國產(chǎn)工業(yè)設(shè)計(jì)軟件讓研發(fā)“跑起來”

近日，在一款名為“智周”的軟件幫助下，我國一型渦軸發(fā)動機(jī)整機(jī)耗油率降低1.8%、功率提高2.6%，整體性能得到提升。

“智周”是我國航空領(lǐng)域首個具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的多學(xué)科多目標(biāo)形狀拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化軟件，名字來源于《周易·系辭傳》“知周乎萬物，而道濟(jì)天下”。它由中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司（以下簡稱“中國航發(fā)商發(fā)”）牽頭，與中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所（以下簡稱“中國航發(fā)動研所”）、廈門大學(xué)共同研發(fā)。

目前，“智周”已在60多家高端工業(yè)裝備企業(yè)和高校院所得到應(yīng)用。中國工程院院士尹澤勇日前接受筆者采訪時說，“智周”是高端工業(yè)裝備設(shè)計(jì)的有力工具，可有效提高產(chǎn)品性能，取得顯著效益。

尋求設(shè)計(jì)最優(yōu)解

航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)涉及熱力氣動、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、燃燒傳熱、機(jī)械傳輸、自動控制等眾多學(xué)科，各學(xué)科間耦合關(guān)系復(fù)雜、指標(biāo)沖突尖銳。如何平衡協(xié)調(diào)各類沖突指標(biāo)，是擺在設(shè)計(jì)人員面前的一道大難題。

“比如，我們希望航空發(fā)動機(jī)同時擁有高推重比和長壽命，但高推重比通常意味著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和燃?xì)鉁囟忍岣撸@就會導(dǎo)致零件應(yīng)力提高、材料性能降低，從而減少發(fā)動機(jī)壽命。”中國航發(fā)商發(fā)工程軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)主任、“智周”軟件開發(fā)負(fù)責(zé)人邵衛(wèi)東說，“早期，這項(xiàng)工作只能由設(shè)計(jì)人員憑借經(jīng)驗(yàn)，手動計(jì)算本學(xué)科相關(guān)局部最優(yōu)解，再通過學(xué)科間的交流進(jìn)行不同指標(biāo)的折中。這樣一來，既難以保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，又拖延了研制進(jìn)度。”

20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展催生了有限元等工業(yè)仿真軟件，使得復(fù)雜工業(yè)品設(shè)計(jì)計(jì)算速度和效率大大提高。“比起手算，計(jì)算機(jī)軟件算得準(zhǔn)多了，效率也更高。”中國航發(fā)動研所總師辦主任米棟告訴筆者，作為工業(yè)軟件的重要一類，多學(xué)科優(yōu)化軟件可在各種限定條件下求得最優(yōu)解。它如同一位“軍師”，可打破各專業(yè)間的壁壘，輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行指標(biāo)統(tǒng)籌規(guī)劃。

2000年起，在尹澤勇指導(dǎo)下，中國航發(fā)動研所開始了航空發(fā)動機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件理論和應(yīng)用方面的研究，明確了以優(yōu)化方法為基礎(chǔ)“自動”設(shè)計(jì)航空發(fā)動機(jī)的目標(biāo)。2022年3月，“智周”軟件項(xiàng)目由中國航發(fā)商發(fā)牽頭正式開始研發(fā)，核心團(tuán)隊(duì)共60余人，成員多畢業(yè)于清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等知名高校。

“通用電氣、普惠、羅羅等國際標(biāo)桿航空企業(yè)都有自己的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)，而我國多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件市場長期被國外巨頭壟斷。”邵衛(wèi)東說，為了提升我國航空發(fā)動機(jī)自主研制水平、實(shí)現(xiàn)高端制造產(chǎn)業(yè)安全可控，他們下決心研制出一款達(dá)到國際先進(jìn)水平的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件。

確保“算得快”“算得準(zhǔn)”

“智周”團(tuán)隊(duì)向筆者演示了軟件使用過程：在初始界面輸入模型指標(biāo)要求，軟件立即開啟自動計(jì)算，不久后，計(jì)算界面即顯示出理想結(jié)果。

對工業(yè)軟件來說，算法是核心競爭力，決定了計(jì)算是否“算得快”“算得準(zhǔn)”。與業(yè)內(nèi)同類軟件相比，“智周”算法數(shù)量超同類軟件3倍。同時，每個算法經(jīng)過近400個算例的測試，通過率都在95%以上。

“1個算例可以理解為1種工作場景。為確保算法的可靠性，有些算例場景極為復(fù)雜，難度好比優(yōu)化領(lǐng)域的‘奧林匹克’競賽題。”邵衛(wèi)東介紹，有研究顯示，常規(guī)軟件開展測試的算例一般在100～200個，通過率通常不到90%。而“智周”瞄準(zhǔn)95%的算法通過率，意味著其能應(yīng)對更多復(fù)雜場景的計(jì)算難題。

這個目標(biāo)一度讓團(tuán)隊(duì)成員覺得“不可能完成”。“那段時間，算法組和負(fù)責(zé)找算例的總體組可以說是‘相愛相殺’。在不斷磨合的過程中，我們發(fā)現(xiàn)即使是權(quán)威論文里關(guān)于評價(jià)指標(biāo)的‘標(biāo)準(zhǔn)答案’也不一定準(zhǔn)確。因此我們逐漸建立了自己的一套算例標(biāo)準(zhǔn)。”“智周”項(xiàng)目開發(fā)組成員張?jiān)秸f。

最終，在多年技術(shù)儲備基礎(chǔ)上，“智周”團(tuán)隊(duì)用不到2年的時間完成了產(chǎn)品開發(fā)測試，并于2024年11月在第十五屆中國國際航空航天博覽會上正式發(fā)布產(chǎn)品。

“‘智周’集成了71種優(yōu)化算法、10種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和10種代理模型，兼具多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化與拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化功能。”邵衛(wèi)東介紹，“智周”適配國內(nèi)外主流操作系統(tǒng)和處理器，突破智能化、可擴(kuò)展、分布式平臺設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)多學(xué)科聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化，整體精度比肩、局部精度超過國外同類先進(jìn)軟件水平。

邁向智能化產(chǎn)業(yè)化

長期以來，工業(yè)軟件是我國發(fā)展基礎(chǔ)較薄弱的領(lǐng)域，國產(chǎn)大型多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件的發(fā)展也面臨挑戰(zhàn)。“智周”的誕生和應(yīng)用，使國產(chǎn)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件邁出了重要一步。截至目前，“智周”已與中國航天科技集團(tuán)有限公司第六研究院、上海電氣集團(tuán)股份有限公司、賽力斯汽車等60余家單位、超過80個機(jī)構(gòu)初步達(dá)成合作意向，助力航空、航天、汽車、通訊等產(chǎn)業(yè)研發(fā)加速。

“很多企業(yè)的產(chǎn)品需要進(jìn)一步優(yōu)化，比如減輕重量、提升效率等，這正是‘智周’應(yīng)用的好機(jī)會。”米棟介紹，通過平臺優(yōu)化，“智周”使一型飛機(jī)起落架艙門重量降低18.2%，強(qiáng)度提升38.5%，實(shí)現(xiàn)艙門“瘦身”成功，還更“扛造”；幫助一款通訊設(shè)備散熱風(fēng)扇壓升提高1.13%、效率提升0.32%，讓散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)起來更有勁……

近年來，人工智能產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式增長，通過新一代人工智能技術(shù)賦能工業(yè)軟件發(fā)展成為趨勢。“智周”正通過人工智能進(jìn)一步提高軟件應(yīng)用能力，實(shí)現(xiàn)從輔助智能、增強(qiáng)智能到自主智能的遞進(jìn)應(yīng)用。

“‘智周’已接入DeepSeek等，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化算法檢索、軟件智能幫助、輔助二次開發(fā)與編碼等功能。”尹澤勇介紹，“‘智周’接入DeepSeek等后，相當(dāng)于每個用戶身邊都有一個‘算法專家’，幫助用戶有效決策，選擇更適宜的算法。同時，‘智周’還能利用人工智能寫用戶文本，讓用戶和‘智周’對話更容易。”

未來，“智周”還要進(jìn)一步融入人工智能技術(shù)，升級為“智周2.0”智能版本。“具體來說，包括利用人工智能實(shí)現(xiàn)更多原創(chuàng)算法和服務(wù)，如算法智能推薦功能、代碼或報(bào)告智能生成功能、基于大模型框架的拓?fù)鋬?yōu)化功能等。我們還將搭建開放創(chuàng)新平臺，支持高校、科研院所和企業(yè)在‘智周’平臺上二次開發(fā)。”邵衛(wèi)東說。