未来科技:软件与微电子

未来科技探索 　　重塑未来远景：软件定义制造业 　　文| Lei Xu 得克萨斯大学里奥格兰德河谷分校 　　Lin Chen 得州理工大学 　　Zhimin Gao 蒙哥马利奥本大学 　　Hiram Moya 得克萨斯大学里奥格兰德河谷分校 　　Weidong Shi 休斯敦大学 　　译|闫昊 　　我们描述了软件定义制造的概念，它将制造生态系统分为软件定义层和物理制造层。软件定义制造允许更好的资源共享和协作，它有改变现有制造业的潜力。 　　人们一致认为，强大的制造业对于保持一个家经济赋能，其中提高日本在制造业的竞争力是该计国家的整体竞争力至关重要。主要国家正在大举投资，以实现制造业现代化，并在虽然名称不同，但为了提高制造业的整体竞争竞争中获得优势。Stock和 Seliger早在2011年就提出力，增加技术投资的理念是一致的。这些战略的一个了工业4.0的概念[1]，该概念得到广泛研究，这是第重要投资方向是发展新的信息通信技术(information 一个关于下一代制造业发展的国家战略。“创新25”and communications technology，ICT)，加快工业物联是日本的一揽子计划，旨在通过创新和开放态度为国家经济赋能，其中提高日本在制造业的竞争力是该计划的重要组成部分。 　　虽然名称不同，但为了提高制造业的整体竞争力，增加技术投资的理念是一致的。这些战略的一个重要投资方向是发展新的信息通信技术(information and communications technology，ICT)，加快工业物联网、人工智能(artificial intelligence，AI)、虚拟现实/增强现实等与传统制造业基础设施的融合。这些努力大部分旨在将实体制造基础设施与ICT 更紧密地连接起来，并建立封闭和专有的制造基础设施。 　　值得期望的是，集成极大地提高了制造效率，同时降低了劳动强度或利用率。这样人们就可以从重复性的任务中解脱出来，更多的时间可以用于创造性的活动上。基于工厂数字化的发展，提出了敏捷制造的概念[2]，该概念的重点是使组织能够快速响应客户需求和市场变化。 　　*初，ICT 和制造基础设施的集成集中在每个单独的工厂，资源共享不是考虑的因素。但这至少会带来两个限制： 　　（1）投资在每个工厂的信息系统没有得到充分利用。信息系统的能力(如计算和通信)被设计用来处理工厂的高峰需求，而在其他时候，资源被浪费了。 　　（2）每个工厂都是一个筒仓。虽然一个工厂配备了先进的信息系统和高度自动化的精确操作能力，但它并没有完全支持与其他工厂的协作，特别是对于属于其他实体的工厂。由于协作在现代制造中发挥着越来越重要的作用，这反过来又制约了每个工厂的潜力。这种孤立也带来了其他问题。例如，现代制造业通常涉及全球供应链。也就是说，如果链条上没有*先进的配置，那么就会限制整个过程。随着工厂变得越来越先进，新来者要跃上竞争舞台就变得越来越困难，这进一步可能会导致垄断，而垄断反过来又限制了创新。 　　云计算的发展揭示了如何减轻这些限制，并提出了云制造的概念[3]。在云制造的范例中，大多数计算和存储作业不需要为每个工厂单独维护专用的计算基础设施，而是转移到云计算基础设施，由不同实体拥有的多个工厂共享。从信息处理的角度来看，云制造享受了云计算的所有好处——例如高灵活性、可用性、可扩展性和按需付费的服务方式，并且它部分地解决了信息处理资源浪费的问题。 　　随着5G移动网络部署的增加，不同工厂之间的资源共享进一步改善。5G基础设施使各种虚拟技术能够支持网络切片，这使得网络运营商可以针对特定应用场景构建具有不同特性的虚拟专网。它还为与工厂集成的专用和专有通信系统提供了一个很好的替换选择。 　　除了利用云计算和5G提升资源共享水平，众包在制造业也变得更加流行[4]。为了加速新产品的开发，并在现有范围内引入创新的改进，制造业迫切需要利用和共享组织和员工的知识。众包提供了一种协作的创意产生和解决问题的机制。它允许人们从更广泛的社区获得显性知识，并以一种不正式的方式提取以前未知的隐性知识[5]。 　　从这些技术和方法的采用可以看出，未来制造业的趋势至少包括两个基本组成部分：资源共享和协作。资源共享减少了与制造基础设施集成的信息系统的空闲时间，并提供了更高级别的灵活性和弹性。与此同时，协作加速了制造业的创新和研发。 　　沿着这个方向，制造业的格局将继续转变，进一步加强资源共享和协作。一个很有前途的方法是软件定义制造。软件定义制造从 ICT的关键技术中吸取经验教训，如软件定义网络[6]和软件定义基础设施[7]。总体思路是将某些制造业的基础设施转化为一个统一的、共享的平台。该领域的从业者可以在平台上自由安排他们的工作，这样他们就可以在所有类型的任务上轻松协作，充分释放平台的潜力。 　　软件定义制造概述 　　软件定义制造通过扩展云制造、5G等现有理念，打破了不同工厂之间的界限，并将对未来制造至关重要的资源共享和协作提升到一个新的水平。 　　软件定义制造的架构 　　图1显示了当前利用信息技术实现制造现代化的实践与未来软件定义的制造基础设施之间的主要差异。如图1(a)所示，当前的研发工作，例如工业4.0[1，8]，重点是单个制造工厂的现代化和数字化，通过引入机器人和人工智能组件等自动化工具来降低工作强度，提高生产效率，并通过更好的预测消除潜在故障。在这个框架下，每个工厂的潜力都可以被*大化，整个行业的生产力垂直上升。 　　在图1(b)中，软件定义的制造框架不是将制造业垂直拆分为孤岛，而是打破了界限，使其成为一个开放、可共享的生态系统。具体来说，软件定义制造将行业生态系统横向划分为物理制造层（physical manufacturing layer，PML）和软件定义层（software definition layer，SDL），所有从业者都可以访问和共享。 　　（1）PML。该框架要求PML支持通用生产并尽可能灵活。 PML由一组站点组成，每个站点都有一组可以由软件控制的设备。在这里，设备可以是3D打印机或其他能够制作各种不同物品的仪器。 PML由多个从业人员共享。 　　虽然单个站点支持所有生产活动是一个挑战，但为特定部门建立这样的站点以满足大多数生产需求是可行的。汽车行业也采取了类似的策略，通过引入汽车平台来提高共享部件的比例[9]。长期以来，该行业一直在追求柔性制造，其目标是处理混合零件的能力，允许零件装配的变化，并支持生产量和设计变更。这些功能中的大多数都与 PML 的目标一致。 　　领先的设备制造商，如ABB和Leidos，已经开发了各种支持柔性制造的技术，可以用于 PML的建设。在软件定义制造的早期阶段， PML还可以包括多种类型的站点来支持多个部门，然而，这些网站的共享性质并没有改变。 　　（2）SDL。SDL负责实际制造之外的一切，包括设计、开发、模拟和制造过程的整个信息基础结构的控制(如从 PML站点和设备发送指令和接收反馈)。 SDL可以进一步分解为两个子层：计算层和通信层。计算层为从业人员管理各种有价值的数字资产，如设计和技术流程，它们决定了从业人员生产产品的能力和效率水平。通信层是连接网络和世界的桥梁，它支持计算和物理制造基础设施之间的可靠连接。通信层也可通过计算层进行配置和可控，也就是说，从业者可以决定制造任务所需的连接特性，如带宽和延迟。 　　图1从当前(a)到未来的(b)软件定义制造基础设施。在软件定义制造的框架下，所有从业者共享信息处理资源和物理制造资源，不仅提高了资源的利用率，而且使协作更加顺畅和容易与 PML类似，SDL基础设施由多个从业者共享。不同之处在于 SDL是跨不同行业共享的。同时，从业者可以使用 SDL 存储和管理私人资产，以供自己使用、与他人进行交易或与其他从业人员合作。 　　软件定义制造的组件和使用 　　在软件定义制造的基础架构中有三种类型的组件： 　　（1）计算节点： SDL的计算层由大量的计算节点组成，主要负责计算和存储任务。计算节点的组织方式有很多种，一个简单的方法就是让一个中心化的一方来提供和管理所有的计算节点，就像目前云计算的做法一样。 　　（2）通信通道：通信通道也是 SDL的一部分，负责为系统中其他节点之间提供可靠的连接。随着5G基础设施的部署，计算节点和通信通道可以融合并由单个运营商管理。 　　（3）制造节点：这些节点组成了 PML。制造节点是高度自治的，任何人都可以拥有它。连接到框架后，日常操作完全由 SDL控制。 　　从业者p与软件定义的制造交互如下： 　　（1）p登录到托管在云中的管理门户，这是软件定义制造框架的一部分。通过管理门户，p可以看到供需信息、自己的所有数字资产、制造节点的当前状态，以及自己订阅的其他服务（如调度工具）。 　　（2）p通过软件定义的制造框架完成生产计划，并将指令提交给制造节点。 　　（3）制造节点根据收到的指令（如工艺流程和数量）进行生产。财务结算协议与此过程集成在一起，支付选项可以是制造节点状态的一部分。 　　图2以从业者的角度显示了软件定义的制造体系结构的具体示例。SDL使用云边缘计算基础设施构建和实现，其中包括数量有限、具有大量计算和存储资源的云计算数据中心和大量物理分布的边缘计算数据中心。 　　云(图2中的集成式计算基础设施)负责与从业者以及大多数与研发工作相关的计算和存储密集型制造活动进行交互。由于物理制造设施(制造节点)在地理上是分布式的，因此利用多个边缘数据中心(图2中的分布式计算基础设施)来控制靠近它们的制造节点的操作。通信基础设施被集成为云边缘计算系统的一部分。 　　从业者利用云数据中心完成新产品的研发工作。云还能够维护对调度至关重要的所有制造节点的当前状态，包括位置、生产能力、计划工作负载和运输信息。当系统中存在多种类型的制造节点时，还提供节点类型信息。从业者利用这些信息来安排实际的生产工作。如果该产品是另一个产品的子组件，那么从业者在决定自己的计划时也会考虑合作者的日程安排。 　　计划完成后，指令被分发到边缘数据中心，边缘数据中心将与制造节点协调以启动生产过程。即使对于单一的从业者来说，制造过程也可能涉及多个步骤。在这种情况下，可以使用多个制造节点。如果一个制造节点的*终产品是另一个制造节点的原始产品，那么运输将作为计划的一部分。 　　在软件定义的制造框架下，SDL和PML不属于任何特定的实体。两者实际上都提供给所有的从业者，并且资源分配过程对他们是透明的。换句话说，每个从业者相信他或她是唯一使用系统的人，不需要知道系统中的其他从业者。在图2中，被虚线区域覆盖的资源被分配给了从业者，并且，从从业者的角度来看，所有这些都是专用的。然而，在现实中，这些资源也可以被其他从业者利用。 　　图2 从从业者的角度看的软件定义制造用例 　　软件定义制造的影响 　　通过水平而非垂直地划分制造生态系统，软件定义的制造框架有潜力改变制造业的商业模式，因为它打破了孤岛模式并实现了自由和充分竞争的市场。在本节中，我们总结了软件定义制造变得更加成熟并在实践中被广泛采用时的潜在影响。 　　加速创新 　　创新在现代制造业中发挥着越来越重要的作用。在当前的制造生态系统中，加入制造业务的门槛越来越高，特别是对于需要精密和昂贵设备的先进制造业。如果不能使用这些设施，从业者就什么都做不了，例如，进行实验来验证一个新的设计，或者为了收集市场反馈而构建少量的产品。老牌的大企业将试图进一步加强壁垒，以维持它们的垄断地位。因此，它阻碍了广泛参与，间接阻碍了创新。 　　采用软件定义制造可以完全改变游戏规则，并有助于实现社会制造中给出的概念[10，11]。在新的框架下，整个基础设施(包括 SDL和