导读：2023年10月28日，由中国自动化学会主办的2023国家工业软件大会在浙江湖州盛大开幕。大会以“工业软件·智造未来”为主题，汇聚了25位国内外院士，1500余位代表，共同探讨工业软件领域前沿理论和技术创新应用问题，共同谋划我国工业软件未来发展之道。
清华大学国家CIMS工程中心工程部主任赵骥受邀在2023国家工业软件大会中作题为“工业互联网时代的工业软件——工业互联数据链”的专题报告。报告介绍了工业互联网时代的到来产生了新的条件，工业环境、信息条件已经和70年代工业软件诞生时有非常大的不同，因此中国应该也可以走出不同的道路。工业互联网工厂是互联网渗透至制造金字塔内部，企业可以在较小的粒度上进行工业要素的重组、格式化，进行“精打细算”，并从一个企业内部延展到全供应链，重新配置工业全要素。工业互联数据链作为新的工业软件体系的一部分，能够支撑互联网化的工厂，如同一个隐形的管理者，它会持续收集数据和配置工业要素，集反馈、控制、优化于一体，实现柔性、敏捷化制造，对全供应链的运营过程进行持续的优化。
工业互联网时代的工业软件——工业互联数据链
智能工厂的设计涵盖了从概念数字化、互联化支撑的整体建筑，延伸至底层自动化、无人化设备，以及上层涉及的软件应用，包括智能设计、智能生产、供应链、预算管理和决策支持等方面。就工业软件而言，国外领先的数字化企业通常使用数以万计的软件，而国内调查发现，较好的数字化企业使用的软件超过2000种，其中核心软件约有五六百种，其他稍逊一筹的企业也至少使用了数百种软件。这么多软件的使用带来了极大的开支，涉及到巨额费用支出，对软件功能的充分利用程度、以及智能化大厦构建的体系梳理、冗余情况的评估和成本效益的分析都至关重要。在企业角度来看，如何确保软件投入的成本抵消产品销售的成本，维护费用是否值得支出，成为了非常现实的挑战。
一、关于工业软件的思考
图1工业软件本质
模型简化之后，需要用数学方式进行表达。由于最终任务交给计算机系统处理，计算机是用于计算的工具，因此应考虑将问题转化为算法以便计算机能够处理。这样做就是为了开发算法，并将其转化为算法软件，从而解决工业软件所面临的问题。
图2工业软件
工业软件用户的忠诚度极高，一旦用户抛弃某个系统，将面临巨大挑战。在国产软件替代外国系统时，必须认真考虑外国系统已深入应用的情况，即使功能类似，国产软件是否能成功替代也是需要深思的问题。互联网对社会带来了深刻改变，重新定义了原本呈体系的事物，并将信息分割重组成中枢枢纽。这种转变通过算法驱动着每个人的行为，工业体系也面临类似的挑战。
二、未来工业互联网的影响
互联网对商业、产品和生产维度的影响呈现出不同程度的差异，其中商业领域受到的改变最为显著，如图3所示。然而，在内部方面，特别是工厂内部的制造金字塔体系，变化相对较少。尽管近年来工业互联网将现场部署的软件迁移到在线平台上，但实际效果并不尽如人意。精益生产在企业和工厂中被广泛采用，它可以解决浪费和懒惰所带来的诸多问题。通过工业互联网的深度应用，特别是深入到生产运营的核心，可以借助各种平台算法重新组合工业要素，从而实现更精细化的运营过程。企业生存的核心在于追求利润，数字化技术通常不能直接带来收益，而常常需要投入资金。数字化手段、智能化技术和新兴技术能够以更高效的方式来降低浪费，实现精益生产理念中的精益化。
图3工业软件影响
在互联网的推动下，工业要素被解构，人员和设备实现全面连接。工厂内的各种设备、工具、模型和软件都实现了全面连接和重新组合。这种系统具有动态性，可以动态地添加、移除或柔性地调整其构成部分。例如，当订单发生变化或生产需要应对突发订单时，基于互联网平台和算法驱动的生产组织能够实现灵活的调整。
全连接的系统通常需要松耦合的结构，因为如果系统紧密耦合，无法处理庞大的连接数量，如图4所示。为解决这一问题，首先需要解决工业互联网平台与现有工业体系之间的适配问题。这涉及到科学、技术和工程问题，其中工程问题可能占据更大比重。其次，当工业全要素接入后，当前智能工厂基本上实现了全连接。当整个工业互联网体系接入互联网平台时，工厂设备制造系统等各要素共同构成了所谓的工业互联网互联系统，此时系统的连接关系和结构相当复杂，如何有效解决这些复杂关系是一个关键问题。
图4动态实时变结构系统
三、工业互联数据链及其应用
图5工业互联数据链
在航天领域，数字孪生应用用于复杂装配体系的设计和验证，保证在狭窄空间中进行准确、无误和高效的装配，通常需要通过数字模拟来预先验证装配方案，如图6所示。这个过程涉及多种模型和大量的传感器数据，包括机器人状态、产品状态等等。工业互联数据链的应用可帮助处理这些数据，确保其及时、可靠地传输，支持系统的实时监控和反馈，以优化装配流程和提高效率。这种技术能够使得在数字空间中进行模拟和验证，然后将经过验证的方案传输到物理装配线上，确保装配的精准性和高效性。
图6CPS环境下工业机器人智能装配平台
图7是针对某研究院的虚实联动平台项目。右边是一条设备线，通过建立虚拟模型和数据空间，多个相同设备的虚拟模型和物理模型之间互相交互、共享数据。在这个系统中，关键问题是如何对齐虚拟状态和物理状态的数据，以及在面对一些不确定性因素时，如何验证调度算法。该项目经历了两个阶段的开发，第一阶段从2013年开始，现已连续进行了10年。
图7虚实联动平台
图8自动驾驶分布式联合仿真平台
当下，制造业面临巨大挑战。工业体系的建立一直是基于物质短缺的理念，然而随着惯性生产的发展，我们面临着一系列实践中的问题，尽管表面上看起来是技术问题、工程问题，但实质上是理论的匮乏。在生产领域，以往基于封闭工业体系理论的规模化生产模式已经不再适用。工业软件的发展建立在工业知识的基础上，将工业知识转化为算法和软件，运行在工业互联网上，能找到解决现实工业领域问题的路径。
*本文根据作者在2023国家工业软件大会上所作报告速记整理而成