共同理解制造能力和技能的参考模型

3.1要求和型号概述

各种出版物的要求概述如下[2]. 这里讨论了这项工作最相关的要求，而更具体的要求，例如有关解决方案技术的要求，则不在这项工作的范围内。能力、技能和服务的模型需要培养更有效的生产规划和生产系统重配置方法。这一需求可以被视为最重要的要求，所有其他需求都可以从中得到。两者都有匹配性和可执行性通常被作为一项要求提到，强调需要对不同级别的功能进行描述[2]. 虽然可匹配性最好通过正式模型实现，但可执行性需要绑定到实现技术。因此，需要明确区分这些概念。技能必须具有通信接口和个人技能状态需要表达[2].

图1表示统一建模语言（UML）类图，以说明考虑到前面讨论的需求而开发的CSS参考模型。该模型区分了能力、技能和服务三个方面。在每个区域中，定义了主要概念及其与其他模型元素的关系。此外，每个方面的主要概念都与PPR概念相关。

3.2服务

制造业一个充满希望且面向未来的发展是即将实现的工业生产向共享生产的转变。根据这种情况，生产站点将形成跨公司网络。在这种网络中，服务提供商可以提供其制造能力，并根据特定订单将外部合作伙伴的能力集成到其自己的生产流程中。这种情况意味着跨公司供应链中的订单处理自动化。实现这种共享生产网络的挑战是互操作性。在这种情况下，订单处理需要考虑所提供功能的纯技术描述以外的重要参数[11,13]. 例如，这些信息是关于经济标准的信息，例如交货日期、成本以及关于文件或维护、认证和评级的协议。为了对这些问题进行建模并将其与能力概念区分开来，本文引入了术语服务在经济意义上，代表一组由组织和经济描述补充的能力。应该注意的是，这里提出的服务概念不同于信息技术中使用的相同术语（参见第5.1节作为区别）。

在CSS模型的上下文中服务请求者提供所请求服务的规范及其属性，需要合适的服务。服务提供者可以提供适合于满足所需服务的服务。然后，他们可以提出服务报价，作为执行一个或多个服务的约束性合同的基础。服务请求者可以在指定的时间段内根据提议的条件接受提案。如果服务请求者通过市场搜索服务，则不同的服务提供者可能会创建多个服务提供。这些服务提供可以是互斥的，也可以组合起来满足所请求的服务。

3.3能力

我们定义了一个能力作为“工业生产中功能的实现依赖性规范，以在物理或虚拟世界中实现效果”。因此，能力指定了生产过程中的功能。通常，功能指定了在物理世界中产生影响的生产功能。然而，仅适用于虚拟世界的软件功能也可以建模为一种功能。指定生产函数的功能应指实际制造方法的术语，如“钻孔”，以及属性和能力约束准确描述其应用。一种能力的示例可以是“在特定类型的材料上钻一个特定深度和直径的孔”。

能力要么是由声称有能力应用所表达功能的生产资源提供的，要么是作为产品功能需求一部分的过程所需要的。所需和提供的能力通常不同，例如，因为所提供的能力被更详细地描述，以便能够在一系列操作条件甚至不同的过程中重用。因此，需要在所需和所提供的能力之间进行匹配，以便为给定需求找到合适的生产步骤序列的候选者。这种匹配最初可以在描述性级别上进行，例如，通过比较功能类型及其属性，而不管以后由哪个实际资源执行这些过程步骤。

在CSS模型中，功能与概念相关技能和服务功能的实现可以通过技能实现，技能包含自动化功能实现和调用级别的详细信息。在公司内部生产设置之外的更广泛的供应链网络中，通过服务提供能力。

3.4技能

我们定义了一个技能作为“由功能指定的封装（自动化）功能的可执行实现”。技能是由生产环境中的资源提供的，能够实现能力。每个功能都可以引用生产环境中的多种技能，作为此功能的实现。技能必须具有技能界面允许外部系统，例如制造执行系统（MES）与提供的功能进行交互。每一种技能行为都需要遵循一个协调的状态机描述可能的状态和转换。状态机需要通过技能界面公开，以便监视当前状态并触发转换。执行一项或多项技能可以控制生产步骤。技能可以有输入或输出技能参数能够执行或监控技能。为了设置或获取参数值，这些技能参数还必须由技能界面公开。通过指定输入参数，可以使用单个配置执行定义的生产步骤。每个技能参数都引用一个属性。一方面，此属性可能是一个功能属性，即也用于功能约束的属性。另一方面，这个属性也可能是一个过程或资源属性，它可能只与执行有关，而与能力级别的规划无关。

功能和技能之间的区别使函数的描述与其实现脱钩，并使开发人员能够自由选择技术和编程语言来实现技能。此外，可以为一项技能提供多个技能界面。这进一步将技能实现与其用户分离，用户只通过其接口使用技能，而不绑定到实际实现。集成商可以选择与其技术堆栈相匹配的技能接口。使用合适的软件架构，可以在集成时安装或配置技能接口[14]. 诚然，这需要比IEC 61131中定义的更灵活和模块化的控制方法。

4.1使用本体的建模能力

语义Web技术为信息系统中的知识表示提供了机制。它们基于W3C标准化的信息模型和知识表示的向下兼容语言堆栈。本体构成了可重用的信息模型，这些模型以通用形式捕获领域的知识，独立于特定应用程序，并用作知识图的语义丰富的模式。本体的W3C技术栈由资源描述框架（RDF）组成^[3]及其模式扩展（RDFS）^[4]它们形成了Web本体语言（OWL）的表示基础。^[5]OWL允许用逻辑语句表示领域知识，支持自动推理以推断隐含知识。其他强大的技术，如SPARQL^[6]和SHACL^[7]可用于查询和验证基于RDF的数据模型中的信息。

语义Web技术为围绕PPR模型元素的功能的语义丰富表示和语义功能描述的匹配提供了理想的候选解决方案。利用OWL的一种直接方法是将能力的概念建模为OWL类。然后可以使用OWL属性上的OWL限制来表示CSS模型中的属性及其约束。然后应用程序可以引入特定功能，如钻孔通过子类及其在复杂OWL类表达式中限制的相关属性。OWL Manchester语法中这样一个表达式的示例是“钻孔和（深度为某个整数[<=15]）“代表最大钻孔深度0.15毫米。能力等级的专门化层次结构可以取自DIN 8580或VDI 2860等标准，如[8]. 这种表征方法与[9]并通过为其他不透明的功能类配备属性约束来扩展它，以解释其丰富的语义。

此外，OWL推理可以用于能力匹配，至少在粗略的细节层次上是这样的。任何标准OWL推理器都可以检查由两个功能类表达式（一个由资源提供，另一个请求用于进程）组成的连接是否可满足，以测试这两个功能是否兼容，这意味着可以联合满足它们的约束集。该技术可追溯到[15]. 如中所述[16]OWL的开放世界假设的问题可以通过严格控制所使用的本体词汇来解决。这需要系统地包括所谓的闭包公理，这在工厂环境中可能很容易实现，例如，标准层次结构中的兄弟功能类之间的分离。尽管如此，与其他约束求解方法相比，当应用于大型属性集上具有复杂功能描述的实际设置时，此方法还需要进一步研究可伸缩性和表达性方面的潜在问题。

4.2使用OPC UA执行技能

近年来，各种出版物和研究项目（如DEVEKOS、BaSys4.0/4.2、AKOMI或SmartMA-X）都对实施技能的可能性进行了调查和实施[10,17], [18], [19], [20], [21], [22]. 供应商依赖的通信标准开放平台通信统一体系结构（OPC UA）已成为实现技能接口的一种有前途的方法。OPC UA由于能够在其服务器中提供资源中立的信息模型，因此在控制技术方面具有高度的扩散性。可以在此信息模型中直接映射具有所有技能参数的技能描述，以实现对资源的统一控制。到目前为止，标准化的OPC UA信息模型（所谓的“伴随规范”）主要侧重于数据采集，例如用于资产管理或状态监测。这些用例主要需要只读无法实现“工业4.0”愿景意义上的机器完全互操作性的访问。此外，还需要一个用于控制资源的经典实时通信标准。这目前意味着可以有单独的网络用于数据采集和控制，也可以有一个共享网络来严格限制可用流量。因此，必须启用写因此，可以通过OPC UA控制对这些机器和系统的访问。配套规范，例如PackML状态机（OPC 30050）[23]或OPC UA程序（OPC 10000-10）[24]，显示此类访问的第一种方法。然而，对于实现OPC UA所能提供的技能，缺乏统一的跨领域概念。

如所示图1，需要区分技能界面和实际技能。技能界面可以定义为OPC UA信息模型。图2显示了此模型的建议。名称为的单独OPC UA ObjectType技能类型创建，它为技能界面提供了基本元素：名称技能的描述是可选的，可以作为用户快速识别技能的纯文本。这个本体URL必须指定，并形成对本体模型中功能的引用（参见。第3.3节). 该参考可用于识别实现的能力。这个技能状态机表示有限状态机，类似于上述用于PackML或OPC UA程序的OPC UA。这个参数集包含在技能执行期间或之后设置或检查的必要参数：

1. 这个本地运行时间ID将客户端用作唯一标识符，以识别执行技能。

2. 占位符<InputParameter（输入参数）>用于定义执行或配置技能所需的任何输入参数。例如，这些参数可以是位置或速度参数。

3. 占位符<输出参数>用于定义技能返回的任何输出参数。例如，这些可以是技能执行过程中的当前实际值（速度、速度），这是与其他技能同步所必需的。此外，还可以创造感官技能，例如质量保证，其结果也由输出参数表示[19].

图2：

OPC UA技能元模型。

可选的可行性检查可用于提前确认复杂技能的执行[20]. 可行性检查也可以作为OPC UA信息模型中的状态机来实现。为了检查技能的可执行性，需要将所需的输入参数写入可行性检查的参数集中。可选的前提条件检查在执行技能前不久检查所需资源是否满足所有必要条件。如果执行取决于许多其他因素，则尤其需要这样做。在装配领域，这可能是检查所需组件是否有库存，或者在机床领域，检查所需工具是否可用。此外，技能的概念可以集成到OPC UA PubSub over Time-Sensitive Networking（TSN）中，以实现技能的实时通信。

4.3使用资产管理外壳描述服务

只有少数出版物，例如[11]区分服务概念与能力和技能。此外，在现有出版物中，没有服务的实现示例。公司之间的信息交换必须基于相互同意的语义，这在最好的情况下是标准化的。因此，描述服务的一个解决方案是资产管理外壳（AAS）。AAS是“工业4.0”（Industrie 4.0）数字孪生兄弟规范，用于增强不同供应商系统之间的互操作性。最近发布的规范定义了标准化的AAS元模型和AAS接口[25]. 元模型指定了一组用于创建符合“工业4.0”概念的信息模型的元素，即所谓的子模型（SM），用于表示建模资产的几个方面和功能。使用标准化的SM来确保跨公司的互操作性包括用于描述建模资产的各个方面的信息模型的标准化。服务要么由服务请求者要求，要么由服务提供者提供。因此，必须有两个不同的SM模板。

该请求包含所需产品或工艺要求的规范以及所需规定的描述，可能是产品AAS的一部分。如果需要，与潜在制造商相关的规定说明可能包括必要的认证和保密协议。不同的类别可以在子模型集合（SMC）中组织，并且可以通过属性进行描述。例如，SMC投标标准可能代表根据所需数量、价格规范、CO等寻找合适制造商所需的所有信息₂规格和交付条件。所有SMC及其属性都通过预设限定符进行扩展，表示信息是必需的。每个属性也可以用语义ID来描述。如果服务在公司之间使用，则需要标准化的数据元素。因此，IEC通用数据字典等存储库^[8]或ECLASS^[9]建议使用以确保通用语义。

服务提供商提供的服务可以与所需的服务相匹配。在这种情况下，根据与请求的服务类似的描述，SM服务可能是工厂或公司AAS的一部分。该描述进一步扩展为能够提供有保证的服务以链接服务和相应功能的功能。

5.1 Web服务和面向服务的体系结构

Web服务是允许人类或机器通过网络使用功能的软件系统。机器间互操作需要机器可读格式的接口描述[26].

面向服务的体系结构（SOA）是一种体系结构范例，它鼓励使用多个服务来构建软件功能，这些功能可以由不同的所有者进行分发和维护[27]. 服务通常被视为独立的功能，可以由其他服务组成。它们在逻辑上表示具有明确定义的输入和输出的重复活动，以便服务的消费者可以在“黑匣子”的意义上与之交互，即不知道服务的内部细节[28].

对术语的理解服务在信息技术中使用的术语与本出版物中表达的理解有很大不同。虽然IT中的服务是封装的功能，因此可以与技能进行比较，但CSS模型上下文中的服务充当容器，将功能与商业方面捆绑在一起，以便在市场上提供和请求（请参阅第3.2节).

将SOA服务概念从信息技术转移到自动化是获得具有明确定义的自动化接口的封装功能的最早方法之一[29]. 因此，根据CSS参考模型，服务可以被视为技能的早期先驱。

5.2模块类型包

模块型包（MTP）中提供了模块化工艺装置的描述。MTP定义并描述了自动化技术模块的结构、信息接口、过程序列和功能（MTP服务）的数据。组件的组合和聚合使模块化过程单元成为可能，称为过程设备装配（PEA）。PEA只需开发一次，包含要实现的过程步骤的物理设计以及与更高级别系统的信息技术接口[30].

MTP是模块描述，用于将模块集成到模块化处理厂中。模块为MTP服务提供预定义的行为（过程）和标准化接口，这些接口在外部提供，其描述为MTP。

MTP概念可以与上述能力和技能相关，请参见第3.3节。MTP服务的描述提供了一个没有调用信息的函数规范，因此可以被视为一种功能。作为可执行实现的技能可以与包括过程在内的已实现MTP服务进行比较。MTP中还包括其他技能信息，例如关于调用接口和参数的信息，但是，状态机没有在MTP中显式建模。

因此，PEA是CSS模型中一致PPR方法的描述资源，它提供了技能。与CSS模型的服务不同，完整的MTP描述是在能力和技能级别上进行的，不考虑业务、合规性或商业方面。

能力概念和模块描述及其功能的另一种关系由中的“超级服务”一词给出[31]. 超级服务被描述为包含所有流程工程服务和过程的联合的概念规划工件。目标是打破模块边界，并以与功能相当的方式对其进行描述，即独立于模块或资源。