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★本刊記者/文曉

蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司董事長 周凡利

模型驅(qū)動的開發(fā)（MBD）是當前控制系統(tǒng)開發(fā)的主要方式，通常由工控機硬件、嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件以及建模與仿真軟件構(gòu)成，從工控角度，建模仿真工業(yè)軟件包括控制系統(tǒng)與被控物理系統(tǒng)建模仿真軟件，其與工控機和嵌入式系統(tǒng)密不可分，通常是由控制系統(tǒng)和物理系統(tǒng)建模仿真軟件建立控制和被控物理系統(tǒng)模型，通過生成嵌入式C代碼到工控機和嵌入式系統(tǒng)中運行，實現(xiàn)從模型在環(huán)（MIL）、軟件在環(huán)（SIL）到硬件在環(huán)（HIL）或快速原型（RCP）的驗證。現(xiàn)在控制-被控對象建模仿真已經(jīng)進一步發(fā)展到信息物理系統(tǒng)（CPS）計算仿真。

蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司是專業(yè)從事新一代科學計算與系統(tǒng)建模仿真工業(yè)軟件產(chǎn)品研發(fā)、工程服務(wù)以及解決方案的高科技公司，在工控方面可為用戶提供控制系統(tǒng)建模仿真、物理系統(tǒng)建模仿真以及嵌入式代碼生成的完整工具鏈。蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司董事長周凡利表示：“數(shù)字化與智能化必然帶來新一輪技術(shù)變革，將如同計算機和互聯(lián)網(wǎng)一樣影響工業(yè)和生活的每個方面，也將推動工業(yè)控制、嵌入式系統(tǒng)以及建模仿真工業(yè)軟件全面升級。這是我們千載難逢的換道超車、迎頭趕上的發(fā)展機遇，也面臨巨大挑戰(zhàn)。同元軟控全面擁抱數(shù)字化與智能化變革，旨在打造數(shù)智化新時代的新興工業(yè)軟件，為信息物理系統(tǒng)計算仿真提供通用平臺。”

打造新一代科學計算與系統(tǒng)建模仿真平臺MWORKS

成立于2008年的同元軟控經(jīng)過十六年持續(xù)研發(fā)，形成核心產(chǎn)品——新一代科學計算與系統(tǒng)建模仿真平臺MWORKS，針對信息物理融合系統(tǒng)計算仿真提供從信息（含控制）系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的融合建模、仿真、驗證、代碼生成、半物理仿真以及數(shù)字孿生的完整功能。周凡利表示，MWORKS定位為中國自主可控的新一代科學計算與系統(tǒng)建模仿真一體化平臺和裝備數(shù)智化底座支撐平臺，在技術(shù)、產(chǎn)品、應(yīng)用等多方面進行了創(chuàng)新，在解決卡脖子工業(yè)軟件問題和推動工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面帶來顯著價值：

（1）統(tǒng)一環(huán)境下的多范式統(tǒng)一建模與信息物理融合統(tǒng)一建模：在MWORKS統(tǒng)一平臺下，提供算法、框圖、狀態(tài)機、物理、數(shù)據(jù)等多范式統(tǒng)一建模，支持信息物理融合系統(tǒng)計算仿真；基于Modelica統(tǒng)一表達，創(chuàng)造性地實現(xiàn)框圖、狀態(tài)機、物理建模的統(tǒng)一；整體實現(xiàn)了統(tǒng)一建模環(huán)境、統(tǒng)一語言規(guī)范、統(tǒng)一編譯分析、統(tǒng)一代碼生成及統(tǒng)一調(diào)度求解。

（2）模型驅(qū)動的多目標代碼生成：支持科學計算算法、框圖模型、物理組件模型等不同算法模型面向MCU、DSP、CPU、GPU等不同硬件目標的仿真代碼生成、嵌入式實時代碼生成等不同場景的代碼生成，從而支持信息物理融合系統(tǒng)的代碼生成。其中基于Julia科學計算語言生成C/C++代碼是國際上首次實現(xiàn)。

（3）基于機理-數(shù)據(jù)融合的智能控制與數(shù)智孿生：提供機器學習、深度學習、強化學習以及機理數(shù)據(jù)融合工具箱，支持基于AI的智能控制和基于機理-數(shù)據(jù)融合的數(shù)智孿生系統(tǒng)。

（4）云原生的新一代科學計算與系統(tǒng)建模仿真集成開發(fā)環(huán)境：免于安裝，在線升級；彈性計算，按需調(diào)度；在線共享，實時協(xié)作；生態(tài)開放，易于擴展。

（5）通過多語言支持實現(xiàn)兼蓄經(jīng)典、資源重用、創(chuàng)新超越：MWORKS科學計算軟件Syslab提供Julia、Python、M、C/C++等多語言支持，基于Julia提供比MATLAB快2-10倍的運行效率，支持Python與Julia混合調(diào)用，自研M語言解釋器實現(xiàn)M語法兼容度超97%，支持M代碼無需MATLAB直接在Syslab中運行。

（6）初步解決了MATLAB被禁用的卡脖子工業(yè)軟件問題：突破科學計算與系統(tǒng)建模仿真融合關(guān)鍵技術(shù)，打造了全球第四個科學計算與系統(tǒng)建模仿真一體化平臺MWORKS，在無線通信、芯片設(shè)計、智能汽車、民用航空、航天衛(wèi)星等典型產(chǎn)業(yè)已具備切換能力。

（7）提供了各行業(yè)裝備數(shù)字化計算仿真底座：實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)通用計算仿真與行業(yè)專用技術(shù)融合，形成了典型行業(yè)或重大工程多學科統(tǒng)一、信息物理融合的行業(yè)計算仿真平臺；提出了以“數(shù)字樣機、模型貫通、數(shù)字孿生”為主線的裝備數(shù)字化技術(shù)路線，為空間站、載人登月、探月工程、國產(chǎn)大飛機、核能動力等國家重大工程提供了自主數(shù)字化平臺。

2024年同元軟控全新發(fā)布MWORKS2024，功能完備，性能突出，成為全球第四個科學計算與系統(tǒng)建模仿真一體化平臺MWORKS。MWORKS具有4個核心軟件（科學計算軟件Syslab、系統(tǒng)建模仿真軟件Sysplorer、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計軟件Sysbuilder、系統(tǒng)協(xié)同建模與模型數(shù)據(jù)管理軟件Syslink）、一個云化平臺MoHub以及37個工具箱和29個模型庫。MWORKS整體覆蓋MATLAB/Simulink約80%功能，提供MATLABM語言兼容與Simulink模型導入功能，可以有效重用現(xiàn)有算法和模型資產(chǎn)。M語言語法兼容度超97%，內(nèi)置1260多個常用函數(shù)，涵蓋基礎(chǔ)、數(shù)學、圖形、控制、信號處理等領(lǐng)域常用函數(shù)，無須安裝MATLAB直接運行M代碼；支持將Simulink模型文件解析轉(zhuǎn)換為Sysplorer模型。

新一代科學計算與系統(tǒng)建模仿真平臺MWORKS產(chǎn)品架構(gòu)

推動工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級

當前，MWORKS已廣泛應(yīng)用于航天、航空、能源、船舶、汽車、通信、電子等行業(yè)，為載人航天、探月工程、國產(chǎn)大飛機等重大工程以及新一代通信電子設(shè)備提供了先進、自主的數(shù)字化平臺。

在工控建模仿真方面，針對航天衛(wèi)星控制系統(tǒng)提供全生命周期的方案設(shè)計仿真、實時仿真、半物理仿真、超實時仿真、數(shù)字衛(wèi)星交付等場景應(yīng)用，實現(xiàn)了不同場景下控制系統(tǒng)與被控衛(wèi)星系統(tǒng)的閉環(huán)仿真，在系列型號進行了充分的驗證與應(yīng)用。

在數(shù)字空間站方面，基于MWORKS構(gòu)建了天和、夢天、問天三艙空間站的數(shù)字孿生模型，數(shù)字空間站包括4個專業(yè)、9個分系統(tǒng)、1600余臺關(guān)鍵設(shè)備的多學科仿真模型，模型規(guī)模達到150萬個方程組，實現(xiàn)空間站復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)字化交付、全系統(tǒng)數(shù)字集成以及數(shù)字孿生伴飛運維。數(shù)字空間站支撐任務(wù)前地面仿真模擬、在軌實時全面監(jiān)測、運行狀態(tài)快速預(yù)示、運行故障快速診斷，已經(jīng)成為業(yè)界裝備數(shù)字化的示范工程。

在機理-數(shù)據(jù)融合模型降階方面，將多物理場多領(lǐng)域耦合的三維有限元分析模型轉(zhuǎn)換為高效執(zhí)行的一維分析模型，接入多學科系統(tǒng)模型進行統(tǒng)一仿真求解，綜合一維模型的效率優(yōu)勢和三維模型的精度優(yōu)勢，實現(xiàn)高效計算與高精度仿真的平衡，以支持綜合驗證、虛擬實驗、數(shù)字運維等場景。某裝備在高超飛行環(huán)境下要考慮氣動力與結(jié)構(gòu)耦合的氣動伺服彈性穩(wěn)定性，采用同元模型降階工具將結(jié)構(gòu)場、氣動場精細模型降階為系統(tǒng)級模型，再接入多學科系統(tǒng)模型環(huán)境，集成開展耦合分析，在保證原有模型精度情況下，仿真效率提升6倍。多負載耦合的飛機液壓系統(tǒng)半物理仿真實時性難以保障，傳統(tǒng)手段難以模擬復(fù)雜、極端故障工況，使用同元模型降階工具，將飛機液壓系統(tǒng)模型降階為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型，提高模型的運算速度，再運用半物理仿真工具，搭建極端工況模型，提高工況覆蓋程度，某飛機液壓系統(tǒng)模型仿真100s，耗時610s，模型降階實時化處理耗時17.8s，仿真求解效率提升34倍。

此外，MWORKS已經(jīng)在全國近300所高校推廣應(yīng)用，在哈工大、哈工程、北航、北理工等四所高校開設(shè)了200多門MWORKS相關(guān)課程，在全國100所高校開設(shè)了1300多門MWORKS相關(guān)課程，涉及數(shù)學優(yōu)化、AI與數(shù)據(jù)科學、信號處理、通信、射頻與混合信號、控制系統(tǒng)、模型驅(qū)動的代碼生成與實時仿真、機械多體、基于模型的設(shè)計優(yōu)化等方向以及車輛、能源、機械、電氣等領(lǐng)域。

迎接未來挑戰(zhàn)

數(shù)字化轉(zhuǎn)型與網(wǎng)絡(luò)化、智能化密不可分，對工控機、嵌入式系統(tǒng)及建模仿真工業(yè)軟件將帶來千載難逢的機遇與巨大挑戰(zhàn)，對此，周凡利分析認為工控機與嵌入式系統(tǒng)將面臨三大挑戰(zhàn)：

其一，數(shù)字化：核心是裝備數(shù)字化，關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何將以物理樣機為中心、“方案設(shè)計-物理試驗方案改進-物理再試驗”的瀑布迭代模式，轉(zhuǎn)型到以數(shù)字樣機為中心、通過數(shù)字樣機實現(xiàn)“數(shù)字空間快速迭代、物理世界一次成功”的敏捷數(shù)字迭代模式，這需要完成以下升級：從專業(yè)級模型到系統(tǒng)級模型，從局部專業(yè)仿真到全系統(tǒng)數(shù)字仿真；從“控制邏輯-被控對象”閉環(huán)的控制系統(tǒng)半物理仿真，到“信息-物理融合系統(tǒng)”閉環(huán)的虛實融合數(shù)字孿生。

其二，網(wǎng)絡(luò)化：主要挑戰(zhàn)是軟硬系統(tǒng)從單機版發(fā)展到端云一體化，從局部專業(yè)系統(tǒng)或分系統(tǒng)的半物理仿真發(fā)展到物聯(lián)網(wǎng)世界的虛實融合。

其三，智能化：主要是裝備產(chǎn)品研制過程的智能化與裝備產(chǎn)品的智能化。

雖然面臨種種挑戰(zhàn)，但在周凡利看來，同元軟控必將憑借獨特優(yōu)勢贏得未來市場：

（1）定位明確，面向未來：定位為中國自主可控的新一代科學計算與系統(tǒng)建模仿真一體化平臺和裝備數(shù)智化底座支撐平臺。科學計算與建模仿真一體化平臺兼容覆蓋MATLAB/Simulink，具備自己的后發(fā)核心創(chuàng)新優(yōu)勢；數(shù)智化支撐平臺提供信息物理系統(tǒng)計算仿真基礎(chǔ)平臺、裝備數(shù)智化工程支撐平臺、標準開放云化生態(tài)平臺。

（2）創(chuàng)新引領(lǐng)，特色顯著：采用新一代高性能科學計算語言Julia，運行效率顯著優(yōu)于MATLABM語言；系統(tǒng)建模仿真內(nèi)核歷經(jīng)16年持續(xù)迭代，求解性能國際領(lǐng)先。融合AI智能，探索AI自動編程、AI智能控制、AI數(shù)智孿生應(yīng)用。打造云原生的新一代的科學計算與系統(tǒng)建模仿真IDE，實現(xiàn)端云一體化。科學計算提供Julia/Pythton/M等多語言支持，建模仿真支持框圖/物理/狀態(tài)機等多范式建模，提供MATLAB/Simulink兼容導入，實現(xiàn)現(xiàn)有資產(chǎn)重用。

（3）在工控機與嵌入式系統(tǒng)方面，提供先進自主的MIL/SIL/HIL/RCP建模仿真IDE與信息物理系統(tǒng)計算仿真平臺，支持模型驅(qū)動的控制系統(tǒng)開發(fā)與基于數(shù)字樣機的CPS數(shù)智孿生開發(fā)，支持國產(chǎn)硬件環(huán)境與國產(chǎn)操作系統(tǒng)。

“同元軟控將全面擁抱數(shù)字化與智能化變革，打造數(shù)智化新時代的新興工業(yè)軟件，致力為用戶提供裝備數(shù)智化計算仿真底座支撐平臺，推動產(chǎn)品端云一體化持續(xù)升級，通過AI工具與解決方案支持智能化裝備產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)與裝備產(chǎn)品研制過程的智能化。”周凡利說道。

摘自《自動化博覽》2024年11月刊