一、工业4.0参考架构模型

工业4.0

工业4.0是德国政府在2013年的汉诺威工业博览会上正式提出的概念，其目的是为了提高德国工业的竞争力。所谓工业4.0，是基于工业发展的不同阶段做出的划分，其中，工业1.0是以蒸汽机为标志，工业2.0是以电力使用为标志，工业3.0是以信息化为标志，工业4.0则是以智能化为标志。

1.数字工厂概念模型

数字工厂是支撑工业4.0现有的最重要的标准之一。对于数字工厂，德国工程师协会的定义是：数字工厂是由数字化模型、方法和工具构成的综合网络，包含仿真和3D虚拟现实可视化，通过连续的没有中断的数据管理集成在一起。数字工厂集成了产品、过程和工厂模型数据库，通过先进的可视化、仿真和文档管理，以提高产品的质量和生产过程所涉及的质量和动态性能。从本质上说，数字工厂是实体工厂在数字化虚拟空间的映射，实现了虚拟（设计与仿真）到现实（资源分配与生产）的过程。

数字工厂的概念模型如图1－32所示，分为实物层、虚拟层和工具应用层三个层次。

图1-32　数字工厂的概念模型

（1）实物层：包括产品构件和工厂生产资源两部分。其中产品构件是工厂的产出物，如汽车车灯、发动机和轮胎等；工厂生产资源是指工厂的生产设备，如传感器、控制器和执行器等。

（2）虚拟层：是对实物层的物理实体进行语义化描述，转化为可被计算机解析的“镜像”数据，同时建立数字产品资源库和数字工厂资源库的联系。

（3）工具应用层：用来实现从实物层到虚拟层的工具，涉及产品全生命周期，包括设计、仿真、工程应用、资产管理和物流等各个环节。

2.工业4.0的概念

工业4.0是指利用物联信息系统（Cyber－Physical System简称CPS）将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个人化的产品供应。工业4.0的核心内容可以归纳为：一套系统，即信息物理系统CPS；两大主题，即智能工厂和智能产品；三大集成，即横向集成、纵向集成和端到端集成。其中，三大集成是工业4.0的核心特征，指明了实现工业4.0的技术方向。

（1）企业内部灵活可重组的网络化制造系统的纵向集成，将各种不同层面的自动化与IT系统集成在一起（如传感器和执行器、控制、生产管理、制造执行、企业计划等各种不同层面），强调生产信息流的集成，包括订单、生产调度、程序代码、工作指令、工艺和控制参数等信息的下行传递，以及生产现场的工况、设备状态、测量参数等信息的上行传递。

（2）通过价值链及网络实现企业间的横向集成，将各种不同制造阶段和商业计划的IT系统集成在一起，强调产品的价值流（增值过程）集成，既包括一个公司内部的材料、能源和信息的配置（如原材料物流、生产过程、产品外出物流、市场营销等），也包括不同公司间的配置（形成价值网络）。

（3）全生命周期管理及端到端系统工程，通过集成CAD／CAM／CAPP、PLM、ERP、SCM、CRM、MES等软件／系统，实现用户参与设计（个性化），并通过虚拟设计、虚拟评估和虚拟制造，更好地把用户需求同生产制造完美地结合起来。并涉及产品直到维护服务的全生命周期，随时将用户意见反馈给前端的设计阶段，动态提升产品质量。

3.工业4.0参考架构模型

德国工业电子与信息技术标准化委员会（DKE）于2015年3月发布了工业4.0参考架构模型（RAMI4.0），如图1－33所示。RAMI4.0用一个三维模型展示了工业4.0涉及的所有的关键要素，将产品开发和生产全过程及价值链和分层结构相结合，为描述和实现工业4.0提供了最大的灵活性。

图1-33　工业4.0参考架构模型（RAMI4.0）

（1）活动层次。类似于计算机网络的OSI七层模型，各层实现相对独立的功能，同时下层为上层提供接口，上层使用下层的服务。从下到上各层代表的主要功能为：

资产层＋集成层：数字化（虚拟）表示现实世界的各种资产（物理部件／硬件／软件／文件等）。

通信层：实现标准化的通信协议，以及数据和文件的传输。

信息层：包含相关的数据。

功能层：形式化定义必要的功能。

业务层：映射相关的业务流程。

（2）生命周期与价值流。将数字化环境下的产品生产全过程划分为样机开发和产品生产两个阶段，通过强调不同阶段考虑的重点不同，描述产品全生命周期的数字化和智能化实现要素。

中国制造2025

（3）系统级别。描述工业4.0不同生产环境下的功能分类，与IEC 62263规定的层次一致。更进一步，由于工业4.0不仅关注生产产品的工厂、车间和机器，还关注产品本身以及工厂外部的跨企业协同关系，因此在底层增加了“产品”层，在工厂顶层增加了“互联世界”层。

二、中国制造2025

制造业是国民经济的基础，是科技创新的主战场，是立国之本、兴国之器、强国之基。当前全球制造业发展格局和我国经济发展环境发生重大变化，因此必须紧紧抓住当前难得的战略机遇，突出创新驱动，优化政策环境，发挥制度优势，实现中国制造向中国创造转变，中国速度向中国质量转变，中国产品向中国品牌转变。

《中国制造2025》提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，坚持“市场主导、政府引导、立足当前、着眼长远、整体推进、重点突破、自主发展、开放合作”的基本原则，通过“三步走”实现制造强国的战略目标：第一步，到2025年进入制造强国行列；第二步，到2035年我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三部，到新中国成立一百年时，我国制造业大国的地位更加稳固，综合实力进入世界制造强国前列。

围绕实现制造强国的战略目标，《中国制造2025》明确了9项战略任务和重点：一是提高国家制造业创新能力；二是推进信息化与工业化深度融合；三是强化工业基础能力；四是加强质量品牌建设；五是全面推行绿色制造；六是大力推动重点领域突破发展；七是深入推进制造业结构调整；八是积极发展服务型制造和生产性服务业；九是提高制造业国际化发展水平。

1.五项基本方针

（1）创新驱动：改善中国制造的发展方式，即转到创新驱动发展轨道上，解决一些重大的核心技术、核心零部件。

（2）质量为先：有两方面含义，一是提高制造业的发展质量，二是发展质量和品牌。

（3）绿色发展：我国制造业在全社会能源消耗中占70%，制造业绿色发展、节能减排、低碳发展影响全局，同时也要通过制造业的节能减排来促进制造业的创新发展。

（4）结构优化：有两方面，一方面是从一般的制造业来看，显示确实存在产能过剩的问题，但是我国高端制造业、生产性服务业发展不足；另一方面是产业链要提升，我国在全球产业分工中一直处在低端的位置上，能源消耗、单位增加值所产生的消耗源于我们的价值链比较低端。

（5）人才为本：要培育与制造强国发展目标相适应的人才，包括高端人才，也包括大量高技能的技术工人。

2.五项重大工程

五项重大工程如表1－10所示：(www.daowen.com)

表1-10　中国制造2025五项重大工程

3.十大重点领域

十大重点领域包括：新一代信息技术、高档数控机床和机器人、航天航空装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械、农业机械装备。国家将引导社会各类资源集聚，大力推动十大重点领域突破发展。

中国智能制造系统架构

三、中国智能制造系统架构

2015年5月中国发布《中国制造2025》文件，全面推进实施制造强国的战略。2018年在德国工业4.0参考架构模型（RMAI 4.0）基础上，提出《国家智能制造标准体系建设指南（2018年版）》，构建了图1－34所示的智能制造系统架构。

此架构通过生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建完成，主要解决智能制造标准体系结构和框架的建模研究。

1.生命周期维度

生命周期是指从产品原型研发开始到产品回收再制造为止所经历的市场生命循环过程，中间包括设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动。生命周期中各项活动相互关联、相互影响，且不同行业的生命周期构成不尽相同。

图1-34　中国智能制造系统架构

（1）设计是指通过对客户需求、产品技术特征和生产过程之间的关系进行全面深入的研究，确保获得高质量的产品，同时使制造成本降到最低的产品研发过程。

（2）生产是指通过劳动创造所需要的物质资料的过程。

（3）物流是指产品从供应地向接收地转移的实体流动过程。

（4）销售是指产品从企业转移到客户手中的经营性活动。

（5）服务是指商家与客户接触过程中所产生的一系列活动过程及结果，包括维护、回收等。

2.系统层级维度

系统层级是指与企业生产活动相关的组织结构的层级划分，包括设备层、控制层、车间层、企业层和协同层。智能制造的系统层级体现了装备的智能化和互联网协议（IP）化，以及网络的扁平化趋势。

（1）设备层是指企业利用传感器、仪器仪表、条码、射频识别、机器、机械和装置等实现实际物理流程并感知和操控物理流程的层级。

（2）控制层是指用于企业内处理信息、实现检测和控制物理流程的层级。

（3）车间层是实现面向工厂或车间的生产管理的层级。

（4）企业层是实现面向企业的经营管理的层级。

（5）协同层是不同企业通过互联网络共享信息实现协同研发、智能生产、精准物流和智能服务等功能的层级。

3.智能功能维度

智能功能是指基于新一代信息通信技术使制造活动具有自感知、自学习、自决策、自执行和自适应等一个或多个功能的层级划分，包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合和新兴业态等五层，实现了物理世界与信息世界的融合。

（1）资源要素是指对生产时所需要使用的工艺文件、原材料、制造设备等物理实体进行数字化过程的层级。

（2）互联互通是指通过有线、无线等通信技术，实现机器之间、机器与控制系统之间、企业之间的互联互通的层级。

（3）融合共享是指在系统集成和通信的基础上，利用云计算、大数据等新一代信息技术，在保障信息安全的前提下，实现信息协同共享的层级。

（4）系统集成是指实现从智能装备到智能生产单元、智能生产线、数字化车间、智能工厂，乃至智能制造系统的集成的层级。

（5）新兴业态是指为形成新型产业形态进行企业间价值链整合的层级。

工业互联网平台

四、工业互联网平台参考架构

2017年，我国提出发展工业互联网的战略，通过打造网络、平台和安全三大体系，推进大型企业集成创新和中小企业应用普及两类应用，建设工业互联网的支撑体系。同年，由工信部牵头组办的工业互联网产业联盟发布了《工业互联网平台白皮书（2017）》，提出了图1－35所示的工业互联网平台参考架构。

图1-35　工业互联网平台参考架构

工业互联网平台是面向制造业数字化、网络化、智能化需求，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的工业云平台，包括边缘、平台（工业PaaS）、应用（工业SaaS）三大核心层级。

（1）边缘层是基础，通过大范围、深层次的数据采集，以及异构数据的协议转换与边缘处理，构建工业互联网平台的数据基础。一是通过各类通信手段接入不同设备、系统和产品，采集海量数据；二是依托协议转换技术实现多源异构数据的归一化和边缘集成；三是利用边缘计算设备实现底层数据的汇聚处理，并实现数据向云端平台的集成。

（2）平台层是核心，基于通用PaaS叠加大数据处理、工业数据分析、工业微服务等创新功能，构建可扩展的开放式云操作系统。一是提供工业数据管理能力，将数据科学与工业机理结合，帮助制造企业构建工业数据分析能力，实现数据价值挖掘；二是把技术、知识、经验等资源固化为可移植、可复用的工业微服务组件库，供开发者调用；三是构建应用开发环境，借助微服务组件和工业应用开发工具，帮助用户快速构建定制化的工业App。

（3）应用层是关键，形成满足不同行业、不同场景的工业SaaS和工业App，体现工业互联网平台的最终价值。一是提供了设计、生产、管理、服务等一系列创新性业务应用。二是构建了良好的工业App创新环境，使开发者基于平台数据及微服务功能实现应用创新。