面向工业4.0价值链分析的多维可视化方法研究——以智能热泵生态系统为例

《IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society》：Visualization Approach for RAMI 4.0 Value Chain Analysis

本文针对工业4.0参考架构模型(RAMI 4.0)在实际应用中因缺乏有效可视化工具而难以分析复杂价值链的问题，提出了一种结合2D/3D可视化技术的多维分析方法。研究团队通过智能热泵(SHP)用例验证了该方法能有效映射信息/操作技术(IT/OT)微系统交互关系，支持实时价值链分析，为多利益相关方工业生态系统提供了工程过程与产品生命周期的集成视图，显著提升了RAMI 4.0框架在智能制造中的决策支持能力。

　　

在工业4.0浪潮席卷全球制造业的背景下，传统生产模式正经历深刻变革。信息物理系统(CPS)和物联网(IoT)技术的融合，虽然打破了信息技术(IT)与操作技术(OT)之间的壁垒，却也带来了前所未有的复杂性。作为工业4.0的核心框架，参考架构模型RAMI 4.0虽然提供了涵盖层次等级、生命周期和架构层的三维结构，但其抽象性使得实际应用中难以直观理解价值链中微系统的动态交互关系。特别是在多利益相关方参与的智能工业生态系统中，如何清晰呈现工程过程、业务活动与产品生命周期的关联，成为制约RAMI 4.0落地应用的瓶颈。

针对这一挑战，来自瑞典吕勒奥理工大学的研究团队在《IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society》上发表了一项创新性研究，提出了一种面向RAMI 4.0价值链分析的多维可视化方法。该方法通过结合三维RAMI 4.0立方体可视化与二维交互矩阵等技术，首次实现了对工业生态系统中微系统交互、价值流动和多利益相关方协作关系的全面可视化分析。

研究人员采用模块化设计思路，开发了包含七个关键步骤的方法论框架。首先通过算法1对系统模型数据进行预处理和验证，确保输入数据符合RAMI 4.0规范。随后利用算法2将微系统映射到RAMI 4.0的三维坐标空间，其中X轴代表层次等级（从现场设备到企业级），Y轴表示生命周期阶段（从原型设计到报废处理），Z轴对应架构层（从资产层到业务层）。算法3则支持动态工作流过滤，使分析能够聚焦于特定业务流程或生命周期阶段。

在技术方法层面，研究团队创新性地采用了微系统属性定义和微服务交互元组来描述系统组件，通过依赖结构矩阵(DSM)聚类算法（算法4）识别高交互密度微系统集群。三维可视化（算法5）采用椭球体表征微系统在RAMI 4.0立方体中的空间分布，而价值投射分析（算法6）则将成本、利润等指标映射到二维平面。最后，算法7构建了工程过程阶段与产品生命周期的集成映射图，完整呈现了多利益相关方在价值链各环节的参与度。

系统微系统交互矩阵与聚类分析

通过构建微系统交互矩阵，研究清晰揭示了智能热泵(SHP)生态系统中各组件间的依赖关系。如图2所示，对角线元素显示微系统在特定生命周期阶段的参与度，而非对角线元素则揭示了跨阶段交互模式。聚类分析有效识别了高耦合微系统群组，如智能工作流管理微系统与智能能源管理微系统之间的强关联性，为优化系统架构提供了重要依据。

三维可视化微系统在利益相关方RAMI 4.0立方体中的表现

三维可视化实现了对RAMI 4.0解决方案空间的直观呈现。如图3所示，不同利益相关方的微系统被分配至独立的RAMI 4.0立方体，椭球体形状直观展示了微系统跨越的架构层范围。橙色圆圈标记了中间层的交集点，而服务交互符号则清晰呈现了微服务级的数据交换关系。这种可视化方式特别有助于理解遗留系统（如SHP订购系统）与新兴工业4.0技术的集成机制。

RAMI 4.0价值附加投射分析

价值投射分析将财务和环境指标引入可视化框架，使利益相关方能够量化评估各微系统对价值链的贡献。图4和图5分别展示了主要利益相关方（SHP供应商、ECU供应商和最终用户）的成本价值分布情况。通过阶梯式累积曲线，分析揭示了在特定生命周期阶段或层次等级上的价值创造热点和成本瓶颈，为优化资源配置提供了数据支持。

工程过程阶段与产品生命周期集成映射

集成映射图（图6）将产品生命周期、工程阶段、价值供应链和利益相关方互动四个维度有机结合，形成了对智能热泵生态系统的全景式认知。该可视化清晰显示了各利益相关方在八个工程阶段（从需求分析到培训教育）中的参与模式，揭示了例如Stakeholder-1（SHP供应商）全程参与而Stakeholder-3（最终用户）主要参与运营管理阶段的协作特征。

研究团队还开发了概念验证工具（图7），通过Web界面实现了交互式三维可视化探索。该工具支持动态过滤、缩放和旋转操作，使利益相关方能够从不同角度分析系统关系，为实时价值链分析提供了技术基础。

本研究的重要意义在于突破了RAMI 4.0框架在实际应用中的可视化瓶颈，为复杂工业生态系统的价值链分析提供了系统化方法。通过多维可视化技术，利益相关方能够直观理解微系统交互关系、识别优化机会并支持实时决策。该方法不仅适用于当前工业4.0环境，其模块化设计也为未来向RAMI 5.0框架演进提供了技术路径，特别是在融入人机协作和可持续发展维度方面具有扩展潜力。该研究成果为智能制造生态系统的高效管理和优化提供了创新工具，将显著提升工业数字化转型的实效性。