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導(dǎo)讀：2023年10月28日，由中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)主辦的2023國家工業(yè)軟件大會(huì)在浙江湖州盛大開幕。大會(huì)以“工業(yè)軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國內(nèi)外院士，1500余位代表，共同探討工業(yè)軟件領(lǐng)域前沿理論和技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用問題，共同謀劃我國工業(yè)軟件未來發(fā)展之道。
杭州百子尖科技股份有限公司葛銘董事長受邀在2023國家工業(yè)軟件大會(huì)中作題為“流程工業(yè)模擬仿真軟件的現(xiàn)狀和展望”的專題報(bào)告。主要介紹了流程工業(yè)模擬仿真軟件在現(xiàn)代工程與制造領(lǐng)域的現(xiàn)狀，及其未來發(fā)展趨勢。流程模擬軟件不僅僅是工程師和科學(xué)家研究和解決問題的強(qiáng)大工具，也是制造業(yè)在追求效率、質(zhì)量和可持續(xù)性方面的關(guān)鍵伙伴?；趯τ诂F(xiàn)代工業(yè)過程的深入理解、利用先進(jìn)的科學(xué)計(jì)算技術(shù)和方法、以及多模式的建模方法，流程模擬軟件使企業(yè)能夠深入了解、準(zhǔn)確模擬、有效優(yōu)化和持續(xù)改進(jìn)復(fù)雜的工業(yè)流程。
流程工業(yè)模擬仿真軟件的現(xiàn)狀和展望
流程行業(yè)和離散行業(yè)并非完全互斥的兩大范疇。事實(shí)上，許多行業(yè)并不能簡單地被劃分為純粹的離散或流程行業(yè)，而是傾向于其中一種特性。例如，石油化工、造紙、水泥、有色金屬等行業(yè)更強(qiáng)調(diào)其流程性特征；相反，電子行業(yè)、汽車等行業(yè)則更傾向于離散性特征。
一、流程行業(yè)介紹
中國作為制造大國，在諸如石化、核能和化工等流程行業(yè)占據(jù)著領(lǐng)先地位，在流程行業(yè)中，模擬仿真技術(shù)占據(jù)著非常重要的位置，如圖1所示。無論是設(shè)計(jì)和改進(jìn)工藝裝置的性能、提升業(yè)務(wù)敏捷性，還是提高員工技能，模擬仿真軟件在各個(gè)階段都發(fā)揮著關(guān)鍵作用，貫穿于從概念設(shè)計(jì)到最終運(yùn)營的整個(gè)生命周期。
圖1 流程模擬軟件發(fā)揮的作用
在模擬仿真領(lǐng)域，需要考慮其功能在何處發(fā)揮作用。目前市場上影響較大的產(chǎn)品一般涵蓋六大模塊，包括動(dòng)態(tài)模擬和熱交換設(shè)計(jì)等，功能涵蓋范圍非常廣泛。但是基于流程工業(yè)的多樣化，其涉及的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是某個(gè)單一軟件產(chǎn)品能解決的。這突顯了模擬仿真領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用范圍，也凸顯了其挑戰(zhàn)性。
二、流程模擬軟件現(xiàn)狀介紹
流程模擬仿真本質(zhì)上是利用計(jì)算機(jī)等各種手段來模擬現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體。然而，由于仿真對象的不同，導(dǎo)致仿真模擬的難度和復(fù)雜度大相徑庭?；仡櫄v史，如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)大約在1960年左右，國內(nèi)外均開始涉足這個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)最早的軟件之一是CHESS，同時(shí)蘭州石化在流程模擬仿真方面也開始了相關(guān)研究，可以看到在世界范圍內(nèi)涌現(xiàn)出了一批相當(dāng)出色的工業(yè)軟件。
回顧國內(nèi)的發(fā)展路徑可以看到，上世紀(jì)90年代有一款名為“化工之星”的備受矚目的軟件，但遺憾的是，在2001年前后，國外工業(yè)軟件取得了巨大進(jìn)步。相比之下，國內(nèi)發(fā)展速度相對較慢，這并非僅僅是模擬仿真軟件本身的問題，也是大部分國產(chǎn)軟件所共同面臨的挑戰(zhàn)。
鼓舞人心的是，在2010年左右，許多同行開始關(guān)注仿真模擬軟件，并不斷推陳出新，近十年來，國產(chǎn)軟件在該領(lǐng)域取得了顯著發(fā)展，雖然在某些方面與國際軟件仍有差距，但總體來說，這種差距已不十分明顯。
圖2 流程模擬軟件的發(fā)展歷程
根據(jù)數(shù)據(jù)與理論的透明度，可將目前流程工藝模擬的主流技術(shù)分為三種類型。最早進(jìn)行模擬仿真的肯定是從機(jī)理出發(fā)的，包括現(xiàn)今主流的仿真模擬軟件，在底層依然以機(jī)理模型為主。然而，人工智能的迅速發(fā)展，為這一行業(yè)注入了新的元素。目前，幾乎所有成熟的流程模擬軟件，仍以機(jī)理模型為核心驅(qū)動(dòng)因素，并疊加數(shù)據(jù)、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。因此，目前采用的方式可能多為灰盒模式，介于白盒和黑盒之間，將數(shù)據(jù)和機(jī)理良好融合。
在流程模擬仿真領(lǐng)域，核心技術(shù)涵蓋熱力學(xué)、高效計(jì)算引擎和設(shè)備機(jī)理建模，如圖3所示。其中，設(shè)備機(jī)理建模對于深入理解研究對象至關(guān)重要。在仿真過程中，僅依賴數(shù)據(jù)會(huì)帶來不少問題，因此深入把握所描述對象的性質(zhì)至關(guān)重要，這有助于解決諸多關(guān)鍵性問題，符合仿真的實(shí)際目標(biāo)。中間的計(jì)算引擎也是以前國產(chǎn)軟件中遇到的一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰咝幚碓S多高度非線性的對象。如何有效地使用求解器來處理這些非線性對象是一個(gè)重大難題。除了熱力學(xué)之外，這牽涉到很多流程模擬中的核心問題。
圖3 流程模擬的核心技術(shù)
目前，在流程模擬仿真領(lǐng)域，國外的軟件公司不斷進(jìn)行融合和并購，并為我們提供了許多學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。某主流工業(yè)軟件企業(yè)自2006年以來就開始了多次整合與收購，展現(xiàn)了他們在這個(gè)領(lǐng)域的深厚實(shí)力。從國內(nèi)軟件發(fā)展的歷程來看，我們可能會(huì)沿著類似的道路前行，通過吸收技術(shù)、進(jìn)行創(chuàng)新甚至原創(chuàng)來不斷發(fā)展壯大。目前國內(nèi)在模擬仿真軟件領(lǐng)域真正有廣泛應(yīng)用的公司并不多見。值得欣慰的是，在過去的兩年中，尤其是最近三年，許多新興公司正在積極參與到這個(gè)行業(yè)中。過去，許多優(yōu)秀的人才更傾向于投身互聯(lián)網(wǎng)或其他非傳統(tǒng)行業(yè)，近年來，隨著全球形勢的變化以及國家對科技投入的增加，越來越多優(yōu)秀人才涌入這一領(lǐng)域，這對于整個(gè)行業(yè)來說是個(gè)極好的發(fā)展趨勢。
三、流程模擬軟件發(fā)展趨勢
在過去，仿真領(lǐng)域主要依賴于機(jī)理建模，需對所建模對象進(jìn)行深入理解，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。然而，近五到八年時(shí)間里，人工智能的再次崛起對仿真領(lǐng)域帶來了顯著推動(dòng)。人工智能是否能完全替代機(jī)理建模，這是個(gè)值得探索的問題。無論是深度學(xué)習(xí)還是其他形式的人工智能，都將對流程模擬領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響，如圖4所示。因此，在流程行業(yè)中，隨著數(shù)據(jù)量不斷增長，如何有效利用這些數(shù)據(jù)，尤其是結(jié)合人工智能相關(guān)技術(shù)，將成該領(lǐng)域發(fā)展的強(qiáng)有力的推動(dòng)力。
圖4 人工智能技術(shù)
在概念性的機(jī)理建模與數(shù)據(jù)建模融合方面，尤其是與解析表達(dá)式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)之間，需要進(jìn)行大量的探索和工作。在實(shí)際應(yīng)用中，我們已經(jīng)開始采用結(jié)合機(jī)理建模和數(shù)據(jù)建模的方法來解決復(fù)雜對象的問題。我們已經(jīng)在實(shí)踐中運(yùn)用了這些方法，并取得了顯著的成效。目前關(guān)注的焦點(diǎn)是如何將這些成功的經(jīng)驗(yàn)推廣應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。在這個(gè)過程中，融合是非常重要的。雖然使用數(shù)據(jù)來模擬事物理論上是可行的，但實(shí)際上，數(shù)據(jù)往往受限于算法能力和數(shù)據(jù)的充分性。
目前存在豐富的相關(guān)文獻(xiàn)介紹了相當(dāng)多的應(yīng)用案例，這些案例在數(shù)據(jù)方面積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)，這促使它們對工業(yè)界進(jìn)行更深入的探索。特別是一些大型企業(yè)，在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域擁有廣泛的經(jīng)驗(yàn)，且擁有眾多優(yōu)秀的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，如今對傳統(tǒng)行業(yè)產(chǎn)生了濃厚興趣。這種跨界交流與碰撞對我們非常有益，因?yàn)閬碜云渌I(lǐng)域的視角可能會(huì)帶來全新觀點(diǎn)。
近年來，仿真的概念在大眾中的認(rèn)知度有了顯著提升。這主要?dú)w因于數(shù)字孿生的興起，人們開始對仿真有了更多的了解和關(guān)注。數(shù)字孿生的核心在于模型，無論是數(shù)據(jù)模型、知識(shí)模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€是機(jī)理模型，本質(zhì)上都是模型。然而，與傳統(tǒng)仿真不同的是，傳統(tǒng)仿真大多是離線的，是根據(jù)實(shí)際對象采用各種方法構(gòu)建仿真模型，如圖5所示。而數(shù)字孿生中的數(shù)據(jù)往往是雙向的，它主要是從真實(shí)物體中收集相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過各種手段建立逼真度高的模型以反映該物體。
圖5 數(shù)字孿生技術(shù)
數(shù)字孿生的興起引領(lǐng)了新的趨勢，強(qiáng)調(diào)了生態(tài)系統(tǒng)和互動(dòng)性，同時(shí)也帶來了許多新問題。其中如何將物理空間與信息空間融合，特別是整合物理模型與虛擬模型以提供更好的應(yīng)用是關(guān)鍵之一。數(shù)字孿生追求實(shí)時(shí)在線反饋，與傳統(tǒng)的離線仿真不同，這引發(fā)了對模型逼真度和魯棒性的更高要求，尤其在實(shí)際對象與仿真對象同時(shí)運(yùn)行時(shí)。此外，數(shù)字孿生也需要更高的實(shí)時(shí)性，相較于傳統(tǒng)仿真會(huì)耗費(fèi)更多算力。雖然目前成功的數(shù)字孿生案例較多來自離散行業(yè)，但這并不妨礙其在其他行業(yè)的應(yīng)用。在石油化工等流程行業(yè)，數(shù)字孿生的應(yīng)用正在探索，并通過國家基金項(xiàng)目提供的平臺(tái)，為該領(lǐng)域帶來新的思考和實(shí)踐機(jī)會(huì)。
當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)集中在技術(shù)方面，特別是國產(chǎn)化和自主化方面，如圖6所示。過去十到二十年，國產(chǎn)自主的仿真模擬軟件公司并不多見，部分原因在于用戶習(xí)慣和版權(quán)方面的問題，基于成本的原因，許多客戶更傾向于繼續(xù)使用未經(jīng)授權(quán)的工業(yè)軟件，而不太考慮收費(fèi)的國內(nèi)軟件，對國內(nèi)軟件公司的發(fā)展造成了一定影響。然而，近些年來，這些情況有了很大的改變。一方面企業(yè)用戶對于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)意識(shí)越來越強(qiáng)，另一方面，國產(chǎn)模擬仿真軟件的成熟度和可用性在很多方面已經(jīng)可以與國外的軟件相媲美。盡管工業(yè)軟件百分之百國產(chǎn)化仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，但與其他領(lǐng)域相比，流程模擬軟件的工業(yè)化和國產(chǎn)化有許多關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)被掌握。同時(shí)，勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)型也是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。隨著人口紅利的消失，我們面臨著維持和提升員工技能的新問題。如何利用仿真模擬軟件，使現(xiàn)有勞動(dòng)力不斷提升認(rèn)知和學(xué)習(xí)能力，這是未來需要解決的問題，也是我們的使命。
圖6 未來挑戰(zhàn)
四、百子尖
百子尖作為一家多元化跨國企業(yè)，目前已經(jīng)在全球設(shè)立多個(gè)分支機(jī)構(gòu)，涉及模擬仿真與可視計(jì)算相關(guān)領(lǐng)域，并且在模擬仿真行業(yè)擁有多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。通過積極與同行、客戶及上下游合作伙伴合作，未來百子尖將推出更多創(chuàng)新的產(chǎn)品。此外，公司擁有全球化的交付能力，如圖7所示。隨著越來越多的制造企業(yè)選擇向國外擴(kuò)張，百子尖也將抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，不斷夯實(shí)其國際化的發(fā)展步伐。
圖7 全球交付能力
*本文根據(jù)作者在2023國家工業(yè)軟件大會(huì)上所作報(bào)告速記整理而成
