??先進航空動力系(xi)統(tong)設(she)計(ji)面臨各學(xue)(xue)科(ke)間耦合(he)關(guan)系(xi)復雜、指(zhi)標沖突嚴(yan)重(zhong)等難題，多(duo)學(xue)(xue)科(ke)設(she)計(ji)優化(hua)(hua)(hua)工(gong)作離不開(kai)通用的(de)優化(hua)(hua)(hua)平臺(tai)。在去年(nian)第十(shi)五屆中國航展現場，中國航發(fa)(fa)發(fa)(fa)布“智(zhi)周”軟件。日(ri)前，科(ke)技(ji)日(ri)報記者走(zou)進中國航發(fa)(fa)商發(fa)(fa)、動研(yan)所，聚焦我國航空領域首個具有完全自主知識產權的(de)多(duo)學(xue)(xue)科(ke)多(duo)目標形狀拓撲設(she)計(ji)優化(hua)(hua)(hua)軟件“智(zhi)周”，刊發(fa)(fa)文(wen)章報道“智(zhi)周”軟件應用，助(zhu)力裝備(bei)研(yan)發(fa)(fa)提速的(de)故事。

??破解多目標優化難題，算法通過率達95%以上

??國產工業設計軟件讓研發“跑起來”

??科技日報記者 孫 瑜

“智周”軟(ruan)件(jian)(jian)開發負(fu)責人(ren)邵衛(wei)東正在高性(xing)能(neng)平臺上測試軟(ruan)件(jian)(jian)分布式(shi)計算能(neng)力(li)。 宛德(de)威攝

??近日，在一(yi)款名為“智周(zhou)”的(de)軟(ruan)件幫(bang)助下(xia)，我國一(yi)型渦(wo)軸發(fa)動機整(zheng)機耗油率降低(di)1.8%、功(gong)率提高2.6%，整(zheng)體性能得到提升。

??“智周”是我國(guo)(guo)航(hang)空領域首個具有完全自主知識產(chan)權(quan)的(de)多學科多目(mu)標形狀拓撲設計優(you)化軟件，名字來源于《周易(yi)·系辭(ci)傳》“知周乎萬物，而(er)道(dao)濟天下”。它(ta)由中(zhong)國(guo)(guo)航(hang)發商(shang)用航(hang)空發動(dong)機(ji)有限責任公司（以下簡(jian)稱“中(zhong)國(guo)(guo)航(hang)發商(shang)發”）牽頭，與中(zhong)國(guo)(guo)航(hang)發湖南動(dong)力機(ji)械(xie)研究所（以下簡(jian)稱“中(zhong)國(guo)(guo)航(hang)發動(dong)研所”）、廈門(men)大學共同研發。

??目前(qian)，“智周(zhou)”已在60多(duo)家高端工(gong)(gong)業(ye)裝備企業(ye)和高校院所得到應(ying)用。中國工(gong)(gong)程院院士尹澤勇日前(qian)接受科技(ji)日報記者采訪時(shi)說，“智周(zhou)”是高端工(gong)(gong)業(ye)裝備設計的有力工(gong)(gong)具(ju)，可有效提高產品性能，取得顯著效益。

??尋求設計最優解

??航(hang)空發動機設(she)計(ji)(ji)涉及(ji)熱力氣動、結(jie)構強度、燃燒傳熱、機械傳輸(shu)、自動控制等(deng)眾(zhong)多學(xue)科，各(ge)學(xue)科間(jian)耦合關系復雜、指標沖突尖銳。如何平衡協調各(ge)類沖突指標，是(shi)擺在設(she)計(ji)(ji)人員(yuan)面前的一道大難題。

??“比(bi)(bi)如，我們希(xi)望航空發(fa)(fa)動機(ji)同時擁有高推(tui)(tui)重比(bi)(bi)和(he)長壽命，但高推(tui)(tui)重比(bi)(bi)通常(chang)意味著發(fa)(fa)動機(ji)轉速和(he)燃(ran)氣溫度提(ti)(ti)高，這就會(hui)導(dao)致零件應力(li)提(ti)(ti)高、材料(liao)性(xing)能(neng)降低，從(cong)而(er)減少發(fa)(fa)動機(ji)壽命。”中國航發(fa)(fa)商(shang)發(fa)(fa)工程(cheng)軟件開發(fa)(fa)團隊主任、“智周”軟件開發(fa)(fa)負責(ze)人邵衛東說，“早期，這項工作只能(neng)由設計(ji)人員憑借經驗，手(shou)動計(ji)算本學(xue)科相關局部最(zui)優(you)解，再通過學(xue)科間的交流(liu)進(jin)行不同指標的折中。這樣(yang)一來(lai)，既(ji)難以保證設計(ji)質(zhi)量，又拖延了研制進(jin)度。”

??20世紀70年(nian)代，計(ji)算(suan)(suan)機(ji)的快速(su)發(fa)展(zhan)催生了有限元(yuan)等工(gong)業仿真軟(ruan)件(jian)(jian)，使得(de)復(fu)雜工(gong)業品設(she)計(ji)計(ji)算(suan)(suan)速(su)度和效(xiao)率(lv)大大提高(gao)。“比(bi)起手(shou)算(suan)(suan)，計(ji)算(suan)(suan)機(ji)軟(ruan)件(jian)(jian)算(suan)(suan)得(de)準多(duo)了，效(xiao)率(lv)也更高(gao)。”中國航發(fa)動研(yan)所總師辦主任(ren)米棟(dong)告訴記(ji)者，作為工(gong)業軟(ruan)件(jian)(jian)的重要一(yi)類，多(duo)學科(ke)優(you)化(hua)軟(ruan)件(jian)(jian)可在(zai)各種(zhong)限定(ding)條件(jian)(jian)下求得(de)最優(you)解。它如同一(yi)位(wei)“軍師”，可打(da)破各專業間的壁(bi)壘，輔助(zhu)設(she)計(ji)人員進行指標統籌規(gui)劃。

??2000年(nian)起，在尹(yin)澤勇指導下，中國(guo)航(hang)(hang)(hang)發動研所開始(shi)了(le)航(hang)(hang)(hang)空(kong)發動機多學科設計優化軟件(jian)理論和(he)應用方面的研究，明確了(le)以優化方法為基礎(chu)“自動”設計航(hang)(hang)(hang)空(kong)發動機的目(mu)標(biao)。2022年(nian)3月(yue)，“智周”軟件(jian)項目(mu)由中國(guo)航(hang)(hang)(hang)發商發牽頭正(zheng)式開始(shi)研發，核心(xin)團隊共60余人，成員多畢業于清華大學、上海交通大學、北(bei)京航(hang)(hang)(hang)空(kong)航(hang)(hang)(hang)天大學等知名高校(xiao)。

??“通用電氣、普惠、羅羅等(deng)國(guo)(guo)際標桿(gan)航空企(qi)業(ye)都有自(zi)己的多學(xue)科(ke)(ke)設計(ji)優(you)化(hua)系(xi)統(tong)，而我國(guo)(guo)多學(xue)科(ke)(ke)設計(ji)優(you)化(hua)軟件(jian)市場長期被國(guo)(guo)外巨頭壟斷。”邵(shao)衛東說(shuo)，為了提升(sheng)我國(guo)(guo)航空發動機自(zi)主研制水平、實(shi)現(xian)高端(duan)制造產業(ye)安全(quan)可控，他們下決(jue)心研制出(chu)一款達到國(guo)(guo)際先進水平的多學(xue)科(ke)(ke)設計(ji)優(you)化(hua)軟件(jian)。

??確保“算得快”“算得準”

??“智周”團隊向記者演示(shi)了(le)軟件(jian)使(shi)用(yong)過程：在初(chu)始界(jie)(jie)面(mian)輸入模型指標要(yao)求，軟件(jian)立即(ji)開啟自動計算，不(bu)久(jiu)后，計算界(jie)(jie)面(mian)即(ji)顯示(shi)出理想結(jie)果(guo)。

??對工業軟(ruan)件(jian)來說，算(suan)法(fa)(fa)是(shi)核心競爭(zheng)力，決定(ding)了計算(suan)是(shi)否“算(suan)得(de)快”“算(suan)得(de)準”。與業內同類軟(ruan)件(jian)相比，“智周”算(suan)法(fa)(fa)數量超同類軟(ruan)件(jian)3倍。同時(shi)，每個算(suan)法(fa)(fa)經過近400個算(suan)例(li)的測試，通過率都在95%以(yi)上。

??“1個算例(li)可(ke)以理解(jie)為1種(zhong)工作場(chang)景。為確保算法的(de)(de)(de)可(ke)靠性，有些(xie)算例(li)場(chang)景極為復雜，難(nan)度好比(bi)優化領域(yu)的(de)(de)(de)‘奧林匹克’競賽題(ti)。”邵衛(wei)東介(jie)紹，有研究顯(xian)示，常規軟件開展測試(shi)的(de)(de)(de)算例(li)一般在100—200個，通過(guo)率(lv)通常不(bu)到90%。而“智周”瞄(miao)準95%的(de)(de)(de)算法通過(guo)率(lv)，意味著其能(neng)應對更多(duo)復雜場(chang)景的(de)(de)(de)計算難(nan)題(ti)。

??這個目標一(yi)度(du)讓團隊成(cheng)員(yuan)覺得(de)“不可能完成(cheng)”。“那段(duan)時間，算(suan)法組和負責找算(suan)例的總體組可以說是‘相愛相殺(sha)’。在(zai)不斷(duan)磨合(he)的過程中，我(wo)們發現即使是權(quan)威(wei)論文里(li)關(guan)于(yu)評價指標的‘標準(zhun)答案’也不一(yi)定(ding)準(zhun)確(que)。因此我(wo)們逐漸建立了自(zi)己(ji)的一(yi)套算(suan)例標準(zhun)。”“智周(zhou)”項目開發組成(cheng)員(yuan)張越說。

??最終，在(zai)多(duo)年技術儲備基礎上(shang)，“智周”團隊(dui)用不到2年的時間完(wan)成了產品(pin)開發(fa)測試，并于2024年11月在(zai)第十五(wu)屆中國國際航(hang)空(kong)航(hang)天博覽會上(shang)正式發(fa)布產品(pin)。

??“‘智(zhi)周’集成了71種優化算法、10種試驗設(she)(she)計(ji)方(fang)法和10種代(dai)理模(mo)型，兼具多學(xue)科設(she)(she)計(ji)優化與拓撲設(she)(she)計(ji)優化功能。”邵衛東介紹，“智(zhi)周”適配國內外(wai)主流(liu)操作系統(tong)和處理器，突破智(zhi)能化、可擴展、分(fen)布式平(ping)臺設(she)(she)計(ji)技術，實現跨系統(tong)多學(xue)科聯合(he)仿真設(she)(she)計(ji)優化，整(zheng)體(ti)精度比肩、局(ju)部精度超過國外(wai)同類先進軟(ruan)件(jian)水平(ping)。

??邁向智能化產業化

??長期以來，工業(ye)軟件(jian)是我國(guo)(guo)發展(zhan)(zhan)基(ji)礎較薄弱的領域，國(guo)(guo)產大型多學(xue)科(ke)設計優化軟件(jian)的發展(zhan)(zhan)也面臨挑戰。“智(zhi)周(zhou)”的誕生(sheng)和(he)應(ying)用，使(shi)國(guo)(guo)產多學(xue)科(ke)設計優化軟件(jian)邁出(chu)了(le)重要一步。截至目前，“智(zhi)周(zhou)”已與中國(guo)(guo)航天(tian)科(ke)技集團有限公(gong)司第六研(yan)究院、上海電氣集團股份有限公(gong)司、賽(sai)力斯汽車等60余家單位、超過80個機構初步達成(cheng)合作意(yi)向，助力航空、航天(tian)、汽車、通訊等產業(ye)研(yan)發加速。

??“很多企業的產品需要(yao)進一步(bu)優化，比(bi)如減(jian)輕重(zhong)量、提升(sheng)(sheng)(sheng)效率等，這正(zheng)是(shi)‘智周’應用的好機(ji)會(hui)。”米棟介紹(shao)，通(tong)過(guo)平臺(tai)優化，“智周”使一型飛機(ji)起落架艙(cang)門重(zhong)量降低(di)18.2%，強度提升(sheng)(sheng)(sheng)38.5%，實(shi)現艙(cang)門“瘦身”成功，還更“扛(kang)造”；幫助一款通(tong)訊(xun)設備(bei)散熱(re)風(feng)(feng)扇壓升(sheng)(sheng)(sheng)提高1.13%、效率提升(sheng)(sheng)(sheng)0.32%，讓散熱(re)風(feng)(feng)扇轉起來(lai)更有(you)勁……

??近(jin)年來，人工智(zhi)能(neng)(neng)產業爆發(fa)式增長，通過新一代人工智(zhi)能(neng)(neng)技(ji)術賦能(neng)(neng)工業軟件發(fa)展成為趨勢。“智(zhi)周”正通過人工智(zhi)能(neng)(neng)進(jin)一步提高軟件應用能(neng)(neng)力(li)，實現從輔助智(zhi)能(neng)(neng)、增強(qiang)智(zhi)能(neng)(neng)到自主智(zhi)能(neng)(neng)的(de)遞進(jin)應用。

??“‘智(zhi)(zhi)周(zhou)’已接(jie)入DeepSeek等，實現了優化算法檢(jian)索、軟(ruan)件智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)幫(bang)助(zhu)(zhu)、輔助(zhu)(zhu)二次開發與編(bian)碼等功能(neng)(neng)。”尹澤勇介紹，“‘智(zhi)(zhi)周(zhou)’接(jie)入DeepSeek等后，相當于每(mei)個用戶(hu)身邊都有一個‘算法專家’，幫(bang)助(zhu)(zhu)用戶(hu)有效決策，選擇更適宜的算法。同時，‘智(zhi)(zhi)周(zhou)’還能(neng)(neng)利用人工智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)寫用戶(hu)文本，讓用戶(hu)和(he)‘智(zhi)(zhi)周(zhou)’對話更容(rong)易。”

??未(wei)來(lai)，“智(zhi)(zhi)周(zhou)”還要進一步融入人工(gong)智(zhi)(zhi)能(neng)技術，升級為“智(zhi)(zhi)周(zhou)2.0”智(zhi)(zhi)能(neng)版本(ben)。“具體來(lai)說(shuo)，包括(kuo)利用(yong)人工(gong)智(zhi)(zhi)能(neng)實現更多(duo)原創(chuang)算法(fa)和(he)服務(wu)，如算法(fa)智(zhi)(zhi)能(neng)推薦功(gong)(gong)能(neng)、代(dai)碼(ma)或(huo)報告智(zhi)(zhi)能(neng)生成功(gong)(gong)能(neng)、基于大模型框架的拓撲(pu)優化(hua)功(gong)(gong)能(neng)等。我們還將搭建開放創(chuang)新(xin)平(ping)臺，支(zhi)持高校(xiao)、科(ke)研(yan)院(yuan)所和(he)企業在(zai)‘智(zhi)(zhi)周(zhou)’平(ping)臺上二(er)次(ci)開發(fa)。”邵衛東說(shuo)。（科(ke)技日報）