閑話“軟件定義制造”
置身于智能制造中的專業(yè)人士恐怕需要有兩個我，一個在數(shù)字世界中醒著（看制造），一個在制造的物理世界中冥想（軟件如何定義）。
也許大海給貝殼下的定義是珍珠，也許時間給煤炭下的定義是鉆石。
一個人有兩個我，一個在黑暗里醒著，一個在光明中睡著。
——紀(jì)伯倫，《沙與沫》。
2019年1月，大眾CEO Herbert Diess博士在達(dá)沃斯“世界經(jīng)濟(jì)論壇年會”上語出驚人，在不遠(yuǎn)的將來，汽車將成為一個軟件產(chǎn)品，大眾也將會成為一家軟件驅(qū)動的公司【1】。
2011年NetScape創(chuàng)始人Marc Andreessen說：Software eats the world（軟件吞噬世界）! 另一位是C++語言發(fā)明人，Bjarne Stroustrup說：人類文明運(yùn)行在軟件之上【2】。的確，數(shù)字比特的海洋（軟件）似乎正在成為當(dāng)今世界的主題。越來越多的人相信，軟件定義世界，軟件定義一切。
數(shù)字比特的海洋（軟件）會給制造下什么樣的定義？但對于很多從事制造業(yè)的人們而言，當(dāng)聽到軟件定義制造之類的話，總覺得類似表達(dá)是不是太極端了，有人甚至明確地表示不屑。從事機(jī)械、制造、以及OT領(lǐng)域的一些專家學(xué)者對“軟件定義”之類的話多有排斥，亦事出有因。的確有少數(shù)IT出身的專家在談?wù)撝悄苤圃旒啊败浖x”之類的話題時，沒能落到實(shí)處；還有少數(shù)制造或傳統(tǒng)自動化出身的專家在談?wù)摂?shù)字化和智能化技術(shù)的時候忘記了回家的路。這兩種情況當(dāng)然是應(yīng)該避免的。
言軟件定義制造，難道設(shè)備和工藝不再重要？無論數(shù)字-智能技術(shù)多么先進(jìn)，基本的工藝和裝備永遠(yuǎn)是重要的，因?yàn)楫a(chǎn)品要靠它們生產(chǎn)出來；人也是最重要的，甚至某些傳統(tǒng)的手工工藝未必都能去掉。日本某先進(jìn)的機(jī)床公司里，在應(yīng)用數(shù)字-智能技術(shù)的同時，卻存在原始的手工刮研工藝，而且是用在高精度要求之處。制造領(lǐng)域的學(xué)者和專家們能夠深刻體認(rèn)制造之不易，如果說軟件定義制造，是不是IT技術(shù)主導(dǎo)制造呢？是不是有人又在玩概念，玩虛的？于是有制造領(lǐng)域的學(xué)者建議，不要提軟件定義制造，只言軟件使能制造。
筆者亦是機(jī)械制造專業(yè)出身，也認(rèn)為“軟件定義制造”不能算一個嚴(yán)格的學(xué)術(shù)概念，但作為技術(shù)意識或觀念、作為一種描述趨勢的定性說法則可以被接受。在當(dāng)今學(xué)科和技術(shù)交融的時代，機(jī)械、制造及傳統(tǒng)自動化領(lǐng)域的學(xué)者和專家們更應(yīng)該欣然融合來自異學(xué)科的新概念或理念，只要其主體思想是合理的。當(dāng)然自己要清醒的是，不要忘了回家的路！
如果把語義絕對化，那么“軟件使能制造”同樣存疑，扳手和螺絲刀就不是軟件使能的。之所以言軟件定義制造，不只是因?yàn)橹圃熘幸玫胶芏嘬浖?strong>而是軟件在制造中的作用越來越關(guān)鍵，軟件越來越體現(xiàn)產(chǎn)品和企業(yè)的競爭力。只要我們略為細(xì)察，軟件的確已經(jīng)滲透到制造的方方面面，且成為其核心能力。只要看看今日智能產(chǎn)品和裝備中軟件之作用，就能領(lǐng)略其言之真。圖1.是制造中所用到的部分軟件。
圖1. 軟件支撐智能制造（提供：黃培）
“軟件定義”這一術(shù)語起源于計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域，“軟件定義制造”之說則是行業(yè)融合的自然結(jié)果。一般認(rèn)為，軟件定義的說法始于“軟件定義的網(wǎng)絡(luò)”（Software-Defined Network，SDN）。傳統(tǒng)的“硬件為中心”的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，復(fù)雜性高、擴(kuò)展性差、資源利用率低、管理維護(hù)工作量大，無法適應(yīng)上層業(yè)務(wù)擴(kuò)展演化的需要。
2008年前后，斯坦福大學(xué)提出“軟件定義網(wǎng)絡(luò)”并研制了OpenFlow交換機(jī)原型。OpenFlow中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理控制功能從硬件中被分離出來成為一個單獨(dú)的完全由軟件形成的控制層，抽象了底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，為上層應(yīng)用提供了一組統(tǒng)一的管理視圖和編程接口（Application Programming Interface，簡稱API），而用戶則可以通過API對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行任意的編程從而實(shí)現(xiàn)新型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、拓?fù)浼軜?gòu)而不需改動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備本身，滿足上層應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)資源的不同需求。
2011年前后，SDN逐漸被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)管理，并取得了巨大的成功，重新“定義”了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，甚至改變了傳統(tǒng)通信產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。在SDN之后，又出現(xiàn)針對泛在化資源的“軟件定義一切（Software-DefinedEverything，SDX）”。實(shí)現(xiàn)SDX的技術(shù)途徑，就是把過去的一體化硬件設(shè)施打破，實(shí)現(xiàn)“硬件資源的虛擬化”和“管理任務(wù)的可編程”，為用戶提供更開放、靈活的系統(tǒng)管控服務(wù)。
通過軟件定義，底層基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)在抽象層次上就能趨于一致。軟件定義概念融入各個領(lǐng)域的同時正在不斷“泛化”，軟件定義正在向物理世界延伸。在“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、“工業(yè)4.0”和我國“制造強(qiáng)國戰(zhàn)略”的發(fā)展藍(lán)圖中，軟件定義將成為企業(yè)核心競爭力的戰(zhàn)略需要。伴隨著軟件定義的泛化與延伸，軟件將有望為物理實(shí)體定義新的功能、效能與邊界【3】。
在制造中，軟件的作用越來越大。
- 智能產(chǎn)品需要軟件；
- 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)的創(chuàng)成需要軟件（如衍生式設(shè)計(jì)，Generative design）；
- 加工過程的控制、優(yōu)化需要軟件；
- 管理調(diào)度優(yōu)化需要軟件；
- 從采購到銷售的整個供應(yīng)鏈系統(tǒng)的優(yōu)化需要軟件；
- ……
幾乎在制造的所有方面都離不開軟件。
不妨把“軟件定義”的理念引申到制造中，但“定義”主要不是表現(xiàn)在“需要”，不是局限于應(yīng)用軟件后提高效率，而是若沒有軟件，產(chǎn)品的某些功能可能根本不存在；過程的高性能、高質(zhì)量無法達(dá)到；企業(yè)的目標(biāo)不可能實(shí)現(xiàn)；某些市場也可能不存在……現(xiàn)在可以回答，數(shù)字比特的海洋（軟件）能為制造下的定義：人力或傳統(tǒng)自動化不能實(shí)現(xiàn)的功能、性能、高質(zhì)量……
軟件定義制造：
● 如果軟件在制造系統(tǒng)的某些產(chǎn)品/過程中所發(fā)揮的作用是人力或傳統(tǒng)自動化不可企及的，則言產(chǎn)品/過程是軟件定義的；
● 如果軟件在制造中的關(guān)鍵作用是人力或傳統(tǒng)自動化不可企及的，則言軟件定義制造。
軟件定義制造，并非言所有的軟件都能定義制造。能定義制造的軟件主要是工業(yè)軟件，而非一般的通用軟件。工業(yè)軟件絕不是一般互聯(lián)網(wǎng)公司可以涉足的。僅就代碼行數(shù)而言， Windows軟件甚至不及某些復(fù)雜產(chǎn)品（如飛機(jī)）中用到的工業(yè)軟件。可見，工業(yè)軟件承載的是何等大尺度的工程量！
工業(yè)軟件還不能容忍哪怕一點(diǎn)瑕疵，比如發(fā)射火箭，若控制火箭動作的軟件有某個細(xì)節(jié)不對，火箭立即失控。通用軟件則不然，如Windows軟件出錯，重啟系統(tǒng)不致有太大問題。工業(yè)軟件中沉淀了大量工廠場景數(shù)據(jù)、知識、及很多人的經(jīng)驗(yàn)、才智【4】。
這就表明，軟件背后潛藏的人的經(jīng)驗(yàn)、才智、數(shù)據(jù)、知識等定義了制造。另一方面，現(xiàn)在人工智能的發(fā)展已經(jīng)在局部領(lǐng)域超越人的智能，在制造中融入了人工智能的某些軟件（也需基于制造某個領(lǐng)域的知識）完全有可能在制造的特定方向超越人的能力，如感知、計(jì)算、推理能力等。這就是軟件有可能“定義”制造的技術(shù)背景。綜合而言，軟件定義制造的內(nèi)涵：
真正定義制造的是軟件中所沉淀的人的經(jīng)驗(yàn)、知識、才智以及由數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能等。
及此，從事制造以及傳統(tǒng)自動化的專業(yè)人士概可明白，絕非IT技術(shù)定義了制造，IT/軟件只不過是制造領(lǐng)域?qū)＜叶x制造的一個工具而已。
前兩天讀宋華振先生的文章，文中不乏道理。“不是軟件來定義制造，而是制造的工藝知識凝聚，軟件僅為載體，但是，如果只是個載體，那就不能稱為定義。【5】”只不過，當(dāng)我們知道個中含義的合理性后，不必以概念去較真概念。有些情況下，對于來自異學(xué)科且在一定程度上代表制造發(fā)展趨勢的、非嚴(yán)格學(xué)術(shù)意義的意識或理念，不妨受之納之。重要的是，真正認(rèn)識到“軟件定義制造”的內(nèi)涵。
某些軟件在制造中表現(xiàn)出的關(guān)鍵作用非人力或傳統(tǒng)自動化所能企及，意指即使增加人力也不可能達(dá)到某些軟件的作用或效果。不是所有的軟件都能夠“定義”，如普通的CAPP，雖然它能夠大大提高工藝設(shè)計(jì)的效率，但如果沒有它，人還是有可能設(shè)計(jì)出相應(yīng)的工藝流程，只不過要花費(fèi)更多的人力。所以還不能說普通的CAPP軟件定義了工藝。企業(yè)中也不是所有的實(shí)體或過程都是軟件定義的，之所以言軟件定義制造，是希望開發(fā)出能夠“定義”制造的軟件，希望通過軟件創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)人和傳統(tǒng)自動化都難以企及的某些功能和性能。也就是說，
軟件定義制造——
反映了制造中的一種趨勢，一種期盼，一種境界。
在數(shù)字-智能時代，企業(yè)應(yīng)該建立強(qiáng)烈的“軟件定義”的意識，爭取讓軟件能夠定義產(chǎn)品、定義質(zhì)量、定義性能、定義企業(yè)目標(biāo)、定義市場……需要注意的是，數(shù)字比特的海洋（軟件）肯定會有泡沫，但無須過慮，風(fēng)也會把泡沫吹走。
只有“敬畏專業(yè)才能真正看清問題！”
置身于智能制造中的專業(yè)人士恐怕需要有兩個我，一個在數(shù)字世界中醒著（看制造），一個在制造的物理世界中冥想（軟件如何定義）。
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