1.简介
人们强烈要求新的系统架构能够满足全球互联制造结构的需求[1]. 对可变性、高效供应链和优化能耗的高要求[2]近年来，工业互联网和网络物理技术的快速发展导致了几种新的制造模式的发展。工业4.0（I4.0）有望产生新的商业模式，并提高制造流程的效率[三]. I4.0建议利用相关的颠覆性技术，实现工厂内分布的多个工业设备之间以及互联网上的自主通信[4]. 这些新范例包括智能制造、网络物理生产系统、I4.0、云制造和社会制造[5]. 数字经济由信息、计算和通信特征的根本变化所定义，现在是经济增长、社会变革和共享经济的主要驱动力[6,7]. 在数字经济中，平台模型在过去几年里急剧增长，降低了交易成本，促进了原本不会发生的交流[8]. 数字平台促进了组织之间的交易，并在用作应对竞争压力基础的技术构件之上提供服务和/或产品[9,10]. 有鉴于此，数字制造平台能够提供与收集、存储、处理和交付数据相关的服务。这些数据要么描述制造产品，要么与制造过程和制造资产相关（材料、机器、企业、价值网络和非遗忘工厂工人）[11]. 数字制造被视为欧洲制造愿景和知识生产战略议程的核心战略之一[12]. 目前，制造业数字平台的兴起已成为现实，因为它们在支持商业网络中的协同制造、服务、分析和预测过程中发挥着关键作用。此外，它们通过快速简单的服务和应用程序编排为企业提供了灵活性[13]. 从经济角度来看，数字平台正在重组全球经济的更多部分。在许多情况下，它们通过重置进入壁垒、改变价值创造和价值捕获的逻辑、重新包装工作和/或经常重新定位经济和网络系统中的权力，扰乱了现有的经济活动组织[14]. 从商业角度来看，参考[15]声明称，平台经济的竞争将十分激烈，尤其是当邻近行业的公司超越其传统市场时。此外，还强调指出，数字平台扰乱和支配市场，以创建大规模社区，提供新形式的创新和价值创造，这需要定义适当的商业和商业模式，重点关注数字制造平台的价值主张。基于此，数字制造平台的创建似乎将在未来几年继续发展，这表明参考模型对于促进这一发展是必要的，提供参考方法以适当的方式定位用例，从而节省时间和成本。 参考模型，如工业4.0的参考架构模型（RAMI 4.0）1，为利用物联网（IoT）、大数据分析和制造过程中的其他技术进步（即所谓的智能制造）的应用程序提供了解决方案中性参考架构模型，智能制造，或者简单地说工业4.0。参考模型代表了描述和指定系统架构的通用结构和语言，因此有助于促进共同理解和系统互操作性。在数字制造平台的架构定义中，与这些参考模型的一致性是积极的，因为它们为相关技术系统的标准化提供了一个框架，从开发、集成到运营。因此，与参考模型的联系为系统架构定义提供了正确的方向，并促进了组件编排、与相关组织的协作和国际化。
本文的主要目标是分析不同的前沿参考模型，以确定协同作用和互补性。然后，该分析用于开发一个综合参考模型，该模型结合了所分析的不同模型的特征，以支持实际用例中数字制造平台的架构定义。该综合参考模型还基于通过基准测试获得的结果，基准测试表明，没有一个涵盖所有用例的统一和集成参考模型。此外，值得一提的是，工业互联网综合参考模型（I3RM）定义的驱动力是“零缺陷制造平台”（ZDMP）项目中检测到的实际需求，该项目由欧盟委员会H2020框架计划资助。本项目的主要目标是开发欧洲零缺陷参考平台，为此，已经确定需要更广泛的参考模型，因为对准分析表明，当前的模型没有为平台提供足够的参考信息，即项目需要一个参考模型来创建ZDMP的特定模型[16]. 近年来，寻求提高生产效率或为解决方案提供商创造新收入模式的数字制造平台数量有所增加，考虑到I4.0的潜在好处，预计未来几年将继续快速增长。本文的结果可用于促进这一不断扩展的领域中商业和研究性解决方案的开发和互操作性。
考虑到这一点，本文中采用的方法首先将不同参考模型中的定义对齐。对齐所使用的方法基于对每个参考模型中包含的定义的分析和比较，这是参考模型对齐的常见方法。这是本研究工作中引用的不同校准报告所使用的方法，因此，当没有关于校准程度的现有信息时，使用相同的方法来执行参考模型的校准。比较方法是基于分析和研究每个参考模型的生命周期、层次、级别和功能以及组件的对应关系。此外，对于上述要比较的每个因素，定义了一个三要素比较量表：（i）互补性；（ii）类似的；和（iii）不相似。该分析的动机是，随后导出一组建议和一个适当的参考架构模型，以指导任何数字制造平台用例的定义、实现和验证。除此之外，比较还提供了有价值的信息，以利用所研究参考模型的协同作用、对应性和差异性，加深理解并促进其使用。
2.最新技术
I4.0的参考模型是一个新的研究领域，需要在新的互联网和网络物理制造范式中特别关注。I4.0的大多数参考模型都基于计算机集成制造开放系统体系结构（CIMOSA）[17]和ISA 95标准[18]至少在某种程度上是这样。 CIMOSA是一种事件驱动的方法，用于在集成的计算机化框架中建模企业流程[17]. ISA 95是一个架构模型，用于促进企业功能和控制系统的集成。它提供了从生产过程到更高层次的制造系统的层次结构，即商业物流[18]. 工业4.0（RAMI 4.0）的参考模型[19]是一个统一的体系结构参考模型，提供了对I4.0标准的总体理解。它可以被视为映射I4.0概念和用例的工具。在RAMI 4.0中，I4.0组件在其结构和功能中定义。该模型为绘制用例需求提供了方向，以便定义和进一步开发I4.0概念和产品。RAMI 4.0基于智能电网架构模型（SGAM）[20]，为在可再生能源网络中进行通信而开发的模型[21]，似乎也适用于I4.0应用程序。 美国国家标准与技术研究院（NIST）推动智能制造愿景[22]作为一个完全集成的协同制造系统，它能够应对制造企业今天面临的质量、效率和个性化挑战。通过采用NIST Smart Manufacturing标准，中小型公司可以实现这一愿景，受益于公共文档、参考软件实施和一致性测试。 中国国家智能制造系统架构（IMSA）[23]这是中华人民共和国国务院的回应，旨在推动标准化工作，引导中国制造业向智能制造升级。由中国工业和信息化部（MIIT）和中国标准化管理委员会（SAC）共同制定[24]智能制造概念涉及新信息技术、新材料、数控工具、新型设备和机械的集成，是支持中国经济发展的关键领域。 IMSA基本上是构建标准的指南，以促进制造过程的互连，因为这种互连和互操作性被视为实现智能制造概念的关键驱动因素。
工业物联网（IIoT）系统的工业互联网参考架构（IIRA）[25]工业互联网联盟（IIC）任务组于2015年首次发布。联合体成员包括不同IIoT应用领域（主要是能源、医疗、制造、公共领域和运输）的系统和软件架构师以及业务和安全专家。参考体系结构使IIoT系统架构师能够使用通用词汇表、基于标准的体系结构框架和参考体系结构设计自己的系统。这些遵循ISO 42010系统和软件工程架构标准[26]，其中描述、分析和定义了软件系统的体系结构，以从不同涉众的角度解决特定关注点。 与IIRA类似，IEEE智能城市参考体系结构标准（RASC）[27]是智能城市领域基于ISO 42010的物联网系统的另一个参考架构。同样，IBM Industry 4.0 Reference Architecture提供了一个三层分布式体系结构，它考虑到每个生产站点的自治和自给自足要求，并平衡边缘、工厂和企业之间的工作负载[28]. 参考[5]对之前的一些智能制造参考体系结构进行了批判性审查。他们指出，RAMI4.0和IIRA都没有涉及微服务及其在从自动化金字塔过渡到基于网络物理系统的“自动化网络”中的作用。IBM和NIST体系结构主要与宏观服务（即大型软件应用程序）相关，它们没有指定如何在协作和竞争企业的按需价值网络中组合、共享和利用松散耦合的微服务。作者还认为，RAMI4.0关注的是智能对象如何通信，而不是它们如何以自主和自适应的方式进行交互，以实现即插即用工作。最后两个分析方面与以下事实相关：任何参考体系结构都没有明确规定智能对象到微服务的动态和分散映射机制，也没有解决人机共生问题。 参考[29]就I4.0的两个关键技术支柱：云计算和大数据，对IIRA和RAMI 4.0进行了比较分析。 参考[30]基于RAMI 4.0开发架构建议，以提供允许使用类似于互联网上使用的域名系统（DNS）的机制在生产系统中指导产品的功能。从这个意义上说，该体系结构允许选择将通过制造过程中设备和产品之间的通信来执行给定操作的设备。该体系结构的功能使用生产流模式进行建模，其动态行为通过Petri网模型进行验证。此外，该体系结构用于模块化生产系统，以验证RAMI 4.0作为I4.0体系结构定义支持的适当性。 参考[1]还将IIRA和RAMI 4.0相互进行了比较，后者与开放连接统一体系结构（OPC UA）进行了比较[31]是基于物联网的制造平台标准化的面向服务的体系结构候选。他们还提出了一个原型智能工厂的初步架构，该原型智能工厂与云部署制造环境中RAMI 4.0和IIRA层的虚拟化和连接服务相关。作者得出结论，IIC和RAMI 4.0体系结构指南的结合可能会在端到端和互补的IIoT解决方案中找到相关共存。 参考[8]开发了一个典型的、真实的、大规模的全球智能设备管理用例，该用例由全球连接的12000多台冰淇淋机组成。解决方案的架构方面由[8]符合RAMI 4.0指南。作者解释说，他们的解决方案很好地符合RAMI 4.0层的垂直维度。此外，他们的解决方案利用了RAMI4.0类型/实例方法，这一事实证明了RAMI 4.0生命周期和价值流方向的相关性。然而，智能设备在通信方面仅部分遵循RAMI 4.0层级方向。 在文献中，只有少数几个遵循RAMI体系结构的案例研究，所发现的案例需要在不同方面进行努力才能达到实际实现的水平[30]. 此外，一些研究分析了[5]确定了RAMI 4.0中当前未解决的问题。因此，重要的是用其他贡献扩展和补充RAMI 4.0，为从业者提供一个完全集成的参考模型，以支持数字制造平台的架构定义。 3.参考模型对齐
3.1. 工业4.0（RAMI 4.0）参考模型
RAMI 4.0基于三维坐标系，该坐标系由层、生命周期和价值流以及层次层次维度组成，如下所示图1该结构可用于系统组织和进一步开发I4.0概念和技术。 RAMI 4.0将工厂的任何技术资产视为一个实体，可以在数字世界中表示，以符合I4.0组件（可以通过众所周知的数字接口与其他组件或系统交互的制造系统组件）。除了这个三层参考模型之外，RAMI 4.0还为管理外壳提供了规范，管理外壳是I4.0组件的一部分，其中包括用于表示资产及其技术功能的所有相关信息。因此，I4.0组件通过管理外壳提供的基于面向服务架构的接口相互交互，这些接口可以被视为资产的标准化数字表示。
由于RAMI 4.0定义在本分析中的重要性，以下简要介绍这三个维度。
3.1.1. 层
RAMI 4.0层代表了I4.0项目实施的不同信息技术（IT）管理层，以垂直轴组织。每个层收集系统的不同可管理部分（例如，数据地图、通信、硬件），向上层提供服务，并从底层协调服务。定义的不同层包括：
业务层：映射业务模型、总体流程和系统必须遵循的规则。业务模型层确保了价值流中功能的完整性。它还提供了监管和法律框架条件。业务层编排功能层的服务，并接收通知业务流程进度的事件。
功能层：为支持业务层的服务提供运行时和建模环境。远程访问和横向集成发生在功能层中，但仅与较低层相关（例如，读取诊断数据）或与永久功能或横向集成无关（例如，维护）的过程除外。
信息层：包含支持接收、使用和维护由资产的技术功能使用、生成或修改的数据的数据服务。这包括数据持久性、供应、集成和完整性。它通过较低层从物理资产接收事件，并应用适当的处理和转换来支持功能层服务。
通信层：提供统一的通信和数据格式，允许访问信息，并提供从其他资产访问资产功能的接口。
集成层：表示从物理世界到信息世界的过渡。集成层包含资产的属性和流程相关功能的表示，并报告来自物理世界的事件。集成层包括资产文档、软件和固件或人机界面（HMI）。
资产层：表示现实，即资产的物理实例，由所有其他层表示。
3.1.2. 生命周期和价值流
RAMI 4.0参考模型中的第二个轴代表产品和系统的生命周期，取自IEC 62890标准[32]. 产品生命周期模型首先引入了产品类型和产品实例之间的区别。产品类型的特征是具有唯一的产品标识符、与产品相关的所有文档（开发文档、制造和测试说明、技术文档等）以及所需的证书。此产品类型定义适用于硬件和软件产品，或捆绑硬件和软件的产品的软件或硬件部分。另一方面，产品实例是产品类型的单个实例化。产品实例的特征是具有唯一的实例标识符，例如序列号或订购号。 从类型和实例之间的基本区别来看，产品生命周期分为几个阶段，详细说明了产品类型和产品实例的生命周期。因此，所有涉及产品类型的开发、维护和服务的活动都是指产品类型。以类似的方式，所有与特定产品实例的生产、维护和服务相关的活动都引用产品实例。
在RAMI 4.0的背景下，产品类型的通用生命周期模型从开发阶段开始，在该阶段，产品类型在目标系统环境中开发和测试。开发阶段包括产品类型设计、销售提升、测试或试运行等活动，并在产品发布销售时以产品类型的交付发布结束。该产品类型的运营业务在产品销售结束时结束，通常是在产品将被淘汰时。在产品销售期间（通常在此后的较长时间内），产品类型处于维护阶段，在此阶段进行配置管理和售后支持活动。配置管理包括与管理产品类型的不同版本和修订版相关的所有活动。根据服务级别协议，产品类型的一个或多个版本将具有独立的售后支持阶段。这些阶段的总和称为产品生命周期，其中术语周期是指在特定产品类型的背景下，不同阶段的重复序列。
产品实例通用生命周期模型从产品类型实例开始的生产阶段开始。产品实例售出后，产品实例进入使用阶段，从产品调试、安装或激活开始，到退役、卸载或出现无法修复的缺陷结束。每个产品实例都有一个生命周期，包括生产和使用阶段，即从生产开始，到实例开始拆卸或处置结束。产品的使用寿命是独立的，可能比产品类型的使用寿命长得多。
3.1.3. 层次结构级别
RAMI 4.0参考模型的第三个轴是基于IEC 62264的工厂不同功能级别的分层表示[33]和IEC 61512标准。对于涵盖不同制造系统架构的统一考虑，RAMI 4.0层次结构中包含的不同功能级别在一对一的基础上与上述标准中的层次结构级别不匹配。RAMI 4.0层次结构级别和IEC标准组织模型之间的关系如下所述： 互联世界：描述资产或资产组合与不同装置或公司的另一资产或资产组之间的关系。RAMI 4.0中引入了此级别。
企业：任何具有明确使命的商业组织、倡议、风险投资或事业。企业是一个或多个站点的集合。它负责确定将生产哪些产品，在哪些地点生产，以及一般情况下如何生产。
站点：站点是由企业确定的物理、地理或逻辑分组。主要生产能力通常确定一个站点，并且通常具有明确定义的制造能力。规划和调度通常涉及现场。该级别不包括在RAMI 4.0层次结构级别中，但此处对其进行描述是为了更好地描述较低的级别。
区域：由站点确定的物理、地理或逻辑分组。各领域通常具有明确定义的能力和能力。区域可以包含一个或多个较低级别的层次结构级别元素。与站点一样，在RAMI 4.0层次结构级别中省略了此级别，但引入此级别是为了澄清以下级别的描述。
工作中心：根据制造系统组织模型（离散、批量、连续），区域被组织在高级制造元素中（例如生产线、存储区、工艺单元）。在RAMI 4.0中，所有这些高级元素都被统一到工作中心概念中，以确保跨不同组织模型的一致应用。因此，工作中心代表执行制造功能的最高级别元素，并在生产计划和调度中得到重视。工作中心具有明确的制造能力和生产能力。工作中心将一个或多个工作单元分组。根据标准，一些例子是装瓶线，或装配线。
工作单元或工作站：代表执行制造功能并在生产计划和调度中考虑的较低级别元素。一些例子是离散制造过程的工作单元，或批量制造过程的过程单元。工作单元具有明确定义的制造能力和能力，由生产计划和调度中未考虑的较低级别的设备单元组成。
控制设备：表示现场设备的逻辑控制。
现场设备：表示安装在现场的设备，它与制造过程和产品（例如传感器）进行物理交互。
产品：描述要制造的产品。
3.1.4. 管理外壳规范
德国联邦经济事务和能源部[34]提供了与管理shell交换信息的规范。开放平台通信统一体系结构（OPC UA）是符合I4.0的通信的核心通信标准。支持客户端/服务器和发布/订阅通信模式，如中所示[34].图2显示了I4.0通信协议栈。 管理外壳还定义了价值链中合作伙伴之间交换信息的数据模型。该规范定义了管理数据模型的结构。使用的主要组件和标准包括：
概念：ISO 13584[35]工业自动化系统和集成标准是资产及其部件概念定义的基础。 设计：AutomationML[36]（用于交换设计数据的基于标准的标记语言）以及与OPC UA的对应映射[37]用于共享产品工程数据，特别是在产品类型开发阶段。 生产：OPC UA信息模型用于在产品实例生产和使用阶段交换生产操作数据。
序列化：可扩展标记语言（XML）和JavaScript对象表示法（JSON）模式都源自上述模型。
映射：资源描述框架（RDF）用于映射此信息，并支持使用语义技术进行信息交换。
关于信息访问控制，规范定义了基于属性和基于角色的访问（ABAC）模型，用于对信息进行访问控制。ABAC允许为管理shell信息模型的不同元素的不同用户角色建立不同的访问策略。
此外，规范定义了一种包文件格式，即资产管理外壳包（AASX），用于交换管理外壳的完整或部分结构。
3.2. 智能制造生态系统
NIST的高级制造系列（AMS）标准为智能制造系统（SMS）提供了不同的规范，如下所述。除了AMS系列中的规范外，美国国家标准与技术研究所[38]描述了SMS的标准环境。该文件从三个不同的角度详细描述了SMS的特征和实现技术，以及与SMS相关的标准和标准化活动的综合列表(图3): 产品生命周期管理（产品）：包括产品开发生命周期的六个阶段（设计、工艺规划、生产工程、制造、使用和服务、寿命终止和回收）。这个视角相当于RAMI 4.0生命周期和价值流维度。
生产系统生命周期（生产）：定义生产设备生命周期的五个阶段：设计、建造、调试、操作和维护，以及退役和回收。从制造设备供应商的角度来看，这一观点也相当于RAMI 4.0生命周期和价值链。
供应链管理（商业）的商业周期：这个视角关注供应链运营参考模型（SCOR）的计划-源-制造-交付-退货阶段。该透视图还可以映射到协作用例中RAMI 4.0模型的生命周期和价值流。
与RAMI 4.0保持一致
关于AMS系列，第1部分——智能制造参考体系结构[39]提供了一个建模框架，用于指定协作生产系统和支持它们的软件系统的体系结构。智能制造参考体系结构第1部分包含识别生产活动（从产品设计到生产）的功能模型，以及它们之间的信息流描述。不同的活动描述了产品的生命周期，可以与上述IEC 62890产品生命周期模型实例生产阶段相一致。分发、维护和调度不在参考体系结构的范围内，并且产品设计在文档中没有扩展，因此整个参考模型可以被视为对实例生产阶段中的活动和数据工作流的详细描述。 NIST发布制造数据的软件需求规范[22]定义了企业中制造数据分布的一般功能和非功能需求。本文档涵盖了用于访问制造数据的内部和外部数据的易失性数据流（VDS）和可查询数据存储库（QDR）应用程序。VDS应用程序基于MTConnect HTTP协议[40]，而QDR应用程序应该使用HTTPS客户端-服务器REST兼容通信，因此，AMS-2和I4.0连接白皮书之间存在显著差异。 NIST工业无线系统部署指南[41]旨在为集成制造设计和分析提供一个框架。其目标是促进产品设计和产品制造阶段之间的信息集成和交换，重点关注基于云服务的大数据分析和（深层）机器学习算法。该框架定义了一个四层模型，该模型可以映射到RAMI 4.0层。该框架由以下层组成： 制造系统层：表示物理系统，可以映射到RAMI 4.0资产层。
模型生态系统层：该层包含制造层数字模型的建模环境和运行时。它可以映射到RAMI 4.0集成层、通信层，在某种程度上还可以映射到信息层。
转换层：该层收集数字模型数据并应用模型转换过程，以使数据适应云服务。这些功能位于RAMI 4.0模型的信息层中。
云层：该层包括第三方大数据分析服务，实现RAMI 4.0模型的功能和业务功能。
最后，AMS 300-4工业无线系统部署指南[42]和AMS 300-6确保智能制造的数字威胁[43]为无线网络的配置和基于区块链的产品数据可追溯性提供附加指南。图4显示了RAMI 4.0参考模型与智能制造生态系统和AMS 300规范之间的一致性。 3.3. 智能制造标准化参考模型
IMSA提供了一个三维系统架构（architecture）参考模型，与RAMI 4.0模型非常相似。它由三个维度组成：生命周期、系统层次结构和智能功能。生命周期维度描述价值创造阶段，系统层次表示制造活动的组织级别，智能功能表示ICT技术提供的高级功能。
与RAMI 4.0保持一致
德国联邦经济事务和能源部[44]提供了IMSA参考模型尺寸和与RAMI 4.0的元素对元素对齐的描述。本文件的主要结论是两个规范之间高度一致：两个参考模型中的三个维度在范围上几乎相等，每个维度中的不同元素几乎可以从一个参考模型一一映射到另一个。图5使用与以下相同的结构、符号和图例总结映射结果图4. 3.4. 工业互联网联盟参考模型
3.4.1. 商业观点
这一观点确定了数字制造平台的不同利益相关者（制造商和其他重要利益相关者，如制造设备提供商、软件开发商或服务提供商）。更准确地说，IIRA商业观点的不同元素的定义如下：
利益相关者：每个组织中的参与者，在业务中具有重大利益关系，并对其方向具有强大影响。利益相关者是系统概念和开发的主要驱动因素。
愿景：组织的未来状态。
价值观：基本原理，描述为什么愿景对利益相关者以及最终系统的用户有价值。
关键目标：在交付价值的背景下，系统的可量化高层业务和技术成果。
基本功能：系统完成特定业务任务的能力的高级规范，以量化属性为特征，以衡量系统的成功。
3.4.2. 使用观点
使用视点描述了系统如何通过在不同系统组件之间分解为任务（工作单元）和活动（如何使用系统）来实现业务视点中确定的基本功能。这个观点解决了预期系统使用的问题，通常表示为涉及人类或逻辑用户的活动序列。使用观点的主要元素包括：
任务：基本的工作单元，例如由承担角色的一方执行的操作调用、数据传输或一方的操作。
功能映射：任务的功能或功能组件的映射。
实现映射：任务执行所依赖的实现组件的映射。
角色：实体承担的启动、参与执行或使用任务结果的能力集合。
参与方：对执行任务感兴趣并负有责任的代理（人工或自动化）。代理执行任务时，会假定角色具有执行任务的适当能力。
活动：使用或操作系统所需的特定任务（以及可能的其他活动）协调，包括以下要素：
- -
触发器：启动活动的条件，可以选择与负责启动或启用执行的角色关联。
- -
工作流：任务的组织（顺序、并行、条件、迭代）。
- -
影响：成功完成活动后系统状态的差异。
- -
约束：在活动执行期间必须保留的特性。
通过这种方式，使用观点捕获了技术细节的描述和对不同用例的逐步分析。在活动工作流的定义中，确定了系统的不同组件以及它们之间的信息交换。
3.4.3. 功能观点
功能观点将典型的IIoT系统分解为功能部件，以描述系统结构及其功能组件之间以及与外部系统之间的相互关系、接口和交互。因此，功能观点建立了五个功能领域（工业控制、操作、信息、应用和业务）、五个系统特征（安全、安全、弹性、可靠性、隐私和可扩展性），以及四个横切功能（连接、分布式数据管理、工业分析以及智能和弹性控制），描述如下：
功能观点还涉及不同部署模式中跨分布式计算资源的功能域分布。功能观点还包括对使用云计算、容器化、基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）或软件即服务（SaaS）等技术来分布不同功能域的考虑。
3.4.4. 实施观点
实现观点涉及实现功能组件、通信方案和生命周期中涉及的过程所需的技术。实现视点为一致的IIoT系统实现定义了三种模式：三层体系结构模式、网关介导的边缘连接和管理体系结构模式以及分层数据总线模式。
三层体系结构模式将系统分为三层（边缘、平台和企业）和三个网络（接近、访问和服务）。边缘层从传感器、执行器、设备、控制系统或物理系统附近的任何资产（统称为边缘节点）收集数据。为此，边缘层使用邻近网络。接入网络支持边缘层和平台层之间的连接。平台层整合操作流程，执行数据分析，以及与数据流相关的转换功能。
它还提供边缘节点的管理功能，并将控制消息从企业层发送到边缘层。服务网络支持平台层中的服务之间以及平台层和企业层之间的连接。企业层实现特定于域的应用程序、决策支持系统，并向最终用户提供用户界面。它实现系统的规则和控制逻辑，并向平台和边缘层发出控制命令。
网关介导的边缘连接和管理模式以及分层数据总线模式是三层体系结构模式的更具体的实例或变体，它们处理连接解决方案，以互连特定网络拓扑中的不同层，并由连接框架支持[45]. 3.4.5. 与RAMI 4.0保持一致
工业互联网联盟[46]展示了IIRA和RAMI 4.0参考模型的一致性。如所示图7，IIRA使用和实现视点是对RAMI 4.0的补充，因为RAMI 4.0参考模型中没有对应元素。IIRA商业观点是对RAMI 4.0生命周期维度的补充，因为它包含了有助于从商业角度更好地描述产品生命周期中涉及的不同参与者和组织的关注点的其他定义。 层维度类似于功能视点的功能域，但RAMI 4.0更特定于制造业，因此更适合制造业的应用。从这个意义上说，IIRA的横切功能和系统特征是对层维度的补充。尽管制造领域的IIC连接框架和Platform Industry 4.0的I4.0连接白皮书中定义的协议栈之间有一些相似之处，但连接是两个参考模型之间唯一的差异。
4.工业互联网综合参考模型
基于上述对齐，可以将参考模型的不同元素表示在一起，并评估它们在多大程度上与数字制造平台的特定用例相关。表1强调商业工业物联网平台和相关研究项目不同参考模型中定义的相关性(✓-相关，(✓)-在某种程度上相关，🗶-超出范围）。分析中考虑了其他商业平台和项目，但为了便于展示，下表中仅包括六个相关平台和项目。基准明确表明，在大多数情况下，不同参考模型的定义是相关的（至少在某种程度上），因此，使用综合参考模型是很方便的，该模型基于对齐中发现的协同作用和互补性，提供了一种系统化的方法来加强它们。 本节介绍了数字制造平台用例的参考模型：工业互联网集成参考模型（I3RM），它集成了IIRA、NIST和RAMI 4.0参考模型和架构模式的功能，以便于定义数字制造平台的系统架构。每个分析的参考模型都是合适的，这取决于它的用途。I3RM是一个更广泛的建议，因为它集成了当前模型的所有视图和数字制造平台当前检测到的需求所必需的新模型的所有观点。这些要求已在ZDMP项目中得到认可，该项目的主要目标是开发零缺陷参考平台，为公司提供所有必要的应用程序，以满足其制造技术需求，使工厂数字化，并进化为卓越制造，以获得竞争优势。经过参考模型比对，表明所研究的模型没有为ZDMP平台提供足够的参考信息。
基本上，建议使用IIRA的观点（业务、使用、功能和实现）作为框架，使用自顶向下的方法定义系统架构。NIST和RAMI 4.0的特点在不同的观点中进行了介绍，如图8从实现的角度来看，所提出的体系结构模式扩展了IIRA提出的IIoT体系结构模式。以下各节详细描述了扩展的集成模型。 4.1. 商业观点
业务视角允许通过关键性能指标（KPI）以定量的方式识别系统不同用户的业务关注点，例如业务价值、预期投资回报或维护成本。业务观点符合价值驱动模型，该模型确定了主要利益相关者及其在建立系统时的业务愿景、价值观和目标，并考虑到了业务和监管方面。
很明显，IIRA的商业观点的定义非常通用，足以从商业角度定义数字制造平台，因为制造只是IIRA的许多不同用例之一。为了使其更具体，一个建议是按照ISO 22400的规定，使用制造操作KPI的标准定义[47]. 本标准规定了制造运营管理中使用的KPI。使用此标准定义KPI有助于评估和验证不同制造场景中的用例。 业务观点的输出是用例的业务定义，描述了主要涉众、他们的愿景和价值、标准关键目标和基本功能。
4.2. 用法视点
建议使用IIRA的使用视角用例描述定义来确定不同用例中涉及的不同各方、参与者和工作流，然后使用NIST视角来表示RAMI 4.0维度中的不同用例。
在协作用例中，RAMI 4.0维度有助于确定系统之间实现不同数据工作流所需的接口。然而，相同的用例可能以不同的方式映射到RAMI 4.0维度，这取决于用户的视角。例如，设想一个用例，其中制造设备供应商希望与客户合作，使用状态监测实施预测性维护。考虑到RAMI 4.0层次结构级别维度，可以从机器提供者的角度将用例映射到产品级别，从机器用户的角度将其映射到站点级别。一种方法是为每个利益相关者或每个用户将用例映射到RAMI 4.0模型，但这种方法在复杂的供应网络中无法很好地扩展。另一方面，NIST透视图（生产、产品、业务）允许使用有限数量的透视图以综合的方式将用例映射到不同的维度。
使用视点的输出是对系统中不同各方、角色和活动（任务和工作流）的定义，以及任务与功能和实现组件之间的对应映射。结合NIST视角和RAMI 4.0维度，这些组件依次映射到相应的RAMI 4.0层、产品生命周期阶段和层次结构级别。
4.3. 功能观点
关于数字制造平台功能组件的定义，一旦使用观点完成，不同的组件和工作流将被识别并映射到代表不同组织层次的RAMI 4.0层次维度，功能视点有足够的上下文信息来定义系统中所需的部署功能和其他横切功能（连接性、分析、可信度和数据管理）。关于连通性，由于IIR的功能域与RAMI 4.0层次结构重叠，作者建议使用后者，因为RAMI 4.0层级结构与安全工业网络中的不同功能层之间存在直接关系，如国际电工委员会等网络安全标准中的定义[48]，因此，到RAMI 4.0的映射确保了组件之间的连接以一致的方式使用级别之间的安全导管。图9提供了一个示例，说明如何在RAMI 4.0层次结构级别维度中表示不同方之间的信息流。 在这个例子中，有两种不同类型的当事人，即人员和资产。人与其相应的用户角色一起表示（图中命名为App_1_n，n=1，2，3）。每个资产（或资产组）都与资产管理外壳（AAS）关联，该外壳包括资产的数字表示，以符合I4.0组件（图中的A1、A2和A3）。
关于数据管理，还建议使用RAMI 4.0管理shell元模型来捕获制造资产之间需要交换的信息。建议使用统一建模语言（UML）类图来表示需要在不同资产之间交换的数据元素以及应该使用的服务接口的描述。
还建议使用UML类模型和UML序列图来定义不同资产之间信息消息的格式和结构。这样，功能观点将收集所有需求，以互连用例中涉及的不同制造资产。
功能视点的输出是一个完整的功能规范，描述了不同组件之间以及组件和资产之间的接口，包括数据模型定义、数据管理和安全需求，以及任务到功能组件和实现组件的映射。
4.4. 实施观点
实施观点应提供AAS如何部署到计算基础设施的详细信息。工业4.0平台[49]从不同的角度描述了可在一致IIoT系统中使用的不同部署模式：物理邻近性、分布、虚拟化和生命周期： 接近度：资产与AAS的物理接近度。
基于资产：托管在资产运行时环境中的AAS。
基于边缘/雾：AAS托管在企业本地IT基础设施的计算环境中。
基于云：托管在云基础设施中的AAS。
分发：跨不同运行时环境分发AAS数据元素和服务。
集中式AAS：资产和AAS之间的1对1关系，以及AAS的唯一入口点（例如URL）。
松散耦合的分布式AAS：同一AAS下的资产信息和AAS的多个入口点，根据需要访问不同数据元素的不同组织进行分发。
带聚合节点的分布式AAS：聚合AAS提供单个访问点来访问资产的所有信息，从协作者之间分布的其他较低级别AAS收集信息。
虚拟化：资产运行时环境的虚拟化。
操作系统：无虚拟化。
虚拟机管理程序部署：虚拟机管理器管理的虚拟机中的运行时环境。
容器：基于容器的运行时环境（例如Docker）。
实现视点需要考虑这些部署模式之间的不同权衡，还需要考虑一致IIoT系统的IIRA架构模式和用例的特定需求。同样重要的是，以有效捕获所选部署模式的格式描述实现。从这个意义上说，一个建议是使用多层方法来描述不同系统组件的实现和选择的模式，例如C4模型[50]. C4模型包含四个不同级别的抽象，用于可视化地传达系统架构：上下文、容器、组件和代码。 第一级抽象，即上下文，显示了对所描述系统的高级描述，重点是用户、用户角色以及与系统的交互。如上所述，建议使用三层架构模式作为参考，但也要考虑到功能观点，以更好地描述邻近网络和不同层次之间的交互。从这个意义上讲，重要的是要强调IIRA中的三层架构模式（边缘层、平台层、企业层）可能不足以确定协作场景中不同利益相关者之间的系统边界。从这个意义上说，由于企业级和连接世界级之间的差异，RAMI 4.0层次级维度非常方便。另一方面，三层体系结构模式对于描述一致的IIoT系统体系结构和部署模式非常方便。因此，三层体系结构模式被扩展为四层协作层，以突出协作网络中不同私有（云）系统之间的边界。
图10说明了数字制造平台零缺陷制造平台（ZDMP）与提议的四层架构模式的映射。ZDMP平台提供了一个市场和软件开发工具包（SDK），用于开发应用程序，以实现制造公司的零缺陷制造模式[51]. 该生态系统由门户和参与中心支持，以促进利益相关者（主要是软件开发人员和制造公司）之间的合作。这是一个数字制造平台的示例，其协作功能无法映射到IIRA的三层架构模式中。该图显示了ZDMP的高级构建块如何映射到四层体系结构模式。新的协作层便于提供系统的抽象视图，这在许多协作用例中都是常见的，但还留有一定的变化余地来捕获特定性。 容器抽象层进一步将系统分解为单独的可运行/可部署单元。此抽象级别将捕获为AAS以及将数字制造平台构建块分解为组件而选择的不同部署模式。在这个抽象级别上，可以识别容器之间的不同数据和控制流，因此也可以识别容器边界上物理和虚拟连接之间的需求和相互依赖性。这有效地为智能对象到微服务的动态和分散映射提供了手段。
组件抽象级别标识每个容器的主要结构构建块，即每个容器中的内部结构和主要组件。该级别是对功能的细化，更详细地描述了不同功能是如何实现的。最后，可选的代码抽象层提供了额外的UML类图和元模型来描述每个组件的内部代码和数据结构。
5.结论
本文分析了数字制造平台的不同前沿参考模型和体系结构参考模型。在许多情况下，它们提供了关于数字制造平台的补充视图，一般来说，对齐它们包含的定义相当简单。
RAMI 4.0参考模型包含管理外壳的规范，可被视为制造资产的标准化数字表示，提供与之交互的接口。分析表明，RAMI 4.0的成熟度水平是所分析的不同参考模型中最先进的。除此之外，RAMI 4.0和其他参考模型之间有几个可用的校准报告，这使得将RAMI 4.0的任何映射外推到其他参考模型更容易。因此，选择RAMI 4.0作为分析的参考模型，并使用不同的线形报告完成分析。
值得注意的是，RAMI 4.0和NIST的智能制造生态系统之间的一致性已经作为本研究工作的一部分专门开发出来。不同参考模型之间的主要分歧在于交换数据的标准化协议栈和数据格式。这是设计任何数字制造平台时都必须考虑的一个重要方面，涉及到板间通信和IIoT数据采集。从这个意义上讲，建议系统组件，主要是IIoT数据采集和数据转换，采用技术来处理边缘通信网络中的高度多样性。
基于这种一致性，为了响应ZDMP平台设计和实现更完整和集成的参考模型的需要，本文提出了工业互联网集成参考模型（I3RM）和非约束性建议，以协调全球架构定义，功能规范、技术规范和数字制造平台用例，以指导方针和示例为基础，对不同的参考模型进行了分析。这些建议提供了一个标准框架来构建用例中生成的技术信息，以支持系统的设计、实现和验证。根据这些建议，最先进的数字制造标准和解决方案将保证互操作性。
本文还对三层体系结构模式进行了扩展。数字制造平台的不同功能块已映射到RAMI 4.0参考模型，以了解它们在该参考模型中的涵盖程度。主要结论是，软件开发、应用市场、开发人员之间的协作以及开发人员和用户之间的协作等方面都是创新的方面，有必要扩展三层系统体系结构，以更好地理解它们所隐含的需求。IIRA的三层全球架构模式已经扩展为一个新的层，称为协作，以解决这一方面的问题。值得一提的是，这项研究存在一些局限性。一个局限性与分析范围有关，因为参考模型比对研究仅涉及IIoT系统的前沿参考模型。然而，还有其他参考模型，如IBM Industry 4.0 reference Architecture，尚未包含在分析中。进一步的研究可以集中于其他参考模型的对齐分析。另一个限制与根据所研究参考模型的具体尺寸进行分析的约束有关。未来的研究方向可以确定一个元参考模型，将参考模型与其他维度（如社会和可持续性）结合起来。最后，可以进行未来的研究，通过调查或德尔菲研究来验证与一组专家进行的基准测试，以评估当前版本基准测试结果的适当性。
