第一章 软件定义工业新基础

第三节 软件加速工业文明的发展

英诺维盛公司总经理 赵敏
 

        每天清晨,人们生活的打开方式,早已经不是50年前的收音机、10年前的电视机,而是放在枕边、桌上的智能手机。
        启动汽车,自驾上路的打开方式,也已经不是钥匙点火和挂挡、查阅纸质地图,而是按键点火调程序,设定导航目的地。
        进入车间,蓝领工作的打开方式,也已经不是摊开图纸工艺卡、开会讨论问题,而是参阅CAD图纸,启动数控程序。
        无论是手机中的APP,还是汽车上的数字化驾驶界面,亦或是数字化图纸和数控程序,它们都有一个共同的名字——软件。

一、世界以软件的速度发展

        按照辩证唯物主义的观点,世界的发展取决于人类用以改造外部世界的工具系统的发展。而作为生产力的核心要素的工具系统的发展,将会对与之相匹配的生产关系、社会系统乃至人们的观念系统,都产生巨大的、不可逆转的影响。工具系统与社会系统的关系如图1所示。

工具系统与社会系统的关系

图1 工具系统与社会系统的关系

遵循TRIZ发明方法论中的技术系统进化趋势,人类制造出来的所有工具系统,都正在日益向着电子化、数字化、虚拟化的方向发展,其结果是形成了“数字化一切可以数字化的事物”的总体发展趋势。                       
        在这个大趋势中,数字化的核心使能要素是软件,特别是在工业发展中起着关键作用的工业软件。没有工业软件的支撑,很多新产品都无法面世。工业软件不仅作为数字化研发手段,支持了新产品、新工艺、新材料的发展,工业软件也作为新型的“零部件”,正在大举进入到产品之中,形成了产品本身的数字化。工业知识、技术积累的软件化,是一个可以观察到的重要趋势。
        对世界的发展,笔者有了新的认知:软件发展的速度决定了世界的发展速度。曾几何时,人们认为“世界是以材料的速度来发展的”,今天这个结论在不少行业仍然成立,但是已经逐渐退出主导世界发展速度的地位。今天的世界是由软件和材料来共同决定的,是以软件的速度来发展的!
        不管你感觉或尚未感觉到,事实已经如此。

二、软件由算法和知识决定

         软件是什么?软件是运行在硬件中的数字化指令和数据的集合。因此,开发软件也叫作编制软件程序,简称“编程”。所谓程序,就是以人类语言的格式,把一系列逻辑规则(算法)和知识表达出来,最终以“0/1”的代码格式,驱动硬件的底层功能。说到底,软件就是一系列按照预定的逻辑和格式编辑好的“0/1”代码序列。
        软件的质量与很多因素有关,如性能、功能、可维护性、安全性、互操作性等,都要依赖于软件中的算法和知识来实现。特别是工业软件,离开特定的算法与知识,几乎寸步难行。工业软件集成了数百年以来人类最优秀的工业知识和技术积累,并且有千千万万的开发者在不断优化这些数字化知识,任何一个个体所拥有的知识都无法与其抗衡。工业技术的数字化,正在以工业软件的形式予以展现。
        几乎所有软件性能的提升、功能的完善,都是由算法上的改进来实现的。阿尔法狗(即后来的Master)之所以能够屡战屡胜,就是得益于算法(蒙特卡洛树搜索+深度学习)的优化。仿真软件之所以能够越算越接近真实工况场景,也是得益于其中各种算法(物理场、生物场等)的改进。
        大致上,在一个工业设备中,用到的软件越多,能嵌入的软件代码越多,软件代码所表达的算法越强大、越优化,那么,这个设备的功能就越强大,其自动化和智能化的水平就越高。从一个产品的软件代码数量,基本上可以看出这个系统的自动化和智能化程度。

三、数字化的知识才好用

        经典的知识发生学,是在物理实体与意识人体之间交互产生的。千百万年以来,“人创造和积累了无数的新知识:人对自然界认知的意识活动的结果,形成了对自然信息的记录、描述、分析、判断和推理,逐渐建立了经典的DIKW金字塔体系,来描述人的知识体系及其演化路径:数据→信息→知识→智慧。数据可以比较大小,3比2大,5比6小;信息体现了数据的含义,具有了时空意义;知识是模型化的、指导人做事的信息;智慧则是人的洞察力在意识上的体现,推断出未发生的事物之间的相关性,在既有知识的支持下产生创新知识。(引号中内容摘自《三体智能革命》一书)
        在没有软件之前,所有的知识都记忆在人脑,书写印刷在纸面,篆刻在某些物理载体上。无论是记录、使用、传播等都受到极大的时空限制。例如当使用知识的场景发生变化而需要随时更新知识文本时(说明书中规格发生变化、图纸上零件线条增删减等),就显得非常不方便,人们应对修改的方式只能是重抄、冲印、粘贴、涂改等。
        另外,知识在人与人之间口口相传极易失真,哪怕是通过传统的书籍、甚至是先进的互联网方式传播,都会限于作者/受众人群的悟性、表达能力、理解能力、语言内涵的一致性等因素的干扰,而出现变形、失真、似是而非等情况。
        当记载知识的文本被数字化后,情况发生了根本的变化,所有的文本信息都可以在图文软件中编辑好,然后一次打印出干净、美观的文档。而且通过对算法与知识的模型化、精准化、软件化,以软件为载体来获取和应用知识,较好地规避了失真、误传的风险。
        不仅如此,记录数字化知识的物理介质所占用的空间,与过去的纸介质所占空间相比,小得几乎可以忽略不计。比尔·盖茨曾经亲自示范,一张光盘记录的信息可以打印几十米高的打印纸。
现在一只移动硬盘可以存储整个情报室的资料,几片小小的芯片就可以运行和存储百万行的软件代码,一台电脑的屏幕可以浏览几乎整个互联网上的知识。这一切,都拜软件所赐,拜数字化的知识所赐。因为只有数字化的、写在软件中的知识,才可以在数字化设备和网络上任意流动,才好学、好看、好懂、好用。
        软件的出现与发展壮大,让世界发生了根本性的改变。其中的关键步骤,是软件让知识载体和思考载体发生了改变——软件成为了知识的最佳载体。

四、软件本质是赋能

        《三体智能革命》书中观点认为,软件是最重要的数字化工具,软件定义是智能化基础中的基础,核心中的核心。结合工信部信软司副司长安筱鹏博士在《软件视角中的未来工业》一文中提出的观点与模型,笔者给出了基于三体互动实现软件赋能的逻辑闭环:物理世界运行(人类意识活动)→运行规律化→规律模型化→模型算法化→算法软件化→代码软件化→软件优化物理世界运行(和人类行为),如图2所示。
        在图2的逻辑闭环中,把人类在长期与物理世界交互过程中所积累的知识进行梳理与归纳,找到物理世界(包括材料、设备等)的运行规律,然后将这些知识数字化,用自动流动的比特数据,把这些知识搭载、输送到任何需要的地方,由此而以正确的、泛在的知识指导机器或人,在系统内外部的不确定性、复杂的工作场景和给定的资源限制下,通过不断重复“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升”的智能过程,把正确的数据,以合适的版本,在恰当的时间,给到正确的人,因此而把事情一次做对,一次做优,甚至可以在下次做得更好。

实现软件赋能的逻辑闭环

图2 实现软件赋能的逻辑闭环

        这个过程,就是软件为事物赋能的过程。无论是机器还是人,都因为软件中的算法和知识的辅助与引导,提高了动能,发挥了潜能,行使了职能,放大了功能。

五、“软件运动”润物细无声

        软件已经悄悄地潜入了我们的生活、嵌入了我们身边的器物。一场“软件运动”已经大范围展开,一场“替代运动”也已经在悄无声息地行动。我们不妨仔细观察我们身边的事物:家中的电器,代步的座驾,随身的手机,车间的设备,实验的仪器,一件一件,都已经开始了软件替代了部分实体零件和相关操作的进程。
        例1:手机(或电脑)上的时钟,已经完全由软件图形界面实现,自动网络授时。我们可以用到准确的数显时间,但是已经找不到任何我们曾经熟悉的“座钟”、“腕表”、“电子表”的零部件的形态。
        例2:汽车的“电子外后视镜”,可利用车后方的一个摄像头采集图像,经过软件做一定的算法和裁剪,将后方路况显示在车内显示屏上,替代了传统的后视镜。显示仪表的指针/刻度,完全由软件实现。
        例3:美国的F22/F35战斗机中用一块大液晶屏替代了过去机舱中各式各样的仪表,用交互性良好的动态折叠菜单替代了成百上千的物理按键。
        例4:在高铁站熙熙攘攘的进站人流旁,数字化闸机(检票机)在发挥着巨大的作用。在一两秒之内,乘客就可以刷票进站,同时,关于乘客的所有信息(起始/终点、身份、车次、总人数等)就都已经统计完成。这在过去的手动检票时代是不可能完成的工作。
        这仅仅是开始。软件进入各行各业特别是工业领域,与各种传统的物理设备相结合,是一个不以人们意志为转移的大趋势。由此,在软件的加速推动下,工业文明将发展到一个前所未有的崭新阶段,促进人类社会走向智能社会。
        20年前,美国学者尼葛洛庞帝在其《数字化生存》一书中说,人类生存于一个虚拟的、数字化的生存活动空间,由此而形成了一个“数字化生存”的观点。其实今天看来,如果能够再具体一点的话,笔者宁愿说人类最后将走向“软件化生存”。未来,使用软件的能力,将是人类一种基本的生存能力,不会用软件可能就缺乏基本的岗位胜任能力甚至是生活能力。这不是一个你要不要、想不想、会不会的问题,而是一个你何时开始学习、何时达到基本要求的问题。

六、小结

        工业体系升级换代,工业文明正在转型。今天的世界是由软件和材料来共同决定的,是以软件的速度来发展的。软件,特别是工业软件,基本上是靠算法和知识来提升和优化物理世界的。软件正在加速工业文明的发展。
        工业软件集成了数百年以来人类最优秀的工业知识和技术积累,并且有千千万万的开发者在不断优化这些数字化知识,任何一个个体所拥有的知识都无法与其抗衡。
        软件已经悄悄地潜入了我们的生活、嵌入了我们身边的器物。一场“软件运动”已经大范围展开,一场“替代运动”也已经在悄无声息地行动。“软件化生存”已经距离我们不远,未来智能社会的关键要素就是无处不在的软件定义、软件知识和软件赋能。