1.概述
从技术基础上讲，工业4.0和智能制造是机械工程学科、工业工程学科、电子电气工程、自动化工程学科、信息工程学科相互融合的必然结果。图1表示了由工业2.0、工业3.0发展到工业4.0这些学科的融合。
图1 机械、电子和信息等多学科的融合是工业4.0 的基础
由此可见，在实现工业4.0 和智能制造中，机械工程、工业工程和自动化工程在新需求下必须升级和发展是其必要条件，信息工程技术则是其充分条件。信息技术为智能制造提供了充分的手段和实现的途径，但智能的内涵（包括智能赖以实现的架构、智能功能、智能算法等）还是要从制造过程去提炼和开发。因此，在构建智能制造综合标准化体系框架时，应充分考虑上述工程学科的相互关系，防止头重脚轻、以偏概全或重点倒置。
值得注意的是智能制造、智慧工厂对以下集成的要求达到空前的程度：对跨不同领域的集成，跨多级分层结构边界的集成，生命周期不同阶段的集成。因此，智能制造综合标准化体系的重点之一应该是建立上述方面无缝集成的标准。无缝集成涉及到的基础标准有：通信接口标准、制定不同领域和不同行业语义标准的指导规范、实现横向集成和垂直集成的指导标准等。这些标准是否有可资借鉴的国际标准和国外标准，目前尚不得而知，需要搜索和调研。
2.德国工业4.0标准化的路线图
德国工业标准化机构VDE、DKE等，在2014年4月发布了德国工业4.0标准化的路线图1.0版，规划了工业4.0所需要的工业自动化技术和IT技术的标准化工作。
已有资料表明，该路线图目前还在深化和细化，有可能在2015年下半年发布德国工业4.0标准化的路线图2.0版。
该路线图认为，工业4.0所涉及的标准化目标有12个领域，主要有：系统结构、应用案例（use case）、基础、非功能性特性、技术系统和过程的参考模型、仪表和控制功能的参考模型、在工业4.0中人的功能和作用的参考模型、开发、工程化、标准库、技术和解决方案。
3.系统架构
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。
迄今为止的有关工业系统结构的标准，如企业信息集成的标准IEC62264（ISAS95）和批量控制标准IEC61512（ISA S88）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。
2015年4月VDE发布了工业4.0的参考架构模型RAMI4.0（见图2）和工业4.0的基本单元（见图3）。
图2 工业4.0 的参考架构模型RAMI4.0
图3 工业4.0的基本单元模型
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，既适合于描述流程行业，又适合于描述离散制造业等各种类型的工业产业，采用了以下三个维度：
(1)右面的水平轴按照IEC62264（即ISA95）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。
(2)左面的水平轴按照IEC62890（即ISA105）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）和实际实现阶段（instance）。
(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进行虚拟映射。
工业4.0基本单元（component of Industry4.0）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，都具备和符合了工业4.0要求的能力。
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，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。在工业4.0基本单元的模型中，这个电子容器就称之为“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，在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。
在生产环境中的硬件单元（如一台机械装备）或软件单元，其所有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。
I4.0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、手册等等。系统集成商、工厂和装备的操作人员又增加了与其它硬/软件连接的信息和维护信息。I4.0的平台规定了数据信息安全的措施，确保数据的可用性、可信性和完整性。
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等。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。这样做优点是信息只要存储一次，就可以通过IT 服务向任意用户或任意应用实例透明提供。
采用符合I4.0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。
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三个层面被无缝地应用。
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的信息。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地被维护系统所记录。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，什么时候连接的等等。这样每个零部件就成为网络化生产中的智能零部件。
4.关于应用案例
为了说明特定领域或特定行业开发和标准化的需要，可在现有系统范围的基础上通过“应用案例”来辨认其中具有在工业4.0 发展阶段或智能制造对该行业或领域的特征要求。对所辨认的应用案例的实质性和代表性取得一致意见，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”。use case 这个专用名词最早出现于软件工程学科，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它系统交互的，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，借鉴这一概念是十分有益的。
工业自动化一个重要的特征就是，通过努力使自动化的部件达到商业意义上的质量，以致尽可能多的覆盖和满足各类工业的要求。
要达到这一点，一方面要求平衡不同工业门类对自动化部件要求的差异性，另一方面又必须通过调整或改变参数等措施满足客户的差异性要求。在硬件上，客户既希望这些自动化部件尽量具备军工产品质量的鲁棒性，又希望价格尽量便宜到消费品的水平。
显然，在开发阶段要使这二者统一起来，通常是困难的。在智能制造、智慧工厂、工业4.0 中，集成是一大关键。在其发展探索的过程中，先在实践中采用合理综合集成应用现有标准等方法，事实证明是可行可信的途径。在制定标准时，重视应用案例的目的就是要从应用案例的个案中发掘出共性的核心标准内容，同时又不失于可满足个性需求的适应性方法。借鉴自动化工业在长期实践中运用的开发硬件的思路和路径，在选择应用案例的时候，应该尽可能考虑选择具有典型的通用意义，同时又能作为实现特定技术和和特定产品的基础的案例。
5.关于基础
智能制造标准化体系语境下的基础包括三个方面：
(1)名词术语：术语可以在IEC60050 系列标准基础上扩展和补充。
(2)核心模型：核心模型描述重要的基本概念，这些基本概念具有被普遍认同和接受，而且被看做是稳定、不可改变，以及从技术的角度来看，是长期处于各方面都可以认同的中性状态。在过去一个相当长的时间内由于制定标准的方向不同而被忽略或不重视。
(3)建模和描述方法：一个更为重要的基础是通用的建模和描述方法。尽管有许多来自应用范畴和信息科学的建模方法和语言规则，但他们在不少情形下满足不了要求。特别是针对已经涌现出来的无处不在的接口问题、产品特性的形式化描述的解决方案和掌控版本变化的解决方案。
6.关于非功能特性
一般来说，功能特性的要求是在系统设计的计划中详细描述的，而非功能特性的实现是在系统架构中加以描述。在系统工程、需求工程和软件工程中，非功能性是指功能需求之外的特性，包括：可互操作性，可靠性，可重用性，可变性，可测试性，效率等。
以可互操作性为例，处于同一层级的设备或软件之间的可互操作属于信号互操作；而处于上下层级的互操作，在工业4.0 或智能制造的框架中则是语义互操作，即信息以无歧义的显性方式进行互操作。
非功能特性已经成为标准化的一个重要方面，这涉及非功能特性的定义、确定其边界、为一致的分类而约定定量的限制，以及为保证这些限制能得到实际维持而规定的方法等内容。这不仅是必要的，而且也是将非功能特性应用于智能制造和工业4.0时需要系统的、成体系的予以全盘考虑的目标。
——选自《智慧工厂：中国制造业探索实践》
