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鉴于系统架构是标准化的基础，必须首先开发整个架构的参考模型。
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迄今为止，有关工业系统结构的标准，如企业信息集成的标准IEC 62264（ISA 95）和批量控制标准IEC61512（ISA 88），基本上只是系统功能分层的架构，可以说仅仅是由技术驱动的。按照工业4.0和智能制造所着重要求的面向服务、自主自治、灵活的适应以及协同，其系统架构尚需要在概念上加以扩展。
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2015年4月，VDE发布了工业4.0的参考架构模型RAMI4.0[1]（见图3-19）和工业4.0的基本单元（component of Industry 4.0）模型[3，4]（见图3-20）。
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图3-19 工业4.0的参考架构模型RAMI4.0
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图3-20 工业4.0的基本单元模型
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为了让工业4.0的参考架构模型既能充分体现工业4.0高度灵活的概念，又能恰当表达工业4.0的各个关键方面，既适合描述流程行业，又适合描述离散制造业等各种类型的工业产业，采用了以下3个维度：
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1）右面的水平轴按照IEC 62264（即ISA 95）企业信息集成国际标准的功能层级。不过，根据工业4.0的概念在最底层增加了“产品”层，在最顶层增加了“跨企业连接”层。
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2）左面的水平轴按照IEC 62890（即ISA 105）生命周期管理国际标准。不过将它划分为两个阶段：虚拟设计开发和样机研发阶段（type）、实例化实现阶段（instance）。
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3）垂直轴则按照IT和通信技术常用的方法划分为6个层级：经营业务、功能性、信息、通信、集成和资产，便于将物理系统按其特性分层以进行虚拟映射。
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工业4.0基本单元模型是一个描述信息物理系统CPS详细特性的模型。CPS是一种在生产环境中的真实物理对象通过与其虚拟对象和过程联网通信的系统。在生产环境中，从生产系统和机械装备到装备中的各类模块，只要满足了这些特性，不管是硬件基本单元还是软件基本单元，都具备工业4.0要求的能力。
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工业4.0的基本单元可以是硬件单元，也可以是软件单元。成为工业4.0基本单元的一个先决条件是：它必须在整个生命周期内采集所有相关数据，并将数据存放在由该基本单元所承载的具有信息安全的电子容器内，并由它把这些数据提供给企业参与价值链的过程中。在工业4.0基本单元的模型中，这个电子容器就称为“管理壳”。还有一个先决条件是：基本单元的真实对象必须具有通信能力，以及相应的数据和功能。这样，生产环境中的硬件单元和软件单元之间就能进行符合工业4.0要求的通信。
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生产环境中硬件单元（如一台机械装备）或软件单元的相关数据都包括该单元的虚拟映射。这种虚拟映射存放在管理壳内，这使得网络化制造完全有了实施的可能性。
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工业4.0基本单元的管理壳存放了大量数据和信息，包括由制造商提供的CAD数据、电路接线图、手册等。系统集成商、工厂、装备的操作人员又在其中增加了与其他硬/软件连接的信息和维护信息。工业4.0的平台规定了数据信息安全的措施，以确保数据的可用性、可信性和完整性。
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管理壳还提供一定的功能，包括项目的规划、组态、运行、维护和复杂的业务逻辑功能等。
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服务数据和功能不但在基本单元内可用，而且也可在企业的网络甚至云端使用。这样做的优点是信息只存储一次，便可以通过IT服务向任意用户或任意应用实例透明提供。
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采用符合工业4.0的通信协议和管理壳的概念实现生产环境中各个基本单元的横向集成和纵向集成。
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总的来说，所有信息都能在工程技术、工业工程以及操作运行和维护这3个层面无缝地应用。
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为了使工业4.0获得成功，关键的问题是管理壳中不但要存储机械装备的信息，还要存储其特定的零部件信息。举例来说，某些机械的质量往往取决于伺服轴的性能，因而伺服轴的特性必须集中记录在维护系统中。同样在自动化系统中，有些部件（如端子排）本身是没有数据接口的，但是它存放在管理壳中的信息应该是端子连接到哪里，为什么这样连接，什么时候连接的等。这样每个零部件就成为了网络化生产中的智能零部件。
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4.关于应用案例
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为了说明在特定领域或特定行业进行开发和标准化的需要，可在现有系统的基础上通过“应用案例”来辨认工业4.0或智能制造对该行业或领域的特殊要求。对所辨认的应用案例的实质性和代表性取得一致意见，这具有决定性的重要意义。基于这个理由，在达到协商一致的标准化过程中应该开发、发掘和公布“应用案例”。
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“use case”这个专用名词最早出现在软件工程学科，在通用建模语言（UML）中将其译为“用例”或“用况”。在软件工程中，用例是一种在开发新系统或者软件改造时捕获潜在需求的技术。每个用例提供了一个或多个场景，该场景揭示了系统是如何同最终用户或其他系统交互的，从而获得一个明确的业务目标。在制定智能制造标准化体系时，这一概念十分有用。
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工业自动化的一个重要特征就是，通过努力使自动化的部件达到商业意义上的质量，以尽量多地覆盖和满足各类工业的要求。
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