工業(yè)是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的主戰(zhàn)場，數(shù)字技術(shù)不斷推動工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)正從自動化工業(yè)時代走向數(shù)字工業(yè)時代。數(shù)字工業(yè)相比傳統(tǒng)工業(yè)，更強(qiáng)調(diào)建模與仿真、強(qiáng)調(diào)虛實融合、強(qiáng)調(diào)對工業(yè)知識的數(shù)字化表達(dá)與應(yīng)用，具有更高的效率，并擁有前所未有的體系效能。

數(shù)字工業(yè)是制造業(yè)發(fā)展的大趨勢，無論是 CAD、CAE 、ERP 、MES等傳統(tǒng)工業(yè)軟件廠商，還是云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)廠商都在跑步進(jìn)入這一賽道，不斷推出自己的解決方案和產(chǎn)品。但是，拋開這些令人眼花繚亂的新技術(shù)、新產(chǎn)品，隱藏在其背后的研發(fā)技術(shù)、工藝方法、保障經(jīng)驗等工業(yè)知識顯性化、模型化、軟件化所構(gòu)建的工業(yè)技術(shù)體系才是數(shù)字工業(yè)的核心，它支配著產(chǎn)品研發(fā)和制造過程，并代表著工業(yè)化的能力和水平。

先進(jìn)軟件和設(shè)備等工具與工業(yè)技術(shù)體系相比，就好比用辦公軟件代替了紙和筆。有了好的工具，但并不能解決寫出好文章的問題。要創(chuàng)造一流的產(chǎn)品，除了各種軟件和設(shè)備外，更需要各專業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)技術(shù)、知識和方法做支撐，這才是企業(yè)的核心競爭力。工業(yè)技術(shù)體系在很多工業(yè)企業(yè)都未能充分顯性化、數(shù)字化，使得工程技術(shù)人員需要面對數(shù)百種工具和設(shè)備，大量進(jìn)行摸索、試錯、手工操作和重復(fù)勞動，工作結(jié)果和質(zhì)量嚴(yán)重依賴人的能力、經(jīng)驗，工程技術(shù)人員普遍存在“80% 勞動 20% 創(chuàng)造”的現(xiàn)象。

近些年知識自動化的相關(guān)概念和技術(shù)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，其中麥肯錫在 2013年將其作為決定未來經(jīng)濟(jì)的 12 大顛覆技術(shù)之一，Gartner 在 2019 年發(fā)布的 2020 年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一的超自動化方向也有它的身影。本文將結(jié)合工業(yè)領(lǐng)域的最佳實踐，重點闡述如何幫助工業(yè)企業(yè)建立知識自動化平臺，支撐企業(yè)知識持續(xù)有效積累和數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

1 制造業(yè)企業(yè)對知識自動化平臺的需求

制造業(yè)存在大量異構(gòu)工具系統(tǒng)，在一種工具下完成整個產(chǎn)品的研制基本上是不存在的，如圖 1 所示。即使是比較統(tǒng)一的 CAD 軟件，有時也會有多種軟件并存的情況。涉及到結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、流體、電子、控制等仿真分析的 CAE 領(lǐng)域更是參差不齊、五花八門，沒有一個 CAE 軟件能夠成功地解決完全不同的幾個物理現(xiàn)象。這就造成工業(yè)產(chǎn)品的研制必然使用多種多樣的工具系統(tǒng)，而這些工具大都由不同的供應(yīng)商開發(fā)和維護(hù)，各成體系，每個工具擁有自身獨特的概念、語言、技術(shù)和數(shù)據(jù)格式，很難集成和聯(lián)通，給工程協(xié)作、專業(yè)技術(shù)知識積累、系統(tǒng)集成帶來很大的困難，在很大程度上也限制了設(shè)計、分析、運維在數(shù)字空間的產(chǎn)品優(yōu)化迭代效率。

圖 1 復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品研制過程中用到的工具和系統(tǒng)

在這種局面下，企業(yè)要開展數(shù)字化業(yè)務(wù)工作，需要面對日益復(fù)雜的、種類繁多的工具系統(tǒng)，大多數(shù)情況下仍然是“ 勞 動 密 集 型”工作模式，產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度和質(zhì)量的保證嚴(yán)重依賴人的因素。更加嚴(yán)峻的事實是，代表企業(yè)核心技術(shù)和知識的模型數(shù)據(jù)被鎖死在西門子、達(dá)索、ANSYS 等一個個“工業(yè)軟件箱”中，企業(yè)技術(shù)安全風(fēng)險極高。

如果說 CAD、CAE 等軟件是以學(xué)科維度劃分的“縱向”工具，那么型號研制則需要一個互聯(lián)互通的“橫向”平臺，向下集成并整合各類工具和設(shè)備，向上承載型號技術(shù)知識和模型數(shù)據(jù)，將工業(yè)技術(shù)、方法、知識從具體的單個工具中剝離出來，為企業(yè)提供一套完整的數(shù)字工業(yè)“操作系統(tǒng)”平臺，保障型號研制的高效率，實現(xiàn)工業(yè)技術(shù)體系持續(xù)沉淀和優(yōu)化，支撐企業(yè)數(shù)字化業(yè)務(wù)推進(jìn)。

2 知識自動化平臺的組成要素

一是工程中間件平臺， 實 現(xiàn)對工業(yè)軟件、管理系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備的連接和驅(qū)動。一方面， 打 通 復(fù) 雜 產(chǎn)品設(shè)計全生命周期從研 發(fā)（CAD、CAE、CAPP 、CAM ）、到制造（SCM 、ERP、MES）、到管理（PDM 、SDM 、TDM ）的各學(xué)科、各領(lǐng)域軟件的集成與協(xié)同，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫集成與智能感知，同時驅(qū)動不同的軟件或系統(tǒng)自動化執(zhí)行設(shè)計任務(wù)，實現(xiàn)端到端的工程數(shù)字化設(shè)計集成；另一方面，實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的互聯(lián)互通與集成，涵蓋機(jī)床、數(shù)控加工中心、物理 / 半物理仿真等實驗設(shè)備，對工業(yè)設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)實時采集與監(jiān)控。

二是“模型→數(shù)據(jù)→知識→模型”閉環(huán)轉(zhuǎn)換體系。工業(yè)領(lǐng)域的模型是大量工業(yè)技術(shù)、行業(yè)知識、運行機(jī)理，甚至是人機(jī)操作方法的抽象化、規(guī)則化的數(shù)字表達(dá)，可以進(jìn)一步封裝為軟件形態(tài)（工業(yè) APP 是最為典型的代表），并借助平臺驅(qū)動軟件和設(shè)備，讓機(jī)器自動化地完成知識性工作。機(jī)器運行則會產(chǎn)生大量的工程數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析、知識挖掘的技術(shù)和工具，可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為指導(dǎo)設(shè)計、運維等工作的經(jīng)驗、方法，并與傳統(tǒng)的文獻(xiàn)、情報等內(nèi)容，構(gòu)成顯性化的、為人所用的知識。具備廣泛代表性、通用性的知識通過數(shù)字化、軟件化的技術(shù)手段，又可以形成支撐智能化應(yīng)用的工業(yè)模型，從形成一個閉環(huán)體系，形成知識驅(qū)動的工業(yè)研制模式。

除此之外，第三個組成要素是面向工程師的智能人機(jī)環(huán)境。在模型、數(shù)據(jù)、知識組成的閉環(huán)體系中，人作為應(yīng)用的主體，負(fù)責(zé)選擇、分析、判斷和決策性工作，機(jī)器則負(fù)責(zé)操作性、規(guī)則性、重復(fù)性的工作，從而讓工程技術(shù)人員從事務(wù)性、低層次的工作中解放出來，讓聰明的人才不至于總是從事低級的事情，把更多的時間留給創(chuàng)新。

3 知識自動化平臺是數(shù)字工業(yè)的操作系統(tǒng)

知識自動化平臺的核心目的是實現(xiàn)工業(yè)知識的顯性化、模型化和軟件化，在具體工具和設(shè)備之上形成可持續(xù)發(fā)展的工業(yè)技術(shù)體系。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，平臺必須能夠?qū)⒐�業(yè)技術(shù)與具體工具解耦，從而支撐中性的工業(yè)技術(shù)能夠在不同軟件上、不同企業(yè)間進(jìn)行流通，也便于社會化共建共享。

因此，在推進(jìn)知識自動化平臺的建設(shè)上，并不是要把用戶現(xiàn)有的工具資源推翻重來，而是在已有資源的基礎(chǔ)上建立一個統(tǒng)一的業(yè)務(wù)操作平臺，所有軟件和設(shè)備的功能和數(shù)據(jù)，均通過這個統(tǒng)一平臺操作。

從這個意義上而言，知識自動化平臺之于企業(yè)已有資源，就如同操作系統(tǒng)之于對各種硬件資源一樣。操作系統(tǒng)將 APP 從各種硬件中剝離出來，從而便于開發(fā)人員在操作系統(tǒng)上建立各種應(yīng)用軟件，圍繞操作系統(tǒng)之上構(gòu)建了豐富的 APP 生態(tài)環(huán)境，極大地促進(jìn)軟件行業(yè)的發(fā)展。

現(xiàn)在的微軟 Windows 的桌面 APP 生態(tài)環(huán)境、谷歌的 Android、蘋果的 iOS 的手機(jī) APP 生態(tài)環(huán)境，均得益于操作系統(tǒng)將開發(fā)者從種類繁多的硬件體系中解放出來。與此相比，知識自動化平臺對于企業(yè)數(shù)字化、智能化業(yè)務(wù)發(fā)展而言，其重要功能是將企業(yè)核心業(yè)務(wù)方法、 知識、 技術(shù)，從具體的工具、系統(tǒng)、設(shè)備中剝離出來，使得企業(yè)的核心精力可以放在其核心業(yè)務(wù)的建設(shè)上，而不關(guān)注與底層工具的集成和整合，從而為企業(yè)提供一套完整的業(yè)務(wù)“操作系統(tǒng)”平臺，在其上構(gòu)建面向特定應(yīng)用、特定場景的工業(yè) APP，并在其上不斷積累和建設(shè)企業(yè)的核心業(yè)務(wù)知識、方法和技術(shù)體系。

因此，與各種異構(gòu)工業(yè)軟件、系統(tǒng)、設(shè)備的連接與集成適配，實現(xiàn)互聯(lián)、互通、互操作，是知識自動化平臺建設(shè)中最重要的環(huán)節(jié)。從大類上可以將適配器分為工業(yè)軟件集成適配器、系統(tǒng)軟件集成適配器、工業(yè)設(shè)備連接適配器三類。

工業(yè)軟件集成適配器：將 CAD、CAE、CAM 等工業(yè)軟件的接口進(jìn)行集成、封裝，支撐快速設(shè)計建模、綜合仿真分析等工業(yè) APP 開發(fā)與運行；

管理軟件集成適配器：將 PDM、ERP、MES 等管理軟件的接口進(jìn)行集成、封裝，支撐 BOM 轉(zhuǎn)換、訂單跟蹤、質(zhì)量溯源、品控分析、過程可視化等工業(yè) APP 開發(fā)與運行。

工業(yè)設(shè)備連接適配器：將工業(yè)網(wǎng)關(guān)、智能產(chǎn)品等數(shù)據(jù)采集和下發(fā)等接口進(jìn)行集成、封裝，支撐遠(yuǎn)程監(jiān)控、預(yù)警分析、故障檢測等工業(yè) APP 開發(fā)與運行。

通過適配器，并借鑒操作系統(tǒng)“平臺 +APP”的生態(tài)建設(shè)成功模式，知識自動化平臺一方面通過大規(guī)模連接軟件、系統(tǒng)和設(shè)備，構(gòu)建了“工業(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，建立起聯(lián)接“數(shù)字世界”與“實體世界”的橋梁；另一方面，以工業(yè) APP 為載體封裝工業(yè)技術(shù)、知識、產(chǎn)品和服務(wù)，可以快速構(gòu)建工業(yè)知識庫、工業(yè)知識圖譜，形成“工業(yè)大腦”，形成“數(shù)字空間”與“實體空間”融合發(fā)展的制造業(yè)新模式、新業(yè)態(tài)，是數(shù)字工業(yè)的“操作系統(tǒng)”，可有效推動制造技術(shù)和模式創(chuàng)新，賦能工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

4 工業(yè) APP 是知識自動化的最佳形態(tài)

在知識自動化平臺建設(shè)中，傳統(tǒng)的大型工業(yè)軟件、系統(tǒng)和設(shè)備逐漸下沉為基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)技術(shù)、知識、能力的軟件化 ,以及由此帶來的新的應(yīng)用生態(tài)走向前端。

用戶需要一種更加輕量級的、更加接近于業(yè)務(wù)的應(yīng)用實現(xiàn)知識自動化的落地，工業(yè) APP 正是這樣一種形態(tài)。

工業(yè) APP 是運行在知識自動化平臺上的，類似 APP之于操作系統(tǒng)的價值，知識自動化平臺對于企業(yè)的價值大小直接取決其上培育的工業(yè) APP 價值和數(shù)量的多少。但不同于手機(jī)端、Windows 端 APP，工業(yè) APP 是工業(yè)領(lǐng)域的各種流程、方法、數(shù)據(jù)、規(guī)律、經(jīng)驗、知識等工業(yè)技術(shù)要素的軟件化成果，是知識自動化的最佳載體，也是一種知識機(jī)器人，將工程師重復(fù)性的、標(biāo)準(zhǔn)化的操作過程通過軟件自動化完成。

工程人員是工業(yè) APP 開發(fā)主力軍，工業(yè) APP 的開發(fā)一方面要充分基于現(xiàn)有的工業(yè)軟硬件條件，另一方面還要降低工程人員的開發(fā)門檻�？梢暬�、低代碼的工業(yè) APP 開發(fā)模式對于將專業(yè)工程師大腦中的知識、技能轉(zhuǎn)換成可重復(fù)調(diào)用、可快速執(zhí)行的“小”應(yīng)用至關(guān)重要。

一種全新的技術(shù)是基于微服務(wù)架構(gòu)，將工業(yè)領(lǐng)域的工程算法、機(jī)理分析等，以及信息化系統(tǒng)進(jìn)行拆解和集成封裝，形成一個個工業(yè)微服務(wù)單元組件，通過“托拉拽”“所見即所得”的可視化編程和軟件化代碼自動生成，支撐工業(yè) APP 的開發(fā)和運行。

工業(yè)微服務(wù)是工業(yè) APP 運行和開發(fā)的最小粒度單元。如果說工業(yè) APP 開發(fā)主體是工業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)工程師（結(jié)構(gòu)、電子、工藝、運維等），那么工業(yè)微服務(wù)的開發(fā)主體則是既懂工業(yè)又懂開發(fā)的復(fù)合型人才。工業(yè)微服務(wù)的種類除了工業(yè)軟件、管理系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備適配器類型的微服務(wù)外，還包括以下幾類服務(wù)。

工程計算類微服務(wù)：包括科學(xué)計算、材料、機(jī)械、電子電器、制造工藝等工程領(lǐng)域中一些核心算法微服務(wù)組件。

機(jī)理分析類微服務(wù)：包括控制、機(jī)械動力、電路電子、熱力、流體等領(lǐng)域的機(jī)理分析類的微服務(wù)組件。

數(shù)據(jù)交換類微服務(wù)：包括對 XML、JSON、CSV、Log、EXCEL 等不同格式文件，Oracle、MS SQL Server、MySQL、DB2、SQL-Lite 等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，MangoDB、HBase、HDFS 等非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)抽取、裝載微服務(wù)組件。

數(shù)據(jù)分析類微服務(wù)：包括數(shù)據(jù)分類、聚類、回歸、預(yù)測、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的微服務(wù)組件。

基于工業(yè)微服務(wù)進(jìn)行工業(yè) APP 開發(fā)，既能夠借助工業(yè)微服務(wù)并行開發(fā)、分布運行的特點，有效發(fā)揮平臺海量開發(fā)者接入、資源彈性配置、云化部署運行等優(yōu)勢，又能夠利用工業(yè)微服務(wù)獨立隔離、靈活調(diào)用的特點，克服工業(yè) APP 所面臨的快速運維、持續(xù)迭代、個性化定制等問題。

而低代碼、可視化的工業(yè) APP 開發(fā)則為用戶（尤其是不懂編程的工程人員）提供低門檻的編程環(huán)境，包括可視化物理對象建模、業(yè)務(wù)邏輯建模、交互界面設(shè)計等功能支持，使工程人員無需編寫代碼即可快速將工業(yè)技術(shù)、數(shù)據(jù)、知識等封裝到相關(guān)領(lǐng)域的工業(yè) APP 中。

5 案例介紹

汽車白車身的重量和制造成本約占整車 的 40% ～ 50%，白車身焊裝偏差會給最終的車身制造質(zhì)量帶來很大影響。焊接夾具的作用是保證白車身焊裝零件之間的相對位置和尺寸精度，減少白車身焊裝變形。建設(shè)每條汽車生產(chǎn)線都需要定制化設(shè)計和制造焊裝夾具。夾具的設(shè)計要花大量的時間，不同規(guī)格的參數(shù)調(diào)整、設(shè)計約束、組裝非常耗時。

借助知識自動化平臺，實現(xiàn)了包含了 7 大類的夾具設(shè)計的 APP，每一個 APP 封裝了夾具設(shè)計相關(guān)經(jīng)驗、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，用戶只需要進(jìn)行簡單的操作，就可以在不到一分鐘時間里，完成夾具的整個設(shè)計工作。目前已在實際的汽車具設(shè)計中廣泛應(yīng)用，其設(shè)計周期縮短了 80%，APP 中內(nèi)置了企業(yè)規(guī)定的外購件、標(biāo)準(zhǔn)件等，便于批量化生產(chǎn)和制造，節(jié)約夾具平均制造成本 30% 以上。在 APP 還內(nèi)置了一些不合理的結(jié)構(gòu)、易出錯的判斷規(guī)則共計 93 項自動檢查，確保設(shè)計“0”錯誤。

5.2 航空飛行器總體方案設(shè)計自動化

航空飛行器總體方案設(shè)計至關(guān)重要，很大程度上決定了該型號研制的成敗，同時也非常復(fù)雜，涉及十多個大專業(yè)，七十多個子專業(yè)，工具與系統(tǒng)異構(gòu)化現(xiàn)象突出，設(shè)計過程缺乏主線引導(dǎo)，專業(yè)間關(guān)系不暢通、不規(guī)范，迭代優(yōu)化困難且無法追溯。通過對軍 / 民用飛機(jī)布局、布置、外形、重量、氣動設(shè)計、氣動特性、進(jìn)排氣、性能、操穩(wěn)、載荷、靜彈、狀態(tài)等專業(yè)的工作目標(biāo)、工作方法、流程關(guān)系、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析定義，研發(fā)出了 150 多項專業(yè) APP，集成十多款相關(guān)軟件。從整體應(yīng)用效果角度看，有效縮短飛機(jī)研制周期超過 50%，降低飛機(jī)研制經(jīng)費超過 30%。

6 結(jié)束語

在工業(yè)領(lǐng)域，知識自動化能將工業(yè)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)和模型化，并將其移植到工程中間件平臺，以工業(yè) APP 的形態(tài)便驅(qū)動各種軟件、系統(tǒng)和設(shè)備，從而完成原本需要人類完成的大部分工作，將人類解放，從事更加高級、更具創(chuàng)造性的工作。

同時，知識自動化還能夠通過對企業(yè)歷史數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù)的深度挖掘，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)把經(jīng)驗性知識進(jìn)行顯性化和模型化的表達(dá)，進(jìn)而實現(xiàn)工程技術(shù)知識的持續(xù)積累，實現(xiàn)工業(yè)技術(shù)驅(qū)動信息技術(shù)，信息技術(shù)促進(jìn)工業(yè)技術(shù)的雙向發(fā)展。這對于建立數(shù)字化的工業(yè)技術(shù)體系，以及促進(jìn)工業(yè)化信息化深度融合具有十分重要的戰(zhàn)略意義，是數(shù)字工業(yè)的操作系統(tǒng)，更是知識表達(dá)、知識智能的一次重要變革。