控制软件产业化是数控产业化的关键 点击：1736 | 回复：23
发表于：2007-03-08 11:00:00
楼主
1．引言
数控系统是先进制造装备实现控制功能的核心部件。数控产业对于国家的工业现代化，乃至于国家经济安全和国防安全都具有超越其巨大经济价值的战略意义。“十一五”将是数控产业发展的战略机遇期。如何把握这一战略机遇期，实现数控产业的长足进步和发展，基于数控系统技术链条和产业条件，本文重点从软件产业化的角度，对推动数控系统产业化进行分析提出意见。
数控产业技术链条比较长，涉及机械、电子、自动化等许多领域。在数控产业化问题的技术分析中对相关技术都有许多精辟的论述，本文不再赘述。对于数控系统，从系统实现的角度可以分为硬件系统和软件系统两大组成部分。
数控系统的硬件部分核心是高效的运算平台和一组对控制设备（伺服驱动，I/O）接口。从这个角度看，数控硬件部分可以看作是一台工业计算机。从实际的数控系统硬件结构上分有PC架构的硬件系统，也有其他嵌入式处理其为核心（ARM、DSP）的为核心的硬件系统。近10年来，我国的工业电子产品的产业化水平有长足的进步，不论是工业控制电源，工业控制计算机主板，还是其他嵌入式设备的产业化水平都很高。我国有能力自主开发、制造高性能、高可靠性的通讯设备，是世界上最大的PC制造国和手机等移动通信设备的制造国。而上述产业支持条件对于支持数控产业的硬件产业化是完全没有问题。
数控系统的另一组成部分就是软件。数控系统技术方案中软件承载了数控系统的主要的运动控制、逻辑控制和人机交互的功能。在数控系统硬件趋同化的趋势下，数控系统软件正在成为系统中的重要价值构成部分。因此，软件产业化的问题日益成为数控系统产业化的关键。
2．数控软件产业化存在的问题
对于我国的数控产业而言，数控系统软件的产业化问题不是一两个高性能插补算法或某些高性能控制指标能否实现的技术问题，而是数控软件整体开发模式的问题。控制软件现有的开发模式存在的问题可以概括为：开发模式落后；技术手段落后；与应用脱节。
2.1 数控软件开发模式落后
以嵌入式软件为主要特征的数控软件开发模式落后。目前我国数控装置的供应商的起点都来自于某个方面数控系统核心技术的突破，由核心技术转化为产品，通过产品逐步滚动，逐步发展起来。因此，我国的数控产业规模都比较小，缺乏相关产业链的支撑。加上数控产品同质化导致的价格恶性竞争，产品利润率都处于较低水平，因此能够支持的软件开发团队规模也都非常有限。在非常有限的人力资源下，各厂商的开发团队尽可能保持小而全的开发体系，最终不可避免地陷入手工作坊式开发模式。由于技术开发源于某个技术关键点的突破，而缺乏系统地需求分析，没有很好的进行抽象和概念、逻辑设计，造成的结果是从旧的产品中提取不出一些有用的、共性的东西为后来的产品所使用。我们国内很多公司的产品很少具有连续性，往往是新的一个产品完全重起炉灶，和老的产品没有半点关系。这种开发模式下，软件功能完善程度，软件产品的可靠性，可持续发展能力都受到很大的局限。在整个产业发展过程中，低水平的重复研发的现象是比较普遍的，技术积累缓慢。我们目前的控制软件开发模式很难与国际知名数控厂商进行有效地竞争。
数控软件的开发模式当前我国社会其它领域的软件开发模式也存在较大的差距。当然由于数控软件的实时性要求、嵌入式特征以及面向特定制造工艺的特殊需求的分析，数控软件又具备较高的行业准入门槛，致使一般的软件企业较难深入这一领域。如何借鉴软件产业发展已经取得经验，为数控产业改进软件开发模式中很重要的问题。
2.2 数控软件技术手段落后
低水平的重复研发不仅体现在开发模式上，还体现在数控软件的技术手段上。由于数控软件需求的特殊性，致使计算机技术领域的技术相数控软件开发领域渗透较慢。在软件技术领域，近10年来，在设计模式上和其他软件技术上都有许多重要的发展，例如从面向对象(OO)的系统分析设计方法正在向面向服务（SO）的系统分析设计方法演变。而在数控软件领域基本停留在结构化程序设计阶段，这些技术手段对于支撑更完善功能的控制器，更有效利用计算机硬件资源是不利的。在某些数控软件开发人员的意识中，系统地实时性已经成为回避先进程序设计方法的借口，而实际上体系结构上的计算任务调度瓶颈将更严重制约系统整体性能，而不是OO方法或SO方法。值得注意的是目前主流的嵌入式实时操作系统，乃至DSP的开发环境都已经全面支持OO的设计开发工具。因此，数控产业界必须正视这种技术手段落后的事实，并决心迎头赶上。
2.3 数控软件开发与应用脱节
数控产业软件开发的另一个重要的问题就是数控软件开发与应用脱节。首先从国产控制系统的功能层面上就可以看出，基本仅包含最通用的G代码功能，很少包含除典型数控车床和数控铣床外的其他设备特征的功能。目前国产数控软件大多存在工艺较差的问题。很少有系统能够很好地支持加工中心应用。磨削装备的数控产品基本空白。面向机床调试的PLC调试功能和伺服调试和参数整定功能基本也是空白。而上述特征已经显性地体现在国外厂商的普及型系统中。作为数控软件，未能预见到可能的工艺需求，以及未能在体系结构中具备融合应用技术的接口，将成为数控软件产品的先天缺陷。因此，在数控系统软件的开发过程中如何有效地与应用技术结合，更好地满足应用需求是非常重要的问题。
3．实现数控软件产业化推进数控系统产业化
为了支持我国数控产业的振兴，推进数控产业化，提升我国装备制造业的核心竞争力，针对当前数控产业数控系统软件开发存在的问题，应当从以下三个方面需求突破，促进数控软件的产业化：管理模式开放化；技术方法工程化；领域构架标准化。
3.1管理模式开放化
数控技术的相关技术链比较长，涉及包含机械、电子、自动控制等诸多技术领域；而另一方面，我国的数控制造商都属于中小型企业，大多不具备完整而强大的技术链和产业链的支持。因此，集中产业的合力，突破产业的共性问题，是实现产业立足于中国市场，与国际垄断控制器制造商竞争的必由之路。在政府的引导下，基于开放管理模式的，技术成果共享机制的，由数控企业、用户企业和科研机构依据现代企业制度组成的研究实体是值得深入探索的技术创新模式。在开放的管理模式下，借鉴其他行业成功的软件工程化方法和技术，包括管理经验和开发模式，有助于加速提升数控软件行业水平。
3.2 技术方法工程化
在提升产业发展水平的问题上，应当强化工程化技术水平，而不是寻求某一项或某几项关键技术的突破。我国的数控技术领域不乏经过科技鉴定和评奖的科技成果，但这些成果远不能支撑数控产业。从产业的角度，数控产业的工程化技术能力的培育，远比关键技术的突破更重要，也是未来关键技术突破及技术的产业化应用的重要支持。对于数控产业软件工程化技术能力与其他行业的软件工程化技术是基本相同的，核心目的就是要用工程化方法构建和维护有效的、实用的和高质量的控制软件。这些技术包括：面向数控领域的需求分析技术，系统建模和体系结构设计，系统模型的分解和详细设计，程序设计，软件测试技术。除了通用的软件工程化的技术外，还有些具有实时嵌入式技术特征的工程化技术，例如嵌入式软件的测试技术，以及运动控制和逻辑控制软件性能测试与评价技术等。
3.3领域构架标准化
由于数控自动化装备的多样性，新型的制造装备随着制造工艺的革新不断涌现。为了保证数控软件产品的在较长的生命周期中的适用性，最大限度地避免低水平的重复开发，支持控制技术的积累，能够被全行业广泛认同的，面向领域解决方案的数控软件架构的开发，应当在整个研发工作中处于重要的位置。具有明晰接口，支持的松耦合功能组件互联应当是该构架的重要技术特征，因为只有基于上述特征才能保证这项基础研发工作成果能够被众多控制器厂商共享，并作为基础支持他们各自的开发工作。只有支持松耦合功能组件的架构，才能够使数控企业间的技术合作成为可能。并且有关开发成果应当通过标准化工作加以固化。
4．结语
通过上述几个方面的努力，我国数控产业的软件技术水平和工程化能力一定能够得到有效的发展。从发展的角度看，数控系统软件正在成为数控产品中的功能主要载体，而且也正在向数控产品的利润主体转化。随着数控产业的充分发展，数控软件将从数控产品的组成部分，向制造业增值服务领域渗透，包括特殊装备的特殊控制功能组件、包括信息集成服务，远程设备维护服务等等。我国的数控产业与发达国家相比还是处于幼稚的发展阶段，特别是其中的软件技术部分。而软件的生产是决定于程序员的智慧和管理者得智慧。如果我们能够在数控技术相关的知识链，通过科学地组织和管理，科学地借鉴其他产业软件工程化的经验，我们是有机会在数控产业软件领域追赶发达工业国家水平的。
数控系统是先进制造装备实现控制功能的核心部件。数控产业对于国家的工业现代化，乃至于国家经济安全和国防安全都具有超越其巨大经济价值的战略意义。“十一五”将是数控产业发展的战略机遇期。如何把握这一战略机遇期，实现数控产业的长足进步和发展，基于数控系统技术链条和产业条件，本文重点从软件产业化的角度，对推动数控系统产业化进行分析提出意见。
数控产业技术链条比较长，涉及机械、电子、自动化等许多领域。在数控产业化问题的技术分析中对相关技术都有许多精辟的论述，本文不再赘述。对于数控系统，从系统实现的角度可以分为硬件系统和软件系统两大组成部分。
数控系统的硬件部分核心是高效的运算平台和一组对控制设备（伺服驱动，I/O）接口。从这个角度看，数控硬件部分可以看作是一台工业计算机。从实际的数控系统硬件结构上分有PC架构的硬件系统，也有其他嵌入式处理其为核心（ARM、DSP）的为核心的硬件系统。近10年来，我国的工业电子产品的产业化水平有长足的进步，不论是工业控制电源，工业控制计算机主板，还是其他嵌入式设备的产业化水平都很高。我国有能力自主开发、制造高性能、高可靠性的通讯设备，是世界上最大的PC制造国和手机等移动通信设备的制造国。而上述产业支持条件对于支持数控产业的硬件产业化是完全没有问题。
数控系统的另一组成部分就是软件。数控系统技术方案中软件承载了数控系统的主要的运动控制、逻辑控制和人机交互的功能。在数控系统硬件趋同化的趋势下，数控系统软件正在成为系统中的重要价值构成部分。因此，软件产业化的问题日益成为数控系统产业化的关键。
2．数控软件产业化存在的问题
对于我国的数控产业而言，数控系统软件的产业化问题不是一两个高性能插补算法或某些高性能控制指标能否实现的技术问题，而是数控软件整体开发模式的问题。控制软件现有的开发模式存在的问题可以概括为：开发模式落后；技术手段落后；与应用脱节。
2.1 数控软件开发模式落后
以嵌入式软件为主要特征的数控软件开发模式落后。目前我国数控装置的供应商的起点都来自于某个方面数控系统核心技术的突破，由核心技术转化为产品，通过产品逐步滚动，逐步发展起来。因此，我国的数控产业规模都比较小，缺乏相关产业链的支撑。加上数控产品同质化导致的价格恶性竞争，产品利润率都处于较低水平，因此能够支持的软件开发团队规模也都非常有限。在非常有限的人力资源下，各厂商的开发团队尽可能保持小而全的开发体系，最终不可避免地陷入手工作坊式开发模式。由于技术开发源于某个技术关键点的突破，而缺乏系统地需求分析，没有很好的进行抽象和概念、逻辑设计，造成的结果是从旧的产品中提取不出一些有用的、共性的东西为后来的产品所使用。我们国内很多公司的产品很少具有连续性，往往是新的一个产品完全重起炉灶，和老的产品没有半点关系。这种开发模式下，软件功能完善程度，软件产品的可靠性，可持续发展能力都受到很大的局限。在整个产业发展过程中，低水平的重复研发的现象是比较普遍的，技术积累缓慢。我们目前的控制软件开发模式很难与国际知名数控厂商进行有效地竞争。
数控软件的开发模式当前我国社会其它领域的软件开发模式也存在较大的差距。当然由于数控软件的实时性要求、嵌入式特征以及面向特定制造工艺的特殊需求的分析，数控软件又具备较高的行业准入门槛，致使一般的软件企业较难深入这一领域。如何借鉴软件产业发展已经取得经验，为数控产业改进软件开发模式中很重要的问题。
2.2 数控软件技术手段落后
低水平的重复研发不仅体现在开发模式上，还体现在数控软件的技术手段上。由于数控软件需求的特殊性，致使计算机技术领域的技术相数控软件开发领域渗透较慢。在软件技术领域，近10年来，在设计模式上和其他软件技术上都有许多重要的发展，例如从面向对象(OO)的系统分析设计方法正在向面向服务（SO）的系统分析设计方法演变。而在数控软件领域基本停留在结构化程序设计阶段，这些技术手段对于支撑更完善功能的控制器，更有效利用计算机硬件资源是不利的。在某些数控软件开发人员的意识中，系统地实时性已经成为回避先进程序设计方法的借口，而实际上体系结构上的计算任务调度瓶颈将更严重制约系统整体性能，而不是OO方法或SO方法。值得注意的是目前主流的嵌入式实时操作系统，乃至DSP的开发环境都已经全面支持OO的设计开发工具。因此，数控产业界必须正视这种技术手段落后的事实，并决心迎头赶上。
2.3 数控软件开发与应用脱节
数控产业软件开发的另一个重要的问题就是数控软件开发与应用脱节。首先从国产控制系统的功能层面上就可以看出，基本仅包含最通用的G代码功能，很少包含除典型数控车床和数控铣床外的其他设备特征的功能。目前国产数控软件大多存在工艺较差的问题。很少有系统能够很好地支持加工中心应用。磨削装备的数控产品基本空白。面向机床调试的PLC调试功能和伺服调试和参数整定功能基本也是空白。而上述特征已经显性地体现在国外厂商的普及型系统中。作为数控软件，未能预见到可能的工艺需求，以及未能在体系结构中具备融合应用技术的接口，将成为数控软件产品的先天缺陷。因此，在数控系统软件的开发过程中如何有效地与应用技术结合，更好地满足应用需求是非常重要的问题。
3．实现数控软件产业化推进数控系统产业化
为了支持我国数控产业的振兴，推进数控产业化，提升我国装备制造业的核心竞争力，针对当前数控产业数控系统软件开发存在的问题，应当从以下三个方面需求突破，促进数控软件的产业化：管理模式开放化；技术方法工程化；领域构架标准化。
3.1管理模式开放化
数控技术的相关技术链比较长，涉及包含机械、电子、自动控制等诸多技术领域；而另一方面，我国的数控制造商都属于中小型企业，大多不具备完整而强大的技术链和产业链的支持。因此，集中产业的合力，突破产业的共性问题，是实现产业立足于中国市场，与国际垄断控制器制造商竞争的必由之路。在政府的引导下，基于开放管理模式的，技术成果共享机制的，由数控企业、用户企业和科研机构依据现代企业制度组成的研究实体是值得深入探索的技术创新模式。在开放的管理模式下，借鉴其他行业成功的软件工程化方法和技术，包括管理经验和开发模式，有助于加速提升数控软件行业水平。
3.2 技术方法工程化
在提升产业发展水平的问题上，应当强化工程化技术水平，而不是寻求某一项或某几项关键技术的突破。我国的数控技术领域不乏经过科技鉴定和评奖的科技成果，但这些成果远不能支撑数控产业。从产业的角度，数控产业的工程化技术能力的培育，远比关键技术的突破更重要，也是未来关键技术突破及技术的产业化应用的重要支持。对于数控产业软件工程化技术能力与其他行业的软件工程化技术是基本相同的，核心目的就是要用工程化方法构建和维护有效的、实用的和高质量的控制软件。这些技术包括：面向数控领域的需求分析技术，系统建模和体系结构设计，系统模型的分解和详细设计，程序设计，软件测试技术。除了通用的软件工程化的技术外，还有些具有实时嵌入式技术特征的工程化技术，例如嵌入式软件的测试技术，以及运动控制和逻辑控制软件性能测试与评价技术等。
3.3领域构架标准化
由于数控自动化装备的多样性，新型的制造装备随着制造工艺的革新不断涌现。为了保证数控软件产品的在较长的生命周期中的适用性，最大限度地避免低水平的重复开发，支持控制技术的积累，能够被全行业广泛认同的，面向领域解决方案的数控软件架构的开发，应当在整个研发工作中处于重要的位置。具有明晰接口，支持的松耦合功能组件互联应当是该构架的重要技术特征，因为只有基于上述特征才能保证这项基础研发工作成果能够被众多控制器厂商共享，并作为基础支持他们各自的开发工作。只有支持松耦合功能组件的架构，才能够使数控企业间的技术合作成为可能。并且有关开发成果应当通过标准化工作加以固化。
4．结语
通过上述几个方面的努力，我国数控产业的软件技术水平和工程化能力一定能够得到有效的发展。从发展的角度看，数控系统软件正在成为数控产品中的功能主要载体，而且也正在向数控产品的利润主体转化。随着数控产业的充分发展，数控软件将从数控产品的组成部分，向制造业增值服务领域渗透，包括特殊装备的特殊控制功能组件、包括信息集成服务，远程设备维护服务等等。我国的数控产业与发达国家相比还是处于幼稚的发展阶段，特别是其中的软件技术部分。而软件的生产是决定于程序员的智慧和管理者得智慧。如果我们能够在数控技术相关的知识链，通过科学地组织和管理，科学地借鉴其他产业软件工程化的经验，我们是有机会在数控产业软件领域追赶发达工业国家水平的。
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