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在第四次工业革命中，软件发挥着核心作用。软件不仅定义了传统计算机硬件的功能和性能，而且通过信息技术与传统产品（系统）的嵌入和融合，构建了产品的“数字孪生体”，并通过对数据的实时采集、高效传输、优化决策、智能控制等，实现了对广义硬件的功能、性能的定制和优化，极大地增强了产品（系统）的自动化、智能化程度。
在以新一代信息技术与传统制造业的深度融合为特征的新一轮创新浪潮中，软件定义带动技术、产品、业态、模式等不断创新，深刻变革工业产品研发设计、工艺制造、经营管理模式，激发创新应用，高效配置资源，提高生产效率，提升企业核心竞争力，推动产业转型升级。软件正在定义汽车、飞机、电池等几乎所有的东西。软件是新一轮工业革命的核心竞争力，正成为各国的共识。软件定义制造将成为未来工业发展的重要趋势之一。
各国围绕“再工业化”进行的先进制造业战略布局，其核心是软件在制造业中的深度渗透。
德国“工业4.0”构建基于CPS的新型制造体系。这是一次现代信息和软件技术与传统制造业生产相互作用的革命性转变。“工业4.0”战略中的关键技术与理念处处可见软件的身影，可见其重要性，且发展势头迅猛。以工业软件为主角的信息技术是产业变革的核心推动力，它可以实时感知、采集、监控生产过程中产生的大量数据，促进生产过程的无缝衔接和企业间的协同制造，实现生产系统的智能分析和决策优化，从而使生产方式向智能制造、网络制造、柔性制造方向变革。
美国的“全美制造业创新网络”将软件提升到一个很重要的位置，并分为数字制造与智能制造两条主线。作为数字制造的主导部门，数字制造与设计创新研究院（DMDII）早在2015年7月就启动了数字化制造的开源软件项目数字制造公共平台（DMC）；作为智能制造的主导部门，智能制造领导联盟（SMLC）强调将采用开源的数字平台和技术集成的方式，将先进的工业软件、传感器、控制器、平台和建模技术集成到商业化的智能制造系统中。与此同时，充分利用云计算技术和灵活的软件开发架构，提供实时分析工具、基础设施和各种工业应用，确保所有美国企业，无论是大企业还是中小企业都受益。
从我国来看，自改革开放以来，我们紧跟发达国家的步伐，抓住全球产业大势，特别是将新一代信息技术和传统的制造技术有机融合，制造业取得了很大的成就，逐步发展成世界第一大制造体系（总规模）。我国高度重视软件在制造业发展中的重要作用，《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》（国发〔2016〕28号）提出“强化软件支撑和定义制造业的基础性作用”，工业基础软件在2020年成为产业基础再造工程的“第五基”。
软件技术正在构建智能化的生产模式和产业结构，支撑新一代信息技术和制造业深度融合，引发影响深远的产业变革，形成新的生产方式、产业形态和增长方式。各国的制造业发展战略都是在这样的背景下提出来的。其目的就是借助新一代信息技术革命的制高点发展制造业，带动经济增长。各种先进理念都是通过软件再造业务流程，实现向数字化、网络化、智能化、服务化的方向发展的目标。
软件定义制造是一个正在发展演变的概念，涉及软件、工业等多个领域。不同领域的人从各自的背景出发，对软件定义制造的内涵形成不同的认识，主要可分为软件业侧和工业侧两类观点。
1.软件业侧观点
软件定义制造通过软件将工厂的底层制造设备等资源、能力、功能虚拟化，整合为资源池；生产车间在对数据进行收集、存储、建模和初步统计分析后形成信息，进一步通过分类、归纳、演绎和预测等将其深度整合成知识，并将这些知识汇总、沉淀到软件平台；软件平台动态感知业务的资源需求，智能地动态分配和组合资源，并且，智能设备在软件平台的控制下，对设计规程、制造指令、运维告警进行精确响应，灵活调整运行参数，生产出影响物理世界、服务大众生活的产品。具体来说，软件定义制造具有三大内涵。
1）物理资源虚拟化
底层的服务器、存储、网络，以及制造设备、物料资源等物理资源构成了工业基础设施。物理资源虚拟化形成了软件定义的工业基础设施。将各种物理资源抽象、转换后呈现出来，打破物理设备结构间的不可切割的障碍，这些虚拟的资源不受现有资源的架构方式、地域或物理设备所限制，并被当成一种逻辑上的资源加以控制和管理。将这些资源统一管理，进行“池化”，并对这些“池化”的资源进行按需分配和重新组合。
2）管控软件平台化
管控软件平台是整合内外部跨组织、跨平台的信息枢纽，可实现数据的互联互通；是研发生产的资源与能力汇聚枢纽，可实现制造资源泛在连接、深度协同、弹性供给、高效配置；是组织管理的逻辑枢纽和指挥中枢，可实现智慧化经营管理。
管控软件平台化是形成以软件平台为核心的边缘计算平台、大数据平台、云平台、信息管理平台等，构建平台化的资源汇聚与互联体系。通过软件实现工业技术、经验、知识的模型化、标准化、软件化，并将制造资源与制造能力沉淀到平台，基于软件复用来实现“知识自动化”，并通过平台来驱动各种资源，打破各个业务运行环境的分离和隔阂，进行敏捷生产和制造，进而驱动业务流程重构和组织再造。
（1）通过构建高度集成、智能和协作的软件平台，支撑生产全要素、全流程、全产业链、全生命周期管理、产销互动的全场景资源的统一管控与按需配置，由原来的需求变化必须通过硬件资源平台变化来实现，转变为通过一个深度软件定义的平台可以灵活地定义、管理各种资源，从以硬件资源为核心走向以软件平台为核心。
（2）通过机器硬件的软件虚拟化，实现机器硬件的灵活组合、通信互联和智能控制，面向特定领域或个性化生产任务实现软件定义的深度定制。特别是当设备、产品和业务活动基于CPS而联成网络（工业互联网）时，软件以工业互联网平台的形式起到关键基础设施作用，为工业提供一个设备高度互联、数据自动流动、要素优化配置的赋能环境，以工业软件形式定义工业各个流程中的各种业务活动；在制造平台的基础上面向多样性需求，开展个性化定制生产，实现软件定义下的订单驱动型制造模式；基于工业大数据、人工智能技术和软件平台，支持企业经营管理、设计制造、供应链、销售、服务等业务的优化决策，实现软件定义下的全业务智能化模式。
3）功能应用模块化
要在软件平台化的基础上实现垂直行业的应用，具体来讲，在平台的基础上，结合特定行业需求，将软件与企业的业务深度融合，通过丰富开放的API（Application Programming Interface，应用程序编程接口），将行业知识与能力进行沉淀、复用和重构，封装成功能模块，并进行动态集成，有针对性地开发行业应用和解决方案，在平台上形成垂直应用集群，直接对外提供服务，加速制造业务能力的输出。这种方式不受硬件资源管理的约束，互联互通、深度协同，业务应用的智能化由软件实现，设备的种类及功能由软件配置而定，打破了对业务的封闭，实现了更多的功能，提供了更为灵活、高效和多样化的服务。具体来讲，一方面可以通过专业应用来提高生产效率，创新企业的设计研发、生产制造、运营、营销和服务全生命周期的模式；另一方面可以灵活运用多种应用来满足日益变化的业务需求。基于软件化应用可帮助企业从基于产品模式向基于服务模式演进（独立产品→产品+远程协助→产品+增值服务→服务平台），增加收入并增强客户黏性，实现价值链的延伸。
制造业中软件定义的方法需要形成模块化开放体系架构：首先通过软硬件解耦，将系统分解为一系列标准化的软硬件模块；接着将工程技术以模块形式软件化，使产品研制过程像搭积木一样；最后对这些模块进行不断的升级和重组，逐步提升整个系统的效能。
采用模块化开放体系架构，不但便于引入新技术进行升级改造，而且便于控制和降低成本。模块化开放体系架构具有以下典型特征：第一，需求可定义，即可根据需要重构整个系统，灵活响应多种不同的任务需求，满足多种应用场景；第二，硬件可重组，即采用开放体系架构，具有丰富的接口形式，支持即插即用，可以根据任务需求进行计算资源、交换资源、存储资源的重组；第三，软件可重配，即具有一致的程序执行环境，以及丰富的应用软件，可以根据任务需求动态配置和执行不同的App，完成不同的任务；第四，功能可重构，即通过接入不同的硬件部件、加载不同的软件组件，快速重构出不同的功能，这一理念与操作系统类似，比如目前“软件定义卫星”的概念已被提出，并在卫星的研发设计中进行了实践。
2.工业侧观点
软件定义制造是依据工业领域的标准和规范，通过软件高效、准确地将工业领域多年来积累的工程原理、知识、经验、数据和实践表达出来，并在信息物理系统实现闭环优化，为制造技术应用赋能。其中，软件扮演着重要的角色，具体体现在软件定义产品、软件定义制造全过程、软件定义支撑制造模式转变等。
1）软件定义产品
随着软件在工业领域的不断渗透，产品由软件定义的程度不断提高。首先，产品的功能、灵活性、易扩展性、安全性和可管理性等正通过丰富多彩的软件来展现，具体表现为软件定义产品功能、软件增强产品效能和软件拓展产品边界。一般而言，产品包含的软件代码量越大，则其功能越丰富、智能化水平越高。例如，现代汽车软件的比重持续增加，占全车成本的40%以上；宝马7系软件的代码总量超2亿行，Tesla Model S（特斯拉制造的电动轿车）软件的代码总量超4亿行，空客A380软件的代码总量超10亿行。其次，软件对产品定义的能力正从传统的信息技术产品向工业产品拓展，推动工业产品逐步向智能化发展，即软件进入物理设备发挥“赋智”作用，形成智能产品。最后，软件构建新的产品结构，具体表现在软件重构功能结构、软件优化性能结构和软件再造价值结构。
2）软件定义制造全过程
软件贯穿产品设计、研发、生产等流程，将生产流程和数据全面集成，实现对生产的数字化和精准化控制。
（1）软件定义设计。信息技术与工业技术的深度融合，使设计技术发生了深刻变化。其中，软件定义对设计的作用尤为突出，无论是设计对象（产品）、设计方法还是设计工具，都体现出了软件定义的特征。对于设计对象来说，在设计过程中，产品都是由数据和模型来表达的，即软件定义产品；对于设计方法来说，如计算机辅助等设计方法、复杂系统的体系化设计方法等都是基于软件实现的，即软件定义设计方法；对于设计工具来说，其中个体工具、组织工具和社会工具等都是依赖软件的，即软件定义设计工具。
（2）软件定义研发。各种软件开发工具及研发管理工具的广泛应用，给企业研发带来了重大变革。企业研发将从物理试验手段向数字仿真手段演变。所谓数字仿真手段，就是在软件中写入各种算法和机理模型，模拟工业设备和产品的“形”和“态”，通过优化逐步打造出对应的数字孪生体，并在数字孪生体上进行各种可能的应用场景仿真，事先消除各种潜在问题。例如，中航工业在某机型的研发中采用的数字化建模与仿真试验减少了60%的风洞试验，同时减少了大量的能耗，体现了数字化建模与仿真试验带来的价值。
（3）软件定义生产。软件定义生产，即从实体生产向虚拟生产转变。软件为工业生产建立了一套基于CPS的闭环赋能体系，实现了物质生产运行规律的模型化、代码化和软件化，进而创造了一个与实体生产相对应的虚拟生产空间，使生产过程在虚拟世界实现快速迭代和持续优化，待产品优化成熟后，再应用到实体上完成生产，从而大幅度缩短研制周期，降低生产及交付的成本，提高生产的整体效率与准确率，由此形成生产的新方法。
（4）软件定义运维。实现装备设备有效监测运维对于推动我国大型装备制造业从价值链低端向高端转移，保证大型装备安全运行，降低运行成本，促进我国制造服务业实现跨越式发展有着重要的意义。以运维综合保障（Maintenance，Repair & Operations，MRO）、故障预测与健康管理（Prognostics Health Management，PHM）为代表的软件系统，利用数据，通过信号处理和数据分析等运算手段，实现对复杂工业系统的健康状态的检测、预测和管理；通过丰富维修保障仿真专业软件工具，为产品使用阶段的高效维护提供关键的信息化支持，满足售后服务和技术保障业务，以及各级维修单位和使用单位的维修、维护和运行管理业务需求。
（5）软件定义质量控制。工业发展的过程也是质量不断提升的过程，在设计、研发、生产等过程中融入质量管理软件，通过软件对生产设备和流程进行控制，实现制造过程的数字化质量管理，提高整个过程的针对性、准确性、灵活性及高效性，最终实现对质量的实时管理和精密控制，最终生产出高质量的产品，提供高质量的服务。软件在这些过程中发挥了不可替代的作用，为质量控制、质量管理、质量维护等提供了新工具和新手段，实现了智能化运维。
3）软件定义支撑制造模式转变
（1）生产方式从规模生产向个性化定制生产转变。个性化定制生产将成为未来工业的主要生产模式。软件定义形成的柔性制造、个性化制造的管控能力将作为支撑。批量定制能够高效地为消费者提供个性化定制产品，这是因为由软件定义构建了一个数据自动流动的生产体系，解决了生产定制化过程中的多样性和复杂性等问题。通过软件控制的智能设备解决了成本与效率之间的矛盾，实现了降低成本和提高效率的有机统一。个性化定制的实质是随着市场更加开放和灵活，消费者的意志通过软件来实现，整个产业进入消费者定义市场的阶段，即一切服务都要从消费者的需求切入，这个趋势被翻译成信息技术语言就是软件定义。
（2）组织模式从封闭制造到社会化协同。美国国防部高级研究计划局的自适应运载器创建（Adaptive Vehicle Make，AVM）计划秉承开放式创新的理念，以软件定义的方式，按照“知识组件化、功能模块化、经验软件化”构建出虚拟的设计和制造空间，连接、整合分散的专业设计团队，弥合、重组关键的制造资源，激发互联网化的社会化分工与协作。尽管在AVM计划存续的四年多的时间里并没有完整地测试和建造一个完整的型号，但在模型化设计、验证和快速制造，知识的商业化封装，以及网络协同设计制造方面进行了积极的探索，将为复杂装备工业注入革命式的力量，颠覆既有的垂直一体化的工业格局。
（3）产业模式从生产型向生产服务型延伸。未来工业制造的价值正在不断向服务和软件迁移。企业向消费者提供的不再是单纯的产品，而是将各种应用软件与硬件产品集成于一体的整体服务方案。企业通过软件定义制造衍生出新的产品和服务模式。例如，GE（通用电气公司）将传感器安装在飞机发动机叶片上，通过软件建立了健康保障系统：对发动机叶片的数据进行分析，为可能出现的检修维护做准确预测，减少用户停产检修的次数；实现与装备的使用、维修维护、安全监管、应急处置等过程的高度融合。这样，企业既是在制造产品，也是在制造服务，从而实现了价值链的延伸。
通过前面的分析可以看出，随着软件在工业领域的渗透，软件发挥的作用越来越大，软件业侧重从系统软件视角出发，强调软件在制造过程中作为一种平台向下管理和控制各种资源，向上提供开放、可编程的应用接口，从而优化资源配置，使开发制造活动变得更加开放、灵活；工业侧重从应用软件视角出发，强调软件应用于制造业企业，在研发、生产、服务与管理过程中发挥特定作用，促进生产过程的无缝衔接和企业间的协同制造，实现生产系统的智能分析和决策优化等，但目前还处在软件化阶段，没有进入平台化阶段。
软件定义是通用可编程思想在具体领域的应用——一种以软件实现分层抽象的方式来驾驭复杂性的方法论。软件定义制造在不同层面有不同体现，参考架构如图1-1所示。参考架构包括资源管理层、控制层和可编程接口层三个层次。
图1-1 软件定义制造的参考架构
●资源管理层，通过软件化、虚拟化等技术实现工业基础设施（包括工业设备、工业资源等）向虚拟空间的映射。
●控制层，对虚拟化的制造资源进行统一的管理和控制，从而达到对工业基础设施的管控（包括工业设备的发现和接入，工业资源的统一调度与管理等）。
●可编程接口层，从多个层面和粒度来支持系统功能的可定义、可封装和可定制，进一步提高系统对不同应用需求和场景的灵活可扩展能力。
如图1-2所示，将工业设备、工业技术等制造资源模型化，进而软件化，形成数字资源；制造系统软件化，进而平台化，形成系统软件（工业操作系统），并且平台朝着云端化发展，扩大控制区域：向下管理各种数字资源，向上提供资源虚拟化的编程接口，支持对被定义对象（主体）的功能再编程；以平台为依托，通过低代码开发等方式让欠缺软件知识的一线人员能够直接面对工业需求，以虚拟化、编程接口为途径，开发出制造应用软件，构建各种智能应用，形成延伸拓展、开放协作的繁荣生态，支撑价值再创新，而这一切都需要工业软件的支撑。
图1-2 软件定义制造的演进路线
下面分别从单元级（设备层）、系统级和体系级三个层面对软件定义制造进行介绍。
1.软件定义的PLC（单元级）
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
传统的PLC的可编程性有一定的限制条件，即对每台PLC进行编程都需要特定的编程软件，在将程序编写完成之后，通过和PLC通信来实现最终的控制过程程序的上传。PLC实现了逻辑运算平面的可编程性，但是逻辑控制平面并没有被抽离出来实现统一的集中控制。
软件定义的PLC，其核心思想是将传统专用的硬件功能解耦。软件定义的PLC通过允许用户更换或添加组件而不影响系统的其他部分，轻松实现可扩展性和系统模块化。软件定义的PLC为开放平台，允许用户选择首选组件和解决方案，而因为软件定义的PLC通常没有硬件依赖性，所以很容易迁移和重用软件。软件定义PLC后对下层输入输出解耦，从而实现工业控制系统的最大灵活性和可扩展性。
目前，实现PLC灵活性和可扩展性的方案主要有以下两种：PLC虚拟化和PLC硬件重构。PLC虚拟化指通过虚拟PLC（vPLC）取代传统PLC硬件；PLC硬件重构主要以软件定义思想为核心，将PLC硬件的逻辑运算平面和逻辑控制平面进行分离，统一由PLC对控制平面进行逻辑控制和逻辑管理。
东土科技的NewPre工业服务器就是一款软件定义的PLC的代表作，它基于开放的x86虚拟化架构，在处理器上通过高实时虚拟化技术，可以虚拟出最多20个软件定义的实时系统以替代PLC。使用NewPre不但可以做逻辑控制，而且可以轻松集成各种工业App，比如可视化、协同制造、机器视觉和工业大数据分析引擎等行业应用软件，真正实现OT（Operational Technology，运营技术）和IT的融合，满足工业互联网和智能制造的需求。
PLC硬件重构强调的是一种体系，一种实现思想。与软件定义网络一样，PLC设备的智能化和标准化的体现就是典型的软件定义PLC，包括PLC轻松接入互联网；将App和分析结果嵌入机器和云，实现智能化；无须更换PLC硬件即可改变和升级PLC设备功能，为用户提供智能化服务，实现持续改进；通过API和生态系统扩大工业互联网平台应用。一个典型的实现架构：首先具有一台工业机器，可以用来测试整个生产过程——这台机器可以被看作一套可以通过OT控制协议控制的输入和输出；然后开发一个边缘计算层，通过工业控制协议在运行时间内与机器进行通信。该架构运行时会将读取的数据从机器发送到虚拟PLC，接着将PLC的输出返回给机器。
2.可重构的智能制造平台（系统级）
软件定义的可重构的智能制造，就是使生产制造系统具有高度的灵活性，通过软件定义的方式，针对产品设计和订单的变化，自动调整加工、装配环节的任务、工艺流程、路径规划与控制参数，以及生产系统的结构和控制程序，大幅缩短产品的交付周期，使其快速满足高度定制化产品规模化生产的需求，实现小批量甚至单件定制产品的规模化、经济型生产。
以部件装配的个性化定制设计、工艺流程自动生成、机器人任务自主规划为例，实现高度个性化定制、设备和生产过程信息无线化感知、自主规划生产计划和任务、智能运行管理、能源监测与管理等创新功能，不仅能够实现“工业4.0”提出的从电商平台、企业/车间管理系统到控制系统、生产设备的纵向集成，而且能够实现高度个性化定制、工艺流程和机器人任务在线自动重组、设备预测性维护等创新的制造模式，使生产装备和生产系统能够针对产品设计和生产需求的变化，自适应地进行调整，提升生产装备和生产系统的物联化、智能化水平，解决高度个性化定制产品的规模化生产与传统的刚性、大批量制造模式之间的矛盾。
中国科学院沈阳自动化研究所等单位搭建的软件定义的可重构智能制造验证平台就是典型的应用示范。其主要由设计开发平台、虚拟制造支撑系统、基于工业SDN（Software Defined Network，软件定义网络）的自组织全互联网络系统、可重构模块化制造系统、检测系统、柔性智能物流系统和服务平台构成。其中，设计开发平台、虚拟制造支撑系统、可重构模块化制造系统和服务平台构成了从设计、制造到服务的端到端数字化集成系统，以及从销售到企业管理再到车间生产管理和设备层的垂直集成，用于验证产品的全生命周期管理及智能制造系统的端到端集成技术；虚拟制造支撑系统、基于工业SDN的自组织全互联网络系统、可重构模块化制造系统、检测系统和柔性智能物流系统则构成了网络化生产系统，用于验证智能制造系统的纵向集成技术。
3.工业互联网平台（体系级）
工业互联网平台是面向制造业数字化、网络化、智能化需求，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的工业云平台。其本质是通过构建精准、实时、高效的数据采集互联体系，建立面向工业大数据存储、集成、访问、分析、管理的开发环境的工业操作系统，实现工业技术、经验、知识的模型化、标准化、软件化、复用化，不断提升研发设计、生产制造、运营管理等资源配置效率，形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的制造业新生态。
工业互联网平台是典型的软件定义的平台，其分层架构如图1-3所示，包括边缘层、通用IaaS（Infrastructure as a Service，基础设施即服务）层、工业PaaS（Platform as a Service，平台即服务）层、工业App应用层。其中，工业PaaS层是工业互联网平台的核心，为工业软件开发提供了一个基础平台。工业PaaS相当于一个可扩展的工业云操作系统，向下实现各种软硬件资源的接入控制和管理，向上提供开发接口、存储计算和工业资源等支持。此外，工业PaaS层本身是开源软件经二次开发而来的，它的开发环境、开发工具是一套云化的软件，它的微服务将工业技术、原理、知识模块化、封装化、软件化，是一系列可调用的、组件化的软件。
图1-3 工业互联网平台分层架构
浙江中控推出的supOS工业操作系统作为工厂通用连接器，可以对工厂的各种信息系统、管理软件系统、自动化系统、智能设备、仪表进行连接，打通制造业企业上层计划管理与底层工业控制，形成生产过程高效闭环，从而提高企业的工作效率、改善资源的流通性能，以此降低生产成本、提高实际效益。supOS通过平台+工业App的方式，致力于打造服务于企业、赋能于工业的智慧大脑，提供的横向和纵向弹性扩展能力可满足智能制造细分行业中企业从小到大、从单一优势业务发展为多元化集团型应用的场景，实现云（云互联网平台）、企（工厂互联网平台）、端（边缘计算节点）三层统一架构，进而实现管控一体化交互。
