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要素。運行于智能產(chǎn)品、工業(yè)裝備與系統(tǒng)全生命周期活動中的先進軟件是工業(yè)乃至社會發(fā)展水平的重要標志，是未來智能工業(yè)的重要基礎支撐，是不能受制于人的關鍵核心技術。

工業(yè)軟件不同于IT軟件，是工業(yè)知識創(chuàng)新長期積累、積淀并在應用中迭代進化的工具產(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)技術構成的!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)學問。沒有工業(yè)知識，沒有制造業(yè)經(jīng)驗，只學過計算機軟件的工程師，是設計不出先進的工業(yè)軟件的!”。

工業(yè)軟件按照運行場景為兩大類：

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(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體系，在工業(yè)界得到廣泛應用，此類技術國內有一定基礎。

2、系統(tǒng)運行時類(on-line)

智能產(chǎn)品、裝備與系統(tǒng)是典型的多學科集成的信息物理融合系統(tǒng)(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(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、可維護性差，面臨生產(chǎn)效率和質量的雙重矛盾。

隨著復雜產(chǎn)品系統(tǒng)智能化(嵌入式應用軟件)趨勢的快速發(fā)展，相應的數(shù)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(jīng)驗來看，導致中國工業(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、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(yè)母機在內的高端生產(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)化轉型的過程中，以“逆向工程”為主的技術發(fā)展方式導致我國工業(yè)軟件自主發(fā)展缺乏足夠的內在源動力。

3、 視集成為創(chuàng)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(fā)力量嚴重萎縮，自主可控工業(yè)軟件舉步維艱。

不破不立。以創(chuàng)新引領發(fā)展，建設創(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)達的后工業(yè)化社會的根本技術特征是信息物理系統(tǒng)CPS。新世紀以來，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、標準，強調軟件是工業(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(tǒng)，任何數(shù)字化工廠的構成，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)字化設計技術，構建基于模型標準Modelica的知識自動化工業(yè)軟件創(chuàng)成與應用技術體系。

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

無先發(fā)優(yōu)勢，有后發(fā)劣勢

當前眾多單領域、單學科關鍵設計研發(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)字化設計技術體系基本上只有后發(fā)劣勢。

1、強于詳細設計、弱于概念設計和系統(tǒng)設計

雖然產(chǎn)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(fā)展是自底向上發(fā)展的，數(shù)控技術先于CAD技術、CAE技術先于CAD，詳細設計技術先于系統(tǒng)設計技術等等。目前成熟的數(shù)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(yè)4.0強調需要建立基于模型的系統(tǒng)工程技術體系，實現(xiàn)全系統(tǒng)早期多回路設計驗證。

系統(tǒng)設計與驗證技術是中國數(shù)字化設計技術創(chuàng)新發(fā)展技術突破口。

2、單學科設計工具及其集成難以完備實現(xiàn)多學科融合

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)集成的復雜系統(tǒng)。產(chǎn)品研發(fā)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。現(xiàn)有的設計研發(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”，目前基于單學科軟件工具的多學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)地部署集成眾多學科軟件工具實現(xiàn)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(chǎn)品系統(tǒng)的每個物理學科均可以表征為在同一狀態(tài)空間下的數(shù)學方程系統(tǒng)，從而完整反映系統(tǒng)的耦合性。傳統(tǒng)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(shù)學系統(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)品行為密切關聯(lián)的運行時軟件(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)同技術工具手段，導致嵌入式軟件開發(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)同的技術手段是智能產(chǎn)品開發(fā)的技術瓶頸。

運行時類軟件與系統(tǒng)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(chǎn)主要依賴人工編寫，研發(fā)效率低、置信度低、可維護性差，面臨生產(chǎn)效率和質量的雙重矛盾。以多學科全系統(tǒng)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(xiàn)“知識可重用、系統(tǒng)易重構”是提高此類軟件置信度、研發(fā)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(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，在各個單學科領域方向孤立研制，可以說自主可控數(shù)字化設計技術體系機會寥寥。

國際風向變，軟自生成

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

任何工業(yè)設計研發(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，計算機輔助設計(CAD)自上世紀六十年代初以來，發(fā)展了計算機輔助幾何設計技術CAGD，為產(chǎn)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(xiàn)非均勻有理B樣條技術NURBS之前，CAGD缺乏統(tǒng)一的標準技術體系，嚴重的影響了CAD技術在工業(yè)界的普及推廣，NURBS“橫掃六合、總齊八荒”，將CAD技術推進了大規(guī)模應用創(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(yè)界達到普及深入標準化的應用推廣。

任何復雜工業(yè)品的開發(fā)，都是基于統(tǒng)一模型表達的跨領域模型以端到端的方式構建全系統(tǒng)模型，實現(xiàn)多專業(yè)、多學科的流程協(xié)同與無縫集成的實踐活動。多領域物理統(tǒng)一建模技術研究正在不斷推動知識自動化技術體系的發(fā)展，通過系統(tǒng)模型的數(shù)學自動映射，實現(xiàn)基于數(shù)學的模型集成，建立更具完備性的系統(tǒng)行為模型;通過對數(shù)學系統(tǒng)的自動分析和推理，結合基礎數(shù)學算法，實現(xiàn)全系統(tǒng)功能樣機的仿真分析;實現(xiàn)模型驅動的計算代碼自動生成技術，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)同提供技術支撐。

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

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

多學科復雜產(chǎn)品研發(fā)技術創(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)測試技術公司LMS、電子設計自動化公司Mentor等，開啟了全面的工業(yè)軟件與服務的戰(zhàn)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(tǒng)SCADA為典型。

面向CPS的智能產(chǎn)品系統(tǒng)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(tǒng)(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(lián)盟，幾乎掌控了復雜系統(tǒng)產(chǎn)品的高端開發(fā)技術體系和手段，以汽車電控領域為例，歐洲汽車研發(fā)咨詢商AVL，以其汽車系統(tǒng)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(fā)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。

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

2、原理與技術創(chuàng)新

為了完備地實現(xiàn)多學科融合，須建立統(tǒng)御各單學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(tǒng)的基本原理。

對于集中參數(shù)多學科集成系統(tǒng)，可以建立基于模型的數(shù)學自動演繹體系，以端到端的模式實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)學體系的自動建立，進而自動生成系統(tǒng)計算程序，形成知識自動化技術體系。如此，基于統(tǒng)一模型的知識自動化技術體系以工業(yè)的、物理的方式(繪制系統(tǒng)構型)實現(xiàn)了“畫出系統(tǒng)構型，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(shù)字化設計領域技術創(chuàng)新發(fā)展趨勢，及時布局開展了多領域物理統(tǒng)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(tǒng)功能樣機、嫦娥5號電總體設計及仿真、航天液體動力系統(tǒng)、大型民用飛機著陸及飛控系統(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域物理統(tǒng)一建模語言Modelica規(guī)范及技術體系的原創(chuàng)國，在基于模型的基礎理論方法和軟件實現(xiàn)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(yè)能力方面危機與機遇并存。

建議與構想

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是國際智能系統(tǒng)與產(chǎn)品研發(fā)技術的重要創(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)展積淀長達數(shù)十年，如果我們仍然以傳統(tǒng)方式追趕，可以說中國工業(yè)應用軟件機會渺茫。

多領域物理統(tǒng)一建模理論方法與技術所創(chuàng)造的知識自動化技術體系創(chuàng)新了工業(yè)軟件生成方式，在技術上形成了后發(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和工業(yè)應用軟件創(chuàng)新發(fā)展難得的機遇。

經(jīng)過十一五、十二五科技部前期工作，中國已經(jīng)突破了國際多領域物理統(tǒng)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(chuàng)新的歷史機遇，大力推動中國多領域物理統(tǒng)一建模技術體系研究和應用推廣，完全有可能在系統(tǒng)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(xiàn)“領跑”。

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)的表達與互聯(lián)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(yè)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(chuàng)造與重用、基于模型的知識自動化系統(tǒng)軟件以及模型應用的協(xié)作機制和體系，營造工業(yè)領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)、應用的人才培養(yǎng)，特別是在新工科教育中強化工業(yè)軟件的基礎作用。

4、針對面向CPS的智能產(chǎn)品系統(tǒng)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(fā)與工業(yè)應用聯(lián)動)，融入中國創(chuàng)新，強化應用迭代，為此組織力量(產(chǎn)、研、用)在重大創(chuàng)新工程中設立專題技術指標，形成技術創(chuàng)新聯(lián)盟，在創(chuàng)新實踐中迭代實現(xiàn)自主技術的可持續(xù)發(fā)展。

5、制定相關產(chǎn)業(yè)聯(lián)動政策，鼓勵工業(yè)界采用國產(chǎn)替代技術，結合中國創(chuàng)新工程，整合現(xiàn)有成果和資源，明確技術和應用指標，在本領域實現(xiàn)全面的可持續(xù)創(chuàng)新能力，掌握新一代工業(yè)軟件技術體系可期可待。