陳立平現(xiàn)任華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院教授，國家CAD支撐軟件工程中心主任，主要研究多領(lǐng)域系統(tǒng)統(tǒng)一建模在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用。
華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院教授 陳立平
非常高興有機(jī)會參加這次高峰論壇。我個人在CAD領(lǐng)域工作有近30年的時間，從12年前開始轉(zhuǎn)向研究如何從源頭支撐產(chǎn)品創(chuàng)新，這是新世紀(jì)以來我主要研究的課題。
在這個過程中，我們也非常注重學(xué)術(shù)成果的轉(zhuǎn)化，先后創(chuàng)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(shù)有限公司。今天主要向大家分享一下“多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模及其在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用”。
現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)是多領(lǐng)域系統(tǒng)的綜合集成
傳統(tǒng)的CAD技術(shù)，已經(jīng)逐漸發(fā)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(shù)字樣機(jī)的模型。那么在未來的產(chǎn)品創(chuàng)新中，我們不僅希望得到了產(chǎn)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(shù)稱之為功能樣機(jī)，我們開發(fā)出了中國第一個、亞洲唯一的一個自主知識產(chǎn)權(quán)的Mworks平臺。
從機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展趨勢來看，如今的機(jī)械系統(tǒng)已經(jīng)不是單一系統(tǒng)，而是機(jī)、電、液、控、熱一個綜合的集成系統(tǒng)，也是所有復(fù)雜產(chǎn)品的一個基本特征。
圖1 機(jī)械系統(tǒng)
20多年來，大家一直在探索如何在計算機(jī)上把各個專業(yè)的模型集成起來，現(xiàn)有的工程方法我們稱之為線性集成方式，即在多個單領(lǐng)域計算系統(tǒng)基于計算流程的信息集成方法—聯(lián)合仿真（Co-Simulation）。這帶來了諸多方面的問題，譬如：系統(tǒng)可重構(gòu)性、模型可重用性、強(qiáng)制性解耦、多個求解器協(xié)調(diào)、受限于各軟件系統(tǒng)的開放性、工程部署實施等等。
技術(shù)一直在向前發(fā)展，不可能停留在20年前。當(dāng)今這個時代，所有的系統(tǒng)都會與數(shù)字控制發(fā)生關(guān)聯(lián)，也延伸了六大創(chuàng)新動力。
創(chuàng)新動機(jī)1：IT技術(shù)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(tǒng)可重構(gòu)是本時代的主要技術(shù)熱點
●面向服務(wù)(業(yè)務(wù))的架構(gòu)(SOA)/模型驅(qū)動的設(shè)計MDD/模型驅(qū)動的代碼自動生成技術(shù)將成為本時代的重要基礎(chǔ)支撐
●在嵌入式時代，機(jī)、電、液、控、熱等軟、硬件等多物理領(lǐng)域?qū)ο蟾叨燃膳c融合，復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的研發(fā)必須在先進(jìn)服務(wù)模式支持下，協(xié)作（同步）開發(fā)。
●產(chǎn)品創(chuàng)新需要面向服務(wù)的新理論、新方法和新軟件平臺技術(shù)
創(chuàng)新動機(jī)2：產(chǎn)品設(shè)計與CAD的釋義
●產(chǎn)品設(shè)計是產(chǎn)品的功能設(shè)計
●產(chǎn)品模型是多領(lǐng)域、多學(xué)科統(tǒng)一綜合描述
●產(chǎn)品設(shè)計最終目標(biāo)是產(chǎn)品性能的優(yōu)化設(shè)計
創(chuàng)新動機(jī)3：計算理論與應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀
●“精致”的異構(gòu)單領(lǐng)域工具，難以支持多領(lǐng)域協(xié)同開發(fā)
●平臺開放性差，軟件封裝知識，知識依賴軟件
●缺少系統(tǒng)建模、分析和優(yōu)化的技術(shù)支撐
●模型難以在現(xiàn)有技術(shù)平臺上有效積累、集成、共享、重用
●模型的重用性不足，缺乏統(tǒng)一建模規(guī)范
●工程界需要支持設(shè)計師計算活動的計算設(shè)計理論與技術(shù)
創(chuàng)新動機(jī)4：CAX應(yīng)用現(xiàn)狀
在CAX領(lǐng)域，我們基本是從畫圖開始。而真正對于產(chǎn)品創(chuàng)新來說，概念設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計是最關(guān)鍵的部分，然后才出現(xiàn)詳細(xì)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的。而目前大多數(shù)企業(yè)出現(xiàn)了本末倒置的現(xiàn)狀。
圖2 CAX應(yīng)用現(xiàn)狀
創(chuàng)新動機(jī)5：軟件技術(shù)的發(fā)展
●機(jī)械電子行業(yè)的模塊化、可重用的生產(chǎn)方式引發(fā)了
●軟件技術(shù)的變革：SOA（Service Oriented Architecture）
●資源可重用，系統(tǒng)可重構(gòu)，自動編程
●模型驅(qū)動的架構(gòu)、模型驅(qū)動的設(shè)計——MDA、MDD
●用戶可依據(jù)自己的業(yè)務(wù)知識自動生成自己所需的應(yīng)用軟件
●軟件依賴于知識，用戶將占據(jù)主動地位
●知識協(xié)同、智能協(xié)同的時代即將到來
創(chuàng)新動機(jī)6：目前用戶、軟件方的關(guān)系
目前軟件行業(yè)的現(xiàn)狀是，做軟件行業(yè)的往往不熟悉工業(yè)界的業(yè)務(wù)，懂行業(yè)業(yè)務(wù)的人又不知道如何將knowhow變成一個業(yè)務(wù)工具。這就造成了：會編軟件的人不懂業(yè)務(wù)、懂業(yè)務(wù)的人不關(guān)系軟件。我們希望找到一種普適性的標(biāo)準(zhǔn)，把工業(yè)界的整個過程，用工程師的語言展現(xiàn)出來，在一個平臺上由工業(yè)界提供和積累構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品建模技術(shù)，這種技術(shù)也會迎合IT發(fā)展。實際上現(xiàn)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(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品形態(tài)，獨立的知識件（knowledge-ware）當(dāng)成為未來IT產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品形態(tài)。這就是我所希望的未來的一種新模式，或者叫未來產(chǎn)業(yè)的“生態(tài)”：模型標(biāo)準(zhǔn)+專業(yè)知識庫+普適計算設(shè)計平臺+用戶。在支持統(tǒng)一模型標(biāo)準(zhǔn)的SOA（面向服務(wù)的架構(gòu)）平臺上，用戶以重用知識件的方式，“搭建”產(chǎn)品模型，以重構(gòu)的方式，生成產(chǎn)品的設(shè)計計算程序，在不斷的應(yīng)用中或自行或與知詢商合作豐富發(fā)展專業(yè)知識庫。
圖3 目前用戶、軟件方的關(guān)系
另外，由各個行業(yè)的專家來做知識庫，這個知識庫與平臺本身無關(guān)，而是一個具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的庫。在此基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)知識庫可以變成企業(yè)的模型庫，而變成企業(yè)自己的knowhow，它比軟件平臺更加重要。
這也是我對工業(yè)應(yīng)用軟件最普適的定義：知識+平臺。基于知識的專業(yè)化服務(wù)是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的又一次協(xié)作分工，專業(yè)化服務(wù)產(chǎn)業(yè)是工業(yè)發(fā)達(dá)水平的重要標(biāo)志，在我國工業(yè)化發(fā)展的進(jìn)程中，培育專業(yè)化服務(wù)產(chǎn)業(yè)，發(fā)展“知本經(jīng)濟(jì)”，對于我國經(jīng)濟(jì)快速可持續(xù)發(fā)展有重要的現(xiàn)實意義，因此有必要對于支撐先進(jìn)服務(wù)的基礎(chǔ)理論、標(biāo)準(zhǔn)、核心技術(shù)和基礎(chǔ)軟件平臺加以重點研發(fā)和創(chuàng)新。
多領(lǐng)域系統(tǒng)集成的機(jī)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(xiàn)。下面我想從學(xué)術(shù)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(jī)系統(tǒng)都可以表述為一個數(shù)學(xué)狀態(tài)方程。沒有計算機(jī)的時候，這個方程只能解決簡單問題；有了計算機(jī)之后，從上世紀(jì)50年代到十年前，計算機(jī)具備了大型計算能力，但需要專業(yè)的人處理數(shù)學(xué)方程。這么一來，這成為了一種科學(xué)計算，而不是工程計算。
所以從計算機(jī)的發(fā)展角度來看，用一種標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化的方式將產(chǎn)品模型模塊化地搭建起來，加上數(shù)學(xué)求解器，通過計算機(jī)技術(shù)把這套數(shù)據(jù)方程進(jìn)行自動地求解規(guī)劃，這個流程是所有系統(tǒng)設(shè)計的普適性流程。
另外，我們一直在強(qiáng)調(diào)信息集成。我覺得這有一個誤區(qū)，對于管理是需要信息集成的，而對于產(chǎn)品本身，其目的是要實現(xiàn)模型集成。模型集成的內(nèi)在機(jī)制是能量流、質(zhì)量流和信息流的基爾霍夫定律。
圖4 能量流、質(zhì)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(xiàn)，通過模塊化自動銜接出一個大規(guī)模的系統(tǒng)，然后自動求解。這與所謂的信息集成是有區(qū)別的，信息集成是可以向模型集成轉(zhuǎn)化的。
利用這樣的標(biāo)準(zhǔn)我們可以建立一個基礎(chǔ)庫，然后再基礎(chǔ)庫基礎(chǔ)之上我們對一個復(fù)雜系統(tǒng)在一個平臺下對所有的機(jī)電液控進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，但是展現(xiàn)出來不是數(shù)學(xué)，因為工程師喜歡工程模塊，而不是數(shù)學(xué)語言。
多領(lǐng)域系統(tǒng)統(tǒng)一建模的技術(shù)實現(xiàn)，我要感謝國家863項目組，在我經(jīng)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(jīng)驗收了�？梢哉f，我們中國人已經(jīng)徹底掌握了國際工業(yè)知識表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)Modelica；其次，我們研發(fā)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(yè)知識構(gòu)件及構(gòu)件庫。
圖5 863項目啟動會
多領(lǐng)域系統(tǒng)建模與分析的應(yīng)用
下面給大家分享幾個多領(lǐng)域系統(tǒng)建模與分析的應(yīng)用案例。
從2009年開始，我們結(jié)合國家的一些重點工程和項目有一些應(yīng)用。這個是中國商飛大飛機(jī)項目，做的飛機(jī)反推力與起落架控制系統(tǒng)仿真，基于MWorks開發(fā)了液壓系統(tǒng)實時仿真平臺，實現(xiàn)了設(shè)計方案的有效驗證和故障的快速定位。這個項目今年已經(jīng)進(jìn)行到了第四期。
包括中國商飛的硬件在環(huán)的仿真系統(tǒng)，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(jī)也進(jìn)行了合作，對它的電機(jī)系統(tǒng)按照工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了仿真分析，通過動態(tài)仿真分析優(yōu)化三相異步電機(jī)的啟動性能，實現(xiàn)了電機(jī)設(shè)計知識的規(guī)范化和設(shè)計流程的標(biāo)準(zhǔn)化。
其他成功的應(yīng)用還有：某型商用車自動變速箱功能樣機(jī)、車輛動力學(xué)虛擬試驗與仿真分析、重型汽車動力性與燃油經(jīng)濟(jì)性仿真分析、五軸油氣懸架起重機(jī)功能樣機(jī)、九軸泵車臂架平順性仿真、空調(diào)控制系統(tǒng)的半實物仿真、冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)建模與方案評價、虛擬試驗設(shè)計與分布式計算等。
本文根據(jù)華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院教授 陳立平在“2012中國制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國際峰會”上的發(fā)言錄音整理，已經(jīng)本人確認(rèn)！
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模及其在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用
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