智能時代工程師能力三維模型V2.0

去年在上海交通大學教指委關于“卓越工程師”經驗分享會上做了一張關于工程師能力模型的架構，當時只是粗淺的思考，基于RAMI4.0、IIRA的三維模型來思考這個問題，希望有一種更為結構性的能力模型與大學教育分享，但是，困惑于自己的認知局限，也僅有個初略的想法，一直想能夠把它細化，最近與許多朋友交流，逐漸有了點認知，先嘗試著對此進行詳盡的構架，希望能夠拋磚引玉，以期后續(xù)繼續(xù)深化細致。稱之為V2.0版本。

 

一、總體框架思考

圖1是去年12月的第一版的工程師能力簡單構架，主要是想以幾個維度來闡述如何定義工程師的能力需求，在智能時代融合協(xié)同成為了關鍵，知識與能力變得更為綜合而全局。

 

圖1  初稿-工程師能力模型

這個初始架構是基于三個維度的思考：

（1）在縱向自動化、信息化、智能化三個層面的問題解決

雖然自己也認為這個是淺薄之見，不過，為了簡化可以這么理解，因為在實際的架構上，自動化扮演了底層采集、控制與優(yōu)化的角色，而信息化則是進行傳輸、存儲、數(shù)據聚合的任務，在智能化層解決優(yōu)化、策略的問題，更為全局。這三個層級在物理上既可以是獨立運行的系統(tǒng)通過互聯(lián)來連接，也可以存在于一個實體上，例如在一臺工業(yè)PC上即可實現(xiàn)控制、數(shù)據透明可視化、機器學習的任務。

（2）按流程劃維度看待能力

按照流程，一個系統(tǒng)包括了最初概念設計、開發(fā)與測試驗證、運行維護整個流程。在整個制造業(yè)的流程里對工程師不同階段使用的方法與工具也會有不同，當然，也可以是集成的平臺架構。

（3）理念、原則、方法、工具層級

與各個層級、各個流程對應的有理念、原則、方法和工具的培養(yǎng)與應用。對于不同領域或不同職責的人而言，其所需的能力也是不同的，例如對于偏重于管理的則傾向于概念性技能，而對于工程師現(xiàn)場維護則強調于具體的工具應用。

 

二、模型展開

圖1的模型可以展開，為其每個維度賦予實際的內容，包括思想、原則、方法、工具的各個維度的立方體，因此闡述如下：

2.1理念級

理念是一個統(tǒng)籌性的，即，如何在整體上看待工程師的工作，工程師同樣是一個價值創(chuàng)造的過程。理念級主要指“系統(tǒng)的思維”問題，如何站在全局的看待自身的工作以及努力的方向。

 

圖2  工程師的理念

（1）價值創(chuàng)造涵蓋整個制造：企業(yè)服務于客戶的更高的價值創(chuàng)造才能贏得信任，獲取自身的利益，而對于工程師同樣而言，雖然價值戰(zhàn)略定義的部分，但對工程師而言，必須明確為客戶創(chuàng)造價值這個本心，這當然并非從智能化的角度來看待價值—價值是涵蓋每個層級的思考，無論自動化、信息化還是智能化都是服務于為客戶創(chuàng)造價值。

（2）信息化提升協(xié)同效率：信息化提升信息傳遞的效率、提高協(xié)同的效率，提高開發(fā)的效率—無論建模仿真還是軟件組件技術這些方法工具均服務于提升效率，機器提升生產效率，控制提升機器運行效率。

（3）品質與成本效率：無論機器的精度、重復精度等，都是為了解決更高的生產品質與效率問題。

 

理念是在指導行為，知行合一即是要認知目的—為什么的問題，是制造業(yè)各個環(huán)節(jié)都需要統(tǒng)籌思考的問題。這個能力不僅僅是企業(yè)的高層需要具備，而是工程師也需要由此認知。

 

2.2 原則

同樣道理，這里也是貫穿而各自有其側重，原則是工作中的判斷力，如果說理念告訴我們方向的話，原則就是判斷的依據和準則。

（1）第一性原則：就是從事物的本源，目標以及機理模型去思考問題，創(chuàng)新思想往往來自對最本源的原理的認知，這是我們所缺乏的，因為傳統(tǒng)我們都是缺乏“正向設計”思想的，因此，就會缺乏本源性的認知，很多系統(tǒng)的開發(fā)原理其實都已經非常成熟，甚至在上百年前就已經存在，并且一直在沿用，只是以前的方法、工具不到位，計算能力不足（存儲、計算資源不足）或者缺乏數(shù)據聯(lián)通的標準規(guī)范（今天有OPC UA TSN這樣的技術來貫通各層）。

 

圖3  原則的把握

（2）開放性原則：對于信息化而言，其原則就是把握開放性，開放性包括技術的開放性、標準與規(guī)范，以確保數(shù)據在異構網絡里能夠進行開放連接，進而能夠達到對OT數(shù)據的結構性采集、傳輸、存儲、聚合，以便于智能化分析的應用。自動化系統(tǒng)同樣必須保持開放性—不僅是自動化系統(tǒng)間的互聯(lián)，而且也包括與信息系統(tǒng)的開放互聯(lián)。

（3）模塊化與標準化：自動化應對變化在于堅持模塊化與標準化，標準化解決效率，而模塊化解決靈活性重構應用，像貝加萊的mapp技術即基于PLCopen的標準化模塊，實現(xiàn)模塊化的應用，可以為機器提供各種應用的配置。

 

第一性原則、開放性原則、模塊化標準化也是創(chuàng)新設計的重要原則，當然不僅于此，對于工程師而言，要更為多的把握原則性，包括工作的守時、判斷是非—當產生需要判斷的時候，我們需要回到問題的本源去思考，我們這樣是否為客戶創(chuàng)造了價值？我們是否遵循了開放性—不僅是技術，而且思想開放。

 

2.3 方法

具體到了方法就是需要不同的層級思考問題，可以從下往上看：

（1）.軟件復用與組件技術

曾經寫過一篇“銀彈技術”—在軟件工程里有一個寓意解決問題的“根本性”方法，而軟件復用與組件技術被認為是“根本性”解決問題的方法，由于軟件變得越來越復雜，需求變更、軟件復雜性等問題使得軟件成為了一個泥潭，為復用而設計軟件，將共性技術封裝即成為了提高機器開發(fā)效率的利器，而組件就像蓋房子的預制板一樣可以提高搭建的效率。

機電開發(fā)的V-Model也是一種方法體系，這個整體是為了提高開發(fā)工作中的成本效率。

（2）.對于數(shù)據的分析與處理

信息化和智能化可以一同采用眾多的方法，包括機器學習、增強學習等，這部分我的理解不深，大致有個概念，不做闡述，整體思想就是各自有其方法—術業(yè)有專攻。

 

圖4  工程師方法體系

當然，方法不僅局限于此，圖4僅對一些基本的方法進行了描述，包括選型的方法、維護的方法（預測性維護）、節(jié)能的方法（設備、管理、工藝節(jié)能）等。

2.4 工具

工程師的工作最基本當然是使用工具了，這個工具在自動化、信息化、智能化方面都有對應的工具和方法。

（1）.自動化工具：包括建模仿真的工具如MapleSim、MATLAB/Simulink，也包括平臺級的工具如Automation Studio，以及電機選型的ServoSoft等，電氣圖紙的EPLAN這樣的工具，工具用于讓我們高效的解決問題，而工具是基于理念、原則與方法而設計的，并且服務于概念設計、程序開發(fā)、驗證測試、運營維護的各個環(huán)節(jié)，例如貝加萊的Automation Studio集成開放平臺可以滿足全流程的任務開發(fā)，并且具有與建模仿真，甚至最新的FMU/FMI多平臺聯(lián)合仿真工具的接口能力。

 

圖5  工具的層級

（2）.對于信息化同樣如此，包括云平臺的IaaS、XaaS等，以及安全相關的工具、分析相關的工具，智能化有各種Hadoop、數(shù)據庫技術、編程的工具與平臺，Digital Twin實現(xiàn)的工具平臺。

具體到實際的工程師日常工作，就可以有一系列的流程、方法、工具來支撐，圖6總結一下就是通過IT與OT的理念（創(chuàng)造價值）、遵循第一性原則，采用平臺工具實現(xiàn)價值的創(chuàng)造過程，包括流程、方法、規(guī)范與標準等的培養(yǎng)與訓練。

 

圖6  工程師主要工作流程與任務

 

培養(yǎng)工程師，除了專業(yè)知識的堅實基礎，而在產業(yè)實際應用中，必須包括系統(tǒng)的價值驅動、原則、方法體系、工具的訓練，當然，這個不是一個工程師的工作，而是企業(yè)的人才開發(fā)、大學的教育培養(yǎng)的工作。

 

三、融合與創(chuàng)新

新的時代，需要是融合性人才—跨界，并且需要創(chuàng)新思想，因為，我們的前進總是走在未知的道路上，但，又不是無知的基礎上。很多技術、工藝、方法已有，如何融合去實現(xiàn)價值創(chuàng)造。

 

圖7 關于智能時代的知識能力結構

圖7是參考奧地利維也和納大學教授關于對機電工程師的能力增強架構，可以看到：

（1）.系統(tǒng)與接口的技能：由于制造業(yè)是一個多技術融合的應用，用于解決實際的問題，因此一個工程師無法掌握所有的知識，因此，需要協(xié)作，而這個時候自動化、信息化、智能化的工程師都需要掌握自身領域技術外還需要掌握接口技術。

（2）.能夠用系統(tǒng)的理念方法創(chuàng)新的解決問題：其實，創(chuàng)新是一個底線需求，工具都是服務于價值的創(chuàng)造的，在一個新的時代，過去并沒有經驗可以依循，因此，一定是需要突破自身，跨界融合創(chuàng)造新的機會，使得技術融合為客戶謀得新的商業(yè)價值，無論是成本的降低，還是效率的提升。

 

希望大家對此提出異議，留言發(fā)表意見，畢竟，每個人都有認知局限，必須借助于大家的力量，希望能夠讓這個模型更為完善。