一、主要内容
中国制造2025实施以来，工业互联网获得了新的关注。随着制造与服务的深度融合，产品逐步被产品服务系统替代，将工业互联网技术引入制造服务研究成为学术界关注的热点之一。
从服务中获取更多价值成为制造企业的共识，同时工业互联网与人工智能也是智能制造服务设计的关键技术。服务型制造、云制造、智慧制造等新工业革命举措以颠覆性技术为依托，成为中国制造重要的战略选择。
智能制造服务是制造服务理论的重要对象，对于智能制造服务的集成主要包括纵向集成和横向集成，由于服务集成与社会、环境、企业等因素密切相关，特别是动态集成中需要工业互联网技术的支撑。工业互联网深刻影响着制造业，它是基于开放、全球化的网络，将设备、人和数据分析连接起来，通过对大数据的利用与分析，升级工业领域的智能化，降低能耗，提升效率。
工业互联网也可以减少决策过程所带来的不确定性，并尽量克服人工决策的缺点，比较适合智能制造服务的流程纵向集成。模块化理论广泛应用于设计、制造领域，对于流程模块化也有初步的应用，为了解决智能制造服务集成的复杂性问题，引入模块化方法是较好的选择。智能制造领域的集成问题与协同问题一直是研究难点，特别是工业4.0理论集中于纵向集成、横向集成、端对端集成，在计算机集成制造系统研究中关于集成问题已有较多的研究成果，但是在智能服务领域的研究还不多，工业互联网环境下的智能制造服务流程纵向集成问题与以往集成问题的区别在于其多源异构、实时响应与虚实结合，流程集成的多源异构是指集成对象不仅有产品设计、产品加工、产品物流，还有服务规划、服务提供、服务优化等，这些对象的数据来源与数据结构差异较大；流程集成的实时响应是终端用户体验的需求，特别是服务流程的即时性要求是服务质量的基本要求；流程集成的虚实结合是区别于以往产品制造集成问题的实体化，出现更多的虚拟化，并且要以产品服务一体化来实现虚实结合。
本文在应用工业互联网技术的基础上，研究智能制造服务流程的纵向集成过程，并且以模块化方法与petri网技术建立工业互联网中智能制造服务流程的纵向集成方案与纵向集成策略，并建立了工业互联网中智能制造服务流程的纵向集成模式，并确定智能制造服务流程的纵向集成过程。通过具体实例的应用，表明了智能制造服务流程纵向集成策略的可行性和优越性。文章将分布式智能制造服务主体构成的制造服务关系网络作为一个系统工程来研究，深入流程纵向集成，以系统论聚焦于集成机制探究，顶层设计智能制造服务流程的纵向集成方案，是系统科学在制造服务业中的重要应用。
基于此，本文以服务为切入点，对智能制造加以系统集成，研究很接地气，又紧连前沿，值得关注。
二、学术要点
2.1智能制造服务流程纵向集成的总体架构
（1）智能制造服务的工业互联网环境构建
智能制造服务以服务企业、制造企业、终端用户之间的产品与服务运作为对象，形成生产性服务与制造服务化，共同促进制造与服务的融合。针对不同的产品模块、服务模块、产品服务模块等，统一称为智能制造服务模块，需要依据规划的智能制造服务方案进行集成。智能制造服务集成可以从价值链角度进行横向集成，也可以从产业链角度进行纵向集成，而纵向集成以智能制造服务流程集成为核心内容之一，本文只研究工业互联网环境下智能制造服务流程的纵向集成。
智能制造服务的工业互联网环境，以制造物联技术和工业大数据进行制造与服务数据的采集和分析，来支撑智能制造服务的运作，构建的系统框架如图1所示，工业互联网的核心部分主要包括工业互联网物理设备层、工业互联网平台服务层和工业互联网业务应用层等；工业互联网的管理部分主要包括智能制造服务流程应用、智能制造服务流程技术、智能制造服务流程管理、工业大数据源以及存储分析等。根据一般制造企业的需求，智能制造服务工业互联网环境的工作原理如下。
图1 智能制造服务的工业互联网环境
（2）工业互联网环境下的智能制造服务流程纵向集成方案
工业互联网环境下的智能制造服务流程纵向集成是以智能服务设计中的服务流程模块为基础，智能制造企业将具体的智能产品融合到服务流程中，提供给终端用户。服务流程的纵向集成包含着服务创新的任务，所以需要在智能化运作环境中，针对服务流程多目标优化，结合工业互联网环境，以及智能生产基础，可以对智能制造服务流程进行纵向集成。
智能制造服务流程的纵向集成方案主要从智能制造服务流程构建时和智能制造服务流程运行时两个视角来考虑。在智能制造服务流程构建时，主要是围绕智能制造服务流程模块的管理和智能制造服务流程优化来进行，依据智能制造企业的情况自己管理智能制造服务流程模块或者委托智能制造服务平台来管理，而智能制造服务流程优化需要领域专家的参与协同优化；在智能制造服务流程运行时，主要围绕智能制造服务流程的实时监控和流程事件的管理，在物联网支撑下可以控制智能制造服务流程的运行进度，而流程事件的处理机制也是需要在复杂的工业互联网环境中建立的，以保障智能制造服务的顺利运作。
智能制造服务流程的纵向集成方案如图2所示，主要包括智能制造服务流程模块建模工具、智能制造服务流程模块组件管理、智能制造服务流程模块验证工具、企业服务总线、协议层等。智能制造服务流程模块组件管理提供可配置的模式，使用建模工具纵向集成智能制造服务流程模块完成建模，智能制造服务流程模块验证工具实时辅助建模。运行时，纵向集成中的智能制造服务流程依据配置模式，生成智能制造服务流程模块，输入到企业服务总线中运行，完成智能制造服务流程的接入、消息转换、服务调用、消息路由等，实现智能制造服务流程之间的互操作。
图2 工业互联网环境下的智能制造服务纵向集成方案
2.2 基于petri网的智能制造服务流程纵向集成策略
（1）基于petri网的智能制造服务流程纵向集成模式
工业互联网环境下，基于petri网技术可以建立智能制造服务流程纵向集成模式，事件驱动的petri模型通过将智能制造服务运作过程中的各类资源组织在一起形成一个能够完成特定任务或者流程的动态模型。智能制造服务运作过程的控制流可以由交替出现的活动和事件彼此连接而构成，控制流的分支选择，汇合连接以及并发进行，可以通过逻辑操作符来完成。智能制造服务流程纵向集成策略首先要在形式化定义的基础上，基于petri网技术建立基本的纵向集成模式。
定义智能制造服务流程、智能制造服务流程模块、智能制造服务流程的纵向集成等基本概念。智能制造服务流程的纵向集成本质上是用petri网描述的多个智能制造服务流程模块组成的网络。智能制造服务流程的纵向集成模式如图3所示。一般的智能制造服务流程的纵向集成模式主要有同步结构、顺序结构、并行结构、分支结构、循环结构等。
图3 智能制造服务流程的纵向集成模式
智能制造服务流程的纵向集成是依据流程的处理顺序来集成的，集成不限定唯一的输入和输出库所，不同的托肯表示不同的流程类型。智能制造服务流程的纵向集成可以描述宏观的智能制造服务流程，也能够描述较为复杂的微观智能制造服务流程处理过程。通常的智能制造服务流程的纵向集成模式是以上五种模式的组合应用，涉及的智能制造服务流程模块需要预先封装处理。
（2）基于扩展petri网的智能制造服务流程纵向集成过程
智能制造服务流程以智能制造服务活动为对象，在运作中存在多态性、随机性、复杂性，扩展petri网以随机petri网为基础，可以描述智能制造服务系统内部的复杂状态变化，并以抽象化的模型语言来建立智能制造服务系统的动态随机模型，能够描述智能制造服务系统与流程之间的关系，获得定量的系统性能分析结果。因此选择扩展petri网来分析智能制造服务流程纵向集成过程。首先要进行合理的流程纵向集成规划，不同的规划方式，会得到不同的纵向集成过程。以服务区为对象来说明建立智能制造服务流程纵向集成过程模型。
1）智能制造服务流程纵向集成规划
假设智能制造服务系统有服务区、缓冲单元、外部服务区、外部物流单元等组成，服务区按照串联规划，服务区之间设置缓冲单元。首个服务区前增加维护入口，末个服务区增加维护出口，服务过程中有不合格的产品或服务时，从维护出口下线，外部服务区处理好之后，再从维护入口返线。服务过程中，每个服务区S_i分别定义输入服务流与输出服务流，以此来规划智能制造服务流程纵向集成。
2）智能制造服务流程纵向集成建模
智能制造服务流程纵向集成具有动态性和随机性，采用扩展petri网来描述智能制造服务系统的模型。确定触发规则，定义智能制造服务流程的服务区模块及其变迁与库所。正常情况下，当智能制造服务流程模块获取服务信息，判定服务状态后，如果服务合格，则激发流程模块进入状态，执行服务，执行合格激发，执行不合格激发，否则，激发流程模块进入状态，对服务不执行，直接进入下一个服务缓冲单元。
3）智能制造服务流程纵向集成性能分析
智能制造服务流程在纵向集成中，性能分析主要关注流程模块之间的服务状态转移，可以采用扩展petri网来分析。 以某个流程模块的服务区为例，简要说明分析过程。从初始标记m_i0:(1,0,0,0,0,0)^T开始，根据智能制造服务流程服务区模块的petri网变迁与库所定义，获得可达图，以及服务区的状态转移关系。智能制造服务流程的服务区的性能主要以事件的激发概率φ来度量，事件的激发概率表示正常运作时进入服务状态的相对激发概率，对于二级串联智能制造服务流程，计算激发概率、稳态概率、稳态可用度等。
通过智能订单处理服务的纵向集成的实例可以看出，基于Petri网技术的智能制造服务流程纵向集成策略优越性在于，提供了复杂智能制造服务流程的定量描述方法，克服了以往服务设计中仅考虑定性分析的不足；同时，能够分析智能制造服务系统的性能优劣，建立了系统与流程之间的网络关系，提高了流程事件状态改变的实时响应能力；另外，该策略应用工业互联网环境，明确了一种制造与服务融合中流程纵向集成模型的实现机理，可以为流程横向集成以及功能集成等研究奠定基础。
三、主要结论与政策建议
智能制造服务纵向集成研究中，以工业互联网建立智能制造服务纵向集成环境，以模块化技术设计智能制造服务流程纵向集成方案，以Petri网技术分析智能制造服务流程纵向集成策略，并以高铁装备制造企业的智能订单处理服务为例验证方案与策略的科学性与合理性。本文提出了一种智能制造服务流程纵向集成方法，较好的解决了制造与服务融合过程中的集成问题，但是智能制造服务集成问题不仅有流程集成，还有功能集成，不仅有纵向集成，还有横向集成，不同的集成过程有不同的集成方案与策略，本文只是初步研究了智能制造服务的流程纵向集成，进一步需要研究流程横向集成等内容，以及制造服务设计与制造服务集成的关系等问题，文中提出的方法在制造服务集成中较好的融入了模块化技术，为智能制造服务集成的实现奠定了基础。
制造业与服务业融合趋势越来越重要，制造服务产业也会逐步发展起来。制造服务产业将会有效弥补制造业与服务业的发展瓶颈，在智能制造支持下实现产业创新、服务创新、制造业升级转型。应对全球制造的产业链布局，国家需要从系统工程角度规划重点区域的产业生态位，优化区域产业链布局。同时针对行业从价值链角度推行各行业的价值创造与价值分配规则，实现制造服务产业的高附加值与智能化。
本文摘编自《系统工程理论与实践》第41卷第7期论文《工业互联网环境下的智能制造服务流程纵向集成》，点击链接下载全文：http://www.sysengi.com/CN/abstract/abstract112871.shtml
作者： 张卫，浙江师范大学副教授、浙江大学博士、博士后、剑桥大学访问学者，研究方向:制造服务技术与智能制造；朱信忠，Md. Nurjamal，贺新升，马继杰， 徐晚秀，浙江师范大学浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室；顾新建，浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室