我国工业软件技术创新与应用发展现状.docx
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我国工业软件技术创新与应用发展现状
书山有路勤为径;学海无涯苦作舟
我国工业软件技术创新与应用发展现状
【中国市场分析】工业软件不同于IT软件,是工业知识创新长期积
累、积淀并在应用中迭代进化的工具产物。
作为先进生产力的关键要素,
只要工业技术创新不息,工业软件创新不止。
工业软件不同于IT软件,是工业知识创新长期积累、积淀并在应
用中迭代进化的工具产物。
作为先进生产力的关键要素,只要工业技术创
新不息,工业软件创新不止。
破“集成创新”,立工业软件
软件是智能的载体,是智能社会重要的基础要素。
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、积淀并在应
用中迭代进化的工具产物,正如赵敏先生在《为工业软件正名》鲜明指出
“工业软件是一个典型的工业品,它首先是由工业技术构成的!
研制工业
软件是一门集工业知识与Know-how大成于一身的专业学问。
没有工业知
识,没有制造业经验,只学过计算机软件的工程师,是设计不出先进的工
业软件的!
”。
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。
林雪萍先生在《工业软件黎
明静悄悄|“失落的三十年”工业软件》对中国工业软件历史给出了“亲
历的全景式”回望,彻腹的“哀其不幸、怒其不争”让人嘘唏不已。
赵翰
林、林雪萍先生在《仿真软件史就是大鱼吃小鱼的历史|工业软件史》总
专注下一代成长,为了孩子
书山有路勤为径;学海无涯苦作舟
结了国际工业软件技术与产业发展,生动地描绘了国际工业软件“繁衍不
断、生生不息”的蓬勃生态,虽然“大鱼吃小鱼”,但“池子里总有鱼”。
工业软件按照运行场景为两大类:
1、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。
2、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(on-line)。
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。
随着复杂产品系统智能化(嵌入式应用软件)趋势的快速发展,相应
的数字化设计方法和技术体系已成为制约因素。
以个人长期实践经验来看,导致中国工业软件落后的原因是多方面
的:
1、从文化层面看,我们长于“道、理”,短于“术、器”,“君子动
口不动手”,热衷于新理念、新概念的玄究,所谓“玄而又玄,妙不可言”,
轻视“术、器”的恒力打造,导致工业母机在内的生产工具普遍落后,工
业软件更是如此。
2、从历史发展层面看,改革开放40年中国从农业化向工业化转型
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的过程中,以“逆向工程”为主的技术发展方式导致我国工业软件自主发
展缺乏足够的内在源动力。
3、视集成为创新,加剧了基础、关键核心技术的空心化,我们一
轮又一轮地引进、推广“XX化”的“道、理”,而在“术、器”方面鲜有
作为,终导致相关基础工具软件几乎被国外垄断,受制于人,国内相关技
术研发力量严重萎缩,自主可控工业软件举步维艰。
不破不立。
以创新发展,建设创新型国家,首先要摒弃“集成创新”
,重视工业软件!
新工业革命,软件的革命
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(RAMI4.0)”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,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
当前众多单领域、单学科关键设计研发工具90%以上为国外掌控,
各个软件工具在国外工业创新实践迭代中历经几十年积累,具备了先天的
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先发优势。
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。
1、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。
德国工业4.0强调需要
建立基于模型的系统工程技术体系,实现全系统早期多回路设计验证。
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。
2、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,由于需要专业地部署集成
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。
3、具有CPS特征的智能产品研发需要、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
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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。
抛开我们在各个单学科领域方向与国外软件几十年技术代差不谈,
仅仅在研发方向和模式上,如果我们试图以传统的软件开发模式,在各个
单学科领域方向孤立研制,可以说自主可控数字化设计技术体系机会寥寥。
国际风向变,软自生成
其实,国际上软件研发技术的趋势和模式,已经开始变化和转型。
任何工业设计研发活动都离不开两个空间:
几何空间和状态空间。
在几何空间,计算机辅助设计(CAD)自上世纪六十年代初以来,发
展了计算机辅助几何设计技术CAGD,为产品结构设计提供了的空间设计工
具。
事实上直到上世纪80年代初出现非均匀有理B样条技术NURBS之前,
CAGD缺乏统一的标准技术体系,严重的影响了CAD技术在工业界的普及推
广,NURBS“横扫六合、总齐八荒”,将CAD技术推进了大规模应用创新的
时代。
但是,在状态空间,迄今为止,针对产品系统行为、功能及性能,
围绕状态空间建模、分析及仿真活动,由于缺乏统一的知识模型表达标准,
形成了纷繁的单学科领域仿真软件工具,致使建模与仿真(M&S)远未
及CAGD,在工业界达到普及深入标准化的应用推广。
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