面向新型工業(yè)化的國產(chǎn)工業(yè)軟件架構(gòu)
時(shí)間：2024-08-20 訪問量：84
隨著全球產(chǎn)業(yè)環(huán)境的變化和技術(shù)的發(fā)展，建立自主可控的工業(yè)體系成為我國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、走新型工業(yè)化道路、推動(dòng)國家制造業(yè)競爭水平提升的重要抓手。
中國作為大國必須做強(qiáng)實(shí)體經(jīng)濟(jì)，其中工業(yè)是實(shí)體經(jīng)濟(jì)的核心。相比傳統(tǒng)制造業(yè)強(qiáng)國，雖然我國具有全球最為完整的工業(yè)門類，但工業(yè)軟件始終是我國工業(yè)的一塊短板。目前，我國自主工業(yè)軟件存在規(guī)模小、布局分散，成熟度和產(chǎn)品化、商業(yè)化水平低的問題；量大面廣的基礎(chǔ)性工業(yè)軟件和高端工業(yè)軟件國產(chǎn)化程度低，高度依賴進(jìn)口，在目前的國際形勢(shì)下面臨著嚴(yán)峻的“卡脖子”難題；盜版軟件對(duì)我國自主軟件研發(fā)生態(tài)的破壞以及國外軟件先發(fā)優(yōu)勢(shì)所形成的競爭“護(hù)城河”對(duì)我國自主軟件發(fā)展造成嚴(yán)重的擠壓。造成上述問題的原因是我國飛速發(fā)展的制造業(yè)未能與自主工業(yè)軟件的發(fā)展形成良好的閉環(huán)。國外工業(yè)軟件的先發(fā)優(yōu)勢(shì)及其在我國工業(yè)企業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)的深入布局，使得我國產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展所形成的海量工業(yè)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)直接被國外工業(yè)軟件獲取并推動(dòng)其軟件的快速迭代，從工業(yè)軟件的生態(tài)層面將國內(nèi)工業(yè)軟件邊緣化和附庸化，形成巨大的技術(shù)和商業(yè)代差。得不到工業(yè)界的反饋、缺乏產(chǎn)業(yè)生態(tài)支持的自我造血能力幾乎封死了我國工業(yè)軟件的發(fā)展道路。若繼續(xù)放任自主工業(yè)軟件的缺位，將嚴(yán)重阻礙我國工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。
盡管我國工業(yè)軟件技術(shù)體系化、系統(tǒng)化與產(chǎn)品化水平還比較低，但是基于我國極其全面的工業(yè)門類、高水平的工業(yè)裝備和深入的產(chǎn)學(xué)研用合作模式，我國幾乎在所有的工業(yè)軟件技術(shù)領(lǐng)域都存在大量具有一定水平的技術(shù)成果和系統(tǒng)。我國工業(yè)軟件并非要解決從無到有的問題，而是要解決小而散、產(chǎn)品化水平低以及沒有形成產(chǎn)業(yè)生態(tài)的發(fā)展性問題。
制造業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型與工業(yè)軟件架構(gòu)的重塑
以工業(yè)機(jī)器人、新一代人工智能與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為代表的工業(yè)技術(shù)革命、信息技術(shù)革命和管理變革正在加速融合，并體系性地解構(gòu)和重塑傳統(tǒng)制造業(yè)的技術(shù)體系和運(yùn)行模式。德國工業(yè)4.0參考體系模型（Reference Architecture Model Industrie 4.0, RAMI4.0）、美國智能制造生態(tài)系統(tǒng)（Smart Manufacturing Systems, SMS）、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)模型（Industrial Internet of Things Reference Architecture, IIRA）和中國智能制造參考體系結(jié)構(gòu)（Intelligent Manufacturing System Architecture, IMSA）均深刻揭示了智能制造語境下，作為工業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和工業(yè)知識(shí)載體的工業(yè)軟件所發(fā)揮的巨大作用。
作為云計(jì)算的拓展，工業(yè)云服務(wù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型方向打破了企業(yè)本地部署、本地應(yīng)用的模式，為工業(yè)軟件技術(shù)體系的變革提供了新的思路和技術(shù)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的工業(yè)軟件巨頭也正以此為契機(jī)，以云化的方式形成產(chǎn)品組合，以按需訂制的方式向用戶靈活地提供工業(yè)軟件服務(wù)，也為分散資源的匯聚提供了新的基礎(chǔ)設(shè)施與組織模式。通過系統(tǒng)集成的方法，實(shí)現(xiàn)1+1>2的效果。隨著復(fù)雜性的急劇增加，MBSE以模型化描述的手段，體系性地重塑了系統(tǒng)工程中的設(shè)計(jì)研發(fā)體系和管理系統(tǒng)架構(gòu)。它以形式化建模彌補(bǔ)傳統(tǒng)模式下信息交互、實(shí)物樣機(jī)的不足，以統(tǒng)一建模的方式集成不同領(lǐng)域的專家，以虛實(shí)結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)的降本增效，從而支持多領(lǐng)域復(fù)雜產(chǎn)品的高效研發(fā)。
西門子、達(dá)索和Ansys等傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)企業(yè)本身也在進(jìn)行管理平臺(tái)和管理模式的云化和模型化，并正在同步推出云化和模型化的工業(yè)軟件，以期在全球產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展和商業(yè)變革。因此，把握MBSE與云服務(wù)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展機(jī)遇，基于系統(tǒng)的思想與方法，結(jié)合體系架構(gòu)與方法論的理論和技術(shù)，構(gòu)建我國工業(yè)軟件發(fā)展的體系結(jié)構(gòu)和解決方案，是支持我國工業(yè)軟件產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展和彎道超車的可行方案。如圖所示，基于歷史的分析和未來發(fā)展趨勢(shì)的判斷，積極配合中國式現(xiàn)代化的戰(zhàn)略部署與系統(tǒng)謀劃特點(diǎn)。本文采用云服務(wù)的方式解決算法分散、難以實(shí)現(xiàn)資源整合的問題；借助MBSE的技術(shù)和方法解決多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化設(shè)計(jì)的問題。
工業(yè)軟件架構(gòu)的演進(jìn)方向設(shè)計(jì)研發(fā)體系的 MBSE 轉(zhuǎn)型推動(dòng)工業(yè)軟件模式和機(jī)制的變革
當(dāng)前，在工業(yè)領(lǐng)域使用模型化方法已經(jīng)成為主流的思想：數(shù)字孿生基于高保真的數(shù)字化建模，通過物理空間與信息空間的映射與共生，以優(yōu)化方式解決狀態(tài)管理和故障診斷；王飛躍等人提出的平行智能則是通過構(gòu)建人工系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)問題的仿真和優(yōu)化，形成高效改造現(xiàn)實(shí)世界的方法論；元宇宙則進(jìn)一步拓展了虛實(shí)融合的模型化思想，推動(dòng)了智能化與系統(tǒng)化的靈境智能的發(fā)展。福特、波音、洛克希德馬丁和寶馬等大型制造業(yè)企業(yè)，均在其復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)過程中認(rèn)識(shí)到了MBSE的必要性，通過實(shí)施MBSE實(shí)現(xiàn)降本增效，以維持自身在行業(yè)中的優(yōu)勢(shì)。
模型化思想越來越多地融入復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)開發(fā)中，新的 MBSE 方法論和工具也不斷涌現(xiàn)。如陶飛等人提出的 maketwin 平臺(tái)，通過建立數(shù)字孿生軟件系統(tǒng)集成與執(zhí)行方法論，加速了模型化在制造業(yè)的落地應(yīng)用。針對(duì)我國工業(yè)起步晚，部分行業(yè)缺少模型及模型來源、可信度與集成和互操作的問題，以及新一代人工智能技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用缺乏高質(zhì)量工業(yè)數(shù)據(jù)的問題，李清等人提出了如圖所示的適用于我國工業(yè)發(fā)展的三 V 方法論：從產(chǎn)品、模型和數(shù)據(jù)三個(gè)生命周期維度出發(fā)，通過不同維度各階段之間的互操作，在支持復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的同時(shí)，推動(dòng)我國機(jī)理建模技術(shù)和工業(yè)智能技術(shù)的發(fā)展。
模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三V框架之所以將數(shù)據(jù)生命周期和模型生命周期從數(shù)字孿生框架中分離出來，從數(shù)字世界和物理 世界雙方關(guān)系拓展為產(chǎn)品、模型和數(shù)據(jù)三元關(guān)系，是基于數(shù)據(jù)、模型和設(shè)計(jì)結(jié)果之間在每一個(gè)設(shè)計(jì)階段存在相互支持、相互驗(yàn)證的關(guān)系?；趯?duì)產(chǎn)品機(jī)理的理解，構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字模型；基于數(shù)字模型開展仿真和設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)證，在物理產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試之前，就形成有關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能和性能的數(shù)據(jù)；基于數(shù)據(jù)分析技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，在已有產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可以支撐數(shù)字模型的構(gòu)建，支持深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)，支持模型可信度的驗(yàn)證和確認(rèn)。在物理產(chǎn)品試驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)缺乏的情況下，基于機(jī)理模型仿真所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也可以用于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)。MBSE的發(fā)展深刻影響了復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)模式和技術(shù)創(chuàng)新，正在和新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展交匯貫通。而工業(yè)軟件作為智能制造模式下的基礎(chǔ)性工具和產(chǎn)品，結(jié)合我國特點(diǎn)所構(gòu)建的三V模型對(duì)工業(yè)軟件的設(shè)計(jì)與研發(fā)具有指導(dǎo)意義。當(dāng)下，工業(yè)軟件的研發(fā)模式在朝著模型化和智能化的方向發(fā)展。西門子通過一系列的收購，成為世界上主要工業(yè)軟件解決方案的供應(yīng)商，目前正在以MBSE為核心理念重構(gòu)其工業(yè)軟件產(chǎn)品體系，力圖成為新模式下工業(yè)軟件供應(yīng)商的領(lǐng)先者；達(dá)索的3DE平臺(tái)以模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)協(xié)同的方式，力圖解決實(shí)物—虛擬交互復(fù)雜性與驗(yàn)證的滯后性問題；Ansys 則是從方法論層面，融合新一代人工智能，向模型與數(shù)字驅(qū)動(dòng)融合方法做出了轉(zhuǎn)變。MBSE 的理念和方法不僅推動(dòng)了設(shè)計(jì)研發(fā)模式的變革，也觸發(fā)了工業(yè)軟件自身體系性的變革。模型成為工業(yè)知識(shí)的主要載體，推動(dòng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)等不同領(lǐng)域、不同專業(yè)、不同層次、不同階段的工業(yè)軟件基于模型進(jìn)行交互、協(xié)同與集成。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)帶來的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的變革推動(dòng)工業(yè)軟件技術(shù)體系的變革我國工業(yè)軟件研發(fā)中存在的問題來自多個(gè)方面：高校和研究機(jī)構(gòu)所完成的工業(yè)軟件（關(guān)鍵技術(shù)和功能模塊）通常是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，由于缺乏產(chǎn)品化和商業(yè)化以及大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的反饋而難以開展迭代升級(jí)；大量工業(yè)軟件模塊是在不同的國外基礎(chǔ)軟件平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)，在缺少通用性的同時(shí)，也受制于國外平臺(tái)的商業(yè)策略；盜版軟件也是導(dǎo)致國產(chǎn)軟件生態(tài)無法建立的重要原因。此外，低水平重復(fù)投資、工業(yè)需求高度差異化等因素也持續(xù)困擾著工業(yè)軟件的發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的工業(yè)軟件開發(fā)模式，基于云的服務(wù)具有動(dòng)態(tài)資源管理和高效調(diào)度、高可靠性、低成本、更強(qiáng)的定制潛力與協(xié)同設(shè)計(jì)能力的優(yōu)勢(shì)?；谠频墓I(yè)軟件訂閱模式的發(fā)展不僅克服了物理技術(shù)資源的局限，降低了企業(yè)的資金投入，更促進(jìn)了物理知識(shí)和工業(yè)知識(shí)的積累，推動(dòng)我國工業(yè)軟件研發(fā)體系的閉環(huán)。不僅如此，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)軟件云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有小而散的工業(yè)軟件的部署，而對(duì)彌散功能點(diǎn)的應(yīng)用也完善了軟件體系，從而逐步形成較為完整的解決方案。反過來，軟件的開發(fā)也對(duì)平臺(tái)的發(fā)展形成正向激勵(lì)，進(jìn)一步對(duì)軟件的開發(fā)和部署形成了正反饋。最關(guān)鍵的是，每一次對(duì)云服務(wù)分發(fā)后的軟件進(jìn)行使用，都能以數(shù)據(jù)積累的形式帶動(dòng)工業(yè)軟件迭代發(fā)展。近年來，工業(yè)軟件巨頭都在向工業(yè)云服務(wù)轉(zhuǎn)型。如Ansys于2022年宣布收購云仿真供應(yīng)商OnScale，并與現(xiàn)有云服務(wù)進(jìn)行集成；西門子發(fā)布的Teamcenter X、Altair提出的云解決方案和達(dá)索建設(shè)的體驗(yàn)云平臺(tái)，也都從云服務(wù)的視角出發(fā)，重塑了工業(yè)軟件的解決方案，逐步開始過渡到SaaS的時(shí)代；華為也于2022年推出了DME 這一引擎，助力工業(yè)軟件云的發(fā)展。
綜上所述，新興技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了政策的發(fā)展、用戶使用意向的提升與廠商服務(wù)能力的進(jìn)步，三者之間形成了一個(gè)不斷促進(jìn)工業(yè)軟件發(fā)展、激勵(lì)其持續(xù)進(jìn)步的良性循環(huán)。因此，工業(yè)軟件上云，不僅是智能制造時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)，更是符合我國國情、幫助自主工業(yè)軟件持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要抓手。面向新型工業(yè)化的工業(yè)軟件架構(gòu)參考ISO/IEC/IEEE 42010——2011《系統(tǒng)與軟件工程 - 架構(gòu)描述》所定義的體系結(jié)構(gòu)的元模型，通過對(duì)政府、行業(yè)、企業(yè)（集團(tuán)）的決策者，軟件系統(tǒng)架構(gòu)師、設(shè)計(jì)師、開發(fā)和測(cè)試人員及軟件系統(tǒng)用戶三類主要利益相關(guān)者關(guān)注點(diǎn)的辨識(shí)，結(jié)合聯(lián)邦企業(yè)架構(gòu) 2.0（Federal Enterprise Architecture Framework 2.0，F(xiàn)EAF 2.0）的視圖劃分思想，緊密圍繞復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)和工業(yè)軟件兩個(gè)核心關(guān)注點(diǎn)，構(gòu)建的軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，總體框架如圖所示。 工業(yè)軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)工業(yè)軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)分為兩個(gè)部分：其左折剖面是通過將工業(yè)軟件劃分為載體性元素、連接件元素和功能性元素并按需配置的，與系統(tǒng)的性能、應(yīng)用、數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施和安全能力相對(duì)應(yīng)的，基于云服務(wù)的系統(tǒng)靜態(tài)架構(gòu)參考模型；其右折剖面是與業(yè)務(wù)流程能力視角層相對(duì)應(yīng)的MBSE三V模型驅(qū)動(dòng)流程方法，工業(yè)軟件系統(tǒng)在這一方法指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)基于MBSE的工業(yè)流程再造。靜態(tài)的云服務(wù)架構(gòu)與動(dòng)態(tài)的MBSE方法相加，即得到了新一代的工業(yè)軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)。本參考模型以仿真設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件為例。但運(yùn)營管理類、制造控制類以及覆蓋三類交叉領(lǐng)域的工業(yè)軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)都可以參考這一系統(tǒng)動(dòng)態(tài)架構(gòu)模型，在具體軟件落地實(shí)施過程中，結(jié)合實(shí)際進(jìn)行系統(tǒng)載體性、連接性和功能性元素的組合和實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，系統(tǒng)架構(gòu)遵循“元素和元素的具體實(shí)現(xiàn)相分離”的原則，利益相關(guān)者可以根據(jù)可獲得性、技術(shù)先進(jìn)性與適用性等指標(biāo)選擇合適的實(shí)現(xiàn)形式以實(shí)現(xiàn)某種元素。工業(yè)軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)需要兩個(gè)子架構(gòu)相互協(xié)調(diào)：一方面，在右側(cè)剖面MBSE三V模型驅(qū)動(dòng)流程方法中所示的產(chǎn)品和模型全生命周期中的不同階段，軟件用戶需要使用左側(cè)剖面的不同類型元素與元素組合以滿足本階段的工業(yè)場景需求。另一方面，左側(cè)剖面中所表示的載體性、連接件和功能性元素的長期發(fā)展目標(biāo)都是與模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)流程無縫銜接，即靜態(tài)架構(gòu)中元素的各種具體實(shí)現(xiàn)形式（平臺(tái)、工業(yè)軟件構(gòu)件、工業(yè)APP、微服務(wù)和建模工具等）能夠按照系統(tǒng)利益相關(guān)者的需求，在全流程的交互中支持產(chǎn)品實(shí)體、模型孿生體、數(shù)據(jù)在物理空間和信息空間的相互映射。基于工業(yè)軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)，可以組織不同的軟件組合和解決方案，以滿足工業(yè)用戶的特定需求。該系統(tǒng)架構(gòu)也對(duì)未來出現(xiàn)的新技術(shù)、方法和服務(wù)開放。而對(duì)于目前部分運(yùn)營管理類、制造控制類工業(yè)軟件不涉及模型驅(qū)動(dòng)的情況（如部分現(xiàn)場嵌入式軟件、企業(yè)供應(yīng)商關(guān)系管理軟件等），可以對(duì)工業(yè)軟件系統(tǒng)架構(gòu)做出裁剪，使用工業(yè)軟件系統(tǒng)靜態(tài)架構(gòu)參考模型為具體軟件的架構(gòu)提供指導(dǎo)。本文面向國家制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，通過分析工業(yè)模式的變革與未來發(fā)展趨勢(shì)，基于工業(yè)軟件的特點(diǎn)與我國工業(yè)軟件發(fā)展情況，針對(duì)我國工業(yè)軟件發(fā)展痛點(diǎn)，參考各方權(quán)益人的需求，深度結(jié)合信息技術(shù)、管理技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的變革，提出了一套面向設(shè)計(jì)研發(fā)體系和信息系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變革的工業(yè)軟件總體架構(gòu)，可以為我國工業(yè)軟件設(shè)計(jì)、研發(fā)和運(yùn)維提供指導(dǎo)。本文轉(zhuǎn)自網(wǎng)絡(luò)，本站僅提供展示與交流，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。若有來源標(biāo)注錯(cuò)誤或侵犯了您的合法權(quán)益，請(qǐng)作者持權(quán)屬證明與本站聯(lián)系，我們將及時(shí)更正、刪除，謝謝。
