1、前言
不同的客户需求增加了对于提高生产过程的灵活性、适应性和透明度的需求，传统的制造系统必须改变。为了满足这些要求，信息物理系统（CPS）技术正越来越多地应用于工业制造业，为生产设施配备了自主适应能力，这是通过物理对象及其虚拟表示的结合并支持它们之间的双向信息交换实现的。
德国I4.0提出的工业4.0组件是一个新的CPS实现模型。管理壳或资产管理壳（AAS）的概念是I4.0资产的虚拟数字表示，在I4.0组件之间建立通信方面起着关键作用。
2、资产管理壳技术研究进展
近年来，由于市场环境的快速变化，工业生产对客户的需求不断增加。这迫使生产从大规模生产转向大规模定制。因此，制造商必须向客户提供广泛的产品规格和可选功能。一方面，这一要求对制造系统提出了新的挑战，因为传统的制造计划是专门为其需求量身定制的。因此，来自学术界和工业界的专家正在努力设计有效的解决方案，使生产设施能够应对更大的多样性、更高水平的不确定性以及生产的频繁变化，而迫在眉睫的问题是如何实现这一目标。另一方面，这些新特性将增加生产系统的复杂性，例如，对系统布局和配置的频繁手动更改，这些更改也必须在整个生命周期（即工程、实施和生命周期结束阶段）内得到充分处理。两个问题可以阐述为如何为工业组件、机器和系统配备高度自动化但可快速适应的能力，问题的答案是将制造业中使用的资产数字化。
目前很少有研究成果发表，因为这些都是新发展的概念。在德国电气和电子制造商协会（ZVEI）关于I4.0的白皮书中，对I4.0组件的结构、功能和信息相关要求进行了定义。研究人员Tantik和Ander使用基于语义知识的方法描述了I4.0组件的数字化信息，探索了AAS在CPS环境下实现面向服务的解决方案（如远程访问和数据分析）的潜力，并开发了一个机器人手臂作为演示。此外，他们描述了一个集成的数据模型，允许灵活地访问I4.0组件中存储的信息。
后来，为了澄清和协调导致I4.0中出现混淆的新术语（如AAS和digital twin），标准化工作组讨论了AAS在I4.0工厂生命周期中的作用，并列出了如何实现I4.0的建议。关于AAS的工程实现，Lüder等人将自动化标记语言（AutomationML）与OPC统一架构（OPC UA）技术相结合，提出了一个典型的I4.0组件。AutomationML是一种开放和中立的基于XML的数据交换格式，可用于生产系统工程领域内对于产品、过程和资源的描述。这项研究成果为I4.0的概念提供了第一个证明，并为I4.0的学术研究取得了实质性进展。
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图1 工业4.0组件框架
最近，越来越多的研究人员开始研究AAS和I4.0组件，他们的研究成果已经在国际会议上发表了，他们的大多数发表文章只提到AAS的概念，没有提出详细的描述或实现示例。
最近，Plattform Industrie 4.0发布了规范报告“资产管理外壳的细节”，该报告提供了全面的AAS知识，例如元模型，其目的是确保I4.0价值链中的合作伙伴之间能够以有意义的方式交换有关I4.0组件的信息，规范为进一步理解和实施AAS铺平了道路。
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3、基于属性元模型的AAS
所有的系统，包括具体的有生命的物体或无生命的物体，例如有生命的有机体、产品、装置、植物或抽象的物体，例如算法、方法、过程或关系，都具有描述它们的性质。每一个资产都是其固有的一部分，也就是说物体携带着资产。
属性可以专门化为不同类型的形式化类型，结构/关系描述属性允许基于系统元模型对结构和关系进行形式化描述。单值语句属性允许通过单个量化值对特性、配置参数和状态进行形式化和标准化描述。由于状态和特征的值是可变的，它们之间通常有一个区别，即状态的值可以在观察期内动态变化。特征值是永久固定的，或者至少在规定的观测周期内没有改变，因此可以用来表征其载体。
系统通过交换数据来交换信息，为了能够对交换的数据进行解释，系统需要一个通用的语义解释概念。为了描述系统的结构，可以使用SysML、CAEX、E/R等模型作为通用的概念基础。为了交换语义元素之间一般关系的信息，可以应用诸如链接数据或OWL构造之类的概念。在工业IT系统中，在许多情况下，只需要交换单值属性的信息，如特征、配置参数和状态。在所有这些情况下，可以开发半语义交换概念，允许在不“理解”特定个体语义的情况下交换和使用信息。
图2 属性元模型框架
对于系统中的信息交换和使用，只需要属性语句模型和通过唯一标识模式引用属性的可能性。属性类型描述模型允许通过标准描述模式将属性类型的含义描述为通用术语。只有在特定载体类型的上下文中，属性类型的语义才变得清晰，资产本身是其载体的一部分。