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進入21世紀以來，信息與通信技術(shù)取得了突破性進展。特別互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展給社會和工業(yè)帶來了深遠的影響，2006年美國國家基金會（NSF）科學(xué)家HelenGill提出了信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem，簡稱CPS）概念，將網(wǎng)絡(luò)化的世界與智能化物理世界融合起來。信息物理融合系統(tǒng)是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)，是計算進程和物理進程的統(tǒng)一體。CPS包含了無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)智能化具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自適應(yīng)功能。德國工業(yè)4.0將CPS運用到制造和物流的技術(shù)集成，通過與物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)網(wǎng)的融合，進而產(chǎn)生了創(chuàng)新的工廠系統(tǒng)--智能工廠(SmartFactory)。 
　　 
　　在工業(yè)4.0時代，每個工廠企業(yè)都將建立“數(shù)字企業(yè)平臺”，通過開放接口將虛擬環(huán)境與基礎(chǔ)架構(gòu)融為一體，從而形成生產(chǎn)制造模式變革為核心的網(wǎng)絡(luò)物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS）。智能工廠系統(tǒng)完全不同于傳統(tǒng)的工廠自動化系統(tǒng)。智能工廠采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)，它是人、機器與產(chǎn)品互聯(lián)互通的一個智能網(wǎng)絡(luò)。這一智能網(wǎng)絡(luò)成為設(shè)計和制造智能工廠的理論基礎(chǔ)。 

　　可以看出，CPS的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；生產(chǎn)制造系統(tǒng)采用CPPS信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)；傳統(tǒng)的企業(yè)監(jiān)控管理級成為了采用服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)的安全可靠和可信的云網(wǎng)絡(luò)?；谇度胧絀nternet技術(shù)的P2M（產(chǎn)品對機器通信）以公共無線網(wǎng)絡(luò)為接入手段，為客戶提供產(chǎn)品到機器的通信解決方案，滿足客戶對生產(chǎn)過程監(jiān)控、指揮調(diào)度、遠程數(shù)據(jù)采集和測量、遠程診斷等方面的信息化需求。P2M不是簡單的數(shù)據(jù)在產(chǎn)品和機器之間的傳輸，它是生產(chǎn)制造之間的一種智能化、交互式通信，即使人們沒有實時發(fā)信號，機器也會根據(jù)產(chǎn)品的信息主動進行通信，并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析智能化地做出選擇，對相關(guān)設(shè)備發(fā)出正確的指令。新型的工業(yè)控制以傳統(tǒng)的自動控制金字塔為基礎(chǔ)逐步實現(xiàn)智能化、遠程化和實時化，通過IP網(wǎng)絡(luò)支持以及泛在移動性的P2M通信提供了更佳的承載基礎(chǔ)。按照EdwardA.Lee教授的定義：“信息物理生產(chǎn)制造系統(tǒng)（CPPS）是計算過程和物理過程的集成系統(tǒng)，利用嵌入式計算機和網(wǎng)絡(luò)對物理過程進行監(jiān)測和控制，并通過反饋環(huán)實現(xiàn)計算過程和物理過程的相互影響?！被贑PS系統(tǒng)的智能工廠是一種網(wǎng)絡(luò)型嵌入式系統(tǒng)，它將打破PC機時代建立的傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的體系架構(gòu)，從而全面實現(xiàn)分布式智能。 
　　 
　　德國推進智能工廠動因 
　　 
　　除了技術(shù)背景，德國政府實施智能工廠的主要原因，還是想將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息和通信技術(shù)集成到傳統(tǒng)的制造業(yè)，以維持其全球市場領(lǐng)導(dǎo)地位，并為推廣CPS技術(shù)和產(chǎn)品建立和培育新的市場，成為智能制造技術(shù)的主要供應(yīng)大國。 
　　 
　　從根本上說，德國作為世界上最重要的生產(chǎn)制造國家，面臨著互聯(lián)網(wǎng)時代制造領(lǐng)域升級轉(zhuǎn)型的巨大挑戰(zhàn)。目前IT行業(yè)對于傳統(tǒng)制造業(yè)的大舉進攻，對于傳統(tǒng)制造領(lǐng)域技術(shù)開發(fā)的大量投資，使得德國政府不斷提醒德國的企業(yè)家們必須抱有保持德國在制造行業(yè)領(lǐng)先地位的深刻危機意識。如果德國制造業(yè)不能及時進行創(chuàng)新性革命，總有一天Google、微軟、蘋果等會成為生產(chǎn)制造的新巨頭?？梢哉f，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展對于產(chǎn)品乃至企業(yè)生命周期的影響，猛烈地沖擊著德國制造強國的地位。所以德國必須通過新的創(chuàng)新、變革才能從制造強國提升為超級制造強國，從而保持它在機械制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。而推動智能工廠和智能生產(chǎn)是實現(xiàn)這一目標的重要手段。 
　　 
　　德國大力推進智能工廠的原因，具體而言，第一個因素是互聯(lián)網(wǎng)時代對于傳統(tǒng)制造業(yè)的強烈沖擊。最近十多年來技術(shù)特別是IT信息通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，已成為所有行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域的重要創(chuàng)新驅(qū)動器。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已對人類社會的發(fā)展帶來了深刻的影響。制造業(yè)若仍按照原來的設(shè)計制造生產(chǎn)和規(guī)劃方法運行，已遠遠不能適應(yīng)市場、客戶和技術(shù)發(fā)展的需要。如何將互聯(lián)網(wǎng)及IT技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)已成為當務(wù)之急。因此，如果德國想在全球裝備制造領(lǐng)域繼續(xù)保持領(lǐng)頭羊的地位，不僅必須繼續(xù)發(fā)揚一貫專注于創(chuàng)新和創(chuàng)造的精神，而且要通過工業(yè)4.0戰(zhàn)略的實施，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)有機結(jié)合在一起，對傳統(tǒng)行業(yè)進行變革以符合新的營銷理念、新的市場需求和新的技術(shù)發(fā)展的要求，再度提升其全球競爭力，成為互聯(lián)網(wǎng)時代工業(yè)制造技術(shù)的供應(yīng)者和領(lǐng)先者，并將這種系統(tǒng)工程推向全世界，保持其全球生產(chǎn)制造行業(yè)掌門領(lǐng)袖的地位。 
　　 
　　第二個因素是世界經(jīng)濟全球化對于產(chǎn)品生命周期的影響。由于互聯(lián)網(wǎng)時代帶來了世界經(jīng)濟的扁平化，帶來了工業(yè)產(chǎn)業(yè)如何保持持續(xù)發(fā)展的新挑戰(zhàn)，帶來了由信息的開放性和傳播的快速性造成的產(chǎn)品生命周期的根本性變化。所以制造工廠的設(shè)計和建造需要滿足生產(chǎn)制造布局全球性、制造方式靈活性、產(chǎn)品生命周期縮短和企業(yè)發(fā)展持續(xù)性的需求。這些需求就是工業(yè)4.0戰(zhàn)略在所有工業(yè)領(lǐng)域要解決的問題。而智能工廠的目的就是要產(chǎn)生一種新型的生產(chǎn)制造模式。從單純生產(chǎn)產(chǎn)品的技術(shù)角度來講，這種新型的生產(chǎn)制造模式要能適應(yīng)產(chǎn)品生命周期的新變化。在過去十多年里，機械制造行業(yè)的專家們做了不少努力來提高生產(chǎn)效率，加大生產(chǎn)的靈活性，如機電一體化、管控一體化、CIMS、數(shù)字工廠、虛擬工廠等等，都沒有很好地解決以上問題，在實踐和發(fā)展中，人們慢慢認識到這些問題的解決并不是單單通過改造生產(chǎn)制造方式就可以實現(xiàn)的。這種變革需要融合產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、市場、服務(wù)、運行及回收各階段的動態(tài)管理。這恰恰是建設(shè)智能工廠的首要任務(wù)。 
　　 
　　第三個因素是推動智能制造以鞏固德國在制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。德國在推動工業(yè)4.0這一國策時將重點放在智能工廠上，這關(guān)系到德國如何繼續(xù)占領(lǐng)傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的制高點，打造國家制造業(yè)競爭新優(yōu)勢。老牌工業(yè)強國德國期望通過以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命來實現(xiàn)德國的工業(yè)制造由自動化向智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向升級的目的，實施智能工廠和智能生產(chǎn)兩大戰(zhàn)略，通過不同層面的智能化變革實現(xiàn)全局的智能化。 
　　 
　　德國強調(diào)第四次革命的重點是生產(chǎn)制造模式上的改變，這也與德國制造業(yè)在德國經(jīng)濟中有著舉足輕重的地位分不開。德國擁有強大的設(shè)備和機床制造能力，推動智能工廠建設(shè)，可以全方位地提升德國工業(yè)界的整體實力，引發(fā)整個制造產(chǎn)業(yè)鏈（信息技術(shù)的引用、生產(chǎn)物流管理技術(shù)、自動化控制技術(shù)、機電一體化技術(shù)、工業(yè)科技產(chǎn)品的科研和開發(fā)、3D技術(shù)、復(fù)雜工業(yè)過程的管理技術(shù)、電子嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等等）的顛覆性變化。同時這一項目也可以動員和吸引整個工業(yè)制造行業(yè)鏈上大量中小企業(yè)參與，舉一綱而萬目張，解一卷而眾篇明，成為“全民項目”，使得中小企業(yè)都成為智能工廠生產(chǎn)技術(shù)的參與者、開發(fā)者、使用者和受益者，從而繼續(xù)保持德國在整個產(chǎn)業(yè)鏈的領(lǐng)先地位。 
　　 
　　德國智能工廠架構(gòu)體系 
　　 
　　工業(yè)4.0提倡的智能工廠是實現(xiàn)一種新型生產(chǎn)制造模式的載體。其核心是為了適應(yīng)產(chǎn)品生命周期新的變化。它能夠找到應(yīng)付產(chǎn)品快速更新?lián)Q代、產(chǎn)品種類多而批量少、價格競爭和成本壓力、投資回報率時間縮短以及資源優(yōu)化和能源效率的解決方法。其架構(gòu)體系是按照RAMI4.0（工業(yè)4.0的參考架構(gòu)模型）來設(shè)計的。 
　　 
　　RAMI4.0提出了從四個側(cè)面來設(shè)計智能工廠，即生產(chǎn)制造流程、生產(chǎn)制造設(shè)備、管理軟件和工程工藝（生產(chǎn)工藝、制造工藝、產(chǎn)品開發(fā)工藝及流程工藝）。同時RAMI4.0又將這四個側(cè)面歸納為三個維度，即產(chǎn)業(yè)制造鏈、產(chǎn)品周期鏈和企業(yè)管理鏈，形成一個三維的工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型。按照這個模型，我們用生產(chǎn)制造周期、自適應(yīng)生產(chǎn)制造自動化系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)為導(dǎo)向的工廠管理系統(tǒng)三方面來構(gòu)造智能工廠的基本特性及方法。 
　　 
　　實現(xiàn)智能工廠要分多步進行。 
　　 
　　智能工廠要掌握產(chǎn)品生命周期，制訂靈活多樣的生產(chǎn)制造周期。實際上，產(chǎn)品從誕生到消失的生命周期在市場上銷售量需求有一定的規(guī)律。它要經(jīng)歷研發(fā)期、試用期、發(fā)展期、成熟期、飽和期到退出期。在不同的時期中市場對于產(chǎn)品的數(shù)量要求也是不同的。如在研發(fā)期、試用期所需要的產(chǎn)品數(shù)量是有限的，發(fā)展期、成熟期、飽和期所需要的產(chǎn)品數(shù)量由市場推廣的力度及市場合理的定位來確定預(yù)測的范圍，而在退出期則需要按回報率、更新?lián)Q代的速度和開發(fā)新產(chǎn)品的投入力度來規(guī)劃產(chǎn)品不同的生產(chǎn)數(shù)量和功能。 
　　 
　　S型曲線是典型的產(chǎn)品生命周期曲線，產(chǎn)品經(jīng)過培育期、成長期、成熟期、衰退期，直至結(jié)束產(chǎn)品生命。這條S型曲線代表了以傳統(tǒng)的方式來思考一個產(chǎn)品生命周期的各個階段與企業(yè)在此產(chǎn)品上的收入（效益）的關(guān)系。
　　 
　　而在產(chǎn)品生命周期的管理下，產(chǎn)品生命周期曲線可以被重新塑造，在產(chǎn)品生命周期的各個階段都會產(chǎn)生相應(yīng)的作用，從總體上為企業(yè)帶來巨大的效益。同時極大地影響不同階段對于產(chǎn)品的需求數(shù)量，當然對于生產(chǎn)制造的規(guī)模、回報率和研發(fā)周期的制定起了決定性的作用。 
　　 
　　這是產(chǎn)品管理的基本原則，所不同的是在過去的年代里，整個的產(chǎn)品生命周期比較長，一般可以按8年到10年計算，所以一般研發(fā)期、試用期的資本投入可以忽略不計。以開發(fā)機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品為例，初期的研發(fā)費用、模具費用甚至加工機械設(shè)備的費用可以分攤在整個產(chǎn)品的數(shù)量上。比較長的產(chǎn)品生命周期產(chǎn)生巨大的銷售量保證了初期投入及時地獲得回報。而如今隨著技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代的加速，產(chǎn)品生命周期大大縮短。這種現(xiàn)象首先出現(xiàn)在民用產(chǎn)品上，使用周期從過去的三四年縮短到一二年，甚至更短。這種趨勢也影響了工業(yè)產(chǎn)品的生命周期的長短。 
　　 
　　產(chǎn)品生命周期短、產(chǎn)品數(shù)量少同時數(shù)量要求的突變性，必然需要一種靈活多樣的生產(chǎn)制造模式來快速響應(yīng)這些變化。實現(xiàn)智能工廠的第一步就是要建立這樣的具有自適應(yīng)功能的生產(chǎn)制造模式。目前德國推動智能工廠的一項重要任務(wù)就是設(shè)計和規(guī)范按照市場對產(chǎn)品需求的不同時間段而實現(xiàn)不同生產(chǎn)方式的靈活多樣的生產(chǎn)制造發(fā)展周期。 
　　 
　　智能工廠要滿足產(chǎn)品制造周期的自適應(yīng)生產(chǎn)制造模式。多工作方法的生產(chǎn)制造模式是智能工廠滿足客戶和產(chǎn)品特殊需求的基礎(chǔ)，將客戶和市場的需求及時地與生產(chǎn)制造模式有機地整合在一起，及時調(diào)整生產(chǎn)的方法來平衡成本與投資，降低成本，提高響應(yīng)速度。提高產(chǎn)品的競爭能力是智能工廠的基本設(shè)計思想。要實現(xiàn)人工、半自動和全自動三位一體的生產(chǎn)制造模式，我們首先要考慮到這種混合生產(chǎn)制造模式的實施成本問題，生產(chǎn)方式切換時產(chǎn)生的停機時間問題，調(diào)試維護安裝操作難度提高的問題，運行人員的技術(shù)水平培養(yǎng)問題，系統(tǒng)規(guī)劃預(yù)算的復(fù)雜性問題等等。針對這些問題，必須解決：產(chǎn)品數(shù)量的響應(yīng)性；生產(chǎn)規(guī)劃的長期性；生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性；技術(shù)發(fā)展的連續(xù)性；制造成本的競爭性；員工創(chuàng)新的主導(dǎo)性。這六個性能構(gòu)成了智能工廠生產(chǎn)制造模型的特征。 
　　 
　　智能工廠必須具備將人工、半自動和全自動三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式的控制系統(tǒng)的基本方法人工、半自動和全自動三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式是構(gòu)成生產(chǎn)價值鏈軸/生產(chǎn)管理軸的集合。針對產(chǎn)品的高柔性化生產(chǎn)和客戶定制的發(fā)展趨勢，建立高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。 
　　 
　　在這種模式中，由于引入了各種新的技術(shù)特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，產(chǎn)生以生產(chǎn)制造為導(dǎo)向的交叉領(lǐng)域和創(chuàng)新理念，創(chuàng)造出新價值，傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈將被重組。適應(yīng)性的生產(chǎn)制造模式針對產(chǎn)品制造周期自適應(yīng)生產(chǎn)制造模式提出了基本的設(shè)計規(guī)范，核心是將IT信息技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)自動化技術(shù)有機結(jié)合起來。對所需的信息和應(yīng)用信息要求數(shù)字化；保證產(chǎn)品在不同時刻或階段需求量不同，對于生產(chǎn)峰值有及時的應(yīng)對能力；應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)及IT技術(shù)將生產(chǎn)制造、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)控制和生產(chǎn)管理結(jié)合在一起；采用分散智能化裝備組件使得生產(chǎn)模式功能擴展得更加方便；采用網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的概念達到數(shù)字工廠與實際對象的一致性。當然成本的優(yōu)化、操作的方便性等等因素都在設(shè)計的大綱中體現(xiàn)出來。 
　　 
　　根據(jù)這些現(xiàn)實及未來發(fā)生的問題，研究智能工廠的路徑圖得以提出。智能工廠是信息化技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)品，是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強信息管理和服務(wù)。智能工廠規(guī)劃、設(shè)計和運行專家們不僅要了解自己的產(chǎn)品即生產(chǎn)裝備及技術(shù)，同時也應(yīng)該清楚掌握產(chǎn)銷流程、即時正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，以及合理編排生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)進度。為了提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線上人工干預(yù)、在設(shè)計的過程中必須將生產(chǎn)管理、生產(chǎn)流程及生產(chǎn)效率統(tǒng)一于生產(chǎn)制造模式中，從而構(gòu)建一個高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的現(xiàn)代化工廠。它主要采用的技術(shù)核心如下：A)采用數(shù)字工廠/虛擬工廠的技術(shù)；B)智能分散型機電控制一體化的功能模塊；C)IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、應(yīng)用實現(xiàn)三位一體化的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)。 
　　 
　　智能工廠還須具備融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的企業(yè)管理系統(tǒng)。為了實現(xiàn)“工業(yè)4.0”概念的智能工廠，在注重新的生產(chǎn)線高度自動化的同時，必須首先在制造的主要環(huán)節(jié)實現(xiàn)信息化控制與集成，以支撐生產(chǎn)過程管理與監(jiān)控以及制造執(zhí)行環(huán)節(jié)的信息主動獲取和集成。為此，智能工廠必須以生產(chǎn)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的主動獲取、應(yīng)用和集成為主線，設(shè)計出智能制造過程管理與控制軟件子系統(tǒng)（以下簡稱子系統(tǒng)），主要業(yè)務(wù)模塊總體框架。 
　　 
　　該子系統(tǒng)主要分為三個層面：信息集成與服務(wù)層、智能制造車間管理層以及設(shè)備層。在智能工廠的企業(yè)管理層必須與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合。整個軟件框架體系中，頂層信息集成與服務(wù)層通過云服務(wù)與其他工廠進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)制造服務(wù)化；生產(chǎn)制造管理層作為制造執(zhí)行控制功能，對制造過程進行控制與數(shù)據(jù)分析，主要包括制造執(zhí)行控制模塊、庫存與物流控制模塊、多源過程數(shù)據(jù)獲取與分析模塊、設(shè)備通訊模塊等關(guān)鍵業(yè)務(wù)功能以及系統(tǒng)基礎(chǔ)支撐模塊。各層間通過數(shù)據(jù)服務(wù)中心進行數(shù)據(jù)交互。智能工廠的IT設(shè)施建立在云計算網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，云計算的本質(zhì)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)模式，它類似于遠程數(shù)據(jù)中心?？刂剖铱梢岳斫鉃樗接性?，考慮到控制的可靠性要求非常高，為CPPS信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)提供服務(wù)的Apps平臺建立在工廠企業(yè)的私有云上。但是一些營運和生產(chǎn)管理，例如PLM、SCM、CRM、QMS、ERP、以及MES的一些功能可以通過