陳立平現(xiàn)任華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院教授，國(guó)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(jì)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(huì)參加這次高峰論壇。我個(gè)人在CAD領(lǐng)域工作有近30年的時(shí)間，從12年前開(kāi)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(lái)我主要研究的課題。

    在這個(gè)過(guò)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(gè)公司，一個(gè)是武漢天喻軟件，一個(gè)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(jì)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(gè)很好的數(shù)字樣機(jī)的模型。那么在未來(lái)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(kāi)發(fā)出了中國(guó)第一個(gè)、亞洲唯一的一個(gè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Mworks平臺(tái)。

    從機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)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(gè)綜合的集成系統(tǒng)，也是所有復(fù)雜產(chǎn)品的一個(gè)基本特征。

    圖1 機(jī)械系統(tǒng)

    20多年來(lái)，大家一直在探索如何在計(jì)算機(jī)上把各個(gè)專業(yè)的模型集成起來(lái)，現(xiàn)有的工程方法我們稱之為線性集成方式，即在多個(gè)單領(lǐng)域計(jì)算系統(tǒng)基于計(jì)算流程的信息集成方法—聯(lián)合仿真（Co-Simulation）。這帶來(lái)了諸多方面的問(wèn)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(gè)求解器協(xié)調(diào)、受限于各軟件系統(tǒng)的開(kāi)放性、工程部署實(shí)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(gè)時(shí)代，所有的系統(tǒng)都會(huì)與數(shù)字控制發(fā)生關(guān)聯(lián)，也延伸了六大創(chuàng)新動(dòng)力。

    創(chuàng)新動(dòng)機(jī)1：IT技術(shù)的嵌入式時(shí)代

    ●PC、Internet時(shí)代后，已步入嵌入式時(shí)代

    ●資源可重用、系統(tǒng)可重構(gòu)是本時(shí)代的主要技術(shù)熱點(diǎn)

    ●面向服務(wù)(業(yè)務(wù))的架構(gòu)(SOA)/模型驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)MDD/模型驅(qū)動(dòng)的代碼自動(dòng)生成技術(shù)將成為本時(shí)代的重要基礎(chǔ)支撐

    ●在嵌入式時(shí)代，機(jī)、電、液、控、熱等軟、硬件等多物理領(lǐng)域?qū)ο蟾叨燃�成與融合，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(kāi)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(tái)技術(shù)

    創(chuàng)新動(dòng)機(jī)2：產(chǎn)品設(shè)計(jì)與CAD的釋義

    ●產(chǎn)品設(shè)計(jì)是產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)

    ●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(jì)最終目標(biāo)是產(chǎn)品性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

    創(chuàng)新動(dòng)機(jī)3：計(jì)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(kāi)發(fā)

    ●平臺(tái)開(kāi)放性差，軟件封裝知識(shí)，知識(shí)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(tái)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(jì)師計(jì)算活動(dòng)的計(jì)算設(shè)計(jì)理論與技術(shù)

    創(chuàng)新動(dòng)機(jī)4：CAX應(yīng)用現(xiàn)狀

    在CAX領(lǐng)域，我們基本是從畫圖開(kāi)始。而真正對(duì)于產(chǎn)品創(chuàng)新來(lái)說(shuō)，概念設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的部分，然后才出現(xiàn)詳細(xì)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)編程

    ●模型驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)、模型驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)——MDA、MDD

    ●用戶可依據(jù)自己的業(yè)務(wù)知識(shí)自動(dòng)生成自己所需的應(yīng)用軟件

    ●軟件依賴于知識(shí)，用戶將占據(jù)主動(dòng)地位

    ●知識(shí)協(xié)同、智能協(xié)同的時(shí)代即將到來(lái)

    創(chuàng)新動(dòng)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(gè)業(yè)務(wù)工具。這就造成了：會(huì)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(gè)過(guò)程，用工程師的語(yǔ)言展現(xiàn)出來(lái)，在一個(gè)平臺(tái)上由工業(yè)界提供和積累構(gòu)建，讓其自動(dòng)生成軟件，把知識(shí)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(huì)迎合IT發(fā)展。實(shí)際上現(xiàn)在歐美國(guó)家的很多公司，不做軟件也不做平臺(tái)，而將知識(shí)與軟件平臺(tái)分離，如同Software\hardware是軟硬件產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品形態(tài)，獨(dú)立的知識(shí)件（knowledge-ware）當(dāng)成為未來(lái)IT產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品形態(tài)。這就是我所希望的未來(lái)的一種新模式，或者叫未來(lái)產(chǎn)業(yè)的“生態(tài)”：模型標(biāo)準(zhǔn)+專業(yè)知識(shí)庫(kù)+普適計(jì)算設(shè)計(jì)平臺(tái)+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(tái)上，用戶以重用知識(shí)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(jì)計(jì)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(shí)庫(kù)。

    圖3 目前用戶、軟件方的關(guān)系

    另外，由各個(gè)行業(yè)的專家來(lái)做知識(shí)庫(kù)，這個(gè)知識(shí)庫(kù)與平臺(tái)本身無(wú)關(guān)，而是一個(gè)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)可以變成企業(yè)的模型庫(kù)，而變成企業(yè)自己的knowhow，它比軟件平臺(tái)更加重要。

    這也是我對(duì)工業(yè)應(yīng)用軟件最普適的定義：知識(shí)+平臺(tái)�；�于知識(shí)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(guó)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(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速可持續(xù)發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義，因此有必要對(duì)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(tái)加以重點(diǎn)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(gè)理念的時(shí)候，大家都覺(jué)得不可能實(shí)現(xiàn)。下面我想從學(xué)術(shù)的角度來(lái)闡述一下，這個(gè)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(gè)數(shù)學(xué)狀態(tài)方程。沒(méi)有計(jì)算機(jī)的時(shí)候，這個(gè)方程只能解決簡(jiǎn)單問(wèn)題；有了計(jì)算機(jī)之后，從上世紀(jì)50年代到十年前，計(jì)算機(jī)具備了大型計(jì)算能力，但需要專業(yè)的人處理數(shù)學(xué)方程。這么一來(lái)，這成為了一種科學(xué)計(jì)算，而不是工程計(jì)算。

    所以從計(jì)算機(jī)的發(fā)展角度來(lái)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(lái)，加上數(shù)學(xué)求解器，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)把這套數(shù)據(jù)方程進(jìn)行自動(dòng)地求解規(guī)劃，這個(gè)流程是所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)的普適性流程。

    另外，我們一直在強(qiáng)調(diào)信息集成。我覺(jué)得這有一個(gè)誤區(qū)，對(duì)于管理是需要信息集成的，而對(duì)于產(chǎn)品本身，其目的是要實(shí)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(gè)基本的定律我們可以實(shí)現(xiàn)，通過(guò)模塊化自動(dòng)銜接出一個(gè)大規(guī)模的系統(tǒng)，然后自動(dòng)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(gè)基礎(chǔ)庫(kù)，然后再基礎(chǔ)庫(kù)基礎(chǔ)之上我們對(duì)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)在一個(gè)平臺(tái)下對(duì)所有的機(jī)電液控進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，但是展現(xiàn)出來(lái)不是數(shù)學(xué)，因?yàn)楣こ處熛矚g工程模塊，而不是數(shù)學(xué)語(yǔ)言。

    多領(lǐng)域系統(tǒng)統(tǒng)一建模的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，我要感謝國(guó)家863項(xiàng)目組，在我經(jīng)過(guò)了8年研究之后，也就是2009年，組建了一個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目，目前這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)驗(yàn)收了。可以說(shuō)，我們中國(guó)人已經(jīng)徹底掌握了國(guó)際工業(yè)知識(shí)表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)Modelica；其次，我們研發(fā)了自己的平臺(tái)Mworks；第三，我們開(kāi)始積累一些面向中國(guó)本土的工業(yè)知識(shí)構(gòu)件及構(gòu)件庫(kù)。

    圖5 863項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)

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(gè)多領(lǐng)域系統(tǒng)建模與分析的應(yīng)用案例。

    從2009年開(kāi)始，我們結(jié)合國(guó)家的一些重點(diǎn)工程和項(xiàng)目有一些應(yīng)用。這個(gè)是中國(guó)商飛大飛機(jī)項(xiàng)目，做的飛機(jī)反推力與起落架控制系統(tǒng)仿真，基于MWorks開(kāi)發(fā)了液壓系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案的有效驗(yàn)證和故障的快速定位。這個(gè)項(xiàng)目今年已經(jīng)進(jìn)行到了第四期。

    包括中國(guó)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(guó)商飛的液壓起落架半物理仿真驗(yàn)證平臺(tái)。

    另外，我們和東方電機(jī)也進(jìn)行了合作，對(duì)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(guò)動(dòng)態(tài)仿真分析優(yōu)化三相異步電機(jī)的啟動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)設(shè)計(jì)知識(shí)的規(guī)范化和設(shè)計(jì)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(dòng)變速箱功能樣機(jī)、車輛動(dòng)力學(xué)虛擬試驗(yàn)與仿真分析、重型汽車動(dòng)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(shí)物仿真、冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)建模與方案評(píng)價(jià)、虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分布式計(jì)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(guó)制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國(guó)際峰會(huì)”上的發(fā)言錄音整理，已經(jīng)本人確認(rèn)！

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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(jì)中的應(yīng)用

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