城市軌道交通標準技術(shù)委員會(huì )魏曉東

1　開(kāi)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)化高層次的深度結合，是指以信息化帶動(dòng)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，追求可持續發(fā)展模式。兩化融合落地到企業(yè)之中實(shí)質(zhì)上就是要通過(guò)系統集成在工業(yè)企業(yè)構建起信息化集成系統，支持構建智能工廠(chǎng)、實(shí)現智能生產(chǎn)，實(shí)現智能制造。工業(yè)企業(yè)兩化融合的關(guān)鍵就是系統集成技術(shù)。

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

按照工業(yè)4.0的要求，工業(yè)企業(yè)需要實(shí)現四個(gè)智能化，即：智能工業(yè)品、智能生產(chǎn)線(xiàn)、智能工廠(chǎng)和智能制造。但是，實(shí)現這一目標必須做腳踏實(shí)地的工作，必須為工業(yè)企業(yè)構建起一個(gè)從戰略決策到工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)實(shí)在在的系統，由這個(gè)系統來(lái)實(shí)現智能制造的目標，這個(gè)系統就是信息化集成系統。怎么樣構建這樣的大系統，必須通過(guò)系統集成技術(shù)將系統的各層次的信息集成起來(lái)為智能制造服務(wù)，實(shí)現四個(gè)智能化。概而言之，實(shí)現智能制造第一是信息化集成大系統，第二是構建此系統的系統集成技術(shù)，缺一不可。

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

應用需求分析：無(wú)論是構建信息化集成系統本身還是開(kāi)發(fā)出開(kāi)放的軟件平臺，必須將應用需求分析清楚。這是建設系統的第一步也是最重要的一步。

開(kāi)放系統：開(kāi)放系統是信息化集成系統的基本屬性，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。必須建設一個(gè)開(kāi)放的軟件平臺，能對各種應用需求進(jìn)行適應性開(kāi)發(fā)，使得系統可支持智能制造的各種要求。

接口技術(shù)：按照應用需求構建的大系統及其軟件平臺必須能夠接入多廠(chǎng)家設備，能夠無(wú)縫接入各類(lèi)子系統使得信息化集成系統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。

系統集成工業(yè)網(wǎng)絡(luò )：工業(yè)企業(yè)信息化集成系統的結構本質(zhì)上是其網(wǎng)絡(luò )結構。信息化集成系統各層級是靠最先進(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(mǎn)足最終用戶(hù)應用需求，建設起一個(gè)開(kāi)放的系統，應用接口技術(shù)接入各類(lèi)子系統與多廠(chǎng)家設備，通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )將系統各層級連接為一個(gè)整體，從而有效地實(shí)現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(jiǎn)介系統集成技術(shù)的應用，作為系統集成技術(shù)應用的拋磚引玉的案例。

2　系統集成技術(shù)與信息化集成系統

2.1 系統集成概念

系統集成概念由工業(yè)自動(dòng)化系統開(kāi)啟，始于70年代末、80年代初的美國，當時(shí)，許多工業(yè)生產(chǎn)的計算機應用項目需要將多廠(chǎng)家設備綜合在一個(gè)系統中。許多大企業(yè)需要實(shí)現全廠(chǎng)設備的綜合監控和互聯(lián)。但是，當時(shí)的設備系統基本上都是專(zhuān)利系統，通信協(xié)議多為專(zhuān)利協(xié)議，于是出現了一些規模不大的公司，它們是由熟悉多廠(chǎng)家設備的硬件和軟件開(kāi)發(fā)人員組成，這些公司承接綜合性大項目，或受命于大企業(yè)實(shí)現全廠(chǎng)設備的綜合監控。這些公司取名為某某系統集成公司，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(kāi)發(fā)人員進(jìn)入現場(chǎng)或企業(yè)，進(jìn)行深入的調查研究，明確用戶(hù)需求，針對多廠(chǎng)家設備，進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，提出完善的解決方案，最后全面實(shí)施，這些開(kāi)發(fā)者被叫做系統集成師（Integrator）。他們所進(jìn)行的工作稱(chēng)為系統集成，因為他們綜合了全企業(yè)或大工廠(chǎng)里的各類(lèi)設備信息進(jìn)行監控管理，他們是將各個(gè)設備子系統集成在一起，構建起企業(yè)以計算機為基礎的生產(chǎn)制造與企業(yè)管理系統，做了“系統集成”的工作。

從70年代末起，經(jīng)過(guò)80年代直到90年代，工業(yè)自動(dòng)化系統從單廠(chǎng)家設備的DCS、PLC專(zhuān)利系統，向多廠(chǎng)家設備集成，向以DCS、PLC、SCADA系統為基礎的開(kāi)放系統發(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系統得到了迅猛發(fā)展。PLC系統開(kāi)始取代早先的遠程數據采集系統和遙測系統，在許多大項目中，建成了以PLC為基礎的SCADA系統；采用系統集成構建的大型開(kāi)放系統取代了專(zhuān)利的DCS以及60年代、70年代的DDC（Direct Digital Control System）系統；系統集成技術(shù)應用愈來(lái)愈廣泛。

這一時(shí)期，工業(yè)應用系統的規模日趨龐大，要求與之相應的自動(dòng)化系統的規模也越來(lái)越大。要求系統容納更多廠(chǎng)家的設備，要求系統結構更加開(kāi)放以接入各種設備及其網(wǎng)絡(luò )。工業(yè)PC加上HMI軟件加PLC系統，發(fā)展成為系統集成開(kāi)放系統的主要結構。

這一階段，適應技術(shù)發(fā)展和需求變化，原來(lái)著(zhù)名的DCS和PLC廠(chǎng)商，開(kāi)始做系統集成項目，進(jìn)行開(kāi)放系統的研究和制造，他們或成立了強大的系統集成分部，或與更大的廠(chǎng)商兼并、聯(lián)合組成規模較大的自動(dòng)化系統集成公司。

隨著(zhù)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)執行系統（MES）和經(jīng)營(yíng)管理系統由于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幾乎進(jìn)入了所有大型企業(yè)，此時(shí)系統集成包含了更大的范圍，從自動(dòng)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的系統集成項目，特別是軟件企業(yè)在系統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集成項目中嶄露頭角。微軟的.NET開(kāi)發(fā)框架，SUN公司的J2EE系統集成應用架構，IBM的SOA（面向服務(wù)架構）成為企業(yè)信息化的IT架構方法，將企業(yè)業(yè)務(wù)彼此連接，可重復的業(yè)務(wù)任務(wù)或服務(wù)進(jìn)行整合，構建在各種系統中的服務(wù)可以以一種統一和通用的方式進(jìn)行交互。適合具體企業(yè)業(yè)務(wù)的大型系統集成平臺也在企業(yè)信息化與自動(dòng)化深度融合中出現。

90年代初期，全球范圍內，涌現出一大批系統集成廠(chǎng)商。1994年，控制系統集成商聯(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集成事業(yè)的發(fā)展，為全世界的系統集成商服務(wù)。CSIA的研究結果表明：到21世紀初，全世界的系統集成商（公司）至少有4000多個(gè)。

CSIA定義控制系統集成商為：控制系統集成商是一個(gè)獨立的增值工程組織，它主要為工業(yè)控制系統、制造系統和工廠(chǎng)自動(dòng)化的銷(xiāo)售、設計、實(shí)施、安裝、試車(chē)和技術(shù)支持做應用知識服務(wù)和技術(shù)專(zhuān)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)品和系統集成服務(wù)，這些項目中通常包含過(guò)程控制、離散控制、管理監督系統、批量控制以及機器人技術(shù)和數據采集等內容。它聚焦于工業(yè)控制和信息系統、制造執行系統以及工廠(chǎng)自動(dòng)化系統等方面。系統集成商需要具備應用知識和銷(xiāo)售、設計、執行、安裝、調試以及支持的方方面面專(zhuān)項技能。

系統集成商所做的工作，綜合了設備廠(chǎng)商的代理、產(chǎn)品的分銷(xiāo)商、工程的咨詢(xún)工程師以及工程承包商等所有職能。而且，它也不同于設備制造商，它對應用系統所涉及的專(zhuān)業(yè)知識和用戶(hù)實(shí)際需求較為熟悉，可為用戶(hù)提供較好的全面解決方案，提供對設備廠(chǎng)商的增值服務(wù)。

控制系統集成商根據具體工程的輸入條件，根據通用需求和專(zhuān)用需求制定出的需求規范，針對用戶(hù)提出的問(wèn)題做出綜合解決方案。方案包括最終的項目工程設計、技術(shù)文件、硬件配置與購買(mǎi)、用戶(hù)軟件開(kāi)發(fā)、現場(chǎng)儀表的接線(xiàn)和安裝、控制方案、軟件選擇、測試和調試。系統集成商為用戶(hù)提供的主要是系統集成的技術(shù)服務(wù)以及系統集成商的應用經(jīng)驗。

軟件開(kāi)發(fā)在項目中占有更重要的位置。據CSIA研究統計，一個(gè)正規的系統集成項目，“智力內容”包括，設計、計劃、管理、軟件開(kāi)發(fā)、技術(shù)服務(wù)、培訓等的價(jià)值，與硬件和安裝等勞動(dòng)價(jià)值之比為60:40。在系統集成項目中，系統集成商的責任是為項目選擇最好的產(chǎn)品和制造商。系統集成商只須選擇那些可滿(mǎn)足特殊要求的特殊產(chǎn)品。實(shí)現優(yōu)化方案是第一位的原則。

系統集成商的工作是圍繞各類(lèi)自動(dòng)化的項目進(jìn)行。工程準備階段，它為用戶(hù)提供項目的工程咨詢(xún)服務(wù)，給用戶(hù)提供類(lèi)似工程中自動(dòng)化系統的成功經(jīng)驗和切合本項目實(shí)際需求的咨詢(xún)建議。工程伊始，他按照合同為用戶(hù)提供工程設計、工程組織、工程管理服務(wù)。系統集成商為用戶(hù)采購按照設計要求的各類(lèi)硬件產(chǎn)品，并保證硬件設備和現場(chǎng)裝置的合理匹配，保證自動(dòng)化系統的最佳性?xún)r(jià)比。

系統集成商的最主要任務(wù)之一是建立開(kāi)放系統的集成平臺，開(kāi)發(fā)適應具體工程需求的應用軟件。系統集成商不應采用專(zhuān)利的集成軟件平臺，而是應用成熟的軟件平臺。但是，應用軟件必須具有工程的適應性，必須包含自身的技術(shù)經(jīng)驗和成功的工程范例成果。

系統集成商要負責系統集成中的關(guān)鍵問(wèn)題，主要是接口問(wèn)題的解決。系統集成商將指導系統的安裝和調試，系統集成商還負責系統的實(shí)測試運行期的技術(shù)保證，以及系統運行時(shí)的用戶(hù)培訓，項目的文檔建立和移交。最后，系統集成商承諾優(yōu)良的質(zhì)保期服務(wù)。

系統集成是應用開(kāi)放系統將多廠(chǎng)家設備連在一起，實(shí)現應用要求的全部功能的過(guò)程；是應用共享的信息平臺接入各個(gè)子系統，為用戶(hù)實(shí)現從頂層到底層的自動(dòng)化監控管理功能的工程活動(dòng)。

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

目前，系統集成正向全企業(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，要求系統集成商對企業(yè)控制系統集成、制造過(guò)程集成，也要對企業(yè)的管理系統和信息系統集成。與此相適應，系統集成所應用的開(kāi)放系統必須可以將底層設備層（現場(chǎng)儀表和傳感器）工廠(chǎng)控制層和企業(yè)管理層的各類(lèi)設備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現企業(yè)主業(yè)務(wù)的智能制造，實(shí)現全企業(yè)的監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(chǎng)商發(fā)展為智能制造的系統集成商。制造企業(yè)發(fā)展為產(chǎn)品與服務(wù)的系統集成商。

2.2　工業(yè)企業(yè)信息化集成系統

工業(yè)企業(yè)信息化集成系統最早是我國863專(zhuān)家提出的概念。全國工業(yè)自動(dòng)化系統與集成標準技術(shù)委員會(huì )（TC159）一直致力于企業(yè)信息化集成系統國家標準的制定。2010年1月，國家標委會(huì )發(fā)布了《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統規范（Standard of Industry Enterprise Information Integration System）》（GB/T 26335-2010）并于2010年6月開(kāi)始實(shí)施。

此國家標準定義了工業(yè)企業(yè)信息化集成系統：“工業(yè)企業(yè)信息化集成系統（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(dòng)化系統、生產(chǎn)管理系統與經(jīng)營(yíng)決策系統綜合集成，提高企業(yè)經(jīng)營(yíng)效率、促進(jìn)企業(yè)戰略目標實(shí)現的大系統?！?/p>

標準在基本規定中特別強調了：“工業(yè)企業(yè)信息化集成系統應建成從生產(chǎn)自動(dòng)化、生產(chǎn)管理到經(jīng)營(yíng)決策的完整系統；它將企業(yè)自動(dòng)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)系統及相關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)系統有效集成，提高企業(yè)經(jīng)營(yíng)的效率，為實(shí)現企業(yè)戰略目標服務(wù)?！?/p>

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

圖1 工業(yè)企業(yè)信息化集成系統的分層分級模型

工業(yè)企業(yè)信息化集成系統的典型架構由三級構成，它們是：H1：廠(chǎng)級系統（廠(chǎng)級包括：大、中、小型生產(chǎn)廠(chǎng)，生產(chǎn)基地等）；H2：公司級系統（公司級包括：跨廠(chǎng)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。

（1）H1廠(chǎng)級系統：工業(yè)企業(yè)信息化集成系統廠(chǎng)級系統應包括如：圖1所示L1到L5五層，它們是：L1：現場(chǎng)設備層；L2：生產(chǎn)過(guò)程控制層；L3：制造執行層；L4：經(jīng)營(yíng)管理層；L5：戰略決策層。通過(guò)5層的縱向集成與橫向集成實(shí)現從現場(chǎng)設備、生產(chǎn)過(guò)程控制、生產(chǎn)執行、指揮、經(jīng)營(yíng)管理及戰略決策的應用集成一體化，構成完整的廠(chǎng)級系統。其中，L1與L2構成企業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化基礎層，信息化集成系統核心業(yè)務(wù)的本源信息產(chǎn)生于此。

（2）H2公司級系統：此級系統應對分布的廠(chǎng)級系統進(jìn)行系統集成、構建企業(yè)公司級的信息化集成系統。系統包括L3、L4、L5三層，但其結構與功能不同于H1的相應三層。通過(guò)縱向集成技術(shù)實(shí)現H2與H1的無(wú)縫接口，實(shí)現本級信息的貫通。

（3）H3集團公司級系統：集團公司級系統包括L3、L4、L5三層，但其結構與功能不同于H1和H2的相應三層。通過(guò)縱向集成技術(shù)實(shí)現級間、層間信息的貫通。

作者簡(jiǎn)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(dòng)化系副教授。1991出版《分散型控制系統》（上?？萍嘉墨I出版社）。2000~2012任北京和利時(shí)系統工程公司副總工、事業(yè)部總設計師，北京地鐵13號線(xiàn)、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號線(xiàn)綜合監控系統工程技術(shù)總負責人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動(dòng)化系統與技術(shù)》初版與第二版（電自工業(yè)出版社）；2010年主編國家標準《城市軌道交通綜合監控系統工程設計規范》（GB50636-2010）《城市軌道交通綜合監控系統施工與質(zhì)量驗收規范》（GB/T50732-2011）；2010年主編關(guān)于兩化融合的國家標準《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統規范》（GB/T26335-2010）。2013至今任清華同方數字城市工程中心技術(shù)專(zhuān)家，住建部城市軌道交通標注技術(shù)網(wǎng)Eu委員會(huì )委員，全國自動(dòng)化系統與集成標準技術(shù)委員會(huì )委員。

摘自《自動(dòng)化博覽》2017年1月刊