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軟件視角中的未來工(gōng)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(xī)產業發展研究院和e-works主辦的首屆“工業軟件與製造業融合發展高峰論(lùn)壇”上,安筱(xiǎo)鵬發表(biǎo)了《軟件視角中(zhōng)的未來工業》主題演講,從軟(ruǎn)件支撐和定(dìng)義的產品、管理(lǐ)、生產方式、新型能力和產(chǎn)業生態五個視角,探討軟件及未來工業發展趨勢(shì)。本文根據演講內容整理,將分四期刊出,本期是第三期(qī)。
    
      站在軟件的視角來審視,從未來10年的時間尺度去觀察,信息通信技術與製造業融合帶來的將是一場製造(zào)範式的遷移和一種製造模式的變革,也將是製造體係的重建。其核心在於,軟件作為一種工具(jù)、要素和載體,為製造(zào)業建立了一套(tào)賽博空間(Cyber)與物理空間(Physical)的閉環賦能體係,實現了物質生(shēng)產運(yùn)行(háng)規律的模型化、代碼化、軟件化,使製造過程在(zài)虛擬世界實現快速迭代和持續優(yōu)化,並不斷優化(huà)物質世界的運行。
   
      (一)製造範式的(de)遷移:從(cóng)實體製(zhì)造(zào)到虛擬製造,以快速迭代、持續優化、數據驅動重建製造效率、成本、質量管控新體係
     
      新概念泛濫反映了製造範式的遷移。新技術帶給人們的最大困惑之一是各種層(céng)出不窮的新概念。從網絡製造、協同(tóng)製造、柔(róu)性製造、虛擬製造、雲製造到服務型製造,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(jīng)濟、大規模生產、C2B到產費者(zhě)(prosumer)。這些令人眼花繚亂的新概念的(de)湧現往往意味著傳統概念體係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(gài)念體係的挑(tiāo)戰,意味著傳統範式的遷移(yí)和新範式的出現。
    
      1 虛擬製造:軟件定(dìng)義的新空(kōng)間
    
      ICT對人類社會帶來的重大變革(gé)是(shì)創造一個新(xīn)世界(jiè):賽博空間(Cyberspace)。製造業數字化(huà)、網絡化、智能化的過(guò)程,是在賽博空間(Cyberspace)重建製造流程,並基於此不斷提升製造效率的過程。2010年美國國防預研局(jú)(DARPA)發(fā)起的自適應運載器製造(AVM)計劃,提出“重新發明(míng)(Reinvent)製造”,目標是通過徹底變革和重(chóng)塑裝備製造業,將武器裝備研製周期縮短(duǎn)到現在的(de)五分之一。AVM的核心思(sī)想,就是顛覆“設計——製造——測試——再設計”的流程,通(tōng)過(guò)實現產品設計、仿真、試驗、工藝、製造等活動全部在數字空間完成,重建製造新體係(xì)。虛擬製造將重新定義製造方式。
         
      軟件(jiàn)支撐和定義的虛擬設計。
    
      回顧過去40多年工業軟(ruǎn)件的發展(zhǎn)曆程(chéng)可以看出,研發設計、虛擬仿(fǎng)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(huá)、虛擬仿真、驗證測試和的信息係(xì)統(tǒng)融入賽博空間並實現集成融合(hé),最終實現(xiàn)基於賽博空(kōng)間的(de)協(xié)同研(yán)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(zhǎn)實現了基(jī)於模(mó)型的(de)產品定義(MBD),這一模(mó)型正成為產品製造過(guò)程中賽博空間信息流轉的載體,數字樣機(jī)從傳統的幾何樣機向性能樣機、製造樣機和維護樣機拓(tuò)展,並將進一步進化為與實體產品對應(yīng)的產品數字孿生體(Digital Twin)。波音(yīn)787、空客380的設計製造(zào)過程生動地闡釋了這一生產方式。
              
      軟件支撐和定義的虛(xū)擬製造。
         
      在產品數字孿生體的基(jī)礎上,企業的工藝路線、生產布局、生產設備、製造流程和運營服務等都可以一一映射到虛擬生(shēng)產環境中(zhōng),基於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(hé)虛擬工廠。
            
      伴隨工廠生產(chǎn)設備數(shù)字孿生體、生產工藝數字孿生體(tǐ)的推廣普及,無論在離散行(háng)業或流程行業,都將實現(xiàn)實物生產過程與(yǔ)虛擬生產過程實(shí)時映射。例如(rú),製造執行係統(MES)與三維數字模型相(xiàng)結合的典(diǎn)型實踐為現實生產過程虛(xū)擬化提供了最初的探索,將為企業生產進入虛(xū)擬世界、開啟虛擬製造模式提供可行(háng)選擇。
              
      2 軟(ruǎn)件與製(zhì)造範式的遷移
     
      工業革命300年來(lái),技術變革是永恒的主題,而(ér)不變的主題是對製造效率、成本、質量永恒的追求。如果說製造(zào)範式是一定時期,在特定技術條件下(xià)對(duì)製(zhì)造(zào)業價值觀、方法論、發展模式和運行(háng)規律的認識框架,那麽這一(yī)認識框架變革的原因之一是,軟件(jiàn)通過創造一個與實物製造相對應的虛擬製造空間,實現了(le)研發設(shè)計、仿真、試驗、製造、服務在虛擬空(kōng)間的仿真測試和生產,形成人類認識和改造世界新方法。這一新方法推動了製(zhì)造範式的遷移,通過構(gòu)建製造(zào)業快(kuài)速迭代、持續優(yōu)化、數據驅動的新方式,重建製造效率、成本和質量管控新體係。
    
      快速迭代。
      
      人(rén)類認(rèn)識世界的傳統方法是(shì)觀察、實驗、歸納、理論化,傳統工業時代愛迪生“試錯法”是(shì)對這一方法論最好的闡釋。麵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,基於數字仿真的“模擬擇(zé)優法”,依托基於模型的產品定義(MBD)、全數字化樣機、數字孿生體等一係列新技術、新理念,通過推動產品研發、驗證、製造、服務業務在(zài)賽博空間的快速迭代(dài),實現研發生產效率(lǜ)的大幅提升。
       
      “飛(fēi)豹”通過采用全數(shù)字(zì)化樣(yàng)機設計技術(shù),利用多次模擬仿(fǎng)真代替了大量反複實驗,大大減少了耗資(zī)巨大的模型風洞(dòng)實驗,設計周期縮短了一半(bàn),工程量減少80%左右。現在,數字(zì)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(yán)伸,快速(sù)靈活的設計方式幫(bāng)助設計人員減少了設計失誤和(hé)大量的實物試驗驗證(zhèng)。
       
      持續優化。
        
      智能製(zhì)造的本質是通過對製造(zào)要素和過程的實(shí)時感(gǎn)知、科學決策和精準執行,不斷優化製(zhì)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(sù)的局部小係統優化不斷向大(dà)係統、巨係統優化演進,從部門內優(yōu)化到企業級(jí)優化,再到產業鏈優化,乃(nǎi)至產業生態係統優化演進。
    
      智能製造(zào)發展的過程,將是研發設計、製造裝備、工藝流程(chéng)、產品服務等製造資源和生產過程不斷數字化(huà)並在賽博空(kōng)間建立虛擬(nǐ)鏡像的(de)過程,是在賽博空間重建製造全要素、全流程的過程,是實體製造與虛擬製造實時交互的過程。賽博空間(jiān)製造過程優化的實時高效、零邊際成本(běn)、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(xiào)率。軟件是物理世界虛擬化的重要手段,是構建賽博空間(jiān)的重要載體,是虛實空間資源調配的關鍵工具,對於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(xià)為謀求自身生存與發展而展開的對資源爭奪(duó)的較量,競爭的(de)內(nèi)在動力決定了企業需要適應動態變化的市場環境(jìng)。數據驅動的本質是企業通過支撐設計、生產、采(cǎi)購、銷售、經(jīng)營及財務等部門的業務係統,對生產全過程、產品全生(shēng)命(mìng)周期、供應鏈各環節的數據進行(háng)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(ér)通過數據(jù)價值再造實現生產、業務、管理和決(jué)策等過程的優化,提升企業的(de)生產運營效(xiào)率。
    
      麵對工業領域總量大(dà)、種類(lèi)多、情況複雜的大數據,軟件作為虛擬空間中承載、管理、挖掘數(shù)據的核心載體,將從原來的(de)以流程為中心(xīn)向以數據為中心轉變,形成數據驅動型企業。
    
      3 虛擬製造的三個階段
     
      虛擬製造的應用,將會經曆從碎片化到一體化、從局部到全局、從靜態(tài)到動態的過(guò)程,逐漸涵蓋研發設計(jì)、製造過程、服務運營的全流程。虛擬製造大致分為(wéi)三個階(jiē)段:
    
      局部虛擬製造階段。
     
      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(guǎn)理軟件及(jí)工具的出現而(ér)興起,當前仍處於碎片化、局部虛擬製造階段(duàn)。軟件和信息係(xì)統散落在工業生產的各(gè)個環節,在虛擬空間尚沒有形成一個係統的整體,單機設備、單項環節、單一場(chǎng)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(rén)為活(huó)動的介入和物理(lǐ)過程的實(shí)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(guò)程、747三維概念設計、757數字化預裝配、767三維數字(zì)樣機及製(zhì)造、777全三維數(shù)字化樣機等新產品研發設計中逐步提高虛擬(nǐ)設計和虛擬製造應(yīng)用的廣度和深度。作為世界領軍製造商的波(bō)音在過去的30多年逐步實現了設計、製造等環節的虛擬製造。
    
      靜態虛擬(nǐ)製(zhì)造階段。
      
      隨著虛擬化進程的不(bú)斷深入,製造業產品、裝備、工藝及製造(zào)過程各環節在賽博(bó)空間構建(jiàn)起數字孿生體、實現虛擬映射,在虛擬環境下構建(jiàn)起與現實世界製造全流程對應的生產(chǎn)體係,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(lǜ)的模擬、仿(fǎng)真並持續優化。但這種優化發生在建立物(wù)理製造過程運行一個(gè)周期(qī)之後(hòu)。
     
      通常情況下,離散工業以周、天為周(zhōu)期,流程工業以批次為周期。企業將(jiāng)運轉的過程和(hé)結果輸入(rù)到虛擬空間進行模擬優化,可以對下(xià)一(yī)周期的工業生產進行有(yǒu)效指導。西門子等公司(sī)的工廠經(jīng)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(gòu)通過對虛擬空間的曆史數據分析,不斷(duàn)優化下一個生產周(zhōu)期資源配置。
    
      動態虛擬製造階段。
     
      在靜態虛擬製造的基礎上,人(rén)員、機器、物料(liào)、工(gōng)藝、環境、產品等各種要(yào)素在虛實空間進一步實現完(wán)整、實(shí)時、動態對應,現實生產運行狀況都能夠實時(shí)反映到虛擬空間(jiān),虛擬空間優化後的決策能(néng)夠實時地反映到現實生產活動中。虛擬與現實已不(bú)是(shì)存在簡單映射(shè)關係的“孿(luán)生體”,而是相互聯接、相互(hù)傳控、相互(hù)作用的(de)統一體。
     
      物理世界任何變化都會體現在虛擬世界,虛擬世界(jiè)任何(hé)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(zhì)能的生產製造方式。這將是虛擬製造的最高級(jí)階(jiē)段,也將是一個(gè)需要長期努力才能實(shí)現的生(shēng)產場景,其(qí)實現過(guò)程將會是長期、複雜並富有挑戰的。
    
      (二)製(zhì)造模式的(de)變革:從規模(mó)生產到定製生產,以數據的自動流動解決複雜(zá)製造係統的不確定性、多樣性和(hé)複雜(zá)性
    
      在當前全球產能(néng)過剩的(de)大環境下,企業麵對的產品和服務(wù)需求越來(lái)越(yuè)差異化、多元化、快變化,這大幅增加了研發設計、生產製造、產品服務(wù)等過程的不確定性、多樣性和(hé)複雜性(xìng),規模化、標準化(huà)、預製化(huà)的傳(chuán)統生(shēng)產方式(shì)已無法滿(mǎn)足日益增長的定製化需求。智能製(zhì)造關鍵在於承載著信息和知識(shí)的數據能夠沿著產品價(jià)值方向自(zì)由(yóu)流動,從而解(jiě)決製(zhì)造係統的不確(què)定性、多樣性和複雜(zá)性等(děng)問題。數據自動流動的背後需要製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(zhěng)性、及時性和準確性
    
      智能製造與傳統製造的本(běn)質區(qū)別在於,在生產製造過程中人員、機器、產品之間信息交流的(de)載體、方式、效率不同。智能製造的基礎是數字(zì)化,傳感器、智能(néng)裝(zhuāng)備和終端、工業網絡(luò)、工(gōng)業軟件的大量使用促進(jìn)了生產(chǎn)製造全過程的數字化,數據(jù)采集(jí)、傳輸、存儲、分析和挖(wā)掘的手段相比傳統製造更加豐富,大量蘊含在生產製造(zào)過(guò)程中的隱性數據不斷被采集、匯聚、加工,形成新的知識、決策,不斷優化製造資源的配置效率,數據的自動有序流動實現了物資流、資金流的高效(xiào)利用。
    
      當感知(zhī)無(wú)所不(bú)在,連接無所不在,數據一定無(wú)所(suǒ)不在。在信息化的背景下,數(shù)據正成為一種(zhǒng)新的資產,新的(de)資源和新的生產管理(lǐ)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(zī)金流的協同(tóng)水平和集(jí)成(chéng)能力,數據流動的(de)自動(dòng)化水平,決定了企業未來核心競爭力的來(lái)源。
     
      紅領集團能夠做到個性化定(dìng)製服裝的根本在於紅領內部建(jiàn)立(lì)了一個數據自動流動的生產體係,實現了數據的自動采集、自動傳(chuán)輸(shū)、自動處理、自動執(zhí)行,把(bǎ)正確的數(shù)據在正確的時間發送給正確的人和機器,解決了(le)生產定製(zhì)化過程中(zhōng)的不確定性、多樣性和複雜性。
   
      2 隱性(xìng)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(de)知識融入到各種載體,與專(zhuān)利、工藝、創新能力以及企(qǐ)業的know-how等一起(qǐ)成為工業(yè)知識的具體(tǐ)表現(xiàn)形式。智能製造推進過程中,流程和係統軟件是工業知識(shí)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(shí)的(de)軟件化,是對工業研發技術、生產工(gōng)藝、業務流程、員工技(jì)能、管理理(lǐ)念等知(zhī)識的邏(luó)輯化、數(shù)字化(huà)和模型化(huà),使得大量(liàng)隱性工業知(zhī)識被固化在各類軟件和信息係統中。
      
      工業知識的軟件化,一方麵,通過軟件完成大量(liàng)原本需要人參與的重複(fù)性工作,將人解(jiě)放出(chū)來去做(zuò)更高級、更具創造性的工作;另一方麵,通(tōng)過(guò)對記錄在軟件和信息係統中的數據進行分析和挖(wā)掘,利(lì)用機器學習等技術獲得新的知識。高質量的工業軟件是(shì)一個優秀製造企業核心競爭力(lì)的集中體現,波(bō)音、GE等企業擁有大量不為行業其他企業所(suǒ)掌握的工業軟件。波音在787研製(zhì)過程使用了8000多種軟件,其中有(yǒu)7000款(kuǎn)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——構築數據自(zì)動流動的規則體係
      
      美國國家標準與技術研究院(NIST)曾經提出,智能製(zhì)造就是要(yào)解決(jué)差異性更大的定製化服務、更小(xiǎo)的生產批量和不可預(yù)知的供應鏈變更。智能製造的一個重要任務就是應對製造複(fù)雜係統的不確定性,這種複雜性既來自於產品的複(fù)雜性,也來自(zì)於定製化(huà)生產等新(xīn)生產方式所帶來的製造成本(běn)、質量和效率的挑戰。從這個意義上(shàng)講,製造業數字化、網絡化、智能化的過程,就是要促(cù)使承載信(xìn)息和知識的數據在(zài)產(chǎn)品研(yán)發、生產計劃、生(shēng)產執行(háng)、市場營銷、售後(hòu)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(zì)動化解(jiě)決了製造係統的不確定性、多樣性和複雜性(xìng)等問題。
     
      實(shí)現數據的自動流動必須(xū)在虛擬空間構(gòu)建一個數據自動流動的規則體係,這套體係的核心是軟件。軟(ruǎn)件是算法的代碼化,算法是對現(xiàn)實(shí)問題解決方案(àn)的係統(tǒng)描述,是人類認識世界運行規律的思想結(jié)晶。仿(fǎng)真模型的核心是一套算法,排產計劃的核心是一套算(suàn)法(fǎ),搜尋引擎也(yě)是(shì)一套算法。賽博物理係統(CPS)是(shì)軟件(算法)的集成,是(shì)虛擬空(kōng)間與物(wù)理空間交互的實現載體,其本質是要打造“物理感知-虛擬控(kòng)製-虛擬驅動-物理執行”的數(shù)據閉環,構築數據自動流動的規則體係,應對製造係統的不確定性,實現製造資源的高(gāo)效(xiào)配置。更具體來講,製造過程數據的自動流動,是指在給定的時間、目標背景下,實現企業製造資源最優(yōu)化配置(zhì)的數(shù)據“自動”流動。數據在(zài)流動中產生知識、知識成為信息、信息成為(wéi)決策、決策優化資源配置。
     
      (三)製造係統的重建:從封閉體係(xì)走向開放體係,以網絡(luò)化協同實現製造(zào)資源局部優化向全局優化的演進
      
      製造業的數字化(huà)、網絡化、智能化,帶來了製造過程感知無所不在、連接(jiē)無所不在(zài)、數(shù)據(jù)無所不在,各種製造資源逐步形成一個相互作用的複雜係統網絡,製造業(yè)正在構造成(chéng)一個複雜係統(tǒng)。製造係統(tǒng)的演(yǎn)進將(jiāng)經曆從單個係統、局部係統向全局係統拓展,從企業內部、產業鏈延伸(shēn)到全社(shè)會,不斷突破地域、組織、機製的界限,實現對人才、技術、資金等資源和要素的高效整合,從而帶動(dòng)產品、模式和業態創新。製造係統演進的(de)過程,是網絡化(huà)協同生產不斷深化的過程,是從封閉係統不斷走向開放的過程,其將經曆三個階段:
     
      1 從部門級協同(tóng)到企業級協同
      
      傳統組織的邊界是(shì)資源管理、優化的邊界,製(zhì)造資源的數字化、網絡化為打破部(bù)門邊界,重建企業內部(bù)資源(yuán)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台的普及,有效整合企業內部研發設計資源,也在加速重構企業(yè)傳統的研發模式、重建企業創新業務的邊界。
    
      當前,許(xǔ)多企業研發的定位正在從基於產品功能和性(xìng)能的(de)研發,向物料可采購性、客戶需求(qiú)實時響應性、產品可維護性、產品可盈利性轉變;研發參與(yǔ)主體從單純的研發部(bù)門向製造、采購、營銷等(děng)其他部門拓展,突破了原有研發部門的(de)邊界;研發創新的流程從串行向(xiàng)並行轉變,大大縮短了研發周期、提高了(le)研(yán)發效(xiào)率。華為借助協同研發平台(tái)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(dù)低、產品方向決策失誤頻繁、版本混亂、開發效率低等諸多問(wèn)題,實現了由技術驅(qū)動向客(kè)戶需求驅動的轉變。
   
      2 從企(qǐ)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(jiàn)一個麵向產業(yè)鏈目標一致、信息共享、資源與業務高效協同的跨企業(yè)生(shēng)產體係,是許多企業麵臨的(de)共同挑戰。伴隨著信息技術(shù)應用不(bú)斷深化,傳統製造企業與產業鏈上下遊企業(yè)的業務協同不(bú)斷地被在線(xiàn)化、網絡化,企業(yè)級的業務協同正在(zài)向產業鏈級的業務協同演進,企業內部(bù)的協同研(yán)發創新平台、供應鏈(liàn)管理平台等不斷(duàn)向產業鏈上下遊拓展,實現跨企業業務係統的互聯、互通、互操作,不斷提升麵向最終客戶(hù)的產(chǎn)品和(hé)服務的質量和效率。
       
      無論是美國波音研製787、洛克希德·馬丁研製(zhì)聯合攻擊戰鬥機(JSF),還是中國商飛研製C919,都構建了麵向供應商的網絡化協同研發(fā)平台,實現了多國、多地、多(duō)家研發人員的協同,其本質是企業信息係統集成邊界的拓展,是企業資源優化的邊界(jiè)從內部走向全產業鏈、從封(fēng)閉走向開放。
    
      3 從產業鏈級協同(tóng)到構築產業生態(tài)
     
      製造業(yè)數字化、網絡(luò)化步(bù)伐加快,不僅僅推動傳統產業鏈(liàn)合作從線下走(zǒu)到線上,而且不斷催生出新的網絡化協同製造的新(xīn)業態、新(xīn)模式,從產業鏈(liàn)級的協同向構築產業生態演進。航天雲網平(píng)台、GE的Predix平(píng)台、西門子的MindSphere雲平(píng)台體現了產業生態的發展方向。
     
      這種麵向智能製造的產業生態正(zhèng)在不斷催生(shēng)出網絡化協同製造的(de)新(xīn)模式,它與傳統的協同製造的不同(tóng)表現在三個方麵:一是企業間(jiān)合作模式從傳統(tǒng)的確定性的長期固定合作向不確定性隨機合作演進;二是(shì)網絡協同平台的功能從傳統的業(yè)務(wù)協作平台向產品、要素、能力的交易平台演進;三是網絡協同平台從傳統研發(fā)、供應鏈協同向製造、產品全生命管理等業務協同演變,從線性協(xié)作走(zǒu)向網絡協作(zuò)。這將意味著網絡化協同製造(zào)2.0時代的到來。

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