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多领域物理统一建模技术 --CAD 创新与发展的思考与实践

多领域物理统一建模技术 --CAD 创新与发展的思考与实践. 华中科技大学 CAD 中心 武汉天喻软件有限责任公司 陈立平 13307162544 chenlp@hustcad.com 2007 年 12 月. 提纲. 关于 CAD 的若干思考 信息化回顾 创新动机 多领域统一建模规范介绍 我们的研究与开发状况 建议与结论 国外研究与应用状况. 若干思考. CAD 与国家创新工程 CAD 的时代考量（内涵与模式） CAD 的拓展 CAD- 从信息集成到模型集成. 制造业信息化历史回顾. 1980 年代初托夫勒的 《 第三次浪潮 》

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多领域物理统一建模技术 --CAD 创新与发展的思考与实践

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  1. 多领域物理统一建模技术--CAD创新与发展的思考与实践多领域物理统一建模技术--CAD创新与发展的思考与实践 华中科技大学 CAD中心 武汉天喻软件有限责任公司 陈立平 13307162544 chenlp@hustcad.com 2007年12月

  2. 提纲 • 关于CAD的若干思考 • 信息化回顾 • 创新动机 • 多领域统一建模规范介绍 • 我们的研究与开发状况 • 建议与结论 • 国外研究与应用状况

  3. 若干思考 • CAD与国家创新工程 • CAD的时代考量（内涵与模式） • CAD的拓展 • CAD-从信息集成到模型集成

  4. 制造业信息化历史回顾 • 1980年代初托夫勒的《第三次浪潮》 • 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

  5. 创新动机1：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

  6. 现代机电产品：机、电、液、气、控、热…多物理器件集成现代机电产品：机、电、液、气、控、热…多物理器件集成 制动系统（包括ABS、 ESP、 TCS等） 动力传动系统（包括变速箱、离合器、差速器等） 转向系统（全液压、电液、电动） 发动机（燃油、电动） 空调系统 悬架系统（机械、液压、气动、磁流变等）

  7. 创新动机2：数字化设计技术现状 • 技术成熟，同质化，得到普及 • 重结构、轻性能 • 多几何设计、少功能设计 • 强信息集成，弱模型集成 • 缺系统综合能力 • 短辅助创新设计能力

  8. 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

  9. 创新动机4：CAX应用现状 需求 概念设计 CAD：画图 系统设计 详细设计 创新的重要阶段 缺乏技术支撑 结构设计 工艺设计 现有CAE：校核

  10. 创新动机6：软件技术的发展 机器语言 汇编语言 结构语言 面向对象语言 面向业务的 建模语言 高级语言 • 软件界长期以来羡慕机械电子行业的模块化、可重用的生产方式 • 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 面向编程人员的语言 面向工程人员的语言

  11. 创新动机7：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

  12. 未来产品设计服务的特征 • 机电产品本构的多域性需要统一的模型表达标准 • 专业化知询服务需要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）当成为未来知询产业的产品形态 • 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。 • 未来产品设计服务产业的“生态”：模型标准+专业知识库+统一的计算设计平台+用户

  13. Modelica：工业领域的JAVA • 本构描述的多领域性和系统的复合性是复杂机电系统的重要特征 • 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。为此需要新的理论、方法和支撑技术 • 欧美于1996年开始针对性地开展了多领域物理建模与分析，并提出了具有普适性、可拓展的多领域物理建模语言modelica,取意“模型计算”，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，最终使之成为技术引领标准。 • Modelica被认为是IT技术与工业领域的具有里程碑意义的基础创新，近年来技术在一批重要行业的典型产品的开发中得到成功应用，得到国际研究机构及工业界的认同，发展迅猛，2006年6月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

  14. 基于Modelica的产品建模

  15. 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

  16. 创新动机5：目前用户、CAX供应方、服务方的关系创新动机5：目前用户、CAX供应方、服务方的关系 软件平台商缺乏专业知识 用户无法将专业知识植入平台 服务方根据个性化需求在异构的平台上以异构的API进行二次定制，效率低，无法重用，用户难以维护，服务难以成为健康的产业 在传统的模式下，我国相关机构缺乏核心技术的把握 一味地强调集成将导致核心技术的空心化 异构的定制1 异构的定制2 异构的定制.. CAX1 CAX2 CAX..

  17. 产品设计计算服务的新模式 企业产品创新研发平台 企业模型库 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

  18. 华中科大的数字化设计创新：C3P->M3P 复杂机电系统对产品设计在理论、方法和技术手段三个层面提出了新的挑战 多学科协同优化MDO Multi-discipline Collaborative Opt. 多领域统一建模与分析 Multi-domain Modeling 多体系统建模与分析 Multi-body Dynamics CAX ProductLifecycle Management

  19. 多领域物理建模方法 多领域建模是为实现复杂系统的协同仿真而产生的建模技术，其目标是将机械、电子、液压、控制等不同学科领域的模型集成一体，以实现协同设计、分析和仿真 • 基于接口的方法 • 基于高层体系结构（HLA）的方法 • 基于统一建模语言（Modelica语言）的方法—下一代模型计算语言----EUROSIM

  20. 基于接口的方法 二、项目相关领域的国内外技术现状及趋势 缺点：需要人为地割裂不同领域子系统之间的耦合关系，需要各专用仿真软件提供相互交互的接口，不具有标准性、开发性，扩充困难

  21. 基于HLA的方法 二、项目相关领域的国内外技术现状及趋势 缺点：相比基于接口的方法，其标准性和开发性得到提高，但仍需要各专业仿真软件提供与HLA的接口，仍需要人为地割裂耦合关系，仍需要针对不同的仿真应用配置模型接口、编写集成代码，多个求解器步长协调存在技术问题

  22. 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

  23. 复杂机电系统对产品设计在理论、方法和技术手段三个层面提出了新的挑战复杂机电系统对产品设计在理论、方法和技术手段三个层面提出了新的挑战 对象的本构多域性－基于中性统一表达的模型集成 进程的复杂性－基于协同工作流的过程集成 手段的多样新－基于HLA的多学科数据集成 以资源可重用、系统可重构为模式的 复杂产品建模、分析、仿真、优化一体化的设计技术

  24. 关于modelica • 本构描述的多领域性和系统的复合性是复杂机电系统的重要特征 • 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。为此需要新的理论、方法和支撑技术 • 欧美于1996年开始针对性地开展了多领域物理建模与分析，并提出了具有普适性、可拓展的多领域物理建模语言modelica,取意“模型计算”，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，最终使之成为技术引领标准。 • Modelica被认为是IT技术与工业领域的具有里程碑意义的基础创新，近年来技术在一批重要行业的典型产品的开发中得到成功应用，得到国际研究机构及工业界的认同，发展迅猛，2006年6月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

  25. Modelica语言开发成员 • 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

  26. www.modelica.org

  27. Modelica的初衷 • 多领域物理统一建模 • 超越数学建模 • 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

  28. 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 编译 器 分析优 化器 仿真 器 领域库

  29. 基于Modelica的层次建模

  30. 多领域物理统一建模标准规范及建模技术 应用分析程序 自动生成 模型表达 模型分析 模型映射 模型计算 模型集成

  31. 电子元器件库 控制元器件库 机械元器件库 多体元器件库 热学元器件库 与平台无关的多领域模型库/知识库 研究内容：基础模型库 基础模型库

  32. Modelica：较VHDL更广泛的工业模型表达规范 特点 • 面向对象建模 • 微分、代数和离散方程 • 多领域统一建模 • 适宜于大型复杂系统 • 连续-离散混合建模 • 适宜于硬件在环仿真 • 陈述式与过程式建模 • 适宜于嵌入式控制系统 • 大量可重用领域库 • 统一的数学基础 ODE, DAE, BG, FSA, PN • 源于工程实际

  33. 技术的先进性 yes

  34. 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

  35. 工业界的态度 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

  36. 国际数字化设计技术发展历程 Knowledge inside

  37. CATIA的发展战略 Collaborative intelligent Desktop Win Desktop Unix

  38. CATIA V5 SOA 可重用的模型库 工程建模语言Modelica 二、项目相关领域的国内外技术现状及趋势

  39. 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

  40. 欧洲系统模型库计划：基于Modelica的国际合作计划工业领域模型库EuroSysLib/ITEA2----人类有史以来最大的模型库计划欧洲系统模型库计划：基于Modelica的国际合作计划工业领域模型库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

  41. 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/

  42. 我们的研究与开发状况 • 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，受到国际同行的好评，进入国际同类技术源创开发序列 • 2007年12月，完全自主知识产权的 • Modelica/mworks v1.0正式推出

  43. 多领域物理统一建模研究的基础 • 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

  44. Modelica：较VHDL更广泛的工业模型表达规范 特点 • 面向对象建模 • 微分、代数和离散方程 • 多领域统一建模 • 适宜于大型复杂系统 • 连续-离散混合建模 • 适宜于硬件在环仿真 • 陈述式与过程式建模 • 适宜于嵌入式控制系统 • 大量可重用领域库 • 统一的数学基础 ODE, DAE, BG, FSA, PN • 源于工程实际

  45. 支持知询服务的计算平台进展 国外厂商对Modelica的支持

  46. 支持Modelica专业知询服务的发展

  47. Modelica/InteMworks建模

  48. Modelica/InteMworks模型表示

  49. Modelica/InteMworks的C代码自动生成

  50. Modelica/InteMworks分析计算

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