赵敏:软件定义制造——重新认识工业要素(附PPT)

赵敏:软件定义制造——重新认识工业要素(附PPT)

【@工业互联网研习社 导读】

软件不可见,它为控制而生,因计算而用,随通信而兴。

智能制造的五个基本特征:“人智”转“机智”、传感器低价普及、软件定义制造、真正两化融合(软件闭环)、大范围优化配置制造资源。

以工业为主体,以ICT为辅助,这是工业转型升级的基本定位。

文 | 走向智能研究院执行院长 赵敏

来源|走向智能研究院

各位业内朋友,大家晚上好!今天我讲课的主题是,软件定义制造——重新认识工业要素。

1、走向智能丛书

赵敏:软件定义制造——重新认识工业要素(附PPT)

之所以讲这个题目,是因为我和国内著名智能制造专家、本次公益讲坛的第三位授课专家宁振波先生,在过去一年多的时间里,一起合写了一本书,书名就是《铸魂——软件定义制造》。宁总在讲座中专门提到了这本书。上次宁总讲到的一部分内容,和我今天讲的大部分内容,都出自这本书。

在中美贸易战发生的两年时间里,中国有的企业被打压得只剩一口气,有的企业还在以一企之力在顽强地抗击世界上唯一的超级大国。残酷的现实已经让绝大部分国人都看到,中国的工业现状是“缺芯少魂”的,芯片之心,软件之魂,缺少了这两样战略性的工业要素,中国的制造业是无法有效运转的。

显然,工业软件就是今日工业之魂,是工业的新要素。这就是我们把书名定名为《铸魂》的最重要原因。目前这本书已经在由机械工业出版社华章分社做最后的排版工作,预计在三月下旬就可以与大家见面了。

软件定义制造,这个题目很不好讲。如果我讲得不好,大家听得不爽,请多多包涵,并多多批评指正!

在2017年还参加了信软司谢司长亲自组织的一个研究项目“软件定义的理念与技术路径研究”软课题项目,因此有了一定的理论准备和技术研究。另外,参加过2018年中科院在科技会堂,由梅宏、丁汉两位院士发起组织的“软件定义制造业”会议的朋友们可能都还记得,那可能是中国的第一个冠名以“软件定义制造”主旨的研讨会。

会议研讨很热烈甚至激烈。我也在讲演中发表了我对“软件定义制造”的一些技术和学术上的看法。基于这两个原因,再加上我和宁总都在工业软件这个领域干了38年,一路看着工业软件是如何发展的,是如何应用的,是如何以丰富多彩的形式“定义”了无数的工业产品的。因此,我们从2018年后半年就进入了写书的过程。

软件本身比较抽象,从来没有人能够看得见、摸得着一个软件。因为,从形态上说,它无形无态,没有任何人能够直接看到软件的存在状态,只能在屏幕上间接看到它的外在表现形式;从存储上看,它实际上就是一系列按照一定模式或模型组成的二进制数据,存在硬盘上,或常驻在内存里;从作用上看,软件生成的特定指令代码,既可以驱动显示器/打印机等外设,也可以直接送到物理设备的控制器来操控设备;从传输上来看,软件本身和软件生成的数字产品可以跨越时空界限被传输到任何赛博空间能够覆盖的范围。

说到软件程序指令如何操控物理设备。我给大家将一个50多年前的故事。从这个故事开篇,大家会比较容易理解我今天讲的全部内容。

2、 女程序员故事

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大家都知道,在60年代美苏太空竞赛打得是不可开交。于是美国制定了著名的阿波罗登月计划。从绕月到登月,逐步推进,向月球进发。

1968年12月21日,执行绕月任务的阿波罗8号飞船升空第5天,宇航员犯了一个重大错误,误操作删除了所有导航数据,这样飞船就无法返航了。从太空到地面,所有相关人等都快急死了。玛格丽特带领MIT的程序员们连夜奋战9小时,设计出了一份新导航数据并经由巨大的地面天线阵列上传到阿波罗8号,让它顺利返航了。

1969年7月20日,阿波罗11号飞船登月前,危机再次发生。我们今天随便一个电脑都有几个TB硬盘,十来个GB的内存。但是,当年的电脑可没有这个福气,计算速度极慢,存储空间很小,整个电脑系统只能存储12K字节数据,临时存储空间仅1K字节。飞船登月前几分钟,电脑出问题了,因频繁过度的计算,电脑系统几乎临近崩溃。正是玛格丽特首创的“异步处理程序”软件,让阿波罗11号学会了“选择”:当电脑运行空间不足时,把最宝贵的存储空间只留给最关键的登月任务,其它任务暂停,由此而让登月舱成功降落在月球表面。

3、软件为控制而生

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从绕月到登月,玛格丽特写的软件有序地控制了飞船,把人类首次送上月球。用软件程序通过赛博空间来远程控制物理设备,在1969年就已经实现了。以程序化指令不限时空控制物理设备,其实一直是软件的终极使命。

今天看来,上述代码数量与现在先进设备中的代码数量相比,简直是微不足道。航太领域本来就是工业皇冠上的明珠,是国际上先进软硬件技术的发源地。普通人可能会惊讶和欢呼于载人航天的成功和人类首次登月,但是对于这些看不见、摸不着的软件在其中所起的“灵魂”般的控制作用,基本上是不了解的。我认为,玛格丽特当年开发的软件,其意义不仅在于挽救了阿波罗登月计划,从今天的视角来看,这个事情的意义尤其伟大——玛格丽特走通了一条对当今工业来说极其重要的技术路径:软件可以在赛博空间中,不限时空地传输和安装,不限时空地运行其中的指令,不限时空地传输源于人脑的数字化知识,体现人类设定的思考逻辑和执行过程,让遍布各处甚至远在天边的物理设备按照人类意愿工作。

转眼之间,半个世纪过去了。当传输软件的赛博装置从地面巨大的天线阵列,与48万公里之外的航天器之间的点对点传输,也就是把图中的虚线所示的通过电磁波的数据传输路径,变成无处不在的互联网数据传输,而且可以随时上传下载软件时,软件就已经向着“泛在化”大举进军了。请大家注意,我们平时经常遇到的时空限制,即过去我们看不见、听不到、摸不着的那些出现信息障碍的场景,被软件和网络打破了!远处的物理设备的真实工况,现在都可以看见、听到、摸着了。今天的智能制造、工业互联网也就有了坚实的技术基础和发展道理。

软件不可见,它为控制而生,因计算而用,随通信而兴。也必然因融入了工业,成为了新兴工业要素,而带来软件业的再次蓬勃发展,再次喷发。

4、 人工愚蠢系统

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从第一次工业革命以来,人类制造了无数的机器设备等人造系统。它们的起点,就是一种“人工愚蠢”设备,例如最常见的、由金属、非金属构建的绝大部分机器设备,你用手拍它,用脚踹他,你叫它的名字,它都不会有任何的反应。这就是在第二讲中朱铎先董事长提到的“聋哑瞎傻”的设备。我用“人工愚蠢”这个说法,是相对于所谓的人工智能术语的一种通俗的说法,让大家加深印象,一下子形成强烈对比。以“人工愚蠢”产品作为起点,有助于人们思考与真正的人工智能产品之间,还有多大的距离,还有多长的路要走。

5、愚蠢系统增智

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的确,在近十年我们看到,人工愚蠢产品,正在逐渐缩短与人们心目中想象的人工智能产品的距离。从第三次工业革命开始,人工愚蠢产品已经逐渐变成了人工弱智产品,人工聪明产品——这就是前面朱总、宁总在讲课中都解读过的“Smart Manufacturing(智巧制造)”的基本含义。下一步,第四次工业革命,就是要把绝大多数的人工弱智产品,极少量的人工聪明产品,都变成人工智能产品,甚至是新一代人工智能产品。这是一个漫长的、多智能形态共存的变化过程。

6、 制造业+ICT

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变化其实是从一点一滴的改变开始的。自从1969年,以数字化/信息化为标识的第三次工业革命开始之后,PLC这种带有程序编码的“可编程逻辑控制器”诞生了。于是,芯片、软件、网络、传感器等ICT要素不断进入了机器设备。

用时下比较时髦、高大上的说法来说:制造业与新一代信息技术发生了深度融合。由此机器设备开始装了一两个传感器,某些运动部件就不那么聋、不那么瞎了,具有了一点点的感知、分析和判断能力,改变了过去“聋、哑、瞎、傻”的人工愚蠢设备的状态。机器逐渐变得聪明起来。智能制造的呼声越来越高。

7、各国新工业革命

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说到智能制造,大家都知道,不同的国家有自己对新工业革命的不同的理解和一套术语,例如德国政府在2013年正式提出工业4.0、美国政府提出“制造业美国”、2016年日本政府提出“工业价值链”、GE公司提出工业互联网,法国政府提出“新工业法国”、英国政府提出“工业2050战略”、中国政府提出“中国制造2025”等等。这些不同的工业转型升级战略,说法上有所差异,内涵上各有千秋,但是,其共同指向与核心实质,就是“新工业革命”。中国的新工业革命的纲领性文件是“中国制造2025”,其中指出,两化融合是主线,智能制造是主攻方向。因此,中国的新工业革命的总名称,就是智能制造。

8、 理解智能制造

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智能制造,顾名思义,一是智能,二是制造。

制造乃经济之源,立国之本,作用于物质原子,只有物理层面的原子级别的作用,才能真正支撑起工业天量的躯体,因为任何的设备都需要以原子构成的材料作为基础,没有了材料,就没有了产品和生产设备,就没有了制造基础。就如同这次抗击新冠肺炎,口罩和防护服成为了抗击疫情的必备战略物资,制造口罩和防护服的机器成为了最抢手的生产设备。

智能乃是基于软件所蕴含的人类智力成果和知识精粹,这些知识精粹包含了各种机理模型、推理规则和经验数据,它们承载于比特数据,以巧妙的公式、精准的算法、最优的迭代过程,进行了高速计算。计算后的结果,是比特数据流承载了数字化信息,表征了数字化知识,通过软件定义的规则所形成的比特数据流的自动流动,把数字化信息、数字化知识带到任何一个产品或设备终端,让软件中的数字化知识指导机器和人做正确的事情。于是,比特和原子携手,IT和OT交汇,赛博系统和物理系统融合,融合的结果就是产生了赛博物理系统(CPS)。CPS作为一种使能技术,让赛博中的数字虚体在软件定义的作用下,更精准地控制物理实体的形状和运动。

我和宁总做了一个预测,未来的智能制造,应该是每一个原子都可以被软件给出的比特数据精准控制的制造。这种控制体现在机器、材料的构成和运动方式上,比特数据将会恰当的安排和控制每一个原子的位置,以及原子之间的相对位置,会精准地控制每一个零件的形状和属性,精准地控制各个零件所在位置,还会精准地控制这些零件之间的相互运动以及耗能等。

9、五大基本特征

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我和宁振波一起梳理了以智能制造为主攻方向的新工业革命内涵,总结了智能制造的五个基本特征:

“人智”转“机智”——人类的智力成果总和,简称人智,以知识的形式不断进入软件,知识载体由以碳基知识为主转向以硅基知识为主,数字生产力激增,在产品、设备中软件所承载的知识(包括各种机理模型、推理规则、经验数据、最佳参数等),简称为“机智”,人工愚蠢的机器开始变得具有一定的智能;

传感器低价普及——最佳十年,各种传感器的价格下降了很多,产品、设备安装了传感器,相当于为产品增添了“五官”,极大增强了产品和设备的感知能力,物理设备的各种关键工作参数(如温度、压力、流量、速度、振动等),都变成了二进制比特数据,物理信息加速数字化;

软件定义制造——包含了越来越多的人智的工业软件,正在逐渐成为设备和企业的“大脑”,算法不断更新,算力急剧提升,以IT形式在赛博空间定义了各种工业品的结构形状和运行状态,以OT形式在物理空间定义了设备的运动形式,实际上可以概括性地认为,工业软件定义了我们所闻所见的材料/零件/系统的时空表现;

真正两化融合(软件闭环)——在第①个和第③个特征的前提下,比特拥抱原子,IT携手OT,赛博融合物理,软件给出的数字指令跨时空精准操控物理设备,于是我们有了CPS这样的赛博物理系统,有了智能制造、工业互联网的使能技术;

大范围优化配置制造资源——过去的制造业信息化软件,让很多企业都实现了“一厂、一所、一车间”的制造资源优化配置,但是对于更大尺度的企业范围,如遥远的光伏电站或风电设备,分布在不同地域的企业分厂、分院等,很难知晓其现实运行情况,对于人的感官发现的设备指标也实现了在线检测,实现大范围的精细化管理。而基于工业互联网,基于工业软件赋能的设备的“五官”和“大脑”,就可以实现多域而非单域、大范围而非小范围优化配置制造资源。

上述五个基本特征中,每一条都是依靠工业软件来实现的,最终这五条特征彼此交织融合,汇总成为了智能制造这个新工业革命的主旋律。

由此可见,工业软件是如此之重要。它决定了新工业革命的发展趋势和成败与否,决定了未来制造业的基本形态,决定了未来产品的技术含量和市场价值。工业软件已经成为了一种全新的工业要素。

我们可以这样说:工业软件是工业化的顶级产物。现在比较流行容器这个说法,工业软件如同容器一般盛装了人类工业知识,给制造业带来两个巨大的变化:第一,工业软件改变了传统的设计、工艺、生产和运维方式,产品随时在赛博空间迭代优化,使制造过程敏捷精准;第二,工业软件塑造了产品的“五官”和“大脑”,产品在物理空间的行为我们不仅做到了一清二楚,而且可以随场景而自动调整。两大巨变不断融汇,形成一种新工业智能模式——软件定义制造,并由此激发出了一个制造新范式:智能制造。

10、人智转机智

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“人智”转“机智”的核心过程,如上图所示。其实就是把人的隐性知识显性化,再把显性知识进行模型化、算法化处理,再把各种模型化后的知识进行代码化和软件化,即把知识嵌入软件,把软件嵌入芯片,芯片嵌入某个数字装置/模块,再把该数字装置/模块嵌入到物理设备中,由此而赋予机器一定的自主能力,让机器具有一定程度的“智能”(“机智”),我们将这个过程称之为“赋能”。

由上图看出,在软件这个关键节点上,既可以承接人类知识的不断输入,也可以按照人类知识的约束,不断用芯片反复迭代计算后,给出最佳控制指令,让机器按照人类设计的规则精准动作。同时,又由传感器把机器的运行情况,实时地传输给软件,形成了闭环。也形成了“软件定义制造”的一个重要活动。

因此,我和宁总认为,尽管工作场景不同,但是作用规律相同,我们发现:“软件定义制造”已经是一个在工业界普遍存在的技术现象,不管是在赛博空间还是在物理空间,不管你意识还是没有意识到,也不管你是从事研发、生产还是管理,软件定义制造都已经是一个客观存在了。因此,必须不断加强和深化对软件定义制造的研究。因为这是智能制造的最核心的内容之一。

11、什么是软件

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通常IT界认为,软件是运行在芯片中的数字化指令和数据的集合。软件以人类语言的代码格式,模拟表达一系列源自人脑的逻辑规则和知识,最终以“0/1”的机器代码格式,驱动芯片(硬件)底层功能,将一系列的计算结果在外部设备(显示器、打印机、绘图仪等)上显示出来。

12、软件代码展示

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软件开发离不开各种以类似人类语言的格式和逻辑来编写程序的高级语言。例如这是玛格丽特为阿波罗登月计划编写的软件代码。下面这个是非常初级的提取奇数的软件程序。最后这个是用Modelica语言自动编制的小球弹跳程序,物理空间、数学空间、赛博空间统一到了一起。

不管软件是用哪种高级语言编写程序的,最终,这些程序语言都要被编译器转换成为“0、1”形式的机器指令来驱动芯片运算,编译器通常可以理解为从软件通向芯片的桥梁。

尽管软件在很多高校和科研单位都被作为一个相对独立的专业来研究,但是我认为,单独研究软件容易脱离软件运行的硬件基础,容易脱离软件以决策和数据指令所控制的物理设备。因为软件从来就不是一个仅仅具有“计算”属性的器物,而是还具有更重要的“控制”属性的器物。

软件作为一种数据、信息、知识的高度融合的数字载体,必须生存、运行在芯片中。软件与芯片形成了共生关系。

13、软件芯片共生

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软件和芯片的共生关系如图所示。(图中1/0排列仅为示意),“软件+芯片”可以衍生出来三层控制关系。

第一层控制,软件驱动和控制芯片低层的门电路高速运算:

如图所示,以CPU门电路中的场效应管为例,在软件数字指令驱动下,高电平(开/通电流)为1,低电平(关/断电流)为0,因此在该场效应管上不断以极速“开/关”的状态来进行计算,最终一组一组的门电路上输出了一串一串经过计算后形成的“1/0”排列的二进制比特数据,给出了计算结果。

芯片具有为软件“容身、计算、存储”的作用,软件具有为芯片“赋值、赋能”的作用。软件与芯片的各自优点综合匹配在一起,才能发挥最好的效益。软件与芯片共同构成了一个融合体,是一个“准CPS”。没有芯片的强大算力支持,软件很难发挥对物理实体的“赋能/赋智”作用;蕴含在软件中的人类知识是人造系统“智能”的源头,没有软件中的各种模型与算法知识的逻辑导引,芯片强大算力也失去了用武之地,同样无法形成对物理实体的“赋能/赋智”作用。

第二层控制,“软件+芯片”驱动和控制计算机外部设备运行:

软件驱动芯片完成计算后,比特数据可以用来驱动显示设备(如各种显示屏),

早期软件只在电脑上使用,IT硬件范围是一些显示、打印、绘图等外部设备,软件运行的结果是生成各种基于模型的图形、图象,只需要显示在硬件屏幕上或打印、绘制在纸面上,可能是显示数据,可能是曲线曲面,可能是图像或声音,但是,这些计算结果并不要求形成“闭环”,只要能辅助人进行决策就可以了。

第三层控制,发展到“软件+芯片”驱动和控制工业物理设备运行。

硬件范畴已经扩展到所有与电脑联接的工业设备,软件运行的结果是要用来驱动物理设备的,是要与物理设备形成“闭环”的,即物理设备的每一个细微动作都被感知到,都要通过传感器反馈到软件中,软件根据物理设备的“此时此刻”的工作场景进行计算,根据内嵌的机理模型或推理规则进行决策,给出物理设备下一步的最优化、最精准的动作指令。软件对物理设备的行为产生了强大的“定义”作用,形成了软件定义制造的基本内涵

14、工业软件分类

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如果从工作载体和使用场景来看,工业软件经常被分为两类:嵌入式软件和非嵌入式软件。我常常这样来进行分类:

产品本身数字化软件属于嵌入式软件,是嵌入在控制器、通信、传感装置之中的数据采集、人机界面、过程控制、数据库、数据通信等内容的软件,常用于OT/工控领域;

研发与管理手段数字化软件属于非嵌入式软件,是装在通用计算机或者工业控制计算机中的设计、编程、工艺、监控、管理等软件(研发手段类的软件还可以细分,例如分为工具类和集成框架类两大类软件),属于制造业IT范畴。

(未完待续)

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