發展自主ＣＡＥ軟件產業的建議與對策

文章編號：1006-0871(2009)01-0001-04

摘 要：為從國家戰略的視角討論自主計算機輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)軟件產業的發展，從工程科學的數值模擬技術與CAE應用技術以及三大產業(CAE軟件產業、先進制造業和生產性服務業)的結合等方面進行論述，提出發展自主CAE軟件產業的建議與對策.

關鍵詞：自主軟件產業；公共研發平臺；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

建設自主計算機輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)軟件產業的過程異常艱辛.數值模擬分析技術已經成為各國優先發展的工程與科學領域核心項目，作為工程科學數值模擬的產業培育，不僅將帶動先進制造業、生產性服務業和自主軟件產業的互相聯動并形成規模效應，同時還能就典型行業利益共享機制的形成探尋可持續發展示范模式.

2006年中國科學院技術科學部和信息技術科學部在上海召開 “CAE自主創新發展戰略”論壇，圍繞產業政策、技術貯備、行業需求和軟件廠商現狀等4個方面進行全面回顧，并對建設自主CAE軟件產業提出期盼.[1]2007年中國科學院向國務院呈送《關于發展事關國家競爭力和國家安全戰略的CAE軟件產業的建議》[2]的報告，為相關人員建設自主產業樹立信心.2008年以“發展CAE軟件產業的戰略對策”為主題的第339次香山科學會議在北京舉行[3]，多種學科的專家們展望未來發展趨勢、交流產業建設進展，以服務和服從國家戰略的視角去思考發展自主CAE軟件產業的建議與對策.

1 CAE已成為工程科學數值模擬的核心技術

1.1 CAE內容的巨大變革和挑戰

CAE作為1項跨學科技術，普遍被認為是涵蓋企業生產、設計和管理等所有與計算機有關的軟件系統.作為支持從研究開發到產品檢測整個生產過程的計算機系統[4]，隨著技術手段的發展和變革，已成為創新設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.

由于有限元技術的成熟以及智能算法的引入，使得從過去回答“產品失效了嗎”到要求回答“產品何時會失效、為什么會失效”的轉變.[5]這種轉變的實質是數值模擬結果已經從設計校核和“供設計參考”轉變為“設計的依據”，也使CAE從針對特定問題編制程序分析產品零部件的應力變形狀況以及對優化部件結構的數字化描述，提高到數字模型的系統仿真階段.借助仿真技術，已可在短時間內完成緊湊型家庭轎車全尺寸模型的設計、驗證和制造.同樣也可通過軟件重現世貿大樓倒塌全過程，找到大樓僅在1 h內就坍塌的原因.[6]

計算機模擬過去取得的成功是其變革最大的敵人，原因在于過去的數值模擬方法論已經陳舊，無法滿足新技術的挑戰.基于仿真的工程與科學(Simulation-Based Engineering Science，SBES)的內涵遠超過傳統物理現象的模擬，需要發展新的方法、設備、程序、流程和戰略規劃，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的出現和新的重要科學發現.[7]

1.2 數值模擬分析應成為工程與科學領域國家優先發展的項目

數值模擬分析技術在發達國家已達到較為普及和實用的階段.美國總統信息技術咨詢委員會提醒“計算科學已成為科學領導地位、經濟競爭力和國家安全的關鍵”，“美國政府還沒有充分認識到計算科學的潛力”；同時提出“短期資助和局部的戰略計劃將導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性研究.”[8]

長期以來，我國科技工作者重視工程力學發展和仿真技術應用，已取得不菲的成就，并贏得一席之地.同時，還高度重視數值模擬分析技術的發展動向，因為該項技術“已經成為科學研究、技術開發和工程設計的重要基石，特別是某些國防科技和前沿科學研究領域唯一可行的試驗手段，成為大量尖端科技領域和重大工程實施中必不可少的核心支撐技術” [9]，“現在計算機發展迅速，計算力學產生CAE產業并成為新領域“計算科學”的核心”[10].

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

2 以數值模擬為基礎的變革將催生“化危為機”的新興產業

2.1 數值模擬技術的高附加價值回報將推動生產性服務業發展

現代服務業是以現代科學技術、特別是網絡和信息技術為主要支撐，建立在新的商業模式、服務流程和管理方式基礎上的技術和知識密集型服務產業.相對于傳統服務業，現代服務業具有高人力資本含量、高技術含量和高附加價值的3個基本特征.[11]目前，數值模擬技術在傳統制造業得到廣泛應用，在國內自主軟件尚未達到主流軟件商品化時，已經通過生產性難題攻關等方式，在國民經濟建設和國防重大項目的應用層面發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科研究和專業技術咨詢服務的蓬勃發展.

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

現代服務業通過高新技術作用和滿足市場需求的演化，逐漸形成面向制造業的生產性服務業.發展現代制造服務業，是從生產型制造向服務型制造發展的戰略需求，是加快制造業自主創新和結構調整的重要內容，也是制造業信息化科技工程延伸發展的創新性內容.[12]

2.2 先進制造業的發展與CAE技術應用效果密切相關

當前，以裝備制造業為主體的先進制造業正在加速發展，運用生產性服務業對傳統服務業進行改造和提升，利用CAE技術提高競爭能力和創新水平，推動制造業的價值鏈向“微笑曲線”兩頭攀升，是從制造大國邁進制造強國的關鍵一環.

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

近30年來，發達國家技術封鎖為我國CAE軟件預留了發展空間，所開發和運用的核能、武器裝備、復雜流動、水下爆炸等領域的專業CAE軟件，也為國內結構數值模擬與程序開發積累經驗.[14]航天工業尤為顯著：中國載人航天的發展，與CAE技術快速發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 以共性技術需求為交匯點，推進3大產業的利益共享合作

軟件產業作為國家的基礎性、戰略性產業，在促進國民經濟和社會發展信息化中具有重要的地位和作用，也是全面體現理論創新能力和科技成果水平的載體.[16]發展自主CAE軟件產業的提出和實踐，對發展“先進制造業”和“生產性服務業”具有調整經濟發展方式的產業結構聯動優勢.

軟件產業與傳統制造業結合，既充分發揮軟件系統的集成和實現能力，又實現理論研究成果向實際應用的轉化；企業以自身需求為引導，促進科技成果產業化應用體系的完善與實踐，建立完善的產業創新體系；生產性服務業作為紐帶和橋梁，調控產業環節中發展不均衡、結構性矛盾日益突出等問題，形成順暢的軟件技術成果和產品進入市場的產業化渠道和良好運行機制，保障國產軟件、軟件服務及系統集成的健康發展.[17]同樣可借鑒的是20多年來，美國圍繞戰略需求就先后執行3次計算科學大計劃，鞏固其軍事地位，并帶動基礎科學、應用科學和工程設計的躍升.[18]

把CAE技術的戰略產品研發和企業的示范工程建設作為科技創新的交匯點[19]，生產性服務業和先進制造業也將以“雙輪驅動”的模式助推軟件產業向價值鏈的上下游延伸.以“軟實力”服務“硬產業”，3大產業互相聯動意味著將以更低的成本形成規模效應，產生更強的競爭力與抗風險能力.

3 從“坐而論道”到“起而行之”的“投石問路”策略

3.1 我國CAE技術的工程分析能力和軟件產業的可行性分析

在產業界，“產業微笑曲線”(Smiling Curve)以其務實和動態的方式描繪企業策略而備受重視.微笑曲線的中間是制造，左邊是研發，右邊是營銷.在產業鏈中，附加值更多體現在兩端：研發和營銷，處于中間環節的制造附加值最低.企業只有在全球產業鏈分工的“微笑曲線”中占據有利位置，才能獲得附加價值高的利潤.在眾多產業發展過程中，我國CAE技術與國際先進水平相比還存在很大差距，主要表現在自主創造能力不強等方面.

我國CAE軟件產業的發展是個屢戰屢敗、屢敗屢戰的滄桑過程，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]在國民經濟急需的工業裝備和國防工業眾多領域，具有自主知識產權的先進技術在被“禁運”和“技術封鎖”的嚴酷現實面前，以其練就自主領先技術“金剛鉆”的能力，攬下國民經濟急需“瓷器活”的行動，擔當起民族振興的責任.[21]當前，自主CAE軟件產業處于低潮的根本原因是長期粗放式經營所導致的結果.在該領域中，我們有核心技術、開發人才和國家內需，但缺乏可以積累知識成果和軟件系統的自主集成平臺，“目前的現狀是外國人管理、外國品牌、中國人研發、中國人做服務，軟件在中國市場上賺錢.”[22]

3.2 以點帶面建立產權明晰和市場化運作的創新主體

推動CAE技術發展的有3股重要力量：科研院校以理論體系和基本算法為特長，注重技術運用；軟件廠商以市場營銷和系統集成為主導，重視需求和反饋；企業集團以應用驗證和實際效益為目標，謀求最終受益.軟件服務業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能力，關鍵在于需要有國家層面的主管機構進行組織管理和統一指導.

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展提供科學支撐的需要，愈加給予重視；軟件公司的市場營銷和系統集成以戰略產業建設為目標，工信部和發改委著力推進產業結構戰略性調整和優化升級，正加快信息化和工業化的融合；應用企業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，“把實際應用效果作為衡量計算機科學成就的主要標志”[23].

當時提出“建設有自主知識產權的CAE平臺，應是一件十分有意義的事”[24]的設想是尋求對產業結構調整的探索，嘗試以服務創新和整合創新的方式，謀求突破自主發展CAE軟件產業的“瓶頸”.作為“摸著石頭過河”來探索建立產權明晰和市場化運作的創新主體需要充分的實踐，發展CAE軟件產業不能僅“坐而論道”，要敢于“起而行之”承擔風險，還要“海納百川”包容大氣.

3.3 用行業利益共享示范機制探討產業可持續發展模式

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

推動CAE技術發展的目標是一致的.在自身利益方面是做大做強贏得發展空間；在國家戰略層面則是經濟結構調整和產業優化.探討建立產業共性技術發展體系、實現長期利益共享聯盟的模式是眾多行業遇到的共同問題.自主軟件產業建設是知識經濟時代綜合整合能力的集中體現.雖然其投資和規模遠小于如“大飛機工程”的國家級項目，但對于自主產業的形成，其整合方式的難度在某些方面更為錯綜復雜：科研成果分散和應用領域眾多、人力資源分散和企業集中開發、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，風險可以控制，推廣價值會更大.

探討有社會共性需求的產業化發展模式，有其典型的探路作用：

(1)擁有核心技術，但分散在各處，明確成果轉化、知識產權和投資方式有示范作用；

(2)軟件開發不需要物理產品設計、加工和實驗，不存在重復制造成本，投入費用相應較小；

(3)集成涉及眾多學科和行業，且分散各地，借助網絡作為工具，顯現互聯網時代合作方式；

(4)產業聯盟的供需結合緊密，但利益相關者群體不同.整合要達到內部資源共享和利益風險共擔的企業社會責任機制設計有助于探究社會共性問題.

臨淵羨魚，不如退而織網，培育事關國家競爭力和國家戰略安全的CAE軟件產業是國家面向未來的產業.然而審勢而行，尚需借勢而起，尤其是體制和機制的創新動力最為重要.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”的合作攻關難以為續，“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，站在戰略的高度審時度勢.總之，氣可鼓而不可泄，面對當今形勢，逆勢而上，順勢而為，推動自主CAE軟件產業建設具有更重要的意義.

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(編輯 廖粵新)