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陈十一院士:从联万物,到知万物,再到生万物
发布时间:2022-07-12 点击次数: 222

本文转载自“京津冀国家技术创新中心”微信公众号


近日,京津冀国家技术创新中心学术合伙人、中国科学院院士、发展中国家科学院院士陈十一在第六届万物生长大会上作了题为“自主工业软件助力数字未来”的主旨演讲。陈十一院士是国际著名计算流体力学家,在学术领域拥有强大国际影响力,在产业领域拥有深刻洞见,转载演讲内容如下。


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陈十一

中国科学院院士、发展中国家科学院院士

来源:“造梦之城”公众号


数字世界发展:从联万物,到知万物,再到生万物


非常感谢大会组织者邀请我来做这个发言。看到万物生长这个题目时我吓了一跳,我以为这是施一公院士的事情,是讲植物、讲生命,今天看了大会的宣传片,说到“万物即数”,这个“数”,我倒是可以说一些事。因为我是学数学力学的,尤其学偏微分方程。我最近也在做自主工业软件,我把自己这次所做的事情叫做第三次创业。我第一次创业是从一个大学毕业生成为一个教授,我觉得这也是一个创业过程;第二次创业过程是从一个学者转身变成一个管理者,从美国回来,建北京大学工学院,在北大做科研,到南科大建大学。最近我觉得自己不安分的心又动了,我想做比较跨越式的、不同领域的事情——做中国的自主工业软件。我觉得中国的自主工业软件跟万物生长很有关系。为什么呢?万物生长、自然生长,我们平时的数字化世界——让传感器、摄像头采集数据,在屏幕里显示,这在我看来是一种自然生长。但是如果工业软件用到其中的数字经济里,那就叫做有序生长、有益生长。所以我今天给大家分享的是如何把工业软件、如何把偏微分方程、如何把数学家研究的最前沿的计算能力和我们的数字经济结合起来。


数字世界发展从联万物到知万物,最后到生万物。我们连完wifi、5G,把整个世界的物联网、互联网连在一起,是联万物。我们要理解这个世界,希望通过AI到大数据分析,把这个世界变得智能,是知万物。但我现在提出的是将来的万物生长是怎样的?我理解的应该是懂万物生万物,那就需要工业软件、需要仿真、需要计算,缺了这三块只是自然生长,不是有序生长,更不是有益生长。工业软件大家都知道,是服务企业“规划、研发、生产、销售、服务”全流程的产品。工业软件有四类,第一类设计类,第二类是生产控制类的,第三类是信息管理类的,比如ERP,控制类的比如说中控的产品,还有大家现在搞很热的汽车、电子产品都用到嵌入式软件。我做什么呢?我做的是第一类,设计类软件。设计类软件,大家现在都会觉得是2B的软件,但是今后我相信工业软件将会变成2C。由于加入人工智能快速算法,解偏微分方程的工业仿真技术将会成为可以映射真实世界的数字孪生的核心技术,这就是我希望做的。

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工业软件的核心是把真实的事件通过数学连在一起


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工业软件懂万物。怎么懂万物?大家看看左边风机、汽车、飞机、城市。我从深圳来,所以照的是平安大厦的一张照片。最右边大家看见,用计算机把这个世界模拟出来,模拟出来的风机是怎么转的,汽车的风阻风噪、还有新能源电池,所有的设计都跟工业软件有关系。飞机飞行中的空气动力学问题,这是我们模拟分析的,还有我们自己做的平安大厦周围的微气候情况。怎么做?如何把数学偏微分方程和物理真实世界连起来,怎么连?核心一句话,将数学物理方程转化为数字模型,要离散化,就是要把数学物理最尖端化的东西离散化以后,你就跟数连在一起,就跟万物连在一起,所以这就是我们做工业软件的核心。工业软件的核心是什么?就是我们要把真实的事件通过数学连在一起。我写了一个数学方程在上面,这是我在北大数学力学系学的东西。


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大家看上图左边的飞机,实际上每一个部件你都可以通过模拟把它做出来。看右边,之前造一家飞机需要77个大型实验,随着计算能力的增加,到最后只有5个实验结果。为什么?因为很多都在计算机里模拟好了。所以随着数字经济的发展,随着模拟能力和计算能力的增加,实际上可以大大的减少工作量,大大的提高设计和生产能力。


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上图很多应用,大家看一下。工业仿真分析在产业数字化转型中具有重要的作用,不仅是制造业,在城市管理、生态治理各方面都有广泛的应用场景。这里的虎门大桥,当时有一点振动,我们就把它模拟出来。发动机、轮船、飞机等等各行各业都可以用工业软件的偏微分方程的数字化把需要设计分析的问题模拟出来。


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这是我们做的船舶行业的数值水池项目。


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这是我们做的汽车模拟,把整个汽车包括轮胎、发动机,一百多个部件全部放进去,你了解它的阻力状态,了解噪音状态,了解整个运行状态。上面这张图是跟实验数据的比较。可见国内现在的软件已经到了相当的水平,这软件是我创办的公司——十沣科技做的,包括各个仿真流程。


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上图是能源。能源大家都知道,如果你要建一个风场,在投资之前要进行评估。世界上有个很好用的风电计算软件叫WT,我们这个就是中国版的WT,在中国的任何地方你都可以把地表信息、城市信息输入进去,根据你的测量数据、经验来看看风机安装需要多少个,在哪个地方安装风机最有效,收益最大。实际上这个叫做万物生长,我们要靠数字,靠模拟,靠理解,靠数学物理方程增加我们对整个世界的理解。

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未来:仿真+AI、数字孪生、云平台……,助力“生”万物


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未来做什么?未来我觉得工业软件、人工智能、数字孪生相结合再加上云平台(云平台是从2B转到2C的核心),将会助力生万物。


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我现在的哲学理念应该是把上图左边这三块:人工智能、工业仿真软件、数字孪生系统结合在一起,到这个时候就可以将人工智能、数据同化、AR/VR等XR技术,嵌入到工业软件等有计算能力的软件中,用到包括城市仿真等各种场景。将来万物生长要有序生长,必须依赖于真正有物理基础的数学模型。


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这是我们做的,左边我们做可压缩,包括航天、航空等模拟,是基于最深的数学方程,培养数据、加上测试数据用于机器学习,通过机器学习和工业仿真相结合,给仿真的速度带来了革命性提升。我们最近做了一个实验,可以增加一百万倍,以前解偏微分方程解三天五天,现在一秒,算出来结果几乎一模一样。人工智能和AI,人工智能和CAE的结合将是革命性的。


我给大家举个例子。比如说我们现在的这个大厅,有的人在出风口感觉比较冷,有的人远离出风口感觉比较热。我以后可以告诉你,包括空调、冰箱,智能冰箱以后应该怎么样呢?它会自动地通过人工智能把温度差分布在一秒钟之内告诉你。我们要是坐在汽车里,有的人觉得对着吹很不舒服,以后这些问题都可以自动调整,用模拟来控制温度的均匀分布。几秒钟就可以算出来,这就是CAE跟人工智能结合,将会引领今后整个的设计和人们的生活。


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最重要的是三块:第一数据是基础,通过传感器、照相机收集等等;第二是模型,你这个数据拿来以后怎么理解它,需要模型,数学物理模型、量子力学模型,生命的模型,把模型离散化变成数字连在一起;最后要形成一个软件,软件是载体,把人工智能、数据、产业知识都连在了一起。现在数字孪生更多就是把数据采进来,投影到屏幕里面看一看。不过有模型无预测,你没有软件就没法知道到底差哪一点,真正做好的软件可以预测模型发展路线,告诉我们最后会发展到哪里。


举个例子。福岛地震以后,我有个同事从日本回来,告诉大家,人在疏散时场面很混乱,大家也很担心,出城的路线也很混乱。这时如果你能够模拟告诉大家什么是最优的方案,那么你就做到了城市的数字孪生,你就能很好地管理这个城市。哪怕是万一出现灾难性的海啸,或者有化工厂爆炸的时候你就会知道应该怎么跑。因为你知道当地风速的整个分布,以及进行人工智能模拟,加上CAE后告诉你该怎么转移。


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这里有几个层次,比如说你从基础支撑层、到数据互动层、再到模型构成与仿真分析层,共性应用层到行业应用层,你可以做智慧园区、智慧城市、智慧水务、数字风场、数值水池等各个场景。所以你可以想象一下今后的数字经济,如果仅仅靠采集数据,仅仅靠显示数据,我的观点是不够的,必须要有可预测性,知道它怎么走然后再决策控制。


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这个是我们做的数字产业化、产业数字化、数字化治理、数字价值化方面的探索。


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比如说通过传统的仿真与数字孪生相结合,要把物理真实的工厂和虚拟工厂对接起来。我们现在在广东做传统仿真,最近要落户在杭州滨江,要做类似仿真与数字孪生相结合的软件发展。


 

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这是我们做的关于台风防治的案例。我个人觉得如果有工业软件,许多城市灾害可以避免。因为这是可控的,所以数字化将会成为今后整个城市治理、企业发展,智能工业的关键。


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这是我们做的国外一家企业的数字孪生工厂。我们讲了工业软件+人工智能的美好前景,但我想梦想很美好,现实比较残酷,一个巨大难题是自主仿真技术的缺失。


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大家看左边这张图。我们研发设计类的软件只有5%是我们国产的,生产控制50%,经营管理比较好有70%,运维服务大概30%。市场发展可以看最后这张图,中国工业仿真软件市场增长率20+%,三年内可达200亿元规模,但自主软件“短板”突出。2019年国内CAE软件市场前十大供应商中,没有一家自主软件企业。广州有家上市公司做CAE做的还不错。所以中国急需我们现在做的CAE的软件,这是核心中的核心,是求解器,这是把真实世界和物理世界真正连在一起的核心技术,我们希望来解决这个问题。


去年的院士大会上,提出了核心的七个卡脖子问题,工业软件也在里面,其他包括高端芯片、原材料、石油天然气、科学实验仪器、化学试剂等几大问题。工信部和科技部都有布局,事实上工业软件和应用软件已经成为我们真正的卡脖子问题。当然,在市场层面基本被国外的产品占有,人才很缺少,招人很困难。最后是计算力,前几天我在鲲鹏开发者峰会上做了类似的发言,我认为我们还是有很大差距,但是像鲲鹏这样的计算能力在逐步提升。当然我们也有好的机会,我们的机会在于宏观政策、市场机遇、基础设施各方面都能跟上,所以我们属于天时、地利、人和。现在我们赶上发展工业软件很好的时机,我看了一下包括浙江、江西等省,今年都把数字经济当成我们一号文件、二号文件,说明政府非常重视数字经济,我认为CAE这一类核心工业软件可以推动整个数字经济的发展。


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我自己创办的工业软件公司,从2012年一路走过来,到现在我们在全国已有将近七八个地方子公司。最近准备来杭州发展,希望在座的各位能够关注我们,关注中国工业软件的成长和发展,我相信这将会成为数字经济的核心部分。


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我们也做了一些事,比如说在人才方面,开拓战略资源池、外部创新资源、核心团队等,我们核心非常强,包括我们外部的创新资源,像北大、清华、浙大,有很多年轻的教授跟我们一起来做。产品方面,我们已经发布了13款工业软件,基本包括所有的流体、结构材料、电磁学,声学、光学等等。市场方面,我们在东部也有很好的布局。希望今天讲完以后,在座有兴趣的大家可以一起来努力,为创造发展中国的工业软件,也就是我们的数字经济的下一代发展,一起做出贡献。

感谢主办方给我演讲机会,谢谢!


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本文转载自“造梦之城”微信公众号,内容是根据陈十一院士演讲记录整理,未经本人审阅。