软件架构–工业软件架构分析

1 工业软件概述

工业软件是工业技术和知识的程序化封装加粗样式,能够定义工业产品,控制生产设备,优化制造和管理流程,变革生产方式,提升全要素生产率,是现代工业的“灵魂”。
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2 工业软件分类

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3 工业软件产业图谱

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4 需要解决的问题

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5 国外工业软件产业发展分析

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6 发展趋势

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7 工业软件架构介绍

7.1 传统与新型架构碰撞与共存

传统架构

传统架构工业软件基于单机或局域网本地部署,遵从 ISA95 的五层体系,软件采用紧耦合单体化架构,软件功能颗粒度较大同时功能综合且强大。

新型架构

近几年,工业互联网发展迅猛。工业互联网平台上也出 现了一些诸如工业 APP 之类的新型工业软件。新型架构工业软件往往是基于 Web 或云端部署,从五层体系渐变为扁平化体系,松耦合多体化微服务架构,软件功能颗粒度较小同时功能简明或单一。

微服务介绍

目前部署在工业互联网平台上的工业 APP 或云架构软件,目前普遍采用了微服务架构。微服务是一种已经在 IT 领域存在多年的系统架构,但是用在工业 APP 或云架构软件中属于新应用。微服务有很多好处,每个微服务功能相对独 立,低耦合,易于实现系统功能的组件化和服务化,组件化 指独立出来的组件可以单独部署、维护和升级而不会影响到 其他组件,服务化指松耦合的以服务为中心的服务化架构。 组件化和服务化有利于提高软件系统的易维护性和促进软 件向云迁移。例如在云 CAD 软件中,诸如服务注册中心、应用服务器、调度服务器、建模服务器等可以用微服务实现 组件化和服务化。

微服务在工业软件应用的问题

  • 可能把经典架构下的简单问题复杂化,提高了系统设计与开发的难度
    但是在工业 APP 和云化软件的开发实践中,不少工业软件企业的架构师发现,微服务强调的功能独 立、低耦合,也有可能把经典架构下的简单问题复杂化,提高了系统设计与开发的难度:
    【一】是并不是所有的传统架构软件功能都能直接转化为微服务。例如在 CAD 的云化过程中,诸如投影、装配等算法可以用微服务,但是最基本的造型操作还不能用微服务;
    【二】是工业的业务过程是比较复杂的,例 如计划排程、生产执行、质量检验、仓储管理、物流执行、设备维护等这些服务没办法单独部署和运行,许多模块之间 存在双向的集成和协同,这与微服务之间尽量解耦、单向依 赖是有冲突的。因此,一味地强调全部使用微服务,有可能 又会增加系统复杂度,让服务调用关系变得错综复杂。有专 家称“微服务架构是一把双刃剑”。因此,在一个云架构软 件中,哪些功能用微服务,哪些暂不使用,怎样才能在用和 不用之间匹配出来最好的系统效率,是需要斟酌和平衡的问 题。

现状:以传统架构的工业软件为主,未来并存

仔细考察当今的工业软件市场,无论是传统架构还是新型架构的工业软件,都在扮演着极其重要的工业基础和工业 赋能器的作用,都是现阶段工业产品研发和生产不可或缺的 数字化生产要素。即使新型架构的软件在不断涌现,软件上 云是一个大趋势,但是从目前工业软件的基本格局来看,现 在担纲工业发展的工业软件,还是以传统架构的工业软件为 主。未来会逐渐进入到两种架构的工业软件长期并存的时 期。至于是否所有的工业软件全部进化到云端,要看具体的 应用场景、用户的需求,以及算法、算力、微服务架构等相 关技术的演进程度。

7.2 三足鼎立同时彼此交汇融合

  • 工业软件历史悠久,自成体系,在工业发展中处于“软装备”的地位,既是产品研发手段,也是产品中的“软零件”,至关重要,不可或缺。工业软件的可靠运行和良性发展,已经成为国家级的战略问题。
  • 嵌入式软件包括嵌入式操作系统、嵌入式应用软件、嵌入式支撑软件。对嵌入式软件的认识要从嵌入式系统谈起。参考美国 CMP Books 出版的Embedded Systems Dictionary 的中译本的定义:“嵌入式系统是一种计算机硬件和软件的组合,也许还有机械装置或其他部件,用于实现一个特定功能。”嵌入式系统往往是某个大系统或产品的一部分,例如汽车中的防抱死制动系统。每一个嵌入式系统至少有一个嵌入式微处理器(或微控制器), 运行在嵌入式微处理器中的软件就称为嵌入式软件,也称为固件(Firmware)。嵌入式软件特点是软件硬件可裁剪,对功能可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求。如今嵌入式软件已经无处不在。
  • 工业互联网平台由边缘层、IaaS 层、平台层、应用层组成。工业互联网平台本身,以及运行在其上 的工业APP,是新型架构的软件。因为工业互联网已经被国 家确定为“新基建”的内容之一,预计未来 5-10 年,工业互联网将会呈现爆发式的增长态势。
  • 工业软件、工业互联网平台(含 APP)和嵌入式软件共同服务于工业体系。鉴于此,如何正确描述、定位和区分上述三种软件异同,明确各自边界,实现合理分类,就显得极为重要了。本白皮书给出了一个“三足鼎立”式的三种软件的交集示意图,如图 2 所示。
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8 国内一些工业公司架构介绍

  • 安世亚太
    CAE软件PERA SIM基于插件架构
  • 北京世冠金洋科技发展有限公司
    装备设计与体系仿真一体化平台,特点是支持组件化架构技术,构建虚拟任务场景
  • 金航数码科技有限责任公司
    金航制造执行系统MES V6.0 基于微服务架构。
    基于模型驱动、低代码开发、组件化、开放性的设计思想,采用云原生(微服务、容器云、DevOps 等)技术架构。
  • 北京天拓智领科技有限公司
    天拓智领生产中控系统采用微服务架构,功能解耦,灵活组合,扩展性高。
  • 用友网络科技股份有限公司
    用友的 NC Cloud重构业务流程;采用云原生、中台化、简强架构的技术。
  • 浪潮通用软件有限公司
    浪潮PS Cloud由浪潮与欧洲知名开源ERP厂商Odoo合作研发,是Odoo在中国唯一的SaaS营销平台,采用云原生、容器化、分布式、微服务全新架构
  • 北京拓盛智联技术有限公司
    web 端彻底前后端分离;服务端使用 SpringCloud 技术栈实现微服务架构;
  • 唐山报春电子商务股份有限公司
    报春电商“云上钢铁”钢铁云电商平台使用MVC三层架构设计。
  • 北京索为系统技术股份有限公司
    仿真试验数据分析软件,该软件系统基于客户端/服务器模式实现,具备 C\\S+B\\S 两种架构。

参考

1、中国工业技术软件化产业联盟
2、《中国工业软件产业白皮书 ( 2020)》
3、 《中国工业软件产业白皮书(2020)解读》
4、中国工业软件–中国工业软件产业白皮书 ( 2020)<笔记>

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