面向新型工业化的国产工业软件架构.pdf
《面向新型工业化的国产工业软件架构.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《面向新型工业化的国产工业软件架构.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、面向新型工业化的国产工业软件架构李清 瞿盟津 于超(清华大学自动化系,北京 100084)摘要:以新一代人工智能、工业机器人和工业物联网为代表的新兴信息技术、工业技术和管理技术的融合,正在加速推动制造业的数字化转型。支撑了工业系统智能化、自主化与自动化发展的工业软件,作为工业系统的基础和工业知识的载体,也伴随新技术革命正在发生体系性的变革。长期依赖国外的工业软件是我国工业大厦上的一块短板,过去国内产业环境与知识产权保护问题及国外优势厂商的竞争策略,极大地制约了我国自主工业软件的发展。伴随着国际形势和产业竞争环境的新发展,为解决我国工业软件“卡脖子”问题,本文立足于我国国情,基于对新技术革命的理
2、解和对产业发展趋势的预期,构建了我国走新型工业化道路的工业软件体系结构,引入云服务/工业物联网和基于模型的系统工程理念,力图解决我国工业软件小而散、技术成熟度低、缺乏知识和模型的积累以及工业产品研发模式不健全的问题,助力我国工业软件的研发和产业化。关键词:工业软件;智能制造;云服务;工业物联网;基于模型的系统工程中图分类号:TP11 文献标志码:ADomestic Industrial Software Architecture for New IndustrializationLi Qing Qu Mengjin Yu Chao(Department of Automation,Tsingh
3、ua University Beijing 100084,China)Abstract:With the development of information technology,industrial technology,and management technology,the new generation of artificial intelligence,industrial robots,and industrial internet of things are accelerating the digital transformation of the manufacturin
4、g industry.Industrial software,as the basis of industrial systems and the carrier of industrial knowledge,is also undergoing systematic changes along with the new technological revolution.Long-term dependence on foreign industrial software is a short board in Chinas industrial building.The weak dome
5、stic industrial environment and intellectual property protection as well as competition from foreign dominant providers have greatly restricted the development of industrial software in China.Facing the new international situation and industrial competition environment,in order to solve the problem
6、of Chinas industrial software bottleneck,based on Chinas national conditions as well as the understanding of the new technological revolution and the expectation of industrial development trend,the paper builds the industrial software architecture of taking Chinas new industrialization road,which in
7、troduces into cloud services,industrial Internet of things and model-based system engineering concepts.The paper can help for Chinas industrial software research and development and industrialization.Keywords:Industrial Software;Smart Manufacturing;Cloud Services;IIoT;MBSE2023 年第 09 期 第 13 卷理论探索 The
8、oretical Exploration31随着全球产业环境的变化和技术的发展,建立自主可控的工业体系成为我国工业转型升级、走新型工业化道路、推动国家制造业竞争水平提升的重要抓手。中国作为大国必须做强实体经济,其中工业是实体经济的核心1。相比传统制造业强国,虽然我国具有全球最为完整的工业门类,但工业软件始终是我国工业的一块短板。目前,我国自主工业软件存在规模小、布局分散,成熟度和产品化、商业化水平低的问题;量大面广的基础性工业软件和高端工业软件国产化程度低,高度依赖进口,在目前的国际形势下面临着严峻的“卡脖子”难题;盗版软件对我国自主软件研发生态的破坏以及国外软件先发优势所形成的竞争“护城河”
9、对我国自主软件发展造成严重的挤压2-3。造成上述问题的原因是我国飞速发展的制造业未能与自主工业软件的发展形成良好的闭环。国外工业软件的先发优势及其在我国工业企业各个环节的深入布局,使得我国产业高速发展所形成的海量工业数据和工程经验直接被国外工业软件获取并推动其软件的快速迭代,从工业软件的生态层面将国内工业软件边缘化和附庸化,形成巨大的技术和商业代差。得不到工业界的反馈、缺乏产业生态支持的自我造血能力几乎封死了我国工业软件的发展道路。若继续放任自主工业软件的缺位,将严重阻碍我国工业的转型升级。尽管我国工业软件技术体系化、系统化与产品化水平还比较低,但是基于我国极其全面的工业门类、高水平的工业装备
10、和深入的产学研用合作模式,我国几乎在所有的工业软件技术领域都存在大量具有一定水平的技术成果和系统。我国工业软件并非要解决从无到有的问题,而是要解决小而散、产品化水平低以及没有形成产业生态的发展性问题。我国工业软件面临的挑战与机遇并存。由工业物联网所推动的工业系统基础设施的变革以及由基于模型的系统工程(model based system engineering,MBSE)所推动的企业数字化转型和研发管理模式的变革还处于发展过程中,我国产业界和国际产业界面临相同的转型问题,技术发展和管理变革基本处在同一起跑线,为我国工业软件技术、系统与产业的弯道超车提供了难得的机遇。因此,工业软件作为我国最紧迫
11、的问题之一,不仅需要在技术上全力攻坚克难,更需要具备战略眼光,切实瞄准未来产业发展关键领域精准发力4。本文针对我国工业软件发展问题,提出了融合 MBSE 和云计算的工业软件系统架构,为自主可控的国产工业软件的设计、研发与产业化应用提供框架指导。一、制造业的数字化转型与工业软件架构的重塑以工业机器人、新一代人工智能与工业物联网为代表的工业技术革命、信息技术革命和管理变革正在加速融合,并体系性地解构和重塑传统制造业的技术体系和运行模式5-6。德国工业 4.0 参考体系模型(Reference Architecture Model Industrie 4.0,RAMI4.0)、美国智能制造生态系统(
12、Smart Manufacturing Systems,SMS)、工业物联网参考架构模型(Industrial Internet of Things Reference Architecture,IIRA)和 中 国 智能制造参考体系结构(Intelligent Manufacturing System Architecture,IMSA)均深刻揭示了智能制造语境下,作为工业系统的基础和工业知识载体的工业软件所发挥的巨大作用7-9。作为云计算的拓展,工业云服务、工业互联网等工业数字化转型方向打破了企业本地部署、本地应用的模式,为工业软件技术体系的变革提供了新的思路和技术基础。传统的工业软件巨头
13、也正以此为契机,以云化的方式形成产品组合,以按需订制的方式向用户灵活地提供工业软件服务,也为分散资源的汇聚提供了新的基础设施与组织模式。通过系统集成的方理论探索 Theoretical Exploration2023 年第 09 期 第 13 卷32法,实现 1+12 的效果10。随着复杂性的急剧增加,MBSE 以模型化描述的手段,体系性地重塑了系统工程中的设计研发体系和管理系统架构。它以形式化建模弥补传统模式下信息交互、实物样机的不足,以统一建模的方式集成不同领域的专家,以虚实结合的方法实现产品研发的降本增效,从而支持多领域复杂产品的高效研发。西门子、达索和 Ansys 等传统优势企业本身也
14、在进行管理平台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业软件,以期在全球产业数字化转型过程中引领技术发展和商业变革。因此,把握 MBSE 与云服务/工业物联网的发展机遇,基于系统的思想与方法,结合体系架构与方法论的理论和技术,构建我国工业软件发展的体系结构和解决方案,是支持我国工业软件产业持续发展和弯道超车的可行方案。如图 1 所示,基于历史的分析和未来发展趋势的判断,积极配合中国式现代化的战略部署与系统谋划特点11。本文采用云服务的方式解决算法分散、难以实现资源整合的问题;借助 MBSE 的技术和方法解决多专业协同设计和数字化设计的问题。图 1 工业软件架构的演进方向二、设计
15、研发体系的 MBSE 转型推动工业软件模式和机制的变革当前,在工业领域使用模型化方法已经成为主流的思想:数字孪生基于高保真的数字化建模,通过物理空间与信息空间的映射与共生,以优化方式解决状态管理和故障诊断12-13;王飞跃等人提出的平行智能14则是通过构建人工2023 年第 09 期 第 13 卷理论探索 Theoretical Exploration33系统模型,实现对现实问题的仿真和优化,形成高效改造现实世界的方法论;元宇宙则进一步拓展了虚实融合的模型化思想,推动了智能化与系统化的灵境智能的发展15。福特、波音、洛克希德马丁和宝马等大型制造业企业,均在其复杂产品研发过程中认识到了 MBSE
16、 的必要性,通过实施 MBSE 实现降本增效,以维持自身在行业中的优势16-19。模型化思想越来越多地融入复杂产品系统开发中,新的 MBSE 方法论和工具也不断涌现。如陶飞等人提出的 maketwin 平台,通过建立数字孪生软件系统集成与执行方法论,加速了模型化在制造业的落地应用20。针对我国工业起步晚,部分行业缺少模型及模型来源、可信度与集成和互操作的问题,以及新一代人工智能技术在工业领域的应用缺乏高质量工业数据的问题,李清等人提出了如图 2 所示的适用于我国工业发展的三 V 方法论:从产品、模型和数据三个生命周期维度出发,通过不同维度各阶段之间的互操作,在支持复杂产品设计研发的同时,推动我
17、国机理建模技术和工业智能技术的发展21-22。图 2 模型和数据驱动的三 V 框架之所以将数据生命周期和模型生命周期从数字孪生框架中分离出来,从数字世界和物理世界双方关系拓展为产品、模型和数据三元关系,是基于数据、模型和设计结果之间在每一个设计阶段存在相互支持、相互验证的关系。基于对产品机理的理解,构建产品的数字模型;基于数字模型开展仿真和设计结果的验证,在物理产品进行测试之前,就形成有关产品结构、功能和性能的数据;基于数据分析技术和机器学习技术,在已有产品的相关数据基础上,可以支撑数字模型的构建,支持深度神经网络的学习,支持模型可信度的验证和确认。在物理产品试验和运行数据缺乏的情况下,基于机
18、理模型仿真所产生的数据也可以用于深度学习网络的学习。MBSE 的发展深刻影响了复杂产品研发模式和技术创新,正在和新一代人工智能技术的发展交汇贯通。而工业软件作为智能制造模式理论探索 Theoretical Exploration2023 年第 09 期 第 13 卷34下的基础性工具和产品,结合我国特点所构建的三 V 模型对工业软件的设计与研发具有指导意义。当下,工业软件的研发模式在朝着模型化和智能化的方向发展。西门子通过一系列的收购,成为世界上主要工业软件解决方案的供应商,目前正在以 MBSE 为核心理念重构其工业软件产品体系,力图成为新模式下工业软件供应商的领先者;达索的 3DE 平台以模
19、型驱动和数据协同的方式,力图解决实物虚拟交互复杂性与验证的滞后性问题;Ansys 则是从方法论层面,融合新一代人工智能,向模型与数字驱动融合方法做出了转变。MBSE 的理念和方法不仅推动了设计研发模式的变革,也触发了工业软件自身体系性的变革。模型成为工业知识的主要载体,推动设计、生产、运行、维护等不同领域、不同专业、不同层次、不同阶段的工业软件基于模型进行交互、协同与集成。三、工业物联网带来的信息技术基础设施的变革推动工业软件技术体系的变革我国工业软件研发中存在的问题来自多个方面:高校和研究机构所完成的工业软件(关键技术和功能模块)通常是实验室产品,由于缺乏产品化和商业化以及大规模工业应用的反
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 面向 新型 工业化 国产 工业 软件 架构
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。