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智能时代工程师能力三维模型V2.0

来源:说东道西2018.06.11阅读 922

  去年在上海交通大学教指委关于“卓越工程师”经验分享会上做了一张关于工程师能力模型的架构,当时只是粗浅的思考,基于RAMI4.0、IIRA的三维模型来思考这个问题,希望有一种更为结构性的能力模型与大学教育分享,但是,困惑于自己的认知局限,也仅有个初略的想法,一直想能够把它细化,最近与许多朋友交流,逐渐有了点认知,先尝试着对此进行详尽的构架,希望能够抛砖引玉,以期后续继续深化细致。称之为V2.0版本。
  一、总体框架思考
  图1是去年12月的第一版的工程师能力简单构架,主要是想以几个维度来阐述如何定义工程师的能力需求,在智能时代融合协同成为了关键,知识与能力变得更为综合而全局。


  图1-初稿-工程师能力模型


  这个初始架构是基于三个维度的思考:
  (1).在纵向自动化、信息化、智能化三个层面的问题解决
  虽然自己也认为这个是浅薄之见,不过,为了简化可以这么理解,因为在实际的架构上,自动化扮演了底层采集、控制与优化的角色,而信息化则是进行传输、存储、数据聚合的任务,在智能化层解决优化、策略的问题,更为全局。这三个层级在物理上既可以是独立运行的系统通过互联来连接,也可以存在于一个实体上,例如在一台工业PC上即可实现控制、数据透明可视化、机器学习的任务。
  (2).按流程划维度看待能力
  按照流程,一个系统包括了最初概念设计、开发与测试验证、运行维护整个流程。在整个制造业的流程里对工程师不同阶段使用的方法与工具也会有不同,当然,也可以是集成的平台架构。
  (3)理念、原则、方法、工具层级
  与各个层级、各个流程对应的有理念、原则、方法和工具的培养与应用。对于不同领域或不同职责的人而言,其所需的能力也是不同的,例如对于偏重于管理的则倾向于概念性技能,而对于工程师现场维护则强调于具体的工具应用。
  二、模型展开
  图1的模型可以展开,为其每个维度赋予实际的内容,包括思想、原则、方法、工具的各个维度的立方体,因此阐述如下:
  2.1理念级
  理念是一个统筹性的,即,如何在整体上看待工程师的工作,工程师同样是一个价值创造的过程。理念级主要指“系统的思维”问题,如何站在全局的看待自身的工作以及努力的方向。


  图2-工程师的理念


  (1)价值创造涵盖整个制造:企业服务于客户的更高的价值创造才能赢得信任,获取自身的利益,而对于工程师同样而言,虽然价值战略定义的部分,但对工程师而言,必须明确为客户创造价值这个本心,这当然并非从智能化的角度来看待价值—价值是涵盖每个层级的思考,无论自动化、信息化还是智能化都是服务于为客户创造价值。
  (2)信息化提升协同效率:信息化提升信息传递的效率、提高协同的效率,提高开发的效率—无论建模仿真还是软件组件技术这些方法工具均服务于提升效率,机器提升生产效率,控制提升机器运行效率。
  (3)品质与成本效率:无论机器的精度、重复精度等,都是为了解决更高的生产品质与效率问题。
  理念是在指导行为,知行合一即是要认知目的—为什么的问题,是制造业各个环节都需要统筹思考的问题。这个能力不仅仅是企业的高层需要具备,而是工程师也需要由此认知。
  2.2.原则
  同样道理,这里也是贯穿而各自有其侧重,原则是工作中的判断力,如果说理念告诉我们方向的话,原则就是判断的依据和准则。
  (1)第一性原则:就是从事物的本源,目标以及机理模型去思考问题,创新思想往往来自对最本源的原理的认知,这是我们所缺乏的,因为传统我们都是缺乏“正向设计”思想的,因此,就会缺乏本源性的认知,很多系统的开发原理其实都已经非常成熟,甚至在上百年前就已经存在,并且一直在沿用,只是以前的方法、工具不到位,计算能力不足(存储、计算资源不足)或者缺乏数据联通的标准规范(今天有OPC UA TSN这样的技术来贯通各层)。


  图3-原则的把握


  (2)开放性原则:对于信息化而言,其原则就是把握开放性,开放性包括技术的开放性、标准与规范,以确保数据在异构网络里能够进行开放连接,进而能够达到对OT数据的结构性采集、传输、存储、聚合,以便于智能化分析的应用。自动化系统同样必须保持开放性—不仅是自动化系统间的互联,而且也包括与信息系统的开放互联。
  (3)模块化与标准化:自动化应对变化在于坚持模块化与标准化,标准化解决效率,而模块化解决灵活性重构应用,像贝加莱的mapp技术即基于PLCopen的标准化模块,实现模块化的应用,可以为机器提供各种应用的配置。
  第一性原则、开放性原则、模块化标准化也是创新设计的重要原则,当然不仅于此,对于工程师而言,要更为多的把握原则性,包括工作的守时、判断是非—当产生需要判断的时候,我们需要回到问题的本源去思考,我们这样是否为客户创造了价值?我们是否遵循了开放性—不仅是技术,而且思想开放。
  2.3.方法
  具体到了方法就是需要不同的层级思考问题,可以从下往上看:
  (1).软件复用与组件技术
  曾经写过一篇“银弹技术”—在软件工程里有一个寓意解决问题的“根本性”方法,而软件复用与组件技术被认为是“根本性”解决问题的方法,由于软件变得越来越复杂,需求变更、软件复杂性等问题使得软件成为了一个泥潭,为复用而设计软件,将共性技术封装即成为了提高机器开发效率的利器,而组件就像盖房子的预制板一样可以提高搭建的效率。
  机电开发的V-Model也是一种方法体系,这个整体是为了提高开发工作中的成本效率。
  (2).对于数据的分析与处理
  信息化和智能化可以一同采用众多的方法,包括机器学习、增强学习等,这部分我的理解不深,大致有个概念,不做阐述,整体思想就是各自有其方法—术业有专攻。


  图4-工程师方法体系


  当然,方法不仅局限于此,图4仅对一些基本的方法进行了描述,包括选型的方法、维护的方法(预测性维护)、节能的方法(设备、管理、工艺节能)等。
  2.4工具
  工程师的工作最基本当然是使用工具了,这个工具在自动化、信息化、智能化方面都有对应的工具和方法。
  (1).自动化工具:包括建模仿真的工具如MapleSim、MATLAB/Simulink,也包括平台级的工具如Automation Studio,以及电机选型的ServoSoft等,电气图纸的EPLAN这样的工具,工具用于让我们高效的解决问题,而工具是基于理念、原则与方法而设计的,并且服务于概念设计、程序开发、验证测试、运营维护的各个环节,例如贝加莱的Automation Studio集成开放平台可以满足全流程的任务开发,并且具有与建模仿真,甚至最新的FMU/FMI多平台联合仿真工具的接口能力。


  图5-工具的层级


  (2).对于信息化同样如此,包括云平台的IaaS、XaaS等,以及安全相关的工具、分析相关的工具,智能化有各种Hadoop、数据库技术、编程的工具与平台,Digital Twin实现的工具平台。
  具体到实际的工程师日常工作,就可以有一系列的流程、方法、工具来支撑,图6总结一下就是通过IT与OT的理念(创造价值)、遵循第一性原则,采用平台工具实现价值的创造过程,包括流程、方法、规范与标准等的培养与训练。


  图6-工程师主要工作流程与任务


  培养工程师,除了专业知识的坚实基础,而在产业实际应用中,必须包括系统的价值驱动、原则、方法体系、工具的训练,当然,这个不是一个工程师的工作,而是企业的人才开发、大学的教育培养的工作。
  三、融合与创新
  新的时代,需要是融合性人才—跨界,并且需要创新思想,因为,我们的前进总是走在未知的道路上,但,又不是无知的基础上。很多技术、工艺、方法已有,如何融合去实现价值创造。


  图7-关于智能时代的知识能力结构


  图7是参考奥地利维也和纳大学教授关于对机电工程师的能力增强架构,可以看到:
  (1).系统与接口的技能:由于制造业是一个多技术融合的应用,用于解决实际的问题,因此一个工程师无法掌握所有的知识,因此,需要协作,而这个时候自动化、信息化、智能化的工程师都需要掌握自身领域技术外还需要掌握接口技术。
  (2).能够用系统的理念方法创新的解决问题:其实,创新是一个底线需求,工具都是服务于价值的创造的,在一个新的时代,过去并没有经验可以依循,因此,一定是需要突破自身,跨界融合创造新的机会,使得技术融合为客户谋得新的商业价值,无论是成本的降低,还是效率的提升。
  希望大家对此提出异议,留言发表意见,毕竟,每个人都有认知局限,必须借助于大家的力量,希望能够让这个模型更为完善。