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发布时间: 2024-07-26 17:43:11 来源:bifa必发唯一官网主页 作者:bifa必发·唯一中国官方网站
是最为重要的基石。所有关于数字制造的设想,都在以隐蔽的姿势,指向这个基石。高端装备制造更是如此。美国仿真软件
10月30日,美国光刻机巨头应用材料、泛林等公司马上实施对晋华断供,驻厂人员瞬即撤走。美国的工业软件也应声停止供应。投资370亿的晋华立刻陷入瘫痪。
从美国仿真软件CAE的发展历史来看,CAE无疑是一种美国国家战略意志的结晶。美国宇航局NASA、西屋核电和美国国防部的代码转移和扶持,使得美国早期CAE软件公司,成功地从科研机构,进入了市场之中。随后,这些CAE企业进行了波澜壮阔的并购。
在翻看国外工业仿真软件CAE巨头的鲨鱼进化史中,我们发现这些行业先锋能活到今天,充满了疯狂并购的味道。在过去十年中,仅仅行业的Top5的仿真软件公司,并购次数高达65次。每一次整合,都会酝酿出一个更大的知识火山。人类工业知识迅速聚集,使得这些工业软件企业,成为工业界最聪明的工业公司。
这个市场,是人类工程师智慧的整体拼盘,也是一个带有强烈的国际化知识流动与融合的结果。这个市场,是一个大鱼自由吃鱼的海洋。
中国CAE本身发展动静不大,池子里的鱼也并不多,屈指可数,而且都很小,只在一些礁石缝隙里面才能找到。一边是天天喷火的国际火山口,一边是波澜不惊的中国宁静之湖。这是工业发展史上,最为奇特最不合拍的一幕。我们所有的制造业,都在紧随国外潮流发展的时候,哪怕山寨都是倍有诚意亦步亦趋地跟着师傅走。只有在仿真这个领域,我们对国外软件的发展出现了整体上的静默,错失了三十年的大好机会。
不妨更加直接地说,中外CAE的差距,就是中国与发达国家国家工业化水平的最直接的标尺。三十年,不过是它的一个基本量度。全世界最优秀的工程师的经验,高端行业研发过程的Know-How和最佳实践,都在被编码成一行一行CAE代码,几代人踩肩相传。而中国,则处处都是断层。
然而,这种说法对于那些曾经奋斗青春的CAE斗士们,其实也不公平。上世纪80年代后期,中国CAE领域也出现了一个百花齐放的小阳春。以中科院、北大 、大连理工、清华等为代表的一批高校和科研人员开始做相关的软件开发。一时间中科院梁国平教授独树一帜的有限元语言FEPG和飞箭、大连理工的顾元宪和张洪武教授的JIFEX、29基地的风雷软件、中航工业强度所的HAJIF软件等都曾纷纷崛起。
然而到了今天,这些仿真软件固然仍旧在发挥一些作用,但用户量都极小,基本都不成气候,深处闺中。令人倍感唏嘘的是,三十年前的一些版本,至今仍然有人在运行,飞箭、紫瑞至今仍有数百余套CAE软件在被使用。它们就像一辆几十年前的凤凰自行车,嘎吱嘎吱地还可以转动几下。
2014年9月,一群国内外赶来的原软件开发人员和家属,在北大燕园举行了一次很小的聚会,庆祝通用结构力学分析程序SAP84应用三十年。只是,这是一次亲情的聚会,与软件无关、与行业无关。
SAP84曾经是一个响当当的名字,这是由北大力学系袁明武教授主持开发 。回国后,他以美国加州伯克利大学SAP80软件(非现在的德国ERP软件,而是80年代国内最早广泛应用的一款结构分析FEA软件,早期以主机系统为主,输入端为穿孔纸带)为基础,没有经费支持的情况下,毅然走上了在个人计算机上开发计算力学软件之路。经历了学习消化和自主创新阶段,到1984年的时候,新版本功能大大超过了当初的SAP80,这也是名字中含有“84”的由来。袁明武教授彼时已经坚定地认为,开发工业软件,是力学与工程实践相结合的必由之路。
后来这个软件的各个版本,被国内一千多家用户,应用于在工程设计和研究的场合。在长江三峡大坝的初步设计、黄河小浪底枢纽工程抗震分析、北京西客站屋顶结构等都有用过,此外也用于客车车身优级强度验算等机械产品。然而,这个面向通用仿真的软件,最终还是在商业应用上折戟。
中科院研究员梁国平在在1989开发出来通用性仿真软件FEPG,其最大的原创性是有限元语言,执行效率很高。这个创举,连当时世界排名第二的仿真软件公司MSC都注意到了。从报纸上看到这条消息之后,MSC甚至跑过来跟梁先生谈收购。不用说,MSC这种过于市场化的想法,在当时的业界简直是天方夜谭。
1993年7月26日的《人民日报》曾经如此报道,“梁国平首创有限元程序自动生成系统,数天内可完成数月才能完成的编程工作”。
严谨的中科院鉴定委员会1993年8月也给出了这样的评价,“该系统不同于通常的有限元程序,而是有限元程序的生成系统,使用者只要提供相应信息,就能自动生成所需的有限元FORTRAN源程序...,该系统已达到国际领先水平。”
在1996年,科技部的前身,科技委在研究成果公报960960中,也正式公布了对这项成果的认可。
此一刻,中科院数学所领导表现出非常开明的一面,鼓励梁国平去做市场,并在中科院图书馆后面一个小楼提供场所。此时梁先生四处筹款之后,正式成立飞箭公司,打算大干一场,而他的人才标准也很简单,“北大、清华、中科院”,别的学校学生都不要。梁先生并没有细想过,高材生意味着什么样的成本支出。
随后梁先生一直紧跟科技最前沿的发展,2000年开发了全球首套互联网有限元软件,这是紧随1999年互联网泡沫危机而产。不用说,这种理念在当时,实在是太过于领先了。
到了2006年,高性能计算HPC开始兴起。不同于串行计算,并行计算可以在数千个CPU分配和调度任务。就在这一年,梁研究员推出了FEPG的升级版本,也就是并行计算pFEPG。2009年借助天津市的一点有利的政策支持,以梁的并行仿真技术为基础的元计算公司成立。
这一年,也是美国确立计算仿真战略高地的一年。美国总统信息技术委员会《计算机科学:确保美国竞争力》以及美国国家科学基金委的《基于仿真的工程科学SBES》的报告,先后被提交给了美国总统。几乎同步,中科院也在2007年向国务院提出要发展建模仿真的战略,可惜这个极具战略远见的提议,后来不知卡在何处,石沉大海。
即使有着如此领先的意识和技术,然而资本的投入,却是极为有限的。梁坚持认为,一心只做基础研究就足够。然而作为公司总要有一个公司的盈利原则。实际上,元计算公司,做了大量的工程研究的基础工作,像是在做国家院所要做的事情。这种坚持做通用型仿真的努力,对比国外仿真公司每年动辄数亿美元的研发投入,几乎不值一提。对于梁国平先生而言,除了资金之外,更重要的是后继无人,当年非“三大院校”莫属的招生规则已经成为历史,没有年轻人会有时间来苦守如此寒窗 。
国外CAE厂商的发展,源头往往都是来自工业制造本身,很多脱胎于工业工程技术的需要,然后借助于资本和并购的驱动,实现接连撑杆跳的跳龙门。美国早期CAE都是通过国家资助得以发展。像早期的商业化仿真软件MSC、UG、SDRC都有美国宇航局NASA的影子,当前最大的仿真软件ANSYS背后有西屋核电的支撑。国家资助的项目,在经历过基础研发之后,后期都会转为公司做商业化扩散。
而中国CAE,则基本上都是走了一条从高校科研出发、止步于院所的路线s就提出有限元方法,完全与国际同步。但随后的产业化,却差强人意。三十年过去了,浪费了大量的人力、少量的金钱(对工业软件一向缺乏认识的中国科技界,还真没投什么钱),硕果无存。最重要的是,错过了最佳发展的时间窗口。
然而课题一旦结束,软件基本就会被封存。至于后期再进行转化,完全没有经费支持。然而软件工程的经验,一个有效的软件要走向市场,需要经历过三个阶段:基础研发、工程应用到最后的商业转化,这三个阶段的投入为1:5:25。中国基础研发过后,就再无下文。因为从基础研究,到线%以上的投入未能到位。这是中国工业软件未能从院所实验室成功转化为社会化商品的最大遗憾。换言之,投入不足,产业转化不畅通。在科研院所,只能靠一波一波流水的学生“兵”,做零星的缝补工作,很少得到工业应用的实际反馈和迭代提升。而对于所有在研学生而言,写论文自然又是最为重要的事情。
中国发展CAE的失败历史表明,单独从高校院所发展工业软件并不可行。一个最为重要的问题是,大学院所往往都是引文数据指标的SCI为导向,而评审专家在科研项目的结题验收时主要就是考察SCI统计结果。因为评审专家往往不能在一两天内全部了解掌握技术。事实上,通过国外CAE软件进行验证计算,所产生的SCI论文,会比自行研发CAE技术产生论文成果,要容易得多。许多行业的复杂分析,有时圈内形成了一个事实上的行业标准,需要使用某些权威软件进行结果标定才能认定,这样,大大线坠了一些小众的自研CAE软件的市场应用积极性。
可以毫不夸张地说,对于试图走向工程化应用、走向科技转化的科研项目而言,SCI就是科技转化的毒瘤。
在航天院所,同样存有转化不通的问题。航空CAE资深专家岳中第,在回忆几十年前参与开发航空结构分析软件HAJIF的历史,感觉当时都是国家行政命令。
HAJIF经过航空研发几代人打拼,从上世纪70年代由强度专家冯钟越开始立项,中间不断扩展,到1985年的时候,已经发展到III型 。一时间,HAJIF应用到在研的多种新飞机型号,其基本功能已经覆盖当时国外主流系统。然而,由于缺乏持续的开发和运营,缺乏市场化的动力、资金和支撑机制,直到今天,HAJIF一直处于苦苦支撑的局面。机制不明,未见源头活水,依然是掣心之痛。
中国CAE软件发展的失败,与国外软件在中国的长驱直入也有着直接关系。彼时,国人尚不清楚如何保持稚嫩的工业产业,尤其是工业软件这种几乎看不见的领域。在1996年前后,国外仿真陆续进入中国。美国商业化成熟度很高的ANSYS、MSC先后进入中国市场,友好亲和的用户界面,奇快的计算速度,很快将刚刚起步的国产仿真软件打下马来。而四处蔓延的盗版软件,则进一步挤压了市场空间。没有大资金接应,又没有用户的反馈,这些院所出身的CAE软件很快陷入困境。
只有与用户市场紧密地在一起,才是工业软件发展的正面之道。而在中国,科技部和自然基金委往往只抓基础研究,工信部会认为工业软件的研发是企业自己的事情(当然,即使有资金也是有限得很),国资委和发改委所持有的装备制造用户大本营又很难对国产工业软件开放。这三大各自为阵的拧巴体系,使得工业软件这一投资巨大,需要多层转化才能成熟的技术类型,毫不意外地走向穷途。
除了国外软件的大举进入,盗版江湖的挤压,高层人士对软件这种特殊商品的认识也存在偏颇。在科工局系统的条保中,一直对“软件”采取“硬件设备”方式进行参数描述和项目上报,而对每年的维保续费,没有单独开列。殊不知,国外的软件公司正是依靠稳定的每年维保续费,保持了高昂软件开发和性能升级迭代的良性循环。
这个行业自己正在失去辨识度。随着各家学院派软件的凋落,行业里越来成为寂静之地。2006年,曾经是CAE行业声音最为洪亮的一个年份。当年中科院举办的《CAE自主创新发展战略》,高校院所、各大用户如汽轮机厂、船舶工业等,纷纷端出自己的几近工程化的软件成果,吉林大学教授的汽车车身结构制造分析KMAS软件、中科院力学所傅德薰的多尺度高精度计算HOAM软件等,都是大家非常关注的对象。那真的是一个美好的时代,许多种子都在热烈的发芽之中。而在更早的70年代,大连理工就有“上海小分队”的故事。就是钱令希院士派遣,钟万勰院士带头,到上海研发软件。当时上海既有计算机等硬件条件,又有具体的工程任务。大连技术与上海硬件、上海需求的三体结合,造就了一段辉煌升腾的故事。
就在这次会议上,北大袁明武教授再次提出一个严肃的问题,自主CAE有了一些有限用户,但想要继续扩大战果,在资金上已经完全难以为继,进一步研发已经是“奄奄一息” 。
当时钟万勰院士非常清晰地指出,“CAE已经成为数字设计与制造的核心”,这是对传统的实验室反复试制模式,一次巨大的颠覆。这离2014年德国工业4.0开始广泛引发人们对数字化制造的思考,整整提前了6年。在当时,自然并没有多少人注意。香山会议,也是学者们为中国CAE发展而歃血而盟最后一次的集体担当了。所有的问题,都已经指出来了。但没有部门牵头推进。
行业内有一本非常专业的杂志,《计算机辅助工程CAE》,到了2012年开始改刊,从季刊变成双月刊。此前大连理工的钟万勰院士,还一直在杂志上呼吁国产CAE软件。在2012年最后一次刊有为自主可控CAE软件一直奔波的陆仲绩先生的文章之后,再无行业发展的消息。这个刊物就变成了国外仿真软件交流的学习平台。同样,这种冲击也发生在大学校园。许多大学放弃自主研制的方向,将课堂变成传授如何使用进口软件系统的阵地。难怪行业里会问,“难道中国大学的计算力学教育,就是教授如何使用进口软件?”
这个舞台之上,现在只能听见国外CAE软件的纵横驰骋。在从上个世纪开始的数学家冯康、大工的钱令希教授、中航工业的岳中第、北京航空制造所的王普总工等,都曾经创造了一代人的辉煌。然而,由于行业发展式微,许多原来在这个行业有所建树的院士纷纷远离这个行业。只有大连理工两位院士、清华大学的柳百成院士等少数派,仍然在不知疲倦地在为行业而孤独地战斗。按照钟院士自己的说法是,“我是从1970年开始自主开发结构有限元软件,大连理工大学在此方向坚持了6代人40余年,可谓屡败屡战。”
今年10月份发改委面向社会,征集《战略性新兴产业指导目录(2016)》修改建议。旨在推动国内工业软件发展的“工业软件论坛”,发起了建议提升“工业软件的目录等级”的建议,钟万勰、程耿东院士迅速亲自签名,为CAE的发展而助威。彼时钟院士还在医院治疗。他们太希望这个行业能够恢复它应该得到的重视。
然而在有些部委的项目中,居然要为这类软件是否立项,进行争论。数字化设计和仿真软件,不可一日停止攻坚,因为这是中国制造走向未来的根基,没有这些软件的支撑,谈什么智能制造、先进制造,几乎都是空谈。重要的是,有了这类软件国产阵地的坚守,不过做的有多艰苦,就会留有一批人才和一手备用棋。在特殊时期,就是最温暖的火种。而机制得当,这些火种还是会扶摇而起。
然而中国每前进一步,管制清单就会退一步。当我们需要开发某项技术或者高科技产品的时候,国外就会通过“瓦格纳协议”、“管制清单”进行横压;然而中国一旦有突破,国外立刻就会放松限制,在市场用成熟产品碾压中国刚起步的弱小幼苗。在今天,像欧拉型大范围爆炸、水下爆破、高端气动弹性和高超声速等仿真软件,仍然实施禁运,许多CAE软件都会禁卖给军工企业。像在碰撞、爆炸行业领头羊LS-DYNA软件的很多模型根本不对中国销售,全球非线性有限元软件行业的标杆MARC也曾经禁运过,而工程模拟的有限元软件Abaqus,则通过限32核从而对计算能力进行限制。
在上个世纪80年代刚刚起步的中国CAE、CAD软件,最终没能发展起来,与90年代大量国外软件迅速进入中国市场,从用户体验和高校教育两个维度的反复碾压,而中国又未能提前规划有效保护国产工业软件,有着最为直接的关系。
中国工业软件的三大代表软件:CAD、CAE、EDA,已经成为弱小“微生物产业”。作用巨大,但却不可见,更谈不上重视。然而,工业软件就是这样天生“娇贵”的工业战略品,初期的发展就是吸金巨兽(企业是万万承担不起的),随后是需要用户百般呵护的“刁主”,最后百炼成钢,才能成为一代工业天骄。
国之重器,缘何成为产业缝隙中无人关注的微生物?哀莫大于心死。一方面中国惊呼卡脖子之痛,一方面卡脖子行业自身被打入冷宫。作为工业明珠的行业江湖,居然门厅冷落。这是一个标准的“公地悲剧”。
没有国家的支持,这个行业只能以一种“饿着肚子闹”的姿态,继续前行。中国CAE市场现在活跃着四大流派,分别是学院派、传统派、代理派和在线派。
学院派是指从院所高校发展而来。这里面包括中科院源头的元计算公司的IFEPG、空气动力研究所的围绕计算流体力学的风雷软件、航空工业强度所623的航空结构分析HAJIF(这可是1975年 就开始研发的老宝贝)、大连理工的SiPESC仿真(前身JIFEX)、华中科技大学冲压成型分析的华铸CAE、西安电子科技大学的大规模并行电磁计算软件Laspcem和华中教授所创办的苏州同元MWorks。这类学院派的特征就是依靠院所资源,理底比较强,基本功很扎实。这其中,最为传奇的是大连理工,围绕钱令希校长、钟万勰院士、程耿东院士等人的悉心栽培,从一开始的有限元软件DDJ(多载荷多工况结构分析)开始 ,到顾元宪和张洪武教授主要完善了JIFEX。一直到现在,几乎是三代人的传承,中间也有很多产品在市面上服务。尽管在90年代,当时都没有完整的说明书,以至于很难说是一个完全商业化的商品。但是这么多年,却是前赴后继,培养了很多人。
仿真软件最大的亮色,来自建筑领域。土木工程的结构分析软件PKPM,是由中国建筑科学研究院研制开发,由于加入了建筑结构设计规范,结合本土应用,一举成为我国用户最多的自主开发的有限元分析软件。
与高端设计软件CAD高度垄断市场有所不同,在通用仿真分析领域,尽管国外的仿真软件如ANSYS、澳汰尔ALTAIR、MSC等占据了几乎全部份额和用户,但是由于仿真往往有许多非常强的专业性,很多场合只能通过专业仿真软件来实现。再加上CAE软件一套价格不菲。因此,国产CAE软件仍然有一定的市场缝隙,不至于饿死。
这一点,尤其体现在传统派。他们的创始人往往是技术骨干,但却奏折垂直路线。包括大连英特、西安前沿、以透平为主攻方向的合肥太泽透平、以军工行业为方向的上海索辰、国内唯一商业化走电磁仿真专业路线的上海东峻、以多场耦合见长的北京超算科技。
北京希格玛仿真,压力容器行业做国产CAE工具,体量比较小。但在石化压力容器行业也是跟老外抗衡的唯一国产货。而济南圣泉则以行业里少有的战略并购眼光,从韩国收购了铸造软件AnyCasting,深耕铸造行业。而专注PCBA工艺设计仿真上海望友,则致力于对标被西门子刚刚收购的EDA软件Mentor旗下Valor产品线。
第三类是代理商自研的力量,这可以算是老兵的新战场吧。例如专注于高空高速流动的专业CFD软件的北京海基、ANSYS的代理商安世亚太的协同仿真平台等。在中国,做代理的,没有不希望可以研发出自己的软件。代理商为不同CAD、CAE软件二次开发,实现软件之间的数据传递,基本上属于客户定制化的开发,并没有触及核心算法问题。因此,基于自主研发,恐怕是迟早要赶的路。替别人抱养孩子的时代,已经翻篇了。
值得眼前一亮的是代表新锐实力的在线派,包括上海数巧的SimRight、北京蓝威的EasyCAE、北京云道智造、杭州远算科技的云格物,以及围绕压铸的北京适创科技。还有在美国创业做结构和热分析的Welsim等,都在在线领域试图撕开传统仿真巨头的一个口子。在线仿真作为一个面向未来的新兴市场,一方面可以较好地避开盗版问题,为新兴企业留有一点点利润可以糊口喘息;另一方面则是其全新的架构设计,和快速的服务响应,更好地适应中小企业的需要。由于这些公司创始人都非常年轻,而且往往都在国外大型仿真软件公司有过长时间开发的经验。当下正是生命力蓬勃绽放的大好时机。这或许是未来中国仿真的种子力量。
随着数字制造的发展,计算机仿真越来越成为一种真正的核心底层技术。作为一个软件企业,必须注重市场规则,避重就轻,不去啃这块硬骨头。然而要真正做到自主可控,国家必须吃硬干粮。因为CAE的安全,就是工业的安全。
然而这背后首先需要回答的一个问题:仿真软件,是不是国家战略工业品?出乎很多的人意料,仿真软件CAE要完成成熟的商业化产品,投资规模虽然会小于大飞机,但技术密集度并不低于歼-20的实现。
没有技术固然可怕,更可怕的是对技术缺失的忽视。西方国家对中国直接禁运的产品,中国还有意识去正面追赶;而很多可以拿钱买来的工业品,则往往不被重视。西方许多通用的工业商用软件,似乎从来未让中国产生担心。然而美国工业软件四月份对中兴的禁售,却是一次最为警醒的闷雷。一旦,工业软件断供,所有的国防武器装备的设计制造,都存在巨大的风险。
中国自主的仿真CAE技术,在上个世纪80年代,曾经跟是离国外技术最为相近的一刻。可惜那个时候并不知道工业软件的价值。“拿来就用,大干快跑”的实用工具主义主宰了届时的市场。中国的CAE,没有输在起跑线,却在百米接力赛中败在交接棒上。起跑线上本是一步之遥;几圈下来,我们几乎已经不在赛道上。
然而,此知不归,吾亦往已。到了绕不开而必须正面突破的时候了。两代人的热望,既有“白头搔更短,浑欲不胜簪”之老夫守更,也有“小荷才露尖尖角,早有蜻蜓立上头”的新秀登场,都是中国自主CAE行业坚守的地方。中国工业软件的发展并不是技术落后问题,而是如何工程化和商业化的问题。这是禁锢国产CAE发展的最大瓶颈。当前中国制造正在面临全新的攻坚战,各个战场都走向了正面突破之路。而在仿真CAE领域,民营企业还在缝隙中坚持着野百合式的春天,这是中国CAE市场仅存的一点希望了。
作为今日头条青云计划、百家号百+计划获得者,2019百度数码年度作者、百家号科技领域最具人气作者、2019搜狗科技文化作者、2021百家号季度影响力创作者,曾荣获2013搜狐最佳行业媒体人、2015中国新媒体创业大赛北京赛季军、 2015年度光芒体验大奖、2015中国新媒体创业大赛总决赛季军、2018百度动态年度实力红人等诸多大奖。
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