前 言

在最新的工程教育對(duì)于卓越工程師培養(yǎng)的要求重要一條在于“解決復(fù)雜問(wèn)題的能力”。這是因?yàn)楣こ虇?wèn)題天然就是復(fù)雜的，尤其對(duì)于高速高精度的復(fù)雜裝備而言，它是機(jī)電軟一體化的產(chǎn)品。而要解決復(fù)雜問(wèn)題，需要工程哲學(xué)的支撐，即，如何做到“化繁為簡(jiǎn)”。在最新的工程教育對(duì)于卓越工程師培養(yǎng)的要求重要一條在于“解決復(fù)雜問(wèn)題的能力”。這是因?yàn)楣こ虇?wèn)題天然就是復(fù)雜的，尤其對(duì)于高速高精度的復(fù)雜裝備而言，它是機(jī)電軟一體化的產(chǎn)品。而要解決復(fù)雜問(wèn)題，需要工程哲學(xué)的支撐，即，如何做到“化繁為簡(jiǎn)”。

在最新的工程教育對(duì)于卓越工程師培養(yǎng)的要求重要一條在于“解決復(fù)雜問(wèn)題的能力”。這是因?yàn)楣こ虇?wèn)題天然就是復(fù)雜的，尤其對(duì)于高速高精度的復(fù)雜裝備而言，它是機(jī)電軟一體化的產(chǎn)品。而要解決復(fù)雜問(wèn)題，需要工程哲學(xué)的支撐，即，如何做到“化繁為簡(jiǎn)”。

01

工程問(wèn)題的復(fù)雜性維度

工程問(wèn)題的復(fù)雜性是包括多個(gè)維度的，并非僅僅是技術(shù)的復(fù)雜性，至少可以歸結(jié)為如下三個(gè)方面：

首先，是在專業(yè)的復(fù)雜性，對(duì)于任何一個(gè)制造過(guò)程而言，必然涉及機(jī)械、電氣、工藝三個(gè)維度的復(fù)雜耦合關(guān)系，在每個(gè)問(wèn)題內(nèi)部又存在著耦合關(guān)系。而機(jī)械系統(tǒng)它的物理特性也會(huì)隨著速度的變化。踢足球的人大概心里有點(diǎn)概念，即，在低速時(shí)候，你帶球、傳切、過(guò)人、射門(mén)，其實(shí)都是可以玩出花活的。但是，一旦到了高速，就會(huì)變得復(fù)雜很多，因?yàn)?，需要超?jí)敏感的多維度感知能力，以及超強(qiáng)的算力、精準(zhǔn)的執(zhí)行。低速、低精度和高速高精度在制造中是完全不同的。

其次，工程問(wèn)題的復(fù)雜性在于經(jīng)濟(jì)性約束的考量，與科學(xué)的探索(Discovery)不同，尋找可能性，而工程則是要收斂到經(jīng)濟(jì)性的道路上，才有意義，這使得工程不但牽扯技術(shù)問(wèn)題，還牽扯整個(gè)工程過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性約束，以及工程決策的“取舍”問(wèn)題。

再次，工程問(wèn)題的復(fù)雜性在于其社會(huì)性，工程不僅是技術(shù)問(wèn)題，管理問(wèn)題，同樣工程過(guò)程還有其社會(huì)性、藝術(shù)性、倫理性的考慮，而這些又必須在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中予以考慮。

當(dāng)然，這些復(fù)雜問(wèn)題，可以分開(kāi)討論，本文僅討論其專業(yè)的復(fù)雜性如何化解的問(wèn)題，如何化繁為簡(jiǎn)。

02

化繁為簡(jiǎn)的普適性

笛卡爾在其著名的《方法論》(Discourse on the Method)揭示了科學(xué)研究與發(fā)明的普適方法，概括為四個(gè)步驟，

(1)不盲從，對(duì)命題有自己的判斷，確定有無(wú)可疑之處

(2)對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題，盡量分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的小問(wèn)題來(lái)研究，一個(gè)個(gè)分開(kāi)解決，這就是化繁為簡(jiǎn)，化整為零的思路

(3)按照先易后難，逐步解決

(4)解決了小問(wèn)題后，再綜合起來(lái)，看看是否徹底解決了原來(lái)的問(wèn)題。

作為科學(xué)方法論的基本思路，同樣適用于工程開(kāi)發(fā)，對(duì)于工程問(wèn)題，其實(shí)解決問(wèn)題的方法論是具有高度一致性的。科學(xué)不同在于“探索”，需要發(fā)散尋找新的規(guī)律，而工程則在于“收斂”，它要尋找最為經(jīng)濟(jì)的解決問(wèn)題的道路。

03

復(fù)雜系統(tǒng)只需簡(jiǎn)單規(guī)則

2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了復(fù)雜系統(tǒng)的研究者喬治·帕里西教授。幾年前，曾經(jīng)看過(guò)梅拉尼.米歇爾教授《復(fù)雜》一書(shū)，最近又看了她的《AI3.0》，覺(jué)得還都是值得一讀的好書(shū)。其中最早讀《復(fù)雜》”是一本非常有意思的 ，它給我最大的提示就是“復(fù)雜系統(tǒng)必須用簡(jiǎn)單方法解決”。無(wú)論是沙丁魚(yú)群的躲避鯊魚(yú)攻擊，或者蟻群的智慧涌現(xiàn)，還是螢火蟲(chóng)如何點(diǎn)亮，這些復(fù)雜復(fù)雜系統(tǒng)，如果依照觸發(fā)條件、流程則是一個(gè)需要通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)負(fù)載較大、響應(yīng)要求極高的計(jì)算過(guò)程，那么，而這就需要一個(gè)“超強(qiáng)大腦”存在于這個(gè)群體中，而事實(shí)上，這些群體卻并沒(méi)有中心節(jié)點(diǎn)，然后調(diào)度，而是利用非常簡(jiǎn)單的規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)群體智慧涌現(xiàn)。

在《復(fù)雜》一書(shū)中，談到了關(guān)于魚(yú)群被攻擊時(shí)的簡(jiǎn)單規(guī)則，并對(duì)其進(jìn)行了仿真。對(duì)于沙丁魚(yú)群受到大魚(yú)攻擊時(shí)，每個(gè)魚(yú)只需遵循“盯著前面一條魚(yú)，保持跟左右魚(yú)的距離”，這簡(jiǎn)單的兩條規(guī)則，魚(yú)群就可以躲避大型魚(yú)類的攻擊。其實(shí)，這就是基于簡(jiǎn)單規(guī)則的協(xié)作問(wèn)題，而今天制造業(yè)的問(wèn)題，其實(shí)，同樣是只能基于這樣的思路來(lái)解決問(wèn)題，否則，就會(huì)一定出現(xiàn)復(fù)雜到不可解析的程度。

04

建模的化繁為簡(jiǎn)

很多人對(duì)制造通常不是特別了解，“組合”、“可能性”的復(fù)雜性并未有直觀的理解，歧路亡羊的道理雖然直觀，但是，并沒(méi)有用數(shù)量來(lái)表述，究竟有多少種組合—復(fù)雜性的量級(jí)有多高?

如果一個(gè)輪胎按照連線、鋼絲排列、輪胎的面膠、三角膠、內(nèi)膠的類型變化，以及輪胎的尺寸規(guī)格、用途需求(防滑/高溫/重型)會(huì)產(chǎn)生超過(guò)10萬(wàn)種組合，而生產(chǎn)系統(tǒng)希望在不變產(chǎn)線的情況下，僅通過(guò)參數(shù)配置即可實(shí)現(xiàn)不同的生產(chǎn)，那就需要建一個(gè)模型，把參數(shù)引入，并形成內(nèi)在的邏輯關(guān)系。系統(tǒng)根據(jù)配置來(lái)為其調(diào)節(jié)三鼓成型機(jī)的材料收放卷參數(shù)、成型的邏輯順序與流程、以及材料所需的壓力、溫度等匹配參數(shù)—越是精益的產(chǎn)品，則牽扯更大維度的參數(shù)協(xié)調(diào)。

建模就是對(duì)這種關(guān)系進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，并把相互之間的關(guān)系用數(shù)學(xué)來(lái)表達(dá)，而數(shù)學(xué)上可以表達(dá)，才能在軟件上可以編寫(xiě)。因此，建模是要去建立一個(gè)制造過(guò)程相關(guān)性因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。當(dāng)然了，這種關(guān)系無(wú)法被完全描述—畢竟我們認(rèn)知的世界是有限。對(duì)于一些關(guān)系，只能按照線性擬合的方式來(lái)進(jìn)行表示，因?yàn)?，就本質(zhì)而言，世界是非線性的，線性區(qū)間僅在理想的物理?xiàng)l件下取值的—大概就清楚了為啥函數(shù)必須有定義域、值域的問(wèn)題。

有了模型，我們就可以輕松的用這個(gè)公式去計(jì)算，以獲得所需的輸出值，確定我們的有效性，但是，我們并不能計(jì)算由于輪胎磨損造成的公里數(shù)計(jì)算的偏差—因?yàn)椋瑸榱诉@個(gè)誤差所消耗的精力可能不值當(dāng)。因此，模型也是有邊界的，我們?cè)趯ふ铱梢员晃覀兝玫?、穩(wěn)定可控的區(qū)間。

05

測(cè)試驗(yàn)證，為了尋找可控的邊界

當(dāng)機(jī)器的速度從低速、低精度到高速高精度后，機(jī)械系統(tǒng)的模態(tài)發(fā)生變化，細(xì)微的變化都會(huì)帶來(lái)巨大的變化，這種變化之間的關(guān)系交織在一起，這種可能有線性關(guān)系，也可能是非線性的。而且，多個(gè)維度的變量交織造成了其復(fù)雜性。并且，缺乏有效的數(shù)學(xué)模型去描述它(已有的物理化學(xué)方程)，那么這個(gè)時(shí)候，就需要借助于測(cè)試驗(yàn)證的方法來(lái)尋找一個(gè)合適、可控的邊界、區(qū)間。使得系統(tǒng)處于可控狀態(tài)。

尋找可控的邊界以及曲線關(guān)系，本身并非是可被完全先驗(yàn)所預(yù)知的—畢竟，并非所有的公式的取值區(qū)間都可以被先驗(yàn)的確定。例如尋找摩擦力對(duì)于加速度的影響關(guān)系，在一個(gè)可控曲線內(nèi)，它的變化是可以被已有的公式描述的。我們需要尋找到這個(gè)區(qū)間，并利用這個(gè)區(qū)間的可控性來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

06

OPC UA -你以為它只是個(gè)通信?

D同學(xué)經(jīng)常和我探討OPC UA，說(shuō)實(shí)話，作為并不從事研發(fā)的人，我對(duì)OPC UA更多是發(fā)揮了“概念技能”去理解它。但是，從真實(shí)的開(kāi)發(fā)視角理解，則D同學(xué)深入的多。他認(rèn)為OPC UA非常重要的一個(gè)作用就是在系統(tǒng)性建模這個(gè)問(wèn)題上，其實(shí)，OPC UA為協(xié)作，在機(jī)器間，構(gòu)建了一個(gè)統(tǒng)一交互信息的規(guī)則與框架，然后，在這個(gè)接口的銜接下，對(duì)任務(wù)的編程變得簡(jiǎn)單，因?yàn)?，?fù)雜系統(tǒng)只需遵循簡(jiǎn)單規(guī)則，即，協(xié)作的機(jī)器之間，需要“邏輯”上的簡(jiǎn)單規(guī)則，然后，通過(guò)TSN的周期性數(shù)據(jù)采集與傳輸，就可以解決一個(gè)大系統(tǒng)的智能運(yùn)行問(wèn)題。

在一個(gè)制造工廠，可能會(huì)牽扯到復(fù)雜的機(jī)器間的協(xié)同問(wèn)題，但是，不同的設(shè)備其數(shù)據(jù)類型、格式、單位、屬性、存取、權(quán)限都會(huì)有不同，那么，需要有統(tǒng)一的規(guī)范接口來(lái)實(shí)現(xiàn)交互。當(dāng)我們?yōu)檫@些協(xié)作任務(wù)編寫(xiě)程序 時(shí)，就一定會(huì)出現(xiàn)事件和數(shù)據(jù)的調(diào)用問(wèn)題，那么，這個(gè)協(xié)同就必須有統(tǒng)一的規(guī)范，以降低為此而編寫(xiě)程序的工作量，僅調(diào)用結(jié)構(gòu)化封裝好的數(shù)據(jù)，就可以在他們之間建立以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的協(xié)作關(guān)系。通過(guò)信息的統(tǒng)一建模，使得整個(gè)復(fù)雜的過(guò)程被簡(jiǎn)化。

回到一個(gè)機(jī)器的控制任務(wù)循環(huán)，再去思考比機(jī)器更大的工廠循環(huán)，就明白OPC UA over TSN的作用了，這就給我們開(kāi)啟了一個(gè)上帝視角來(lái)看待工廠的連接，以及運(yùn)行。

07

輸送系統(tǒng)的化繁為簡(jiǎn)

在現(xiàn)實(shí)的離散組裝產(chǎn)線的生產(chǎn)過(guò)程中，也會(huì)遇到這樣的問(wèn)題，其實(shí)，這里存在著緩沖分配難題，即，Buffer Allocation Problem，生產(chǎn)中各個(gè)單元之間，一定會(huì)因?yàn)楦鱾€(gè)工站節(jié)拍的不同，造成Buffer中的零配件輸送和等待，當(dāng)這些節(jié)拍比較大的差別時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的效率就很難提高。

這不難理解，每個(gè)常年差旅習(xí)慣的人一定會(huì)深有感觸，實(shí)際上，花費(fèi)在路上和等待(飛機(jī)、出租車)的時(shí)間經(jīng)常大于實(shí)際的處理事務(wù)的時(shí)間。這就是為什么需要數(shù)字化—在線會(huì)議的原因，數(shù)字化就降低了這些非必要的時(shí)間，進(jìn)而來(lái)提高效率。

在一個(gè)變化的制造單元中，包括了幾種情況：(1)經(jīng)常需要頻繁的調(diào)整產(chǎn)線，工裝夾具的更換 (2).產(chǎn)品經(jīng)常變化，需要混線生產(chǎn)，(3).較大的產(chǎn)品調(diào)整，需要對(duì)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或大的改造。

Elon Musk提出了“Machine is Factory”，這是要將離散的制造產(chǎn)線變?yōu)橄窳鞒坦I(yè)的“裝置即工廠”的形式，以獲得連續(xù)生產(chǎn)的最大效率。

像貝加萊的ACOPOStrak、ACOPOS 6D就是為了解決上述這些問(wèn)題，它的功效就在于把復(fù)雜的生產(chǎn)問(wèn)題簡(jiǎn)化為離散的“配置”問(wèn)題，將傳統(tǒng)機(jī)械的復(fù)雜性降低為電磁效應(yīng)的可控性，當(dāng)實(shí)現(xiàn)電磁方式的輸送后，整個(gè)產(chǎn)線就可以被“編程”，這就使得產(chǎn)線成為了“可編程產(chǎn)線-Programable Line”，使得產(chǎn)線的靈活性，被邏輯、順序的編排來(lái)大幅簡(jiǎn)化。其實(shí)，在數(shù)學(xué)上也是“解耦”問(wèn)題，即，化繁為簡(jiǎn)。

ACOPOS 6D這樣的平面輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵性在于：

(1).解決連續(xù)性，通過(guò)In-Machine和Between Machine之間的物流輸送效率，提高生產(chǎn)連續(xù)性，使得Machine is Factory，這樣就能實(shí)現(xiàn)效率大幅提升。

(2).簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)：有很多運(yùn)動(dòng)，可以被軟件可控的輸送系統(tǒng)動(dòng)作所替代，它降低對(duì)非標(biāo)工裝的需求，同時(shí)也簡(jiǎn)化了原來(lái)的輸送流程。

08

數(shù)字孿生的化繁為簡(jiǎn)

復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜在于變化，并且，它是一種“動(dòng)態(tài)的”、“不確定性”、“非線性”的變化。對(duì)于傳統(tǒng)大規(guī)模生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，機(jī)理建模構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)就可以保持運(yùn)營(yíng)，只要讓這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，它就能不斷的通過(guò)規(guī)模來(lái)降低成本。但是，對(duì)于一個(gè)具有緊密耦合關(guān)系，且要實(shí)現(xiàn)“大規(guī)模定制化”的智能制造系統(tǒng)而言，它本身就蘊(yùn)含了多個(gè)維度的變化，除了機(jī)器本身的復(fù)雜性，連接后的耦合帶來(lái)的復(fù)雜性，以及動(dòng)態(tài)的市場(chǎng)變化帶來(lái)的復(fù)雜性，使得這個(gè)系統(tǒng)的控制、運(yùn)營(yíng)，具有非常大的變化。

它的復(fù)雜在于“變化”，無(wú)法用一個(gè)確定的策略來(lái)對(duì)待，那么，這個(gè)時(shí)候，就需要一個(gè)“框架”來(lái)把這個(gè)不確定性給收斂起來(lái)，降低不確定性。

數(shù)字孿生系統(tǒng)就像是“知行合一”的一個(gè)系統(tǒng)，要不斷的去感知、系統(tǒng)自身要去分析和判斷，并去執(zhí)行，以構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)的多級(jí)閉環(huán)，這個(gè)閉環(huán)在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)發(fā)生在設(shè)備上，在工廠級(jí)則發(fā)生在調(diào)度和策略上，在企業(yè)級(jí)則發(fā)生在生產(chǎn)、物流、制造、財(cái)務(wù)等系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)策略制定上。

數(shù)字孿生系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)來(lái)映射，并通過(guò)“知”和“行”的反復(fù)對(duì)比，通過(guò)數(shù)據(jù)建模方式，動(dòng)態(tài)的觀察運(yùn)行系統(tǒng)的規(guī)律，并形成新的知識(shí)，對(duì)這個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)影響質(zhì)量、成本、效率的相關(guān)性進(jìn)行分析，并不斷去收斂。

因此，數(shù)字孿生，把復(fù)雜、不確定問(wèn)題，通過(guò)一個(gè)可持續(xù)改進(jìn)的運(yùn)行機(jī)制給收斂，并穩(wěn)定下來(lái)，也是讓復(fù)雜的不確定的，變?yōu)楹?jiǎn)單的可復(fù)制的。

工程的問(wèn)題，最終還是需要通過(guò)“化繁為簡(jiǎn)”的哲學(xué)去解決，而在具體的每個(gè)細(xì)節(jié)上，同樣是以這個(gè)哲學(xué)來(lái)運(yùn)行。