CWPE2019：慧虹遠(yuǎn)航馮樂(lè)：工控系統(tǒng)工具鏈設(shè)計(jì)

 

　　以下為演講實(shí)錄：

 

　　我是慧虹遠(yuǎn)航的馮樂(lè)（音）。王鵬軍老師有事，由我代為分享我們團(tuán)隊(duì)在工業(yè)控制系統(tǒng)工具鏈設(shè)計(jì)的思考，我們是來(lái)自于清華大學(xué)電機(jī)團(tuán)隊(duì)，多年來(lái)服務(wù)于航空航天電機(jī)領(lǐng)域，在這塊積累了一些思考，今天跟大家進(jìn)行分享，期待在風(fēng)電行業(yè)碰撞出火花，如果講得不對(duì)的地方請(qǐng)各位見(jiàn)諒。

 

　　今天的內(nèi)容是有這么幾個(gè)方面，昨天老師和專(zhuān)家們講到風(fēng)電行業(yè)的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)和成果離不開(kāi)風(fēng)電工控系統(tǒng)的發(fā)展，昨天大家提到了海上風(fēng)電的問(wèn)題，如果提高海上風(fēng)電的問(wèn)題，如何應(yīng)對(duì)分布式風(fēng)電多元地理性的要求，以及保持研發(fā)成本是我們關(guān)注的事情。工欲善其事必先利其器，在工控領(lǐng)域是否有更好的軟件支撐。

 

　　先講一下這幾個(gè)工具在微子模型中的位置。微子模型是系統(tǒng)工程中經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)工程最早是服務(wù)于航空航天大型設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法論，整體涵蓋了從用戶(hù)的需求側(cè)到整體的功能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)以及整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)、集成測(cè)試和后續(xù)的運(yùn)行維護(hù)，我們這幾個(gè)工具，像Deliframe 服務(wù)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，DeliICD服務(wù)于系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)，DeliWorks支持軟件的研發(fā)和測(cè)試，而Delitest服務(wù)于整機(jī)的測(cè)試。

 

　　第一個(gè)Deliworks，可配置式應(yīng)用式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在設(shè)計(jì)大的測(cè)試系統(tǒng)過(guò)程中，系統(tǒng)工程告訴我們一個(gè)成功的型號(hào)一定是在上一個(gè)型號(hào)的基礎(chǔ)上加入上面本型號(hào)的適用性更改，這樣帶來(lái)安全性、成本、進(jìn)度、可靠性多方面的收益。但是現(xiàn)實(shí)情況下，一些系統(tǒng)的軟件基本上是處于重新開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，這是一種現(xiàn)狀。那么一個(gè)真正高可靠的工業(yè)控制系統(tǒng)，一定是要講究集成，即使是創(chuàng)新和發(fā)展也是在集成的前提下完成的。這是一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)的典型的情況，我們每個(gè)團(tuán)隊(duì)中多多少少都會(huì)遇到類(lèi)似于這樣的角色，像高手張三，糊涂的王麻子和普通的李四，在大的項(xiàng)目和重要的項(xiàng)目，我們會(huì)派一個(gè)頂級(jí)的工程師像高手張三接手，他拿到需求分析到位，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和常識(shí)考慮后期的維護(hù)性，確保合理的設(shè)計(jì)，做到以往代碼的大量繼承，以至于后續(xù)的供應(yīng)方的更改，能夠保證軟件的設(shè)計(jì)以及滿(mǎn)足其他的需求，由于種種原因，這個(gè)代碼可能會(huì)交給另外一位同事維護(hù)，迫于時(shí)間的壓力，比如說(shuō)糊涂的王麻子他是簡(jiǎn)單快上根本沒(méi)有進(jìn)行思考，導(dǎo)致后續(xù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，也不考慮集成，最后系統(tǒng)的發(fā)展和編寫(xiě)埋下了隱患。比較可悲的或者是不幸的是李四同學(xué)，因?yàn)榉N種壓力迫切接手進(jìn)度危機(jī)的軟件，由于前期需求分析不到位，短時(shí)間消化不了，然后形成了傳統(tǒng)說(shuō)的N代單傳的代碼，這樣的過(guò)程導(dǎo)致嚴(yán)重的時(shí)間浪費(fèi)和質(zhì)量的隱患，相信這樣的情況在很多的團(tuán)隊(duì)和很多領(lǐng)域都是存在的，它的本質(zhì)是什么？本質(zhì)是軟件開(kāi)發(fā)嚴(yán)重依賴(lài)于人的一個(gè)因素。一個(gè)好的方法或者是好的解決方案，它應(yīng)該最大程度地將人的不穩(wěn)定性因素降到最低。

 

　　Deliworks提出了一套思路和方法，本質(zhì)的核心是這樣的，由于之前是服務(wù)于航空航天領(lǐng)域，在這樣的行業(yè)中一般它是存在一個(gè)設(shè)計(jì)單位，我們叫總體單位，它有點(diǎn)像是提供整體的設(shè)計(jì)，這樣的單位它會(huì)提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，我們通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)抽象出一套規(guī)則，簡(jiǎn)而言之，我們將這套規(guī)則理解為一套一套的表格，那么這樣做的話(huà)，就把之前的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程中，將它轉(zhuǎn)換成去完善一個(gè)一個(gè)表格，這樣做的話(huà)我們會(huì)有一套配套的軟件叫DeliCreate，通過(guò)引導(dǎo)性操作告訴你第一步做什么，你的時(shí)延、有沒(méi)有冗余算法的支撐，通過(guò)這個(gè)描述生成邏輯文件，可以直接存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的。而DeliWorks加載這套表格應(yīng)用起來(lái)，無(wú)論表格填的是什么，都可以驅(qū)動(dòng)、解釋和應(yīng)用起來(lái)。對(duì)于不同的控制器肯定會(huì)存在差異的地方，將它進(jìn)一步地抽象轉(zhuǎn)化成算法的邏輯庫(kù)，整個(gè)過(guò)程中的編碼工作就會(huì)壓縮到對(duì)算法的軟件編碼過(guò)程中，另外一個(gè)差異的部分是技術(shù)驅(qū)動(dòng)，Deliworks提供標(biāo)準(zhǔn)的封裝接口，通過(guò)一定的封裝調(diào)用不同廠家的驅(qū)動(dòng)，整體這些加載到控制機(jī)和控制器當(dāng)中，就完成了系統(tǒng)控制的過(guò)程。

 

　　這是配置軟件的交互界面，整套軟件的輸入可以由介紹的DDICG導(dǎo)入，然后這是功能分析界面，整個(gè)過(guò)程是引導(dǎo)式和拖拽式的操作，通過(guò)引導(dǎo)和拖拽完成功能的設(shè)計(jì)。這些表格是剛才看到的信號(hào)的輸入以及功能的選擇。這是生成的邏輯描述文件的生成截面，這是靜態(tài)分析界面，當(dāng)我們完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中的話(huà)，這套軟件有能力將它展開(kāi)，分析每一個(gè)層級(jí)之間的關(guān)系，方便我們調(diào)整和優(yōu)化以及追溯問(wèn)題。這是生成的邏輯描述文件，Excel格式方便人們的解讀，Bin是加載當(dāng)中，可以調(diào)用。整個(gè)的設(shè)計(jì)完成，生成Bin文件最終放到計(jì)算機(jī)和控制器當(dāng)中，完成功能的實(shí)現(xiàn)。整個(gè)過(guò)程中全流程加入了校驗(yàn)防止低級(jí)錯(cuò)誤的產(chǎn)生。比如說(shuō)一個(gè)采集器10路的輸入，你不得不配成一路，這是流程中防止低級(jí)錯(cuò)誤的產(chǎn)生。

 

　　這是DeliWorks的行業(yè)支持包，目前可以在DSP、Linux平臺(tái)，然后服務(wù)于航空航天等領(lǐng)域，行業(yè)愿意和各企業(yè)合作，幫助各企業(yè)依據(jù)他的模型完成自身工程的建設(shè)。Deliworks簡(jiǎn)而言之是穩(wěn)定開(kāi)放的軟件架構(gòu)，另一個(gè)特點(diǎn)是減緩人力資源的壓力，我們知道一個(gè)好的工控系統(tǒng)一定是由行業(yè)專(zhuān)家設(shè)計(jì)的，而同時(shí)的話(huà)會(huì)要求行業(yè)專(zhuān)家具有一定的或者是很強(qiáng)的軟件編碼能力，這無(wú)形中提高了人力資源的成本，通過(guò)Deliworks讓行業(yè)專(zhuān)家專(zhuān)注于系統(tǒng)本身，整個(gè)只需要很小的團(tuán)隊(duì)來(lái)去維護(hù)這個(gè)算法知識(shí)庫(kù)就可以了。同時(shí)這套開(kāi)發(fā)流程有助于形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也方便后期對(duì)系統(tǒng)的功能優(yōu)化和擴(kuò)展。

 

　　第二個(gè)是Deliframe，控制系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)。其發(fā)展的背景是工業(yè)4.0。對(duì)于工業(yè)1.0關(guān)注的是工位，2.0是生產(chǎn)線(xiàn)，3.0關(guān)注的是企業(yè)的機(jī)械化管理，4.0關(guān)注的是價(jià)值鏈，它比較關(guān)注于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。我們縱觀中國(guó)的智能制造2025，德國(guó)的工業(yè)4.0，歐盟的CPS，以及美國(guó)的重返制造業(yè)。其本質(zhì)是打造下一代基于模型和智能制造的工具工業(yè)，涵蓋了從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)包括后續(xù)的交互、運(yùn)維等種種的過(guò)程。從我們來(lái)看下一代工業(yè)系統(tǒng)的核心已經(jīng)不單單基于產(chǎn)品的技術(shù)本身，而是設(shè)計(jì)的知識(shí)工具體系，換句話(huà)來(lái)說(shuō)就是一個(gè)企業(yè)、一個(gè)團(tuán)隊(duì)所具備的能力。而我們?cè)谡w的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，不可避免地會(huì)使用到各種各樣的軟件工具，這首先是由于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，導(dǎo)致我們不得不使用工具，另外是為了保證質(zhì)量的一致性。我們目前所有工具的工具軟件基本上是由國(guó)外的廠商提供的，比如說(shuō)達(dá)索、IBM和Math works，這些工具都面臨國(guó)產(chǎn)化的問(wèn)題。近年的貿(mào)易戰(zhàn)都讓我們知道我們國(guó)產(chǎn)的短板，講芯片、設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，軟件工具的國(guó)產(chǎn)化也需要我們重視。假如說(shuō)有一天真正打得不可開(kāi)交，所有的設(shè)計(jì)文件都打不開(kāi)了，甚至是比芯片的斷供比我們的影響更大。一個(gè)好的工具需要做到簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)做到低成本，一定的程度上去專(zhuān)家化，專(zhuān)家對(duì)我們團(tuán)隊(duì)很重要，但是過(guò)分依賴(lài)專(zhuān)家也會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，我們是依靠專(zhuān)家的能力固化成工具，提高團(tuán)隊(duì)和企業(yè)的能力。另外工業(yè)的發(fā)展要注重體系化，避免產(chǎn)生信息孤島和技術(shù)壁壘。我們有些設(shè)計(jì)軟件A廠商和B廠商的不兼容，上游和下游文件打不開(kāi)的問(wèn)題，導(dǎo)致了開(kāi)發(fā)工具中很多的信息孤島。Deliframe是伴隨這一場(chǎng)景產(chǎn)生的，它的設(shè)計(jì)本質(zhì)是描述系統(tǒng)的每一個(gè)功能是怎樣實(shí)現(xiàn)的，千人千面，但是萬(wàn)變不離其宗。對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，都可以抽象為對(duì)需求的捕獲、定義、分解邏輯實(shí)驗(yàn)以及驗(yàn)證。這個(gè)圖是展示了航天領(lǐng)域的設(shè)計(jì)過(guò)程，所有這里面標(biāo)準(zhǔn)的地方涉及到上下游的交互，存在比較冗余的工作，在傳統(tǒng)或者是在現(xiàn)在這些交互環(huán)節(jié)大部分是以文檔的形式傳遞，上游單位給下游單位，對(duì)于技術(shù)規(guī)范和技術(shù)文檔。然兒現(xiàn)實(shí)過(guò)程中由于人為的偏差存在不可靠的因素，我們需要制定標(biāo)準(zhǔn)，更好地是提供軟件工具，去約束和輔助設(shè)計(jì)者完成，同時(shí)提供一定的手段，將之前的文檔傳遞轉(zhuǎn)化為模型轉(zhuǎn)遞。

 

　　這是應(yīng)對(duì)于場(chǎng)景而出的Deliframe，這是登錄界面，旁邊可以做權(quán)限管理，可以做到不同的工程師多人協(xié)同開(kāi)發(fā)。這是功能設(shè)計(jì)液面，以及屬性編輯，可以詳細(xì)地展開(kāi)子系統(tǒng)的關(guān)系，方便追溯和交流。這是我們的設(shè)計(jì)模板，可以根據(jù)不同的團(tuán)隊(duì)去定義和編輯整體設(shè)計(jì)的風(fēng)格。Deliframe實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)功能的分配、分解和估算，面對(duì)不同的團(tuán)隊(duì)做到一定的同質(zhì)化，支持將設(shè)計(jì)工作導(dǎo)成各種文件，完成已有的評(píng)審流程。

 

　　下一個(gè)工具是DeliICD，基于物理量流的ICD設(shè)計(jì)工具，ICD也就是控制接口文件。它是產(chǎn)品生成、試驗(yàn)、測(cè)試、集成、交付等重要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)文件。由于它是交互和設(shè)計(jì)的描述，天不可避免就是要做到同步，同時(shí)ICD保證質(zhì)量環(huán)節(jié)，不然設(shè)計(jì)了一個(gè)產(chǎn)品，等到集成的時(shí)候，A設(shè)備連不到B設(shè)備，這樣的發(fā)生是非常不允許接受的。這是一個(gè)傳統(tǒng)接口設(shè)計(jì)的過(guò)程，我們可以看到是從采集傳感器再到處理和執(zhí)行，如果系統(tǒng)涉及到仿真和激勵(lì)，也會(huì)多出很多交付的接口。類(lèi)似于這樣的情況，由于接口數(shù)量比較龐大，不可避免地會(huì)犯錯(cuò)，同時(shí)的話(huà)多頭的難度高，效率低效存在大量的低效工作。Deliicd基于物理量流，清晰的一個(gè)模型是這樣的，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的抽象，將接口屬性抽象成接入點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)，傳輸管道和方向，在每一個(gè)  流程和過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的交互構(gòu)成了一個(gè)接口，這就成為了典型的接口模型。DeliICD對(duì)于這一接口模型進(jìn)行維護(hù)、編輯和管理，同時(shí)這一軟件是可以使用Deliframe導(dǎo)出文件進(jìn)行下一步的工作。本質(zhì)上，DeliICD建立了全新的接口設(shè)計(jì)規(guī)范，可以做到物理量流的全程追溯，極大提高了接口傳輸?shù)男省?/div>