其實(shí)，早在2013年，美國著名的媒體連線（Wired）就以更為宏大的敘事制造了“Software Define X”這個(gè)詞。當(dāng)然更早的有斯坦福大學(xué)在2006年提出的“Software Define Network軟件定義網(wǎng)絡(luò)”，然后，“軟件定義汽車”等各種概念就陸續(xù)出現(xiàn)了。今天，人們開始高呼“軟件定義制造”、“軟件定義自動(dòng)化”——軟件定義是有意義的，因?yàn)?，它的核心要旨在于用軟件來?yīng)對變化的世界。（原文轉(zhuǎn)載自：“說東道西”微信公眾號）

今天，大家說的：軟件定義制造、軟件定義自動(dòng)化，其實(shí)，通俗地說，就是我們自動(dòng)化行業(yè)越來越多靠軟件來贏得未來的生存空間。實(shí)際上，自動(dòng)化早已是一個(gè)由RTOS、行業(yè)工藝軟件、網(wǎng)絡(luò)連接、HMI、AI、標(biāo)準(zhǔn)化如PLCopen構(gòu)成的軟件系統(tǒng)，而圖1則是在十多年前就繪制出的一個(gè)關(guān)于“軟件價(jià)值”體系的描述。
那個(gè)時(shí)候，我們繪制圖1的核心敘事在于“軟件構(gòu)成了核心競爭力”——但這個(gè)敘事是給用戶說明用的，他們機(jī)器中的差異化競爭力來自軟件，這里的核心在“工藝”。這也就是之前我和“工業(yè)軟件”群經(jīng)常談到的一個(gè)話題，即， 除了看得到那些以產(chǎn)品形式存在的工業(yè)軟件之外，還有大量尚未受到足夠重視的議題，那就是隱藏在嵌入式系統(tǒng)里，每臺機(jī)器里的軟件，以及生成這些軟件的軟件，在自動(dòng)化行業(yè)里，平臺工具軟件如Automation Studio、Portal、Logix、 EcoStructure、TwinCAT等。
之所以軟件定義，是因?yàn)閂UCA這個(gè)詞所描述的世界正在悄然發(fā)生，且更加加劇——以消費(fèi)世界為例，它的各個(gè)維度的改變正在給制造業(yè)帶來極大的難題——在理想狀態(tài)下，企業(yè)自然希望通過極致的規(guī)模化來攤銷成本，進(jìn)而獲得極致的成本優(yōu)勢。如圖2中，VUCA帶來了復(fù)雜性，需要得到有效的解決，數(shù)字化被賦予了重任，這也就以各種軟件的形式來實(shí)現(xiàn)。
在一個(gè)產(chǎn)品需求更為復(fù)雜的時(shí)代，制造企業(yè)尤其是那些代工企業(yè)，他們必須要面對眾多的產(chǎn)品需求，而且這些需求特別的碎片化，并且，需求時(shí)間特別的緊急，因?yàn)槿藗兞?xí)慣了明天就能收到貨，如果是后天就可能會放棄購買。

軟件定義制造的不斷演進(jìn)
(1)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品變化的生產(chǎn)
所以，一種靈活的、可重配置的產(chǎn)線是迫切的需求 ——如果通過傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)整，就會非常得慢，且成本高昂。因此，制造業(yè)的自動(dòng)化一直在尋找更為妥善的解決問題的辦法。這樣，就產(chǎn)生了靈活的機(jī)器來改變配置，機(jī)器的控制+伺服控制就成為了必然的選擇。30年前，在機(jī)器里采用伺服電機(jī)，是為了實(shí)現(xiàn)更高的加工精度和速度，但在很多機(jī)器上，伺服電機(jī)并不在同步時(shí)工作，而是在機(jī)器換單的時(shí)候，對機(jī)器進(jìn)行調(diào)整。

例如，把裁切刀的刀輥換成伺服驅(qū)動(dòng)，這樣，當(dāng)裁切尺寸變化的時(shí)候，僅需參數(shù)設(shè)置即可執(zhí)行新的裁切任務(wù) ——當(dāng)然，這里的伺服電機(jī)本身作為一個(gè)同步軸，它會跟隨被裁切紙張的尺寸而調(diào)整。但是，在印刷機(jī)的斜拉版、壓印力調(diào)節(jié)、機(jī)械的機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)；在瓦楞紙的換刀、書刊膠裝/騎馬訂等場景里，伺服電機(jī)僅在需要更換規(guī)格時(shí)動(dòng)作，并不參與同步的電子齒輪、電子凸輪等動(dòng)作——這里大量伺服電機(jī)的使用，就是為了靈活地應(yīng)對產(chǎn)品規(guī)格的變化（圖3）。
同時(shí)，為了提高這些機(jī)械加工的效率，又實(shí)現(xiàn)了連線生產(chǎn)，像飲料行業(yè)的吹灌旋貼、紡織行業(yè)的開清棉、長流程的離散制造等都在實(shí)現(xiàn)這樣的連線，中間更多地使用機(jī)器人、 AGV是為了提高效率。因?yàn)?，必須把換單造成的那些時(shí)間損失彌補(bǔ)過來——這就需要通過網(wǎng)絡(luò)來把整個(gè)機(jī)器連接起來，而不是用硬接線的方式來實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)同步。通信就成為了實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵一環(huán)，而這些機(jī)器可以通過這種統(tǒng)一的通信連接實(shí)現(xiàn)同步，在軟件層，對這些參數(shù)的上下行進(jìn)行讀寫就成為了機(jī)器配置的關(guān)鍵（圖4）。
運(yùn)動(dòng)控制的問題是它主要在機(jī)器內(nèi)，例如定位主要是解決單點(diǎn)的問題，同步也僅解決了多個(gè)軸的關(guān)系，但它無法解決在機(jī)器和機(jī)器之間的輸送這個(gè)難題。
(2)磁懸浮輸送解決機(jī)器-機(jī)器間的可定義性
進(jìn)一步的，人們發(fā)現(xiàn)控制主機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟件定義的任務(wù)編排，網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流動(dòng)和交互的接口，但機(jī)械的輸送還是個(gè)難題——當(dāng)年，CIMS/FMS這些其實(shí)就因?yàn)檫@個(gè)原因，無法被有效的運(yùn)行。因此，才產(chǎn)生了柔性輸送系統(tǒng)，即，現(xiàn)在被稱為磁懸浮輸送的系統(tǒng)，它打通了最后一個(gè)難以被“軟件定義”的環(huán)節(jié)。通過“電-磁”轉(zhuǎn)換，將傳輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可以被軟件定義的“單件流”、“連續(xù)流”——這符合精益生產(chǎn)對于產(chǎn)線的編排需求，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)排隊(duì)、配合加工等，可以讓物料流動(dòng)、配合加工成為一個(gè)被軟件快速且可重配置的形式，這進(jìn)一步推進(jìn)了軟件定義制造的可能，如圖5所示。
因此，伺服電機(jī)、機(jī)器人、磁懸浮輸送解決了產(chǎn)線中的局部修改，以及在機(jī)器間物料流的難題。
(3)通信——解決協(xié)作中的信息流
在軟件層面，人們實(shí)現(xiàn)了加工過程的狀態(tài)建模來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的重組——用軟件的“編排”來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的重組。之所以采用狀態(tài)模型，就是因?yàn)樗梢员贿壿嬀幊?。像PackML、 JDF、ISA-95、IEC61850、Unimat等垂直行業(yè)的規(guī)范，就是為了能夠?qū)@些生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)一的行規(guī)設(shè)計(jì)——這樣就可以實(shí)現(xiàn)快速的參數(shù)下發(fā)（圖6）。而新的MTP則是針對自動(dòng)化系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)范，來實(shí)現(xiàn)工廠的管理層任務(wù)解析并下發(fā)——可以通過OPC UA來實(shí)現(xiàn)這些通信的連接與數(shù)據(jù)的封裝，提供了一個(gè)統(tǒng)一的框架。

物理建模與AI：解決知識的復(fù)用問題
對于制造業(yè)，如果每次都要對一個(gè)任務(wù)進(jìn)行編程，或者對于一些知識都要重新組織，那么工作量還是很大的。為了把知識進(jìn)行有效的復(fù)用，工程師們就開始想在知識封裝上下點(diǎn)功夫。
在知識的挖掘的幾個(gè)典型范式里，人們經(jīng)常把遠(yuǎn)古時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)定義為人的天賦來實(shí)現(xiàn)的。而基于笛卡爾的方法論以及牛頓、萊布尼茲這些偉大科學(xué)家的第二個(gè)階段，人們開始將物理的公式作為解決問題的思路。在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，這些物理模型的驗(yàn)算就成為了計(jì)算機(jī)要去干的事。但是，這種基于物理知識的畢竟是有限的，它需要先驗(yàn)知識和已有的數(shù)據(jù)積累，才能更為精準(zhǔn)的模型。而這無法滿足越來越復(fù)雜的世界對于知識的苛求。那么，新的范式，基于AI就成為了一個(gè)必然的選擇（圖7）。
再進(jìn)一步，人們又發(fā)現(xiàn)這些系統(tǒng)由于過于復(fù)雜，且存在很多“不可見的深淵”——即，在復(fù)雜的系統(tǒng)里，它們會產(chǎn)生效率無法被最優(yōu)化的問題。因?yàn)?，?fù)雜系統(tǒng)的路徑規(guī)劃會形成非常多的組合，這無法被人用公式來計(jì)算，因?yàn)?，這是一個(gè)“陷阱”，就是被“窩”在系統(tǒng)里的能力，它無法被有效的發(fā)掘。包括引發(fā)生產(chǎn)產(chǎn)品品質(zhì)的干擾因素，例如相關(guān)性的、隨機(jī)誤差造成的無法被有效的觀測和梳理。這就使得人們尋求通過“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模”來挖掘這些背后的規(guī)律，因而產(chǎn)生了對人工智能的需求——而人工智能，則又是一個(gè)軟件。
(1)軟件的模塊化：實(shí)現(xiàn)知識復(fù)用
用高級語言封裝算法，且構(gòu)建出“高內(nèi)聚、低耦合”的應(yīng)用模塊，然后讓這些模塊快速重組，來搭建整個(gè)機(jī)器的應(yīng)用程序。這就是要用模塊化的軟件開發(fā)來實(shí)現(xiàn)——但是，自動(dòng)化所面對的機(jī)電又是一個(gè)高耦合的領(lǐng)域，因此，基于物理建模的方法在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后就開始被大量使用。
在軟件工程領(lǐng)域，著名的工程師Fredric在上世紀(jì)70年代，覺得軟件正在陷入“泥潭”，后來隨著模塊化技術(shù)的普及，軟件的危機(jī)得以被解決（圖8）。在制造業(yè)同樣如此，人們通過模塊化來實(shí)現(xiàn)機(jī)器的快速軟件重組。
(2)AIGC編程，讓工程邁入更為靈活的時(shí)代
隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷提高，我們要面對各種各樣的算法、AI分析、界面等，程序會變得越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)的編程即使是增強(qiáng)模塊化，仍然不夠，因?yàn)樗摹伴T檻”比較高，尤其是機(jī)電工程領(lǐng)域。

AIGC編程就成為了一個(gè)潛在的方法，因?yàn)?，它會繼續(xù)使用原有的知識、模塊來為工程師快速搭建架構(gòu)，進(jìn)行“按需”軟件設(shè)計(jì)。盡管它目前尚不是很完善，這里，尤其是指制造領(lǐng)域的機(jī)器和產(chǎn)線，但，如果能夠定義統(tǒng)一的規(guī)范進(jìn)行約束，那么，相信它的準(zhǔn)度、深度將進(jìn)一步發(fā)展，其可用性會更高。
據(jù)此發(fā)展下去，軟件未來自動(dòng)生成軟件，自動(dòng)化工程師則將成為一個(gè)顧問，或者一個(gè)“橋梁”，它連接用戶端模糊、不確切的需求，以及組織復(fù)雜的機(jī)電工藝之間的“關(guān)聯(lián)”與“架構(gòu)”，即，未來需要的是機(jī)電、工藝系統(tǒng)的“架構(gòu)師”，而不是“Coder”。
(3)基于建模的開發(fā)與模型交互
但是，這還不夠，畢竟在機(jī)電領(lǐng)域里，不如純軟件領(lǐng)域那么方便，太過于碎片化，因此，采用物理仿真的自動(dòng)代碼生成也成為了一種辦法——Mathworks就在2008年推出了為自動(dòng)化領(lǐng)域的工程師們開發(fā)的SimulinkPLC，通過C代碼的生成來實(shí)現(xiàn)模塊的生成。Modelica組織則試圖在不同的機(jī)械軟件間進(jìn)行模型的數(shù)據(jù)互換，開發(fā)了FMU/FMI接口，這不僅在純的CAD/CAE軟件之間，也在物理建模和自動(dòng)化軟件間進(jìn)行了這樣的接口。當(dāng)然，后續(xù)OPC UA會接續(xù)這個(gè)模型，使得其更為廣泛地連接到不僅基于模型工程（MBE）的領(lǐng)域，如云端系統(tǒng)、垂直領(lǐng)域的軟件之間的接口數(shù)據(jù)統(tǒng)一等等。
因此，我們可以看到，要實(shí)現(xiàn)“軟件定義制造”，想吃上“軟飯”，這個(gè)鏈條里的基礎(chǔ)操作系統(tǒng)、硬件的嵌入式軟件、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)到多業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)的匯集、行業(yè)規(guī)范、數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件、開發(fā)工具、AI、云端等，這一切都需要進(jìn)行有效的組織，形成一個(gè)有機(jī)整體，才能真正被實(shí)現(xiàn)。

軟件定義制造的未來難題有哪些？

軟件定義制造，就目前看，還有很多現(xiàn)實(shí)的難題需要突破。真正想吃上“軟飯”，還需要解決一些關(guān)鍵的問題，并非僅僅技術(shù)方面。
誰為這些軟件買單？
軟件必須成為一種有效的盈利模式，硬件可以統(tǒng)一設(shè)計(jì)制造，由OEM/ODM廠商來代工生產(chǎn)。而每個(gè)企業(yè)的競爭力將由是否能夠解決特定問題，實(shí)現(xiàn)以軟件、服務(wù)為主的盈利。要真正實(shí)現(xiàn)“軟件定義制造”，就必須確定軟件的價(jià)值，并將軟件成為一種嚴(yán)格封裝的、知識產(chǎn)權(quán)邊界明晰的產(chǎn)品，且能夠獨(dú)立的運(yùn)行在跨平臺的系統(tǒng)上。要實(shí)現(xiàn)真正的“軟件定義制造”，就必須要做到以下幾個(gè)方面：
(1)軟件的獨(dú)立性
為了解決這個(gè)問題，在IT業(yè)界采用了包括容器技術(shù)、 Docker等各種方案，這些方案對于IT系統(tǒng)架構(gòu)在統(tǒng)一的硬件上而言，相對比較容易。因?yàn)?，純軟件行業(yè)，他們的規(guī)范性是足夠的——而在制造業(yè)，這個(gè)軟件的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)就由于過于強(qiáng)耦合的硬件、操作系統(tǒng)，而難以真正做到隔離。
因此，未來的自動(dòng)化系統(tǒng)，它應(yīng)該是操作系統(tǒng)更為通用，例如采用Linux、RT-Linux等，且可實(shí)現(xiàn)與開發(fā)環(huán)境的剝離。應(yīng)用軟件可以脫離廠商的硬件，在通用的硬件上來實(shí)現(xiàn)部署，例如可以把它部署在嵌入式系統(tǒng)，也可以在PC、服務(wù)器、云端。
(2)軟件必須是可以被獨(dú)立銷售的
這個(gè)環(huán)境似乎目前還不能看到，只是有些端倪，畢竟，長期依靠硬件“吃飯”的行業(yè)，真的把軟件剝離出來，會傷害既得利益者的盈利能力。這是IT業(yè)界進(jìn)入制造業(yè)一直試圖去顛覆的，盡管這個(gè)步伐看上去很難。這也是制造業(yè)的特殊環(huán)境所造成的，因?yàn)?，可靠性、穩(wěn)定性的需求是基礎(chǔ)。

但是，這并非完全不可能解決，即，依靠純粹的硬件廠商+IT的能力，因此，這個(gè)時(shí)候，自動(dòng)化和這些試圖進(jìn)入制造現(xiàn)場進(jìn)行顛覆的人就產(chǎn)生了沖突。那么，這就要看誰更能堅(jiān)決的帶來商業(yè)價(jià)值。但，作為自動(dòng)化領(lǐng)域的廠商必須要開放地接受這一事實(shí)，依靠硬件或軟硬結(jié)合的方式肯定能“吃”5-10年，至于再過10年后，會發(fā)展成什么樣，就不好說了。

(3)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的建立
為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)層級軟件的南北向數(shù)據(jù)、東西向數(shù)據(jù)的打通，統(tǒng)一規(guī)范是必須的。這個(gè)規(guī)范究竟是什么呢？會是OPC UA嗎？目前這是一個(gè)選擇，但也未必就是唯一的選擇，當(dāng)然，OPC UA可以把各種選擇都給納入它的框架之下。因?yàn)?，它與IT那些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范具有先天的工程思維。
可能制造業(yè)會不同，相對比較嚴(yán)格的——現(xiàn)在的很多標(biāo)準(zhǔn)尚未被有效的使用，就是因?yàn)樵趯?shí)際的“智能連接”上需求尚未真正達(dá)到一致，因此，很多概念僅在前沿的企業(yè)那里會看到雛形，或者試驗(yàn)型產(chǎn)線。
在各個(gè)軟件間形成快速的接口數(shù)據(jù)交互，以及程序間的交互——就像MTP，如果自動(dòng)化廠商都遵循MTP，那么，當(dāng)產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改之后，它也可以被下發(fā)給不同的PLC，并且寫入變量中，或自動(dòng)讀取。如果AIGC編程也能按照這個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)來定義對象、數(shù)據(jù)格式，那么是否意味著，即使是它生成的程序，也可以被PLC直接讀取呢？這個(gè)約束機(jī)制本身就是一個(gè)探索過程，但，用“規(guī)則”約束自動(dòng)編程系統(tǒng)，在可行性上可以進(jìn)行探索——軟件自動(dòng)構(gòu)造的方法，既可以通過系統(tǒng)建模、語言建模、軟件接口、模型接口——至于哪種方法更好，可能通過多個(gè)接口和機(jī)制的聯(lián)合行動(dòng)，大家也可以做到最終的交互。
在圖9這個(gè)架構(gòu)里，電解槽相關(guān)的水處理、變流器、壓縮機(jī)、電解槽、干燥系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)之間會形成一個(gè)整體。當(dāng)系統(tǒng)需要更新數(shù)據(jù)和升級配方，則會統(tǒng)一的數(shù)據(jù)下發(fā)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的升級。
這些工具的最佳組合會被探索出來，例如，在通信接口方面，模型交互方面，其實(shí)，不必完全構(gòu)造，而是讓系統(tǒng)學(xué)會各個(gè)接口規(guī)范，并讓程序按照這個(gè)接口來實(shí)現(xiàn)——反倒，這個(gè)可能對于推理強(qiáng)的AI更容易掌控局面。因?yàn)?，我們要做得太?fù)雜的時(shí)候，反倒是難以實(shí)現(xiàn)的——但，人可以為機(jī)器提供校驗(yàn)，它還會學(xué)會你的校驗(yàn)過程。

(4)自動(dòng)化還得是個(gè)咨詢公司
前面提到，如果我們希望做到“軟件定義制造”，而又有AIGC編程、模型交互、模塊化設(shè)計(jì)，凡此種種，這能夠讓機(jī)器和系統(tǒng)更快的自動(dòng)構(gòu)造。而這個(gè)時(shí)候，你會發(fā)現(xiàn)，最為重要的不再是編程、設(shè)計(jì)， 而是“架構(gòu)”，即，用戶的需求到實(shí)現(xiàn)之間的這個(gè)“橋梁”。將用戶需求翻譯為機(jī)器可實(shí)現(xiàn)，這并非易事。因?yàn)?，人的需求往往是模糊、不確定的，且存在隱藏的、沒有被發(fā)現(xiàn)的——甚至提出需求的人自己也不清楚。
那么，這個(gè)時(shí)候，其實(shí)特別需要具有“咨詢顧問”能力的工程師來解決這個(gè)問題。即，它能夠梳理需求的邏輯，并能對需求進(jìn)行精確的定位，并且能夠關(guān)聯(lián)機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣、工藝、AI分析之間的關(guān)系，能夠把它表達(dá)為Prompt去給AI系統(tǒng)，讓它去實(shí)現(xiàn)，然后還能給它的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行修正。
這可能不是一個(gè)工程師能完成的，而是一個(gè)由多個(gè)人和跨企業(yè)專家構(gòu)成的團(tuán)隊(duì)，但這個(gè)團(tuán)隊(duì)需要具有咨詢顧問的提問、分析能力——它是一個(gè)不止于跨學(xué)科，還跨職能去實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的組織。
(5)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)
要想真正實(shí)現(xiàn)“軟件定義制造”，那么，在知識產(chǎn)權(quán)保
護(hù)方面，就必須有非常強(qiáng)的機(jī)制。當(dāng)然，這種機(jī)制不一定是法律機(jī)制，也可以是技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，配合法律法規(guī)。
這里也會牽扯到非常多的權(quán)利問題，即，數(shù)據(jù)權(quán)屬問題、知識的歸屬，以及復(fù)制的權(quán)限等，也包括信息安全保護(hù)機(jī)制，來確保數(shù)據(jù)資產(chǎn)的安全。
所以， 自動(dòng)化行業(yè)的“吃軟飯”要能夠成為一種長期穩(wěn)定的“飯票”，還需要很長的時(shí)間發(fā)展，從目前來看，這個(gè)方向在行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了某種端倪，但尚未達(dá)到真正意義的“軟件定義制造”。