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發展的戰略要點。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，結合工業云平臺、智能制造發展實際，從基礎共性、云平臺、設備智能化、工業物聯網、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劃，為基于云平臺的智能制造應用與發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節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、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發展的重要驅動力[1-3]。工業云平臺作為工業互聯網的核心，能夠提供計算和存儲能力，支撐實現工業設備、資源與能力的接入、調度與協同，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發展的戰略要點。

　　隨著不同云平臺的涌現和大量技術、解決方案、測試技術的不斷創新和發展，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和運營已經進入應用實施階段，但基于云平臺的智能制造標準研究遠遠落后，缺少統一的標準，很難實現智能制造技術體系的統一和協調，為智能制造的跨企業和社會化協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，針對制造企業協同程度不高、系統集成能力不足等問題，以制造業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節業務，開展基礎共性、云平臺、設備智能化、工業物聯網、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展無據可依的問題，充分發揮云平臺的資源整合優勢，減少資源冗余，消除地域障礙開展協同制造，實現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、數字化管理、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸等智能制造應用模式的實現，加快企業轉型升級。

　　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4.0體系、美國工業互聯網體系、波音公司制造標準體系、國家智能制造標準體系、網絡化制造標準體系、工業互聯網標準體系等國內外智能制造相關標準體系，結合工業云平臺、智能制造發展實際，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、工業物聯網、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、元數據與數據字典、標識等4個子領域。術語定義用于統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系;元數據和數據字典用于規定基于云平臺的智能制造產品設計、生產、流通等環節涉及的元數據命名規則、數據格式、數據模型、數據元素和注冊要求、數據字典建立方法，為基于云平臺的智能制造各環節產生的數據集成、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，建設既與制造企業已有的標識編碼系統兼容，又能滿足設備IP化、智能化等發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的檢測和項目評價。

　　可靠性分領域用于對智能制造系統可靠性要求、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、生態與商業模式技術、系統支撐技術、網絡化制造應用技術、工業APP開發技術等5個子領域。總體智能技術用于規范基于大數據智能、新一代人工智能的制造技術和基于云的企業數字化智能化升級技術的技術要求;生態與商業模式技術用于規范面向基于云平臺的智能制造模式的生態服務構建技術、工業云平臺應用構建技術的要求;系統支撐技術用于規范企業上云操作系統構建技術、智慧資源及能力感知技術、虛擬化技術等技術的要求;網絡化制造應用技術用于規范網絡制造總體技術、網絡制造集成技術、網絡制造實施技術等技術的要求;工業APP開發技術用于規范基于數據驅動的APP開發技術、虛實結合的數字化建模技術、工業大數據建模技術、 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、工業大數據等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;云平臺技術用于規范云平臺統一服務總線及運行環境、工業大數據引擎、微服務引擎、仿真引擎、人工智能引擎技術等內容;云平臺應用用于規范云平臺的工業APP全生命周期管理技術、開放接口、應用開發工具、邊緣計算應用、區塊鏈應用等內容。

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

　　工業大數據分領域包括數據采集與清洗、數據存儲與管理、數據分析挖掘、數據應用等4個子領域。數據采集與清洗用于規范企業多源數據的采集和集成方式、對數據的治理、審查和校驗方法等內容;數據存儲與管理用于規范業務數據、主數據、元數據等數據的存儲、數據模型、數據質量、數據資產管理等內容;數據分析挖掘用于規范數據處理分析方法、數據建模過程、建模技術、特征工程、模型驗證與評估方法等內容[9];數據應用用于規范應用開發工具、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、工業控制系統、工業控制人機交互系統、工業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據交換、傳感器及儀器儀表集成和傳感器及儀器儀表通信協議等3個子領域。傳感器及儀器儀表數據交換用于規范RFID、傳感器及儀器儀表的數據交換要求;傳感器及儀器儀表集成用于規范時鐘同步、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議用于規范現場總線、工業以太網、工業無線、安全通信、高可用通信、符合性等通信協議要求。

　　嵌入式系統分領域包括嵌入式系統接口、嵌入式系統通信協議、嵌入式系統性能等3個子領域。

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

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

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

　　增材制造分領域包括設計規范、文件格式、數據質量保障、文件存儲和數據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 工業物聯網領域標準化研究

　　工業物聯網領域包括網絡通信技術、互聯互通、工廠互聯網絡、邊緣計算等4個分領域。

　　其中，網絡通信技術分領域包括工業總線、工業無線網、工業有線網、天地一體網、移動物聯網等 5個子領域。工業總線用于規范工業現場設備的數字通信要求以及現場設備和高級控制系統之間的信息傳遞要求;工業無線網用于規范現場設備級、車間監測級及工廠管理級無線網絡的要求;工業有線網用于規范工業現場總線、工業以太網、工業布纜等工業有線通信要求;天地一體網用于規范網絡體系架構、功能指標體系、信息傳輸體制、地基節點網、用戶終端網等技術體制和網絡設施要求;移動互聯網用于規范移動終端、網絡服務平臺、應用服務平臺和網絡安全控制等技術要求，及5G網絡改造技術、基于5G的工業互聯網應用技術要求。互聯互通分領域包括異構設備接入云平臺、設備與產品聯網、工業物聯網網關等3個子領域。異構設備接入云平臺用于規范異構設備接入云平臺的一般要求、集成接入方案、集成數據內容、數據采集方式等內容;設備與產品聯網用于規范設備/產品聯網所涉及的功能、接口、通信協議、數據交換、時鐘同步等要求;工業物聯網網關用于規范工業物聯網網關的通用信息、基本功能架構、通用數據服務、數據接口等要求。

　　工廠互聯網絡分領域包括整體網絡架構、網絡資源管理、網絡資源接入、應用協議、工廠內部網絡、工廠外部網絡等6個子領域。整體網絡架構用于規范工廠內部不同層級網絡互聯架構，以及工廠與設計、制造、供應鏈、用戶等產業鏈各環節之間的互聯架構;網絡資源管理用于規范工業互聯網IPv6 地址管理規劃、工業環境的無線頻譜規劃等;網絡資源接入用于規范工廠內部聯網要素(如原材料、在制品、設備、產品、工業控制系統等)以及工廠外部聯網要素(如設計、仿真、供應鏈等)等資源和能力的接入要求;應用協議用于規范工廠內各生產設備、工業控制系統和工業IT系統間的數據集成和傳送協議，以及生產設備、工業IT系統到工廠外云平臺間的數據集成和傳送協議;工廠內部網絡用于規范工廠內部設備、控制系統、信息系統之間網絡互聯要求;工廠外部網絡用于規范工廠外部網絡架構、工業虛擬專網(VPN)等要求。

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

　　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劃、工業軟件、智能研發、智能生產、智能物流、智能服務等5個分領域。

　　總體規劃分領域包括工廠智能化總體規劃、工廠智能化實施指南、工廠智能化系統建模等3個子領域。工廠智能化總體規劃用于規范智能工廠的基本功能、設計要求、設計模型等規劃要求;工廠智能化實施指南用于規范智能工廠規劃設計要求所需的仿真分析、協同設計和建設實施等要求;工廠智能化系統建模用于規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。

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

　　智能研發分領域包括產品設計仿真、智能優化設計、智能試驗3個子領域。產品設計仿真用于規范產品數字化定義、產品數字化樣機、設計仿真、工藝仿真、數字化試驗等技術要求;智能優化設計用于規范產品仿真結果的優化過程、優化模型、優化方法等設計要求;智能試驗用于規范仿真試驗平臺構建、數據自動分析、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診斷維護類、生產過程系統先進控制與優化類、車間級管理、企業級管理、可視化管理等5個子領域。生產過程控制系統診斷維護類用于規范智能生產系統診斷、能力評估和維護的通用要求;生產過程系統先進控制與優化類用于規范生產制造系統控制與優化軟件功能集成架構、功能模塊、信息交互方式等要求;車間級管理用于規范制造報文規范、MES 應用等車間級管理要求;企業級管理用于規范企業經營決策管理、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、物流管理等企業級管理要求;可視化管理用于規范產品信息可視化、設備信息可視化、庫存信息可視化、生產狀態可視化、能源監管可視化等要求。

　　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范工廠內部的自動引導設備的要求;智能物流裝備用于規范智能物流裝備的要求;智能物流服務用于規范物流服務、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化服務、基于大數據的故障診斷與預測服務兩個分領域。供應鏈分析和優化服務用于規范采購及庫存的預測與優化分析、合格供應商管理流程、供應鏈網絡和風險預警等方面的內容;基于大數據的故障診斷與預測服務用于規范設備運行監測、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、現場與設備安全、網絡安全、控制安全、平臺安全、應用安全、數據安全等7個分領域。

　　(1)安全基礎支撐分領域用于規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、安全算法和協議、風險管理、責任管理、風險評估、安全評測、應急響應等。

　　(2)現場與設備安全分領域用于規范工廠現場及智能裝備、智能產品等在設計、研發、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、嵌入式操作系統安全、應用軟件安全等。

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

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

　　(5)平臺安全分領域用于規范工業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、數據庫安全、平臺接口和容器運行安全等。

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

　　(7)數據安全分領域用于規范智能制造數據相關的安全要求，包括工業大數據安全、用戶數據安全、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，可促進以工業云平臺為基礎的智能制造業務協同鏈條上認識的有效統一，支撐跨生產階段的業務協作、跨企業的協同制造、跨領域的資源整合，使得基于云平臺的智能制造應用與發展有據可依，有助于構建基于云平臺的智能制造生態，提升產業鏈整體價值，加快制造業轉型升級。