陈立平：关于中国工业软件技术创新与应用发展的思考

陈立平：关于中国工业软件技术创新与应用发展的思考近日，华中科技大学机械学院CAD中心陈立平教授撰文，针对我国工业软件技术创新与应用发展现状，做了深入的思考并提出了很有价值的建议，认为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，中国在该领域应有所作为，快速赶上。

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关于中国工业软件技术创新与应用发展的思考陈立平科技部国家企业信息化应用支撑软件工程技术研究中心（武汉）华中科技大学机械学院 CAD中心近一年来，随着中美贸易战的开启，特别是“中兴事件”的爆发，引发了国人对自主核心技术的广泛焦虑和深入思考。

近期“走向智能论坛”、“知识自动化”等知名微信公众号曾连续发表了关于中国工业软件发展的历史思考与回顾的系列文章，引起了业界读者强烈反响。

笔者作为从事自主可控数字化设计技术研究、开发及产业化推广长达26年的一线从业者更是感慨万千。

谨以此文向关注、关心、思考、坚守中国工业软件的同仁表示最诚挚的敬意。

一、破“集成创新”，立工业软件软件是智能的载体，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高端工业品，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、赵敏先生在《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高端生产工具普遍落后，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，最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。

以创新引领发展，建设创新型国家，首先要摒弃“集成创新”，重视工业软件！二、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（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。

三、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。

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。

四、国际风向变，软件自生成其实，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卓越的空间设计工具。

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。

直到基于统一模型规范Modelica的出现，才改变了这种状况。

作为全系统建模、分析、仿真优化及软件自动生成技术，Modelica已成为国际智能系统与产品设计研发技术的重要创新方向，是继计算机辅助几何设计CAGD之后，工业软件技术的重要创新，是新一轮工业革命的设计技术制高点，欧美发达国家正籍此构筑新的技术壁垒，对此，我们必须有所为。

任何复杂工业品的开发，都是基于统一模型表达的跨领域模型以端到端的方式构建全系统模型，实现多专业、多学科的流程协同与无缝集成的实践活动。

多领域物理统一建模技术研究正在不断推动知识自动化技术体系的发展，通过系统模型的数学自动映射，实现基于数学的模型集成，建立更具完备性的系统行为模型；通过对数学系统的自动分析和推理，结合基础数学算法，实现全系统功能样机的仿真分析；实现模型驱动的计算代码自动生成技术，提升嵌入式软件开发流程（模型在环、软件在环、硬件在环和快速控制原型）的自动化水平，为软件与物理工程师有效协同提供技术支撑。

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，相应的数字化研发方法和技术体系已成为制约因素。

国际传统CAD\CAE\自动化技术厂商纷纷并购系统建模及软件自动化技术，着力打造设计分析仿真优化及软件自动生成一体化技术。

多学科复杂产品研发技术创新一直是国际上的研究热点。

1997年鉴于IC领域硬件描述语言在支撑IC复杂系统产品开发方面取得的巨大成功，欧盟在《下一代多电飞机》研究项目中提出研究、设计工业领域普适的多领域物理统一建模语言Modelica，为欧洲工业的智能协同提供模型标准；2006年6月国际产品全生命软件巨头法国达索系统公司认定“Modelica是未来工业知识的表达标准”。