很多企業(yè)開始宣稱“軟件定義自動(dòng)化”、“軟件定義制造業(yè)”。其實(shí)，早在2013年，美國著名的媒體連線(Wired)就以更為宏大的敘事制造了“Software Define X”這個(gè)詞。當(dāng)然更早的是斯坦福大學(xué)在2006年就提出了“Software Define Network-軟件定義網(wǎng)絡(luò)”，然后“軟件定義汽車”等各種概念就出來了，今天人們開始高呼“軟件定義制造”、“軟件定義自動(dòng)化”。軟件定義是有意義的，因?yàn)樗暮诵囊荚谟谟密浖響?yīng)對(duì)變化的世界。

“自動(dòng)化以后是個(gè)吃軟飯的行業(yè)”。—覺得這是個(gè)好話題，一直試圖去描述這個(gè)話題。今天，大家說軟件定義制造、軟件定義自動(dòng)化，其實(shí)，通俗地說，就是我們自動(dòng)化行業(yè)越來越多靠軟件贏得未來的生存。

實(shí)際上，自動(dòng)化早已是一個(gè)由RTOS、行業(yè)工藝軟件、網(wǎng)絡(luò)連接、HMI、AI、標(biāo)準(zhǔn)化如PLCopen構(gòu)成的軟件系統(tǒng)。而圖1則是在十多年前就繪制的一個(gè)關(guān)于“軟件價(jià)值”體系的描述。

圖1-自動(dòng)化的軟件價(jià)值體系

那個(gè)時(shí)候，我們繪制這個(gè)的核心敘事在于“軟件構(gòu)成了核心競爭力”—但這個(gè)敘事是給用戶來說明，他們的機(jī)器中差異化競爭力來自軟件，這里核心在“工藝”。也就是之前我和“工業(yè)軟件”群經(jīng)常談到的一個(gè)話題，即，除了看得到那些以產(chǎn)品形式存在的工業(yè)軟件，還有大量尚未受到足夠重視的。即，隱藏在嵌入式系統(tǒng)里，每臺(tái)機(jī)器里的軟件，以及生成這些軟件的軟件。自動(dòng)化行業(yè)里，平臺(tái)工具軟件如Automation Studio、Portal、Logix、EcoStructure、TwinCAT等。

之所以軟件定義，是因?yàn)閂UCA這個(gè)詞所描述的世界正在悄然發(fā)生，且更加加劇—以消費(fèi)世界為例，它的各個(gè)維度的改變正在給制造業(yè)帶來極大的難題—在理想狀態(tài)下，企業(yè)自然希望通過極致的規(guī)模化來攤銷成本，進(jìn)而獲得極致的成本優(yōu)勢。如圖2，VUCA帶來了復(fù)雜性，需要得到有效的解決，數(shù)字化被賦予了重任，這個(gè)也就以各種軟件的形式來實(shí)現(xiàn)。



圖2-VUCA時(shí)代數(shù)字化的意義

在一個(gè)產(chǎn)品需求更為復(fù)雜的時(shí)代，讓制造企業(yè)，尤其是那些代工企業(yè)，他們會(huì)必須面對(duì)眾多的產(chǎn)品需求，這些需求還特別的碎片化。并且，還需求特別的著急，因?yàn)槿藗兞?xí)慣了明天就能收到貨，如果是后天就可能放棄購買。

軟件定義制造的不斷演進(jìn)
運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品變化的生產(chǎn)。所以，一種靈活的、可重配置的產(chǎn)線是迫切的需求—這個(gè)通過傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)整，就會(huì)非常的慢，且成本高昂。因此，制造業(yè)的自動(dòng)化一直在尋找更為妥善的解決問題的辦法。這樣，就產(chǎn)生了靈活的機(jī)器來改變配置，機(jī)器的控制+伺服控制就成為了必然的選擇。在30年前，在機(jī)器里采用伺服電機(jī)，是為了實(shí)現(xiàn)更高的加工精度和速度，但在很多機(jī)器上，伺服電機(jī)并不在同步時(shí)工作，而是在機(jī)器換單的時(shí)候，對(duì)機(jī)器進(jìn)行調(diào)整。例如，裁切刀的刀輥換成伺服驅(qū)動(dòng)，這樣，裁切尺寸變化的時(shí)候僅需參數(shù)設(shè)置即可執(zhí)行新的裁切任務(wù)—當(dāng)然，這里的伺服電機(jī)本身是作為一個(gè)同步軸的，它會(huì)跟隨被裁切紙張的尺寸。但是，在印刷機(jī)的斜拉版、壓印力調(diào)節(jié)、機(jī)械的機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，在瓦楞紙的換刀、書刊膠裝/騎馬訂等場景里，伺服電機(jī)僅在需要更換規(guī)格時(shí)動(dòng)作。然后不參與同步的電子齒輪、電子凸輪等動(dòng)作—這里大量伺服電機(jī)的使用就是為了靈活的應(yīng)對(duì)產(chǎn)品規(guī)格的變化。



同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)這些機(jī)械加工的效率，又實(shí)現(xiàn)了連線生產(chǎn)，像飲料的吹灌旋貼，開清棉、長流程的離散制造都在實(shí)現(xiàn)這樣的連線，中間更多使用機(jī)器人、AGV是為了提高效率。因?yàn)椋仨毎褤Q單造成的那些時(shí)間損失都得彌補(bǔ)過來—這個(gè)時(shí)候就需要通過網(wǎng)絡(luò)來把整個(gè)機(jī)器連接起來，而不是用硬接線的方式來實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)同步。通信就成為了實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵一環(huán)，而這些機(jī)器可以通過這種統(tǒng)一的通信連接實(shí)現(xiàn)同步，在軟件層，對(duì)這些參數(shù)的上下行進(jìn)行讀寫就成為了機(jī)器配置的關(guān)鍵。



圖3-連線生產(chǎn)，從印刷到書刊輸出

運(yùn)動(dòng)控制的問題是它主要在機(jī)器內(nèi)，例如定位主要解決單點(diǎn)的問題，同步也僅解決多個(gè)軸的關(guān)系，但它無法解決在機(jī)器和機(jī)器之間的輸送這個(gè)難題。

磁懸浮輸送解決機(jī)器-機(jī)器間的可定義性
進(jìn)一步的，人們發(fā)現(xiàn)控制主機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟件定義的任務(wù)編排，網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流動(dòng)和交互的接口，但機(jī)械的輸送還是個(gè)難題—當(dāng)年，CIMS/FMS這些其實(shí)就因?yàn)檫@個(gè)原因，無法被有效的運(yùn)行。因此，才產(chǎn)生了柔性輸送系統(tǒng)，即，現(xiàn)在被稱為磁懸浮輸送的系統(tǒng)，它打通了最后一個(gè)難以被“軟件定義”的環(huán)節(jié)。通過“電-磁”轉(zhuǎn)換，將傳輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)為可以被軟件定義的“單件流”、“連續(xù)流”—這符合精益對(duì)于產(chǎn)線的編排需求，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)排隊(duì)、配合加工等，可以讓物料流動(dòng)、配合加工成為一個(gè)被軟件快速可重配置的形式。這進(jìn)一步推進(jìn)了軟件定義制造的可能，如圖3所示。



圖4-運(yùn)動(dòng)控制從一維增加到六維

因此，伺服電機(jī)、機(jī)器人、磁懸浮輸送解決了產(chǎn)線中的局部修改，以及在機(jī)器間物料流的解決。

通信-解決協(xié)作中的信息流
在軟件層面，人們實(shí)現(xiàn)了加工過程的狀態(tài)建模來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的重組—用軟件的“編排”來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的重組。之所以，采用狀態(tài)模型，就是因?yàn)樗梢员贿壿嬀幊獭Ｏ馪ackML、JDF、ISA-95、IEC61850、Unimat等垂直行業(yè)的規(guī)范，就是為了能夠?qū)@些生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)一的行規(guī)設(shè)計(jì)—這樣就可以快速的參數(shù)下發(fā)。而新的MTP則是針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)范，來實(shí)現(xiàn)工廠的管理層任務(wù)解析并下發(fā)—可以通過OPC UA來實(shí)現(xiàn)這些通信的連接與數(shù)據(jù)的封裝，提供了一個(gè)統(tǒng)一的框架。

圖5-PackML協(xié)作橫向與縱向的機(jī)器聯(lián)網(wǎng)

物理建模與AI-解決知識(shí)的復(fù)用問題
對(duì)于制造業(yè)，如果每次都要對(duì)一個(gè)任務(wù)進(jìn)行編程，或者對(duì)于一些知識(shí)都要重新組織，那么工作量還是很大的。為了把知識(shí)進(jìn)行有效的復(fù)用，工程師們就開始想在知識(shí)封裝上下點(diǎn)功夫。

在知識(shí)的挖掘的幾個(gè)典型范式里，人們經(jīng)常把遠(yuǎn)古時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)定義為人的天賦來實(shí)現(xiàn)的。而基于笛卡爾的方法論以及牛頓、萊布尼茲這些偉大科學(xué)家在第二個(gè)階段，人們開始將物理的公式作為解決問題的思路。而在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，這些物理模型的驗(yàn)算就成為了計(jì)算機(jī)要去干的事。但是，這種基于物理知識(shí)的畢竟是有限的，它需要先驗(yàn)知識(shí)和已有的數(shù)據(jù)積累，才能更為精準(zhǔn)的模型。而這無法滿足越來越復(fù)雜的世界對(duì)于知識(shí)的苛求。那么，新的范式，基于AI就成為了一個(gè)必然的選擇。



圖6-MapleSim的張力控制建模與仿真

再進(jìn)一步，人們又發(fā)現(xiàn)這些系統(tǒng)由于過于復(fù)雜，且存在很多“不可見的深淵”—即，在復(fù)雜的系統(tǒng)里，他們會(huì)產(chǎn)生效率無法被最優(yōu)的問題。因?yàn)椋瑥?fù)雜系統(tǒng)，它的路徑規(guī)劃會(huì)形成非常多的組合，這無法被人用公式來計(jì)算—因?yàn)椋@是一個(gè)“陷阱”，就是被窩在系統(tǒng)里的能力，它無法被有效的發(fā)掘。包括引發(fā)生產(chǎn)產(chǎn)品品質(zhì)的干擾因素，例如相關(guān)性的、隨機(jī)誤差造成的無法被有效的觀測和梳理。這就使得人們尋求通過“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模”來挖掘這些背后的規(guī)律。產(chǎn)生了對(duì)人工智能的需求—而人工智能，則又是一個(gè)軟件。

軟件的模塊化-實(shí)現(xiàn)知識(shí)復(fù)用
用高級(jí)語言封裝算法，且構(gòu)建出“高內(nèi)聚、低耦合”的應(yīng)用模塊，然后讓這些模塊快速重組，來搭建整個(gè)機(jī)器的應(yīng)用程序。這個(gè)就是要用模塊化的軟件開發(fā)來實(shí)現(xiàn)—但是，自動(dòng)化它所面對(duì)的機(jī)電又是一個(gè)高耦合的領(lǐng)域，因此，基于物理建模的方法在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后就開始被大量使用



圖7-軟件工程的模塊化思想

在軟件工程領(lǐng)域，著名的工程師Fredric在70年代，覺得軟件正在陷入泥潭—后來隨著模塊化技術(shù)的普及，軟件的危機(jī)在被解決。在制造業(yè)同樣如此，人們通過模塊化來實(shí)現(xiàn)機(jī)器的快速軟件重組。

AIGC編程-讓工程邁入更為靈活的時(shí)代
隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷提高，我們要面對(duì)各種各樣的算法、AI分析、界面等，程序會(huì)變得越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)的編程即使是增強(qiáng)模塊化，仍然不夠，因?yàn)樗拈T檻也比較高，尤其是機(jī)電工程領(lǐng)域。

AIGC編程就成為了一個(gè)潛在的方法，因?yàn)椋鼤?huì)繼續(xù)使用原有的知識(shí)、模塊來為工程師快速搭建架構(gòu)，進(jìn)行“按需”軟件設(shè)計(jì)。盡管它目前尚不是很完善，這里，尤其是指制造領(lǐng)域的機(jī)器和產(chǎn)下，但，如果能夠定義統(tǒng)一的規(guī)范進(jìn)行約束，那么，相信它的準(zhǔn)度、深度進(jìn)一步發(fā)展。其可用性會(huì)更高。

據(jù)此發(fā)展下去，軟件未來自動(dòng)生成軟件，自動(dòng)化工程師則將成為一個(gè)顧問，或者一個(gè)“橋梁”，它連接用戶端模糊、不確切的需求，以及組織復(fù)雜的機(jī)電工藝之間的“關(guān)聯(lián)”與“架構(gòu)”。即，未來需要的是機(jī)電、工藝系統(tǒng)的“架構(gòu)師”，而不是“Coder”。

基于建模的開發(fā)與模型交互
但是，這個(gè)還不夠，畢竟，在機(jī)電領(lǐng)域里，不如純軟件領(lǐng)域那么方便。太過于碎片化，因此，采用物理仿真的自動(dòng)代碼生成也成為了一種辦法-Mathworks就在2008年推出了為自動(dòng)化領(lǐng)域的工程師們開發(fā)的SimulinkPLC,通過C代碼的生成來實(shí)現(xiàn)模塊的生成。Modelica組織則試圖在不同的機(jī)械軟件間進(jìn)行模型的數(shù)據(jù)互換，開發(fā)了FMU/FMI接口，這個(gè)不僅在純的CAD/CAE軟件之間，也在物理建模和自動(dòng)化軟件間進(jìn)行了這樣的接口。當(dāng)然，后續(xù)OPC UA會(huì)接續(xù)這個(gè)模型，使得其更為廣泛的連接到不僅基于模型工程（MBE）的領(lǐng)域，如云端系統(tǒng)、垂直領(lǐng)域的軟件之間的接口數(shù)據(jù)統(tǒng)一。

因此，我們可以看到，要實(shí)現(xiàn)“軟件定義制造”。想吃上軟飯，這個(gè)鏈條里的基礎(chǔ)操作系統(tǒng)、硬件的嵌入式軟件、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)到多業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)的匯集、行業(yè)規(guī)范、數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件、開發(fā)工具、AI、云端，這一切都需要進(jìn)行有效的組織，形成有機(jī)整體，這個(gè)事情才能真正被實(shí)現(xiàn)。

軟件定義制造的未來的難題？
軟件定義制造，就目前看，還有很多現(xiàn)實(shí)的難題需要突破。真正想吃上軟飯，還是需要解決一些關(guān)鍵的問題，并非僅僅技術(shù)的。

誰為這些軟件買單？
軟件必須成為一種有效的盈利模式，硬件可以統(tǒng)一設(shè)計(jì)制造，由OEM/ODM廠商來代工生產(chǎn)。而每個(gè)企業(yè)的競爭力將由是否能夠解決特定問題，實(shí)現(xiàn)以軟件、服務(wù)為主的盈利。

要真正實(shí)現(xiàn)“軟件定義制造”，就必須確定軟件的價(jià)值，并將軟件成為一種嚴(yán)格封裝的，知識(shí)產(chǎn)權(quán)邊界明晰的產(chǎn)品。且，能夠獨(dú)立的運(yùn)行在跨平臺(tái)的系統(tǒng)上。

要實(shí)現(xiàn)真正的軟件定義制造，有幾個(gè)方面必須做到：
①軟件的獨(dú)立性，為了解決這個(gè)問題，在IT業(yè)界采用了包括容器技術(shù)、Docker等各種方案，這些方案對(duì)于IT系統(tǒng)架構(gòu)在統(tǒng)一的硬件上而言，相對(duì)比較容易。因?yàn)椋冘浖袠I(yè)，他們的規(guī)范性是足夠的—而在制造業(yè)，這個(gè)軟件的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)就由于過于強(qiáng)耦合的硬件、操作系統(tǒng)，而難以真正做到隔離。

因此，未來的自動(dòng)化系統(tǒng)，它應(yīng)該是操作系統(tǒng)更為通用，例如采用Linux，RT-Linux，且實(shí)現(xiàn)與開發(fā)環(huán)境的剝離。應(yīng)用軟件可以脫離廠商的硬件，在通用的硬件上來實(shí)現(xiàn)部署，例如你可以把它部署在嵌入式系統(tǒng)，也可以在PC、服務(wù)器、云端。

②軟件必須是可以被獨(dú)立銷售的
這個(gè)環(huán)境似乎目前還不能看到，只是有些端倪，畢竟，長期依靠硬件吃飯的行業(yè)，真的把軟件剝離出來，會(huì)傷害既得利益者的盈利能力。這是IT業(yè)界進(jìn)入制造業(yè)一直試圖去顛覆的，盡管這個(gè)步伐看上去很難。這也是制造業(yè)的特殊環(huán)境—因?yàn)椋煽啃浴⒎€(wěn)定性的需求是基礎(chǔ)需求。

但是，這并非不可完全解決，即，純粹的硬件廠商+IT的能力，因此，這個(gè)時(shí)候，自動(dòng)化和這些試圖進(jìn)入制造現(xiàn)場進(jìn)行顛覆的人就產(chǎn)生了沖突。那么，這就會(huì)看誰更能堅(jiān)決的帶來商業(yè)價(jià)值。但，作為自動(dòng)化領(lǐng)域的廠商必須去開放的接受這個(gè)事實(shí)，依靠硬件或軟硬結(jié)合的方式肯定是個(gè)能吃5-10年的，至于再過10年后，會(huì)發(fā)展成什么樣，就不好說了。

③統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的建立
為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)層級(jí)的軟件的南北向數(shù)據(jù)、東西向數(shù)據(jù)的打通，統(tǒng)一規(guī)范是必須的。這個(gè)規(guī)范究竟是什么？是OPC UA嗎？目前這是個(gè)選擇，但也未必就是唯一的選擇，當(dāng)然，OPC UA可以把各種選擇都給納入它的框架之下。因?yàn)椋cIT那些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范具有先天的工程思維。

可能制造業(yè)會(huì)不同，相對(duì)比較嚴(yán)格的—現(xiàn)在的很多標(biāo)準(zhǔn)尚未被有效的使用，就是因?yàn)樵趯?shí)際的“智能連接”上需求尚未真正達(dá)到一致。因此，很多概念僅在前沿的企業(yè)那里會(huì)看到雛形，或者試驗(yàn)型產(chǎn)線。

在各個(gè)軟件間形成快速的接口數(shù)據(jù)交互、以及程序間的交互—就像MTP，如果自動(dòng)化廠商都遵循MTP，那么，當(dāng)產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行了修改，它也可以被下發(fā)給不同的PLC，并且，寫入變量中，或自動(dòng)讀取。如果AIGC編程也能按照這個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)來定義對(duì)象、數(shù)據(jù)格式，那么是否意味著，即使是它生成的程序，也可以被PLC直接讀取呢？這個(gè)約束機(jī)制，本身就是一個(gè)探索過程，但，用“規(guī)則”約束自動(dòng)編程系統(tǒng)。在可行性上可以進(jìn)行探索—軟件自動(dòng)構(gòu)造的方法，既可以通過系統(tǒng)建模、語言建模、軟件接口、模型接口—至于那種方法更好，可能通過多個(gè)接口和機(jī)制的聯(lián)合行動(dòng)，大家也是可以做到最終的交互。



圖8-MTP用于在氫電解槽系統(tǒng)里協(xié)作

在圖這個(gè)架構(gòu)里，電解槽相關(guān)的水處理、變流器、壓縮機(jī)、電解槽、干燥系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)之間會(huì)形成一個(gè)整體。當(dāng)系統(tǒng)需要更新數(shù)據(jù)和升級(jí)配方，則會(huì)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)下發(fā)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的升級(jí)。

這些工具的最佳組合—會(huì)被探索出來，例如，在通信接口方面，模型交互方面，其實(shí)，不必完全構(gòu)造，而是讓系統(tǒng)學(xué)會(huì)各個(gè)接口規(guī)范，并讓程序按照這個(gè)接口來實(shí)現(xiàn)—反倒，這個(gè)可能對(duì)于推理強(qiáng)的AI更容易掌控局面。因?yàn)椋覀円龅奶珡?fù)雜的時(shí)候，人反倒是難以實(shí)現(xiàn)的—但，人可以為機(jī)器提供校驗(yàn)，它還會(huì)學(xué)會(huì)你的校驗(yàn)過程。

④自動(dòng)化還得是個(gè)咨詢公司
前面提到，如果我們希望做到軟件定義制造，而又有AIGC編程、模型交互、模塊化設(shè)計(jì)，凡此種種。我們也說了，這個(gè)能夠讓機(jī)器和系統(tǒng)更快的自動(dòng)構(gòu)造。而這個(gè)時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，最為重要的不再是編程，設(shè)計(jì)，而是“架構(gòu)”，即，用戶的需求到實(shí)現(xiàn)之間的這個(gè)橋梁。

將用戶需求翻譯為機(jī)器可實(shí)現(xiàn)，這并非易事。因?yàn)椋说男枨笸悄：淮_定的，且存在隱藏的、沒有被發(fā)現(xiàn)的—甚至提出需求的人自己也不清楚。

那么，這個(gè)時(shí)候，其實(shí)特別需要具有“咨詢顧問”能力的工程師來解決這個(gè)問題。即，它能夠梳理需求的邏輯，并能對(duì)需求進(jìn)行精確的定位，并且，能夠關(guān)聯(lián)機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣、工藝、AI分析之間的關(guān)系，它能夠把它表達(dá)為Prompt去給AI系統(tǒng)。讓它去實(shí)現(xiàn)，然后還能給它的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行修正。

這可能不是一個(gè)工程師能完成的，而是一個(gè)由多個(gè)人和跨企業(yè)專家構(gòu)成的團(tuán)隊(duì)，但這個(gè)團(tuán)隊(duì)需要具有咨詢顧問的提問、分析能力—它不止于跨學(xué)科，還跨職能去實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的組織。

⑤知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)
要想真正實(shí)現(xiàn)軟件定義制造，那么，在知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面，就必須有非常強(qiáng)的機(jī)制。當(dāng)然，這種機(jī)制不一定是法律的機(jī)制，也可以是技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，配合法律法規(guī)。

這里也會(huì)牽扯到非常多的權(quán)利問題，即，數(shù)據(jù)權(quán)屬問題、知識(shí)的歸屬，以及復(fù)制的權(quán)限。包括信息安全保護(hù)機(jī)制確保數(shù)據(jù)資產(chǎn)的安全。

所以，這個(gè)吃軟飯，能成為一種穩(wěn)定的飯票，還需要很長的時(shí)間發(fā)展。從目前來看，這個(gè)方向有端倪，但尚未到真正意義“軟件定義制造”。

作者：宋振華