深度原创丨创新和市场是驱动工业软件产业化发展的双轮——对我国CAE软件产业发展的思考

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小智的话

近日,中国航空研究院常务副院长孙侠生撰文阐释了对国产工业软件产业发展,尤其是CAE软件发展的深入思考。作者归纳总结了国外工业软件的发展历程,认为创新和市场是驱动国外软件产业化发展的双轮,对我国自主可控CAE软件产业的发展,从管理和技术层面提出中肯的建议。本文由作者授权《走向智能论坛》公号发布,版权归原作者所有,转载请注明作者、来源。

深度原创丨创新和市场是驱动工业软件产业化发展的双轮——对我国CAE软件产业发展的思考

深度原创丨创新和市场是驱动工业软件产业化发展的双轮

——对我国CAE软件产业发展的思考

中国航空研究院 孙侠生


深度原创丨创新和市场是驱动工业软件产业化发展的双轮——对我国CAE软件产业发展的思考


本人从事飞机结构强度技术研究与管理30年有余,见证并亲自参与了航空CAE软件的发展与变迁过程。20103月,曾在《计算机辅助工程》发表了题为“坚持自主创新,实现航空CAE软件的产业化发展”文章,内容主要包括航空CAE软件的发展历程,航空工业的快速发展需要大力发展CAE技术并建立自主CAE软件产业等。今年8月,本人有幸参加了第15届中国CAE工程分析技术年会暨首届中国数字仿真联盟论坛,现场聆听了数十位专家学者关于CAE工程分析技术和软件工具的发展报告,欣喜地看到国内工业软件开发和应用取得很大的进步和成绩,感慨良多,触发了自己对国产工业软件发展的思考。


一、产业安全一直呼唤自主CAE软件实现突破


飞机型号进入20时代,歼-20、运-20、直20相继走进人们的视野,逐渐成为航空装备,新支线ARJ21-700 投入航线运营,C919进入试飞取证阶段,毋庸置疑,国外商用CAE软件已经融入到飞机研发的流程中,为型号的研制起到了重要作用,缩短了研制周期、提高了设计质量、降低了研制成本,提升了研制能力,甚至把不可能变成了可能。飞机设计全面进入数字化时代,从过去的单学科设计发展成多学科综合优化,从物理样机发展成数字样机,基于模型的系统工程和“数字孪生”等数字化的方法和工具已经应用于飞机全寿命周期管理。现实情况是飞机研制手段还是以国外软件为主,飞机设计的关键核心软件还是全面依赖于国外。在刚刚结束的“2019国家制造强国建设专家论坛(宁波)”上,国家制造强国建设战略咨询委主任、中国工程院原院长周济表示,中国制造业部分产业链存在严重的“卡脖子”短板,其中就包括飞机等行业的设计和仿真软件等,造成产业链存在隐患。我们不是杞人忧天,一旦飞机设计核心软件出现问题,自主创新受制于人难以避免。


早在2007年 6月 22日,中国科学院就提出 《关于发展事关国家竞争力和国家安全战略的 CAE软件产业的建议》。程耿东院士(2006年)在“发展CAE软件纵横谈”认为中国的CAE软件产业几乎就是不存在的,我们必须加大力度开发自己的CAE软件,培植自己的CAE软件产业,只有这样才能改变仰仗他人的局面,避免有一天受制于人。钟万勰院士(2008年)就提出:围绕国家安全的需求,究竟应该优先发展何种项目,只要看被“禁运” 的是哪些项目或者看哪些项目将被列入外资“斩首并购”即可。2010年本人从技术和管理两个层面也对发展航空自主CAE软件产业提出了建议。


最近有多位学者专家撰文或发声,再次唤起业内对发展国产CAE软件的思考,例如:沉睡的国产工业软件能否被唤醒?(兰光创新,工控网)、中国仿真软件的沦落之路(南山,林雪萍)、工业软件“缺芯少魂”(上海索辰,王普勇)、飞檐走壁的国产CAD(南山,林雪萍)、我国航空软件困窘:跟国外同时起步,30年还在原地走(南航,姚卫星)。所有这一切,说明大家在发展国产工业软件,包括航空CAE软件方面取得了高度的共识,不能再“坐而论道”,关键看下一步的行动,产业安全急需自主CAE软件实现突破并实现产业化发展。


二、创新和市场是驱动国外软件产业化发展的双轮


纵观国外软件的发展历程,始终关注需求,把创新、市场和服务放在首位,关注软件的功能、性能、鲁棒性、运行效率、方便使用。始终把客户放在首位,在应用中得到发展,总体归纳为以下特点:


一是面向工业装备需求,科研机构先期解决关键技术。1966年,NASA为满足阿波罗登月项目,推出世界上第一套通用的结构分析软件NASTRAN;1969年,美国Swanson博士推出ANSYS软件,解决了核子反应的应力分析问题,1970年成立ANSYS公司;1972年,美国HKS公司推出ABAQUS软件,用于解决核反应堆中的接触、蠕变和松弛等难题;1976年,美国莫尔国家实验室开发的DYNA软件,首先是为了解决弹头高速碰撞、爆炸等问题;1980年,Altair公司的HyperWorks软件起源于汽车工业复杂的网格构型需求;1983年,Isight软件源于美国GE公司的涡扇发动机轻量化设计的需求;1985年,Hypersizer软件起源于美国先进战斗机轻量化、高超TPS结构分析的需求;ESI 是1973年成立的一家咨询公司,1985年与德国大众合作成立全球首家针对汽车碰撞分析的软件公司,旗舰产品是PAM-CRASH。其共同点是:力学工作者针对工程问题的重大需求,研究提出解决方案并研发相应的工业软件,解决了0到1的问题。


二是发展商业软件要有专业团队和核心算法做支撑。本人熟悉的比利时王国科学院院士查尔斯-赫思(Charles HIRSCH)教授,1992年倡导成立NUMECA国际公司,是为全球用户提供性能卓越的计算流体力学(CFD)软件和咨询服务的国际公司,该公司开发的NUMECA系列软件被广泛应用于各种流动、流热耦合和流固耦合等方面的数值模拟、创新设计和性能优化,且产品线在不断扩展中。查尔斯-赫思也是布鲁塞尔自由大学的流体力学系主任,NUMECA国际公司也参加了欧盟倡导的地平线2020计划、第七框架等众多国际合作项目等。2016年,德国宇航院(DLR)新建了3个致力于“虚拟飞行器”技术研究的研究所,旨在发展飞机设计、制造和运营的数字化研发计算手段,聚焦开发用于虚拟测试的数值方法,以减少研发新飞机的时间和风险。国外的教授在把知识转化成效益方面值得我们“脑洞大开”并学习,商业软件必须有专业团队和核心算法做支撑。


三是市场化运作促成产业化发展。国外优秀CAE软件之所以垄断了国内市场,除了其本身的技术优势外,商业化的运作也是非常关键的因素。以ANSYS为例,自进入中国起,在推广其软件的同时,它进一步围绕用户产品设计的创新需求,帮助企业优化研发流程,助其快速、高效、低成本地推出高质量的产品,为中国的企业及科研院所提供包括软件、技术及服务在内的整体创新解决方案,迄今为止其在中国的用户总数已有千余家。CAE软件有市场应用就会有大的发展。


四是收购是迅速发展扩张的重要途径之一。企业收购是工业软件企业做大做强的主要途径之一。西门子公司斥资并购UGS、LMS等软件;收购UGS,解决几何建模的问题;收购LMS,解决系统动力学建模与响应仿真的问题;收购Mentor解决电子系统和集成电路 (IC) 设计与开发。法国工业软件巨头达索公司收购了美国医疗软件公司Medidata、产品工程仿真软件创新企业Exa、电磁(EM)和电子仿真技术领域的CST企业等等;ESI收购开源计算流体力学软件OpenFOAM(2012年)、系统建模CyDesign公司(2013年)、Picvizlabs公司(数据可视化平台)以及Ciespace科技公司(云计算)等。共同特点都是实力超强的公司,视战略并购特色软件或公司扩充功能、提升能力,借船下海,发展壮大。

五是融合最先进技术保持领先水平。软件的发展要紧跟相关技术的发展步伐不断升级,才能始终保持优势地位。以法国ESI公司为例,1986年,ESI公司完成了全球第一个基于有限元的汽车碰撞测试,单元数为5555个。到2015年,ESI实现了2000万单元的碰撞仿真系统并获得大奖。几十年间单元数增长了3600倍,系统也从仿真工具进化到虚拟样机。如今,通过吸收云计算,大数据分析和机器学习等技术,ESI的传统CAE软件已经发展成沉浸式虚拟工程平台,该平台连接了需求、设计仿真、零件设计、工艺设计、子系统零件验证、系统验证、发布、运营等各个阶段及其团队,可以对锻压、冲压、连接、焊接、铆接等工艺过程进行仿真和验证,由此得到与真实产品非常接近的结果。融合最先进技术实现软件发展升级,保持领先水平。


六是离不开政府的支持和引导。宏观层面,发展自主CAE软件属于国家战略,需要国家的大力支持与政策扶持。美国国家科学基金会(NSF)一直在资助与“计算机科学和工程研究”相关的项目,并把“科学与工程计算”作为三大优先重点领域之一(1987年)。1991年,美国国会通过了“高性能计算与通信(HPCC)”计划,重点发展先进的软件技术与并行算法。2012年,发布《国家先进制造战略计划》再次明确要重点发展数值模拟分析技术。CAE得以发展离不开政府的支持和引导。


三、新时代国产CAE软件发展建议


国外软件在功能、性能、可靠性等方面处于绝对的领先地位,已达到航空型号时下无法替代程度,本人认为也没有必要完全替代。从保证产业发展安全性的角度,一方面我们要把已经买到的用好,另一方面我们必须认清形势保持警惕,统筹规划,下大力气立即行动起来发展自主可控工业软件。新时代需要新起点、迎接新挑战,借鉴国外商业软件的发展模式与发展路径,结合国内航空现状,下面分别从管理和技术层面提出建议。


管理层面:


1)必须抓住国家在政策层面的大力支持机遇。包括中国航空研究院在内的国内各类研究机构应积极对接国家相关部门,针对行业需求,围绕制约自主创新发展的关键核心,开展CAE软件研发,主动站位,积极争取更多的政策和资金支持。


2)必须面向装备需求和工程应用。参照质量管理八大原则,首先要以客户为关注焦点。关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。只有把关键技术掌握在自己手中,才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。我们首先要清楚装备研制的核心技术,哪些软件是核心软件,抓主要矛盾。避免一提自主可控,什么都不可控,胡子眉毛一把抓。


3)从源头上创新机制体制。充分发挥各方优势资源,打破行业壁垒,贯彻产学研一体化的思想,企业是创新的主体,多吸收初创公司参与软件研发,解放生产力,员工与企业共成长,立即行动起来,充分关注相关者利益,按科研和市场规律办事。


4)做好行业软件的发展战略与规划。还是先从最急迫的需求出发,或者说先解决“卡脖子”的问题。要敢于走前人没走过的路,解决“卡脖子”的问题,就需要了解当前的现状,按照主专业、国外禁运敏感等因素轻重缓急,排出优先级。


5)发展国产软件需要自信和决心。我们的软件与国外软件整体上差距较大,但这阻挡不了坚定不移走自主发展的决心和信心。从某种意义上讲,这也是时代赋予我们的责任与使命,关键核心软件需要自主可控,必须逐步摆脱跟着别人后面跑、受制于人的局面。如能坚持,必将卓越,我们要有大情怀、大格局。


6)发展自主软件需要与国际合作相结合。相结合不是无偿占有别人的知识产权,更重要的是可以借鉴国外成熟的软件开发经验,针对技术发展,制定共同需求,采用“自顶向下”规划,实现双赢目标,中欧航空科技合作在此方面已取得了成功的经验。


7)人才培养从源头抓起。当前的大学有限元课程多半采用商业软件,对计算力学理论和算法研究较少,学生知其然,而不知道其所以然。本人对2018年在《计算力学》学报上刊登的论文做了简单分析,有多篇文章都是用ANSYS、ABAQUS或MATLIB等商业软件作为求解器。同时,应倡导高校发挥算法创新的优势作用,重视学生的基础能力培养,从源头上解决问题。


8)多种途径实现快速发展。组建专门的软件开发和运作队伍,深挖国内科研机构、高等院校、初创公司等组织在先进算法、软件方面优势,取长补短,系统规划,快速研发形成软件产品。通过合适的并购专业化公司,也是实现软件快速发展的有效途径。


技术层面:


1)解决好近期与长远的问题。具体而言就是,研发CAE软件必须紧跟技术进步,从系统工程的角度出发,做好软件的顶层架构,适应数字化转型,综合研判大数据、人工智能、高性能计算、5G网络等新技术的应用研究。


2)解决好装备研制急需的技术问题。需求驱动技术创新,优先解决急需,多做“雪中送炭”的事情,从工程中来,到工程中去,没有应用的软件,肯定不会得到持久的发展。从软件产业发展的角度,既要有经济效益,也要有社会效益。软件需要经过发展期、增长期再到成熟期,在不断的应用和完善中得以成熟。


3)解决好创新与继承的问题。选择开发通用软件平台非常重要,平台要具有可扩展性和可维护性。没有一个软件可以包打天下,没有一个软件可以解决所有的问题。过去多年来的积累,为继承发展通用平台创造了条件。如航空结构分析系统HAJIF就是一个可供选择的平台之一,该系统具备基本的线性静力分析、动力分析、材料及几何非线性、气动弹性分析和结构优化等功能。


4)解决好专用和通用的问题。专用软件必不可少,甚至更有前景。通用平台没有一家公司独占或垄断,不卖给我们的往往是尖端的、核心的、最先进的模块,我们必须自主创新,从根本上打破国外的封锁与垄断。清华珠三角研究院的李志山团队,针对建筑结构的特征和特点,开发了自主软件SAUSAGE,具有“既准又快”的特点。


5)解决好软件开发与服务增值的问题。软件服务比软件销售更重要。工业部门不缺会使用软件的人才,缺的是用软件解决问题的能力。带上自己的软件,针对客户的工程需求,共同分析问题所在,提供全面增值服务。船舶702所冷文浩在船体设计方面取得的很多成功经验值得借鉴。


6)解决好科研与产业发展的问题。科研机构能开发出专业的CAE软件,拥有专业的试验数据库,发挥好这些资源优势可在CAE软件方面大有作为。强度所近几年飞机结构强度虚拟试验能有了大的进步,就是发挥了自身承担业内飞机结构强度试验的专业优势。在商业化方面,还需要做大量工作。


7)解决好当前利益与持续发展的问题。基于国外商业软件的二次开发是靠不住的,二次开发解决不了长期发展问题,本人曾经基于PATRAN和CATIA做过软件的二次开发,但由于商业软件版本的不断升级,结果是二次开发软件很难得到大的发展,前功尽弃,“在不断重复昨天的故事”,要避免“把自己房子盖在别人家的地基上”的风险。


8)解决好借鉴与自主可控的问题。谨慎处理基于开源软件的开发,利用开源软件能提高基础软件的起点,没必要从零开始,如果要开发具有自主知识产权的商业软件,使用开源软件必须得到协议许可,必须付出一定费用,更何况开源软件与商业软件有一定差距,因此基于开源软件开发商业软件需要慎之又慎。


2019年10月22日




作者简介:

孙侠生——中国航空研究院常务副院长


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原文始发于微信公众号(走向智能论坛):深度原创丨创新和市场是驱动工业软件产业化发展的双轮——对我国CAE软件产业发展的思考


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