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智能制造國際標準化發展綜述

發布時間:2020-8-19     來源: 中國儀器儀表

編者按

本文以國際視角綜合論述了智能制造關鍵概念、核心國際標準化組織的主要工作和最新進展,以及各國在智能制造標準化方面的主要舉措,供讀者參考。


1 背景

隨著新一輪科技革命和產業變革的不斷演進,制造業呈現出數字化,網絡化,智能化的發展趨勢,智能制造作為支撐變革的源動力,正在不斷突破新技術、催生新業態。為了在產業變革中占領有利位置,世界主要制造業發達國家紛紛提出各自的發展規劃:美國繼2012年提出先進制造業國家戰略計劃之后,于2019年發布了“美國先進制造業領導力戰略”;德國在實施工業4。0的基礎上,近期又出臺了“國家工業戰略2030”;日本提出“機器人新戰略”和“社會5。0戰略”,加緊在智能制造領域進行戰略布局。

在智能制造落地實施過程中,標準作為必要支撐,在協調所有相關方的信息交互、指導新產品開發、保障生產安全、建立用戶信心等方面發揮著至關重要的作用。


2 智能制造關鍵概念

2.1 智能制造的定義

我國工業和信息化部和財政部于2016年印發的《智能制造發展規劃(2016-2020年)》中對智能制造概念給出了定義:智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合,貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節,具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式。

IEC/TC65(工業過程測量控制和自動化技術委員會)正在制定中的IEC TR 63283-1 《智能制造 第1部分:術語和定義》(標準草案)對智能制造給出了初步定義:智能制造是以提升制造性能為目標,通過集成化和智能化手段,綜合利用網絡、物理實體和人員各維度的過程和資源來生成和提供產品與服務,促進企業價值鏈相關環節協作的制造業。

IEC/TC65與ISO/TC184(自動化系統與集成技術委員會)聯合成立的JWG21智能制造參考模型聯合工作組在標準草案中對智能制造的概念進行了定義:智能制造是制造業的擴展,其特征是獨立的參與方通過利用共享的標準化信息,在策略層面或者運行層面主動地或者被動地在網絡體系架構中動態地進行協作,為相關組織提供附加值。

ISO/SAG(工業4.0/智能制造戰略顧問組)在研究報告中對智能制造的愿景進行了描述:智能制造引領敏捷性、實時優化、自組織價值鏈的實現,可以高度適應快速變化的社會技術環境。這種趨勢需要適當的標準化接口和協調的業務流程來支持。

對于智能制造的定義,目前國內外還沒有統一的結論。雖然在一些國際組織中已經取得了部分共識,然而隨著技術的發展,大家對智能制造的認識還在不停的變化,它的定義和內涵也在不斷延伸拓展。

2。2 數字工廠的定義

IEC詞匯庫(IEV)對數字工廠給出的定義是:數字工廠是通過連續、不間斷的數據管理將數字化模型、方法和工具集成在一起的綜合網絡(包括仿真和3D虛擬現實可視化)。IEC/TC65制定的IEC 62832《數字工廠框架》(標準草案)中給出數字工廠的定義為:生產系統的數字表示。


圖1 數字工廠框架


2.3 數字孿生的定義

IEC/TC65/JWG21在標準草案中給出的定義是:在一個統一信息架構下,通過建立物理個體和虛擬實體的數字表示,將相互分離的元素進行關聯,提供整體生命周期的綜合視圖。


圖2 數字孿生范圍


3 智能制造核心國際標準化組織


3。1 IEC/SyC SM 智能制造系統委員會

鑒于智能制造跨技術領域的特點,國際電工委員會標準管理局(IEC/SMB)在2014年8月專門成立了IEC/SMB/SG8“工業4.0/智能制造戰略工作組”,開展智能制造相關的標準體系架構研究工作。2016年該戰略工作組改為SEG7“智能制造系統評估組”,開展智能制造相關的參考模型、體系架構、術語和定義、標準路線圖、用例等方面的研究。

2018年9月轉為IEC/SyC SM“智能制造系統委員會”,負責智能制造標準化的頂層設計和統籌協調,制定智能制造標準全局圖,分析市場和行業需求,識別、收集和研究智能制造用例,分析新技術在智能制造中的作用和標準需求等。目前下設WG1“用例和IT工具”、WG2“智能制造術語”、WG3“智能制造成果(架構、用例和模型)的導航索引工具”、CAG“主席顧問組”,以及由IEC/SyC SM和ISO/SMCC共同成立的OF1“智能制造標準圖”工作組,梳理智能制造相關國際標準和術語。

3.2 IEC/TC65工業測量控制和自動化技術委員會

IEC/TC65從2012年開始數字工廠國際標準的研制工作,是開展智能制造國際標準化的核心技術組織。下設TC65/WG23“智能制造框架和概念”、與ISO/TC184聯合成立JWG21“智能制造參考模型”、SC65E/AHG1“智能制造信息模型”等智能制造專題工作組,以及TC65/WG16“數字工廠”、TC65/WG24“工業應用資產管理殼”、SC65E/WG12“預測性維護”等智能制造支撐技術工作組。下設4個分委員會:SC65A(系統方面)、SC65B(測量和控制設備)、SC65C(工業網絡)和SC65E(企業系統中的設備和集成),共有60個工作組,已制定近400項工業自動化國際標準,特別是智能制造參考架構模型、數字工廠、系統集成、測控裝置、通信網絡、能效、功能安全、工業信息安全等國際標準已成為國際公認的智能制造核心支撐標準。

3.3 ISO/TMB/SMCC 智能制造協調委員會

為了更好的協調ISO在智能制造領域的國際標準化工作,2015年ISO/TMB(技術管理局)成立了ISO/TMB/SAG“工業4.0/智能制造”戰略顧問組,開展工業4.0/智能制造標準戰略研究,下設3個子任務組:AHG1標準梳理、AHG2參考模型、AHG3未來標準化需求。2017年,轉為ISO/TMB/SMCC“智能制造協調委員會”。主要工作之一是編寫智能制造用例,其目的是展示如何結合不同的技術、資源和領域,例如物聯網如何滿足供應鏈、人工智能和裝備的需求,應提供用于測試的場景,以易于理解的用例形式組織相關內容,而不是創建一個全面的列表。SMCC將于2020年12月結束新延續的兩年工作期,目前需要在結束前向TMB提交報告。

3。4 ISO/TC184自動化系統與集成技術委員會

ISO/TC184是ISO在智能制造領域最重要的技術委員會,其工作范圍是信息系統、自動化和控制系統,以及集成技術。下設3個分委員會:SC1“物理設備控制”、SC4“工業數據”、SC5“企業系統和自動化應用的互操作、集成和體系結構”。TC184/SC4工業數據分委會中有若干智能制造相關工作組,例如AG1數字化制造、WG2產品特征和庫、JWG8制造過程和管理信息、WG12產品數據表示和交換模型及資源、WG13工業數據質量等。SC5的研究內容涉及制造運行管理、制造環境和能效評估方法、企業控制系統集成、工業化和信息化融合評估等重要標準。

3.5 ISO/IEC JTC1 信息技術技術委員會

ISO/IEC JTC1工作內容主要包括:傳感網絡、大數據、物聯網、云計算、IT信息安全等。其中SC41“物聯網”分委會主要開展物聯網架構、物聯網互操作、物聯網應用方面的標準化工作,SC42“人工智能”分委會下設WG1基礎標準、WG2大數據、WG3可信度、WG4用例、WG5人工智能系統的計算方法和計算特性等5個工作組。2014年4月,ISO/IEC JTC1/SWG3 規劃特別工作組成立了智能機器專題組,計劃從虛擬個人助理、智能顧問和先進的全球工業系統等三個領域開展技術趨勢及標準化研究,其中先進的全球工業系統源于“工業4.0”戰略。

3.6 ITU

國際電信聯盟(ITU)主要設置三個部門,即無線電通信部門(ITU-R)、標準化部門(ITU-T)和電信發展部門(ITU-D)。ITU-T成立了未來網絡(與云)研究組(ITU-T SG13)和物聯網及其應用研究組(ITU-T SG20),將智能制造的標準化作為重點工作內容。為了對新興技術做出更快的響應,ITU還在研究組內設立智能制造相關技術的焦點組,包括“人工智能和其他新興技術的環境效率”焦點組(FG-AI3EE)、“面向包括5G的未來網絡的機器學習”焦點組(FG-ML5G)和“網絡量子信息技術”焦點組(FG-QIT4N)。代表性成果為ITU-T Y.4003《智能制造在工業互聯網語境中的概述》。

3.7 其它標準組織

IEEE標準協會(IEEE Standard Association,IEEE-SA)是世界領先的標準制定機構,隸屬于美國電器工程師學會(IEEE),其標準制定內容涵蓋信息技術、通信、電力和能源等多個領域。IEEE標準協會已經制定了900多個現行工業標準,同時還有500多項標準正在制定過程中。目前,IEEE-SA在智能制造領域制定的重點標準包括:IEEE 802。3《工業以太網網絡架構》、IEEE 802。1《時間敏感網絡(TSN)》、IEEE P2671《智能制造 基于機器視覺的在線檢測 通用要求》,IEEE P2672《大規模個性化定制通用要求規范》和IEEE P2806《智能工廠物理實體的數字化表征》。

美國工業互聯網聯盟(IIC)成立于2014年3月,致力于構建涵蓋工業界、ICT界和其他相關方的產業生態,推動傳感、連接、大數據分析在工業領域的標準化。為加快工業互聯網產業推廣,IIC加快了推動工業互聯網相關體系架構研究,并增強了與區域和國際組織間的協作。

目前,在ISO、IEC、ITU等國際組織都在開展智能制造相關工作,其中協調功能最強的IEC/SyC SM和ISO/SMCC,而ISO/SMCC只有協調作用,IEC/SyC SM除了協調還可以制定智能制造頂層指南或核心標準(如術語、用例模板等)。在技術委員會層面,IEC/TC65和ISO/TC184都非常活躍,然而不管在ISO還是在IEC,以智能制造冠以工作組名稱的,目前僅存在于IEC/TC65,可以看出IEC/TC65的重要位置。


4 智能制造核心國際標準


智能制造領域現行的國際標準包括智能制造參考模型、術語、用例等基礎標準,以及數字工廠、語義和數據字典、安全與保障、能效、系統集成、現場總線等支撐技術,見表1。從表中數據可以看出,其中67%的標準(含系列標準)來自于IEC/TC65。

表1 智能制造現行核心國際標準


5 各國智能制造標準化現狀

5.1 德國

為促進工業4.0的各利益相關方達成共識,德國工業協會BITKOM、VDMA和ZVEI,以及DIN和DKE等標準組織于2016年成立了工業4.0標準化理事會(SCI 4.0)。作為與工業4.0相關的所有標準化事宜的聯絡點,SCI 4.0負責組織標準化活動,把德國的利益相關方聚集在一起。德國工業自動化領域的特點是擁有多家全球知名企業和數量龐大的中小企業。全球標準化是德國標準化戰略的一個關鍵要素。為此,德國標準化組織DIN和DKE制定了《德國標準化路線圖4.0》,第4版已于2020年7月發布。

5.2 美國

美國依托工業互聯網聯盟(IIC)、國家標準與技術研究院(NIST)等機構,在智能制造國際標準化活動中開展了大量領跑工作。美國所提出的智能制造參考模型標準為“智能制造生態系統SMS”和“工業互聯網參考架構IIRA”,其特點是充分發揮所擅長的軟件和互聯網的優勢,圍繞制造系統,從軟件出發打通硬件,掌控跨領域資源與數據,實現各領域的技術生態應用。2016年2月份,NIST發布了《智能制造系統現行標準體系》的報告,總結了未來美國智能制造系統將依賴的標準體系。

5.3 日本

日本工業價值鏈促進會(IVI)是一個由制造業企業、設備廠商、系統集成企業等發起的組織,旨在推動“智能工廠”的實現。針對需要深入研究的領域,IVI成立了相應的先進研究小組委員會(ASG),形成例如物聯網應用、歐洲工業5G趨勢、日本戰略研究、仿真與硬件的相互補充等標準化研究成果。

機器人革命和工業物聯網倡議(RRI)是致力于智能制造系統的開發和標準化的工業聯盟。在互聯產業的五大焦點中,RRI被公認為日本“制造與機器人”的領先組織。RRI還承擔了IEC/SyC SM的日本委員會秘書處,建立了多方面的國際合作關系,包括與德國工業4.0平臺的合作,雙方標準化專家共同發布了多份智能制造應用場景報告。

5。4 法國

未來工業聯盟(AIF)是法國推進智能制造標準化的主要組織之一,在國家層面組織和協調促進法國工業現代化轉型的倡議、項目和工作。AIF認為標準化是支持和傳播創新的一種方式,參與標準化工作可以提高國家技術水平。AIF確定的具有標準研制優先戰略重點包括:協作機器人系統、增材制造、數字孿生以及多材料組裝。

5.5 中國

我國在工信部、國標委、科技部等部門的支持下,持續推進智能制造工作,取得了一系列成果。目前,我國初步建成國家智能制造標準體系,截至2019年底已發布智能制造國家標準232項,完成國標立項135項,形成標準草案500余項。

在國際標準化方面,我國參與智能制造國際標準化質量水平不斷提高。機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所作為IEC/TC65和IEC/SyC SM的國內技術對口單位,共組織97名中國專家參與了IEC/TC65的52個工作組,承擔了多個重要工作組召集人,牽頭制定32項國際標準,其中已發布17項,積極將我國智能制造技術成果轉化為國際標準。

此外,我國積極拓展雙邊、多邊合作,例如成立了中德智能制造/工業4。0標準化工作組、中法現代產業合作伙伴等,加深了與有關國家的合作共識,為推動智能制造國際標準化營造協調一致的國際氛圍。


6 結束語

在多方力量的不懈努力下,我國智能制造有關經驗和研究成果在國際標準化舞臺上扮演了重要角色,為智能制造國際標準發展貢獻了“中國智慧”。我們將繼續積極支持智能制造國際標準化活動,組織相關專家單位共同參與協同一致,不斷完善國際標準體系和治理結構,更好發揮標準在國際貿易和全球治理中的作用,做出中國貢獻。


作者簡介

丁露,博士,機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所標準與檢測中心副主任,教授級高級工程師。現任工業通信(現場總線)及系統分技術委員會(SAC/TC124/SC4)秘書長,科技部中德智能制造科技合作工作組秘書。主要從事測控系統、工業通信、可靠性等智能制造核心技術標準化和研究工作。長期負責國際標準化工作,擔任IEC/SyC SM/WG1智能制造用例工作組召集人、IEC/TC65/WG22自動化設備及系統可靠性工作組召集人。2012年獲IEC專家最高榮譽獎“IEC 1906獎”,2018年獲“中國標準創新貢獻獎”優秀青年獎。

汪爍,機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所標準與檢測中心國際標準化專員,主要從事工業測控、自動化、智能制造等領域的技術研究及標準化工作。擔任IEC/TC65/WG24工業應用的資產管理殼、IEC/SC65E/WG10智能設備管理、IEC/SC65B/PT61987-24公共數據字典等工作組中國專家。2019年代表中國青年專家成功當選全球僅3名的“IEC青年專家領袖”。2018年作為第1完成人榮獲中國機械工業科學技術二等獎。

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