工業4俱樂部
The following article comes from 走向智能研究院 Author 趙敏
走向智能研究院
走向智能研究院是北京走向智能科技創新中心興辦的國內首個智能化綜合創新類智庫，簡稱智研院。智研院以深入研究廣義智能系統、持續推進技術創新、奠基中國本土新工業革命思想、助推智能製造、工業互聯網、新一代人工智能等智能化綜合技術體系落地為己任。
近日，由走向智能研究院聯合機械工業出版社等多家機構平臺聯合打造的“智造加力，免疫強企”公益講壇系列直播課程，邀請來自相關領域專家為工業企業帶來智能製造的實踐經驗，助力企業數字化轉型。以下為走向智能研究院執行院長趙敏講課全文實錄，供大家學習交流。文章版權歸作者所有，轉載請註明作者和出處。
智研院公益講壇丨趙敏：軟件定義製造——重新認識工業要素
軟件不可見，它為控制而生，因計算而用，隨通信而興。
智能製造的五個基本特徵：“人智”轉“機智”、傳感器低價普及、軟件定義製造、真正兩化融合（軟件閉環）、大範圍優化配置製造資源。
以工業為主體，以ICT為輔助，這是工業轉型升級的基本定位。
——走向智能研究院執行院長 趙敏
各位業內朋友，大家晚上好！今天我講課的主題是，軟件定義製造——重新認識工業要素。
1、走向智能叢書
之所以講這個題目，是因為我和國內著名智能製造專家、本次公益講壇的第三位授課專家寧振波先生，在過去一年多的時間裡，一起合寫了一本書，書名就是《鑄魂——軟件定義製造》。寧總在講座中專門提到了這本書。上次寧總講到的一部分內容，和我今天講的大部分內容，都出自這本書。
在中美貿易戰發生的兩年時間裡，中國有的企業被打壓得只剩一口氣，有的企業還在以一企之力在頑強地抗擊世界上唯一的超級大國。殘酷的現實已經讓絕大部分國人都看到，中國的工業現狀是“缺芯少魂”的，芯片之心，軟件之魂，缺少了這兩樣戰略性的工業要素，中國的製造業是無法有效運轉的。顯然，工業軟件就是今日工業之魂，是工業的新要素。這就是我們把書名定名為《鑄魂》的最重要原因。目前這本書已經在由機械工業出版社華章分社做最後的排版工作，預計在三月下旬就可以與大家見面了。
軟件定義製造，這個題目很不好講。如果我講得不好，大家聽得不爽，請多多包涵，並多多批評指正！
在2017年還參加了工信部信軟司謝司長親自組織的一個研究項目“軟件定義的理念與技術路徑研究”軟課題項目，因此有了一定的理論準備和技術研究。另外，參加過2018年中科院在科技會堂，由梅宏、丁漢兩位院士發起組織的“軟件定義製造業”會議的朋友們可能都還記得，那可能是中國的第一個冠名以“軟件定義製造”主旨的研討會。會議研討很熱烈甚至激烈。我也在講演中發表了我對“軟件定義製造”的一些技術和學術上的看法。基於這兩個原因，再加上我和寧總都在工業軟件這個領域幹了38年，一路看著工業軟件是如何發展的，是如何應用的，是如何以豐富多彩的形式“定義”了無數的工業產品的。因此，我們從2018年後半年就進入了寫書的過程。
軟件本身比較抽象，從來沒有人能夠看得見、摸得著一個軟件。因為，從形態上說，它無形無態，沒有任何人能夠直接看到軟件的存在狀態，只能在屏幕上間接看到它的外在表現形式；從存儲上看，它實際上就是一系列按照一定模式或模型組成的二進制數據，存在硬盤上，或常駐在內存裡；從作用上看，軟件生成的特定指令代碼，既可以驅動顯示器/打印機等外設，也可以直接送到物理設備的控制器來操控設備；從傳輸上來看，軟件本身和軟件生成的數字產品可以跨越時空界限被傳輸到任何賽博空間能夠覆蓋的範圍。
說到軟件程序指令如何操控物理設備。我給大家將一個50多年前的故事。從這個故事開篇，大家會比較容易理解我今天講的全部內容。
2、 女程序員故事
大家都知道，在60年代美蘇太空競賽打得是不可開交。於是美國製定了著名的阿波羅登月計劃。從繞月到登月，逐步推進，向月球進發。
1968年12月21日，執行繞月任務的阿波羅8號飛船升空第5天，宇航員犯了一個重大錯誤，誤操作刪除了所有導航數據，這樣飛船就無法返航了。從太空到地面，所有相關人等都快急死了。瑪格麗特帶領MIT的程序員們連夜奮戰9小時，設計出了一份新導航數據並經由巨大的地面天線陣列上傳到阿波羅8號，讓它順利返航了。
1969年7月20日，阿波羅11號飛船登月前，危機再次發生。我們今天隨便一個電腦都有幾個TB硬盤，十來個GB的內存。但是，當年的電腦可沒有這個福氣，計算速度極慢，存儲空間很小，整個電腦系統只能存儲12K字節數據，臨時存儲空間僅1K字節。飛船登月前幾分鐘，電腦出問題了，因頻繁過度的計算，電腦系統幾乎臨近崩潰。正是瑪格麗特首創的“異步處理程序”軟件，讓阿波羅11號學會了“選擇”：當電腦運行空間不足時，把最寶貴的存儲空間只留給最關鍵的登月任務，其它任務暫停，由此而讓登月艙成功降落在月球表面。
3、軟件為控制而生
從繞月到登月，瑪格麗特寫的軟件有序地控制了飛船，把人類首次送上月球。用軟件程序通過賽博空間來遠程控制物理設備，在1969年就已經實現了。以程序化指令不限時空控制物理設備，其實一直是軟件的終極使命。
今天看來，上述代碼數量與現在先進設備中的代碼數量相比，簡直是微不足道。航太領域本來就是工業皇冠上的明珠，是國際上先進軟硬件技術的發源地。普通人可能會驚訝和歡呼於載人航天的成功和人類首次登月，但是對於這些看不見、摸不著的軟件在其中所起的“靈魂”般的控制作用，基本上是不瞭解的。我認為，瑪格麗特當年開發的軟件，其意義不僅在於挽救了阿波羅登月計劃，從今天的視角來看，這個事情的意義尤其偉大——瑪格麗特走通了一條對當今工業來說極其重要的技術路徑：軟件可以在賽博空間中，不限時空地傳輸和安裝，不限時空地運行其中的指令，不限時空地傳輸源於人腦的數字化知識，體現人類設定的思考邏輯和執行過程，讓遍佈各處甚至遠在天邊的物理設備按照人類意願工作。
轉眼之間，半個世紀過去了。當傳輸軟件的賽博裝置從地面巨大的天線陣列，與48萬公里之外的航天器之間的點對點傳輸，也就是把圖中的虛線所示的通過電磁波的數據傳輸路徑，變成無處不在的互聯網數據傳輸，而且可以隨時上傳下載軟件時，軟件就已經向著“泛在化”大舉進軍了。請大家注意，我們平時經常遇到的時空限制，即過去我們看不見、聽不到、摸不著的那些出現信息障礙的場景，被軟件和網絡打破了！遠處的物理設備的真實工況，現在都可以看見、聽到、摸著了。今天的智能製造、工業互聯網也就有了堅實的技術基礎和發展道理。
軟件不可見，它為控制而生，因計算而用，隨通信而興。也必然因融入了工業，成為了新興工業要素，而帶來軟件業的再次蓬勃發展，再次噴發。
4、 人工愚蠢系統
從第一次工業革命以來，人類製造了無數的機器設備等人造系統。它們的起點，就是一種“人工愚蠢”設備，例如最常見的、由金屬、非金屬構建的絕大部分機器設備，你用手拍它，用腳踹他，你叫它的名字，它都不會有任何的反應。這就是在第二講中朱鐸先董事長提到的“聾啞瞎傻”的設備。我用“人工愚蠢”這個說法，是相對於所謂的人工智能術語的一種通俗的說法，讓大家加深印象，一下子形成強烈對比。以“人工愚蠢”產品作為起點，有助於人們思考與真正的人工智能產品之間，還有多大的距離，還有多長的路要走。
5、愚蠢系統增智
的確，在近十年我們看到，人工愚蠢產品，正在逐漸縮短與人們心目中想象的人工智能產品的距離。從第三次工業革命開始，人工愚蠢產品已經逐漸變成了人工弱智產品，人工聰明產品——這就是前面朱總、寧總在講課中都解讀過的“Smart Manufacturing（智巧製造）”的基本含義。下一步，第四次工業革命，就是要把絕大多數的人工弱智產品，極少量的人工聰明產品，都變成人工智能產品，甚至是新一代人工智能產品。這是一個漫長的、多智能形態共存的變化過程。
6、 製造業+ICT
變化其實是從一點一滴的改變開始的。自從1969年，以數字化/信息化為標識的第三次工業革命開始之後，PLC這種帶有程序編碼的“可編程邏輯控制器”誕生了。於是，芯片、軟件、網絡、傳感器等ICT要素不斷進入了機器設備。
用時下比較時髦、高大上的說法來說：製造業與新一代信息技術發生了深度融合。由此機器設備開始裝了一兩個傳感器，某些運動部件就不那麼聾、不那麼瞎了，具有了一點點的感知、分析和判斷能力，改變了過去“聾、啞、瞎、傻”的人工愚蠢設備的狀態。機器逐漸變得聰明起來。智能製造的呼聲越來越高。
7、各國新工業革命
說到智能製造，大家都知道，不同的國家有自己對新工業革命的不同的理解和一套術語，例如德國政府在2013年正式提出工業4.0、美國政府提出“製造業美國”、2016年日本政府提出“工業價值鏈”、GE公司提出工業互聯網，法國政府提出“新工業法國”、英國政府提出“工業2050戰略”、中國政府提出“中國製造2025”等等。這些不同的工業轉型升級戰略，說法上有所差異，內涵上各有千秋，但是，其共同指向與核心實質，就是“新工業革命”。中國的新工業革命的綱領性文件是“中國製造2025”，其中指出，兩化融合是主線，智能製造是主攻方向。因此，中國的新工業革命的總名稱，就是智能製造。
8、 理解智能製造
智能製造，顧名思義，一是智能，二是製造。
製造乃經濟之源，立國之本，作用於物質原子，只有物理層面的原子級別的作用，才能真正支撐起工業天量的軀體，因為任何的設備都需要以原子構成的材料作為基礎，沒有了材料，就沒有了產品和生產設備，就沒有了製造基礎。就如同這次抗擊新冠肺炎，口罩和防護服成為了抗擊疫情的必備戰略物資，製造口罩和防護服的機器成為了最搶手的生產設備。
智能乃是基於軟件所蘊含的人類智力成果和知識精粹，這些知識精粹包含了各種機理模型、推理規則和經驗數據，它們承載於比特數據，以巧妙的公式、精準的算法、最優的迭代過程，進行了高速計算。計算後的結果，是比特數據流承載了數字化信息，表徵了數字化知識，通過軟件定義的規則所形成的比特數據流的自動流動，把數字化信息、數字化知識帶到任何一個產品或設備終端，讓軟件中的數字化知識指導機器和人做正確的事情。於是，比特和原子攜手，IT和OT交匯，賽博系統和物理系統融合，融合的結果就是產生了賽博物理系統（CPS）。CPS作為一種使能技術，讓賽博中的數字虛體在軟件定義的作用下，更精準地控制物理實體的形狀和運動。
我和寧總做了一個預測，未來的智能製造，應該是每一個原子都可以被軟件給出的比特數據精準控制的製造。這種控制體現在機器、材料的構成和運動方式上，比特數據將會恰當的安排和控制每一個原子的位置，以及原子之間的相對位置，會精準地控制每一個零件的形狀和屬性，精準地控制各個零件所在位置，還會精準地控制這些零件之間的相互運動以及耗能等。
9、五大基本特徵
我和寧振波一起梳理了以智能製造為主攻方向的新工業革命內涵，總結了智能製造的五個基本特徵：
①“人智”轉“機智”——人類的智力成果總和，簡稱人智，以知識的形式不斷進入軟件，知識載體由以碳基知識為主轉向以硅基知識為主，數字生產力激增，在產品、設備中軟件所承載的知識（包括各種機理模型、推理規則、經驗數據、最佳參數等），簡稱為“機智”，人工愚蠢的機器開始變得具有一定的智能；
②傳感器低價普及——最佳十年，各種傳感器的價格下降了很多，產品、設備安裝了傳感器，相當於為產品增添了“五官”，極大增強了產品和設備的感知能力，物理設備的各種關鍵工作參數（如溫度、壓力、流量、速度、振動等），都變成了二進制比特數據，物理信息加速數字化；
③軟件定義製造——包含了越來越多的人智的工業軟件，正在逐漸成為設備和企業的“大腦”，算法不斷更新，算力急劇提升，以IT形式在賽博空間定義了各種工業品的結構形狀和運行狀態，以OT形式在物理空間定義了設備的運動形式，實際上可以概括性地認為，工業軟件定義了我們所聞所見的材料/零件/系統的時空表現；
④真正兩化融合（軟件閉環）——在第①個和第③個特徵的前提下，比特擁抱原子，IT攜手OT，賽博融合物理，軟件給出的數字指令跨時空精準操控物理設備，於是我們有了CPS這樣的賽博物理系統，有了智能製造、工業互聯網的使能技術；
⑤大範圍優化配置製造資源——過去的製造業信息化軟件，讓很多企業都實現了“一廠、一所、一車間”的製造資源優化配置，但是對於更大尺度的企業範圍，如遙遠的光伏電站或風電設備，分佈在不同地域的企業分廠、分院等，很難知曉其現實運行情況，對於人的感官發現的設備指標也實現了在線檢測，實現大範圍的精細化管理。而基於工業互聯網，基於工業軟件賦能的設備的“五官”和“大腦”，就可以實現多域而非單域、大範圍而非小範圍優化配置製造資源。
上述五個基本特徵中，每一條都是依靠工業軟件來實現的，最終這五條特徵彼此交織融合，彙總成為了智能製造這個新工業革命的主旋律。
由此可見，工業軟件是如此之重要。它決定了新工業革命的發展趨勢和成敗與否，決定了未來製造業的基本形態，決定了未來產品的技術含量和市場價值。工業軟件已經成為了一種全新的工業要素。
我們可以這樣說：工業軟件是工業化的頂級產物。現在比較流行容器這個說法，工業軟件如同容器一般盛裝了人類工業知識，給製造業帶來兩個巨大的變化：第一，工業軟件改變了傳統的設計、工藝、生產和運維方式，產品隨時在賽博空間迭代優化，使製造過程敏捷精準；第二，工業軟件塑造了產品的“五官”和“大腦”，產品在物理空間的行為我們不僅做到了一清二楚，而且可以隨場景而自動調整。兩大鉅變不斷融匯，形成一種新工業智能模式——軟件定義製造，並由此激發出了一個製造新範式：智能製造。
10、人智轉機智
“人智”轉“機智”的核心過程，如上圖所示。其實就是把人的隱性知識顯性化，再把顯性知識進行模型化、算法化處理，再把各種模型化後的知識進行代碼化和軟件化，即把知識嵌入軟件，把軟件嵌入芯片，芯片嵌入某個數字裝置/模塊，再把該數字裝置/模塊嵌入到物理設備中，由此而賦予機器一定的自主能力，讓機器具有一定程度的“智能”（“機智”），我們將這個過程稱之為“
賦能”。由上圖看出，在軟件這個關鍵節點上，既可以承接人類知識的不斷輸入，也可以按照人類知識的約束，不斷用芯片反覆迭代計算後，給出最佳控制指令，讓機器按照人類設計的規則精準動作。同時，又由傳感器把機器的運行情況，實時地傳輸給軟件，形成了閉環。也形成了“軟件定義製造”的一個重要活動。
因此，我和寧總認為，儘管工作場景不同，但是作用規律相同，我們發現：“軟件定義製造”已經是一個在工業界普遍存在的技術現象，不管是在賽博空間還是在物理空間，不管你意識還是沒有意識到，也不管你是從事研發、生產還是管理，軟件定義製造都已經是一個客觀存在了。因此，必須不斷加強和深化對軟件定義製造的研究。因為這是智能製造的最核心的內容之一。
11、什麼是軟件
通常IT界認為，軟件是運行在芯片中的數字化指令和數據的集合。軟件以人類語言的代碼格式，模擬表達一系列源自人腦的邏輯規則和知識，最終以“0/1”的機器代碼格式，驅動芯片（硬件）底層功能，將一系列的計算結果在外部設備（顯示器、打印機、繪圖儀等）上顯示出來。
12、軟件代碼展示
軟件開發離不開各種以類似人類語言的格式和邏輯來編寫程序的高級語言。例如這是瑪格麗特為阿波羅登月計劃編寫的軟件代碼。下面這個是非常初級的提取奇數的軟件程序。最後這個是用Modelica語言自動編制的小球彈跳程序，物理空間、數學空間、賽博空間統一到了一起。
不管軟件是用哪種高級語言編寫程序的，最終，這些程序語言都要被編譯器轉換成為“0、1”形式的機器指令來驅動芯片運算，編譯器通常可以理解為從軟件通向芯片的橋樑。
儘管軟件在很多高校和科研單位都被作為一個相對獨立的專業來研究，但是我認為，單獨研究軟件容易脫離軟件運行的硬件基礎，容易脫離軟件以決策和數據指令所控制的物理設備。因為軟件從來就不是一個僅僅具有“計算”屬性的器物，而是還具有更重要的“控制”屬性的器物。
軟件作為一種數據、信息、知識的高度融合的數字載體，必須生存、運行在芯片中。軟件與芯片形成了共生關係。
13、軟件芯片共生
軟件和芯片的共生關係如圖所示。（圖中1/0排列僅為示意），“軟件+芯片”可以衍生出來三層控制關係。
第一層控制，軟件驅動和控制芯片低層的門電路高速運算：
如圖所示，以CPU門電路中的場效應管為例，在軟件數字指令驅動下，高電平（開/通電流）為1，低電平（關/斷電流）為0，因此在該場效應管上不斷以極速“開/關”的狀態來進行計算，最終一組一組的門電路上輸出了一串一串經過計算後形成的“1/0”排列的二進制比特數據，給出了計算結果。
芯片具有為軟件“容身、計算、存儲”的作用，軟件具有為芯片“賦值、賦能”的作用。軟件與芯片的各自優點綜合匹配在一起，才能發揮最好的效益。軟件與芯片共同構成了一個融合體，是一個“準CPS”。沒有芯片的強大算力支持，軟件很難發揮對物理實體的“賦能/賦智”作用；蘊含在軟件中的人類知識是人造系統“智能”的源頭，沒有軟件中的各種模型與算法知識的邏輯導引，芯片強大算力也失去了用武之地，同樣無法形成對物理實體的“賦能/賦智”作用。
第二層控制，“軟件+芯片”驅動和控制計算機外部設備運行：
軟件驅動芯片完成計算後，比特數據可以用來驅動顯示設備（如各種顯示屏），
早期軟件只在電腦上使用，IT硬件範圍是一些顯示、打印、繪圖等外部設備，軟件運行的結果是生成各種基於模型的圖形、圖象，只需要顯示在硬件屏幕上或打印、繪製在紙面上，可能是顯示數據，可能是曲線曲面，可能是圖像或聲音，但是，這些計算結果並不要求形成“閉環”，只要能輔助人進行決策就可以了。
第三層控制，發展到“軟件+芯片”驅動和控制工業物理設備運行。
硬件範疇已經擴展到所有與電腦聯接的工業設備，軟件運行的結果是要用來驅動物理設備的，是要與物理設備形成“閉環”的，即物理設備的每一個細微動作都被感知到，都要通過傳感器反饋到軟件中，軟件根據物理設備的“此時此刻”的工作場景進行計算，根據內嵌的機理模型或推理規則進行決策，給出物理設備下一步的最優化、最精準的動作指令。軟件對物理設備的行為產生了強大的“定義”作用，形成了軟件定義製造的基本內涵
14、工業軟件分類
如果從工作載體和使用場景來看，工業軟件經常被分為兩類：嵌入式軟件和非嵌入式軟件。我常常這樣來進行分類：
產品本身數字化軟件屬於嵌入式軟件，是嵌入在控制器、通信、傳感裝置之中的數據採集、人機界面、過程控制、數據庫、數據通信等內容的軟件，常用於OT/工控領域；
研發與管理手段數字化軟件屬於非嵌入式軟件，是裝在通用計算機或者工業控制計算機中的設計、編程、工藝、監控、管理等軟件（研發手段類的軟件還可以細分，例如分為工具類和集成框架類兩大類軟件），屬於製造業IT範疇。
15、產品研管數字化
在賽博空間以各種知識、算法和約束條件，定義數字產品的形狀、狀態與活動。
要點是，在數字產品或數字孿生體上，可以獲得在物理產品上無法獲得的視覺經驗、細節認知和規律洞察，這樣可以更好地設計、優化改進物理產品的研發。
例如在一個複雜產品的大裝配中，我們可以隨時做任何角度的剖切，旋轉、縮放，隨時做任何視點的漫遊。這在真實的物理產品中是做不到的。
16、飛機產品結構
下面講一些軟件定義的真實例子。
首先是軟件定義產品結構和生命週期。這也是大家最熟悉的內容之一。尤其是複雜產品，例如飛機、汽車、艦船、高鐵等產品的設計，如果沒有工業軟件作為“計算機輔助技術（CAX）”現在基本上是無法完成產品研發設計的。例如，在複雜產品飛機的研發的早期階段，就考慮後期維修維護的可行性和方便性的問題。這是寧總在上週講過的飛機研發的例子。
17、鋰離子電池
用工業軟件定義產品的工作原理也是一個非常有意義的工作。宏觀世界的產品工作原理，通常絕大多數大家都看得比較明白，但是微觀世界的產品工作原理，基本上是看不見、摸不著的，對人的時空限制問題又出現了。
在研究汽車動力電池的過程中，達索公司用軟件做了鋰離子在電池正極、負極之間充放電的微觀過程。這個放大了百萬倍的動畫效果，讓我們看到了鋰離子在充電時返回了負極。其中有很多微觀過程，例如鋰離子會上下跳動，不好好地一路直走返回負極，這在過去人們是無法觀察到的。
18、飛機起落架運動
這還是一個用工業軟件定義產品工作原理的例子。蘇州同元公司研製了基於Modelica的軟件和專業庫。在賽博空間，在產品生命週期的早期階段，就可以通過多物理場系統仿真，觀察瞭解正在研製但是還沒有實物的產品工作情況。
例如，基於起落架系統模型庫可以模擬起落架剎車系統的正常剎車、應急剎車、停機剎車、差動剎車、剎車溫度監控、胎壓監控、輪速監控等功能，綜合考慮差動剎車過程中的飛機動力學特性的動態變化，準確和有效地評估系統差動剎車性能。
19、 3D打印過濾器
這是一個軟件定義生產工業的例子。某個正在研製的新款工業過濾器，內部形狀結構極其複雜，用傳統的製造工藝是造不出來的，因此製造商採用3D打印增材製造工藝做這個過濾器。但是這個過濾器在增材成形過程中，在網狀結構與頂端連接的部位出現凸起變形，形象地說是脖子變粗了。造成產品超差問題。
成品的脖子粗了，合理的想法當然是預先縮細一點，但是縮多少呢？此前工程師一直通過反覆試錯來調節。往往需要四周才能獲得令人滿意的外形。
後來，在安世中德公司的指導下，他們採用增材仿真的方式實現了一種更加快速且成本很低的方法，工程師利用ANSYS 增材仿真模塊分析該過濾器的增材製造過程，預測了過濾器的變形與殘餘應力，包括原始結構、變形前後以及去除支撐前後的差異，而且還給出了自動補償，自動調節幾何結構，讓過濾器壁面向變形的相反方向移動，也就是預先縮一點脖子，最後完全滿足了設計要求。
20、 擠壓成型仿真
再給大家看一個軟件定義生產工藝例子。這是一個衝壓件的擠壓成型過程。大家從左二仿真結果可以看出，衝壓成型後，紅色表示突出的邊緣應力集中厲害，材料過多的擁擠在了這裡，從右二下圖可以看出，不僅有局部壓力集中，材料擠壓在了一起，而且還有局部拉力集中，因為是用“粒子法”而不是有限元劃分模型，可以看出材料顆粒之間呈現出很明顯的彼此分離現象。這樣的擠壓成型會造成局部裂痕、裂縫等重大質量問題。而華成經緯公司用CAE軟件對模具重新設計後，在模具形狀和成形步驟都做了優化調整，如右一動畫所示，較好地解決了問題。
產品的內部應力是不可見的，因此，過去很多質量問題是不可控的。但是CAE軟件就像一面照妖鏡，讓應力問題的“妖魔鬼怪”都無法隱身，被一一拿下了！
21、汽車碰撞仿真
工業軟件還可以在賽博空間定義產品的運行狀態，例如汽車的碰撞過程是一個非常複雜、不確定性極高的過程，不管是正撞、側撞、斜撞、翻滾撞，在碰撞之後，車體變形如何，安全帶和座椅是否牢靠，氣囊是否及時彈出，等等，都可以在ANSYS軟件中進行仿真和設計迭代，預先獲得最佳的產品狀態。
做一個產品不容易，而做一個好產品，沒有仿真軟件的保駕護航，幾乎是不可能的。例如一款豪車的車門，要做十幾種仿真，才能讓關車門時的聲音好聽。
22、數字孿生+AR
數字孿生是客觀世界中的物質化事物及其發展規律被軟件定義後的一種結果。數字孿生現在很熱，對其的認識與解讀是五花八門，落地實踐的方式也各有不同。
PTC公司將數字孿生技術與增強現實技術結合起來，來為保時捷公司提供銷售新車的智能服務。這種“數字孿生+AR”技術,打通了隔檔在物理世界和數字世界之間的那堵看不見、摸不著、越不過的“牆”。解決方案是：以物聯網（IoT）解決方案貫通“物理世界→數字世界”之“牆”，以增強現實（AR）解決方案穿越“數字世界→物理世界”之“牆”。以此為研發指導，來全新設計未來的智能產品。
23、 煤礦安全生產
礦山開採是工業軟件的一大應用領域，但是安全生產是一個重大問題。北京亞控科技的軟件可以在賽博空間為煤礦制定最恰當的安全策略，做好安全設備在煤礦巷道中的部署。可以在運行狀態增、刪井下人員、風扇、風門、瓦斯監測傳感器、井下皮帶機等場景要素，展示實時數據。同時，有任何修改和優化後，GIS地圖中巷道圖就會自動更新。
24、公交大巴運維
華龍迅達公司為深圳公交大巴的運行提供了基於數字孿生的智能服務。
公交車上安裝了大約300個傳感器。通過移動互聯網，不斷將公交車輛上的各種設備運行數據傳到公交車輛調度室，如車門狀態、轉向狀態、車速、車廂溫度、電池溫度、電機轉速等。由於已經建立了公交車輛的“數字孿生”，因此在管理上，根據傳感器傳回的車輛狀態數據，在調度室的顯示屏上，每一輛公交車的“數字虛體”狀態都一覽無遺，由於物理實體與數字虛體的狀態完全一致，因此調度們清楚地知道哪個車牌編號的車、由哪個司機駕駛、在什麼時間、行駛在哪條公交線路上、走到了那一站、運營情況是否正常。如果軸承發熱，正在開車司機、尤其是調度室人員是感受不到的，但是在數字孿生體上會立即顯現問題情況，馬上給出設備報警。
25、產品本身數字化
產品本身數字化軟件主要指有嵌入式系統的產品，其中在嵌入式系統中運行的軟件（大多是固件）。有嵌入式系統，就有芯片，芯片裡面就有工業軟件。嵌入式軟件不講究交互界面，而是以非常精簡、流暢的程序指令，隱身在產品中，默默無聞地做著無名英雄，指揮著產品做出精準動作。各種複雜產品都離不開它。
26、多種智能產品
嵌入式系統已經無處不在。也就意味著嵌入式軟件無處不在。在今天的智能製造大背景下，越來越多的產品和設備都會有嵌入式系統，有嵌入式軟件。
27、設備數據採集
軟件也可以定義設備數據採集。在SCADA軟件中定義好邏輯設備的各個工作變量，做好適配，與下位機的寄存器形成映射關係，變量都關聯在一起。這樣就形成了在驅動程序中，邏輯設備與物理設備數據的一一對應。基於這種數據對應關係，不但物理設備可以將數據傳給SCADA，也可以通過一個數據轉發程序提供給其他的系統，包括MES、EMS、ERP等，甚至雲端的工業互聯網。
28、發動機噴油
為了更好地節省燃油，軟件精確控制噴油根據發動機工況條件設定了兩種注油模式，即“分層注油”和“均勻注油”模式。如果發動機低速或中速運轉，採用分層注油模式，此時節氣門為半開狀態，電磁噴射器噴出少量的油霧，與進入的氣流一起在火花塞周圍形成油霧濃度較高的球狀油氣混合物，容易點燃，而燃燒室其它空間由空氣含量較高的混合氣填充，這種分層注油方式大大節省了燃油；而當發動機高速運轉，節氣門完全開啟時，就採用均勻注油模式，大量空氣高速進入汽缸，與活塞頂部凸面形成較強渦流並與汽油均勻混合，讓油氣混合物充分燃燒，有效提高發動機動力輸出，降低了排放。
一個發動機，兩種油氣混合模式，用車載軟件很好地解決了低速和高速行駛的噴射供油問題。
29、汽車視覺傳感器
AEYE不久前發佈了獨特的軟件定義感知平臺，可以使不同形式的傳感器相互補充，讓二維的攝像頭數據（像素）和三維的激光雷達數據（體素）疊加在一起，成為了首個採用融合方法、並帶有“信息冗餘”的感知系統。因此，汽車就可以像人一樣來以三維的目光看世界了，這樣自動駕駛系統就更安全了。
30. 奔馳車載軟件
通常一輛汽車的“電子控制單元ECU”數量已經有50~150個（某些豪車ECU數量超過200），以大眾新高爾夫為例，這款體積不大的兩廂轎車已經有了70個ECU，軟件代碼不少於2千萬行。如果是奔馳、寶馬、奧迪之類的豪車，軟件代碼已經接近1.5億行。未來Level 5級別自動駕駛車輛中的代碼數可能高達10億行。根據我從德國朋友哪裡瞭解到的情況，2005款奔馳高端車就已經有了61個ECU，十幾年後的今天，奔馳車ECU數量已經超過200個。
31、汽車軟件代碼
為了讓汽車電子設備運行更加高效，越來越多的車載軟件應用於多個汽車內部系統，包括氣囊、巡航系統、電子穩定、座椅控制、動力轉向、防震、剎車、車內氣候控制、通信系統、發動機點火、娛樂系統、胎壓監測、自動換擋、碰撞躲避、儀表、引擎控制、導航系統、雨刮器控制等等。
軟件蘊含“人智”，人智賦能於汽車, 未來汽車可以從自動駕駛發展到真正的無人駕駛，將人從時常有疏忽犯錯的手工駕駛場景中解放出來。
進入新世紀，車載嵌入式軟件呈現出爆發式增長趨勢。根據大眾公司發佈的資料，現在很多車都已經達到了1億行代碼，增速遠遠高於其他人造系統。特斯拉汽車已經有了2億行代碼。未來幾年車載軟件代碼行數有可能突破10億。
32、軟件定義之定義
關於軟件定義的作用機理，可以從“定義”這個動詞入手，按照“主謂賓”的語義結構來理解。軟件是人類知識精粹的數字化容器，包含了機理模型，數據分析模型等各種算法，經驗數據，最佳實踐等。
而定義作為動詞，具有“【控制、改變、放大、優化、創新、賦予】等意思。對【事物或物理實體的形與態】”或“【事物發展前進的新動能】”進行操作。
這些被定義的【事物或物理實體的形與態】，其實就是工業要素。
33、軟件定義圖解
這張圖是前一張幻燈片的具體化描述。工業軟件，既定義賽博空間的數字虛體的形、態和活動，也定義物理空間的物理實體的形、態和活動，同時促進“數物融合”。這張圖很重要，軟件“定義”工業要素的作用，一看便知。
我前面講了十幾個例子，最後都匯聚在這張圖上做了總結性的表達。
34、軟件定義實質
工業軟件、芯片、互聯網等數字化軟/硬件設備，都是新型工業要素。所有傳統的工業要素，經過軟件定義後，也會變成新型工業要素。
以工業為主體，以ICT為輔助，這是工業轉型升級的基本定位。軟件定義製造的巨大作用，可以讓工業發展更快，工業產品更精良，工業過程更精準，工業經濟更強大，工業發展更宜人。
35、小結
非常感謝大家花一個多小時時間聚在九州雲播平臺的數字化大教室裡，在平臺的“軟件定義數據流”推送下，讓我給大家講了“軟件定義製造”這一課。
我今天就講這些內容。講得不對、不好、不準確的地方，真誠地歡迎在座朋友和各界專家們批評指正！感謝大家的耐心聆聽！
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