陳立平

軟件是智能的載體，是智能社會最重要的基礎要素。運行于智能產品、工業(yè)裝備與系統(tǒng)全生命周期活動中的先進軟件是工業(yè)乃至社會發(fā)展水平的重要標志，是未來智能工業(yè)的重要基礎支撐，是不能受制于人的關鍵核心技術。工業(yè)軟件不同于IT軟件，是工業(yè)知識創(chuàng)新長期積累、積淀并在應用中迭代進化的工具產物，工業(yè)軟件是工業(yè)創(chuàng)新實踐的技術溢出，是先進生產力的關鍵要素，只要工業(yè)技術創(chuàng)新不息，工業(yè)軟件創(chuàng)生不止。

按照運行場景為兩大類

第一，研發(fā)與管理工具類（off-line）。智能產品、裝備與系統(tǒng)的研發(fā)、管理、維護活動中需要運用大量的軟件工具，如CAD、CAE、CAM、PLM、ERP、MES、MRO等，形成產品全生命周期工具軟件體系。工具軟件通常具有一定的領域、行業(yè)、專業(yè)的通用性，作為工程師的輔助工具支撐智能裝備與系統(tǒng)研發(fā)（off-line），已形成較完整的技術體系，在工業(yè)界得到廣泛應用，此類技術國內有一定基礎。

第二，系統(tǒng)運行時類（on-line）。智能產品、裝備與系統(tǒng)是典型的多學科集成的信息物理融合系統(tǒng)（CPS），其中嵌入越來越多的運行時類軟件，此類軟件是連接Cyber和Physical的重要設備，已成為智能產品重要的組成部分。在現(xiàn)有的產品全生命周期工具軟件體系中缺乏跨領域、全系統(tǒng)建模及軟件自動化工具，此類軟件研制生產主要依賴人工編寫，研發(fā)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。

信息高度發(fā)達的后工業(yè)化社會的根本技術特征是信息物理系統(tǒng)CPS。新世紀以來，CPS引爆了以德國工業(yè)4.0革命為代表的新一輪工業(yè)革命。德國工業(yè)4.0采用全新的語境：工業(yè)、系統(tǒng)、軟件、模型、標準，強調軟件是工業(yè)的未來，并指出未來的工業(yè)軟件必須采用基于模型的理論、方法和工具，這就是“工業(yè)4.0組件參考架構模型（RAMI 4.0）”誕生的基本邏輯。從標準到模型，從模型到軟件，從軟件到系統(tǒng)，任何數字化工廠的構成，最終都需要由工業(yè)軟件來實現(xiàn)。正在到來的新工業(yè)革命，實際上就是工業(yè)軟件的革命，是軟件的核心知識與開發(fā)手段的革命，為此必須創(chuàng)新發(fā)展新一代數字化設計技術，構建基于模型標準Modelica的知識自動化工業(yè)軟件創(chuàng)成與應用技術體系。

知識自動化技術體系是中國工業(yè)系統(tǒng)數字化設計技術及軟件創(chuàng)新發(fā)展的難得的歷史性機遇。

無先發(fā)優(yōu)勢 有后發(fā)劣勢

而我國的自主可控數字化設計技術體系基本上只有后發(fā)劣勢。

第一，強于詳細設計、弱于概念設計和系統(tǒng)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(fā)展是自底向上發(fā)展的，數控技術先于CAD技術，CAE技術先于CAD，詳細設計技術先于系統(tǒng)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。系統(tǒng)設計與驗證技術是中國數字化設計技術創(chuàng)新發(fā)展技術突破口。

第二，單學科設計工具及其集成難以完備實現(xiàn)多學科融合。從工程角度，智能產品、裝備和制造系統(tǒng)是多專業(yè)交聯(lián)集成的復雜系統(tǒng)。產品研發(fā)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，需要多學科的集成?，F(xiàn)有的設計研發(fā)軟件工具缺乏全局觀，以傳統(tǒng)的軟件編制工藝“分科而制”，目前基于單學科軟件工具的多學科融合實際是多專業(yè)工具軟件的信息集成，由于需要專業(yè)的部署集成眾多學科軟件工具實現(xiàn)多學科集成，增加了軟件成本，也嚴重影響了設計師桌面快捷應用。從科學角度，智能產品系統(tǒng)的每個物理學科均可以表征為在同一狀態(tài)空間下的數學方程系統(tǒng)，從而完整反映系統(tǒng)的耦合性。傳統(tǒng)多學科集成以相關異構單學科建模工具軟件+計算流程的信息集成，人為地將完整的數學系統(tǒng)割裂成若干子系統(tǒng)，弱化系統(tǒng)耦合，不能完整地刻畫系統(tǒng)的行為，因此基于信息集成的多學科集成具有不完備性。

第三，具有CPS特征的智能產品研發(fā)需要高效、可靠的軟硬件協(xié)同。從信息物理融合的角度，智能產品設計交付物不再像傳統(tǒng)產品只有圖紙，還有越來越多的與產品行為密切關聯(lián)的運行時軟件（嵌入式軟件）。由于缺乏軟件工程師和多專業(yè)物理工程師有效協(xié)同技術工具手段，導致嵌入式軟件開發(fā)、測試、驗證自動化程度低、周期長、成本高，因此軟件與物理專業(yè)高效協(xié)同的技術手段是智能產品開發(fā)的技術瓶頸。

運行時類軟件與系統(tǒng)特性與行為密切相關，具有多學科融合、軟硬件高度契合、個性強、涉及面廣、技術難度大等特點。目前此類軟件研制生產主要依賴人工編寫，研發(fā)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(tǒng)行為建模仿真分析以及模型驅動的代碼自動生成技術實現(xiàn)“知識可重用、系統(tǒng)易重構”，是提高此類軟件置信度、研發(fā)效率和可維護性的有效技術途徑。

知識自動化 一畫可兩得

第一，思想理念的創(chuàng)新。工業(yè)軟件是工業(yè)技術工具，應當用工業(yè)（物理的）方式而非IT算法方式去創(chuàng)造；工業(yè)思想方法即機理、本構、模塊化、端到端集成及畫圖等等；工業(yè)軟件的應用者也是工業(yè)品的創(chuàng)造者，新的創(chuàng)新輔助設計技術應當支撐設計師在設計物理系統(tǒng)的同時，同步創(chuàng)成相關的計算分析程序；新一代工業(yè)軟件應當具有模型可復用、系統(tǒng)易重構的技術特征，以適應復雜多變的工業(yè)個性化需求。

第二，原理與技術創(chuàng)新。為了完備地實現(xiàn)多學科融合，須建立統(tǒng)御各單學科原理的工程物理系統(tǒng)原理。工程物理系統(tǒng)集成是以組件端口連接集組而成，端口連接的作用機理可歸納為能量流、物質流、信息流，“三流合一”是工程物理系統(tǒng)的基本原理。對于集中參數多學科集成系統(tǒng)，可以建立基于模型的數學自動演繹體系，以端到端的模式實現(xiàn)系統(tǒng)數學體系的自動建立，進而自動生成系統(tǒng)計算程序，形成知識自動化技術體系。如此，基于統(tǒng)一模型的知識自動化技術體系以工業(yè)的、物理的方式（繪制系統(tǒng)構型）實現(xiàn)了“畫出系統(tǒng)構型，生成計算程序，體驗系統(tǒng)性能”的工業(yè)軟件創(chuàng)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，即可自動生成代碼，編出軟件程序。

建議與構想

基于統(tǒng)一模型規(guī)范的全系統(tǒng)建模、分析、仿真優(yōu)化及軟件自動生成技術是國際智能系統(tǒng)與產品研發(fā)技術的重要創(chuàng)新方向。

中國必須有所作為。目前商用的“分科而制”單領域建模分析軟件工具90%以上為國外掌控，其發(fā)展積淀長達數十年，如果我們仍然以傳統(tǒng)方式追趕，可以說中國工業(yè)應用軟件機會渺茫。多領域物理統(tǒng)一建模理論方法與技術所創(chuàng)造的知識自動化技術體系創(chuàng)新了工業(yè)軟件生成方式，在技術上形成了后發(fā)優(yōu)勢，可形成“一張白紙可以畫出最新、最美的圖畫”的態(tài)勢，是我國自主可控的高端分析建模技術和工業(yè)應用軟件創(chuàng)新發(fā)展難得的機遇。中國已經突破了國際多領域物理統(tǒng)一建模核心技術，完全有可能在系統(tǒng)建模分析軟件領域全面突破。

為此需要重視以下幾方面工作：

第一，深入持續(xù)地開展工業(yè)知識（模型）的表達與互聯(lián)研究，建立完整的基于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，以設計智能化為技術使命，與工業(yè)應用深度融合，逐步推進體系建設。第二，建立模型標準研究、領域模型創(chuàng)造與重用、基于模型的知識自動化系統(tǒng)軟件以及模型應用的協(xié)作機制和體系，營造工業(yè)領域基于模型知識的新生態(tài)，開創(chuàng)中國工業(yè)系統(tǒng)智能協(xié)同新局面。第三，重視工業(yè)軟件研究、開發(fā)、應用的人才培養(yǎng)，特別是在新工科教育中強化工業(yè)軟件的基礎作用。第四，針對面向CPS的智能產品系統(tǒng)建模與仿真技術體系，國家應當倡導自主可控，打通相關專項單點技術和資源（軟件、硬件研發(fā)與工業(yè)應用聯(lián)動），融入中國創(chuàng)新，強化應用迭代，為此組織力量（產、研、用）在重大創(chuàng)新工程中設立專題技術指標，形成技術創(chuàng)新聯(lián)盟，在創(chuàng)新實踐中迭代實現(xiàn)自主技術的可持續(xù)發(fā)展。第五，制定相關產業(yè)聯(lián)動政策，鼓勵工業(yè)界采用國產替代技術，結合中國創(chuàng)新工程，整合現(xiàn)有成果和資源，明確技術和應用指標，在本領域實現(xiàn)全面的可持續(xù)創(chuàng)新能力，掌握新一代工業(yè)軟件技術體系可期可待。