数字化转型，正在成为[敏感词]吸引力的大讲堂，所有的企业家都在争相恐后登台发表自己的战略。而工业4.0，这一五六年前红遍天的企业战略，则似乎被人抛弃了。

但这种冷落，其实只是一个假象。德国本土的工业4.0工作组正在低调而稳步的推进地基的建设。

美国以PLM为基础的数字孪生概念，已经以各种方式被广泛演绎，光彩照人的时候，德国则采用稳扎稳打的方式，从设备入手，围绕着机器的互联互通而做足功课。但对比其他国家产业界的调门，德国工业4.0工作组则一直像是地下工兵，意欲打通地下隧道的工程奇迹往往无人问津。工业4.0工作组已经推动7年的资产管理壳AAS（Asset Administration Shell）——一种将世界折叠在一个螺壳里的艺术，正在露出健壮的轮廓，就像是雕塑家即将塑形的思考者雕像。管理壳，简单说就是给一台机器，或者一只机械手，更小的如一个轴承，建立一个数字身份证。德国人把这个看成数字孪生的一种等价物。这意味着，每台机器都将穿上可通讯的盔甲，就像《博物馆奇妙夜》的晚上，所有的物体，全部复活。管理壳激活了它们，数字化工业世界里的沙盘，正在紧锣密鼓推演之中。

工业4.0屠龙刀，即将炼成。

一切要素数字化。

这就是工业4.0所要追逐的目标。无论是产品设计研发，还是工艺，或者生产运行，和智能产品，全部用一套数据流，从头走到尾。这个一开始就令人惊叹的野心，正在走向可能性。管理壳，就是这个野心的宇宙爆炸起点，从这里看过去，一切宇宙的时间和空间都是从这里膨胀出去的。

资产管理壳AAS可以理解为工业4.0模型标准体系的总称，它由若干套子模型标准和一套总体模型规范形成。这些子模型，就是构建数字模型体系的树根，而它们也绝非空穴来风，都是选自各自领域中[敏感词]代表性的标准，然后进行适配性改造。

管理壳，正在为每一个部件，建立详细的画像；还要配上通讯协议。实际上，它是正在为未来所有的机器互联、互操作做好准备。

图1 管理壳的形态

但管理壳，远远比一个数字马甲要复杂。它并非只是给机器穿上一件数字外衣。

设想一下没有万维网的时代。图片、word、表格都已经广泛存在。但它们如何共享？它只能你传给我传给它，非常有限的传播。

于是网页出现了，它采用HTML格式，可以将表格、图片、文本等资源，通过一系列网址(URI)获取。所有的人，只要打开这个网页，就可以看到同样的内容——准确无误地再现。

可以将管理壳理解成一个网址，在这上面，电机、机器人、机床，或者物料，都被网络化、资源化了，从而可以在管理壳上，自由浏览和下载。

如果说互联网是为人们共享网页而生，那么管理壳就是为机器建立共享主页而生。有了管理壳，机器之间将可以轻松地完成通讯。

作为出口大国，德国深知与全球贸易接轨的必要性。因此德国开发了eCl@ss分类系统。它采用了面向对象的设计理念，可以组合出具有唯一性的产品类别、关键字代码和产品描述。这也是目前唯一通过ISO/IEC标准认证的产品分类格式。

作为供应商和客户之间信息交换的标准，eCl@ss采用了四级目录结构，关键字涉及到12000个术语。它包含了大约3.8万种产品分类和1.6万种产品标签，基本上囊括了目前所有在使用的产品和服务。eCl@ss目前逐渐在工业、商业、食品和服务等领域被广泛使用。尤其是在德系汽车工业中，大部分零部件产品基本都使用eCl@ss分类系统来进行管理和采购。

eCl@ss简化了在电子商务领域内的产品数据应用，使得从供应链一开始的采购，订货到最终结算的所有流程中均有一致性的产品电子规范。有着如此庞大的连接能力，这意味物料、机器已经建立起天然的联系。那么如何让eCl@ss的颗粒度足够精细，以至于可以达到相互通讯的地步？

eCl@ss就像是一个工业词典，让资产管理壳AAS找到了产品分类依据。它应用广泛，为管理壳的各种模型提供了一致性的语义标签。所有人的用语，都需要到《新华字典》里找出来，于是大家说法一致。凡是《新华字典》里没有，都是火星语。工厂里不接受火星语。eCl@ss就是工厂里的新华字典。

图2 eClass形成了规范的语义

于是，德国工业4.0平台，跟德国电气协会ZVEI，以及eCl@ss标准组织通力合作，使eCl@ss用户可以将其中的要素，快速标准化，形成资产管理外壳身上的一段胎记，或者一块基因片段。它会自我表达，自己是谁。

eCl@ss作为采购环节中最常用的分类，终于可以发挥更大的作用。eClass就是一个文件，但没有搜索能力。也没有上网能力。一个图片如果不被嵌入到HTML中，那就无法通过3W被查找到。同理，借助AAS的网络化能力，第三方用户或系统，就能通过网络查找到相应的eCl@ss资源供。

同时，随着工业4.0计划的推动下，eCl@ss开始进入到工艺设计系统(如AutomationML)以及自动化系统中（如OPC UA）：在工艺设计阶段，eCl@ss可作为机床加工件/仓储自动化货柜的规格数据输入，而在自动化系统中，eCl@ss则可为机器人/质检系统提供一系列产品空间相关的数据。

AAS，激活了eCl@ss的能力。不过，它们基本上是同一拨成员，一起推动工业4.0的企业推手。 

如何用工程数据，描述一个工厂？如何将两条皮带之间的距离，告诉打算从中间闯过的AGV小车？六个机器人协同工作时，如何记录它在空间中的轨迹，不至于相互碰撞？

这意味着，在生产线上，需要有一种语言，描述工厂里的空间关系、控制逻辑。

AutomationML语言（Automation Markup Language），正是这种面向工厂对象的语言。它可以用形式化的描述方式，将工厂里面锅碗瓢盆的琐碎，从产品、物料、装备或者加工过程，全部描绘出来。AutomationML也可以理解成一种构建工厂三维地图的语言，它可以将一个工厂或者产线，进行数字化重构。在这种语言的描述下，真实的工厂，通过语言的传递变成了一个虚拟工厂。当然这只是一个模型。而大量仿真、计算软件，就可以在这个模型上开始启动，各自操起家伙，驱动不同的锅碗瓢盆。

作为一种基于XML的描述语言，无论是管道工程、电气设计、PLC编程、机器人编程等，都可以加入进去。实际上，AutomationML就是要解决的是这些不同工程要素之间的信息标准化，如机器人、AGV等对象之间的信息交换策略。

简单说，AutomationML就是语言，一种图形化、低代码的建模语言，建模方便，它是自动化系统参数的输入。

图3 离线与在线的综合

现在，管理壳AAS，已经将它集成在内，从而为AAS确立未来调用时候的相互逻辑关系。

这其中AutomationML可以兼容3D模型，这一点非常重要。在设计、仿真等环节，存在大量3D 模型的格式。这些CAD一般是以中立性的STEP或者IGES格式，也有西门子所管控的JT格式。但是要将这些模型，变成工厂的描述方案，则还需要一种标准。作为3D立体几何模型的XML描述方案，最早源自索尼游戏开发的CollaDA格式，被AutomationML所采纳。实际上在机器人调用几何空间和动态轨迹的时候，就是采用了CollaDA格式。

还有另外一种软件，正在进入这个阵地。那就是计算机辅助制造软件CAM软件。它正在从有限的数控机床，快速进入机器人行业，从而改变机器人现场示教编程的低效。在很多场合，一台机器人在现场等待编程的时间，能够占到90%以上。这意味着一台机器人90%的时间都在睡觉。而这种示教机器人的惰性，正在被CAM的离线编程逐步所取代。既然CAM能够完成机器人的路径规划，如果进一步拓展，它当然可以继续指挥AGV车、指挥物料的行走，再加上它最擅长的机床，那么它会更好地对产线设备进行路径协同。这个时候，它就不再像以前那样只输出G代码供机床使用；而是可以借助AutomationML语言，输出XML格式，从而真正建立产线上各台机器行动轨迹的大仿真。

管理壳，正在跟CAM/CAPP等工艺设计软件，建立更多的连接。这是属于管理壳的巨大胜利。也使得数字化车间，将发生更大的软件驱动的景象。

当现场设备需要协作时，它们应该采用何种通讯协议与工程建模方法？如何实现二者的可识别性，进而完成工业互联网最重要的属性：互操作。OPC UA就是抱着这样的雄心而出现。它不仅统一了通讯协议框架，而且也使得各个设备有着相同的信息模型。

OPC UA天生是一种软件化思维，这其中就包含了标准化、简单化等原则。这跟设备现场OT界的私有化、多样性、非标是完全不一样的。可以说，工厂里各个设备都可以看成自有江湖的侠客，相互不通气，每台设备说的都是江湖黑话。而OPC UA则致力于将标准化，引入到设备层。OPC UA的引入，可以有效支持语义互操作，它可以承载各种语义模型，而且提供了强大的通讯协议接口。

如果说AutomationML提供了描述工厂对象的描述语言，那么OPC UA就是一种基于对象的协同框架。

在装备及产线层面，已有众多系统对OPC UA模型与通讯接口进行了支持，其中包括离散行业的机器人、机床、3D打印机等；在流程与能源行业，多家DCS系统支持OPC UA通讯协议及信息模型。同时，随着机器/产线与工艺设计、计划系统的深度融合，OPC UA也在积极地制定与AutomationML（工艺设计格式）、ISA 95（生产运营系统）相兼容的配套规范。

可以看到OPC UA已在近几年取得了不错的成绩，它正在顽强地向下渗透，刺进黑暗的设备黑盒子。在此过程中，德国机械设备制造学会VDMA给予了大力的支持，它在有计划地将各种机械设备分门别类地进行信息建模指南。

图4 VDMA机械类别与OPC UA渗透率

VDMA，为这些类别都做了OPC UA的模型。工程设备、自动化设备，都变成规范化的设备模型。相当于可以这些规范，可以做系统集成和功能调整。如读卡器RFID，设定有几个指令。开始扫描、一直扫描（是否有RFID靠近）等。而机器视觉，则有拍照、旋转、放大、缩小等指令，全部规范化。这些指令，都可以自由拖拽。这意味着，一个现场技术工人，就可以简单使用复杂设备，给机器编程。原来很复杂的自动化开发工作，就可以傻瓜化。

想一想，操作大疆无人机的时候，只需要拖拽，就可以实现一系列飞行运动。OPC UA的信息建模，就是为了使得“编程平民化”。

当人们抱怨年轻人不肯下工厂的时候，却从来未曾想过这些工厂陈旧的操作界面会吓跑年轻人。这些设备操作的理念，基本是一百多年留下来的遗产。这期间，机械化、自动化和信息化，不断更新，但劳动者都需要做出各种复杂的动作才能应付。而未来的车间，一定都是界面化操作。这才是迎接90后成为工厂主力的最好礼物。这些云原生的数字居民，一开始就是一个“屏生活”的时代：他们只学会了使用指尖来敲打键盘或者触摸显示屏。只有工厂里重现“屏操作”这样的颠覆性工作场景，年轻人才能真正下得车间。这意味着蓝领、白领的工作界限正在模糊，操作人员就是编程人员，编程人员就在现场。没有足够的底层信息建模，调整工艺的难度和工作量是不可想象的，人们不得不返回办公桌去操作计算机。但这样的时代，终将过去。

当我们满心欢喜地迎接数字化工厂的时候，千万不要忘记迎接云原生的数字居民也进入了工厂。一台机器、一个工厂被操作的界面至关重要，它只属于指尖操作。

那么资产管理壳，是如何进行传递的？它必须在工厂里面最通用的格式中，找到一种出口。这一点它选择了XML和JSON作为输出格式。这两个格式，在IT界应用广泛，而在制造系统中的IT系统，应用非常多。无论是ERP或者MES，数据库的数据导出来的都是XML或者JSON格式，描述一个工单、人员、成本等。

而管理壳AAS的语言格式，则完全支持XML和JSON的表达方式，于是世界看上去可以统一起来了。管理壳可以作为一种AASX格式进行对外输出。这个aasx文件是开放XML格式，可以自由下载和传输，而且可以集成到各种服务。更重要的是，管理壳还可以作为 REST API提供，从而提供一种设备无关的读取特征。

IBM从2015年就一直在推一种API（应用程序编程接口）经济，它的意思是各种能力都要网络资源化，并可借助API接口供大家相互调用，并最终实现各项能力的组合。实际上，IBM发明了一种RestAPI的格式，它跟终端设备无关，因此各种数据和功能模块，都可以在设备终端自由调用。

德国工业4.0工作组显然吸收了IBM的想法。它认为，首先可以将一个管理壳通过文件包的方式发给另外一方，另外一方打开后重新抽取使用。但是，这是一种最原始、最传统的管理壳内容的使用方式。进一步，可以按照IBM所定义的方式来，那就是机器也可以是API经济的一部分。这种情况下，可以通过API调用一个管理壳，实现复杂信息的交换。

图5 管理壳交互信息的方式（中间部分为IBM的API经济）

但德国人更前进了一步。它甚至认为API经济，仍然是一种被动的方式。如果是用管理壳，则可以实现主动交互的多对多的方式，机器之间的访问，可以变得更加自主化。

图6 主动型管理壳的信息交互

这三种不同的借用管理壳交换信息的方式，难免会使人们意识到，每个机器都可能成为一个话痨，未来工厂的机器之间，将有着说不完的话。这实际正是德国工业4.0的2030愿景：自治、互操作性和可持续发展。要做到机器自治，它们之间必然要开口说话——希望它们不会因为出现故障而相互谩骂，或者机器骂人。

至此，可以看到，管理壳动用了四大支柱，来构建一个可彼此交互的智能机器世界。

图7 管理壳的四大护法金刚

不同方言的人要说话，必须先确立基准。而机器互联，则需要统一的语言。资产管理壳，吸收了四块不同领域的成果，从而使得“机器都说普通话”大大向前迈进了一步。

第三方的管理壳服务商已经行动起来。德国一家Xitaos公司，就是将管理壳看成是一个“数据连接器”，或者是一个数字空间与物理空间的阴阳交汇的交叉点。不妨说，管理外壳是“数字孪生”的外在躯壳。这使得数字孪生，可以成为一种类似PDF格式，跨设备自由传播，而最后只需要一个PDF阅读器。工厂传递管理壳，人们可以像使用PDF一样，来使用数字孪生。只做一个管理壳领域的PDF阅读器，这正是Xitaos的工作。

图8 管理壳的流程

它为德国威腾斯坦提供了管理壳的服务。后者是一家机电一体化驱动系统，包括伺服齿轮箱、伺服电机、伺服变频器等。

图9 SAP的数据被重新定向成应用程序

Xitaos为威腾斯坦提供全流程的设备备件与维护管理的管理壳服务。它最大的难点在于数据的异构性，多元数据要聚合在一起，而且最终显示要完全独立于终端设备。

在这个场景中，SAP数据库将相关产品的同步到云中的“SAP Drop”中。Xitaos通过ETL（提取转换加载）的加工过程，形成一个变速箱的管理壳。这意味着，具有SAP特征的物料，被映射到eCl@ss目录中一个国际登记数据编码(IRDI）。凭借清晰唯一的语义，每个人都可以清楚地读取。进一步，它通过亚马逊上的AAS平台，转换为符合规范的模型格式，并在云端中通过管理壳转换器进行呈现。它提供了标准的REST API接口，提供组件的信息。对于用户而言，借助任何工业互联网平台，通过REST API很容易查询到变速箱的生产日期、异地交货和质量追溯信息。

以前产品规格都是在电脑里，提供文件但无法读取。而现在，各种经过过的规范性文件，都可以借助于管理壳得以汇聚并且可以激活。

这个案例展示了一个开始，但如果将这个齿轮箱的查询，看做是管理壳所呈现的一种能力。那么在工业互联网上，有许多“能力”是可以共享的。把这些“能力”封装成API，放到API Marketplace上去。这些API可以被调用者订阅，或者组合，编排成全新的应用能力。而管理壳则始终是底层不可或缺的信息，它们就像是一个物体的原子一样，构成了最基本的粒子信息。

那么，携带了原子级颗粒度信息的管理壳，将会呈现出何种更大的能力？

管理壳，把信息模型，通讯协议、工厂场景、数据格式等这些要素全部串起来。这样看起来，它更像是一种基于HTML语言的www网站，通过HTTP就可以找到各种资源。就像每一段文字、图片都有一个独立地址，每一种机器、资源，都可以通过管理壳进行独立访问、获取和传递。

有了这些准备，可以看看未来如何实现基于订单驱动的多方协同生产。

德国智能工厂联盟正在将协同制造，引入异地来实现。在一条示范产线上，它由三处不同的地点联合完成，共同制造一辆可定制化的卡车。合约制造角色就是凯泽斯劳滕大学的机床与控制部，它负责对拖车油箱上部的结构进行铣削。尽管三个地点的三台机器都具备铣削功能，但一套程序装上去，可以实现不同的质量加工等级，加工速度也不一样。这意味着，不同地点的机器，完全可以通过远程来实现自选配置。对于其中一个厂家，它并不需要为自己的机床购买一套CAM软件，或者也不需要自己的人员对CAM软件进行路径编程（这类人员一般都是很昂贵的），可以通过第三方提供CAM远程服务，用AutomationML的描述格式，下载在本地的管理壳AAS之中。然后跟它的3D打印机进行连接。如果不需要很高的精度，就可以提供低价服务。反之，高价格就可以提供高精度。这意味着自主化的多智能体系可以相互沟通，以确定哪一个是根据客户规格生产产品的最佳选择。

那么，它们如何实现传递？

图10 管理壳的供给侧和消费侧

可以想象，当不同的工厂都有自己的管理壳的时候，这些连接起来的管理壳，将会相互借力。一个工厂再也不需要拥有完整的能力，它可以借助其他厂商的服务，补齐自己所缺的一块能力，就可以完成一个订单的加工。

图11 跨工厂的订单驱动，得益于AAS的连接

以前都是私有通讯协议，组态会非常复杂。而现在由于各种设备，已经采用OPC UA的方式得以打通，设备适配就会变得很容易。对于工业厂商，就不需要应对各种复杂的定制化接口，IT和OT系统维护能力将会大幅度降低。这对于大厂，自然是一个好消息。

整个世界的IT与OT系统正在悄悄发生变化。一个公司的数字化系统要么足够强大，强大到能够向外溢出，为其他厂家实现能力复制；要么能力偏弱，这个时候它需要借助外力。数字化进程慢的公司，或许就考虑将部分数字化系统外包。

联想正在致力于“内生外化”的服务能力，将自己的IT系统做成标准化，对外进行服务。为了面对内部7万多名员工、35个工厂、近6000家供应商，它自己开发的混合云XCloud已经应对自如。而这种能力，同样受到一个锂电池大厂的青睐，它需要构建这样的面向全球各个基地的混合云。IT系统正在走向微服务化，从而通过组合调动的方式，对外提供服务。这种方式将会使得领先企业的IT系统，越来越容易向外溢出，为其他企业服务。而反过来看，许多用户工厂，或许将乐于接受 “CIO外包”的模式。

现在随着管理壳的深入，这种现象也将在OT界——无论是设备端的调试还是维护变得普遍起来。对于小企业，不需要强大的IT能力，也可以没有PLM软件。它可以借助于第三方的服务，通过一种能力嵌入的方式，中小企业也能做大企业的事情。

如果深究一步，这是一种即插即产（Plug&Produce）的思路。它的目标是将制造系统分成多个过程模块，这些模块可以在生产继续进行时连接在一起。这样，就可以在几分钟内重新配置制造单元布局，而不是传统方法中的几天。从U盘机器，到U盘产线，U盘工厂也就呼之欲出了。

基于热插拔式产线，或者进一步推进到U盘工厂，才是规模化解决协同制造的关键。这背后需要对机器建模有着更加深刻的基础层的探索，而合手的工具都已经备齐，无论是低代码编程、61499的建模语言，或者OPC UA语义与通讯、面向对象仿真，还是容器化的微服务和时间敏感网络。这些工具，并不会自动形成颠覆性的力量；只有底层的语义连接和头疼的机器建模，才是决定性的支柱。无论是多么优秀的头脑风暴，都无法把概念之花演绎成树苗；只有老老实实地把手和脚都插到了沉甸甸脏兮兮的泥土里，智能制造才会有真正的根基。

当人们追逐产线的柔性的时候，只在现场敲钉子、弯金属是不足以实现的。只有底层连接，才有柔性之王。只有用底层标准将设备武装起来，才能真正实现U盘工厂的即插即用：这才是智能制造[敏感词]级的柔性。

为什么德国的资产管理壳AAS是一个非常接地气的理念，也最有助于智能制造落地？因为它兼顾了老设备的改造。对于新设备，OPC UA直接嵌入，自然不存在旧设备升级的过程。而对于一个老设备，只要加一个插件，实现OPC UA服务，从而可以让设备在线化、标准化；同时配一个AAS，就可以完成注册而得以激活。那么这个老设备，就可以参与整个产线的设备互操作。

德国正在醉心于完成智能机器底层标准的主导权，资产管理壳是它最为重要的资产。对于子模型标准，它已经选好了对象，无论是eCl@ss、AutomationML，还是OPC UA。而VDMA则正在将几十种自动化装备及工程工具，制定了跟OPC UA配套的规范。这其中包括德国机床协会的机床连接协议UMATI，或者是机器人、3D打印设备都在其中。甚至厨房装备协会的各类终端设备，如微波炉、冰柜等也在其中。而在设计类软件中，也在推动eCl@ss分类目录的使用；同时在产线工艺和物流模拟，大力推动AutomationML的落地。

在云这一层面，得到了微软云和亚马逊云的大力支持，在微软AZURE部署管理壳变得非常容易。它们对于管理壳的云图书馆的建设非常积极。这意味着二者将彻底地进入未来工业云的领域。不知道阿里、华为、腾讯云是否为此做好了准备。没有底层的根技术标准，上层的云都是同质化的计算能力。

图12 管理壳上云

法国、日本和韩国，也都分别在工业设计软件、机器人、机床等方面，参与管理壳的应用。

管理壳最感兴趣的就是跟生态有关。艾默生的安沃驰阀岛，最近宣布采用了先进电子控制技术AES，从而将阀岛变得更加智能化。而且可以接入OPC UA。其实，这样的门槛从技术角度或许并不高。但如果大家都在介入，那么这件事情就好玩了：生态就是靠着群起而进，才能实现。

如果没有根部技术，生态就是五颜六色的肥皂泡。只有有人跟着一起玩，才会有所谓的生态。大笔一挥圈一个联盟，是无法生态化的。没有底层技术作为连接，又没有市场蛋糕相互补位，所有的生态联盟都不过是乌合之众。

有人玩，才会有生态

如果没有信息建模，低代码编程是伪命题。让“编程平民化”的低代码正在变得普遍，但这种技术充满陷阱。如果热衷于表面上的功能拖拽，那么这仍然是一个应用层面的集成。只要在底层，对设备进行充分建模，并且加载统一的通讯协议，对工厂现场的低代码编程才是真实的。

如果没有设备的互操作能力，协同制造是伪命题。谁不喜欢协同制造？但这需要从底层设备的语义连接开始。如果只是致力于将设备的通讯协议连接起来，这充其量只能有限交换数据，而无法进行设备的即插即用。这意味着，现场仍然有大量的调试的工作。目前工业互联网的语境，不过是粗糙地解决了表面上的通讯连接，这离机器的互操作相去甚远。工业互联网当前的框架设计，是无法实现跨车间、跨工厂的机器协同。

如果没有根部技术，工业互联网的狂欢就是一场经不起推敲的资本游戏。德国的管理壳技术与标准正在一路下沉——沿途德国制造商各路人马纷纷加入。2019年一些传感器厂商如巴鲁夫，已经开始将传感器的IO-link跟AutomationML集成在一起。这也使得资产管理壳，可以一路下沉到传感层，同时也方便了电气选型设计、现场通信配置。德国显然是一个军团在作战。德国工业4.0工作组将所有这些各项指标的数字模型标准，称为工业4.0语言；而能将这一系列标准进行串联所构成的机器协作，则被称为工业4.0互操作性(Interoperability)。可以说，自从2015年德国人提出工业4.0的参考框架之后，一直就在围绕这个框架进行完善和修补。德国人是耐心的建筑师，一直在同一个地基上盖房子。而中国人则是急性子人挖井，挖几米就要换地方。德国人还是埋在地里拱土，而中国的智能制造已经开始攫取花叶和果实。今日之短见，来日能收获的只会是贫瘠。

一花一世界，一树一菩提。花里如何看到世界，树中如何找寻菩提？资产管理壳AAS就是此花此树。不过，德国人这次举起了屠龙刀，它要统治的是所有机器的江湖。