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導讀：2023年10月28日，由中國自動化學會主辦的2023國家工業(yè)軟件大會在浙江湖州盛大開幕。大會以“工業(yè)軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國內(nèi)外院士，1500余位代表，共同探討工業(yè)軟件領(lǐng)域前沿理論和技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用問題，共同謀劃我國工業(yè)軟件未來發(fā)展之道。
清華大學國家CIMS工程中心工程部主任趙驥受邀在2023國家工業(yè)軟件大會中作題為“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的工業(yè)軟件——工業(yè)互聯(lián)數(shù)據(jù)鏈”的專題報告。報告介紹了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的到來產(chǎn)生了新的條件，工業(yè)環(huán)境、信息條件已經(jīng)和70年代工業(yè)軟件誕生時有非常大的不同，因此中國應(yīng)該也可以走出不同的道路。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠是互聯(lián)網(wǎng)滲透至制造金字塔內(nèi)部，企業(yè)可以在較小的粒度上進行工業(yè)要素的重組、格式化，進行“精打細算”，并從一個企業(yè)內(nèi)部延展到全供應(yīng)鏈，重新配置工業(yè)全要素。工業(yè)互聯(lián)數(shù)據(jù)鏈作為新的工業(yè)軟件體系的一部分，能夠支撐互聯(lián)網(wǎng)化的工廠，如同一個隱形的管理者，它會持續(xù)收集數(shù)據(jù)和配置工業(yè)要素，集反饋、控制、優(yōu)化于一體，實現(xiàn)柔性、敏捷化制造，對全供應(yīng)鏈的運營過程進行持續(xù)的優(yōu)化。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的工業(yè)軟件——工業(yè)互聯(lián)數(shù)據(jù)鏈
智能工廠的設(shè)計涵蓋了從概念數(shù)字化、互聯(lián)化支撐的整體建筑，延伸至底層自動化、無人化設(shè)備，以及上層涉及的軟件應(yīng)用，包括智能設(shè)計、智能生產(chǎn)、供應(yīng)鏈、預(yù)算管理和決策支持等方面。就工業(yè)軟件而言，國外領(lǐng)先的數(shù)字化企業(yè)通常使用數(shù)以萬計的軟件，而國內(nèi)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，較好的數(shù)字化企業(yè)使用的軟件超過2000種，其中核心軟件約有五六百種，其他稍遜一籌的企業(yè)也至少使用了數(shù)百種軟件。這么多軟件的使用帶來了極大的開支，涉及到巨額費用支出，對軟件功能的充分利用程度、以及智能化大廈構(gòu)建的體系梳理、冗余情況的評估和成本效益的分析都至關(guān)重要。在企業(yè)角度來看，如何確保軟件投入的成本抵消產(chǎn)品銷售的成本，維護費用是否值得支出，成為了非常現(xiàn)實的挑戰(zhàn)。
一、關(guān)于工業(yè)軟件的思考
軟件在工業(yè)中的本質(zhì)是將那些傳統(tǒng)手段難以解決的難題或問題交給計算機系統(tǒng)來處理，如圖1所示。無論是復(fù)雜的由多個服務(wù)器構(gòu)成的系統(tǒng)，還是嵌入式系統(tǒng)中的微小單元，都需要依靠計算機來完成任務(wù)。關(guān)鍵在于深入理解這些問題，因為如果不能理解工業(yè)問題，便無法通過軟件解決這些難題。盡管工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)近年備受關(guān)注，但實際效果卻并不十分理想。因此，首要任務(wù)是充分了解工業(yè)問題，并將其轉(zhuǎn)化為可計算的問題。這種轉(zhuǎn)化通常需要模型化，也就是將問題簡化為可處理的形式。在科學研究中，特別是在處理工程問題時，需要優(yōu)先考慮問題的簡化。盡管在研究和論文寫作中我們通常會盡可能全面、復(fù)雜地考慮問題，以確保不會遺漏任何細節(jié)，但在解決工廠和工程領(lǐng)域的問題時，必須將問題簡化，以便更好地建立模型。
圖1 工業(yè)軟件本質(zhì)
模型簡化之后，需要用數(shù)學方式進行表達。由于最終任務(wù)交給計算機系統(tǒng)處理，計算機是用于計算的工具，因此應(yīng)考慮將問題轉(zhuǎn)化為算法以便計算機能夠處理。這樣做就是為了開發(fā)算法，并將其轉(zhuǎn)化為算法軟件，從而解決工業(yè)軟件所面臨的問題。
工業(yè)軟件的應(yīng)用從上世紀70年代開始逐漸走向規(guī)模化應(yīng)用。現(xiàn)今工業(yè)軟件種類繁多，深度數(shù)字化的企業(yè)使用數(shù)量達到上萬種，而國內(nèi)企業(yè)則在幾千種或者幾百種范圍內(nèi)，如圖2所示。據(jù)分類顯示，工業(yè)軟件可分為600多個類別，涵蓋了嵌入式、流程管理和工具類軟件等多個領(lǐng)域。回顧上世紀70至80年代的信息環(huán)境，當時工業(yè)軟件的產(chǎn)生和應(yīng)用情況有所不同。以當今廣泛使用的企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）系統(tǒng)為例，早期部署ERP時，很多單位可能僅使用幾臺計算機構(gòu)建的系統(tǒng)。當時的信息環(huán)境與現(xiàn)在已經(jīng)大相徑庭。例如，ERP管理系統(tǒng)除了計算物料需求等核心計算之外，大量的功能體現(xiàn)在處理表單和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，當時僅能通過計算機系統(tǒng)來實現(xiàn)表單流轉(zhuǎn)等工作。除了表單流轉(zhuǎn)，模型技術(shù)也是當時的重要組成部分。而如今的信息環(huán)境則發(fā)生了翻天覆地的變化。隨著互聯(lián)網(wǎng)的興起，信息環(huán)境發(fā)生了翻天覆地的變化。通過微信、釘釘?shù)裙ぞ撸S多事務(wù)已經(jīng)能夠通過網(wǎng)絡(luò)解決，信息環(huán)境已經(jīng)能夠解決過去工業(yè)軟件所需解決的問題。
圖2 工業(yè)軟件
工業(yè)軟件用戶的忠誠度極高，一旦用戶拋棄某個系統(tǒng)，將面臨巨大挑戰(zhàn)。在國產(chǎn)軟件替代外國系統(tǒng)時，必須認真考慮外國系統(tǒng)已深入應(yīng)用的情況，即使功能類似，國產(chǎn)軟件是否能成功替代也是需要深思的問題。互聯(lián)網(wǎng)對社會帶來了深刻改變，重新定義了原本呈體系的事物，并將信息分割重組成中樞樞紐。這種轉(zhuǎn)變通過算法驅(qū)動著每個人的行為，工業(yè)體系也面臨類似的挑戰(zhàn)。
二、未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的影響
互聯(lián)網(wǎng)對商業(yè)、產(chǎn)品和生產(chǎn)維度的影響呈現(xiàn)出不同程度的差異，其中商業(yè)領(lǐng)域受到的改變最為顯著，如圖3所示。然而，在內(nèi)部方面，特別是工廠內(nèi)部的制造金字塔體系，變化相對較少。盡管近年來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)場部署的軟件遷移到在線平臺上，但實際效果并不盡如人意。精益生產(chǎn)在企業(yè)和工廠中被廣泛采用，它可以解決浪費和懶惰所帶來的諸多問題。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深度應(yīng)用，特別是深入到生產(chǎn)運營的核心，可以借助各種平臺算法重新組合工業(yè)要素，從而實現(xiàn)更精細化的運營過程。企業(yè)生存的核心在于追求利潤，數(shù)字化技術(shù)通常不能直接帶來收益，而常常需要投入資金。數(shù)字化手段、智能化技術(shù)和新興技術(shù)能夠以更高效的方式來降低浪費，實現(xiàn)精益生產(chǎn)理念中的精益化。
圖3 工業(yè)軟件影響
在互聯(lián)網(wǎng)的推動下，工業(yè)要素被解構(gòu)，人員和設(shè)備實現(xiàn)全面連接。工廠內(nèi)的各種設(shè)備、工具、模型和軟件都實現(xiàn)了全面連接和重新組合。這種系統(tǒng)具有動態(tài)性，可以動態(tài)地添加、移除或柔性地調(diào)整其構(gòu)成部分。例如，當訂單發(fā)生變化或生產(chǎn)需要應(yīng)對突發(fā)訂單時，基于互聯(lián)網(wǎng)平臺和算法驅(qū)動的生產(chǎn)組織能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的調(diào)整。
全連接的系統(tǒng)通常需要松耦合的結(jié)構(gòu)，因為如果系統(tǒng)緊密耦合，無法處理龐大的連接數(shù)量，如圖4所示。為解決這一問題，首先需要解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與現(xiàn)有工業(yè)體系之間的適配問題。這涉及到科學、技術(shù)和工程問題，其中工程問題可能占據(jù)更大比重。其次，當工業(yè)全要素接入后，當前智能工廠基本上實現(xiàn)了全連接。當整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系接入互聯(lián)網(wǎng)平臺時，工廠設(shè)備制造系統(tǒng)等各要素共同構(gòu)成了所謂的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)，此時系統(tǒng)的連接關(guān)系和結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜，如何有效解決這些復(fù)雜關(guān)系是一個關(guān)鍵問題。
圖4 動態(tài)實時變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
在信息角度上，為實現(xiàn)工業(yè)要素內(nèi)的動態(tài)加入和退出，必須建立動態(tài)路由機制。這種機制可以通過聯(lián)邦系統(tǒng)的方式來實現(xiàn)，類似于人與人之間通過微信等工具進行交互的方式。這種系統(tǒng)實際上相當于定義了一個工業(yè)群，其中包括工業(yè)要素的設(shè)備、工具、物料等等。工業(yè)要素在這個工業(yè)群中，可以定義其交互和信息傳輸?shù)姆绞健Ｔ谌B接系統(tǒng)中，去中心化的特點可能導致系統(tǒng)存在弱點。對于大量信息交互的全連接工業(yè)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)崩潰是不可接受的。因此，解決系統(tǒng)脆弱性問題至關(guān)重要。我們可以通過一些方法，例如使用SEC（安全、效率、成本）評估來評估系統(tǒng)的脆弱性，從而尋求解決方案。
三、工業(yè)互聯(lián)數(shù)據(jù)鏈及其應(yīng)用
基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)松耦合體系構(gòu)建的工業(yè)互聯(lián)數(shù)據(jù)鏈及應(yīng)用（CIMS-link）可以被視為類似于微信群的系統(tǒng)，用于工業(yè)要素、設(shè)備和物料的信息交互，如圖5所示。這個系統(tǒng)具備動態(tài)加入和配置的能力，支持數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱、QOS管理以及柔性配置，以實現(xiàn)要素數(shù)據(jù)的及時交換。CIMS-link作為工業(yè)互聯(lián)數(shù)據(jù)鏈，強調(diào)數(shù)據(jù)的交互，但在這種交互中，時間概念被納入考量。通過時間管理，這種系統(tǒng)促使不僅僅是數(shù)據(jù)的交換，更是系統(tǒng)間的相互協(xié)同運行，特別適用于多學科、多領(lǐng)域的聯(lián)合計算。
圖5 工業(yè)互聯(lián)數(shù)據(jù)鏈
在航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生應(yīng)用用于復(fù)雜裝配體系的設(shè)計和驗證，保證在狹窄空間中進行準確、無誤和高效的裝配，通常需要通過數(shù)字模擬來預(yù)先驗證裝配方案，如圖6所示。這個過程涉及多種模型和大量的傳感器數(shù)據(jù)，包括機器人狀態(tài)、產(chǎn)品狀態(tài)等等。工業(yè)互聯(lián)數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用可幫助處理這些數(shù)據(jù)，確保其及時、可靠地傳輸，支持系統(tǒng)的實時監(jiān)控和反饋，以優(yōu)化裝配流程和提高效率。這種技術(shù)能夠使得在數(shù)字空間中進行模擬和驗證，然后將經(jīng)過驗證的方案傳輸?shù)轿锢硌b配線上，確保裝配的精準性和高效性。
圖6 CPS環(huán)境下工業(yè)機器人智能裝配平臺
圖7是針對某研究院的虛實聯(lián)動平臺項目。右邊是一條設(shè)備線，通過建立虛擬模型和數(shù)據(jù)空間，多個相同設(shè)備的虛擬模型和物理模型之間互相交互、共享數(shù)據(jù)。在這個系統(tǒng)中，關(guān)鍵問題是如何對齊虛擬狀態(tài)和物理狀態(tài)的數(shù)據(jù)，以及在面對一些不確定性因素時，如何驗證調(diào)度算法。該項目經(jīng)歷了兩個階段的開發(fā)，第一階段從2013年開始，現(xiàn)已連續(xù)進行了10年。
圖7 虛實聯(lián)動平臺
圖8是開發(fā)的自動駕駛分布式聯(lián)合仿真平臺項目，該平臺涉及車輛在道路上行駛時的阻力計算、車輛與路面摩擦計算以及車輛之間的協(xié)同行駛。這包括即時計算和數(shù)據(jù)傳輸，涉及多個學科的協(xié)同計算。我們通過該平臺完成了相關(guān)工作，以實現(xiàn)車輛在道路上的自主運行，并解決了車輛距離以及與路沿的關(guān)系等多個方面的挑戰(zhàn)。
圖8 自動駕駛分布式聯(lián)合仿真平臺
當下，制造業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)。工業(yè)體系的建立一直是基于物質(zhì)短缺的理念，然而隨著慣性生產(chǎn)的發(fā)展，我們面臨著一系列實踐中的問題，盡管表面上看起來是技術(shù)問題、工程問題，但實質(zhì)上是理論的匱乏。在生產(chǎn)領(lǐng)域，以往基于封閉工業(yè)體系理論的規(guī)模化生產(chǎn)模式已經(jīng)不再適用。工業(yè)軟件的發(fā)展建立在工業(yè)知識的基礎(chǔ)上，將工業(yè)知識轉(zhuǎn)化為算法和軟件，運行在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上，能找到解決現(xiàn)實工業(yè)領(lǐng)域問題的路徑。
*本文根據(jù)作者在2023國家工業(yè)軟件大會上所作報告速記整理而成
