德国信息技术、电信和新媒体协会(BITKOM)：德国工业40实施战略报告

1、.：.；3 德国科学顾问委员会的课题德国科学顾问委员会由16位消费与自动化、计算机科学、法学和社会学这几个专业领域的教授组成。该委员会为工业4.0平台提供与当前研讨严密相关的、科技和编程方面的研讨课题。德国科学顾问委员会在2021年汉诺威工业博览会上(2021年4月3日)公开发表了相关的课题，这些课题还公布在工业4.0平台的网站上。以下援用的课题按照人类、技术、组织三个方面进展划分：人类1.很能够建立以人为本的任务组织方式，这种任务组织方式也可称为自组织和自治。尤其有能够出现适宜老年人的任务组织方式。2.工业4.0作为一套社会技术系统，为拓展员工的任务范围、提高员工的素质和技艺、大幅提高员工的

2、知识程度提供了时机。3.促进学习的任务设备(学习工具)和有利于沟通的任务方式(实际社区)会提高教学效率；而员工不断提高信息技术才干有助于在继续教育中补充新内容。4.把简单易用且能促进学习的设备作为学习工具，可以自然而然地把设备的功能教授给用户。技术5.工业4.0的系统对于用户来说简单易用而且操作直观。这些系统可以促进学习并给出可靠的反响。6.通用的、公开的处理方案模板允许多个参与者共同设计、实施和操作工业4.0系统(基于设计的工业4.0)。7.产品和业务流程的网络化和个性化会带来复杂性。可以经过建模、仿真、自组织对这种复杂性进展管理，更快速的分析可以扩展求解空间，并更快地确定处理方案。8.可以

3、对资源有效性和资源效率进展继续的规划、实施、监控和自动优化。9.智能产品是良好的信息载体，能对各个生命周期阶段进展定位和识别。10.同样，系统组件可在内部对消费资料进展寻址和识别。工业4.0的系统组件支持消费系统和消费流程的虚拟规划。11.新型的系统组件是可改换的，并且具有功能兼容性。12.系统组件提供的功能本身作为一种效力，可供外部访问。13.只需发明一种新型的平安文化，才干最终建立可靠、灵敏、受欢迎的“工业4.0系统。组织14.新的和现有的价值网络经过集成产品设计、消费过程和效力过程获得增值，并使分工得以动态调整。15.协作和竞争促使企业管理和法律发生构造性转变。16.有效的法律框架反映了

4、对应的系统构造和业务流程。新的法律处理方案将能够产生新的协议方式。17.工业4.0的开展有利于协调区域性的和开展中市场的价值发明。为了开展上述课题的研讨，工业4.0平台在2021年汉诺威工业博览会上发表的引见了上述多个课题领域及其内容和目的。另外还粗略制定了完成这些课题的时间方案。课题领域及其时间方案(详见第4章和第5章)有工业4.0平台任务小组拟定。4 工业4.0实施战略为了加强德国的经济位置，工业4.0平台制定了工业4.0的实施战略。一方面制定出工业4.0技术、规范、商业方式和组织方式等方面的跨部门实施方法；另一方面，加强大学和研讨机构与中小企业和工业企业的严密协作，推开工业4.0的实施。

5、实施工业4.0的目的是，发明新的价值链和价值网络，并不断加强它们的数字化程度，最终实现自动化。图1列出工业4.0实施战略的中心模块和相关课题领域，其中中心模块包括： 研讨与创新 参考体系构造、规范化与规范 网络化系统的平安性 建立法律框架除“建立法律框架以外，其他中心模块的相关内容由工业4.0平台的详细任务组拟定。而“建立法律框架模块的任务那么是由德国工业结合会(BDI)任务组来承当。在“研讨与创新这个中心模块，工业4.0平台与德国科学顾问委员会共同制定了实施工业4.0所需的“研讨与创新道路图，并从德国工业的视角出发协调和推进创新和研讨活动。以下是几个最重要的相关课题领域(详见第5章)： 价值

6、网络的横向集成：这个领域的重点在于加强跨企业的协作(包括供应商、中小企业、制造企业等)，其中包括建立新商业方式的各个方面和各种方法。 全生命周期工程的衔接性：这个领域的中心课题是“基于产品生命周期管理(PLM)的工程。在这个课题中，要将产品设计和消费设计结合起来，从而实现对整个价值发明过程的继续支持。这就要求对系统工程、建模和仿真中的技术要素进展综合性的思索。 纵向集成与网络化的消费系统：这个领域的中心课题是消费的网络化，而消费的网络化能否实现往往取决于能否满足实时的要求。课题重点包括：确保必要的应变才干和消费技术的平安性(例如，经过信息冗余和容错到达平安要求)。这既需求进一步开发相关组件和系

7、统(例如传感器网络)，还需求深化研讨预测性分析等方法。任务中的新型社会性根底设备：“人永远是工业4.0胜利的决议性要素。因此，积极推开任务场所的变革，给予一切参与者(包括工会和雇主组织)支持和鼓励，都具有艰苦的意义。除了改革和完善培训和继续教育方面，还需求在技术方面作出改良，如采用新型的人机系统和通用的辅助系统。 不断开发通用技术：为了实现工业4.0，需求为实施各种技术发明条件，确切来讲是需求在工业运用中结合不同技术。重要的技术包括网络通讯、宽带网络、云计算、数据分析、网络平安、平安的终端设备，以及机对机的处理方案(包括语义学)。“参考体系构造、规范化与规范这个中心模块的目的是在规范的运用和制

8、定的根底上，构建一个适用于一切处理方案的参考体系构造。(详见第6章)在“网络化系统的平安性这个中心模块中，应该在示范性价值链的根底上，研讨用于保证横向网络(客户和供应商)和纵向网络(企业内部)中信息技术平安的概念。这将有助于确定普通性的平安要求和信息平安原那么(详见第7章)。要胜利设计出迭代的流程，涉及到研讨和规范化两个方面，而创建工业4.0参考体系构造正好促进了这两方面的开展。“法律框架这个中心模块中的课题主要处理如何合法地建立新消费流程和横向业务网络的问题。其中，合同法(自动化价值链中动态的合同缔结)、企业数据维护、数字资产的处置、赔偿责任问题以及个人信息处置都是极具挑战性的课题。5.研讨

9、与创新5.1 序文工业4.0平台努力于将工业4.0领域的研讨活动进展梳理和整合，并据此对研讨议程进展构造化和优先级排序。本章将以上述工业4.0平台拟定的研讨议程作为根据，论述工业4.0研讨道路图的相关内容。另外，工业4.0平台将能够为随后的研讨任务提供充足且具有国际竞争力的资金预算。这可以为参与其中的企业提供更多资源，同时为有针对性地处理实施工业4.0过程中遇到的问题发明重要条件。此外，政府必需经过适当的措施和融资工具(顶尖集群、示范实验室、示范设备、示范工厂等等)支持、投资和规范企业与研讨机构之间、不同规模的企业之间以及不同部门之间的进一步联网和协作。由于不同的企业对不同的领域感兴趣并且有不

10、同的期望，很难确定单一确切的工业4.0愿景。因此，在国家主导下实施预设的道路图并不能最终实现工业4.0。确切地说，一系列详细运用场景的实现(包括对实施工业4.0的效益和价值发明潜力进展分析)将带来渐进式开展，而工业4.0将会是这些开展的结果。理想情况下，德国联邦政府应该思索对更为务虚的方案给予支持。这些支持有助于确立完好的创新途径：从讨论新方法和新技术，到利用大学附近的演示设备，再到建立试点工厂。本章将以德国科学顾问委员会的课题为根底概述工业4.0的“研讨与创新这个中心模块。早在2021年的汉诺威工业博览会上，这些课题的初步成果便被发表于之中。在此之后还针对指定的相关课题开展进一步的研讨任务。

11、随后，在2021年2月发布了修订版(修订任务由工业4.0平台担任，修订版中对各个课题领域进展了更详细的引见，而本报告仅涉及当中的部分内容)。同时在2021年的上半年也出版了的新版本，当中更详细地讨论了这些课题。下面简要概括一切的课题，包括：(1)研讨与创新的内容概述；(2)预期成果；(3)主要的里程碑。5.2 课题领域：价值网络的横向集成横向集成是指对用于支持或实施不同价值发明过程(比如消费、物流、营销、管理、效力)的不同信息技术系统的集成。横向集成是制造企业内部和不同企业之间一种普遍适用的处理方案。5.2.1 课题：创建新商业方式的方法5.2.1.1 研讨与创新的内容商业方式简要描画了一家企

12、业如何运作和如何进展价值发明，即笼统地描画这家企业和哪些协作同伴、在哪些市场、针对哪些顾客群、怎样获得收入等问题。在工业4.0背景下，由于新的价值发明过程催生了新业务，也由于价值网络中分工的变化，新的商业方式将在企业中产生。这个课题需求思索的方面包括： 进入市场战略(GTMs) 分析需求、发明需求和评价潜力的方法 支付方式与结算方式 针对网络中的每个参与者的效益评价与风险评价 法律方面 鼓励与认可制度5.2.1.2 研讨与创新的预期成果人们一致以为，商业方式是可继续地发扬跨企业网络的潜力的先决条件。创建新商业方式的方式方法应相互结合并加以完善，尤其应该系统化地了解和掌握不同部门得出的最正确实际

13、和阅历，然后将其转化到消费上，并且分析由此产生的效果。在此过程中，应仔细察看价值网络中的不同角色。以下为这个课题的预期成果： 根据最正确实际拟定示范性的、针对价值网络中不同供应商角色的进入市场战略 根据实施工业4.0的需求，从价值网络的各个方面思索创建新商业方式的适用方法 示范性的支付、结算和答应方式 评价工业4.0典型效益和相关风险的指南 法律方面的指南，除此以外还应明确软件即效力(SaaS)和平台即效力(PaaS)的效力程度协议(SLA)所涉及的责任问题。5.2.1.3 主要的里程碑5.2.2 课题：价值网络的框架5.2.2.1 研讨与创新的内容价值网络是以各个价值发明阶段及相应技术之间的

14、关系为根底建立的系统。每个价值发明阶段都由自主、合法且独立的价值网络参与者完成。他们经过本身所处的价值网络构成了复杂的、相互的严密关系，同时他们建立起了一个价值发明同伴关系的利益共同体，这一共同体努力于获得可继续的经济增值。这个课题需求思索的方面包括： 新型价值网络构成的前提条件、驱动力与结果 信息物理交融系统平台在增值中扮演重要角色，即作为价值网络的集成者 业务上潜在的问题以及由此呵斥的后果 价值网络的组织方式、不同的组成部分及其角色，还有价值网络的合理实施5.2.2.2 研讨与创新的预期成果在客户、供应商、协作同伴和市场加强参与价值网络的背景下，为了阐明诸如(新)商业战略、商业方式与商业流

15、程这样的课题，应拟定实施价值网络的方案并且将其运用在试点工程中。为此，应该制定详细的示范性商业方案，并搜集相关的规划阅历。这些商业方案和阅历将被公布，而这正是构建支持价值网络的信息物理交融系统平台所必需的。以下为这个课题的预期成果： 在消费中灵敏地集成价值网络 从价值网络同伴及其客户的角度，提出分析和评价经济潜力与技术潜力的方法 发动中小企业参与到价值网络的协作中 开掘新商机 建立双赢的价值网络同伴关系以及可继续的、“集成的商业方式5.2.2.3 主要的里程碑5.2.3 课题：价值网络的自动化5.2.3.1 研讨与创新的内容价值发明过程的自动化可使横向集成的自动化程度得到提高。其中需求重点研讨

16、价值发明过程中可以实现自动化的阶段，即可以与“数字世界交融的阶段。这个课题需求思索的方面包括： 信息流的衔接性 运用建模、计算、仿真和优化的方法 对产品生命周期管理(PLM)、先进消费方案与调度(APS)、制造执行系统(MES)、供应链管理(SCM)和企业资源规划(ERP)这些系统的运用进展集成 全员参与，作为全球价值流中的发明性实际者 构建人机界面 培训措施和迁移过程的关系5.2.3.2 研讨与创新的预期成果价值发明过程应该有效、灵敏并且具有较高的可预见性，而人们应该从毫无发明性的任务中解放出来。到达这个目的的关键是消费率、资源效率以及自动化程度的提高。经过不断提高复杂规划过程中每一环节的自

17、动化程度，可根据全球目的对价值链、价值网络和业务进展优化。在此过程中，应顾及到其中的各种关系并到达协同效应。最终，经过集成分层的流程以及使部分流程实现同步或自主运转来实现上述目的。以下为这个课题的预期成果： 得出可以直接或者间接描画一切业务流程的关系和相关性的方法论(业务流程包括企业资源方案、产品生命周期管理、先进消费方案与调度、制造执行系统等)。 建立一致的目的层次体系。一切根据该全球目的开展的活动和流程所产生的影响将以此为参照。 根据上述目的层次体系，从达成最正确全球目的的角度出发，设计与组织最优的流程与活动。 易于运用与集成且可以自我描画的模块。 可以经过简单、直观的演示和延续仿真的才干

18、来支持用户的工具和程序。5.2.3.3 主要的里程碑5.3 课题领域：全生命周期工程的衔接性产品生命周期指的是一个产品的开发过程以及与消费系统有关的工程。产品由消费系统担任消费，然后交付用户运用，最终被回收。人们应该将整个生命周期中有关产品的一切信息联络起来。5.3.1 课题：现实世界与虚拟世界的结合5.3.1.1 研讨与创新的内容现实世界与虚拟/数字世界的相互作用是工业4.0的中心。一切物体都有一个数字化的映像(模型)。在模型中，我们通常用亟待处理的问题及其决策过程的特征来描写现实世界。虚拟/数字世界的要素是仿真模型、规划模型和解释模型。此外，协同建模可以在不同的尺度上对两个世界的界面进展察

19、看。从根本上讲，规划模型是构建复杂系统的根底。人们借助解释模型分析这些复杂系统并将分析转化为最终的处理方案和决策。就这方面而言，虚拟世界经过上述两个模型对现实世界的构建具有艰苦影响。与此同时，构建模型时需求估计现实世界的客观条件、要求和目的并且评价其对虚拟世界产生的影响。在机械设备制造中，需求有与消费建模实际相关的科学根底。经过验证的、结合了计算机科学根底技术的实际、描画方式和方法将经过适当的调整、拓展和结合，便能广泛运用到各种工艺中，从而得到进一步加强。在这个过程中，对现有的、针对特定领域的任务方法与软件工具进展适当的集成起到关键作用。这个课题需思索的方面包括： 在构建建模实际的根底时，需求

20、回答以下问题：“什么是好的模型?(包括不确定性评价)、“我怎样能找到适宜的模型?、“我在数字世界中和现实世界中各能实现什么?和“如何在虚拟世界和现实世界之间搭建界面?。另外，现有模型也必需纳入思索范围之内。 在建模实际中，必需在已定义语义的根底上把概念和指点思想确定下来，例如：笼统概念、普遍性、视角、相关性、类型和案例、模块化、深度建模和模型驱动的体系构造。 建模的经济可行性：除了因建模过程本身的本钱，还应思索在全生命周期中运用模型的本钱。人们对模型如何能在其生命周期内“共同生长这一问题非常感兴趣。此外，经过保管参考数据添加现有数据源有利于日后继续对相关方面的系统归纳。5.3.1.2 研讨与创

21、新的预期成果在消费领域中，建模的长期目的是经过建立反映消费企业才干的、有针对性的、双向的经济模型，使虚拟世界的要素可以在较高的语义层面上、跨学科地与真实世界联络，从而大幅提高内部指令处置的效率和决策的平安性。为此，人们对机械制造、电气工程和计算机科学的模型有一致的了解是必要的根底。以下为这个课题的预期成果： 建模实际包括由(自动化的一切层面上的)工具、数据流或信息流衍生出来的要求 证明经济可行性和进展案例研讨的方法 可行的建模规那么 有工具支持的普通性元模型5.3.1.3 主要的里程碑5.3.2 课题：系统工程5.3.2.1 研讨与创新的内容系统工程是用于技术系统开发的、通用的跨领域学科(涉及

22、各个方面)。系统工程主要用于开发跨学科系统，它表达了一切研发活动的整体程度。这个课题需求思索的方面包括： 对产品、流程以及消费系统进展综合开发。从开发的最初阶段就必需思索到各个方面严密的相互作用，并在市场周期中不断完善产品。 在早期阶段对设计决策进展测试与验证，同时要思索到哪些预期的机械化和电气化功能随后会由硬件、软件或者效力实现。 一切相关数据和流程可用于不同系统(子系统、机器/流程、消费设备、工厂)和不同企业，从而为建立可扩展的系统做好预备。 设备与系统的模块化和再利用有助于管理日益添加的复杂性和可扩展性。 设备和系统被用于开发、工程或操作的过程，应经过这个运用过程搜集阅历。 运用系统工程

23、的方法有助于构成具有互操作性的工程链。该工程链可以平安地用于工程系统、仿真系统和企业目前运用的各类系统(例如用作数据交换、演示模型和访问方式)。该工程链还可以构成不同的版本，运用于各种商业方式中(例如授权答应、结算系统)。5.3.2.2 研讨与创新的预期成果系统工程的目的是把跨学科整体设计复杂系统的方法融入到机械、电子、软件、设备制造和工艺等相关技术领域现有的开发方法和工具环境中，最终实现对这些开发方法和工具环境的改良。企业，尤其是中小企业应该广泛采用系统工程来提高协作才干，以便管理工业4.0系统日益添加的复杂性。这使人们可以在工程网络与消费网络中高效且有效地开展工程。以下为这个课题的预期成果

24、： 制定统筹兼顾的方法，构成协调的工具链和开发环境 工具的利用不受系统与地点的限制 运用接口的语义 对复杂系统中的需求进展跨学科的、继续的管理5.3.2.3 主要的里程碑5.4 课题领域：纵向集成和网络化的消费系统纵向集成是指对一个消费系统中不同层面(例如促发器和传感器层面、控制层面、消费管理层面、制造执行层面、企业规划层面)的信息技术系统进展集成，从而构成通用的处理方案。5.4.1 课题：传感器网络5.4.1.1 研讨与创新的内容分析传感器数据的主要目的在于不断记录(技术)流程的信息，这些信息要么作为控制和管理流程的根底，要么用于诊断或警告等。例如，可以经过访问流程参数对其进展调整；或经过诊

25、断预告机器缺点。其中，主要的挑战是如何把这些传感器衔接起来并对它们产生的数据进展评价(特别是在临界的实时条件下)。这个课题需求思索的方面包括： 在实际中，如何经过大量的传感器采集实时数据? 哪里能进展有效的数据处置? 如何确定被测值与所产生效果之间的定性和定量的关系，并将其转化为(形状)模型?5.4.1.2 研讨与创新的预期成果在工业4.0的场景中，应该建立一个框架，以便于实施对不同形状的监测和控制。对担任传感器数据处置的主要组件(层面)的访问应尽能够规范化。假设可以建立一个软件架构，就不用掌握传感器物理层面的知识也可以访问传感器，尤其是在接入无线传感器时。应该经过即插即用的方式实现图像化和交

26、互式的调试和配置。即使不对每个运用进展单独开发，也能运用更多的传感器数据流，从而实现数据交融。为了实现传感器网络的高度自主性，应丰富传感器的语义描画(开发语义传感网络技术)。以下为这个课题的预期成果： 扩展和完善用于确定系统/消费形状的模型，这种模型用于推导有效的行动建议 消费流程的在线管理需求根据流程中循环的、有关流程产出质量的实时数据 为了保证质量，采用针对详细情况的、自顺应的丈量战略 建立一个跨领域的社区5.4.1.3 主要的里程碑5.4.2 课题：智能、柔性、可变性5.4.2.1 研讨与创新的内容智能消费系统是自顺应的，也就是说这些系统基于集成模型知识与它们的环境相互作用并自主地顺应环

27、境。这些系统非常强大，可以在不断变化的环境中应付系统开发者没有思索到的不测情况，并且效率丝毫不受影响。这些系统还具有前瞻性，它们能根据阅历知识预测在不同影响要素下将产生的结果。最后，这些系统也是便于运用的，它们不仅思索到用户的不同行为，还思索到了不同的信息需求并自主顺应这一切。柔性的意思是，流程或系统中预设且有限的途径中被事先思索过了，因此能满足各种不同的要求。在消费环境中，这意味着在消费不同产品时人员、机器、消费系统的协作。可变性是指，经过调整柔性途径的边境，可以变卦或者重组流程与系统中构造性的步骤。在消费环境中，这意味着可以轻松地重组一台机器制造新产品及其变体的过程，或改动消费系统的构造。

28、这个课题需求思索的方面包括： 识别、方式化和描画对全球目的有直接和间接影响的柔性和可变性特征 对接口进展规范化，从而可以运用消费单元(模块)建立灵敏可变的消费流程 社会、伦理、生态以及人体工程学方面的影响在消费环境中对自治系统实施工程和测试时，要求自治系统的开发人员必需接受过相关的教育和培训。5.4.2.2 研讨与创新的预期成果智能使产品和消费系统可以发扬新功能并减轻用户的负担：开发、工程、维护和生命周期管理等方面得以改良；产品和消费系统的可靠性、平安性和可用性得以提高；资源(比如能源和资料)将被更高效地利用；消费流程与消费系统也具有极高的柔性和可变性。以下为这个课题的预期成果： 识别自治、可

29、再用的消费单元(模块)，并分析实施这些模块对任务方式的要求和影响 经过强大而可靠的算法获得集中的和分散的智能 智能系统在消费环境中协作的战略 直观人机交互的相关技术和运用实例 经过迁移战略实现柔性可变的消费5.4.2.3 主要的里程碑5.5 课题领域：任务中的新型社会根底设备工业4.0平台任务组3(AG3)根据本身的才干与阅历，仅能从技术的角度提出研发要求。因此，本章内容由德国科学顾问委员会撰写。5.5.1 课题：多方式辅助系统5.5.1.1 研讨与创新的内容该课题是关于以人为本的人机交互界面的设计原那么。人与技术交互方式的改动是工业4.0的内容之一：机器将顺应人，而不是反过来由人顺应机器。多

30、方式的、界面友好的智能工业辅助系统可以支持员工的任务，并且将数字化学习技术直接带到任务场所中去。在设计人机交互界面时需求思索的要素包括： 输入/输出的明晰度 在恶劣环境下的能见度 可识别性，确保不发生混淆 顺应义务的才干 自我描画才干 可控性 符合预期的能够性5.5.1.2 研讨与创新的预期成果在工厂里，应该在智能辅助系统的支持下构成协作式的新型任务方式。加强现实、二维现实和同步多维现实的方法和技术(即传感器驱动的、语义的工厂模型与真实工厂实时同步)使高度复杂的组件可以进展协作式的远程操作(如缺点排除)。因此，任务方式将发生根本上的改动。例如，借助自顺应的社会网络和社交媒体，员工可以突破企业和

31、受教育程度的限制进展协作和协作。由于在系统开发过程中针对特定目的员工群体进展了个性化设计，所以这些顺应性强的交互系统可以思索到不同员工的差别。以下为这个课题的预期成果： 运用集成虚拟人体模型来支持机械化消费流程的仿真 提供必要条件支持员工利用和获得阅历知识，这些条件也是稳定的系统操作的前提 确保系统形状对员工透明可见 保证一切员工可以接受培训 促进数字化学习技术的运用 进一步开发数字化学习技术5.5.1.3 主要的里程碑5.5.2 课题：技术的接受度与任务设计5.5.2.1 研讨与创新的内容消费员工接受工业4.0的前提在于：工业4.0为员工提供灵敏的任务环境并能支持他们开展发明与学习的才干。“

32、多方式辅助系统将为此发明技术方面的前提条件。这一课题的其他研讨重点还包括：技艺开展和任务组织，顺应工业4.0系统的任务工具的设计。这个课题需求思索的方面包括： 对工业4.0的根本了解如下：它是一个社会技术系统，在这个系统中，技术、组织以及人员必需系统地相互协调。 任务设计应使员工获得才干的开展并拥有温馨安康的任务环境，从而接受工业4.0 员工和工会的任务小组应参与决策过程5.5.2.2 研讨与创新的预期成果企业应扩展员工的职责范围，同时应完善他们获得知识的途径，从而提升他们的素质和技艺。这样做的发点是为了可以构成协作式的新型消费任务方式。此外，工业4.0可以添加消费任务的吸引力和应对未来技艺人

33、才短缺的问题。最后，经过任务设计方面的措施，可以较好地处理劳动力老化的问题。以下为这个课题的预期成果： 提出对消费活动和义务进展设计的概念，这一概念可以确保员工获得才干的开展并拥有温馨安康的任务环境，从而接受工业4.0 有关整合任务场所中方案、组织、执行和控制等一系列活动的建议 建立模型，用于在要求较低的例行义务和要求较高的问题求解义务之间获得适当平衡 开发促进学习且能支持任务组织的任务工具 建立模型，用于展现相关员工和企业工会参与实施工业4.0的过程5.5.2.3 主要的里程碑5.6 课题领域：工业4.0的通用技术本章的通用技术列表并不是详尽无遗的，而是可扩展的。为了技术进一步开展，必需分别

34、强调各项通用技术在工业4.0中的重要性。5.6.1 课题：工业4.0场景中的网络通讯5.6.1.1 研讨与创新的内容这一课题研讨信息物理交融系统(CPS)包含的各个固定组件和挪动组件之间的网络通讯。正是在企业车间和后台系统的组件、效力系统和消费系统中，数据在相连的供应链和生命周期各阶段进展交换。这个课题需求思索的方面包括： 根据需求在办公室和车间中利用无线通讯 不同的无线和有线通讯系统和个人专属系统的共存 不同无线通讯系统的互操作性 在变化的系统配置中进展预测性的效果分析 产品被用于全球可用的消费线上 对有关带宽、确定性和实时性的要求进展管理 在可互操作的工程链中可扩展和普通性的运用 信息平安

35、和作业平安5.6.1.2 研讨与创新的预期成果为了满足工业4.0消费场景运用中的一切要求，应该开发和评价跨领域的网络化和网络接入处理方案。另外，发送功率、稳定性、严密性、平安性和可靠性的要求，以及经济可行性和国际部署才干，都是这个课题的目的。以下为这个课题的预期成果： 经过规范化的处理方案提高工业4.0的效果和被接受程度，这些处理方案的规范思索到了互操作性、可扩展性、本钱敏感性(例如减少昂贵传感器的运用)和要求的可接受性等目的。规范经过一定的机制评定，可用于普通的开发流程，不需求高本钱的认证(既非技术驱动也非空间驱动)，比如运用尽能够开放的认证方法(例如欧共体CE认证的“制造商自行申报)。 对

36、目前和未来的潜力进展评价 工业4.0场景中的开放网络 无线局域(WLAN)技术和备选技术方案，如蓝牙技术 工业4.0场景中的近场技术 明确特定的需求 无线电技术、开放网络的网络技术、公用途理方案以及备选方案确实定 建筑、工艺技术或根底设备(能源、水、交通运输)等运用领域5.6.1.3 主要的里程碑5.6.2 课题：微电子技术5.6.2.1 研讨与创新的内容在工业4.0中，信息物理交融系统用于智能地识别、监测和操控消费与物流过程，而微电子技术是信息物理交融系统硬件的根底。微电子技术为逐渐实现工业4.0奠定根底。在此，微电子技术具有特殊意义，它既代表了“摩尔定律，也代表了“超越摩尔。在微电子技术的

37、开展过程中，系统集成技术(例如：圆晶级芯片的3D集成、自我诊断功能、能源效率)起到关键作用。该课题的研讨重点包括： 含传感器和促动器的微机电系统(MEMS) 芯片上的嵌入式系统，包括：公用途置器、公用实时微控制器、最低功耗的高性能高科技多核架构存储器 用于高性能促动器系统的工业电子技术 无线电通讯(低功耗、低延迟) 能源搜集带来尽能够高的收益 系统集成 嵌入式信息技术平安体系构造 鲁棒性与耐用性5.6.2.2 研讨与创新的预期成果微电子技术是工业4.0中的关键技术之一，有助于实现提高灵敏性和消费率以及降低本钱的目的。而公用电子硬件和智能软件之间的优化组合是实现上述目的的必要前提。唯有开发出适用

38、的微电子组件和系统，才干满足工业4.0场景的详细需求，因此需求继续地研发微电子技术。5.6.2.3 主要的里程碑5.6.3 课题：作业平安与信息平安5.6.3.1研讨与创新的内容“信息平安是指保证工业4.0设备与系统中信息的可用性、完好性和性。因此，保证信息平安是为了阻挠对设备及其功能产生影响的要挟，尤其是别有动机的攻击。一切功能的信息平安都应得到保证既指操作功能，也指监测功能和维护功能(例如作业平安功能)。“作业平安那么是指“功能性平安，即系统采取适当的措施使机器或设备的功能不会对人或环境产生危害。“作业平安属于维护功能的一部分，旨在保证机器或设备的可靠性。工业4.0的产品、组件和设备涉及以

39、下平安性目的： 可用性和完好性 可靠性 专有技术维护 数据维护在工业4.0背景中，经过身份证明保证平安性非常重要。这个课题需求思索的方面包括： 拟定评价潜在要挟和风险的方法，包括平安措施的本钱效益分析 维护对外和对内的接口 维护消费设备中的通讯系统 信息平安破绽对设备可靠性的损害 在数据维护中，法律法规与信息平安的相互作用 基于设计的信息平安 长期适用的平安处理方案 对攻击进展检测和分析同时还应思索以下几点： 对相关的程度和垂直价值网络进展平安评价 对详细用例进展研讨并将其尽快转化成可运用的成果，以阐明研讨的适用性 应思索到与“人有关的方面：透明度、可用性、用户接受度、数据维护5.6.3.2

40、研讨与创新的预期成果如今有各种各样平安规范和技术，然而目前为止，它们很少被运用到工业环境中。其缘由是多方面的，但最根本的缘由在于，自动化处理方案的主要目的不在于实现信息平安功能。对于供应商而言，用于保证信息平安的流程会添加开发和制造的本钱，并且不能运用现成的知识。另外，为操作人员设计的平安方案往往由于本钱和接受度的问题而无法落实。为了提高各方面对平安方案的接受度，并最终落实便于用户运用的方案，方案开发者应该提供可以轻松、高效地进展信息平安评价的方法。以下为这个课题的预期成果： 易于操作和运用的信息平安方法 可扩展的工业信息平安根底设备 开发出简单易用的方法和程序，用以评价工业4.0设备及其组件

41、的信息平安属性。可思索采用即插即用的方法和自治、动态的配置 思索到目前的信息平安程度无法抵御作业平安方面的残留风险，应采取动态检测和评价设备作业平安功能的方法。 为信息平安的规范化做好预备 拟定合理的平安措施目录，以便应对平安破绽带来的要挟，例如参考“计算机平安应急呼应组(CERT)的方法5.6.3.3 主要里程碑有关“信息平安与作业平安课题长期规划的里程碑，即该课题涉及的方法论、处理方案和前提条件尚未提出。5.6.4 课题：数据分析5.6.4.1 研讨与创新的内容数据分析的主要目的包括两方面：一方面是数据分析能够产生(新)知识；另一方面是数据分析可以得出“可操作的建议，有助于支持人们的决策和

42、机器的自主决策(在什么时候对什么人提供什么信息)，这将协助 企业提高产质量量和消费效率并可以尽早发现潜在的不利趋势。这一切都是新商业方式的根底。为此，人们将采用预测性分析方法，该方法运用统计学、机器学习和数据发掘等根底技术。当前和历史的丈量值以及社交网络等来源的“非构造化数据将得到分析，由此提示目前尚不为人所知的事物之间的联络(描画性分析)，同时可以据此评价未来系统行为及其影响(预测性分析)。最终，新获得的知识不仅能用于评价不同的行动备选方案，还能用于不断优化系统、流程和战略(规范性分析)。然而，在数据分析的根底上提出行动建议或是直接措施才是艰苦挑战。这个课题需求思索以下几个方面： 数据处置

43、形状检测 预测性评价 提出建议5.6.4.2 研讨与创新的预期成果应拟定进展数据分析所需的规范目录，以便于实施以下规那么： 在不了解详细(物理)来源的情况下(封装或虚拟化)允许访问数据 采取即插即用的方法，经过规范化接口集成新的数据源 利用跨领域价值网络中的数据 应建立广泛且能继续扩展的工艺根底，从而促使新运用场景的产生 提供法律保证(什么人对什么数据以及由此产生的知识有什么权益)另外，软件架构和相应的接口应可以处置多个数据流(即实现元层面的数据交融)，而不用针对各个运用场景进展单独开发。为此，应该拟定和实施相应的规那么： 解释模型可用于描画当前形状和判别未来形状 应该开发可以高效且有效的运用

44、程序和算法，用以分析不断添加的大量数据5.6.4.3 主要里程碑5.6.5 课题：工业4.0的句法和语义5.6.5.1 研讨与创新的内容实现工业4.0场景的前提是操作主体(如：人员、软件工具、软件智能体、控制系统、软件效力)可以对参与对象(例如机器、机械零件、产品和产品阐明或是数字工厂相关资源)进展解释，也就是说，操作主体可以识别并了解参与对象。为此，必需以信息模型为根底描画参与对象的相关特征，例如在模型中设定相关的属性或符合对象角色的义务。人们需求消费环境中的(数据)模型、系统模型、解释模型、规划模型和组件模型，才干在计算机中完成上述过程。在这里，句法中包含了描画文件与数据的有效符号(如字母

45、、数字、特殊字符、图形符号)，同时阐明了这些字符如何正确地相互衔接成符号链。语义那么经过给符号链或数据赋予意义，建立符号与模型之间的关系，这样我们才干从数据中得出信息。例如，协议就是这样一种关系。一个协议文件中的某个字符串描画模型中的某个属性，协议文件还确切指出这些模型属性描画的是哪些特征，以及这些特征能够有哪些表达。5.6.5.2 研讨与创新的预期成果该课题旨在为工业4.0场景开发一套方式化的、计算机可处置的通用语义，用以在运用层面解释特定领域的“言语，从而使一切对象和主体及其结合过程(即流程、通讯网络和价值网络)可以运用这些“言语。这样做的目的是确保价值链上和价值链间的信息流畅通无阻，以及

46、消除现有的规范中的破绽。 语义和句法是数据存储、传输和处置过程中实现跨企业互操作性的根本前提。 规范化的语义描画可以支持价值链的自优化和自动化 通用语义的开发使生命周期各阶段模型的结合成为能够(可对工程中的产品、流程和资源进展语义描画) 有了句法和语义，就可以创建普通的工具或功能 语义和句法支持工业4.0组件的“即插即消费功能，并使其具备灵敏性和顺应性这个课题中的挑战包括：一方面，要尽快开发出工业4.0的句法和语义；同时，应尽能够扩展其运用范围。5.6.5.3 主要里程碑5.7 课题之间的关系不同的研讨课题并不是孤立存在，而是相互关联的。因此，一个研讨领域的最新成果将会影响另一研讨领域的活动。

47、目前，工业4.0平台任务组3和德国科学顾问委员会运用Gausemeier教授的场景分析法，协作分析课题之间的相关性。分析结果将于今年公布，不过目前曾经可以确定，以下课题的研讨成果对其他研讨的成果有宏大的影响： “智能、柔性、可变性 “传感器网络 “价值网络的框架 “信息平安与作业平安6.参考体系构造、规范化与规范本章是多个机构2的协作研讨成果，其中概括了工业4.0的参考体系构造，阐明了规范化与规范的必要性。在协作研讨过程中，工业4.0平台担任协调大量子任务组的活动，并确保不同组织和协会协同行动。以下引见的大量研讨成果是确保德国工业竞争力的重要一步。6.1 引言工业4.0参考体系构造其中一个根本

48、思绪就是在一个共同的模型当中表达不同的方面。工厂内的纵向集成是指消费资料的网络化，例如自动化设备或效力的联网。产品和工件是在工业4.0的背景下必需思索的新方面，相关的模型必需反映这一点。工业4.0还涉及第二个方面，价值链的整体工程意味着：在整个价值链中，有关一台消费设备或一个工件的一切技术、管理和商业数据都被耐久地保管，并且随时可以经过网络访问。工业4.0的第三个方面就是价值网络的横向集成，即跨越单个工厂的界限，动态地组成价值网络，并且在一个共同的模型中表达上述这些方面。在这个模型中，控制回路以毫秒为周期进展采样，从商业问题求解的角度，描画共同的价值网络中多个工厂之间的动态协作。也就是说，要从

49、不同运用领域的视角去了解，抓住其本质并一致表达在一个模型中。在研讨工业4.0参考体系构造模型(RAMI4.0)的详细任务开场之前，有必要大致了解现有的途径和方法。我们很快就发现，曾经有一系列可用的途径，但它们通常只是针对工业4.0的部分内容，而不能从上述工业4.0完好视角出发。下面我们详细地讨论各个途径：通讯层的实现途径： 过程控制规范一致框架(OPC UA)：基于IEC 62541信息层的实现途径： 国际电工委员会“通用数据词典(CDD)(IEC 60系列/ISO 84-42) 参考eCIss的属性、分类和工具 电子设备描画(EDD) 现场设备工具(FDT)功能和信息层的实现途径： 现场设备

50、集成(FDI)作为集成技术整体工程的实现途径： AutomationML ProSTEP iViP eCIss(属性)第一步是对上述途径作根底测试，看能否符合本章接下来引见的参考体系构造。本质上，上述途径都是值得一定的，但对详细概念和方法还需求进一步研讨。6.2 工业4.0参考体系构造在工业4.0的讨论中会涉及到各种不同的利益群体：从流程自动化到工厂自动化，不同产业采用不同的规范、信息通讯技术和自动化技术；不同的协会和规范组织制定出各种规范，例如：不同的协会包括德国信息技术、电信和新媒体协会(BITKOM)、德国机械设备制造业结合会(VDMA)、德国电子电气制造商协会(ZVEI)、德国工程师协

51、会(VDI)；不同的规范组织包括国际电工委员会(IEC)、国际规范化组织(ISO)以及它们在德国的分支机构德国电气电工信息技术委员会(DKE)和德国规范化学会(DIN)。为了就“哪些规范和用例在工业4.0中是必不可少的?这个问题达成共识，必需建立一个一致的参考体系构造模型，才干在此根底上讨论各种关系和细节。这项任务的最终成果就是工业4.0参考体系构造(RAMI4.0)。它包含了工业4.0的重要方面，补充了IEC 62264的层次构造：在底层补充了产品/工件层；在顶层补充了超越单个工厂的“互联世界层面。横轴表示设备或产品的生命周期，也表达了原型和实物之间的区别。在六个层面之上，最后构造化地描画了

52、工业4.0组件中代表信息技术的部分。因此，工业4.0参考体系构造模型的主要特点把生命周期和价值链以分层构造的方式结合，用于定义工业4.0组件。此外，这个模型中的层次构造还表达了工业4.0环境中极高的柔性，并允许对各种功能进展封装。参考体系构造模型为描画和实施柔性消费的概念奠定根底。这个模型可以随着工业4.0的开展做出调整，还可以针对有特殊规定和要求的运用领域进展定义。工业4.0参考体系构造模型将引入DIN SPEC 91345规范。6.2.1 要求与目的目的工业4.0是专门研讨“物联网与效力互联网的领域，该领域涉及大约15个产业。借助参考体系构造模型，可以对义务和流程进展详细明晰的分解，更直观

53、地呈现真实情况，从而有助于对规范化与规范等问题进展有针对性的讨论。在处理未来的问题时也要根据现有的规范，找出有待拓展或修正的地方。原有规范中疏漏或反复多余之处也可以被发现，然后进展讨论研讨。假设不同规范模型中出现同样或类似的方面，便可将其作为参考体系构造模型中优先讨论的规范。这样做的目的是在可行的范围内尽能够地减少规范的数量。规范的达成选定的规范要经过检验，看它们在多大程度上适宜工业4.0运用场景中已有的方案和方法。这些规范最初在工业4.0运用中实施时，可以实施一个规范的部分内容曾经足够。这样有利于引入和实施工业4.0所必需的跨制造商处理方案，为小企业添加和发明时机，从而协助 它们快速实施和顺

54、应工业4.0。用例参考体系构造模型也可用于工业4.0用例的评价，例如用于评价用例中必需用到的规范。确定研讨课题的关系不同研讨课题之间的关系在参考体系构造模型中构成多个空间构造(子空间)。实施工业4.0本质上就是了解和调整这种子空间的关系。定义更高层面的规那么参考体系构造模型可用于定义更高层面的工业4.0实施规那么。目的概述： 建立直观简约的参考体系构造模型 检验现有的规范 发现并弥补规范中的破绽 找出规范中反复多余的部分并确定首选的处理方案 尽能够减少规范的数量 找出不同规范中反复的部分，把它作为工业4.0中优先实施的内容 确定用例的内容 确定不同课题之间的关系 定义更高层面的规那么2 在德国

55、工程师协会(VDI)和德国电气工程师协会(VDE)组建的计量方法与自动化技术委员会(GMA)中的专家是我们制定工业4.0实施途径时出色的协作同伴，特别是完成7.21和7.20章节时分别协作的“工业4.0和“物理信息系统专业委员会。 同样，德国电子电气制造商协会成立的规范委员会(SG2)也协助 协会进展内容编写任务。德国电子技术委员会(DKE)在规范委员会(SG2)中相应的代表也参与协会关于规范内容的编写。6.2.2 参考体系构造模型的概述下面的三维模型很好地展现了工业4.0的空间构造。工业4.0参考体系构造模型自创由欧洲智能电网协调组(SG-CG)定义的智能电网体系构造模型(SGAM)3。智能

56、电网体系构造模型得到世界范围内的认可，这里根据工业4.0的要求对该模型将进展调整和拓展。纵轴上的各个层面用于描画不同的视角，如：数据映像、功能描画、通讯行为、硬件/设备或业务流程。这非常符合“在易于管理的单元中包含复杂的工程集群的信息技术思想。横轴展现的是另一重要维度，即包括价值链在内的产品生命周期。此外在参考体系构造模型中也可以明晰地看出各方面的相关性，例如全生命周期中的数据搜集。第三轴呈现的是第三个重要维度，即工厂或设备内部功能和职责确实定。这个维度参考了功能的分层构造，而非根据设备种类或传统的自动化金字塔分层。6.2.3 参考体系构造模型的视角(层面)智能电网体系构造模型(SGAM)是描

57、画电网从发电、输电到向用户配电整个过程的最好方式。在工业4.0中，产品开发和消费场景处于中心位置的，因此必需对其中的开发流程、消费线、消费机器、现场设备和产品自动消费的情况(即整个运作过程)加以描画。一切组件，不论是消费机器还是产品，涉及的不仅仅是信息通讯技术功能。例如，在仿真一台完好的机器(一个系统)时，需求思索到当中的电缆、线性驱动器以及其他机械构造。它们是真实世界的一部分，但无法自动通讯，因此它们的信息必需经过虚拟表示来呈现和运用，例如经过二维码被动地与数据库条目联络起来。为了更好地描画机器、组件和工厂，工业4.0参考体系构造模型用设备层替代了智能电网体系构造模型(SGAM)中的组件层，

58、并在其上添加了集成层。经过这样可以对设备进展数字化，从而实现虚拟表示。通讯层担任处置日志以及传输数据和文件；信息层处置相关数据；功能层那么包含一切必需的(方式化描画的)功能；业务层展现了相关的业务流程。提示：各层面内部需求强大的凝聚力，在层与层之间存在松散耦合，事件交换只发生在两个相邻的层之间或一个层的内部。多个系统构成一个更大的总系统，各个系统和总系统必需在这个参考体系构造模型的根底上构建，各个层面的内容必需可以相互兼容。接下来将逐一引见各个层面和它们之间的关系：6.2.3.1 业务层 确保价值链中各项功能的集成 描画商业方式及其构成的全过程 法律和监管框架 对构建系统时必需根据的规那么进展

59、建模 功能层各项功能的协调 不同业务流程的衔接元件 接纳业务流程切换的事件业务层并不是指企业资源方案(ERP)等详细的系统。企业资源方案(ERP)功能在业务流程背景中运作，通常属于功能层。6.2.3.2 功能层 功能的方式化描画 不同功能横向集成的平台 得到业务流程支持的功能的运转和建模环境 运用运转环境和技术功能规那么或决策是在功能层内构成的，也可以根据下层(信息层或集成层)的运用场景构成。远程访问和横向集成都只能在功能层内进展，这样可以保证信息与流程形状的完好性以及技术层面的集成。出于维护的目的，也可对设备层和集成层进展暂时访问。暂时访问时仅能访问功能层下面的层面的相关信息和流程，例如传感

60、器/促动器的闪烁或诊断数据的挑选。维护过程中的暂时远程访问不影响长期的功能集成或横向集成。6.2.3.3 信息层 事件(预)处置的运转环境 执行与事件相关的规那么 规那么的方式化描画 背景：事件的预处置在信息层，一个或多个事件会根据规那么进一步产生一个或更多的事件，然后触发功能层来处置这些事件。 长期保管经过模型来表示的数据 确保数据的完好性 不断地集成不同数据 获取更高价值的新数据(数据、信息、知识) 经过效力接口提供构造化数据 接纳事件，对数据进展适当转换，使其可用于功能层的运用6.2.3.4 通讯层 在一致的数据格式下对通讯进展规范化，使通讯层的数据格式与信息层一致 提供控制集成层的功能