陈立平现任华中科技大学机械学院教授，国家CAD支撑软件工程中心主任，主要研究多领域系统统一建模在机电一体化系统设计中的应用。
华中科技大学机械学院教授 陈立平
非常高兴有机会参加这次高峰论坛。我个人在CAD领域工作有近30年的时间，从12年前开始转向研究如何从源头支撑产品创新，这是新世纪以来我主要研究的课题。
在这个过程中，我们也非常注重学术成果的转化，先后创办了两个公司，一个是武汉天喻软件，一个是苏州同元软控信息技术有限公司。今天主要向大家分享一下“多领域物理统一建模及其在机电系统设计中的应用”。
现代机械系统是多领域系统的综合集成
传统的CAD技术，已经逐渐发展为较为成熟的三维CAD，可以给工程师们提供了一个很好的数字样机的模型。那么在未来的产品创新中，我们不仅希望得到了产品的几何模型，还希望得到它的功能、性能模型，以及获知这些变量是如何作用的。因此，我们把这种技术称之为功能样机，我们开发出了中国第一个、亚洲唯一的一个自主知识产权的Mworks平台。
从机械系统的发展趋势来看，如今的机械系统已经不是单一系统，而是机、电、液、控、热一个综合的集成系统，也是所有复杂产品的一个基本特征。
图1 机械系统
20多年来，大家一直在探索如何在计算机上把各个专业的模型集成起来，现有的工程方法我们称之为线性集成方式，即在多个单领域计算系统基于计算流程的信息集成方法—联合仿真（Co-Simulation）。这带来了诸多方面的问题，譬如：系统可重构性、模型可重用性、强制性解耦、多个求解器协调、受限于各软件系统的开放性、工程部署实施等等。
技术一直在向前发展，不可能停留在20年前。当今这个时代，所有的系统都会与数字控制发生关联，也延伸了六大创新动力。
创新动机1：IT技术的嵌入式时代
●PC、Internet时代后，已步入嵌入式时代
●资源可重用、系统可重构是本时代的主要技术热点
●面向服务(业务)的架构(SOA)/模型驱动的设计MDD/模型驱动的代码自动生成技术将成为本时代的重要基础支撑
●在嵌入式时代，机、电、液、控、热等软、硬件等多物理领域对象高度集成与融合，复杂机电产品的研发必须在先进服务模式支持下，协作（同步）开发。
●产品创新需要面向服务的新理论、新方法和新软件平台技术
创新动机2：产品设计与CAD的释义
●产品设计是产品的功能设计
●产品模型是多领域、多学科统一综合描述
●产品设计最终目标是产品性能的优化设计
创新动机3：计算理论与应用技术现状
●“精致”的异构单领域工具，难以支持多领域协同开发
●平台开放性差，软件封装知识，知识依赖软件
●缺少系统建模、分析和优化的技术支撑
●模型难以在现有技术平台上有效积累、集成、共享、重用
●模型的重用性不足，缺乏统一建模规范
●工程界需要支持设计师计算活动的计算设计理论与技术
创新动机4：CAX应用现状
在CAX领域，我们基本是从画图开始。而真正对于产品创新来说，概念设计和系统设计是最关键的部分，然后才出现详细设计和结构设计的。而目前大多数企业出现了本末倒置的现状。
图2 CAX应用现状
创新动机5：软件技术的发展
●机械电子行业的模块化、可重用的生产方式引发了
●软件技术的变革：SOA（Service Oriented Architecture）
●资源可重用，系统可重构，自动编程
●模型驱动的架构、模型驱动的设计——MDA、MDD
●用户可依据自己的业务知识自动生成自己所需的应用软件
●软件依赖于知识，用户将占据主动地位
●知识协同、智能协同的时代即将到来
创新动机6：目前用户、软件方的关系
目前软件行业的现状是，做软件行业的往往不熟悉工业界的业务，懂行业业务的人又不知道如何将knowhow变成一个业务工具。这就造成了：会编软件的人不懂业务、懂业务的人不关系软件。我们希望找到一种普适性的标准，把工业界的整个过程，用工程师的语言展现出来，在一个平台上由工业界提供和积累构建，让其自动生成软件，把知识共享为一种资源。
这就是基于标准的产品建模技术，这种技术也会迎合IT发展。实际上现在欧美国家的很多公司，不做软件也不做平台，而将知识与软件平台分离，如同Software\hardware是软硬件产业的产品形态，独立的知识件（knowledge-ware）当成为未来IT产业的产品形态。这就是我所希望的未来的一种新模式，或者叫未来产业的“生态”：模型标准+专业知识库+普适计算设计平台+用户。在支持统一模型标准的SOA（面向服务的架构）平台上，用户以重用知识件的方式，“搭建”产品模型，以重构的方式，生成产品的设计计算程序，在不断的应用中或自行或与知询商合作丰富发展专业知识库。
图3 目前用户、软件方的关系
另外，由各个行业的专家来做知识库，这个知识库与平台本身无关，而是一个具有独立知识产权的库。在此基础上，基础知识库可以变成企业的模型库，而变成企业自己的knowhow，它比软件平台更加重要。
这也是我对工业应用软件最普适的定义：知识+平台。基于知识的专业化服务是现代工业发展的又一次协作分工，专业化服务产业是工业发达水平的重要标志，在我国工业化发展的进程中，培育专业化服务产业，发展“知本经济”，对于我国经济快速可持续发展有重要的现实意义，因此有必要对于支撑先进服务的基础理论、标准、核心技术和基础软件平台加以重点研发和创新。
多领域系统集成的机理研究
我很早提出这个理念的时候，大家都觉得不可能实现。下面我想从学术的角度来阐述一下，这个理论是可行的。
我们理工科的都知道，所有的样机系统都可以表述为一个数学状态方程。没有计算机的时候，这个方程只能解决简单问题；有了计算机之后，从上世纪50年代到十年前，计算机具备了大型计算能力，但需要专业的人处理数学方程。这么一来，这成为了一种科学计算，而不是工程计算。
所以从计算机的发展角度来看，用一种标准化、结构化的方式将产品模型模块化地搭建起来，加上数学求解器，通过计算机技术把这套数据方程进行自动地求解规划，这个流程是所有系统设计的普适性流程。
另外，我们一直在强调信息集成。我觉得这有一个误区，对于管理是需要信息集成的，而对于产品本身，其目的是要实现模型集成。模型集成的内在机制是能量流、质量流和信息流的基尔霍夫定律。
图4 能量流、质量流和信息流的基尔霍夫定律
基于这个基本的定律我们可以实现，通过模块化自动衔接出一个大规模的系统，然后自动求解。这与所谓的信息集成是有区别的，信息集成是可以向模型集成转化的。
利用这样的标准我们可以建立一个基础库，然后再基础库基础之上我们对一个复杂系统在一个平台下对所有的机电液控进行数学描述，但是展现出来不是数学，因为工程师喜欢工程模块，而不是数学语言。
多领域系统统一建模的技术实现，我要感谢国家863项目组，在我经过了8年研究之后，也就是2009年，组建了一个重点项目，目前这个项目已经验收了。可以说，我们中国人已经彻底掌握了国际工业知识表达标准Modelica；其次，我们研发了自己的平台Mworks；第三，我们开始积累一些面向中国本土的工业知识构件及构件库。
图5 863项目启动会
多领域系统建模与分析的应用
下面给大家分享几个多领域系统建模与分析的应用案例。
从2009年开始，我们结合国家的一些重点工程和项目有一些应用。这个是中国商飞大飞机项目，做的飞机反推力与起落架控制系统仿真，基于MWorks开发了液压系统实时仿真平台，实现了设计方案的有效验证和故障的快速定位。这个项目今年已经进行到了第四期。
包括中国商飞的硬件在环的仿真系统，都是在我们这样的体系下完成的。这是中国商飞的液压起落架半物理仿真验证平台。
另外，我们和东方电机也进行了合作，对它的电机系统按照工程标准进行了仿真分析，通过动态仿真分析优化三相异步电机的启动性能，实现了电机设计知识的规范化和设计流程的标准化。
其他成功的应用还有：某型商用车自动变速箱功能样机、车辆动力学虚拟试验与仿真分析、重型汽车动力性与燃油经济性仿真分析、五轴油气悬架起重机功能样机、九轴泵车臂架平顺性仿真、空调控制系统的半实物仿真、冷热电联供系统建模与方案评价、虚拟试验设计与分布式计算等。
本文根据华中科技大学机械学院教授 陈立平在“2012中国制造业产品创新数字化国际峰会”上的发言录音整理，已经本人确认！
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