真的有工业4.0的落地的具体路径吗？我们看到了大量的解决方案，却很少能够看到从底层构建的案例。智能制造的圈内人士对于德国工业4.0的架构RAMI4.0应该是耳熟能详的，但对工业4.0的基本组成单元“工业4.0基本单元”（I4.0 compennet），却是相对陌生。然而德国产业界和学术界，正是在这个可以落地的抓手上，进行了深入的开发实践。本文从工业4.0基本单元的内涵出发，看看德国如何实际运用，以及怎么进行开发。

实体资产的“虚拟化”

为便于参考架构模型表达工业4.0的空间，RAMI采用三维模型（见图1）。纵轴分成6个层级，从不同的视角表达诸如数据映射、功能描述、通信行为、硬件/资产或业务流程。这里借用了IT行业将复杂项目划分为若干个可以管理的部分的思维。左面的横轴表达产品生命周期及其所包含的价值链，可在参考架构模型中表示整个生命周期内的相关性（例如持续的数据采集之间的相关性）。右面的横轴表达工厂的功能性和响应性，即工厂功能的分层结构。

图1：德国工业4.0参考架构RAMI4.0

最为引人瞩目的是，RAMI将物理系统按照其功能特性，分层进行了虚拟映射。

按照IT和通信技术常用的方法，将纵轴自上而下划分为6个层级：经营业务、功能性、信息、通信、集成、资产。

资产层处于最底层，连同其上层集成层一起被用来对各种资产进行数字化的虚拟表达。用资产层来表达物理部件/硬件/软件/文件等实体，物理部件如直线运动的轴、金属部件、电路图、技术文件、历史记录等。

人也作为资产层的一部份，通过集成层与虚拟世界相链接。

资产与集成层的链接是无源（passive）连接。

图2：RAMI4.0和物理-数字化架构及递阶关系

图2清晰表达RAMI4.0和物理－数字化架构及递阶关系。把物理实体（包括硬件、软件、工程文件等）通过数字化演化为能在虚拟世界完整表达、通信、推理、判断、决策加工等，让控制信息和业务信息都能实时传递交换和处理，从而使企业中的各类资产都能互联、互操作。根据不同资产的作用，当它们数字化后相互之间的关联，应该按控制要求和业务要求构建它们之间的扁平化的通信递阶关系。

四大类资产变形记

工业4.0基本单元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进行联网通信的系统。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，只要满足了上述这些特性，不管是硬件基本单元还是软件基本单元都具备和符合了工业4.0要求的能力。

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，存放在有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。

在工业4.0基本单元的模型中，这个电子容器称之为“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都能进行符合工业4.0要求的通信。

这里有四个工业4.0基本单元的例子。

一个是一整套机械装备作为工业4.0基本单元，这类工业4.0的基本单元是由机械制造厂商来实现的。它可能是一台机床、包装机或3D机等。

图3：工业4.0基本单元模型

一类是专门供应厂商提供的关键部件，也可看成是一类工业4.0基本单元，这是由部件制造厂商实现。它们往往可以分开登录，譬如可分别在资产管理系统和维护管理系统中登录。

第三类还可以把一些构成零部件看成是工业4.0基本单元，例如一个端子排：它不但是连通信号的接线，而且在整个机械装备的生命周期中还起着传输数据的作用。这种工业4.0基本单元的实现者往往是电气工程师或技术员。

第四类，也是非常有趣的是，软件也是生产系统中的重要资产，它们也是工业4.0基本单元。例如一个独立的规划或者工具性工程软件，甚至一个功能块库。其实现者可以是软件供应商，也可以是控制器应用程序的编程工程师等。

表1：实体资产向工业4.0单元转化

由图4可知，资产构成工业4.0基本单元（物理／非物理）的实体部分，管理壳构成工业4.0基本单元的虚拟部分，工业4.0的通信将各种基本单元加以连接。

图4：工业4.0基本单元的特性

图5：机械装置由各类IC4.0组成

任何一种机械装备其重要的部分原则上都是各类工业4.0基本单元组成。譬如图5中由端子排、伺服轴、机械装置和由这台机械装置加工出来的产品，如最常见的运动鞋。这些资产通过工业4.0的通信连接起来。机械装置则由在生产网络中的PLC进行控制。由此可以得出以下结论：工业4.0基本单元是网络化的基础元件，生产制造出来的产品的服务策略也因此建立了相互连接，因而即使没有实际的电子接口的元件也具有同等的权利，为建立业务价值的深度表达提供了可行的技术路径。

德国人如何构建基本单元

在以上顶层设计概念的基础上，就有可能为所有现有的工业资产提供数字化的实现。人们常说智能制造的基础是数字化，数字化的核心是建模。那么我们就来观察一下德国工业界是怎样进行这一过程的。

就像为地球上所有的大米粒都要编号一样，需要设计出全世界亿万数量级的工业资产的唯一标识及其链接方式，以便为今后对这些资产进行虚拟描述打好基础。

图6表述的就是这种统一的格式。标识符是URI，为每一种资产提供唯一的识别符，并与该资产对应的管理壳对应，该标识符既参照该资产的物理分类，又可链接该资产的管理壳，而管理壳的虚拟描述完全建立在其物理特性和相关数据之上。

图6 ：资产进入数字化世界