《智慧企业工业互联网平台开发与创新》 ——2.3.3　基于CPS理论建立新的企业数字化架构

2.3.3　基于CPS理论建立新的企业数字化架构

在新的制造业创新范式中，由于CPS的日益普及，在搭建新的企业数字化架构时，有必要对CPS进行组织和分类，以便于CPS的开发和互连互通。

在工业4.0的工业标准，即参考架构模型工业4.0（Reference Architectural Model Industry 4.0，RAMI 4.0）中，可通过三维坐标轴的方式，将工业4.0中CPS复杂的相互关系分解为小且简单的群组。如图2-24所示，构成三维坐标的轴分别是分级层次（Hierarchy Level）轴、生命周期与价值流（Life Cycle & Value Stream）轴、层级（Layer）轴。

图2-24　参考架构模型工业4.0

分级层次轴：这条轴位于模型的右方，其标准来自于IEC 62264 / IEC 61512——企业IT和控制系统国际标准系统。分级层次轴里面包含的多个分级层次代表了工厂或设施的不同功能。为了代表工业4.0的环境，这些功能被加以扩展，包括工件、带有标签的产品、与物联网和服务网的连接，以及带有标签的“互联世界”，如图2-25所示。

图2-25　第一个轴是从外部到企业，从企业到产品的层级结构

生命周期和价值流轴：这条轴位于模型的左方，代表了设备和产品的生命周期。它的定义基于生命周期管理的IEC 62890标准。进一步地，RAMI4.0还对“类型”和“实例”进行了区分。当设计和原型试制工作完成，实际的产品投入生产之后，一个“类型”就变成了一个“实例”，如图2-26所示。

图2-26　第二个轴是围绕着产品的生命周期，从开发一直到维护使用

层级轴：在垂直的方向分为六个层次，用来将一台机器设备按照属性结构，一层一层地进行分解，即机器设备的虚拟映射。这里每一层属性的划分都参考了通信行业著名的七层协议结构，将复杂的系统分解到具体的一个个层次上，如

图2-27所示。由下至上，它们分别如下。

资产层：例如传感器、执行器、机械零件、文档，等等。

集成层：“真实的世界”与IT代表之间的接口，以及资产的人机接口。

通信层：实现与信息层之间协调的通信。在需要的情况下，如对于时间特别敏感的应用，可以通过实时的网络实现直接通信。

信息层：实现对数据的工业4.0兼容数据的代表与访问。

功能层：实现对资产的工业4.0兼容的功能访问。此外，它也是业务流程的基本服务。

业务层：组织和业务流程的实现。

在RAMI4.0的三维坐标轴中，最能体现工业4.0精髓的就是第三个轴。在它的六个层级中，我们可以将CPS划分为两大部分：一是物理世界中的“资产”和一部分的“集成”；二是数字世界中的“业务”、“功能”、“信息”、“通信”和一部分的“集成”。我们将数字世界部分称为“管理壳”（Administration Shell），它由CPS的整个数字部分构成。与“管理壳”对应的就是物理世界部分，由整个CPS的实物部分构成，称之为“物”（Thing）——也就是说：CPS =“管理壳” + “物”。

图2-27　第三个轴是系统架构的分层，分为“业务–功能–信息–通信–集成–资产”

“管理壳”和“物”的分离是RAMI4.0的精髓之一，它为整个工业4.0的系统架构奠定了重要的基础。我们可以设想，在工业4.0的系统中，无论是产品还是设备，每一个“物”在某一个时间点都对应有一个“管理壳”。随着时间的推移，当产品移动到另一台设备，或者离开工厂进入消费和使用环节，无论这个“物”是否有实质上的材料或装配或性质上的改变，它的“业务”“功能”“信息”“通信”等一定都发生了改变，这个“物”就会对应于另一个“管理壳”。所以，一个“物”可以对应多个“管理壳”。同样的，“物”既可以是一个最小的资产，也可以是多个资产的组合。如图3-28所示，“管理壳”作为与物对应的数字部分，既可以集中部署在云端，也可以部署在“物”上，这与嵌入式系统或今天流行的边缘计算等概念十分吻合。

无疑，工业4.0系统的架构目标可以用如下两句话来描述：

工业资产变成可以通过标准的接口提供数据和服务的“工业4.0组件”。

“管理壳”将一个“工业4.0组件”的数据和服务暴露给另一个“工业4.0组件”。

图2-28　工业4.0标准将CPS的数字化部分抽取出来，称之为“管理壳”

对于传统的在各个业务部门或业务人员之间以文档/单证驱动的业务来说，“管理壳”和“物”的出现是一个革命性的变化。工业4.0将会转向由“管理壳+物”构成的“工业4.0组件”之间的数据交换和服务请求与提供来驱动的业务（如图2-29所示），具体表现在以下几个方面：

业务部门或业务人员之间的协同，转变为“工业4.0组件”之间的服务请求与提供，其自动化水平和智能化水平将大大提高。

业务执行过程从过去的集中执行（预先在中央服务器上集中定义所有的文档/单证流处理逻辑），转变为“工业4.0组件”之间通过服务-请求方式的分布执行，业务逻辑驻留在“工业4.0组件”的“管理壳”上。

业务的执行从过去业务部门或业务人员的手工处理或在IT系统中的人机交互处理，转变为“工业4.0组件”进行自动处理。

文档与单证在业务部门或业务人员之间的流转，转变为“工业4.0组件”的数字化映像的共享和交换，共享和交换的内容得到大大丰富。

业务部门或业务人员对文档和单证的处理逻辑，将被“工业4.0组件”的“管理壳”所取代，其功能将大大提高。

图2-29　业务推动方式在工业4.0时代将会发生深刻的变化

在新的业务流程架构下，以往难以实现的很多功能利用新的思路可以迎刃而解。如图2-30所示的生产线上多个设备的协同场景中，在吹塑机、包装机、贴标机和自动导引运输车（Automated Guided vehicle，AGV）之间，当某一个设备的产能发生波动时，从生产线整体优化的角度来看，需要另外的设备加以配合。按照以往的实现方式，需要在集中的MES中将这些场景提前编入程序。而在工业4.0下，可以通过这些“工业4.0组件”之间的服务请求和执行，用一种更加自然、易于扩展和维护的方式加以实现。

图2-30　每一台设备都可以在“管理壳”的支持下进行“设备-设备”间的协商，从而推动业务流程

事实上，“管理壳”的概念和标准正在SAP的系统中得到应用和实现。所有的产品和设备都将对应到一个或多个资产管理壳（Asset Administration Shell，AAS）中，使其成为承载产品和设备业务处理逻辑的载体。

随着管理壳概念的引入，ERP和 MES之间的界限在工业4.0的环境下也会不断地淡化和融合，企业层的功能和应用会被不断地整合到车间的生产管理中，而车间层的功能和应用也会不断地被整合到企业层中。换句话说，IT与OT将会从上一阶段的集成架构走向IT/OT融合架构。MES中的一些典型功能将在ERP系统中执行，传统的ERP系统的计划任务也可以转移到MES的详细计划中执行。

总的来说，在工业4.0的环境中：

设备会变得更加智能。

ERP和MES之间的边界会更加模糊，ERP和MES都有可能直接访问设备。

整个架构会变成一个智能系统的网络。

以“服务到服务”的方式进行协作。

自动化金字塔固定等级划分的消失并不意味着各个层面上的系统变得多余，它更多的是让不同的层面实现无缝连接，以达到工业4.0所提出的要求。实际上，不仅是ERP与MES之间的界限会更加模糊，在IT/OT融合的大背景下，ERP、MES、SCADA和PLC之间的界限也会逐渐模糊。最终，这些系统的功能会形成云端的多个服务节点（“管理壳”），相互之间可以柔性地组合、通信和交互，从而实现更加灵活的制造流程（如图2-31所示）。

在实现这一目标的很长一段时间里，ERP、MES、SCM等应用作为商品化软件仍将存在。在目前阶段，一个比较现实的方案是在私有云或公有云的平台上搭建虚拟世界中的智能工厂系统，将ERP、MES、SCM等软件提供的功能，按照服务的颗粒度进行组合，并通过统一的制造服务总线，供物理世界中的设备和人员接入——这就是如图2-32所示的基于云计算的面向制造行业的新一代系统架构。在图2-32中标明的制造服务总线就是本书后面章节里要谈到的数字化双胞胎网络。

图2-31　基于“物联网”和“服务联网”的分布式自动化，是集中式控制的自动化金字塔转型的终极阶段

图2-32　在目前阶段，搭建数字化架构的第一步是“上云”，利用云端的ERP/MES/SCM打造面向制造的新一代系统架构

IT/OT从分散走向集成，再到融合，不仅涉及技术和系统的升级，也包括对应的产品、设备、工艺、流程和业务的改造。目前大部分企业现状距离CPS的理想状态还有很长一段道路要走。

如图2-33所示，对于任何一个新技术来说，前期都会面临一个相对尴尬的时期——人们对其期望的高速膨胀，而技术的发展则仍处于相对不成熟的阶段。“集中式生产自动化金字塔”从建立到打破，再到建立分布式云端结构，需要仔细考虑其中的技术路线和策略——“自上而下”，还是“自下而上”，或者是两者兼备？

图2-33　实现新一代架构的两种技术路线需要经过仔细的考虑

按照目前软件行业的发展趋势，ERP、SCM乃至MES的SaaS化都是自上而下朝着未来的“服务联网”方向发展的一股力量。而按照目前工业界的发展趋势，围绕着设备、PLC和传感器进行数据采集和汇总，在云端开发各种工业App，则是自下而上朝着未来的“服务联网”方向的另外一股力量。对于这两股力量所分别代表的两种技术路线，企业需要进行仔细的研究和斟酌。

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