軟件：工業(yè)的未來
　　魯思沃（Siegfried Russwurm）
　　概 論
　　工業(yè)企業(yè)欲在未來長期保持競爭優(yōu)勢，必須做好三件事：提高生產力、加強節(jié)能高效，提高生產靈活性。只有這樣，才能降低成本；縮短產品上市時間，并通過提高產品的種類，擴大需求；滿足個性化的生產需求。為實現(xiàn)高度靈活的規(guī)模化生產，對客戶和合作伙伴能夠在日益復雜的價值創(chuàng)造鏈條中進行高效資源優(yōu)化，使生產和服務形成更加緊密的連接，工業(yè)企業(yè)還需要高效的生產和運營。
　　經過了幾十年發(fā)展的制造業(yè)，如今正面臨著產業(yè)模式的轉變。隨著制造業(yè)中虛擬與現(xiàn)實的交互性不斷加強，生產方式必將因工業(yè) IT 和軟件技術的應用而發(fā)生根本性的改變。功能性工業(yè)軟件的智能應用和研發(fā)，將無疑成為了影響制造業(yè)和過程工業(yè)發(fā)展的一個決定性因素。這些行業(yè)現(xiàn)有的發(fā)展態(tài)勢，已經證明了這一點。
　　一個企業(yè)乃至一個行業(yè)的未來，越來越不取決于工廠本身。相反，軟件工程師的地位變得越來越重要。是他們使生產工序間有了交互性，這種交互性不只作用于生產層面，還作用于業(yè)務層面，例如：工程師所承擔的一部分工作，將企業(yè)和企業(yè)外部組織連接在了一起。通過工業(yè)軟件，實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實的交互，顯著提高了生產力。因此，工業(yè)軟件也就成為了未來制造業(yè)研究的重要課題。
　　2.1 工業(yè)領域在全球化市場競爭中的挑戰(zhàn)
　　在過去很長一段時間里，世界工業(yè)格局的劃分已經基本完成：高科技產業(yè)在西方國家發(fā)展并不斷完善，這一事實毋庸置疑。而那些簡單的加工產品，即使是在發(fā)達國家出售，也是在低收入國家、特別是亞洲國家生產的。“高精尖”產品的創(chuàng)新周期具備可規(guī)劃的特點，其產品上市時間也可預見。當批量生產時，產品本身的特點會減少。無論是規(guī)模經濟（Economies of Scale，通過批量生產降低成本），還是范圍經濟（Economies of Scope，通過產品組合獲得成本協(xié)同效益）的原理都已得到了驗證。但對于中小型企業(yè)來說，大多數(shù)只能接到小批量訂單。
　　以前提高生產力的方法主要有以下手段：優(yōu)化現(xiàn)有流程、提高制造業(yè)的自動化程度、改進設計、降低勞動成本以及完善供應鏈管理模式。隨著經濟全球化，特別是在資源嚴重短缺和技術不斷進步的背景下，提高生產力的方法有了根本性的轉變。在過去60年中，全球貿易量增長了20多倍。全球化是把雙刃劍：一方面，工業(yè)企業(yè)有機會獲得更大的市場，從而從中獲得更大的利潤；另一方面，全球化也就意味著企業(yè)將面臨更加激烈的國際競爭。價格更低、品質更好、效率更高，這三點加在一起就是現(xiàn)代企業(yè)需要一直要追逐的目標。當前的企業(yè)價值鏈，已遠遠超越了地區(qū)界限。它跨越了國家甚至是時區(qū)的界限。在激烈的國際競爭下，企業(yè)要不斷地改進生產，其商業(yè)運作模式的復雜性也在日益增加。
　　汽車制造業(yè)就是商業(yè)模式改變最明顯的實例：目前汽車制造業(yè)產值占工業(yè)生產總產值的35%。據(jù)奧緯企業(yè)咨詢公司和汽車行業(yè)協(xié)會的一份調查表明，到 2025 年，制造業(yè)的產值將減少五分之一，降至 29%。而研發(fā)環(huán)節(jié)的產值將會從現(xiàn)在的 60% 降至 47%，當然這其中設計服務領域的產值反而會增長將近一倍，從現(xiàn)在的 9% 增長到 17%。這條產業(yè)鏈中各個環(huán)節(jié)的協(xié)作也會發(fā)生明顯的轉變。甚至，這條產業(yè)鏈自身也會發(fā)生變化：除了如今沿產業(yè)鏈上各個環(huán)節(jié)業(yè)務布局的縱向集成外，還包括了從設計、生產、組裝、分銷、銷售到服務的業(yè)務流程間的橫向集成發(fā)展。
　　在這條產業(yè)鏈中，已經不再是某個企業(yè)內部的數(shù)據(jù)交換了，而是通過跨企業(yè)的數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)潛力的優(yōu)化。并且可以預見的是，今后的終端客戶可以更加直接地參與產品工程及設計。因此，這條產業(yè)價值鏈的管理也會變得更加復雜。
　　在未來，我們面臨的另一項挑戰(zhàn)是：產品種類的增多。假設，現(xiàn)在某人想訂購一臺福特皮卡 F150。他大約有 16 種部件組合可供選擇。但當有一天可以使用 6540 億個零部件，組合成一輛福特 F150 時，將會怎樣呢？零部件種類的增加是產品樣式增加的直接原因。從 1990 年初開始計算，德國豪華汽車品牌的制造商，平均一年每個品牌生產的汽車款式大約是7到8款，這個數(shù)字在2012年時就已經翻了將近2倍：僅奧迪、寶馬和奔馳三個品牌2012年在德國地區(qū)就推出了66款汽車。大眾集團在世界100個地方推出了將近280款汽車。據(jù)德國杜伊斯堡汽車研究中心預測，2015年汽車款式將增加至415款，比1995年增加了將近200款。與此同時，從2000年起汽車款式的平均壽命周期幾乎縮短了一半——從8年縮短到4年。1974年，大眾品牌推出了他們的第一款高爾夫汽車，從那年起這款車生產了將近10年，直至1983年停產。而就在2012年，高爾夫七系替了僅僅生產了五年的高爾夫六系。整個行業(yè)的研發(fā)時間，從設計到投產縮短了整整三分之一。
　　除了汽車制造業(yè)外，其他行業(yè)的發(fā)展同樣如此迅速：中國的計算機品牌聯(lián)想僅用了3個月的時間就開發(fā)出了他們旗下一款智能手機。在2012年，中國共有42款新手機問世。消費品行業(yè)中，漢高集團生產的清潔產品有42%的投產時間都不到三年。與此同時，該集團的旗下品牌，碧浪、寶瑩、施普雷和白黎斯總共推出了37款產品。它們利用眾多的產品種類，打敗了對手。產品種類的增加和研發(fā)周期的減少成為了所有行業(yè)的發(fā)展趨勢。與此同時，這種趨勢帶動了企業(yè)成本的變化并令企業(yè)內部結構更加復雜。
　　伴隨著這些巨大的發(fā)展變化——增高的成本壓力、激烈的競爭、更加復雜的價值創(chuàng)造網(wǎng)絡、更多的品種、較短的研發(fā)時間以及產品上市時間。社會和國民經濟也在改變：在過去的15年里，許多政府都在加大對第三產業(yè)的投入。但新經濟泡沫的幻滅和經濟危機使政治家和企業(yè)家們認識到，強大的工業(yè)是保證就業(yè)率、經濟穩(wěn)定增長、社會和平、公民幸福的重要保障；也正是強有力的工業(yè)才促使了服務業(yè)的發(fā)展。因此，許多西方國家紛紛回歸制造業(yè)，在全球范圍內大規(guī)模的數(shù)十億資金項目開始啟動。
　　因為國際工資成本的上漲，以上所說的這種“產業(yè)回歸”是有益的。據(jù)波士頓咨詢公司稱，中國的工資成本平均每年上漲 19%。如果不考慮一些企業(yè)管理類的相關因素，如短途運輸、海關手續(xù)、質量保證等，美國一些地方的工資水平與中國相比也只高出 7%。但就總成本而言，工資成本所占份額也在下降。其原因是自動化程度的提高，特別是在高品質商品的生產過程中，勞動力成本在產品生產的總價值方面所占比例越來越少。
　　這個原理也同樣說明了，為什么相對于高精尖的產品，那些對于科技含量要求不高的產品，即使在體積、重量上超過前者，其價值卻遠少于前者。運輸成本份額在產品總份額中的比例還是相當大的。假設生產商將其產品生產場地設置在產品投放產地附近，雖然能減少一定的運輸成本，但卻分散了生產且增加了生產的復雜性。丹麥玩具品牌樂高的產品策略就說明了這一點：樂高把在北美市場投放的玩具生產基地設在了墨西哥，而面對一個十分繁榮的亞洲市場，樂高也只不過計劃在 2017 年，在中國嘉興的工廠招收大約 2000 名工人。
　　2.2 軟件對未來生產的作用
　　無論是玩具生產商、汽車制造商、機械工程制造商、飲料行業(yè)，還是化工和電子行業(yè)，雖然他們各自面臨的行業(yè)挑戰(zhàn)不同，但相同的是：他們都需提高自己的生產力、生產效率、生產靈活性以及生產復雜性的管理能力。
　　為了實現(xiàn)這個目標，制造業(yè)的產品自動化必須從其局部自動化開始，并建立起一個明確的機制。在一個現(xiàn)代化工廠里，產品零部件、工具、運輸箱、機器等每一個環(huán)節(jié)都配備有傳感器和通信設備，以便進行數(shù)據(jù)交換和業(yè)務溝通。這種全面的信息自動化代表了當前最先進的制造業(yè)水平。為進一步優(yōu)化生產，企業(yè)需按以下順序不斷改進工業(yè)流程：產品設計、生產規(guī)劃、生產工程、生產實施以及生產服務。其中，服務環(huán)節(jié)還包括：產品維修及維護，以及節(jié)能環(huán)保服務等。
　　以上各個環(huán)節(jié)跨越的地區(qū)、國家乃至時區(qū)越多，其優(yōu)化的難度就越大。為了保證企業(yè)的長期競爭力，企業(yè)的整體優(yōu)化是必不可少的。因此，企業(yè)就需要一個全新的軟件系統(tǒng)，并覆蓋整個產品生命周期：從最初的產品設計理念，到生產和物流，再到運行與服務
　　由于產品研發(fā)與生產過程是一個統(tǒng)一的整體，工業(yè)企業(yè)必須要考慮到產品每一個環(huán)節(jié)的生命周期成本。功能強大的硬件只有靠新興工業(yè)軟件作為支撐，才能使自動化和驅動技術產生根本的革新進步。
　　工業(yè)行業(yè)正在面臨著全面的產品研發(fā)數(shù)字化——這種數(shù)字化涵蓋了幾乎所有的生產流程。由于虛擬與現(xiàn)實世界不斷交互融合，所以企業(yè)需要從新的角度來思考生產方法的改進措施。工程數(shù)據(jù)可以直接轉化到生產過程中；相反，生產信息也可以直接作用于優(yōu)化產品研發(fā)及生產過程的上游工序中，也就是將所有的數(shù)據(jù)都整合進唯一的數(shù)據(jù)庫中。這種把產品和產品生命周期中每一個環(huán)節(jié)優(yōu)化整合的軟件，已經被推廣到了各個工業(yè)領域，并正在飛速的發(fā)展中。在這種數(shù)字化組織中，不僅產品設計可以通過計算機完成，就連其制造過程都需要使用計算機。利用產品生命周期管理軟件（PLM）和自動化軟件技術，可以大大提高企業(yè)的生產力和競爭力。一個新產品的上市時間可以因此減少50%。也就是說，利用同樣的資源與能源成本可以生產出更加優(yōu)質的產品。
　　2.2.1 軟件對產品設計的作用
　　軟件可以用于價值創(chuàng)造鏈的所有環(huán)節(jié)。在產品設計中，您可以應用產品生命周期管理軟件（PLM），在計算機上進行虛擬的產品設備測試，以達到在不需要實物的情況下，優(yōu)化產品設計。數(shù)字虛擬化可以模擬出高精尖設備研發(fā)所需要的自然環(huán)境。例如，2012年8月此項技術被用于火星探測器的研發(fā)與制造全程：噴氣推進實驗室（JPL）為美國航空航天局（NASA）配備了一款西門子產品生命周期管理 （PLM） 軟件NX，用于數(shù)字化仿真及虛擬裝配，從而實現(xiàn)各個組件及其接口的測試。
　　這款軟件還可以應用在汽車行業(yè)：可顯著縮短產品上市時間，大幅提高靈活性。比如，戴姆勒公司將 NX 軟件首先應用于其旗下汽車和卡車的研發(fā)部門。隨后，戴姆勒集團為其超過 20 個研發(fā)中心和最主要的供應商，都配備了這種新型研發(fā)平臺
　　2.2.2 軟件對生產規(guī)劃的作用
　　從大眾品牌改造一條汽車沖壓生產線的案例，就可以看出軟件在生產規(guī)劃中的作用。大眾汽車改造一條已經使用了 17 年之久的沖壓生產線時，將產品生命周期管理軟件（PLM）與其自動化軟件相結合，使得改造時間有了明顯的減少：在早期改造生產線的規(guī)劃階段，為提高生產效率，可以使用沖壓線仿真軟件，模擬出現(xiàn)有機器和處理設備，再對其進行優(yōu)化。為了將沖壓件的模擬程序做到最精確，在使用仿真軟件的時候，還需要配合使用運動控制軟件（Motion Control Software）。運動控制軟件除可用于虛擬環(huán)境外，還可用于現(xiàn)實操作中。使用這種技術，在完成最后沖壓線改造工程之后，經計算實現(xiàn)節(jié)能35%，每分鐘沖程數(shù)可由14次提高至16次，生產力明顯提高。雖然表面上看，這2個沖程數(shù)并不起眼，但放在每個班次上所提升的效率是相當可觀的。
　　2.2.3 軟件對生產工程的作用
　　數(shù)字化規(guī)劃和生產流程向實際工程環(huán)境轉化時，會涉及到不同生產自動化和產品設計軟件模塊間的相互協(xié)同。只有實現(xiàn)運行、機械和工序之間的最佳工作流，以及各個系統(tǒng)之間的無縫通信，才能顯著提高生產力，使企業(yè)自身、客戶和終端用戶均受益
　　醫(yī)療技術領域通常是被業(yè)界拿來說明以上觀點的最好實例。因為，醫(yī)療技術發(fā)展的特點是先遇到挑戰(zhàn)，然后建立必要的數(shù)據(jù)結構，而不像其他行業(yè)一樣，用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)去解決出現(xiàn)的問題。為了在節(jié)省成本的同時，制造出適合患者的膝關節(jié)植入體，西門子醫(yī)療業(yè)務領域和工業(yè)業(yè)務領域通力合作，通過創(chuàng)新，制造出了一種膝關節(jié)植入體。這種創(chuàng)新至今還被廣泛應用于膝關節(jié)植入體的制作流程中：因為膝關節(jié)植入體有尺寸與形狀的限制，所以醫(yī)師在為患者植入這種膝關節(jié)植入體時，必須為患者施行削骨手術。由于人工關節(jié)使用量很小，且關節(jié)的制作必須由人工完成，因此它的造價非常昂貴。按西門子公司的新思維：可以在為患者訂制第一個骨模型之前，先搜集患者有關數(shù)據(jù)。然后將這些數(shù)據(jù)快速進行自動化處理，轉化成一個假體模型，再通過數(shù)控設備的加工，最終制作出來。而對患者的膝關節(jié)進行掃描，主要是通過CT和核磁共振成像（MRT）來實現(xiàn)的。西門子PLM軟件部的NX CAM 系統(tǒng)可以在半個小時之內生成生產用數(shù)控數(shù)據(jù)。而用人工制作的話，至少需要兩天。
　　膝關節(jié)植入體的實際生產采用西門子 Sinumerik 840D sl 數(shù)控系統(tǒng)。安裝有該開放式控制系統(tǒng)的機床可以無縫集成到上位生產控制系統(tǒng)，實現(xiàn)從患者的數(shù)據(jù)輸入開始直到植入體被運送到患者手中的連續(xù)過程鏈。
　　在生產工程中，這種工業(yè)軟件與自動化技術、生產技術相互協(xié)同的生產模式，在西門子已經被成熟地運用了許多年。集合豐富的應用經驗與知識，最終西門子開發(fā)出了TIA 博途軟件平臺。TIA博途軟件平臺是一個被稱作“單一工程環(huán)境”的自動化軟件。也就是說，用統(tǒng)一的操作平臺和畫面，可以操作整個價值創(chuàng)造鏈——從規(guī)劃、調試，到運行和維護，以及自動化系統(tǒng)擴展。通過工業(yè)軟件與自動化和驅動工程技術的結合，使產品設計、生產實施和服務三個環(huán)節(jié)緊密相連。通過該軟件平臺，可實現(xiàn)最佳工作流程，降低工程成本高達 30%。
　　2.2.4 軟件對生產實施的作用
　　企業(yè)通過優(yōu)化生產鏈條的第一個環(huán)節(jié)（產品設計、生產規(guī)劃和生產工程），可以在整個生產流程中起到事半功倍的效果。借助于全集成自動化，可以優(yōu)化生產環(huán)節(jié)的自動化解決方案以及之后每一個環(huán)節(jié)。制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），如 Simatic IT 平臺可保證生產的高性能。通過數(shù)據(jù)融合，所有生產流程的管理變得十分透明，工程設計的各個階段實現(xiàn)實時交互。
　　通過采用集成自動化與驅動解決方案，能夠顯著提高生產效率和靈活性。原東德玻璃制造商 f|glass 就是一個很好的實例。它的工廠可以算得上是全世界最先進、最節(jié)能的工廠之一了。該工廠采用了一套集成自動化解決方案、一個先進的能源管理系統(tǒng)以及一個創(chuàng)新的熱回收系統(tǒng)。從原材料供應和混合，到熔化過程，再到玻璃表面的精加工和調試，生產與物流均完全實現(xiàn)了自動化。通過全集成自動化（TIA），所有集成儀表、驅動、自動化及配電解決方案相互協(xié)同，所有生產流程高效而靈活。過程控制系統(tǒng) Simatic PCS 7 可視化控制著 700 米長設備上的 3000 個測量點，實現(xiàn)了一年 365 天連續(xù)可靠的運行
　　玻璃制造商f|Glass工廠中的觸屏控制系統(tǒng)
　　2.2.5 軟件對生產服務的作用
　　在過程工業(yè)和制造業(yè)中，能否為客戶量身訂制服務解決方案，日益成為企業(yè)能否成功的一個決定性因素：除了傳統(tǒng)意義上的維修保養(yǎng)、故障修復、能源與環(huán)境服務、綜合性維修解決方案外，還包括遠程維護。
　　為了提高設備的利用率，降低維護成本，實現(xiàn)機械設備的遠程監(jiān)測和維護是一項行之有效的措施。在線訪問將比現(xiàn)場服務更經濟、更快捷、更靈活。通過遠程監(jiān)控，可以對設備實施預防性檢測與維護（狀態(tài)監(jiān)測）。
　　特別是像航空航天這種特殊行業(yè)，往往承擔著極為復雜的設備和系統(tǒng)維護任務。如果沒有預防性和預測性的技術手段，這項維護任務是象的。因此，西班牙的空客工廠（見）請西門子為其進行設備維護。維護范圍包括制造設備維修和備件管理。
　　服務解決方案并不僅僅局限于提供解決方案。通常人們所理解的解決方案比較適合大型公司。但一些沒有全球性服務團隊的中小型公司，也可以利用這些解決方案。比如說，西門子強大的在線服務網(wǎng)絡團隊為 Schwbische 機床公司提供的服務。該公司是一家只有大約300名員工的多軸機床原始設備（OEM）制造商和供貨商，其客戶遍及世界各地。
　　2.2.6 所有生產流程中的軟件集成
　　如今是一個創(chuàng)新軟件與高性能硬件、虛擬網(wǎng)絡與現(xiàn)實生產環(huán)境交錯的時代。所有產品的開發(fā)和生產過程都需要軟件應用。先進的精密光學設備行業(yè)最能說明這一點。由德國 Opto 光學儀器有限公司研發(fā)了一款重達 85 噸的龐然大物。這臺機器可以用來制造直徑長達 2 米的高精度太空探測望遠鏡。其測量精度可達30納米。這款測量距離超過了130億光年的望遠鏡鏡片也是由Opto 公司研制的。首先，Opto 的光學工程師們使用西門子PLM軟件NX CAD解決方案在電腦屏幕上虛擬出一個機器。然后，西門子機電一體化技術人員不斷分析、模擬、優(yōu)化這臺“虛擬機”，配套使用了西門子數(shù)控系統(tǒng)Sinumerik840D，并為Opto公司專門設計了專屬用戶界面。通過采用西門子 Sinamics系列驅動產品，Opto公司實現(xiàn)了八軸超精密磨削和研磨拋光機的精確運動。CAD軟件與高性能硬件的結合不僅在精度上更上了一個臺階，也加快了制造過程。由于天文光學在全球的需求度非常高，所以其定制的時間難以保證，因此，望遠鏡能否在最短的時間制作完成，是非常關鍵的。
　　2.3 工業(yè)4.0
　　德國創(chuàng)造出了一個詞叫做“工業(yè)4.0”，定位于以蒸汽機、大規(guī)模流水線生產和電氣自動化為標志的前三次工業(yè)革命之后的第四次工業(yè)革命。該理念意在通過充分利用嵌入式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)創(chuàng)新交互式生產技術的聯(lián)網(wǎng)，相互通信，即物理信息融合系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems），將制造業(yè)向智能化轉型。
　　2.3.1 釋義
　　在“工業(yè)4.0”的理念中，產品本身就是生產過程中一個十分活躍的元素。這個理念也可以用“智能工廠”來解釋，也就是說在這個工廠中，數(shù)字世界與物理世界無縫融合。在這些產品中包含有全部必需的生產信息。通過物理信息融合系統(tǒng)，企業(yè)不僅可以清晰地識別產品，定位產品，而且還可全面掌握產品的生產經過、實際狀態(tài)以及至目標狀態(tài)的可選路徑。在“工業(yè)4.0”時代，機器、存儲系統(tǒng)和生產手段構成了一個相互交織的網(wǎng)絡，在這個網(wǎng)絡中，可以進行信息的實時交互、調準。同時，物理信息融合系統(tǒng)還能給出各種可行性方案，再根據(jù)預先設定的優(yōu)化準則，將它們進行比對、評估，最終選出最佳方案。這就使生產更具效率，更環(huán)保，更加人性化。同時，因為調動了“元信息”，所以提高了過程透明度。
　　這種以信息技術為基礎，整合軟硬件的系統(tǒng)又稱嵌入式生產系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應用，一方面使得企業(yè)與企業(yè)之間縱向一體化程度加深；另一方面，在從預訂到交貨的橫向一體化中，各個環(huán)節(jié)也被緊密地聯(lián)系起來了。正如德國技術科學協(xié)會（Acatech）發(fā)表的一份文件中預測的那樣：“物理信息融合系統(tǒng)（嵌入式系統(tǒng)）將徹底變革制造業(yè)、交通業(yè)和醫(yī)藥業(yè)�！蔽募�還進一步提到，采用新的生產工藝，可以將生產力從30%提高至50%。
　　2.3.2 成功之路
　　在“工業(yè)4.0”時代，數(shù)字化的靈活性，將更強烈地影響現(xiàn)實世界。要實現(xiàn)