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\subsection{软件工程工具}
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软件工程工具，或软件工具，是用来辅助计算机软件的开发、运行、维护、管理、支持等过程中活动或任务的一类软件。早期的软件开发所用到的引导程序、装入程序、编辑程序等都可以看作是最早的软件工具。在汇编语言和高级程序设计语言出现以后，汇编程序、解释程序、编译程序、连接程序和排错程序构成了早期的软件工具集。在软件工程出现后，支持软件需求分析、设计、编码、测试、维护和管理等活动的软件工具逐渐发展起来，从各个阶段支持着软件开发过程，并且自然而然出现了工具集成的需要，使得各个工具能够协同操作。
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软件开发环境由软件工具和环境集成机制构成，是支持软件产品开发的软件系统~\cite{张效祥2005计算机科学技术百科全书}。软件开发环境在工具集成的需求中开始萌芽，上世纪70年代中后期出现了软件工具箱（Toolkit）的思想，在软件开发过程中使用成套的多个软件工具。80年代起，出现了支持图形设计方式的第二代软件工具和集成这些工具为一体的软件开发环境，采用环境信息库，支持软件开发模型和开发方法，并且集成机制有了较大发展。90年代开始出现支持面向对象方法和技术的软件开发环境。我国“七五”“八五”“九五”科技攻关中研制的青鸟软件开发环境\index{青鸟软件开发环境}，是当时先进的软件开发环境，具有较为完善的集成化软件开发支撑能力。
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软件开发环境由软件工具和环境集成机制构成，是支持软件产品开发的软件系统~\cite{张效祥2005计算机科学技术百科全书}。软件开发环境在工具集成的需求中开始萌芽，上世纪70年代中后期出现了软件工具箱（Toolkit）的思想，在软件开发过程中使用成套的多个软件工具。80年代起，软件开发环境的研究成为热点，出现了支持图形设计方式的第二代软件工具和集成这些工具为一体的软件开发环境。这些环境的特点是采用环境信息库，支持软件开发模型和开发方法，并且集成机制有了较大发展，出现了集成型软件开发环境。80年代后期，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）/欧洲计算机制造商协会(European Computer Manufacturers Association, ECMA)提出的集成化环境参考模型，被欧洲信息技术研究战略计划的PCTE采用，并于1990年成为ECMA的标准。90年代开始出现支持面向对象方法和技术的软件开发环境。我国“七五”“八五”“九五”科技攻关中研制的青鸟软件开发环境\index{青鸟软件开发环境}，是当时先进的软件开发环境，具有较为完善的集成化软件开发支撑能力。
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21世纪以来，随着互联网和移动通信的普及，软件工具和软件开发环境的用途和种类进一步拓展，出现了支持软件国际化、软件开发协同工作、开源软件库和开源社区环境以及支持互联网、物联网和云计算的基础软件和应用测试支撑工具。软件开发环境不仅支持时间上的松耦合开发，还支持空间上的分布开发，并且开始以协同开发思想为基础，更强调多相关方、多工具、多活动的协同开发支撑，使得软件产品相关的所有利益相关方能在互动的软件开发协作过程中，实现包括需求管理、项目管理、软件部署和运行监控等活动在内的完整的软件生存周期过程支撑。
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学 科教育基于学科的独立知识体系，宣传和普及学科知识，培养学科专业人才。学科教育是构成学科的要素之一，并受学科的发展、教育理念和方法的进步等因素的影响。近年来，随着软件学科的边界不断拓展，内涵持续变化，地位不断提升，以及对人类社会的影响面日益扩大，软件学科教育的重要性日益凸显。与此同时，随着我国经济结构的调整和升级以及以信息技术为代表的新经济的快速发展\cite{aihua2017fast}，软件学科教育需要为国家的经济转型培养高素质的专业人才。如何加强软件学科教育，提高人才培养的质量和水平，让更多的社会大众从中受惠和受益，成为全社会关注的话题。
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学科教育基于学科的独立知识体系，宣传和普及学科知识，培养学科专业人才。学科教育是构成学科的要素之一，并受学科的发展、教育理念和方法的进步等因素的影响。近年来，随着软件学科的边界不断拓展，内涵持续变化，地位不断提升，以及对人类社会的影响面日益扩大，软件学科教育的重要性日益凸显。与此同时，随着我国经济结构的调整和升级以及以信息技术为代表的新经济的快速发展\cite{aihua2017fast}，软件学科教育需要为国家的经济转型培养高素质的专业人才。如何加强软件学科教育，提高人才培养的质量和水平，让更多的社会大众从中受惠和受益，成为全社会关注的话题。
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软件学科的研究主体是人类及其思维活动，客体是软件及其内在规律。在人机物融合时代，“软件无所不在”、“软件定义一切”使得软件成为人类社会的重要基础设施\cite{hong2018everything}，软件系统的环境、边界、构成、形态、交互等发生了深刻的变化。这些变化不仅推动了软件学科的发展和进步，而且使得软件学科教育的对象、面临的挑战等也随之发生变化。
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首先，随着软件的日益普及，软件对人类社会和现实世界的渗透力越来越强、影响面越来越广，受其辐射和影响的人群也越来越多，并随之产生了一系列新的问题、出现了新的价值取向，如伦理、道德、可信、隐私保护、安全等。越来越多的大众融入到了软件定义的世界（如使用微信来开展社交），甚至通过编程等方式参与软件的构造。总体而言，软件学科与人类社会间的关系变得更为紧密，软件学科教育日趋普及化和全民化。
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研究针对软件开发者行为和制品的软件伦理合规检测技术，尤其是自动化检测技术。例如，面向软件版权保护的代码溯源技术、软件许可证违规使用检测技术，软件及软件使用者恶意和危险行为检测技术等；研究并制定软件伦理的合规监督方法，如过程、规范、标准等，形成覆盖全面、导向明确、规范有序、协调一致的检测和监督技术体系，以快速、高效和准确地发现和修正违背伦理的问题。
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\section{本章小结}
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在人机物融合时代，随着软件辐射面和影响面的扩大，软件学科的发展和进步，软件学科教育的内涵和外延也在发生改变，它涉及普及教育、专业教育、跨专业教育、教育理念与方法改革等多个方面，面临着一系列重大的问题的挑战，包括：如何针对具有不同认知水平的受众对象开展普及教育？如何根据人机物融合时代特点来深化专业教育？如何加强软件学科与其他学科的融合来实现跨专业的教育？以及如何改革软件学科的教育理念和方法来满足不断增长的人才培养需求、如何应对软件伦理问题等等。为了迎接上述挑战，软件学科教育需开展一系列研究，包括：以“知识普及 + 思维培养”为核心的普及教育、以“复合型 + 创新型”为目标的跨学科教育、以“知识体系＋能力培养”为核心的专业教育、以“探究规律 + 方法创新”为主体的教育理念和方法改革、以“规范内涵 + 自动检测”为核心的软件伦理建设。
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软件学科教育是软件学科的重要组成要素，为软件学科的发展提供人才驱动力。随着软件学科的影响力不断提升和辐射面持续扩大，教育在软件学科中的地位和重要性日益凸显。在“软件定义一切”时代，软件普及化和泛在化趋势日益明显，软件的形态和复杂性发生了深刻变化，学科的内涵和外延及知识体系不断发展，在此背景下软件学科教育既面临着严峻挑战也面临着新的机遇，包括从单一性的专业教育向大众化的通识教育转变，与其他学科和专业的融合实现跨界人才培养，顺应学科发展以及由此带来的新问题来加强和深化专业教育，适应教育理念变化、结合学科特点来改革软件学科教育方式和方法等等。未来软件学科教育的研究与实践将会出现一些新的变化和关注点，包括以“知识普及 + 思维培养”为核心的普及教育，以“复合型 + 创新型”为目标的跨学科教育，以“知识体系＋能力培养”为核心的专业教育，以“探究规律 + 方法创新”为主体的教育理念和方法改革，以“规范内涵 + 自动检测”为核心的软件伦理建设。本章讨论了当前软件学科教育面临的重大挑战性问题，分析和梳理了软件学科教育的主要研究内容及未来的发展方向。
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%\bibliographystyle{unsrt}
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%\bibliography{reflib}
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%另一类研究以形式化分析为基础，提供该类系统的可靠性、鲁棒性等保证。基于神经网络的智能系统结构\index{智能系统结构}复杂，神经元结点数众多。如何验证这类系统的正确性、分析其可靠性，是一个挑战性的问题。基于抽象的方法大大提高了可处理的神经元个数。由于实际系统的输入具有不确定性，针对确定的神经网络结构判断系统对每个输入的鲁棒性难以推广，目前缺乏对实际系统可用的验证方法。一种可行的方法是对接近输出的中间层进行验证。或者，针对神经网络的可解释性问题，把语义作为训练内容，与现有的系统结合，增加网络的可解释性。另一种可行的方法是根据系统训练过程中网络结构特点，构建输出的监测器。在使用中若某个输入导致了异常的网络内部结构，则该输入可能未在训练集范围内，输出结果不一定可靠。
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\section{本章小结}
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计算机软硬件的飞速发展以及不同领域需求的日益复杂，催生出各种实际问题，为软件的设计与开发带来巨大的机遇与挑战。我们需要不断探索解决这些挑战性问题的新途径。软件理论依赖于各种数学手段；反过来，软件及理论的发展也可能给数学研究带来新的问题。作为软件学科基础的理论与方法需要与时俱进。
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软件理论为软件学科的发展提供了坚实的基础。计算机软硬件的飞速发展以及不同应用领域的特点，催生出各种新的问题，为软件的设计与开发带来巨大的机遇与挑战。为了解决这些新的挑战性问题，软件理论也需要与时俱进。软件理论往往依赖于各种数学手段；反过来，软件及理论的发展也可能给数学及相关学科提供新的研究问题。围绕着人机物融合的时代背景下，数据信息量大、软件需求复杂、硬件体系架构与计算模型不断更新等问题对软件理论的挑战，本章详细阐述并梳理了应对这些挑战的研究方法与内容。软件学科的发展促进了软件理论的长足进步，而软件理论的进展也将推动相关技术的提升，推动软件应用领域的发展。
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%\section{参考文献}
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%[1]. L. Peter Deutsch, Ronald B. Finkbine. ACM Fellow profile. ACM SIGSOFT Software Engineering Notes 24(1): 21 (1999).
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\section{本章小结}
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如果说软件是社会的基础设施，那么程序设计语言就是软件的基础。泛在计算促使我们，设计各式各样的适合某种框架或具有某种特性的领域特定程序设计语言，使得人人能编程；研究语言随着时间和环境的改变而变化的演化和生长机制；并开发一个全新的“基于语言”的软件设计方法和支撑环境。在这一章里，我们指出了新时代程序设计语言的几个挑战性问题，有些问题并不是新的，但是它们被赋予新的内涵。作为参考，本章也列出了一些重要的研究内容，希望能够通过这些具体研究来迎接这些挑战。
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软件已经成为人类社会的基础设施。如果说软件是信息社会发展的基础，那么程序设计语言就是软件持续发展的基础。在泛在计算的背景下，程序设计语言的挑战问题主要集中于如何建立、描述和实现泛在计算的抽象。泛在计算促使我们，探究各式各样的适合某种框架或具有某种特性的领域特定程序设计语言，使得向下能对硬件计算单元进行抽象并提供接口，向上适合处理不同场景的应用编程；研究程序设计语言随着时间和环境的改变而变化的演化和生长机制；探讨基于“语言工程”的软件设计方法和支撑环境。本章详细地说明了新时代程序设计语言的几个挑战性问题，有些问题并不新，但是它们被赋予新的内涵。同时，本章也列出了一些本领域的研究热点，希望有更多的科研人员投入程序设计语言及其生态的研究，迎接未来的挑战。
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@ -135,7 +135,7 @@ DevOps整合了开发团队与运维团队，使其成为一个整体，这使
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围绕微服务架构有如下几类研究值得关注：（1）实现合适粒度的微服务划分方法，主要研究内容包括：基于领域驱动设计方法识别限界上下文以实现高内聚、低耦合的服务；利用遗留系统的现有构件信息识别候选微服务；综合利用多种划分策略实现复杂系统的服务划分等。（2）基于微服务架构的快速故障定位和消除，主要研究内容包括：构建更加完善的监控系统，除了基础指标监控功能，实现分布式服务链路追踪和日志聚合分析等高级功能来帮助故障排查和定位；基于AIOps实现智能告警运维，通过已经构建的监控系统平台对多种类型数据进行不同形式的采集（有代理和无代理）、处理、存储，使用并改进机器学习算法对运维数据进行分析预测，实现多种场景的智能告警运维；微服务架构评估，即提出面向微服务系统的一般化架构质量评价方法，为微服务系统架构质量的评估过程提供指南，总结供架构评估使用的核查表（Checklist）以支持开发和运维中的微服务架构实践。
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\section{本章小结}
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高效、高质量、低成本地开发和演化软件系统是软件开发方法和技术研究追求的总体目标。本章分析了在这个总体目标指引下，面对人机物融合应用场景需求软件开发方法和技术研究将面临的重大挑战，并在此基础上阐述了相关的主要研究内容。
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在“软件定义一切”的时代，人机物融合的应用场景进一步拓展了软件的使能空间，开发和演化软件系统成为人类创造财富、延续文明的重要需求和途径。高效、高质量、低成本地开发和演化软件系统始终是软件开发方法和技术研究追求的总体目标，在人机物融合应用场景需求的牵引下，软件开发方法和技术研究将面临复杂场景分析与建模、群智开发、人机协作编程、开发运维一体化等诸多重大挑战，围绕这些挑战所开展的研究将主要集中在人机物融合场景建模、系统自适应需求分析、系统内生安全规约获取、群智软件生态、群智协同演化、群智软件支撑环境、面向机器编程的代码生成、面向人机协同的智能开发环境、开发过程建模与优化、软件系统运行数据管理、开发运维一体化的组织与管理等方面，最终形成人机物融合场景下的软件开发范型和技术体系。
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%\section{参考文献}
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%\ref{1}张伟, 梅宏. 基于互联网群体智能的软件开发:可行性、现状与挑战[J]. 中国科学:信息科学, 2017(12):5-26.
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开源和众包对操作系统及其上生态链的发展已经产生深远影响。如何在操作系统生态链构建过程中，最大限度扬长避短，发挥开源和众包的优势，是需要深入研究的问题。首先，在使用开源资源时，如指导思想和方法不当，可能导致在产品中包含若干“黑盒子”，引入代码不可控、产品升级被动等风险，因此，需要研究操作系统代码来源链的建模和分析方法，以及多来源和开源/闭源混源代码缺陷的定位和溯源方法。其次，开源的优势之一是可以促进面向行业或应用场景需求的专用操作系统的发展，在严格遵循开源许可证的前提下，实现操作系统的快速定制。这可能会对操作系统的可剪裁性产生深远影响，甚至催生未来新的商业模式。再次，如何在技术、平台和机制设计层面上驱动开源社区的群智汇聚，丰富和完善操作系统及其上软件生态链，也是未来系统软件领域的重要研究内容。
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\section{本章小结}
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无论是今天还是未来，操作系统都是“软件作为基础设施”的集中体现，也是“软件定义一切”能力的基石。在计算泛在化背景下，未来的操作系统将突破当前单机操作系统这一狭义形式，向支撑人机物融合、具有“资源虚拟化”和“功能可编程”特点的泛化运行平台过渡。受这一趋势所推动，一系列重大挑战性问题涌现，包括支持软件定义的新型运行平台架构、泛在资源的高效虚拟化和调度方法、软件系统持续适应演化的支撑机制、人机物融合过程中的安全与隐私问题等。本节对上述挑战的概念内涵、产生背景和展开后的具体问题进行了详细阐述，并在此基础上结合操作系统和运行平台领域当前研究热点，从未来操作系统的不同形态角度，对领域研究方向及内容进行了梳理。
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无论是今天还是未来，操作系统都是“软件作为基础设施”的集中体现，也是“软件定义一切”能力的基石。在计算泛在化背景下，未来的操作系统将突破当前单机操作系统这一狭义形式，向支撑人机物融合、具有“资源虚拟化”和“功能可编程”特点的泛化运行平台过渡。受这一趋势所推动，一系列重大挑战性问题涌现，包括支持软件定义的新型运行平台架构、泛在资源的高效虚拟化和调度方法、软件系统持续适应演化的支撑机制、人机物融合过程中的安全与隐私问题等。本章对上述挑战的概念内涵、产生背景和展开后的具体问题进行了详细阐述，并在此基础上结合操作系统和运行平台领域当前研究热点，从未来操作系统的不同形态角度，对领域研究方向及内容进行了梳理。
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数据安全研究主要是利用现代密码学算法对数据进行主动保护。大数据背景下，海量规模数据和多样化类型数据给数据的检索和存储都带来巨大的压力，传统数据安全技术可能失效。
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主要研究内容可以包括以下三方面，一是大数据安全保护模型，包括攻击者行为形式化、大数据完整性、真实性和可用性定义、大数据访问控制方法等。二是数据存储、访问和处理中的安全保护技术，包括基于属性的身份鉴别、同态认证、基于属性的访问控制、零知识证明、函数加密以及通过安全计算协议解决大数据环境下人工智能高速发展所带来的数据安全共享计算的难题，包括优化同态加密及多方安全计算的高昂通信代价等。三是大数据安全保护动态化管理，包括用户失效证书管理、访问权限更新、应对数据权属变更的代理重加密、支持临时授权的访问控制等。
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\section{本章小结}
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在“以数据为中心的计算”计算时代，数据在计算体系中的重要性凸显。数据不再是依附软件（业务）而存在的，数据本身作为资源甚至资产可以是独立存在的。这给数据管理和数据工程带来新的挑战和机遇。一方面数据不仅仅支撑业务的运行，即使在业务活动结束后还要继续保存，因此，数据会越积越多，需要新的处理数据的支撑平台。这不仅仅影响到数据的存储组织方式，还对处理器的设计、计算机系统的体系结构、系统软件的设计、数据管理软件设计等都会产生深刻的影响。另一方面，数据只有使用才有价值，因此，围绕数据价值的提升，需要有新的数据工程方法学和软件工具的支撑。
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在“以数据为中心的计算”计算时代，数据在计算体系中的重要性凸显，数据不再是依附软件（业务）而存在的，数据本身可以是独立存在的。这给数据管理和数据工程带来新的挑战和机遇，一方面数据不仅仅支撑业务的运行，即使在业务活动结束后还要继续保存，因此，数据会越积越多，需要新的支撑平台。另一方面，数据只有利用才有价值，围绕数据价值的提升，需要有方法学和工具的支撑。这些挑战会深刻影响着传统数据管理与数据工程的研究走向。在数据管理方面主要表现在如何更加高效地管理大数据上，在数据工程方面将围绕数据整理、数据分析、数据安全与隐私保护等方向展开。本章对“以数据为中心计算” 概念的内涵、形成的历史脉络等进行了阐述，围绕数据管理和数据工程这两个方面，对主要的挑战问题和研究方向及内容进行了梳理。
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@ -1,11 +1,22 @@
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软件系统已经成为各行各业的重要基础设施，包括信息基础设施、软件嵌入的物理设备、以及软件提供的服务设施等。可以预计，基于这些软件基础设施，未来的应用软件系统将以面向领域的人机物融合场景计算为主要呈现形式。即应用软件系统将使计算服务嵌入各行各业以及民众生活，使计算从单纯的赛博空间进入人机物融合空间，综合利用人类社会（人）、信息空间（机）和物理世界（物）等的资源，通过协作进行领域特定的个性化计算，实现领域价值。
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近年来，软件定义网络、软件定义存储、软件定义数据中心等的不断出现，揭示了计算系统在能力描述上的趋势，其内在本质是资源虚拟化和功能可编程。未来的现实世界，场景就是计算机，软件系统要在各种各样的现实应用场景中，发挥其核心纽带作用，软件定义的方法和技术将成为其基本手段。
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近年来，软件定义网络、软件定义存储、软件定义数据中心等的成功及软件定义一切的趋势，揭示了计算系统在能力描述上的趋势，其内在本质是资源虚拟化和功能可编程。未来的现实世界，场景就是计算机，软件系统要在各种各样的现实应用场景中，发挥其核心纽带作用，软件定义的方法和技术将成为其基本手段。
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本章选择几个典型的，涉及``人-机''或``物-机''或``人-机-物''紧密交互的典型应用场景下的软件及其所处的系统，从系统体系架构和软件技术挑战等方面分别予以阐述，展示软件系统的发展趋势。此外，本章亦将讨论高性能 CAE 软件系统的技术挑战和研究方向，以更好支撑高端装备、重大工程和重要产品的关键科学技术问题的计算求解和模拟仿真。
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在此过程中，传统的信息系统以及嵌入式系统等应用软件系统通过软件定义以及服务化的方式进行解构，将其内部的功能和数据以API接口等形式开放出来，为人机物融合场景计算提供所需要的功能支撑。另一方面，以软件定义的人机物融合集成平台为特征的新型软件系统不断涌现。这些新型软件系统面向特定领域，以软件定义的方式按需集成各种人机物资源，直接实现各种人机物融合场景计算。与传统的应用软件系统不同的是，这些新型软件系统并非提供一组固化的功能，而是以平台化的方式支持各种场景下应用功能的灵活定制甚至自主涌现。
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%除此之外，传统的计算密集为特征的高性能CAE软件系统也是人机物融合系统的重要组成& 马老师写一段文字。
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\section{软件定义的卫星系统}
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本章面向人机物融合的新型软件系统，按照空天地一体化并覆盖生产、生活、国防等不同领域的标准，选取了作为太空探索及应用平台的新型卫星系统、作为面向生产的先进制造平台的流程工业控制系统、作为城市治理和生活服务平台的智慧城市系统，以及在生产、生活、国防领域都有应用的无人自主系统，从系统体系架构和软件技术挑战等方面分别予以阐述，展示软件系统的发展趋势。
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卫星系统长期以来一直采用“为特定任务定制卫星、为特定卫星定制载荷、为特定载荷定制软件”的技术路线。卫星按功能划分，一种卫星只能完成一种任务，入轨之后无法增加新的功能。新型卫星系统采用软件定义的开放系统架构，以计算为核心，支持有效载荷虚拟化，即插即用，应用软件按需编排、生成与加载，系统功能快速重构。从平台优先到载荷优先，从载荷优先到算法优先、软件优先，改变了卫星的研制模式，成为实现具备“一星多任务”能力的通用卫星的重要一步。
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流程工业控制系统利用信息技术将流程工业过程的控制逻辑化、管理流程代码化，从而驱动装备和管理业务按照既定的逻辑自动高效地运行，并实现预先设定的功能。流程工业控制系统是现代工业装备的大脑，也成为支撑第四次工业革命的核心。在新的时代背景下，流程工业控制系统将通过软件定义的方式完成平台化重构，通过设备和生产资源的虚拟化以及工业大数据采集和管理支撑各种工业智能应用以及相应的生产工艺和流程的灵活定制。
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智慧城市系统利用信息技术，促进城市信息空间、物理空间和社会空间的深度融合，从而向城市管理者提供城市规划管理支持，向市民提供便捷的智能化生活服务。智慧城市涉及交通出行、环保保护、应急处理、电子政务、医疗卫生、民生服务等众多领域，应用需求丰富。传统的智慧城市系统往往采取各个应用系统独立规划、独自建设的方式，不利于各种计算、数据和服务资源的按需整合。新一代的智慧城市系统采用软件定义的思想，将原来各自独立的城市应用系统整合为基于统一的城市基础支撑平台的应用生态系统，将各种感知终端、数据服务以及计算和存储资源进行虚拟化并提供标准化接口，从而使得各种应用可以通过资源复用和接口调用的方式快速构造，实现数据的跨系统流动以及服务的跨界融合。
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无人自主系统是机械装置、计算技术、传感器和软件的融合，包括无人地面车辆、无人飞行器、智能机器人等，其典型特征是环境的自主感知以及行为的自治性。无人自主系统经常会以群体协作系统的形式出现，通过功能和空间上的分布性协同工作完成目标任务。传统的无人自主系统针对单一的任务类型，通过硬编码的方式实现任务目标。新一代无人自主系统正在逐步向软件定义的定制化开发的 方向发展，通过资源层面以及自适应控制环路层面上的软件定义化，向下管理基础软硬件资源、向上开放硬件资源及自适应控制编程接口，从而支持无人自主系统应用的灵活定制化开发。
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此外，高性能CAE软件系统作为支撑高端装备、重大工程和重要产品计算分析、模拟仿真与优化设计的工程软件，为关键装备及科学装置的研制提供物理世界的数字化模拟，为现实世界人机物融合系统中的物理规律分析和验证提供了平台支持。为此，本章亦将讨论高性能 CAE 软件系统的技术挑战和研究方向。高性能CAE软件系统是连接上层丰富多样的应用场景与底层高性能计算硬件平台的桥梁，其自身也在向软件定义的方向发展。通过软件定义机制，高性能CAE软件系统可以实现对不用问题领域应用需求的个性化建模以及基于构件定制与组装的需求快速实现；同时可以通过对计算资源的抽象建模与动态分配，有效提高计算资源的使用效率。
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\section{卫星系统}
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长期以来，卫星的研制模式一直采用``为特定任务定制卫星、为特定卫星定制载荷、为特定载荷定制软件''的技术路线。卫星按功能划分，一种卫星只能完成一种任务，入轨之后无法增加新的功能。随着商业航天时代到来，这种``一星一任务、一箭定终生''的模式显然不能满足商业航天时代的需求。软件定义卫星成为一个新的发展趋势。2018年11月20日，中国第一颗软件定义卫星``天智一号''发射升空，是软件定义方法进入卫星领域的成功案例。
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软件定义卫星采用开放系统架构，以计算为核心，支持有效载荷虚拟化，即插即用，应用软件按需编排、生成与加载，系统功能快速重构的新一代卫星系统。从平台优先到载荷优先，从载荷优先到算法优先、软件优先，改变了卫星的研制模式，成为实现具备``一星多任务''能力的通用卫星的重要一步。
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\item 软件定义卫星应用的持续演化框架。其涵盖一系列软件系统演化机制和方法，需研究包含（1）领域特定的编程语言及运行时系统；（2）与编程语言系统适配的自适应计算卸载机制，以及代码自动生成与修复技术；（3）基于样例的API自动合成；（4）面向场景不确定性的管控逻辑自适应编排；（5）基于自主学习与数据驱动的管控目标自适应演化机制。
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\end{itemize}
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\section{软件定义的流程工业控制系统}
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\section{流程工业控制系统}
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流程工业控制系统指专用于或主要用于流程工业控制领域，为提高制造企业制造、生产管理水平和工业管理性能的系统软件，包括嵌入式工业软件、协同集成类软件、生产控制类软件、生产管理类软件等四大类。流程工业控制系统利用信息技术将流程工业过程的控制逻辑化、管理流程代码化，从而驱动装备和管理业务按照既定的逻辑自动高效地运行，并实现预先设定的功能。流程工业控制系统的应用可以提高产品价值、降低企业成本进而提升企业的核心竞争力，是现代工业装备的大脑，也成为支撑第四次工业革命的核心。
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过去流程工业领域已有很多信息化工作，但在新时代的背景下，流程工业控制系统需通过软件定义的方式，完成平台化的重构。这种软件定义的流程工业控制系统呈现出以下三方面的优势：（1）通过协同研发平台优化研发管理体系，以数据和流程的标准化，以及跨企业研发平台的建设思路为核心，优化研发管理体系；（2）通过对传统工艺的理解和改造，推广工业机器人在垂直行业的应用；（3）应用商业智能实现数据驱动企业发展，在商业智能系统中，实现全员统一查阅企业视图，全面预测数据，洞察驱动的业务流程最佳化，形成统一的基础架构预先构建的分析解决方案，演变成企业绩效管理系统。
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\end{itemize}
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\section{软件定义的智慧城市系统}
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\section{智慧城市系统}
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智慧城市系统利用信息技术，将城市的系统和服务打通并集成，以提升资源运用的效率。智慧城市系统建设已经成为城市治理的必要需求，其驱动力在于需要突破地域、部门或系统的边界，促进城市信息空间、物理空间和社会空间的深度融合，从而向城市管理者提供城市规划管理的支持，优化城市管理和服务，提高城市治理水平，向市民提供泛在、周到的智能服务，改善市民生活质量。
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智慧城市涉及交通出行、环保保护、应急处理、电子政务、医疗卫生、民生服务等众多领域，应用需求丰富，以往采取各个应用系统独立规划、独自建设的方式，造成了硬件``各为其主''、数据``互不往来''、软件``各自为政''的局面，不仅不利于软硬件资源的复用，也限制了跨部门、跨系统业的数据共享与业务系统，成为制约智慧城市发展的瓶颈。
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\item 城市规划仿真和突发事件管控。在城市大数据和多系统互操作的基础上，体系化地构建城市管理，特别是突发事件管控的模型库、预案库、策略库。研究多渠道城市运行管理事件关联分析、预警预报和综合决策技术，研究多系统协同指挥的流程及机制，研究基于跨系统城市功能协同的城市风险预测和推演技术，构建城市智能模拟/预测/推演平台；研究城市风险和灾害等不同情况下的城市危害与次生危害仿真模型，建立能支持突发公共事件风险的网络治理机制和城市群应急管理联动体制的平台。
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\end{itemize}
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\section{软件定义的无人自主系统}
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\section{无人自主系统}
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无人自主系统是机械装置、计算技术、传感器和软件的融合，包括无人地面车辆、无人飞行器、智能机器人等。其典型特征是能自主感知周边环境，通过内部搭载的计算部件理解环境状态并作出相应的行为决策，然后根据决策结果控制其机械装置执行相应的行为。以上各部分工作全部通过软件来协调完成。例如，无人地面车辆（UGV）是在地面上自主行驶的车辆，一般配备一组传感器以观察其周边环境，通过感知和决策自主决定其行为。
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@ -214,6 +225,6 @@
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\item 高性能CAE软件系统快速研发新模式：针对高性能CAE软件系统研发效率瓶颈，研究既适用于基础/共性成果快速集成，又便于基础/共性成果快速专业化应用的高性能CAE软件研发新模式。提供载体，将在突破效能瓶颈、精度瓶颈和交互瓶颈过程中形成的工程建模、数值离散、并行计算、前后处理的共性研究成果集成于其中。
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\end{itemize}
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\section{本章小节}
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\section{本章小结}
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本章考察软件定义卫星、流程工业控制软件、无人自治系统、智慧城市系统等4类领域应用软件，分别从这类系统的功能需求出发，按软件定义的视角，勾画出它们的三层体系架构，突出其软件系统向下管理和调度资源，向上实现应用逻辑编程以满足需求的核心作用，目的是建立基于软件定义的泛在软件系统的参考示范。本章另外还讨论了高性能CAE软件的功能特征和关键技术挑战。
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