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工业软件对推进智能制造的价值2018/6/8

    第一次工业革命中,机械化的要点是由零件构成的钢铁机器,当时电机还未出现。到了第二次工业,钢铁机器中加入了电这样一个至关重要的要素,由此机器可以借助电力不知疲倦的高速运转。第三次工业革命中,钢铁机器在原来基础上加入了类似芯片的硬件,同时芯片中有了由“0”和“1”代码组成的数字序列,我们称之为软件。 

    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”的过程。从机器本身的定义来看,它是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。

机器零件的形式与内容的变化 

    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,上述设备已经无法运行。

    软件是运行在芯片(硬件)中的数字化指令和数据的集合,是一系列按照预定的逻辑和格式编辑好的“0/1”代码序列,即程序。软件本身就是数字竞争力的直接体现,在任何一个设备中,能嵌入软件的地方越多,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。 

    智能系统的五个典型特征,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。人造系统走向智能化有三个基本路径,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)式,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。 

    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。 

    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。 

    软件是一种以模仿为目的、很容易进行分布式部署并且很容易复制其工作模式的工具。今天计算机上所有的模仿、仿真与虚拟,都是软件所致。在工业界,人们用软件来模仿和增强人的行为方式与体验方式。在信息界,最早的模仿是模拟人脑的思考模式,由此而产生了人工智能。

    软件能为数据增值,任何小数据/工业大数据,都依赖软件发挥作用。数据本身既是软件中的一部分,也是输入与输出。因为软件,数据已经成为企业的战略资源,成为了为工业软件赋能的新能量、新原料。 

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软件为数据增值 

    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。 

    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。

    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,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。

    最后,可以说无软件,不智能。所有的软、硬、网等系统都在软件的助力下,逐渐走向智能。软件借助网络所形成的数据有序而自由的流动,能够让我们像使用水和电一样,来使用泛在的知识。智能制造全过程,软件无处不在赋能和使能。形形色色、大大小小、不同用途的软件,定义了数据,定义了模型,定义了功能,定义了硬件,定义了机器,定义了设备,定义了过程,定义了规则,定义了网络,定义了虚拟的数字世界,定义了制造业,定义了可以定义的一切。

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