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破解中国制造业产品研发信息化困局

—— 天喻软件董事长陈立平教授访谈

2007年6月12日     作者:e-works 蒋汉桥 黄培       
关键字:陈立平,天喻软件  
2007年4月19日,在e-works总经理黄培博士的带领下,e-works技术信息化编辑部的全体编辑到天喻软件公司进行了拜访.

    “中国的制造业产品研发信息化从起步就晚了国外大约30年,虽然这些年一直亦步亦趋地在追赶,然而遗憾的是,追赶的步伐实际上是趋离的,差距不可否认地仍在扩大,如果继续这样下去肯定会出问题。”——陈立平

    2007年4月19日,在e-works总经理黄培博士的带领下,e-works技术信息化编辑部的全体编辑到天喻软件公司进行了拜访,当问及对中国制造业产品研发信息化的评价时,华中科技大学CAD中心主任、天喻软件董事长陈立平教授如是说。
   
    对于如何破解中国制造业产品研发信息化越追越远的困局,陈立平教授谈了他的几点看法。
    
观点一、继续发展单领域工具意义有限
    
    我国制造企业在产品研发方面存在的问题很多,主要表现在:

    * 设计能力弱于制造能力;
    * 设计缺乏系统性、理性的指导和技术支撑,多“形似”而少“神似”;
    * 整机研发能力弱于零部件研发能力;
    * 复杂机电系统产品研发能力弱于单纯机械产品研发能力;
    * 设计多以传统常规为主,缺乏鲁棒性、优化设计和使能手段;
    * 缺乏数据和知识的积累与重用等。
 
    我国的制造业信息化2C工程(CAD\CIMS)从“八五”、“九五”一路走来,主要着眼点一直流连于CAD,这种政策指导也说不上错,毕竟CAD起到了一个引子的作用。然而,以CAD为主导的产品研发信息化很容易造成重结构、轻性能;多几何设计、少功能设计;强信息集成,弱模型集成;缺系统综合能力;短辅助创新设计能力等等一系列问题,并且对解决制造企业在产品研发方面存在的问题的实际作用也不明显。
 
    在复杂产品研发过程中,设计、仿真和试验技术都发挥着重要作用,而且随着计算机技术的高速进化而蓬勃发展。目前,常用的研发工具和技术手段有:机械设计、电子设计、物理场分析(包括结构分析、温度场分析、电磁场分析、流场分析等)、多体动力学分析、电路仿真、液压仿真、控制仿真、成本估算、重量估算、多学科优化等。这些技术和软件工具在为企业带来宽广选择余地的同时,也带来了异构问题和协同需求。现在虽然也有很多异构系统的集成,然后这种集成不是一种主动的集成,实际上是一种迫不得已的、补漏性质的集成。另外,现代企业大多采用了PDM/PLM技术进行产品数据管理,并在协同研发方面发挥了重大作用。但在组织复杂产品研发时,除对产品数据进行有效管理外,企业还需要更多协同技术,如研发技术集成、研发流程集成、智力资产管理、硬件资源管理、多学科优化等,这些协同需求的满足正在成为现代企业产品研发技术的发展特征。

    以产品数据管理为核心的PDM/PLM系统强调产品设计数据管理,而对CAE协同分析仿真过程的支撑相对较弱,不能有效支撑复杂产品系统设计仿真过程中数据、模型、知识、资源及过程的统一管理。还有,传统的软件都是用软件技术来封装知识,致使知识依赖软件。因此,多数情况下,现阶段制造企业信息化里面的知识难以继承、积累和共享,在产品研发过程中,知识、智能还是一句空话。
 
观点二、统一建模是大势所趋

    我们经历了大型机时代、PC机时代、Internet时代,现在Internet时代已经到了后期,将进入芯片无所不在、软件无所不在的嵌入式时代。要迎接机、电、液、控、软一体化设计的嵌入式时代,数字化设计应该有全新的面貌。

    复杂机电系统对产品设计在理论、方法和技术手段三个层面提出了新的挑战。对象的本构多域性、进程的复杂性和设计手段的多样性用现有的单领域工具无法解决,这就需要一种以资源可重用、系统可重构为模式的复杂产品建模、分析、仿真、优化一体化的设计技术。

    很显然,这种一体化设计的前提是需要有统一的模型描述,就是说要统一建模。有关统一建模方面的研究最早源于Elmqvist博士论文,Dymola则是采用面向对象思想设计的第一个系统建模语言,他首次在该领域引入“类”的概念,对物理系统“方程”进行对象封装与扩展,采用符号操作与图论相结合的方法,将DAE问题映射为ODE问题,通过求解ODE问题实现系统仿真,从而奠定了该领域面向对象统一建模思想的理论基础。受Dymola面向对象思想的影响,先后涌现出了一批基于方程描述及面向对象的系统建模语言。例如:Omola、ASCEND、gPROMS、ObjectMath、NMF、Smile、ALLEN和U.L.M等。

    随着面向对象建模语言研究的不断深入,多种建模语言并存导致模型定义与转换的混乱。为此,欧洲仿真协会EUROSIM于1996年组织了瑞典、德国、法国等6个国家建模与仿真领域的14位专家开始针对多领域物理统一建模技术展开研究,提出通过国际开放合作,研究设计下一代多领域、连续-离散混合物理建模语言Modelica,并使之成为本领域的标准。目前Modelica语言已发展到2.2版本,基于Modelica语言标准的模型库积累迅猛增长,并已公开发布13个免费共享模型库和6个付费的专业领域模型库,其模型库已覆盖汽车动力学库、系统动力学库、燃料电池库、热动力库、模糊控制库等许多工程领域。

图1. 陈立平教授给e-works编辑介绍Modelica

    Modelica在其迅速发展的同时受到工业界的高度关注,众多相关行业的顶尖企业纷纷推出对Modelica的支持计划。法国Imagine公司已着手基于Modelica构建其核心软件AmeSim的新版本;加拿大MapleSoft公司正拟推出BlockBuilder for Modelica以全面支持Modelica;特别是作为行业领头羊的法国Dassault Systemes公司在2006年Modelica国际年 会上宣布将基于Modelica的嵌入式系统建模作为其CATIA系统发展的核心战略,其意义深远重大。正是工业界的推崇使Modelica迅速发展壮大,并成为后CAD时代多领域统一建模与仿真事实上的国际标准。

    汽车(尤其新一代节能型混合动力汽车)作为复杂机电产品的典型代表,其设计仿真过程中需要许多不同学科领域的工程部门进行协同工作。国外汽车公司高度重视汽车产品的数字化建模与仿真,特别强调系统级的建模与仿真分析,并积累了大量模型及工程经验数据。目前,以欧洲及日本为代表的大众、奔驰、宝马、丰田公司已经开始采用Modelica进行汽车产品的复杂机、电、液、控建模与仿真,并在混合动力汽车等强耦合多领域问题中得到良好应用。

观点三、同一起跑线有望突破困局
 
    华中科技大学CAD中心从2000年开始关注Modelica;2001年开始深入研究Modelica及相关理论;2004年开始Modelica\MWorks系统的设计与实现;2005年初步实现原型系统MWorks V0.3,支持建模、求解与后处理;2006年进一步完善原型系统至MWorks V0.5,支持部分系统领域库;目前围绕Modelica\MWorks研究已发表论文十余篇。

图2. 华中科技大学CAD中心开发的Modelica\MWorks界面

    2006年9月4日至5日,华中科技大学CAD中心多领域研究组携自主知识产权研究平台MWorks v1.0参加了在奥地利维也纳举办的Modelica 2006大会并正式提出申请加入Modelica组织,这是中国的Modelica研究第一次亮相国际舞台并得到了诸多专家的关注。

 图3. Modelica 2006大会期间Modelica\MWorks 首次亮相国际舞台

    陈立平教授认为,在有效推动制造业的数字化进程方面,国外已经进行了非常成熟的,相关软件产业支持制造业的应用实践,我国与国外先进国家相比在此领域还存在较大的距离,也很难在该方向取得跨越性的成果。以几何设计为核心的数字化设计在制造业难以发挥技术引领的作用,而多领域建模与仿真作为数字化设计中新方向,我国与国外先进国家基本处在同一起跑线上,有可能推动我国数字化设计的创新发展。

    为此,陈立平教授给国家相关部门和国内相关厂商提出了三点建议:

    1、 Modelica的出现,使其成为领域知识最有效的表达形式,建议相关单位在合适的情况下考虑采纳Modelica作为领域知识表达形式,并建议国家标准化部门予以重视;

    2、 Modelica发展迅速,势头良好,是以欧洲为代表的统一建模仿真技术对以北美为代表的传统单一仿真技术的一次革命,这是我们迎头赶上新技术潮流、打破国外仿真工具在我国垄断地位,实现我国数字化设计技术跨越式创新的历史性机遇;

    3、多领域物理建模是具有里程碑意义的基础技术创新,具有强大的生命力,建议国家加大对多领域物理建模技术相关理论、技术的研究,积极参与制订具有生命力的国际新标准,并做出创新贡献。

黄培与天喻软件董事长陈立平(左二)、总经理陈继勇(右一)、董事万立(左一)的合影

后记:

    在访谈过程中笔者感觉到,陈立平教授非常强调虚拟仿真技术在产品研发过程中的作用,他对Modelica推崇备至,也因为达索系统等领袖厂商加入Modelica阵营而倍受鼓舞。笔者认为,中国本土的制造业信息化厂商不再像过去那样只是考虑企业眼前的需求,而是开始有了深入的思考,开始有了前瞻性的研究,不管这是个案还是一种普遍的现象,对中国的制造业信息化来说,无疑都是一件好事。殷切希望越来越多的信息化厂商能够像天喻软件一样,静下心来,深入思考,切实推进中国制造业信息化向前发展。


    

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