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数字孪生工业软件的十大特征

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作者:田锋

“踏雪歌者”口述全文  

 


2023年7月28日,一份在数字孪生界颇具影响力的白 皮书发布——《数字孪生工业软件白 皮书》。本白 皮书是由中国数字孪生界的知名团队——陶飞团队召集全国数十家工业软件产业的相关软件企业、工业企业和科研机构共同打造而成。本白 皮书提出了一款工业软件是不是数字孪生工业软件的判断标准。    



参考该白皮 书,笔者结合自己所在企业的工程实践,提出数字孪生工业软件的十大特征。我们认为,除了具有数字模型建立的基础能力之外,数字孪生工业软件还应具备另外十大特征,一款软件符合这十大特征越多,那么它越像一款数字孪生工业软件这些特征有益于工业企业选型数字孪生工业软件,也有益于工业软件企业发展自家的数字孪生工业软件。这十大特征分别是:互动性、预测性、预感性、实时性、交互性、平台性、使命性、遗传性、社会性和开放性,如图1所示。下文分别对这十大特征给予展开讨论。


图1. 数字孪生工业软件的十大特征


             
特征一互动性              

             

       

数字孪生工业软件首当其冲的特性是互动性。数字孪生这一概念提出的当天,就有人在追问它和仿真的区别,叹曰“既生仿,何生孪”,就像周瑜追问苍天“既生瑜,何生亮”一样。其实,数字孪生和仿真最大的区别就在于互动性。仿真的确是需要建立物理对象的数字镜像,也的确可以模拟物理对象行为,甚至这种行为仿真是可以具有时间特征的,即动态的,但所有仿真都是基于提前假设(想定)的初始条件(初态)和边界条件(环境)的。在真实世界中,物理对象的状态和环境其实是随时间千变万化的,这种变化即没法在想定时遍历,更没法实时(也就是并不反映当下的真实)。因此,只有建立了数字体和物理对象之间的互动关系,才可能基于当前的环境和状态来诊断和预测下一个状态。所以,缺少了互动系统,就不能称其为数字孪生体系。于是,我们将数字孪生系统定义为是由物理对象、数字镜像及互动系统构成的体系,如图2所示。


图2.数字孪生系统是由物理对象、数字镜像及互动系统构成的体系


数字孪生工业软件的互动性由物联网(IOT)技术来提供。ITO技术为数字孪生体提供了“测量与控制”能力,用来实现数字体与物理对象之间实时互传信息和数据。数字模型利用测量系统,通过传感器获得物理对象的状态数据,譬如尺寸、速度、温度、光洁度等;利用控制系统,数字模型通过致动器向物理对象发送致动指令,譬如停止、加速、调节角度等。如果说数字建模为数字孪生体建立了躯体的话,那测量和控制能力就像给数字孪生体安装一套类似生物的神经系统。生物的神经系统有两种,一种是感觉神经,就像这里的测量系统,另一种是运动神经,就像这里的控制系统。神经系统的存在,让数字孪生体可以感知和驱动物理世界。


         
特征二:预测性          

         


数字孪生工业软件的预测性是基于完整信息和明确机理计算未来。预测性采用的主要技术是仿真,将数字模型与物理机理相结合,包括材料性质、理论规律、工程规律等,根据完整和实时的边界条件和物理状态,来计算和预测数字模型的下一步状态。仿真预测的输出结果必须具有确定化和无二义性的特征。


此处所说的仿真是广义仿真,那些具有明确物理机理的计算过程都属于广义仿真,包括物理(如流动、力学、化学等)原理确定并被实践验证,往往被作为成熟理论来使用,包含公理、定理、公式、数值计算、工程算法、经验公式等。模拟仿真采用的工具包括算法程序、各类CAE工具,譬如物理场仿真、人群仿真、交通仿真、物流仿真、组织仿真等,如图3所示。


图3.各种类型的仿真提供数字孪生体左脑


我们把仿真预测称为“先知”,该过程提供了数字孪生体的“左脑”。人类的左脑专事逻辑推理和理性判断,只要具有明确规律和逻辑,不管多复杂,总是可以通过推理获得明确的结论,提前知道数字孪生体和物理对象将会发生什么。此时的数字孪生体就是一个有头脑、会思考的智能孪生体,特别是类似人类的理性思维特征。我们曾提出“无仿真,不孪生”的观点,就是因为数字孪生体的最有价值的特征是理性思考和智能判断,而仿真才能提供这样的特性。


         
特征三:预感性          

         


数字孪生工业软件的预感性是基于不完整信息和不明确机理来推测未来。我们的世界中,大多数现象的物理规律并不明确,大多数情况无法获得完备的边界条件和物理状态,但我们仍然不得不对未来做出预测,哪怕是再模糊的判断,仍然好于毫无判断。如果要求数字孪生体越来越智能和智慧,就不应局限于人类对物理世界的确定性知识。其实人类本身就不是完全依赖确定性知识而领悟世界的。


人工智能(AI)技术是预感性的关键技术。利用交互性收集的数据,采用AI技术建立物理世界的近似模型,依据当前边界条件和物理状态进行下一步状态的预测,并且对近似模型逐步修正和优化。当前边界条件和物理对象状态虽不完整,但也只能作为近似模型的输入条件,输出的结果当然距离物理世界的真实情况有一定偏差。


图4.利用数据和AI为数字孪生体提供右脑


我们把AI预感特性称为“先觉”,提供了数字孪生体的“右脑”,如图4所示。人类的右脑专事感性思维,利用直觉和第六感来获得对世界的判断和预测。当然这里指的直觉那种优秀的直觉,而非普通人的直觉。优秀的直觉源于对丰富经历和有效经验的高度总结,还需要经常性的深度思考和远期瞭望,恰似被良好训练的超大模型的AI。我们的社会中确有一类具有这种优秀和敏锐直觉的人,是他们引导着我们的企业、机构甚至人类的发展方向。


             
特征四实时性              

             

       

类似交互性,实时性是数字孪生与传统仿真和传统AI的另外一项巨大区别。      


传统仿真过程通常是提前判定未来产品可能面对的各种环境,换算为工况或边界条件,同时给出可能的初始条件,然后预测给定时间后的产品运行状况。但实时仿真则需要获得即时的环境和物理世界的当前状态,以此作为边界条件和初始条件,来预测物理世界未来的运行状况。“实时”二字依赖于“互动”过程的测量系统来保证。


通常来说,CAE有两种类型:物理场仿真和系统仿真。物理场仿真通常是三维的,计算规模大、时间长,通常无法满足数字孪生体与物理对象实时交互的需要;系统仿真通常是一维的,具有速度快的优势,通常可以达到实时交互要求。因此,在数字孪生实践中,往往需要把三维仿真过程进行降阶(ROM),抽取其中你关注的特性和参数,转换成一维模型来参与计算。如图5所示。


图5.三维仿真降阶参与系统仿真


通过AI过程形成的初始模型通常与实际情况有偏差,如果不能实时,该模型就无法进化。在数字孪生体实时数据分析过程中,随着机器学习的持续,算法和模型逐步改善,近似模型会越来越逼近物理机理,预测结果也会逼近物理世界。也正是因为这个原因,业界有人将AI视为科学研究的“第四范式”,科研方法从传统的三种方法——理论、实验、计算拓展到第四种方法,即AI。


         
特征五交互性          

         


数字孪生体是为人服务的,人需要通过影响数字孪生体的行为来影响物理世界,所以人机交互必然也是数字孪生系统应用的重要组成部分。人机交互是人类与数字模型打交道的直观可视化界面。这里可以展示数字孪生体的数据,了解数字孪生体的状态,也可以操作和干预数字孪生体,同时实现对物理对象的干预。


图6.数字孪生体的五官


数据的可视化展示技术以及超现实(XR,包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)及混合现实(MR))技术是人机交互的两个重要技术。数据的可视化展示技术将数据和信息输出为高清、直观、可视化、可交互的图形图像,通过对数据的操作可以实现与数字孪生体乃至物理对象的操纵。超现实技术提供的深度沉浸技术让人类与数字世界交互模式可以与物理世界类似。(图6)


人机交互更像是数字孪生体的“五官”,但又超越五官所能提供的功能,将数字孪生体的应用推向极致。对人类来说,五官是人们相互认识、了解和沟通的界面,通过望闻问切基本可以了解人的身体状况,通过眼神和语言的交流可以了解人的精神状况。而数字孪生体的人机交互所提供的能力则超越了人体五官所能提供的功能。超现实技术使数字化的世界在感官和操作体验上更加接近物理世界,让“孪生”一词变得更为精妙。但在数字世界中,人类又具有超人般的特异功能,可以无限驾驭数字世界,例如变换大小、穿墙而过、隔空取物、时空穿越等。此时,人通过数字孪生体,开始获得超体的体验。《黑客帝国》电影给出了人机交互终极体验,人类与黑客帝国(Matrix)世界打交道的方式是:人的意识通过网络进入系统,与其中的各种数字孪生体进行交互。


             
特征六平台性              

             

       

数字孪生体本质上也是一个软件,是由另一个数字孪生软件开发而成,这个软件称为数字孪生开发平台,是数字孪生体的母体,我们将其称为数字孪生母体。数字孪生体是数字孪生母体下的蛋,并且孵成小鸡,如图7所示。我们比喻为小鸡而不仅仅是蛋,是因为数字孪生体是个可以自运行的APP,也就是说数字孪生体自己带有运行时(Runtime),可脱离平台的自运行的小型化软件(APP)。本文题目所说的数字孪生工业软件,就是这个数字孪生母体,即数字孪生开发平台。


图7.数字孪生体是数字孪生母体下的蛋并孵成小鸡


             
特征七使命性              

             

       

自从数字孪生概念诞生,业界就一直有一种声音,认为数字孪生体应该具有针对物理世界的无限逼真度,要求数字孪生体和物理世界“一模一样”。其实,这是一种奢望甚至痴心妄想。一个数字孪生体应该有特定的使命:只能反映物理对象的部分体貌特征和行为特性,不能奢望反映物理对象的全部,只能选择与目的(需求、场景)相匹配的核心特征和关键行为来建立孪生体。    


举几个实例,譬如,为了研究设备的全局特性,我们只能建立系统模型来进行系统仿真,而不能建立三维实体模型来进行全物理场的计算。同样的原因,如果只关注电路运行参数,我们就只建立电路原理模型而不是建立电路板模型。对于具有大量机构装置的设备,为了获得机构的运行规律,我们只应建立多刚体模型,而不能建立全柔体模型,虽然从理论上讲柔体模型更逼近真实世界,但海量的计算规模及其导致的误差,使得实际计算结果未必真的比多刚体模型更接近物理世界。同样的原因,如果结构刚度是主要关注指标,那我们更希望把梁壳结构用梁壳单元来简化,而不是用全实体单元进行计算。


所以,我们应该追求数字孪生软件应该追求“可信度”,而不是“逼真度”。可信度是与使命、目的、需求和场景相关的概念,而逼真度则是一个绝对量。追求逼真度既不可能(很困难)又没必要。因此,我们接受数字孪生体的“不完美”,而不是因为“孪生”二字就追求无谓的“逼真”。    


图8.可信度是与使命、目的、需求和场景相关的概念


             
特征八:遗传性              

             

       

同一物理对象在生命周期的不同阶段有不同的数字孪生体。数字资产记录了数字孪生体整个生命周期中的全息数据,并反映这些数据在数字孪生体整个生命周期中的演变路线,同一物理对象的孪生数据必须连贯和传承。我们需要记录孪生体整个生命周期中的全息数据,以反映数据在孪生体全生命周期的演变。在这路演变中,数字孪生体中的数据就像生命体的基因,它的积累、管理、追溯和共享既是其存在的基本特征,又是其进步的必要手段。数字资产通过传承、协同和进化,向历史学习,向他人学习,从而实现持续成长。


这种过程需要基于统一数据标准进行数据融合与共享,统一数据底座和数据模型便具有异常的重要性。数字线程是承载遗传性的关键技术。数字线程是指可扩展、可配置和组件化的企业级分析通信框架。基于该框架可以构建覆盖系统生命周期与价值链全部环节的跨层次、跨尺度、多模型的集成视图,进而以统一模型驱动系统生存期活动,为决策者提供支持(图9)。

图9.数字线程是承载遗传性的关键技术


数字线程的目标就是要在系统全生命期内实现在正确的时间、正确的地点,把正确的数据传递给正确的对象。这一目标和上世纪九十年代PDM/PLM技术和理念出现时的目标完全一致,只不过数字线程是要在数字孪生环境下实现这一目标。数字线程是与某个或某类物理实体对应的若干数字孪生体之间的沟通桥梁,这些数字孪生体反映了该物理实体不同侧面的模型视图。


             
特征九社会性              

             

       

物理世界的普遍联系决定了不同数字孪生体之间具有普遍联系性,人与人之间的联系构成了人类社会,数字孪生体之间的联系构成了数字社会。人类之所以进步,是因为我们的祖先和同期贤达将他们的思想和成果用某种手段保留和传递,使得我们可以传承祖先和贤达的智力资产。


云技术是数字孪生社会性的关键技术。基于云可以进行大型数字孪生体的协同化建造。在大型数字孪生体,譬如数字孪生城市的建设中,需要建设多种数字孪生体,譬如孪生交通、孪生安防、孪生环保等,这些孪生体之间必须可以交换数据,共享智慧,才能使其成为一个和谐的城市,如图10所示。类似大湾区、京津冀、长三角之类的经济区,需要多个相关城市的孪生体之间交换数据和共享智慧,否则无法成为协同发展的经济区。


图10.多个(种)数字孪生体之间通过云进行智慧交换


云计算也是体系级数字孪生体运行的理想技术,为数字孪生体内部和之间进行智慧共享提供了可能云计算体系结构有利于大量连接设备的组织和管理,以及企业内部和外部数据的组合和集成。在云计算体系结构中,各种不同类型的存储设备可以通过应用软件一起工作,共同为企业提供数据存储和业务访问。


数字孪生体通过云实现共智,从而实现不同物理间的共智。共智实现了不同数字孪生体之间的智慧交换和共享,多个数字孪生单体可以通过共智形成更大和更高层次的数字孪生体,这个数量和层次可以是无限的。《阿凡达》电影中的潘多拉星球是个物与物天然共智的世界,也许是人类科技所限,地球的各物件之间是否能天然共智尚不得而知,但通过数字孪生体,我们可以实现地球上物理世界的共智。    


如果说数字线程将同一物理对象的全生命周期的各数字孪生体之间的数据资产进行传递和追溯,从而实现优秀基因的遗传,那云计算则让不同物理对象的数字孪生体之间实现共享和协同,从而实现平庸基因进化。


             
特征十开放性              

             

       

数字孪生的社会性属性,说明数字孪生体不是个孤立的APP,而是与物理世界一样紧密联系的。在工业云时代,数字孪生体将走向大型和复杂,而且会具有多样性及强烈的关联性。因此,数字孪生工业软件不仅仅是开发平台,这个开发平台应该具有相当的开放性,才有益于这种社会性的达成和进步。


图11展示了数字孪生开发体系的架构图。这个图分三层:数字孪生资产层、数字孪生母体层和数字孪生体层。      


图11.数字孪生体开发平台(数字孪生母体)架构图


第一层,数字孪生资产(模型池)。模型池有多种数字孪生的基础模型构成,如图12所示。模型的来源不是一家实体或个人,任何实体和个人单位都可以有偿提供模型服务如果有人调用一个模型,该模型的提供者就会产生收入。


图12.数字孪生资产不是来源于一家实体或个人


第二层,数字孪生母体,也是数字孪生体的云开发环境。这个环境可以开发数字孪生体或分布式数字孪生体,也可以开发多学科数字孪生体。开发环境通常由实力比较强的实体来有偿提供基于开发环境和模型池,就可以开发数字孪生体。


第三层,数字孪生体的社会化开发。全社会都可以用这样一个开发平台来开发数字孪生体,可以是桌面级的数字孪生体,也可以是云端的数字孪生体,甚至是移动端的数字孪生体(APP)。


         
九九归一:生命性          

         

 
数字孪生工业软件的以上十大特征中,多数特征其实是生命体才有的特征,譬如躯体、神经、左脑、右脑、五官、社会性、使命性等,所以我们将这十大特征九九归一为一大特征——生命性数字孪生母体的生命性,决定了基于其开发的数字孪生是一个生命体。据此,我们提出了数字孪生生命体模型,如图13所示。  

 
  • 数字模型提供了数字孪生体的躯体,使数字孪生体具有数化特征;
  • 测量与控制提供了数字孪生体的神经系统,使数字孪生体具有互动特征;
  • 仿真预测提供了数字孪生体的左脑,使数字孪生体具有先知特征;
  • AI预感提供了数字孪生体的右脑,使数字孪生体具有先觉特征;
  • 基于数字线程的数字资产提供了数字孪生体的基因,使其具有社会性,使数字孪生体具有遗传特征,和云计算技术共同构成了共智特征;
  • 人机界面则提供了数字孪生体的五官,使其具有与人的交互能力。

  •      

图13.数字孪生生命体模型


当然,物理体也具有天然的生命特征,但这种生命特征缺少灵性:本能、直觉、条件反射、既定式、预设化、确定性、机械化、个体化。数字孪生体的生命特征则有更多发展空间,可以进化到更加接近智慧生物:精神、思考、理性、推理、创造性、变通性、不确定性、生物性、社会性。    


             
总结:元宇宙的基础              

             

       

数字孪生工业软件和数字孪生体的十大特征及其产生的生命性,使得物理产品将具有持续进化的智能性,也会使得社会体系(研发、生产、运维、城市、战场)具有智慧性。众多智能产品和众多智慧小社会将构成元宇宙,因此,数字孪生工业软件的十大特征也是元宇宙的基础。      


数字孪生体并不停留在物理世界的数字化表达上,而是与物理世界实时互动。物联网技术就像神经一样,提供了互动的能力。感觉神经可以接受物理世界的信息和数据,据此来诊断物理世界的健康状态,运动神经可以驱动物理世界按照数字孪生体的意志采取行动。


数字孪生体还具有思考能力,不仅可以左脑一样理性思考,还可以像右脑一样感性思考。仿真可以像左脑一样,基于明确的机理计算未来;基于数据的AI技术就像右脑一样,可以基于不明确的机理预感未来。


当数字孪生体具有思考能力时,就可以比物理对象更聪明,提出更为优化的运行模式,通过互动系统的运动神经,将优化模式传递给物理对象,甚至直接控制物理对象,使之运行得更为卓越。


人类可以通过计算机屏幕与数字孪生体交互,通过超现实(XR)设备,身临其境地进入数字孪生体世界,像跟物理世界打交道一样的方式和数字孪生体世界打交道。不仅如此,人类此时似乎拥有了特异功能,可以随意变化大小,可以隔空取物,可以时空穿越。现在,脑机技术正在快速发展,也许在未来,人类可以像黑客帝国那样,意识或思维通过网络进入数字孪生体世界,自己的孪生体和数字孪生体世界的人与物打交道。


物理体一经产生,就很难升级进化,但数字孪生体却可以不停升级进化。通过互动系统,数字孪生体的升级进化可以在很大程度上弥补物理对象难以升级进化的缺陷,甚至可以替代物理对象的升级进化。


通过数字线程和云计算技术,数字孪生体拥有了社会性,符合社会发展规律。人类可相互交流和相互学习,数字孪生体之间也可以相互共享智慧。人类的先哲和贤达传递和传播的知识和智慧,数字孪生体的数据和智慧也可以传递到下一代和其他孪生体。


图14.具有强大生命力、聪明、智能的数字孪生体


可以想象,无论是创建一个产品、一套生产体系,还是一座城市的数字孪生体,都将使其聚合各类数字化技术优点,形成具有强大的生命力、聪明、智能的生命体。如果对产品群、生产线群和城市群建立数字孪生体群,将形成一个可智慧交换的、快速进化的数字社会(图14),这应该就是所谓的“元宇宙”。



           
           
               

作者:田锋

工业软件深度思考者,国家产业基础委员会委员、中国力学学会委员、中国机械工程学会委员家。领导开发了精益研发平台、知识工程平台、综合仿真平台、知识云平台及仿真工具等大型工业软件,并在航空航天、船舶、核能、石化、车辆等国家重大工业行业工程中得到应用;主持了国家发展改革委、科技部、北京市工业强基工程、工业互联网相关专项20余项,为百余家企业提供精益研发、知识工程、综合仿真等体系咨询。


本书介绍了中国工业软件产业发展现状和发展趋势、工业软件自主研发的策略和路线、云时代的工业软件发展方略、工业软件在企业的应用体系的建设,以及在数字化转型和数字孪生体领域的支撑和应用方案;分析了中国工业软件产业发展中存在的各种问题、矛盾和误区,并提出针对性的策略建议和解决方案;针对工业软件中的难点领域,特别是工程仿真和工业研发领域,给出了具体实践经验和方法论。


             
           
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来源:数字孪生体实验室
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首次发布时间:2024-08-14
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这些年,我们天天在用户现场观察,发现国际先进的工业软件在用户那里经常使用的功能非常有限。初期我们认为是用户水平太低,也有人说是软件不好用,但最后我们悟到,是中国工业水平所限。中国航天行业是中国最具正向设计特征的行业,是完全自主发展起来的,所以与国际同行具有可比性。人类60年前登上了月球,而我们仍在追赶,这差不多就能丈量出我们工业和科技水平的整体差距。国际软件是先进,但那是根据产出国的工业水平的需求来开发的。一个国家的工业软件水平是与这个国家的工业和科技水平相匹配的,印度就是个力证。印度是有名的软件产业发达的国家,产业收入高、人才多,但并没有出现全球知名和强大的工业软件,就是因为工业水平不高,而不是软件能力不够。美国工业软件之所以强大,不是因为美国工业软件人聪明勤奋,而是美国工业和科技水平高。中国的工业水平没那么高,对工业软件的需求必然不高。换句话说,我们每年花了很多钱买高水平国外软件,大部分功能其实购买后闲置,这无疑是采购经费的浪费。所以,我们对标,其实应该对标本国工业企业的刚需,而不是对标国际先进软件。我们的工业水平不高,对工业软件的需求也不高。盲目对标国际软件,只会浪费时间和经费,开发本国用户并不需要的功能,用户真正需要的功能反倒做不到位。开发那么强大的工业软件既不可能,也没必要,甚至是一种浪费,至少性价比不高。识别刚需,可以让好钢用到刀刃上,把珍贵的经费用于刚需。无论融资与否,中国公司在经费方面对比国外软件仍然有所欠缺,不应该将有限的经费用于暂时不需要的功能开发。何时开发何种功能,是时机选择问题,应该避免被拖入开发陷阱,甚至影响企业的生死存亡。今日之对标国际,恰如昔日之弯道超车。先驱是领先于真实需求(刚需)一到两步,先烈则是领先太多。如果与国外先进软件对标,只有那些先烈才能及格或达标,难道我们要鼓励大家当先烈么。 当我们悟到这个的时候,才发现,我们只需要做出国际先进软件的40%的功能即可满足中国刚需。甚至对于应用不深的大企业或者尚未采纳工业软件技术的中小企业,这些功能已经绰绰有余。从这个角度讲,我们过去所积累的技术积淀已经超过了需要开发的软件。所以,我们经常说我们做自主工业软件的自信是有科学依据的,并不是完全靠情怀和豪情。在国际工业软件的珠峰面前,我们仍然觉得可以一战的原因就在于此。 但也不要过于乐观,搞清楚刚需到底是什么,却不是吹气就能来的。到底是这40%还是那40%,则需要在用户现场摸爬滚打,实地考察。这也正是笔者所在团队的专家们的优势所在。这么多年,看似我们是在摆弄国外软件,但积累的却是对国内用户的真实刚需的全面了解。 笔者团队有幸每天可以在用户现场观察并记录中国用户日常在用的国际软件的功能到底有哪些,这些功能便是天然的用户“刚需”。这时你会发现,不管用户嘴上说得多么高大上,但行为很诚实,只用那些他们真正会用且有用的功能。问题就在于,你不进行长时间的实地观察,就永远不知道他们的刚需到底是什么。 二、系统思维 这里说的系统思维主要针对技术识别、攻关和积累方面的系统性。工业软件经过六十多年的发展,已经形成一套稳定的国际格局,无论从技术上还是商业上已经形成完整版图。工业软件技术体系和产业体系庞大而复杂,需要从产业视角和技术视角全面和深度扫描,进行系统性和高覆盖度的积累。工业软件世界的技术谱非常复杂。以仿真软件为例,一个仿真软件技术清单的一级展开,已经有数百项条目,二级展开将达到数千项,三级展开则有上万项。有些公司在工业软件技术范畴做了很多工作,但因过于零散而没有有效积累。也有很多公司尝试做过一些比较简单的算法和代码之后,便认为万事俱备或时机已到,于是贸然出发,结果夭折在半山腰。工业软件研发所需要的研究和积累,一定是系统性的积累。技术研究,需要画出一张技术地图,需要绘制三张大表:1)全球重要的工业软件公司及其产品,大约500家;2)全球重要的工业软件,大约2000个;3)全球重要工业软件的功能和技术,悉数清查这些软件的功能和底层技术。据此可以判断我们及中国其他自主工业软件研发公司在世界工业软件版图所处的位置。谈到技术积累,人们的脑海中出现的往往是算法、引擎等底层技术的积累。其实,工业软件技术最终是以产品的形象面对用户的,工业软件的成功往往是产品化和商品化的成功。它与个人软件、科研软件和专用软件有巨大区别。工业软件算法到商品之间,需要经过程序、求解器、软件、标准软件、产品和商品等进化过程,这每个过程,都存在巨大的爬升梯度。学校或者个人拥有算法很正常,它可能变成程序,也可以在工业软件中作为求解器出现,但是正如前文所讲,从求解器到商业化软件,还漫漫长路遥且阻。工业企业同样如此,做出的具有特定功能的软件,在企业范围内使用尚可,但是距离产品和商品还很遥远。所以,技术积累并不意味着只积累工业软件本身的核心技术,更多的可能是走向产品化和商业化需要的技术。 三、高点起跳 系统性的技术积累不意味着所有技术必须从自己的指尖下开发而来。在我们没有进行通用工业软件前,做了大量定制开发的工作,与工业软件相关的开发项目达上千个,形成大量定制化的工业软件。时至今日,确实获得了大量技术积累。但完全依靠这些从零起点刀耕火种得来的技术,自主工业软件成功的可能性为零,资本的耐心也为零。即使有可能在短时间内达到相对较高的水平,但在软件这样一个边际成本为零的行业,行业领先者可以让你的努力成果在一夜之间归零。谷歌公司的人工智能(AI)技术的开源让全球从事AI开发的公司一夜之间失去发展方向和动力。因此,技术积累还需要全球视野,高点起跳是必由之路。用资本的力量去整合全球技术,可以获取世界第一梯队的技术。很多收购案例表明,收购一款工业软件所需的资本并不比从零开发需要的经费多,甚至更少。所以,如果做好选择,收购其实是很划算的买卖。中国市场之大,让全球各行业技术供应商垂涎欲滴由来已久。微软公司2003年同意向中国政府开放源代码,IBM公司2013年同意中国政府审查源代码,都是出于对中国市场的预期。源代码是软件公司的命根子,但在市场利益面前,软件公司可以不要命。因此,我们完全可以利用中国市场之大,选择一家技术领先、成熟但在中国的市场排名并不靠前的公司,与之进行谈判,谈判目标就是源代码在中国市场自主可控。一方面要求获得源代码,一方面需要得到技术转移。共同分享市场,共同开发技术。世界先进工业软件的一个重要特征是经过大量的工程实践验证,这一点是与普通开源软件的根本不同。开源软件总代码量、功能完备性、功能的先进性等方面看似都不弱,但在工程验证方面却是一大软肋。因此,当今世界,在开源软件林立,却没有成长起来一家中国国产工业软件,与这一软肋有巨大关系。在中国市场上淘金的工业软件不下百款。这些在中国市场流行的软件看似各有特色,优势领域各不相同,但这些差异并不是技术原因而是市场原因造成的。在强大的竞争之下,某项技术只好找一个细分市场立足。既然是市场原因而非技术原因,那从技术上讲,从任何一款具有一定工程实践验证,且相对通用软件源代码出发,都有可能发展出来一款强大和通用的工业软件体系。我们调研发现全球有不下数千款工业软件。只要工业还百花齐放,工业软件就百家争鸣。制造业花红柳绿,工业软件就姹紫嫣红。这些全球积累的各种形态的工业软件无疑是个营养丰富的广阔土壤,可以为任何一个立志于做大做强的工业软件公司源源不断输送技术养分。很多软件在他们本土被龙头企业压制,怀才不遇,生不逢时,不是技术不行,是市场问题,在中国特殊时期的特殊市场下,有可能释放这些技术的潜力。当具有一个市场认可和开放性较好的工业软件技术框架后,可以并购更多国内外中小求解器和前后处理软件。在中国的土壤里也生长着这种小型和专业的工业软件,也是合作和并购的理想对象。 四、时空转换 与其他软件最大的不同是,工业软件需要大量的工程化验证。写几万行代码,开发出来第一套工业软件其实并不难,难的是这套软件是不是经得住实际工程的考验。软件的评测,内行看门道,外行看热闹。外行喜欢看的往往是软件功能,内行则会钻到深处看性能,底层的算法和引擎决定了软件有多硬核,而它们则需要长时间大量的工程化验证方堪大用。 过去企业一般有两种方法进行工程化验证,一是用试验方法,二是用户现场工程应用。不论哪种方法都需要大量时间和资金。在现阶段,这两个途径在中国工业软件公司这里都不具有可行性。首先,国内工业软件开发商没有充足的经费进行试验验证,其次,即使资金花得起,时间也等不起,开发商现在没有时间等待用户的使用反馈。第三,新软件的用户基数小,反馈数量少,不足以支持工程化验证。所以一家新创的工业软件公司或新开发的工业软件,在工程化验证方面往往都是大弱项。因此,只会等待试验验证和工程应用反馈的人,基本都冻毙于风雪,走到终点的可能性基本上为零。于是,我们提出了另外一套切实可行的国内的验证方法——时空转换,即用过去的案例验证今天的产品。 我们过去积累各个行业大量的工程案例,形成了拥有上万案例的工程案例库。案例库的数据经由国外软件应用实践而来,并通过用户试验及工程结果进行过验证,结果确认可靠。现在,每当开发出新的功能或模块,把过去的案例调出,相同的问题,用同样的模型,在新功能或新模块中重新运算一次。与案例库结果进行比对,结果偏差不大则认为新的功能或模块可行,结果偏差较大,则继续优化。利用这个案例库进行工程验证,节约了大量的时间和经费,相当于用过去的时间置换未来的时间,过去曾经投入资源和经费置换未来的资源投入和经费。通常,离散的工业品或离散场景不足以验证工业软件的完整功能。所以,工程化验证需要考虑场景覆盖性,通常需要用系列化的工业品及其子系统进行完整验证,称为系统性验证。我们的工程案例库中,除了案例数量多外,还依据这些案例整理了系列化工业品和子系统的工业软件经验、标准和解决方案,总数达到上百个系列,可以解决验证场景的覆盖度问题。 五、粮食思维 中国古代的战法里有“守正”和“出奇”两种策略。那中国工业软件突围,是该守正还须出奇?“出奇制胜”和“差异化竞争”这样的词汇,在战争与商界中往往被赋予了魔力和褒奖。中国工业软件要突围嘛,当然应该出其不意!但真该如此么?据我观察,其实未必。君不见,中国的工业软件公司:有些凌波微步,走上了利基小道;有些飞檐走壁,最终在云上漂泊;有些剑走偏锋,一头扎进APP长尾不能自拔。似乎都是峭壁上的灵芝,哪一个成了餐桌上的粮食?我一直谈新赛道这一观点:在当前的时间窗下,中国工业软件有几个新赛道,容得下守正的中国工业软件。我们认为,中国工业软件至少出现四个新赛道是:1)涉军禁民,即禁运行业(军工或实体名单)无工业软件可买;2)重器民品:卡脖子之后,重大民品企业的工业软件供应也朝不保夕;3)授权转正:中国知识产权逐步合规之后,传统的工业软件产业将出现大量空白市场空间。4)小微校个:中国占比最高的企业群体——中小企业、微型企业、高校、个体(创客极客)无软件可用。这些赛道上没有国际大鳄,只有中国工业软件公司。这些新市场上没有国际软件,只有中国软件可用。未来若干年,中国市场将产生大量对干粮而非灵芝的需求,即“刚需”。这就是我们为什么在技术和产品研发上选择了守正。当然,新旧赛道迟早会合并,所有战车将在同一个赛道上竞技。也正因为如此,我们现在才要坚持守正路线,尽快在基本面上进入全球第一梯队。唯有如此,未来合轨之时,我们才有一战的能力。打仗是需要用奇兵,但最终的胜利取决于国力,也就是工业、经济和人才的底盘,这些无一不是靠“守正”方能获得。 六、换道思维 面对卡脖子,呼吸困难时,猛然发现我们工业软件基础薄弱,百废待兴,感觉需要花费大力气做那些大鳄们曾经做过的基础工作。但等冷静下来思考时,发现如果沿着国际大鳄的老路走下去,我们永远也追赶不上,模仿成功者的成功道路已不可能。正所谓“拿着旧地图,永远找不到新大陆”。现在流行“重走长征路”,但走大鳄们的老路,等待你的也许就是其血盆大口。 我们倡导粮食思维,强调基础能力的打造,不代表放弃差异化特效,不寻求超越之路。我只是想说,缺乏积累的创新不算真正的创新,不仅不算换道超车,还可能是给他人作嫁衣。 在完成基础能力之后,有三件事情可以重点考虑:1)国情场景;2)极致特性;3)技术换代。“国情场景”的意思是,中国工业有其需求的特殊性,放之四海皆准的国际先进工业软件未必能关注到或者愿意关注这些特殊性。华为交换机业务在早期有个农村包围城市的战略,还真不是一个比喻,而是真真实实地从农村市场入手。中国农村老鼠流行,交换机的线缆刚换上没几天就会被老鼠咬坏,有点像计算机行业的那个BUG典故,真的就是臭虫在计算机里面搞短路了,而不是计算机的设计原理和器件质量有啥问题,但这确实就是产品可用性问题。老外的交换机从来没有碰到过这个问题,也懒得解决,或许中国市场规模还不值当去解决,这就是大公司的通病。其实也不能称为“病”,这是性价比和战略使然。但华为专门为此设计了特殊线缆,拿下了中国农村市场,后来逐步蚕食市场的故事你们都知道的。“极致特性”策略是后来者或小公司的一种四两拨千斤的做法。华为每个产品或产品线的经理有一个特别任务就是给产品找到几个“极致特性”。最近的一个案例是Mate60的卫星电话,地球人都知道自己大概一辈子都用不到这个功能,但该功能搞得却人尽皆知,而且引发“华为手机信号好”这一美好联想。“技术换代”的重要时期也是换道超车的最佳时刻。在颠覆性技术面前,有一个现象:老大死,老二转身,老三胜。面对颠覆性技术,不同规模和领先度的企业态度不同,既得利益越高的企业,面对颠覆性技术显得越迟钝。倒不是他们的技术能力不行,也不是没意识到,而是商业战略使然,《创新者的困境》生动形象地描述了这个现象并深刻分析了原因。现在AI大流行,世界工业软件公司看似都在第一时间推出了AI加持特性,但真的把这项技术作为生死饭碗的公司只可能是初创公司,锦上添花和雪中送炭是不一样的,餐后甜点和充饥主食是不一样的。 七、产品思维 中国的工业软件公司,都是齐天大圣的心,却是三头六臂的命。初心都想改造世界,最终都为生存奔波。本想做顶天立地的产品,最后都被项目缠身。其实,所谓的技术成功,归根到底是产品的成功。中国工业软件的主要差距不完全在技术本身,而在于将其从科学计算程序转向软件工程,然后发展成为产品,最终成为商品,实现商业成功。也就是说,“产品化道路”是工业软件走向商业成功的必经之路。在参与广东省基础软件攻关工程的过程中,我有一个深刻的感受,那就是:IPD曾经让华为成功,也可以让中国工业软件成功。在这个工程中,也让我有机会真正参与到我曾经神往的IPD体系。IPD体系中一个最令我着迷的体系就是产品管理体系,或者称为产品规划体系。我认为这也许是IPD对中国公司最有价值的体系,因为这是一家企业走向产品化道路的咽喉要道,但它又是我们中国公司最容易忽视的体系。 产品管理体系讲究一定要对市场进行细分,找到最有吸引力的细分市场,并且识别刚需,形成对这些细分市场最具优势的产品设计,匹配最强研发力量攻克,从而让获取的效益最大化。这个体系还特别强调在产品还没开发之前,就要想好营销策略,也就是针对这些最有价值的细分市场的具体营销打法,才能保障商业成功。这种思维在中国工业软件产业很少认真落实。其实,在中国,不仅是我对IPD体系神往已久,众多中国企业都对其心生崇敬之情,但真正实践成功者寥寥。IPD体系确实是个复杂的体系,实施起来不容易,但让IPD不能在多数中国企业实践成功的原因往往是“不信”,企业的领导层不相信IPD真的能解决他们的问题,不确认长期坚持实施这个体系是不是值得。因此,在产品应该做成什么样的这个问题上,大多数公司都是大致想一下,领导一句话,研发就开干了。没有几个公司愿意养一支产品经理团队来认认真真地做市场分析、产品定义和营销策略设计。到最后,公司浪费了大量经费,做出来一批批卖不出去的僵尸产品。 八、少即是多 中国工业软件风口到来,商机乍现,突然所有的人和组织都宣称自己可以做高端芯片和工业软件。于是工业软件公司雨后春笋一般涌现,而且每一家都拥有一套看上去非常“完整”的产品线。雨后春笋般的工业软件公司,对国家来说是个天坑。“完整”的产品线,对工业软件公司来说是个大忌,对那些实实在在搞产品的公司是大大忌! IPD中市场细分的目的其实就是人家知道我们都是肉胎凡人,做不了那么多大事,那就饶过自己,做好自己能做的事儿,专业说法就叫“聚焦”,哲学的说法就叫“少即是多”。做好一个看似“少”的领域,扎根之后再同心圆扩大和扩展,这是多数行业的普通人和普通公司的成功之道。美国ANSYS公司曾经靠打穿一个产品——ANSYS Mechanical的需求、功能和技术,实现了商业成功,纳斯达克上市后开始了同心圆收购之旅,完成了CAE龙头霸业,到目前为止,仍然坚守仿真赛道不动摇。其实,成就任何事情都要有基因,工业软件也是,至少强大的基因能提升你的成功率。很多人不信这个邪,觉得事在人为嘛,我能在这件事上成功,在其他事上一样能成功,于是多数人死在“多元化”打野的路上。工业软件看似是一个行业,其实内部打开来看,完全是个多元化的行业,即使在一个细分行业,譬如仿真,其中就恨不得五百菩萨八百罗汉的。我一直说“CAD趋同,CAE求异”,就是发现在这个行业内部也是隔行如隔山。每个公司都有一个“原罪”,这是宗教的说法,有宗教认为“人生而有罪”,有宗教认为“人出生来到这个世界就是还愿或赎罪的”。现代管理叫做“使命”,其实就是创始人团队在最擅长的领域中搞定最需要且自己能搞定的问题。现代管理还有一个词叫做“战略”,看似是选择的科学,其实是放弃的艺术。科学用左脑,艺术用右脑。“科学”一般是普通工作者的工作方法,“艺术”一词考验的是公司创始人和领导层的定力和智慧。 九、特需思维 前面说国产工业软件企业都希望做一款顶天立地的产品,但最后都被项目缠身,这似乎是工业软件的一个魔咒。产品化需要长期投入,板凳甘坐三年冷,但没有收入,现金流断裂,企业无法活着见到明天的太阳,所以很多企业都被逼无奈,承接用户的短期项目,做定制化开发。定制化开发的一大特征是“投入与产出呈正比关系”,增加一倍的收入,就必须增加一倍的人(或者说是成本),企业的利润率无法增长,甚至因为管理成本的增加利润率会下降。所以,很多企业得到一个结论,工业软件公司如果要产品成功,应该保持定力,抵 制魔鬼诱惑,避免做项目。难道做项目除了回笼一点人员成本,真的就一无是处了吗?回答这个问题,需要看你做什么样的项目,做谁的项目,以什么为目的做项目。做什么产品的什么功能是选择的结果,其实做项目也是,这恰恰能回答另一个问题,在刚需和特需(即“卡脖子”需求)面前,我们的产品先满足谁? 正如前文所说,国产工业软件的平均“刚需”是由我国综合工业水平决定的。中国工业水平与国际先进国家相比差距较大,所以对工业软件的“刚需”也不会像国际需求那么高。按投入产出比最大化原则,国产工业软件的优先研发目标是满足这种不高的“刚需”。但目前来看,解决“卡脖子”问题似乎才是国产工业软件的使命,而那些被“卡脖子”的企业正是工业水平最高的一批,有些企业已经达到和超越了国际水平,他们对工业软件的需求恰恰是最高的,等同于国际先进软件水平。那问题来了:在研发资金有限的当下,我们到底是先来满足哪方的需求?我的结论是:对于产品,我们选择“刚需”,对于项目,我们选择“特需”。工业软件公司活着的确需要钱,但做项目不能单单为了钱。工业软件的技术拉伸靠什么?拉伸技术,只满足刚需是不够的,需要更高的需求,那就是卡脖子的需求。所以,项目要做,但要有选择性。当然,这是一个思维方式,在企业实践面前,有很多难题和灰度。但有思维和主见总比没有强,即使死也要知道为啥死。 十、引擎思维 工业软件有很多种分类方法,根据所基于技术、资源(知识)或原理的属性来分类,工业软件分三类:科学类、工程类和管理类。科学类软件是基于自然科学的固有规律而开发的软件,譬如CAD、CAE、CAM、EDA等;工程类软件是基于人类在改造现有世界和创建新世界的过程中形成的工程知识而开发的软件,譬如PDM、MES、APS、CAPP、工业互联网、工业APP等;管理类软件是基于社会科学的固有规律而开发的软件,譬如项目管理、知识管理、CRM、HR、财务等。国产工业软件水平应类别而异:科学类软件全面落后,工程类软件彼此彼此,管理类软件领先于国际,这种差距准确反映了中国工业和科技水平与国外先进国家的差距(或差异),这种差距也在中国工业软件的市场占有率上准确反映了出来。除了这三类软件,还有一种隐藏在水面之下的软件——核心引擎。引擎软件在用户界面不可见,却巨大影响着可见部分的表现。软件的可见部分往往是用来定义功能和操作性,而核心引擎决定着软件的性能和质量。核心引擎软件存在于CAD、CAE、EDA等第一类工业软件中,譬如几何建模引擎、约束求解器、网格剖分引擎、数值计算引擎、渲染引擎等,也有可能存在于第二类和第三类工业软件中,譬如人工智能引擎、流程驱动引擎等。我们在核心引擎与国际标杆的差距更大,甚至超过第一类工业软件的差距。工业软件发展难度大,但可见部分的难度只是冰山一角,真正难的部分是水面之下的部分。引擎是工业软件的心脏、根茎和芯片,是工业软件的基础,如果不攻克引擎部分,国产工业软件基本上就是经不住浪打的浮萍,谈不上自主发展。这一观点不仅要在工业软件公司内认识到重要性,也要在工业软件发展的整个生态中扎根,特别是掌握国家公共资源的部门要意识到严重性,将公共资源向这方面倾向。 作者:田锋工业软件深度思考者,国家产业基础委员会委员、中国力学学会委员、中国机械工程学会委员家。领导开发了精益研发平台、知识工程平台、综合仿真平台、知识云平台及仿真工具等大型工业软件,并在航空航天、船舶、核能、石化、车辆等国家重大工业行业工程中得到应用;主持了国家发展改革委、科技部、北京市工业强基工程、工业互联网相关专项20余项,为百余家企业提供精益研发、知识工程、综合仿真等体系咨询。本书介绍了中国工业软件产业发展现状和发展趋势、工业软件自主研发的策略和路线、云时代的工业软件发展方略、工业软件在企业的应用体系的建设,以及在数字化转型和数字孪生体领域的支撑和应用方案;分析了中国工业软件产业发展中存在的各种问题、矛盾和误区,并提出针对性的策略建议和解决方案;针对工业软件中的难点领域,特别是工程仿真和工业研发领域,给出了具体实践经验和方法论。 视频号《踏雪论坛》 语言不可信,行为很诚实! 来源:数字孪生体实验室

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