陳立平 工業技術軟體化產業聯盟

本文分享自《2018工業網際網路APP優秀解決方案精選集》

研發設計類工業軟體是工業軟體中的CROWN，是產品研製能力和效率提升的關鍵所在，也是當前中國工業軟體的短板和瓶頸。工業APP是工業軟體在工業網際網路環境下的新形態，其發展無法迴避工業軟體本身的核心關鍵技術問題。本文擬從CAD軟體底層核心支撐之一——幾何約束引擎談談工業軟體關鍵技術的發展。

一、幾何約束求解引擎的應用場景與發展需求

幾何約束求解引擎是公認的CAD引數化設計的關鍵核心技術，是CAD的關鍵基礎元件，技術難度大，可靠性要求極高，目前被國外壟斷。

20世紀90年代至2006年，英國劍橋大學Owen教授創辦D-Cubed公司開發約束求解器DCM，長期佔據求解器70%市場。DCM市場並不大，截至2018年銷售額不過3000萬美元，但其在產業發展中屬於“卡脖子”工程。為了在競爭中保持優勢地位，西門子公司於2006年全資收購了D-Cubed，引發業內震動，許多著名CAD廠商如Autodesk公司為了不受制於人，紛紛宣佈自行開發幾何約束求解器，以確保技術安全。幾何約束求解器的重要性由此可見一斑。

幾何約束求解引擎，廣泛應用在草圖輪廓表達、零件建模引數表達、裝配約束以及碰撞檢查等場景中，為快速確定設計意圖表達、檢查干涉、模擬運動提供了強有力的支援，可幫助終端使用者提高生產效率。在計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助製造（CAM）、計算機輔助工程（CAE）以及建築、工程和施工（Architecture, Engineering & Construction，AEC）等應用領域，約束求解引擎都是最基礎的核心元件。

例如，CAD領域的2D草圖繪製、偏移輪廓操作、裝配約束、引數佈線和3D零件形狀修改、碰撞/間隙計算、運動模擬、高品質的工程圖紙和技術插圖等場景；CAM領域的模具裝配約束、2D刀具路徑生成、CAM碰撞和間隙計算等場景；CAE領域需要的引數化3D零件和裝配體修改；AEC領域的引數化樓層平面圖的2D草圖、引數化元件和管道/電纜網路配置、AEC專案干涉分析、高品質AEC圖紙（HLM）等場景，都需要約束求解器支援。

當前，企業為應對定製化的需求，對基礎元件的約束求解引擎的需求量越來越大，開發中國產自主的約束求解引擎不僅可以為中國產CAD提供價效比高的解決方案，更可精準地響應國內的需求，助力企業創新。

二、約束求解技術的發展

1. 幾何約束求解引擎的發展自1960年初MIT的Sutherland提出CAD的概念後，隨著計算機技術的飛速發展，作為替代手工繪圖的計算機輔助繪圖技術，CAD伴隨著汽車、航天和航空行業的發展而迅速成長，廣泛應用於機械、電子、輕紡產品、建築、管道鋪設等領域，並延伸到藝術、電影、動畫、廣告和娛樂等領域，產生了巨大的經濟及社會效益。CAD技術在機械製造行業的應用最早，也最為廣泛，採用CAD技術進行產品設計，不但可以使設計人員“甩掉圖板”，更重要的是為設計人員在設計階段提供一種更柔性、更智慧化的設計方法，然而傳統的CAD技術並不能夠做到這一點。從人工智慧的角度來看，設計問題本質上是一個約束滿足問題（Constraint Satisfaction Problem，CSP），即給定功能、結構、材料及製造等方面的約束描述，求得滿足設計要求的設計物件的細節。設計過程是一個迴圈反覆、不斷漸進的過程，在傳統CAD系統的設計環境中，幾乎所有的設計問題都是由人類設計者解出的，而系統只是接受問題的解，CAD系統提供的更多是一種虛擬的視覺化效果。基於約束的新一代CAD哲理來源於當代設計理論、方法和模型研究的最新成果，始於Sutherland提出的第一個基於約束的互動式設計系統Sketchpad，這也是日後基於約束滿足的CAD方法的先驅。20世紀70年代末至80年代初，MIT的V.C.Lin、D.C.Gossard和R.A.Light提出了基於變數和數值求解的CAD系統。1988年，美國引數技術公司PTC首先推出引數化CAD系統Pro Engineer，這是一次重要的技術革命，使得引數化技術成為CAD業界的標準。由於引數化設計的某些限制，美國SDRC公司又開發出了VGX技術。VGX是Variational Geometry Extended（超變數化幾何）的縮寫，是變數化技術發展的一個里程碑。它的思想最早體現在SDRC公司的軟體產品I-DEAS第一版的變數化構圖中。VGX技術為CAD軟體帶來了空前的易用性，設計人員可以非常直觀地、實時地進行產品三維幾何模型的操作和修改，而且只需在一個主模型中就可以動態地捕捉設計、分析和製造的意圖並一氣呵成地進行操作。VGX技術極大地改進了互動操作的直觀性及可靠性，從而使CAD軟體更加易於使用，富有效率。引數化和變數化設計的CAD系統的核心技術是幾何約束的管理和求解技術，很多研究機構和大學對此進行了大量的研究。目前世界上最為成功的商用幾何約束求解器當屬D-Cubed公司（2006年被UGS收購，UGS現已歸屬德國西門子公司）的DCM。位於英國劍橋的D-Cubed公司是一家專門從事約束求解系統軟體開發的公司，其於1990年推出其二維約束求解核心模組2D-DCM，1994年推出三維約束求解模組3D- DCM。DCM基於Owen教授的圖構造方法，他直接參與了DCM的開發。國際上許多知名的CAD系統開發商在獨立開發約束求解器失敗後，都轉而採用DCM作為其幾何約束求解核心，比如Dassault Systemes、Unigraphics、SolidWorks、CATIA、Pro/Engineer、AutoCAD的二維圖形設計、三維裝配、三維草圖和機構模擬（其中AutoCAD所屬的Autodesk公司在2006年D-Cubed被收購前使用DCM，收購後為避免受制於人，開始自行開發）。CAD幾何建模技術自20世紀60年代以來已發展近60年，取得了輝煌成就，被評為20世紀十大工程技術創新。經過幾十年市場競爭演化，CAD技術與產品已形成壟斷。自2000年以來，德國西門子公司和法國航空巨頭達索公司開展了大規模併購，打造全生命週期工業軟體體系，進一步鞏固強化其技術和市場優勢。在CAD技術產品發展過程中形成的關鍵“卡脖子”中介軟體也分別被西門子、達索收購，西門子掌控了幾何引擎ParaSolid、幾何約束求解引擎DCM，達索則收購了幾何引擎ACIS和多領域約束融合技術公司Dymola，實現了幾何建模與功能建模的融合，在多領域融合引擎技術上佔得先機，並推出了CATIA V6 3DE。特別需要指出的是，AutoDesk公司為了自身技術安全，1998年以原始碼方式購買了ACIS技術，獨立發展幾何引擎，打造了ObjectARX架構體系。在西門子公司收購DCM後，AutoDesk在新一代雲CAD開發中，拋棄了DCM，自行開發幾何約束引擎VCS。同樣為了技術安全及不受制於西門子公司，達索公司在幾何約束引擎方面採用了俄羅斯LEDAS公司開發的幾何約束求解引擎LGS。LGS（2D 3D）元件包括二維（LGS 2D）和三維（LGS 3D）約束求解器，第一個版本的研發時間為2001年，該元件採用C++編寫，演算法採用高度優化的非線性求解器（Highly Optimized In-houseNon-linear Solver）、幾何分解方法以及啟發式方法。LGS在約束求解方面被認為是僅次於D-Cubed的幾何約束求解引擎，主要客戶物件包括Cimatron（現屬 3D Systems）、CD-adapco（現屬Siemens PLM Software）、ASCON、Dassault、ODA等。LEDAS為Dassault提供了12年的約束求解技術支援，並將約束求解器整合在CATIA V5中。綜上所述，約束求解引擎是系關CAD產品和產業技術安全的關鍵技術。2. CPS技術推動約束求解從幾何空間走向狀態空間（1）資訊物理融合（CPS）對傳統的工業軟體技術及體系帶來挑戰2000年以來，資訊科技以爆炸的方式改變、推動人類文明的發展，人類已進入資訊高度發展的後工業化社會。2006年前後，國際上以美國加州大學伯克利分校控制系著名教授Edward A. Lee為代表的學者提出建立“聯合動力學”（Joint Dynamics），以解釋資訊高度發展的後工業化社會的動力學機理，並提出了資訊物理融合系統（CPS）概念，認為CPS是未來智慧的工業和社會的根本技術特徵。為應對以CPS為特徵的複雜產品系統的挑戰，必須開展相關基礎理論方法研究和技術創新。（2）以多領域約束融合為基礎創新的、基於模型的系統工程是技術發展趨勢多學科複雜產品研發技術創新一直是國際上的研究熱點。1997年，鑑於IC領域硬體描述語言在支撐IC複雜系統產品開發方面取得的巨大成功，歐盟在“下一代多電飛機”研究專案中提出研究、設計工業領域普適的多領域物理統一建模語言Modelica，為歐洲工業的智慧協同提供模型標準。2006年6月，國際產品全生命軟體巨頭法國達索公司認定“Modelica是未來工業知識的表達標準”。2006年，歐盟為推動Modelica技術體系研究和應用，啟動了歐洲系統模型庫專案EUROSYSLIB（見圖1）。2011年，美國國防部先進研究專案局公佈了“自適應運載器MAKE”計劃，提出統一模型標準（包括Modelica），採用基於模型的系統工程方法，在一個技術體系下快速研發、部署海陸空天運載器，效率提高5倍，實現了“構造即正確”。2013年4月釋出的德國工業4.0認為軟體是工業的未來，未來的工業軟體應基於模型的理論、方法和工具自動產生，建立全系統模型必須建立跨領域的模型標準，Modelica是工業領域重要的模型表達與互聯標準。圖1 歐洲基於模型規範的生態創新總之，在數字化設計領域，約束求解技術已從面向幾何建模的靜態幾何約束求解（代數方程系統）邁向面向功能建模的廣泛聯合動力學系統求解（微分-代數方程系統），實現多領域約束融合方向的發展。3. 技術水平差距及存在的問題中國無論是高校研究機構還是一些中國產CAD廠商，都曾經在三維CAD平臺領域做過一些研究和探索，但主要是應用國外ACIS核心。國內清華大學、北京航空航天大學、浙江大學、華中科技大學等高校在20世紀80年代到90年代末開展了幾何約束引擎研究，培養了一批技術人才，取得了一批成果，在當時處於起步階段的中國產CAD軟體中得到了應用。從自主角度而言，要實現支援持續創新的機制需要有自主的技術，有查錯能力和修改能力，因此如果侷限於使用國際市場上所謂成熟的元件，則有受制於國外技術限制的風險，無法保障產品創新與技術引領。中國CAD技術研究起步於高校，力量分散、技術積累少、持續性不夠，而且以研究為主，缺乏產業化的機制，工程化、產品化內在動力不足。中國的基礎研究在取得一定成績的同時，也面臨著比較大的風險，主要體現在以下幾方面。（1）缺少核心技術，產業生態發展沒有根基在國外CAD產品近乎壟斷的環境下，國內CAD產業發展受限，導致為數不多的技術團隊和技術成果難有應用迭代發展的機會，堅持者寥寥。幾何約束求解器作為關鍵中介軟體產品，技術難度大、人才要求高、研發週期長，直接市場相對小，以目前的情況國內CAD公司獨立研製投入產出比不高，風險大。因為沒有中國自主智慧財產權的幾何核心（幾何引擎、幾何約束求解引擎），所以中國的工業設計軟體都是基於國外的幾何核心，這樣實質上不可能造出高品質的產品，中國必須在工業設計軟體的幾何核心領域造出自己的“太行”發動機。（2）中國產工業設計軟體缺少行業標準和行業品牌行業標準和行業品牌的缺少是阻礙中國製造業產業升級的主要原因之一。以三維CAD/CAM技術應用最成熟、依賴性也最強的國防軍工產業為例，其所採用的標準和使用的軟體如表1所示。表1 國防軍工行業設計標準

行業

標準

依託軟體

航空航天

航空產品數字化設計與製造系列標準（DS）

法國達索CATIA

航空行業標準（HB）

德國西門子NX

兵器工業

兵器產品三維建模基本規定

美國PTC Pro/E

注：本表內容引自《三維CAD應用技術規範》。

可以看到，即使在對標準自主可控性要求最高的國防軍工行業，依然主要採用國外標準，應用的也是國外的品牌軟體，這為中國國防資訊化建設帶來了嚴重的資訊隱患。

在民用製造領域，企業用的、學校教的、市場上看到的也都是以國外品牌軟體為主，鮮有中國自主品牌得到認可，這嚴重阻礙了中國工業設計軟體產業的發展。

看到以上的資料和事實，就能充分認識到，發展完全自主智慧財產權的高階三維工業設計軟體，實現工業設計與製造平臺軟體的技術突破和產業化成功，已經迫在眉睫。

（3）大型專案、大型企業缺少工業設計軟體創新研發的技術支援

中國大型專案、大型企業以前主要以型號實現為目標，各類軟體以採購現有國外商業軟體為主，輔以各類軟體的二次開發或整合開發，對於自主創新工業軟體的支援有限。中國三維CAD/CAM產業多年的實踐證明，從依賴國外核心或整套平臺技術轉變為能夠完全自主開發之路非常困難，結果很可能是完全依賴國外上游核心技術，代價是沉重的。這些代價也反覆證明，完全停留在中下游層次上的技術摸索學習無助於根本技術能力的成長，最後只能導致技術依賴，而永遠不可能實現“再創新”。

（4）國內三維CAD需要加快自主創新

國內大中型企業偏向於三維CAD功能全面的國外品牌，一方面這些型別的軟體在未來應用過程中具有較強的可擴充套件性，能夠很好地應對產品研發不斷變化的需求；另一方面，以CATIA、NX、Creo為首的這類軟體，基本上都與自身的PLM系統有很好的整合性，能夠滿足大中型企業對於系統整合方面的需求，所以它們的選擇主要集中在這些三維CAD系統。而中國產軟體主要還是應用在那些以二維CAD應用為主，三維CAD應用為輔的中小型企業中，這類企業對於三維CAD的需求目前還不是太明顯，整體研發能力不強，即使應用也是偏向於Solidworks這種易學易用、功能較全面、價效比較高的CAD軟體，其能很好地滿足企業的研發設計業務需求。為了滿足大中型企業的需求，國內三維CAD廠商還需要加快自主創新。

三、約束求解技術發展建議

通過上述國際國內技術發展簡要回顧，我們可以得出以下結論。

① 設計從本質上是約束滿足問題（見圖2），也是人工智慧的基本命題，約束求解器必定是基礎核心技術，需要長期持續研發迭代。CAD需要幾何約束求解器，在代數領域解決幾何約束求解問題；功能和效能樣機模擬需要機理模型求解器，在微分和代數領域解決恰定方程系統求解問題；工業智慧需要解決更廣泛環境下的約束滿足求解問題。不同物件或場景下的約束求解問題具有關鍵共性和承繼性。

② 設計活動包括兩個空間，幾何空間和狀態空間，約束問題是兩個空間設計活動的共性問題。幾何空間需要解決欠定、恰定和超定條件下的大規模代數方程高效求解問題；狀態空間需要解決大規模連續-離散混合、微分-代數耦合恰定方程系統高效求解問題。幾何空間大規模代數方程高效求解技術是狀態空間問題求解的基礎關鍵技術。

③ 國內在幾何約束求解方面有基礎，需要結合國內CAD產業發展需要，在應用迭代中提高產品化水平，實現可替代。華中科技大學早在1990年代至2000年代基於AutoCAD推出幾何約束求解引擎，至今仍有客戶在使用。需要聯合國內CAD產業，針對共同需求，研製商品化幾何約束求解引擎，並在實際工業應用中持續迭代完善。

④ 在多領域約束融合方面，國內經過18年研發已取得全面突破，基於幾何約束求解引擎的關鍵技術——大規模代數方程高效求解技術，解決了狀態空間模型高效求解問題，併成功應用於系列重大型號工程，這為幾何約束求解器成功突破提供了信心，也為面向智慧化的數字化設計或者下一代工業智慧奠定了約束滿足問題創新基礎。

圖2 幾何空間與狀態空間的約束滿足問題

為此，針對中國工業系統設計類軟體研發，提出以下幾點建議。

① 強化基礎關鍵技術的持續研究，以全景的視野（幾何空間和狀態空間）佈局推進約束求解關鍵組建技術的開發與應用拓展，如圖3所示。

圖3 約束滿足問題研究與應用圖譜

具體地，面向中國工業創新需求，以發展、全景的視野（二維草圖引數化、三維裝配、三維直接建模、多領域約束融合等），對標國外技術，開發產品化約束求解系列引擎，應用於中國產CAD產品，實現對國外CAD產品的可替代，為未來中國工業創新需求牽引下必將走向智慧化的CAD技術提供創新、先進、普適的基礎關鍵技術，為在中國創新中發展壯大的中國數字化設計產業提供安全可控的基礎技術保障，力爭5年內在全景式的約束求解技術領域達到國際先進水平。

② 發揮中國制度優越性，以國家重大創新工程為需求牽引，以關鍵核心技術為突破，組織政、產、研、用工業軟體專項推進計劃，培育、發展有序的中國工業系統軟體開發與應用的智慧協同生態，建立以約束求解、知識表達標準為基礎支撐的工業系統APP軟體體系創新生態（見圖4）。

圖4 工業系統APP軟體體系創新生態

總之，源於約束滿足問題研究的約束求解技術推動了工業軟體領域人工智慧技術的突破——知識自動化。知識自動化技術是中國工業系統軟體技術發展的歷史機遇，國家有關部門應當“強基礎、重應用”，參考歐洲工業系統庫EUROYSYSLIB等計劃，系統策劃組織具有先進的知識自動化技術支撐的中國工業系統知識庫及利用工程，持續、有序推進知識技術化體系，開創中國創新需求牽引下的工業軟體蓬勃、有序、協同發展的新局面。