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开卷知新|谭建荣:工业的“大脑和神经”——工业软件 大幅提高生产效率和产品品质

2021-09-07 21:21:43


20世纪中后期以来,信息技术蓬勃发展,促进了工业软件向工业领域的渗透发展。


提起软件,人们往往联想到在手机、电脑上使用的各类生活、办公、娱乐类软件程序,对工业软件则比较陌生。顾名思义,工业软件指应用于工业领域的软件系统。通俗地讲,就是在研发、生产等各个环节帮助工业企业进行生产的软件系统。它的应用过程融合了物理原理分析、数学模型建立、信息技术处理、工程实践检验等环节,能够大幅提高生产效率和产品品质,被誉为数字化时代工业的“大脑和神经”,是一个国家工业制造水平的重要指标。


应用范围广  知识密度高


从当前产业布局来看,工业软件主要聚焦在工具、系统和平台三大领域,为制造业企业提供通用型产品和一站式解决方案。比如在汽车研发中,厂商需要进行碰撞安全性试验,工业软件中的计算机辅助工程软件就可以进行“虚拟碰撞”,不仅节约成本,而且缩短研发周期。在未来的智能制造过程中,工业软件中的生产控制软件,会像大脑一样帮助企业实现智能化管理。


工业软件是工业技术和信息技术等体系融合发展的产物,是基础科学与工程知识的集大成者。同燃气轮机、光刻机、高端芯片等实物产品一样,工业软件也是人类智慧的结晶。20世纪中后期以来,信息技术蓬勃发展,促进了工业软件向工业领域的渗透发展。在这一过程中,逐渐形成了计算机辅助设计、计算机辅助工程、计算机辅助制造、计算机辅助工艺规划、企业资源计划、数据库管理系统、制造执行系统等不同分支领域。


通用性与专业性并重,是工业软件的重要技术特征。通用性是指解决工业企业运行中的共性问题,如几何造型、热流分析等。专业性是指解决特定细分领域的具体问题。工业体系庞大而复杂,工业软件有许多用武之地。这些领域包括机床装备、化工装备、航空航天装备、机器人、轨道交通与运载装备、网联汽车、医用装备、农机装备、家居产品等。不难发现,人们日常衣食住行中常用的大大小小的工业产品,大部分都离不开工业软件支持,其通用性之广可见一斑。在细分领域,工业软件主要起到设计、计算、分析、控制等作用。以制造业工作母机——数控机床为例,工业软件的功能包括机床运动学与动力学建模、复杂流形曲面零件的加工规划等。


从设计层面看,工业软件是一个汇集各学科知识的庞大体系,知识和信息集成度高。从顶层到底层,工业软件可分为系统架构、逻辑规则、基础数据三个方面。这三方面囊括数学、物理学、工程科学和计算机科学等。其中,数学又包括微分几何、计算几何、数值方法等;物理学包括力学、电磁学、热力学等;工程科学包括材料热处理工艺、信号测试、模型控制等;计算机科学包括计算机图形学、软件工程、高性能计算等。所涉学科如此之多、所含知识密度如此之高,设计工业软件的难度可想而知。不仅如此,工业软件设计完成之后,还自有其“生命历程”。与手机软件相似,工业软件好不好用,使用者的反馈非常重要。正是在对接用户需求的过程中,工业软件不断迭代、不断进化发展。这其中蕴含着多学科、多领域的创新发展。


抓住新机遇  谋求新发展


迈入新发展阶段,工业软件的重要性愈发凸显。可以说,没有强大的制造业,就没有强大的综合国力;没有强大的工业软件,就没有强大的制造业。


作为智能制造的重要基础和关键支撑,工业软件对推动我国制造业转型升级,迈向制造强国、取得高质量发展,具有重要意义。工业软件的创新发展使制造业不再仅仅是硬件制造,软件、自动化、现代管理、服务模式等智能化技术将越来越多地融入进来,比如,以自感应、自适应、自学习、自决策为特点的新一代人工智能技术。在新一代人工智能技术引领下,有望建立与工业体系相匹配的工业软件产业,确保制造业行稳致远。


辨明发展阶段、找准发展方向、认清发展差距,是我国工业软件发展的可行道路。作为世界第二大经济体,我国是全世界唯一拥有联合国产业分类中全部工业门类的国家,拥有独立完整的现代工业体系。这为我国工业软件的自主发展提供了强劲的需求、广阔的市场和应用的空间。当前,一些领域正不断取得新进展,鼓舞工业软件科技攻关的信心。这些领域包括航空、航天、船舶、电子、核电、轨道交通,等等。例如,面对时代发展需求,我国航天工业自主研发、攻坚克难,国产航天工业软件已经达到高技术水平,助力取得载人航天、月球采样返回、空间站长期在轨运行等重大科技突破。比如,我国首个目标飞行器天宫一号和神舟八号无人飞船的交会对接过程,就运用了我国自主研发的软件系统。


放眼全球,以信息网络、智能制造为代表的新一轮技术创新浪潮正在兴起,寻找新领域突破口已然可能。传统的行业边界正在被不断打破,新的领域和业态正在不断产生。人工智能、数字样机、数字孪生、增强现实等新领域,都在为我国广大企业,特别是专精特新中小企业,提供巨大市场空间和发展机遇。我国工业软件当抓住时代机遇,可以先易后难、先点后线再面,逐步取得突破。


与此同时,我们也要清醒认识到,国际龙头企业已基本建立起闭合产业生态,建立起相应的技术标准体系。凭借先发优势不断试错,国际主流工业软件产品积累了丰富的技术经验。例如,几何建模内核和几何约束求解引擎,是计算机辅助设计参数化设计的关键核心技术,目前相关技术被垄断。可以说,从技术路径来说,关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的,坚持独立自主的发展方针是必然选择。我们要研发自主、安全、可控的工业软件,推动其迭代创新,并不断与现有的工业体系深度融合,从而实现效益倍增。


从行业发展来说,行业组织可以建立行业统一软件架构、底层核心技术和数据标准。行业组织应推动行业一体化软件架构平台、多域资源适度整合开发,提升并健全自主软件的配套服务能力,强化供需对接,助力自主工业软件市场推广,从而提升自主工业软件商业化应用水平和竞争力。


工业软件未来发展将更精准、更高效、更智能。对普通人来说,工业软件虽然“看不见、摸不着”,但正是受益于它的迭代发展,凝结其智慧的各类产品正不断从各个领域走进我们的生活,不断提高我们的幸福感和获得感。对国家来说,工业软件的发展,宛如一对强大的“隐形翅膀”,必将持续助力我国工业体系向着更高水准迈进。


(作者为中国工程院院士、浙江大学教授)


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本文刊发于《人民日报》2021年9月7日第20版。