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深不可测的工业软件之谜

   日期:2020-11-18     浏览:21    评论:0    
核心提示:举国上下的工业软件热,看上去终于找回了工业的命门。但细看过去,仍然是一种假象。当下对于工业软件的振兴,就像是“抛绣球选新郎”的套路,热闹很大,名额有限。而能被关注到的,仅仅是少数幸运儿。这种方式,跟工业软件万紫千红的产业生态,完全不匹配。

举国上下的工业软件热,看上去终于找回了工业的命门。但细看过去,仍然是一种假象。当下对于工业软件的振兴,就像是“抛绣球选新郎”的套路,热闹很大,名额有限。而能被关注到的,仅仅是少数幸运儿。这种方式,跟工业软件万紫千红的产业生态,完全不匹配。

工业软件是是来自制造的需要,跟工业产品密不可分,因此也跟工业门类一样,浩瀚如海。在这广袤的深海中,既有10亿美元以上产值的头部大家伙,看上去各种软件都有,就像大白鲨、座头鲸那样地显眼——包括达索系统、西门子工业软件、ANSYS、Synopsis等;也有一些CAD/CAE/EDA软件等单打独斗的头部明星,只要稍加注意就能认出来这些海豹、章鱼,如法国ESI仿真、美国MSC、Altair,还有日本富士通旗下的迪普勒、广州中望、苏州浩辰等。

然而,更多的工业软件,都是深海物种。丰富多彩的生命,需要深度下沉,才能一睹芳容 。正是这些不动声色、不为人所知的海底生物,用另外一种方式,暗自统治着海洋。而当前被热捧追逐的为人熟知的商业软件,仅仅是海洋中热闹的一角而已。

每一个零件都离不开软件

说起这些无处不在的软件,不妨先从汽车行业开始。汽车是大规模工业化的典范,工业软件在这里无比繁荣,也就不足为怪。早在计算机辅助设计制造CAD/CAM刚刚萌芽的时候,除了航空制造,汽车业就是最好的摇篮。

在汽车的设计研发领域,通用的CAD、CAE软件已经广泛应用,自不必说。而这之外,有许多隐藏的工业软件独狼,并不容易为外人知晓。

先说说最重要的动力装置:内燃机。作为汽车动力总成系统的开发和测试技术的独立公司,奥地利AVL应该是所有发动机制造商的座上客。而中国无疑是跟AVL渊源最深的国家之一。它的创始人曾经在同济大学任教,回国之后在1948年建立了AVL公司。与中国良好的渊源,也使得它随着中国汽车成为制造大国,儿受益匪浅。在国内的许多汽车制造s商的研发中心,都可以看到AVL的各种设备。而价格也毫不含糊,一套排放检测设备,动辄就是几千万。AVL旗下的软件很多,如AVL FIRE作为专业的发动机流动力学软件,能对发动机内部的燃烧进行详细的模拟分析。同时带有尾气后处理模块,用于各类催化转化器的研究。这些软件,由于得到了大量汽车用户的经验的哺育,可信度很高界面也很熟练,因此用户的依赖度极高。

当下内燃机时代,正在受到愈加普及的电气化和日益严苛的环保法规的严重挑战。那么这些内燃机软件,是不是就束手无策了?

答案正好相反。这些源自一线工程领域的软件公司,恰好在这里体现了它独到的敏感性。用户在转向,这些公司也随之转向。AVL的电驱软件eSuite,可以完成电驱动总成设计,而对于齿轮箱的啸叫、电机转子等都有很好的适应性。实际上,这些软件的功能,也不再仅限于ICE本身(“完全灵活的内燃机”),而是分布在整个动力系统(“完全灵活的动力系统”)上 。通过平衡电气化和内燃机的互补特性,在减少排放物方面可以产生协同效应。可以说,在电气化和电子控制的时代,软件的应用,同样得心应手。而AVL公司当前的软件方向,也同时覆盖自动驾驶系统等新领域。就是这样一家公司,2019年全球营业额将近20亿欧元 。大概可以排在中国机械制造500强的头400名以内。中国汽车,完全离不开它的设备和软件。

而对于汽车制造业如此大的市场,也很难有任何一家企业能吃独食。除了AVL之外,世界上还有三大发动机设计咨询公司,德国的FEV、英国的Ricardo、美国的Southwest Research Institute。这几家设计咨询公司,都有着软硬一体的工程优势。由于这些机构往往有着非常好的工程咨询背景,早已成为汽车制造商的贴身顾问,而非简单的软件提供商。软件当家,则是一个显著特点。如里卡多Ricardo Software 的内燃机仿真/分析和设计软件,也是汽车的常客。而Ricardo IGNITE则是完整的车辆系统建模和仿真系统,包括驱动循环、性能和热系统分析等。

而美国CSI公司开发的发动机流体仿真软件CONVERGE,也被国外主机厂使用。相比于经典的Star-CD和AVLFire等软件复杂的网格划分而言 ,它在网格划分上,独具亮点,如自适应加密网格、化学反应动力学燃烧模型等。这样的软件,能得到学术界(国内大学和燃烧实验室)的厚爱,也就不足为奇了。这家公司也是由美国一所大学的研究生所创立,最初只是一个CFD咨询公司。后来将工程经验知识固化成软件,2008年才开始顺势进入流体分析软件领域,并一举得手。

从垂直行业软件商的发展策略来看,面对庞大的工业软件巨头,单点突破是一种更加有效的战术。想上来直接全面挑战巨人,是一件很容易失败的事情。因此即使技术表现不错,但用户也未必会买账。用户使用习惯的形成,是一个漫长的过程,这绝非短时间内能用钱来弥补的距离。这几乎窒息了后来者的成长空间。

表1 常见汽车仿真软件

汽车需要大量的工业软件的支撑。在这个移动的小城堡中,各种能够数出来的装置,背后都是软件的浸泡。要想让乘客感到舒服,汽车空调就不是小事情,各种工程优化必不可少,如压力损失、噪声最小化、化工反应器混合效率最大化等。美国 Optimal Solutions软件公司提供的Sculptor ,就是提供基于任意形状变形的实时变形技术,帮助设计师解决空调管道的外形优化问题。由于可以重用三维数据,即使重新画网格和构建模型,都不用修改设计。这为设计师节省了大量的时间。而德国P+Z工程公司开发的THESEUS-FE,是一款面向航天航空、汽车座舱的空调系统,专门进行热舒适性分析。一个战斗机座舱,也有着复杂的工程考量,它需要从人体工程学考虑驾驶员的舒适性。这家P+Z公司的母公司,则是一个奇特的欧洲集团组合,既有工程软件,也有工装系统。而它在2018年已经被日本三菱化学所收购。在各种工业门类中,工业软件藏得最深。庭深如海,深藏不露,分布在一个又一个极其小众的圈子里。

汽车行业,一般都是使用的德国dSPACE公司的软件和硬件。通过定制代码,可以无缝连接软硬件,快速搭建原型,一体化实现模型在环、硬件在环和系统仿真这三个完整的工作过程。但是这种软件、仿真器那都是相当贵——数千万元,也只有汽车企业才能享用。由于德国大众汽车等都已经先行使用,形成很好的示范效应,国内一汽、奇瑞、宇通汽车等都在使用。对于其它如航空航天、电力电子、风机等领域,也都有着巨大的影响。

如果继续细分,可以说说现在最热的动力电池。光锂电池电化学模拟,至少就有上10种软件 。如美国Gamma公司的性能解析软件GT-AutoLion ,基于开源的Matlab应用程序Taufactor 、电池性能和成本模型BatPaC软件等。

而往大里看,自动驾驶,无疑是群雄逐鹿之地。要获得足够的安全验证,往往需要十亿级甚至上百亿公里的模拟测试服务。在实际测试过程中,由于真实道路测试效率较慢,目前很多车企都倾向于选择自动驾驶仿真测试。据称自动驾驶测试的90%将通过仿真完成,9%通过测试场完成,只有1%到实际道路上进行。既然智能网联是未来汽车的重点,这里自然就囤积了仿真界的重兵。包括仿真平台(VI-Grade)、场景仿真(如ESI的Pro-SiViC)、动力学(SimPack)、车联网仿真(德国戴姆勒汽车信息技术创新研究所DCAITI开发的VSimRTI)、硬件在环(如NI)等,有三四十种软件产品聚集在这个尚未发育完全的新处女地,进行日以继夜的密集计算轰炸。

德国虽然在大型通用工业软件的成就不算太(除了西门子收购了大量的工业软件),但在垂直行业的软件,借助于强大的工业力量,还是很有建树。成立于2005年的德国VI-grade公司,凭借着德国汽车产业界的优势,为车辆动力学的仿真、软件在环、硬件在环及人在环仿真测试,提供了汽车驾驶模拟系统,大幅度减少了物理样车。

而另外一个中国汽车界也广泛依赖的德国dSPACE实时机,主要做电控单元和硬件在环分析等。尽管早在2008年,就开始对中国军工禁用。但对汽车产业仍然是放开的。在新车型上路前的很长时间,汽车制造商及其供应商,需要使用dSPACE端到端解决方案来测试新车的软件和硬件组件。

其实,工业软件想追求全面的自主,是一件不可想象的事情。就以汽车行业为例,软的需要建模仿真与代码生成软件系统,包括美国的系统建模MatLab、美国NI的LabView、法国达索的机电液多学科建模工具Dymola、德国工程公司ITI的SimulationX、AVL的动力总成仿真分析软件Cruse等,而硬件,则需要实时计算设备如德国dSPACE、美国NI、加拿大的RT-LAB等。这些国外相关软件与硬件厂商以形成类似Wintel联盟,几乎掌控了复杂系统产品的高端开发技术体系和手段。以汽车电控领域为例,AVL李斯特公司的发动机设计分析软件,再加上德国实时计算设备dSPACE,有软有硬,几乎垄断了中国汽车电控正向设计研发技术体系。

成为装备制造商的美味

机械制造是软件的富矿区。往下逐一挖过去,软件就会一一浮现。机械传动是一个庞大的门类,而齿轮则是一个最常见的子类。但齿轮却是量大面广的关键基础零部件,已成为中国机械基础件中规模最大的行业。2018年全国齿轮行业的产值2400多亿,居世界首位。这样的产业,自然离不开软件的身影。

要说精密,从奢华手表,到导弹,背后的精密机构,都离不开齿轮的设计。既然瑞士以精密手表、精密机床著名,那么瑞士的齿轮传动软件,也就不足为奇。瑞士KISSsoft公司开发的机械零部件设计,及传动系统分析的工具软件,都是行业中的佼佼者,可以设计风机齿轮等。然而这两款软件,已经被美国格里森齿轮机床公司收购了。

美国格里森的机床是美国机床界少数存活下来的稀缺品种,它一向以加工精密齿轮和传动系统知名,国内许多汽车齿轮箱和汽轮机,都是它的用户。而它,也是美国军火商的供应商之一,而且跟美国国防部保持着良好的关系。这也是美国机床的一个特点,许多很小众的加工机床,已经转变成为专门瞄准美国军火生意的机床。生意照样做得不错。

可以想到的是,格里森自身也有一套齿轮软件 ,这是它能够在提供传动解决方案的重要保障。通过并购,一个高端、一个中低端,二者有机结合,格里森公司实现了在圆柱齿轮和圆锥齿轮及其轴系零件CAD/CAM上的全面覆盖。数控机床必须依靠软件实现运动控制,正是这种软件和机床本体的有机结合,形成了格里森数字化齿轮制造体系。格里森的机床和齿轮软件的关系,就如同电脑和软件的关系,没有软件的支持,机床就很难加工出具有高精度高性能的齿轮。

这也正是国内最吃亏的地方——无论是软件,还是设备。先看软件,国内湖南也有一家专门做齿轮软件传动的企业,可以为各种齿轮提供软件和方案。但由于缺乏规模,往往只能采用项目定制化的方式;再看设备,国内西部老牌厂秦川机床,多年一直咬牙死磕,跟着美国格里森机床,一路对标闯关。还有近些年兴起的民营企业,如跟三菱滚齿机对标的浙江陀曼,也都有很大的进步。但如果说在机械和数控时代,差距还是可见的话;那么到了数字化时代,差距就变得隐性,变得不可测量了。因为设备必须靠软件,才能发挥更卓越的性能。然而,这其实仍然只是一个表面现象。正如我们在多处地方看到的,工业软件背后是数学、是物理、是工程,这才是它的筋骨;IT的编程只是它最后要穿上的衣服而已。格里森齿轮机床的软件之所以强大,跟它的数学基础密不可分。格里森有很多的数学家,在齿轮理论上非常有造诣,这才是它能成为齿轮曲面加工之王的根本原因 。

而软件与机器密不可分的这套理念,对于从三坐标测量仪起家的瑞典海克斯康计量集团,一定是融化在企业运营的血液中。瑞典海克斯康已经收购了上百家的软件公司,近来收购了英国Romax软件,主攻风电领域,正是对齿轮箱、轴承及齿轮传动进行虚拟样机设计分析。而海克斯康10月底收购的计算机辅助制造CAM软件Esprit ,再次让人震惊。Esprit以机器优化、无需编辑G代码(刀具路径)而广有知名度,但六年前海克斯康收购全球CAM软件排名第一的Vero公司的时候,那可是一下子就抓了一大把CAM软件,包括机床常用的EdgeCAM、WorkNC等,还有专门用于钣金加工的RADAN软件。那么,一个测量仪器出身的制造商,一直在不停的软件收购、收购,到底要有多少软件,才能算满意?或许对于质量的要求,就是无止境,机器对于软件的需求也就没有尽头。

而这次并购格外让人感到震撼的原因在于,这是一个连环响炮。因为就在同一个月份,全球第一的刀具制造商山特维克可乐满,也是瑞典制造商,出手收购了CAM仿真公司的CGTech 。刀具公司与CAM软件是井水不犯河水,两相共生的好伙伴,这次CAM软件被刀具商给吃掉了。而且,这两个CAM公司都在美国加州,2019年销售额都在2-3亿人民币。有好软件,最好就拿下。这就是国外机器制造商,对于CAM的态度。

CAM软件曾经是一个很独立的软件领域,对于数控机床的运行至关重要。西门子工业软件中最知名的品牌NX(UG),最早就是从CAM起家的。然而,最近这几年独立的CAM软件厂商,被大量并购,品牌迅速减少。这也让这种软件,越发显得宝贵,也越发隐蔽。

然而这样的轰轰雷鸣,也不足以震醒中国的制造业。中国智能制造的战火,烧到另外的“智能“战场上去了。发展到现在,中国智能制造最吃亏的地方之一,就是对CAM软件的熟视无睹。而这正是国外工业4.0智能制造发力的地方。要想用好机床,提升机器的柔性,CAM软件实在是离不开,德国每年都在这方面有扶持,而国内则几乎淡忘。

而海克斯康收购的CAM软件实在是太多了,如果排兵布阵,一定会像三国演义那般热闹,排出五虎上将的阵型,前有张飞赵云后有关羽黄忠,齐刷刷地兵团布阵。而国内,如果没有靠北京精雕机床的支撑,几乎就要上演空城计。这家以CAM软件起家的机床公司,应该是中国机械制造领域最成功的软硬结合的典范。许多人将精雕的成功,归于它抓住消费电子3C市场崛起的机会,傍上了苹果的飞船。其实智能手机的崛起,带来诸多机器的革命。这种形势逼人的大浪头,给许多跃跃欲试者都提供了同等的机会。但精雕拿到了最有利位置的船票,这是与它多年苦苦打磨的CAM软件,息息相关。当年黯淡无光看不到前途的时刻,正是每个工业软件创始人最熟悉的煎熬。然而只要熬过去了,那就会有巨大的回报。当下,工业软件给机器制造商,正在频频带来捷报。

海克斯康也不是孤例,德国蔡司去年收购测量技术的软硬件供应商3GO,纳入旗下。如果要了解软件给硬件设备带来的变化,对比一下同样也是计量出身的英国雷尼绍,就很有代表性。雷尼绍在软件方面,可以说是乏善可陈,除了自行也研发软件之外,最主要采用的方法就是建立联盟,跟各个CAM软件进行合作。整体上,表现出了一种对软件的钝感,这也使得它在计量领域显得有些消沉。

对于许多专业性的软件,行业协会、研究所和大学往往可以起到很重要的作用。日本AMTEC可以用于类齿轮传动设计领域、塑料/粉末冶金齿轮设计分析领域。它是日本齿轮协会下属机构所开发的一套齿轮传动设计分析工具软件。而Windows LDP则是美国俄州立大学机械工程系开发的齿轮动力学和齿轮噪声实验室开发的齿轮载荷分布分析软件。而国内的齿轮传动CAD集成系统软件ZGCAD,则是由郑州机械研究所开发,囊括了常见的齿轮传动设计计算方法。

可以看到,国外制造业发展的趋势,无论是工业母机的机床,还是事关精度与质量的测量仪器,或者是作为工厂中最大消耗品的刀具,都在向软件靠拢。软硬结合,才是王道,这也使得国外的工业装备制造,越发呈现智能化的特点。而国内制造,则缺乏这样的环境。硬件不硬,软件更软。这种制造战场上的对阵形式,类似青龙刀与激光剑,这是两个时代的竞争。

那些来自大学的精彩

锅炉制图软件的选择很多,比如可以采用达索的Solidworks,或者国内的软件。这类软件一般都是通用化的CAD软件。但在锅炉工艺软件,则需要有较深的行业背景,这是因为对锅炉内部的传热、流动、介质等要进行复杂的模拟计算。很多企业往往都是采用专有技术,如早期的日立、GE、西门子、ABB的锅炉,都有大量的自研软件。这也是企业的核心技术之一。现在这类软件也基本上都商业化,例如美国麻省理工学院的GT-PRO Thermoflow、德国KED软件、GE的GateCycle热量平衡分析软件。而为了弥补编程能力的不足,工业巨头也会选择与外部软件公司合作,例如GateCycle就是GE跟一家软件公司联合开发的。

这一方面,浙江大学做了非常好的工作,它所开发的锅炉本体仿真软件 BESS,基本上国内头50名的锅炉厂都在采用。跟麻省理工成功的轨迹一样,这个软件的主创团队,最早就是来自浙大化工学院。这听上去像是一个外行,实则不然,因为锅炉燃烧的过程,本质就是一个化工过程。而BESS软件的成功,让人看到了产学研结合难得一觅的好案例。从1995年国家基础项目支撑,就有锅炉厂在其中;随后十年的打磨,更多锅炉厂的介入,成就了这款国产锅炉软件的崛起。

这种发展轨迹,在国外软件发展史上是屡见不鲜。它遵循了许多软件发展的基本规律,国家经费扶持基础研究,但市场应用方一直牵手其中。项目验收后,持续经费投入,更多应用加入,最后走向商业化。

化工过程模拟的顶级软件ASPEN的团队,来自麻省理工的化工系。Aspen Plus是一个面向流程行业的流程模拟与优化的系统,国内化工行业使用非常广泛。这也是中国国内流程行业的重要命穴之一。这个软件源于七十年代后期,由于石油危机引发了整个流程行业效率提升的巨大动力。美国能源部委托麻省理工学院开发的新型流程模拟软件。这个项目名称就是“过程工程的先进系统”(Advanced System for Process Engineering,简称ASPEN),1981年底完成整个软件的编制。

在美国,根据拜杜法案,联邦政府投入的基础研究经费所产生的科技成果,可以转让给大学。而大学则可以通过授权和专利等形式,赋予成果拥有者极大的资金收益权。因此,最擅长商业化的麻省理工学院,一点时间都没有耽搁,第二年就将其商品化,成立了AspenTech公司。而这款称之为Aspen Plus的软件,如今已先后推出了十多个版本,成为举世公认的标准大型流程模拟软件。大量的化工用户,包括国内数不胜数的化工厂,都是AspenPlus进行试验、播种和收获的肥沃土壤。这些宝贵的用户经验,也将Aspen的流程模拟软件 ,推向了一个不可撼动的霸主地位。而中国化工、石化、炼油行业等,对它的崛起,自然是功不可没。

同样在先进过程分析APC软件,ASPEN的DMC3也占据很大优势。而国内来自浙大的中控软件,也有类似的APC产品,只是商业化相对偏弱,主要与中控的DCS系统联合使用。如果中国石化等大型企业,可以给与中控APC更多的机会,这种腾飞也是指日可待。而随着中国存量市场面临着软件升级的大窗口期,APC的升级换代处于刚性阶段,相信中控也将迎来爆发期。

这些软件最大的特点,就是背后的工业知识点,这是工业的精髓,是企业不想说出来的工艺秘密。而要描述这些问题,则又必须借助于数学方程、物理方法和化学方程等进行联合求解,以及对复杂边界条件的简化等。正是这种过于数学化的要求,一般企业很难把自己的知识变成软件。这不是IT企业能够解决的问题,它需要企业自身有工程知识软件化的能力。能够跟实际应用紧密结合的大学教授,往往有着更好的优势。

显然工业软件一般都具有很强的专业性。很多软件一开始的起源,都有大学背景,或者工程咨询背景。没有这些基础或者工程背景,这类大型软件,是不可能开发出来的。单纯的IT公司,几乎完全无法胜任。如电厂的热电联产热能分析所用的美国Thermoflow软件,它的源头跟ASPEN几乎如出一辙,也是来自麻省理工,也是来自化学系。

纵观工业软件发展的历史,要想培养各个行业的工业软件,大学和院所是一个诞生火种的重要发源地。激活大学的机理研究优势,然后跟工程应用相结合(国产软件学院派吃过大亏),是发展万紫千红的工业软件的重要路径。

科学计算三剑客

科学计算是一类最常见的软件。这其中,除了六月份因为断供哈工大而更加名声大噪的美国Mathworks的MATLAB之外,还有加拿大的Maple和美国的Mathematica。

Mathematica则主要是做数值符号运算。而在工程上的仿真和数值,则比MATLAB差不少。这是一个数学家Wolfram建立的软件,大学广泛使用它来进行数学计算。后来这位科学家,还开发了一个直接回答问题的搜索引擎Wolfram,被看成是智能搜索引擎的重要方向。但后来,互联网界的兴趣都转移到移动互联网了,应用程序App四处开花,搜索引擎不再成为流量的唯一入口,这个引擎也就不温不火了。

同样Maple也是一种符号和数字计算环境的编程语言,由加拿大的Maplesoft开发,解决数学相关领域的问题,内置超过6000个计算命令和100多个算法函数包。而多系统仿真Mapsim软件,则可以为多域物理建模和代码生成添加了功能。而这家公司,已经在2009年被日本Cybernet收购。

科学计算三剑客,还是以MATLAB跟工业的结合最为广泛。MATLAB在哈工大被禁用事件之后,国内人士群情激昂,寻找“国产MATLAB”的话题,也迅速走热。苏州同元软件、北京联高软件都呼声很高。实事求是讲,这只是一种可能,或者在局部功能上,能有所替代。要想立刻全面替代,几乎是不可能的。MATLAB在各类仿真引擎和数值计算工具比较齐全,用户依赖性很强。但苏州同元软件MWorks,在局部也有一定优势,它是基于Modelica物理建模,这是MATLAB起步较晚、但正在快速追赶的领域。

然而,基础功能的替代其实不难,真正难的是用户习惯的把握和复杂生态的建设。那些日积月累攒下的应用场景的算法、文档,并不是一朝一日能够打磨下来的。

你可以在一天之内用3D打印机造出一只机械手,但里面各种精细的血管,则需要花上几个月搞清它的回路。由于诸多用户的使用,它的可用性非常好,交互性和图形界面无可匹敌。这其实是完全让用户用自己的爱好,打磨出来的。ABB的DCS操作系统的Windos版本在微机上的使用,最早也是在三峡工程上使用,开始有许多Bug,也是中国用户帮着打造的。这再次说明:软件是用户用出来的,光靠供应商一头发力是没用的。这就是工业软件难以快速发展的一个根本原因。到了今天,MATLAB一时间很难被替代了。多年下来,它被用户的汗水和习惯,浇灌成了钢铁长城。中国高校和工程界,也是重要的浇灌者之一。

优秀用户造就优秀软件

电力行业是一个对安全高度敏感的行业,对于软件的仿真要求很高。而在中国电力高速发展的几十年,电力仿真软件也得到了长足的进步。

电力系统软件,大致可以分为机电、电磁暂态和实时仿真。

中国机电暂态分析软件是上个世纪90年代从美国引进的。经过几十年的运维,已经发生了完全的改变和颠覆,并且完全重写了代码。国内中国电科院已经开发了电力系统仿真综合程序PSASP,完全自主产权,并在网省公司广泛应用。

而用于电力系统电磁暂态分析的仿真软件EMTP,则是对高压电力网络和电力电子进行仿真。它包含通过现场测试证实的用于变压器相传输线的模型、各种电机、二极管、晶闸管和开关、控制器等模型。它侧重于系统的运行,而非个别开关的细节。最早的EMTP程序,是由美国能源部的邦维尔电力局BPA在上个世纪70年底所主导的。由于这种研发属于公共财政,因此其成果可以免费提供给任何一个感兴趣的团体。而到了1984年,这种基础研究免费、产业界共享的田园风光,开始被打破。这种程序被分为两个流派,一个流派开始走商业化路线;另一流派则继续捍卫免费路线。这方面软件,以加拿大的PSCAD较为知名。目前中国的电磁暂态仿真,国家电网也有自己开发的版本,但商业化程度不如国外。

随着电网发展,纯粹依靠软件仿真不能满足要求,就出现了实时数字仿真、数模混合仿真,有代表性的就是RTDS。这种软件最大的特点,就是非常昂贵。一套RTDS软件,仿真规模为100多个三相节点,动辄200万元。中国的电力系统,最开始也只能是不断地购买。再后来,也开始研发了ADPSS软件,性能基本可以跟RTDS相比,而价格只有三分之一。采用的服务器也是浪潮之类的国产品牌。尽管实时仿真系统中,硬件里的一些芯片还是进口的,但基本上也算实现了国产化。

可以跟电力强国加拿大做一个对比。目前加拿大开发的电力系统软件,拥有全面的解决方案,包括配电网仿真软件CYME、接地仿真软件CDEGS、电磁暂态仿真软件PSCAD、大规模电网仿真软件DSA-Tools等。

如果从电力软件国产化方面来看,中国的机电暂态仿真PSASP对应于DSA综合软件;电磁暂态仿真EMTDC软件对应于加拿大的PSCA;而代表更高水平的实时数字仿真系统ADPSS,则直接对标加拿大RTDS。

中国的电力系统,可能是各个行业中相对较少依赖国外软件的行业。这固然跟中国有世界上最大的电网容量有关,也跟电力系统作为核心能源行业,一直追求独立自主的策略相关。由于旗下有电科院作为基础研究的龙头,又有广泛的应用场景,软件的发展相对就比较健康。

中国的核电软件,同样不落后。核电软件有热工水力、反应堆物理、燃烧元件、概率风险等九个专业,涉及到200多个程序。早在1984年,中国核工业部成立之后,其下属的核电中心,就开始系统地将这些引进的软件,从工作站移植到不同的计算机上。这种大规模的移植,为核电软件的开发体系,留下了充分的练兵机会。当时的核电软件来源,也是五花八门,有的是购买,有的是国际友人赠送,也有从给国外带回来。例如从美国阿拉贡国家室国家能源软件中心NESC购买了CIATAION堆芯分析、NJOY多群中子等77个程序,还有美国橡树岭国家实验室赠送的蒙特卡洛MORSE通用程序等。这些都是中国核电业起步时候的家底。

核电从堆芯结构出发,分为一级、二级、三级设备,而蒸汽发生器、压力容器等,都需要严格仿真。考虑到一般要求都是60年的随机寿命,仿真验证是谁也不敢马虎的事情。以前的校核,都是根据ASME标准,进行手工计算。不得不建立很大的安全系数。而现在的审核,都是按照标准规范,只需要去看仿真报告就可以。不仅仅是流体分析、电磁分析等非常普遍,甚至连一个螺丝、焊缝,都要做仿真。这是一个仿真意识深入民心的领域,这也使得核电发展软件有着深厚的基础。

随着中国核电独立自主的提升,核电软件也得到了长足的发展。而在2015年国电投的COSINE软件公开测试版发布,成为核电设计与安全分析的国产软件,包含热工水力设计与安全分析、堆芯物理设计等8个大类的15个软件。这个突破耐人寻味,因为它是跟随国家的三代核电自主技术AP1000,同步发展而来。目前COSINE软件,已完成基于AP1000和国和一号三代核电堆型的工程应用研究 ,其工程应用版已经开始崭露头角。

石化、核电、电力系统等这种对安全要求极高的大型设备,专业软件从来没有缺席。这些在国外设备与技术引进的时候,往往都是谈判的焦点。在大量的国外设备引进中,这些以硬盘或者软盘进来的程序,不会不被引起注意。因为许多大型的工业设备(如电力、如核电等),天生就跟软件绑定在一起。例如西门子的机电和电磁暂态软件NETOMAC,是早在上个世纪70年代,就开始开发。而西门子后来还收购了美国公司的PSS/E软件,进一步强化输电系统的分析。软件是装备的一奶同胞,从来没有落下。这种现象,在当时其实只是一个微弱的信号。然而,一些有心的技术型领导者发现了这一点,并且局部放大,就会促使这个行业的国产软件的发展。

这也再次说明了,一个行业工业软件的强大,其实是来自用户的信心。如果用户信任某一类软件,那么这个软件就会像得到阳光和雨露的春笋一样,长大拔高要容易得多。欧阳修的《卖油翁》早已道出了工业软件的秘密,“无他,但手熟尔”。只是国内大部分产业,以前从未让国产工业软件找到“熟练手艺“的机会。这些练手机会,以前都给了国外软件。这就形成了一种“系统自锁循环”,用户使用的反馈越多,国外软件用的越顺手,国内软件就更加被冷落,就没有多少机会去发展。

清晰的进球套路

专业的工业软件实在难以数得清楚,数万个不同的软件也完全可能。要找到并理解这些不同的软件,一个人需要从国民经济行业分类代码开始。因为每一个行业背后,都有着工业软件的痕迹。

随着复合材料在工业化的更广泛应用,需要围绕复材进行结构设计、分析和尺寸优化。HyperSizer就是一款专业软件,它将数百种分析失效方法囊括其中。凭借着其快速的分析和复合材料优化能力,在国内外航空航天项目中起到至关重要的减重作用,例如洛马公司的高空高速侦察机SR71、格鲁门公司的全球鹰的机翼、空客A350客机的发动机短舱等,都使用HyperSizer软件。而中国商飞C919客机的复合材料后机身、中央翼、平尾和垂尾,也离不开这款软件。它最早起源于NASA兰利研究中心,这是一家气动研究和风洞而知名的实验室。游泳王子菲利普斯的大名鼎鼎的泳衣鲨鱼皮,其实就是诞生在这里。那是材料与仿真的一次完美体验。这种技术现在由美国Collier公司持有,能与常见的商用有限元软件相结合,对各个部件自动生成安全裕度报告。而这个案例,又是一个美国NASA基础研究向外扩散成商业化软件的典型。

而对于一个行业而言,往往采用了综合的软件体系。例如一个造船厂,会使用法国施耐德AVEVA这样的厂房设计软件(是的,设计一艘船,就是设计一个工厂,或者就是一个城市)。然后会采用西门子收购的CD-Adapco,旗下的通用CFD软件STAR CCM+,进行多面体网格划分和流体解析。这个软件从1980年开始,就跟湍流、热传递和氧化燃烧打交道。尽管有着这些巨头公司的工具,造船业仍然给很多不起眼的工业软件小公司,留下足够大的空间。比利时的NUMECA公司,依然可以为船舶与海洋工程打造的专业CFD软件包。这款软件包含全六面体非结构网格生成器HEXPRESS和功能强大的后处理工具CFVIEW,然后配上由法国国家科学院开发的不可压粘性流场求解器ISIS-CFD,可以用来模拟船舶周围的单流体和多流体流动。

这个公司是由布鲁塞尔自由大学系主任、流体力学科学家所创立的。他曾在80~90年代,为欧洲宇航局(ESA)所编写的空气动力数值求解器(EURANUS)。在此基础上,工程化软件和商业化利益随之而来。这让我们再一次看到,大学与工业界、国家研究经费与商业软件之间,有着如此顺畅而密切的通道。无论是在美国,还是在法国,以及比利时等欧洲国家,工业软件背后的国家基础经费的成果转化,可以说没有拖泥带水的。工业软件的知识产权输送,从大学院所到商业货架,就像是足球场的一记长传,然后就是射门。一起、一接、一射,就完成了所有的得分过程。这也正是国外软件,到处都充满了活蹦乱跳的小鱼小虾的原因。

每个赛道都有一个中国影子

一件有意思的事情是,往往国外有的软件,国内总会存在它的对标物。德国威图公司旗下的Eplan电气设计软件在电气盘柜上使用较多,而国内就有利驰电气软件相对应;国外有Sigmetrix这样的公差分析软件,国内就有河北明睿智能;面对国外三大电磁仿真软件,复旦大学孵化的EastWave的高频电磁仿真软件,也是勇敢地进行挑战。至于前面提到的德国dSPACE软硬一体的实时机,国内的经纬恒润也在做同样的工作,借助于汽车的电控时代而迅速崛起。瑞典的多物理场仿真的老牌明星Comsol,作为一个平台,近些年来积极进行无代码化开发APP。生成一个仿真APP,只需要几个小时。而清华云道智造的年轻团队迎头追赶,在互联网方面甚至走得更彻底。

即使在很小的领域,如湖南精益传动设计软件,就直接对标瑞士KISSSOFT、英国ROMAX、MASTA等这些国际知名的齿轮软件。安徽太泽透平,则瞄准了美国叶轮透平机械的CAE软件Concepts NREC。作为机器和流体的能量转换的计算软件,CN一直是旋转机械的执牛耳者。中国航空发动机研发一般用的都是CN设计软件。然而美国在授权使用的同时,则要求承诺不能用于军事用途。近些年美国工业软件一再收紧,这也给国内软件留下了发展机会。太泽透平则采用了软件和工程服务相结合的方式,通过采用了一体化设计平台,实现几何导入、存储、优化的一体化。在国内正在受到沈鼓、杭氧等大型工业压缩机的青睐,而在新能源领域,低温余热余温发电也同样带来新的商机。

这种有点”兵对兵,将对将“的挑战场景,十分常见。德国MagmaSoft铸造仿真软件,能够对铸造过程中的充型、凝固、冷却、热处理、应力应变等进行模拟分析。这可是早在1988年就开始发布的经典软件。但也不要紧,老爷爷级的软件,现在碰上了年轻的挑战者,清华大学科班出身的博士们创立了北京适创公司,正是为此而来,而且采用了更加灵活的SaaS订阅方式。

再说一点更偏门的,例如散料领域。听起来够陌生,其实它就在身边。如制药药剂,还有装载机挖的泥沙,都需要进行颗粒力学的仿真。这就是散料分析的范畴,它最大的特点,既有固体块状物,但同时还有流体特征。中国作为工程机械大国,三一重工、柳工机械等都少不了这种软件。德国Fraunhofer研究院SCAI研究所的流体和固体耦合MpCCI软件,从1996年开始就开始跟各个商业化软件合作,实现不同学科求解器的耦合分析。而北京合工公司开发的软件UninSim,就可以实现这一点,也可以进行燃油/液压油污染特性分析。

这是国内产业的一个特点,在每一个细小的缝隙中,都有惊心动魄的挑战赛。这样的挑战,只能用“死磕”来描述。因为二者的体量,往往都不成比例,但并不妨碍顽强的国内选手,数年数十年紧盯着目标不放。只要盯紧,就会有结果。像德国系统建模仿真Modelon,国内苏州同元紧盯不放,也都取得了很好的效果。在厂房管理软件与数字孪生软件PDMS方面,针对法国施耐德的AVEVA和美国鹰图,国内的图为和中科辅龙的管道软件,都有很好的突围。而在家居设计领域,早期的法国软件KD,加拿大老牌2020 Design等,许多国内市场都被广州圆方软件(尚品宅配旗下)、酷家乐、数码大方等所攻占,也开创了智能家居的个性化定制的一派大好风光。

工业软件就像通山之路,既有大道,也有羊肠小路。可以说,在每一个狭窄的山道,国产软件都像是甩不掉的影子,上演着小角色的大精彩。而这背后都是有着企业家锲而不舍的精神——咬定青山不放松,九死而求一生。不妨说,每一个小小的缝隙,都能找到工业软件或大或小的上甘岭之战。

小记:吃小灶,不如广育土

想搞清楚工业软件的全貌,未免是一件令人沮丧的事情。可以说,工业产品有多少,工业软件就有多少种。工业软件就像是工业的DNA,每一种产品都有自己的基因片段。它无处不在,各自长得完全不同,但在基础底层又有着强烈的共性。这意味着,一个国家想快速发展工业软件,并不是一件容易的事情。因为它面对的不是一两个软件的突破,而是整个工业基础的松土。

从这个意义来看,简单地寻找明星软件和头部软件,热情洋溢地给予资金和政策进行催生,并不符合工业软件的发展特点。工业软件这个行业的特点,第一是慢,上门媳妇熬成婆的那种慢。急性子无,慢性子有。它是与工业化程度,相辅相成。工业吃不透,软件也吃不透。第二是广,工业软件无处不在,就像田野的野花漫漫,要想逐一辨识,非常困难。逐个苗株进行施肥,只能偶尔为之。

这自然会给人一种深刻的印象,那就是工业软件需要的是全面开花,而不是人为地集中栽培几颗标志性的植物。这是一个建立生态丛林的过程。培养头部植物明星固然重要,但建立好的土壤和天气,则是更重要的事情。扶持工业软件的发展,它的复杂性远远超过常规想象,喧嚣的热情和肤浅的投资,远远不能解决问题。中国的工业软件的政策,必须有面对百花齐放、小苗满地的“精准扶贫”的耐心。几十人的公司,一两千万的收入,或许正是扶持的最佳对象。如果当前按照大手笔、大配套资金的方式,会让许多优秀的工业软件被遗忘在黑暗之中。

而发展工业软件最难的地方,并不在于技术上的复杂,而是在于人们对工业软件充满了太多错误的认知。

(作者林雪萍,北京联讯动力咨询公司总经理,上海交大客座研究员)

 
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