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華科陳立平教授:關于中國工業軟件技術創新與應用發展的思考

來源:本站原創 瀏覽人數: 時間:2019-3-21 15:15:11


近一年來,隨著中美貿易戰的開啟,特別是“中興事件”的爆發,引發了國人對自主核心技術的廣泛焦慮和深入思考。近日,華中科技大學機械學院CAD中心陳立平教授撰文,針對我國工業軟件技術創新與應用發展現狀,做了深入的思考并提出了很有價值的建議,認為基于統一模型規范的全系統建模、分析、仿真優化及軟件自動生成技術是國際智能系統與產品研發技術的重要創新方向,中國在該領域應有所作為,快速趕上。


華科陳立平教授:關于中國工業軟件技術創新與應用發展的思考

陳立平,科技部國家企業信息化應用支撐軟件工程技術研究中心(武漢)

華中科技大學 機械學院 CAD中心


一、破“集成創新”,立工業軟件


軟件是智能的載體,是智能社會最重要的基礎要素。運行于智能產品、工業裝備與系統全生命周期活動中的先進軟件是工業乃至社會發展水平的重要標志,是未來智能工業的重要基礎支撐,是不能受制于人的關鍵核心技術。


工業軟件不同于IT軟件,是工業知識創新長期積累、積淀并在應用中迭代進化的工具產物,正如趙敏先生在《為工業軟件正名》鮮明指出“工業軟件是一個典型的高端工業品,它首先是由工業技術構成的!研制工業軟件是一門集工業知識與“Know-how”大成于一身的專業學問。沒有工業知識,沒有制造業經驗,只學過計算機軟件的工程師,是設計不出先進的工業軟件的!”。


工業軟件是工業創新實踐的技術溢出,是先進生產力的關鍵要素,只要工業技術創新不息,工業軟件創生不止。林雪萍、趙敏先生在《工業軟件黎明靜悄悄|“失落的三十年”工業軟件》對中國工業軟件歷史給出了“親歷的全景式”回望,徹腹的“哀其不幸、怒其不爭”讓人噓唏不已。趙翰林、林雪萍先生在《仿真軟件史就是大魚吃小魚的歷史|工業軟件史》總結了國際工業軟件技術與產業發展,生動地描繪了國際工業軟件“繁衍不斷、生生不息”的蓬勃生態,雖然“大魚吃小魚”,但“池子里總有魚”。


工業軟件按照運行場景為兩大類:


1、研發與管理工具類(off-line)


智能產品、裝備與系統的研發、管理、維護活動中需要運用大量的軟件工具,如CAD、CAE、CAM、PLM、ERP、MES、MRO等,形成產品全生命周期工具軟件體系。工具軟件通常具有一定的領域、行業、專業的通用性,作為工程師的輔助工具支撐智能裝備與系統研發(off-line),已形成較完整的技術體系,在工業界得到廣泛應用,此類技術國內有一定基礎。


2、系統運行時類(on-line)


智能產品、裝備與系統是典型的多學科集成的信息物理融合系統(CPS),其中嵌入越來越多的運行時類軟件,此類軟件是連接Cyber和Physical的重要設備,已成為智能產品重要的組成部分(on-line)。


在現有的產品全生命周期工具軟件體系中缺乏跨領域、全系統建模及軟件自動化工具,此類軟件研制生產主要依賴人工編寫,研發效率低、可信度低、可維護性差,面臨生產效率和質量的雙重矛盾。


隨著復雜產品系統智能化(嵌入式應用軟件)趨勢的快速發展,相應的數字化設計方法和技術體系已成為制約因素。


以個人長期實踐經驗來看,導致中國工業軟件落后的原因是多方面的:


1、  從文化層面看,我們長于“道、理”,短于“術、器”,“君子動口不動手”,熱衷于新理念、新概念的玄究,所謂“玄而又玄,妙不可言”,輕視“術、器”的恒力打造,導致工業母機在內的高端生產工具普遍落后,工業軟件更是如此。


2、  從歷史發展層面看,改革開放40年中國從農業化向工業化轉型的過程中,以“逆向工程”為主的技術發展方式導致我國工業軟件自主發展缺乏足夠的內在源動力。


3、  視集成為創新,加劇了基礎、關鍵核心技術的空心化,我們一輪又一輪地引進、推廣“XX化”的“道、理”,而在“術、器”方面鮮有作為,最終導致相關基礎工具軟件幾乎被國外壟斷,受制于人,國內相關技術研發力量嚴重萎縮,自主可控工業軟件舉步維艱。


不破不立。以創新引領發展,建設創新型國家,首先要摒棄“集成創新”,重視工業軟件!


二、新工業革命,軟件的革命


信息高度發達的后工業化社會的根本技術特征是信息物理系統CPS.新世紀以來,CPS引爆了以德國工業4.0革命為代表的新一輪工業革命。


華科陳立平教授:關于中國工業軟件技術創新與應用發展的思考


德國工業4.0采用全新的語境:工業、系統、軟件、模型、標準,強調軟件是工業的未來,并指出未來的工業軟件必須采用基于模型的理論、方法和工具,這就是“工業4.0組件參考架構模型(RAMI 4.0)”誕生的基本邏輯。從標準到模型,從模型到軟件,從軟件到系統,任何數字化工廠的構成,最終都需要由工業軟件來實現。正在到來的新工業革命,實際上就是工業軟件的革命,是軟件的核心知識與開發手段的革命,為此必須創新發展新一代數字化設計技術,構建基于模型標準Modelica的知識自動化工業軟件創成與應用技術體系。


知識自動化技術體系是中國工業系統數字化設計技術及軟件創新發展的難得的歷史性機遇。


三、無先發優勢,有后發劣勢


當前眾多單領域、單學科關鍵設計研發工具90%以上為國外掌控,各個軟件工具在國外工業創新實踐迭代中歷經幾十年積累,具備了先天的先發優勢。而我國的自主可控數字化設計技術體系基本上只有后發劣勢。


1、強于詳細設計、弱于概念設計和系統設計


雖然產品的設計流程是從概念到物理自頂向下的展開的,但技術手段和工具發展是自底向上發展的,數控技術先于CAD技術、CAE技術先于CAD,詳細設計技術先于系統設計技術等等。目前成熟的數字化設計與驗證技術與工具體系只能支撐部分大回路設計驗證。德國工業4.0強調需要建立基于模型的系統工程技術體系,實現全系統早期多回路設計驗證。


系統設計與驗證技術是中國數字化設計技術創新發展技術突破口。


華科陳立平教授:關于中國工業軟件技術創新與應用發展的思考


2、單學科設計工具及其集成難以完備實現多學科融合


從工程角度,智能產品、裝備和制造系統是多專業交聯集成的復雜系統。產品研發過程中涉及機、電、液、熱、控等多個不同學科,各學科之間相互耦合影響,需要多學科的集成?,F有的設計研發軟件工具缺乏全局觀,以傳統的軟件編制工藝“分科而制”,目前基于單學科軟件工具的多學科融合實際是多專業工具軟件的信息集成,由于需要專業地部署集成眾多學科軟件工具實現多學科集成,增加了軟件成本,也嚴重影響了設計師桌面快捷應用。


從科學角度,智能產品系統的每個物理學科均可以表征為在同一狀態空間下的數學方程系統,從而完整反映系統的耦合性。傳統多學科集成以相關異構單學科建模工具軟件+計算流程的信息集成,人為地將完整的數學系統割裂成若干子系統,弱化系統耦合,不能完整地刻畫系統的行為,因此基于信息集成的多學科集成具有不完備性。


華科陳立平教授:關于中國工業軟件技術創新與應用發展的思考


3、具有CPS特征的智能產品研發需要高效、可靠的軟硬件協同


從信息物理融合的角度,智能產品設計交付物不再像傳統產品只有圖紙,還有越來越多的與產品行為密切關聯的運行時軟件(嵌入式軟件)。由于缺乏軟件工程師和多專業物理工程師有效協同技術工具手段,導致嵌入式軟件開發、測試、驗證自動化程度低、周期長、成本高,因此軟件與物理專業高效協同的技術手段是智能產品開發的技術瓶頸。


華科陳立平教授:關于中國工業軟件技術創新與應用發展的思考


運行時類軟件與系統特性與行為密切相關,具有多學科融合、軟硬件高度契合、個性強、涉及面廣、技術難度大等特點。目前此類軟件研制生產主要依賴人工編寫,研發效率低、置信度低、可維護性差,面臨生產效率和質量的雙重矛盾。以多學科全系統行為建模仿真分析以及模型驅動的代碼自動生成技術實現“知識可重用、系統易重構”是提高此類軟件置信度、研發效率和可維護性的有效技術途徑。


拋開我們在各個單學科領域方向與國外軟件幾十年技術代差不談,僅僅在研發方向和模式上,如果我們試圖以傳統的軟件開發模式,在各個單學科領域方向孤立研制,可以說自主可控數字化設計技術體系機會寥寥。


四、國際風向變,軟件自生成


其實,國際上軟件研發技術的趨勢和模式,已經開始變化和轉型。


任何工業設計研發活動都離不開兩個空間:幾何空間和狀態空間。


在幾何空間,計算機輔助設計(CAD)自上世紀六十年代初以來,發展了計算機輔助幾何設計技術CAGD,為產品結構設計提供了卓越的空間設計工具。事實上直到上世紀80年代初出現非均勻有理B樣條技術NURBS之前,CAGD缺乏統一的標準技術體系,嚴重的影響了CAD技術在工業界的普及推廣,NURBS“橫掃六合、總齊八荒”,將CAD技術推進了大規模應用創新的時代。


但是,在狀態空間,迄今為止,針對產品系統行為、功能及性能,圍繞狀態空間建模、分析及仿真活動,由于缺乏統一的知識模型表達標準,形成了紛繁的單學科領域仿真軟件工具,致使建模與仿真(M&S)遠未及CAGD,在工業界達到普及深入標準化的應用推廣。


直到基于統一模型規范Modelica的出現,才改變了這種狀況。作為全系統建模、分析、仿真優化及軟件自動生成技術,Modelica已成為國際智能系統與產品設計研發技術的重要創新方向,是繼計算機輔助幾何設計CAGD之后,工業軟件技術的重要創新,是新一輪工業革命的設計技術制高點,歐美發達國家正籍此構筑新的技術壁壘,對此,我們必須有所為。


華科陳立平教授:關于中國工業軟件技術創新與應用發展的思考


任何復雜工業品的開發,都是基于統一模型表達的跨領域模型以端到端的方式構建全系統模型,實現多專業、多學科的流程協同與無縫集成的實踐活動。多領域物理統一建模技術研究正在不斷推動知識自動化技術體系的發展,通過系統模型的數學自動映射,實現基于數學的模型集成,建立更具完備性的系統行為模型;通過對數學系統的自動分析和推理,結合基礎數學算法,實現全系統功能樣機的仿真分析;實現模型驅動的計算代碼自動生成技術,提升嵌入式軟件開發流程(模型在環、軟件在環、硬件在環和快速控制原型)的自動化水平,為軟件與物理工程師有效協同提供技術支撐。


隨著復雜產品系統智能化(嵌入式應用軟件)趨勢的快速發展,相應的數字化研發方法和技術體系已成為制約因素。


國際傳統CAD\CAE\自動化技術廠商紛紛并購系統建模及軟件自動化技術,著力打造設計分析仿真優化及軟件自動生成一體化技術。


多學科復雜產品研發技術創新一直是國際上的研究熱點。


1997年鑒于IC領域硬件描述語言在支撐IC復雜系統產品開發方面取得的巨大成功,歐盟在《下一代多電飛機》研究項目中提出研究、設計工業領域普適的多領域物理統一建模語言Modelica,為歐洲工業的智能協同提供模型標準;


2006年6月國際產品全生命軟件巨頭法國達索系統公司認定“Modelica是未來工業知識的表達標準”。


2006年歐盟為推動Modelica技術體系研究和應用,啟動了歐洲系統模型庫項目EUROSYSLIB.


2011年美國國防部先進研究項目局公布了《自適應運載器MAKE》計劃,提出統一模型標準(包括Modelica),采用基于模型的系統工程方法,在一個技術體系下快速研發、部署海陸空天運載器,效率提高5倍,實現“構造即正確”。


2013年4月發布的德國工業4.0認為軟件是工業的未來,未來的工業軟件應基于模型的理論、方法和工具自動產生,建立全系統模型必須建立跨領域的模型標準,Modelica是工業領域重要的模型表達與互聯標準??梢钥闯?,德國工業4.0,力圖以工業、系統、軟件、模型及標準為熱頻語義,勾畫未來更加智能的工業及社會。


2006年6月國際著名CAD廠商達索系統DS宣布Modelica是未來工業知識表達標準,并宣布了“基于Modelica的嵌入式開放戰略”,以此全面打造工業系統解決方案。


2004年以來傳統的自動化技術巨頭西門子公司先后收購了三維CAD公司UGS、2015年收購了工業系統測試技術公司LMS、電子設計自動化公司Mentor等,開啟了全面的工業軟件與服務的戰略轉型。


2016以國際著名CAE公司ANSYS收購模型驅動的軟件生成系統SCADA為典型。


面向CPS的智能產品系統建模與仿真技術體系主要由兩部分組成:模型驅動的建模仿真與代碼生成軟件系統(Matlib、LabView、SCADA、Dymola、SimulationX、AVL.Cruse、……)+實時計算設備(DSPACE、NI、RT-LAB、……)。國外相關軟件與硬件廠商以形成類似Wintel聯盟,幾乎掌控了復雜系統產品的高端開發技術體系和手段,以汽車電控領域為例,歐洲汽車研發咨詢商AVL,以其汽車系統設計分析軟件+實時計算設備DSPACE全面壟斷了中國汽車電控正向設計研發技術體系,特別需要說明的是DSPACE在10年前已對中國軍工領域全面禁運。


國際多領域物理統一建模語言Modelica規范及技術發展重要事件


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五、知識自動化,一畫可兩得


1、思想理念的創新


工業軟件是工業技術工具,應當用工業(物理的)方式而非IT算法方式去創造;工業思想方法即機理、本構、模塊化、端到端集成及畫圖等等;工業軟件的應用者也是工業品的創造者,新的創新輔助設計技術應當支撐設計師在設計物理系統的同時,同步創成相關的計算分析程序;新一代工業軟件應當具有模型可復用、系統易重構的技術特征,以適應復雜多變的工業個性化需求。


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2、原理與技術創新


為了完備地實現多學科融合,須建立統御各單學科原理的工程物理系統原理。


工程物理系統集成是以組件端口連接集組而成,端口連接的作用機理可歸納為能量流、物質流、信息流,“三流合一”是工程物理系統的基本原理。


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對于集中參數多學科集成系統,可以建立基于模型的數學自動演繹體系,以端到端的模式實現系統數學體系的自動建立,進而自動生成系統計算程序,形成知識自動化技術體系。如此,基于統一模型的知識自動化技術體系以工業的、物理的方式(繪制系統構型)實現了“畫出系統構型,生成計算程序,體驗系統性能”的工業軟件創造與應用的新模式,以“一畫兩得”支撐“兩化融合”,畫出原理模型,即可自動生成代碼,編出軟件程序。


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六、所幸有布局,技術已驗證


十一五以來,科技部863先進制造領域及時把握了國際數字化設計領域技術創新發展趨勢,及時布局開展了多領域物理統一建模語言Modelica基礎理論和共性技術研究,在基礎理論方法及使能技術方面取得較全面的突破,形成的研究成果在航空航天等領域的重點型號工程,如中國空間站全系統功能樣機、嫦娥5號電總體設計及仿真、航天液體動力系統、大型民用飛機著陸及飛控系統仿真等,得到初步驗證。


由于國家及時布局,我國目前已成為全面掌握多領域物理統一建模語言Modelica規范及技術體系的原創國,在基于模型的基礎理論方法和軟件實現方面目前處于國際先進水平(從跟跑進入并跑),但在形成全面的工業能力方面危機與機遇并存。


七、建議與構想


基于統一模型規范的全系統建模、分析、仿真優化及軟件自動生成技術是國際智能系統與產品研發技術的重要創新方向。中國必須有所作為。


目前商用的“分科而制”單領域建模分析軟件工具90%以上為國外掌控,其發展積淀長達數十年,如果我們仍然以傳統方式追趕,可以說中國工業應用軟件機會渺茫。


多領域物理統一建模理論方法與技術所創造的知識自動化技術體系創新了工業軟件生成方式,在技術上形成了后發優勢,可形成“一張白紙可以畫出最新、最美的圖畫”的態勢,是我國自主可控的高端分析建模技術和工業應用軟件創新發展難得的機遇。


誰掌控了多領域物理統一建模技術,誰就掌握了未來復雜工業軟件技術的發展權和主動權,如果我們遲疑、懈怠,必將喪失掌控高端工業軟件基礎核心技術發展權,導致不堪的后果。


經過十一五、十二五科技部前期工作,中國已經突破了國際多領域物理統一建模核心技術,從技術“跟跑”進入“并跑”階段,我們應當抓住中國創新的歷史機遇,大力推動中國多領域物理統一建模技術體系研究和應用推廣,完全有可能在系統建模分析軟件領域全面突破,在技術上“并跑”保持第一梯隊,在應用上實現“領跑”。


華科陳立平教授:關于中國工業軟件技術創新與應用發展的思考


為此需要重視一下幾方面工作:


1、深入持續的開展工業知識(模型)的表達與互聯研究,建立完整的基于模型驅動的知識自動化技術體系,以知識自動化為技術手段,以設計智能化技術使命,與工業應用深度融合,逐步推進體系建設。


2、建立模型標準研究、領域模型創造與重用、基于模型的知識自動化系統軟件以及模型應用的協作機制和體系,營造工業領域基于模型知識的新生態,開創中國工業系統智能協同新局面。


華科陳立平教授:關于中國工業軟件技術創新與應用發展的思考


3、重視工業軟件研究、開發、應用的人才培養,特別是在新工科教育中強化工業軟件的基礎作用。


華科陳立平教授:關于中國工業軟件技術創新與應用發展的思考


3、針對面向CPS的智能產品系統建模與仿真技術體系,國家應當倡導自主可控,打通相關專項單點技術和資源(軟件、硬件研發與工業應用聯動),融入中國創新,強化應用迭代,為此組織力量(產、研、用)在重大創新工程中設立專題技術指標,形成技術創新聯盟,在創新實踐中迭代實現自主技術的可持續發展。


4、制定相關產業聯動政策,鼓勵工業界采用國產替代技術,結合中國創新工程,整合現有成果和資源,明確技術和應用指標,在本領域實現全面的可持續創新能力,掌握新一代工業軟件技術體系可期可待。


華科陳立平教授:關于中國工業軟件技術創新與應用發展的思考


核工業機器人與智能裝備協同創新聯盟成立!促進核工業發展 http://www.740376.tw/Item/Show.asp?m=1&d=2871 返回首頁
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