专研数字科技，赋能大国重器

专研数字科技

赋能大国重器

最近，中国航空航天领域喜讯不断：C919商飞成功，神舟十六号载人飞船成功发射……但在全民欢欣鼓舞的气氛中，也夹杂着质疑的声音，部分人偏执地认为，C919不过是中国购买国外零部件组装起来的产物。

事实上，这些人没能正确理解飞机设计中“集成”这一步的重要性。人们熟知的波音飞机，研制过程中甚至需要多达8000种工业软件，涉及大量的集成、仿真和测试。同样，国产大飞机的研发也涉及多个子系统，需要采用多种仿真软件来应对不同子系统的建模和测试需求。如何将不同软件不同架构的建模工具搭建的子系统模型集成，形成整机模型进行虚拟测试是一个重大技术难点。购买零部件谁都能做到，但能最终集成大飞机的寥寥无几。

在复杂装备集成创新的挑战中，世冠科技自有知识产权的仿真平台GCAir适逢其会。在国产大飞机C919的虚拟测试环节，GCAir提供了飞机级虚拟集成与仿真试验环境建设的整体解决方案，实现了多个子系统模型与飞机模型的集成与仿真分析。经过了多个大国重器项目的考验，GCAir系统仿真测试验证一体化平台获得了北京市科学技术进步奖二等奖。

世冠科技的董事长李京燕表示，GCAir命名中的GC不仅是“世冠”(GlobalCrown)的缩写，也是“国产”的拼音缩写。“利用技术研发赋能中国工业发展，是所有中国企业的初衷与使命。”

“集”各界之砖，筑中国长城

一架飞机能不能达到最优性能，系统集成创新能力可以说至关重要。在这个行业里，零部件就像一块块分散的砖，烧出好砖固然重要，但能否把这些砖筑成坚固的长城也才是最终目标。

C919设计之初，中国商飞集团在全世界范围寻找合适的集成软件，后来无意中发现世冠科技的GCAir2.0后，与企业一拍即合——这就是我们国产大飞机需要的集成软件!

那么,GCAir平台究竟如何助力C919设计?简单概括来说，打造大飞机的过程中，总设计师会有一个整体规划设计，然后往下分配任务。等到结构、飞控、机电、航电、液压等各个子系统分别做好了，再把这些系统放在一起集成。然而，难道只有等到现实中各个子系统都全部完成，才能知道飞机性能究竟怎么样吗?这种方式不仅耗时费力，而且试错成本很高。

GCAir平台，可以通过数字技术把飞机的各个子系统虚拟集成为一架飞机，然后在计算机中开展虚拟测试验证。所以，该平台是“仿真-测试一体化”的验证工具。通过虚拟验证，就能够知道前期的设计是否合理，是否有需要改进的地方。

实现这个目标听起来容易，做起来难。集成不是目标，集成以后对它进行仿真测试，通过快速迭代来优化设计才是目的。一架飞机，就是一台相当复杂的工业装备，在系统设计层面，需要把上百种不同语言、不同架构的软件产生的模型攒在一起，成为一架虚拟飞机。GCAir平台的多源异构模型，不仅可以完美解决集成这一任务，同时还能确保集成的精度、效率和鲁棒性，实现从纯虚拟测试验证到半实物测试的支持。

数字孪生：虚实相映，以虚控实

类似C919大飞机这样的复杂应用场景，也是数字孪生技术应用的典型场景。电脑里有了虚拟的数字样机，建立虚实映射通道，陆续给它“喂”进数据，就形成了大飞机的数字孪生体，接下来就可以提供更多基于数字孪生技术的服务。

数字孪生的概念可以追溯至2002年。当年美国工业制造工程协会举办的一次论坛上，密歇根大学的迈克尔·格里弗斯博士提出了“信息镜像模型”概念。这个概念后来就被称作“数字孪生”,也叫数字镜像，或者数字化映射。利用3D建模、传感器、物联网等手段，数字孪生技术可以在线上复制出一个与现实几乎一致的“数字体”。这个数字体能够通过采集大量数据，将现实中的一举一动记录并“投射”到系统中。

数字孪生和仿真有什么区别?简单概括地说，仿真就是基于现实的规律，创造出完全虚拟的物体。而数字孪生，则是构建真实世界的真实事物(可以是物体，也可以是某种过程)的数字模型，并建立虚实映射关系后，在数字空间构建并同步于物理世界的数字虚体。二者的共同之处是，都是对真实对象的描述，数字孪生往往以仿真为核心。

当然，数字孪生并不只是一个数字“样机”,它还应该“活起来”——借助数据饲养，数字孪生就会慢慢地“长大”,并提供丰富的信息为人类所用。比如，在汽车制造企业里，研发工程师首先制图、建模，再通过仿真计算实验后，电脑里就有一部“数字汽车”了。在没有数字孪生概念的时代，研发人员把模型图纸交给制造商后，这套模型要么存在档案室，要么存在服务器中，与现实形成一种割裂。有了数字孪生的概念以后，原本将被束之高阁的模型就可以“活”过来。当工程师把现实中跑动的车所记录的各种数据同步到数字车辆后，驾驶员习惯等数据还能让原本“千篇一律”的车辆显现出各自鲜明的特点。

数字孪生技术的诸多应用场景中，得到较广泛实践的一类是模拟训练，包括工程师培训，飞行员培训等。如果完全用真实的飞行器训练飞行员，成本就会太高，通过在电脑上操作真实飞机的数字孪生，飞行员就可以像驾驶真实飞机一样累积驾驶经验。甚至在大飞机尚未开始大批量生产时，通过数字孪生技术就可以培训出一批大飞机的飞行员——不用等到真机培训，飞行员通过大量模拟训练后，就知道大飞机该怎么“玩”了。在培训维修工程师时，数字孪生技术也可以提供高效、经济的训练体验：在电脑中输入需要训练的飞机故障类型，就可以“未雨绸缪”,根据不同情况指导工程师对应的维修方法。

数字孪生的另外一类应用场景，则是对设备本身的预测性维护。航空发动机什么时候应该进行维修?如果是过去，这些判断都依赖维修工程师。他们根据积累的经验，可以估算出飞行多少时长后需要维修。而现在通过构建数字孪生体，让电脑中的数字航空发动机和现实中一一对应，管理者就可以利用系统给发动机做“健康度预测”,估算出发动机什么时候需要维修。

随着数字孪生技术的普及应用，相关技术会因为成本的不断降低，最终进入普通老百姓的生活。未来，我们每个人都将拥有自己的数字孪生体。通过各种新型医疗检测、扫描仪器及可穿戴设备获得的数据，我们可以完美地复制出一个数字化身体，并追踪这个数字化身体每一部分的运动与变化，从而更好地进行自我健康监测和管理。

道阻且长，行则必至

2020年6月，哈工大、哈工程等高校师生收到无法使用美国软件公司Mathworks出品的软件MATLAB的消息。

MATLAB一直是高校师生在做数学建模和部分数值模拟时最常用的工具之一，也是学生做工业软件设计的底层基础平台。可以说，在数值计算、机械、建模仿真、航天航空等科研和工业制造领域，MATLAB已经是必不可少的一个软件。它的地位就像上述领域里的“Office办公软件”,缺少了它，日常办公就做不了，如果用其他的替代软件，很多重要功能就无法实现。

面对外部的挑战，2022年9月，世冠科技正式发布了GCKontrol7.0控制系统设计与仿真软件，它具备了对MATLAB/Simulink进行国产替代的能力。

具体来说，一个控制系统的基本流程就是设计、仿真、生成代码这三个阶段。设计可能会出现错误，而仿真能够对设计进行验证。一般的工业软件都止步于设计和仿真，MATLAB之所以被普遍接受，是因为在它的平台上可以建模、仿真，最后生成嵌入式代码直接“烧到芯片里”。所以，目前世界上95%的新能源汽车设计流程中，从系统设计、测试验证到代码生成使用的工具都是MATLAB——因为这个工具太方便和高效了。

GCKontrol7.0目前也已经做到了以上功能，针对某些具体应用场景，已经很好地满足使用要求了。针对MATLAB所包含的其他应用场景，GCKontrol则将在未来继续开发。李京燕认为，这种“垂直”的思路才是国产工业软件的基本逻辑—

企业不能像过去那样只强调自己有什么功能，有什么工具，借此吸引客户来购买软件。开发者应该首先知道客户在做什么,需要产品有什么功能，再设计软件来满足这些需求。

“了解GCKontrol7.0以后，我感觉中国替代MATLAB有希望了。”这是一位北京航空航天大学教授给出的评价。中国石油大学的一位教授，在第一时间试用了软件后则直言：“用这款软件时，我身上直起鸡皮疙瘩。”从北大读书期间就一直用MATLAB的这位教授表示，“GCKontrol7.0已经真正掌握了MATLAB的精髓。”

国外很多工业软件企业，很值得借鉴的一点就是在高校开展推广——使用这些软件的学生毕业后，就会熟练地把软件带到研发的各个领域，形成所谓的“软件渗透”。中国为什么不可以这样?为了扭转被“卡脖子”的境遇，世冠科技与北京航空航天大学、西北工业大学、北京理工大学、同济大学、吉林大学、北京交通大学、南京航空航天大学、武汉理工大学、哈尔滨工程大学等院校开展深入的技术合作和学术交流，积极促进我国科研生产的深入发展。

一方面，这些合作让学生有机会使用国产软件，培养他们的应用能力；另一方面，也可以培养一些学生的软件研发能力。工业软件研发门槛高，很难“半路出家”,从学校就开始培训，让国产软件开发者提早迈出关键的“第一步”。

据了解，北京理工大学被禁用MATLAB后，教授们一度没有了上课的工具，急得直跳脚。现在，他们将GCKontrol作为主要课程工具已经是第二年了。

2023年，世冠科技与吉林大学汽车工程学院共建“世冠科技一吉大汽车学院GCKontrol系统设计与仿真联合实验室”,联合实验室成立后，通过利用世冠科技自主研发的GCAir系统仿真测试验证一体化平台和GCKontrol系统设计与仿真软件，可以助力学院在原本汽车控制系统的开发上完成MBSE全套正向设计，以及汽车控制器V流程全生命周期覆盖，从MiL、SiL到HiL,实现从系统建模到仿真测试验证一体化的工具链闭环支持，共同推动汽车研发软件实现国产化、自主化，为中国汽车产业的高质量发展贡献力量，同时也打开了双方产学研资源共享、共生、共融、共发展的新篇章。

目前，世冠科技已与北京航空航天大学等多家高等院校建立联合实验室。未来，世冠科技期待与更多高校、科研机构建立起深入合作，联合各方力量，打造“产学研融合”新业态，推动国产工业仿真软件行业在科研、应用、人才培养等方面迈上一个新台阶。

一路走来，“中国智造”这几个字始终深深烙在李京燕心里。在很长的时间里，她带领的世冠都在幕后默默奉献，但是对于她来说，能为国家工业制造发展贡献一份力，“已经是最高的荣誉”。