最近幾年，科技卡脖子的問(wèn)題經(jīng)常被提起，這也是目前我國(guó)科技界、經(jīng)濟(jì)界、投資圈的討論熱點(diǎn)之一?？ú弊蛹夹g(shù)的重災(zāi)區(qū)是半導(dǎo)體行業(yè)，首當(dāng)其沖者是芯片設(shè)計(jì)上游的工業(yè)軟件(EDA軟件)。雖然國(guó)內(nèi)許多公司具備芯片設(shè)計(jì)能力，但是IC設(shè)計(jì)的高端軟件EDA工具仍然基本由外國(guó)公司壟斷。EDA受制于人，足見(jiàn)工業(yè)軟件對(duì)一個(gè)科技時(shí)代的重要性。

　　隨著科技行業(yè)進(jìn)入機(jī)器人時(shí)代，我國(guó)有著天然的先發(fā)優(yōu)勢(shì)。以新能源智能汽車為例，目前中國(guó)是最大的生產(chǎn)國(guó)，也是最大的消費(fèi)國(guó)，但是我國(guó)的自動(dòng)駕駛技術(shù)卻沒(méi)有走在最前頭，特別是在技術(shù)研發(fā)范式上仍然采用手工作坊模式。為了在機(jī)器人時(shí)代免于被卡脖子，我們必須大力投入到自動(dòng)駕駛以及機(jī)器人的工業(yè)軟件自主化中，以形成生產(chǎn)、技術(shù)快速迭代、消費(fèi)的閉環(huán)。特別是，自動(dòng)駕駛是機(jī)器人技術(shù)的高地，應(yīng)用于新能源智能汽車的自動(dòng)駕駛技術(shù)及其供應(yīng)鏈經(jīng)過(guò)量產(chǎn)的洗禮后，很容易降維到不同的機(jī)器人行業(yè)，孵化出無(wú)數(shù)的細(xì)分機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。

　　形成生產(chǎn)、技術(shù)快速迭代和消費(fèi)的閉環(huán)的關(guān)鍵在于工業(yè)軟件，正如芯片行業(yè)強(qiáng)依賴EDA軟件，機(jī)器人行業(yè)技術(shù)研發(fā)的效率也強(qiáng)依賴機(jī)器人的工業(yè)軟件。本文將介紹什么是機(jī)器人的工業(yè)軟件，以及筆者使用工業(yè)軟件提升研發(fā)效率的經(jīng)驗(yàn)。

　　01 機(jī)器人時(shí)代的來(lái)臨

　　隨著越來(lái)越多的機(jī)器人以及無(wú)人車出現(xiàn)在我們的日常生活，機(jī)器人時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。在深入研究機(jī)器人時(shí)代之前，讓我們首先回顧一下信息科技的演變。信息技術(shù)騰飛于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)仙童半導(dǎo)體公司和英特爾公司通過(guò)生產(chǎn)微處理器奠定了信息時(shí)代的基礎(chǔ)，隨之而來(lái)的是硅谷的爆炸式發(fā)展。盡管微處理器技術(shù)極大地提高了工業(yè)生產(chǎn)力，但普羅大眾接觸它的機(jī)會(huì)非常有限。

　　情況在20世紀(jì)80年代發(fā)生了變化，隨著個(gè)人電腦的出現(xiàn)，以及后來(lái)的蘋果Macintosh和微軟Windows的圖形界面(GUI)使得個(gè)人計(jì)算快速普及，規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)使得個(gè)人計(jì)算的價(jià)格大幅降低。最終，計(jì)算機(jī)在全球范圍內(nèi)普及的愿景，在2000年左右實(shí)現(xiàn)了。

　　21世紀(jì)初，在每個(gè)人都擁有個(gè)人電腦的基礎(chǔ)上，雅虎和谷歌通過(guò)搜索引擎連接了人與信息，衍生出了互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。從2004年的Facebook開始，社交網(wǎng)絡(luò)在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上讓人與人便利地連接起來(lái)，將整個(gè)人類社會(huì)從線下轉(zhuǎn)移到了線上。隨著互聯(lián)網(wǎng)社會(huì)的人口增長(zhǎng)，諸如Airbnb(2008年)、Uber(2009年)等應(yīng)用開始在互聯(lián)網(wǎng)社會(huì)提供商業(yè)服務(wù)，形成了一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)社會(huì)，我國(guó)在互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)社會(huì)獨(dú)步全球，各種基于互聯(lián)網(wǎng)的APP將用戶體驗(yàn)做到了極致，但是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施依然基本依賴于美國(guó)提供的技術(shù)。

　　技術(shù)時(shí)代的窗口再一次敞開，眼下已經(jīng)進(jìn)入了機(jī)器人時(shí)代，服務(wù)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、送貨機(jī)器人、智能車將為人類提供服務(wù)，特別在我國(guó)老齡化日益嚴(yán)重的背景下可以提供充裕的生產(chǎn)力。因此，在機(jī)器人時(shí)代我國(guó)不能再被卡脖子，必須要成為世界上機(jī)器人技術(shù)研發(fā)效率最高的國(guó)家。而研發(fā)效率取決于研發(fā)工具，特別是機(jī)器人研發(fā)工業(yè)軟件可以把機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)從勞動(dòng)密集型升華為智慧密集型，使得研發(fā)的技術(shù)更容易規(guī)?；涞?。

　　02 機(jī)器人研發(fā)的手工作坊時(shí)代

　　目前隨著新能源車行業(yè)在我國(guó)的快速崛起，自動(dòng)駕駛變成了行業(yè)的香餑餑，各大車廠也就自動(dòng)駕駛技術(shù)人才展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。但在該領(lǐng)域，我國(guó)的人才儲(chǔ)備與美國(guó)差距懸殊。我們做過(guò)一個(gè)估算，中國(guó)目前在無(wú)人駕駛領(lǐng)域的人才儲(chǔ)備不足500人，而美國(guó)的這一數(shù)字可以達(dá)到4000到5000人。我們將這里的“人才”定義為對(duì)整個(gè)自動(dòng)駕駛技術(shù)棧有系統(tǒng)性理解并且能夠深入挖掘至少一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的工程師。

　　比人才儲(chǔ)備差距問(wèn)題更嚴(yán)重的是研發(fā)范式問(wèn)題，據(jù)筆者了解，國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠商還停留在手工作坊時(shí)代。調(diào)試一個(gè)算法，然后算法集成到一個(gè)系統(tǒng)，到附近的幾個(gè)道路跑路測(cè)，跑出問(wèn)題了再找出問(wèn)題，根據(jù)問(wèn)題修復(fù)，修復(fù)的代碼可能又帶來(lái)新的問(wèn)題。很多技術(shù)點(diǎn)都是通過(guò)手工的打磨，在一個(gè)地區(qū)測(cè)試出來(lái)的成果放在一個(gè)新的環(huán)境可能又會(huì)失效。這種研發(fā)方法效率低、成本高、難以規(guī)?；a(chǎn)。比如許多公司會(huì)維護(hù)一個(gè)測(cè)試車隊(duì)，等待合適的天氣環(huán)境進(jìn)行不同的無(wú)人駕駛測(cè)試，這樣的測(cè)試覆蓋率不可能高。而且一個(gè)在上海測(cè)試的車即使在上海表現(xiàn)很好，換了一個(gè)城市，比如廣州，就可能出現(xiàn)問(wèn)題，如果換了一個(gè)國(guó)家，比如巴黎，可能就更加難以適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境了。

　　在這種手工作坊的研發(fā)范式下，機(jī)器人技術(shù)研發(fā)還停留在勞動(dòng)密集型階段，研發(fā)成果難以規(guī)?；涞兀恳粋€(gè)新的市場(chǎng)與場(chǎng)景都需要一個(gè)新的團(tuán)隊(duì)來(lái)覆蓋。特別在我國(guó)的人才儲(chǔ)備已經(jīng)落后的情況下，勞動(dòng)密集型的研發(fā)范式很難確保中國(guó)在這個(gè)新興產(chǎn)業(yè)筑建壁壘。

　　因此，筆者認(rèn)為應(yīng)該加大在自動(dòng)駕駛以及機(jī)器人的工業(yè)軟件中的投入，比如仿真引擎，然后讓引擎自動(dòng)迭代算法，如此可以做到真正的高效率研發(fā)，研發(fā)出的技術(shù)也可以更輕松覆蓋多個(gè)市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展。

　　03 機(jī)器人時(shí)代的工業(yè)軟件

　　機(jī)器人時(shí)代的工業(yè)軟件的一個(gè)例子是自動(dòng)駕駛研發(fā)中的仿真引擎。通過(guò)在數(shù)字孿生環(huán)境中的仿真與數(shù)據(jù)積累，自動(dòng)駕駛算法研發(fā)的效率可以得到極大地提升，實(shí)現(xiàn)成本最小化，從而以最優(yōu)的價(jià)格推出最佳的自動(dòng)駕駛產(chǎn)品，快速實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，最終達(dá)不可逾越的高技術(shù)與商業(yè)門檻。與手工作坊的范式相比，工業(yè)軟件可以把自動(dòng)駕駛的研發(fā)從勞動(dòng)密集型升華為智慧密集型，降低投入的同時(shí)提高產(chǎn)出。例如，目前的手工作坊范式為了測(cè)試汽車如何處理大雪環(huán)境，測(cè)試團(tuán)隊(duì)可能需要等待幾個(gè)月，直到大雪來(lái)臨，然后在路上收集物理測(cè)試數(shù)據(jù)。使用了仿真軟件作為研發(fā)測(cè)試引擎后，我們可以輕易地在數(shù)字孿生環(huán)境中建造一條道路并產(chǎn)生一個(gè)大雪場(chǎng)景，然后根據(jù)需要產(chǎn)生各種高質(zhì)量的測(cè)試數(shù)據(jù)。

　　仿真對(duì)汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)其實(shí)并不陌生，例如，車輛動(dòng)態(tài)模擬器已經(jīng)被廣泛用于開發(fā)過(guò)程中，如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)。在自動(dòng)駕駛軟件研發(fā)中，仿真器已被用于測(cè)試和驗(yàn)證決策模塊和路徑規(guī)劃模塊。但目前的仿真環(huán)境缺乏對(duì)世界的高保真重現(xiàn)。最近，基于游戲引擎的高保真模擬器已經(jīng)被開發(fā)出來(lái)，比如Carla和LGLVS使用計(jì)算機(jī)圖形模型、渲染算法和物理模型來(lái)嘗試產(chǎn)生一個(gè)高保真環(huán)境。但是目前虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)之間的差距還是過(guò)大：首先，這些模擬器只提供虛擬城市的地圖，其中的地理和物理環(huán)境特征與真實(shí)世界的道路測(cè)試并不相同。其次，移動(dòng)物體的行為，如車輛和行人，都是寫死的，很難模仿真正的交通參與物的行為(例如，巴黎行人的行為可能與新德里行人的行為不同)。最后，這些仿真引擎不能很好地對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行高保真仿真，因此很難產(chǎn)生精準(zhǔn)的感知數(shù)據(jù)。礙于上述技術(shù)限制，中國(guó)的自動(dòng)駕駛研發(fā)基本仍停滯于手工作坊的范式，追求短平快地在市場(chǎng)上推出產(chǎn)品。這樣的做法在短期內(nèi)讓人感覺(jué)進(jìn)展很快，但是在技術(shù)發(fā)展的長(zhǎng)跑中很容易暴露出效率問(wèn)題，后繼乏力。

　　我們認(rèn)為基于仿真引擎的研發(fā)是一個(gè)先進(jìn)的工業(yè)化研發(fā)范式，而不僅僅是一組技術(shù)的堆砌。如圖2所示，根據(jù)實(shí)際部署經(jīng)驗(yàn)，我們總結(jié)了基于仿真引擎的自動(dòng)駕駛研發(fā)范式的幾大原則：

　　原則1：結(jié)構(gòu)仿真。數(shù)字孿生體應(yīng)該包括精確的環(huán)境三維模型，它呈現(xiàn)出與物理環(huán)境相同的地理和幾何特性?；诮Y(jié)構(gòu)孿生體，自動(dòng)駕駛的周邊環(huán)境可以得到很好地模擬。例如，利用目標(biāo)環(huán)境的幾何信息，可以合成真實(shí)的激光雷達(dá)點(diǎn)云和攝像機(jī)圖像，從而進(jìn)行很好的感知仿真。

　　原則2：物理仿真。物體運(yùn)動(dòng)、碰撞和感應(yīng)的物理過(guò)程應(yīng)該在仿真器中得到真實(shí)體現(xiàn)。例如，一個(gè)車輛動(dòng)力學(xué)模型需要一組參數(shù)來(lái)精確地模擬物體的運(yùn)動(dòng)。又例如，地理的信息也應(yīng)該被真實(shí)地體現(xiàn)，比如把高精地圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入到仿真系統(tǒng)中。

　　原則3：邏輯仿真。模擬的交通參與者(如車輛和行人)在與自動(dòng)駕駛車和其他物體互動(dòng)時(shí)，應(yīng)該有類似于他們的物理環(huán)境的行為。這一原則對(duì)于測(cè)試自動(dòng)駕駛汽車的規(guī)劃和決策模塊至關(guān)重要，特別是在交通繁忙的場(chǎng)景中。

　　04 效率的提升

　　在實(shí)現(xiàn)了很真實(shí)的結(jié)構(gòu)仿真(傳感器)，物理仿真(車體模型)，以及邏輯仿真(行為模擬)后，我們對(duì)比了物理測(cè)試的成本以及仿真測(cè)試的成本。物理測(cè)試無(wú)人駕駛算法的成本約為180美元/小時(shí)，而基于仿真引擎的測(cè)試僅為2美元/小時(shí)。在同樣的預(yù)算下，較之于手工作坊的研發(fā)范式，工業(yè)軟件驅(qū)動(dòng)的研發(fā)范式可以把效率提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。目前業(yè)界還有許多聲音認(rèn)為仿真引擎不可靠，手工作坊才是正途。但是效率的提升不會(huì)騙人，引用更先進(jìn)的研發(fā)方法的團(tuán)隊(duì)最終可以達(dá)致更高的效率，從而淘汰低效率的方法。在美國(guó)，許多領(lǐng)先的自動(dòng)駕駛公司，比如Tesla以及Waymo，在仿真上的投入已經(jīng)越來(lái)越高了，最終這些自動(dòng)駕駛仿真軟件上的投入會(huì)溢出到各個(gè)機(jī)器人的應(yīng)用中，快速培育這些垂直應(yīng)用的發(fā)展。

　　特別是Tesla，在每年的技術(shù)發(fā)布會(huì)上都會(huì)詳細(xì)介紹自身的技術(shù)棧，大家都會(huì)被Tesla的芯片、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器人產(chǎn)品等耀眼的技術(shù)所吸引，而媒體也會(huì)鋪天蓋地地宣傳這些耀眼的新興技術(shù)點(diǎn)。而筆者認(rèn)為，支撐Tesla研發(fā)迭代最核心的引擎就是他們的仿真引擎，而仿真引擎的介紹在Tesla的技術(shù)發(fā)布會(huì)上往往被一筆帶過(guò)，不容易被注意到。但是通過(guò)對(duì)比Tesla的研發(fā)范式與我國(guó)新能源車公司的研發(fā)范式，我們很容易發(fā)現(xiàn)雙方在技術(shù)研發(fā)上的顯著代差，如同冷兵器之于火器。

　　05 總結(jié)

　　機(jī)器人時(shí)代是中國(guó)科技與經(jīng)濟(jì)的極大機(jī)遇，中國(guó)已經(jīng)占據(jù)了明顯的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，目前中國(guó)是新能源智能汽車的最大生產(chǎn)國(guó)以及消費(fèi)國(guó)，但中國(guó)公司的研發(fā)范式還停留在手工作坊時(shí)代，很難高效地通過(guò)先進(jìn)技術(shù)將生產(chǎn)與消費(fèi)相連接形成閉環(huán)。而海外領(lǐng)先廠商已經(jīng)進(jìn)化到以工業(yè)軟件為核心的研發(fā)范式。筆者與團(tuán)隊(duì)自身研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)也確認(rèn)了以工業(yè)軟件為核心研發(fā)范式相對(duì)手工作坊范式有兩個(gè)數(shù)量級(jí)的效率提升。領(lǐng)先的機(jī)器人工業(yè)軟件可以極大地提升研發(fā)效率，把生產(chǎn)端與消費(fèi)端相連接形成閉環(huán)。這個(gè)閉環(huán)將確保我國(guó)在機(jī)器人時(shí)代擁有技術(shù)以及商業(yè)上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此，機(jī)器人時(shí)代的工業(yè)軟件自主化，中國(guó)不能再錯(cuò)過(guò)!