德国工业4.0分析

德国工业4.0平台，仍然在孜孜不倦地深耕技术细节。一段时间以来，在工业4.0的大背景下，人们渐渐意识到，要实现制造业数字化，除了技术驱动的自下而上的方法外，还必须通过自上而下的驱动方式。这种自上而下方法的起点是业务场景，从而衍生出很多的技术应用实例。而这些实例是获得新产品、解决方案和服务以及标准化的基础。

德国工业4.0平台构建了一个“基于价值服务VBS（value-based Service）”的工业4.0子体系，已经完全向工业互联网靠拢，进行了严格的技术对标，而且重点是从业务场景层面出发。因为对于技术用户而言，这些业务场景本身已经存在而且具体化了。

如何在技术层面上，以实例的形式描述参与者与技术系统的相互作用？德国工业4.0平台之一的目标是，按照以下的一个简单原则的边界条件，找到合适的抽象实例描述的标准。

☆ 作者团队以外的人员可以理解；

☆ 应用场景保证完整性（规定的80％）；

☆ 页数不要太多（每个应用场景不超过20页）。

这样读者就可以更好地理解企业与技术视角之间差异的用户，以简化制造业数字化背景下的各种讨论。

通常情况下，产品供应商向客户交付产品，但不会从客户对产品的使用中获得任何反馈。基于价值的服务应用场景是基于一个创新的假设，即未来交付的产品将连接到一个服务平台，客户使用产品的反馈数据将提供给服务平台，基于使用数据，服务提供商可以向客户提供（数据驱动的）增值服务。图1表示了其中的利益相关者，底层价值网络以及从客户到服务平台的新信息流，这些便是新的数据驱动服务的基础。

图1 基于价值的服务应用场景价值网络

从商业视角而言，图2说明了如何应用如图1所示的基于价值的服务的应用场景。在此考虑的产品是一台机器设备。为便于区分，这里用两种不同颜色表示两个不同的业务利益相关者：设备供应商（绿色）Supplier of machines和设备使用者（橙色）Operator of machines。

图2 从产品孤儿到产品服务系统

应用场景引入了两个额外的业务角色：服务平台的运营商和数据驱动型服务的供应商。要讨论未来谁将完成这些额外的业务角色。现有的商业利益相关者，即机器的供应商或机器的操作者，可能会完成这些角色，但其他业务利益相关者也可能会这样做。

对于一个在规划的系统，即IIoT系统中，具有如图3所示的通用逻辑结构。

逻辑结构的中心是一个服务平台，分为三层：设备连接层、基础设施层和应用层。在应用层中，包含各种应用。这些应用程序往往不需要特别的编程技术，可以通过配置库中提供的功能模块来创建应用程序，而不必反复编辑。

图3 基于价值服务的工业物联网系统

对基于价值的服务应用场景，需要9种角色，可以分为三个类别。

图4 角色分工

第一组角色，与资产的使用有关。这些角色与今天的典型设置非常相似，尤其是在制造业中，机器被认为是非常典型的资产。

☆ 设备使用者（Operator of an asset）：设备使用者通常指的是机器或整个工厂；

☆ 生产经理（制造公司）（ProducTIon manager）：管理整个制造过程（生产的计划和调度）；

☆ 设备供应商（Supplier of an asset）：有形资产的供应商；

☆ 设备集成商（Asset integrator）：通过服务平台的连接层和设备本身提供的功能，将设备连接到服务平台。

第二组角色，与服务平台的基础设施层以及服务平台的整体使用有关：

☆ 功能模块的开发人员：通过服务平台的基础设施层提供的开发功能；

☆ 服务平台运营商（Operator of the service）：管理和运营服务平台提供的所有功能。包括支持和咨询活动，以便不同层级服务平台的使用；

☆ 计算资源（CompuTIng resource）：云计算或者本地计算能力。

第三个集群，包含与基于功能模块配置的应用程序相关的角色：

☆ 设备使用顾问（Asset user advisor）：一个专家角色，将连接设备使用数据的技术分析的见解转换为建议，作为一种向设备使用者提供的服务。

值得注意的是，这些角色有可能是同一个人担任。

业务活动可以分为技术和商业。技术活动细分为两类：第一类活动与工程相关，涉及到设置、重新配置资产和IIoT系统；第二类活动与运营相关，资产和IIoT系统的使用和维护。

以“设备连接”活动为例。最早的触发动机是，此活动将由生产经理以明确的方式发起、设计和调度。这里需要定义数据从设备到服务平台的转换要求。

图5 设备连接的流程

☆ 任务1“根据产品经理的要求定义要传输到服务平台的数据（包括传输协议）”：角色-资产集成商和供应商；

☆ 任务2“将设备连接到服务平台（包括提供配置功能以在服务平台上模拟显示资产整个生命周期的管理）”：角色-设备集成商；

☆ 任务3“提供对设备使用数据的访问”：角色-服务平台运营商；

☆ 任务4“验证设备连接”：角色-设备集成商、服务平台运营商、设备供应商；

☆ 任务5“接受设备连接”：角色-设备集成商和生产经理。

在这个过程中，设备到服务平台的连接必须以“自主配置”的方式实现。设备的重新配置，会引起连接的调整（目前通常由设备使用者执行），在以前这是一件非常耗时麻烦的事情。而今天，如果设备使用者执行重新配置，可以在没有设备集成商的帮助下，完成设备连接到服务平台。

服务平台的连接层，必须让设备集成商可以在没有其他角色帮助的情况下测试设备的连接（当然如果有问题，可以请求服务平台的运营商提供支持）的功能。

同样在“设备重新配置”、应用配置等一系列的活动中，都要有明确的流程和约束条件。例如“设备重新配置”（包括管理消耗品，辅助材料和供应商材料），最基本的要求是，设备与服务平台的连接必须便于配置，这样在后续更改配置的过程中，只有重新配置原始状态的请求时，才有必要向设备集成商求助。

本文对德国工业4.0平台的一个子分支进行了跟踪分析。其结果令人叹服。德国严谨的工程师精神，再次得到了验证。在顶层框架与一线实践上，二者取得了完美的融合。既有顶层视角，又有工程实践。这种结合，打破了我们对于德国擅长制造机器的看法。在如何构建一个机器群的生态上，德国人三年来的实践，超过我们的想象。而且值得注意的是，德国工业4.0平台不仅仅在跟美国工业互联网联盟IIC对标，也在积极跟日本的工业价值链IVI进行用例对接。而中国的工业互联网则似乎独立创造了一个空旷的语境。德国面向未来、面向国际合作、面向应用实践的顶层设计，值得当下中国工业界深入、再深入的思考。