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“「角度」工业软件:工业的大脑和经络 添加时间:2017-10-21 22:31
「角度」工业软件:工业的大脑和经络

本文转载自:英诺维盛公司 作者:赵敏

工业软件是一种以数据与指令集合对工业知识、经验、控制逻辑等进行固化封装的数字化技术,从而成为在工业领域中建立数据自动流动规则体系、对业务活动具有赋能作用、延伸人类知识与智能的载体和工具。

现实中,人们对工业软件的认识,往往有较大的偏差。例如,到底什么是工业软件,谁是世界上最大的软件公司,等等。

1. 谁是世界上最大的软件公司?

微软,谷歌,苹果?你猜错了。一直青睐工业软件的美国最大军火商洛克希德公司,每天开发的代码行数早已超过微软,成为了世界最大的软件公司。

飓风起于青萍之末,软件兴于航太巨头。波音、洛克希德、NASA等航太企业,从上个世纪60年代就开始了工业软件的研发。软件代码所形成的控制指令,早就像血液一样流淌在航太产品之中,像中枢神经一样控制着产品的行为。

大家是否知道,当年NASA的“码农女神”——软件首席工程师玛格丽特,给阿波罗飞船写的导航和登陆程序,代码量有多大呢?打印纸堆起来比她还高!如图1。

「角度」工业软件:工业的大脑和经络

图1 玛格丽塔手扶阿波罗登月软件的打印程序(图片来源:Margaret Hamilton)

正是这一堆打印纸上所承载的玛格丽特发明的“异步软件”,让阿波罗11号避免了登月前软件程序混乱到近乎崩溃的“黑色三分钟”,成功地在月球表面着陆。她写的代码把人类带上了月球。

2. 工业软件的定义

软件大致分为系统软件、应用软件和中间件。工业软件是这些软件中的重要组成部分。通俗地讲,所有用于工业目的的软件都是工业软件。

工业软件是一种以数据与指令集合对工业知识、算法、控制逻辑等进行固化封装的数字化技术,从而成为在工业领域中建立数据自动流动规则体系、对业务活动具有赋能作用、延伸人类知识与智能的载体和工具。

工业软件不管用哪种计算机语言编程,最终都是把计算机语言解释成汇编码,汇编码解释成机器码(即成组的0和1的代码),这些机器码以指令的形式驱动显示设备显示图像,或让其它物理设备中的执行器或致动器发出动作。

但是,软件本身往往是不可见的。其运行态,是一串串流动在芯片和线路中的比特指令,其存储态是硬/软盘上的一堆相互关联的比特数据。

3. 软件算法直接代表了工业的成熟度

评价一个软件的质量,如其性能、功能、可维护性、安全性、互操作性等质量指标,都要依赖于软件中的知识、算法、控制逻辑来实现。特别是工业软件,离开特定的算法与知识,几乎寸步难行。

工业软件首先姓“工”而不是姓“软”,其难点在“工业”而不在“软件”。没有工业技术的发展与积累,就没有工业软件的应用与成长,而反过来软件又加速的工业的发展速度与质量,很多工业品没有软件的支撑是根本开发不出来的。工业与软件是相辅相成、相互促进的。工业软件集成了数百年来人类最优秀的工业知识和技术积累,汇聚了众多的先进算法,并且有千百万的开发者在每天不断改进、优化这些数字化成果,任何一个个体所拥有的知识体系都无法与其抗衡。

工业技术,正在以工业软件的形式予以展现。工业软件的成熟度直接代表了一个国家工业化能力和水平。这是一种典型的人类使用知识和机器使用知识的技术泛在化过程。

4. 工业软件的范畴

工业的范畴有多大,工业软件应用的范畴就有多大。无论是重工业、轻工业还是化学工业,从原材料到产品规划、工厂设计、产品设计、制造、装配、试验、库存、物流、销售、运营等各个方面都离不开工业软件。

因为工业是一个比制造业要大很多的范畴,因此工业软件也是一个比制造业软件大很多的范畴。我们常见常用的软件,大多数都是属于制造业软件的范畴。因此有很多的工业软件是制造业所不太常见的软件,例如用于矿业资源监测/采掘伐的软件、原材料生产和管理的软件、能源生产和管理的软件等。

常见的商用工业软件,其数量只有工业软件总量的10%-15%(估算值)左右。大量的工业软件是不上市的,是花钱也买不到的。例如波音787的整个研制过程用到8000多种软件,其中只有不到1000种是商业化软件,其余的7000多种软件都是波音多年积累的私有(自用)软件。

按照国际惯例,往往把企业自己开发的软件称作“in house(自用)”软件。自用软件其实更有特定意义。因为这样的软件,是专门在特殊场合使用的,只有在某家企业的某个工序上需要,在别处没用。但是这个工序离开了这个自用软件就做不好。因此,大量的自用软件实际上已经成为了企业核心竞争力的主要组成部分。

在那些看得见或看不见的角落里,软件都在发挥着我们想象得到或者想象不到的作用。在这些设备中,软件“体量”或大或小,从几十行代码到几十万行代码不等。有些特殊机器设备中的软件含量,已经达到了令人咋舌的地步。根据工信部软件与集成电路促进中心(CSIP)的调研结论,1台7系宝马汽车拥有超过5亿行软件代码,1台特斯拉汽车拥有2亿行软件代码,而1架波音787飞机则拥有超过10亿行代码!

5. 工业软件分类

工业软件的分类是一个比较复杂的问题,可以有多种角度的划分方式,目前并没有国际公认的统一分类方式。例如,可以按照工具、系统、平台和业务四个层次来划分,也可以按照研发手段、产品自身、生产控制、运营管理来划分,也可以按照所属行业或专业类别来划分,还可以按照商用、定制和自开发/自用来划分,还可以按照本地安装、云端安装来划分,更可以按照目前最流行的智能、非智能来划分等等。这些划分之间都可能是彼此包含或重叠的,某个工业软件可能会分到多个类别中。

例如一款云CAD软件,安装在云端服务器上,用户本地不需要任何安装文件。它既属于工具类软件,也算是云端的软件,还可以是为企业定制的软件。

除了上述大类别划分,有些工业软件可以更加细分。例如根据《CIMdata中国PLM市场研究报告》的观点,仅仅针对PLM软件市场,CIMdata将其分为了三类:协同产品定义管理(cPDm)、工具(Tool)、数字化制造(Digital Manufacturing)。在每类软件下面还有更详细的分类。

笔者将工业软件划分为几个基本大类:

1、研发工具类软件

各种CAX工具类,各种嵌入通用软件的小工具软件,自用工具软件、逆向工程、3D打印、建筑设计、三维工厂设计系统、工厂模型浏览与校审、工艺设计数据库管理、通用流程工业线性规划系统、稳态工艺流程模拟、动态工艺流程模拟、聚合物工艺流程模拟、换热器设计与校核计算、管网水力学计算、管道应力分析、转子轴承系统动力学模型分析软件、储罐设计/分析/评估软件、管壳式换热器设计计算、压力容器设计计算、电气系统设计和计算软件、仪表设计和数据库管理、电缆桥架设计软件、采暖/通风计算与设计、给排水设计等。

2、生产控制类软件

MES、SCADA、DNC(含机床通讯、程序编辑仿真、程序管理、MDC设备监控与数据采集等)、MDC、组态软件、通信软件、测量测试、人机接口、监控等。

3、运营管理类软件

ERP、SCM、APS、QM、CRM、MRO、HR、OA、概算编制、费用控制、任务分派与检测统计系统、进度控制、商务/合同管理、材料与采购管理、风险分析、工程财务管理等。

4、嵌入产品类软件

嵌入式系统中的固件、机载软件、嵌入式操作系统(RTOS)等。

5、工业互联网类

工业云、大数据计算分析、云服务、云安全、云存储、云物联、云计算、雾计算、边缘计算、传感器软件、网络监测、网络安全、APP等。

6、专业应用软件类

大气环评、污水处理、声环境评测、光污染评测、安全评估分析软件、消防工程、反病毒、防后门等。

7、人工智能类

深度学习、神经网络、机器翻译、计算机视觉、图像识别、图像抓取、文本处理、语言识别与语言建模、预测分析、认知计算、语义数据库、无人驾驶、脑机接口等。

值得指出的是,原本属于计算机信息科学领域的人工智能软件,现在正在逐渐向具有工业软件的应用属性方向迁移,并且有所实际应用,如认知计算已经可以用于改善零件加工质量、基于大数据的AI分析可以实现设备的预测式维护、AI软件用于工业机器人等。预计未来可以用于工业领域的人工智能软件会越来越多。

上述软件分类,仅仅是笔者根据自己对工业软件30多年的观察与经验来划分的,未必十分准确与合理。有的软件可能会跨入两个甚至三个类别中。

6. 工业软件的研发主体

工业软件的研发主体是多样化的,有军火巨头的客串开发,有专业商用公司开发,也有企业员工根据需要自己开发,有自由个体几个人凭兴趣开发,有高校组织教师进行开发,有研究院所自己开发,还有企业自己成立专门的部门或独立的公司来开发。

工业软件的开发,是一项非常烧钱的工作。软件架构难度大,英语软语门槛高,硬件条件开销大,编程高手难寻觅,产权保护不容易,后期维护很繁琐。上个世纪70年代的冷战时期,是工业软件开发的爆发期,但是也只有财大气粗的军火商、汽车商才有条件独立开发或依托某厂商开发早期的CAD软件。例如:

CADAM——由美国洛克希德公司支持的商用软件;

CALMA——由美国通用电气公司开发的商用软件;

CV——由美国波音公司支持的商用软件;

I-DEAS——由美国NASA支持的商用软件;

UG——由美国麦道公司开发的商用软件;

CATIA——由法国达索公司开发的商用软件;

SURF——由德国大众汽车公司开发的自用软件;

PDGS——由美国福特汽车公司开发的自用软件;

EUCLID——由法国雷诺公司开发的自用软件,后成为商用软件;等等。

进入到新世纪以来,硬件价格快速下降,软件开发与调试工具日益增多,软件编程人员喷发式增长,互联网爆发式普及应用等等,基于这些原因,对于工业软件的开发呈现出了百花齐放的态势,工业软件的开发主体更是变化多端:

原本是做系统软件的企业,如微软公司也开发了微软ERP软件,力图在工业软件领域分一杯羹;老牌工业巨头西门子因为十年前购入了原美国UGS软件公司而一跃成为工业软件巨头;GE也成立了自己近万人的软件分公司,高擎工业互联网大旗向着软件公司行列迈进;国内高校开发的工业软件基本上都变成了以独立的专业软件公司方式来经营;个体开发的工业软件基本上很快就会被大公司收购。

当前,企业开发自用软件是一种趋势,其成果往往以一种自用软件或“工业APP”的形式存在。这样的自用软件,算法未必最先进但是必定有独门绝技,菜单界面未必方便,但是企业追求的是实用,能解决问题就好。

7. “制造大国,软件小国”

毫无疑问,中国现在已经是一个工业大国、制造大国。按照工业体系完整度来算,中国拥有39个工业大类,191个中类,525个小类,成为全世界唯一拥有联合国产业分类中全部工业门类的国家。

但是,在工业软件领域,我国却是一个“软件小国”,很多软件我们都没有开发或者根本不能开发。这种坡脚巨人的状态不知道要走到多久?

软件因为不可见,而往往不为人所知。因为不为人所知,而在中国工业发展的几十年里都没有真正受到重视,很多决策者还是把有限的经费投入到可见的硬装备上。根据卡萨博客的报道,国内工业软件仍面临两大主要困境,一是核心技术水平还比较低,在高端上的应用无法满足用户需求。而另一方面是,与国际软件产业竞争日加激烈,国外工业软件在技术上拥有很大优势,要改变在国内市场格局需要很长的时间。

整体上国产工业软件目前还是品种少,功能不全。很多国内厂商依靠价格来获得客户,已经越来越难生存,企业越来越看重产品的特性、可用性以及是否符合自身需求。而国外工业软件的一些大厂商在很多领域在占据着主导的地位,不仅有高技术的支撑,在产品应用和服务上同样具备优势。

笔者曾经在有关会议上大力呼吁,国家要像重视“核高基”项目一样,拿出一两万亿的专项经费和优惠政策来支持中国的工业软件企业。因为中国要想实现“换道超车”,道在软件!

8. 小结

一个制造强国,总是伴随着工业软件的崛起。工业软件是工业的大脑和经络,在有工业的地方就有工业软件。

工业软件首先姓“工”,工发达则软茂盛,软茂盛则工强大。开发工业软件,就是两化融合。

工业软件分类是比较困难的事情,因为软件本身从交互形式、算法、软件载体、开发主体、开发方式、开发工具等都一直在变化之中。

总体上,商用工业软件趋于专业化,即专业的公司或部门来专门开发软件,质量上有优势。而企业自用工业软件,则在数量上占有优势,属于工业技术软件化的范畴。

软件是智能化的基础和载体。因此工业软件的智能化也是必然的发展趋势。

中国要想实现“换道超车”,道在软件!

参考文献

1、智研咨询集团,《2017-2022年中国工业软件市场现状研究及未来发展趋势分析报告》,2017

2、赛普(CSIP),《软件定义的理念与技术路径研究》,2017

3、材料科学与工程,“设计师必知:史上最全各类工业设计专业常用软件!”,2016

4、李义章沈洪才,“工程中间件催生崭新工业软件生态”,2016

5、卡萨博客,“国内工业软件身处困境依托国内市场寻求突破”,2010

6、源清、肖文,“温故知新更上层楼(一)——CAD技术发展历程概览”,1998

【联讯动力公司林雪萍研究员为本文做了悉心修订。在此致谢!】

作者简介:赵敏——中国发明协会常务理事,发明方法研究分会会长,英诺维盛公司总经理。国内著名创新方法专家、两化融合/智能制造专家,走向智能研究院执行院长,核心专家,高级工程师。34年来一直致力于企业如何实现创新、转型的研究与实践,对TRIZ发明方法学、CAX、PLM、KE/KM、精益研发、智能制造、工业4.0、CPS等企业技术创新、管理创新和企业信息化专题有着深入的研究和独到的见解,在国内外媒体和国际国内学术会议发表文章和论文百余篇,为企业解决众多技术难题。著有《创新的方法》、《TRIZ入门及实践》、《知识工程与创新》、《TRIZ进阶及实战》、《三体智能革命》等专著、合著。

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