发展自主CAE软件产业的战略探讨

发展自主CAE软件产业的战略探讨

钟万勰

　　继2006年中国科学院技术科学部和信息技术科学部在上海召开“CAE自主创新

发展战略”论坛后,2007年中国科学院向国务院呈送《关于发展事关国家竞争力和国

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家安全战略的CAE软件产业的建议》的报告.CAE软件产业作为需要国家关注的基础性、前瞻性的战略产业地位受到关注、得到肯定.CAE软件产业建设从宏观层面已进入到关键的发展时期;然而如何建设以自主创新为主体的软件企业尚需探讨.人们开始从知识经济时代的体制创新等相关角度,思考建设自主CAE软件产业的途径.

1　发展数值模拟仿真软件是提高创新能力的需要1.1　CAE是数值模拟仿真技术的核心仿真技术广泛应用于航天航空、交通、制造等领域的研究、设计和开发,CAE是仿真技术的核心.就工业化应用而言,CAE在西方发达国家已经达到较为普及和实用的阶段.然而,美国人依然清醒地认为“使国家在今后的日子里保持竞争力的领导地位,

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发展计算科学是必需的”.美国政府确实重视“计算机仿真与建模”的前沿研究课题,从20世纪60年代初开始在NASA的宇航计划中就要求利用计算机进行仿真分析,以后更是数次将其列为优先发展的“服务于国家利益的关键技术”.

CAE技术对工程结构与产品的性能及其生产加工过程利用“虚拟制造”、“数字化制造”的技术进行分析、模拟、预测、评价和优化,对于传统的“试验、失败,分析、改进后再试验、再失败,直至成功”的研究开发模式形成巨大冲击,对制造业和国民经济的发展具有举足轻重的作用.

企业在应用CAE软件时除了存在人力和财力方面的压力外,单纯花钱购买和掌握软件使用仍是不够的,使用人员还需要具有实际工程经验和对其行业领域有较高的熟知程度,需要有解决各种工程问题经验的积累.使用软件并非一蹴而就的简单过程,除对静力学可以有比较好的近似解,要获得动态性能与非线性方程的解就比较困难,对分析技术和行业经验的理解会使实际结果产生很大差异.

计算力学的发展和仿真技术的应用“已经成为科学研究、技术开发和工程设计的重要基石,特别是某些国防科技和前沿科学研究领域唯一可行的试验手段,成为大量

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尖端科技领域和重大工程实施中必不可少的核心支撑技术”,“现在计算机发展迅

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速,计算力学产生了CAE产业并成为新领域‘计算科学’的核心”.伴随着我国中、长期科技规划的需要,CAE技术在国民经济建设和国防建设的进程中必然发挥更加重要的作用.

1.2　CAE软件是提高自主创新能力的必争之地

迄今为止,国外CAE商业软件真正把持国内市场也就近10多年的时间.国外企业生意想做,然而很多关键技术给钱也不卖.市场垄断和商业赢利使得“本土软件更多是在为生存奋斗,其中的不怕苦、不信邪的‘斗士’仍在为振兴本土CAE产业四处奔走

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讲学,让人肃然起敬”.

20世纪60年代我国数学家冯康几乎与国外同步给出有限元法的数学证明,但因条件所限,更由于政治运动的影响,后来与国外的研究水平拉开差距.

20世纪70—80年代,由于钱令希等学者的倡导和身体力行,同期出现一批有自主知识产权的有限元分析软件并获得业界欢迎,呈现出良好的发展趋势.航空领域研制出航空结构设计分析软件系统等,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,呈现出“百花齐放”的繁荣格局.

20世纪90年代以来,由于国民经济高速发展的需要,CAE技术被广泛使用,大批国外软件涌入,国内市场受到强烈打压,最为严重的是一些跨国公司利用各种手段直接打压国内产品的自主创新,我国所取得的科研成果反而成为提供国外软件版本更新的营养.这种被动的局面对大学教学冲击巨大,有些大学甚至放弃自主研制的教育,变成教授如何使用进口软件系统的园地.人们提出问题:难道我们的计算力学就是教教如何使用进口软件吗?

进入新世纪,严隽琪等提出“建设有自主知识产权的CAE平台,应是一件十分有意义的事”的设想,寻求对产业结构调整的探索,尝试以服务创新和整合创新的方式,谋求突破自主发展CAE软件产业的“瓶颈”.

显然,延续过去简单依靠财政直接投入和政策扶持,包括优先课题立项等措施只可促进CAE研究水平的提高,却不能由此营造出自主CAE软件产业的良好环境.从以往的经验教训看,如果自己没有良好环境,培养的人才及所取得的科研成果就可能继续被低廉地提供给国外的软件厂商,我国专家的努力变成为对手提供技术和人才的后方.

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1.3　CAE产业体现知识经济整合的综合能力

CAE软件是结合计算数学、计算力学、相关工程科学、现代计算技术和工程管理

学形成的综合性、知识密集型信息产品.建设自主CAE软件产业更是知识经济时代(综合)整合能力的集中体现.虽然其投资规模远小于例如“大飞机工程”的国家级项目,但对于软实力和小产业的形成,其整合方式的难度在某些方面不会更简单.

当前存在着很明显的工业经济时代发展模式.只依靠互不关联的团队研究,对知识经济时代的要求已有局限性.研究员、教授们很难在满足SCI评价要求的同时,成为开拓市场的高手,因此他们的研究成果只能处于产业链下游.虽然我国SCI的论文量已排在世界前几位,但提供廉价高质的学术研究成果,不能体现出应有的社会经济价值.多年失败的教训告诉我们,分散研究经营不能自动集成整合,只能被对手“分而治之”,而这恰恰就是我国自主软件产业建设的软肋.研究人员的单项成果可以显现出特有的个别优势,然而国家、社会层面的综合博弈是依照多方面集成组合系统的高技术水平及其应用而竞争的.高技术随着人才在流动,要么成为被整合者,要么成为整合者.个体与集成体系两个不同层面的较量从刚开始就可以知道结果.虽然目前仍有CAE软件公司在不断努力寻求机会发展壮大,但更多的则已经淡出人们的视线.

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1.4　CAE理论研究成果是集成创新能力的根基

在CAE基本理论、方法和应用软件上,中国学者都取得过突出业绩,理论成果是我国独立研制CAE系统的基础和强项.这些工作是我国研发自主CAE集成系统的有力基础.我国CAE研究之所以至今未垮,是依靠其研究特色、自主啃下硬骨头而生存的,然而在商品软件市场方面则缺少竞争力.单打独斗的成果如何才能整合集成为

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CAE商品软件的课题放在我们面前.

当前,国产CAE软件企业和研究单位都存在着产业集聚度不高、单体规模小、管理方式老化等问题.要有所发展,需要突破长期以靠单打独斗、自生自长来寻求发展的体制性障碍.研究人员要不断研发新技术、新成果,而成果是要通过服务市场以取得认可的;企业也需要提供新技术、新成果满足市场需求才能得以生存;这是相辅相成的利益共同体.软件产业建设需要循序渐进的成长过程,也是互相适应、相互磨合的过程.要求研究人员同时成为市场的操盘高手十分困难.CAE软件产业要面对广大制造业用户开拓市场,也要辅助制造业提高运用高端技术的能力,这同样需要高水平的技术人员.

要建立以市场为导向,产学研相结合的技术创新体系.软件企业要对已有的科技成果进行整合,更要有新的CAE理论研究成果,成为自主集成创新的主体.构建自主CAE软件产业的第一步应是整合、盘活和集聚社会优质技术和知识(资产).加速发展成有作为的优势产业需要各方的齐心协力,科研院所已有的技术储备是集成创新的基础,需要他们改变“捧着金饭碗讨饭吃”的观念.当前我国缺乏软件龙头企业,也缺少自主CAE的公共服务平台.由政府主导整合多方面的力量是当务之急.

2　自主CAE集成系统在制造业和软件产业中的作用自主CAE软件产业对实现“十一五”规划提出的发展“先进制造业”和“现代服务业”具有深刻影响和现实意义,对正在构建的以企业为主体的国家创新体系和转变经济发展方式同样具有十分重要的战略意义.科研院所和高等学校的研究成果也应当在国家主导的程序系统中证明自己成果的意义.

2.1　CAE技术对企业的产品开发模式产生深远影响

传统产品的力学强度分析与计算沿用材料力学、理论力学的做法,往往使得结构尺寸大、材料浪费多,而结构性能却存在许多问题.由此,人们逐渐简化到产品能画出来、看得到,这固然重要,但更重要的是能知道产品性能和使用寿命周期.

现在很多产品的设计原型已可在计算机上完成,当现实的设计环境还不能完全由计算机仿真代替实验时,可以通过计算机仿真来选取最可行的方案进行实验,以降低产品的实验成本,即所谓SBES(SimulationBasedEngineeringSciences).虽然CAE技术并不能完全替代原型试验,但作为降低产品开发成本、缩短产品开发周期的技术措施给企业带来非常大的变化,CAE技术无疑是帮助提高研发能力最具价值的投入之一.

在激烈的市场竞争中,用高新技术改造和提升自主制造业,而自主创新的CAE技术带来的经济效益正在对企业的产品开发模式、促进先进制造业由大变强产生深远影响.

2.2　自主CAE软件对企业核心技术掌控能力形成战略得失

美国CAE软件的出现和成功往往由政府主导.例如,由NASA主持开发的Nas2tran就是将CAE技术的应用从作为针对某项工程、某方面产品的计算工具不断加以改进补充、完善,发展为与传统制造业的需要紧密联系的系统,成为商品化软件,逐渐使其从科研领域的研究项目成为商业社会中的成熟产品.

目前,我国许多大型制造企业大体上是借助国外的CAE软件进行开发的.由于没有自主知识产权的CAE软件作为可以延续发展的平台,制造业只能随国外软件版本升级而不断引进,“禁运”的限制使高端技术永远跟不上,而许多我国敏感行业的能力

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被一览无余.长期依赖国外软件获取技术更新和咨询服务对我国CAE软件产业的发展十分不利.

建立国家战略软件产业也是消除国家安全隐患的需要.发展项目要针对被“禁运”的项目,或者针对那些将被列入外资“斩首并购”行列的项目.

当前,我国在CAE领域的理论研究和应用技术都有所积累,在某些领域中更是具备自己的特色.特色理论与技术的突破、行业需求的积累是开拓自主软件产业的基础.例如与大飞机研制相关的10大关键技术都要用到CAE技术,如果CAE软件产业不能在满足国民经济发展的需求中抓住振兴机会,就会再次重蹈覆辙.

2.3　自主CAE集成系统承载着产业振兴的重任

目前,企业在应用CAE技术时除了存在人力、财力方面的压力外,正确应用CAE技术的困难也较多.单纯掌握软件的使用方式远远不够.应用时对实际工程经验和所分析对象的行业领域熟知程度的要求相当高,需要有解决各种工程问题的积累.针对同一件产品,其几何模型的建立、单元形式选取和边界条件确立、优化技术的使用、动态过程的控制等都会对产品性能、计算结果、计算效率和计算精度产生重要影响.自主CAE集成系统的缺失从1个侧面表明我国软件服务效率远比先进国家落后的事实.

我国需要研发自主CAE软件集成系统的公共平台.先进制造业的需求多种多样,高等院校、研究所各有自己的任务,他们无力将自主CAE集成系统的方方面面全部独立完成.软件集成平台可通过约定的接口,整合、集成那些分散开发的功能模块,形成有规模、上水平、面向市场的软件系统平台.在基础知识普及宣传、专业技术推广应用、公共资源共享利用和行业经验交流合作的过程中,自主CAE集成系统肩负为软件技术与制造企业牵线搭桥、摇旗呐喊的责任,也承载着软件产业振兴的重任.

3　构建国家意志主导下的自主CAE产业

软件产业是全面体现理论创新能力和科技成果水平的载体.CAE软件产业的重要性和紧迫性已经形成共识,技术贮备和理论水平也有足够的能力满足需要,重要的是在国家意志指导下,探究符合市场经济的体制,以实现理论与程序系统开发方与制造业方面的共同意愿.

3.1　确立国家意志是产业成功的保证

以往CAE软件产业缺乏明确的国家目标,缺乏长远规划和积极的战略安排,要发展则需要形成国家的整体意志.简单地将CAE当作科学研究项目自由分散地探讨,只能在局部课题方面出现高水平的特色成果,但不能集成软件产业,让研究人员孤军奋战去打开市场未必能成功.自主CAE是软件工程,不是单纯的科学研究.软件产业需要有明确的国家战略目标,需要政策上的保护和经济上的扶持,建立和制定积极的规划安排是产业成功的保证.

30多年来,每当我们需要开发某项技术时,国外的软件和技术总对我们封锁;当自主软件刚开发出来而尚未成熟时,他们就宣称可提供软件以夺走市场.这种循环往复,严重抑制自主技术研发和软件产品的生存,在技术引进问题上已经有太多的沉痛教训.国家缺乏自主创新能力,长期依赖国外引进的状态有巨大隐患.无法形成自主发展的能力,就只好不断地重复引进,尤其是高端技术被“禁运”,导致我国长期处于极为被动的境地.

目前,国家“十一五”规划启动重大工程数字化综合集成技术开发与应用工程,对

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开发具有自主知识产权的软件平台给予高度重视.然而在操作上存在问题,表现在只抓科研项目的立项,缺乏将科研成果集成的安排.科研项目的验收重点是请专家评审成果水平,其实专家并不能在一二天内全部了解掌握,于是SCI统计成为评审的主要根据.我国SCI统计很多,但成果发挥作用不成比例,问题在于不能有机集成而构成自主系统,以充分发挥作用.这是制造业的持续发展和国家战略技术的利益相结合的需要.应由政府主导积极干预体现为国家意志,因为这是任何一个单位都难以独立承受的重任.

3.2　面向市场的体制创新是产业成功的关键

在确立国家意志和战略目标之后,重要的是找到市场经济条件下实现技术创新和产业化的有效途径.发挥政府在政策上的引导和经济上的扶持,选准CAE软件的市场切入点,集中资源落实CAE软件产业化过程都是现实的问题.

软件产业的成功有赖于国家层面的组织与集成,同时也需要自主CAE软件去填补空白.对战略产业的投资,体制创新的重要性不光简单地从国资保值增值的角度考虑,而是从国家战略层面真正控制行业的核心技术和企业的发展空间,使其在未来增值和发展过程中有效解决可持续发展面临的约束,长期支持国民经济建设需求,满足维护国家安全及其他需要.自主CAE软件要得到市场的认可,理论研究上要有所突破,但这只是核心部分.CAE系统是软件工程产品,更应该在原本不该忽视的方方面面:体系集成,界面友好,可靠性,商品质量,后续服务体系和市场开拓能力等形成有效的竞争力.如果不关注生存功能,人才依然留不住,开发仍然会无法持续积累.

3.3　强化知识经济时代集成创新企业的主体地位

只有形成强大的技术研究开发和行业规范能力、市场营销和产品研制生产能力,以及产品技术支援与客户专业服务能力的格局,自主CAE软件产业才能进入自我发展的良性循环阶段.逐步建立以市场为导向、产学研相结合的创新体系,发展龙头企业应成为自主创新过程中的主体.

经过多年努力,CAE软件在许多战略领域已经形成较好的应用能力和技术基础,已经具备加快整合自主软件资源和共同享受知识成果的基本条件.结合事关国计民生和国家安全的需要,已经到了重新构造CAE软件产业的国家战略技术创新体系的关键时刻.然而体系建设中的观念创新和管理创新需要有新的认识.

建立自主CAE软件系统的国家集成平台是构筑可持续发展自主软件产业的起点和标志,也是实现跨越式发展的机遇所在.

首先要有国家层面的整体规划.借鉴大飞机项目的教训和经验,需要“国家正确而坚定的意志,社会的共识和百折不挠、坚持不懈的团队奋斗精神,具备按客观发展规律

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办事的内在动力和对违规行为内在约束的体制与运行机制”.

同时需要采取标本兼治的保障机制.自主核心技术的知识产权保障是企业提高创新能力、增强竞争能力的重要保证.找准具有广阔市场前景和最新知识成果的软件技术作为切入点,以点带面逐渐进行多学科、多行业的软件开发和市场推广的多层次、多方位延伸.夯实基础,以开放性与标准化原则整合软件系统的可扩展能力、处理性能、兼容性能;发挥群体的智慧和事业追求精神,同时尊重个人的发展空间;不排斥引进那些不受“禁运”的程序模块,当然自主开发的优先.我们应重点研讨突破国外“禁运”的技术与软件.

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建立政府主导和市场运作结合的软件平台,具有自主核心技术的研究成果才能有“生根开花”的土壤;研究项目与企业需求相融合,才能有成果转化的机会,形成满足市场要求和推动技术进步的良性循环.

期望能开拓我国自主CAE软件产业发展良性循环的新局面.

参考文献:

[1]　中国科学院.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[R].2007.

[2]　Computationalscience:ensuringAmerica’scompetitiveness[EB/OL].(2008211228)[2005206209].http://www.nitrd.gov/pitac/

reports/20050609_computational/computational.pdf.

[3]　庄逢甘.中国力学事业50年[EB/OL].(2008211228)[2007208231].http://www.cas.ac.cn/html/Dir/2007/08/31/15/25/22.

htm.

[4]　贺贤土,赵世荣.加速发展我国高性能计算的建议[M]//2007高技术发展报告.北京:科学出版社,2007:3372344.[5]　朱旭.CAE的春天[N/OL].(2008211228)[2007209213].http://article.designnews.com.cn/2007-09/2007913012001.htm.[6]　梁国平,钱华山.高性能的CAE软件[R]//中国科学院科学技术论坛第23次学术报告会会议,2006.[7]　“运十”设计师吴兴世谈我国大飞机发展[EB/OL].(2008211228)[2007207224].http://www.arj21.org/bbs/showthread.php?

t=31.

作者简介:钟万勰,中国科学院院士,曾担任中国力学学会副理事长,国际计算力学协会常务理事,英国威尔士大学与中国香港大学名誉教授.1956年毕业于同济大学桥梁专业,同年分配到中国科学院力学研究所工作,1962年调到大连工学院工作.钟院士在数学、力学及计算机科学上有很深的造诣,多年来,进行了“潜艇耐压壳强度”、“群论在结构分析中的应用”、“参变量变分原理”、“结构力学与最优化控制的模拟理论”等方面的研究;研制出大量具有先进水平的结构分析软件;曾主持多项结构工程的计算分析,如高层结构、桥梁结构等;曾主要负责中国自然科学基金会与英国皇家学会合作项目“高等结构动力学的研究”,主持过多次国际会议;发表200多篇论文.钟院士的研究成果多次获全国科学大会奖和国家自然科学奖.他的著作有《计算杆系结构力学》、《计算结构力学微机程序设计》、《数值计算方法》和《计算结构力学与最优控制》等.

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