工业4.0本体标准及其场景 *

维拉·拉根·萨姆帕斯·库马尔 阿拉·哈米斯等

内容提要 ｜ 当前的第四次工业革命（简称“工业4.0”）以数据、连接、网络系统为驱动力，具有创造巨大商业机会的潜力。随着工业4.0的到来，技术系统需要解决智能系统之间的交互问题，确保各种交互可靠与安全。在多个智能系统（包括人类和软硬件）之间采用共同的语言沟通是工业4.0的一个重要方面。本体标准可通过互操作方式将智能制造的知识表述本体化和标准化，从而提供可行解决方案。本文对当前的几个工业4.0本体标准进行了介绍，阐述了工业4.0领域的本体标准现状，并就真实场景下的工业4.0案例进行了展示。

一、工业4.0 基本介绍

（一）工业4.0是什么？

“工业4.0”这个词指的是基于最新技术进步的第四次工业革命。除了代表信息物理系统（Cyber-Physical System, CPS）概念的应用——通常被认为是工业4.0 的核心所在之外，它还涵盖先进数据通信系统、嵌入式智能、数据语义标准化。

工 业4.0 发 源 于21 世 纪 前10 年 的 美国国家项目“智能制造领袖联盟”（Smart Manufacturing Leadership Coalition）和德国国家项目“工业4.0”项目。“工业4.0”这一表述首先被ABB 和西门子等公司采用，后在行业内普及开来。目前，工业4.0 的潜力已被证实，它无论在效率、绩效，还是生产率上，都能将当前工业水平推高一个层次。

工业4.0 场景可以在虚拟场景中进行模拟，然后再进行实体化，最终达到支持高度定制、精准和及时物流供应链，以及高效产品配送的目的。所有产品都可以在虚拟空间里模拟完成，从最小最不重要的原材料、原件，到完整的产品和所有与产品生产相关的机器，均是如此。因此，快速高效的数据传播、先进的无线通信技术（如5G）至关重要，只有如此，产品子系统才能自动选择最优产品生产流程，同时与工业场景中的其他构件和元素交换数据。

制造流程是工业4.0 场景的核心所在，而在不同设备之间，自动机器人被广泛地用于提高制造绩效和收益。结合当下的数据分析和识别技术，工业4.0 将带来新的可能性，比如与工业流程中的其他系统进行实时的互操作、模块化、分布式处理和整合等。这些可能性也正是工业4.0的核心概念所在。

（二）工业4.0技术

工业4.0（也即智能工厂）以对制造业流程的完全创新或彻底变革为基础，包括一系列自动化、数据交换和智能技术，如虚拟企业、云制造和物联网（IoT）。物联网又被称为万物互联。工业物联网（IIoT）概念的出现及工业互联网在美国通用汽车公司的应用也代表着工业领域物联网的正式应用落地。

工业物联网的数据来自供应商、客户和工厂，经过评估之后才被用于实际生产。越来越多的新技术正在不断投入应用，如数据分析、智能传感器、云计算和新一代机器人。在其影响下，经过调整、优化或实时设置的灵活生产系统得以出现和应用。

传统工业依赖ISA-95 标准1ISA-95 是企业系统与控制系统集成国际标准，由仪表、系统和自动化协会（ISA）在1995 年投票通过。——译者注，该标准很好地定义了五层自动化结构。机器层（即现场设备，如传感器和制动器）位于最底层，通过数据或模拟信号实现与控制层之间的数据发送与接收，例如可编程逻辑控制器（the Programmable Logic Controller）。单元层面的监控和数据采集系 统（Supervisor Control and Data Acquisition systems）远程执行控制任务。流程控制层的制造执行系统（Manufacturing Execution Systems）允许用户执行复杂任务，如产品排程。顶层的企业资源规划（Enterprise Resource Planning）或工厂操作管理层允许进行管理性汇报，与其他系统共享制造数据，如订单状态等。

第四次工业革命代表着一种新范式的出现。借助网络—实体自动化技术，传感器直接向云端传递数据，云端则实时获取数据，提供监督、控制和优化服务，最终实现从集中式工业向分散式工业的转变。因此，工业4.0 的灵活生产网络既需要公司之间的水平整合，又需要将网络中的生产数据垂直传递给本地生产系统的各个终端服务节点。这一新兴技术的最终目标是改善工作环境，提高生产效率、速度、准确性、再现性、可靠性、灵活性和竞争力。在接下来的几年里，这些技术将能替代现有的制造流程，使得大规模定制化、快速生产、高品质、高生产效率和良好决策成为可能。

值得注意的是，一方面，得益于新技术的应用，机器可快速适应客户的具体要求和其他额外制造要求，因此小批量产品也可以在维持合理成本的情况下，适用规模化定制技术。另一方面，数据驱动的供应链可加快制造流程，预计将交付速度提高120%，将产品推向市场的速度提高70%。工业4.0 技术旨在提高产品质量，大幅降低报废品或缺陷产品返工的成本。工业4.0 中的预测性维护和自修复技术旨在保证工厂正常运行，确保生产率。借助于工业4.0 技术，个人和企业可共享产品、服务和经验，促成全新的“共享经济”模式。决策者则可利用工厂和交叉市场数据，及时准确地对工厂需求和市场趋势做出预测、响应和调整。一些预测表明，2019 年，智能工厂技术带来的全球市场规模可达629.8 亿美元，到2022 年，可达748 亿美元。

（三） 工业4.0面临的挑战

工业4.0 为新工业革命打开了大门。要了解工业4.0 的影响和挑战，了解它如何不同程度地影响人类的生活，就要了解工业革命的演化史，了解工业革命是如何发生，技术是如何演变的。第一次技术革命爆发于英国，时值18 世纪晚期，以蒸汽机的发明和新的机械生产设施的引入为标志。第二次工业革命爆发于19 世纪，电、化工和汽车工程取得快速发展。第三次工业革命以电子和航天部门的快速发展为标志，信息机技术系统和自动化生产得以广泛应用。

第四次工业革命发源于信息物理系统的使用，以新一代智能制造集成技术的发展为重点，寻求不同工业领域规划和应用的优化，如石油和天然气、采矿、能源、钢材生产、建筑、航空、汽车、电力、化工、过程工程等行业。此外，虚拟生产概念被认为是模型生产的核心所在，旨在实现零缺陷。

工业4.0 的驱动力是经济社会的快速和持续数字化，主要表现在农业、生产和服务行业，例如银行、电信、旅游和保险等。同时，工业4.0 也整合了通信技术（如云、物联网）和智能工业技术（如新一代智能代理、机器人物联网、增强现实和虚拟现实）的新趋势。

尽管工业4.0 前景广阔，但是这一领域的参与者也面临一系列挑战，从人机交互到数据分析等不一而足。无线通信也是工业4.0 的重要影响因素之一。目前，5G 网络仍在研发之中，其他无线技术需同时存在，因此必须考虑多网络共存的解决方案。此外，在集成信息物理系统的背景下，需要理解数据的异构性和互操作性；在基于代理的生态系统中，明确的交流、高效的协作与合作将必不可少。所以，在整个工业环境中，用于智能制造的信息和数据应遵循统一的语义标准。

本体标准是工业4.0 各技术伙伴获取和共享公共知识的强大解决方案，例如语境即服务平台（Context-as-a-Service platforms）。事 实 上，本体标准旨在使领域知识清晰明了，消除模糊性，使机器语言合理，促进机器与人之间以及机器与机器之间的知识共享。此外，工业4.0 的本体标准应以业务为中心，促进客户和合伙伙伴之间的合作，同时也满足本体、自主机器人的需求。此外，本体标准也应利用现有本体来分析和再利用领域知识。

针对以上特点，本文从本体的角度对工业4.0 进行了探讨，同时满足数据语义一致性和标准化的强制要求。我们的目标是明确领域知识，帮助工业4.0 从业者开发连贯、高效的系统。本文的贡献在于提出工业4.0 本体视角，并对工业4.0 自主机器人予以重点关注。

二、工业4.0 本体标准

（一）工业4.0本体标准框架

本体标准是一种对知识表达进行标准化的正式概念模型，为概念和关系提供定义，以互操作的方式捕捉某一领域的知识。一方面，工业4.0/工厂4.0/智能制造包括一些与业务服务相关的概念，涵盖项目管理、组织管理、客户满意度管理、风险管理和虚拟操作的自动化，如开单、票务、提供建议和决策辅助等。另一方面，还包括一些与生产服务相关的概念，包括制造流程的抽象化，如生产管理、生产合规、资源重构、决策支持和链条流程的智能自动化，如装配、拆卸、包装、运输、系统诊断、产品控制、安全控制和安全检查。

过去10 年，一些特定工业领域已经产生了本体标准，如航空、航天、建筑、钢材生产、化工、石油、能源、电子等领域。一些具体制造流程也应用了一些本体标准，如包装、流程工程、流程合规、风险管理、安全管理、客户反馈分析、组织管理、项目管理、产品开发、维护、资源重构、产品排程。关注某些服务和制造概念的本体标准也已出现，如票务、信息流动、信息安全和数据集合。

最近提出的两大本体标准框架或将覆盖智能制造的广泛领域。因此，程海波等人提出一种生产线模型，涵盖5 个本体，即设备本体（如机器概念）、过程本体（不同技术设备所执行的不同操作）、参数本体（如服务质量概念）、产品本体（产品信息等）、基础本体（集成其他四项本体，定义概念规则）。格雷戈里·恩格尔（Gregory Engel）等人提出了批处理流程装置的三层本体：第一层，也称应用层，包含各项操作；第二层，也称域名层，指的是架构；第三层，也称上层，指的是用以描述通用系统特征和关系的上层本体模型。

这些本体标准为该领域带来了一些进步，但是其涵盖范围和基本词汇表仍然很有限。对整个领域进行标准化将是一项巨大工作，在接下来的一个章节中我们介绍了目前的一些标准化成果。

（二）工业4.0的本体标准

1. 基本现状

工业4.0 十分依赖机器人代理，而在智能制造中，机器人代理不断演化，已经能执行主要的操作活动，并能与人类操作员、客户和不同的分布式合作伙伴进行沟通，因此，知识标准化是工业4.0 面临的一个关键挑战，应及时快速地予以解决，以避免问题大规模累积，影响后期发展。工业4.0 的本体标准化工作建立在IEEE 1872-2015 机器人和自动化标准本体（IEEE 1872-2015 Standard Ontologies for Robotics and Automation）的基础之上，提出了一系列关于机器人和自动化（Robotics and Automation, R&A）领域的本体标准——可与现有工业4.0 领域的一些特有本体概念进行合并，从而扩展到工业4.0领域，具体如下。

机器人和自动化核心本体（Core Ontology for Robotics and Automation, CORA）：在IEEE 1872-2015 机器人和自动化标准本体的范畴内，CORA 是机器人本体的核心本体。核心本体指的是一个领域（如机器人）的通用概念。以CORA为例，它定义了机器人（Robot）、机器人组（Robot Group）和机器人系统（Robotic System）等概念。CORA 的作用是充当机器人和自动化领域其他专门化本体的基础，它们是在IEEE P1872.1 和P1872.2 标准中发展出来的，重点关注机器人任务表述（Robot Task Representation）和自主机器人（Autonomous Robotics）表述的标准化。此外，它还确定了一组基本本体所应拥有的标准，有助于机器人开发人员和其他本体学家创建关于机器人的模型。

自主机器人本体（Autonomous Robotics,ROA）：ROA 定义了自主机器人的基础概念。ROA 提供行为、功能、目标和任务概念的定义，重新利用一些本体概念，如建议上层合并本体（Suggested Upper Merged Ontology, SUMO）的上层本体，CORA 核心本体和一些专门化的本体，如时空可视化本体（Spatio-Temporal Visual Ontology）。

机器人架构本体（Ontology for Robotic Architecture, ORArch）：ORArch 阐述了与硬件和软件相关的概念，以及如何在混合架构描述中表述这些概念。此外，ROA 旨在允许人们描述同一个机器人的多个架构观点，结合了硬件和软件设备。

顶层概念是顶层本体的一部分。本体将现实分为三种，分别是持久实体、永久实体和抽象实体。持久和永久与时间有关，而抽象实体与时间无关。永久实体包含时间部分，如过程和事件，而持久实体不包含时间部分，如物理和社会对象。抽象实体是形式实体，如逻辑实体和数字实体。

这个本体的主要部分在于对物理实体和虚拟实体的区分。物理实体是日常生活中用到的物件。虚拟实体是运行的计算设备产生出来的。计算设备是执行可计算函数的实体。虚拟实体包括与软件运行相关的典型实体（如进程、线程、组件、对象和过程）和其他虚拟现实实体。

该本体还从CORA 中引入了机器人概念。我们介绍了一些概念（和公理化），如Artifact，以使其含义与CORA/SUMO 保持一致。

ORArch 包括描述和情景（descriptions and situations，DnS）本体，用以描述机器人架构。DnS 无需二级语言也可对描述进行表述。它包括两个主要概念，即描述（Description）和情景（Situation）。“情景”指的是一种类似于集合的实体，它将那些应该放在一起考虑的实体聚集在一起。例如，机器人工厂或机器人导航场景。“情景”满足一个或多个描述。“描述”是对情景元素进行分类的概念和角色。对工厂的描述可定义A 类产品和B 类产品概念。对机器人场景的描述可定义目标、障碍等概念，对不同情景下的目标和区域进行区分。值得注意的是，概念实例与构成本体本身的概念是不同的。以移动机器人（Mobile Robot）为例，它可能是CORA 某个子类别的本体，例如机器人，或机器人类型的一个实例。这两个实体是不同的。在ORArch 中，我们认为机器人架构的概念包含两个方面，既可以指给定构造机器人的组件选择，也可以指可能出现在不同机器人中的架构模型或架构描述。这两个概念包含概念（机器人架构）观点和（机器人架构）描述。

工 业4.0 本 体（Ontology for Industry 4.0,O4I4）：O4I4 致力于工业4.0 特定领域的概念，通过重新利用CORA、ROA 和ORArch 本体概念为智能制造中的机器人领域创造本体标准。值得一提的是，CORA 将SUMO 作为上层本体。但是，按照本体标准化的要求，在P1872.2 中，SUMO 应是顶层本体的备选项。原因之一是，一些IEEE1872 的用户希望将CORA 用作其他顶层本体。而SUMO 对于定制化项目来说，也过大和过于复杂。O4I4 的目标是成为关注业务的本体标准，因此我们开始选择一个最低限度的顶层本体来支持我们的研究。此类顶层本体可有可无，但如果需要，也应能轻松地映射其他顶层本体。

此外，在O4I4 本体标准中，计算服务（Computable Service）指的是捕捉过程概念的计算设备操作，在这些过程概念中，一个代理必须计算一项外部请求（可能的输入）并交付相应结果（输出）。但是，计算服务只能在代理能够执行该服务（包括物理计算设备的可用性）的情况下存在。因此，计算服务从请求者开始被服务的那一刻开始存在，而不是从代理被请求的那一刻开始。值得指出的是，从计算科学角度来看，计算服务是一种服务。将来还可以开发其他种类的服务来涵盖与机器人服务相关的概念。

2. 本体标准图谱

综上所述，使用正式模型的标准设计包括：（1）机器人概念的标准词汇开发；（2）自主机器人功能本体的开发；（3）以函数为基础进行的关系验证；（4）工业4.0 应用对已开发词汇和本体的利用。

这种设计拥有两大好处。一方面，学者可以清晰地对该主题的概念进行讨论，从而为该主题的进一步研究和调查铺平道路。另一方面，行业从业者可以使用这些本体来概念化现场场景。实际上，工业4.0 框架内考虑的每个场景都包括相互交流和合作的不同实体，本体标准的主要作用就是促成上述交流，如第三部分所示。

三、工业4.0 场景

（一）智能快速成型场景

在工业4.0 中，3D 打印制造是智能工厂的关键赋能技术之一。该技术又被称为快速成型、数字技术、固体成像、自由形状制造、分层制造和激光成型等。其过程包括在相对较短的时间内构建原型或工作模型，以帮助创建和测试各种设计的特性、创意、概念、功能，以及特定情况下的结果和性能。如今，人们对更快速定制生产的需求和期望不断增加，希望企业能借助这种技术交付更多产品和产品变体的快速原型，在当地乃至全球对专业产品和已停产部件进行生产支持。在快速成型技术的帮助下，企业有望快速且有效地交付组件和完整产品，减少库存和多余运输。

在智能快速成型场景中，顾客通过网页服务将预先确定好的要求发送给制造设备。此要求包含智能快速成型设备所生产部件的规格，客户上传的数字模型或从在线数字模型库中选择的数字模型，以及所需的材料、颜色和数量。然后，客户的要求被解析，发给快速成型单元，该单元生成或检索实体模型，并将其发送给创建3D物理模型的制造建模师。紧接着，启动后处理（如表面修整），并创建最终原型，再通过物流4.0技术（如联网卡车、地面/空中自动交通工具）交付给客户。此外，客户还能够跟踪从收到请求到最终原型交付的所有制造步骤。

在这一场景中，各实体之间的信息和资源交换成为了系统取得佳绩的关键，本体标准方法可促进这种信息交换，比如利用一些确定的概念，如可计算函数、计算设备操作和计算服务等。此外，O4I4 本体的使用也有助于统一流程中所需的属性，有助于机器和客户之间的清晰沟通和信息传递。

（二）无人机的优质交付场景

工业4.0 的另一项重要元素是高效优质的交付。让我们来考虑一下以下场景：操作员必须通过无人机监督货物交付，并为不同的交付任务分配不同的无人机。这些无人机拥有故障检测系统，可检测无人机性能是否异常，并及时通知操作员。基于这些信息，操作员需判断哪些无人机可以继续运行，哪些需要返回维修。操作员的判断需要大量专业知识，保证判断精确和快速。但这也可能会妨碍非专业业务采用无人机，如披萨外卖。

本体标准方法可在很多方面助益此类人机交互系统，帮助业务快速增长。例如，ROA 本体为任务、功能、行为以及时空关系等提供了正式概念。不仅可以帮助机器人清晰地将自身状况传递给操作员，还可以帮助操作员更好地做出决策。事实上，通过自动推理，机器人系统还能带来更有意义、更简单的信息。例如，故障无人机拥有在狭窄空间（如走廊）运送包裹的功能，当其发动机性能降低时，它的行为会出现一些变化，比如轨迹发生了微小却突然的变化。在非智能系统中，操作员必须独立检查无人机的这些行为是否与所设计的机器人功能相匹配，并决定是否让其返回维修。操作员的知识和工作量至关重要，但这种操作也可能会出现风险。在机器人架构本体的帮助下，系统可自动对不稳定行为进行分类，并推断其是否达到了运送披萨的设计要求。然后，系统可将这些信息直接推送给用户，减轻操作员处理低级别警报信号的负担，帮助操作员确定最佳行动方案，提高操作员的感知能力。

四、结 语

在工业4.0 环境中，机器人代理已是不可逆转的潮流，因此，开发可互操作的通信模型显得至关重要。在这种情况下，智能制造领域需要一个清晰的、基于语义的知识表述，以确保人机协作的连贯和高效。本体标准可为第四次工业革命的关键概念描述提供可行方案。本文介绍了工业4.0 本体的现状，回顾了该领域中现有的本体框架和本体标准化工作，呈现了一些工业4.0 的场景，旨在提高从业者对工业4.0 本体标准使用潜力的认知。