陳立平現任華中科技大學機械學院教授，國家CAD支撐軟件工程中心主任，主要研究多領域系統統一建模在機電一體化系統設計中的應用。
華中科技大學機械學院教授 陳立平
非常高興有機會參加這次高峰論壇。我個人在CAD領域工作有近30年的時間，從12年前開始轉向研究如何從源頭支撐產品創新，這是新世紀以來我主要研究的課題。
在這個過程中，我們也非常注重學術成果的轉化，先后創辦了兩個公司，一個是武漢天喻軟件，一個是蘇州同元軟控信息技術有限公司。今天主要向大家分享一下“多領域物理統一建模及其在機電系統設計中的應用”。
現代機械系統是多領域系統的綜合集成
傳統的CAD技術，已經逐漸發展為較為成熟的三維CAD，可以給工程師們提供了一個很好的數字樣機的模型。那么在未來的產品創新中，我們不僅希望得到了產品的幾何模型，還希望得到它的功能、性能模型，以及獲知這些變量是如何作用的。因此，我們把這種技術稱之為功能樣機，我們開發出了中國第一個、亞洲唯一的一個自主知識產權的Mworks平臺。
從機械系統的發展趨勢來看，如今的機械系統已經不是單一系統，而是機、電、液、控、熱一個綜合的集成系統，也是所有復雜產品的一個基本特征。
圖1 機械系統
20多年來，大家一直在探索如何在計算機上把各個專業的模型集成起來，現有的工程方法我們稱之為線性集成方式，即在多個單領域計算系統基于計算流程的信息集成方法—聯合仿真（Co-Simulation）。這帶來了諸多方面的問題，譬如：系統可重構性、模型可重用性、強制性解耦、多個求解器協調、受限于各軟件系統的開放性、工程部署實施等等。
技術一直在向前發展，不可能停留在20年前。當今這個時代，所有的系統都會與數字控制發生關聯，也延伸了六大創新動力。
創新動機1：IT技術的嵌入式時代
●PC、Internet時代后，已步入嵌入式時代
●資源可重用、系統可重構是本時代的主要技術熱點
●面向服務(業務)的架構(SOA)/模型驅動的設計MDD/模型驅動的代碼自動生成技術將成為本時代的重要基礎支撐
●在嵌入式時代，機、電、液、控、熱等軟、硬件等多物理領域對象高度集成與融合，復雜機電產品的研發必須在先進服務模式支持下，協作（同步）開發。
●產品創新需要面向服務的新理論、新方法和新軟件平臺技術
創新動機2：產品設計與CAD的釋義
●產品設計是產品的功能設計
●產品模型是多領域、多學科統一綜合描述
●產品設計最終目標是產品性能的優化設計
創新動機3：計算理論與應用技術現狀
●“精致”的異構單領域工具，難以支持多領域協同開發
●平臺開放性差，軟件封裝知識，知識依賴軟件
●缺少系統建模、分析和優化的技術支撐
●模型難以在現有技術平臺上有效積累、集成、共享、重用
●模型的重用性不足，缺乏統一建模規范
●工程界需要支持設計師計算活動的計算設計理論與技術
創新動機4：CAX應用現狀
在CAX領域，我們基本是從畫圖開始。而真正對于產品創新來說，概念設計和系統設計是最關鍵的部分，然后才出現詳細設計和結構設計的。而目前大多數企業出現了本末倒置的現狀。
圖2 CAX應用現狀
創新動機5：軟件技術的發展
●機械電子行業的模塊化、可重用的生產方式引發了
●軟件技術的變革：SOA（Service Oriented Architecture）
●資源可重用，系統可重構，自動編程
●模型驅動的架構、模型驅動的設計——MDA、MDD
●用戶可依據自己的業務知識自動生成自己所需的應用軟件
●軟件依賴于知識，用戶將占據主動地位
●知識協同、智能協同的時代即將到來
創新動機6：目前用戶、軟件方的關系
目前軟件行業的現狀是，做軟件行業的往往不熟悉工業界的業務，懂行業業務的人又不知道如何將knowhow變成一個業務工具。這就造成了：會編軟件的人不懂業務、懂業務的人不關系軟件。我們希望找到一種普適性的標準，把工業界的整個過程，用工程師的語言展現出來，在一個平臺上由工業界提供和積累構建，讓其自動生成軟件，把知識共享為一種資源。
這就是基于標準的產品建模技術，這種技術也會迎合IT發展。實際上現在歐美國家的很多公司，不做軟件也不做平臺，而將知識與軟件平臺分離，如同Software\hardware是軟硬件產業的產品形態，獨立的知識件（knowledge-ware）當成為未來IT產業的產品形態。這就是我所希望的未來的一種新模式，或者叫未來產業的“生態”：模型標準+專業知識庫+普適計算設計平臺+用戶。在支持統一模型標準的SOA（面向服務的架構）平臺上，用戶以重用知識件的方式，“搭建”產品模型，以重構的方式，生成產品的設計計算程序，在不斷的應用中或自行或與知詢商合作豐富發展專業知識庫。
圖3 目前用戶、軟件方的關系
另外，由各個行業的專家來做知識庫，這個知識庫與平臺本身無關，而是一個具有獨立知識產權的庫。在此基礎上，基礎知識庫可以變成企業的模型庫，而變成企業自己的knowhow，它比軟件平臺更加重要。
這也是我對工業應用軟件最普適的定義：知識+平臺�；谥R的專業化服務是現代工業發展的又一次協作分工，專業化服務產業是工業發達水平的重要標志，在我國工業化發展的進程中，培育專業化服務產業，發展“知本經濟”，對于我國經濟快速可持續發展有重要的現實意義，因此有必要對于支撐先進服務的基礎理論、標準、核心技術和基礎軟件平臺加以重點研發和創新。
多領域系統集成的機理研究
我很早提出這個理念的時候，大家都覺得不可能實現。下面我想從學術的角度來闡述一下，這個理論是可行的。
我們理工科的都知道，所有的樣機系統都可以表述為一個數學狀態方程。沒有計算機的時候，這個方程只能解決簡單問題；有了計算機之后，從上世紀50年代到十年前，計算機具備了大型計算能力，但需要專業的人處理數學方程。這么一來，這成為了一種科學計算，而不是工程計算。
所以從計算機的發展角度來看，用一種標準化、結構化的方式將產品模型模塊化地搭建起來，加上數學求解器，通過計算機技術把這套數據方程進行自動地求解規劃，這個流程是所有系統設計的普適性流程。
另外，我們一直在強調信息集成。我覺得這有一個誤區，對于管理是需要信息集成的，而對于產品本身，其目的是要實現模型集成。模型集成的內在機制是能量流、質量流和信息流的基爾霍夫定律。
圖4 能量流、質量流和信息流的基爾霍夫定律
基于這個基本的定律我們可以實現，通過模塊化自動銜接出一個大規模的系統，然后自動求解。這與所謂的信息集成是有區別的，信息集成是可以向模型集成轉化的。
利用這樣的標準我們可以建立一個基礎庫，然后再基礎庫基礎之上我們對一個復雜系統在一個平臺下對所有的機電液控進行數學描述，但是展現出來不是數學，因為工程師喜歡工程模塊，而不是數學語言。
多領域系統統一建模的技術實現，我要感謝國家863項目組，在我經過了8年研究之后，也就是2009年，組建了一個重點項目，目前這個項目已經驗收了�？梢哉f，我們中國人已經徹底掌握了國際工業知識表達標準Modelica；其次，我們研發了自己的平臺Mworks；第三，我們開始積累一些面向中國本土的工業知識構件及構件庫。
圖5 863項目啟動會
多領域系統建模與分析的應用
下面給大家分享幾個多領域系統建模與分析的應用案例。
從2009年開始，我們結合國家的一些重點工程和項目有一些應用。這個是中國商飛大飛機項目，做的飛機反推力與起落架控制系統仿真，基于MWorks開發了液壓系統實時仿真平臺，實現了設計方案的有效驗證和故障的快速定位。這個項目今年已經進行到了第四期。
包括中國商飛的硬件在環的仿真系統，都是在我們這樣的體系下完成的。這是中國商飛的液壓起落架半物理仿真驗證平臺。
另外，我們和東方電機也進行了合作，對它的電機系統按照工程標準進行了仿真分析，通過動態仿真分析優化三相異步電機的啟動性能，實現了電機設計知識的規范化和設計流程的標準化。
其他成功的應用還有：某型商用車自動變速箱功能樣機、車輛動力學虛擬試驗與仿真分析、重型汽車動力性與燃油經濟性仿真分析、五軸油氣懸架起重機功能樣機、九軸泵車臂架平順性仿真、空調控制系統的半實物仿真、冷熱電聯供系統建模與方案評價、虛擬試驗設計與分布式計算等。
本文根據華中科技大學機械學院教授 陳立平在“2012中國制造業產品創新數字化國際峰會”上的發言錄音整理，已經本人確認！
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