清華同方數(shù)字城市工程中心　魏曉東

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《工業(yè)4.0與兩化融合》講座第四講 工業(yè)4.0的系統(tǒng)集成技術(shù)

清華同方數(shù)字城市工程中心魏曉東

第四次工業(yè)革命改變了傳統(tǒng)的規(guī)模性工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)，發(fā)展成為定制生產(chǎn)、個(gè)性化生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)，甚至單件生產(chǎn)。智能制造采用了動(dòng)態(tài)配置、靈活敏捷的生產(chǎn)方式。能夠?qū)崿F(xiàn)這一生產(chǎn)模式的主要原因是，構(gòu)建工業(yè)4.0的CPS時(shí)通過(guò)三大集成方式：第一，價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成。第二，跨越整個(gè)工業(yè)企業(yè)價(jià)值鏈的端到端的工程數(shù)字集成。第三，縱向集成和網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）化制造系統(tǒng)。三大系統(tǒng)集成方式成為構(gòu)建工業(yè)4.0的關(guān)鍵，本講將對(duì)比詳細(xì)闡述。

1　系統(tǒng)集成概述

系統(tǒng)集成概念由工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)啟，始于20世紀(jì)70年代末、80年代初的美國(guó)，當(dāng)時(shí)，許多工業(yè)生產(chǎn)的大項(xiàng)目需要將多廠家設(shè)備綜合在一個(gè)系統(tǒng)中，許多大企業(yè)需要實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備的綜合監(jiān)控和互聯(lián)。但是，當(dāng)時(shí)的設(shè)備系統(tǒng)基本上都是專利系統(tǒng)，通信協(xié)議多為專利協(xié)議，于是出現(xiàn)了一些規(guī)模不大的公司，它們是由熟悉多廠家設(shè)備的硬件和軟件開(kāi)發(fā)人員組成，這些公司承接綜合性大項(xiàng)目，或受命于大企業(yè)實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備的綜合監(jiān)控。這些公司通常取名為某某系統(tǒng)集成公司。項(xiàng)目伊始，公司的計(jì)算機(jī)硬件和軟件開(kāi)發(fā)人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)或企業(yè)，進(jìn)行深入的調(diào)查研究，明確用戶需求，針對(duì)多廠家設(shè)備進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，提出全面的解決方案，最后進(jìn)行全面實(shí)施。這些開(kāi)發(fā)者被叫做系統(tǒng)集成師（Integrator），他們所進(jìn)行的工作稱為系統(tǒng)集成。因?yàn)樗麄兙C合了全企業(yè)或大工廠里的各類設(shè)備信息進(jìn)行監(jiān)控管理，他們是將各個(gè)設(shè)備子系統(tǒng)集成在一起，做了“系統(tǒng)集成”的工作。

什么是系統(tǒng)集成？這是工程技術(shù)界一直在問(wèn)的問(wèn)題，但是要弄清系統(tǒng)集成的內(nèi)涵，首先應(yīng)了解什么是系統(tǒng)集成商。

20世紀(jì)90年代初期，全球系統(tǒng)集成廠家數(shù)量已成千上萬(wàn)。1994年，控制系統(tǒng)集成商聯(lián)合會(huì)（CSIA：Control System Integrators Association）在北美成立。CSIA自成立以來(lái)一直致力于世界范圍控制系統(tǒng)集成事業(yè)的發(fā)展，為全世界的系統(tǒng)集成商服務(wù)。

CSIA的研究結(jié)果表明：到21世紀(jì)初，全世界的系統(tǒng)集成商（公司）至少有4000多家，他們的規(guī)模在年收入50萬(wàn)美元到3千萬(wàn)美元。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，北美的系統(tǒng)集成商有1200多家，還不包括600多家規(guī)模較小的廠家。

CSIA的成員共計(jì)有140多個(gè)，2001年他們的年平均收入為650萬(wàn)美元。后來(lái)以25%～30%的增長(zhǎng)率發(fā)展。據(jù)CSIA估計(jì)，2001年全世界系統(tǒng)集成商總收入約為120億美元。

控制系統(tǒng)集成所覆蓋的領(lǐng)域有：自動(dòng)機(jī)車；中心聯(lián)合體大型工廠；樓宇自動(dòng)化；紙漿和造紙；電力；鋼鐵；食品工業(yè)；制藥和生化；石化；機(jī)器控制；水和污水處理；娛樂(lè)公園和主題公園項(xiàng)目；公用事業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)；城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)；其他交通自動(dòng)化系統(tǒng)等等。一些系統(tǒng)集成商只做機(jī)器控制、工廠控制或過(guò)程控制，一些集成商只做SCADA項(xiàng)目，一些系統(tǒng)集成商為娛樂(lè)公園或主題公園做控制系統(tǒng)，也有專做企業(yè)供應(yīng)鏈集成項(xiàng)目的MES和IT項(xiàng)目，有些較有實(shí)力的系統(tǒng)集成商則涉及上述的大部分領(lǐng)域。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)系統(tǒng)集成商的業(yè)務(wù)范圍已經(jīng)橫跨自動(dòng)化與信息化領(lǐng)域。

系統(tǒng)集成的工作范圍如此之廣，那么到底什么是系統(tǒng)集成，系統(tǒng)集成商是怎樣的廠商呢？

CSIA的定義為：控制系統(tǒng)集成商是一個(gè)獨(dú)立的增值工程組織，它主要為工業(yè)控制系統(tǒng)、制造系統(tǒng)和工廠自動(dòng)化的銷售、設(shè)計(jì)、實(shí)施、安裝、試車和技術(shù)支持做應(yīng)用知識(shí)服務(wù)和技術(shù)專家支持（“A Control Systems Integrator(CSI)is an independent(or an independent profit/loss division)value-added engineering organization that focuses on industrial control systems,manufacturing execution systems and plant automation that requires application knowledge and technical expertise for sales,design,implementation,installation,commissioning and support.”）。CSIA的成員公司可以為各種項(xiàng)目提供產(chǎn)品和系統(tǒng)集成服務(wù)，這些項(xiàng)目中通常包含過(guò)程控制、離散控制、管理監(jiān)督系統(tǒng)、批量控制以及機(jī)器人技術(shù)和數(shù)據(jù)采集等內(nèi)容。它聚焦于工業(yè)控制和信息系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)以及工廠自動(dòng)化系統(tǒng)等方面。系統(tǒng)集成商需要具備應(yīng)用知識(shí)和銷售、設(shè)計(jì)、執(zhí)行、安裝、調(diào)試以及支持方面的專項(xiàng)技能。

系統(tǒng)集成商所做的工作，不僅是設(shè)備廠商的代理，也不僅是產(chǎn)品的分銷商，不僅是工程的咨詢工程師，也不僅是工程承包商，而是綜合了所有上述職能。而且，它也不同于設(shè)備制造商，它對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)所涉及的專業(yè)知識(shí)和用戶實(shí)際需求較為熟悉，可為用戶提供較好的全面解決方案，提供對(duì)設(shè)備廠商的增值服務(wù)。

控制系統(tǒng)集成商根據(jù)具體工程的輸入條件，根據(jù)通用需求和專用需求制定出的需求規(guī)范，針對(duì)用戶提出的問(wèn)題做出綜合解決方案。方案包括了最終的項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)、技術(shù)文件、硬件配置與購(gòu)買(mǎi)、用戶軟件開(kāi)發(fā)、現(xiàn)場(chǎng)儀表的接線和安裝、控制方案、軟件選擇、測(cè)試和試車。系統(tǒng)集成商為用戶提供的主要是系統(tǒng)集成的技術(shù)服務(wù)以及系統(tǒng)集成商的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

軟件開(kāi)發(fā)在系統(tǒng)集成項(xiàng)目中占有更重要的位置。據(jù)CSIA研究統(tǒng)計(jì)，一個(gè)正規(guī)的系統(tǒng)集成項(xiàng)目，“智力內(nèi)容”包括設(shè)計(jì)、計(jì)劃、管理、軟件開(kāi)發(fā)、技術(shù)服務(wù)、培訓(xùn)等的價(jià)值，與硬件和安裝等勞動(dòng)價(jià)值之比為60:40。在國(guó)外這一比例更高，而在國(guó)內(nèi)則低得多。

在系統(tǒng)集成項(xiàng)目中，系統(tǒng)集成商的責(zé)任是為項(xiàng)目選擇最適合的產(chǎn)品和制造商。系統(tǒng)集成商只須選擇那些可滿足特殊要求的特殊產(chǎn)品，如果某廠家可提供更優(yōu)化的方案，則選擇此廠家的產(chǎn)品，別無(wú)其它標(biāo)準(zhǔn)。按上述原則在此項(xiàng)目選擇此廠家產(chǎn)品，在彼項(xiàng)目則選另一廠家產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案是第一位的原則。

系統(tǒng)集成商的工作是圍繞各類自動(dòng)化項(xiàng)目進(jìn)行的。工程準(zhǔn)備階段，它為用戶提供項(xiàng)目的工程咨詢服務(wù)，給用戶提供類似工程中自動(dòng)化系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)和切合本項(xiàng)目實(shí)際需求的咨詢建議。工程伊始，他按照合同為用戶提供工程設(shè)計(jì)、工程組織、工程管理服務(wù)。

系統(tǒng)集成商為用戶采購(gòu)按照設(shè)計(jì)要求的各類硬件產(chǎn)品，并保證硬件設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)裝置的合理匹配，保證自動(dòng)化系統(tǒng)的最佳性能價(jià)格比。

系統(tǒng)集成商的最主要任務(wù)之一是建立開(kāi)放系統(tǒng)的集成平臺(tái)，開(kāi)發(fā)適應(yīng)具體工程需求的應(yīng)用軟件。系統(tǒng)集成商不應(yīng)采用專利的集成軟件平臺(tái)，而應(yīng)采用成熟的軟件平臺(tái)。但是，應(yīng)用軟件必須具有工程的適應(yīng)性，必須包含了自身的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和成功的工程范例成果。

系統(tǒng)集成商要負(fù)責(zé)的系統(tǒng)集成中關(guān)鍵問(wèn)題主要是接口問(wèn)題的解決。系統(tǒng)集成商將指導(dǎo)系統(tǒng)的安裝和調(diào)試，還負(fù)責(zé)系統(tǒng)的試車，試運(yùn)行期的技術(shù)保證。系統(tǒng)集成商也要負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的用戶培訓(xùn)，項(xiàng)目的文檔建立和移交。最后，系統(tǒng)集成商承諾優(yōu)良的質(zhì)保期服務(wù)。

從以上系統(tǒng)集成商的全部活動(dòng)中可看出系統(tǒng)集成的意義。系統(tǒng)集成本質(zhì)上是系統(tǒng)集成商應(yīng)用自身的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)、構(gòu)建一個(gè)適于具體工程要求的集成開(kāi)放系統(tǒng)的全過(guò)程。此過(guò)程的完成需要具備兩個(gè)基本條件：

（1）構(gòu)建的自動(dòng)化系統(tǒng)必須是開(kāi)放系統(tǒng)，必須可無(wú)縫接入工程要求接入的各個(gè)子系統(tǒng)。應(yīng)該是硬件與軟件體系都進(jìn)行了優(yōu)化的系統(tǒng)，應(yīng)該是可靠性、響應(yīng)性和功能實(shí)現(xiàn)都滿足工程要求的系統(tǒng)。

（2）系統(tǒng)集成是一個(gè)從工程咨詢開(kāi)始直到系統(tǒng)試車、質(zhì)保期技術(shù)服務(wù)的全過(guò)程活動(dòng)，其中的關(guān)鍵是對(duì)子系統(tǒng)的無(wú)縫接入和系統(tǒng)集成商經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用并按照新工程條件的創(chuàng)新。

系統(tǒng)集成是應(yīng)用開(kāi)放系統(tǒng)將多廠家設(shè)備連在一起，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用要求的全部功能的過(guò)程；是應(yīng)用共享的信息平臺(tái)接入各個(gè)子系統(tǒng)，為用戶實(shí)現(xiàn)從頂層到底層的自動(dòng)化監(jiān)控管理功能的工程活動(dòng)。

系統(tǒng)集成不再是單專業(yè)自動(dòng)化的工程行為，不再是自動(dòng)化孤島中的系統(tǒng)組建，而是工程所包含的全系統(tǒng)的自動(dòng)化和信息化的實(shí)現(xiàn)；是為工程項(xiàng)目構(gòu)建綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，是為工程價(jià)值鏈各階段的信息化集成。系統(tǒng)集成構(gòu)建的是項(xiàng)目的信息共享平臺(tái)。

從20世紀(jì)70年代末起，經(jīng)過(guò)80年代直到90年代，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)從單廠家設(shè)備的DCS、PLC專利系統(tǒng)，向多廠家設(shè)備集成，向以DCS、PLC、SCADA系統(tǒng)為基礎(chǔ)的開(kāi)放系統(tǒng)發(fā)展。這一階段，工業(yè)PC機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)、DCS技術(shù)迅速發(fā)展，特別是PLC 和PLC系統(tǒng)發(fā)展得更為迅猛。PLC系統(tǒng)開(kāi)始取代早先的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遙測(cè)系統(tǒng)。在許多大項(xiàng)目中，以PLC為基礎(chǔ)的SCADA系統(tǒng)采用系統(tǒng)集成構(gòu)建的大型開(kāi)放系統(tǒng)取代了專利的DCS以及早期的DDC（Direct Digital Control System）系統(tǒng)。

這一時(shí)期，工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)模愈來(lái)愈大，要求與之相應(yīng)的自動(dòng)化系統(tǒng)的規(guī)模也愈來(lái)愈大。要求系統(tǒng)容納更多廠家的設(shè)備，要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加開(kāi)放以接入各種設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)PC加上HMI軟件及PLC系統(tǒng)，發(fā)展成為開(kāi)放系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。

這一階段，適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和需求變化，一些著名的DCS和PLC廠商開(kāi)始做系統(tǒng)集成項(xiàng)目，進(jìn)行開(kāi)放系統(tǒng)的研究和制造，他們或成立了強(qiáng)大的系統(tǒng)集成分部，或與更大的廠商兼并、聯(lián)合，組成規(guī)模較大的自動(dòng)化公司。90年代初，世界上許多大型儀表公司，如Bailey、Rosemount、Fisher&Porter 和Foxboro，由于系統(tǒng)集成浪潮的推動(dòng)，并入了更大的公司。連儀表巨頭Honeywell也幾乎被兼并。

隨著IT技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)信息化浪潮以更大的勢(shì)頭發(fā)展。企業(yè)的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)由于IT技術(shù)的深入飛速發(fā)展起來(lái)。ERP與其他管理信息系統(tǒng)進(jìn)入了幾乎所有的大型工業(yè)企業(yè)。此時(shí)系統(tǒng)集成進(jìn)入了更大的范圍，從自動(dòng)化到了信息化階段。這一階段，幾乎所有的世界級(jí)大型IT公司紛紛參與信息化大系統(tǒng)的系統(tǒng)集成項(xiàng)目，特別是軟件企業(yè)在系統(tǒng)集成方面作出了一系列的創(chuàng)新。

新概念的軟件體系在信息化系統(tǒng)集成項(xiàng)目中嶄露頭角。微軟的.NET開(kāi)發(fā)框架，SUN公司的J2EE系統(tǒng)集成應(yīng)用架構(gòu)，IBM 的SOA（面向服務(wù)架構(gòu)）成為企業(yè)信息化的 IT 架構(gòu)方法，將企業(yè)業(yè)務(wù)彼此鏈接，可重復(fù)的業(yè)務(wù)任務(wù)或服務(wù)進(jìn)行整合，構(gòu)建在各種系統(tǒng)中的服務(wù)可以以一種統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互。適合具體企業(yè)業(yè)務(wù)的大型系統(tǒng)集成平臺(tái)也在企業(yè)信息化與自動(dòng)化深度融合中出現(xiàn)。

在兩化深度融合的信息化浪潮中，在工業(yè)4.0引領(lǐng)新工業(yè)革命前進(jìn)中，系統(tǒng)集成技術(shù)成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有工業(yè)信息化集成系統(tǒng)的信息實(shí)現(xiàn)了集成化，才有可能實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的智能功能，才能使智能工廠、智能生產(chǎn)線與智能制造成為可能。

2　價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成

工業(yè)4.0中提出的第一個(gè)系統(tǒng)集成技術(shù)就是價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成，它是指將應(yīng)用于不同制造階段的各種IT系統(tǒng)和企業(yè)計(jì)劃過(guò)程集成在一起，這些過(guò)程涉及一個(gè)公司（例如：進(jìn)入物流、生產(chǎn)、外出物流、市場(chǎng)）和幾個(gè)不同公司之間（價(jià)值網(wǎng)絡(luò)）的原材料、能源和信息的交換。為了實(shí)現(xiàn)某一智能產(chǎn)品的生產(chǎn)，也許需要世界范圍的資源配置，需要分布在全球的公用機(jī)器設(shè)備。生產(chǎn)智能產(chǎn)品的價(jià)值網(wǎng)絡(luò)連接產(chǎn)品所需的自動(dòng)化系統(tǒng)制造出目標(biāo)產(chǎn)品來(lái)，價(jià)值網(wǎng)絡(luò)橫向地集成了各個(gè)智能工廠的相關(guān)信息為智能制造服務(wù)。在互聯(lián)網(wǎng)的背景下，價(jià)值網(wǎng)絡(luò)橫向集成的范圍將是世界范圍的。

那些IT系統(tǒng)和企業(yè)計(jì)劃過(guò)程也許是跨洲的，越洋的，分布在互聯(lián)網(wǎng)所在的任何地方。價(jià)值網(wǎng)絡(luò)所連的公司也可能分布在互聯(lián)網(wǎng)所在的任何地方。CPS價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成是在世界范圍網(wǎng)絡(luò)制造的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上（如A380飛機(jī)的制造），在IoT和IoS的支持下實(shí)現(xiàn)的新的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)制造。其機(jī)理如圖1所示。

價(jià)值網(wǎng)絡(luò)也包含了所連接的實(shí)體間的商業(yè)價(jià)值鏈。橫向集成也包含了以下需要解決的問(wèn)題：

?商業(yè)模式；

?不同公司間的合作形式；

?商業(yè)活動(dòng)的持續(xù)發(fā)展；

?價(jià)值鏈鏈接的公司間的商業(yè)秘密保護(hù)；

?標(biāo)準(zhǔn)化策略；

?中長(zhǎng)期的職工培訓(xùn)計(jì)劃等。

在工廠一級(jí)，橫向集成包含了更為具體的系統(tǒng)集成內(nèi)容：通過(guò)橫向集成，使同一層的數(shù)據(jù)和信息共享，使業(yè)務(wù)和供應(yīng)鏈集成，使不同業(yè)務(wù)模塊的相關(guān)活動(dòng)自動(dòng)觸發(fā)，使平臺(tái)上的各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的信息互通、資源共享，保證了智能工廠里動(dòng)態(tài)生產(chǎn)配置的實(shí)現(xiàn)。

工業(yè)4.0的橫向集成范圍十分廣泛，將會(huì)在實(shí)踐中不斷創(chuàng)新。

圖1　價(jià)值網(wǎng)絡(luò)橫向集成

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是工業(yè)4.0的橫向集成技術(shù)賴以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，如圖2所示，它可以將分布在全球范圍內(nèi) 的智能工廠、公用設(shè)備、設(shè)計(jì)專家、生產(chǎn)訣竅、專用設(shè)備或機(jī)器人，通過(guò)特定的CPS集成起來(lái)，生產(chǎn)出特定的智能產(chǎn)品。在全球范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)配置各類資源組成智能產(chǎn)品的智能生產(chǎn)線。智能工廠、公用設(shè)備、設(shè)計(jì)專家、生產(chǎn)訣竅、專用設(shè)備或機(jī)器人的相關(guān)信息被橫向集成在一起為智能產(chǎn)品的生產(chǎn)服務(wù)。

圖2　工業(yè)4.0的橫向集成在全球范圍進(jìn)行

3　跨越整個(gè)價(jià)值鏈的端到端工程數(shù)字集成

如圖3所示，跨越整個(gè)價(jià)值鏈的端到端工程數(shù)字集成是指：跨越工業(yè)企業(yè)整個(gè)價(jià)值鏈的工程過(guò)程各階段（設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)工程、產(chǎn)品和服務(wù)）的端到端的數(shù)字信息集成。這里強(qiáng)調(diào)的是各生產(chǎn)階段的終端設(shè)備的集成。一個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)的工程過(guò)程分為不同階段，在CPS支持下，它們的數(shù)字信息可以被集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)智能化制造。產(chǎn)品行進(jìn)的每一步都有相應(yīng)的信息被綜合到CPS中，也可以使產(chǎn)品在每一個(gè)階段受到信息控制甚至做出改變。

智能產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程包括：設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)工程、產(chǎn)品和服務(wù)五個(gè)階段。每個(gè)階段都會(huì)有相應(yīng)的數(shù)字終端設(shè)備支持，這些終端的數(shù)字信息，通過(guò)接口進(jìn)入CPS系統(tǒng)中被集成在一起，進(jìn)入了生產(chǎn)工程數(shù)據(jù)庫(kù)或生產(chǎn)云。于是各階段的數(shù)字信息在數(shù)據(jù)庫(kù)中融合、交互，生產(chǎn)工程實(shí)現(xiàn)了端到端的數(shù)字集成。

在跨越整個(gè)價(jià)值鏈的端到端工程數(shù)字集成中有一個(gè)非常重要的技術(shù)概念就是：端到端的實(shí)時(shí)透明。如上所述，當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程各階段的設(shè)備終端被實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相連，那么，這些終端也就實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)透明。端到端的信息交互變得既實(shí)時(shí)又直接，從而端與端透明貫通。顯然，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)透明的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與接口技術(shù)，是大數(shù)據(jù)的融合技術(shù)。端到端實(shí)時(shí)透明也意味著生產(chǎn)全過(guò)程信息的共享與實(shí)時(shí)應(yīng)用，這樣就支持了智能產(chǎn)品動(dòng)態(tài)地出現(xiàn)在任何生產(chǎn)設(shè)備前，都可以立即得到設(shè)備終端的智能人機(jī)界面的支持，可被進(jìn)行應(yīng)有的生產(chǎn)處理或加工。相應(yīng)的生產(chǎn)線上的設(shè)備終端都同時(shí)得到了支持此產(chǎn)品生產(chǎn)的信息及功能畫(huà)面?？缭秸麄€(gè)價(jià)值鏈的端到端工程數(shù)字集成成為實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)，生產(chǎn)智能產(chǎn)品的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖3　跨越整個(gè)價(jià)值鏈的端到端工程數(shù)字集成

4　縱向集成

縱向集成和網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）化制造系統(tǒng)是指：將不同層級(jí)的IT系統(tǒng)集成在一起（如執(zhí)行器與傳感器層、控制層、生產(chǎn)管理層、制造和執(zhí)行層及企業(yè)計(jì)劃層）以便實(shí)現(xiàn)端到端的解決方案。

縱向集成是在工廠進(jìn)行。在將來(lái)的智能化工廠里，制造業(yè)結(jié)構(gòu)不會(huì)固定或被先期限定，而是根據(jù)個(gè)性化需求定制的一組IT結(jié)構(gòu)化模塊，根據(jù)不同情況下產(chǎn)品生產(chǎn)的需要自動(dòng)搭建出特定的結(jié)構(gòu)——包括模型、數(shù)據(jù)、通訊和算法等所有相關(guān)需求。

實(shí)現(xiàn)縱向集成，確保不同層次的設(shè)備和裝置的信息傳輸?shù)浇?jīng)營(yíng)管理層與戰(zhàn)略決策層，同時(shí)，頂層的信息也可貫通到底層。不同層級(jí)的信息通過(guò)縱向集成而融合在一起，并支持工藝過(guò)程端對(duì)端的數(shù)據(jù)集成。

工業(yè)4.0縱向集成強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)化制造。制造系統(tǒng)各層次的生產(chǎn)應(yīng)用模塊按照縱向集成要求重新組合或重用，通過(guò)資源配置（如機(jī)器、工作、物流等）和其間相互作用關(guān)系（如原料周轉(zhuǎn)）完成制造業(yè)系統(tǒng)調(diào)配組合，生產(chǎn)出智能產(chǎn)品。

工業(yè)4.0縱向集成通過(guò)企業(yè)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)與務(wù)聯(lián)網(wǎng)，將企業(yè)各層級(jí)的制造信息集成在一起，最終實(shí)現(xiàn)終端的集成。如圖4所示，面向操作員終端的人機(jī)界面顯示了被集成起來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)制造的智能生產(chǎn)線及智能生產(chǎn)設(shè)備的模型、數(shù)據(jù)、通訊和算法等所有相關(guān)信息，同時(shí)也提供需要操作員操作的界面。

圖4　縱向集成完成制造業(yè)系統(tǒng)調(diào)配組合

通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將遍布全球的公司按照價(jià)值鏈橫向集成在一起；在每個(gè)工廠里生產(chǎn)制造工程的各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了端到端的實(shí)時(shí)透明，信息按照價(jià)值鏈被集成；工廠或公司的信息化集成系統(tǒng)的各層級(jí)實(shí)現(xiàn)縱向集成進(jìn)行著網(wǎng)絡(luò)制造。工業(yè)4.0三種系統(tǒng)集成方式構(gòu)建起了新工業(yè)革命的CPS系統(tǒng)。價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成；跨越整個(gè)價(jià)值鏈的端到端工程數(shù)字集成；縱向集成和網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）化制造系統(tǒng)是工業(yè)4.0的新的系統(tǒng)集成理念，它啟示我們?cè)趯?shí)現(xiàn)工業(yè)4.0時(shí)，實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行更大范圍的系統(tǒng)集成，制造業(yè)企業(yè)要轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代系統(tǒng)集成商。我國(guó)的制造商一定要適應(yīng)時(shí)代潮流盡快地轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒒上到y(tǒng)的系統(tǒng)集成商。

當(dāng)前，我國(guó)的一些大中企業(yè)在實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化過(guò)程中已經(jīng)取得了部分橫向集成與縱向集成的成功經(jīng)驗(yàn)，他們通過(guò)橫向集成將企業(yè)內(nèi)原本是信息孤島的各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)在同一信息平臺(tái)上集成起來(lái)。他們將企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的各層級(jí)縱向打通，使企業(yè)的生產(chǎn)信息及相關(guān)信息集成在MES平臺(tái)或經(jīng)營(yíng)管理平臺(tái)上。這些成果對(duì)實(shí)現(xiàn)中國(guó)工業(yè)4.0的橫向集成與縱向集成是十分有利的，對(duì)構(gòu)建中國(guó)工業(yè)4.0 CPS系統(tǒng)是十分有利的。

5　信息化集成系統(tǒng)內(nèi)的系統(tǒng)集成

中國(guó)工業(yè)信息化之路自從找到了兩化融合的方向之后，步入了第四次工業(yè)革命的正軌。構(gòu)建工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)成為新工業(yè)革命的切入點(diǎn)，而工業(yè)信息化集成系統(tǒng)的建設(shè)又是通過(guò)系統(tǒng)集成的方法進(jìn)行的。信息化集成系統(tǒng)的系統(tǒng)集成如何進(jìn)行呢？在GB/T 26335-2010《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范》中指出：“工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)對(duì)信息的集成應(yīng)以生產(chǎn)和制造過(guò)程緊密相關(guān)的底層信息為基礎(chǔ)，圍繞企業(yè)核心業(yè)務(wù)進(jìn)行。企業(yè)信息化集成系統(tǒng)應(yīng)對(duì)企業(yè)信息進(jìn)行縱向集成與橫向集成，消除業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息孤島，促進(jìn)自動(dòng)化與信息化的融合?！币?guī)范第一次提出了橫向集成與縱向集成的理念，指出了構(gòu)建信息化集成系統(tǒng)的正確路線。

規(guī)范定義了兩種系統(tǒng)集成：

縱向集成（Vertical Integration）：構(gòu)建企業(yè)信息化集成系統(tǒng)時(shí)，企業(yè)內(nèi)部不同層、級(jí)間的相關(guān)信息互聯(lián)互通的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

橫向集成（Transversal Integration）：構(gòu)建企業(yè)信息化集成系統(tǒng)時(shí)，企業(yè)內(nèi)同層的各類信息交互與融合的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

（1）縱向集成

構(gòu)建信息化集成系統(tǒng)，如第三講中圖3～圖5所示，H1、H2、H3各級(jí)間和L1、L2、L3、L4、L5各層間的無(wú)縫接口通過(guò)縱向集成實(shí)現(xiàn)。按照國(guó)際與國(guó)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，做好這些級(jí)、層的接口開(kāi)發(fā)與管理，將各應(yīng)用層級(jí)集成為信息上下貫通的滿足性能要求的計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)。

縱向信息集成主要是對(duì)各層級(jí)間相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理、通信、轉(zhuǎn)換，對(duì)信息的存儲(chǔ)、表達(dá)；實(shí)現(xiàn)信息交換，流程調(diào)度以及共享服務(wù)，使集成系統(tǒng)的各層級(jí)信息安全有機(jī)地融合。

縱向信息集成應(yīng)保證底層數(shù)據(jù)按系統(tǒng)功能要求上傳，保證各層的信息交換與共享平臺(tái)提供對(duì)下層信息接入機(jī)制，并以標(biāo)準(zhǔn)的、可擴(kuò)展的方式通過(guò)接口進(jìn)行訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求功能。同時(shí)保證高層信息及時(shí)、準(zhǔn)確下達(dá)。縱向信息集成應(yīng)保證信息的標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性、數(shù)據(jù)獨(dú)立性與兼容性，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的接口模塊。

（2）橫向集成

構(gòu)建信息化集成系統(tǒng)，如第三講中圖3～圖5所示，應(yīng)在H1的L2層，在H1、H2、H3的L3層，在H1、H2、H3的L4層分別構(gòu)建信息交換與共享平臺(tái)。L2信息交換與共享平臺(tái)也稱為生產(chǎn)（制造）過(guò)程的綜合監(jiān)控平臺(tái)，各級(jí)L3信息交換平臺(tái)也稱為生產(chǎn)執(zhí)行調(diào)度平臺(tái)，各級(jí)L4信息交換平臺(tái)也稱為經(jīng)營(yíng)管理平臺(tái)。

信息橫向集成在各自信息交換與共享平臺(tái)上進(jìn)行。信息的橫向集成主要包括數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)封裝、數(shù)據(jù)通信、報(bào)文發(fā)送、報(bào)文格式定義與管理、信息源管理訪問(wèn)、信息報(bào)警服務(wù)、交換平臺(tái)服務(wù)管理等等。

通過(guò)橫向集成，使同一層的數(shù)據(jù)和信息共享，使業(yè)務(wù)和供應(yīng)鏈集成，使不同業(yè)務(wù)模塊的相關(guān)活動(dòng)自動(dòng)觸發(fā)，使平臺(tái)上的各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的信息互通、資源共享。

構(gòu)建信息化集成系統(tǒng)無(wú)論是縱向集成還是橫向集成，應(yīng)在系統(tǒng)內(nèi)信息交換與共享平臺(tái)基礎(chǔ)上建立信息交換的標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格保證信息格式的一致性以及信息轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)化。保證信息的可靠性、數(shù)據(jù)獨(dú)立性與兼容性。

這里對(duì)信息化集成系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)做了簡(jiǎn)單的概述。以一個(gè)煤炭企業(yè)為例說(shuō)明工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的縱向集成與橫向集成關(guān)系。

H1廠級(jí)系統(tǒng)是煤礦、洗煤場(chǎng)等生產(chǎn)單元級(jí)。H1級(jí)的L1現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層通過(guò)L2過(guò)程控制層的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)與L3生產(chǎn)執(zhí)行層實(shí)現(xiàn)管控一體化，進(jìn)行縱向集成。

H1廠級(jí)的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)與H2公司級(jí)生產(chǎn)調(diào)度執(zhí)行系統(tǒng)、H3集團(tuán)公司級(jí)生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)通過(guò)每級(jí)的L3層進(jìn)行縱向集成。H1、H2與H3的L4層的經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)縱向集成起來(lái)，每級(jí)的經(jīng)營(yíng)管理層又將經(jīng)營(yíng)管理各子系統(tǒng)信息橫向集成起來(lái)。H1、H2與H3 的L5決策支持層也存在著縱向集成關(guān)系。各層之間的縱向與橫向關(guān)系如圖5所示。通過(guò)信息化集成系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)以安全生產(chǎn)為核心、財(cái)務(wù)業(yè)務(wù)一體化的企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理目標(biāo)。

無(wú)論橫向集成還是縱向集成，都是圍繞企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行，如圖5所示，集團(tuán)級(jí)（H3）的生產(chǎn)調(diào)度指揮，局級(jí)（H2）的生產(chǎn)調(diào)度執(zhí)行，廠級(jí)（H1）的生產(chǎn)監(jiān)控被縱向集成構(gòu)成整個(gè)煤炭企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行和管理的信息化集成縱向系統(tǒng)。

圖5　縱向集成與橫向集成關(guān)系

圖6　企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理層橫向信息集成關(guān)系

煤炭企業(yè)信息化集成系統(tǒng)在經(jīng)營(yíng)管理層的橫向集成關(guān)系如圖6所示。企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理將管理層的各子系統(tǒng)：資源勘探、規(guī)劃建設(shè)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、物資管理、設(shè)備管理、財(cái)務(wù)管理、人力資源、運(yùn)輸銷售和生產(chǎn)調(diào)度橫向集成在一起，建立起集團(tuán)級(jí)企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理的大系統(tǒng)。