Abstract: RAMI4.0 provides a feasible way to digitize physical assets. It lays a solid foundation for how to map various types of physical assets to virtual environments and realize complete expression, communication, reasoning, judgment, decision-making and so on. This paper combines the case to give a roadmap analysis for the RAMI4.0 development practice.
Key words: Germany Industry 4.0 Intelligent manufacturing Reference architecture model Development Practice
【中图分类号】O572.25 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2018）06-0000-00
1 引言
智能制造的圈内人士对于RAMI4.0(Reference Architecture Model Industrie 4.0：工业4.0参考架构模型)应该是耳熟能详的。但对工业4.0基本单元，特别是它的内涵和如何实际运用，以及怎么进行开发，恐怕就相对陌生。然而德国产业界和学术界，正是在这个可以落地的抓手上，进行了深入的开发实践。本文从工业4.0基本单元的内涵出发，看看德国如何实际运用，以及怎么进行开发。不过还是要从RAMI4.0讲起。
2 工业4.0参考架构模型RAMI4.0
2.1 物理系统按类别的虚拟映射
为便于将物理系统按其功能特性分层进行虚拟映射，按照IT和通信技术常用的方法，将纵轴自上而下划分为6个层级：经营业务、功能性、信息、通信、集成、资产。
资产层处于最底层，连同其上层集成层一起被用来对各种资产进行数字化的虚拟表达。用资产层来来表达物理部件/硬件/软件/文件等实体，物理部件如直线运动的轴、金属部件、电路图、技术文件、历史记录等等。人也作为资产层的一部份，通过集成层与虚拟世界相链接。资产与集成层的链接是无源(passive)连接。
图2清晰表达RAMI4.0和物理－数字化架构及递阶关系。把物理实体(包括硬件、软件、工程文件等)通过数字化演化为能在虚拟世界完整表达、通信、推理、判断、决策加工等，让控制信息和业务信息都能实时传递交换和处理，从而使企业中的各类资产都能互联、互操作。根据不同资产的作用，当它们数字化后相互之间的关联，应该按控制要求和业务要求构建它们之间的扁平化的通信递阶关系。
2.2 I4.0基本单元模型
I4.0基本单元是一个描述信息物理系统CPS详细特性的模型。CPS是一种在生产环境中的真实物理对象，通过与其虚拟对象和过程进行联网通信的系统。在生产环境中，从生产系统和机械装备到装备中的各类模块，只要满足了上述这些特性，不管是硬件基本单元还是软件基本单元，都具备和符合了工业4.0要求的能力。
图3举了4个I4.0基本单元的例子。分别是：
(1)一整套机械装备作为I4.0基本单元，这类I4.0的基本单元是由机械制造厂商来实现的。
(2)由专门供应厂商提供的关键部件也可看成是一类I4.0基本单元，由部件制造厂商实现。它们往往可以分开登录，譬如可分别在资产管理系统和维护管理系统中登录。
(3)还可以把一些构成零部件看成是I4.0基本单元，例如一个端子排，不但是连通信号的接线，而且在整个机械装备的生命周期中还起着传输数据的作用。这种I4.0基本单元的实现者往往是电气工程师或技术员。
(4)软件也是生产系统中的重要资产，它们也是I4.0基本单元。例如一个独立的规划或者工具性工程软件，甚至一个功能块库。其实现者可以是软件供应商，也可以是控制器应用程序的编程工程师，等等。
成为I4.0基本单元的一个先决条件是：它必须在整个生命周期内采集所有相关数据，存放在有该基本单元所承载的具有信息安全的电子容器内，并由它把这些数据提供给企业参与价值链的过程。在I4.0基本单元的模型中，这个电子容器称之为“管理壳”。还有一个先决条件是：基本单元的真实对象必须具有通信能力，以及相应的数据和功能。这样，在生产环境中的硬件单元和软件单元之间都能进行符合工业4.0要求的通信。
任何一种机械装备其重要的部分原则上都是各类I4.0基本单元组成。譬如图5中由端子排、伺服轴、机械装置和由这台机械装置加工出来的产品运动鞋。这些资产通过工业4.0的通信连接起来。机械装置则由在生产网络中的PLC进行控制。由此可以得出以下结论：I4.0基本单元是网络化的基础元件，生产制造出来的产品的服务策略也因此建立了相互连接，因而即使没有实际的电子接口的元件也具有同等的权利，为建立业务价值的深度表达提供了可行的技术路径。
3 I4.0基本单元的开发实践
在以上顶层设计概念的基础上，就有可能为所有现有的工业资产提供数字化的实现。人们常说智能制造的基础是数字化，数字化的核心是建模。下面我们就来观察一下德国工业界是怎样进行这一过程的。
首先是设计全世界亿万万数量级的工业资产的唯一标识及其链接方式，以便为今后对这些资产进行虚拟描述打好基础。图6表述的就是这种统一的格式。标识符是URI，为每一种资产提供唯一的识别符，并与该资产对应的管理壳对应，该标识符既参照该资产的物理分类(按照国际标准 ISO 29002-5)，又可链接该资产的管理壳，而管理壳的虚拟描述完全建立在其物理特性和相关数据之上。
用标准化的唯一标识符识别分类项和相关知识。图7表述按照ISO29002-5，即《工业自动化系统和集成特征数据交换》的第五部分“标识方法”，利用分类产品描述的软件eCl@ss Version9.1，用URI和URL进行唯一资源标识和唯一资源定位。 图的左面部分是全球标识符＃1，右面部分是全球标识符＃2，对应URI和URL。ISO29002-5规定了唯一标识管理项的数据元素和语法。管理项可以是概念词典中的一个概念或概念信息元素。概念信息元素包括如下的术语内容(名称，缩略词，定义，图片，符号等)，将一个概念归类于某个相同概念类(概念类型)，以及参照于源文件。
要真正实现工业4.0，需要在全世界范围内(注意：不仅仅在德国范围内)组织开发数量极大、类型众多的、标准化数字化的基本元件库。进行这项涉及面极广的组织工程，首先要保护工程领域的核心功能性(例如气动工程、焊接等)；其次要造就具有最大化的灵活性，同时又能保护每个公司的的信息网络；再次是为了采购、系统集成工程、维护等需要，必须持续地提高可互操作性和客户的利益。不过面对的现实却是如何使各个公司的标准、不同的数据格式和性质集合(sets of properties)实施合理的开放；为建立I4.0基本单元库，在各个公司的利益和公众利益之间取得平衡，‘两厢情愿’地淡化公司标准和查找性质集合。好在国际工业标准化组织已经建立了这方面的国际标准IEC 61360/ISO 13584，只要严格遵循这个标准，就能够有组织有规则地进行。
图8示出许多标准作为管理壳的领域／子模型的样板。例如管理壳可遵照IEC TR 62794和IEC 62832 数字工厂；标识可参照ISO 29005 或 URI唯一ID；通信可遵照IEC61784工业通信规约第二章以太网；能效依据ISO/IEC 20140-5；信息安全参照IEC 62443 网络和系统的信息安全；等等。
图9是管理壳、子模型、性质、复杂数据和功能的示范内容。从可视的角度看，一个经标识的资产其管理壳也是经标识的，都是显性化的知识，即表征这个资产的性质。而其数据和功能都是可通过APIs被语义化存取的。资产的运行时数据都遵照严格而统一的格式表达性质的集合(图示中子模型1是能效，子模型2是安全，子模型3是钻孔)。而有关数据和功能的运行时的数据则按照不同的互补的数据格式。
图10给出一个简单的场景描述以市场为导向的资产数字化的交互过程。图10中示出3个I4.0基本单元(生产工作站)，它们之间通过符合工业4.0的通信连接，并且还与假定的MES生产调度执行系统项连接。这3个工作站都有相同的子模型，但有不同的标识符和不同的性质数据。这导致每个工作站有不同的行为，并在数字化市场的基础上进行原型设计的对话。
图11给出这个示范实验的识别。报头由两部分构成：管理壳识标部分(如http: //www.zvei.de/demo/11232322)和资产标识部分(如[http://pk.festo.com/3S7PLFDRS35])。报文则包括MES连接子模型的识别符(如Typ: ADA011 Instance: http://www.zvei.de/demo/2368473473829)，能效子模型的识别符(ADA012 [..]，钻孔子模型识别符(ADA013 [..])和文档子模型的识别符(ADA014 [..])。
图12给出这个示范实验的性质数据表。由子模型描述简单数据。譬如表列第一行标识符为AAC001，名称是钻头的最大直径，定义是可夹装的钻头最大直径，单位是mm(毫米)，数据类型为实型数，数值表0…＊。以上均属于性质定义。接着在第一行还列出性质数据数值12［mm］，表达的语义为确认，表达逻辑是小于，视图为性能，以上均属于性质特性。第二行列出标识为AAC002，名称是每分钟的最大转速，单位是1/min，数据类型为实型数，数值表为0…＊，数值是2000［1/min］，表达逻辑是小于，视图为性能。接下去各行描述仿真钻孔时间，钻头直径，钻头进给速度，钻孔深度和工件材质。
得出这些性质定义和性质特性的具体办法是由领域专家开会议定的规范，导入标准化，子模型为领域公认的参照。
对于复杂的I4.0基本单元，可以是简单I4.0基本单元的叠加，并且允许进行分布式的工程设计。例如图13所描述的装配体资产(其管理壳标识为装配体123)是由轴X、轴Y、轴Z和装卡夹具4个简单I4.0基本元件组成，通过符合I4.0的通信连接。虚线框所标即是这个装配体资产的边界。
复杂的I4.0基本单元可能涉及到不同的工程专业，图14示出其图表及设计信息，这是建立复杂单元首先要考虑的。该装配体的管理壳包括装配体资产的标识、管理壳的标识， P&ID图子模型，线路图子模型(其中有材料清单BOM表、构成复杂元件的简单元件之间的关系、性质数据的描述语句等)，机械CAD子模型和IEC 61131-3的CFC/FBP互连图子模型。
由德国电气行业协会ZVEI组织支持开发的OpenAAS是第一个管理壳的参考实现(详见图15)。它是专为开发团组设立的开放型智能体项目，开源，且经由GitHub进行深度学习(DL)。第一个管理壳的参考实现是ICT规范(UML，通用建模语言)的一类发展，它基于免费的OPC UA server open62541，而接口则经过OPC UA, HTTP/REST, ..。根据所要求的规范，利用http://acplt.github.io/openAAS/开发管理壳和模型服务器的运行时代码。
openAAS告诉我们不同的模型如何形成一个完整的相互连接的知识。图16是德国亚琛RWTH大学(Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen)诠释对此的理解。图中列出钻孔、状态监控、能效生命周期状态4种不同的子模型在管理壳中形成性质模型(数据模型1，2，3)，在系统模型的管理下可进行模型探索(模型搜索、搜索模型间的关系和连接、读取它们的属性)，模型变换(节点修改、连接修改、模型的实例化)，模型维护(输入、输出、模型库)。
另外，德国工业4.0平台（Platform I4.0）的UAG本体工作组正在创建“工业4.0的语言”(如图17所示)，实现I4.0基本单元之间的互连互通。从图中可以看出，每个I4.0基本单元的管理壳由I4.0互动管理程序、基本本体、I4.0基本元件管理程序和若干子模型构成。各个I4.0基本单元的互动管理程序之间执行通用的互动模式，进行基本元件所含子模型等的自描述、合同管理、对话、机器人控制、基本元件控制、等等。
4 结束语
在RAMI4.0发表之后差不多用了两年不到的时间，德国工业界进行了I4.0基本元件的示范开发，为RAMI4.0提供了实体资产数字化的可行途径，为各类实体资产如何映射至虚拟环境，实现完整表达、通信、推理、判断、决策加工等，打下了坚实的基础。
参考文献（略）
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