研制规划工业软件现已成为配备产品正向立异研制必不可少的东西手法，是企业数字化转型、进步立异才干、进步研制功率的中心支撑，是国家工业的中心竞赛力体现之一。我国CAD、CAE等工业软件展开的出路在于传统软件与新式工业软件技能结合的技能立异，以及传统软件和职业交融的使用立异，立异是我国工业软件展开的仅有出路。

　　研制规划工业软件一般是指使用于配备产品研制的规划与仿线年曾经，研制规划工业软件首要指CAD和CAE软件，供给产品零部件或具体专业的数字化规划剖析，首要用于产品具体规划阶段，包含二维/三维CAD软件、有限元场剖析软件（场剖析软件，包含结构强度、流场、电磁场、多场耦合等仿真剖析软件，其求解办法包含有限元法、有限体积法、粒子法等，在此依照习气统称为有限元软件）、机械/操控/流体/电气等专业仿真软件、集成/优化等东西软件，以及航天、航空、轿车、船只等职业规划仿线年来，体系规划与仿真软件作为新一代数字化研制工业软件逐渐被承受，供给全体产品体系级的正向规划与仿真验证，用于计划证明、计划规划等阶段，包含需求剖析办理、体系规划、体系仿真等软件。

　　研制规划工业软件现已成为配备产品正向立异研制必不可少的东西手法，是企业数字化转型、进步立异才干、进步研制功率的中心支撑，是国家工业的中心竞赛力的体现之一。但研制规划软件开发难度大、投入多、周期长，现在我国商场上研制规划工业软件95%以上为国外所独占，成为限制我国工业立异展开并影响国民经济安全的短板瓶颈。

　　二三维CAD、有限元CAE、专业仿真CAE、体系规划仿真等工业软件，尽管用于配备产品研制不同阶段，具有不同的功用和特性，可是从表2来看，各类研制规划工业软件在组成模块和支撑技能上具有共性。

　　可视化建模模块：二维CAD软件为二维交互绘图，三维CAD软件为三维造型，一般根据底层的三维造型引擎完结；有限元CAE为网格区分前处理，一般是根据三维造型引擎通过设置进行主动网格剖分；不同专业仿真软件可视化建模，遍及通过迁延拽方法树立专业拓扑模型，机械是三维多体动力学模型，操控是操控框图，液压是液压管路图，电气是电气原理图；体系规划仿真软件是根据SysML、Modelica等一致建模标准通过迁延拽方法树立体系的拓扑衔接图。

　　核算求解模块：CAD软件为三维造型核算和束缚求解核算，有限元CAE软件为PDE（偏微分方程）通过有限元离散之后大规划线性方程体系求解核算；专业仿真CAE是机械、操控、流体、电气等不同专业机理数学模型方程的求解核算，每个专业具有特定的数学模型方法和专业的数值求解算法；体系规划仿真软件求解首要在于体系仿真软件，需求求解机电液控多专业耦合的方程体系。

　　成果后处理模块：二维和三维CAD软件是前后处理一体化；有限元CAE软件首要是三维云图显现，一般根据三维造型或显现引擎；专业仿真CAE软件首要触及曲线和动画，其间机械多体仿真是三维动画，也是根据三维造型或显现引擎；体系规划仿真CAE软件触及曲线、动画、动态组件等后处理方法。

　　我国为什么缺少通用的产品化研制规划工业软件产品？要构成工业软件产品化产品，需求全面打破一切要害技能瓶颈，阅历充沛的工业使用锻炼，并要有杰出的工业软件生态气氛。研制规划工业软件具有共性的要害技能，表2所列首要是底层求解技能，底层求解是工业软件引擎，毫无疑问是要害支撑技能，也是我国自主工业软件的首要瓶颈之一。除了底层求解之外，杂乱工业软件体系架构、工业技能软件化、大型杂乱工程问题处理、工程化人机交互等也是决议能否构成产品化工业软件的要害技能，也是我国工业软件技能瓶颈地点。

　　CAD、CAE、体系规划仿真等杂乱工业软件一般是几百万仍至几千万行代码、掩盖各种工业场景、长时间接连运转的杂乱工程体系，其架构有如高层建筑结构，直接决议了体系安稳性、可靠性、适用性、扩展性和可维护性。工业软件的开发与使用是一个长时间实践迭代的进程，假如没有好的体系架构，难以生长为一个好用的商业化软件。国产自主软件一般过于注重软件功用的完结，不太注重软件体系架构，导致软件扩展和继续展开困难。一般需求若干具有软件、事务、核算数学等归纳常识且经验丰富的架构师团队来完结和迭代改善。

　　CAD的三维造型引擎、束缚求解引擎，CAE的前后处理引擎、有限元核算引擎，专业仿真求解引擎，多范畴体系模型编译、仿真求解引擎等归于工业软件的底层核算求解引擎技能，底层引擎类似于轿车、飞机的发动机，是规划仿真工业软件最中心的要害技能，求解战略、求解适应性、求解精度直接决议工业软件核算求解的才干与功用。底层核算求解引擎需求把规划与仿真问题化为数学问题然后通过数值核算的方法处理，这需求有深沉的专业堆集、数学堆集、软件堆集和工程堆集。核算求解引擎需求数学科学支撑，但更多是一个需求重复迭代锻炼的工程产品，浅尝辄止的研讨无法做出好的核算求解引擎产品。

　　工业软件最终是把工业常识、事务流程、工业数据等工业技能堆集通过软件来完结以支撑高效研制，其间心是把常识、数据等转化为尽或许一致的常识库、模型库和数据库，把不同职业事务流程转化为可配备、主动化的软件履行进程，工业技能软件化决议了工业堆集的深度才干支撑工业软件的强度。自主的工业常识、工业模型、工业数据才干支撑自主的工业软件，不然空有软件没有内容，软件也难以发生价值。工业技能既是工业软件的来历支撑，也是工业软件的首要内容，海量常识库、模型库、数据库与自主工业软件共存共进，才是工业软件展开的健康生态。

　　如轿车、卫星、飞机、船只等杂乱配备数字化研制，在研制后期跟着设备逐渐集成会导致规划模型、仿真模型规划巨大，规划仿真核算量巨大，如CAD模型要支撑几十万个零部件安装，有限元网络剖分后要进行几千万甚至上亿个离散方程的核算求解，体系仿真要处理几十万至几百万个混合方程体系的剖析核算，并且各种工程场景会十分杂乱。这种大规划体系、杂乱流程场景导致的大型杂乱工程问题的处理才干直接决议了工业软件的可用性，也是决议了产品化工业软件才干与好坏。大规划问题、非线性问题、刚性问题、仿真逼真度问题等都是比较常见的影响软件功用的要害问题。

　　轿车、卫星、飞机等工业体系遍及是机械、动力、电子、信息等信息物理交融体系（CPS），其间机械、动力等物理子体系和信息、电子等信息子体系具有不同特性和存在方法，物理子体系物理特性强，可用机理模型表达，信息子体系操控特性强，一般是以软件代码方法存在，物理子体系和信息子体系具有耦合特性，需求完结两者的一体化规划仿真。一方面，信息体系中软件代码越来越遍及、越来越杂乱，需求选用模型驱动的软件代码主动生成置于信息体系硬件以确保开发功率和软件可靠性；另一方面，物理与信息体系的耦合要求完结物理体系模型和信息体系硬件的一体化仿真验证。这种软硬一体化技能跟着CPS和物联网的展开将越来越要害和重要。

　　工业软件是工业常识、流程、数据等工业技能的软件化，这些内容在工业软件上会以工程化的人机交互方法出现。世界上影响大、使用广的工业软件，遍及具有极佳的人机交互体会，我国自主工业软件在此方面注重度显着缺乏。工业软件的人机交互，不仅仅界面的规划和体现，它是工业技能的工程化出现，是海量常识的逻辑安排和接口规划，是事务流程掩盖性与软件通用性的权衡，是归纳工程、软件、美学、用户心思等要素的体系整理、体系安排与体系规划。

　　如前所述，要构成产品化的研制规划工业软件产品，需求打破工业软件一切要害技能，阅历充沛的工业使用锻炼，并要有杰出的工业软件生态气氛。为什么研制规划工业软件开发难度大、投入多、周期长？前述要害技能打破仅仅工业软件研制的起点。一个工业软件，一般需求阅历产品开发、使用验证、推行使用三个阶段，才或许成为老练的产品化软件。

　　打破要害技能并构成功用完好、安稳运转的产品，最多只完结三分之一作业，这个进程一般需求5-10年；有了产品，需求阅历充沛的工业使用锻炼，实用于各种工业场景，只要阅历了工业使用锻炼，才干称之为真实的工业软件，这个进程也需求5-10年；通过实践工业使用锻炼验证的工业软件，具有了产品化软件的条件，还需求全面的产品化运营推行，才有或许成为广泛使用的产品化工业软件，这个进程又要继续3-10年。

　　作者从事自主工业软件开发和使用近20年，掌管了新一代体系仿真软件的要害技能研讨、原型体系开发、产品软件研制以及要点职业使用，阅历了一个自主工业软件展开的全进程，与团队一同探究出了一条我国自主工业软件的展开路途。在此，结合前述的工业软件要害技能瓶颈，共享一下自主工业软件实践进程。

　　作者团队前期在华中科技大学CAD国家工程中心，导师陈立平教授从前从事CAD束缚求解引擎开发，1998年团队开端研讨多体动力学并模仿ADAMS和RecurDyn开发了原型。到2001年作者攻读博士学位时，以为传统CAD和多体动力学技能现已十分老练，产品已遍及并完全占据国内商场，其时正好发现了Modelica技能。该技能诞生于1997年，根据Modelica标准支撑机、电、液、控等多范畴一致建模，团队以为这是未来的方向。

　　2001年，团队发动了Modelica多范畴一致建模要害技能研讨。陈立平教授束缚求解引擎的大规划方程体系归约求解技能、作者多体动力学的微分-代数方程体系数值求解技能等作业奠定了前期根底。团队研讨剖析了C#、Java等开源编译器源码，以及BLAS、LAPACK、MINPACK、SUNDIALS等根底算法库，花了3年时刻研讨各项要害技能。

　　2004年，进一步安排团队开发原型体系。原型体系包含可视化建模环境原型、Modelica编译器和剖析器原型、Modelica求解器和代码生成器原型以及成果后处理器原型，在前述Modelica多范畴一致建模要害技能研讨的根底上，2006年推出了开端原型体系，走通典型事例建模仿真全流程，并参与了当年Modelica世界会议，引起世界同行重视。

　　2006年，组成专业化团队，开端正式产品的研制。在原型体系的根底上，迭代进行软件体系架构规划，依照Modelica语义功用分步完结完善各模块功用，并与对标产品继续测验比照。2009年，成为支撑Modelica多体模型库的软件，并在完结体系的测验之后，推出体系仿真软件正式产品MWorks。

　　2009年，在推出正式安稳版别之后，开端职业使用之路。从我国商飞反推力体系仿真开端，尔后环绕民机液压体系、起落架体系、飞控体系、发动机体系等体系仿真和虚拟实验进行了继续使用迭代。2012年开端航天使用，先后使用于液体火箭发动机仿真、运载火箭仿真、嫦娥系列动力供配电体系规划与仿真、空间站全数字仿真、卫星全体系仿真等使用。工业使用锻炼进步了工业软件才干，如液体火箭发动机仿真中遇到的强非线性问题，迫使MWorks大幅进步非线性求解才干，数字空间站全体系仿真大规划问题直接推进MWorks求解才干从10万个方程体系进步到50万个方程体系。除航空、航天外，这10年期间，咱们在核能、船只、车辆、工程机械等职业也展开了职业使用探究演示。

　　当时正处于第四次工业革新的深度展开阶段，新一代工业软件革新技能正在降临。新式技能革新，一方面催生新一代全新工业软件，另一方面将会使CAD、CAE等传统软件老树开新枝。国外工业软件巨头现已开端在这方面的布局，比方法国达索2006年收买体系仿真软件Dymola，推出以体系仿真为纽带、整合CAD/CAE/PLM的全体系、全范畴、全流程数字化研制途径3D Experience。近几年，达索、西门子、Altair、ESI等公司纷繁收买大数据人工智能相关的产品技能。在这种技能趋势下，国外工业软件巨头引导的工业软件竞赛现已不是单个东西软件的比较，而是数字化研制途径的竞赛和未来智能化研制规划工业软件的竞赛。

　　根据模型的全体体系一规划、一致仿真及软件主动生成技能：以体系工程、CPS为首要特征的新一代数字化技能革新，催生着兼容传统工业软件的新形式、新办法与新技能，以数字化模型为根底，以一致结构、一致模型、一致规划、一致仿真、体系优化、嵌入式软件主动生成和一致的工业常识模型库为方针，即根据模型的全体体系一规划、一致仿真及代码主动生成技能将是新式工业软件的重要方向，也是当时数字主线、数字孪生等抢手使用的技能支撑。

　　面向工业互联网的工业APP创立、运转、联合及生态技能：工业互联网是全球新一轮工业竞赛的制高点，工业APP实质是工业常识的软件化，工业互联网与工业APP为工业常识软件化供给了途径，这是我国工业软件使用互联网优势与新一轮工业机会换道超车的另一个前史机会。工业APP以其微内核、高内聚、高专用的特征能够屏蔽传统大型通用软件的技能杂乱性，特别是机理模型类工业软件的通用性技能门槛，为我国工业软件的后发先至供给了新的途径。

　　机理模型、大数据、人工智能交融的新式工业软件技能：德国西门子2015年推出工业云服务途径MindSphere，法国ESI集团2015年收买大数据公司Mineset，法国达索、美国Altair等世界大公司纷繁布局大数据和人工智能，拟将机理模型与大数据相结合，推进人工智能迈向工业智能，这将是下一轮工业软件革新的重要方向。鉴于配备产品运转场景的杂乱性和毛病场景的偶然性，配备产品运转数据大而不全，在消费范畴大获成功的“大数据+人工智能”形式，在工业范畴有必要辅以机理模型，即“机理模型+大数据+人工智能”才有或许催生工业智能，并成为下一代智能化工业软件的根底。

　　展开自主研制规划工业软件现已成为国家战略，这是我国工业由大变强、从“制”到“智”的必定路途。现在大部分国产软件与国外同类抢先软件距离较大，部分产品化工业软件存在空白，前期国产工业软件生态环境困难。但自2019年以来积极因素越来越多，我国巨大的工业商场、一系列引人注目的严重工程项目以及正在发动的工业数字化转型供给了世界最巨大的工业软件需求商场。

　　我国自主研制规划工业软件展开，现在面对三个使命：一是现有但不强的三维CAD、有限元CAE等工业软件怎么加速展开，迎头赶上；二是现在空白的传统工业软件如专业仿真CAE软件等怎么填补空白；三是怎么捉住机会展开新一代研制规划工业软件。

　　现有的CAD和CAE软件，在产品老练度、商场占有率、研制投入都远不如国外软件的景象下，即便有方针生态环境的支撑，在功用和功用上硬拼会是一个十分困难、十分长时间的事，更不用说世界工业软件巨头现已将竞赛从单个东西拉到了数字化途径层面，我国CAD、CAE软件展开的出路在于传统软件与新式工业软件技能结合的技能立异，以及传统软件和职业交融的使用立异，立异是我国工业软件展开的仅有出路。作者团队用体系仿真软件在航空、航天等职业完结了机械、操控、流体、电气等专业的建模仿真，这为体系仿真软件+专业模型库代替专业仿真软件供给了一条新的展开道路，也供给了展开新一代工业软件反向辐射传统工业软件的期望。

　　因而，怎么捉住机会展开新一代研制规划工业软件才是重中之重。在体系级规划与仿真、工业APP途径、智能化工业软件等新的赛道上，展开新一代研制规划工业软件，一方面是捉住未来工业软件竞赛的先手，另一方面在完全把握自主新式工业软件之后，能够反向辐射掩盖展开传统工业软件，补偿短板，一起也为CAD、CAE等已有根底的传统工业软件的展开供给技能交融立异的支撑。