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2020(首屆)中國數字物流云展會
控制軟件

創新突破工業軟件發展瓶頸

  2020年04月20日  

研發設計工業軟件概述

  研發設計工業軟件一般是指應用于裝備產品研制的設計與仿真類工業軟件。在2010年以前,研發設計工業軟件主要指CAD和CAE軟件,提供產品零部件或具體專業的數字化設計分析,主要用于產品詳細設計階段,包括二維/三維CAD軟件、有限元場分析軟件(場分析軟件,包括結構強度、流場、電磁場、多場耦合等仿真分析軟件,其求解方法包括有限元法、有限體積法、粒子法等,在此按照習慣統稱為有限元軟件)、機械/控制/流體/電氣等專業仿真軟件、集成/優化等工具軟件,以及航天、航空、汽車、船舶等行業設計仿真軟件。近10年來,系統設計與仿真軟件作為新一代數字化研發工業軟件逐漸被接受,提供整體產品系統級的正向設計與仿真驗證,用于方案論證、方案設計等階段,包括需求分析管理、系統設計、系統仿真等軟件。

  常見的典型通用研發設計工業軟件如表1所示。

  研發設計工業軟件已經成為裝備產品正向創新研制必不可少的工具手段,是企業數字化轉型、提升創新能力、提高研發效率的核心支撐,是國家產業的核心競爭力的體現之一。但研發設計軟件開發難度大、投入多、周期長,目前我國市場上研發設計工業軟件95%以上為國外所壟斷,成為制約我國工業創新發展并影響國民經濟安全的短板瓶頸。

研發設計工業軟件技術瓶頸

  二三維CAD、有限元CAE、專業仿真CAE、系統設計仿真等工業軟件,雖然用于裝備產品研制不同階段,具有不同的功能和特性,但是從表2來看,各類研發設計工業軟件在組成模塊和支撐技術上具有共性。

1、研發設計工業軟件主要組成模塊

  研發設計工業軟件可以普遍劃分為可視化建模、計算求解、結果后處理三個主要功能模塊。

  可視化建模模塊:二維CAD軟件為二維交互繪圖,三維CAD軟件為三維造型,通常基于底層的三維造型引擎實現;有限元CAE為網格劃分前處理,一般是基于三維造型引擎通過設置進行自動網格剖分;不同專業仿真軟件可視化建模,普遍通過拖拉拽方式建立專業拓撲模型,機械是三維多體動力學模型,控制是控制框圖,液壓是液壓管路圖,電氣是電氣原理圖;系統設計仿真軟件是基于SysML、Modelica等統一建模規范通過拖拉拽方式建立系統的拓撲連接圖。

  計算求解模塊:CAD軟件為三維造型計算和約束求解計算,有限元CAE軟件為PDE(偏微分方程)通過有限元離散之后大規模線性方程系統求解計算;專業仿真CAE是機械、控制、流體、電氣等不同專業機理數學模型方程的求解計算,每個專業具有特定的數學模型形式和專業的數值求解算法;系統設計仿真軟件求解主要在于系統仿真軟件,需要求解機電液控多專業耦合的方程系統。

  結果后處理模塊:二維和三維CAD軟件是前后處理一體化;有限元CAE軟件主要是三維云圖顯示,一般基于三維造型或顯示引擎;專業仿真CAE軟件主要涉及曲線和動畫,其中機械多體仿真是三維動畫,也是基于三維造型或顯示引擎;系統設計仿真CAE軟件涉及曲線、動畫、動態組件等后處理形式。

2、研發設計工業軟件關鍵技術瓶頸

  我國為什么缺乏通用的商品化研發設計工業軟件產品?要形成工業軟件商品化產品,需要全面突破所有關鍵技術瓶頸,經歷充分的工業應用錘煉,并要有良好的工業軟件生態氛圍。研發設計工業軟件具有共性的關鍵技術,表2所列主要是底層求解技術,底層求解是工業軟件引擎,毫無疑問是關鍵支撐技術,也是我國自主工業軟件的主要瓶頸之一。除了底層求解之外,復雜工業軟件系統架構、工業技術軟件化、大型復雜工程問題處理、工程化人機交互等也是決定能否形成商品化工業軟件的關鍵技術,也是我國工業軟件技術瓶頸所在。

復雜工業軟件系統架構技術

  CAD、CAE、系統設計仿真等復雜工業軟件通常是幾百萬仍至幾千萬行代碼、覆蓋各種工業場景、長時間連續運行的復雜工程系統,其架構有如高層建筑框架,直接決定了系統穩定性、可靠性、適用性、擴展性和可維護性。工業軟件的開發與應用是一個長期實踐迭代的過程,如果沒有好的系統架構,難以成長為一個好用的商業化軟件。國產自主軟件通常過于重視軟件功能的實現,不太重視軟件系統架構,導致軟件擴展和持續發展困難。通常需要若干具有軟件、業務、計算數學等綜合知識且經驗豐富的架構師團隊來完成和迭代改進。

底層計算求解引擎技術

  CAD的三維造型引擎、約束求解引擎,CAE的前后處理引擎、有限元計算引擎,專業仿真求解引擎,多領域系統模型編譯、仿真求解引擎等屬于工業軟件的底層計算求解引擎技術,底層引擎類似于汽車、飛機的發動機,是設計仿真工業軟件最核心的關鍵技術,求解策略、求解適應性、求解精度直接決定工業軟件計算求解的能力與性能。底層計算求解引擎需要把設計與仿真問題化為數學問題然后通過數值計算的方式解決,這需要有深厚的專業積累、數學積累、軟件積累和工程積累。計算求解引擎需要數學科學支撐,但更多是一個需要反復迭代錘煉的工程產品,淺嘗輒止的研究無法做出好的計算求解引擎產品。

工業技術軟件化技術

  工業軟件最終是把工業知識、業務流程、工業數據等工業技術積累通過軟件來實現以支撐高效研發,其核心是把知識、數據等轉化為盡可能統一的知識庫、模型庫和數據庫,把不同行業業務流程轉化為可配置、自動化的軟件執行過程,工業技術軟件化決定了工業積累的深度才能支撐工業軟件的強度。自主的工業知識、工業模型、工業數據才能支撐自主的工業軟件,否則空有軟件沒有內容,軟件也難以產生價值。工業技術既是工業軟件的來源支撐,也是工業軟件的主要內容,海量知識庫、模型庫、數據庫與自主工業軟件共存共進,才是工業軟件發展的健康生態。

大型復雜工程問題處理技術

  如汽車、衛星、飛機、船舶等復雜裝備數字化研制,在研制后期隨著設備逐步集成會導致設計模型、仿真模型規模龐大,設計仿真計算量巨大,如CAD模型要支持幾十萬個零部件裝配,有限元網絡剖分后要進行幾千萬乃至上億個離散方程的計算求解,系統仿真要處理幾十萬至幾百萬個混合方程系統的分析計算,而且各種工程場景會非常復雜。這種大規模系統、復雜流程場景導致的大型復雜工程問題的處理能力直接決定了工業軟件的可用性,也是決定了商品化工業軟件能力與好壞。大規模問題、非線性問題、剛性問題、仿真逼真度問題等都是比較常見的影響軟件性能的關鍵問題。

軟硬一體化技術

  汽車、衛星、飛機等工業系統普遍是機械、能源、電子、信息等信息物理融合系統(CPS),其中機械、能源等物理子系統和信息、電子等信息子系統具有不同特性和存在方式,物理子系統物理特性強,可用機理模型表達,信息子系統控制特性強,通常是以軟件代碼形式存在,物理子系統和信息子系統具有耦合特性,需要實現兩者的一體化設計仿真。一方面,信息系統中軟件代碼越來越普遍、越來越復雜,需要采用模型驅動的軟件代碼自動生成置于信息系統硬件以保證開發效率和軟件可靠性;另一方面,物理與信息系統的耦合要求實現物理系統模型和信息系統硬件的一體化仿真驗證。這種軟硬一體化技術隨著CPS和物聯網的發展將越來越關鍵和重要。

工程化人機交互技術

  工業軟件是工業知識、流程、數據等工業技術的軟件化,這些內容在工業軟件上會以工程化的人機交互形式呈現。國際上影響大、應用廣的工業軟件,普遍具有極佳的人機交互體驗,我國自主工業軟件在此方面重視度明顯不足。工業軟件的人機交互,不只是界面的設計和表現,它是工業技術的工程化呈現,是海量知識的邏輯組織和接口設計,是業務流程覆蓋性與軟件通用性的權衡,是綜合工程、軟件、美學、用戶心理等要素的系統梳理、系統組織與系統設計。

自主研發設計工業軟件實踐

商品化工業軟件開發常規歷程

  如前所述,要形成商品化的研發設計工業軟件產品,需要突破工業軟件所有關鍵技術,經歷充分的工業應用錘煉,并要有良好的工業軟件生態氛圍。為什么研發設計工業軟件開發難度大、投入多、周期長?前述關鍵技術突破只是工業軟件研制的起點。一個工業軟件,一般需要經歷產品開發、應用驗證、推廣應用三個階段,才可能成為成熟的商品化軟件。

  突破關鍵技術并形成功能完整、穩定運行的產品,最多只完成三分之一工作,這個過程一般需要5-10年;有了產品,需要經歷充分的工業應用錘煉,實用于各種工業場景,只有經歷了工業應用錘煉,才能稱之為真正的工業軟件,這個過程也需要5-10年;經過實際工業應用錘煉驗證的工業軟件,具備了商品化軟件的條件,還需要全面的商品化運營推廣,才有可能成為廣泛應用的商品化工業軟件,這個過程又要持續3-10年。

系統仿真工業軟件研制實踐

  作者從事自主工業軟件開發和應用近20年,主持了新一代系統仿真軟件的關鍵技術研究、原型系統開發、商品軟件研制以及重點行業應用,經歷了一個自主工業軟件發展的全過程,與團隊一起探索出了一條中國自主工業軟件的發展道路。在此,結合前述的工業軟件關鍵技術瓶頸,分享一下自主工業軟件實踐歷程。

  作者團隊早期在華中科技大學CAD國家工程中心,導師陳立平教授先前從事CAD約束求解引擎開發,1998年團隊開始研究多體動力學并仿照ADAMS和RecurDyn開發了原型。到2001年作者攻讀博士學位時,認為傳統CAD和多體動力學技術已經非常成熟,產品已普及并完全占領國內市場,當時正好發現了Modelica技術。該技術誕生于1997年,基于Modelica規范支持機、電、液、控等多領域統一建模,團隊認為這是未來的方向。

  2001年,團隊啟動了Modelica多領域統一建模關鍵技術研究。陳立平教授約束求解引擎的大規模方程系統歸約求解技術、作者多體動力學的微分-代數方程系統數值求解技術等工作奠定了前期基礎。團隊研究分析了C#、Java等開源編譯器源碼,以及BLAS、LAPACK、MINPACK、SUNDIALS等基礎算法庫,花了3年時間研究各項關鍵技術。

  2004年,進一步組織團隊開發原型系統。原型系統包括可視化建模環境原型、Modelica編譯器和分析器原型、Modelica求解器和代碼生成器原型以及結果后處理器原型,在前述Modelica多領域統一建模關鍵技術研究的基礎上,2006年推出了初步原型系統,走通典型案例建模仿真全流程,并參加了當年Modelica國際會議,引起國際同行關注。

  2006年,組建專業化團隊,開始正式產品的研發。在原型系統的基礎上,迭代進行軟件系統架構設計,按照Modelica語義功能分步實現完善各模塊功能,并與對標產品持續測試對比。2009年,成為支持Modelica多體模型庫的軟件,并在完成系統的測試之后,推出系統仿真軟件正式產品MWorks。

  2009年,在推出正式穩定版本之后,開始行業應用之路。從中國商飛反推力系統仿真開始,此后圍繞民機液壓系統、起落架系統、飛控系統、發動機系統等系統仿真和虛擬試驗進行了持續應用迭代。2012年開始航天應用,先后應用于液體火箭發動機仿真、運載火箭仿真、嫦娥系列能源供配電系統設計與仿真、空間站全數字仿真、衛星全系統仿真等應用。工業應用錘煉提升了工業軟件能力,如液體火箭發動機仿真中遇到的強非線性問題,迫使MWorks大幅提升非線性求解能力,數字空間站全系統仿真大規模問題直接推動MWorks求解能力從10萬個方程系統提升到50萬個方程系統。除航空、航天外,這10年期間,我們在核能、船舶、車輛、工程機械等行業也開展了行業應用探索示范。

新興工業軟件技術發展

  當前正處于第四次工業革命的深度發展階段,新一代工業軟件變革技術正在來臨。新興技術變革,一方面催生新一代全新工業軟件,另一方面將會使CAD、CAE等傳統軟件老樹開新枝。國外工業軟件巨頭已經開始在這方面的布局,比如法國達索2006年收購系統仿真軟件Dymola,推出以系統仿真為樞紐、整合CAD/CAE/PLM的全系統、全領域、全流程數字化研發平臺3D Experience。近幾年,達索、西門子、Altair、ESI等公司紛紛收購大數據人工智能相關的產品技術。在這種技術趨勢下,國外工業軟件巨頭引導的工業軟件競爭已經不是單個工具軟件的比較,而是數字化研發平臺的競爭和未來智能化研發設計工業軟件的競爭。

新一代工業軟件變革關鍵技術主要包括:

  基于模型的全系統統一設計、統一仿真及軟件自動生成技術:以系統工程、CPS為主要特征的新一代數字化技術變革,催生著兼容傳統工業軟件的新模式、新方法與新技術,以數字化模型為基礎,以統一框架、統一模型、統一設計、統一仿真、系統優化、嵌入式軟件自動生成和統一的工業知識模型庫為目標,即基于模型的全系統統一設計、統一仿真及代碼自動生成技術將是新興工業軟件的重要方向,也是當前數字主線、數字孿生等熱門應用的技術支撐。

  面向工業互聯網的工業APP創建、運行、聯合及生態技術:工業互聯網是全球新一輪產業競爭的制高點,工業APP本質是工業知識的軟件化,工業互聯網與工業APP為工業知識軟件化提供了渠道,這是我國工業軟件利用互聯網優勢與新一輪產業機遇換道超車的另一個歷史機遇。工業APP以其微內核、高內聚、高專用的特征可以屏蔽傳統大型通用軟件的技術復雜性,特別是機理模型類工業軟件的通用性技術門檻,為我國工業軟件的后來居上提供了新的途徑。

  機理模型、大數據、人工智能融合的新興工業軟件技術:德國西門子2015年推出工業云服務平臺MindSphere,法國ESI集團2015年收購大數據公司Mineset,法國達索、美國Altair等國際大公司紛紛布局大數據和人工智能,擬將機理模型與大數據相結合,推動人工智能邁向工業智能,這將是下一輪工業軟件革命的重要方向。鑒于裝備產品運行場景的復雜性和故障場景的偶然性,裝備產品運行數據大而不全,在消費領域大獲成功的“大數據+人工智能”模式,在工業領域必須輔以機理模型,即“機理模型+大數據+人工智能”才有可能催生工業智能,并成為下一代智能化工業軟件的基礎。

  發展自主研發設計工業軟件已經成為國家戰略,這是我國工業由大變強、從“制”到“智”的必然道路。目前大部分國產軟件與國外同類領先軟件差距較大,部分商品化工業軟件存在空白,前期國產工業軟件生態環境艱難。但自2019年以來積極因素越來越多,中國龐大的工業市場、一系列舉世矚目的重大工程項目以及正在啟動的工業數字化轉型提供了世界最龐大的工業軟件需求市場。

  我國自主研發設計工業軟件發展,目前面臨三個任務:一是現有但不強的三維CAD、有限元CAE等工業軟件如何加快發展,迎頭趕上;二是目前空白的傳統工業軟件如專業仿真CAE軟件等如何填補空白;三是如何抓住機遇發展新一代研發設計工業軟件。

  現有的CAD和CAE軟件,在產品成熟度、市場占有率、研發投入都遠不如國外軟件的情形下,即使有政策生態環境的支持,在功能和性能上硬拼會是一個非常艱難、非常長期的事,更不用說國際工業軟件巨頭已經將競爭從單個工具拉到了數字化平臺層面,我國CAD、CAE軟件發展的出路在于傳統軟件與新興工業軟件技術結合的技術創新,以及傳統軟件和行業融合的應用創新,創新是我國工業軟件發展的唯一出路。作者團隊用系統仿真軟件在航空、航天等行業實現了機械、控制、流體、電氣等專業的建模仿真,這為系統仿真軟件+專業模型庫替代專業仿真軟件提供了一條新的發展路線,也提供了發展新一代工業軟件反向輻射傳統工業軟件的希望。

  因此,如何抓住機遇發展新一代研發設計工業軟件才是重中之重。在系統級設計與仿真、工業APP平臺、智能化工業軟件等新的賽道上,發展新一代研發設計工業軟件,一方面是抓住未來工業軟件競爭的先手,另一方面在徹底掌握自主新興工業軟件之后,可以反向輻射覆蓋發展傳統工業軟件,彌補短板,同時也為CAD、CAE等已有基礎的傳統工業軟件的發展提供技術融合創新的支持。

  周凡利 蘇州同元軟控信息技術有限公司總經理

  本文發表于《中國工業和信息化》雜志2020年3月刊總第21期

標簽:工業軟件我要反饋
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