做較大改動的情況下，在信息層和功能層之間增設一個“AI層”是比較快捷的改進方式，表示在現有軟件中逐漸加入新一代人工智能算法，以實現“真正意義上的‘工業4.0’”（新一代智能制造）。如圖7所示。

不難看出，圖7（a）所表達的智能制造總體架構，與圖7（b）所假設的“RAMI 4.0-AI版”，彼此之間有了更好的內容對應，由此也更好地理解了兩個架構之間的異同。

六、結語

工程院報告中提出智能制造發展的三個階段、三個基本范式，明確了智能制造的發展路徑和技術規律，奠定了“真正意義上的‘工業4.0’”架構，是中國人對智能制造發展的貢獻。

RAMI 4.0較好地體現了以CPS為主的“數網化智能制造”，但是因為沒有新一代人工智能技術導入，沒有新一代HCPS技術支撐，因此通常止步于第二范式。在實現智能制造方面，工程院的智能制造總體架構更勝一籌。

要想實現“新一代智能制造”第三范式，必須以“新一代人工智能”為技術內涵，以新一代HCPS為技術要素，參照工程院報告中提出的智能制造系統總體架構來建設。或者，也可以對現有的RAMI 4.0進行修訂，以“RAMI 4.0-AI版”向智能制造總體架構靠攏。

圖7 改進后的RAMI 4.0-AI與智能制造總體架構對接