「智造」第 8 期：浅谈国内外对智能制造体系的定义和标准

作者：吴王辉

【引  言】

说起智能制造，不同的企业，由于各自不同的产品不同的解决方案，对智能制造有不同的理解，企业根据自身的产品、方案和能力，对智能制造某一个或多个方面都有基于自身理解的实践和表述。那我们今天来看一下，国际上主流国家对智能制造是怎么理解和定义的。      

本文将综合对比分析美国智慧工厂生态系统、德国工业 4.0 模型架构、中国智能制造标准体系，从而帮助我们对“智能制造”的定义和标准有着更广域角度的理解。

01

美国智慧工厂的生态系统

它是基于美国的 NIST 于 2016 年 2 月发布的《智能制造系统标准》（Current Standards Landscape for Smart Manufacturing Systems）中，其对于智能制造的定义是，智能制造是将信息和通信技术应用于生产制造相关的各个业务环节中，实现生产制造企业的业务目标。

我们来看看其标准主要的介绍，可以看出，即便到现在，制造的本质还是提质、降本、增效。制造商的可持续竞争力取决于其在成本、交付、灵活性和质量。智能制造系统（SMS）试图通过使用促进数字信息在内部和之间快速流动和广泛使用的先进技术制造系统。智能制造系统在生产灵活性、质量和美国制造商的效率，提高长期竞争力。具体来说，智能制造系统使用信息和通信技术以及智能软件应用程序。

• 优化劳动力、材料和能源的使用，生产定制的高质量产品，以便按时交付。

• 快速响应市场需求和供应链的变化。

  
  

与其他基于技术的制造模式不同，智能制造定义了具有增强功能的下一代制造。它建立在新兴信息和通信技术，并通过结合早期制造模式的特征来实现。

其智能制造生态系统架构图如下所示：

智能制造生态系统包括制造业务中的广泛系统，包括生产、管理、设计和工程功能。图示展示了每个维度——产品（绿色）、生产系统（蓝色）和业务（橙色），都显示在自己的生命周期内的活动。

• 产品生命周期与信息流和控制从早期产品设计阶段开始，一直持续到产品寿命结束；

• 生产系统生命周期的重点是整个生产设施（包括其系统）的设计、部署、运行和退市；

• 业务周期处理供应商和客户互动的功能。

  
  

在其定义中分为三个主轴：Business（商业），Product（产品），Production（生产），藉由这三个主轴之间的互联互通，这三个维度中的每一个活动都在机器、工厂和企业系统的垂直集成中发挥作用，我们称之为制造金字塔，制造软件应用程序在各个维度上的集成有助于实现车间的高级控制以及工厂和企业的最佳决策支撑。这些观点和支持它们的系统的结合构成了制造软件系统的生态系统。

美国智能制造生态系统让企业有更快的产品创新周期，更高效的供应链协同，并让生产系统产生更大的柔性和智能性。这个架构将企业运营整体纳入到智能制造的考虑范畴，以多维度相互关联解释现实的商业环境，也呈现未来智慧制造的复杂系统姿态。

02

德国工业 4.0 参考架构模型

RAMI4.0 是由德国发布的关于智能制造的一种参考模型，英文全称为 Reference Architecture Model Industrie 4.0，即工业 4.0 参考架构模型，它由三维坐标系组成，从层级、价值流和系统控制不同层次级别，将工业 4.0 的框架进行定义，描述了工业 4.0 所有关键方面。

这三个坐标系分别是：

1

右侧横轴上显示的“层次级别”

是 IEC 62264 中的层次级别，IEC 62264 是企业 IT 和控制系统的国际标准系列。这些层次结构级别表示工厂或设施内的不同功能，为了代表工业 4.0 环境，这些功能已扩展到包括标有“产品”的工件，以及标有“互联世界”的物联网和服务连接。其不仅仅是工厂或者内部的连接，而是连接到一个广域的链接，从产品-现场设备-控制设备-车间-工厂-企业-外部链接的完整的产业链条，把企业的上下游，通过该层扩展到产业链的领域，社会化大协同的一种智能制造模式。

2

左侧横轴“生命周期和价值流”轴

左侧横轴代表设施和产品的生命周期，基于 IEC 62890 进行生命周期管理。此外，还对“类型”和“实例”进行了区分。当设计和原型设计完成，实际产品正在制造时，“类型”就变成了“实例”。西门子的 Digital Twins 数字孪生，提出了三个数字化双胞胎，产品、生产和运营的数字化双胞胎，就是描述从设计-生产虚实结合的样例。从 Type（也可以理解为 prototype 原型）到 Instances（也可以理解为 Production 生产）的过程，在虚拟中设计，在生产中实现，同时将实现的结果返回到开发设计中，不停的进行迭代优化，形成完整的虚-实结合的闭环。

3

纵周上的“层”轴

六层用于描述机器分解为逐层结构化的特性，即机器的虚拟映射。这种表示源于信息和通信技术，复杂系统的特性通常被分解为层。

• 资产 Asset：现实世界中的实物

• 整合 Integration：从真实世界到数字世界的转变

• 沟通 Communication：获取信息

• 信息 Information：必要的数据

• 功能 Functional：资产的功能

• 业务 Business：组织和业务流程

该 RAMI 4.0 模型集成了不同的用户视角，并提供了对工业 4.0 技术的共同理解。有了 RAMI 4.0，从制造自动化、机械工程到工艺工程等行业的要求都可以在行业协会和标准化委员会中得到解决。因此，RAMI4.0 为标准和用例提供了一个共同的理解。RAMI4.0 可以被视为工业 4.0 解决方案的一种 3D 地图：它为绘制行业要求以及国家和国际标准提供了一个方向，以定义和推进工业 4.0。

03

我国智能制造标准体系

中国于 2015 年提出《国家智能制造标准体系建设指南》，并且在 2021 年重新发布和更新。

国家智能制造标准体系建设指南(2021 版)中，对中国的智能制造做出了更加精准的定义：智能制造是基于先进制造技术与新一代信息技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等产品全生命周期，具有自感知、自决策、自执行、自适应、自学习等特征，旨在提高制造业质量、效率效益和柔性的先进生产方式。

国家对智能制造体系架构做了清晰的定义和解析。智能制造系统架构从生命周期、系统层级和智能特征等 3 个维度对智能制造所涉及的要素、装备、活动等内容进行描述，主要用于明确智能制造的标准化对象和范围。其目标是到 2025 年，逐步构建起适应技术创新趋势、满足产业发展需求、对标国际先进水平的智能制造标准体系。

具体的层级内容如下：

1

横轴生命周期

生命周期涵盖从产品原型研发到产品回收再制造的各个阶段，包括设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动。生命周期的各项活动可进行迭代优化，具有可持续性发展等特点，不同行业的生命周期构成和时间顺序不尽相同。

（1）设计是指根据企业的所有约束条件以及所选择的技术来对需求进行实现和优化的过程； 

（2）生产是指将物料进行加工、运送、装配、检验等活动创造产品的过程； 

（3）物流是指物品从供应地向接收地的实体流动过程； 

（4）销售是指产品或商品等从企业转移到客户手中的经营活动； 

（5）服务是指产品提供者与客户接触过程中所产生的一系列活动的过程及其结果。

2

系统层级

系统层级是指与企业生产活动相关的组织结构的层级划分，包括设备层、单元层、车间层、企业层和协同层。

（1）设备层是指企业利用传感器、仪器仪表、机器、装置等，实现实际物理流程并感知和操控物理流程的层级；

（2）单元层是指用于企业内处理信息、实现监测和控制物理流程的层级；

（3）车间层是实现面向工厂或车间的生产管理的层级；

（4）企业层是实现面向企业经营管理的层级；

（5）协同层是企业实现其内部和外部信息互联和共享，实现跨企业间业务协同的层级。

3

智能特征

智能特征是指制造活动具有的自感知、自决策、自执行、自学习、自适应之类功能的表征，包括资源要素、互联互通、融合共享、系统集成和新兴业态等智能化要求。

（1）资源要素是指企业从事生产时所需要使用的资源或工具及其数字化模型所在的层级；

（2）互联互通是指通过有线或无线网络、通信协议与接口，实现资源要素之间的数据传递与参数语义交换的层级；

（3）融合共享是指在互联互通的基础上，利用云计算、大数据等新一代信息通信技术，实现信息协同共享的层级；

（4）系统集成是指企业实现智能制造过程中的装备、生产单元、生产线、数字化车间、智能工厂之间，以及智能制造系统之间的数据交换和功能互连的层级； 

（5）新兴业态是指基于物理空间不同层级资源要素和数字空间集成与融合的数据、模型及系统，建立的涵盖了认知、诊断、预测及决策等功能，且支持虚实迭代优化的层级。

以上是三个国家对于智能制造体系的标准和定义的初步内容，也有助于我们对智能制造能有更深入的理解和体会。

来源和引用：

-中国电子技术标准化研究院-智能制造能力成熟度模型白皮书(1.0 版)

-国家智能制造标准体系建设指南(2021 版）

-GB/T 39116—2020 智能制造能力成熟度模型          

-NISTIR 8107：Current Standards Landscape for Smart Manufacturing Systems

-Reference Architecture Model Industrie 4.0

-ZVEI-German Electrical and Electronic Manaufacturers' Association 对 RAMI 4.0 的理解

术语：

-美国 NIST：美国标准与技术研究院（前身为国家标准局，NBS）

-IEC 62264：ISO/IEC62264 标准是由国际电工委员会（IEC）和国际标准化组织（ISO）共同制定的，该标准主要关注 MES 系统的整体架构和发展规划。它提供了 MES 系统的参考模型，包括业务过程模型、信息模型和功能模型等。通过遵循 ISO/IEC62264 标准，企业可以更好地规划和设计自己的 MES 系统，提高生产管理的效率和水平          

-IEC 62890：工业过程测量、控制和自动化，系统和部件的生命周期管理，是工业 4.0 的核心标准，Industrial-process measurement, control and automation， Lifecycle management for systems and components