《工业APP：开启数字工业时代 》 —1.6 工业APP全面开启数字工业时代

工业APP全面开启数字工业时代

工业母机、工业软件、工业技术知识是现代工业的三大基石。工业的数字化特征从20世纪40年代工业设备的数字化控制开始，再到20世纪60年代交互式图形学的研究计划中提出的CAD概念，同时，工业母机与工业软件先后步入数字化进程，并在20世纪80年代以专家系统形式开始尝试工业技术知识的数字化。专家系统的道路非常曲折，直到工业技术软件化与工业APP出现，从而解决了现代工业三大基石中关于工业技术知识的数字化，现代工业才全面进入数字工业时代。

1.工业母机（工业设备）数字化

1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的设想，后受美国空军委托与麻省理工学院合作，于1952年试制了世界上第一台三坐标硬件数控立式铣床，其数控系统采用电子管。自1960年开始，德国、日本、中国等都陆续开发、生产及使用数控机床，中国于1968年由北京第一机床厂研制出第一台数控机床。1974年微处理器直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和飞速发展。工业的数字化特征在工业母机上得到快速发展与应用。

随着工业母机（工业设备）数字化的不断发展，工业设备运转速度和控制精度不断提高，单机柔性和单元柔性化与系统化方向的发展不断提升，如出现了数字化多轴加工中心、换刀换箱式加工中心等具有柔性的高效加工设备；出现了由多台数控设备组成底层加工设备的柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell，FMC）、柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）、柔性加工线（Flexible Manufacturing Line，FML）。

到目前为止，随着人工智能在计算机领域不断渗透和发展，工业设备的数字化已经开始向智能化、网络化方向发展。

在新一代的数字化工业设备中，由于采用进化计算（evolutionary computation）、模糊系统（fuzzy System）和神经网络（neural Network）等控制机理，可以实现自适应控制、负载自动识别、工艺参数自生成、参数动态补偿、智能诊断、智能监控等功能。

此外，工业设备网络化将极大地满足柔性生产线、柔性制造系统、制造企业对信息集成的需求，出现了新的制造模式，如敏捷制造（Agile Manufacturing，AM）、虚拟企业（Virtual Enterprise，VE）、全球制造（Global Manufacturing，GM）的基础单元。2010年，在由DARPA发起的AVM项目组合中，提出了如图1.6所示的通过数字技术的自适应快速建造（Adaptive through Bits，iFAB），其利用网络化平台，解决了产品需求的复杂多变与高效率、大规模制造之间的矛盾。

通过评估系统设计方案，自动化配置由数据驱动的可编程制造能力，一方面为设计者提供可制造性反馈，另一方面可实现制造能力的网络化配置。

2.工业软件数字化进化

从早期的工程知识与方法的积累，到20世纪60年代美国麻省理工学院提出的交互式图形学的研究计划，以及CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）的诞生，随后大量CAE、CAM软件相继诞生，再到ERP、PLM等工业管理信息系统的出现，工业软件带来了巨大价值，工业巨头们先后投身于工业软件开发，逐渐形成了完善的工业软件体系，贯穿产品整个生命周期不同阶段的应用——工业软件数字化进程得到了极大的推动与应用。

图1.6　通过数字技术的自适应快速建造（来源：AVM）

（1）工业技术知识大量积累奠定了工业软件基础

欧美国家在传统的机械、电气等技术上获得巨***展，理论基础得到了提升，并改进了工业产品的功能和性能。同时现代工业理论初步形成，积累了大量如图1.7所示的工程制图知识与方法。没有这个基础，工业软件就是无本之木。

图1.7　早期工程制图

（2）平面绘图工具软件出现

20世纪60年代，美国麻省理工学院提出交互式图形学的研究计划，1963年Ivan Sutherland（伊凡·萨瑟兰）在麻省理工学院开发的Sketchpad（画板）是一个转折点，自此CAD诞生。

随着计算机的发明，NASA等开始尝试进行CAD探索性应用，图1.8展示了早期的CAD软件在航空航天领域的应用，这一行动极大加快了一些设计的计算过程；当20世纪80年代PC逐步普及时，如VersaCA等一些企业开始探索开发较大型的工业软件。以AutoCAD为代表的通用工业软件的出现加速了工业软件数字化在工程实践中的应用。

图1.8　在1985年发布的AutoCAD

（3）三维CAD出现

在20世纪60年代曲面造型、实体造型等技术就开始发展，到90年代末，起源或发展自航空等领域的一系列三维CAD软件（如图1.9所示）因为计算机的普及在21世纪初得到了广泛应用。

（4）仿真软件快速发展期

在21世纪初，以ANSYS为代表的一系列仿真公司大量收购CAE相关公司及其软件，形成了面向各领域的仿真软件。此时，如图1.10所示的各种动力学、强度、流体、热、电磁、控制、机械加工工艺仿真等CAE及加工仿真工具软件大量出现。

图1.9　三维设计软件

图1.10　仿真分析软件

我国在此期间也开展了一些工作，并取得一定的进展。我国的CAE产生于20世纪50年代后期，由于大型水电工程刘家峡大坝的应力分析需要，当时中国科学院计算技术研究所三室成立了专门的大坝计算系统研究组，通过集体攻关，比较圆满地完成了刘家峡大坝应力分析计算任务。有限元方法在我国的创立与大坝应力分析直接相关。

20世纪70年代中期，大连理工大学研制出了DDJ、JIFEX有限元分析软件（见图1.11）和DDDU结构优化软件；航空工业部研制了HAJIF；北京农业大学李明瑞教授研发了FEM软件。80年代中期，北京大学袁明武教授通过对国外SAP软件的移植和重大改造，研制出了SAP-84。当时国内知名的CAE软件主要是JIFEX、HAJIF、FEPS、BDP、SAP、FEM、FEPS等系统。

图1.11　我国自主研制的仿真软件

（5）企业管理系统广泛应用

尽管从20世纪70年代工业发达国家就提出了计算机集成制造系统（CIMS），但直到90年代之后才在大量理论支撑下得到了较好的应用，各种MES、ERP等应用兴起（如图1.12所示），各种生产过程管理和企业供应链管理等能力得到了增强。

图1.12　生产过程监控软件

（6）工业软件体系的形成

随着工业软件在工程实践中的广泛使用，工业软件带来了巨大的价值，如西门子、达索、SAP、MSC、ANSYS等越来越多的工业巨头参与到工业软件的开发中来，通过一系列并购整合，形成了各自相对完整的工业软件体系。

通用工业软件急需快速发展。随着工业软件规模和应用的拓展，相互之间的边界将日益重叠，所以工业软件兼并兴起，大量软件通过相互合并形成了如图1.13所示的通用软件系统。如达索、西门子等形成了覆盖了全部或者大部分产品研制过程的系列产品，其内部兼容性得到大量改善，但其对外壁垒则逐步增强。

与此同时，各行各业都大量使用各种通用工业软件。数字化成为企业提高竞争力的必由之路。企业在设计、仿真、试验、生产、运维、产品全生命周期协同、营销、企业管理等各方面均大量探索数字产品的应用，数字工厂初步形成。

3.工业APP弥补了工业技术知识的数字化

工业母机、工业软件先后走上数字化道路，并且随着信息技术的发展飞速进步。但是作为现代工业三大基石之一的工业技术知识，由于其大多植根于人们的头脑之中，隐于无形，而一直难以数字化。

图1.13　典型工业软件体系

随着信息技术的发展，工业技术软件化概念应运而生，即用做软件的方法将信息化与工业化融合，利用组件化技术、微服务和工业互联网，将散布于不同人头脑中的工业技术知识组件化与显性化以形成工业APP，实现工业技术知识的数字化。

由此一来，构成现代工业的三大支柱——工业母机、工业软件、工业技术知识都先后步入数字化道路，现代工业也就步入全面数字工业时代。工业APP的出现弥补了现代工业走向数字工业的最后一个也是最重要的基础，工业APP开启了全面数字工业时代。

那么，究竟什么是工业APP，工业APP有哪些特征，它又是如何开启全面数字工业时代的呢？我们将在后续章节一一向读者呈现。