工业组态 + LLM ： 大模型技术引领传统工业软件创新与实践(上）

引言

6月1日的广州港珠澳云峰会，我们发布了工业组态智能版(工业生产管控可视化引擎)，通过将工业传统组态软件（工业组态应用开发&工业生产可视化软件）结合强大的大型语言模型能力（LLM），通过AI人工智慧助手Copilot的方式重塑应用开发新交互，释放用户创造力，突破知识边界，降低产品门槛，提高生产力等，另一方面，未来所有的产品都会基于LLM有一轮智能化的升级，对比业界组态软件WINCC、InTouch等竞品，结合大模型让产品更有竞争力。

我们用了2个月的时间完成了工业组态智能版的产品设计与技术研发，结合大模型，对原有工业组态智能版(工业生产管控可视化引擎) 做智能化升级，结合大模型让产品有了工业知识问答、工业应用生成、智能辅助绘图、智能属性修改、组态代码生成、素材生成等功能。

智能效果展示如下：

01：工业知识问答：

02：工业组态应用生成

03：智能绘图：基础图形绘制

智能绘图：属性修改

04：智能脚本生成

05：智能素材生成

这篇文章想分享下：

1. 工业软件产品与大模型结合创新的思考
   
2. 工业组态智能版的技术架构与实现
   
3. 基于LLM开发的一些建议
   

对于不同背景的同学可以选择阅读。本文涉及到的内容也比较多，并非都能介绍清楚，大家有关系的问题可以留言，我后续再进行补充。

问了方便大家阅读，也简单减少下工业组态软件(工业生产管控可视化引擎) 的背景

工业组态用于解决工业生产过程的数据呈现、过程管理、设备控制与运维的应用。系统分为编辑器和应用运行时。

通过编辑器实现一个工业组态应用有3步：

1. 定义数据点：数据点位的数据源来源于OT数据和IT数据。OT数据通过数据采集平台，读取PLC驱动数据得到，IT数据通过组态系统定义的数据驱动（数据库、api接口、mqtt\kafuka\nats消息）获取
   
2. 可视化应用开发：通过低代码引擎搭建现场画面，并绑定数据点
   
3. 发布和托管应用：传统的工业组态是基于CS架构，我们的软件基于BS浏览器架构，通过WEB应用渲染第二部生产的DLS，包括画面和数据部分，从而形成完成的工业应用。
   

产品界面

工业组态应用案例：工艺流程、生产过程管理、设备运维、andon应用、仓储库存、机运管理、能耗管理、数字孪生、生产大屏等组态应用。

工业组态软件智能版如何与大模型结合

大模型是统一模态（跨模态、视觉、语言等模态）和任务（如图片生成、视觉定位、图片描述、图片分类、文本生成等），通过大模型我们可以用自然语言快速获取信息，加工文本，另外也降低了AI技术使用门槛。

在工业组态场景中，借助大模型的能力，实现工业组态智能化升级，主要考虑这4个方面：

1. 使用LLM，突破工业信息边界，给用户有更专业的工业信息与知识的补充。
   
2. 使用LLM重构传统工业组态应用基于搭建的开发过程
   
3. 使用LLM降低专业工业软件对使用者的基本要求，降低使用者门槛
   
4. 使用LLM的语言模型能力，降低natural language processing研发门槛和成本，改善产品交互体验

使用LLM，突破工业信息边界，给用户有更专业的工业信息与知识的补充

大模型最先想到的场景是Chat。在工业场景可以用于获取通用的工业生产、运维、安全、制造等信息，也可以通过私有数据做到更专业、更私域的知识获取。

通用的工业知识：工业知识，大模型在训练初期收录了大量干净、人工标注的数据，这类数据也包含了非常多工业领域的通用知识，如关于工业生产、运维、能耗相关的通用问题，这类知识对工业从业人员仍然非常有用处，我接触的很多工厂与制造从业人员对通用知识也并非都知道的，工业行业跨度很大，从业人员只了解自己工厂生产的产品、设备、过程相关知识。同行业其他工厂的知识，跨行业的通用知识对他们帮助也很大。

专业经验知识：针对特定领域的知识，更专业的知识可能存在于某些工业手册，会议纪要，操作指南，设备运维手册，甚至只存在工厂个别专家的脑袋中。如果这类知识可以通过大模型进行记录，并且通过自然语言进行获取，对工业帮助特别特别大。接触到一个制造企业工厂，是我们的客户，工厂数字化系统是使用我们的工业产品落地的，在与设备运维负责人沟通交流中，拿到了该工厂近五年所有设备故障复盘总结日志，包括问题、原因、解决方案的文本与图片记录。通过专属大模型，建立企业专属工业知识库，通过自然语言进行交互，对比传统方式有很多好处：

1. 专家永远24小时在线，解决任何问题。一线工人在设备遇到故障时候，可以快速找到解决故障的问题和方法。
   
2. 没有语言障碍：大模型是支持多语言的，所以无论什么语言的工业知识，都可以作为沉淀，也都可以交流。输入的说明书是英文的，这在工业设备手册场景是很常见的，但运维人员可以通过中文对话，获得需要的中文信息。
   
3. 自定义提问的姿势。用使用者的视角，按照个性化的姿势进行提问，根据回答内容不断追问，直到完全理解为止
   
4. 大模型没有容量限制，而专家的脑袋是有限制的。
   
5. 信息获取效率高。大量的手册、知识、经验中找到自己需求的信息是很费时的操作，但使用LLM，速度总是很快很快。

使用LLM重构传统工业组态应用基于搭建的开发过程

工业组态类应用开发有2个阶段，阶段1：在1985年之前，所有的组态应用都是定制化开发的，应用开发成本高，效率低。阶段2：工业场景中 生产过程、状态监控、设备控制、安全告警、这类应用相似度很高，因此1985年之后出现了工业类似低代码的软件系统，叫组态，英文名configuration，意思是通过配置的方式，将状态点和控制点通过工业PLC和各种取得采集，与画面UI绑定。

基于LLM，工业组态应用开发可以做到免开发与配置，通过用户诉求直接生成应用，而组态编辑器只作为做应用微调、修正、个性化修改的工具。这个观点其实对任何低代码产品都适用。低代码产品往往都会面临一个问题“用户是谁”，服务客户、还是客户的员工、还是软件服务商？不同用户有着完全不同的诉求和商业策略。客户需要的是能用的应用，而不是生产力工具。所以低代码产品最终演变成一个工具产品，客户会算账到底能不能省钱，但这笔账是没法算清的，原因是系统的灵活性到底该值多少钱是算不清的。

所以如果能基于LLM做到完全免代码开发，用户提出需求，生产应用，在提出修改建议，再修正应用，基于LLM把应用开发系统变成一个应用生成系统，编辑器成为了一个修改和优化的角色，这才是接下来的低代码、无代码平台的发展趋势。

我们在产品中目前仅仅实现了一小步部分，用场景模板做关联匹配与逐步渲染，并提供自然语言指令做图形绘制、属性修改等功能，但还未实现全量的元件、组件、素材属性修改与绘制。已完成和未完成的功能见下图。

使用LLM降低工业用户作为专业工业软件使用者的门槛

工业软件的使用者为工厂的工人、工业自动化专业的工程师、工业工程管理与运维人员。在工业组态场景中，代码编写的门槛就很高，大部分设备工程师并不会写代码，哪怕是最简单的代码，都有语言、环境、语法等一堆问题需要解决。

举个例子: 工业生成现场采集到的数据往往是最原始的状态，如工位安全生产状态位数据是0，1，2，代表着工位生产状态是 正常、告警、故障三种。在组态应用中需要用这三种颜色来表示生产状况的视觉卡片，如下图所示。

这时候就需要用户具备编写脚本的能力，通过代码把数值转换成对应的颜色。这个过程难倒了大部分的工业从业者，因此企业不得不寻求软件服务商参与，那么数字化的成本和效率都有几十倍的损耗。假如可以用自然语言就能完成代码编写，那极大程度降低了专业软件的使用门槛。

我们验证了在工业组态场景经常需要编写脚本的类型（状态位和UI元素转换，数值计算，单位处理等），通过大模型都能很好的解决。

基于LLM的语言模型能力，降低natural language processing研发门槛和成本，改善产品交互体验。

第四点是所有产品与技术都可以通用的，使用自然语言指令，实现产品原来就有的功能，改善产品交互体验。

比如工业组态智能版中，原本需要通过鼠标一个个绘制的图形，现在只需要输入语言指令：“帮我画10个灰色圆角的方形，长宽200*200”就可以实现， 原本需要再右侧一大堆属性配置选项中找到背景色，在通过颜色选择器完成的背景色配置，现在只需要输入语言指令：“帮我把背景色修改成红色”。

而大模型提供的能量就是极大简化了natural language processing 应用研发门槛和成本.，如果不依赖大模型，一般会有2种方式 1）自己训练模型，需要准备大量的指令和训练数据，做监督学习，模型调优，模型部署与剪裁 2）使用成熟的NLP框架，如Spacy，需要详细的词法分析的工程化工作，且效果并不好，出错率也高，并且需要针对每一条语音指令做规则处理。使用Spacy实现语言指令大致过程如下 ：

importspacynlp=spacy.load("zh_core_web_lg")
text="把背景颜色改为红色"doc=nlp(text)

这段代码中doc是一个语言文档，包含一个数字，里面给出这句话每个词及词的词性，比如动词、介词宾语、主语、助动词、量词、副词...等。其中包含一个root节点作为语句的起始。无论使用哪一种，成本和门槛都很高。

基于大模型实现语言指令就很简单，你所要做的就是会使用Prompt就够了，研究下Prompt工程，合理的设定问题和问题反馈的格式就可以做到。我实现这段功能的prompt也比较简单，如下所示。prompt定义了问题，输入、返回格式、小样本案例、异常处理示例。通过这个Prompt，输入 " 帮我把字体大小改成12" ，就可以得到{ "fontSize":"12"}，接下来就简单了，在工业组态应用程序中修改对应ComponentID的Props值就完成了功能。这部分在技术实现中我在详细去解释。

defprops_prompt(input):
example='''example:
输入示例1：帮我把字体大小改成12输出示例1：{ "fontSize":"12"}
输入示例2：帮我把名称改成组件001，边框颜色改成红色输出示例2：{ "name":"组件001" , "borderC":"red"}
输入示例3：请将透明度修改为0.5，位置修改为x:100,y:200输出示例3：{ "opacity":0.5 , "x":100, "y":200}
输入示例4：背景颜色改为黄色输出示例4：{"bgColor":"yellow"}
'''ret=f'''一个组件有如下属性。key表示属性英文名称,value表示属性中文名称,如果一个key对应多个多个中文名称，用|分割"name": "组件名称",
"content": "文字内容|文字|内容",
"w": "宽度 长度",
"h": "高度",
"x": "x位置",
"y": "y位置",
"z": "z位置",
"borderW":"边框大小 | 边框粗细",
"borderW":"边框",
"visible": "显示 true|隐藏 false",
"opacity": "透明度",
"borderC": "边框颜色",
"bgColor": "背景颜色",
"color": "文字颜色",
"fontSize": "字体大小 | 文字大小",
"textAlign": "文字水平对齐方式", //左对齐left 居中对齐middle 右对齐right"verticalAlign": "文字垂直对齐方式",  //上对齐top 居中对齐middle 下对齐bottom接下来我会输入一句话，用来修改组件对应属性的值返回结果格式为json,对应内容是 {{ "英文key": "修改的数值" }}
请不要返回除了json以外的其他任何内容用户输入内容为：{input}
给你一些参考示例:
    {example}
异常处理: 如果用户想要修改的属性不再列表中，请返回: {{ "error": "支持修改的属性包括：文字内容，长度、宽度、边框大小、边框颜色、透明的、隐藏、显示、文字颜色、文字内容、字体大小" }}
'''returnret

另外一个案例就是图片生成和图片搜索，我们提供了1000多个工业常用领域的素材库，通过自然语言区实现图片搜索，会比搜索框更高效。

组态智能版中的自然语言素材生成是搜索 + text2img的能力。使用了阿里云的Imageenhan服务。但目前市面上的text2img服务，无论是Imageenhan、stable diffusion、midjourney 对与工业场景的素材生成效果差强人意，所以组态产品还是优先在工业素材库中进行2D3D素材匹配。

小结：目前基于LLM已经做到的功能，和接下来可以继续探索部分

黄色：已经实现

灰色：未来规划

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