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          自主工業軟件的創新與發展

          已有1475次閱讀2022-07-06標簽:
             近日,在鯤鵬開發者峰會2022的活動上,中國科學院院士陳十一受邀發表了《自主工業軟件的創新與發展》的主題演講。


            中國科學院院士 陳十一

            陳院士表示,中國工業軟件是中國科技攻堅的戰略要地,是中國制造業持續創新升級的最強助力,工業軟件必須發展自己的核心技術,尤其是工業仿真軟件。以下是陳院士演講全文:

            非常感謝在本次峰會發言。我做了一輩子的流體力學,做湍流研究,湍流研究沒有分析解,所以我做了一輩子的數值解。我做high-performance computing,各種各樣的解法和發展方法,turbulence modelling,molecular dynamics,涉及流體力學所有的方法我都碰過。我現在的想法就是,我們能不能把我們的軟件在鯤鵬上都試一試,尤其是我聽說鯤鵬有很多很好用的庫,讓這些工業軟件匹配、鑲嵌到我們國家自主研發的基礎軟硬件平臺上,所以我今天是抱著一種學習的態度,來跟大家介紹分享一下我最近的一些研究。

            工業軟件是服務企業“規劃、研究、生產、銷售、服務”全流程的產品,幾乎腰部以上的企業,很少不用工業軟件。工業軟件主要有四塊,研發設計類的有CAD、CAE、PLM、PDM;另一類是信息管理類的,像ERP;還有生產控制類和嵌入式的,我現在主要是關心的是研發設計類的。我覺得,研發設計類的是最有希望運用到鯤鵬,最有希望運用到shift-computing的。

            工業仿真軟件屬于研發設計類的工業軟件,在產品的研發過程中,利用計算機進行建模及性能仿真分析。工業制造流程中,第一步就是三維設計建模。比如說造飛機,就要先把飛機的形狀給digitize。然后做物理模型,判斷邊界條件,像流體力學的不可壓縮等等,還有一個很重要的步驟是把網格建立起來,建立好數學模型和數值模型。然后就是數值求解,也就是解偏微分方程,這也是最難的部分,所有的超算都集中在數值求解這一塊。得到結果以后,還要做后處理分析,根據物理方程、定律進行解釋,并回饋于工業設計中。以上就是基于工業軟件的產品開發過程。

            工業軟件仿真的應用價值是不得了的,比如說飛機的制造,它先做計算機模擬,后做很少的試驗,所以說很多時間都是花在用計算機來模擬飛機的空氣動力學行為,結構行為,阻力,升力,扭矩等等。最重要的是,仿真軟件可以代替實驗,我聽說汽車行業做油泥,油泥要做幾個月,而真正的計算,大概就一兩天,而如果利用人工智能,我們有望將時間縮短到幾個小時。AI+CAE,這是今后發展的方向。當然,通過數值優化與設計,還可以做到增效減材、提升產品的性能、技術水平及市場競爭力等等。

            工業軟件在當今中國市場來看,每年的增長在20%上下。有人說,工業軟件是零和游戲,我不這么覺得,我覺得中國工業軟件可以去比肩美國、西方的工業軟件,甚至更好。但是我們看國內工業軟件市場前十大供應商,在CAE板塊,一個國內自主品牌軟件都沒有,非常的令人失望,所以我們是真正在嘗試解決中國的“卡脖子”問題。

            工業軟件在各行各業都有著非常廣泛的應用,我舉幾個例子,像飛機、發動機、船舶、汽車,汽車是工業軟件用的最廣的領域,還有海上雙碳技術,包括自然災害、污染擴散等問題的處理。這么來看,工業軟件對整個國民經濟是起非常重大作用的。這一塊,我們還跟世界頂尖水平存在很大的差距。

            對流體力學來說,湍流問題為什么這么難?因為它計算量極其大。飛機在飛行的過程中,在靠近機體與空氣相交的地方,算的準不準,決定了飛機的阻力、升力。這個過程的計算量非常非常大,所以直接數值模擬很難,所以大家發展了像RANS,HYBRID RANS/LES,Wall-resolved LES等等的模型。我們在2012年,在國際上首先提出了變分法來解決難點問題,所以說這里面的理論和計算都非常復雜。原則上講,空氣動力學,流體力學核心問題就是湍流問題。

            大家看一下我們中國C919的模擬和汽車涉水的模擬。從這個角度上來講,我們國家的工業軟件跟世界著名的軟件Ansys、達索、西門子可以比一比,流體力學軟件,比如我們廣東的“鑄魂”計劃,實際上都在做這些事情。我覺得,我國的工業軟件,5年可以跟國際比,10年可以跟國際頂級軟件同臺競技。我們歡迎鯤鵬的開發者們來跟我們合作,把我們的軟件放在鯤鵬的服務器上,試試看用一用它的庫。

            我們現在做的比較多的,是嘗試把工業軟件和數字孿生結合起來。大家都知道,現在國家提倡數字經濟,很多省今年的第一號文件就是講數字經濟,講數字孿生。數字孿生有三大塊,數字采集,算法,軟件。第一代的數字孿生,把數據采集了之后輸入到屏幕并顯示出來,這種數字孿生缺乏預測能力。而真正對智慧城市,數字孿生有用的,是將數字經濟與工業軟件的可預測性結合起來,這就需要AI+CAE。能用AI的就用AI,我們最近發現,一些簡單的流體力學問題,利用AI解決可以節省10的3次方級的計算空間。所以我覺得下一個版本的數字經濟應該是AI和CAE的結合。比方說,福島海嘯來臨時,面對核輻射威脅的前提下,整個城市應該怎么樣規劃疏散方案?這時,我們就可以通過深度學習和CAE的仿真馬上得出疏散方案。為了解決像這樣的緊急公共安全事件,數字孿生城市需要有預測性,也就需要AI+CAE。

            關于仿真云平臺的應用,我想講兩點,一是超算在其中的重要性,它提供了很強大的data storage能力;二是云平臺,云平臺是把工業軟件從ToB轉向ToC的鑰匙。像CAE這樣的工業軟件目前主要是ToB,我覺得隨著云平臺的發展,是完全可以加入ToC的。我們在這一方面也做了很多的嘗試,比如風資源評估。風場的建立,需要對整個地形,整個測量數據同化。這是我們真正講AI、同化數據和GIS加上CAE進行預測,對機感,對風場布置,包括我們現在計劃開展的海上風能項目,這可能是真正解決生態問題的核心。

            最后強調一下我的這個想法,就是我們國家的數字經濟,應該是AI+數字孿生+CAE。我覺得這是工業軟件在傳統的工業制造領域以外,相當重要的一個新板塊——跟數字經濟、數據采集和AI在同一個體系下協調發展。發展自主工業仿真軟件道路很長,我們需要市場,需要人才。廣東非常的好,開放了工業軟件市場,已經有很多企業也都參與進來。以前沒有西方對我們的技術壟斷,我們自己的工業軟件很難得到發展,所以我覺得現在對于發展自主品牌的工業軟件來說是天時地利人和。

            我自己呢,在2020年卸任南科大校長后,出來整合創辦了一家公司叫十灃科技。在我以前當教授的時候,很可惜沒有對工業軟件給予足夠的關注,而當我真正出來了以后,關心應用的時候,才發現工業軟件離我們的社會生產和運作最近,最密切,最重要。所以在過去的一年半之間,我們企業發展了200-300人,做各種工業軟件,現在已經推出了13款相對成熟的工業軟件,有流體的,結構材料的,電磁場的,傳熱傳質的,光學、聲學的。我們在各大工業核心城市布局了我們的子公司,我們也跟北大清華、西工大、交大等等建立聯系。我們的想法就是把技術研究中好的東西放到軟件應用中來。所以我們跟南科大很多教授在AI結合上開展了大量工作。

            我特別喜歡華為的一句標語:Bring digital to every person, home and organization for a fully connected, intelligent world.我的理想是有一天把“digital”替換成“工業軟件”,謝謝各位!
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