发展自主ＣＡＥ软件产业的建议与对策

文章编号：1006-0871(2009)01-0001-04

摘 要：为从国家战略的视角讨论自主计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)软件产业的发展，从工程科学的数值模拟技术与CAE应用技术以及三大产业(CAE软件产业、先进制造业和生产性服务业)的结合等方面进行论述，提出发展自主CAE软件产业的建议与对策.

关键词：自主软件产业；公共研发平台；CAE

中图分类号：F49；TP311.5

文献标志码：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

建设自主计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)软件产业的过程异常艰辛.数值模拟分析技术已经成为各国优先发展的工程与科学领域核心项目，作为工程科学数值模拟的产业培育，不仅将带动先进制造业、生产性服务业和自主软件产业的互相联动并形成规模效应，同时还能就典型行业利益共享机制的形成探寻可持续发展示范模式.

2006年中国科学院技术科学部和信息技术科学部在上海召开 “CAE自主创新发展战略”论坛，围绕产业政策、技术贮备、行业需求和软件厂商现状等4个方面进行全面回顾，并对建设自主CAE软件产业提出期盼.[1]2007年中国科学院向国务院呈送《关于发展事关国家竞争力和国家安全战略的CAE软件产业的建议》[2]的报告，为相关人员建设自主产业树立信心.2008年以“发展CAE软件产业的战略对策”为主题的第339次香山科学会议在北京举行[3]，多种学科的专家们展望未来发展趋势、交流产业建设进展，以服务和服从国家战略的视角去思考发展自主CAE软件产业的建议与对策.

1 CAE已成为工程科学数值模拟的核心技术

1.1 CAE内容的巨大变革和挑战

CAE作为1项跨学科技术，普遍被认为是涵盖企业生产、设计和管理等所有与计算机有关的软件系统.作为支持从研究开发到产品检测整个生产过程的计算机系统[4]，随着技术手段的发展和变革，已成为创新设计和虚拟验证过程中利用计算机分析工程(Computer Analysis Engineering)的核心技术.

由于有限元技术的成熟以及智能算法的引入，使得从过去回答“产品失效了吗”到要求回答“产品何时会失效、为什么会失效”的转变.[5]这种转变的实质是数值模拟结果已经从设计校核和“供设计参考”转变为“设计的依据”，也使CAE从针对特定问题编制程序分析产品零部件的应力变形状况以及对优化部件结构的数字化描述，提高到数字模型的系统仿真阶段.借助仿真技术，已可在短时间内完成紧凑型家庭轿车全尺寸模型的设计、验证和制造.同样也可通过软件重现世贸大楼倒塌全过程，找到大楼仅在1 h内就坍塌的原因.[6]

计算机模拟过去取得的成功是其变革最大的敌人，原因在于过去的数值模拟方法论已经陈旧，无法满足新技术的挑战.基于仿真的工程与科学(Simulation-Based Engineering Science，SBES)的内涵远超过传统物理现象的模拟，需要发展新的方法、设备、程序、流程和战略规划，将模拟提升到可以解决过去无法处理的问题的功能强大的新水平，并可能促使一系列新技术的出现和新的重要科学发现.[7]

1.2 数值模拟分析应成为工程与科学领域国家优先发展的项目

数值模拟分析技术在发达国家已达到较为普及和实用的阶段.美国总统信息技术咨询委员会提醒“计算科学已成为科学领导地位、经济竞争力和国家安全的关键”，“美国政府还没有充分认识到计算科学的潜力”；同时提出“短期资助和局部的战略计划将导致我们过多地集中在逐步增加的研究上，而忽略那些具有深远意义的大范围可持续性研究.”[8]

长期以来，我国科技工作者重视工程力学发展和仿真技术应用，已取得不菲的成就，并赢得一席之地.同时，还高度重视数值模拟分析技术的发展动向，因为该项技术“已经成为科学研究、技术开发和工程设计的重要基石，特别是某些国防科技和前沿科学研究领域唯一可行的试验手段，成为大量尖端科技领域和重大工程实施中必不可少的核心支撑技术” [9]，“现在计算机发展迅速，计算力学产生CAE产业并成为新领域“计算科学”的核心”[10].

2006年，美国国家科学基金会发表蓝带报告书《基于仿真的工程与科学(SBES)》[7]，明确指出“计算机仿真已发展成为有力的研究工具，足以影响和改变21世纪工程科学的研究之路”；“SBES采用模拟和计算机仿真的原理和方法以获取和应用知识并造福人类，应成为工程与科学领域国家优先发展项目”.

2 以数值模拟为基础的变革将催生“化危为机”的新兴产业

2.1 数值模拟技术的高附加价值回报将推动生产性服务业发展

现代服务业是以现代科学技术、特别是网络和信息技术为主要支撑，建立在新的商业模式、服务流程和管理方式基础上的技术和知识密集型服务产业.相对于传统服务业，现代服务业具有高人力资本含量、高技术含量和高附加价值的3个基本特征.[11]目前，数值模拟技术在传统制造业得到广泛应用，在国内自主软件尚未达到主流软件商品化时，已经通过生产性难题攻关等方式，在国民经济建设和国防重大项目的应用层面发挥着不可替代的核心作用，同时其高附加价值回报也推动学科研究和专业技术咨询服务的蓬勃发展.

利用CAE技术进行数值模拟的目的在于减少试制和实验环节，了解设计修改后的效果.在整个设计过程中，产品的外观特征已能够直观可视，而产品性能特点和设计缺陷则需要具有在该领域经验丰富的CAE技术的人员经过分析验证和修改.商品化软件系统往往可以提供一些常用的分析模拟流程和规范，帮助提高模拟分析效果，然而解读计算结果、提出修改设计意见则是经验积累的核心价值.

现代服务业通过高新技术作用和满足市场需求的演化，逐渐形成面向制造业的生产性服务业.发展现代制造服务业，是从生产型制造向服务型制造发展的战略需求，是加快制造业自主创新和结构调整的重要内容，也是制造业信息化科技工程延伸发展的创新性内容.[12]

2.2 先进制造业的发展与CAE技术应用效果密切相关

当前，以装备制造业为主体的先进制造业正在加速发展，运用生产性服务业对传统服务业进行改造和提升，利用CAE技术提高竞争能力和创新水平，推动制造业的价值链向“微笑曲线”两头攀升，是从制造大国迈进制造强国的关键一环.

目前，我国在CAE领域的理论研究和应用技术已有所积累，对国际通用商业软件的大部分关键技术有所掌握，在某些领域更是有所领先.在国外主流软件暂不提供技术的条件下，从当初“在运十研制中开发各类软件138个” [13]，到如今与大飞机研制相关的10大关键技术都用CAE技术进行模拟分析.众多正在进行和将要开发的项目，从“嫦娥奔月”到“大深度潜水器”，从“大飞机工程”到“两弹一星”的预研和设计，以及轨道交通、燃料电池等设计和开发都在运用CAE模拟技术方面卓有成效.

近30年来，发达国家技术封锁为我国CAE软件预留了发展空间，所开发和运用的核能、武器装备、复杂流动、水下爆炸等领域的专业CAE软件，也为国内结构数值模拟与程序开发积累经验.[14]航天工业尤为显著：中国载人航天的发展，与CAE技术快速发展所提供的推动力密不可分，并伴随载人航天工程研制走向更为广阔的明天.[15]

2.3 以共性技术需求为交汇点，推进3大产业的利益共享合作

软件产业作为国家的基础性、战略性产业，在促进国民经济和社会发展信息化中具有重要的地位和作用，也是全面体现理论创新能力和科技成果水平的载体.[16]发展自主CAE软件产业的提出和实践，对发展“先进制造业”和“生产性服务业”具有调整经济发展方式的产业结构联动优势.

软件产业与传统制造业结合，既充分发挥软件系统的集成和实现能力，又实现理论研究成果向实际应用的转化；企业以自身需求为引导，促进科技成果产业化应用体系的完善与实践，建立完善的产业创新体系；生产性服务业作为纽带和桥梁，调控产业环节中发展不均衡、结构性矛盾日益突出等问题，形成顺畅的软件技术成果和产品进入市场的产业化渠道和良好运行机制，保障国产软件、软件服务及系统集成的健康发展.[17]同样可借鉴的是20多年来，美国围绕战略需求就先后执行3次计算科学大计划，巩固其军事地位，并带动基础科学、应用科学和工程设计的跃升.[18]

把CAE技术的战略产品研发和企业的示范工程建设作为科技创新的交汇点[19]，生产性服务业和先进制造业也将以“双轮驱动”的模式助推软件产业向价值链的上下游延伸.以“软实力”服务“硬产业”，3大产业互相联动意味着将以更低的成本形成规模效应，产生更强的竞争力与抗风险能力.

3 从“坐而论道”到“起而行之”的“投石问路”策略

3.1 我国CAE技术的工程分析能力和软件产业的可行性分析

在产业界，“产业微笑曲线”(Smiling Curve)以其务实和动态的方式描绘企业策略而备受重视.微笑曲线的中间是制造，左边是研发，右边是营销.在产业链中，附加值更多体现在两端：研发和营销，处于中间环节的制造附加值最低.企业只有在全球产业链分工的“微笑曲线”中占据有利位置，才能获得附加价值高的利润.在众多产业发展过程中，我国CAE技术与国际先进水平相比还存在很大差距，主要表现在自主创造能力不强等方面.

我国CAE软件产业的发展是个屡战屡败、屡败屡战的沧桑过程，在永不言败的科技人员面前，每次挫折都带来新的认识和积累.[20]在国民经济急需的工业装备和国防工业众多领域，具有自主知识产权的先进技术在被“禁运”和“技术封锁”的严酷现实面前，以其练就自主领先技术“金刚钻”的能力，揽下国民经济急需“瓷器活”的行动，担当起民族振兴的责任.[21]当前，自主CAE软件产业处于低潮的根本原因是长期粗放式经营所导致的结果.在该领域中，我们有核心技术、开发人才和国家内需，但缺乏可以积累知识成果和软件系统的自主集成平台，“目前的现状是外国人管理、外国品牌、中国人研发、中国人做服务，软件在中国市场上赚钱.”[22]

3.2 以点带面建立产权明晰和市场化运作的创新主体

推动CAE技术发展的有3股重要力量：科研院校以理论体系和基本算法为特长，注重技术运用；软件厂商以市场营销和系统集成为主导，重视需求和反馈；企业集团以应用验证和实际效益为目标，谋求最终受益.软件服务业在需求之间牵线搭桥，作为功能延伸，起着润滑和膨胀作用.所形成的积累与再循环能力，关键在于需要有国家层面的主管机构进行组织管理和统一指导.

科研院校的理论体系和基本算法研究不能简单放任为市场行为，基金委和科技部作为国家未来发展提供科学支撑的需要，愈加给予重视；软件公司的市场营销和系统集成以战略产业建设为目标，工信部和发改委着力推进产业结构战略性调整和优化升级，正加快信息化和工业化的融合；应用企业的工程验证和实际效益则以重大工程专项为牵引，以国外“禁运”为突破点，“把实际应用效果作为衡量计算机科学成就的主要标志”[23].

当时提出“建设有自主知识产权的CAE平台，应是一件十分有意义的事”[24]的设想是寻求对产业结构调整的探索，尝试以服务创新和整合创新的方式，谋求突破自主发展CAE软件产业的“瓶颈”.作为“摸着石头过河”来探索建立产权明晰和市场化运作的创新主体需要充分的实践，发展CAE软件产业不能仅“坐而论道”，要敢于“起而行之”承担风险，还要“海纳百川”包容大气.

3.3 用行业利益共享示范机制探讨产业可持续发展模式

虽然近年来中国的CAE软件营业额只在约2亿元的规模[25-26]，因为看好发展前景，风险投资和公司兼并消息不断.在经历规模扩大和资本积累后，已逐渐进入资本整合的发展时期.

推动CAE技术发展的目标是一致的.在自身利益方面是做大做强赢得发展空间；在国家战略层面则是经济结构调整和产业优化.探讨建立产业共性技术发展体系、实现长期利益共享联盟的模式是众多行业遇到的共同问题.自主软件产业建设是知识经济时代综合整合能力的集中体现.虽然其投资和规模远小于如“大飞机工程”的国家级项目，但对于自主产业的形成，其整合方式的难度在某些方面更为错综复杂：科研成果分散和应用领域众多、人力资源分散和企业集中开发、知识资本保护和国家投资方式等.“麻雀虽小，五脏俱全”，小有小的长处，可以“摸着石头过河”，况且时间跨度短，投入资金少，风险可以控制，推广价值会更大.

探讨有社会共性需求的产业化发展模式，有其典型的探路作用：

(1)拥有核心技术，但分散在各处，明确成果转化、知识产权和投资方式有示范作用；

(2)软件开发不需要物理产品设计、加工和实验，不存在重复制造成本，投入费用相应较小；

(3)集成涉及众多学科和行业，且分散各地，借助网络作为工具，显现互联网时代合作方式；

(4)产业联盟的供需结合紧密，但利益相关者群体不同.整合要达到内部资源共享和利益风险共担的企业社会责任机制设计有助于探究社会共性问题.

临渊羡鱼，不如退而织网，培育事关国家竞争力和国家战略安全的CAE软件产业是国家面向未来的产业.然而审势而行，尚需借势而起，尤其是体制和机制的创新动力最为重要.以往“小富即安”的项目形式独肩难挑，“解惑答疑”的课题研究难负重任，“拉郎配式”的合作攻关难以为续，“跑步进场”的巧立名目更是心不在焉.国家层面的资源整合需要政府引导，站在战略的高度审时度势.总之，气可鼓而不可泄，面对当今形势，逆势而上，顺势而为，推动自主CAE软件产业建设具有更重要的意义.

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(编辑 廖粤新)