白皮书系列——机械工程设计中的软件难题

近年来，机械工程设计的产品生命周期在不断缩短，而产品定制化的趋势正日益显著。市场对设备制造商提出了各种的要求，如：

◆ 不断要求缩短的交期和调试的时间。

◆ 在其产品中提供更高程度的模块化水平。

◆ 提升其设备的生产率——尤其通过缩短停车时间和设置时间。

◆ 能够通过操作简便的用户界面来应对设备的复杂性。

以上的要求主要聚焦于设备的使用功能。

图1：软件将有助于一家中型机械工程设计企业平衡不断增长的市场需求。 

上述要求势必导致必须投入软件的资源呈指数级增长，并且这种增长不再受传统结构及研发方法的影响。作为一家面向未来的企业，如果一家机械工程设计企业旨在满足快速增长的软件需求，那么全球性研发团队和创新合作伙伴的参与将是不可或缺的。

软件在设备功能性方面正起着前所未有的重要作用。如今，重点已不再是替代电气或机械功能。目前更有可能的是找到软件功能，并不断将其添加至现有的系统，或设备控制器之中，从而推动或拓展系统的边界。

因此，这些公司必须将新的资源投资纳入考量，并且可能需要在迄今为止尚未与其产品组合发生关联的问题领域累积新技能[5]  。

变革中的中型机械工程设计企业

这一工程设计与IT日益加强的相关性意味着机械工程设计企业未来需要具体说明对软件系统的要求，以及/或者针对其自身软件进行编程、测试，以及维护[8]。

图2：尽管软件在机械工程设计开发流程中的重要性正在日益上升，该行业的根基仍在于机械学。

尽管软件的重要性正在日益增长，软件势必将带来方方面面的新视野，但在机械工程设计中，机电系统永远都将是任何成功产品的起点（图2）。因此，软件必须至少根据客户的特定需求模拟相关设备和车间的定制化程度。

模块化软件架构——是成功的关键吗？

可配置的设备模块与功能模块系统现已广泛常见于机械工程设计之中，并已被用于高效地实现特定的客户解决方案，且已通过相容的接口标准化和设备功能的模块化实现。 除此之外，软件还必须满足系统的模块性和可扩展性 ，从而以最少的精力和成本重复使用这些功能。

图3：如果无法直接跨代维护，软件架构将会发生退化。结果将产生难以维护的庞大结构——或称羊毛球结构。

原则1、软件架构应以结构化方式设计

软件系统的大致结构由软件架构决定。软件架构设计是管理系统复杂性的核心要素。软件架构设计方面的主要影响因素包括性能、可维护性、可靠性及安全性等质量要求，而纯功能性系统要求原则上也可利用完全未经结构化的软件执行。未结构化、演化而来的软件（常被称为羊毛球、毛线球和泥球）很快便会带来小功能扩展的风险，从而导致整个软件解决方案的变化（见图3及图4）。

图4：一个理想的系统架构可在系统中清晰地分隔各项任务（问题分隔）。这反过来也将使得利用界面相应扩展系统成为可能。

原则2、每个系统组件应只被分配一项任务

基本的主要设计原则应当确保这些质量要求得到满足。这些原则可被视为软件设计的基本原则。在问题分隔的原则中，每个系统组件都只被分配了一项任务。单个组件能愈好地进行一项逻辑任务时，一致性愈佳。为了避免共享的功能性被复制而非被重用，有必要确保统一性。

原则3、软件架构须应用于各个层级

软件架构一般的结构都是等级式或阶梯式的，而此前描述的原则必须应用于各个层级。与构建元素相类似，架构模式或参考架构为基本组织架构提供设计模板，以及基于可靠解决方案的软件组件互动。

图5：根据德国联邦行政管理局（BVA）的规定，架构模式采用3层架构。

实际使用中的不同原则

出售或交付以这种方式生产的软件，选择退出（opt-out）与选择加入（opt-in）原则常被用以实现各类机械工程设计场景下的多种功能。如果使用opt-out方式，交付的软件实质上包括所有可在模块系统中使用的功能。然而，在特定设备和客户配置中，仅客户需要的或指定的功能才会被激活。如果使用opt-in方式，每个必要的软件扩展都将根据配置被添加进基础系统。两种方式均可实现直接配置以及/或者构建基于企业ERP系统中客户订单数据的软件（图6，上半部分）。

图6：软件供应中opt-out与opt-in原则的应用：opt-out原则的优势在于功能激活简单，而opt-in原则在柔性化软件模块系统中的优势在于能够利用新软件模块对其加以扩展。

软件作为成本驱动？

 1 、软件作为成本驱动

利用一款面向未来的框架开发软件时，企业的组织架构及流程往往会带来障碍。这一决策及信息瓶颈问题在软件开发中具有一定的因果关系，并已反映在图7中。

图7：相比机械或电子项目，软件开发在研发过程中所需的决定要集中得多。

因此，企业在开发流程中的短板往往会导致质量及时间问题，从而抬升成本。于是，可高效管理的软件架构，以及企业竞争力的优势关键就在于企业的组织架构。

图8：限制条件变化后，软件研发方式也需要相应变更。如果无法相应调整研发方式，软件研发就会落后。

2、机械工程设计企业软件开发的现状

目前而言，不少中型机械工程设计企业通常仅有少数几名软件开发人员负责创建整个应用软件，以及可视化界面。这些研发人员往往会直接将软件装在设备上运行。与此同时，他们还负责搭建通信网络。

图9：软件开发中，基于最新研发方法的改良方式将确保该组织能够适应未来。

未来，这些问题将变得更为严峻——正如上文所描述地那样——软件在现代生产系统中的重要性及作用正在日益上升，并且这一趋势还会继续加剧。

这一两难境地可通过引入最新的软件开发方式，以及模块化软件架构迎刃而解。带协调同步点的、紧密交织且迭代式的硬件和软件开发流程可优化项目规划。易于维护、连贯、可重用且可识别的软件将在一年中为机械工程设计企业带来数项优势。

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