文章編號：1006-0871(2009)01-0001-04

摘 要：為從國家戰(zhàn)略的視角討論自主計算機輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從工程科學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)與CAE應(yīng)用技術(shù)以及三大產(chǎn)業(yè)(CAE軟件產(chǎn)業(yè)、先進制造業(yè)和生產(chǎn)性服務(wù)業(yè))的結(jié)合等方面進行論述，提出發(fā)展自主CAE軟件產(chǎn)業(yè)的建議與對策.

關(guān)鍵詞：自主軟件產(chǎn)業(yè)；公共研發(fā)平臺；CAE

中圖分類號：F49；TP311.5

文獻標志碼：A

Advice and countermeasures about developing independent CAE software industry

LU Zhongji

(Shanghai CAE Tech. Public Service Platform，Shanghai Academy of Sci. & Tech.，Shanghai 201203，China)

Abstract：To discuss the development of independent Computer Aided Engineering(CAE) software industry of China from the view of national strategy，the combination of numerical simulation technology of engineering science with CAE application technology and three main industries(CAE software industry，advanced manufacturing industry and production service industry) are elaborated. The advice and countermeasures about developing independent CAE software industry of China are put forward.

Key words：independent software industry；public service platform；CAE

0 引 言

建設(shè)自主計算機輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)軟件產(chǎn)業(yè)的過程異常艱辛.數(shù)值模擬分析技術(shù)已經(jīng)成為各國優(yōu)先發(fā)展的工程與科學(xué)領(lǐng)域核心項目，作為工程科學(xué)數(shù)值模擬的產(chǎn)業(yè)培育，不僅將帶動先進制造業(yè)、生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)和自主軟件產(chǎn)業(yè)的互相聯(lián)動并形成規(guī)模效應(yīng)，同時還能就典型行業(yè)利益共享機制的形成探尋可持續(xù)發(fā)展示范模式.

2006年中國科學(xué)院技術(shù)科學(xué)部和信息技術(shù)科學(xué)部在上海召開 “CAE自主創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略”論壇，圍繞產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)貯備、行業(yè)需求和軟件廠商現(xiàn)狀等4個方面進行全面回顧，并對建設(shè)自主CAE軟件產(chǎn)業(yè)提出期盼.[1]2007年中國科學(xué)院向國務(wù)院呈送《關(guān)于發(fā)展事關(guān)國家競爭力和國家安全戰(zhàn)略的CAE軟件產(chǎn)業(yè)的建議》[2]的報告，為相關(guān)人員建設(shè)自主產(chǎn)業(yè)樹立信心.2008年以“發(fā)展CAE軟件產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略對策”為主題的第339次香山科學(xué)會議在北京舉行[3]，多種學(xué)科的專家們展望未來發(fā)展趨勢、交流產(chǎn)業(yè)建設(shè)進展，以服務(wù)和服從國家戰(zhàn)略的視角去思考發(fā)展自主CAE軟件產(chǎn)業(yè)的建議與對策.

1 CAE已成為工程科學(xué)數(shù)值模擬的核心技術(shù)

1.1 CAE內(nèi)容的巨大變革和挑戰(zhàn)

CAE作為1項跨學(xué)科技術(shù)，普遍被認為是涵蓋企業(yè)生產(chǎn)、設(shè)計和管理等所有與計算機有關(guān)的軟件系統(tǒng).作為支持從研究開發(fā)到產(chǎn)品檢測整個生產(chǎn)過程的計算機系統(tǒng)[4]，隨著技術(shù)手段的發(fā)展和變革，已成為創(chuàng)新設(shè)計和虛擬驗證過程中利用計算機分析工程(Computer Analysis Engineering)的核心技術(shù).

由于有限元技術(shù)的成熟以及智能算法的引入，使得從過去回答“產(chǎn)品失效了嗎”到要求回答“產(chǎn)品何時會失效、為什么會失效”的轉(zhuǎn)變.[5]這種轉(zhuǎn)變的實質(zhì)是數(shù)值模擬結(jié)果已經(jīng)從設(shè)計校核和“供設(shè)計參考”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸O(shè)計的依據(jù)”，也使CAE從針對特定問題編制程序分析產(chǎn)品零部件的應(yīng)力變形狀況以及對優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)的數(shù)字化描述，提高到數(shù)字模型的系統(tǒng)仿真階段.借助仿真技術(shù)，已可在短時間內(nèi)完成緊湊型家庭轎車全尺寸模型的設(shè)計、驗證和制造.同樣也可通過軟件重現(xiàn)世貿(mào)大樓倒塌全過程，找到大樓僅在1 h內(nèi)就坍塌的原因.[6]

計算機模擬過去取得的成功是其變革最大的敵人，原因在于過去的數(shù)值模擬方法論已經(jīng)陳舊，無法滿足新技術(shù)的挑戰(zhàn).基于仿真的工程與科學(xué)(Simulation-Based Engineering Science，SBES)的內(nèi)涵遠超過傳統(tǒng)物理現(xiàn)象的模擬，需要發(fā)展新的方法、設(shè)備、程序、流程和戰(zhàn)略規(guī)劃，將模擬提升到可以解決過去無法處理的問題的功能強大的新水平，并可能促使一系列新技術(shù)的出現(xiàn)和新的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn).[7]

1.2 數(shù)值模擬分析應(yīng)成為工程與科學(xué)領(lǐng)域國家優(yōu)先發(fā)展的項目

數(shù)值模擬分析技術(shù)在發(fā)達國家已達到較為普及和實用的階段.美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會提醒“計算科學(xué)已成為科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)地位、經(jīng)濟競爭力和國家安全的關(guān)鍵”，“美國政府還沒有充分認識到計算科學(xué)的潛力”；同時提出“短期資助和局部的戰(zhàn)略計劃將導(dǎo)致我們過多地集中在逐步增加的研究上，而忽略那些具有深遠意義的大范圍可持續(xù)性研究.”[8]

長期以來，我國科技工作者重視工程力學(xué)發(fā)展和仿真技術(shù)應(yīng)用，已取得不菲的成就，并贏得一席之地.同時，還高度重視數(shù)值模擬分析技術(shù)的發(fā)展動向，因為該項技術(shù)“已經(jīng)成為科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和工程設(shè)計的重要基石，特別是某些國防科技和前沿科學(xué)研究領(lǐng)域唯一可行的試驗手段，成為大量尖端科技領(lǐng)域和重大工程實施中必不可少的核心支撐技術(shù)” [9]，“現(xiàn)在計算機發(fā)展迅速，計算力學(xué)產(chǎn)生CAE產(chǎn)業(yè)并成為新領(lǐng)域“計算科學(xué)”的核心”[10].

2006年，美國國家科學(xué)基金會發(fā)表藍帶報告書《基于仿真的工程與科學(xué)(SBES)》[7]，明確指出“計算機仿真已發(fā)展成為有力的研究工具，足以影響和改變21世紀工程科學(xué)的研究之路”；“SBES采用模擬和計算機仿真的原理和方法以獲取和應(yīng)用知識并造福人類，應(yīng)成為工程與科學(xué)領(lǐng)域國家優(yōu)先發(fā)展項目”.

2 以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的變革將催生“化危為機”的新興產(chǎn)業(yè)

2.1 數(shù)值模擬技術(shù)的高附加價值回報將推動生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)發(fā)展

現(xiàn)代服務(wù)業(yè)是以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、特別是網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)為主要支撐，建立在新的商業(yè)模式、服務(wù)流程和管理方式基礎(chǔ)上的技術(shù)和知識密集型服務(wù)產(chǎn)業(yè).相對于傳統(tǒng)服務(wù)業(yè)，現(xiàn)代服務(wù)業(yè)具有高人力資本含量、高技術(shù)含量和高附加價值的3個基本特征.[11]目前，數(shù)值模擬技術(shù)在傳統(tǒng)制造業(yè)得到廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)自主軟件尚未達到主流軟件商品化時，已經(jīng)通過生產(chǎn)性難題攻關(guān)等方式，在國民經(jīng)濟建設(shè)和國防重大項目的應(yīng)用層面發(fā)揮著不可替代的核心作用，同時其高附加價值回報也推動學(xué)科研究和專業(yè)技術(shù)咨詢服務(wù)的蓬勃發(fā)展.

利用CAE技術(shù)進行數(shù)值模擬的目的在于減少試制和實驗環(huán)節(jié)，了解設(shè)計修改后的效果.在整個設(shè)計過程中，產(chǎn)品的外觀特征已能夠直觀可視，而產(chǎn)品性能特點和設(shè)計缺陷則需要具有在該領(lǐng)域經(jīng)驗豐富的CAE技術(shù)的人員經(jīng)過分析驗證和修改.商品化軟件系統(tǒng)往往可以提供一些常用的分析模擬流程和規(guī)范，幫助提高模擬分析效果，然而解讀計算結(jié)果、提出修改設(shè)計意見則是經(jīng)驗積累的核心價值.

現(xiàn)代服務(wù)業(yè)通過高新技術(shù)作用和滿足市場需求的演化，逐漸形成面向制造業(yè)的生產(chǎn)性服務(wù)業(yè).發(fā)展現(xiàn)代制造服務(wù)業(yè)，是從生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造發(fā)展的戰(zhàn)略需求，是加快制造業(yè)自主創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要內(nèi)容，也是制造業(yè)信息化科技工程延伸發(fā)展的創(chuàng)新性內(nèi)容.[12]

2.2 先進制造業(yè)的發(fā)展與CAE技術(shù)應(yīng)用效果密切相關(guān)

當(dāng)前，以裝備制造業(yè)為主體的先進制造業(yè)正在加速發(fā)展，運用生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)對傳統(tǒng)服務(wù)業(yè)進行改造和提升，利用CAE技術(shù)提高競爭能力和創(chuàng)新水平，推動制造業(yè)的價值鏈向“微笑曲線”兩頭攀升，是從制造大國邁進制造強國的關(guān)鍵一環(huán).

目前，我國在CAE領(lǐng)域的理論研究和應(yīng)用技術(shù)已有所積累，對國際通用商業(yè)軟件的大部分關(guān)鍵技術(shù)有所掌握，在某些領(lǐng)域更是有所領(lǐng)先.在國外主流軟件暫不提供技術(shù)的條件下，從當(dāng)初“在運十研制中開發(fā)各類軟件138個” [13]，到如今與大飛機研制相關(guān)的10大關(guān)鍵技術(shù)都用CAE技術(shù)進行模擬分析.眾多正在進行和將要開發(fā)的項目，從“嫦娥奔月”到“大深度潛水器”，從“大飛機工程”到“兩彈一星”的預(yù)研和設(shè)計，以及軌道交通、燃料電池等設(shè)計和開發(fā)都在運用CAE模擬技術(shù)方面卓有成效.

近30年來，發(fā)達國家技術(shù)封鎖為我國CAE軟件預(yù)留了發(fā)展空間，所開發(fā)和運用的核能、武器裝備、復(fù)雜流動、水下爆炸等領(lǐng)域的專業(yè)CAE軟件，也為國內(nèi)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與程序開發(fā)積累經(jīng)驗.[14]航天工業(yè)尤為顯著：中國載人航天的發(fā)展，與CAE技術(shù)快速發(fā)展所提供的推動力密不可分，并伴隨載人航天工程研制走向更為廣闊的明天.[15]

2.3 以共性技術(shù)需求為交匯點，推進3大產(chǎn)業(yè)的利益共享合作

軟件產(chǎn)業(yè)作為國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，在促進國民經(jīng)濟和社會發(fā)展信息化中具有重要的地位和作用，也是全面體現(xiàn)理論創(chuàng)新能力和科技成果水平的載體.[16]發(fā)展自主CAE軟件產(chǎn)業(yè)的提出和實踐，對發(fā)展“先進制造業(yè)”和“生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)”具有調(diào)整經(jīng)濟發(fā)展方式的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)聯(lián)動優(yōu)勢.

軟件產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)制造業(yè)結(jié)合，既充分發(fā)揮軟件系統(tǒng)的集成和實現(xiàn)能力，又實現(xiàn)理論研究成果向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化；企業(yè)以自身需求為引導(dǎo)，促進科技成果產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用體系的完善與實踐，建立完善的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系；生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)作為紐帶和橋梁，調(diào)控產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)中發(fā)展不均衡、結(jié)構(gòu)性矛盾日益突出等問題，形成順暢的軟件技術(shù)成果和產(chǎn)品進入市場的產(chǎn)業(yè)化渠道和良好運行機制，保障國產(chǎn)軟件、軟件服務(wù)及系統(tǒng)集成的健康發(fā)展.[17]同樣可借鑒的是20多年來，美國圍繞戰(zhàn)略需求就先后執(zhí)行3次計算科學(xué)大計劃，鞏固其軍事地位，并帶動基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)和工程設(shè)計的躍升.[18]

把CAE技術(shù)的戰(zhàn)略產(chǎn)品研發(fā)和企業(yè)的示范工程建設(shè)作為科技創(chuàng)新的交匯點[19]，生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)和先進制造業(yè)也將以“雙輪驅(qū)動”的模式助推軟件產(chǎn)業(yè)向價值鏈的上下游延伸.以“軟實力”服務(wù)“硬產(chǎn)業(yè)”，3大產(chǎn)業(yè)互相聯(lián)動意味著將以更低的成本形成規(guī)模效應(yīng)，產(chǎn)生更強的競爭力與抗風(fēng)險能力.

3 從“坐而論道”到“起而行之”的“投石問路”策略

3.1 我國CAE技術(shù)的工程分析能力和軟件產(chǎn)業(yè)的可行性分析

在產(chǎn)業(yè)界，“產(chǎn)業(yè)微笑曲線”(Smiling Curve)以其務(wù)實和動態(tài)的方式描繪企業(yè)策略而備受重視.微笑曲線的中間是制造，左邊是研發(fā)，右邊是營銷.在產(chǎn)業(yè)鏈中，附加值更多體現(xiàn)在兩端：研發(fā)和營銷，處于中間環(huán)節(jié)的制造附加值最低.企業(yè)只有在全球產(chǎn)業(yè)鏈分工的“微笑曲線”中占據(jù)有利位置，才能獲得附加價值高的利潤.在眾多產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，我國CAE技術(shù)與國際先進水平相比還存在很大差距，主要表現(xiàn)在自主創(chuàng)造能力不強等方面.

我國CAE軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是個屢戰(zhàn)屢敗、屢敗屢戰(zhàn)的滄桑過程，在永不言敗的科技人員面前，每次挫折都帶來新的認識和積累.[20]在國民經(jīng)濟急需的工業(yè)裝備和國防工業(yè)眾多領(lǐng)域，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進技術(shù)在被“禁運”和“技術(shù)封鎖”的嚴酷現(xiàn)實面前，以其練就自主領(lǐng)先技術(shù)“金剛鉆”的能力，攬下國民經(jīng)濟急需“瓷器活”的行動，擔(dān)當(dāng)起民族振興的責(zé)任.[21]當(dāng)前，自主CAE軟件產(chǎn)業(yè)處于低潮的根本原因是長期粗放式經(jīng)營所導(dǎo)致的結(jié)果.在該領(lǐng)域中，我們有核心技術(shù)、開發(fā)人才和國家內(nèi)需，但缺乏可以積累知識成果和軟件系統(tǒng)的自主集成平臺，“目前的現(xiàn)狀是外國人管理、外國品牌、中國人研發(fā)、中國人做服務(wù)，軟件在中國市場上賺錢.”[22]

3.2 以點帶面建立產(chǎn)權(quán)明晰和市場化運作的創(chuàng)新主體

推動CAE技術(shù)發(fā)展的有3股重要力量：科研院校以理論體系和基本算法為特長，注重技術(shù)運用；軟件廠商以市場營銷和系統(tǒng)集成為主導(dǎo)，重視需求和反饋；企業(yè)集團以應(yīng)用驗證和實際效益為目標，謀求最終受益.軟件服務(wù)業(yè)在需求之間牽線搭橋，作為功能延伸，起著潤滑和膨脹作用.所形成的積累與再循環(huán)能力，關(guān)鍵在于需要有國家層面的主管機構(gòu)進行組織管理和統(tǒng)一指導(dǎo).

科研院校的理論體系和基本算法研究不能簡單放任為市場行為，基金委和科技部作為國家未來發(fā)展提供科學(xué)支撐的需要，愈加給予重視；軟件公司的市場營銷和系統(tǒng)集成以戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)建設(shè)為目標，工信部和發(fā)改委著力推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整和優(yōu)化升級，正加快信息化和工業(yè)化的融合；應(yīng)用企業(yè)的工程驗證和實際效益則以重大工程專項為牽引，以國外“禁運”為突破點，“把實際應(yīng)用效果作為衡量計算機科學(xué)成就的主要標志”[23].

當(dāng)時提出“建設(shè)有自主知識產(chǎn)權(quán)的CAE平臺，應(yīng)是一件十分有意義的事”[24]的設(shè)想是尋求對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的探索，嘗試以服務(wù)創(chuàng)新和整合創(chuàng)新的方式，謀求突破自主發(fā)展CAE軟件產(chǎn)業(yè)的“瓶頸”.作為“摸著石頭過河”來探索建立產(chǎn)權(quán)明晰和市場化運作的創(chuàng)新主體需要充分的實踐，發(fā)展CAE軟件產(chǎn)業(yè)不能僅“坐而論道”，要敢于“起而行之”承擔(dān)風(fēng)險，還要“海納百川”包容大氣.

3.3 用行業(yè)利益共享示范機制探討產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展模式

雖然近年來中國的CAE軟件營業(yè)額只在約2億元的規(guī)模[25-26]，因為看好發(fā)展前景，風(fēng)險投資和公司兼并消息不斷.在經(jīng)歷規(guī)模擴大和資本積累后，已逐漸進入資本整合的發(fā)展時期.

推動CAE技術(shù)發(fā)展的目標是一致的.在自身利益方面是做大做強贏得發(fā)展空間；在國家戰(zhàn)略層面則是經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)優(yōu)化.探討建立產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)發(fā)展體系、實現(xiàn)長期利益共享聯(lián)盟的模式是眾多行業(yè)遇到的共同問題.自主軟件產(chǎn)業(yè)建設(shè)是知識經(jīng)濟時代綜合整合能力的集中體現(xiàn).雖然其投資和規(guī)模遠小于如“大飛機工程”的國家級項目，但對于自主產(chǎn)業(yè)的形成，其整合方式的難度在某些方面更為錯綜復(fù)雜：科研成果分散和應(yīng)用領(lǐng)域眾多、人力資源分散和企業(yè)集中開發(fā)、知識資本保護和國家投資方式等.“麻雀雖小，五臟俱全”，小有小的長處，可以“摸著石頭過河”，況且時間跨度短，投入資金少，風(fēng)險可以控制，推廣價值會更大.

探討有社會共性需求的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式，有其典型的探路作用：

(1)擁有核心技術(shù)，但分散在各處，明確成果轉(zhuǎn)化、知識產(chǎn)權(quán)和投資方式有示范作用；

(2)軟件開發(fā)不需要物理產(chǎn)品設(shè)計、加工和實驗，不存在重復(fù)制造成本，投入費用相應(yīng)較??；

(3)集成涉及眾多學(xué)科和行業(yè)，且分散各地，借助網(wǎng)絡(luò)作為工具，顯現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)時代合作方式；

(4)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的供需結(jié)合緊密，但利益相關(guān)者群體不同.整合要達到內(nèi)部資源共享和利益風(fēng)險共擔(dān)的企業(yè)社會責(zé)任機制設(shè)計有助于探究社會共性問題.

臨淵羨魚，不如退而織網(wǎng)，培育事關(guān)國家競爭力和國家戰(zhàn)略安全的CAE軟件產(chǎn)業(yè)是國家面向未來的產(chǎn)業(yè).然而審勢而行，尚需借勢而起，尤其是體制和機制的創(chuàng)新動力最為重要.以往“小富即安”的項目形式獨肩難挑，“解惑答疑”的課題研究難負重任，“拉郎配式”的合作攻關(guān)難以為續(xù)，“跑步進場”的巧立名目更是心不在焉.國家層面的資源整合需要政府引導(dǎo)，站在戰(zhàn)略的高度審時度勢.總之，氣可鼓而不可泄，面對當(dāng)今形勢，逆勢而上，順勢而為，推動自主CAE軟件產(chǎn)業(yè)建設(shè)具有更重要的意義.

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