當(dāng)智能制造和工業(yè)4.0的目標(biāo)越來約聚焦在數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化工廠和數(shù)字化運(yùn)營服務(wù)的時候，“數(shù)字建模和仿真”再次成為一切數(shù)字化工業(yè)背后最為閃耀的明星。最為重要的制造領(lǐng)域的三個軟件工具，CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）和CAM（計(jì)算機(jī)輔制造），成為中國信息化最熟悉、然而看上去卻是現(xiàn)在最為薄弱的領(lǐng)域。在這三種軟件中，含金量最高而我國最為薄弱的當(dāng)推CAE軟件。

作為制造業(yè)的“皇冠”，如今的航空航天產(chǎn)業(yè)早已邁進(jìn)數(shù)字化設(shè)計(jì)階段，人們手工制圖的階段已不復(fù)存在，目前已經(jīng)對這類設(shè)計(jì)軟件高度依賴。因?yàn)轱w機(jī)的設(shè)計(jì)極為復(fù)雜，各種結(jié)構(gòu)件和標(biāo)準(zhǔn)件之間的配合需要十分精密，如果仍采用手工設(shè)計(jì)，在圖紙到實(shí)物的轉(zhuǎn)化中，過度依賴操作工人的理解、經(jīng)驗(yàn)和技能水平，這將會消耗大量人力物力，而航空航天業(yè)的發(fā)展卻面臨著激烈的國際競爭。只有不斷研發(fā)出更好性能、更低價格和更快的研發(fā)時間，才能在激烈的競爭中保持優(yōu)勢地位。

據(jù)國外資料表明，在產(chǎn)品的研發(fā)過程中正確使用CAE軟件，可以大大減少設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生重大變化的概率，有數(shù)據(jù)表明甚至降低了15倍；縮短了產(chǎn)品研發(fā)時間的60%；降低產(chǎn)品使用中的故障率83%；產(chǎn)品的成本也有所下降。

航空航天發(fā)展對CAE軟件的需求

隨著人類對航空航天飛行器的要求不斷提高，為了満足航空航天飛行器提高性能、降低成本和減少研發(fā)時間的要求，將要求采用能力更強(qiáng)、計(jì)算更便捷的CAE軟件。下面按飛行器的飛行速度和飛行高度，從低到高依次來介紹這些飛行器對CAE軟件需求。

1.常規(guī)飛機(jī)的需求

一般來說，飛機(jī)的設(shè)計(jì)可分為概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三個階段。在概念設(shè)計(jì)階段，要求CAE軟件能提供有一定淮度而快?方便計(jì)算各種飛機(jī)構(gòu)型，在巡航飛行狀態(tài)的能力。在初步設(shè)計(jì)階段，要求CAE軟件能具有提供所選飛機(jī)構(gòu)型的適中準(zhǔn)度的仿真能力，具有能進(jìn)行性能確認(rèn)和優(yōu)化的能力，并能自動生成變化的構(gòu)型和自動生成數(shù)據(jù)庫的能力。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段要求進(jìn)一步解決飛機(jī)設(shè)計(jì)中存在的復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題。這就對CAE軟件采用的物理模型和計(jì)算的準(zhǔn)度提出了更高的要求。

圖1CFD軟件在常規(guī)飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.高超聲速飛行器的需求

目前世界各國發(fā)展的高超聲速飛行器，主要有兩大類。一類是以火箭發(fā)動機(jī)為動力的高超聲速飛行器，如高超聲速助推滑翔導(dǎo)彈和航天飛機(jī)等；另一類飛行器是以吸氣式發(fā)動機(jī)為動力的高超聲速飛行器，如高超聲速巡航導(dǎo)彈、高超聲速飛機(jī)和空天飛機(jī)等。前一類飛行器對CAE軟件的要求，是提供設(shè)計(jì)氣動防熱和穩(wěn)定控制的仿真。后一類飛行器對CAE軟件的要求，除了包括類似于前一類飛行器的要求外，還要提供吸氣式發(fā)動機(jī)的仿真能力。

高超聲速飛行器的設(shè)計(jì)過程，已經(jīng)不同于常規(guī)飛機(jī)。首先高超聲速飛行器己經(jīng)不能像飛機(jī)那樣，將飛行器的機(jī)體和發(fā)動機(jī)分開來單獨(dú)設(shè)計(jì)，而必須將機(jī)體與發(fā)動機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

圖３高超聲速飛行器要求采用新的設(shè)計(jì)方法

3.航天飛行器的需求

航天飛行器是飛行器中經(jīng)歷的環(huán)境最為復(fù)雜的飛行器。它們不僅承受比常規(guī)飛機(jī)和高超聲速飛機(jī)更高的速度、溫度和壓力和這些參數(shù)的極端變化，而且它們還承受太空中的嚴(yán)酷的輻射環(huán)境，因此，它們對CAE軟件的要求最高。載人的飛行器，為了提可靠性和安全性，其要求比無人飛行器的要求更高。目前，美國等航天強(qiáng)國，對于近地軌道和探索月球的飛行器，已日趨成熟，而其進(jìn)一步發(fā)展的目標(biāo)，將是提高性能、降低成本和擴(kuò)大應(yīng)用。但對于目的地是火星的飛行器，總體上仍處于探索階段。

一般來說，航天飛行器可分為運(yùn)載器和航天器兩大類。運(yùn)載器目前主要采用火箭發(fā)動機(jī)，未來也可能發(fā)展出新的動力系統(tǒng)。對于火箭發(fā)動機(jī)來說，急需開發(fā)全仿真軟件，以大規(guī)模減少地面試驗(yàn)的次數(shù)而大大降低開發(fā)成本。美國的SpaceX公司開發(fā)的火箭發(fā)動機(jī)仿真軟件，在降低火箭研制成本中起了明顯的作用。

圖３美國SpaceX公司應(yīng)用了火箭發(fā)動機(jī)CFD仿真軟件

在最近幾年，伴隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的深入發(fā)展，中國制造正在向智能制造迅速轉(zhuǎn)型。中國制造業(yè)缺少核心的工業(yè)軟件，將是一柄達(dá)摩克利斯之劍，長懸于中國制造之頂。沒有自主核心工業(yè)軟件的支撐，中國制造強(qiáng)國和航空航天強(qiáng)國之夢仍難變成現(xiàn)實(shí)。

工業(yè)軟件有多重要

作為短板的危害就有多大

工業(yè)軟件的本質(zhì)是工業(yè)品。它從來都是工業(yè)的結(jié)晶，而非IT的產(chǎn)物。工業(yè)軟件是工業(yè)化長期積累的工業(yè)知識與訣竅的結(jié)晶，是工業(yè)化進(jìn)程的不可缺少的伴生物。而在中國，很多時候，它卻被簡單地認(rèn)為更多是IT軟件屬性，跟其他管理軟件、甚至互聯(lián)網(wǎng)一起發(fā)展。這是一個天大的誤判。

而且，這個誤判對制造業(yè)的發(fā)展而言，是一個致命的誤傷。如今西門子、GE、施耐德等工業(yè)巨頭都在拼命并購軟件，打造軟硬一體化的公司。僅就代碼行數(shù)而言，世界上最大的軟件公司，不是微軟，不是SAP，而是制造業(yè)的翹楚、全球最大的軍火商洛克希德馬丁公司。

時至今日，每一件工業(yè)品，幾乎都是工業(yè)軟件的結(jié)晶，每一臺裝備，離開了軟件都不能運(yùn)行。但是，每一種國外工業(yè)軟件里面究竟有什么，卻是誰也說不清。這是一個失控的數(shù)字世界。貌似強(qiáng)大的“中國制造”，恰恰就是站立在失控的工業(yè)軟件的數(shù)字世界之顛。

當(dāng)許多人都在沉迷工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)來推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的時候，沒有人意識到這些概念如果脫光了一層一層衣服，最內(nèi)核的就是工業(yè)軟件。

從現(xiàn)狀分析

看我國工業(yè)軟件的突圍之路

如果說，以前軟件只是硬件的附屬物，那么，現(xiàn)在的軟件已反客為主，成為了機(jī)器的大腦和神經(jīng)，主宰了機(jī)器世界的運(yùn)行邏輯。

沒有工業(yè)軟件，智能制造就是空想。智能制造涉及硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算等多種技術(shù)和制造技術(shù)的融合，而工業(yè)軟件是其中最為關(guān)鍵的技術(shù)。無論是硬件、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算等技術(shù)和制造工藝融合，都離不開軟件定義、編碼和封裝。

沒有自主可控的工業(yè)軟件，智能制造就無從談起。而工業(yè)軟件涉及工業(yè)制造、企業(yè)管理的各個方面，存儲、處理大量數(shù)據(jù)，一旦泄密，后果不堪設(shè)想。

早在2011年，法國達(dá)索公司旗下的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件——SolidWorks，就被爆料存在安全“后門”，將個人計(jì)算機(jī)上的信息泄露給他人。

雖然Solidworks予以否認(rèn)，但因?yàn)檫@款軟件在中國應(yīng)用非常廣泛，事關(guān)重大。國家相關(guān)部門隨即通知各軍工企業(yè)停止使用該軟件，以防資料被竊取而導(dǎo)致可能的泄密事件。工信部也下發(fā)通知，要求加強(qiáng)工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理。

我們不能將國家的信息安全寄希望于外國軟件的商業(yè)道德與自律，加快研發(fā)自主可控軟件，是保證中國信息安全的重要手段。

首先是高端人才的問題，但凡軟件可以寫到符合工業(yè)軟件級別的，都是編程能力很不錯的，基本都被互聯(lián)網(wǎng)，金融等行業(yè)吸引走了，留下來的都是靠情懷，而情懷能在現(xiàn)實(shí)面前支持多久，誰也不好說。

其次，工業(yè)軟件本質(zhì)是工業(yè)產(chǎn)品，是需要時間去結(jié)晶的，個人、公司、社會、客戶，誰都等不起這個時間。沒有時間的工業(yè)軟件就是會有各種bug，這些bug又經(jīng)常是高風(fēng)險，而高風(fēng)險換來的不一定是高回報。

最后工業(yè)軟件，本質(zhì)上還是不能脫離行業(yè)，而國內(nèi)的工業(yè)還沒有走到標(biāo)準(zhǔn)化和高質(zhì)量的階段，大量的工業(yè)軟件要為這些不是標(biāo)準(zhǔn)化的東西去買單。另外，這些工業(yè)行業(yè)的從業(yè)人員，很多也沒有對工業(yè)軟件有足夠的重視程度，目光所及，看到的是設(shè)備，看不到的是工業(yè)軟件。

說了那么多劣勢，其實(shí)我們也有自己的優(yōu)勢：

首先在于場景，類似移動互聯(lián)網(wǎng)，中國制造的生態(tài)和產(chǎn)業(yè)鏈豐富，有足夠多的場景去需要工業(yè)軟件，德國或者美國的工業(yè)軟件都是航天或者汽車領(lǐng)域催生出來的。中國的工業(yè)軟件也許會走一條不一樣的路，比如選擇的一些基本的物流或者核電等行業(yè)，也是大量需要工業(yè)軟件的。

大量的應(yīng)用場景帶來的是理論方法的創(chuàng)新，最新的多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模理論方法，與技術(shù)所創(chuàng)造的知識自動化技術(shù)體系，正在使得工業(yè)軟件生成方式發(fā)生改變。而經(jīng)過十一五、十二五的一些前期工作，中國在這方面已經(jīng)慢慢有所建樹。

如果可以深入持續(xù)的開展工業(yè)知識（模型）的表達(dá)與互聯(lián)研究，建立模型重用、在新工科教育中強(qiáng)化工業(yè)軟件的基礎(chǔ)作用、制定相關(guān)產(chǎn)業(yè)聯(lián)動政策鼓勵工業(yè)界采用國產(chǎn)替代技術(shù)等，未來還是有所期待的。

最后是體制，工業(yè)軟件需要從上層標(biāo)準(zhǔn)的建立，來確定底層的開發(fā)設(shè)計(jì)邏輯?！八院芏嗳私ㄗh把工業(yè)軟件的發(fā)展放到航空、航天、兵工、船舶等行業(yè)同等重要的地位，發(fā)揮我們舉國體制優(yōu)越性，破解工業(yè)軟件受制于人的局面。