从数字化工厂到工业4.0——访机械工业仪器仪表综合技术经济研究所所长欧阳劲松

【编者按】欧阳劲松，享受政府特殊津贴的教授级高工，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（简称仪综所）所长，全国工业过程（过程指生产过程，包括连续控制、批控制、数控、机器人控制、工厂自动化控制五个方面。）测量控制和自动化标准化技术委员会（SAC/TC124，对口IEC/TC65和ISO/TC30）副主任委员，现任科技部“十二五”国家科技重大专项（智能制造）专家组成员、国家能源局智能电网设备标准化总体工作组副组长、国家发改委及国家标准化管理委员会成立的国家物联网标准化专家委员会委员。从1987年开始从事仪器仪表、测控及自动化等领域技术研究及标准化工作，从1992年开始从事对口的国际标准化工作，1994年至今一直是IEC/TC65中国代表团主要负责人，具有丰富的标准化工作经验。2009年由于其在国际标准化工作中的突出贡献被IEC授予IEC专家最高荣誉“IEC 1906奖”（ IEC于1906年成立。）。

数字化工厂和工业4.0是近年来工业界的热门话题。为了更好地了解数字化工厂和工业4.0的相关情况，编者采访了欧阳劲松教授，就如何建设数字化工厂、在工业4.0背景下如何提升我国高端装备制造业的有关技术背景和标准化进行了深入探讨。

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所所长 欧阳劲松

Q：数字化工厂可以说是提升我国战略性新兴产业高端装备制造业的关键内容之一。您认为什么是数字化工厂？它相比传统意义上的工厂有什么突出特点？

欧阳劲松：IEC词汇库给出的定义是：数字化工厂是数字模型、方法和工具的综合网络（包括仿真和3D虚拟现实可视化），通过连续的没有中断的数据管理集成在一起。它是以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式，是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物。国际上十几年前就开始对数字化工厂进行研究。最初的思想是使用电子描述替代纸质文件，并在软件工具中使用它进行电子布线和安装，以便于集成并减少工程成本。随着信息技术和数据库技术的发展，数字化工厂的概念有了很大的扩展。它集成了产品、生产过程和工厂模型数据库，通过先进的可视化、仿真和文档管理，提高产品质量和生产过程所涉及的质量和动态性能。

目前国内外流程工厂或制造工厂在设计、运行和维护等各个阶段基本都是独立进行，大量存在上述由于描述工厂内所布置的自动化资产的信息和数据的不一致而导致的互操作障碍，如果想改变一个生产任务十分耗时费力。数字化工厂的突出特点就是建立统一的数据平台，通过连通产品组件与生产系统，将用户需求用描述语言的方式输入系统，全网络统筹组织生产过程的各项资源，在改进质量的同时减少设计时间，加速产品开发周期，实现主机厂内部、生产线供应商、工装夹具供应商等环节同步进行的并行工程。

Q：“工业4.0”是2013年汉诺威国际工业博览会上的最大热词，也是目前国内外关注的热门话题。您认为什么是“工业4.0”？它与数字化工厂之间是什么样的关系？

欧阳劲松：“工业4.0”是由德国联盟教研部与联邦经济技术部联手推动的战略性项目，被看作是继机械制造设备的使用、电力驱动的大规模生产和引入电子信息技术的制造自动化之后，以智能制造为主导的“第四次工业革命”。它的理念源自信息技术与工业技术的融合，通过信息物理系统（CPS）实现产品全生命周期中各制造单元间相互独立地自动交换信息、触发动作和实现控制，将制造业向智能化转型。目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式，实现人、产品与机器之间的互动。工业4.0时代将改变整个生产技术的使用，整个系统将更加智能，联网更加紧密，不同组件之间可以相互沟通，工作更快、做出反应也更加迅速。德国提出工业4.0的概念，也是希望通过整合全国相关企业的资源要素，打通企业间的壁垒，从用户需求出发，形成一体化的制造和服务能力，在保证安全的前提下占领国际市场。

“工业4.0”主要分为两大主题，一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。

去年10月中国工程院与国务院国有资产监督委员会共同举办了“德国工业4.0的理论及实践”学术报告会，特别邀请德国西门子工业集团总裁鲁斯沃博士就工业4.0的概念和西门子公司运用这一概念指导企业发展等情况进行介绍。报告会的举办体现了我国对这一新理念的重视，也为构建我国以企业为主体的技术创新体系和产业转型发展提供了有利借鉴。

当前支撑工业4.0的技术基础主要包括：数字化工厂、工业通信协议、OPCUA、M2M、片上系统、功能安全、信息安全、集成技术、工程标记语言等。相比数字化工厂，工业4.0是一个更大更宏观的概念。工业4.0是从数字化工厂演变提升而来，数字化工厂是工业4.0的基础和落脚点。只有实现了数字化工厂，才有可能实现工业4.0。

Q：对于现在的工厂而言，“数字化工厂”或者“工业4.0”仍是个新概念，真正地落到实处可能还需要假以时日。那您觉得下一步建设数字化工厂主要会面临哪些困难？预计需要多长时间来实现这一目标？

欧阳劲松：数字化工厂的核心是为产品全生命周期的生产过程打造统一的全数字数据平台。这就需要对资产的结构、功能、性能、位置、业务等方面进行定义，并通过规定的方式将各资产间的关系进行描述，融合相关的国际标准建立一套众多参与企业都可接受的商业模式。因此，打造数字化工厂需要最大限度地应用数字化、仿真及互联网技术，实现硬件全集成、软件全集成、统一数据库，将自动化设计贯穿于整个产品生产过程。实现这些都会面临许多的困难，包括技术、管理、规范等方面，这也是我们下一步的努力方向。

当前，不管是数字化工厂，还是工业4.0，他们作为未来工业发展的前瞻性主题，应当说其概念意义远比现实意义更突出。虽然我国在十一五规划、十二五规划、战略性新兴产业等政策中将先进制造、两化融合都放在很重要的位置并给予支持，相关产业取得了显著进步和大量技术成果，也涌现出西电电气、海尔等一批在先进制造领域有突出业绩的企业，但我们对于智能制造而言，目前无论是理论构架还是现实技术条件都还处于初级阶段，要真正进入工业4.0时代，估计还需要至少20年的时间。现在包括西门子在成都新建的工业自动化产品生产研发基地、大众汽车生产线仿真系统等，虽然已经用到虚拟仿真、优化工程规划等技术，但距离真正的全生命周期的数字化还有较长的路要走。而我们作为一个标准化技术委员会和公益性研究所，会继续加强有关标准、政策和技术的研究和宣贯，配合相关政府部门，服务于行业内的广大企业，协助他们更快更好地完成数字化工厂的建设。

工业4.0 和数字化工厂的相关技术将促进产业链和价值链的分工重组，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的业态和合作形式，形成自动化、信息化、一体化、精益化、集成化的数字化工厂。

Q：标准既是技术集成的载体和大规模应用的基础，也是掌控市场主动权的关键。您认为标准在实现数字化工厂和工业4.0中起到什么样的作用？

欧阳劲松：由于数字化工厂是通过网络将公司和业务联系并集成起来，因此必须规定统一的合作机制和信息交换机制，这就需要建立在标准的基础上。完善的标准体系能为数字化工厂相关技术系统的构建、开发、集成和运行提供基础和框架。在工业4.0的八个优先行动领域中，标准化和参考架构排在首位，这也体现了标准的重要作用。在实现过程中，有大量需要进行标准化的内容，比如基本的参考模型、术语、语义、服务架构、特性和结构描述；在管理复杂系统中的规划模型、仿真模型、模型形式化描述、一致性、互操作性、接口等；在为工业建立宽频基础设施中的通信协议、时钟同步、可靠性、可用性、实时性；在安全和保障中的安全标识、本质安全、功能安全、工业信息安全；以及资源利用效率中的设备能效、系统能效、能效KPI（关键性能指标）、实时优化、绿色标识等。目前尽管一些既定标准已经在各种学科、专业协会和工作组中使用，但是仍缺乏对这些标准的协调和统一。数字化工厂和工业4.0的建设涉及多个方面，必须统筹安排，标准先行，以国际标准为基础，融合相关技术要求，将现有标准纳入全球体系中进行考虑，才有可能真正实现数字化工厂或工业4.0。

Q：请您介绍一下国际上在数字化工厂和工业4.0标准化方面的现状？作为工业自动化领域的国内对口标准化组织，为推进数字化工厂的实现，SAC/TC124目前已经开展了哪些工作？

欧阳劲松：数字化工厂是目前IEC/TC65（工业过程测量、控制和自动化）技术领域中的一个重要议题。2011年6月，IEC/TC65成立了TC65/WG16“数字化工厂”工作组，专门从事数字化工厂国际标准的制定工作。西门子、施耐德电气、罗克韦尔自动化、横河电机等国际知名自动化企业都参与了相关工作。2012年11月，发布了技术报告IEC/TR 62794《工业过程测量、控制和自动化 生产过程表示用参考模型（数字工厂）》。同时启动了正式国际标准的制定程序，并于2012年3月进行了新项目草案（NP）的投票，目前正处在委员会草案（CD）投票过程中。为了更好地研究工业4.0相关技术，IEC/SMB（标准管理局）成立了ahG 49工业4.0特别工作组，但其涉及的基础标准大部分都来自IEC/TC65，也包括ISO/TC184（工业自动化系统集成）、ISO/IEC JTC1（信息技术）、IEC/SC3D（产品属性、分类及标识）、IEC/TC17B（低压开关和控制器）、IEC/TC44（机械安全）等的标准项目。目前德国DKE（德国电工电子及信息技术委员会）梳理的工业4.0标准基础包括：

• 现场总线标准：IEC61158（现场总线规范）、IEC 62683（低压开关和控制器）、I E C 6 2 5 9 1（WirelessHART）、IEC 62601（WIAPA）、IEC 62734（ISA 100.11a）、PROFIBUS 过程控制行规等；

• 系统与集成标准： IEC 62541（OPC UA）、IEC 61804-1（功能块）、IEC 61784-3（EDDL）、IEC 62769（FDI）、ISO/IEC 62264（企业系统集成）、IEC 61588（精确时钟同步）、IEC 61360（电气项目的标准数据元素类型和相关分类模式）、IEC 61987（工业过程测量和控制过程设备目录中的数据结构和元素）等；

• 安全与保障标准：IEC 61508（功能安全）、IEC 61511（过程仪表的功能安全）、IEC 62443（工控系统信息安全）、IEC 61984（连接器安全要求与试验）、ISO/IEC 2700x（信息安全要求）、VDMA Einheitsblatt（状态监控）等；

• 数字化工厂标准：I E C/T R 62794（数字工厂）、ISO 13584-42（工业自动化系统与集成 零件库 第42部分：描述方法）、ISO 15926（工业自动化系统与集成 包括油气生产设施的加工设备使用寿命数据的集成）、ecl@ass V8.0（产品和服务的分类与描述）、ISO 8000（数据质量）等；

• 能效标准：IEC/TR 62837（自动化系统能效）、ISO/IEC 20140（自动化系统和集成 能效评价及制造系统的其他环境影响因素）等。

作为IEC/TC65的国内对口标委会，SAC/TC124标委会一直积极跟踪相关国际标准的制定工作，委派4名中国专家参与IEC/TC65/WG16工作组的标准制定工作。目前，标委会已开展数十项数字化工厂相关技术标准的转化工作，包括：《工业过程测量和控制 在过程设备目录中的数据结构和元素》、《过程控制用功能块》、《可编程测量设备接口系统（字节串行、位并行）的代码、格式、协议和公共命令》、《工业过程测量和控制 过程设备目录中的数据结构和元素》、《现场设备工具（FDT）接口规范》、《工业自动化控制系统 信息安全》、《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》、《测量和控制数字数据通信 工业控制系统用现场总线》等系列标准，并正以这些标准为基础开展相关的关键技术研究、国际合作等工作。同时，2013年《工业过程测量、控制和自动化 制造工厂表示用参考模型（数字工厂）》作为国家标准化指导性技术文件项目正式立项，等同采用国际标准IEC/TR 62794，目前已到征求意见稿阶段，预计明年发布。

工业4.0只能作为参考，我们必须走自己的路，互相学习，以标准化工作为抓手共同推进先进制造业的发展。通过数字化工厂的建设，提高生产效率和资源利用率，增强国内制造企业的市场竞争力，从而提升我国高端装备制造业的整体水平。

Q：您认为将来我们的制造业会是什么样的形式？针对我国自动化行业的现状，您认为下一步的工作应该从哪几方面入手？

欧阳劲松：未来我们的制造业将会是一种泛在信息化制造形式，它将物理设备连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治五大功能。其网络规模将远远超过现有的工控网络。智能工厂将使制造流程的日益复杂性变得可控；智能产品具有独特的可识别性，借助于具体的规划设计和验证可以预见所有的制造任务。在未来，有特殊产品特性需求的客户可直接参与到产品的设计、构造、预定、计划、生产、运作和回收各阶段中，实现定制化服务。工业4.0和数字化工厂的相关技术将促进产业链和价值链的分工重组，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的业态和合作形式，形成自动化、信息化、一体化、精益化、集成化的数字化工厂。

相比之下，美、欧、日、韩等先进工业国家在数字化工厂领域起步早，总体实力较强。而中国起步较晚，应用水平较低，仍处于跟踪学习阶段。因此，下一步我们应从几个方面入手：首先，积极参与相关国际标准化工作，及时将国际上最新技术和标准引入国内。第二，重视核心技术突破，建立国内总体标准工作组，联合相关标准化组织，开展数字化工厂和工业4.0相关的技术和标准研究，逐步建立科学、统一的数字化工厂标准体系，不断提升我国在国际标准化组织中的竞争力。第三，在相关部委的支持下，开展工业4.0标准化基础研究工作，如数字化工厂、参考模型、属性定义等，建立与国际接轨的统一的数据服务平台。第四，重视安全标准研制，探索专门的法律、行政法规及规章对其进行规范。

我国目前提出的“ 中国制造2020”，以及中科院提出的《中国至2050先进制造科技发展路线图》中都详细介绍了先进制造的未来发展方向，说明我们在数字化工厂及工业4.0包含的内容上已有基础。工业4.0只能作为参考，我们必须走自己的路，互相学习，以标准化工作为抓手共同推进先进制造业的发展。通过数字化工厂的建设，提高生产效率和资源利用率，增强国内制造企业的市场竞争力，从而提升我国高端装备制造业的整体水平。