系統(tǒng)建模分析軟件取得突破

陳立平

軟件是智能的載體，是智能社會(huì)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(dòng)中的先進(jìn)軟件是工業(yè)乃至社會(huì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，是未來(lái)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(shí)創(chuàng)新長(zhǎng)期積累、積淀并在應(yīng)用中迭代進(jìn)化的工具產(chǎn)物，工業(yè)軟件是工業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐的技術(shù)溢出，是先進(jìn)生產(chǎn)力的關(guān)鍵要素，只要工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新不息，工業(yè)軟件創(chuàng)生不止。

按照運(yùn)行場(chǎng)景為兩大類

第一，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(dòng)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(guó)內(nèi)有一定基礎(chǔ)。

第二，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(lái)越多的運(yùn)行時(shí)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。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(dòng)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。

信息高度發(fā)達(dá)的后工業(yè)化社會(huì)的根本技術(shù)特征是信息物理系統(tǒng)CPS。新世紀(jì)以來(lái)，CPS引爆了以德國(guó)工業(yè)4.0革命為代表的新一輪工業(yè)革命。德國(guó)工業(yè)4.0采用全新的語(yǔ)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(lái)，并指出未來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)。正在到來(lái)的新工業(yè)革命，實(shí)際上就是工業(yè)軟件的革命，是軟件的核心知識(shí)與開(kāi)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(jì)技術(shù)，構(gòu)建基于模型標(biāo)準(zhǔn)Modelica的知識(shí)自動(dòng)化工業(yè)軟件創(chuàng)成與應(yīng)用技術(shù)體系。

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

無(wú)先發(fā)優(yōu)勢(shì) 有后發(fā)劣勢(shì)

而我國(guó)的自主可控?cái)?shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)體系基本上只有后發(fā)劣勢(shì)。

第一，強(qiáng)于詳細(xì)設(shè)計(jì)、弱于概念設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。雖然產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程是從概念到物理自頂向下的展開(kāi)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(jì)技術(shù)先于系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)等等。目前成熟的數(shù)字化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)與工具體系只能支撐部分大回路設(shè)計(jì)驗(yàn)證。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)是中國(guó)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展技術(shù)突破口。

第二，單學(xué)科設(shè)計(jì)工具及其集成難以完備實(shí)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(guò)程中涉及機(jī)、電、液、熱、控等多個(gè)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(jì)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(shí)際是多專業(yè)工具軟件的信息集成，由于需要專業(yè)的部署集成眾多學(xué)科軟件工具實(shí)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(jì)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(gè)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(jì)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。

第三，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(jì)交付物不再像傳統(tǒng)產(chǎn)品只有圖紙，還有越來(lái)越多的與產(chǎn)品行為密切關(guān)聯(lián)的運(yùn)行時(shí)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(kāi)發(fā)、測(cè)試、驗(yàn)證自動(dòng)化程度低、周期長(zhǎng)、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(kāi)發(fā)的技術(shù)瓶頸。

運(yùn)行時(shí)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(gè)性強(qiáng)、涉及面廣、技術(shù)難度大等特點(diǎn)。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(dòng)的代碼自動(dòng)生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)“知識(shí)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。

知識(shí)自動(dòng)化 一畫可兩得

第一，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(jì)技術(shù)應(yīng)當(dāng)支撐設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)物理系統(tǒng)的同時(shí)，同步創(chuàng)成相關(guān)的計(jì)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(gè)性化需求。

第二，原理與技術(shù)創(chuàng)新。為了完備地實(shí)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(duì)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(dòng)演繹體系，以端到端的模式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)體系的自動(dòng)建立，進(jìn)而自動(dòng)生成系統(tǒng)計(jì)算程序，形成知識(shí)自動(dòng)化技術(shù)體系。如此，基于統(tǒng)一模型的知識(shí)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了“畫出系統(tǒng)構(gòu)型，生成計(jì)算程序，體驗(yàn)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(dòng)生成代碼，編出軟件程序。

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(dòng)生成技術(shù)是國(guó)際智能系統(tǒng)與產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)的重要?jiǎng)?chuàng)新方向。

中國(guó)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(guó)外掌控，其發(fā)展積淀長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年，如果我們?nèi)匀灰詡鹘y(tǒng)方式追趕，可以說(shuō)中國(guó)工業(yè)應(yīng)用軟件機(jī)會(huì)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(shí)自動(dòng)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(shì)，可形成“一張白紙可以畫出最新、最美的圖畫”的態(tài)勢(shì)，是我國(guó)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。中國(guó)已經(jīng)突破了國(guó)際多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模核心技術(shù)，完全有可能在系統(tǒng)建模分析軟件領(lǐng)域全面突破。

為此需要重視以下幾方面工作：

第一，深入持續(xù)地開(kāi)展工業(yè)知識(shí)（模型）的表達(dá)與互聯(lián)研究，建立完整的基于模型驅(qū)動(dòng)的知識(shí)自動(dòng)化技術(shù)體系，以知識(shí)自動(dòng)化為技術(shù)手段，以設(shè)計(jì)智能化為技術(shù)使命，與工業(yè)應(yīng)用深度融合，逐步推進(jìn)體系建設(shè)。第二，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(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)軟件以及模型應(yīng)用的協(xié)作機(jī)制和體系，營(yíng)造工業(yè)領(lǐng)域基于模型知識(shí)的新生態(tài)，開(kāi)創(chuàng)中國(guó)工業(yè)系統(tǒng)智能協(xié)同新局面。第三，重視工業(yè)軟件研究、開(kāi)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。第四，針對(duì)面向CPS的智能產(chǎn)品系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)體系，國(guó)家應(yīng)當(dāng)倡導(dǎo)自主可控，打通相關(guān)專項(xiàng)單點(diǎn)技術(shù)和資源（軟件、硬件研發(fā)與工業(yè)應(yīng)用聯(lián)動(dòng)），融入中國(guó)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(shí)踐中迭代實(shí)現(xiàn)自主技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。第五，制定相關(guān)產(chǎn)業(yè)聯(lián)動(dòng)政策，鼓勵(lì)工業(yè)界采用國(guó)產(chǎn)替代技術(shù)，結(jié)合中國(guó)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。