本書從制造企業(yè)的數字化轉型出發(fā)，分析了工業(yè)互聯網時代的工業(yè)軟件特點以及面臨的挑戰(zhàn)，以軟件的架構設計為基礎，從計算、信息、算法等三個維度構建了工業(yè)互聯網環(huán)境下的工業(yè)軟件構造方法框架，并基于語法級、語義級、語用級等多層次的互操作機制，結合當前主流網絡架構，闡述了計算、信息、算法、集成等方面的軟件構造技術和前沿發(fā)展趨勢。本書適合于計算機類和信息管理類的研究生學習，也可作為工業(yè)軟件領域業(yè)務咨詢、軟件開發(fā)、系統(tǒng)運維等相關技術人員的參考指導書。
本書為十四五國家重點圖書出版規(guī)劃項目、國家出版基金資助項目。由上海交通大學蔡鴻明教授領銜撰寫。
總序一工業(yè)互聯網是新一代信息通信技術與工業(yè)經濟深度融合的全新工業(yè)生態(tài)、關鍵基礎設施和新型應用模式。它以網絡為基礎、平臺為中樞、數據為要素、安全為保障，通過對人、機、物全面連接，變革傳統(tǒng)制造模式、生產組織方式和產業(yè)形態(tài)，構建起全要素、全產業(yè)鏈、全價值鏈全面連接的新型工業(yè)生產制造和服務體系，對提升產業(yè)鏈現代化水平、促進數字經濟和實體經濟深度融合、引領經濟高質量發(fā)展具有重要作用。 工業(yè)互聯網前沿技術叢書是中國工業(yè)互聯網研究院與華中科技大學出版社共同發(fā)起，為服務工業(yè)互聯網創(chuàng)新發(fā)展國家重大戰(zhàn)略，貫徹落實深化互聯網＋先進制造業(yè) 第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標 等國家政策，面向世界科技前沿、面向國家經濟主戰(zhàn)場和國防建設重大需求，精準策劃匯集中國工業(yè)互聯網先進技術的一套原創(chuàng)科技著作。叢書立足國際視野，聚焦工業(yè)互聯網國際學術前沿和技術難點，助力我國制造業(yè)發(fā)展和高端人才培養(yǎng)，展現了我國工業(yè)互聯網前沿科技領域取得的自主創(chuàng)新研究成果，充分體現了權威性、原創(chuàng)性、先進性、國際性、實用性等特點。為此，向為叢書出版付出聰明才智和辛勤勞動的所有科技工作人員表示崇高的敬意！中國正處在舉世矚目的經濟高質量發(fā)展階段，應用工業(yè)互聯網前沿技術振興我國制造業(yè)天地廣闊，大有可為！叢書主要匯集高校和科研院所的科研成果及企業(yè)的工程應用成果。熱切希望我國IT人員與企業(yè)工程技術人員密切合作，促進工業(yè)互聯網平臺落地生根。期望叢書絢麗的科技之花在祖國大地上結出豐碩的工程應用之果，為制造強國、網絡強國建設作出新的、更大的貢獻。中國工程院院士中國工業(yè)互聯網研究院技術專家委員會主任北京化工大學教授高金吉2023年5月前言隨著以人、機、物互聯為基礎的工業(yè)互聯網快速興起，作為智能制造靈魂的工業(yè)軟件覆蓋了產品的設計、制造、運維以及平臺支撐等多個方面，具有領域機理高度相關、模型關系耦合多樣、處理過程動態(tài)多變等特點，使得工業(yè)軟件的開發(fā)、應用和運維都非常困難。從計算思維來說，軟件構造的核心思想是分而治之，因此在體現工業(yè)核心要素的分解基礎上各自架構實現，然后交互集成，是工業(yè)軟件構造的主要技術路線。從工業(yè)軟件面臨的挑戰(zhàn)出發(fā)，工業(yè)軟件構造可以分為物理世界數字化、數字要素網聯化、要素處理智能化、虛實交互融合化等關鍵環(huán)節(jié)。本書從數字化、網聯化、智能化、集成化等方面展開工業(yè)軟件構造的介紹，主要思想可以總結為以下幾點：(1) 以物聯數據為驅動模型(數字化)。工業(yè)軟件構造時首先要實現業(yè)務的數字化，需要構建覆蓋人員、設備、物料、工藝、產品等多維度動態(tài)的信息表征模型。(2) 以廣義互聯為計算架構(網聯化)。在工業(yè)要素廣泛互聯的架構基礎上，實現人員協聯、機器互聯、物料關聯，實現多要素及其關系的映射及組織管理。(3) 以工業(yè)機理為知識核心(智能化)。利用算法、規(guī)則、模型等方式的綜合計算推理，實現工業(yè)軟件在工業(yè)機理基礎上的智能高效處理。(4) 以多元協同為交互框架(集成化)。在集成多業(yè)務主體、多物聯設備、多狀態(tài)物料、可變粒度模型基礎上開展集成，實現數字空間到物理空間的交互融合。本書從制造企業(yè)的數字化轉型出發(fā)，分析了智能互聯時代的工業(yè)軟件特點以及面臨的挑戰(zhàn)，面向工業(yè)軟件研發(fā)，從計算、信息、算法三個維度構建了工業(yè)互聯網環(huán)境下的工業(yè)軟件構造方法框架，并利用不同層次互操作機制實現交互集成，同時重點闡述了計算、信息、算法、集成等方面的軟件主流技術和前沿發(fā)展趨勢。本書面向工業(yè)互聯網的主流云邊端計算架構，結合工業(yè)軟件的云服務平臺、邊緣計算系統(tǒng)以及智能應用軟件等典型項目，基于開展的航天、船舶、航空等工業(yè)軟件的協同設計、異地制造、供應鏈服務平臺等構造實踐，闡述工業(yè)互聯網環(huán)境下工業(yè)軟件的計算方法和構造實踐，并討論工業(yè)軟件的開源生態(tài)及發(fā)展途徑。本書由蔡鴻明、于晗、沈冰清、胡畔合著，其中蔡鴻明撰寫了第1章，第2章2.1、2.2、2.3節(jié)，以及第3章；沈冰清撰寫了第2章2.4節(jié)以及第9章；胡畔撰寫了第4章；于晗撰寫了第5、7章；熊熙瑞參與撰寫第6章，王鈺霄參與撰寫第8章8.1、8.2節(jié)，朱敏參與撰寫第8章8.3節(jié)；姜麗紅、曾宇欣、潘子奕為本書提供了許多支持和幫助。在此衷心感謝各位參與撰寫的老師和同學。蔡鴻明2024年2月
蔡鴻明，上海交通大學教授，博士生導師。西北工業(yè)大學本碩博，上海交通大學計算機博士后出站。2008年獲德國克虜伯基金會中國優(yōu)秀青年學者獎學金，2011年被上海交通大學遴選為博士生導師，2012被中國科協授予全國優(yōu)秀科技工作者榮譽稱號。2015年任上海交通大學軟件學院副院長，2019年起任上海交通大學軟件學院書記。主要學術兼職包括:ACM/IEEE Senior member，中國圖學學會常務理事，計算機圖學專委會主任；中國計算機學會杰出會員，協同計算及計算機應用專委會執(zhí)行委員；中國自動化學會制造技術專業(yè)委員會委員等，并擔任多個國際期刊編輯。獲中國高�？萍歼M步獎，中國高校自然科學獎，上海市科技進步獎等省部科技獎勵4項，近期發(fā)表論著200余篇，SCI/EI收錄超過150篇，其中ESI高被引論文4篇，授權發(fā)明專利30余項。
目錄第1章工業(yè)軟件概述/11.1工業(yè)互聯網環(huán)境下的工業(yè)軟件/11.1.1制造業(yè)的變化趨勢/11.1.2企業(yè)數字化轉型的途徑/31.1.3工業(yè)軟件的分類及發(fā)展趨勢/41.2智能互聯時代的工業(yè)軟件構造思想/61.2.1互聯網環(huán)境下的工業(yè)軟件構造挑戰(zhàn)/61.2.2工業(yè)軟件構造思想/91.3數據智能驅動的工業(yè)軟件計算框架/101.3.1結合云邊端架構的計算維度/111.3.2面向全生命周期的信息維度/111.3.3混合智能推理的算法維度/121.3.4基于多層互操作的交互維度/12本章小結/12本章參考文獻/13第2章工業(yè)軟件的計算架構/142.1工業(yè)軟件的計算架構演化/142.2面向復雜軟件交互的云邊端架構/172.2.1云邊端架構/172.2.2云邊端架構下工業(yè)任務的計算資源分配/182.3基于微服務架構的工業(yè)軟件構造/212.3.1微服務架構/212.3.2工業(yè)微服務的設計過程/232.3.3軟件系統(tǒng)的部署/262.4從數字孿生到元宇宙的計算架構/302.4.1物理世界虛擬化/322.4.2虛擬世界物理化/332.4.3虛實共生計算/352.4.4面向元宇宙的發(fā)展/37本章小結/39本章參考文獻/39工業(yè)軟件的計算技術及構造實踐目錄第3章工業(yè)軟件的信息框架/413.1產品制造的信息框架/413.2產品維度的信息模型框架/433.2.1幾何模型/443.2.2非幾何信息模型/463.2.3MBD模型/483.2.4全光函數信息模型/483.3過程維度的信息模型框架/493.3.1產品信息資源模型/493.3.2產品信息模型轉換及映射/503.4管理維度的信息模型框架/533.4.1制造本體的構建及演化/563.4.2知識圖譜/60本章小結/67本章參考文獻/67第4章工業(yè)軟件的智能處理算法/694.1工業(yè)軟件的知識表示方法/694.2基于規(guī)則的工業(yè)軟件算法/704.2.1基于一般規(guī)則的工業(yè)軟件算法/704.2.2基于時序規(guī)則的工業(yè)軟件算法/724.2.3基于聚合規(guī)則的工業(yè)軟件算法/764.3基于數據的工業(yè)軟件算法/774.3.1基于聚類的工業(yè)軟件算法/774.3.2基于關聯分析的工業(yè)軟件算法/784.4基于深度學習的工業(yè)軟件算法/794.4.1基于深度神經網絡的工業(yè)軟件算法/794.4.2基于深度置信網絡的工業(yè)軟件算法/814.4.3基于卷積神經網絡的工業(yè)軟件算法/814.4.4基于卷積深度置信網絡的工業(yè)軟件算法/834.5混合推理工業(yè)軟件算法/834.5.1基于本體預測推理的工業(yè)軟件算法/834.5.2基于反繹學習的工業(yè)軟件算法/85本章小結/86本章參考文獻/86第5章工業(yè)軟件互操作機制/895.1工業(yè)軟件的互操作技術/895.2工業(yè)軟件的語法互操作技術/915.2.1數據采集/925.2.2數據鏈接/935.2.3信息融合/945.2.4智能處理/955.2.5信息應用/965.3工業(yè)軟件的語義互操作技術/965.3.1基于數據特征的屬性級語義處理/975.3.2基于知識圖譜的實體級語義處理/975.3.3基于領域本體的概念級語義處理/995.3.4基于事理圖譜的事件類語義處理/995.4工業(yè)軟件的語用互操作技術/1005.4.1信息意圖的感知/1015.4.2環(huán)境資源的配置/1045.4.3動作行為的決策/1065.5工業(yè)軟件的互操作前沿技術發(fā)展/1075.5.1動態(tài)互操作技術/1075.5.2概念互操作技術/109本章小結/110本章參考文獻/110第6章基于云平臺的工業(yè)軟件構造及實踐/1126.1基于云平臺的工業(yè)軟件架構/1126.1.1云平臺架構/1126.1.2服務平臺構建思路/1146.1.3云服務平臺構建技術/1166.2船舶行業(yè)供應鏈云平臺構造實踐/1176.2.1業(yè)務分析/1176.2.2信息架構/1196.2.3技術架構/1256.2.4典型算法設計/1266.2.5集成交互方式/1286.2.6平臺實現/1306.2.7應用結果/134本章小結/139本章參考文獻/139第7章基于邊緣計算的工業(yè)軟件構造及實踐/1407.1基于邊緣計算的工業(yè)軟件架構/1407.2航天行業(yè)邊緣計算單元交互平臺構造實踐/1477.2.1業(yè)務分析/1477.2.2信息架構/1487.2.3技術架構/1507.2.4典型算法設計/1527.2.5集成交互方式/1567.2.6軟件實現/1587.2.7應用結果/164本章小結/168本章參考文獻/168第8章應用端工業(yè)軟件構造及實踐/1698.1應用端工業(yè)軟件構造方法/1698.1.1工業(yè)APP的應用模式/1698.1.2應用端軟件開發(fā)方法論/1718.2典型案例1：基于知識圖譜的航空產品構型變更管理軟件/1738.2.1業(yè)務分析/1738.2.2信息架構/1778.2.3技術架構/1818.2.4典型算法設計/1828.2.5軟件實現/1838.2.6應用結果/1898.3典型案例2：基于三維點云的船舶彎板智能加工系統(tǒng)/1958.3.1業(yè)務分析/1968.3.2信息架構/1988.3.3技術架構/2018.3.4典型算法設計/2038.3.5軟件實現/2128.3.6應用結果/220本章小結/221本章參考文獻/221第9章工業(yè)軟件構造發(fā)展趨勢/2239.1開源生態(tài)助力工業(yè)軟件發(fā)展/2239.1.1開源軟件/2239.1.2工業(yè)軟件的生態(tài)/2259.2工業(yè)軟件發(fā)展趨勢和展望/2329.2.1工業(yè)軟件面臨的新挑戰(zhàn)/2329.2.2工業(yè)軟件的未來技術趨勢/232本章小結/237本章參考文獻/237
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