工业互联网导论（微课版）课件 模块5 工业软件与工业App

5.1工业软件制造业数字化转型的核心驱动力工业软件的定义与内涵工业软件是现代工业的“大脑”和“神经中枢”，贯穿于产品研发设计、生产制造、经营管理等各个环节，是实现工业自动化、信息化和智能化的关键支撑。研发设计产品创新的核心环节生产制造实现自动化与精益生产工程师使用工业软件进行设计分析5.1.1工业软件的发展历程从自动化到智能化的演进之路技术迭代的见证·生产力跃升的引擎·制造范式变革的关键发展历程起源和初级阶段（1950—1960年）批处理时代（1960—1970年）个人计算机时代（1980—1990年）互联网和移动时代（2000至今）工业软件成为现代工业三大支柱之一，其创新、研发、应用和普及已成为衡量一个国家制造业综合实力的重要标志之一。在工业应用需求牵引下，基础技术、计算机硬件、操作系统成为关键的技术驱动力量。5.1.2工业软件的定义与类型多元化的技术体系与应用场景贯穿工业全流程·覆盖研发设计/生产制造/运维服务等核心环节·工业数字化转型的关键支撑1.工业软件的定义

工控软件是工业控制领域的软件组件，狭义指工业控制软件，广义涵盖数据采集、人机界面、过程控制等功能模块，并延伸至工厂信息化管理集成。工业软件的形成与作用工业软件发展驱动力从工业软件发展历程和整个生命周期过程来看，将工业软件整个生命周期过程、核心技术基础等关键要素涵盖在定义中。工业软件的定义：1.工业软件的定义2.工业软件的类型

基于产品生命周期流程和工业软件应用范围的分类原则，工业软件可分为研发设计类、生产制造类、维修服务类、运行控制类、经营管理类，如图所示。在这五类工业软件中，每类工业软件都包含了权衡分析类。5.1.3研发设计类工业软件研发设计类工业软件CAD、CAE、EDA被称为工业软件领域的“三座大山”研发设计类（产品定义与设计）MBSECAD/EDACAE/CFDSDM/TDMPM接口设计与管理IDECAM/CAPPPDM/PLM需求管理权衡分析子类MDAO数学计算MBSE是当前阶段的热点，是推动“正向设计”的重要手段研发设计类软件以PDM/PLM为核心，涵盖CAD、CAE/CFD、EDA、CAM、CAPP、IDE、需求管理、SDM、TDM等软件。进入21世纪后，人们越来越强调系统工程和基于模型的系统工程（MBSE）以应对产品复杂度的增加，并将MBSE与PLM进行融合。研发设计类工业软件1.CAD软件（1）概述CAD（ComputerAidedDesign）——计算机辅助设计，指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作的工业软件。CAD软件已经被当作是一种巨大的生产力。（2）CAD软件主要作用CAD软件主要用来提高企业产品设计效率、优化产品设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计标准化等。（3）CAD软件发展从1957年帕特里克•汉瑞特博士开发的第一个商用CAM软件系统PRONTO，CAD软件发展至今已经60余年，如今，CAD软件已经广泛地应用在机械、电子、航天、化工、建筑等行业。研发设计类工业软件2.CAE/CFD软件（1）CAE/CFD软件概述

CAE（ComputerAidedEngineering）——计算机辅助工程：

CAE软件可作静态结构分析，动态分析；

研究线性、非线性问题；

分析结构（固体）、流体、电磁、温度等学科耦合问题。

CAE系统的核心思想是结构的离散化：

其基本过程是将形状复杂的连续体求解区域分解为有限的、形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限单元组合的等效组合体；

通过将连续体离散化，把求解连续体场变量问题（应力、位移、压力和温度等）简化为求解有限单元节点上的场变量值。研发设计类工业软件（2）CAE/CFD的主要作用与用途

CAE/CFD主要通过分析计算对设计结果进行虚拟验证，验证设计结果是否达到设计要求，其主要作用包括：

通过分析计算在产品投产或工程施工前预先发现潜在的问题；

尽可能多地模拟各种设计方案，进行方案选优，优化产品设计，降低材料消耗或成本，提升产品品质；

通过分析计算，减少物理样机试制和试验次数，减少产品设计迭代，缩短研制周期，降低研制成本；通过分析计算可以进行机械事故分析，查找事故原因。研发设计类工业软件3.EDA软件（1）EDA软件概述EDA（Electronicdesignautomation）——电子设计自动化，是指利用计算机辅助设计（CAD）软件，来完成超大规模集成电路（VLSI）芯片的功能设计、综合、验证、物理设计（包括布局、布线、版图、设计规则检查等）等流程的设计方式。（2）主要用途EDA基于大规模可编程器件，以计算机为工具，根据硬件描述语言HDL完成表达，实现对逻辑的编译化简、分割、布局、优化等目标。借助EDA技术，操作者可以通过利用软件来实现对硬件功能的一个描述，之后利用FPGA/CPLD才可得到最终设计结果。研发设计类工业软件4.MBSE——基于模型的系统工程

（1）MBSE概述①MBSE是一种基于模型的设计范式，是一种方法而不是软件，但这种范式需要一系列建模与仿真软件来支撑；②MBSE将产品设计从关注传统的物理域向前推进到逻辑域，从关注相关方需求开始，推动产品正向设计。研发设计类工业软件4.MBSE——基于模型的系统工程（2）MBSE的价值无二义性的需求描述，增进有关各方之间的沟通；在产品研发早期就对需求和设计进行验证和确认，减少遗漏与错误；

复杂的模型生态5.1.4其它类型工业软件其它类型工业软件1.生产制造类生产制造类工业软件是针对产品物理实现的应用，主要针对在产品生产现场将产品从抽象的描述转换成具体的产品。生产制造类软件以制造执行系统（MES）为核心，覆盖生产现场数据采集、监控等应用，包括：APS、DCS/FCS、SCADA等软件。生产制造类（产品实现）DCS/FCSSCADAAPSMESEMS其它类型工业软件2.维修服务类维修服务类工业软件是针对产品使用过程中的维修与服务的应用，用于增加用户使用产品方便性和运行有效性、降低用户使用总成本、提升产品美誉度、增加客户粘性，并改善产品设计与生产等。包括：交互式电子手册（InteractiveElectricalTechnicalManual，IETM）；维护、维修与大修（MaintenanceRepairandOverhaul，MRO）系统；健康管理（PrognosticsandHealthManagement，PHM）系统；远程维护。维修服务类MROPHM远程维护IETM其它类型工业软件3.嵌入式软件嵌入式软件是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置（IEEE）。

——嵌入式软件是将计算机硬件、软件以及各种机电附属装置结合起来形成的综合体，构成一个专门的装置，完成特定功能和任务。嵌入式软件工作在一个与外界发生交付并受到时间约束的环境中，在没有人工干预的情况下进行实时控制。其它类型工业软件4.经营管理类软件经营管理类工业软件是组织使能类软件，构建组织的公共能力，服务于组织的各项业务。经营管理类工业软件以企业资源计划（ERP）系统为核心，包括客户关系管理、供应链管理、人力资源管理、知识管理、质量管理等软件。经营管理类(组织使能）SCMCRMHRMEAMQMKMERPBI实际上还有其他许多专门针对工业生产和管理流程的软件。这些软件有助于提高生产效率、质量控制和生产过程的可视化和自动化程度，帮助企业在竞争激烈的市场中取得优势。小结其它类型工业软件谢谢大家！其它类型工业软件5.2工业APP工业互联网的核心应用载体目录CONTENTS定义与内涵明确工业APP的核心定义与价值内涵类型分类探讨工业APP的多样化应用类型开发流程深入了解工业APP的开发全流程总结与展望对工业APP未来发展进行总结与展望5.2.1工业APP的定义与内涵工业互联网的核心应用载体1.工业APP的定义工业APP（IndustrialApplication）是基于工业互联网平台，面向特定工业场景或业务需求开发的轻量化、模块化、可复用的软件应用。它通过整合工业技术、知识、经验与数据，以“软件即服务”（SaaS）或“移动应用”形式，为工业企业提供智能化解决方案。

场景化：聚焦具体工业环节，解决实际问题数据驱动：依赖实时数据，实现决策优化低代码/无代码：降低开发技术门槛，快速迭代跨平台兼容：适配多终端，支持灵活部署2.工业APP的内涵技术架构的融合性集成工业互联网、大数据、AI等技术，如AI+工业APP实现故障预测，数字孪生优化生产参数。知识沉淀的载体将工程师隐性知识转化为显性规则，嵌入软件逻辑，如焊接质量检测APP替代人工目检。业务模式的创新推动制造业从“产品中心”向“服务中心”转型，催生预测性维护、共享制造等新模式。工业APP作为工业互联网的核心应用载体，通过技术融合与场景化开发，覆盖了制造业生产、管理、服务全流程。其内涵主要包括：特定工业技术知识载体特定适应性小轻灵易操作可解耦/可重构依托平台集群化应用工业APP工业APP特征5.2.2工业APP的类型多元化应用场景1.按功能定位分类设备管理类APP：核心功能含设备监控、故障预警等。依托物联网与传感器技术，实现设备状态实时监控。生产控制类APP：聚焦生产调度与工艺优化。基于数字孪生与AI算法，实现动态排产与参数优化。供应链协同类APP：涵盖库存管理与物流跟踪。利用区块链与大数据，达成库存优化与物流可视化。聚焦核心·赋能智造·协同生态能源管理类APP：聚焦能耗监测、碳足迹追踪与节能优化，依托智能电表与碳排放模型，赋能能耗分析与碳管理。

质量管控类APP：通过计算机视觉与大数据分析，实现质量检测、追溯及SPC分析，适用于在线检测与全流程追溯场景。

运维服务类APP：利用AR/VR与远程协助技术，提供远程运维、知识库与工单管理，支持远程诊断与AR辅助维修。2.按技术架构分类云端部署型APP：聚焦需要大规模数据分析和远程协作的场景，数据存储与计算在云端完成，支持多用户并发访问与跨地域协同。

边缘计算型APP：适用于对实时性要求高的场景（如生产控制、设备故障预警），数据在本地设备或边缘服务器处理，减少云端依赖，提升响应速度。

混合架构型APP：应用于平衡实时性与数据安全性的场景（如能源管理、质量管控），结合云端与边缘计算优势，关键数据本地处理，非关键数据上传云端。提升效率·保障质量·优化服务3.按行业垂直分类离散制造业APP：典型应用于汽车、电子、机械、航空航天等行业。核心需求：个性化定制、柔性生产、质量追溯。

流程制造业APP：典型引用于化工、钢铁、能源、制药等行业。核心需求：工艺优化、能耗管理、安全监控。

高技术制造业AP：典型引用于半导体、光伏、新材料等行业。核心需求：精密控制、缺陷检测、研发协同。提升效率·保障质量·优化服务5.2.3工业APP的开发从知识到应用的转化1.工业APP通用开发流程核心理念：遵循“工业技术软件化”理念，将工业知识转化为可复用的软件资产，形成闭环开发体系。知识获取：收集工业技术知识并结构化处理组织建模：构建知识体系并进行模型化表达软件化：将模型转化为可复用的软件应用应用挖掘：场景化应用并持续挖掘数据价值图示：工业APP开发流程闭环2.基于微服务构建工业APP微服务架构是一种使用一套小服务来开发单个应用的方式，每个服务都有自己的进程，并使用轻量级机制通信，这些服务基于业务能力构建，并能够通过自动化部署机制来独立部署，而且这些服务可使用不同的编程语言和不同的数据存储技术，并保持最低限度的集中式管理。灵活高效：开发维护灵活，支持分布式执行快速构建：低代码组合组件，快速构建工业APP1）基于微服务的工业App开发基本过程针对工业领域技术知识的模型化、App化需求，掌握具体专业领域知识的工程技术人员，通过可视化低代码工业App开发工具开发基于微服务的工业App。基于微服务的工业APP开发遵循经典的MVC结构，各层职责明确，通过数据和事件交互支撑应用功能实现。Model层：承载核心数据模型，如产品数字模型、生产制造模型Control层：负责业务逻辑，组合微服务组件处理数据View层：提供可视化界面，将处理后的数据呈现给用户2）基于微服务的工业App开发框架3）.基于微服务构建工业App的模式

聚合器模式在一个页面上调用多个服务，浏览器充当聚合器。链式模式服务之间依次通信，对请求产生单个合并响应。共享数据模式服务共享数据存储，适用于单体应用向微服务过渡阶段。异步消息模式使用消息队列实现服务间的异步通信。数据来源：微服务架构设计指南数据来源：微服务架构设计指南基于微服务开发工业APP的典型模式链式微服务设计模式聚合器微服务设计模式共享数据微服务设计模式最常见模式工业APP的功能就体现在一个浏览器页面上对多个服务的调用；工业APP的浏览器页面冲到聚合器；使用轻量级REST机制公开每个服务对请求产生单个合并响应；自客户端的请求由某服务接收，该服务再与第二个服务通信，第二个服务又可以依次跟第三个服务通信，形成一条通信链路；所有服务可能使用同步HTTP请求/响应消息传递自治是设计原则之一；服务是全栈的且可控制所有组件；在单体应用到微服务架构的过渡阶段，可使用该设计模式；两个服务间存在强耦合是，可以共享缓存和数据库存储。异步消息微服务设计模式REST具有同步限制，易造成阻塞；该设计模式选用消息队列代替REST请求/响应。*聚合器微服务设计模式可以变种或扩展，如：代理微服务设计模式分支微服务设计模式4）针对非云化遗留系统的微服务化处理对于大量非云化的遗留系统，可通过API封装将其转化为微服务，如工业软件集成适配、管理软件集成适配等。过渡方案：通过API封装实现系统集成与适配存在局限：效率低、资源占用大，难支撑高并发遗留工业软件API封装成微服务工业软件集成适配微服务管理软件集成适配微服务工业设备链接适配微服务工业计算类微服务机理分析类微服务数据交换类微服务CAD、CAE、CFD、控制等工业软件的集成接口以微服务形式进行封装PDM、ERP、MES等管理软件的集成接口以微服务形式化进行封装工业网关、智能产品等数据采集和下发以微服务形式进行封装科学计算、材料、机、电、工艺等领域算法封装为微服务组件对XML、JSON、CSV、Log、EXCEL等格式文件，Oracle、MSSQLServer、MySQL、DB2、SQL-Lite、等关系型数据库，MangoDB、HBase、HDFS的非关系型数据库的数据抽取、装载微服务组件数据分类、聚类、回归、预测等领域的微服务组件控制、机械动力、电路电子、热力、流体等领域的机理分析类的微服务组件数据分析类微服务3．其他开发工业App的方式

在工程实践中，仍存在大量基于传统架构方式开发的工业App。

基于传统架构开发工业App，一般需要首先自上而下依据研制产品对象完成工业App体系规划，再围绕研制业务流程建模、知识建模、数据交互定义、工业软件集成组件开发、企业遗留信息系统集成组件开发等，完成工业App开发。

典型开发过程：业务逻辑定义特征定义交互界面定义数据交互定义总结与展望工业APP是工业互联网的核心应用，是技术融合、知识沉淀和模式创新的载体，正引领制造业数字化转型。发展趋势：开发向微服务、低代码演进，场景拓展挑战与机遇：面临技术融合等挑战，带来升级机遇未来展望：前景广阔，重塑工业体系价值感谢观看THANKSFORWATCHING5.3工业App与传统工业软件的关系解析工业软件的演进与未来目录工业App与传统工业软件的区别工业App与传统工业软件的联系工业App是传统工业软件的新形态总结与展望5.3.1工业App与传统工业软件的区别从架构、开发模式到应用场景的对比工业APP与传统工业软件的区别工业APP传统工业软件通常以工业技术知识作为核心基础科学、IT技术是核心开发以工程技术人员为主开发人员以基础科学工作者和IT人员为主多种部署方式通常本地化安装部署必须依托平台提供的技术引擎、资源、模型等完成开发与运行包含完整工业软件要素，如技术引擎、数据库等小轻灵，易操作体量巨大，操作使用复杂，需要具备某些专业领域知识才能使用可以多层次解耦可以分模块运行，不可多层级解耦只解决特定的具体的工业问题解决抽象层次的通用问题架构与部署模式的区别传统工业软件多为C/S架构，部署在本地服务器；工业App多为B/S架构，基于云平台部署，具有更高的灵活性和可扩展性。传统工业软件C/S架构，本地服务器部署工业AppB/S架构，云平台灵活部署云数据中心部署环境示意图开发模式与技术栈的区别传统工业软件开发周期长，技术栈相对固定；工业App开发周期短，采用敏捷开发模式，技术栈更加灵活多样，能够快速响应市场需求。传统工业软件周期长，技术栈相对固定工业App开发敏捷模式，快速响应需求敏捷开发流程示意图应用场景与用户群体的区别传统工业软件主要面向专业工程师，应用于特定的生产环节；工业App面向更广泛的用户群体，包括一线操作人员、管理人员等，应用场景更加灵活多样。传统工业软件面向专业工程师，特定环节工业App面向广泛用户，场景灵