系统建模分析软件取得突破

陈立平

软件是智能的载体，是智能社会最重要的基础要素。运行于智能产品、工业装备与系统全生命周期活动中的先进软件是工业乃至社会发展水平的重要标志，是未来智能工业的重要基础支撑，是不能受制于人的关键核心技术。工业软件不同于IT软件，是工业知识创新长期积累、积淀并在應用中迭代进化的工具产物，工业软件是工业创新实践的技术溢出，是先进生产力的关键要素，只要工业技术创新不息，工业软件创生不止。

按照运行场景为两大类

第一，研发与管理工具类（off-line）。智能产品、装备与系统的研发、管理、维护活动中需要运用大量的软件工具，如CAD、CAE、CAM、PLM、ERP、MES、MRO等，形成产品全生命周期工具软件体系。工具软件通常具有一定的领域、行业、专业的通用性，作为工程师的辅助工具支撑智能装备与系统研发（off-line），已形成较完整的技术体系，在工业界得到广泛应用，此类技术国内有一定基础。

第二，系统运行时类（on-line）。智能产品、装备与系统是典型的多学科集成的信息物理融合系统（CPS），其中嵌入越来越多的运行时类软件，此类软件是连接Cyber和Physical的重要设备，已成为智能产品重要的组成部分。在现有的产品全生命周期工具软件体系中缺乏跨领域、全系统建模及软件自动化工具，此类软件研制生产主要依赖人工编写，研发效率低、可信度低、可维护性差，面临生产效率和质量的双重矛盾。

信息高度发达的后工业化社会的根本技术特征是信息物理系统CPS。新世纪以来，CPS引爆了以德国工业4.0革命为代表的新一轮工业革命。德国工业4.0采用全新的语境：工业、系统、软件、模型、标准，强调软件是工业的未来，并指出未来的工业软件必须采用基于模型的理论、方法和工具，这就是“工业4.0组件参考架构模型（RAMI 4.0）”诞生的基本逻辑。从标准到模型，从模型到软件，从软件到系统，任何数字化工厂的构成，最终都需要由工业软件来实现。正在到来的新工业革命，实际上就是工业软件的革命，是软件的核心知识与开发手段的革命，为此必须创新发展新一代数字化设计技术，构建基于模型标准Modelica的知识自动化工业软件创成与应用技术体系。

知识自动化技术体系是中国工业系统数字化设计技术及软件创新发展的难得的历史性机遇。

无先发优势 有后发劣势

而我国的自主可控数字化设计技术体系基本上只有后发劣势。

第一，强于详细设计、弱于概念设计和系统设计。虽然产品的设计流程是从概念到物理自顶向下的展开的，但技术手段和工具发展是自底向上发展的，数控技术先于CAD技术，CAE技术先于CAD，详细设计技术先于系统设计技术等等。目前成熟的数字化设计与验证技术与工具体系只能支撑部分大回路设计验证。系统设计与验证技术是中国数字化设计技术创新发展技术突破口。

第二，单学科设计工具及其集成难以完备实现多学科融合。从工程角度，智能产品、装备和制造系统是多专业交联集成的复杂系统。产品研发过程中涉及机、电、液、热、控等多个不同学科，各学科之间相互耦合影响，需要多学科的集成。现有的设计研发软件工具缺乏全局观，以传统的软件编制工艺“分科而制”，目前基于单学科软件工具的多学科融合实际是多专业工具软件的信息集成，由于需要专业的部署集成众多学科软件工具实现多学科集成，增加了软件成本，也严重影响了设计师桌面快捷应用。从科学角度，智能产品系统的每个物理学科均可以表征为在同一状态空间下的数学方程系统，从而完整反映系统的耦合性。传统多学科集成以相关异构单学科建模工具软件+计算流程的信息集成，人为地将完整的数学系统割裂成若干子系统，弱化系统耦合，不能完整地刻画系统的行为，因此基于信息集成的多学科集成具有不完备性。

第三，具有CPS特征的智能产品研发需要高效、可靠的软硬件协同。从信息物理融合的角度，智能产品设计交付物不再像传统产品只有图纸，还有越来越多的与产品行为密切关联的运行时软件（嵌入式软件）。由于缺乏软件工程师和多专业物理工程师有效协同技术工具手段，导致嵌入式软件开发、测试、验证自动化程度低、周期长、成本高，因此软件与物理专业高效协同的技术手段是智能产品开发的技术瓶颈。

运行时类软件与系统特性与行为密切相关，具有多学科融合、软硬件高度契合、个性强、涉及面广、技术难度大等特点。目前此类软件研制生产主要依赖人工编写，研发效率低、置信度低、可维护性差，面临生产效率和质量的双重矛盾。以多学科全系统行为建模仿真分析以及模型驱动的代码自动生成技术实现“知识可重用、系统易重构”，是提高此类软件置信度、研发效率和可维护性的有效技术途径。

知识自动化 一画可两得

第一，思想理念的创新。工业软件是工业技术工具，应当用工业（物理的）方式而非IT算法方式去创造；工业思想方法即机理、本构、模块化、端到端集成及画图等等；工业软件的应用者也是工业品的创造者，新的创新辅助设计技术应当支撑设计师在设计物理系统的同时，同步创成相关的计算分析程序；新一代工业软件应当具有模型可复用、系统易重构的技术特征，以适应复杂多变的工业个性化需求。

第二，原理与技术创新。为了完备地实现多学科融合，须建立统御各单学科原理的工程物理系统原理。工程物理系统集成是以组件端口连接集组而成，端口连接的作用机理可归纳为能量流、物质流、信息流，“三流合一”是工程物理系统的基本原理。对于集中参数多学科集成系统，可以建立基于模型的数学自动演绎体系，以端到端的模式实现系统数学体系的自动建立，进而自动生成系统计算程序，形成知识自动化技术体系。如此，基于统一模型的知识自动化技术体系以工业的、物理的方式（绘制系统构型）实现了“画出系统构型，生成计算程序，体验系统性能”的工业软件创造与应用的新模式，以“一画两得”支撑“两化融合”，画出原理模型，即可自动生成代码，编出软件程序。

建议与构想

基于统一模型规范的全系统建模、分析、仿真优化及软件自动生成技术是国际智能系统与产品研发技术的重要创新方向。

中国必须有所作为。目前商用的“分科而制”单领域建模分析软件工具90%以上为国外掌控，其发展积淀长达数十年，如果我们仍然以传统方式追赶，可以说中国工业应用软件机会渺茫。多领域物理统一建模理论方法与技术所创造的知识自动化技术体系创新了工业软件生成方式，在技术上形成了后发优势，可形成“一张白纸可以画出最新、最美的图画”的态势，是我国自主可控的高端分析建模技术和工业应用软件创新发展难得的机遇。中国已经突破了国际多领域物理统一建模核心技术，完全有可能在系统建模分析软件领域全面突破。

为此需要重视以下几方面工作：

第一，深入持续地开展工业知识（模型）的表达与互联研究，建立完整的基于模型驱动的知识自动化技术体系，以知识自动化为技术手段，以设计智能化为技术使命，与工业应用深度融合，逐步推进体系建设。第二，建立模型标准研究、领域模型创造与重用、基于模型的知识自动化系统软件以及模型应用的协作机制和体系，营造工业领域基于模型知识的新生态，开创中国工业系统智能协同新局面。第三，重视工业软件研究、开发、应用的人才培养，特别是在新工科教育中强化工业软件的基础作用。第四，针对面向CPS的智能产品系统建模与仿真技术体系，国家应当倡导自主可控，打通相关专项单点技术和资源（软件、硬件研发与工业应用联动），融入中国创新，强化应用迭代，为此组织力量（产、研、用）在重大创新工程中设立专题技术指标，形成技术创新联盟，在创新实践中迭代实现自主技术的可持续发展。第五，制定相关产业联动政策，鼓励工业界采用国产替代技术，结合中国创新工程，整合现有成果和资源，明确技术和应用指标，在本领域实现全面的可持续创新能力，掌握新一代工业软件技术体系可期可待。