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為什么說信息模型是工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個關(guān)鍵基礎(chǔ)？又為什么在國內(nèi)討論工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型很少有人提及信息模型呢？這是本文著重探討的兩個問題。

信息模型的基本概念

為了弄清信息模型的概念、含義和應(yīng)用，上網(wǎng)搜索了很長時間，也沒有發(fā)現(xiàn)真正把信息模型的概念闡述得清楚的資料，倒是上海工業(yè)自動化儀表研究院的原總工范鎧，在十多年前為中國自動化學(xué)會儀表裝置專委會舉辦的一次學(xué)術(shù)會議寫的論文《企業(yè)自動化信息模型》中，用了一定篇幅討論了信息模型的概念，我以為是把問題講明白了。可惜這篇論文一直沒有正式在專業(yè)媒體上發(fā)表過。在寫這篇文章中我采用了他的見解和基本描述。

曾有人對模型下過一個廣義的定義：模型是為一定目的對部分現(xiàn)實世界而做的抽象簡化描述。用數(shù)學(xué)方程描述的是數(shù)學(xué)模型，用一組抽象信息描述事物就是信息模型。這里，事物包括現(xiàn)實世界的客觀對象，也包括對客觀主體的行為建立信息模型。例如樂譜、拳譜都是客觀主體的行為，也可以視為信息模型，由此可見信息模型自古就存在，只是現(xiàn)在顯得更為重要了，因為信息模型為信息的交換和數(shù)據(jù)的交換提供了有效率的基礎(chǔ)。為此需要一個更嚴(yán)密的定義。

并非對事物的任意描述都可以是信息模型。鑒于模型含有規(guī)范、典范的意思，所以定義：信息模型是用一組簡化的信息，按一定規(guī)則對事物所做的抽象描述。這個定義有三個要點，即1）描述的方式是“信息”；2）按一定規(guī)則進(jìn)行描述；3）所做的描述必須是“抽象”的。對同一個事物可以有多種不同的方式或規(guī)則建立信息模型，也就是說建立信息模型的方法存在一定的任意性，但我們追求的是用普遍接受的方法，也就是符合標(biāo)準(zhǔn)的方法來建立信息模型，否則達(dá)不到通過建立信息模型來有效交換信息和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)可互操作的目標(biāo)。同時我們還應(yīng)該注意到，用于描述事物的信息量越大，這個事物就會被描述得越細(xì)致越真實；但采用了不當(dāng)信息，或者信息過多卻未被利用，那么這些無用信息只能被視為“噪聲”。

在自動化領(lǐng)域中建立的模型至少要滿足能觀性和能控性。從能觀性講，建模規(guī)則所涉及到的屬性必須是可以獲得的；從能控性講，建模所用到的規(guī)則、屬性必須是有限的，與應(yīng)用水平相當(dāng)。由于信息的采集、儲存、傳輸和處理都要占用資源，過量的信息將會導(dǎo)致資源的浪費，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的失敗。一般而言按一定規(guī)則來描述信息模型，意味著信息模型是面向某種集合、某種分類法的，例如OPCUA的信息模型和它的配套信息模型，流程自動化設(shè)備的信息模型PA-DIM，等等。

信息模型之所以成為自動化領(lǐng)域的研究重點，是因為離開了信息模型和數(shù)學(xué)模型，計算機(jī)無法對信息模型所表達(dá)的對象進(jìn)行處理，網(wǎng)絡(luò)也難以有效的發(fā)揮作用。特別是2015年德國提出工業(yè)4.0的遠(yuǎn)景規(guī)劃以及近些年來出現(xiàn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大熱以后，一些在前十幾年開發(fā)的有關(guān)自動化信息模型的標(biāo)準(zhǔn)開始有了用武之地。過去多年來積累了許多成熟的經(jīng)濟(jì)的技術(shù)和產(chǎn)品，例如眾多的自動化儀表、伺服電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)、PLC及其內(nèi)裝的應(yīng)用程序等等，都有可能在更大更廣泛的系統(tǒng)中作為一個部件（基本單元）來處理。如果我們希望隨著信息技術(shù)的發(fā)展能夠充分利用它們與IT領(lǐng)域交互，能夠讓由信息、物理實體融合構(gòu)成的CPS真正發(fā)揮作用，就必須為所有工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品建立信息模型，否則談什么數(shù)字化轉(zhuǎn)型、數(shù)字孿生體純粹就是空談，根本無法落地生根。

由于制造過程的復(fù)雜性，統(tǒng)一的信息模型還難以實現(xiàn)，因此制造過程的信息模型是分層次的。第一層是制造對象、制造工具的描述模型，例如：機(jī)械制圖、電路圖、以及自動化裝備的描述語言EDDL、FDT、FDI、OPC UA等。還有ISO、IEC正在構(gòu)建的LoPs（ Lists of properties ）。針對不同領(lǐng)域有許多LoPs標(biāo)準(zhǔn)，在過程自動化領(lǐng)域是IEC 61987。第二層是制造機(jī)器或過程的操作描述語言，例如：IEC 61804 FB、IEC 61499 FB、IEC 61131-3，以及各種操作數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等專用模型工具。第三層是制造車間流程的管理和調(diào)度模型。例如：各種生產(chǎn)線、AGV車操作和調(diào)度，以及各部分同步協(xié)調(diào)的模型和語言。

另外，信息模型不僅僅是對生產(chǎn)對象的描述，更關(guān)鍵的是要在工程化的實施中轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的行為。從這個角度看，信息模型是對系統(tǒng)進(jìn)行工程化組態(tài)的關(guān)鍵，原因在于：信息模型的數(shù)據(jù)表述形式可用圖形化加以表達(dá)和配置，比如PLC/Matlab的功能塊，SCADA/PLC的組態(tài)界面；而且信息模型的數(shù)據(jù)格式可被PLC Runtime里的軟件加載并解析，從而將用戶的工程配置，轉(zhuǎn)化為具體的機(jī)器指令。

從工業(yè)4.0基本單元資產(chǎn)管理殼的視角看信息模型

工業(yè)4.0基本單元（Industry4.0 Components）是描述信息物理系統(tǒng)CPS詳細(xì)特性的模型。CPS是一種在生產(chǎn)環(huán)境中的真實物理對象，通過與其虛擬對象和過程進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信的系統(tǒng)。在生產(chǎn)環(huán)境中，從生產(chǎn)系統(tǒng)和機(jī)械裝備到裝備中的各類模塊，只要滿足了上述這些特性，不管是硬件基本單元還是軟件基本單元，不管是具有智能特性的還是沒有智能特性，都具備和符合工業(yè)4.0要求的能力。

成為工業(yè)4.0基本單元有2個先決條件：1）它必須在整個生命周期內(nèi)采集所有相關(guān)數(shù)據(jù)，存放在有該基本單元所承載的具有信息安全的電子容器內(nèi)，并由它把這些數(shù)據(jù)提供給企業(yè)參與價值鏈的過程。在工業(yè)4.0基本單元的模型中，這個電子容器稱之為“資產(chǎn)管理殼”，簡稱管理殼。2）基本單元的物理對象必須具有通信能力，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)和功能。這樣，在生產(chǎn)環(huán)境中的硬件單元和軟件單元之間都能進(jìn)行符合工業(yè)4.0要求的通信。

資產(chǎn)構(gòu)成工業(yè)4.0基本單元（物理的/非物理的）的實體部分，管理殼構(gòu)成工業(yè)4.0基本單元的虛擬部分，工業(yè)4.0的通信將各種基本單元加以連接。實際上管理殼是連接工業(yè)4.0與資產(chǎn)的接口，是存放資產(chǎn)的所有數(shù)據(jù)與信息的存貯器，它同時還是作為工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)的接口，它具有把無源的資產(chǎn)（如軟件、文檔）集成到工業(yè)4.0的網(wǎng)絡(luò)的能力，它還能夠用來把現(xiàn)有的設(shè)備升級遷移至工業(yè)4.0的大環(huán)境中。

對資產(chǎn)管理殼結(jié)構(gòu)的要求是：1）必須滿足所有的工業(yè)類型：制造工業(yè)、流程工業(yè)和混合（同時存在制造和流程）生產(chǎn)；2）價值鏈涵蓋物流、采購、生產(chǎn)、產(chǎn)品回收處理和服務(wù)；3）增值網(wǎng)絡(luò)包括合作伙伴和包羅萬象的參與者；4）信息安全（按可信性、完整性、可用性要求）；5）在RAMI4.0 Layer維度服務(wù)于各個層級；6）在RAMI4.0的IEC2890維度運(yùn)用于要求、概念、設(shè)計、調(diào)試、運(yùn)行、升級；7）在RAMI4.0的Hierarchy Layers維度服務(wù)于所定義的層級跨度。

資產(chǎn)管理殼實際上是按一定規(guī)則構(gòu)成的元信息模型（見圖1）。它由標(biāo)識部分、若干子模型（信息模型）構(gòu)成。而子模型又包括其標(biāo)識、技術(shù)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)和文檔等部分。例如“能效”子模型就有節(jié)能模型、累計的節(jié)能數(shù)量、潛在的節(jié)能百分比等。為了將資產(chǎn)完整地融入IT的領(lǐng)域，工業(yè)4.0的解決方案要求構(gòu)成資產(chǎn)的方方面面都要加以連接，其中包括機(jī)械設(shè)備及其部件，所供應(yīng)的材料、零件配件和產(chǎn)品，各種技術(shù)文檔如圖紙、接線圖，合同，訂單等。

之所以在頂層設(shè)計中要專門嚴(yán)密設(shè)計資產(chǎn)管理殼作為關(guān)鍵的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，基于以下因素：資產(chǎn)管理殼是工業(yè)4.0對應(yīng)其物理實體的數(shù)字孿生體的實現(xiàn)；它賦予OT設(shè)備具有跨公司的互操作性；不論是智能產(chǎn)品還是非智能產(chǎn)品，都可以利用資產(chǎn)管理殼；它覆蓋了產(chǎn)品、設(shè)備、機(jī)械裝置及其配套設(shè)備的全生命周期；它還賦予價值鏈集成的能力；同時還是自主系統(tǒng)和人工智能AI的數(shù)字基礎(chǔ)。

圖1 資產(chǎn)管理殼元信息模型的結(jié)構(gòu)

為了推廣信息模型的應(yīng)用，德國已經(jīng)在著手開發(fā)信息模型運(yùn)用服務(wù)的軟件包，例如菲尼克斯公司下屬的軟件公司（即以原來以基于IEC 61131-3的PLC工程平臺MultiProg稱著的KW公司為主要班底），就正在開發(fā)測試命名為“資產(chǎn)管理殼軟件包的探索者”AASX Package Explorer。

圖2是今年德國工業(yè)4.0路線圖發(fā)布的一張系統(tǒng)圖，闡述具有資產(chǎn)管理殼的工業(yè)4.0基本單元（I4.0-Component with AAS）是實現(xiàn)跨公司OT設(shè)備的互操作性基礎(chǔ)。由不同的公司制造的OT設(shè)備，只要相應(yīng)建立一個符合工業(yè)4.0要求的資產(chǎn)管理殼，將在其全生命周期的各個階段都可以通過基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)（IaaS）、平臺架構(gòu)服務(wù)（PaaS）和軟件服務(wù)（SaaS）形成跨公司設(shè)備的互操作性能力。

圖2 工業(yè)4.0實現(xiàn)跨公司OT設(shè)備互操作性的方法

綜上所述可見，資產(chǎn)管理殼是能夠全面涵蓋生產(chǎn)系統(tǒng)、機(jī)械裝備、構(gòu)成生產(chǎn)系統(tǒng)和機(jī)械裝備到的各類部件和模塊的的信息容器，這些信息需要反映從設(shè)計、制造、運(yùn)行等各個階段的技術(shù)數(shù)據(jù)和狀態(tài)，還需要通過網(wǎng)絡(luò)化的手段與系統(tǒng)中的其它管理殼形成互操作。這樣一種復(fù)雜的跨時間、跨地域、跨行業(yè)、跨專業(yè)的綜合模型，除了采用由多個子信息模型構(gòu)成的元信息模型，目前沒有其它更加合適的建模方法。

從OPC UA的視角看信息模型

OPC UA的架構(gòu)由三部分組成（見圖3）：底層是有關(guān)通信的部分，具體采用哪種通信協(xié)議不受限制，每一種具體用例都是所選用通信協(xié)議的映射，可以是有線的，也可以是無線的；目前用的最多的是以太網(wǎng)。中間部分是OPC UA的元信息模型和對此信息模型的存取。最上部分是供應(yīng)商專用的擴(kuò)展，也就是配套的信息模型，如機(jī)器人配套信息模型、CNC數(shù)控機(jī)床的配套信息模型、風(fēng)電機(jī)械的配套信息模型，等等。

圖3 OPC UA的架構(gòu)

OPC UA是一個為實現(xiàn)工業(yè)互操作性的框架，其數(shù)據(jù)模型基于提供具有句法定義的信息，并且可以以任意的通信方法（包括各種現(xiàn)代的工業(yè)協(xié)議、以太網(wǎng)、移動通信和無線通信）進(jìn)行通信。設(shè)備和機(jī)械制造商用面向?qū)ο蟮男畔⒚枋鏊麄兊南到y(tǒng)，也定義與IT安全地集成的存取權(quán)。像機(jī)械制造廠商這樣的數(shù)據(jù)提供者可以保有對其數(shù)據(jù)的控制，并以有目標(biāo)和可控的方式來分發(fā)數(shù)據(jù)。他們不但是大數(shù)據(jù)的參與者，而且還可以通過對他們數(shù)據(jù)的分析達(dá)到提高效率和性能的目的，從而產(chǎn)生更大的制造和生產(chǎn)利益。OPC UA的目標(biāo)是通過建立一種可在整個自動化系統(tǒng)中使用的公共的信息模型的建模方法，達(dá)到無縫互操作性的實現(xiàn)。數(shù)字化的的實際關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的含義和描述，OPC UA為信息模型的建立提供一種框架和標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在的實際情況是每個設(shè)備和機(jī)械的制造商實際上也都提供信息模型，數(shù)據(jù)和接口也是可以使用的。但是如果不同的制造商生產(chǎn)相同的產(chǎn)品，由于沒有遵從標(biāo)準(zhǔn)，這些接口和數(shù)據(jù)就不可能有互操作性。反過來，如果他們在協(xié)商一致的基礎(chǔ)上制定標(biāo)準(zhǔn)信息模型，那么就能提供同樣的數(shù)據(jù)和服務(wù)。將這些設(shè)備集成起來不僅更方便，甚至可以做到即插即用的解決方案。

這就是OPC基金會及其伙伴一起來聯(lián)合創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)的信息模型（配套的規(guī)范）的目標(biāo)。表1是若干配套信息模型規(guī)范的一覽表。

第一個全球OPC UA機(jī)器視覺配套規(guī)范AutoID的開發(fā)，最早是由VDME提出，近年來發(fā)展成為由多國有關(guān)機(jī)器視覺標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行國際緊密協(xié)作的產(chǎn)物，這些機(jī)構(gòu)包括美國的自動化成像協(xié)會AIA、中國機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟CMVU、歐洲的機(jī)器視覺協(xié)會EMVA和德國的機(jī)械設(shè)備制造商聯(lián)合會VDME，以及日本的工業(yè)成像協(xié)會JIIA。像這樣一種聯(lián)合開發(fā)OPC UA配套規(guī)范的方法可以大大減少在機(jī)器視覺信息模型的重疊，在國際上形成協(xié)調(diào)一致的配套規(guī)范，從而達(dá)到在世界范圍內(nèi)大大降低實現(xiàn)真正互操作性的壁壘，使最終用戶和供應(yīng)商都能從中獲得利益。

可以肯定地說智能設(shè)備和裝置應(yīng)該同時支持多個配套的信息模型，例如智能型注塑機(jī)除了支持專門的注塑機(jī)的功能性信息模型，還要支持能源數(shù)據(jù)的信息模型，支持與MES系統(tǒng)接口的信息模型。如果PLC中裝載了某種機(jī)械裝置能充分理解的信息模型，同時用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)和通過標(biāo)準(zhǔn)化的軟件接口直接而快速地與外界（HMI、MES等等）溝通，這將大大減少工程量?？梢灶A(yù)見，今后類似這些行業(yè)專用的信息模型和多種行業(yè)都可通用的信息模型都能開發(fā)出來，其重要性和可用性將會迅速增長。這對于智能制造和實現(xiàn)工業(yè)4.0都具有重大意義。

還有一個跨領(lǐng)域的信息模型問題。有的細(xì)分行業(yè)例如自動識別AutoID行業(yè)，其產(chǎn)品的應(yīng)用面涵蓋很大的范圍，從石油天然氣行業(yè)、流程工業(yè)到離散制造業(yè)，機(jī)器人等都會用到自動識別的產(chǎn)品，于是AutoID行業(yè)所建立的信息模型是不是都能夠在其它行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，就演變成為如何建立跨領(lǐng)域的信息模型。還有像資產(chǎn)管理、能源管理、固件升級等等都是跨行業(yè)跨領(lǐng)域的應(yīng)用。為了解決這一類跨領(lǐng)域的信息模型的復(fù)雜建模，在OPC基金會內(nèi)部建立了一個跨領(lǐng)域協(xié)調(diào)組?？赡懿扇〉姆椒ㄊ菫榱藢崿F(xiàn)互操作性，先審查各相關(guān)規(guī)范之間存在的的相似點，以盡可能地使重疊的部分最小化。然后考慮將涉及全局的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到較高層級的可供通常運(yùn)用的數(shù)據(jù)倉庫。這樣的目的是防止每一個配套信息模型工作組自行定義具有相同應(yīng)用的數(shù)據(jù)類型。這個跨領(lǐng)域協(xié)調(diào)組的工作正在開展，能否見效還是一個挑戰(zhàn)，有待于在未來的實踐中檢驗。

在一個工業(yè)信息物理系統(tǒng)CPS中，物理過程和信息過程相互對應(yīng)又相互作用。這兩類事物天然具有異構(gòu)特性，為了彼此整合就需要一個合適的中間環(huán)節(jié)，選擇信息模型作為這個環(huán)節(jié)實現(xiàn)互操作性，既符合邏輯推理，又有實證支持。同時，信息模型有很多子領(lǐng)域分支，比如PLCOpen其實是一種主要用于描述控制邏輯編程的領(lǐng)域模型；AutomationML用于描述制造工藝流程布局、幾何結(jié)構(gòu)、機(jī)械運(yùn)動學(xué)和運(yùn)動規(guī)劃，也就是對生產(chǎn)系統(tǒng)描述建模的領(lǐng)域模型；FDI用于描述現(xiàn)場總線協(xié)議解析相關(guān)的模型。這些子領(lǐng)域模型彼此割裂，需要有一種能將它們集成，并拼接在一起的模型，這也是運(yùn)用OPC UA的信息模型方法，采用分層次的手段，解決為復(fù)雜對象建立信息模型的一種有效途徑。

表1 若干OPC UA配套信息模型規(guī)范一覽表

信息模型是工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)

在網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)中所有的生產(chǎn)環(huán)節(jié)和參與者，從設(shè)計、制造、集成到使用運(yùn)營各個階段，一直處在一種動態(tài)的開放生態(tài)系統(tǒng)之中，這種在分布式結(jié)構(gòu)中進(jìn)行大規(guī)模復(fù)雜的協(xié)同，其基礎(chǔ)就是需要實現(xiàn)相互之間無縫地交換信息和知識，或者說只有實現(xiàn)互操作才能達(dá)到高效率地交換信息和知識。在現(xiàn)代的生產(chǎn)制造大環(huán)境中，構(gòu)建大規(guī)模的分工和協(xié)同體系其必備的條件是產(chǎn)品的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，確保各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的順暢運(yùn)轉(zhuǎn)是體現(xiàn)產(chǎn)品模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的屬性——互操作性。而真正實現(xiàn)互操作性的前提是按標(biāo)準(zhǔn)化的方式建立各相關(guān)環(huán)節(jié)符合標(biāo)準(zhǔn)的信息模型。

由此我們可以得出以下判斷：隨著工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的啟動和開展，應(yīng)該充分認(rèn)識信息模型是工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，給予足夠的重視。

不過，如果對國內(nèi)的相關(guān)情況進(jìn)行了解和分析，你會發(fā)現(xiàn)在熱議數(shù)字孿生的時候人們只談機(jī)理模型和數(shù)據(jù)模型，無論是學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界對信息模型是何物，有什么用處，更不要說在哪里用，似乎沒有提到日程上來，使人感覺在工業(yè)發(fā)達(dá)國家討論并積極開發(fā)信息模型這個工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的熱點，在國內(nèi)卻被打入冷宮，棄之不用或棄之不提。國內(nèi)主導(dǎo)建模的學(xué)術(shù)界主要關(guān)注機(jī)理建模和數(shù)據(jù)建模，不關(guān)注信息模型的建立；而企業(yè)建模以解決具體問題為主，基本不會對事關(guān)企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的一攬子建模解決方案的頂層設(shè)計投入精力。其實，在機(jī)理建模和數(shù)據(jù)建模之外，還有功能性/組合建模（functional/compositional modeling），信息模型就屬于這一類建模。其實，從一定的意義上講，機(jī)理模型和數(shù)據(jù)模型的獲取和部署都有賴于信息模型，信息模型借助“量綱”的作用，如果數(shù)據(jù)沒有量綱，這些數(shù)據(jù)的使用范圍受到很大限制。

顯然，個別的信息模型沒有應(yīng)用價值，而系統(tǒng)的、事關(guān)全局的信息模型的頂層設(shè)計和實施需要政府主管部門引導(dǎo)，行業(yè)協(xié)會、標(biāo)準(zhǔn)化組織建立規(guī)則和規(guī)范，但是這些似乎并沒有引起足夠的重視，更遑論提到他們的議事日程。由此可見，國內(nèi)目前好像還沒有開發(fā)信息模型的土壤和動機(jī)，還處于懵懵然的狀態(tài)。與德國、美國對信息模型所投入的精力和所取得的進(jìn)展相比較，就知道人家貫徹工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是以實就實，盡管要真正獲得廣泛應(yīng)用也許還要許多年以后，但是事關(guān)百年大計至少是幾十年大計的問題，就必須從現(xiàn)在做起，依靠積累和漸進(jìn)方可達(dá)成。