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工信部装备工业司司长张相木:按照“三步法”思路构建智能制造标准体系!

智能制造正成为未来制造业发展的重大趋势和核心内容,是加快发展方式转变,促进工业向中高端迈进、建设制造强国的重要举措,也是新常态下打造新的国际竞争优势的必然选择。《国家智能制造标准体系建设指南(2015版)》(以下简称“《建设指南》”)的制定以建立既符合我国国情,又与国际接轨的智能制造标准体系为目标,以跨行业、跨领域融合创新为手段,统筹标准资源,优化体系结构,聚焦重点领域,从基础共性、关键技术、重点行业三个方面,构建由5+5+10类标准组成的智能制造标准体系框架,为实施智能制造提供强有力的标准支撑。

2014年12月,工信部印发了《工业和信息化部办公厅关于成立智能制造综合标准化工作组的函》,成立了由工信部部内司局牵头,国内智能制造相关标委会、科研机构、企业以及行业专家共同参加的智能制造综合标准化工作组,正式启动了《建设指南》编制工作。

《建设指南》编制历时一年,工作组系统研究了德国工业4.0标准化路线图和RAMI4.0模型、美国工业互联网参考体系结构等国外先进成果,先后召开4次工作会,调研了近百家智能制造相关企业,组织全国信息技术标准化技术委员会(TC28)、全国自动化系统与集成标准化技术委员会(TC159)、全国工业过程测量和控制标准化技术委员会(TC124)、全国信息安全标准化技术委员会(TC260)等标准化技术委员会梳理了1000余项与智能制造相关的已发布、制定中的标准,确定了“统筹规划,分类施策”、“跨界融合,急用先行”、“立足国情,开放合作”的建设原则,按照“三步法”思路构建智能制造标准体系。

第一步,构建智能制造系统架构,界定智能制造标准化的对象、内涵和外延,识别智能制造现有和缺失的标准,认知现有标准间的交叉重叠关系。在充分调研和学习借鉴国外先进成果的基础上,通过研究各类智能制造应用系统,提取其共性抽象特征,构建出由系统层级、智能功能和生命周期组成的三维智能制造系统架构,展示了智能制造的全貌。智能制造的关键是实现贯穿企业设备层、控制层、车间层、工厂层、协同层不同层面的纵向集成,跨智能功能不同级别的横向集成,以及覆盖产品全生命周期的端到端集成,体现在智能制造系统架构里就是系统层级、智能功能和生命周期三个坐标轴。标准化是确保实现全方位集成的关键途径。

智能制造系统架构如图1所示。

图 1 智能制造系统架构

系统层级坐标轴自下而上共五层,分别为设备层、控制层、车间层、企业层和协同层,其中:

第一层设备层级是感知和执行单元,包括传感器、仪器仪表、条码、射频识别、机器等,是企业进行生产活动的物质技术基础;

第二层控制层级包括可编程逻辑控制器(PLC)、数据采集与监视控制系统(SCADA)、分布式控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等;

第三层车间层级由控制车间/工厂进行生产的系统所构成,包括制造执行系统(MES)等;

第四层企业层级实现面向企业的经营管理,包括企业资源计划系统(ERP)、产品生命周期管理(PLM)、供应链管理系统(SCM)和客户关系管理系统(CRM)等;

第五层协同层级代表产业链上不同企业通过互联网络共享信息,实现协同研发、智能生产、精准物流和智能服务等。

智能制造的系统层级体现了装备智能化和管理信息化,以及产业链网络化的趋势。

智能功能坐标轴包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合和新兴业态等五层,其中:

第一层资源要素代表制造资源物理实体,包括设计施工图纸、产品工艺文件、原材料、制造设备、生产车间和工厂等物理实体,也包括电力、燃气等能源。此外,人员也可视为资源的一个组成部分。

第二层系统集成是指通过信息技术集成原材料、零部件、能源、设备等各种制造资源。由小到大实现从智能装备到智能生产单元、智能生产线、数字化车间、智能工厂,乃至智能制造系统的集成。

第三层互联互通是指通过有线、无线等通信技术,实现机器之间、机器与控制系统之间、企业之间的互联互通。

第四层信息融合是指在系统集成和通信的基础上,利用云计算、大数据等新一代信息技术,在保障信息安全的前提下,实现信息协同共享。

第五层新兴业态包括个性化定制、远程运维和工业云等服务型制造模式。

生命周期坐标轴是由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集。生命周期中各项活动相互关联、相互影响。在智能制造的大趋势下,企业从主要提供产品向提供产品和服务转变,价值链得以延伸。

第二步,将智能制造系统架构映射为五类关键技术标准,与基础共性标准和重点行业标准共同构成智能制造标准体系结构。在深入分析标准化需求的基础上,综合智能制造系统架构各维度逻辑关系,智能制造系统架构中的生命周期维度、系统层级维度和智能功能维度的节点之间相互映射,描绘出了智能制造标准的完整需求,并可以归纳为由关键技术标准、基础共性标准和重点行业标准构成的智能制造标准体系结构来表示,如图2所示。

图2 智能制造标准体系结构

基础共性标准作为关键技术标准和重点行业标准的基础支撑,位于智能制造标准体系结构图的最底层;关键技术标准中,“智能装备”标准与智能制造实际生产联系最为紧密,位于关键技术这一类标准的最底层;“智能工厂”标准,是对智能制造装备、软件、数据的综合集成,位于“智能装备”和“智能服务”标准之间,在智能制造标准体系中起着承上启下的作用;“智能服务”涉及到对智能制造新模式和新业态的标准研究,位于关键技术类标准的顶层;“工业软件和大数据”标准与“工业互联网”标准贯穿关键技术标准的其它3个领域,分别位于智能制造标准体系结构图的关键技术标准的最左侧和最右侧,打通物理世界和信息世界,推动生产型制造向服务型制造转型;重点行业标准位于智能制造标准体系结构图的最顶层,面向行业具体需求,对基础共性标准和关键技术标准进行细化和落地,指导各行业推进智能制造。

第三步,建立智能制造标准体系框架,指导智能制造标准制修订工作。根据智能制造标准体系结构图,对各领域进行进一步细化,形成智能制造标准体系框架,在此基础上,梳理标准体系中各领域的相关标准,确定标准之间的相互关系,并明确待立项重点标准,力争在2016年立项20项以上智能制造标准体系中的基础通用标准和关键技术标准。智能制造标准体系框架如图3所示。

图3智能制造标准体系框架

智能制造系统架构是《建设指南》的亮点和创新点,是一个复杂的系统。智能制造标准体系结构和标准体系框架的建立都是基于智能制造系统架构衍生而来。为了更好的理解系统架构,下面将为更好的解读和理解系统架构,以可编程逻辑控制器(PLC)、工业机器人和工业互联网为例,分别从点、线、面三个方面诠释智能制造重点领域在系统架构中所处的位置。

PLC位于智能制造系统架构生命周期的生产环节、系统层级的控制层级,以及智能功能的系统集成层,如图4所示。

图 4 PLC在智能制造系统架构中的位置

工业机器人位于智能制造系统架构生命周期的生产环节、系统层级的设备层级和控制层级,以及智能功能的资源要素,如图5所示。

图 5 工业机器人在智能制造系统架构中的位置

工业互联网位于智能制造系统架构生命周期的所有环节、系统层级的设备、控制、工厂、企业和协同五个层级,以及智能功能的互联互通,如图6所示。

图 6 工业互联网在智能制造系统架构中的位置

在解读《建设指南》时应特别注意以下几个问题:

一是智能制造标准体系面向跨领域、跨行业的系统集成,聚焦数据交换、互联互通,与行业标准体系存在交集,但非包含关系。智能制造标准化的对象是具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式。智能制造标准体系与船舶、航空等行业标准体系之间有交集,相互之间不是覆盖关系。智能制造标准体系不是一个大而全的体系,而是一个聚焦在数据、通讯和信息等方面的有限目标体系。

二是智能制造标准体系包含工业互联网标准子体系。工业互联网是智能制造的基础设施,包括工厂内部和外部网络,是工业数据信息传输的渠道,是实现智能制造各单元互联互通的支撑技术。工业互联网标准子体系是智能制造标准体系的一个重要组成部分。

三是随着智能制造技术、产业的发展,新模式新业态的不断涌现,智能制造标准体系将进行动态调整和完善。智能制造是一个动态发展的庞大系统,产业界对智能制造的认识将是一个不断深入的过程。智能制造标准体系也必然是一个动态调整更新的过程。我们力图通过本版《建设指南》打造一个基础框架,并建立起动态更新完善机制,以2—3年为周期及时开展标准体系更新、标准复审和维护更新工作。

(作者张相木,系工业和信息化部装备工业司司长)

责任编辑:赵强


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