深不可测工业软件之谜

王俊杰2017

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。

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？



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。


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。

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。

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。


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或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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。


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。

忆困血馆闻

经验告诉哥，不能弯腰捡肥皂啊！

jimmy肖明

逆袭成功。。。。。。

海田1

我是火华哥，抢沙发专业户。。。。

老橡树1

不错，顶一个！