近日，在鯤鵬開發(fā)者峰會(huì)2022的活動(dòng)上，中國(guó)科學(xué)院院士陳十一受邀發(fā)表了《自主工業(yè)軟件的創(chuàng)新與發(fā)展》的主題演講!
中國(guó)科學(xué)院院士陳十一
陳院士表示，中國(guó)工業(yè)軟件是中國(guó)科技攻堅(jiān)的戰(zhàn)略要地，是中國(guó)制造業(yè)持續(xù)創(chuàng)新升級(jí)的最強(qiáng)助力，工業(yè)軟件必須發(fā)展自己的核心技術(shù)，尤其是工業(yè)仿真軟件。以下是陳院士演講全文：
非常感謝在本次峰會(huì)發(fā)言。我做了一輩子的流體力學(xué)，做湍流研究，湍流研究沒有分析解，所以我做了一輩子的數(shù)值解。我做high-performance computing，各種各樣的解法和發(fā)展方法，turbulence modelling，molecular dynamics, 涉及流體力學(xué)所有的方法我都碰過(guò)。我現(xiàn)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(shuō)鯤鵬有很多很好用的庫(kù)，讓這些工業(yè)軟件匹配、鑲嵌到我們國(guó)家自主研發(fā)的基礎(chǔ)軟硬件平臺(tái)上，所以我今天是抱著一種學(xué)習(xí)的態(tài)度，來(lái)跟大家介紹分享一下我最近的一些研究。
工業(yè)軟件是服務(wù)企業(yè)“規(guī)劃、研究、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)”全流程的產(chǎn)品，幾乎腰部以上的企業(yè)，很少不用工業(yè)軟件。工業(yè)軟件主要有四塊，研發(fā)設(shè)計(jì)類的有CAD、CAE、PLM、PDM;另一類是信息管理類的，像ERP;還有生產(chǎn)控制類和嵌入式的，我現(xiàn)在主要是關(guān)心的是研發(fā)設(shè)計(jì)類的。我覺得，研發(fā)設(shè)計(jì)類的是最有希望運(yùn)用到鯤鵬，最有希望運(yùn)用到shift-computing的。
工業(yè)仿真軟件屬于研發(fā)設(shè)計(jì)類的工業(yè)軟件，在產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行建模及性能仿真分析。工業(yè)制造流程中，第一步就是三維設(shè)計(jì)建模。比如說(shuō)造飛機(jī)，就要先把飛機(jī)的形狀給digitize。然后做物理模型，判斷邊界條件，像流體力學(xué)的不可壓縮等等，還有一個(gè)很重要的步驟是把網(wǎng)格建立起來(lái)，建立好數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模型。然后就是數(shù)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(shù)值求解這一塊。得到結(jié)果以后，還要做后處理分析，根據(jù)物理方程、定律進(jìn)行解釋，并回饋于工業(yè)設(shè)計(jì)中。以上就是基于工業(yè)軟件的產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程。
工業(yè)軟件仿真的應(yīng)用價(jià)值是不得了的，比如說(shuō)飛機(jī)的制造，它先做計(jì)算機(jī)模擬，后做很少的試驗(yàn)，所以說(shuō)很多時(shí)間都是花在用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)行為，結(jié)構(gòu)行為，阻力，升力，扭矩等等。最重要的是，仿真軟件可以代替實(shí)驗(yàn)，我聽說(shuō)汽車行業(yè)做油泥，油泥要做幾個(gè)月，而真正的計(jì)算，大概就一兩天，而如果利用人工智能，我們有望將時(shí)間縮短到幾個(gè)小時(shí)。AI+CAE，這是今后發(fā)展的方向。當(dāng)然，通過(guò)數(shù)值優(yōu)化與設(shè)計(jì)，還可以做到增效減材、提升產(chǎn)品的性能、技術(shù)水平及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等等。
工業(yè)軟件在當(dāng)今中國(guó)市場(chǎng)來(lái)看，每年的增長(zhǎng)在20%上下。有人說(shuō)，工業(yè)軟件是零和游戲，我不這么覺得，我覺得中國(guó)工業(yè)軟件可以去比肩美國(guó)、西方的工業(yè)軟件，甚至更好。但是我們看國(guó)內(nèi)工業(yè)軟件市場(chǎng)前十大供應(yīng)商，在CAE板塊，一個(gè)國(guó)內(nèi)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(guó)的“卡脖子”問題。
而這一點(diǎn)，我們的習(xí)總書記已經(jīng)非常具有先驗(yàn)性地認(rèn)識(shí)到了。在2021年的院士大會(huì)，習(xí)總書記做出重要講話，點(diǎn)出了七個(gè)我們現(xiàn)在面臨的“卡脖子”問題。當(dāng)然，科技部和工信部都做了很好的安排。
工業(yè)軟件在各行各業(yè)都有著非常廣泛的應(yīng)用，我舉幾個(gè)例子，像飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶、汽車，汽車是工業(yè)軟件用的最廣的領(lǐng)域，還有海上雙碳技術(shù)，包括自然災(zāi)害、污染擴(kuò)散等問題的處理。這么來(lái)看，工業(yè)軟件對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(duì)流體力學(xué)來(lái)說(shuō)，湍流問題為什么這么難?因?yàn)樗?jì)算量極其大。飛機(jī)在飛行的過(guò)程中，在靠近機(jī)體與空氣相交的地方，算的準(zhǔn)不準(zhǔn)，決定了飛機(jī)的阻力、升力。這個(gè)過(guò)程的計(jì)算量非常非常大，所以直接數(shù)值模擬很難，所以大家發(fā)展了像RANS，HYBRID RANS/LES，Wall-resolved LES等等的模型。我們?cè)?012年，在國(guó)際上首先提出了變分法來(lái)解決難點(diǎn)問題，所以說(shuō)這里面的理論和計(jì)算都非常復(fù)雜。原則上講，空氣動(dòng)力學(xué)，流體力學(xué)核心問題就是湍流問題。
大家看一下我們中國(guó)C919的模擬和汽車涉水的模擬。從這個(gè)角度上來(lái)講，我們國(guó)家的工業(yè)軟件跟世界著名的軟件Ansys、達(dá)索、西門子可以比一比，流體力學(xué)軟件，比如我們廣東的“鑄魂”計(jì)劃，實(shí)際上都在做這些事情。我覺得，我國(guó)的工業(yè)軟件，5年可以跟國(guó)際比，10年可以跟國(guó)際頂級(jí)軟件同臺(tái)競(jìng)技。我們歡迎鯤鵬的開發(fā)者們來(lái)跟我們合作，把我們的軟件放在鯤鵬的服務(wù)器上，試試看用一用它的庫(kù)。
我們現(xiàn)在做的比較多的，是嘗試把工業(yè)軟件和數(shù)字孿生結(jié)合起來(lái)。大家都知道，現(xiàn)在國(guó)家提倡數(shù)字經(jīng)濟(jì)，很多省今年的第一號(hào)文件就是講數(shù)字經(jīng)濟(jì)，講數(shù)字孿生。數(shù)字孿生有三大塊，數(shù)字采集，算法，軟件。第一代的數(shù)字孿生，把數(shù)據(jù)采集了之后輸入到屏幕并顯示出來(lái)，這種數(shù)字孿生缺乏預(yù)測(cè)能力。而真正對(duì)智慧城市，數(shù)字孿生有用的，是將數(shù)字經(jīng)濟(jì)與工業(yè)軟件的可預(yù)測(cè)性結(jié)合起來(lái)，這就需要AI+CAE。能用AI的就用AI，我們最近發(fā)現(xiàn)，一些簡(jiǎn)單的流體力學(xué)問題，利用AI解決可以節(jié)省10的3次方級(jí)的計(jì)算空間。所以我覺得下一個(gè)版本的數(shù)字經(jīng)濟(jì)應(yīng)該是AI和CAE的結(jié)合。比方說(shuō)，福島海嘯來(lái)臨時(shí)，面對(duì)核輻射威脅的前提下，整個(gè)城市應(yīng)該怎么樣規(guī)劃疏散方案?這時(shí)，我們就可以通過(guò)深度學(xué)習(xí)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(shù)字孿生城市需要有預(yù)測(cè)性，也就需要AI+CAE。
關(guān)于仿真云平臺(tái)的應(yīng)用，我想講兩點(diǎn)，一是超算在其中的重要性，它提供了很強(qiáng)大的data storage能力;二是云平臺(tái)，云平臺(tái)是把工業(yè)軟件從ToB轉(zhuǎn)向ToC的鑰匙。像CAE這樣的工業(yè)軟件目前主要是ToB，我覺得隨著云平臺(tái)的發(fā)展，是完全可以加入ToC的。我們?cè)谶@一方面也做了很多的嘗試，比如風(fēng)資源評(píng)估。風(fēng)場(chǎng)的建立，需要對(duì)整個(gè)地形，整個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)同化。這是我們真正講AI、同化數(shù)據(jù)和GIS加上CAE進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)機(jī)感，對(duì)風(fēng)場(chǎng)布置，包括我們現(xiàn)在計(jì)劃開展的海上風(fēng)能項(xiàng)目，這可能是真正解決生態(tài)問題的核心。
最后強(qiáng)調(diào)一下我的這個(gè)想法，就是我們國(guó)家的數(shù)字經(jīng)濟(jì)，應(yīng)該是AI+數(shù)字孿生+CAE。我覺得這是工業(yè)軟件在傳統(tǒng)的工業(yè)制造領(lǐng)域以外，相當(dāng)重要的一個(gè)新板塊——跟數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)據(jù)采集和AI在同一個(gè)體系下協(xié)調(diào)發(fā)展。發(fā)展自主工業(yè)仿真軟件道路很長(zhǎng)，我們需要市場(chǎng)，需要人才。廣東非常的好，開放了工業(yè)軟件市場(chǎng)，已經(jīng)有很多企業(yè)也都參與進(jìn)來(lái)。以前沒有西方對(duì)我們的技術(shù)壟斷，我們自己的工業(yè)軟件很難得到發(fā)展，所以我覺得現(xiàn)在對(duì)于發(fā)展自主品牌的工業(yè)軟件來(lái)說(shuō)是天時(shí)地利人和。
我自己呢，在2020年卸任南科大校長(zhǎng)后，出來(lái)整合創(chuàng)辦了一家公司叫十灃科技。在我以前當(dāng)教授的時(shí)候，很可惜沒有對(duì)工業(yè)軟件給予足夠的關(guān)注，而當(dāng)我真正出來(lái)了以后，關(guān)心應(yīng)用的時(shí)候，才發(fā)現(xiàn)工業(yè)軟件離我們的社會(huì)生產(chǎn)和運(yùn)作最近，最密切，最重要。所以在過(guò)去的一年半之間，我們企業(yè)發(fā)展了200-300人，做各種工業(yè)軟件，現(xiàn)在已經(jīng)推出了13款相對(duì)成熟的工業(yè)軟件，有流體的，結(jié)構(gòu)材料的，電磁場(chǎng)的，傳熱傳質(zhì)的，光學(xué)、聲學(xué)的。我們?cè)诟鞔蠊I(yè)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(lián)系。我們的想法就是把技術(shù)研究中好的東西放到軟件應(yīng)用中來(lái)。所以我們跟南科大很多教授在AI結(jié)合上開展了大量工作。
我特別喜歡華為的一句標(biāo)語(yǔ)：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(yè)軟件”，謝謝各位!
(中國(guó)科學(xué)院院士 陳十一)
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