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一、工业4.0参考架构模型

工业4.0是德国政府在2013年的汉诺威工业博览会上正是提出的概念，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1-1所示，分为实物层、虚拟层和工具应用层三个层次。

图1-1数字工厂的概念模型

（1）实物层：包括产品构建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-PhysicalSystem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1-2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。

（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，同时下层为上次提供接口，上层使用下层的服务。从下到上各层代表的主要功能为：

①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）。

②通信层：实现标准化的通信协议，以及数据和文件的传输。

③信息层：包含相关的数据。

④功能层：形式化定义必要的功能。

⑤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。

（3）系统级别。描述工业4.0不同生产环境下的功能分类，与IEC62263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。

图1-2工业4.0参考架构模型（RAMI4.0）