如何重新定义工业软件？7588.pdf

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1、如何重新定义工业软件？软件、硬件与物理设备的有机结合与互相依托，缺一不可。提倡“软件定义制造”并不意味着用户必须淘汰现有的物理设备。不带有任何工业要素的、纯粹 IT 概念的“软件定义”，并不完全符合工业软件的真实含义，也无法确切描述工业软件所形成的软件定义的真实内涵。因此，工业界必须与时俱进，重新定义工业软件。从对工业的准确认识谈起，工业（Industry）是指采集原料，并把它们加工成产品的工作和过程。关于工业的分类是一个比较复杂的过程。大致上，可以按照产品体量分为重工业、轻工业。在国家统计局编制的中国统计年鉴中对重工业（含化工）的定义是：为国民经济各部门提供物质技术基础的主要生产资料的工业。

2、对轻工业的定义是：主要提供生活消费品和制作手工工具的工业。当然也可以在重工业中把化学工业分出来，变成重、化、轻的划分。甚至，在工业革命不断发展的前提下，包含了信息技术、生物技术、新材料技术的“高新工业”，也已经登堂入室，成为工业中的重要组成部分。但目前还没有在官方文件中看到这个划分方式。无论是传统的“重/轻、重/化/轻”，还是未来的“重/化/轻/高”，都可以说以相对简单的方式，明确了工业范畴与内涵的划分，并确定了一个基本范畴。至于不同范畴工业要素之间的交叉与融合，则可以暂不讨论，让工业本身的发展、进化与创新，去给出最终结果。在上述工业范畴划分中，重工业（含化工）包含了采掘（伐）工业、原材料工业

3、、能源工业、加工工业。如果把“提供生活消费品和制作手工工具”的轻工业也算作制造业的话，国内几个互联网“百科”都是这样定义制造业的：制造业是指机械工业时代对制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等），按照市场要求，通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的大型工具、工业品与生活消费产品的行业。通过上述比较可以看出，在重工业（含化工）里有采掘（伐）工业、原材料工业和能源工业，而在制造业（含轻工）中通常不包括这三个工业领域。因此，整个工业的范畴至少包含了制造、采掘（伐）、原材料和能源四大行业，或者说，工业由制造、采掘（伐）、原材料和能源这四大行业组成。制造业是工业的一个重要子集。工业

4、不仅包含了制造业，也囊括了其他三大行业。如果讨论工业软件时，以“制造业信息化软件”来指代工业软件，显然是缺失了很多内容。如 CAD、CAE、CAM、CAT、CAPP 等工具软件，PDM/PLM、ERP、MES、MRO 等多种用途的管理软件，包括比较小众的计算机辅助测试（CAT）、计算机辅助创新（CAI）、逆向工程（RE）等软件，基本上都可划归为“制造业信息化软件”，并不完全代表“工业信息化软件”或“工业软件”，因为这些软件的用户大都是制造业用户。综合考虑工业软件的范畴、运行环境、作用机理和未来发展潜力，有必要重新释义工业软件。从目的上来说，所有用于工业过程的软件都应该称作工业软件。不限于制造业

5、，包括能源（水电、煤电、核电、风电、光伏、燃气等）、原材料、采掘等领域的软件都是工业软件。从内容上来说，工业知识是工业软件的核心内容，工业软件是工业技术/知识的最佳容器。没有工业技术/知识的积累，就没有工业软件。从运行环境上来说，工业软件并不是一个纯粹的二进制数字虚体，它必须生存、运行在芯片中，通过代码指示芯片进行一系列开关操作，来控制电脑硬件（如显示器）发挥应有的作用。从作用机理上来说，工业软件从“开环”发展到“闭环”，可以直接输出控制指令作用于物理系统，以真正两化融合的方式形成 CPS，体现软件赋能之后的“机器智能”。从装备结构上来说，工业软件已经是工业品的一部分，是工业装备中的“软装备”

6、，有必要单独列装，并着重进行战略规划。从产品价值上来说，工业软件大大提升了工业品价值。总体上，有内置软件的工业品比没有软件的附加值高，软件代码越多的工业品附加值越高，软件算法越好的工业品附加值越高。从发展潜力上说，软件是算法发展的沃土，算法是软件的一个深藏巨大潜力的变量。使用普通算法即普通软件，植入人工智能算法即人工智能软件。因 此 无 论 是 智 数 制 造（DM-DigitalManufacturing）、智 巧 制 造（SM-SmartManufacturing），还 是 基 于 新 一 代 人 工 智 能 的 智 能 制 造（IM-IntelligentManufacturing），其

7、发展关键皆在于工业软件。综上所述，工业软件是以工业知识为核心、以 CPS 形式运行、为工业品带来高附加值的、用于工业过程的所有软件的总称。近几年，国外也开始出现工业软件的定义：“工业软件是一种可以帮助人们在工业规模上收集、操作和管理信息的应用程序、过程、方法和功能的集合。工业软件的使用者包括运营、制造、设计、建筑、采矿、纺织厂、化工、食品加工等行业用户及其服务提供商。”工业软件全面赋能研发生产 工业软件的应用已经全面覆盖、渗透到了全生命周期中的产品研发、生产、使用维护，甚至是报废等环节。以一个自行车前轴为例，仅仅做自行车前轴数字化研制过程的某些仿真分析验证，就需要十几个工业软件和相关的材料数据

8、库、环境数据库等才能完成。看得见的是产品的结构与表面，看不见的是产品的微观结构与材料属性，这才是产品研发能够展现真功夫的地方。如果是自行车整车的研发，或许就需要几十个乃至上百个工业软件，那复杂产品的研制过程，可能就需要数百个乃至几千个软件了。可以说，在产品竞争白热化的今天，如果没有软件定义，复杂产品的研制将难上加难。各种形式的复杂工业系统，其核心使能技术是工业软件。过去，连接工具、系统、设备等“工业躯体”的是管道、电线、触发器、连接件、支撑件和紧固件等物理组件，而今天，起到联接作用的是已经成为“工业神经”和“工业魂”的工业软件。近十多年来，软件大举进入了机器，成为机器中的“软零件”“软装备”，

9、进而成为机器的大脑和神经，主宰了机器世界的运行逻辑。同时，开发任何复杂产品，都已经离不开软件手段的支撑，例如没有计算机辅助工程（CAE）软件，诸如飞机、卫星、航母、高铁等复杂产品根本开发不出来。研发缺软件难出精品 对于现今的产品，考虑其结构复杂程度、技术复杂程度以及产品更新换代的迭代速度，如果离开各类工业软件的辅助开发，仅依靠人力基本不可实现最终的研发任务。因此，基于软件的研发手段实现产品开发，已经成为工业领域的常态。基于软件的研发手段实现产品开发和传统产品开发的最大区别，就是改模拟量传递为数字量传递，把串行工作模式变为并行工作模式。其带来的必然结果是缩短产品研制周期，提高产品质量，降低研制成

10、本，给客户呈现精品。在飞机制造领域，早年是“以图纸为基础、以样机为驱动”的串行研发模式。极其复杂的飞机结构设计，是由千千万万的设计工程师们一笔一画地手工绘制出来的。设计师绘制图纸需要手持铅笔和 T 形尺，或坐或站，甚至趴着来绘制超大幅面的飞机装配图或大部件图纸。不仅工作十分辛苦，而且精心绘制的图纸还会包含很多当时难以发现的隐性设计错误，而这些隐性错误要等到试制飞机零件/部件，甚至要等到组装整机时才能被发现，因此，尺寸差、结构件无法正常对接等问题层出不穷。反反复复的迭代修改，造成飞机研制周期很长，通常需要 810 年。基于三维计算机辅助设计软件（3DCAD）的数字化设计，彻底改变了飞机的设计过程

11、。基于 CAD 的三维数字化技术让飞机研发过程逐渐演变到“以模型为基础、以仿真为驱动”的并行研发过程。生产缺软件产线难以运作 美国国家标准与技术研究院（NIST）在其提出的“智能制造生态系统”模型中，把 MES（现在称 MOM）放在了“智能制造金字塔”的重要位置上。MES 是 ERP 等上游系统与 DNC/MDC 等下游系统之间的桥梁，MES 强调控制、协调和执行，使企业信息化系统不仅有良好的计划系统，而且能使生产计划落到实处。MES 可将 ERP 的主生产计划按照车间设备、人员、物料等实际情况，分解成每一工序、每一设备、每一分钟的车间工序级计划，使企业生产管理数字化、生产过程协同化、决策支持

12、智能化，促进精益生产落地及企业转型升级。功 能 完 善 的MES软 件 应 该 包 含 高 级 计 划 与 排 程（AdvancedPlanningandScheduling，APS），这是一个企业生产制造中必不可少的软件。在离散制造业，APS 是 MES 的核心模块，只有通过 APS 才能使 MES中的计划更精确、科学，才能使 MES 流畅地运行起来。车间级的详细排产，是在对生产过程知识高度抽象的基础上，基于各种优化算法，在车间生产资源与能力约束的基础上，比如原材料、加工能力、交付期、工装等各种约束条件下，通过先进的算法（如神经网络算法、遗传算法、模拟退火算法等）以及优化、模拟技术，从各种可

13、行方案中选出一套最优方案生成详细生产计划，从而帮助车间对生产任务进行精细而科学的计划、执行、分析、优化和决策管理。一套成熟的 APS 系统中，蕴含着大量的制造业与算法技术等隐性知识，可以很好地帮助制造企业进行科学化、智能化的计划排产，是实现车间生产计划精细化、准确化的有效手段，是实现整个生产过程智能化的前提。APS 根据 MES 软件的计划，基于车间现有设备有限能力进行工序级任务排产，可很好地解决在多品种、小批量生产模式多约束条件下的复杂生产计划排产问题，便于进一步优化生产安排，实现负荷均衡化生产。没有车间的 MES/APS 软件所定义的设备能力、最优生产计划和生产质量管理等内容，所有的机床、

14、生产线等制造设备，不可能按照给定的计划来组织有序、高效的生产，甚至会陷于混乱和瘫痪状态。管理缺软件执行不力 工业中用到的管理软件有很多，是一个十分庞大的体系。仅仅在制造业领域，较为常用的有管理产品生命周期的 PLM 软件、管理企业资源规划的 ERP软件、管理供应链的 SCM 软件、管理产品维修与维护的 MRO 软件、管理设备生产运营的软件、管理试验设备和试验过程的软件，甚至包括管理软件开发过程与代码的软件等。这些不同的软件之间，在功能上也有一定的重叠和嵌套，如PLM 软件中就包含了某些 ERP 和 MRO 的功能。下面以企业较为常用的 ERP 软件为例，来说明软件如何定义研发、生产与运维的管理

15、。ERP 软件经历了一个长期的发展过程，从物料需求计划（MRP），到制造资源计划（MRP），到今天的企业资源计划（ERP），都紧紧围绕一个“P（计划）”字来发展和提升P 即整个供应链的计划。从需求计划（DP）、主生产计划（MPS）、粗能力计划（RCCP）、物料需求计划（MRP）、能力需求计划（CRP）到车间作业的准时（JIT）生产计划，P 将用户需求转换成产品生产计划，零部件和物料的采购、外协、生产计划，再到车间工序级的计划，形成一个动态闭环的供应链计划体系。ERP 中的 MRP 改变了传统人工以产品为对象的台套计划方式，它按照每一种物料的提前期、批量政策编制这些物料的采购计划、外协计划和车间

16、生产计划，因此它能最大限度地缩短物料的采购提前期和生产周期，降低库存和在制品资金占用，达成 ERP 的诸多目的。另外，由于 ERP 是一个滚动的动态闭环计划体系，而不是人工的静态非闭环计划。动态闭环计划将会消除计划执行中的各种干扰因素，确保计划的可执行性。所以，科学的供应链计划是 ERP 为企业创造效益的真谛。到现在为止，很多没有认识到这一点的企业，花了大量的人力、财力和物力，但是 ERP 的实施仍然停留在“供/销/存+财务”的层面上，稍好一点的企业做到了业务财务一体化，提高了管理效率，但是，ERP 软件并没有为企业创造真正的管理效益。ERP 成本管理是要做好事前计划、事中控制、事后分析。建立

17、标准成本、实际成本、成本分析的闭环控制体系。采用逐步结转法，细化成本核算对象到零部件，到工艺阶段。成本数据基本上都要从工程数据管理系统、库存管理系统、车间管理系统、财务的账务系统获取，而不是来自车间会计手工输入，这样才能保证数据的客观性和准确性。ERP 为成本控制提供科学的依据,即使到了新工业革命时代，ERP 软件的内涵也没有过时。当然，ERP 软件现在正向云端迁移，以适应工业互联网的发展需要，这是一个重要的技术发展趋势。ERP 是比较典型的常用管理平台，以软件形式定义了企业运营管理。支持企业管理的软件还有很多，如供应链管理软件、设备健康管理软件、维修维护管理软件等。设备缺软件无法运转 工控系

18、统是用于工厂、电气、水、石油、天然气等行业的一类工业软件/硬件系统。在工业生产和关键基础设施中常用的工控系统有 PLC（可编程逻辑控制器）、SCADA（监控和数据采集系统）和 DCS（分布式控制系统）等。工控系统的相关技术也称作 OT（运营技术）。广义上说，工控系统中的工控软件，包含了数据采集、人机界面、软件应用、过程控制、数据库、数据通信等内容，其特点是与硬件绑定，相对封闭和专用。现代工业设备的正常运转和精准工作，都是依靠工控软件来实现的。没有工控软件，设备必将瘫痪。PLC 是一种专为工业环境应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用可以编制程序的存储器，用软件程序来执行存储逻辑运算和顺序控制

19、、定时、计数、算术运算等操作的数字指令，并通过输入/输出（I/O）接口来控制各种类型的机械设备或生产过程。PLC 既可以集成由几十个 I/O 组成的小型“积木”式设备，也可以集成由数千个 I/O 组成的大型机架式设备，这些设备也能与其他 PLC 和 SCADA 共同组网。PLC 是在对工业电气控制设备具有高可靠性要求的汽车工业中发展壮大的。在 PLC 尚未出现的第二次工业革命时期，汽车制造业的控制、排序和安全联锁逻辑主要由继电器、凸轮定时器、滚筒排序器和专用闭环控制器等来实现，每种装置都要设定特定的控制模型。由于在车间里有上千个这类装置，因此每年更换这些装置的控制模型是一个耗时费力的工作，电工

20、们需要为每种继电器重新布线来改变其工作特性。而继电器触点接触不良造成的故障也频繁发生。PLC 出现后，软件编程方式代替了大量的继电器、定时器和排序器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，凸显的软件优势将模型调整工作量减少到原有继电器的百分之一。综保缺软件运维危机 再先进的机器设备，如果没有及时、恰当的维护、维修与保养，也很快会变得经常出毛病甚至无法使用。通过对机器设备定期实施有效的维修与保养，可以提高设备运行效率，保持设备精度，延长设备寿命，降低生产成本，避免发生设备事故。因此，设备的综合保障，是工业领域的一个重要命题。关于设备综合保障，美国辛辛那提大学李杰教授在工业大数据一书中写道：“制造企业

21、设备故障的突然发生，不仅会增加企业的维护成本，而且会严重影响企业的生产效率，使企业蒙受巨大损失。”据调查，设备 60%的维护费用是由突然的故障停机引起的，即使在一些技术较为发达的国家，如美国，每年也要支付 2000 亿美元来对设备进行维护，而设备停机所带来的间接生产损失则更为巨大。对于飞机综合保障来说，最大的费用和时间成本就是按部就班的各种检查，每次起飞前检查、降落后检查、50 小时定期检查、100 小时定期检查、200小时定期检查、500 小时定期检查、1000 小时定期检查，外带各种出其不意的突发故障，让维修人员疲于奔命，成本居高不下。与被动维护相对的就是主动维护，主动维护又分预防性维护与

22、预测性维护。预防性维护是指为避免突发和渐进性故障及延长设备寿命，按照经验、相关数据或设备用户手册等传统手段对设备定期或以一定工作量（如生产产品件数）为依据进行检查、测试和更换，可在一定程度上避免潜在故障带来的安全和停机等风险。但这种定期或者凭经验的维护存在不够准确、不够经济等缺点。有些设备可能并没有磨损或没有衰退到要维护的程度，提前的维护就造成了人工及资源的浪费，并影响正常的生产。对衰退严重的设备按照固定时间去维护，又可能因为时机的延迟而造成设备的加速老化，影响产品质量，甚至带来严重的安全隐患。预测性维护是在设备运行时，对设备关键部位进行实时的状态监测，基于历史数据预测设备发展趋势，并制订相应

23、的维护计划，包括推荐维护时间、内容、方式等。预测性维护集设备状态监测、故障诊断、故障（状态）预测、维护决策和维护活动于一体，是近些年新兴的一种维护方式。除了在生产效率方面带来明显提升外，由于设备关键参数可以一直被监测并能得到及时的维护与保证，预测性维护还能在产品质量、设备寿命、人机安全等方面发挥重要的价值。在事后维护、预防性维护、预测性维护三种维护方式中，由于事后维护是在设备出现问题后的被动维护，除设备自身维护成本以外，还会因设备停机而造成生产损失，造成的损失最大。预防性维护常常是在很多设备并不需要维护时或者超过最佳维护时间点后做的维护，容易造成维护成本增高和生产停滞。而预测性维护是基于设备自身健康状况，在恰当的时机，比如生产任务不饱满时，进行相关维护，既保证了设备的正常维护，又将对生产的影响降到最低，维护成本最低，同时还能保证设备性能一直处于最佳工作状态。软件定义的目的，就是让所有的工业设备/物理机器能够以更新的面貌、更可控的系统、更高的效率、更精准的动作来运行。软件、硬件与物理设备的有机结合与互相依托，缺一不可。提倡“软件定义制造”并不意味着用户必须淘汰现有的物理设备。