支持工业化与信息化融合的 知识表达标准 工业普适计算平台 知识中间件库 研究与应用 华中科技大学国家 CAD 支撑软件工程技术研究中心教授 / 主任武汉天喻有限责任公司董事长苏州同元软控信息技术有限公司董事长陈立平 13307162544 chenlp@hustcad.com 2009 年 10 月武汉
提纲 背景与回顾 需求分析 数字化设计概论 数字化设计的创新动机 多领域统一建模规范介绍 复杂产品建模与计算的实施 中国的研究与开发状况 建议与结论 国外研究与应用状况
工业化与信息化融合的历史回顾 1980 年代初托夫勒的 第三次浪潮 奈比斯特的 大趋势 IT 技术是继工业革命后的第三次技术革命, 在 IT 时代, 穷国富国处于同一起跑线上 八五 九五 科技部通过 863 计划启动 2C 工程 计算机辅助设计 (CAD) 应用示范工程 -- 甩图板 计算机集成制造系统 (CIMS)( 后期更名为现代集成制造系统 ) 十五 科技部将 2C 工程合并 - 制造业信息化工程 5 个数字化 : 设计 制造 装备 管理 企业 十一五 国策 : 信息化带动工业化, 发展高新技术产业, 提升传统制造 业 - 关键在于工业化与信息化的融合
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企业信息化之整体需求 四化 知识技术化 技术标准化 标准流程化 流程信息化
企业信息化之数字化设计需求 多专业协同设计 知识的积累 传承与重用 支持正向设计的功能设计与性能优化 开放的复杂机电产品的快速研发平台
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基本命题 世界是平的 各专业是相通的 工程是多专业协同的系统工程 客观世界是可以用数学统一描述的 机械 电气土木 动力冶金 化工汽车 航空航天 代数方程 AE 微分方程 ODE 偏微分方程 PDE 微分代数方程 DAE 偏微分代数方程 PDAE 离散事件 DE
工业应用软件的分类 几何类 数据库应用 计算与控制
国际数字化设计发展趋势 几何同步 ( 直接 ) 建模 CAD 与 CAE 融合 PLM 从产品数据管理到产品行为管理 从软件产品服务到知识中间件为载体的内容服务
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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
现代机电产品 : 汽车 -- 机 电 液 气 控 热 动力传动系统 ( 包括变速箱 离合器 差速器等 ) 制动系统 ( 包括 ABS ESP TCS 等 ) 发动机 ( 燃油 电动 ) 转向系统 ( 全液压 电液 电动 ) 空调系统 悬架系统 ( 机械 液压 气动 磁流变等 )
现代机电产品 : 飞机 -- 机 电 液 气 控 热
CAD 技术发展图史 机构 与 系统 平台 Integraph CV 3D 2D/3D window 化 智 DS:CATIA CATIA v5 Solidworks PTC:PRO/E UG SoildEdge SDRC:ideas ProE UGS:UG Microstation Modeler 2D AutoCAD Inventor Bently:microstation Autodesk:AutoCAD 能 协同 UNIX UNIX DOS Window Internet 个人工作站 主机 工作站 PC 任重道远 技 术 NURBS 几何布尔运算 几何约束求解与参数化技术 VGX: 同步建模技术 1980 1985 1990 1995 2000 2005
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 CADrafting 2D CADesign 3D CADevelop Multi-D 从几何空间到状态空间
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 一般力学 多体系统动力学 -> 机械系统动力学平台 固体力学 -> 结构有限元分析 FEM 流体力学 -> 计算流体动力学 CFD 电磁学 -> 电磁场有限元分析 控制理论 -> Matlib/Simulink 液压系统 -> AMESim 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 现有 CAE 以基础理论的软件化为重, 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 需求 概念设计 CAD: 画图 系统设计 创新的重要阶段缺乏技术支撑 详细设计 结构设计 现有 CAE: 校核 工艺设计
创新动机 5: 软件技术的发展 机器语言汇编语言高级语言结构语言面向对象语言 面向业务的建模语言 面向编程人员的语言 面向工程人员的语言 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: 我国产品设计的技术现状 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 少 神 似 整机研发能力弱于单一零部件研发能力 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, 急需支持数据 知识集成和重 用的支撑平台 缺乏专业化分工服务知询系统匹配能力弱
创新动机 7: 目前用户 软件方的关系 平台 构件 标准
基于标准的产品建模技术 机电产品本构的多域性需要统一的模型表达标准 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 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 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
产品设计计算服务的新模式 企业模型库 企业产品创新研发平台 = 知识 + 平台 企业产品建模及计算设计平台 知询服务机构 平台开发机构 工业基础模型库 产品建模及计算设计平台 知询服务机构 平台开发机构 建模规范与标准
工业应用软件 : 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
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物理建模语言 Modelica: 工业领域的 JAVA 目前的机电产品设计理论 方法及工具均侧重单一领域的建模与分析, 未能从本构上体现机电产品的上述特征, 已不能满足日趋复杂的机电产品创新设计的需要 欧美于 1996 年提出了具有普适性 可拓展的多领域物理建模语言 modelica, 并成立了开放的国际合作组织 MA(www.modelica.org), 旨在为下一代复杂机电系统设计方法与技术提供模型知识的表达 计算的规范 Modelica 是 IT 技术与工业技术融合的里程碑式的基础创新, 近年在一批重要行业的典型产品的开发中得到成功应用, 发展迅速,2006 年 6 月欧洲航空巨头法国达索系统宣布以 modelica 为技术标准实施 knowledge inside, 国外重要企业及研究机构已宣布以 modelica 为模型表达标准
未来产品研发平台的形态 产品研发平台是企业工程知识经验的结晶, 是企业的核心竞争力的体现, 是买不到的 以知识为主体, 在资源可重用 系统可重构的架构平台的支撑下, 在统一建模规范的基础上, 由企业 + 专业知询服务 + 平台协作积累 搭建而成 在重大创新工程中, 应注重积累形成基于建模标准的知识库, 构筑自主的设计计算平台
Modelica 语言创始团队 Hilding Elmqvist,Sweden Fabrice Boudaud,France Jan Broenink,Netherlands Dag Brück,Sweden Thilo Ernst,Germany Peter Fritzson,Sweden Alexandre Jeandel,France Kaj Juslin,Finland Matthias Klose,Germany Sven Erik Mattsson,Sweden Martin Otter,Germany Per Sahlin,Sweden Hubertus Tummescheit,Germany Hans Vangheluwe,Belgium
Modelica 的技术目标 多领域物理统一建模 超越数学建模, 实现面向对象的工程建模 在矩阵表达上, 采用 matlab 方式 在描述上, 向 JAVA 学习 在建模方式上, 采用可视化键合图 知识重用, 系统重构 知识与平台分离
模型驱动的 SOA 平台架构 物理构件 物理系统 组件模型 Modelica 模型 平坦模型 内部代码 仿真结果 领域库 编译器 分析优化器 仿真器
基于 Modelica 的层次建模
与平台无关的多领域模型库 / 知识库 基础模型库 热学元器件库 机械元器件库 多体元器件库 控制元器件库 电子元器件库
当前国际多领域物理建模研究热点 基于 modelica 的大规模并行计算问题 AI 与 modelica 建模技术的结合 大规模物理系统的深度分解 复杂连续 - 离散计算的死锁机理及处理 偏微分问题 (PDE) 的集成机理与标准 实时计算与硬件在环 HIL 软件在环 SIL 研究与应用 基于 modelica 参数化模型的多专业协同优化方法 Modelica 标准的拓展
工业界的态度 : 达索的战略核心 法国达索系统技术副总裁 Dominique Florack 做大会主题报告 a modelica based open strategy for embedded systems
相关领域的国内外技术现状及趋势 达索雄心 : 用 Modelica 整合全系列工业应用软件, 标准和规范已成为工业应用软件创新的技术至高点
欧洲系统模型库计划 :EuroSysLib/ITEA2-- 人类有史以来最大的模型库计划 欧美发达国家正试图通过规范标准进一步垄断模型库资源 ------ 我们必须未雨绸缪
2006 年本领域的新闻 2006 年 6 月 27 日,3D 和 PLM 解决方案世界领头羊 Dassault Systemes 发布其 CATIA 系统战略, 宣布将嵌入式系统建模作为 CATIA 的中心, 并选择开放标准 Modelica 作为 DS 开放策略的核心 DS 战略和研发执行副总裁 Dominique Florack 说 : CATIA 系统的创新是要将 PLM 视角扩展到 ( 产品开发 ) 所有层面, 这需要嵌入式系统新技术 DS 的策略是基于统一的数学基础提供一个开放的 V5 嵌入式系统平台, 使客户能够建模 仿真并管理 100% 生命周期的产品行为 Modelica 开放标准是这个开放的 V5 嵌入式系统平台的核心 http://www.3ds.com/cn/news-events/press-room/release/1220/1/
欧洲知识工程计划 :EUROSYSLIB 将 modelica 发展为系统建模与仿真世界级标准 由领域专家同步开发工程模型库 构造复杂系统多学科仿真环境 提升欧洲公司与工业的竞争优势
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复杂系统的模型的分解与综合 复杂系统的建模方法 : 分治 (division & conquer)
系统及元件模型库开发流程 整体系统需求系统级 系统级整个系统模型库 子系统需求子系统级 子系统级模型库 元件需求元件级 元件级模块和模型库 将整个系统需求拆分成子系统, 并进一步拆分到元件级 为每个模块建立模块化模型 将模块分类, 建立有层次的子模型库 将所有子模型库组成完整的模型库
航空发动机模型库 航空发动机模型库 界面扩压器压气机燃烧室涡轮 加力燃烧室尾喷管齿轮箱环境大气压实例
模型库结构 - 压气机库
Default choice for replaceable model SensorBlock, comprising a single star tracker, gyroscope, GPS receiver and magnetometer. SensorBlock 模型默认选项, 其中包括一个星球追踪器, 陀螺仪,GPS 接收器和磁力计
航空类 Flight Dynamics Library - The Modelica Flight Dynamics Library, D. Moormann, G. Looye (German Aerospace Center (DLR), Institute of Robotics and Mechatronics, Germany), Modelica 2002. 简介 : 用于对 6 自由度非线性飞行运动及飞行系统建模与仿真
国际应用发展情况 : 汽车工程 传统车 Modelica 模型 ( 基于 SED 库 ) HEV 模型 ( 基于 SED 库, Toyota Lexus 原型 )
电厂运行计算 复合循环电厂 Rio Bravo2( 法 ) 中水汽循环仿真 Modelica 模型
核电站运行计算模型
风力发电
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我们的多领域物理统一建模研究基础 研究起步 : 2000 年 系统开发启动 : 2002 年 2006 年 9 月亚太地区唯一的系统平台原型 InteMworks 亮相 modelica2006 维也纳大会, 发表 3 篇论文, 受到国际同行的好评, 进入国际同类技术源创开发序列
Modelica/Mworks 建模
Modelica/Mworks 模型表示
Modelica/Mworks 的 C 代码自动生成
Modelica/Mworks 分析计算
Modelica/Mworks 优化建模
Modelica/Mworks 优化计算
Modelica/Mworks 应用推广 汽车 : ( 江淮汽车 / 中国重汽 / 奇瑞汽车 / 东风汽车 ) 工程机械 : ( 三一重工 / 山河智能 ) 航天 / 航空 : ( 航三院 / 航九院 / 航一院 ) 二炮 / 兵器 : ( 二炮研究院 / 兵器 201 所 ) 发电 : ( 东方电气 ) 中国商飞 : 机床 : ( 武汉重型机床 ) 大学 : 中山大学 / 国防科技大学 / 浙江大学 / 杭州电子科大 / 广东工业大学
Modelica/Mworks 在中国商飞的应用
为中国重汽公司开发的重卡动力性 燃油经济性模型库 驾驶员 循环工况 车辆 发动机 附件 离合器 轮胎 差速器 主减速器 变速箱 制动器 重卡动力性 燃油经济性模型库
东方电机项目 : 基于开放式多领域物理建模平台 MWorks 的电机数字化功能样机技术开发 分析大型电机瞬态过程, 特别是启动阶段的瞬态分析, 为电机设计提供依据 启动阶段失效原因分析 事故分析 PN=200kW,UN=690V,fN=33Hz
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关于多领域物理建模技术 modelica 嵌入式时代复杂机电数字化设计的核心引领技术 模型的表达规范和标准 知识的积累 \ 重用 \ 集成框架 知识可重用 系统可重构的设计计算平台 支撑企业创新设计的重要手段 企业的浓厚兴趣和迫切需求 我国 IT 技术自主基础创新发展的机遇
结论 1. Modelica 发展迅速, 目前已经应用于众多领域建模和仿真, 特别是在传统单领域仿真所不可及的多领域耦合仿真 目前 Modelica 最成熟的应用在于汽车和热力学 2. 知识内蕴 (knowledge Inside) 的现实的仿真已经成为必然趋势 嵌入式系统是其架构核心, 3. Dassault System 等重要公司对 Modelica 的支持, 将刺激 Modelica 市场在未来几年内高速发展,Modelica 将应用于更为广泛的领域, 同时将会出现更多的领域库 支撑平台 咨询服务和终端用户 ; 4. Modelica 的特征使得其领域库成为可共享和可重用的最有效的知识表达形式 ; 5. Modelica 在未来几年内将成为多领域物理建模的事实标准
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 IT 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, 并作出创新贡献 4. 为打破未来国外在模型库领域垄断, 建立中国的模型库
未来智能协同的场景 中国数字化功能设计资源与平台体系 = 知识 + 平台 复杂装备功能模型库 冶金电力航空航天工程机械汽车 专业机构 n 专业机构 4 专业机构 3 专业机构 2 专业机构 1 工业基础模型库 知询服务机构 行业建模仿真与验证平台平台开发机构 建模及计算设计平台 平台开发机构 中国多领域物理统一标准与技术联盟
敬请指导和帮助