装备工业软件发展分析.docx

装备工业软件发展分析1为什么要重视装备的工业软件制造业面临转型升级的压力，各产业越来越清楚的意识到了工业软件的重 要性。但是，相对来说，装备所受到的重视并不充分。从以下几个视角来说， 它更为关键。图1 为什么要着重发展装备制造业?1.1 工业软件的应用场景在装备CAD/CAE.仿真等工业软件，装备也是其主要应用场景。在过去，我们一 直采用的是采购设备及成套线引进，利用国内廉价劳动力资源进行组装生产。 工业软件通常在装备的设计、测试验证、运行的各个环节工作。因此，直接的 采购这种方式也使得我们自身的装备开发的工业软件没有发展起来。1.2 卡脖子的关键但是，离散制造分为成型和组装，组装由人工完成，但成型，无论是机床 的金属切削、车铳刨磨，还是剪裁、冲压，半导体长晶、光刻、沉积，或包装 的纸盒、纸箱，无论哪个领域，都是牵扯到关键成型工艺问题，这都是我们卡 脖子的关键环节，这个认识必须是清晰的。1.3 系统的数据源我们推进数字化，那么数据来自哪里？生产管理相关的可以来自于现场数 据的单独采集，但是，品质优化、成本降低等关键的决定产品竞争力的指标， 如何被优化、分析、改善一这才是数字化价值含量比较高的地方，我们不能绕 开难题，而装备是这些数字化的数据源。1.4 智能制造的执行机构；如果我们所谓排产、作业变更、智能分析、参数优化等数字化、智能化的 应用要执行的时候，它必然是要经由设备来实现，而装备是执行载体。1.5 品质工艺及生产柔性的载体；制造的话题，就品质、成本、交付能力几个话题，这些都必须在机器上实 现，而不是在大脑里实现，大脑里的思想，必须经由工程测试验证，最后封装 为软件来让机器来执行。1.6 装备是工厂重要的资产作为工厂重要的资产，如果我们装备发展不好，这个资产就得花费大量的 资金来购买进口设备。依赖于中国市场的规模效应，我们显然可以发展好自己 的装备制造业。花费的资金不算，而在于它下游的产业更大，装备的下游都是 大于10倍以上的市场，并且长期可用。带来的制造业产值是巨大的。2如何理解工业软件的发展难题如果我们想要理解工业软件的发展的难点在哪里？首先，需要制造业的复 杂性在哪里？然后，分析为何需要工业软件？其次就是工业软件的本质是什 么？图2.制造复杂性与工业软件的难题2.1 制造业的复杂性在哪里制造的复杂性在哪里？它会告诉我们工业软件的形成与制造业紧密相关。 而装备又是重中之重。制造业会细分为众多的行业，每个行业，都没有我们想象的那么轻松简 单，这是制造业发展给我们的深刻感受。很多时候，我们把制造理解为采购了 装备，生产出产品一但是，这就是问题的关键，我们买的进口设备，来赚快 钱，这个看似简单的行为，正是使得我们难以掌握真正的核心技术的原因。机器本身是多要素的强耦合关系制造的复杂性在于机械、材料、控制、工艺之间的复杂性，在每个行业， 都牵扯到非常复杂的材料工艺问题。比如，印刷行业，纸张、薄膜都是上千 种，每种都有其自身的物理特性，而要让这些材料在不同的印刷速度、印刷工 艺（凹版、柔版、胶印）的情况下，如何来实现色标的检测、印刷套色控制算 法的设计、电子传动的PID控制、温度控制，它都是需要经过长期的物理测试 与实践，来获得产品的品质优化的。在轮胎行业，根据轮胎的尺寸规格、用途 所需的材料组合（面胶、肩胶、三角胶、内胶、帘子线、钢丝圈）变化，轮胎 成型机、硫化机都要为其配置所需的参数一而这些参数，都需要非常长周期的 现场运营来获得稳定的品质。就哪怕是一个弹簧的制造，它也会随着钢丝的直 径、材料的弹性、韧性、加工的弹簧节距、轮廓等发生变化，这会带来成千上 万种组合，需要在机器上为其配置所需的参数，才能确保机器生产出来的产品品质稳定O图3.印刷机的机械传动与印刷工艺图4-B0PP薄膜生产装备高速高精度机器的难点华中科技大学机械学院的冰老师，之前特别交流过一次关于机械系统“模 态”的问题。他谈到了 “低速、低精度”和“高速、高精度”的制造系统中， 机械的模态发生了较大的变化，并且，可以理解为已经完全不是一回事。在速度不断提高的过程中，像摩擦力对于传动的影响就不会是线性的，它 对制造的精度带来较大的扰动，整个机械传动链就不会像在低速状态下的可控 性，正所谓“失之毫厘,谬以千里二在高速下获得高精度，需要考虑的干扰因 素更多一而生产系统最大的问题在于：这些影响生产品质的因素之间是强耦合 的，并且究竟谁影响比较大，也很难被发现，如何调节一没有规律可循，需要 进行测试。这使得它需要开发者有非常强的机械、电气、光学、热动力、电磁 学、流体、化学方程等深厚的机理建模能力。而最为复杂的则在于工程测试与 验证的过程，通常一个软件都需要积累数十年的工程数据，基于模型一这些来 自于科学发现的规律，又成于工程一必须经过大量的物理测试与验证获得更多 的规律。品质的稳定性，主要来自于这种机械传动、系统控制的稳定性，一方面， 这些稳定性需要机械设计、控制工艺的稳定性，其次，在工况发生变化时，又 产生了复杂的适应性-系统的自适应能力，也是由软件来实现。这些复杂的材料间的关系，它在设计过程中、组装的过程大量经验、机器 运行的嵌入式软件中，它以一种看不见的形式存在。关于这种机械系统的复杂性，如果你踢过足球，就肯定会深有感触一就算 我们再鄙视的国家队如何的菜，但是，他们对于业余队员来说，也是碾压式的 这些需要经过长期的训练，才能掌握高速下球的路径、速度以及最好的处理 方式一这仅仅是个人技术。对于团队，也要把阵型训练到最优的流调度，最简 化的过程获得进攻进球，你会发现最牛的比赛就是精妙的团队传切配合的流畅 性。这些都是经过大量的测试验证，以及对抗中训练出来的，在人的大脑中的 软性能力。即使国家队如何碾压你，但是，他们遇到了巴西他们也要被碾压， 因为，对抗速度完全不同，对于高速下的高精度处理，这些顶级球队从个体到 整体都会高出你很多。人的大脑里的那个软件一它也是经过大量的测试验证获得的。2.2 工业软件的本质和意义工业软件本质在知识复用如旧与捶的it法与睦巾泅试蛤证软件化及复用图5-工业软件的本质在于知识复用工业软件的本质在于“知识复用”，而这里的知识包括了显性和隐性的知识 （经验），如何通过数学建模的方式把它构建出模型，然后才能被软件代码开 发。而建模的方式，其实，就类似于人的推理方式，主要有三种，即，演绎 法、归纳法、类比法。其中，演绎法就相当于我们的物理建模方式(Physics-Ba sed Modeling),它的知识来自于人类历史上对于自然规律的探索(科学)。对 于无法用演绎法-即，已有的先验知识的情况下，可以采用归纳法，这类似于数 据驱动建模(Data-DriVen Modeling),以学习的方式来获得模型。类比方法则 相当于我们将这种获得的模型迁移、扩充到其它领域-所谓举一反三。在建模后，我们其实需要获得这些模型的边界，即，有效、可控的工作区 间，由于被控量必然受到其它因素影响。而这种影响又无法被有效的描述，那 么，就需要通过工程测试来实现收敛。它是整个制造中最为复杂的过程，因 为，这里需要大量的物理测试验证成本的投入。而工业软件，包括建模、仿真 这类软件，主要还是通过虚拟的方式来降低测试验证成本。工业软件的意义在于降低工程成本因此，工业软件的核心意义在于降低工程(Engineering)的成本，包括在 设计阶段的成本、开发的“集成”工程成本，以及测试验证环节的成本，最终 在装备的批量化、系列化中，将这些知识固化在装备中。由于需要对机械系统进行设计，然后加载材料进行生产，以注塑为例，塑 料颗粒经由加热成为熔体，然后由螺杆注射进入模具之中。但是，塑料材料在 模具中的成型会受到注塑压力、螺杆进给速度、模内温度、塑化压力(背压)、 材料本身的塑化特性(如时间特性)、同样材料还会与加工件的厚度有关。由于这些复杂的关系会交织在一起，具有强耦合关系，使得注塑件的产品 质量受到多种因素的影响，而如何获得这些因素之间的关系，就需要为其建立 模型。对于任意一个制造的细分行业，存在于其中的复杂机械、电气、材料的耦 合关系，都需要经过大量的测试验证才能完成。因此，我们的制造业工业软件，尤其装备领域没有获得好的发展，在于 拿来即用的装备，内嵌的知识并没有被我们掌握。即使在装备开发，因为直 接的仿制，以及低速低精度的设备，对于机械系统本身的模态分析并未有深入 的积累。那些看不到的知识：装备行业的发展，都是通过仿制，而这些往往 是别人已经“测试验证”过可行的机器设计，但是，在形成这个结果的过程 中，会有大量看不到的知识，例如材料的选择、流程的优化一哪些是没有效果 的？哪些是不合理的？哪些是高成本的？凡此种种，那些被放弃的设计方 案，其实是更大的知识，而这些知识会在新产品设计中被有效避开。3工业软件发展的难点在哪里功夫在诗外，解决工业软件的问题，本身需要重新理解我们对于工程的认 知、对制造业复杂性的认知、对工业软件的重要性的认知，惟其如此，我们才 能有效的清晰工业软件的本质，以及存在的问题，并有效的寻找解决之道。3.1 %赚快钱”思维对工业软件发展的影响首先，在于赚快钱的思维，导致不去在工业知识与核心技术的投入上。其 次，在于赚快钱的思维难以发展工业软件本身-工业软件不是快钱。甚至说，如 果你想赚快钱，赚大钱，做工业软件肯定不是个好的选择。 赚快钱，带来缺乏装备自主开发的知识对于企业，赚钱最快的办法就是直接买成熟的设备、引进产线，然后开始 生产，这的确是最快的赚钱办法，我们的大部分制造业都是这么发展起来的。 因此，这样就会很难去购买国产设备，这使得国产设备很难能够有机会在大型 终端生产企业那里进行测试。因为，买入成熟的设备、产线是最快的办法，但 是，这的确导致了我们的确可以生产某些产品，例如，芯片，但是，我们却没 有制造这些设备和产线的能力，而使得我们能生产芯片，却并未掌握芯片制程 设备的工艺，而这些往往被以软件形式封装在装备里。 直接买设备和产线，买不来技术。我们经常会有抱怨买了设备，买不到技术一这不难理解，因为，有个朋友 说，“难道你买了杯可乐，就能买到可乐的配方了吗？同样道理，我们买了设备，并未买设备本身的技术，因为，购买的是使用权，而不是设备本身的知 识产权。而这个设备的设计的软件以及软件中的知识，都脱离于这个设备本身 的。即使是嵌入式软件，蕴含在机器里的应用程序，它的确可以被复制，但， 那种能力、知识却很难被复制，以及试错过程中的知识，就更无法被掌握了。但是，为什么我们又可以通过制造业干掉了很多国外企业呢？这是因为中 国的制造业有大规模的成本优势，因为在标准化生产的时候，规模越大，我们 就会制造的成本越低，因此，从产品视角就会以更低的价格把别人干掉。 赚快钱与长期主义前面我们分析的赚快钱对于工业软件发展的影响是从需求侧-即，制造业的 用户侧来分析。而另一个视角则是从供给侧一即，装备开发侧，这个领域的赚 快钱，也使得机器的开发。经常就是为了赚这个市场钱，必须加快开发过程， 通常采用快速上线，而不是从建模仿真视角一这个也是建模仿真有一个难题， 就是周期往往比较长，而市场不等待我们的完美主义的开发过程。欧美的机器开发者通常会采用建模仿真的思想去开发机器，搭建功能框 架、考虑各个细节的使用中的成本节省，以为用户提供长期价值来赢得市场。 另外，也非常注重差异化的竞争力打造，这体现在更多的软件能力，包括操作 的易用性、机器的可靠性测试、材料的广泛适用性，维护的便利性、升级的便 利性等，考虑维度较多。而我们则为了更快投入市场，通常会直接“拷贝”的方式，做一个能用的 机器，而不考虑“好用”一这样对于一些低端的、标准化的生产场景还是适用 的。但是，这样的机器往往不具有可持续性，