深度丨我國工業軟體技術創新與應用發展現狀
【編者按】在智慧製造的概念出現前，工業軟體和自動化就是先進製造理念的代名詞，大型企業的第一步數字化改造也大多來自於採用工業軟體。在今天，工業軟體在智慧製造內的地位依然不容忽視。
本文作者為華中科技大學機械學院CAD中心陳立平教授。
破“整合創新”,立工業軟體
軟體是智慧的載體，是智慧社會最重要的基礎要素。運行於智慧產品、工業裝備與系統全生命週期活動中的先進軟體是工業乃至社會發展水平的重要標誌，是未來智慧工業的重要基礎支撐，是不能受制於人的關鍵核心技術。
工業軟體不同於IT軟體，是工業知識創新長期積累、積澱並在應用中迭代進化的工具產物，正如趙敏先生在《為工業軟體正名》鮮明指出“工業軟體是一個典型的高階工業品，它首先是由工業技術構成的！研製工業軟體是一門集工業知識與“Know-how”大成於一身的專業學問。沒有工業知識，沒有製造業經驗，只學過計算機軟體的工程師，是設計不出先進的工業軟體的！”。
工業軟體是工業創新實踐的技術溢位，是先進生產力的關鍵要素，只要工業技術創新不息，工業軟體創生不止。林雪萍先生在《工業軟體黎明靜悄悄|“失落的三十年”工業軟體》對中國工業軟體歷史給出了“親歷的全景式”回望，徹腹的“哀其不幸、怒其不爭”讓人噓唏不已。趙翰林、林雪萍先生在《模擬軟體史就是大魚吃小魚的歷史|工業軟體史》總結了國際工業軟體技術與產業發展，生動地描繪了國際工業軟體“繁衍不斷、生生不息”的蓬勃生態，雖然“大魚吃小魚”，但“池子裡總有魚”。
工業軟體按照執行場景為兩大類：
1、研發與管理工具類（off-line）
智慧產品、裝備與系統的研發、管理、維護活動中需要運用大量的軟體工具，如CAD、CAE、CAM、PLM、ERP、MES、MRO等，形成產品全生命週期工具軟體體系。工具軟體通常具有一定的領域、行業、專業的通用性，作為工程師的輔助工具支撐智慧裝備與系統研發（off-line），已形成較完整的技術體系，在工業界得到廣泛應用，此類技術國內有一定基礎。
2、系統執行時類（on-line）
智慧產品、裝備與系統是典型的多學科整合的資訊物理融合系統（CPS），其中嵌入越來越多的執行時類軟體，此類軟體是連線Cyber和Physical的重要裝置，已成為智慧產品重要的組成部分（on-line）。
在現有的產品全生命週期工具軟體體系中缺乏跨領域、全系統建模及軟體自動化工具，此類軟體研製生產主要依賴人工編寫，研發效率低、可信度低、可維護性差，面臨生產效率和質量的雙重矛盾。
隨著複雜產品系統智慧化（嵌入式應用軟體）趨勢的快速發展，相應的數字化設計方法和技術體系已成為制約因素。
以個人長期實踐經驗來看，導致中國工業軟體落後的原因是多方面的：
1、 從文化層面看，我們長於“道、理”，短於“術、器”，“君子動口不動手”，熱衷於新理念、新概念的玄究，所謂“玄而又玄，妙不可言”，輕視“術、器”的恆力打造，導致工業母機在內的高階生產工具普遍落後，工業軟體更是如此。
2、 從歷史發展層面看，改革開放40年中國從農業化向工業化轉型的過程中，以“逆向工程”為主的技術發展方式導致我國工業軟體自主發展缺乏足夠的內在源動力。
3、 視整合為創新，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體幾乎被國外壟斷，受制於人，國內相關技術研發力量嚴重萎縮，自主可控工業軟體舉步維艱。
不破不立。以創新引領發展，建設創新型國家，首先要摒棄“整合創新”，重視工業軟體！
新工業革命，軟體的革命
資訊高度發達的後工業化社會的根本技術特徵是資訊物理系統CPS。新世紀以來，CPS引爆了以德國工業4.0革命為代表的新一輪工業革命。
德國工業4.0採用全新的語境：工業、系統、軟體、模型、標準，強調軟體是工業的未來，並指出未來的工業軟體必須採用基於模型的理論、方法和工具，這就是“工業4.0元件參考架構模型（RAMI 4.0）”誕生的基本邏輯。從標準到模型，從模型到軟體，從軟體到系統，任何數字化工廠的構成，最終都需要由工業軟體來實現。正在到來的新工業革命，實際上就是工業軟體的革命，是軟體的核心知識與開發手段的革命，為此必須創新發展新一代數字化設計技術，構建基於模型標準Modelica的知識自動化工業軟體創成與應用技術體系。
知識自動化技術體系是中國工業系統數字化設計技術及軟體創新發展的難得的歷史性機遇。
無先發優勢，有後發劣勢
當前眾多單領域、單學科關鍵設計研發工具90%以上為國外掌控，各個軟體工具在國外工業創新實踐迭代中歷經幾十年積累，具備了先天的先發優勢。而我國的自主可控數字化設計技術體系基本上只有後發劣勢。
1、強於詳細設計、弱於概念設計和系統設計
雖然產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展是自底向上發展的，數控技術先於CAD技術、CAE技術先於CAD，詳細設計技術先於系統設計技術等等。目前成熟的數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4.0強調需要建立基於模型的系統工程技術體系，實現全系統早期多回路設計驗證。
系統設計與驗證技術是中國數字化設計技術創新發展技術突破口。
2、單學科設計工具及其整合難以完備實現多學科融合
從工程角度，智慧產品、裝備和製造系統是多專業交聯整合的複雜系統。產品研發過程中涉及機、電、液、熱、控等多個不同學科，各學科之間相互耦合影響，需要多學科的整合。現有的設計研發軟體工具缺乏全域性觀，以傳統的軟體編制工藝“分科而制”，目前基於單學科軟體工具的多學科融合實際是多專業工具軟體的資訊整合，由於需要專業地部署整合眾多學科軟體工具實現多學科整合，增加了軟體成本，也嚴重影響了設計師桌面快捷應用。
從科學角度，智慧產品系統的每個物理學科均可以表徵為在同一狀態空間下的數學方程系統，從而完整反映系統的耦合性。傳統多學科整合以相關異構單學科建模工具軟體+計算流程的資訊整合，人為地將完整的數學系統割裂成若干子系統，弱化系統耦合，不能完整地刻畫系統的行為，因此基於資訊整合的多學科整合具有不完備性。
3、具有CPS特徵的智慧產品研發需要高效、可靠的軟硬體協同
從資訊物理融合的角度，智慧產品設計交付物不再像傳統產品只有圖紙，還有越來越多的與產品行為密切關聯的執行時軟體（嵌入式軟體）。由於缺乏軟體工程師和多專業物理工程師有效協同技術工具手段，導致嵌入式軟體開發、測試、驗證自動化程度低、週期長、成本高，因此軟體與物理專業高效協同的技術手段是智慧產品開發的技術瓶頸。
執行時類軟體與系統特性與行為密切相關，具有多學科融合、軟硬體高度契合、個性強、涉及面廣、技術難度大等特點。目前此類軟體研製生產主要依賴人工編寫，研發效率低、置信度低、可維護性差，面臨生產效率和質量的雙重矛盾。以多學科全系統行為建模模擬分析以及模型驅動的程式碼自動生成技術實現“知識可重用、系統易重構”是提高此類軟體置信度、研發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體幾十年技術代差不談，僅僅在研發方向和模式上，如果我們試圖以傳統的軟體開發模式，在各個單學科領域方向孤立研製，可以說自主可控數字化設計技術體系機會寥寥。
國際風向變，軟自生成
其實，國際上軟體研發技術的趨勢和模式，已經開始變化和轉型。
任何工業設計研發活動都離不開兩個空間：幾何空間和狀態空間。
在幾何空間，計算機輔助設計（CAD）自上世紀六十年代初以來，發展了計算機輔助幾何設計技術CAGD，為產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年代初出現非均勻有理B樣條技術NURBS之前，CAGD缺乏統一的標準技術體系，嚴重的影響了CAD技術在工業界的普及推廣，NURBS“橫掃六合、總齊八荒”，將CAD技術推進了大規模應用創新的時代。
但是，在狀態空間，迄今為止，針對產品系統行為、功能及效能，圍繞狀態空間建模、分析及模擬活動，由於缺乏統一的知識模型表達標準，形成了紛繁的單學科領域模擬軟體工具，致使建模與模擬（M&S）遠未及CAGD，在工業界達到普及深入標準化的應用推廣。
任何複雜工業品的開發，都是基於統一模型表達的跨領域模型以端到端的方式構建全系統模型，實現多專業、多學科的流程協同與無縫整合的實踐活動。多領域物理統一建模技術研究正在不斷推動知識自動化技術體系的發展，通過系統模型的數學自動對映，實現基於數學的模型整合，建立更具完備性的系統行為模型；通過對數學系統的自動分析和推理，結合基礎數學演算法，實現全系統功能樣機的模擬分析；實現模型驅動的計算程式碼自動生成技術，提升嵌入式軟體開發流程（模型在環、軟體在環、硬體在環和快速控制原型）的自動化水平，為軟體與物理工程師有效協同提供技術支撐。
隨著複雜產品系統智慧化（嵌入式應用軟體）趨勢的快速發展，相應的數字化研發方法和技術體系已成為制約因素。
國際傳統CADCAE自動化技術廠商紛紛併購系統建模及軟體自動化技術，著力打造設計分析模擬優化及軟體自動生成一體化技術。
多學科複雜產品研發技術創新一直是國際上的研究熱點。
2004年以來傳統的自動化技術巨頭西門子公司先後收購了三維CAD公司UGS、2015年收購了工業系統測試技術公司LMS、電子設計自動化公司Mentor等，開啟了全面的工業軟體與服務的戰略轉型。
2016以國際著名CAE公司ANSYS收購模型驅動的軟體生成系統SCADA為典型。
面向CPS的智慧產品系統建模與模擬技術體系主要由兩部分組成：模型驅動的建模模擬與程式碼生成軟體系統（Matlib、LabView、SCADA、Dymola、SimulationX、AVL.Cruse、…..）+實時計算裝置(DSPACE、NI、RT-LAB、……)。國外相關軟體與硬體廠商以形成類似Wintel聯盟，幾乎掌控了複雜系統產品的高階開發技術體系和手段，以汽車電控領域為例，歐洲汽車研發諮詢商AVL，以其汽車系統設計分析軟體+實時計算裝置DSPACE全面壟斷了中國汽車電控正向設計研發技術體系，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、思想理念的創新
工業軟體是工業技術工具，應當用工業（物理的）方式而非IT演算法方式去創造；工業思想方法即機理、本構、模組化、端到端整合及畫圖等等；工業軟體的應用者也是工業品的創造者，新的創新輔助設計技術應當支撐設計師在設計物理系統的同時，同步創成相關的計算分析程式；新一代工業軟體應當具有模型可複用、系統易重構的技術特徵，以適應複雜多變的工業個性化需求。
2、原理與技術創新
為了完備地實現多學科融合，須建立統御各單學科原理的工程物理系統原理。
工程物理系統整合是以元件埠連線集組而成，埠連線的作用機理可歸納為能量流、物質流、資訊流，“三流合一”是工程物理系統的基本原理。
對於集中引數多學科整合系統，可以建立基於模型的數學自動演繹體系，以端到端的模式實現系統數學體系的自動建立，進而自動生成系統計算程式，形成知識自動化技術體系。如此，基於統一模型的知識自動化技術體系以工業的、物理的方式（繪製系統構型）實現了“畫出系統構型，生成計算程式，體驗系統性能”的工業軟體創造與應用的新模式，以“一畫兩得”支撐“兩化融合”，畫出原理模型，即可自動生成程式碼，編出軟體程式。
所幸有佈局，技術已驗證
十一五以來，科技部863先進製造領域及時把握了國際數字化設計領域技術創新發展趨勢，及時佈局開展了多領域物理統一建模語言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功能樣機、嫦娥5號電總體設計及模擬、航天液體動力系統、大型民用飛機著陸及飛控系統模擬等，得到初步驗證。
由於國家及時佈局，我國目前已成為全面掌握多領域物理統一建模語言Modelica規範及技術體系的原創國，在基於模型的基礎理論方法和軟體實現方面目前處於國際先進水平（從跟跑進入並跑），但在形成全面的工業能力方面危機與機遇並存。
建議與構想
基於統一模型規範的全系統建模、分析、模擬優化及軟體自動生成技術是國際智慧系統與產品研發技術的重要創新方向。中國必須有所作為。
目前商用的“分科而制”單領域建模分析軟體工具90%以上為國外掌控，其發展積澱長達數十年，如果我們仍然以傳統方式追趕，可以說中國工業應用軟體機會渺茫。
多領域物理統一建模理論方法與技術所創造的知識自動化技術體系創新了工業軟體生成方式，在技術上形成了後發優勢，可形成“一張白紙可以畫出最新、最美的圖畫”的態勢，是我國自主可控的高階分析建模技術和工業應用軟體創新發展難得的機遇。
經過十一五、十二五科技部前期工作，中國已經突破了國際多領域物理統一建模核心技術，從技術“跟跑”進入“並跑”階段，我們應當抓住中國創新的歷史機遇，大力推動中國多領域物理統一建模技術體系研究和應用推廣，完全有可能在系統建模分析軟體領域全面突破，在技術上“並跑”保持第一梯隊，在應用上實現“領跑”。
為此需要重視一下幾方面工作：
1、深入持續的開展工業知識（模型）的表達與互聯研究，建立完整的基於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，以設計智慧化技術使命，與工業應用深度融合，逐步推進體系建設。
2、建立模型標準研究、領域模型創造與重用、基於模型的知識自動化系統軟體以及模型應用的協作機制和體系，營造工業領域基於模型知識的新生態，開創中國工業系統智慧協同新局面。
3、重視工業軟體研究、開發、應用的人才培養，特別是在新工科教育中強化工業軟體的基礎作用。
4、針對面向CPS的智慧產品系統建模與模擬技術體系，國家應當倡導自主可控，打通相關專項單點技術和資源（軟體、硬體研發與工業應用聯動），融入中國創新，強化應用迭代，為此組織力量（產、研、用）在重大創新工程中設立專題技術指標，形成技術創新聯盟，在創新實踐中迭代實現自主技術的可持續發展。
5、制定相關產業聯動政策，鼓勵工業界採用國產替代技術，結合中國創新工程，整合現有成果和資源，明確技術和應用指標，在本領域實現全面的可持續創新能力，掌握新一代工業軟體技術體系可期可待。
一直以來，技術都是推動商業環境進化的重要因素，而目前最熱的技術升級趨勢，無疑是人工智慧。當下，儘管人工智慧行業本身已經進入了一個平穩的發展期，但它對於各行各業的賦能卻正在以更熱烈的姿態進行。
2018年11月30日上午，億歐將在北京國貿大酒店舉辦“新技術·新動能創新者論壇”，以技術為核心要素，從行業角度出發，探討新技術趨勢下，企業如何把握升級機會、跟上時代節奏，在諸多競爭者中脫穎而出。
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