導讀：2023年10月28日，由中國自動化學會主辦的2023國家工業軟件大會在浙江湖州盛大開幕。大會以“工業軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國內外院士，1500余位代表，共同探討工業軟件領域前沿理論和技術創新應用問題，共同謀劃我國工業軟件未來發展之道。
清華大學國家CIMS工程中心工程部主任趙驥受邀在2023國家工業軟件大會中作題為“工業互聯網時代的工業軟件——工業互聯數據鏈”的專題報告。報告介紹了工業互聯網時代的到來產生了新的條件，工業環境、信息條件已經和70年代工業軟件誕生時有非常大的不同，因此中國應該也可以走出不同的道路。工業互聯網工廠是互聯網滲透至制造金字塔內部，企業可以在較小的粒度上進行工業要素的重組、格式化，進行“精打細算”，并從一個企業內部延展到全供應鏈，重新配置工業全要素。工業互聯數據鏈作為新的工業軟件體系的一部分，能夠支撐互聯網化的工廠，如同一個隱形的管理者，它會持續收集數據和配置工業要素，集反饋、控制、優化于一體，實現柔性、敏捷化制造，對全供應鏈的運營過程進行持續的優化。
工業互聯網時代的工業軟件——工業互聯數據鏈
智能工廠的設計涵蓋了從概念數字化、互聯化支撐的整體建筑，延伸至底層自動化、無人化設備，以及上層涉及的軟件應用，包括智能設計、智能生產、供應鏈、預算管理和決策支持等方面。就工業軟件而言，國外領先的數字化企業通常使用數以萬計的軟件，而國內調查發現，較好的數字化企業使用的軟件超過2000種，其中核心軟件約有五六百種，其他稍遜一籌的企業也至少使用了數百種軟件。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、以及智能化大廈構建的體系梳理、冗余情況的評估和成本效益的分析都至關重要。在企業角度來看，如何確保軟件投入的成本抵消產品銷售的成本，維護費用是否值得支出，成為了非常現實的挑戰。
一、關于工業軟件的思考
軟件在工業中的本質是將那些傳統手段難以解決的難題或問題交給計算機系統來處理，如圖1所示。無論是復雜的由多個服務器構成的系統，還是嵌入式系統中的微小單元，都需要依靠計算機來完成任務。關鍵在于深入理解這些問題，因為如果不能理解工業問題，便無法通過軟件解決這些難題。盡管工業互聯網近年備受關注，但實際效果卻并不十分理想。因此，首要任務是充分了解工業問題，并將其轉化為可計算的問題。這種轉化通常需要模型化，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、復雜地考慮問題，以確保不會遺漏任何細節，但在解決工廠和工程領域的問題時，必須將問題簡化，以便更好地建立模型。
圖1 工業軟件本質
模型簡化之后，需要用數學方式進行表達。由于最終任務交給計算機系統處理，計算機是用于計算的工具，因此應考慮將問題轉化為算法以便計算機能夠處理。這樣做就是為了開發算法，并將其轉化為算法軟件，從而解決工業軟件所面臨的問題。
工業軟件的應用從上世紀70年代開始逐漸走向規模化應用。現今工業軟件種類繁多，深度數字化的企業使用數量達到上萬種，而國內企業則在幾千種或者幾百種范圍內，如圖2所示。據分類顯示，工業軟件可分為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域。回顧上世紀70至80年代的信息環境，當時工業軟件的產生和應用情況有所不同。以當今廣泛使用的企業資源規劃（ERP）系統為例，早期部署ERP時，很多單位可能僅使用幾臺計算機構建的系統。當時的信息環境與現在已經大相徑庭。例如，ERP管理系統除了計算物料需求等核心計算之外，大量的功能體現在處理表單和數據流轉，當時僅能通過計算機系統來實現表單流轉等工作。除了表單流轉，模型技術也是當時的重要組成部分。而如今的信息環境則發生了翻天覆地的變化。隨著互聯網的興起，信息環境發生了翻天覆地的變化。通過微信、釘釘等工具，許多事務已經能夠通過網絡解決，信息環境已經能夠解決過去工業軟件所需解決的問題。
圖2 工業軟件
工業軟件用戶的忠誠度極高，一旦用戶拋棄某個系統，將面臨巨大挑戰。在國產軟件替代外國系統時，必須認真考慮外國系統已深入應用的情況，即使功能類似，國產軟件是否能成功替代也是需要深思的問題。互聯網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。這種轉變通過算法驅動著每個人的行為，工業體系也面臨類似的挑戰。
二、未來工業互聯網的影響
互聯網對商業、產品和生產維度的影響呈現出不同程度的差異，其中商業領域受到的改變最為顯著，如圖3所示。然而，在內部方面，特別是工廠內部的制造金字塔體系，變化相對較少。盡管近年來工業互聯網將現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。精益生產在企業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。通過工業互聯網的深度應用，特別是深入到生產運營的核心，可以借助各種平臺算法重新組合工業要素，從而實現更精細化的運營過程。企業生存的核心在于追求利潤，數字化技術通常不能直接帶來收益，而常常需要投入資金。數字化手段、智能化技術和新興技術能夠以更高效的方式來降低浪費，實現精益生產理念中的精益化。
圖3 工業軟件影響
在互聯網的推動下，工業要素被解構，人員和設備實現全面連接。工廠內的各種設備、工具、模型和軟件都實現了全面連接和重新組合。這種系統具有動態性，可以動態地添加、移除或柔性地調整其構成部分。例如，當訂單發生變化或生產需要應對突發訂單時，基于互聯網平臺和算法驅動的生產組織能夠實現靈活的調整。
全連接的系統通常需要松耦合的結構，因為如果系統緊密耦合，無法處理龐大的連接數量，如圖4所示。為解決這一問題，首先需要解決工業互聯網平臺與現有工業體系之間的適配問題。這涉及到科學、技術和工程問題，其中工程問題可能占據更大比重。其次，當工業全要素接入后，當前智能工廠基本上實現了全連接。當整個工業互聯網體系接入互聯網平臺時，工廠設備制造系統等各要素共同構成了所謂的工業互聯網互聯系統，此時系統的連接關系和結構相當復雜，如何有效解決這些復雜關系是一個關鍵問題。
圖4 動態實時變結構系統
在信息角度上，為實現工業要素內的動態加入和退出，必須建立動態路由機制。這種機制可以通過聯邦系統的方式來實現，類似于人與人之間通過微信等工具進行交互的方式。這種系統實際上相當于定義了一個工業群，其中包括工業要素的設備、工具、物料等等。工業要素在這個工業群中，可以定義其交互和信息傳輸的方式。在全連接系統中，去中心化的特點可能導致系統存在弱點。對于大量信息交互的全連接工業系統而言，系統崩潰是不可接受的。因此，解決系統脆弱性問題至關重要。我們可以通過一些方法，例如使用SEC（安全、效率、成本）評估來評估系統的脆弱性，從而尋求解決方案。
三、工業互聯數據鏈及其應用
基于工業互聯網松耦合體系構建的工業互聯數據鏈及應用（CIMS-link）可以被視為類似于微信群的系統，用于工業要素、設備和物料的信息交互，如圖5所示。這個系統具備動態加入和配置的能力，支持數據發布訂閱、QOS管理以及柔性配置，以實現要素數據的及時交換。CIMS-link作為工業互聯數據鏈，強調數據的交互，但在這種交互中，時間概念被納入考量。通過時間管理，這種系統促使不僅僅是數據的交換，更是系統間的相互協同運行，特別適用于多學科、多領域的聯合計算。
圖5 工業互聯數據鏈
在航天領域，數字孿生應用用于復雜裝配體系的設計和驗證，保證在狹窄空間中進行準確、無誤和高效的裝配，通常需要通過數字模擬來預先驗證裝配方案，如圖6所示。這個過程涉及多種模型和大量的傳感器數據，包括機器人狀態、產品狀態等等。工業互聯數據鏈的應用可幫助處理這些數據，確保其及時、可靠地傳輸，支持系統的實時監控和反饋，以優化裝配流程和提高效率。這種技術能夠使得在數字空間中進行模擬和驗證，然后將經過驗證的方案傳輸到物理裝配線上，確保裝配的精準性和高效性。
圖6 CPS環境下工業機器人智能裝配平臺
圖7是針對某研究院的虛實聯動平臺項目。右邊是一條設備線，通過建立虛擬模型和數據空間，多個相同設備的虛擬模型和物理模型之間互相交互、共享數據。在這個系統中，關鍵問題是如何對齊虛擬狀態和物理狀態的數據，以及在面對一些不確定性因素時，如何驗證調度算法。該項目經歷了兩個階段的開發，第一階段從2013年開始，現已連續進行了10年。
圖7 虛實聯動平臺
圖8是開發的自動駕駛分布式聯合仿真平臺項目，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同行駛。這包括即時計算和數據傳輸，涉及多個學科的協同計算。我們通過該平臺完成了相關工作，以實現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系等多個方面的挑戰。
圖8 自動駕駛分布式聯合仿真平臺
當下，制造業面臨巨大挑戰。工業體系的建立一直是基于物質短缺的理念，然而隨著慣性生產的發展，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問題、工程問題，但實質上是理論的匱乏。在生產領域，以往基于封閉工業體系理論的規模化生產模式已經不再適用。工業軟件的發展建立在工業知識的基礎上，將工業知識轉化為算法和軟件，運行在工業互聯網上，能找到解決現實工業領域問題的路徑。
*本文根據作者在2023國家工業軟件大會上所作報告速記整理而成
