工业APP:破解我国工业软件“阿喀琉斯之踵”

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工业技术软件化产业联盟
周凡利
2020-01-22 · 10:10
[ 亿欧导读 ] 工业软件是买不来的产业关键技术,我国工业软件发展存在严重短板,机理模型类研发设计软件完全被国外所垄断。
工业软件,智能工厂,工业软件,人工智能,工程机械,液压,控制系统 图片来自“123RF”

【编者按】随着中国制造高速高质量发展的要求,工业软件作为高端工业装备必不可少的利器, 也应该受到重视。

本文作者为苏州同元软控信息技术有限公司周凡利,原文发布于工业技术软件化产业联盟,经亿欧编辑,供业内人士参考。


一、我国工业软件“阿喀琉斯之踵”

近年来,工业软件作为高端工业装备的“魂魄”和“大脑”,对于国民经济和工业的核心关键价值逐步为国人所认知,发展工业软件成为国家共识。工业软件种类较多,按流程可以分为研发设计、生产制造、运行维护和经营管理四类软件,后三类经过二三十年发展已经形成一批国产软件,但研发设计软件由于难度大、投入多、周期长,目前95%以上为国外所垄断,成为我国工业软件“阿喀琉斯之踵”,严重影响制约我国国民经济发展。

工业软件通常与模型相关联,按关联模型性质的不同,工业软件可以分为机理模型、数据模型、流程模型等各种模型的软件,如生产制造、运行维护和经营管理软件主要是以数据模型和流程模型为主(制造和运维也会有部分机理模型),研发设计软件多以机理模型为主,综合部分数据模型和业务流程模型。机理模型是指体现产品运行原理的数学物理模型,数学上表现为时间和空间的代数方程、微分方程或偏微分方程。根据是否与空间相关或是否含有偏微分方程,机理模型分为集中参数模型(如机械、液压、控制、电气等专业仿真软件模型)和分布式参数模型(如结构、电磁、流体等有限元软件模型)。

机理模型软件如有限元分析、机电液控设计仿真、系统设计仿真等软件涉及复杂的数学物理模型方程的数值计算,应用对象明确的专用机理模型软件开发相对容易,但研制通用的机理模型软件存在很高的技术门槛,需要解决大型复杂软件架构、通用自适应数值求解器、大规模复杂问题求解效率等关键技术问题,这也是研发设计类软件为何会成为我国工业软件短板的重要原因。

二、研发设计工业软件的后发机遇

研发设计工业软件固然是我国工业软件短板,但我国位居世界第一的庞大工业市场和新工业革命背景下新兴工业软件技术变革的契机为我国研发设计工业软件的发展提供了后发机遇。

市场孕育机会,应用锤炼软件。中国制造业三十多年的迅猛发展催生了一批世界五百强的制造企业,中国庞大的工业应用市场和工业软件市场也必将锤炼一批中国自主的工业软件。我国近20年实施了一系列举世瞩目的重大工程项目,如大飞机、两机专项、载人航天、嫦娥工程、高铁建设等,其中任何一个工程都是锤炼大型通用工业软件的肥沃土壤。但前期我国对工业软件重视不足,肥沃的土壤缺乏优良的自有种子,导致多数重大项目成为欧美工业软件的试炼场,例如20世纪90年代西飞集团公司的“飞豹”项目就成就了达索CATIA V5。

传统工业软件如CAD、CAE等,国际上经过近60年的发展,产品、技术尤其是应用生态已经非常成熟,采用单纯的追赶模式发展传统工业软件将会困难重重。与其望尘追赶,不如在工业软件新兴技术方向高端切入,迎头赶上,同步国际发展,并适时反向辐射替代。当前工业软件包括以下几个新兴的、重要的技术方向。

1. 基于模型的全系统统一设计、统一仿真及软件自动生成技术

以系统工程、信息物理融合系统(CPS)为主要特征的新一代数字化革命,催生着既兼容传统工业软件,又不同于传统工业软件的新模式、新方法与新技术,以数字化模型为基础,以统一框架、统一模型、统一设计、统一仿真、系统优化、嵌入式软件自动生成和统一的工业知识模型库为目标,即基于模型的全系统统一设计、统一仿真及代码自动生成技术将是新兴工业软件的重要方向,也是当前数字主线、数字孪生等热门应用的技术支撑,国际上在此方面尚处于发展阶段。

以系统工程、信息物理融合系统(CPS)为主要特征的新一代数字化革命,催生着既兼容传统工业软件,又不同于传统工业软件的新模式、新方法与新技术,以数字化模型为基础,以统一框架、统一模型、统一设计、统一仿真、系统优化、嵌入式软件自动生成和统一的工业知识模型库为目标,即基于模型的全系统统一设计、统一仿真及代码自动生成技术将是新兴工业软件的重要方向,也是当前数字主线、数字孪生等热门应用的技术支撑,国际上在此方面尚处于发展阶段。

2. 基于工业互联网的工业APP创建、运行、联合及生态技术

工业互联网是全球新一轮产业竞争的制高点,工业APP本质是工业知识的软件化,工业互联网与工业APP为工业知识软件化提供了渠道,这是我国工业软件利用互联网优势与新一轮产业机遇换道超车的另一个历史机遇。工业APP以其微内核、高内聚、高专用的特征可以屏蔽传统大型通用软件的技术复杂性,特别是机理模型类工业软件的通用性技术门槛,为我国工业软件的后来居上提供了新的途径。

3. 机理模型、大数据、人工智能融合的工业智能软件技术

德国西门子公司于2015年推出工业云服务平台MindSphere,法国ESI集团于2015年收购大数据公司Mineset,法国达索、美国Altair等国际大公司纷纷布局大数据和人工智能,拟将机理模型与大数据相结合,推动人工智能迈向工业智能,这将是下一轮工业软件革命的重要方向。鉴于装备产品运行场景的复杂性和故障场景的偶然性,装备产品运行数据大而不全,在消费领域大获成功的“大数据+人工智能”模式,在工业领域必须辅以机理模型 ,即“机理模型+大数据+人工智能”才有可能催生工业智能,并成为下一代智能化工业软件的基础。因此数字化或者说机理模型及其建模仿真环境是未来智能工业软件的基础,缺乏这些模型和环境的数字化基础,可能导致我国重蹈空有肥沃土壤但缺乏优良种子的历史覆辙。

三、模型驱动的知识自动化提供工业APP开发环境

基于工业互联网的工业APP,以其微内核架构、高内聚知识、高专用场景,降低了传统大型通用机理模型类工业软件的技术要求。针对特定场景、采用专用算法、基于即插即用式架构开发工业APP,将避免传统工业软件开发需要解决的复杂技术问题。利用工业互联网环境下的群智众创,针对不同特定对象和特定场景,建设海量的研发设计、生产制造、运行维护等类型的工业APP,可以将工业软件应用模式从“大型通用软件专业化应用”推进为“微小型专用APP专业化应用”,从而实现化整为零、集腋成裘的工业软件后发突围。

工业APP兼具工业知识和计算软件属性,其开发仍有一定门槛,需要兼懂工业和软件的复合人才。随着工业软件技术的发展,工业APP手工开发的模式将逐渐被模型驱动的软件自动生成模式所取代,尤其是机理模型类工业软件更是如此。工业互联网与工业APP生态将会呈现三层结构:工业互联网平台提供运行管理资源环境;工业APP开发环境或开发应用平台支持可视化的工业APP开发;海量工业APP应用于不同行业的不同对象的不同环节或场景。

机理模型类工业软件是我国工业软件发展的短板和瓶颈,国际上自进入21世纪以来,出现了以Modelica(多领域物理统一建模规范)和MBSE(基于模型的系统工程)为代表的系统级数字化设计与仿真技术,为机理模型类工业软件的创新发展提供了新方向。欧盟近十多年来围绕Modelica启动了一系列项目,用于系统模型库、异构模型集成、嵌入式代码生成等核心技术攻关。2006年以来,达索、西门子、ESI、Altair、ANSYS等所有工业软件巨头纷纷采纳Modelica以占据新一代数字化设计革命制高点。国内苏州同元软控信息技术有限公司经过18年技术积累与10年持续研发,全面掌握了系统多领域统一建模与仿真技术,形成了亚洲唯一完全自主的系统设计与仿真验证平台MWorks,并且经过航天、航空等系列国家重点型号工程应用锤炼,整体水平位居国际前列。

基于Modelica的系统级设计与仿真技术归纳了统御机、电、液、控、热等各单学科原理的工程物理系统统一原理,使得不同学科可以采用统一的数学表达、统一的模型描述、统一的建模模式来实现统一建模与仿真,提供了“知识模型化”的手段。进一步通过Modelica统一的编译分析机制可以实现知识模型的统一仿真求解,生成仿真C代码,形成可执行的模型,从而实现“模型软件化”。两者结合即实现了“知识自动化”,即画出系统的拓扑原理图,即刻自动生成程序进行动态仿真。

Modelica是工业互联网时代工业知识统一表达和工业模型互联的标准,目前已经存在大量可重用的基础模型库和行业模型库,基于Modelica标准和模型库,系统级仿真软件可以发展为基于可重用知识模型库、面向工程师的可视化工业APP开发平台。同元可视化工业APP开发平台,基于现有工业互联网平台提供资源与运营管理功能,基于MWorks提供Modelica多领域模型库开发、积累、共享及管理功能,通过可视化的机理建模、数据建模、流程建模及界面建模支持工业APP的设计开发、编译分析、代码生成及部署发布。工程师无须了解传统编程语言或程序设计,只需熟悉专业原理,即可通过可视化的组件拖曳操作和参数设置完成工业APP的定义和部署,APP程序代码由MWorks通过模型驱动的方式从机理模型、数据模型、流程模型及界面模型自动生成。通过这种方式,基于大量可重用的基础、专业和行业模型库,可以针对具体行业的具体装备的关键环节,快速开发设计仿真类工业APP,能够让现有4000万工程师迅速地将工业知识转化为轻量工业APP,成为工业APP的创建者。采用这种方式,可以进一步支持替代集中参数机理模型类工业软件的复杂工业APP开发,形成机械动力学设计仿真APP、控制系统设计仿真APP、液压或流体系统设计仿真APP、电气系统设计仿真APP等专业设计仿真APP,更进一步可以围绕行业产品研发设计形成一系列完整的行业APP集合。这样有望彻底解决研发设计类APP开发难与研发设计工业软件的短板问题。

Modelica为所有集中参数机理模型类工业软件提供了统一的建模支撑,MWorks平台基于Modelica提供了系统级设计、仿真、协同及软件自动生成能力,可以支持各种集中参数机理模型的构建、仿真和分析,提供了集中参数机理模型类工业软件的替代方案,同时通过“知识模型化、模型软件化”实现“模型驱动的知识自动化”,据此可以提供机理模型类工业APP的可视化开发环境,支持研发设计类轻量工业APP、复杂专业APP乃至行业APP集合的可视化开发。

结语

工业软件是买不来的产业关键技术,我国工业软件发展存在严重短板,机理模型类研发设计软件完全被国外所垄断。我国庞大的工业软件应用市场和新兴工业软件技术变革为我国工业软件后来居上带来了机遇。模型驱动的统一建模、统一仿真及软件自动生成技术是当前数字化设计技术和工业软件技术的制高点,MWorks经过18年积累打磨已经居于国际前沿阵列。基于工业互联网的工业APP模式为工业软件的发展提供了新的渠道,模型驱动的知识自动化技术提供了可视化工业APP开发环境,可以让4000万工程师成为工业APP创建者,开发研发设计类轻量工业APP、复杂专业APP乃至行业APP集合。MWorks为此已打下扎实的关键技术基础,但基于工业互联网的工业APP开发平台是一个生态建设,需要政、企、产、研、用共同努力。如此通过工业APP开发平台建设、机理模型库建设和工业APP建设,有望彻底解决研发设计类APP开发难与研发设计工业软件的短板问题,并为下一代智能化的工业软件发展奠定坚实的基础。

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