(網(wǎng)經(jīng)社訊)一、我國工業(yè)軟件“阿喀琉斯之踵”
近年來，工業(yè)軟件作為高端工業(yè)裝備的“魂魄”和“大腦”，對于國民經(jīng)濟和工業(yè)的核心關(guān)鍵價值逐步為國人所認知，發(fā)展工業(yè)軟件成為國家共識。工業(yè)軟件種類較多，按流程可以分為研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、運行維護和經(jīng)營管理四類軟件，后三類經(jīng)過二三十年發(fā)展已經(jīng)形成一批國產(chǎn)軟件，但研發(fā)設(shè)計軟件由于難度大、投入多、周期長，目前95%以上為國外所壟斷，成為我國工業(yè)軟件“阿喀琉斯之踵”，嚴重影響制約我國國民經(jīng)濟發(fā)展。
工業(yè)軟件通常與模型相關(guān)聯(lián)，按關(guān)聯(lián)模型性質(zhì)的不同，工業(yè)軟件可以分為機理模型、數(shù)據(jù)模型、流程模型等各種模型的軟件，如生產(chǎn)制造、運行維護和經(jīng)營管理軟件主要是以數(shù)據(jù)模型和流程模型為主（制造和運維也會有部分機理模型），研發(fā)設(shè)計軟件多以機理模型為主，綜合部分數(shù)據(jù)模型和業(yè)務(wù)流程模型。機理模型是指體現(xiàn)產(chǎn)品運行原理的數(shù)學(xué)物理模型，數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為時間和空間的代數(shù)方程、微分方程或偏微分方程。根據(jù)是否與空間相關(guān)或是否含有偏微分方程，機理模型分為集中參數(shù)模型（如機械、液壓、控制、電氣等專業(yè)仿真軟件模型）和分布式參數(shù)模型（如結(jié)構(gòu)、電磁、流體等有限元軟件模型）。
機理模型軟件如有限元分析、機電液控設(shè)計仿真、系統(tǒng)設(shè)計仿真等軟件涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)物理模型方程的數(shù)值計算，應(yīng)用對象明確的專用機理模型軟件開發(fā)相對容易，但研制通用的機理模型軟件存在很高的技術(shù)門檻，需要解決大型復(fù)雜軟件架構(gòu)、通用自適應(yīng)數(shù)值求解器、大規(guī)模復(fù)雜問題求解效率等關(guān)鍵技術(shù)問題，這也是研發(fā)設(shè)計類軟件為何會成為我國工業(yè)軟件短板的重要原因。
二、研發(fā)設(shè)計工業(yè)軟件的后發(fā)機遇
研發(fā)設(shè)計工業(yè)軟件固然是我國工業(yè)軟件短板，但我國位居世界第一的龐大工業(yè)市場和新工業(yè)革命背景下新興工業(yè)軟件技術(shù)變革的契機為我國研發(fā)設(shè)計工業(yè)軟件的發(fā)展提供了后發(fā)機遇。
市場孕育機會，應(yīng)用錘煉軟件。中國制造業(yè)三十多年的迅猛發(fā)展催生了一批世界五百強的制造企業(yè)，中國龐大的工業(yè)應(yīng)用市場和工業(yè)軟件市場也必將錘煉一批中國自主的工業(yè)軟件。我國近20年實施了一系列舉世矚目的重大工程項目，如大飛機、兩機專項、載人航天、嫦娥工程、高鐵建設(shè)等，其中任何一個工程都是錘煉大型通用工業(yè)軟件的肥沃土壤。但前期我國對工業(yè)軟件重視不足，肥沃的土壤缺乏優(yōu)良的自有種子，導(dǎo)致多數(shù)重大項目成為歐美工業(yè)軟件的試煉場，例如20世紀90年代西飛集團公司的“飛豹”項目就成就了達索CATIA V5。
傳統(tǒng)工業(yè)軟件如CAD、CAE等，國際上經(jīng)過近60年的發(fā)展，產(chǎn)品、技術(shù)尤其是應(yīng)用生態(tài)已經(jīng)非常成熟，采用單純的追趕模式發(fā)展傳統(tǒng)工業(yè)軟件將會困難重重。與其望塵追趕，不如在工業(yè)軟件新興技術(shù)方向高端切入，迎頭趕上，同步國際發(fā)展，并適時反向輻射替代。當(dāng)前工業(yè)軟件包括以下幾個新興的、重要的技術(shù)方向。
1. 基于模型的全系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一仿真及軟件自動生成技術(shù)
以系統(tǒng)工程、信息物理融合系統(tǒng)（CPS）為主要特征的新一代數(shù)字化革命，催生著既兼容傳統(tǒng)工業(yè)軟件，又不同于傳統(tǒng)工業(yè)軟件的新模式、新方法與新技術(shù)，以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，以統(tǒng)一框架、統(tǒng)一模型、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一仿真、系統(tǒng)優(yōu)化、嵌入式軟件自動生成和統(tǒng)一的工業(yè)知識模型庫為目標，即基于模型的全系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一仿真及代碼自動生成技術(shù)將是新興工業(yè)軟件的重要方向，也是當(dāng)前數(shù)字主線、數(shù)字孿生等熱門應(yīng)用的技術(shù)支撐，國際上在此方面尚處于發(fā)展階段。
以系統(tǒng)工程、信息物理融合系統(tǒng)（CPS）為主要特征的新一代數(shù)字化革命，催生著既兼容傳統(tǒng)工業(yè)軟件，又不同于傳統(tǒng)工業(yè)軟件的新模式、新方法與新技術(shù)，以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，以統(tǒng)一框架、統(tǒng)一模型、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一仿真、系統(tǒng)優(yōu)化、嵌入式軟件自動生成和統(tǒng)一的工業(yè)知識模型庫為目標，即基于模型的全系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一仿真及代碼自動生成技術(shù)將是新興工業(yè)軟件的重要方向，也是當(dāng)前數(shù)字主線、數(shù)字孿生等熱門應(yīng)用的技術(shù)支撐，國際上在此方面尚處于發(fā)展階段。
2. 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)APP創(chuàng)建、運行、聯(lián)合及生態(tài)技術(shù)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是全球新一輪產(chǎn)業(yè)競爭的制高點，工業(yè)APP本質(zhì)是工業(yè)知識的軟件化，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)APP為工業(yè)知識軟件化提供了渠道，這是我國工業(yè)軟件利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢與新一輪產(chǎn)業(yè)機遇換道超車的另一個歷史機遇。工業(yè)APP以其微內(nèi)核、高內(nèi)聚、高專用的特征可以屏蔽傳統(tǒng)大型通用軟件的技術(shù)復(fù)雜性，特別是機理模型類工業(yè)軟件的通用性技術(shù)門檻，為我國工業(yè)軟件的后來居上提供了新的途徑。
3. 機理模型、大數(shù)據(jù)、人工智能融合的工業(yè)智能軟件技術(shù)
德國西門子公司于2015年推出工業(yè)云服務(wù)平臺MindSphere，法國ESI集團于2015年收購大數(shù)據(jù)公司Mineset，法國達索、美國Altair等國際大公司紛紛布局大數(shù)據(jù)和人工智能，擬將機理模型與大數(shù)據(jù)相結(jié)合，推動人工智能邁向工業(yè)智能，這將是下一輪工業(yè)軟件革命的重要方向。鑒于裝備產(chǎn)品運行場景的復(fù)雜性和故障場景的偶然性，裝備產(chǎn)品運行數(shù)據(jù)大而不全，在消費領(lǐng)域大獲成功的“大數(shù)據(jù)+人工智能”模式，在工業(yè)領(lǐng)域必須輔以機理模型 ，即“機理模型+大數(shù)據(jù)+人工智能”才有可能催生工業(yè)智能，并成為下一代智能化工業(yè)軟件的基礎(chǔ)。因此數(shù)字化或者說機理模型及其建模仿真環(huán)境是未來智能工業(yè)軟件的基礎(chǔ)，缺乏這些模型和環(huán)境的數(shù)字化基礎(chǔ)，可能導(dǎo)致我國重蹈空有肥沃土壤但缺乏優(yōu)良種子的歷史覆轍。
三、模型驅(qū)動的知識自動化提供工業(yè)APP開發(fā)環(huán)境
基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)APP，以其微內(nèi)核架構(gòu)、高內(nèi)聚知識、高專用場景，降低了傳統(tǒng)大型通用機理模型類工業(yè)軟件的技術(shù)要求。針對特定場景、采用專用算法、基于即插即用式架構(gòu)開發(fā)工業(yè)APP，將避免傳統(tǒng)工業(yè)軟件開發(fā)需要解決的復(fù)雜技術(shù)問題。利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的群智眾創(chuàng)，針對不同特定對象和特定場景，建設(shè)海量的研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、運行維護等類型的工業(yè)APP，可以將工業(yè)軟件應(yīng)用模式從“大型通用軟件專業(yè)化應(yīng)用”推進為“微小型專用APP專業(yè)化應(yīng)用”，從而實現(xiàn)化整為零、集腋成裘的工業(yè)軟件后發(fā)突圍。
工業(yè)APP兼具工業(yè)知識和計算軟件屬性，其開發(fā)仍有一定門檻，需要兼懂工業(yè)和軟件的復(fù)合人才。隨著工業(yè)軟件技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)APP手工開發(fā)的模式將逐漸被模型驅(qū)動的軟件自動生成模式所取代，尤其是機理模型類工業(yè)軟件更是如此。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)APP生態(tài)將會呈現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供運行管理資源環(huán)境；工業(yè)APP開發(fā)環(huán)境或開發(fā)應(yīng)用平臺支持可視化的工業(yè)APP開發(fā)；海量工業(yè)APP應(yīng)用于不同行業(yè)的不同對象的不同環(huán)節(jié)或場景。
機理模型類工業(yè)軟件是我國工業(yè)軟件發(fā)展的短板和瓶頸，國際上自進入21世紀以來，出現(xiàn)了以Modelica（多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模規(guī)范）和MBSE（基于模型的系統(tǒng)工程）為代表的系統(tǒng)級數(shù)字化設(shè)計與仿真技術(shù)，為機理模型類工業(yè)軟件的創(chuàng)新發(fā)展提供了新方向。歐盟近十多年來圍繞Modelica啟動了一系列項目，用于系統(tǒng)模型庫、異構(gòu)模型集成、嵌入式代碼生成等核心技術(shù)攻關(guān)。2006年以來，達索、西門子、ESI、Altair、ANSYS等所有工業(yè)軟件巨頭紛紛采納Modelica以占據(jù)新一代數(shù)字化設(shè)計革命制高點。國內(nèi)蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司經(jīng)過18年技術(shù)積累與10年持續(xù)研發(fā)，全面掌握了系統(tǒng)多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真技術(shù)，形成了亞洲唯一完全自主的系統(tǒng)設(shè)計與仿真驗證平臺MWorks，并且經(jīng)過航天、航空等系列國家重點型號工程應(yīng)用錘煉，整體水平位居國際前列。
基于Modelica的系統(tǒng)級設(shè)計與仿真技術(shù)歸納了統(tǒng)御機、電、液、控、熱等各單學(xué)科原理的工程物理系統(tǒng)統(tǒng)一原理，使得不同學(xué)科可以采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達、統(tǒng)一的模型描述、統(tǒng)一的建模模式來實現(xiàn)統(tǒng)一建模與仿真，提供了“知識模型化”的手段。進一步通過Modelica統(tǒng)一的編譯分析機制可以實現(xiàn)知識模型的統(tǒng)一仿真求解，生成仿真C代碼，形成可執(zhí)行的模型，從而實現(xiàn)“模型軟件化”。兩者結(jié)合即實現(xiàn)了“知識自動化”，即畫出系統(tǒng)的拓撲原理圖，即刻自動生成程序進行動態(tài)仿真。
Modelica是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代工業(yè)知識統(tǒng)一表達和工業(yè)模型互聯(lián)的標準，目前已經(jīng)存在大量可重用的基礎(chǔ)模型庫和行業(yè)模型庫，基于Modelica標準和模型庫，系統(tǒng)級仿真軟件可以發(fā)展為基于可重用知識模型庫、面向工程師的可視化工業(yè)APP開發(fā)平臺。同元可視化工業(yè)APP開發(fā)平臺，基于現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供資源與運營管理功能，基于MWorks提供Modelica多領(lǐng)域模型庫開發(fā)、積累、共享及管理功能，通過可視化的機理建模、數(shù)據(jù)建模、流程建模及界面建模支持工業(yè)APP的設(shè)計開發(fā)、編譯分析、代碼生成及部署發(fā)布。工程師無須了解傳統(tǒng)編程語言或程序設(shè)計，只需熟悉專業(yè)原理，即可通過可視化的組件拖曳操作和參數(shù)設(shè)置完成工業(yè)APP的定義和部署，APP程序代碼由MWorks通過模型驅(qū)動的方式從機理模型、數(shù)據(jù)模型、流程模型及界面模型自動生成。通過這種方式，基于大量可重用的基礎(chǔ)、專業(yè)和行業(yè)模型庫，可以針對具體行業(yè)的具體裝備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，快速開發(fā)設(shè)計仿真類工業(yè)APP，能夠讓現(xiàn)有4000萬工程師迅速地將工業(yè)知識轉(zhuǎn)化為輕量工業(yè)APP，成為工業(yè)APP的創(chuàng)建者。采用這種方式，可以進一步支持替代集中參數(shù)機理模型類工業(yè)軟件的復(fù)雜工業(yè)APP開發(fā)，形成機械動力學(xué)設(shè)計仿真APP、控制系統(tǒng)設(shè)計仿真APP、液壓或流體系統(tǒng)設(shè)計仿真APP、電氣系統(tǒng)設(shè)計仿真APP等專業(yè)設(shè)計仿真APP，更進一步可以圍繞行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計形成一系列完整的行業(yè)APP集合。這樣有望徹底解決研發(fā)設(shè)計類APP開發(fā)難與研發(fā)設(shè)計工業(yè)軟件的短板問題。
Modelica為所有集中參數(shù)機理模型類工業(yè)軟件提供了統(tǒng)一的建模支撐，MWorks平臺基于Modelica提供了系統(tǒng)級設(shè)計、仿真、協(xié)同及軟件自動生成能力，可以支持各種集中參數(shù)機理模型的構(gòu)建、仿真和分析，提供了集中參數(shù)機理模型類工業(yè)軟件的替代方案，同時通過“知識模型化、模型軟件化”實現(xiàn)“模型驅(qū)動的知識自動化”，據(jù)此可以提供機理模型類工業(yè)APP的可視化開發(fā)環(huán)境，支持研發(fā)設(shè)計類輕量工業(yè)APP、復(fù)雜專業(yè)APP乃至行業(yè)APP集合的可視化開發(fā)。
結(jié)語
工業(yè)軟件是買不來的產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，我國工業(yè)軟件發(fā)展存在嚴重短板，機理模型類研發(fā)設(shè)計軟件完全被國外所壟斷。我國龐大的工業(yè)軟件應(yīng)用市場和新興工業(yè)軟件技術(shù)變革為我國工業(yè)軟件后來居上帶來了機遇。模型驅(qū)動的統(tǒng)一建模、統(tǒng)一仿真及軟件自動生成技術(shù)是當(dāng)前數(shù)字化設(shè)計技術(shù)和工業(yè)軟件技術(shù)的制高點，MWorks經(jīng)過18年積累打磨已經(jīng)居于國際前沿陣列。
基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)APP模式為工業(yè)軟件的發(fā)展提供了新的渠道，模型驅(qū)動的知識自動化技術(shù)提供了可視化工業(yè)APP開發(fā)環(huán)境，可以讓4000萬工程師成為工業(yè)APP創(chuàng)建者，開發(fā)研發(fā)設(shè)計類輕量工業(yè)APP、復(fù)雜專業(yè)APP乃至行業(yè)APP集合。MWorks為此已打下扎實的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)，但基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)APP開發(fā)平臺是一個生態(tài)建設(shè)，需要政、企、產(chǎn)、研、用共同努力。如此通過工業(yè)APP開發(fā)平臺建設(shè)、機理模型庫建設(shè)和工業(yè)APP建設(shè)，有望徹底解決研發(fā)設(shè)計類APP開發(fā)難與研發(fā)設(shè)計工業(yè)軟件的短板問題，并為下一代智能化的工業(yè)軟件發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。（來源：工業(yè)技術(shù)軟件化產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟 文/周凡利 編選：網(wǎng)經(jīng)社）
