破“集成創(chuàng)新”,立工業(yè)軟件

軟件是智能的載體，是智能社會最重要的基礎(chǔ)要素。運(yùn)行于智能產(chǎn)品、工業(yè)裝備與系統(tǒng)全生命周期活動中的先進(jìn)軟件是工業(yè)乃至社會發(fā)展水平的重要標(biāo)志，是未來智能工業(yè)的重要基礎(chǔ)支撐，是不能受制于人的關(guān)鍵核心技術(shù)。

工業(yè)軟件不同于IT軟件，是工業(yè)知識創(chuàng)新長期積累、積淀并在應(yīng)用中迭代進(jìn)化的工具產(chǎn)物，正如趙敏先生在《為工業(yè)軟件正名》鮮明指出“工業(yè)軟件是一個典型的高端工業(yè)品，它首先是由工業(yè)技術(shù)構(gòu)成的!研制工業(yè)軟件是一門集工業(yè)知識與“Know-how”大成于一身的專業(yè)學(xué)問。沒有工業(yè)知識，沒有制造業(yè)經(jīng)驗，只學(xué)過計算機(jī)軟件的工程師，是設(shè)計不出先進(jìn)的工業(yè)軟件的!”。

工業(yè)軟件按照運(yùn)行場景為兩大類：

1、研發(fā)與管理工具類(off-line)

智能產(chǎn)品、裝備與系統(tǒng)的研發(fā)、管理、維護(hù)活動中需要運(yùn)用大量的軟件工具，如CAD、CAE、CAM、PLM、ERP、MES、MRO等，形成產(chǎn)品全生命周期工具軟件體系。工具軟件通常具有一定的領(lǐng)域、行業(yè)、專業(yè)的通用性，作為工程師的輔助工具支撐智能裝備與系統(tǒng)研發(fā)(off-line)，已形成較完整的技術(shù)體系，在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，此類技術(shù)國內(nèi)有一定基礎(chǔ)。

2、系統(tǒng)運(yùn)行時類(on-line)

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

在現(xiàn)有的產(chǎn)品全生命周期工具軟件體系中缺乏跨領(lǐng)域、全系統(tǒng)建模及軟件自動化工具，此類軟件研制生產(chǎn)主要依賴人工編寫，研發(fā)效率低、可信度低、可維護(hù)性差，面臨生產(chǎn)效率和質(zhì)量的雙重矛盾。

隨著復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)智能化(嵌入式應(yīng)用軟件)趨勢的快速發(fā)展，相應(yīng)的數(shù)字化設(shè)計方法和技術(shù)體系已成為制約因素。

以個人長期實踐經(jīng)驗來看，導(dǎo)致中國工業(yè)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(shù)、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(shù)、器”的恒力打造，導(dǎo)致工業(yè)母機(jī)在內(nèi)的高端生產(chǎn)工具普遍落后，工業(yè)軟件更是如此。

2、 從歷史發(fā)展層面看，改革開放40年中國從農(nóng)業(yè)化向工業(yè)化轉(zhuǎn)型的過程中，以“逆向工程”為主的技術(shù)發(fā)展方式導(dǎo)致我國工業(yè)軟件自主發(fā)展缺乏足夠的內(nèi)在源動力。

3、 視集成為創(chuàng)新，加劇了基礎(chǔ)、關(guān)鍵核心技術(shù)的空心化，我們一輪又一輪地引進(jìn)、推廣“XX化”的“道、理”，而在“術(shù)、器”方面鮮有作為，最終導(dǎo)致相關(guān)基礎(chǔ)工具軟件幾乎被國外壟斷，受制于人，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)研發(fā)力量嚴(yán)重萎縮，自主可控工業(yè)軟件舉步維艱。

不破不立。以創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展，建設(shè)創(chuàng)新型國家，首先要摒棄“集成創(chuàng)新”，重視工業(yè)軟件!

新工業(yè)革命，軟件的革命

信息高度發(fā)達(dá)的后工業(yè)化社會的根本技術(shù)特征是信息物理系統(tǒng)CPS。新世紀(jì)以來，CPS引爆了以德國工業(yè)4.0革命為代表的新一輪工業(yè)革命。

德國工業(yè)4.0采用全新的語境：工業(yè)、系統(tǒng)、軟件、模型、標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)軟件是工業(yè)的未來，并指出未來的工業(yè)軟件必須采用基于模型的理論、方法和工具，這就是“工業(yè)4.0組件參考架構(gòu)模型(RAMI 4.0)”誕生的基本邏輯。從標(biāo)準(zhǔn)到模型，從模型到軟件，從軟件到系統(tǒng)，任何數(shù)字化工廠的構(gòu)成，最終都需要由工業(yè)軟件來實現(xiàn)。正在到來的新工業(yè)革命，實際上就是工業(yè)軟件的革命，是軟件的核心知識與開發(fā)手段的革命，為此必須創(chuàng)新發(fā)展新一代數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，構(gòu)建基于模型標(biāo)準(zhǔn)Modelica的知識自動化工業(yè)軟件創(chuàng)成與應(yīng)用技術(shù)體系。

知識自動化技術(shù)體系是中國工業(yè)系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計技術(shù)及軟件創(chuàng)新發(fā)展的難得的歷史性機(jī)遇。

無先發(fā)優(yōu)勢，有后發(fā)劣勢

當(dāng)前眾多單領(lǐng)域、單學(xué)科關(guān)鍵設(shè)計研發(fā)工具90%以上為國外掌控，各個軟件工具在國外工業(yè)創(chuàng)新實踐迭代中歷經(jīng)幾十年積累，具備了先天的先發(fā)優(yōu)勢。而我國的自主可控數(shù)字化設(shè)計技術(shù)體系基本上只有后發(fā)劣勢。

1、強(qiáng)于詳細(xì)設(shè)計、弱于概念設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計

雖然產(chǎn)品的設(shè)計流程是從概念到物理自頂向下的展開的，但技術(shù)手段和工具發(fā)展是自底向上發(fā)展的，數(shù)控技術(shù)先于CAD技術(shù)、CAE技術(shù)先于CAD，詳細(xì)設(shè)計技術(shù)先于系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)等等。目前成熟的數(shù)字化設(shè)計與驗證技術(shù)與工具體系只能支撐部分大回路設(shè)計驗證。德國工業(yè)4.0強(qiáng)調(diào)需要建立基于模型的系統(tǒng)工程技術(shù)體系，實現(xiàn)全系統(tǒng)早期多回路設(shè)計驗證。

系統(tǒng)設(shè)計與驗證技術(shù)是中國數(shù)字化設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展技術(shù)突破口。

2、單學(xué)科設(shè)計工具及其集成難以完備實現(xiàn)多學(xué)科融合

從工程角度，智能產(chǎn)品、裝備和制造系統(tǒng)是多專業(yè)交聯(lián)集成的復(fù)雜系統(tǒng)。產(chǎn)品研發(fā)過程中涉及機(jī)、電、液、熱、控等多個不同學(xué)科，各學(xué)科之間相互耦合影響，需要多學(xué)科的集成。現(xiàn)有的設(shè)計研發(fā)軟件工具缺乏全局觀，以傳統(tǒng)的軟件編制工藝“分科而制”，目前基于單學(xué)科軟件工具的多學(xué)科融合實際是多專業(yè)工具軟件的信息集成，由于需要專業(yè)地部署集成眾多學(xué)科軟件工具實現(xiàn)多學(xué)科集成，增加了軟件成本，也嚴(yán)重影響了設(shè)計師桌面快捷應(yīng)用。

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

3、具有CPS特征的智能產(chǎn)品研發(fā)需要高效、可靠的軟硬件協(xié)同

從信息物理融合的角度，智能產(chǎn)品設(shè)計交付物不再像傳統(tǒng)產(chǎn)品只有圖紙，還有越來越多的與產(chǎn)品行為密切關(guān)聯(lián)的運(yùn)行時軟件(嵌入式軟件)。由于缺乏軟件工程師和多專業(yè)物理工程師有效協(xié)同技術(shù)工具手段，導(dǎo)致嵌入式軟件開發(fā)、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(yè)高效協(xié)同的技術(shù)手段是智能產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)瓶頸。

運(yùn)行時類軟件與系統(tǒng)特性與行為密切相關(guān)，具有多學(xué)科融合、軟硬件高度契合、個性強(qiáng)、涉及面廣、技術(shù)難度大等特點。目前此類軟件研制生產(chǎn)主要依賴人工編寫，研發(fā)效率低、置信度低、可維護(hù)性差，面臨生產(chǎn)效率和質(zhì)量的雙重矛盾。以多學(xué)科全系統(tǒng)行為建模仿真分析以及模型驅(qū)動的代碼自動生成技術(shù)實現(xiàn)“知識可重用、系統(tǒng)易重構(gòu)”是提高此類軟件置信度、研發(fā)效率和可維護(hù)性的有效技術(shù)途徑。

拋開我們在各個單學(xué)科領(lǐng)域方向與國外軟件幾十年技術(shù)代差不談，僅僅在研發(fā)方向和模式上，如果我們試圖以傳統(tǒng)的軟件開發(fā)模式，在各個單學(xué)科領(lǐng)域方向孤立研制，可以說自主可控數(shù)字化設(shè)計技術(shù)體系機(jī)會寥寥。

國際風(fēng)向變，軟自生成

其實，國際上軟件研發(fā)技術(shù)的趨勢和模式，已經(jīng)開始變化和轉(zhuǎn)型。

任何工業(yè)設(shè)計研發(fā)活動都離不開兩個空間：幾何空間和狀態(tài)空間。

在幾何空間，計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)自上世紀(jì)六十年代初以來，發(fā)展了計算機(jī)輔助幾何設(shè)計技術(shù)CAGD，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了卓越的空間設(shè)計工具。事實上直到上世紀(jì)80年代初出現(xiàn)非均勻有理B樣條技術(shù)NURBS之前，CAGD缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系，嚴(yán)重的影響了CAD技術(shù)在工業(yè)界的普及推廣，NURBS“橫掃六合、總齊八荒”，將CAD技術(shù)推進(jìn)了大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)新的時代。

但是，在狀態(tài)空間，迄今為止，針對產(chǎn)品系統(tǒng)行為、功能及性能，圍繞狀態(tài)空間建模、分析及仿真活動，由于缺乏統(tǒng)一的知識模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，形成了紛繁的單學(xué)科領(lǐng)域仿真軟件工具，致使建模與仿真(M&S)遠(yuǎn)未及CAGD，在工業(yè)界達(dá)到普及深入標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用推廣。

任何復(fù)雜工業(yè)品的開發(fā)，都是基于統(tǒng)一模型表達(dá)的跨領(lǐng)域模型以端到端的方式構(gòu)建全系統(tǒng)模型，實現(xiàn)多專業(yè)、多學(xué)科的流程協(xié)同與無縫集成的實踐活動。多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模技術(shù)研究正在不斷推動知識自動化技術(shù)體系的發(fā)展，通過系統(tǒng)模型的數(shù)學(xué)自動映射，實現(xiàn)基于數(shù)學(xué)的模型集成，建立更具完備性的系統(tǒng)行為模型;通過對數(shù)學(xué)系統(tǒng)的自動分析和推理，結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)學(xué)算法，實現(xiàn)全系統(tǒng)功能樣機(jī)的仿真分析;實現(xiàn)模型驅(qū)動的計算代碼自動生成技術(shù)，提升嵌入式軟件開發(fā)流程(模型在環(huán)、軟件在環(huán)、硬件在環(huán)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(xié)同提供技術(shù)支撐。

隨著復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)智能化(嵌入式應(yīng)用軟件)趨勢的快速發(fā)展，相應(yīng)的數(shù)字化研發(fā)方法和技術(shù)體系已成為制約因素。

國際傳統(tǒng)CADCAE自動化技術(shù)廠商紛紛并購系統(tǒng)建模及軟件自動化技術(shù)，著力打造設(shè)計分析仿真優(yōu)化及軟件自動生成一體化技術(shù)。

多學(xué)科復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)創(chuàng)新一直是國際上的研究熱點。

2004年以來傳統(tǒng)的自動化技術(shù)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(yè)系統(tǒng)測試技術(shù)公司LMS、電子設(shè)計自動化公司Mentor等，開啟了全面的工業(yè)軟件與服務(wù)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。

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

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

知識自動化，一畫可兩得

1、思想理念的創(chuàng)新

工業(yè)軟件是工業(yè)技術(shù)工具，應(yīng)當(dāng)用工業(yè)(物理的)方式而非IT算法方式去創(chuàng)造;工業(yè)思想方法即機(jī)理、本構(gòu)、模塊化、端到端集成及畫圖等等;工業(yè)軟件的應(yīng)用者也是工業(yè)品的創(chuàng)造者，新的創(chuàng)新輔助設(shè)計技術(shù)應(yīng)當(dāng)支撐設(shè)計師在設(shè)計物理系統(tǒng)的同時，同步創(chuàng)成相關(guān)的計算分析程序;新一代工業(yè)軟件應(yīng)當(dāng)具有模型可復(fù)用、系統(tǒng)易重構(gòu)的技術(shù)特征，以適應(yīng)復(fù)雜多變的工業(yè)個性化需求。

2、原理與技術(shù)創(chuàng)新

為了完備地實現(xiàn)多學(xué)科融合，須建立統(tǒng)御各單學(xué)科原理的工程物理系統(tǒng)原理。

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

對于集中參數(shù)多學(xué)科集成系統(tǒng)，可以建立基于模型的數(shù)學(xué)自動演繹體系，以端到端的模式實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)體系的自動建立，進(jìn)而自動生成系統(tǒng)計算程序，形成知識自動化技術(shù)體系。如此，基于統(tǒng)一模型的知識自動化技術(shù)體系以工業(yè)的、物理的方式(繪制系統(tǒng)構(gòu)型)實現(xiàn)了“畫出系統(tǒng)構(gòu)型，生成計算程序，體驗系統(tǒng)性能”的工業(yè)軟件創(chuàng)造與應(yīng)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。

所幸有布局，技術(shù)已驗證

十一五以來，科技部863先進(jìn)制造領(lǐng)域及時把握了國際數(shù)字化設(shè)計領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展趨勢，及時布局開展了多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模語言Modelica基礎(chǔ)理論和共性技術(shù)研究，在基礎(chǔ)理論方法及使能技術(shù)方面取得較全面的突破，形成的研究成果在航空航天等領(lǐng)域的重點型號工程，如中國空間站全系統(tǒng)功能樣機(jī)、嫦娥5號電總體設(shè)計及仿真、航天液體動力系統(tǒng)、大型民用飛機(jī)著陸及飛控系統(tǒng)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(lǐng)域物理統(tǒng)一建模語言Modelica規(guī)范及技術(shù)體系的原創(chuàng)國，在基于模型的基礎(chǔ)理論方法和軟件實現(xiàn)方面目前處于國際先進(jìn)水平(從跟跑進(jìn)入并跑)，但在形成全面的工業(yè)能力方面危機(jī)與機(jī)遇并存。

建議與構(gòu)想

基于統(tǒng)一模型規(guī)范的全系統(tǒng)建模、分析、仿真優(yōu)化及軟件自動生成技術(shù)是國際智能系統(tǒng)與產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)的重要創(chuàng)新方向。中國必須有所作為。

目前商用的“分科而制”單領(lǐng)域建模分析軟件工具90%以上為國外掌控，其發(fā)展積淀長達(dá)數(shù)十年，如果我們?nèi)匀灰詡鹘y(tǒng)方式追趕，可以說中國工業(yè)應(yīng)用軟件機(jī)會渺茫。

多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模理論方法與技術(shù)所創(chuàng)造的知識自動化技術(shù)體系創(chuàng)新了工業(yè)軟件生成方式，在技術(shù)上形成了后發(fā)優(yōu)勢，可形成“一張白紙可以畫出最新、最美的圖畫”的態(tài)勢，是我國自主可控的高端分析建模技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用軟件創(chuàng)新發(fā)展難得的機(jī)遇。

經(jīng)過十一五、十二五科技部前期工作，中國已經(jīng)突破了國際多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模核心技術(shù)，從技術(shù)“跟跑”進(jìn)入“并跑”階段，我們應(yīng)當(dāng)抓住中國創(chuàng)新的歷史機(jī)遇，大力推動中國多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模技術(shù)體系研究和應(yīng)用推廣，完全有可能在系統(tǒng)建模分析軟件領(lǐng)域全面突破，在技術(shù)上“并跑”保持第一梯隊，在應(yīng)用上實現(xiàn)“領(lǐng)跑”。

為此需要重視一下幾方面工作：

1、深入持續(xù)的開展工業(yè)知識(模型)的表達(dá)與互聯(lián)研究，建立完整的基于模型驅(qū)動的知識自動化技術(shù)體系，以知識自動化為技術(shù)手段，以設(shè)計智能化技術(shù)使命，與工業(yè)應(yīng)用深度融合，逐步推進(jìn)體系建設(shè)。

2、建立模型標(biāo)準(zhǔn)研究、領(lǐng)域模型創(chuàng)造與重用、基于模型的知識自動化系統(tǒng)軟件以及模型應(yīng)用的協(xié)作機(jī)制和體系，營造工業(yè)領(lǐng)域基于模型知識的新生態(tài)，開創(chuàng)中國工業(yè)系統(tǒng)智能協(xié)同新局面。

3、重視工業(yè)軟件研究、開發(fā)、應(yīng)用的人才培養(yǎng)，特別是在新工科教育中強(qiáng)化工業(yè)軟件的基礎(chǔ)作用。

4、針對面向CPS的智能產(chǎn)品系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)體系，國家應(yīng)當(dāng)倡導(dǎo)自主可控，打通相關(guān)專項單點技術(shù)和資源(軟件、硬件研發(fā)與工業(yè)應(yīng)用聯(lián)動)，融入中國創(chuàng)新，強(qiáng)化應(yīng)用迭代，為此組織力量(產(chǎn)、研、用)在重大創(chuàng)新工程中設(shè)立專題技術(shù)指標(biāo)，形成技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，在創(chuàng)新實踐中迭代實現(xiàn)自主技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

5、制定相關(guān)產(chǎn)業(yè)聯(lián)動政策，鼓勵工業(yè)界采用國產(chǎn)替代技術(shù)，結(jié)合中國創(chuàng)新工程，整合現(xiàn)有成果和資源，明確技術(shù)和應(yīng)用指標(biāo)，在本領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全面的可持續(xù)創(chuàng)新能力，掌握新一代工業(yè)軟件技術(shù)體系可期可待。