作者：赵敏,宁振波
出版社：机械工业出版社
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铸魂：软件定义制造试读：
前言
百年来，图纸定义产品，工艺约束制程，说明书描述功能，已成工程惯例。一旦产品造好，若想改动其功能和性能极其困难。工业软件的诞生，逐渐改变了一切。
工业软件是工业化的顶级产物。它如容器一般盛装了人类工业知识，给制造业带来两大巨变：第一，改变了传统的设计、工艺、生产和运维方式，产品随时在赛博空间迭代优化，使制造过程敏捷精准；第二，塑造了产品的“五官”和“大脑”，产品在物理空间的行为随场景而自动调整。两大巨变融汇，形成一种新工业智能模式——软件定义制造，并由此创造了一个制造新范式：智能制造。
智能制造，顾名思义，一是智能，二是制造。制造乃经济之源，立国之本，作用于物质原子；智能乃基于软件所蕴含的人类智力成果和知识精粹，承载于比特数据。比特和原子携手，赛博系统和物理系统融合，其结果就是赛博物理系统（CPS）。作为使能系统，CPS让赛博中的数字虚体在软件定义的作用下，更精准地控制物理实体的形状和运动。
作者预测，未来的智能制造，是每一个原子都可以被软件给出的比特数据精准控制的制造。这种控制体现在机器、材料的构成上，比特数据将会恰当地安排和控制每一个原子的位置，以及原子之间的相对位置，会精准地控制每一个零件的形状和属性，精准地控制各个零件的所在位置，还会精准地控制这些零件之间的相对运动以及耗能等。
作者梳理了以智能制造为主攻方向的新工业革命内涵，总结了五个基本特征：
①“人智”转“机智”——人类知识不断进入软件，知识载体由以碳基知识为主转向以硅基知识为主，数字生产力激增；
②传感器低价普及——传感器为产品增添了“五官”，极大增强了产品和设备的感知能力，物理信息加速数字化；
③软件定义制造——工业软件成为设备和企业的“大脑”，算法/算力急剧增加，软件定义了材料/零件/系统的时空表现；
④真正两化融合（软件闭环）——比特拥抱原子，IT携手OT，赛博融合物理，软件给出的数字指令跨时空精准操控物理设备；
⑤大范围优化配置制造资源——基于工业互联网，实现多域而非单域、大范围而非小范围优化配置制造资源。
上述五个基本特征中，每一个都是依靠工业软件来实现的。
软件定义制造，是一个略有争议的话题，争议焦点在于对“定义”的理解。本书所讨论的“定义”，是基于工业软件作为数字化手段的两个基本特点：一个是基于软件形成的“研发与管理手段数字化”，即用软件作为辅助手段，与设计者的思考形成交互，以“软件定义产品形/态/质地/行为”的方式开发复杂产品——因为复杂产品已经无法用传统的人工手段来很好地完成；另一个是基于软件形成的“产品本身数字化”，即将软件嵌入芯片，芯片嵌入产品/设备之中，让软件成为其中的“软零件”“软装备”，以“软件定义数据自动流动规则”的方式，根据工作场景自主决策，以精确的动作指令操控物理设备。
以上两种语境下的“软件定义制造”，是有着充分的意义的，是经过实践检验的，是可以持续发展的。
工业软件极其重要，是新工业革命的关键要素，但是作者不认同“软件定义一切”等过分夸大软件作用的说法。作者认为：软件、芯片、互联网等数字化软/硬件设备，都是新型工业要素，是服务于工业的配角。以工业为主体，以数字化/信息化手段为辅助，这是工业转型升级、繁荣发展的基本定位。鉴于工业天量般的体量和必须以物质产品支撑国民经济发展的基本属性，软件赋能作用再强大，也不能决定工业，更不能替代工业，而是让工业发展更快，工业产品更精良，工业过程更精准，工业经济更强劲，工业发展更宜人。
本书名为“铸魂：软件定义制造”。“铸”有金字旁，本意是把熔化的金属倒在模子里制成器物，解构原料，重构质地及器形，从而形成铸造这门既古老又现代的生产制造工艺。说它古老，是因为大约6000年前，人类就已经掌握了铸造青铜器的技术，开创了金属时代的器具制造；说它现代，是因为层出不穷的新铸造工艺仍在支撑制造业迅猛发展。在本书封面设计中，铜镜代表了青铜器时代的物理实体，与创造并记忆了铜镜的意识人体和电脑里刻画铜镜的数字虚体彼此交汇，再次重申了作者首创的“三体智能模型”的内涵。
在中国古人眼里，魂，主管人之精神灵气，魄，主管人之肉体生理。类比到产品上，显然软件是今日产品之魂，是机器自治之本和智能之源。如果没有软件，无数先进的机床、仪器、设备等都会瘫痪，成为没有灵魂、失去价值、无法使用的废铜烂铁。《铸魂》的本意，就是要强调软件对于制造业的极其重要性，就是要厘清软件定义的实质及其对制造的关键使能/赋能作用。
软件定义制造正在成为制造业新的发展趋势，并且获得了政府部门的有力支持。我国工业和信息化部（以下简称“工信部”）在2016年12月18日发布了《软件和信息技术服务业发展规划（2016—2020年）》，其中“软件定义制造”被列为一种重要发展趋势，进行了特别的描述：“软件定义制造激发了研发设计、仿真验证、生产制造、经营管理等环节的创新活力，加快了个性化定制、网络化协同、服务型制造、云制造等新模式的发展，推动生产型制造向生产服务型制造转变。”
软件定义制造理念由谁率先提出，难以考证。但是在具体的工业实践中，在以德国工业4.0、美国国家制造创新网络（NNMI）/工业互联网、日本工业价值链为代表的工业强国的国家/企业发展战略中，该理念已经体现得淋漓尽致。德美日各自采用的包含了软件+硬件平台+标准规范+技术体系等内容的复杂系统，其核心使能技术就是工业软件。工业软件是建立工业生态体系的关键要素，是联接了各种工具、机器、设备等工业“躯体”的“大脑和灵魂”。谁掌握了更多、更好的工业软件，谁就拥抱了工业发展的未来。
在西方发达国家，既有诸如微软、IBM、SAP、谷歌等IT公司大力发展数字信息技术，也有空客、波音、GE、洛克希德·马丁等工业企业在不断推行工业技术软件化。从代码行数看，洛克希德·马丁公司已经超过微软成为世界最大的软件公司。大众汽车公司2019年宣称要成为一家软件公司。NASA联合GE、普惠等公司发展NPSS软件已有20余年，该软件内嵌大量航空发动机设计方面的知识、方法和技术参数，用其一天之内就可以完成发动机的一轮方案设计。美国AVM计划在2013年取得验证项目成功，并将成功经验转入NNMI，成为美国数字化设计与制造创新中心的重要支撑。AVM所涉及的核心技术虽然未像工业互联网、大数据、工业软件等信息化技术一样被大规模宣传，但它们代表了美国工业的核心逻辑，是美国再工业化进程中最有价值的东西。波音787研制过程用了8000多种软件，其中约1000种是商业软件，其他软件都是波音公司自用软件，包含了波音多年积累的核心工业技术。这7000多种自用软件，成为其他企业难以企及波音飞机研制水平的高门槛。
软件定义，现在已经成为制造业的一种技术现象：软件不仅定义了零件，定义了材料，也定义了产品，定义了工装，定义了工艺，定义了装配，定义了产线，定义了生产流程，定义了供应链，定义了产品使用场景，定义了产品维护与升级，定义了客户，定义了销售，定义了企业，定义了所有可以定义的一切。
定制造之义，铸工业之魂，强工业之躯。工业是一个国家的立国之本，制造业是一个国家的强国之基。“软件定义制造”，如同一把闪闪发亮的金钥匙，正在帮助我们打开智能制造、两化深度融合和中国工业转型升级的三重大门。2019年11月18日第一章 软件的本质是工业之魂
软件是运行在芯片中的数字化指令和数据的集合。该定义是20世纪计算机软件蓬勃发展初期人们的认识，无法代表今天工业软件所具有的真实内涵。工业软件封装了工业技术/知识，建立了数据自动流动的规则体系。它源自工业，赋能工业，创新工业，定义制造。工业转型时代赋予了工业软件崭新使命：工业灵魂，知识容器，智能引擎。
软件（Software）是在中国大陆及中国香港使用的术语（中国台湾称为软体）。因为是伴随着计算机的普及应用而兴起的一个专业领域，因此软件的早期名称是“计算机软件”，是一个与计算机领域中“计算机硬件”相对应的概念。在不影响理解的前提下，直接称之为软件。但是软件本身的运行离不开硬件和操作系统的支持。
软件是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合（程序）。一般来说软件被划分为系统软件、应用件和介于这两者之间的中间件。软件并不只是包括可以在计算机（指广义的、任何具有微处理器的计算机）上运行的程序，与这些电脑程序相关的文档也被认为是软件的一部分。广义的软件也泛指社会结构中的管理系统、思想意识形态、思想政治觉悟、法律法规和人脑中的知识集合等，但是这部分内涵不在本书论述之列。软件定义的内涵与意义大隐于市 工业灵魂
软件是典型的数字虚体。从形态上说，它无形无态，没有任何人能够直接看到软件的存在状态，只能在屏幕上间接看到它的外在表现形式；从存储上看，它实际上就是一系列按照一定模式或模型组成的二进制数据；从作用上看，软件生成的特定指令代码，既可以驱动显示器/打印机等外设，也可以通过设备的控制器来直接操控设备；从传输上来看，软件本身和软件生成的数字产品可以跨越时空界限被传输到任何赛博空间（Cyberspace）能够覆盖的范围。
软件，大隐者。“隐于市”且“无形”，看不见，摸不着。因此，很多人也就对其忽视、轻视或者无视。但是软件又如同空气之于人类一样，它让人类社会中的无数设备以正确的逻辑保持正常的高速运转，以维护社会基础设施的正常运营，须臾不可或缺。今天，一个没有软件的社会是不可想象的失控场面。
40年前，软件只是芯片的附属物，其作用范围限定在单片机之内，普通百姓不知道还有“软件”这么一个东西。三十年前，软件开始崭露头角，其作用范围限定在操作系统中的小工具，大家对软件的印象就是“算算数”或者“玩游戏”而已。20年前，人们开始重视电脑的应用，因为软件无法像硬件一样可触可见，而且无法做成固定资产，因此，很多企业领导都愿意花钱买一大堆电脑摆在屋里，好看且有面子。而对于软件，领导的想法就是去拷贝几个盗版用用，或者轻蔑地说：“软件好办，找几个学软件的人花几万元自己开发一个！”
近十几年来，软件大举进入了机器，成为机器中的“软零件”“软装备”，进而成为机器的大脑和灵魂，主宰了机器世界的运行逻辑；同时，开发任何复杂产品，都已经离不开软件手段的支撑，从此，世界上再不能缺少软件。而两大类软件——研发和管理手段数字化软件（非嵌入式软件）、产品本身数字化软件（嵌入式软件），统称为工业软件。
网景创始人、硅谷著名投资人马克·安德里森（Marc Andreessen）认为：“60年前的计算机革命，40年前的微处理器发明，20年前的互联网兴起，所有这些技术最终都通过软件改变各个行业，并且在全球范围被广泛地推广。”他的研究结论正如他写的文章名称“软件正在吞噬整个世界”。
这一切，隐于不知不觉，始于青萍之末，行于涟漪之间，荡在时空之中。酝酿了几十年之后，一场软件定义、软件控制、软件赋能/赋智、软件化生存的风暴，已经来临。
工业软件，原本兴于工业巨头。NASA、波音、洛克希德、福特等航太、汽车企业，从20世纪60年代就开始了软件的研发。软件代码所形成的控制指令，早就像血液一样流淌在产品之中，像中枢神经一样控制着产品行为。
早年习惯用打印机将软件程序打印成册，供程序员审核查阅。作者在20世纪80年代初学习计算机的时候，还必须使用穿孔纸带来保存自己的作业程序。在那个时候的软件开发中，因为计算机少，可用机时有限，因此不得不把成千上万行软件程序打印出来，在纸面上仔细审阅修改。三十多年后的今天，别说是穿孔纸带，就连在纸面上打印程序，基本上都没有人做了，因为程序代码量实在是太多了！靠打印在纸上去查阅的方式已经无法满足程序员在短时间内阅读和调试大量代码的工作需要，这个工作已经交给了专业代码调试软件。
在20世纪60～70年代阿波罗飞船计划实施时期，软件代码是一定要打印在纸上的，以方便查阅和备份。大家是否知道，当年NASA的“码农女神”——软件首席工程师玛格丽特·汉密尔顿，给阿波罗登月飞船写的导航和登陆程序的代码量有多少？打印纸堆起来比她本人的身高还要高！如图1-1所示。图1-1 玛格丽特和她为阿波罗11号飞船写的源代码
1968年12月21日，绕月的阿波罗8号飞船升空第5天，宇航员误操作删除了所有导航数据，致使飞船无法返航。玛格丽特带领MIT的程序员们连夜奋战9小时，设计出了一份新导航数据并经由巨大的地面天线阵列上传到阿波罗8号，让它顺利返航。
1969年7月20日，阿波罗11号飞船登月前，危机再次发生。当年电脑算速极慢，系统只能存储12KB数据，临时存储空间仅1KB。飞船登月前几分钟，电脑因过度计算几近崩溃。正是玛格丽特首创的“异步处理程序”，让阿波罗11号学会了“选择”：当电脑运行空间不足时，最宝贵的存储空间只留给最关键的登月任务，其他任务暂停，由此而让登月舱成功降落在月球表面。
从绕月到登月，玛格丽特写的软件有序地控制了飞船，把人类首次送上月球。用软件程序通过赛博空间来远程控制物理设备，在1969年就已经实现了。以程序化指令不限时空地控制物理设备，其实一直是软件的终极使命。
以今天的视角来看，上述代码数量与现在先进设备中的代码数量相比，简直是微不足道。航太领域本来就是工业皇冠上的明珠，是先进软硬件技术的发祥地。普通人可能会惊讶和欢呼于载人航天的成功和人类首次登月，但是对于这些看不见、摸不着的软件在其中所起的“灵魂”般的控制作用，基本上不了解。更重要的是，玛格丽特走通了一条对当今工业来说极其重要的技术路径：软件可以在赛博空间中，不限时空地传输和安装，不限时空地运行其中的指令，体现人类设定的逻辑和执行过程，让遍布各处甚至远在天边的物理设备按照人类意愿工作。
当传输软件的赛博装置从地面巨大的天线阵列与航天器之间点对点传输，变成无处不在的互联网数据传输，可以随时上传/下载软件时，软件就已经向着“泛在化”大举进军了。过去曾经严重阻碍工业发展的一些瓶颈问题，因为时空限制被软件和网络打破，而从梦想变为了现实。无处不在 软件生存
如果说五十年前的阿波罗飞船上的软件还只是航天工业领域的软件，那么在今天，软件已经融入日常生活，支配工业设备，甚至影响人类行为。每天清晨，人们生活的打开方式，早已经不是50年前的收音机、10年前的电视机，而是放在枕边、桌上的智能手机。启动汽车，自驾上路的打开方式，也已经不是钥匙点火和挂挡、查阅纸质地图，而是按键点火，自动或手动设置汽车驾驶模式程序，设定导航目的地。进入车间，蓝领工作的打开方式，也已经不是摊开图纸工艺卡、开会讨论问题，而是参阅电脑屏上的CAD图纸，启动数控程序。还有那看不见的深嵌在产线、设备、车辆、仪表等物理设备中的嵌入式软件，也在悄悄地用数字指令规范着机器的行为，配合着操作者的意图。
无论是手机中的APP，还是汽车上的数字化驾驶界面，或是数字化图纸、数控程序或数字指令，它们都有一个共同的名字——软件。软件不仅嵌入了我们身边的器物，还在逐渐替代某些物理元件或零部件。我们不妨仔细观察身边的事物：家中的电器、代步的座驾、随身的手机、车间的设备、试验的仪器，一件一件，都已经开始了软件替代部分实体零件和相关操作的进程。以下列举几例：
例1：手机（或电脑）上的时钟，已经完全由软件图形界面实现，自动网络授时。我们可以看到精准的数显时间，但是已经找不到任何曾经熟悉的“座钟”“腕表”“电子表”等物理形态。
例2：汽车的“电子外后视镜”，可利用车后方的一个摄像头采集图像，由软件做一定的算法和裁剪，将后方路况显示在车内显示屏上，替代传统的后视镜。显示仪表的指针/刻度，都变成了软件中的“函数”。
例3：在F22/F35机舱中用一块大液晶屏替代过去上百个仪表，以交互性良好的动态折叠菜单替代成百上千的物理按键。每一架F22/F35战斗机都有14台超级计算机，内有数千万行软件代码，是典型的“飞行电脑”。
例4：在高铁站熙熙攘攘的进站人流旁，数字闸机（检票机）发挥着巨大的作用。一两秒间，乘客即可数字化检票进站。同时，乘客所有信息（起始/终点、身份、车次、总人数等）实时统计完成，前方车站立即获知这些信息和可售剩余座位。过去手动检票绝不可能在同样时间内完成这些工作。
在那些看得见或看不见的角落里，软件都在发挥着我们想象得到或者想象不到的作用。在这些设备中，软件“体量”或大或小，从几十行代码到几十万行代码不等。有些特殊机器设备中的软件含量，已经达到了令人咋舌的地步。根据德国汽车制造商公布的技术资料，奔驰、宝马、奥迪等豪华汽车已经拥有1亿行以上软件代码（大众公司认为未来几年将达到2亿～3亿行），一辆特斯拉汽车拥有2亿行软件代码，而一架波音787飞机则拥有超过10亿行代码！毫不夸张地说，机载软件已经成为当今民用飞机的大脑与灵魂。
这仅仅是开始。有人说“智能制造的核心是产品大数据”“大数据是‘互联网+’的DNA和血液”或者说“按需制造的核心是数据”，其实这些话只说对了一半，没有软件，再多的数据也体现不出其价值。未来所有的数据都是天量的，是人力处理或单机电脑上的普通软件所不可企及的。因此，真正的幕后英雄是软件，是基于云计算架构的新形态软件——所有的数据都要靠无处不在的软件来进行分析和处理，才能判断其是否具有使用价值和如何去使用它们，而人工是既不可能、也没必要去分析大数据的。大家看到的是被市场热炒的大数据，而看不到的则是读取数据、处理数据、给出分析处理结果、洞察数据中隐含的信息/知识的默默无闻的软件。
现在，软件进入各行各业（特别是工业领域），与各种传统的物理设备相结合，是一个不以人们意志为转移的大趋势。于无声处，软件在积蓄着惊人的能量，在酝酿着靓丽的闪电与震天的惊雷。在软件定义下，在软件赋能/赋智的加速推动下，工业文明将发展到一个前所未有的崭新阶段，促进人类社会从数字社会走向智能社会。
20年前，美国学者尼葛洛庞帝在其《数字化生存》一书中说，人类生存于一个虚拟的、数字化的生存活动空间，由此而形成了一个“数字化生存”的观点。其实今天看来，如果能够再延伸一点的话，作者宁愿说人类最后将走向“软件化生存”。未来，使用软件的能力，将是人类一种基本的生存能力，不会用软件可能就缺乏基本的岗位胜任能力甚至是生活能力。这不是一个你想不想、要不要、会不会的问题，而是一个你何时开始学习、何时达到基本要求的问题。
软件，特别是工业软件，依靠算法、机理模型、数据分析模型、数据和知识来驱动物理设备，以期更好地定义和优化物理世界，加速工业体系升级换代，促进工业文明创新转型。过去人们经常说，一代材料、一代设备，而今天的世界是由软件和材料来共同决定的，是以软件的速度和节奏来发展的。所有的企业、组织和个人，必须要跟上软件发展的速度和节奏。因为软件将会决定你的生存状况。何为软件 软件为何
通常IT界认为，软件是运行在芯片中的数字化指令和数据的集合。软件以人类语言的代码格式，模拟表达一系列源自人脑的逻辑规则和知识，最终以“0/1”的机器代码格式，驱动芯片（硬件）底层功能，将一系列的计算结果在外部设备（显示器、打印机、绘图仪等）上显示出来。
这种“软件定义”是20世纪70年代末80年代初计算机软件刚刚开始蓬勃发展时人们的认识，代表了IT界的基本看法，尚不足以表示今天软件所应具有的真实内涵。为了探讨软件的真实含义，本书以作者此前所著的《三体智能革命》一书中的学术观点为起点，从一个新的角度来重新认识软件，包括从应用软件中发展出来的专门用于工业过程的工业软件。在下一小节中，作者会给出自己的工业软件定义。
在《三体智能革命》一书中，作者提出了一种全新的世界观和方法论——三体智能模型。按照出现的时间顺序，作者把世界分为三类“体”，并且用这三种“体”来分析和看待客观世界：
·第一体：物理实体，由自然界物质以及人类所创造的各种实体设备（哑设备）、人造材料所构成的物质与材料世界。
·第二体：意识人体，人是地球上所有生物体的杰出代表，构成了社会的基本要素。人体具有自身的智能反应与智慧的意识活动。
·第三体：数字虚体，存在于电脑和网络设备之中的一个数理逻辑空间，基于电脑而实现，由于网络通信而增强。所有在电脑中由软件构建的结果（图、文、曲线、三维模型、音频、视频等资料）都是数字虚体。
数字虚体，就是软件定义的结果。有了软件定义才有数字虚体。
以计算机、手机、平板等方便人眼视察的屏幕（显示装置）为例，屏幕上所显示的任何一个点、任何一条任意形状的线、任何一个字符、任何一篇文章、任何一幅图像、任何一种声音、任何一个视频、任何一个三维模型、任何一个仿真场景等，都是由软件定义形成的，由此而形成了“计算机图形学”“计算机辅助技术（CAX）”等各类研发工具和管理软件。这就为“产品研发和管理手段数字化”软件打下了坚实基础。这类软件也称为制造业IT软件，主要以计算和图示化显示数据的方式来辅助人决策。
即使没有屏幕（显示装置），在那些看不见的地方，在各种工业装备、高科技产品、生活器具和设施中的芯片里，软件都在默默无闻地履行着自己的使命。一旦软件出现任何逻辑瑕疵或被恶意篡改，往往就会表现为设备不正常甚至瘫痪。这类软件是“产品本身数字化”软件，也往往称为“嵌入式”软件，主要以把计算数据输出给设备控制器的方式来辅助机器的精准操作。
无论是嵌入式还是非嵌入式软件，它们都按照程序员的精心设计，基于人类千百年来在数学、物理、化学、生物等领域的知识精粹，农业、工业、服务业三大产业的知识传承，陆、海、空、天、赛五域中的各种制品的专业知识，以及在人群中流传的个人常识、经验、技巧和诀窍等，以巧妙的公式、精准的算法、最优的迭代过程，在计算机操作系统的协调下，让CPU中的门电路进行每秒几十亿、上百亿次的极速“开/关”，然后在显示设备上给出可视化的计算结果，或者同时把根据计算结果得出的最佳控制指令输入到机器设备的控制器中，精准地操作机器设备的运行。
这些以算法、推理规则及有关数据设定好的程序，是对人的思考过程的模仿、增强与超越式呈现，是对大自然客观规律在数字世界的精准刻画、优化迭代和孪生式复现。因此软件程序在芯片中的解释与执行过程，就如同人的大脑意识在神经元突触的作用下进行思考的过程，只不过是用电脑中的芯片代替了人脑中的神经元，芯片以更大的数据量、更快的速度、更高的维度、更复杂的约束条件、更逼真的场景进行了计算。
在软件定义作用下，近年来数字虚体飞速崛起，正在迅速地膨胀、互联和聚合。在过去的60年里，人们创造了无数的、大大小小的数字空间。它们彼此分立，互不归属，形态各异，形成了无数的数字化岛屿，制造了大量的信息碎片，反映在制造业信息化领域中，就是人们经常说的“信息孤岛”，或“千岛湖”“烟囱”式的信息集成。
过去几十年，基于因特网的社交/消费互联网已经把全世界的电脑、手机、平板等计算设备联接了起来，并且由此而联接了电脑背后的几十亿人，极大地促进了经济发展和社会繁荣。目前正在如火如荼发展的工业互联网/工业物联网（IIoT），也将会把所有的工业要素联接起来，让各个工业国家在现有基础上实现转型升级，以数字经济作为强大的引擎和前进动能，进一步促进全球的经济发展和社会繁荣。
以软件为代表的数字智能是人脑意识和认知能力在数字空间的延伸与发展。伴随着数字空间的膨胀和智能技术的演进，数字虚体与物理实体结合之后，不仅可以实现状态感知、实时分析、自主决策、精准执行，甚至也开始了自我学习提升，并且向着更加智能化的智能主体演进。
作者在《三体智能革命》一书中，首创提出了“三体智能模型”，用来表达三体之间的相互作用，如图1-2所示。图1-2 三体智能模型
三体世界彼此交汇出了三个界面：
·物理实体–意识人体系统（Physical-Conscious System，PCS）界面；
·意识人体–数字虚体系统（Conscious-Cyber System，CCS）界面；
·数字虚体–物理实体系统（Cyber-Physical System，CPS）界面。
由此，而发生了两个大循环和三个小循环：
1）外圈大循环：物理实体→意识人体→数字虚体→物理实体，一直发生着知识积累、知识建模、知识驱动的三种作用。外循环反映了认知世界变化规律，知识是实现智能的关键要素。
2）内圈大循环：物理实体→数字虚体→意识人体→物理实体，一直发生着反馈演化、学习进化、创新优化三种作用。内循环反映了三体世界的变化规律，变化是客观世界的根本状态。
3）物理实体↔意识人体小循环：人脑认知物理实体，积累知识促进创新优化；创新优化产生更多的新知识，促进、强化了知识积累过程。
4）意识人体↔数字虚体小循环：人脑与电脑相互认知，意识活动由知识建模进入数字虚体；比特化知识模块对接脑机接口，实现人脑知识增容。
5）数字虚体↔物理实体小循环：电脑认知物理实体，数字化知识驱动物理实体精准动作；物理实体在数字虚体中建立数字孪生映像，记录并反馈其演化进程；更重要的是，数字虚体与物理实体互联互通互控，形成CPS（赛博物理系统）。
两个大循环是知识发生和知识流动的基本路径；三个小循环是两体之间发生认知的基本过程。三个大循环和两个小循环作为基本相互作用，以人类知识进入数字虚体作为基本内容，以数字虚体作为软件定义的基本内涵，强调今天的软件与传统的软件所不同的“闭环”特征——以软件定义的比特数据流精准地控制机器设备的形态和材料的微观结构——是贯穿本书的核心内容。今天的软件不再仅仅以辅助人类决策的身份出现，而是以自主的方式，超越人体/人脑，直接驱动物理设备运行。工业软件 重新释义
前文提到的“软件定义”，是不带有任何工业要素的、纯粹IT概念的定义，显然，这样去定义“软件定义”并不完全符合工业软件的真实含义，也无法确切描述工业软件所形成的软件定义的真实内涵。因此，工业界必须与时俱进，给出自己的工业软件定义。首先，从对工业的准确认识谈起。
工业（Industry）是指采集原料，并把它们加工成产品的工作和过程。关于工业的分类是一个比较复杂的过程。大致上，可以按照产品体量分为重工业、轻工业。在国家统计局编制的《中国统计年鉴》中对重工业（含化工）的定义是：为国民经济各部门提供物质技术基础的主要生产资料的工业。对轻工业的定义是：主要提供生活消费品和制作手工工具的工业。当然也可以在重工业中把化学工业分出来，变成重、化、轻的划分。甚至，在工业革命不断发展的前提下，包含了信息技术、生物技术、新材料技术的“高新工业”，也已经登堂入室，成为工业中的重要组成部分。但目前还没有在官方文件中看到这个新划分。
无论是传统的“重/轻、重/化/轻”，还是未来的“重/化/轻/高”，都可以说以相对简单的方式，明确了工业范畴与内涵的划分，并有了一个基本范畴。至于不同范畴工业要素之间的交叉与融合，则可以暂不讨论，让工业本身的发展、进化与创新，去给出最终结果。
在上述工业范畴划分中，重工业（含化工）包含了：采掘（伐）工业；原材料工业；能源工业；加工工业。如果把“提供生活消费品和制作手工工具”的轻工业也算作制造业的话，国内几个互联网“百科”都是这样定义制造业的：制造业是指机械工业时代对制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等），按照市场要求，通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的大型工具、工业品与生活消费产品的行业。
通过上述比较可以看出，在重工业（含化工）里有采掘（伐）工业、原材料工业和能源工业，而在制造业（含轻工）中通常不包括这三个工业领域。因此，整个工业的范畴至少包含了制造、采掘（伐）、原材料和能源四大行业，或者说，工业由制造、采掘（伐）、原材料和能源这四大行业组成。
制造业是工业的一个重要子集。工业不仅包含了制造业，也囊括了其他三大行业。如果讨论工业软件时，以“制造业信息化软件”来指代工业软件，显然是缺失了很多内容的。如CAD、CAE、CAM、CAT、CAPP等工具软件，PDM/PLM、ERP、MES、MRO等多种用途的管理软件，包括比较小众的计算机辅助测试（CAT）、计算机辅助创新（CAI）、逆向工程（RE）等软件，基本上都可划归为“制造业信息化软件”，并不完全代表“工业信息化软件”或“工业软件”，因为这些软件的用户大都是制造业用户。
综合考虑工业软件的范畴、运行环境、作用机理和未来发展潜力，有必要修正甚至重新定义工业软件。
作者认为：
从目的上来说，所有用于工业过程的软件都应该称作工业软件。不限于制造业，包括能源（水电、煤电、核电、风电、光伏、燃气等）、原材料、采掘等领域的软件都是工业软件。
从内容上来说，工业知识是工业软件的核心内容，工业软件是工业技术/知识的最佳容器。没有工业技术/知识的积累，就没有工业软件。因此工业技术软件化具有重要的历史和现实意义。
从运行环境上来说，工业软件并不是一个纯粹的二进制数字虚体，它必须生存、运行在芯片中，通过代码指示芯片做一系列开关操作，来控制电脑硬件（如显示器）发挥应有的作用。
从作用机理上来说，工业软件从“开环”发展到“闭环”，可以直接输出控制指令作用于物理系统，以真正两化融合的方式形成CPS，体现软件赋能之后的“机器智能”。
从装备结构上来说，工业软件已经是工业品的一部分，是工业装备中的“软装备”，有必要单独列装，并着重进行战略规划。如果说中国工业品硬装备生产门类已经是世界第一，但是在工业品软装备生产上，仍然技术落后，残缺不齐。
从产品价值上来说，工业软件大大提升了工业品价值。总体上，有内置软件的工业品比没有软件的附加值高，软件代码越多的工业品附加值越高，软件算法越好的工业品附加值越高。很多高端复杂工业品，一旦拿掉其中的软件，就会立即贬值或报废。
从发展潜力上说，软件是算法发展的沃土，算法是软件的一个深藏巨大潜力的变量。使用普通算法即普通软件，植入人工智能算法即人工智能软件。因此无论是智数制造（DM-Digital Manufacturing）、智巧制造（SM-Smart Manufacturing），还是基于新一代人工智能的智能制造（IM-Intelligent Manufacturing），其发展关键皆在于工业软件。
综上所述，工业软件是以工业知识为核心、以CPS形式运行、为工业品带来高附加值的、用于工业过程的所有软件的总称。
国外近几年也开始出现工业软件定义（techopedia）：“工业软件是一种可以帮助人们在工业规模上收集、操作和管理信息的应用程序、过程、方法和功能的集合。工业软件的使用者包括运营、制造、设计、建筑、采矿、纺织厂、化工、食品加工等行业用户及其服务提供商。”（Industrial software is a collection of application programs，processes，methods and functions that can aid in collection，manipulation and management of information on an industrial scale.Sectors that make use of industrial software include operations，manufacturing，designing，construction，mining，textile mills，chemicals，food processing and service providers.）
作者认为，上述定义在对工业范畴和基本作用的理解上与作者不谋而合，但比较而言，作者对工业软件的理解更深入和系统。关于上述工业软件定义中的内容，将在后续章节中展开论述。关于“定义”的定义与边界
本节既然探讨“定义”，首先要明确“定义”的定义。在国内互联网百科上，定义（Definition）一词，原指对事物做出的明确价值描述。该词经过反复重用与优化之后，“定义”的定义被确定为：对于一种事物的本质特征或一个概念的内涵和外延的确切而简要的说明。
维基百科的Definition定义：“A definition is a statement of the meaning of a term（a word，phrase，or other set of symbols）.Definitions can be classified into two large categories，intensional definitions（which try to give the essence of a term）and extensional definitions（which proceed by listing the objects that a term describes）.”（定义是术语（单词、短语或其他符号集）的含义的陈述。定义可分为两大类，内涵定义（试图给出一个术语的本质）和外延定义（通过列举术语描述的对象来进行）。）
以上“定义”的共性意思是：说明本质，给出内涵和列举外延。深入辨析 定义机理
在描述“定义”的定义之前，首先需要说明，“定义”一词既可以作为名词，也可以作为动词和形容词使用。词性区分对于理解软件定义是有意义的，从某种意义上说，“软件定义”这个术语本身在字面上就可能存在不同理解。
首先，从词义上来理解“软件定义制造”这个专用词组。在谈及“软件定义制造”时，首先要确认此处的软件是包含工业技术/知识、用于工业过程的软件，默认为工业软件。对于“软件定义制造”的理解，可以从“制造”的定义来展开。
制造是根据市场需求，按照一定的方式、方法，把原材料（制造资源）加工成用户满意的产品的过程。实现这一过程的行业叫作制造业。该定义中包含了三个关键词：
·制造资源，包括天然/人造材料、能量、信息、技术、知识、资金、人力、软件、芯片、网络、服务等所有有形与无形的资源。
·制造过程，必要且行之有效的方式、方法和工艺流程。
·制造对象（产品），是指用制造资源生产的、能满足人们某种需求的、能够供给市场并被人们使用和消费的任何制造结果，包括有形的物品，无形的服务、知识、观念，或它们的组合。
如果说“软件定义制造”，则其主要含义可以认为是：以工业软件来描述、约束、仿真、确定、集成、赋能、加速、放大、创新制造资源、制造过程和制造对象的一种新制造模式。
当“定义”一词作为名词理解时，具有以下的意思，如对“意义，价值，确切说明”的【描述】，对“概念，术语，名称”的【命名】，阐述“独特性，与众不同之处”的【属性】，界定“时，空，形，态”的【范畴】，解释“概念含义以及彼此关系”的【语义】等。按照维基百科定义，作者列举出“定义”的内涵和外延，如图1-3所示。
当“定义”一词作为动词理解时，意思会更丰富一些，如【控制、改变、替代、确定、测量、优化、放大、创新】“事物或物理实体的形与态”，【赋予】“事物发展前进的动能”等。如图1-4所示。例如，在动词为“确定”时，软件通过复杂的计算与逻辑推理，具有把不确定性数据（事物）变为确定性数据（事物）的能力。在动词语境下，控制、确定、优化、放大、赋予等含义的使用率较高。
当然，“定义”一词也可以作为形容词理解，可以给所有的动词后面加上一个“的”来理解即可。图1-3 “定义”作为名词理解图1-4 “定义”作为动词理解
梳理上述“定义”所具有的名词、动词、形容词的含义，可以看到“定义”所具有的内涵是很丰富的。在本书中，主要使用“定义”的动词含义，兼顾其名词含义。
作者用TRIZ发明方法论中对于“功能”界定的简明方式来分析软件定义的作用，即在一个“主语·谓语·宾语”齐全的语句中，去掉主语，保留主语发出的动作（谓语），然后把谓语和宾语放在一起，就形成了主语所具有的“功能”，即以“谓语·宾语”而形成一种典型的描述事物相互作用的功能。
当提到“软件定义某事物”的时候，显然，主语是软件，谓语是定义，宾语是被主语定义的对象“某事物”，因此，功能就是“定义·某事物”。在这里，软件定义的功能可以写作：“【控制、改变、替代、确定、测量、优化、放大、创新】·【事物或物理实体的形与态】”或“【赋予】·【事物发展前进的动能】”是需要优先考虑的内容。如果把宾语确定为“机器”或“制造（结果/过程/材料）”，那么“软件定义机器”或“软件定义制造”的意思就是“软件·【控制、改变、替代、确定、测量、优化、放大、创新】·【机器（形与态）】”，此处的宾语也可以替换成“【材料（形与态）】”，或者是“【制造（结果/过程/材料）】。”
以作者的调研与观察，软件所具有的“控制、改变、替代、确定、测量、优化、放大、创新”“制造（结果/过程/材料）”的现象，天天都在发生，已是普遍现象。芯片筑基 比特赋能
我们从软件程序运行上来理解“软件定义制造”。软件开发离不开各种以类似人类语言的格式和逻辑来编写程序的高级语言。不管软件是用哪种高级语言编写程序的，最终，这些程序语言都要被编译器转换成为“0、1”形式的机器指令来驱动芯片运算，编译器通常可以理解为从软件通向硬件的桥梁。
尽管软件在很多高校和科研单位都被作为一个相对独立的专业来研究，但是作者认为，单独研究软件容易脱离软件运行的硬件基础，容易脱离软件以决策和数据所控制的物理设备。因为软件从来就不是一个仅仅具有“计算”属性的器物，而是还具有更重要的“控制”属性的器物。
软件作为一种数据、信息、知识的高度融合的数字载体，必须生存、运行在芯片中。软件与芯片形成了共生关系。芯片的功能与性能约束了软件的运行速度和可以定义的“能力”，而软件的程序化指令不断驱动芯片中的门电路和场效应管做“开”“关”运行，因此软件从诞生之日起就具有驱动芯片的“准CPS”特征。
软件和芯片之间的关系也是微妙和不断变化调整的。过去，软件必须去适应芯片，要基于芯片的约束来开发软件；而今天往往是为了更好地运行软件，最大限度地发挥软件性能来设计芯片，即基于软件需求去研发芯片。
首先，芯片具有为软件“容身、计算、存储”的作用，软件具有为芯片“赋值、赋能”的作用。软件与芯片的各自优点综合匹配在一起，才能发挥最好的效益。软件与芯片共同构成了一个融合体，是一个“准CPS”，很难说谁“定义”了谁。但有两点显而易见：软件是芯片强大算力的作用对象，没有芯片强大算力的支持，软件很难发挥对物理实体的“赋能/赋智”作用；蕴含在软件中的人类知识是人造系统“智能”的源头，没有软件中的各种模型与算法知识的逻辑导引，芯片强大算力也失去了用武之地，同样无法形成对物理实体的“赋能/赋智”作用。软件和芯片的共生关系如图1-5所示。图1-5 软件与芯片的共生关系（图中1/0排列仅为示意）
其次，软件所产生的决策与数据对物理设备具有精确的控制作用。如图1-5所示，以CPU门电路中的场效应管为例，在软件数字指令驱动下，高电平（开/通电流）为1，低电平（关/断电流）为0，因此在该场效应管上不断以极速“开/关”的状态来进行计算，最终一组一组的门电路输出了一串一串经过计算后形成的“1/0”排列的二进制比特数据，这些比特数据可以用来驱动显示设备（如各种显示屏），也可以用来驱动物理设备中的控制器，让机器或产品精准运转，由此而体现出软件对芯片、外设、物理设备的控制性。
早期软件只在电脑上使用，硬件范围只包含一些显示、打印等外部设备，软件运行的结果只需要显示在硬件屏幕上，显示的可能是数据，也可能是曲线曲面，还可能是图像或声音，但是，这些计算结果并不要求形成“闭环”，只要能辅助人进行决策就可以了。而今天，硬件范畴已经扩展到所有与电脑联接的工业设备，软件运行的结果是要用来驱动物理设备的，是要与物理设备形成“闭环”的，即物理设备的每一个细微动作都被感知到，都要通过传感器反馈到软件中，软件根据物理设备“此时此刻”的工作场景进行计算，根据内嵌的机理模型或推理规则进行决策，给出物理设备下一步的最优化、最精准的动作指令。因此，软件和芯片，与工业设备之间的关系就变得实时、紧密，并且是丰富多彩了。
软件从驱动芯片运算、“软件+芯片”驱动计算机外设运行，发展到“软件+芯片”驱动工业物理设备运行，使得软件对物理设备的行为产生了强大的“定义”作用，形成了软件定义制造的基本内涵。研发生产 全面定义
工业软件的应用已经全面覆盖、细微渗透到了全寿期中的产品研发、生产、使用维护，甚至是报废等环节。为了说明这种覆盖与渗透的情况，作者以自行车上的一个结构非常简单的前轴零件为例，来说明在这个零件的设计生产过程中，都用到了哪几类软件，这些软件是如何定义前轴诸多制造要素的。
1）软件定义前轴的形状与结构：前轴是一根细长圆柱状零件，中间段光滑并直径略小，两端有螺纹，可以用尺寸定义其总长、直径和螺纹长度、螺距以及螺牙角度。用CAD软件定义的前轴及两端外螺纹如图1-6所示。图1-6 用CAD软件定义的前轴（北京华成经纬软件科技有限公司用tpCAD软件绘制）
2）软件定义零件装配关系：可用三维CAD软件画出与前轴有装配关系的其他零件的装配图，如图1-7所示；也可以同时给出手工绘制的二维装配图纸，如图1-8所示。中间从左到右贯通的6号零件就是前轴。利用装配图制作的分解图（也称爆炸图）可以清晰地描述多个零件之间的装配关系（次序、位置、姿态等）。图1-7 前轴三维CAD装配图（北京华成经纬软件科技有限公司用tpCAD软件绘制）图1-8 前轴的传统手工绘制装配图
3）软件定义力学仿真：根据前轴的实际应用场景和受力情况（简称工况），在用三维CAD建好的前轴模型上施加数字化的“载荷”，即给出这个轴的受力情况，是静载荷（一个60千克的人骑在车上不动）、还是动载荷（在骑行过程中急刹车）、还是冲击载荷（在坑洼沟坎路面上颠簸），前轴的设计强度是否满足给出的某种工况要求（总重300千克的人是否会压断前轴，或者会在骑行过程中颠断前轴），等等，都可以用CAE软件进行仿真计算。
如果一辆自行车上承载了类似杂技表演叠罗汉的多个人，那么前/后轴就会被施加上很大的载荷，而此时就要考验前轴在这种场景下的强度表现了。当分别施加了12kN、25kN和50kN（千牛顿，1牛顿=0.102公斤）载荷时前轴的力学表现情况（设定计算条件——杨氏模量为100GPa，抗拉强度为200MPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3，弹性极限为0.2%，断裂极限为25%），如图1-9所示。图1-9 不同载荷下前轴的强度和失效计算（用DELAB软件计算）
4）软件定义材料及特性：上述力学状态分析需要CAE软件里必须有较为完整的材料数据库，其实材料数据库也是软件模型。根据前轴设计中的选择，指定自行车前轴模型使用某种特定材料，于是就有了材料属性的模型，这样才可以做静力、动力、强度、疲劳、可靠性等内容的计算和仿真，有时甚至需要非常专业的材料非线性仿真分析软件和可靠性分析软件。某些情况下，需要专门开发某种材料来用于某种产品，这就有可能用到专业的材料分析软件。
如果前轴强度不满足工况（例如支撑300千克骑行者使用至少5年）要求，就必须要换一种强度更高的材料，至于用哪一类钢材，甚至用什么合金，包括是否需要反过来改动前轴的结构（如加粗直径）等，都需要用CAE软件做一定的计算，然后形成一个前轴的数字孪生体（参见第五章），在前轴数字孪生体上做完大量数字化试验之后，确保前轴可以一次做优，从而进入前轴的批量生产阶段。
5）软件定义工艺流程：自行车前轴的结构看似简单，但是其生产过程也涉及很多工艺内容。加工这样一个前轴的工艺过程并不复杂，但是该有的工艺程序一步也不能少。首先，把一根合格的金属棒料夹在车床上，根据图纸把中间段外圆车出来。然后，根据图纸要求车出两端的螺纹。如果螺纹要求不高的话，也可以用制造普通螺栓的方式去搓制螺纹（需要设计出搓制螺纹的搓丝牙板）。最终，给前轴做表面强化处理，让它成为一个合格的自行车零件，装配在自行车上正常使用。上述一系列工艺过程的制定，特别是在实际加工前的工艺仿真，可以使用计算机辅助工艺CAPP软件来进行设置和计算，最终给出最佳工艺过程。
6）软件定义刀具轨迹：例如用车床制作前轴的外螺纹，可以用CAM软件在数控车床上编制好数控代码，做好加工过程的刀具轨迹仿真并进行虚拟验证，检验工件（或刀具）转速、切入点、进给量等必要加工参数，确认走刀轨迹正确无误，不会撞刀和栽刀，才可以将验证后的G代码（数控程序指令）输入数控车床，进行实际加工。
7）软件定义产品检测：最后加工完成的前轴产品，还要使用检测设备进行检测，查看前轴所有的结构尺寸是否满足图纸上的尺寸及公差要求，螺纹的螺距、螺牙角度、螺纹长度是否符合要求，产品表面是否有瑕疵等。包括在试验台上给出静载荷或动载荷等苛刻试验条件，采集产品在检测中的试验数据，实际验证产品真实的性能和质量指标。检测过程可用CAT软件辅助完成。
8）软件定义使用维护：已经上市的产品，还要考虑如何进行定期的保养、维护与修理，例如，自行车前轴该何时保养、如何更换失效的零件、拆装的顺序和注意事项是什么、该向哪些合格的供应商订货或购买替换件等，都需要严格遵守产品维护手册或原厂规定的程序与标准。如果复杂产品疏于保养或者维护不当，或者使用了非指定供应商的替换产品，设备可能就会报废。复杂产品的维护可以在MRO软件辅助下完成。而且，在产品设计阶段就应该完成对产品使用维护的所有涉及要素的考虑。
9）软件定义数字孪生：最后形成的数字化虚拟前轴还要装到数字化虚拟自行车上去，做整个自行车的数字化装配分析，以及在数字化路面上、数字化的各种气象条件下，进行自行车骑行过程中的各种工况的数字动态仿真计算分析，包括预测该产品能用多长时间，物理产品消失后数字产品如何发展和管理等。这些分析会用到系统仿真软件、多物理场综合仿真软件，以及前面提到的多种软件等。
一个小小的自行车前轴，从产品设计、仿真、工艺设计、工艺仿真、编制数控车床加工的数控代码、成品检测等，都是基于包括材料特性和工艺属性的数字模型工作，并不断迭代生成新的数字模型（数字孪生）。
作者以一个自行车前轴为例，仅仅讲了该产品全寿期中几个阶段的部分内容，仅仅做自行车前轴数字化研制过程的某些仿真分析验证，就需要十几个工业软件和相关的材料数据库、环境数据库等才能完成。看得见的是产品的结构与表面，看不见的是产品的微观结构与材料属性，这才是产品研发能够展现真功夫的地方。如果是自行车整车的研发，或许就需要几十个乃至上百个工业软件，而复杂产品的研制过程，可能就需要数百个乃至几千个软件了。
可以说，在产品竞争白热化的今天，如果没有软件定义，复杂产品研制成功的概率几乎为零。正视局限 认清两面“软件定义制造”的作用与价值在于打破了原来以物理设备功能为核心的传统系统框架，在物理设备原有的功能基础上，把物理设备作为一种“平台”，通过丰富多彩的软件来对平台上的各种既有功能进行增加、放大、组合、管控、协调等操作，充分展现物理设备的功能性、灵活性、适应性、易扩展性、安全性、可管理性等，使得系统整体功能更强、价值更大、更趋于智能。
尽管本书的写作重点是“软件定义制造”，但是对其理性看待显得尤为重要。一方面，我们要充分认识到软件的巨大作用，另一方面，
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]