軟件視角中的未來工業（三）
2016-10-24 來源：轉載 作者：安筱鵬
2016年9月2日，在中國電子信息產業發展研究院和e-works主辦的首屆“工業軟件與制造業融合發展高峰論壇”上，安筱鵬發表了《軟件視角中的未來工業》主題演講，從軟件支撐和定義的產品、管理、生產方式、新型能力和產業生態五個視角，探討軟件及未來工業發展趨勢。本文根據演講內容整理，將分四期刊出，本期是第三期。
站在軟件的視角來審視，從未來10年的時間尺度去觀察，信息通信技術與制造業融合帶來的將是一場制造范式的遷移和一種制造模式的變革，也將是制造體系的重建。其核心在于，軟件作為一種工具、要素和載體，為制造業建立了一套賽博空間（Cyber）與物理空間(Physical)的閉環賦能體系，實現了物質生產運行規律的模型化、代碼化、軟件化，使制造過程在虛擬世界實現快速迭代和持續優化，并不斷優化物質世界的運行。
（一）制造范式的遷移：從實體制造到虛擬制造，以快速迭代、持續優化、數據驅動重建制造效率、成本、質量管控新體系
新概念泛濫反映了制造范式的遷移。新技術帶給人們的最大困惑之一是各種層出不窮的新概念。從網絡制造、協同制造、柔性制造、虛擬制造、云制造到服務型制造，從MRP、ERP、MES、MOM、PLM到SysLM，從工業4.0、工業互聯網到第三次工業革命，從規模經濟、大規模生產、C2B到產費者（prosumer）。這些令人眼花繚亂的新概念的涌現往往意味著傳統概念體系已經難以描述新事物發展特征和規律，意味著新事物對傳統既有概念體系的挑戰，意味著傳統范式的遷移和新范式的出現。
1 虛擬制造：軟件定義的新空間
ICT對人類社會帶來的重大變革是創造一個新世界：賽博空間（Cyberspace）。制造業數字化、網絡化、智能化的過程，是在賽博空間（Cyberspace）重建制造流程，并基于此不斷提升制造效率的過程。2010年美國國防預研局（DARPA）發起的自適應運載器制造（AVM）計劃，提出“重新發明（Reinvent）制造”，目標是通過徹底變革和重塑裝備制造業，將武器裝備研制周期縮短到現在的五分之一。AVM的核心思想，就是顛覆“設計——制造——測試——再設計”的流程，通過實現產品設計、仿真、試驗、工藝、制造等活動全部在數字空間完成，重建制造新體系。虛擬制造將重新定義制造方式。
軟件支撐和定義的虛擬設計。
回顧過去40多年工業軟件的發展歷程可以看出，研發設計、虛擬仿真、試驗驗證、產品全生命周期管理等軟件的發展，就是把支撐需求分析、概念設計、詳細設計、工藝規劃、虛擬仿真、驗證測試和的信息系統融入賽博空間并實現集成融合，最終實現基于賽博空間的協同研發，今天來看這一進程才剛剛開始。
CAD、CAE、PLM等軟件技術的發展實現了基于模型的產品定義（MBD），這一模型正成為產品制造過程中賽博空間信息流轉的載體，數字樣機從傳統的幾何樣機向性能樣機、制造樣機和維護樣機拓展，并將進一步進化為與實體產品對應的產品數字孿生體（Digital Twin）。波音787、空客380的設計制造過程生動地闡釋了這一生產方式。
軟件支撐和定義的虛擬制造。
在產品數字孿生體的基礎上，企業的工藝路線、生產布局、生產設備、制造流程和運營服務等都可以一一映射到虛擬生產環境中，基于三維設計和仿真工具，在賽博空間構建起虛擬產線、虛擬車間和虛擬工廠。
伴隨工廠生產設備數字孿生體、生產工藝數字孿生體的推廣普及，無論在離散行業或流程行業，都將實現實物生產過程與虛擬生產過程實時映射。例如，制造執行系統（MES）與三維數字模型相結合的典型實踐為現實生產過程虛擬化提供了最初的探索，將為企業生產進入虛擬世界、開啟虛擬制造模式提供可行選擇。
2 軟件與制造范式的遷移
工業革命300年來，技術變革是永恒的主題，而不變的主題是對制造效率、成本、質量永恒的追求。如果說制造范式是一定時期，在特定技術條件下對制造業價值觀、方法論、發展模式和運行規律的認識框架，那么這一認識框架變革的原因之一是，軟件通過創造一個與實物制造相對應的虛擬制造空間，實現了研發設計、仿真、試驗、制造、服務在虛擬空間的仿真測試和生產，形成人類認識和改造世界新方法。這一新方法推動了制造范式的遷移，通過構建制造業快速迭代、持續優化、數據驅動的新方式，重建制造效率、成本和質量管控新體系。
快速迭代。
人類認識世界的傳統方法是觀察、實驗、歸納、理論化，傳統工業時代愛迪生“試錯法”是對這一方法論最好的闡釋。面對快速變化的市場和競爭環境，傳統的“試錯法”已難以滿足競爭的需要，基于數字仿真的“模擬擇優法”，依托基于模型的產品定義（MBD）、全數字化樣機、數字孿生體等一系列新技術、新理念，通過推動產品研發、驗證、制造、服務業務在賽博空間的快速迭代，實現研發生產效率的大幅提升。
“飛豹”通過采用全數字化樣機設計技術，利用多次模擬仿真代替了大量反復實驗，大大減少了耗資巨大的模型風洞實驗，設計周期縮短了一半，工程量減少80%左右。現在，數字化樣機設計技術正從單件小批量的軍工產品領域向多品種大批量的家電等產品領域延伸，快速靈活的設計方式幫助設計人員減少了設計失誤和大量的實物試驗驗證。
持續優化。
智能制造的本質是通過對制造要素和過程的實時感知、科學決策和精準執行，不斷優化制造資源配置效率。這種優化從單機設備、單一環節、單一場景、單一要素的局部小系統優化不斷向大系統、巨系統優化演進，從部門內優化到企業級優化，再到產業鏈優化，乃至產業生態系統優化演進。
智能制造發展的過程，將是研發設計、制造裝備、工藝流程、產品服務等制造資源和生產過程不斷數字化并在賽博空間建立虛擬鏡像的過程，是在賽博空間重建制造全要素、全流程的過程，是實體制造與虛擬制造實時交互的過程。賽博空間制造過程優化的實時高效、零邊際成本、靈活構架等特點和優勢，從根本上變革了資源配置方式和配置效率。軟件是物理世界虛擬化的重要手段，是構建賽博空間的重要載體，是虛實空間資源調配的關鍵工具，對于生產方式持續優化起到至關重要的作用。
數據驅動。
企業競爭的本質是在不確定環境下為謀求自身生存與發展而展開的對資源爭奪的較量，競爭的內在動力決定了企業需要適應動態變化的市場環境。數據驅動的本質是企業通過支撐設計、生產、采購、銷售、經營及財務等部門的業務系統，對生產全過程、產品全生命周期、供應鏈各環節的數據進行采集、存儲、分析和挖掘，確保企業所有部門以相同的數據協同工作，從而通過數據價值再造實現生產、業務、管理和決策等過程的優化，提升企業的生產運營效率。
面對工業領域總量大、種類多、情況復雜的大數據，軟件作為虛擬空間中承載、管理、挖掘數據的核心載體，將從原來的以流程為中心向以數據為中心轉變，形成數據驅動型企業。
3 虛擬制造的三個階段
虛擬制造的應用，將會經歷從碎片化到一體化、從局部到全局、從靜態到動態的過程，逐漸涵蓋研發設計、制造過程、服務運營的全流程。虛擬制造大致分為三個階段：
局部虛擬制造階段。
虛擬設計、虛擬產品、虛擬工廠、虛擬工藝等伴隨著設計、生產、管理軟件及工具的出現而興起，當前仍處于碎片化、局部虛擬制造階段。軟件和信息系統散落在工業生產的各個環節，在虛擬空間尚沒有形成一個系統的整體，單機設備、單項環節、單一場景的虛擬化應用帶來的是局部環節效率的提升，不同環節之間的整合尚需要人為活動的介入和物理過程的實現。
波音公司自1986年開始采用三維數字化技術以來，分別在737三維生產過程、747三維概念設計、757數字化預裝配、767三維數字樣機及制造、777全三維數字化樣機等新產品研發設計中逐步提高虛擬設計和虛擬制造應用的廣度和深度。作為世界領軍制造商的波音在過去的30多年逐步實現了設計、制造等環節的虛擬制造。
靜態虛擬制造階段。
隨著虛擬化進程的不斷深入，制造業產品、裝備、工藝及制造過程各環節在賽博空間構建起數字孿生體、實現虛擬映射，在虛擬環境下構建起與現實世界制造全流程對應的生產體系，實現生產過程數據互聯互通、流程銜接有序和資源高效配置，虛擬世界可以實現對物理世界運行規律的模擬、仿真并持續優化。但這種優化發生在建立物理制造過程運行一個周期之后。
通常情況下，離散工業以周、天為周期，流程工業以批次為周期。企業將運轉的過程和結果輸入到虛擬空間進行模擬優化，可以對下一周期的工業生產進行有效指導。西門子等公司的工廠經過多年技術改造，部分工廠實現了產品研發、生產到物流配送全過程的數字化映射，能夠通過對虛擬空間的歷史數據分析，不斷優化下一個生產周期資源配置。
動態虛擬制造階段。
在靜態虛擬制造的基礎上，人員、機器、物料、工藝、環境、產品等各種要素在虛實空間進一步實現完整、實時、動態對應，現實生產運行狀況都能夠實時反映到虛擬空間，虛擬空間優化后的決策能夠實時地反映到現實生產活動中。虛擬與現實已不是存在簡單映射關系的“孿生體”，而是相互聯接、相互傳控、相互作用的統一體。
物理世界任何變化都會體現在虛擬世界，虛擬世界任何調整都會反饋到物理世界，因此，將會形成虛實結合、動態交互、高度智能的生產制造方式。這將是虛擬制造的最高級階段，也將是一個需要長期努力才能實現的生產場景，其實現過程將會是長期、復雜并富有挑戰的。
（二）制造模式的變革：從規模生產到定制生產，以數據的自動流動解決復雜制造系統的不確定性、多樣性和復雜性
在當前全球產能過剩的大環境下，企業面對的產品和服務需求越來越差異化、多元化、快變化，這大幅增加了研發設計、生產制造、產品服務等過程的不確定性、多樣性和復雜性，規模化、標準化、預制化的傳統生產方式已無法滿足日益增長的定制化需求。智能制造關鍵在于承載著信息和知識的數據能夠沿著產品價值方向自由流動，從而解決制造系統的不確定性、多樣性和復雜性等問題。數據自動流動的背后需要制造全過程的隱性數據顯性化、隱性知識顯示化。
1 隱性數據的顯性化——數據的完整性、及時性和準確性
智能制造與傳統制造的本質區別在于，在生產制造過程中人員、機器、產品之間信息交流的載體、方式、效率不同。智能制造的基礎是數字化，傳感器、智能裝備和終端、工業網絡、工業軟件的大量使用促進了生產制造全過程的數字化，數據采集、傳輸、存儲、分析和挖掘的手段相比傳統制造更加豐富，大量蘊含在生產制造過程中的隱性數據不斷被采集、匯聚、加工，形成新的知識、決策，不斷優化制造資源的配置效率，數據的自動有序流動實現了物資流、資金流的高效利用。
當感知無所不在，連接無所不在，數據一定無所不在。在信息化的背景下，數據正成為一種新的資產，新的資源和新的生產管理要素，數據的及時性、完整性和準確性，數據開發利用的深度和廣度，數據流、物流和資金流的協同水平和集成能力，數據流動的自動化水平，決定了企業未來核心競爭力的來源。
紅領集團能夠做到個性化定制服裝的根本在于紅領內部建立了一個數據自動流動的生產體系，實現了數據的自動采集、自動傳輸、自動處理、自動執行，把正確的數據在正確的時間發送給正確的人和機器，解決了生產定制化過程中的不確定性、多樣性和復雜性。
2 隱性知識的顯性化——工業知識的軟件化
工業發展的過程是知識轉化和積累的過程，越來越多的知識融入到各種載體，與專利、工藝、創新能力以及企業的know-how等一起成為工業知識的具體表現形式。智能制造推進過程中，流程和系統軟件是工業知識顯性化的重要載體，工業知識軟件化的過程也是隱性知識顯性化的過程。工業知識的軟件化，是對工業研發技術、生產工藝、業務流程、員工技能、管理理念等知識的邏輯化、數字化和模型化，使得大量隱性工業知識被固化在各類軟件和信息系統中。
工業知識的軟件化，一方面，通過軟件完成大量原本需要人參與的重復性工作，將人解放出來去做更高級、更具創造性的工作；另一方面，通過對記錄在軟件和信息系統中的數據進行分析和挖掘，利用機器學習等技術獲得新的知識。高質量的工業軟件是一個優秀制造企業核心競爭力的集中體現，波音、GE等企業擁有大量不為行業其他企業所掌握的工業軟件。波音在787研制過程使用了8000多種軟件，其中有7000款是非商業化專業軟件，這是波音多年工程技術經驗和方法的載體。
3 軟件——構筑數據自動流動的規則體系
美國國家標準與技術研究院（NIST）曾經提出，智能制造就是要解決差異性更大的定制化服務、更小的生產批量和不可預知的供應鏈變更。智能制造的一個重要任務就是應對制造復雜系統的不確定性，這種復雜性既來自于產品的復雜性，也來自于定制化生產等新生產方式所帶來的制造成本、質量和效率的挑戰。從這個意義上講，制造業數字化、網絡化、智能化的過程，就是要促使承載信息和知識的數據在產品研發、生產計劃、生產執行、市場營銷、售后服務等環節有序自由流動，實現生產全過程、產品全生命周期、全產業鏈的高效運轉和價值再造。實際上，是數據流動的自動化解決了制造系統的不確定性、多樣性和復雜性等問題。
實現數據的自動流動必須在虛擬空間構建一個數據自動流動的規則體系，這套體系的核心是軟件。軟件是算法的代碼化，算法是對現實問題解決方案的系統描述，是人類認識世界運行規律的思想結晶。仿真模型的核心是一套算法，排產計劃的核心是一套算法，搜尋引擎也是一套算法。賽博物理系統（CPS）是軟件（算法）的集成，是虛擬空間與物理空間交互的實現載體，其本質是要打造“物理感知-虛擬控制-虛擬驅動-物理執行”的數據閉環，構筑數據自動流動的規則體系，應對制造系統的不確定性，實現制造資源的高效配置。更具體來講，制造過程數據的自動流動，是指在給定的時間、目標背景下，實現企業制造資源最優化配置的數據“自動”流動。數據在流動中產生知識、知識成為信息、信息成為決策、決策優化資源配置。
（三）制造系統的重建：從封閉體系走向開放體系，以網絡化協同實現制造資源局部優化向全局優化的演進
制造業的數字化、網絡化、智能化，帶來了制造過程感知無所不在、連接無所不在、數據無所不在，各種制造資源逐步形成一個相互作用的復雜系統網絡，制造業正在構造成一個復雜系統。制造系統的演進將經歷從單個系統、局部系統向全局系統拓展，從企業內部、產業鏈延伸到全社會，不斷突破地域、組織、機制的界限，實現對人才、技術、資金等資源和要素的高效整合，從而帶動產品、模式和業態創新。制造系統演進的過程，是網絡化協同生產不斷深化的過程，是從封閉系統不斷走向開放的過程，其將經歷三個階段：
1 從部門級協同到企業級協同
傳統組織的邊界是資源管理、優化的邊界，制造資源的數字化、網絡化為打破部門邊界，重建企業內部資源管理邊界和優化管理模式創造了條件。在研發設計領域，研發設計工具及管理平臺的普及，有效整合企業內部研發設計資源，也在加速重構企業傳統的研發模式、重建企業創新業務的邊界。
當前，許多企業研發的定位正在從基于產品功能和性能的研發，向物料可采購性、客戶需求實時響應性、產品可維護性、產品可盈利性轉變；研發參與主體從單純的研發部門向制造、采購、營銷等其他部門拓展，突破了原有研發部門的邊界；研發創新的流程從串行向并行轉變，大大縮短了研發周期、提高了研發效率。華為借助協同研發平臺構建的集成研發流程（IPD），解決了早期研發產品和規劃的匹配度低、客戶滿意度低、產品方向決策失誤頻繁、版本混亂、開發效率低等諸多問題，實現了由技術驅動向客戶需求驅動的轉變。
2 從企業級協同到產業鏈級協同
所有的企業都是產業鏈上的一環，如何構建一個面向產業鏈目標一致、信息共享、資源與業務高效協同的跨企業生產體系，是許多企業面臨的共同挑戰。伴隨著信息技術應用不斷深化，傳統制造企業與產業鏈上下游企業的業務協同不斷地被在線化、網絡化，企業級的業務協同正在向產業鏈級的業務協同演進，企業內部的協同研發創新平臺、供應鏈管理平臺等不斷向產業鏈上下游拓展，實現跨企業業務系統的互聯、互通、互操作，不斷提升面向最終客戶的產品和服務的質量和效率。
無論是美國波音研制787、洛克希德·馬丁研制聯合攻擊戰斗機(JSF)，還是中國商飛研制C919,都構建了面向供應商的網絡化協同研發平臺，實現了多國、多地、多家研發人員的協同，其本質是企業信息系統集成邊界的拓展，是企業資源優化的邊界從內部走向全產業鏈、從封閉走向開放。
3 從產業鏈級協同到構筑產業生態
制造業數字化、網絡化步伐加快，不僅僅推動傳統產業鏈合作從線下走到線上，而且不斷催生出新的網絡化協同制造的新業態、新模式，從產業鏈級的協同向構筑產業生態演進。航天云網平臺、GE的Predix平臺、西門子的MindSphere云平臺體現了產業生態的發展方向。
這種面向智能制造的產業生態正在不斷催生出網絡化協同制造的新模式，它與傳統的協同制造的不同表現在三個方面：一是企業間合作模式從傳統的確定性的長期固定合作向不確定性隨機合作演進；二是網絡協同平臺的功能從傳統的業務協作平臺向產品、要素、能力的交易平臺演進；三是網絡協同平臺從傳統研發、供應鏈協同向制造、產品全生命管理等業務協同演變，從線性協作走向網絡協作。這將意味著網絡化協同制造2.0時代的到來。
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