一、為什么要重視裝備的工業(yè)軟件?

制造業(yè)面臨轉型升級的壓力，各產(chǎn)業(yè)越來越清楚的意識到了工業(yè)軟件的重要性。但是，相對來說，裝備所受到的重視并不充分。從以下幾個視角來說，它更為關鍵。

（1）.工業(yè)軟件的應用場景在裝備

CAD/CAE、仿真等工業(yè)軟件，裝備也是其主要應用場景。在過去，我們一直采用的是采購設備及成套線引進，利用國內廉價勞動力資源進行組裝生產(chǎn)。工業(yè)軟件通常在裝備的設計、測試驗證、運行的各個環(huán)節(jié)工作。因此，直接的采購這種方式也使得我們自身的裝備開發(fā)的工業(yè)軟件沒有發(fā)展起來。

（2）.卡脖子的關鍵

但是，離散制造分為成型和組裝，組裝由人工完成，但成型，無論是機床的金屬切削、車銑刨磨，還是剪裁、沖壓，半導體長晶、光刻、沉積，或包裝的紙盒、紙箱，無論哪個領域，都是牽扯到關鍵成型工藝問題，這都是我們卡脖子的關鍵環(huán)節(jié)，這個認識必須是清晰的。

（3）.系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源；

我們推進數(shù)字化，那么數(shù)據(jù)來自哪里？生產(chǎn)管理相關的可以來自于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的單獨采集，但是，品質優(yōu)化、成本降低等關鍵的決定產(chǎn)品競爭力的指標，如何被優(yōu)化、分析、改善—這才是數(shù)字化價值含量比較高的地方，我們不能繞開難題，而裝備是這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)源。

（4）.智能制造的執(zhí)行機構；

如果我們所謂排產(chǎn)、作業(yè)變更、智能分析、參數(shù)優(yōu)化等數(shù)字化、智能化的應用要執(zhí)行的時候，它必然是要經(jīng)由設備來實現(xiàn)，而裝備是執(zhí)行載體。

（5）.品質工藝及生產(chǎn)柔性的載體；

制造的話題，就品質、成本、交付能力幾個話題，這些都必須在機器上實現(xiàn)，而不是在大腦里實現(xiàn)，大腦里的思想，必須經(jīng)由工程測試驗證，最后封裝為軟件來讓機器來執(zhí)行。

（6）.裝備是工廠重要的資產(chǎn)；

作為工廠重要的資產(chǎn)，如果我們裝備發(fā)展不好，這個資產(chǎn)就得花費大量的資金來購買進口設備。依賴于中國市場的規(guī)模效應，我們顯然可以發(fā)展好自己的裝備制造業(yè)?；ㄙM的資金不算，而在于它下游的產(chǎn)業(yè)更大，裝備的下游都是大于10倍以上的市場，并且長期可用。帶來的制造業(yè)產(chǎn)值是巨大的。

二、如何理解工業(yè)軟件的發(fā)展難題？

如果我們想要理解工業(yè)軟件的發(fā)展的難點在哪里？首先，需要制造業(yè)的復雜性在哪里？然后，分析為何需要工業(yè)軟件？其次就是工業(yè)軟件的本質是什么？

圖2-制造復雜性與工業(yè)軟件的難題

2.1制造業(yè)的復雜性在哪里？

制造的復雜性在哪里？它會告訴我們工業(yè)軟件的形成與制造業(yè)緊密相關。而裝備又是重中之重。

制造業(yè)會細分為眾多的行業(yè)，每個行業(yè)，都沒有我們想象的那么輕松簡單，這是制造業(yè)發(fā)展給我們的深刻感受。很多時候，我們把制造理解為采購了裝備，生產(chǎn)出產(chǎn)品—但是，這就是問題的關鍵，我們買的進口設備，來賺快錢，這個看似簡單的行為，正是使得我們難以掌握真正的核心技術的原因。

2.1.1機器本身是多要素的強耦合關系

制造的復雜性在于機械、材料、控制、工藝之間的復雜性，在每個行業(yè)，都牽扯到非常復雜的材料工藝問題。比如，印刷行業(yè)，紙張、薄膜都是上千種，每種都有其自身的物理特性，而要讓這些材料在不同的印刷速度、印刷工藝（凹版、柔版、膠印）的情況下，如何來實現(xiàn)色標的檢測、印刷套色控制算法的設計、電子傳動的PID控制、溫度控制，它都是需要經(jīng)過長期的物理測試與實踐，來獲得產(chǎn)品的品質優(yōu)化的。

在輪胎行業(yè)，根據(jù)輪胎的尺寸規(guī)格、用途所需的材料組合（面膠、肩膠、三角膠、內膠、簾子線、鋼絲圈）變化，輪胎成型機、硫化機都要為其配置所需的參數(shù)—而這些參數(shù)，都需要非常長周期的現(xiàn)場運營來獲得穩(wěn)定的品質。就哪怕是一個彈簧的制造，它也會隨著鋼絲的直徑、材料的彈性、韌性、加工的彈簧節(jié)距、輪廓等發(fā)生變化，這會帶來成千上萬種組合，需要在機器上為其配置所需的參數(shù)，才能確保機器生產(chǎn)出來的產(chǎn)品品質穩(wěn)定。

2.1.2高速高精度機器的難點

華中科技大學機械學院的冰老師，之前特別交流過一次關于機械系統(tǒng)“模態(tài)”的問題。他談到了“低速、低精度”和“高速、高精度”的制造系統(tǒng)中，機械的模態(tài)發(fā)生了較大的變化，并且，可以理解為已經(jīng)完全不是一回事。

在速度不斷提高的過程中，像摩擦力對于傳動的影響就不會是線性的，它對制造的精度帶來較大的擾動，整個機械傳動鏈就不會像在低速狀態(tài)下的可控性，正所謂“失之毫厘,謬以千里”。在高速下獲得高精度，需要考慮的干擾因素更多—而生產(chǎn)系統(tǒng)最大的問題在于：這些影響生產(chǎn)品質的因素之間是強耦合的，并且究竟誰影響比較大，也很難被發(fā)現(xiàn)，如何調節(jié)—沒有規(guī)律可循，需要進行測試。

這使得它需要開發(fā)者有非常強的機械、電氣、光學、熱動力、電磁學、流體、化學方程等深厚的機理建模能力。而最為復雜的則在于工程測試與驗證的過程，通常一個軟件都需要積累數(shù)十年的工程數(shù)據(jù)，基于模型—這些來自于科學發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，又成于工程—必須經(jīng)過大量的物理測試與驗證獲得更多的規(guī)律。

品質的穩(wěn)定性，主要來自于這種機械傳動、系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，一方面，這些穩(wěn)定性需要機械設計、控制工藝的穩(wěn)定性，其次，在工況發(fā)生變化時，又產(chǎn)生了復雜的適應性-系統(tǒng)的自適應能力，也是由軟件來實現(xiàn)。

這些復雜的材料間的關系，它在設計過程中、組裝的過程大量經(jīng)驗、機器運行的嵌入式軟件中，它以一種看不見的形式存在。

關于這種機械系統(tǒng)的復雜性，如果你踢過足球，就肯定會深有感觸—就算我們再鄙視的國家隊如何的菜，但是，他們對于業(yè)余隊員來說，也是碾壓式的—這些需要經(jīng)過長期的訓練，才能掌握高速下球的路徑、速度以及最好的處理方式—這僅僅是個人技術。

對于團隊，也要把陣型訓練到最優(yōu)的流調度，最簡化的過程獲得進攻進球，你會發(fā)現(xiàn)最牛的比賽就是精妙的團隊傳切配合的流暢性。這些都是經(jīng)過大量的測試驗證，以及對抗中訓練出來的，在人的大腦中的軟性能力。即使國家隊如何碾壓你，但是，他們遇到了巴西他們也要被碾壓，因為，對抗速度完全不同，對于高速下的高精度處理，這些頂級球隊從個體到整體都會高出你很多。

人的大腦里的那個軟件—它也是經(jīng)過大量的測試驗證獲得的。

2.2.工業(yè)軟件的本質和意義

2.2.1工業(yè)軟件本質在知識復用

圖5-工業(yè)軟件的本質在于知識復用

工業(yè)軟件的本質在于“知識復用”，而這里的知識包括了顯性和隱性的知識（經(jīng)驗），如何通過數(shù)學建模的方式把它構建出模型，然后才能被軟件代碼開發(fā)。而建模的方式，其實，就類似于人的推理方式，主要有三種，即，演繹法、歸納法、類比法。

其中，演繹法就相當于我們的物理建模方式（Physics-Based Modeling），它的知識來自于人類歷史上對于自然規(guī)律的探索（科學）。對于無法用演繹法-即，已有的先驗知識的情況下，可以采用歸納法，這類似于數(shù)據(jù)驅動建模（Data-Driven Modeling），以學習的方式來獲得模型。類比方法則相當于我們將這種獲得的模型遷移、擴充到其它領域-所謂舉一反三。

在建模后，我們其實需要獲得這些模型的邊界，即，有效、可控的工作區(qū)間，由于被控量必然受到其它因素影響。而這種影響又無法被有效的描述，那么，就需要通過工程測試來實現(xiàn)收斂。

它是整個制造中最為復雜的過程，因為，這里需要大量的物理測試驗證成本的投入。而工業(yè)軟件，包括建模、仿真這類軟件，主要還是通過虛擬的方式來降低測試驗證成本。

2.2.2工業(yè)軟件的意義在于降低工程成本

因此，工業(yè)軟件的核心意義在于降低工程（Engineering）的成本，包括在設計階段的成本、開發(fā)的“集成”工程成本，以及測試驗證環(huán)節(jié)的成本，最終在裝備的批量化、系列化中，將這些知識固化在裝備中。

由于需要對機械系統(tǒng)進行設計，然后加載材料進行生產(chǎn)，以注塑為例，塑料顆粒經(jīng)由加熱成為熔體，然后由螺桿注射進入模具之中。但是，塑料材料在模具中的成型會受到注塑壓力、螺桿進給速度、模內溫度、塑化壓力（背壓）、材料本身的塑化特性（如時間特性）、同樣材料還會與加工件的厚度有關。

由于這些復雜的關系會交織在一起，具有強耦合關系，使得注塑件的產(chǎn)品質量受到多種因素的影響，而如何獲得這些因素之間的關系，就需要為其建立模型。

對于任意一個制造的細分行業(yè)，存在于其中的復雜機械、電氣、材料的耦合關系，都需要經(jīng)過大量的測試驗證才能完成。

因此，我們的制造業(yè)工業(yè)軟件，尤其裝備領域沒有獲得好的發(fā)展，在于①拿來即用的裝備，內嵌的知識并沒有被我們掌握。即使在裝備開發(fā)，②因為直接的仿制，以及低速低精度的設備，對于機械系統(tǒng)本身的模態(tài)分析并未有深入的積累。③那些看不到的知識：裝備行業(yè)的發(fā)展，都是通過仿制，而這些往往是別人已經(jīng)“測試驗證”過可行的機器設計，但是，在形成這個結果的過程中，會有大量看不到的知識，例如材料的選擇、流程的優(yōu)化—哪些是沒有效果的？哪些是不合理的？哪些是高成本的？…凡此種種，那些被放棄的設計方案，其實是更大的知識，而這些知識會在新產(chǎn)品設計中被有效避開。

三、工業(yè)軟件發(fā)展的難點在哪里？

功夫在詩外，解決工業(yè)軟件的問題，本身需要重新理解我們對于工程的認知、對制造業(yè)復雜性的認知、對工業(yè)軟件的重要性的認知，惟其如此，我們才能有效的清晰工業(yè)軟件的本質，以及存在的問題，并有效的尋找解決之道。

3.1.“賺快錢“思維對工業(yè)軟件發(fā)展的影響

首先，在于賺快錢的思維，導致不去在工業(yè)知識與核心技術的投入上。其次，在于賺快錢的思維難以發(fā)展工業(yè)軟件本身-工業(yè)軟件不是快錢。甚至說，如果你想賺快錢，賺大錢，做工業(yè)軟件肯定不是個好的選擇。

3.1.1賺快錢，帶來缺乏裝備自主開發(fā)的知識

對于企業(yè)，賺錢最快的辦法就是直接買成熟的設備、引進產(chǎn)線，然后開始生產(chǎn)，這的確是最快的賺錢辦法，我們的大部分制造業(yè)都是這么發(fā)展起來的。因此，這樣就會很難去購買國產(chǎn)設備，這使得國產(chǎn)設備很難能夠有機會在大型終端生產(chǎn)企業(yè)那里進行測試。

因為，買入成熟的設備、產(chǎn)線是最快的辦法，但是，這的確導致了我們的確可以生產(chǎn)某些產(chǎn)品，例如，芯片，但是，我們卻沒有制造這些設備和產(chǎn)線的能力，而使得我們能生產(chǎn)芯片，卻并未掌握芯片制程設備的工藝，而這些往往被以軟件形式封裝在裝備里。

3.1.2直接買設備和產(chǎn)線，買不來技術。我們經(jīng)常會有抱怨買了設備，買不到技術—這不難理解，因為，有個朋友說，“難道你買了杯可樂，就能買到可樂的配方了嗎？”。同樣道理，我們買了設備，并未買設備本身的技術，因為，購買的是使用權，而不是設備本身的知識產(chǎn)權。

而這個設備的設計的軟件以及軟件中的知識，都脫離于這個設備本身的。即使是嵌入式軟件，蘊含在機器里的應用程序，它的確可以被復制，但，那種能力、知識卻很難被復制，以及試錯過程中的知識，就更無法被掌握了。

但是，為什么我們又可以通過制造業(yè)干掉了很多國外企業(yè)呢？這是因為中國的制造業(yè)有大規(guī)模的成本優(yōu)勢，因為在標準化生產(chǎn)的時候，規(guī)模越大，我們就會制造的成本越低，因此，從產(chǎn)品視角就會以更低的價格把別人干掉。

3.1.3賺快錢與長期主義

前面我們分析的賺快錢對于工業(yè)軟件發(fā)展的影響是從需求側-即，制造業(yè)的用戶側來分析。而另一個視角則是從供給側—即，裝備開發(fā)側，這個領域的賺快錢，也使得機器的開發(fā)。經(jīng)常就是為了賺這個市場錢，必須加快開發(fā)過程，通常采用快速上線，而不是從建模仿真視角—這個也是建模仿真有一個難題，就是周期往往比較長，而市場不等待我們的完美主義的開發(fā)過程。

歐美的機器開發(fā)者通常會采用建模仿真的思想去開發(fā)機器，搭建功能框架、考慮各個細節(jié)的使用中的成本節(jié)省，以為用戶提供長期價值來贏得市場。另外，也非常注重差異化的競爭力打造，這體現(xiàn)在更多的軟件能力，包括操作的易用性、機器的可靠性測試、材料的廣泛適用性，維護的便利性、升級的便利性等，考慮維度較多。

而我們則為了更快投入市場，通常會直接“拷貝”的方式，做一個能用的機器，而不考慮“好用”—這樣對于一些低端的、標準化的生產(chǎn)場景還是適用的。但是，這樣的機器往往不具有可持續(xù)性，包括穩(wěn)定性、廣泛的材料適用性，因此，就會經(jīng)常用幾年就會被淘汰。而且，大規(guī)模標準化生產(chǎn)的市場，也無需考慮那么多的模型成熟性設計，只要在某個產(chǎn)品上進行測試驗證，即可實現(xiàn)—這并不難。

因此，要求高端的企業(yè)，通常就會選擇高性能的進口設備，從長期效益來看，這些設備雖然價格的確很高。但，對于企業(yè)經(jīng)營來說，它并不在于考慮初始采購成本，而在于投資回報視角的評估。這不是崇洋媚外，而是長期計算的考量。

3.1.4面向組件的開發(fā)-解決復雜性問題

中國的確是個快速發(fā)展的市場，需要快速的裝備開發(fā)，但，這種快速的模仿無法帶來知識沉淀，以及架構在未來會被推倒重來的結局。而歐洲人擅長建模，長期可用，但是會需要花費周期比較長。而這個需要我們的智慧，如何平衡短期利益與長期主義，在快速響應和長期可用方面選擇有效策略。

這就像著名計算機專家Frideric.Brook所說的那個“銀彈問題”，他最初認為軟件開發(fā)“不存在銀彈技術”，后來，他發(fā)現(xiàn)基于組件的開發(fā)（Component-Based Development）就是一個“銀彈技術”。另外，像集成開發(fā)平臺，也是一種提高軟件開發(fā)效率的技術，這就像貝加萊的AutomationStudio這樣的集成開發(fā)平臺，它的mapp技術，基于CBD的思想開發(fā)，可復用的APP，而Automation Studio平臺來實現(xiàn)快速集成、軟件模塊化封裝，成為長期創(chuàng)新的平臺支撐。

圖6-基于組件的開發(fā)（CBD）

以貝加萊AutomationStudio為例，它屬于典型的集成開發(fā)平臺，主要針對于機器的嵌入式應用開發(fā)。在去年，我也曾經(jīng)與e-works的黃培博士談到這個話題，以及趙敏老師也經(jīng)常呼吁大家重視這個問題，即，嵌入式應用的開發(fā)軟件。

在AutomationStudio里，它解決了裝備開發(fā)的幾個平衡問題：

（1）.在快速開發(fā)與個性化之間的平衡

mapp基于CBD，為了高速開發(fā)，但，它不能解決所有的用戶工藝Know-How問題，以及用戶自主的行業(yè)特性，不便讓包括貝加萊這樣的企業(yè)掌控的APP怎么辦？

那么，用戶就可以基于C/C++這些自己來開發(fā)，并采用PLCopen的標準封裝，因為mapp也是基于PLCopen的封裝。

（2）.控制與計算的集成問題

為了增強AutomationStudio對于數(shù)字化的能力，在2019年貝加萊推出exOS的概念，并在2022年發(fā)布其應用版本?？梢允沟糜脩魧τ陂_放世界的資源得以應用。

（3）.解決長期可持續(xù)性發(fā)展

Automation Studio平臺對于裝備企業(yè)的研發(fā)項目管理也有很大的意義，這包括它的版本控制，標準化封裝能力，這使得企業(yè)可以基于此平臺來封裝自己的機器長期可用的知識、以及應用經(jīng)驗、包括項目文檔等等，mapp的數(shù)據(jù)應用里也保存文件、幫助文件。

還有一個很重要的地方在于“程序安全”，即，如何保證客戶自己的Know-How不被抄襲的問題，因為采用了編譯系統(tǒng)，加密機制，使得程序得以二進制方式被下載到控制器。程序安全是非常關鍵的問題。

3.2對工業(yè)軟件的認知問題

英諾威盛的趙敏老師談到了對于工業(yè)軟件的認知問題，包括之前很多次談到像嵌入式系統(tǒng)的軟件：

①愿意為硬件付費，不愿意為軟件付費：這里的確存在一個問題，即，硬件屬于一種可以被看到的“資產(chǎn)”，而軟件則是一種無法被看到的資產(chǎn)。從財務視角，軟件的費用則屬于看不到的，缺乏專業(yè)的資產(chǎn)評估，且在資產(chǎn)盤點時也無法被有效計價。

②軟件服務費用：在軟件定制服務、軟件后續(xù)服務方面支付費用，缺乏對知識的尊重。

③知識產(chǎn)權保護：這是個長期存在的問題，在很多時候，盜版軟件，侵犯產(chǎn)權的問題，為了保護自己的企業(yè)，會很難舉證，或采用比較妥協(xié)的手段，買一部分，法律追溯也比較難。

但是，國外的軟件在中國遇到這個問題，很多人覺得他們賣的那么貴，這使得軟件知識產(chǎn)權無法得到保護。但是，也無法讓知識的價值被保護，這使得國產(chǎn)軟件更無法發(fā)展，因為，即使是你開發(fā)了軟件，也無法獲得有效的收益-無論是盜版、還是客戶的重視程度。

3.3缺乏生態(tài)合作

3.3.1缺乏陪伴-支持工業(yè)軟件企業(yè)發(fā)展的力量

而工業(yè)軟件類企業(yè)作為供給側，他們缺乏這種測試場景。按照冰老師的說法，就是缺乏“陪伴”，沒有愿意支持國產(chǎn)工業(yè)軟件發(fā)展的陪伴力量，讓一個工業(yè)軟件來有機會測試，并不斷迭代其技術。

也有專家談到這個問題，工業(yè)企業(yè)為了產(chǎn)品質量、穩(wěn)定考慮，還有產(chǎn)品研發(fā)進度考慮，使用國外先進產(chǎn)品不擔責，比如一些國企這個責任問題也是大家不敢使用國產(chǎn)的原因。而另一方面，民營企業(yè)則因為市場的快速變化，無法支持，因為不滿足快錢的屬性。

3.3.2工業(yè)軟件企業(yè)無法獨自發(fā)展

這就是難題中的難題，還是在需求側的問題，因為，工業(yè)軟件的企業(yè)，它的發(fā)展通常都需要大量的測試驗證。因此，今天的工業(yè)軟件企業(yè)，基本上都是由制造型企業(yè)脫胎出來形成的，因為，在母體有測試驗證條件。

（1）.工業(yè)軟件與物理對象的耦合問題，需要測試條件，裝備企業(yè)沒有測試條件，得去終端制造現(xiàn)場，但是，現(xiàn)場也不會有機會給你-因為他們很忙，也不愿意浪費材料-成本太高，無異于燒錢。

（2）.需求不開放，除非是自己的內部企業(yè)，或者有非常強的關系綁定，很難把需求敞開。因為，這樣意味著企業(yè)自身的數(shù)據(jù)、Know-How要開放，然后進行封裝，這種使得工業(yè)軟件企業(yè)很難獲得發(fā)展機會來迭代自身。

（3）.專業(yè)分工不足：國內的大型企業(yè)，不要說工業(yè)軟件，就算是硬件都會自己去做。有些企業(yè)都會自己去做CNC、芯片-這也是個難題，對于工業(yè)軟件企業(yè)來說，遇到這種情況也無法發(fā)展。

像工業(yè)自動化領域的軟件如SIEMENS Protal、B&R Automation Studio，都是工業(yè)自動化企業(yè)發(fā)展的軟件，它的內部應用來自于各個領域的應用，結合PLC/伺服驅動器這些硬件的應用發(fā)展起來的。

3.4人才培養(yǎng)的難點

對于人才的重要性，相信大家都會有認識，不必多言，但是，開發(fā)工業(yè)軟件的人才培養(yǎng)存在難題；

（1）.工業(yè)軟件是復雜的人才需求:工業(yè)軟件如前所述，與制造現(xiàn)場的對象及對象的各種物理化學特性緊密相關，因此，它不是純軟件開發(fā)可以實現(xiàn)的。因此，它的人才需求一定是復雜的，包括對機械、電氣、工藝都需要了解的人才，并且，需要現(xiàn)場的實踐積累。這樣的人才不是短期可以培養(yǎng)的，過去就缺乏這方面的積累，現(xiàn)在要開始發(fā)展工業(yè)軟件，就必須得要有復合性的人才來支持。

（2）.需要優(yōu)秀的架構師：作為工業(yè)軟件的開發(fā)，其架構需要非常強的規(guī)劃能力，這種類型的人才不要說在工業(yè)軟件領域，即使更為廣泛的商用軟件領域，也是難得的人才。而考慮到工業(yè)領域的規(guī)模、盈利能力，具有規(guī)劃能力的架構人才，很難被吸引到工業(yè)軟件領域。

（3）.敢于試錯，包容發(fā)展：工業(yè)軟件需要大量的試錯，而這種試錯需要大量的成本投入，以及測試機會，這些都要對于人才的包容性。試錯的過程中，犯錯誤也是必然會發(fā)生的。

因此，人才培養(yǎng)的難題，在工業(yè)領域還是需要綜合性的人才-跨學科培養(yǎng)，從大學到企業(yè)，都需要。在大學需要人才多學科的學習，而在企業(yè)，則需要給予人才發(fā)展空間，如果用KPI考核的方式，那么，就得不到好的人才-因為，人才需要吃飯。嚴格的考核，沒有高的薪酬回報，也留不住。

審核編輯：劉清