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第一章 软件定义工业新基础

第九节 工业软件技术将给制造业带来巨大颠覆

国网电力科学研究院 王彦金
 

1 引言

        工业软件(Industrial Software)是指在工业领域里应用的软件,包括系统、应用、中间件、嵌入式等。一般来讲工业软件被划分为编程语言、系统软件、应用软件和介于这两者之间的中间件。其中系统软件为计算机使用提供最基本的功能,但是并不针对某一特定应用领域。而应用软件则恰好相反,不同的应用软件根据用户和所服务的领域提供不同的功能。工业软件的发展与人类经历的四次工业革命有关。
        从第一次工业革命到第三次工业革命,机器也经历了从“零件定义机器”到“软件定义机器” 。从机器本身的定义来看,它是由各种金属和非金属部件组装成的装置,消耗能源,可以运转和做功。最初只有带有动力的工具、让零部件运动起来的才能归类为机器,而电子的出现改变了机器定义,没有零部件运动的设备也可以被认为是机器。机器零部件,从百年前的钢铁或金属零件,逐渐变成了电气控制元器件,再变成了模拟电子元器件,再变成数字电子元器件(如芯片),最后变成了由软件来执行部分机器功能的装置。
        现代机器已经脱胎换骨,包含各种新型“零部件”,而软件就是嵌入在金属之中的“思想者”、“统治者”与“定义者”。我们今天所讨论的主题,就聚焦在工业软件。工业软件是在工业领域里应用的各种软件,可以分为机械自动化、生产自动化、企业管理信息化等不同的大门类,也可以按用途分为CAX、ERP、PLM、MES、OA、EB、MRO等。作为新形态的零部件,工业软件发挥了关键作用,在由计算机变形发展出来的各种工控编程器、工业计算机、嵌入式设备、各种测试仪器、医疗仪器、电视、广播、娱乐设备,以及手机、平板电脑、可穿戴设备、VR/AR等各种智能硬件中,软件“体量”从几十行代码到几十万行代码不等,如果没有软件支撑,上述设备无法运行。
        工业4.0时代,每一个产品将承载其整个供应链和生命周期中所需的各种信息,实现追踪溯源。每一个生产设备将由整个生产价值链所继承,实现自律组织生产。智能工厂灵活决定生产过程,不同的生产设备既能够协作生产,又可以各自快速地对外部变化做出反应……归根到底,这些都是软件技术应用的结果。
 

2 工业软件的两个类型

        工业软件是在工业领域里应用的各种软件(图1) 。工业软件大体上分为两个类型:嵌入式软件和非嵌入式软件。嵌入式软件是嵌入在控制器、通信、传感装置之中的采集、控制、通信等软件,非嵌入式软件是装在通用计算机或者工业控制计算机之中的设计、编程、工艺、监控、管理等软件。

工业软件是在工业领域里应用的各种软件

图1 工业软件是在工业领域里应用的各种软件

        一类是植入到硬件产品或生产设备之中的嵌入式软件,它可以细分为操作系统、嵌入式数据库和开发工具、应用软件等,他们被植入硬件产品或生产设备的嵌入式系统之中,达到自动化、智能化的控制、监测、管理各种设备和系统运行的目的,对应工业4.0中生产设备中的应用。
        另一类则是对生产制造进行业务管理的,各种工业领域专用的工程软件。例如,产品生命周期管理系统(PLM),从产品研发、产品设计、产品生产、流通等各个环节对产品全生命周期进行管理;各种计算机辅助设计(CAD)、辅助制造(CAM)、辅助分析(CAE)、辅助工艺(CAPP)、产品数据管理(PDM)等实现生产和管理过程的智能化、网络化管理和控制,对应工业4.0中生产管理中的应用。典型工业非嵌入式软件如图2。
        工业4.0将工业软件提升到了前所未有的高度(图3)。工业4.0将各种工业软件充斥到制造流程之中,从供应链管理、产品设计、生产管理、企业管理等四个维度,提升“物理世界”中的工厂/车间的生产效率,优化生产工程。工业4.0中囊括了PDM(生产数据管理)、SCM(产业链管理)、PLM(产品生命周期管理)、CAD(计算机辅助设计)等软件系统以及数据处理系统,能够将分散的各种信息汇总分析,从而解决产品生命周期的不断缩短、物流交货周期的不断加快以及客户定制要求的多样化的问题,为制造工艺带来决定性的影响。

典型工业非嵌入式软件

图2 典型工业非嵌入式软件

工业软件为工业4.0的核心

图3 工业软件为工业4.0的核心

        如果从任意一个纬度来看工业4.0,都有可能是完全不同的结果。但是,无论从哪个纬度,信息处理的关键点“信息”与物理现象的关键点“网络”之间的连接处都是“工厂/车间”。因此,“信息物理系统”作为实体的操作设备,其作用是对于任何纬度的定位都是对等的,其接续性是特定的前提。
 

3 工业软件技术使智能系统具有五个典型特征

        工业软件技术支撑了绝大部分的生产制造过程。全球正在出现以信息网络、智能制造为代表的新一轮技术创新浪潮。而在这一浪潮中,传统的行业界限将消失,并会产生各种新的领域和业态。创造新价值的过程也因软件系统而发生改变,产业链分工将被重组。这个新型的产业链将使制造业不再仅仅是硬件制造的概念,而将更多地融入软件技术、自动化技术、现代管理技术与新的服务模式。工业软件技术使智能系统具有五个典型特征:
        可以提炼为状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升。

  • 状态感知是能准确感知系统外部工况,如市场、客户、输入的实时运行状态;
  • 实时分析是对获取的实时运行状态数据进行快速、准确的推理与分析;
  • 自主决策是根据数据分析的结果,按照设定的规则,自主做出选择和判断;
  • 精准执行是对外部需求、企业运行状态、研发或生产等做出快速应对;
  • 学习提升是在系统运行和反复执行的过程中,不断通过深度学习而提升系统智能。

        对于基于科学效应而构成的初级智能系统,只需要具备状态感知→自主决策→即刻执行的能力。基于计算内核而构成的恒定智能系统,需要做到状态感知→实时分析→自主决策→精准执行。而基于人工智能而构成开放智能系统,除了状态感知→实时分析→自主决策→精准执行之外,还要能做到不断地学习提升,像AlphaGo一样。
        各种机器、设备、产品或管理系统都是人造系统,实践表明,人造系统正在不断走向智能化(图4)。人造系统走向智能化有三个基本路径:

人造系统正在不断走向智能化

图4 人造系统正在不断走向智能化

        第一,数字化一切可以数字化的事物。基本做法是在物理设备中嵌入数字化计算内核。从研发手段、管理手段、服务手段等环节的数字化,发展到产品、设备本身的数字化。各种芯片、传感器、智能微尘等都形成数字化计算内核(嵌入式系统),把各种芯片、传感器、智能微尘等嵌入式系统,嵌入到设备、产品或管理系统中。
        第二,网联一切可以联接的事物。基本做法是把不同要素以网络形式联接起来。首先是物质(机械,如螺栓、导线)联接,其次是能量(物理场,如传感器、WiFi)联接,然后是信息(数字,如比特)联接,最终是意识(生物场,如意识)联接。在联接范围上,要从局部的、阶段性的信息集成,发展到全企业、全产品生命周期的信息集成。从企业内部的信息(集成)联接,发展到与外部供应商、合作伙伴、客户等的信息联接。从软件和数据之间的(集成)联接,发展到与物理设备之间的联接,让其变身成为可以入网的“终端”。最终发展到人、机、物的全面联接。
        第三,加速知识流动,形成知识泛在。基本做法是把人的思维过程与思考结果沉淀成为知识和算法,知识和算法嵌入芯片,芯片嵌入硬件(嵌入式系统),硬件嵌入物理设备。万物互联,是形成智能的基础与前提。最终形成智能的关键在于数据的有序、自由的流动。数据承载了信息,信息承载了知识,知识触发和形成了智能。当网络无处不在、知识在任何场景下以数字化形式调用(知识泛在)时,则可以形成:用尽可能多的数据流动与尽可能少的成本物耗来满足个性化定制的需求。智能制造的实质,就是快速、高质量、低成本的大批量定制。
 

4 工业软件技术给制造业带来巨大颠覆功能

        工业软件让知识载体和思考载体发生了改变,几只小小的芯片,就可以运行和存储百万行的软件代码。软件成为了知识的最佳载体,把原本需要人思考的过程和使用的知识/数据等都录入了计算机,按照人的思路和意志来进行处理,由此而最大限度地存储和延伸了人类的知识与智能(图5)。

存储和延伸了人类的知识与智能

图5 存储和延伸了人类的知识与智能

        工业软件也重构了知识,形成知识泛在,软件本身就是人类知识的数字化结果,软件中所有的语句、函数、算法,所有的数据的输入与输入的时间与地点的选择,都是人脑思维过程中经常使用到的各种知识的显性表达。软件实际上已经对其所承载的知识,在使用过程中,进行了全方位的重构。重构后的新形态知识,可以藉由互联网而跨越时空来传播使用,并且由此而极大地增值。例如,一组产品设计数据,可能是网络上不同地方的多个团队/多个人协同生成,又被其他地方的多个团队/多个人优化和修改,然后发送到多个工厂去生产,或者发送给某个工作坊去做3D打印。
        工业软件本身也是一个高速发展的领域,从个人软件小程序时代,发展到软件设计时代,再发展到今天的软件工程时代,软件自身在不断进化。其具有不限时空的可编辑性,不可见(隐性)的特点,将工业文明积累的知识、最佳实践、数学成果、思维模式嵌入软件,能让软件具有相对的权威性。图示化的界面使得软件具有良好的交互性,在许可的权限下,任意复制和部署。此外,软件是一个“准智能体”,正在智能化的过程中。
        举一个工业软件关联设计的例子。过去,飞机外形在风洞试验的持续优化过程中,常常需要做一些小幅度的外形更改调整,引发内部所有有关联的结构件跟着改变。手工修改,非常麻烦。解决方案就是关联设计:通过定义飞机设计总体参数及传递上下游和各专业之间接口关系的骨架模型,实现设计信息的有效传递和控制。飞机外形一变,引发骨架模型的相应变更,设计软件基于特定算法,可以自动检测到装配关系上不匹配的零部件,并经过分析计算之后,做出自适应的更改,自动引导大约60%以上的相关结构件的自动变化,这就是一种典型的智能设计。
        工业软件也为机器设备增值,机器发展到今天,包括以智能硬件形式存在的机器,没有软件,就是哑设备、笨设备,就无法工作。机器的价值,从衡量零部件的多少与精度,发展到同时衡量电路的多少与灵敏度,再发展到衡量芯片的多少,今天发展到衡量软件代码的多少与可靠度。同样体积、重量的机器,已经比过去多了千百倍的知识含量,大大提高了现代机器的价值。机器中软件含量越高,机器的价值越高,改动几行代码,就可以改变机器的功能。机器也在走向智能化的路途中。
        工业软件还为管理过程增值,软件将企业的管理制度、作业规范、质量细则都嵌入了软件本身。比如质量阶段前移,极大地提高了产品质量,管理规范严格,极大地扩展了管理的广度与深度。软件使得管理模式上发生了根本性的变化,从以人管人,变成了用软件中的制度管人。软件管理了过去无法管理的很多企业行政事务。
        当然,由于自身限制,工业软件也是优缺点并存的。容易部署,也容易被复制;容易进入,也容易被破解;容易编辑,也容易被感染;容易运行,也容易被干扰。开发过程长,属于高智力工作(募集人才不易),需要进行测试、维护、升级等。多数、多类软件的知识产权不掌握在中国企业。如果以发展演进的观点看待工业软件,现在的工业软件还相当不智能,亟待转型与升级。工业软件在技术模式与商业模式上并非是最先进模式,软件厂商应该向智能服务供应商转型。
 

5 小结

        从软件定义产品到软件定义制造,产品已从单一孤立转向交互联网,产品生产因个性化、小批量需求,需要制造企业具备从产品设计到材料选配、供应,从生产控制到客群定位更为高效、灵活的软件和信息技术支撑平台。相应的,工业软件企业也在致力于提供针对性的平台化服务能力。
        工业4.0将工业软件提升到了前所未有的高度。工业软件技术将给制造业带来巨大颠覆,各种工业软件充斥到制造流程之中,从供应链管理、产品设计、生产管理、企业管理等四个维度,提升“物理世界”中的工厂/车间的生产效率,优化生产工程。