3.2 机械制造业智能工厂参考模型
1.参考模型
可以用一个三维图形来表示机械制造业智能工厂的参考模型，如图3.2所示。图中表明了一个智能工厂的业务范围和三个维度，及实现企业价值链的横向集成，企业内部的纵向集成和信息物理系统（CPS）的技术支持系统三个维度。
客户需求、产品设计、工艺设计、物料采购、生产制造、进出厂物流、生产物流、售后服务构成智能工厂的横向集成维度；企业内部的设备与控制层、制造执行层、经营管理层、经营决策层构成纵向集成维度；由感知执行、适配控制、网络传输、认知决策和服务平台组成的信息物理系统（CPS）。这三个维度构建了机械制造行业智能工厂参考模型。
2.纵向集成维度
（1）设备与控制层
包括传感器、仪器仪表、条码、射频识别、数控机床、柔性制造系统、柔性生产线、机器人、自动化立体仓库、自动化物流传送装置、感知和执行单元、可编程控制器、现场总线控制系统等。
（2）制造执行层
制造执行层主要是制造执行系统MES。包括产品定义、生产资源定义、生产详细排产、生产优化调度、生产执行、质量管理、产品追溯、生产进度的跟踪和监控、车间物料管理、设备运行状态的监控和管理、车间绩效管理等。实现整个车间执行层人、机、料、法、环的管理。
（3）经营管理层
由客户需求管理、生产计划、采购管理、销售管理、人力资源管理、财务成本管理、质量管理等信息系统所构成，实现企业整个价值链上物流、信息流、资金流、责任流的统一和优化管控，主要包括企业资源计划（ERP）系统、供应商关系管理（SCM）系统、客户关系管理（CRM）系统，以及面向客户的产品全生命周期的服务和管理、项目管理（PM）等。
（4）经营决策层
在智能工厂的环境下，将产生大量的产品技术数据、生产经营数据、设备运行数据、质量数据、设计知识、工艺知识、管理知识、产品运维数据。建立智能决策系统，对上述信息进行搜集、过滤、储存、建模，应用大数据分析工具，为各级决策者获得知识和洞察力，提高决策的科学性。由企业预算管理、绩效管理、商业智能等组成的战略管控系统共同构成经营决策系统。
3.横向集成维度
横向集成：按照“互联网+协同制造”的精神，重点构建产业链的企业间的协同与集成，如跨企业、跨地域的协调设计，企业间的协同供应链管理，协同生产、协同服务和企业间的价值链重构。实现产业链上各企业间的无缝集成、信息共享和业务协同。
4.信息物理系统
信息物理系统分为五个层级相互配合，支撑企业纵向集成、企业间横向集成与端到端集成，实现工业体系与信息体系的深度融合以及全面智能化。信息物理系统通过集成先进的信息通信和自动控制等技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。它是智能工厂的技术支持体系。
信息物理系统的五个层级介绍如下。
（1）感知执行层
感知执行层包括以感知装置和智能设备为代表的生产物理实体、物联网、数据采集与命令执行及设备安全防护等，如图3.3所示。
在CPS的感知执行层，CPS的数据采集管理通过物联网将数据按照事先制定的策略，对处于最底层的智能设备与传感器数据进行收集和管理。CPS控制管理功能，负责将来自CPS上层的控制指令通过物联网，下发至底层的受控设备。
（2）适配控制层
解决不同系统及设备间的通信兼容问题，并对生产装备与系统的健康、工况等状态进行综合评估；接收下发的本地APP控制执行模型，进行自组织、自适应的控制适配调整。在适配控制层框架结构中，底部功能区为数据的上传解析与指令分发，左侧功能区为数据信息的转化，右侧功能区为生产活动的指令执行，如图3.4所示。
（3）网络传输层
承担数据、信息与指令的传输与通信，包括ICT物理实体与系统软件部分、网络与数据安全部分、基础网络与设备集群间通信部分等。基础网络部分实现网络传输层的互联互通功能，网络与数据安全、ICT物理实体与系统软件部分对基础网络部分提供技术支撑。网络传输层负责CPS架构中所有层级之间的数据通信。网络传输层内容示意如图3.5所示。
（4）认知决策层
认知决策层是CPS中的管理决策中枢，包括信息认知与挖掘、计算与数据管理，根据决策的需求建立APP控制执行模型库。这些库包括：生产工艺模型库、故障诊断模型库、质量判断模型库、物流仓储模型库、能源优化模型库等。智能决策分析是CPS的“大脑”，主要包括能够具备自学习和认知能力的知识库、端到端集成的产品全生命周期价值链数据、横向集成的决策协同优化与分析以及预测决策模型等。认知决策层内容示意如图3.6所示。
（5）服务平台层
服务平台层提供安全环境下的工业协同价值网络，包括管理安全，在工业协同环境下，协同过程中的可用性、可靠性、机密性、完整性、操作安全和身份确认，这是保障智能制造体系下协同安全的重要主题。工业协同价值网络在智能制造体系下，遵循工业协同与互联标准，企业间实现协同设计、协同生产、协同物流与协同服务的过程协同、交互与服务网络，同时也是开展定制化服务和智能服务的交互与服务网络，包括：用户与供应商管理、服务与产品管理、账单与结算管理等功能。服务平台层内容示意如图3.7所示。
