借鏡德國工業4.0經驗　工業物聯網標準放眼未來

工業物聯網(IIoT)是一個術語，用於描述使用物聯網(IoT)技術在工業領域的應用，尤其智慧製造領域，因此有時與工業4.0(Industry 4.0)混用，工業4.0的核心就是網路物理系統(Cyber Physical System, CPS)在製造業應用，而IoT與CPS用語也常在標準組織上定義類似，因此工業物聯網與工業4.0其實目前大部分講的都是同一件事，但是因從不同角度切入與實踐，其起始之參考標準架構不同，使得後續標準發展發展方向不同，甚至有時混亂，對此，本文將介紹國際工業物聯網標準目前發展的方向。 

布建工業物聯網　解決關鍵挑戰 

第一次工業革命源於引進蒸汽動力，第二次採用電力替代蒸汽，第三次涉及自動化模具設備和將機器人放置在裝配線上，工業4.0則是是基於CPS生產模式。 

工業4.0在技術上可透過網路達成分散自我控制、虛擬的組織、生產單位具自我組織的自主能力、產品決定智慧生產過程及人機協同彈性作業等，在企業上可實現更輕的資本密集度和增加價值創造了新的方向、允許減少資本化的利用和增加利潤，從而對資本回報率產生重大影響、鼓勵在地企業能與大企業競爭。但是，布建工業物聯網必須要解決以下幾個關鍵挑戰： 

・共同平台(基礎設施)

通用的基礎設施，能夠垂直/水平整合整個開發環境。 

・競爭力發展 

新興的能力，如大數據科學家、開發人員、數據管理人員等。 

・勞動者靈活性

靈活的勞動環境、創業合同。 

・技能發展

包括新工具、任務和方法。 

・網路安全 

確保保護數據和技術。 

・法律與標準環境

制定標準/規範，來支持破壞性開發通用之基礎設施，如5G等。 

圖1 工業製造金字塔階層模型

在制定標準/規範來支持破壞性開發通用的基礎設施中，藉由各界同意的統一的參考架構模型來構建進一步的標準工作是非常重要的。在了解標準未來需求時，可由現有工業製造金字塔階層模型來著手(ISO 62244, 圖1)。金字塔階層包含企業階層、MOM階層(Manufacturing Operations Management)、SCADA階層(Supervisory Control And Data Acquisition)以及設備階層，各個階層現有標準範例列於金字塔兩側，過去30年大多數製造標準已經取得了很高的成熟度。 

然而，為了啟用工業4.0，需要進一步的標準制定，完全實現工業4.0功能將需要基於分層控制模型來替代傳統製造系統架構，圖2顯示了基於分散式製造服務(CPS製造服務)的範例，透過引入可作為網路上服務的智慧設備、更多的每個階層的嵌入式智能、大數據預測性支持控制的分析，以及在所有階層實現控制和功能虛擬化的雲技術，利用這些功能，使用新的方法在各個階層上可實現全面連結的工業物聯網。 

圖2 工業製造金字塔階層模型改變為分散式服務的智慧製造系統

現有的標準遠遠不能用於此全面向服務的智慧製造生態系統，須要新標準的支持，包括參考架構、網路安全、工廠聯網、供應鏈整合以及從工廠層面到企業級的數據傳輸。 

表1列出了這些標準的機會及其支持的功能類型，具體來說，這些領域的新標準或改進標準，將提高靈活性、品質、生產率和可持續發展性相關等的能力。第一欄是新標準的機會領域，第二欄顯示標準對工業物聯網生態系統的影響，第三欄顯示標準如何映射到工業物聯網功能，此表不作為完整標準機會之列表，而是列舉重要標準方向，作為後續探索和運用的起點。 

如表1所示，必須包括高階參考架構或特定模型體系結構，以便擴展企業內部以及整個企業之間(包括供應商和客戶之間)的整合功能，這些參考架構將能夠往下展開開發相對應的標準，如智慧設備的生產模組。隨著這些系統到位，智慧機器通訊標準以及架構體系將允許系統級控制的自動化，以及從最低製造層到高控制層的數據透明度。 

分辨IIRA及RAMI 4.0 釐清各自分類分工 

隨著產業開始更了解物聯網實質內涵，但對支持此一觀念的相關國際組織及其發展之工業物聯網參考架構/模型的作用以及它們之間的相互關係，仍然存在一些混亂，例如工業互聯網聯盟(IIC)物聯網參考架構(IIRA)與德國工業4.0的參考架構(RAMI 4.0)。 

IIRA從上而下的角度描述了物聯網，RAMI 4.0則專注描述智慧製造，兩者使用相類似之標準方法(ISO/IEC/IEEE 42010)建構其參考架構，但因兩者利益相關者之起始觀點(Viewpoint)不盡相同，RAMI 4.0描述不同數據的相關性及不同功能類型的分配情況，這個功能層並不是經典的製造金字塔結構所描述的設備分類。 

RAMI 4.0模型透過在底層增加產品或物體層、在頂層擴展IEC62264的分層結構；IIRA則提出鑑別系統用戶、供應商、開發商及技術人員等不同利益相關者的觀點，目標是從他們的角度來描述系統特性。 

IIRA分層模型描述了四種不同的觀點，包括商業(Business)、使用(Usage)、功能(Function)、實施(Implementation)，它著眼於軟體和商業過程所涉及的能力，兩者即使在智慧製造的關聯也僅從IIRA之功能領域(Function Domain)可映射到RAMI 4.0的各層。 

圖3為IIRA與RAMI 4.0領域關聯圖，圖4為IIRA功能領域映射到RAMI 4.0的各層示意圖。由此可看出，工業物聯網標準須要各領域相關利益者參與調和，才不至於因各自發展，對後續標準發展及企業在系統實施時產生多重選擇與不相容的兩難課題，不利於企業發展之整合。 

圖3 IIRA與RAMI 4.0領域關聯圖

這兩種參考架構都包括目前業界常用於通訊層的OPC統一架構(Open Platform Communication-Unified Architecture, OPC UA)，IIRA從功能領域包含，RAMI 4.0從通訊層包含。 

圖4 IIRA功能領域映射到RAMI 4.0的各層示意圖

另外，OPC UA通訊層這部分，與Object Management Group (OMG)組織的Data Distribution Service for Real-Time Systems(DDS)通訊層，也對工業物聯網造成了一些混亂，兩者都是以推廣設備、機器和系統之間的互操作的協定，但DDS和OPC-UA以不同的觀點方式解決了類似的問題。 

DDS是以數據為中心的觀點，支持點對點通訊以及IIoT系統中設備橫向數據共享，OPC-UA是一種以設備為中心的技術觀點，旨在支持設備互操作性，並將感測器，嵌入式設備和PLC控制器整合到更大的系統中，OPC-UA已經大量用於自動化產業，因此其在工業物聯網生態系統通訊層中具有優勢。 

了解工業4.0標準發展 認識相關組織/技術委員會

由圖3可了解工業4.0標準在智慧製造是發展與調和較快的領域，工業4.0各標準組織之間之關聯性如圖5所示，IEC TC65主要負責智慧製造標準化工作，智慧製造的許多要求都來自工業自動化領域，IEC TC65已經制定了約四百項智慧製造的國際標準，智慧製造未來所須制定的標準中大部分也都在TC65的工作範圍內。 

圖5 工業4.0各標準組織之間之關聯性

TC65與國際上五十個內外部技術委員會建立了聯盟關係，並進行擴展以滿足智慧製造的要求，TC65具有高度活躍的專家成員，包括大約六十個工作組和超過七百名專家，德國工業4.0標準化委員會將IEC TC65作為國際標準化的核心技術委員會，並推動RAMI 4.0成為國際電工委員會(IEC)國際標準。TC65與ISO/TC184和ISO/IEC JTC1聯手成立JWG21「智慧製造參考模型」聯合工作組。 

2017年3月，IEC出版IEC/PAS 63088智慧製造-工業4.0參考架構模型(RAMI 4.0)標準，主要內容包括工業4.0中的資產、RAMI 4.0、工業4.0元件、工業4.0元件的管理層以及工業4.0元件的形式，這是智慧製造新概念提出後公布的第一個國際標準化規範，中國智慧製造、美國的工業互聯網和德國工業4.0將繼續在TC65以此文件討論未來形成統一的智慧製造參考模型國際標準。幾個重要相關的標準組織與技術委員會如表2所示。 

德國工業4.0經驗　足堪台灣借鏡 

德國工業4.0維持其全球市場領導地位，放眼全球市場、人才、資金、資源等，台灣較少高階參考架構研究，大部分仍延用ISO/IEC 7498-1網路層分析工業物聯網未來應用情境，或專注於智慧機械通訊特定模型發展，既然目前已有初步共識之工業4.0參考架構模型，應好好協同研究及參與後續相關標準，強化全球競爭力，希望台灣搶占工業物聯網(工業4.0)的橋頭堡，而不是工業4.0占領台灣。您可以在http://www.taics.org.tw/獲取更多關於工業物聯網更詳細技術細節。 

(本文由台灣資通產業標準協會提供；作者為工業技術研究院量測中心電光計量研究室準化工作小組經理)