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城市軌道交通標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會魏曉東

1　開篇

以工業(yè)4.0為綱領(lǐng)的新工業(yè)革命正在促進(jìn)我國工業(yè)企業(yè)信息化沿兩化融合方向深入發(fā)展。兩化融合是信息化和工業(yè)化高層次的深度結(jié)合，是指以信息化帶動工業(yè)化、以工業(yè)化促進(jìn)信息化，走新型工業(yè)化道路；兩化融合的核心是信息化支撐，追求可持續(xù)發(fā)展模式。兩化融合落地到企業(yè)之中實質(zhì)上就是要通過系統(tǒng)集成在工業(yè)企業(yè)構(gòu)建起信息化集成系統(tǒng)，支持構(gòu)建智能工廠、實現(xiàn)智能生產(chǎn)，實現(xiàn)智能制造。工業(yè)企業(yè)兩化融合的關(guān)鍵就是系統(tǒng)集成技術(shù)。

本講座將系統(tǒng)集成技術(shù)的由來與發(fā)展作為第一講，介紹系統(tǒng)集成概念，闡述采用系統(tǒng)集成技術(shù)構(gòu)建的兩化融合的大系統(tǒng)——工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)以及對其進(jìn)行的信息集成工作的內(nèi)涵。

按照工業(yè)4.0的要求，工業(yè)企業(yè)需要實現(xiàn)四個智能化，即：智能工業(yè)品、智能生產(chǎn)線、智能工廠和智能制造。但是，實現(xiàn)這一目標(biāo)必須做腳踏實地的工作，必須為工業(yè)企業(yè)構(gòu)建起一個從戰(zhàn)略決策到工業(yè)現(xiàn)場的實實在在的系統(tǒng)，由這個系統(tǒng)來實現(xiàn)智能制造的目標(biāo)，這個系統(tǒng)就是信息化集成系統(tǒng)。怎么樣構(gòu)建這樣的大系統(tǒng)，必須通過系統(tǒng)集成技術(shù)將系統(tǒng)的各層次的信息集成起來為智能制造服務(wù)，實現(xiàn)四個智能化。概而言之，實現(xiàn)智能制造第一是信息化集成大系統(tǒng)，第二是構(gòu)建此系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)，缺一不可。

系統(tǒng)集成技術(shù)包含了四大要素，它們是：（1）應(yīng)用需求分析。（2）開放系統(tǒng)。（3）接口技術(shù)。（4）系統(tǒng)集成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。此四個方面分別在第二講、第三講、第四講與第五講中詳加說明。

應(yīng)用需求分析：無論是構(gòu)建信息化集成系統(tǒng)本身還是開發(fā)出開放的軟件平臺，必須將應(yīng)用需求分析清楚。這是建設(shè)系統(tǒng)的第一步也是最重要的一步。

開放系統(tǒng)：開放系統(tǒng)是信息化集成系統(tǒng)的基本屬性，它必須具有“寬廣的胸懷”以容納工業(yè)企業(yè)方方面面的業(yè)務(wù)需求。必須建設(shè)一個開放的軟件平臺，能對各種應(yīng)用需求進(jìn)行適應(yīng)性開發(fā)，使得系統(tǒng)可支持智能制造的各種要求。

接口技術(shù)：按照應(yīng)用需求構(gòu)建的大系統(tǒng)及其軟件平臺必須能夠接入多廠家設(shè)備，能夠無縫接入各類子系統(tǒng)使得信息化集成系統(tǒng)有能力完成智能制造的任務(wù)。此中接口技術(shù)成為最為關(guān)鍵的保證。

系統(tǒng)集成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)：工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。信息化集成系統(tǒng)各層級是靠最先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的全連接成為有機整體的。

工業(yè)企業(yè)在新工業(yè)革命的背景下，滿足最終用戶應(yīng)用需求，建設(shè)起一個開放的系統(tǒng)，應(yīng)用接口技術(shù)接入各類子系統(tǒng)與多廠家設(shè)備，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)各層級連接為一個整體，從而有效地實現(xiàn)智能制造的根本任務(wù)。此為本講座的核心思想體系。

第六講將簡介系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用，作為系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用的拋磚引玉的案例。

2　系統(tǒng)集成技術(shù)與信息化集成系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)集成概念

系統(tǒng)集成概念由工業(yè)自動化系統(tǒng)開啟，始于70年代末、80年代初的美國，當(dāng)時，許多工業(yè)生產(chǎn)的計算機應(yīng)用項目需要將多廠家設(shè)備綜合在一個系統(tǒng)中。許多大企業(yè)需要實現(xiàn)全廠設(shè)備的綜合監(jiān)控和互聯(lián)。但是，當(dāng)時的設(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)備的硬件和軟件開發(fā)人員組成，這些公司承接綜合性大項目，或受命于大企業(yè)實現(xiàn)全廠設(shè)備的綜合監(jiān)控。這些公司取名為某某系統(tǒng)集成公司，雇員一般幾十人到一、二百人。項目伊始，公司的計算機硬件和軟件開發(fā)人員進(jìn)入現(xiàn)場或企業(yè)，進(jìn)行深入的調(diào)查研究，明確用戶需求，針對多廠家設(shè)備，進(jìn)行定制開發(fā)，提出完善的解決方案，最后全面實施，這些開發(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，因為他們綜合了全企業(yè)或大工廠里的各類設(shè)備信息進(jìn)行監(jiān)控管理，他們是將各個設(shè)備子系統(tǒng)集成在一起，構(gòu)建起企業(yè)以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)制造與企業(yè)管理系統(tǒng)，做了“系統(tǒng)集成”的工作。

從70年代末起，經(jīng)過80年代直到90年代，工業(yè)自動化系統(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)的開放系統(tǒng)發(fā)展。這一階段，工業(yè)PC機、嵌入式計算機和DCS技術(shù)的發(fā)展，特別是PLC和PLC系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展。PLC系統(tǒng)開始取代早先的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遙測系統(tǒng)，在許多大項目中，建成了以PLC為基礎(chǔ)的SCADA系統(tǒng)；采用系統(tǒng)集成構(gòu)建的大型開放系統(tǒng)取代了專利的DCS以及60年代、70年代的DDC（Direct Digital Control System）系統(tǒng)；系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用愈來愈廣泛。

這一時期，工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)模日趨龐大，要求與之相應(yīng)的自動化系統(tǒng)的規(guī)模也越來越大。要求系統(tǒng)容納更多廠家的設(shè)備，要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加開放以接入各種設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)PC加上HMI軟件加PLC系統(tǒng)，發(fā)展成為系統(tǒng)集成開放系統(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，原來著名的DCS和PLC廠商，開始做系統(tǒng)集成項目，進(jìn)行開放系統(tǒng)的研究和制造，他們或成立了強大的系統(tǒng)集成分部，或與更大的廠商兼并、聯(lián)合組成規(guī)模較大的自動化系統(tǒng)集成公司。

隨著IT技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)信息化浪潮以更大的勢頭發(fā)展。企業(yè)的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和經(jīng)營管理系統(tǒng)由于IT技術(shù)的深入而得到快速發(fā)展，ERP與其他管理信息系統(tǒng)幾乎進(jìn)入了所有大型企業(yè)，此時系統(tǒng)集成包含了更大的范圍，從自動化到了信息化。這一階段，幾乎所有的世界級大型IT公司紛紛參與信息化大系統(tǒng)的系統(tǒng)集成項目，特別是軟件企業(yè)在系統(tǒng)集成方面做出了一系列的創(chuàng)新。新概念的軟件體系在信息化系統(tǒng)集成項目中嶄露頭角。微軟的.NET開發(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)彼此連接，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)集成平臺也在企業(yè)信息化與自動化深度融合中出現(xiàn)。

90年代初期，全球范圍內(nèi)，涌現(xiàn)出一大批系統(tǒng)集成廠商。1994年，控制系統(tǒng)集成商聯(lián)合會（CSIA：Control System Integrators Association）在北美成立。CSIA自成立以來，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多個。

CSIA定義控制系統(tǒng)集成商為：控制系統(tǒng)集成商是一個獨立的增值工程組織，它主要為工業(yè)控制系統(tǒng)、制造系統(tǒng)和工廠自動化的銷售、設(shè)計、實施、安裝、試車和技術(shù)支持做應(yīng)用知識服務(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目提供產(chǎn)品和系統(tǒng)集成服務(wù)，這些項目中通常包含過程控制、離散控制、管理監(jiān)督系統(tǒng)、批量控制以及機器人技術(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)以及工廠自動化系統(tǒng)等方面。系統(tǒng)集成商需要具備應(yīng)用知識和銷售、設(shè)計、執(zhí)行、安裝、調(diào)試以及支持的方方面面專項技能。

系統(tǒng)集成商所做的工作，綜合了設(shè)備廠商的代理、產(chǎn)品的分銷商、工程的咨詢工程師以及工程承包商等所有職能。而且，它也不同于設(shè)備制造商，它對應(yīng)用系統(tǒng)所涉及的專業(yè)知識和用戶實際需求較為熟悉，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，針對用戶提出的問題做出綜合解決方案。方案包括最終的項目工程設(shè)計、技術(shù)文件、硬件配置與購買、用戶軟件開發(fā)、現(xiàn)場儀表的接線和安裝、控制方案、軟件選擇、測試和調(diào)試。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。

軟件開發(fā)在項目中占有更重要的位置。據(jù)CSIA研究統(tǒng)計，一個正規(guī)的系統(tǒng)集成項目，“智力內(nèi)容”包括，設(shè)計、計劃、管理、軟件開發(fā)、技術(shù)服務(wù)、培訓(xùn)等的價值，與硬件和安裝等勞動價值之比為60:40。在系統(tǒng)集成項目中，系統(tǒng)集成商的責(zé)任是為項目選擇最好的產(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。實現(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化的項目進(jìn)行。工程準(zhǔn)備階段，它為用戶提供項目的工程咨詢服務(wù)，給用戶提供類似工程中自動化系統(tǒng)的成功經(jīng)驗和切合本項目實際需求的咨詢建議。工程伊始，他按照合同為用戶提供工程設(shè)計、工程組織、工程管理服務(wù)。系統(tǒng)集成商為用戶采購按照設(shè)計要求的各類硬件產(chǎn)品，并保證硬件設(shè)備和現(xiàn)場裝置的合理匹配，保證自動化系統(tǒng)的最佳性價比。

系統(tǒng)集成商的最主要任務(wù)之一是建立開放系統(tǒng)的集成平臺，開發(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，而是應(yīng)用成熟的軟件平臺。但是，應(yīng)用軟件必須具有工程的適應(yīng)性，必須包含自身的技術(shù)經(jīng)驗和成功的工程范例成果。

系統(tǒng)集成商要負(fù)責(zé)系統(tǒng)集成中的關(guān)鍵問題，主要是接口問題的解決。系統(tǒng)集成商將指導(dǎo)系統(tǒng)的安裝和調(diào)試，系統(tǒng)集成商還負(fù)責(zé)系統(tǒng)的實測試運行期的技術(shù)保證，以及系統(tǒng)運行時的用戶培訓(xùn)，項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)。

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

系統(tǒng)集成不再是單專業(yè)自動化的工程行為，不再是自動化孤島中的系統(tǒng)組建，而是工程所包含的全系統(tǒng)的自動化和信息化的實現(xiàn)；是為工程項目構(gòu)建的綜合自動化系統(tǒng)；是為工程價值鏈各階段的信息化集成而構(gòu)建的系統(tǒng)。系統(tǒng)集成構(gòu)建起該項目的信息共享平臺。

目前，系統(tǒng)集成正向全企業(yè)信息集成的全面解決方案發(fā)展，它已從控制領(lǐng)域向信息領(lǐng)域擴展，要求系統(tǒng)集成商對企業(yè)控制系統(tǒng)集成、制造過程集成，也要對企業(yè)的管理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)集成。與此相適應(yīng)，系統(tǒng)集成所應(yīng)用的開放系統(tǒng)必須可以將底層設(shè)備層（現(xiàn)場儀表和傳感器）工廠控制層和企業(yè)管理層的各類設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)企業(yè)主業(yè)務(wù)的智能制造，實現(xiàn)全企業(yè)的監(jiān)控管理和信息綜合服務(wù)。在工業(yè)4.0中，明確提倡制造廠商發(fā)展為智能制造的系統(tǒng)集成商。制造企業(yè)發(fā)展為產(chǎn)品與服務(wù)的系統(tǒng)集成商。

2.2　工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)

工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)最早是我國863專家提出的概念。全國工業(yè)自動化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會（TC159）一直致力于企業(yè)信息化集成系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定。2010年1月，國家標(biāo)委會發(fā)布了《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范（Standard of Industry Enterprise Information Integration System）》（GB/T 26335-2010）并于2010年6月開始實施。

此國家標(biāo)準(zhǔn)定義了工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)：“工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)（Industrial Enterprise Informationization Integrated System）是基于計算機環(huán)境和技術(shù)，將工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)與經(jīng)營決策系統(tǒng)綜合集成，提高企業(yè)經(jīng)營效率、促進(jìn)企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)實現(xiàn)的大系統(tǒng)。”

標(biāo)準(zhǔn)在基本規(guī)定中特別強調(diào)了：“工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)應(yīng)建成從生產(chǎn)自動化、生產(chǎn)管理到經(jīng)營決策的完整系統(tǒng)；它將企業(yè)自動化和信息化有機地融合在一起，使工業(yè)企業(yè)核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)及相關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)有效集成，提高企業(yè)經(jīng)營的效率，為實現(xiàn)企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)服務(wù)。”

GB/T 26335-2010給出了一般工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的層次模型，如圖1所示，它是基于普渡模型的分層分級系統(tǒng)。

圖1 工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的分層分級模型

工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的典型架構(gòu)由三級構(gòu)成，它們是：H1：廠級系統(tǒng)（廠級包括：大、中、小型生產(chǎn)廠，生產(chǎn)基地等）；H2：公司級系統(tǒng)（公司級包括：跨廠級聯(lián)合企業(yè)，大型聯(lián)合生產(chǎn)基地等）；H3：集團公司級系統(tǒng)。

（1）H1廠級系統(tǒng)：工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)廠級系統(tǒng)應(yīng)包括如：圖1所示L1到L5五層，它們是：L1：現(xiàn)場設(shè)備層；L2：生產(chǎn)過程控制層；L3：制造執(zhí)行層；L4：經(jīng)營管理層；L5：戰(zhàn)略決策層。通過5層的縱向集成與橫向集成實現(xiàn)從現(xiàn)場設(shè)備、生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)執(zhí)行、指揮、經(jīng)營管理及戰(zhàn)略決策的應(yīng)用集成一體化，構(gòu)成完整的廠級系統(tǒng)。其中，L1與L2構(gòu)成企業(yè)的生產(chǎn)自動化基礎(chǔ)層，信息化集成系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)的本源信息產(chǎn)生于此。

（2）H2公司級系統(tǒng)：此級系統(tǒng)應(yīng)對分布的廠級系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成、構(gòu)建企業(yè)公司級的信息化集成系統(tǒng)。系統(tǒng)包括L3、L4、L5三層，但其結(jié)構(gòu)與功能不同于H1的相應(yīng)三層。通過縱向集成技術(shù)實現(xiàn)H2與H1的無縫接口，實現(xiàn)本級信息的貫通。

（3）H3集團公司級系統(tǒng)：集團公司級系統(tǒng)包括L3、L4、L5三層，但其結(jié)構(gòu)與功能不同于H1和H2的相應(yīng)三層。通過縱向集成技術(shù)實現(xiàn)級間、層間信息的貫通。

作者簡介：

魏曉東，1967年畢業(yè)于天津大學(xué)精儀系。1984~1991任安徽工業(yè)大學(xué)自動化系副教授。1991出版《分散型控制系統(tǒng)》（上海科技文獻(xiàn)出版社）。2000~2012任北京和利時系統(tǒng)工程公司副總工、事業(yè)部總設(shè)計師，北京地鐵13號線、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)總負(fù)責(zé)人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動化系統(tǒng)與技術(shù)》初版與第二版（電自工業(yè)出版社）；2010年主編國家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》（GB50636-2010）《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB/T50732-2011）；2010年主編關(guān)于兩化融合的國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范》（GB/T26335-2010）。2013至今任清華同方數(shù)字城市工程中心技術(shù)專家，住建部城市軌道交通標(biāo)注技術(shù)網(wǎng)Eu委員會委員，全國自動化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會委員。

摘自《自動化博覽》2017年1月刊