基于云平臺的智能制造標準體系研究

　　摘　要：基于云平臺的智能制造已成為中國制造業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略要點。針對基于云平臺的智能制造標準化頂層架構欠缺的問題，基于國家智能制造標準體系建設指南，結合工業(yè)云平臺、智能制造發(fā)展實際，從基礎共性、云平臺、設備智能化、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工廠智能化、安全等6個方面進行基于云平臺的智能制造標準體系研究規(guī)劃，為基于云平臺的智能制造應用與發(fā)展提供體系化的標準支撐，也為相關標準的研究與制定提供指導。

　　本文源自谷牧; 莊鑫; 陳曉雙; 潘亞南; 秦麗峰， 中國儀器儀表 發(fā)表時間：2021-07-25

　　關鍵詞：云平臺 智能制造 標準體系

　　引言

　　智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等功能的新型生產方式。智能制造正在成為中國企業(yè)發(fā)展的重要驅動力[1-3]。工業(yè)云平臺作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心，能夠提供計算和存儲能力，支撐實現(xiàn)工業(yè)設備、資源與能力的接入、調度與協(xié)同，為智能制造提供核心驅動力[4,5]。基于云平臺的智能制造已成為中國制造業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略要點。

　　隨著不同云平臺的涌現(xiàn)和大量技術、解決方案、測試技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，基于云平臺的智能制造關鍵技術的研究、云平臺智能制造產品的開發(fā)和運營已經(jīng)進入應用實施階段，但基于云平臺的智能制造標準研究遠遠落后，缺少統(tǒng)一的標準，很難實現(xiàn)智能制造技術體系的統(tǒng)一和協(xié)調，為智能制造的跨企業(yè)和社會化協(xié)同以及資源共享帶來困難，也將影響基于云平臺的智能制造模式在制造業(yè)的推廣應用[6]。

　　本文通過研究基于云平臺的智能制造新模式和新手段，針對制造企業(yè)協(xié)同程度不高、系統(tǒng)集成能力不足等問題，以制造業(yè)轉型升級需求為導向，在對基于云平臺的智能制造技術進行全面梳理和分析的基礎上，面向制造生命周期全過程各環(huán)節(jié)業(yè)務，開展基礎共性、云平臺、設備智能化、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工廠智能化、安全等方面的標準化研究，構建和完善科學、合理的基于云平臺的智能制造標準體系，從而解決基于云平臺的智能制造應用與發(fā)展無據(jù)可依的問題，充分發(fā)揮云平臺的資源整合優(yōu)勢，減少資源冗余，消除地域障礙開展協(xié)同制造，實現(xiàn)制造資源的按需供給和制造資源的最大化高效利用，有效支撐標準化系列化產品的智能化生產、數(shù)字化管理、網(wǎng)絡化協(xié)同、個性化定制、服務化延伸等智能制造應用模式的實現(xiàn)，加快企業(yè)轉型升級。

　　1 基于云平臺的智能制造標準體系框架

　　通過分析德國工業(yè)4.0體系、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系、波音公司制造標準體系、國家智能制造標準體系、網(wǎng)絡化制造標準體系、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系等國內外智能制造相關標準體系，結合工業(yè)云平臺、智能制造發(fā)展實際，將基于云平臺的智能制造標準體系劃分為基礎共性、云平臺、設備智能化、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工廠智能化、安全等6個領域。標準體系框架如圖1所示。

　　2 基礎共性領域標準化研究

　　基礎共性領域包括基礎通用、檢測與評價、可靠性、支撐技術等4個分領域。

　　其中，基礎通用分領域包括術語定義、參考模型、元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)字典、標識等4個子領域。術語定義用于統(tǒng)一基于云平臺的智能制造相關概念，為其他各部分標準的制定提供支撐;參考模型用于幫助各方認識和理解基于云平臺的智能制造標準化的對象、邊界、各部分的層級關系和內在聯(lián)系;元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)字典用于規(guī)定基于云平臺的智能制造產品設計、生產、流通等環(huán)節(jié)涉及的元數(shù)據(jù)命名規(guī)則、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)元素和注冊要求、數(shù)據(jù)字典建立方法，為基于云平臺的智能制造各環(huán)節(jié)產生的數(shù)據(jù)集成、交互共享奠定基礎;標識用于對基于云平臺的智能制造中各類對象進行唯一標識與解析，建設既與制造企業(yè)已有的標識編碼系統(tǒng)兼容，又能滿足設備IP化、智能化等發(fā)展要求的智能制造標識體系[7]。

　　檢測與評價分領域用于指導智能制造裝備和系統(tǒng)的檢測和項目評價。

　　可靠性分領域用于對智能制造系統(tǒng)可靠性要求、風險管理和壽命費用的分析，以及可靠性評估、設計及試驗驗證。

　　支撐技術領域包括總體智能技術、生態(tài)與商業(yè)模式技術、系統(tǒng)支撐技術、網(wǎng)絡化制造應用技術、工業(yè)APP開發(fā)技術等5個子領域。總體智能技術用于規(guī)范基于大數(shù)據(jù)智能、新一代人工智能的制造技術和基于云的企業(yè)數(shù)字化智能化升級技術的技術要求;生態(tài)與商業(yè)模式技術用于規(guī)范面向基于云平臺的智能制造模式的生態(tài)服務構建技術、工業(yè)云平臺應用構建技術的要求;系統(tǒng)支撐技術用于規(guī)范企業(yè)上云操作系統(tǒng)構建技術、智慧資源及能力感知技術、虛擬化技術等技術的要求;網(wǎng)絡化制造應用技術用于規(guī)范網(wǎng)絡制造總體技術、網(wǎng)絡制造集成技術、網(wǎng)絡制造實施技術等技術的要求;工業(yè)APP開發(fā)技術用于規(guī)范基于數(shù)據(jù)驅動的APP開發(fā)技術、虛實結合的數(shù)字化建模技術、工業(yè)大數(shù)據(jù)建模技術、 APP云化遷移和改造技術等技術的要求。

　　3 云平臺領域標準化研究

　　云平臺領域包括云平臺總體、云計算、工業(yè)大數(shù)據(jù)等3個分領域。

　　其中，云平臺總體分領域包括云平臺架構、云平臺技術、云平臺應用等3個子領域。云平臺架構用于規(guī)范云平臺的總體組成，是其他標準的總體指導;云平臺技術用于規(guī)范云平臺統(tǒng)一服務總線及運行環(huán)境、工業(yè)大數(shù)據(jù)引擎、微服務引擎、仿真引擎、人工智能引擎技術等內容;云平臺應用用于規(guī)范云平臺的工業(yè)APP全生命周期管理技術、開放接口、應用開發(fā)工具、邊緣計算應用、區(qū)塊鏈應用等內容。

　　云計算分領域包括云數(shù)據(jù)中心、云計算總體技術、云計算服務等3個子領域。云數(shù)據(jù)中心用于規(guī)范數(shù)據(jù)中心資源、存儲、備份和數(shù)據(jù)中心安全等內容;云計算總體技術從系統(tǒng)的角度出發(fā)，規(guī)范云計算系統(tǒng)的體系結構、服務模式、支持云計算實施的系統(tǒng)集成技術等內容[8];云計算服務規(guī)范云計算的資源感知、虛擬化/服務化技術、環(huán)境構建、服務評估等內容。

　　工業(yè)大數(shù)據(jù)分領域包括數(shù)據(jù)采集與清洗、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)分析挖掘、數(shù)據(jù)應用等4個子領域。數(shù)據(jù)采集與清洗用于規(guī)范企業(yè)多源數(shù)據(jù)的采集和集成方式、對數(shù)據(jù)的治理、審查和校驗方法等內容;數(shù)據(jù)存儲與管理用于規(guī)范業(yè)務數(shù)據(jù)、主數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)質量、數(shù)據(jù)資產管理等內容;數(shù)據(jù)分析挖掘用于規(guī)范數(shù)據(jù)處理分析方法、數(shù)據(jù)建模過程、建模技術、特征工程、模型驗證與評估方法等內容[9];數(shù)據(jù)應用用于規(guī)范應用開發(fā)工具、建模工具及可視化技術等技術要求。

　　4 設備智能化領域標準化研究

　　設備智能化領域包括傳感器及儀器儀表、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、工業(yè)控制人機交互系統(tǒng)、工業(yè)機器人和增材制造等6個分領域。

　　其中，傳感器及儀器儀表分領域包括傳感器及儀器儀表數(shù)據(jù)交換、傳感器及儀器儀表集成和傳感器及儀器儀表通信協(xié)議等3個子領域。傳感器及儀器儀表數(shù)據(jù)交換用于規(guī)范RFID、傳感器及儀器儀表的數(shù)據(jù)交換要求;傳感器及儀器儀表集成用于規(guī)范時鐘同步、接口、功能塊、設備集成、互操作性等要求;傳感器及儀器儀表通信協(xié)議用于規(guī)范現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線、安全通信、高可用通信、符合性等通信協(xié)議要求。

　　嵌入式系統(tǒng)分領域包括嵌入式系統(tǒng)接口、嵌入式系統(tǒng)通信協(xié)議、嵌入式系統(tǒng)性能等3個子領域。

　　工業(yè)控制系統(tǒng)分領域包括工業(yè)控制系統(tǒng)編程語言、工業(yè)控制系統(tǒng)接口兩個子領域。工業(yè)控制系統(tǒng)編程語言用于規(guī)范可編程邏輯控制器(PLC)、分布式控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)等工業(yè)控制系統(tǒng)的編程語言要求;工業(yè)控制系統(tǒng)接口用于規(guī)范工業(yè)控制系統(tǒng)的接口要求。

　　工業(yè)控制人機交互系統(tǒng)分領域包括工業(yè)控制人機交互系統(tǒng)圖形圖標、工業(yè)控制人機交互系統(tǒng)觸摸體感、工業(yè)控制人機交互系統(tǒng)語音語義、工業(yè)控制人機交互系統(tǒng)生物特征識別等4個子領域。工業(yè)控制人機交互系統(tǒng)圖形圖標用于規(guī)范工業(yè)控制人機交互系統(tǒng)的圖形圖標、功能屬性和注冊管理等要求;工業(yè)控制人機交互觸摸體感用于規(guī)范工業(yè)控制人機交互系統(tǒng)的體感描述語言、手勢命令和功能屬性等要求;工業(yè)控制人機交互系統(tǒng)語音語義用于規(guī)范語音命令、語義理解和語義庫;工業(yè)控制人機交互系統(tǒng)生物特征識別用于規(guī)范生物特征識別技術接口、生物特征數(shù)據(jù)交換格式等要求。

　　工業(yè)機器人分領域包括工業(yè)機器人通信、工業(yè)機器人接口、工業(yè)機器人集成等3個子領域。工業(yè)機器人通信用于規(guī)范工業(yè)機器人通信的數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議、通信接口、控制語義等要求;工業(yè)機器人接口用于規(guī)范工業(yè)機器人編程和操作圖形用戶接口、編程系統(tǒng)和機器人控制間的接口等要求;工業(yè)機器人集成用于規(guī)范制造過程機器人與人協(xié)同作業(yè)、機器人與機器人協(xié)同作業(yè)、以及機器人與生產線協(xié)同作業(yè)等要求。

　　增材制造分領域包括設計規(guī)范、文件格式、數(shù)據(jù)質量保障、文件存儲和數(shù)據(jù)處理等模型設計標準，以及增材制造裝備和接口標準兩個子領域。

　　5 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域標準化研究

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域包括網(wǎng)絡通信技術、互聯(lián)互通、工廠互聯(lián)網(wǎng)絡、邊緣計算等4個分領域。

　　其中，網(wǎng)絡通信技術分領域包括工業(yè)總線、工業(yè)無線網(wǎng)、工業(yè)有線網(wǎng)、天地一體網(wǎng)、移動物聯(lián)網(wǎng)等 5個子領域。工業(yè)總線用于規(guī)范工業(yè)現(xiàn)場設備的數(shù)字通信要求以及現(xiàn)場設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞要求;工業(yè)無線網(wǎng)用于規(guī)范現(xiàn)場設備級、車間監(jiān)測級及工廠管理級無線網(wǎng)絡的要求;工業(yè)有線網(wǎng)用于規(guī)范工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)布纜等工業(yè)有線通信要求;天地一體網(wǎng)用于規(guī)范網(wǎng)絡體系架構、功能指標體系、信息傳輸體制、地基節(jié)點網(wǎng)、用戶終端網(wǎng)等技術體制和網(wǎng)絡設施要求;移動互聯(lián)網(wǎng)用于規(guī)范移動終端、網(wǎng)絡服務平臺、應用服務平臺和網(wǎng)絡安全控制等技術要求，及5G網(wǎng)絡改造技術、基于5G的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用技術要求。互聯(lián)互通分領域包括異構設備接入云平臺、設備與產品聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關等3個子領域。異構設備接入云平臺用于規(guī)范異構設備接入云平臺的一般要求、集成接入方案、集成數(shù)據(jù)內容、數(shù)據(jù)采集方式等內容;設備與產品聯(lián)網(wǎng)用于規(guī)范設備/產品聯(lián)網(wǎng)所涉及的功能、接口、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)交換、時鐘同步等要求;工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關用于規(guī)范工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的通用信息、基本功能架構、通用數(shù)據(jù)服務、數(shù)據(jù)接口等要求。

　　工廠互聯(lián)網(wǎng)絡分領域包括整體網(wǎng)絡架構、網(wǎng)絡資源管理、網(wǎng)絡資源接入、應用協(xié)議、工廠內部網(wǎng)絡、工廠外部網(wǎng)絡等6個子領域。整體網(wǎng)絡架構用于規(guī)范工廠內部不同層級網(wǎng)絡互聯(lián)架構，以及工廠與設計、制造、供應鏈、用戶等產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)之間的互聯(lián)架構;網(wǎng)絡資源管理用于規(guī)范工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IPv6 地址管理規(guī)劃、工業(yè)環(huán)境的無線頻譜規(guī)劃等;網(wǎng)絡資源接入用于規(guī)范工廠內部聯(lián)網(wǎng)要素(如原材料、在制品、設備、產品、工業(yè)控制系統(tǒng)等)以及工廠外部聯(lián)網(wǎng)要素(如設計、仿真、供應鏈等)等資源和能力的接入要求;應用協(xié)議用于規(guī)范工廠內各生產設備、工業(yè)控制系統(tǒng)和工業(yè)IT系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)集成和傳送協(xié)議，以及生產設備、工業(yè)IT系統(tǒng)到工廠外云平臺間的數(shù)據(jù)集成和傳送協(xié)議;工廠內部網(wǎng)絡用于規(guī)范工廠內部設備、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)之間網(wǎng)絡互聯(lián)要求;工廠外部網(wǎng)絡用于規(guī)范工廠外部網(wǎng)絡架構、工業(yè)虛擬專網(wǎng)(VPN)等要求。

　　邊緣計算技術分領域用于規(guī)范邊緣計算的體系和實施架構、云邊協(xié)同、資源調度、異構計算、邊緣智能[10]、行業(yè)應用等要求。

　　6 工廠智能化領域標準化研究

　　工廠智能化領域包括總體規(guī)劃、工業(yè)軟件、智能研發(fā)、智能生產、智能物流、智能服務等5個分領域。

　　總體規(guī)劃分領域包括工廠智能化總體規(guī)劃、工廠智能化實施指南、工廠智能化系統(tǒng)建模等3個子領域。工廠智能化總體規(guī)劃用于規(guī)范智能工廠的基本功能、設計要求、設計模型等規(guī)劃要求;工廠智能化實施指南用于規(guī)范智能工廠規(guī)劃設計要求所需的仿真分析、協(xié)同設計和建設實施等要求;工廠智能化系統(tǒng)建模用于規(guī)范智能工廠的工藝流程及布局模型、生產過程模型和組織模型等建模要求。

　　工業(yè)軟件分領域包括產品與系統(tǒng)、工業(yè)軟件服務與管理、工業(yè)軟件集成、工業(yè)軟件質量等4個子領域。產品與系統(tǒng)用于規(guī)范軟件產品、工具、系統(tǒng)和平臺的技術要求;工業(yè)軟件服務與管理用于規(guī)范工業(yè)軟件的服務流程、服務能力和資產維護等服務與管理要求;工業(yè)軟件集成用于規(guī)范企業(yè)資源計劃、供應鏈管理、客戶關系管理、制造執(zhí)行系統(tǒng)、產品生命周期管理、過程控制系統(tǒng)等工業(yè)軟件之間的集成要求;工業(yè)軟件質量用于規(guī)范工業(yè)軟件的質量要求。

　　智能研發(fā)分領域包括產品設計仿真、智能優(yōu)化設計、智能試驗3個子領域。產品設計仿真用于規(guī)范產品數(shù)字化定義、產品數(shù)字化樣機、設計仿真、工藝仿真、數(shù)字化試驗等技術要求;智能優(yōu)化設計用于規(guī)范產品仿真結果的優(yōu)化過程、優(yōu)化模型、優(yōu)化方法等設計要求;智能試驗用于規(guī)范仿真試驗平臺構建、數(shù)據(jù)自動分析、虛實結合的試驗驗證等要求。

　　智能生產分領域包括生產過程控制系統(tǒng)診斷維護類、生產過程系統(tǒng)先進控制與優(yōu)化類、車間級管理、企業(yè)級管理、可視化管理等5個子領域。生產過程控制系統(tǒng)診斷維護類用于規(guī)范智能生產系統(tǒng)診斷、能力評估和維護的通用要求;生產過程系統(tǒng)先進控制與優(yōu)化類用于規(guī)范生產制造系統(tǒng)控制與優(yōu)化軟件功能集成架構、功能模塊、信息交互方式等要求;車間級管理用于規(guī)范制造報文規(guī)范、MES 應用等車間級管理要求;企業(yè)級管理用于規(guī)范企業(yè)經(jīng)營決策管理、計劃管理、生產管理、技術管理、質量管理、人事管理、財務管理、設備管理、物流管理等企業(yè)級管理要求;可視化管理用于規(guī)范產品信息可視化、設備信息可視化、庫存信息可視化、生產狀態(tài)可視化、能源監(jiān)管可視化等要求。

　　智能物流分領域包括自動引導設備、智能物流裝備、智能物流服務等3個子領域。自動引導設備用于規(guī)范工廠內部的自動引導設備的要求;智能物流裝備用于規(guī)范智能物流裝備的要求;智能物流服務用于規(guī)范物流服務、配送服務和倉儲服務等要求。

　　智能服務分領域包括供應鏈分析和優(yōu)化服務、基于大數(shù)據(jù)的故障診斷與預測服務兩個分領域。供應鏈分析和優(yōu)化服務用于規(guī)范采購及庫存的預測與優(yōu)化分析、合格供應商管理流程、供應鏈網(wǎng)絡和風險預警等方面的內容;基于大數(shù)據(jù)的故障診斷與預測服務用于規(guī)范設備運行監(jiān)測、交互式故障診斷和遠程技術支援等方面的要求。

　　7 安全領域標準化研究

　　安全領域包括安全基礎支撐、現(xiàn)場與設備安全、網(wǎng)絡安全、控制安全、平臺安全、應用安全、數(shù)據(jù)安全等7個分領域。

　　(1)安全基礎支撐分領域用于規(guī)范智能制造基礎共性的安全技術和管理服務要求，包括安全術語和定義、安全模型、安全框架、安全算法和協(xié)議、風險管理、責任管理、風險評估、安全評測、應急響應等。

　　(2)現(xiàn)場與設備安全分領域用于規(guī)范工廠現(xiàn)場及智能裝備、智能產品等在設計、研發(fā)、生產制造以及運行過程中的安全要求，包括物理安全、芯片安全、嵌入式操作系統(tǒng)安全、應用軟件安全等。

　　(3)網(wǎng)絡安全分領域用于規(guī)范承載工業(yè)智能生產和應用的工廠內網(wǎng)和工廠外網(wǎng)相關的網(wǎng)絡安全要求，包括網(wǎng)絡接入安全、網(wǎng)絡傳輸安全、網(wǎng)絡安全監(jiān)測等。

　　(4)控制安全分領域用于規(guī)范智能制造控制相關的安全要求，包括控制協(xié)議安全、控制系統(tǒng)安全、控制軟件安全等。

　　(5)平臺安全分領域用于規(guī)范工業(yè)云平臺相關的安全要求，包括基礎設施安全、接入安全、主機與虛擬化安全、數(shù)據(jù)庫安全、平臺接口和容器運行安全等。

　　(6)應用安全分領域用于規(guī)范智能制造業(yè)務應用相關的安全要求，包括商業(yè)管理與服務安全、網(wǎng)絡化協(xié)同安全、產品服務安全、個性化定制安全等。

　　(7)數(shù)據(jù)安全分領域用于規(guī)范智能制造數(shù)據(jù)相關的安全要求，包括工業(yè)大數(shù)據(jù)安全、用戶數(shù)據(jù)安全、技術應用安全等。

　　8 結論

　　基于云平臺的智能制造標準體系為基于云平臺的智能制造模式發(fā)展提供體系化的標準支撐和指導，通過標準的實施與應用，可促進以工業(yè)云平臺為基礎的智能制造業(yè)務協(xié)同鏈條上認識的有效統(tǒng)一，支撐跨生產階段的業(yè)務協(xié)作、跨企業(yè)的協(xié)同制造、跨領域的資源整合，使得基于云平臺的智能制造應用與發(fā)展有據(jù)可依，有助于構建基于云平臺的智能制造生態(tài)，提升產業(yè)鏈整體價值，加快制造業(yè)轉型升級。