内刊访谈

[特别策划] 国产仿真软件坎坷路呼唤国家意志再现

发表时间:2019-11-06 09:41:50

文/林雪萍

 

  林雪萍:南山工业书院发起人、北京联讯动力咨询有限公司总经理
 

  提话:计算机仿真软件CAE是实现智能制造重要的基石。在高端仿真CAE领域,中国几乎全军覆没。其实,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。
 

  智能制造吸引了所有通向数字殿堂的好奇,而在大堂之内,计算机仿真CAE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NASTRAN作为CAE软件的代表,已经成为飞机设计仿真分析的标准软件。如果不用NASTRAN分析计算过的设计方案,则根本无法通过美国FAA的适航取证。然而在高端仿真CAE领域,中国几乎全军覆没。
 

  CAE的并购狂欢
 

  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。


图1:深海狂鲨:CAE的并购狂欢史

  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。
 

  大学院所的创新困境
 

  中国CAE发展之路,与国外相比,走过一条完全不同的发展路线。

  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。尽管起步很早,早在1960s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。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。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。

  在中国,高校研究院所可以得到一些有限的资助做软件的开发和尝试,然而软件工程的经验却无法资助。一个有效的软件要走向市场,需要经历三个阶段: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。中国在基础研发过后,就可能再无下文。因为从基础研究到真正的商业化,还有90%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。工业软件最大的特点就是,它是从用户的使用中成长出来的。只有与用户市场紧密地捆绑在一起,才是工业软件发展的正面之道。
 

  工业软件沦为“微生物产业”
 

  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,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,不管做的有多艰苦,都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。

  美国商务部的出口管制清单中,对中国高科技屡屡设限。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),随后还需要用户百般呵护,最后百炼成钢,才能成为一代工业天骄。
 

  中国CAE产业的四大流派
 

  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,理论功底比较强,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的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。尽管在上世纪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,培养了很多人才。

  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。

  第二类是传统派。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领域,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。这一点尤其体现在传统派。他们的创始人往往是技术骨干,但却走着垂直路线,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。

  行业中还是有很多国产的惊喜和盎然的生命力。北京希格玛仿真,在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是跟国外抗衡的唯一国产货。而济南圣泉则以行业里少有的战略眼光,从韩国收购了铸造软件AnyCasting,深耕铸造行业。专注于PCBA工艺设计仿真的上海望友,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,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。代理商为不同的CAD、CAE软件进行二次开发,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。

  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。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。当下正是他们生命力蓬勃绽放的大好时机,未来他们或许会成为中国仿真的种子力量。
 

  硬骨头必须啃下去
 

  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,在市场上求生存求发展,因此避重就轻、不去啃这块硬骨头就不难理解。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。

  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?出乎很多人的意料。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,曾经是离国外技术最为相近的一刻。可惜那个时候“拿来就用,大干快跑”的实用工具主义主宰了市场。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。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,这可能是中国CAE市场仅存的一点希望了。
 

  小 记
 

  当前,中国正在大力推动军民融合。其实回看美国CAE的发展历史,即是初期美国军方大力支持CAE的发展(上世纪60、70年代),然后再普及到民品。这个需要国家战略的重视,单纯民间资本推动断无可能。像前面提到的对中国禁运的爆炸仿真软件LSTC公司,目前有100多位博士,全职开发LS-DYNA。而更要提及的是,之前军方的项目长期支撑,才能保持这样的工业软件持续发展。

  近年来,对于中国制造最大的一个警世恒言是:工业软件的断供其实是很容易操作的。这是一颗现实版、随时可引爆的遥控炸弹。

  回顾中国仿真软件发展的历史,也是找回工业思维的修复之旅。对工业软件的重视程度,是一个国家工业文明的最好量尺。

  (鸣谢北京大学工学院陈璞教授,达索系统赵文功先生,及周少林先生提供的帮助)