白皮書系列——機械工程設計中的軟件難題

近年來，機械工程設計的產品生命周期在不斷縮短，而產品定制化的趨勢正日益顯著。市場對設備制造商提出了各種的要求，如：

◆ 不斷要求縮短的交期和調試的時間。

◆ 在其產品中提供更高程度的模塊化水平。

◆ 提升其設備的生產率——尤其通過縮短停車時間和設置時間。

◆ 能夠通過操作簡便的用戶界面來應對設備的復雜性。

以上的要求主要聚焦于設備的使用功能。

上述要求勢必導致必須投入軟件的資源呈指數級增長，并且這種增長不再受傳統結構及研發方法的影響。作為一家面向未來的企業，如果一家機械工程設計企業旨在滿足快速增長的軟件需求，那么全球性研發團隊和創新合作伙伴的參與將是不可或缺的。

軟件在設備功能性方面正起著前所未有的重要作用。如今，重點已不再是替代電氣或機械功能。目前更有可能的是找到軟件功能，并不斷將其添加至現有的系統，或設備控制器之中，從而推動或拓展系統的邊界。

因此，這些公司必須將新的資源投資納入考量，并且可能需要在迄今為止尚未與其產品組合發生關聯的問題領域累積新技能[5] 。

變革中的中型機械工程設計企業

這一工程設計與IT日益加強的相關性意味著機械工程設計企業未來需要具體說明對軟件系統的要求，以及/或者針對其自身軟件進行編程、測試，以及維護[8]。

盡管軟件的重要性正在日益增長，軟件勢必將帶來方方面面的新視野，但在機械工程設計中，機電系統永遠都將是任何成功產品的起點（圖2）。因此，軟件必須至少根據客戶的特定需求模擬相關設備和車間的定制化程度。

模塊化軟件架構——是成功的關鍵嗎？

可配置的設備模塊與功能模塊系統現已廣泛常見于機械工程設計之中，并已被用于高效地實現特定的客戶解決方案，且已通過相容的接口標準化和設備功能的模塊化實現。除此之外，軟件還必須滿足系統的模塊性和可擴展性，從而以最少的精力和成本重復使用這些功能。

原則1、軟件架構應以結構化方式設計

軟件系統的大致結構由軟件架構決定。軟件架構設計是管理系統復雜性的核心要素。軟件架構設計方面的主要影響因素包括性能、可維護性、可靠性及安全性等質量要求，而純功能性系統要求原則上也可利用完全未經結構化的軟件執行。未結構化、演化而來的軟件（常被稱為羊毛球、毛線球和泥球）很快便會帶來小功能擴展的風險，從而導致整個軟件解決方案的變化（見圖3及圖4）。

原則2、每個系統組件應只被分配一項任務

基本的主要設計原則應當確保這些質量要求得到滿足。這些原則可被視為軟件設計的基本原則。在問題分隔的原則中，每個系統組件都只被分配了一項任務。單個組件能愈好地進行一項邏輯任務時，一致性愈佳。為了避免共享的功能性被復制而非被重用，有必要確保統一性。

原則3、軟件架構須應用于各個層級

軟件架構一般的結構都是等級式或階梯式的，而此前描述的原則必須應用于各個層級。與構建元素相類似，架構模式或參考架構為基本組織架構提供設計模板，以及基于可靠解決方案的軟件組件互動。

實際使用中的不同原則

出售或交付以這種方式生產的軟件，選擇退出（opt-out）與選擇加入（opt-in）原則常被用以實現各類機械工程設計場景下的多種功能。如果使用opt-out方式，交付的軟件實質上包括所有可在模塊系統中使用的功能。然而，在特定設備和客戶配置中，僅客戶需要的或指定的功能才會被激活。如果使用opt-in方式，每個必要的軟件擴展都將根據配置被添加進基礎系統。兩種方式均可實現直接配置以及/或者構建基于企業ERP系統中客戶訂單數據的軟件（圖6，上半部分）。

軟件作為成本驅動？

1 、軟件作為成本驅動

利用一款面向未來的框架開發軟件時，企業的組織架構及流程往往會帶來障礙。這一決策及信息瓶頸問題在軟件開發中具有一定的因果關系，并已反映在圖7中。

因此，企業在開發流程中的短板往往會導致質量及時間問題，從而抬升成本。于是，可高效管理的軟件架構，以及企業競爭力的優勢關鍵就在于企業的組織架構。

2、機械工程設計企業軟件開發的現狀

目前而言，不少中型機械工程設計企業通常僅有少數幾名軟件開發人員負責創建整個應用軟件，以及可視化界面。這些研發人員往往會直接將軟件裝在設備上運行。與此同時，他們還負責搭建通信網絡。

未來，這些問題將變得更為嚴峻——正如上文所描述地那樣——軟件在現代生產系統中的重要性及作用正在日益上升，并且這一趨勢還會繼續加劇。

這一兩難境地可通過引入最新的軟件開發方式，以及模塊化軟件架構迎刃而解。帶協調同步點的、緊密交織且迭代式的硬件和軟件開發流程可優化項目規劃。易于維護、連貫、可重用且可識別的軟件將在一年中為機械工程設計企業帶來數項優勢。