概述
二十世紀最后三十年，應用軟件已經(jīng)是工業(yè)領域新產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的關鍵，因此成為創(chuàng)新的最重要動力。新千年伊始，信息技術成為工業(yè)產(chǎn)品本身的中心要素。在產(chǎn)品創(chuàng)新方面，內(nèi)置軟件的重要性已經(jīng)超越了機械要素。智能互聯(lián)產(chǎn)品通過互聯(lián)網(wǎng)和其他網(wǎng)絡不斷提高相互間的信息交換的能力。
智能互聯(lián)產(chǎn)品包含了安全保護、產(chǎn)品維修和其他功能的應用軟件。隨著這些服務和功能被廣泛采用，應用軟件的重要性相比產(chǎn)品本身的物理功能將有過之而無不及。例如：在不久的將來，一輛汽車與周圍汽車和環(huán)境的互動性能和汽車的駕駛性能同樣重要。
工業(yè)產(chǎn)品的特征發(fā)生了根本的變化，這種變化促使產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的方式、工具和流程也發(fā)生改變。上述領域也不得不向智能互聯(lián)的方向轉變，產(chǎn)品數(shù)據(jù)、客戶數(shù)據(jù)、公開的市場數(shù)據(jù)應該在整個價值鏈條中共享。共享數(shù)據(jù)的過程也是智能的，所有人不知不覺地就獲得了這些數(shù)據(jù)，無需特定IT系統(tǒng)給予專門的許可。但目前為止，工業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)大部分仍然是非互聯(lián)的產(chǎn)品，即包含極少軟件要素的產(chǎn)品。
智能互聯(lián)產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)最大的障礙包括：大學教育中產(chǎn)品開發(fā)專業(yè)獨立設置、工業(yè)各個專業(yè)領域的孤立、交易軟件和工程軟件的分隔以及各種應用軟件系統(tǒng)之間無法融合。要克服這些障礙仍然有很多工作需要完成。
根據(jù)上述分析，這些工作重點落在三個方面：
·智能和基于軟件的產(chǎn)品在產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)過程中需要跨領域的方法、模型、工具和流程。
·如果缺少系統(tǒng)生命周期管理（SysLM），既無法開發(fā)和生產(chǎn)智能互聯(lián)產(chǎn)品，也無法對這些產(chǎn)品快速調(diào)整以適應不斷變化的需求。
·如果不對產(chǎn)品早期的概念、功能和行為模型中的流程進行優(yōu)化和系統(tǒng)化，也不把這些流程和系統(tǒng)生命周期管理的解決方案聯(lián)系起來，那么復雜的智能互聯(lián)產(chǎn)品就無法唄整合到產(chǎn)品生命周期管理中。
1.引言：現(xiàn)狀
向智能互聯(lián)產(chǎn)品的轉變不可能獨一己之力就可以實現(xiàn)。科技、產(chǎn)業(yè)和工程領域已經(jīng)共同努力了一段時間，希望找到應對跨領域系統(tǒng)開發(fā)的方法和工具。德國科研方面就有很多例子，包括弗勞恩霍夫中心（Fraunhofer IPK）在Rainer Stark教授帶領下做的“基于模型的智能系統(tǒng)工程”研究，達姆施塔特工業(yè)大學（TU Darmstadt）的建筑數(shù)據(jù)處理研究所（DIK）在Reiner Ander教授帶領下做的“W-模型”嘗試，凱澤斯勞滕工業(yè)大學（TU Kaiserslautern）在Martin Eigner教授的帶領下提出“跨領域產(chǎn)品開發(fā)—基于模型的系統(tǒng)工程”的概念。在信息技術領域，慕尼黑工業(yè)大學（TU Munich）在Manfred Broy教授等人的領導下做的“基于軟件的汽車功能架構—要求和實施”。
產(chǎn)品系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)的流程鏈（如圖1）使用端對端的方法也不是新要求。2012年4月，就有題為《從整合的角度思考產(chǎn)品系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)—產(chǎn)品開發(fā)早期的模型構建和分析》的文章發(fā)表。
圖1 產(chǎn)品開發(fā)是產(chǎn)品生命周期的一部分
工程軟件開發(fā)者正致力于把軟件要素整合到產(chǎn)品生命周期的數(shù)據(jù)管理中。模仿各種物理功能的軟件已經(jīng)問世并且被整合到產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM）和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）中。
系統(tǒng)生命周期管理（SysLM）的獨到之處在于它把所有現(xiàn)有的流程、解決方案和工具按一定的方式聯(lián)系在一起，目的是取得商業(yè)上可持續(xù)的成功。只有從系統(tǒng)生命周期管理的角度才能看出要找到可持續(xù)的方法、模型和工具，我們還缺什么，換言之就是研究人員和產(chǎn)品制造商仍需努力的方面。也唯有從端對端系統(tǒng)生命周期管理的角度著眼，才能更好地設定未來對工程領域教育和培訓的要求。
系統(tǒng)生命周期管理不是對產(chǎn)品生命周期管理概念的延伸。系統(tǒng)生命周期管理的目標不是管理數(shù)據(jù)，而是對流程和組織的整體管理。這也意味著系統(tǒng)生命周期管理提出的新方法不再犯過去十年中過分強調(diào)IT工具的重要性的錯誤，而是賦予新IT工具更適當?shù)慕巧?/p>
系統(tǒng)生命周期管理最重要的目標是為各領域更好、更高效地合作創(chuàng)造前提，例如開發(fā)和生產(chǎn)領域的合作、制造商和客戶之間的合作、科研和產(chǎn)業(yè)之間的合作。
2.產(chǎn)品開發(fā)的數(shù)字化
產(chǎn)品開發(fā)的數(shù)字化最原始的做法是把計算機輔助設計（CAD）引入機械、電氣和電子科技領域。數(shù)字產(chǎn)品結構日益復雜推動業(yè)界采用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM）。在此基礎上，整個產(chǎn)品開發(fā)的流程都可以使用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。Frank-Lothar Krause教授認為，雖然產(chǎn)品開發(fā)結束后生產(chǎn)才開始，但產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理應該包括了生產(chǎn)、生產(chǎn)前準備以及產(chǎn)品開發(fā)三個方面。產(chǎn)品生命周期管理（PLM）是更高水平的概念，包括了對產(chǎn)品整個生命周期（包括在供應鏈上）的數(shù)據(jù)和工程流程的管理。
在20世紀80、90年代，工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)進入新紀元，標志是產(chǎn)品中出現(xiàn)了內(nèi)置軟件。應用生命周期管理（ALM）這一術語被普遍接受。
最近幾年，科研領域和部分大型工業(yè)企業(yè)開始一場爭論，探索在普通制造業(yè)中采用原本只有航空和軟件產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)工程領域才使用的方法。
其中一例就是上面提到的凱澤斯勞滕工業(yè)大學（TU Kaiserslautern）提出的“基于模型的系統(tǒng)工程”的方法（見圖2）。這種方法是對V-模型的擴充，左方代表根據(jù)特定領域模型公式和功能模仿打造的產(chǎn)品系統(tǒng)。同時，圖2也說明以產(chǎn)品生命周期管理（PLM）為主干，從整個系統(tǒng)生命周期的角度對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行管理的必要性。
“系統(tǒng)工程”只是嘗試解決現(xiàn)在產(chǎn)品跨領域問題的其中一種方法，大部分研究項目只針對系統(tǒng)開發(fā)的特定方面。
盡管在整個系統(tǒng)生命周期中實現(xiàn)端對端數(shù)據(jù)鏈管理有諸多障礙，但全球各種應用領域的數(shù)字工具已經(jīng)極大提高產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品本身的質(zhì)量。
圖2 基于模型的系統(tǒng)工程
3.生產(chǎn)和訂單流程的數(shù)字化。
在產(chǎn)品生產(chǎn)中，可編程邏輯控制器（PLC）的作用是把計算能力賦予生產(chǎn)設備。無需硬連線控制器的分程傳遞和防故障功能，可編輯邏輯控制器設備可以根據(jù)指定目的預編程。所有生產(chǎn)步驟都可以編程，包括系統(tǒng)規(guī)劃和開發(fā)、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)或設備用戶界面的設計（即人機界面HMI）、系統(tǒng)和控制器安全、故障診斷、安全保護機制、授權和維修，甚至控制中心都可以預編程。
20世紀80年代，機器和系統(tǒng)的控制元件以及控制器本身元件之間的信息交換都需要通過標準協(xié)議。現(xiàn)場總線（Fieldbus）對“哪個元件把什么信息傳遞到另外哪個元件”作了現(xiàn)場級的定義。因此，產(chǎn)業(yè)界在更多的標準中達成一致，這些標準協(xié)調(diào)生產(chǎn)級（車間級）和控制系統(tǒng)級（管理級）的溝通。現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以通過新一代自動化總線標準PROFINET（Process Field Network）整合，現(xiàn)場級的信息可以實時查詢。
然而，端對端的生產(chǎn)過程在過去是不可能實現(xiàn)的。一個系統(tǒng)下面的子系統(tǒng)由多個不同制造商提供，每個子系統(tǒng)聽命于各自的控制器，而這些控制器使用的語言都不一樣。
圖3 自動化金字塔
盡管數(shù)字化已經(jīng)極大地提高了生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量，但整合所有制造商所有生產(chǎn)流程的需求越來越迫切，并且應該被提上日程，否則僅僅優(yōu)化單個制造流程反而限制生產(chǎn)效率的提高。
為了從全局考慮，簡單地了解訂單和項目流程是有必要的。企業(yè)資源計劃（ERP）已經(jīng)成為很多企業(yè)的選擇。雖然通常企業(yè)只選擇上述其中一個系統(tǒng)，但30年過去了，還沒有看到交易系統(tǒng)與產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)系統(tǒng)有效的整合。物料清單（BOM）的討論中分歧最大的是哪個是“主導系統(tǒng)”：到底是產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM）還是企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）應該在物料清單中起主導作用。
4.系統(tǒng)需要“既簡單又復雜”。
從公司全局來看，大量軟件工具成為了系統(tǒng)的重要部分，同時使系統(tǒng)更復雜（見圖4）。產(chǎn)業(yè)界在討論“simplexity”，意思是“既簡單又復雜”，這個詞是由英文單詞“simplicity”（簡單）和“complexity”（復雜）人工合成，表達了產(chǎn)業(yè)界的目標是能夠把復雜的事情用簡單的方式處理。這個詞最早出現(xiàn)在去年德國科學與工程學院(acatach)“智能工程—跨領域產(chǎn)品開發(fā)”課題實驗室發(fā)表的一篇論文中，探討的是工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)領域的問題。在論文中提到：“產(chǎn)品和流程都要既簡單又復雜，市場決定了產(chǎn)品和流程具有復雜功能，但其解決方案必須做到降低產(chǎn)品內(nèi)部的復雜性……”。
圖4 工業(yè)IT系統(tǒng)的復雜性
這種理論也適用于跨領域系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)流程整體的思考。毫無疑問，跨領域系統(tǒng)和單個產(chǎn)品系統(tǒng)都將越來越復雜。
產(chǎn)業(yè)界需要熟悉智能互聯(lián)產(chǎn)品系統(tǒng)的高度專業(yè)的工程師和技工，還需要高度專業(yè)的數(shù)字開發(fā)和生產(chǎn)工具。現(xiàn)在缺少的是幫助工程師和技工掌握這些復雜的系統(tǒng)和系統(tǒng)下面的流程的方法。
如果仔細觀察一家制造商的戰(zhàn)略問題，就很容易發(fā)現(xiàn)完全沒有涉及端對端的方法（見圖5）。只有當公司能夠較早意識到市場需求的時候才能激發(fā)創(chuàng)新動力。目前各類公司不同部門之間的不斷更換的IT系統(tǒng)之間的互聯(lián)還沒有實現(xiàn)。
把這種需求轉化為成功的產(chǎn)品首先需要各類公司不同部門之間高度的互聯(lián)。按照現(xiàn)在的情況來看，仍然需要巨大的努力才能滿足上述需求。
圖5 戰(zhàn)略互聯(lián)
5.系統(tǒng)生命周期管理（SysLM）
上述提到的產(chǎn)品和流程的復雜性影響了整個生產(chǎn)和加工產(chǎn)業(yè)，無論公司大小都無一幸免。確實，很多部門和公司不同程度上都在尋求這個問題的解決方案，但到目前為止這類研究都沒有取得突破性的成功，其原因在于：
·過分依賴現(xiàn)有的生產(chǎn)流程、模型和組織架構。
·希望快速獲得回報，因此只解決最次要的問題。
根本原因是產(chǎn)業(yè)界的問題主要體現(xiàn)在公司運營層面，因此責任落在了開發(fā)、咨詢、生產(chǎn)、組織發(fā)展、銷售中某個部門的身上，只有這個部門對解決出現(xiàn)的問題有迫切需要。
但主要問題還是所有部門之間溝通、合作和協(xié)調(diào)不充分，因此公司最高管理層應該首先承擔起相關的責任。只有在這種情況下，才能進一步?jīng)Q定采取什么措施和步驟。（見圖6）
圖6 系統(tǒng)生命周期管理（SysLM）
現(xiàn)在，產(chǎn)業(yè)管理層和社會都沒有把上述問題放在優(yōu)先考慮的位置。可能因為歐洲產(chǎn)業(yè)的智能產(chǎn)品最近幾年在全球市場相當成功。但如果不解決各領域部門和流程之間缺少整合的問題，這種成功恐怕無法持久。目前西歐產(chǎn)業(yè)界的成功完全有賴于產(chǎn)業(yè)高度專業(yè)化以及擁有一流的科學家、工程師和技工。
退一步從中期來看，產(chǎn)業(yè)也需要新方法、模型、組織架構、流程和工具。
方法
傳統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)方法著眼于部門各自提高自身的專業(yè)化程度。而智能產(chǎn)品不同，提高部門專業(yè)化程度的同時必須要求該部門加強與其他部門的聯(lián)系，實現(xiàn)更好的合作。某個部門設計流程時要把上游、下游或平行部門的流程納入考慮范圍。
模型
在產(chǎn)業(yè)的很多領域，建立模型是提高流程效率以及增加流程質(zhì)量和安全性的重要方法。但是目前使用的很多模型只支持特定流程和工序，這些模型不適應跨領域產(chǎn)品開發(fā)或者整個流程鏈。
產(chǎn)業(yè)還需要采取下面實際的措施：
·把多個現(xiàn)有的模型有機地相互聯(lián)系起來。
·為產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)建立具有適當粒度的聯(lián)合數(shù)據(jù)模型。
·定義可以模仿產(chǎn)品和生產(chǎn)過程實際情況的模型，取代過時的硬件模具。
·建立允許端對端使用數(shù)據(jù)的模型，數(shù)據(jù)來自整個產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期。
組織架構和流程
現(xiàn)有的組織架構和流程為了實現(xiàn)特定領域的專業(yè)化而建立的，它們是建立在“產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)是高度獨立的封閉流程”的假設之上。但在智能互聯(lián)產(chǎn)品時代，這種假設不再成立。
即使現(xiàn)有的組織架構沒有妨礙產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展，這種組織架構在跨領域產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的端對端方法中也要做出妥協(xié)。部門之間的隔閡會逐漸消失，最終結果是建立這樣的組織架構：每個人都對系統(tǒng)生命周期管理承擔相應責任。
工具
目前產(chǎn)業(yè)界使用的工具是為支持普通的流程和工序設計的。這些工具，尤其是支持跨領域產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的IT工具僅僅處于雛形階段。
工具方面有三個問題：
·現(xiàn)有工具相互間交換信息的能力有待提高。
·缺少完成跨領域任務的工具。
·所有工具的操作都要最大限度地簡化，以便于工具之間的互聯(lián)和整合。
上面提到的我們正面臨的挑戰(zhàn)不可能短期內(nèi)解決。長期努力和投資，尤其是制造業(yè)方面的努力和投資是必需的。這些投資已經(jīng)換來了中期的回報，因為可以肯定，這些投資已經(jīng)幫助中歐產(chǎn)業(yè)界的產(chǎn)品保持甚至提高其在全球市場的領先地位。
落實系統(tǒng)生命周期管理（SysLM）的前提是人們對產(chǎn)業(yè)發(fā)展進行廣泛而深入的思考。思考不是針對產(chǎn)品某些零件，也不是針對流程中某些任務，而是把產(chǎn)品看作大系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，思考從產(chǎn)品概念到產(chǎn)品生命周期循環(huán)的端對端流程，這才是優(yōu)化的對象。
要實現(xiàn)系統(tǒng)生命周期管理的核心目標，必須進行深入研究。深入研究要求產(chǎn)業(yè)界和科研機構更緊密合作。無論是產(chǎn)業(yè)界和科研機構，還是德國政府，對智能互聯(lián)產(chǎn)品的關注與日俱增，明顯的例子就是2012年年初舉行的有關“工業(yè)4.0”的活動。
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本文標題：端對端戰(zhàn)略：系統(tǒng)生命周期管理（SysLM）
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