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中国工业软件该如何突围?

来源:数字中国网 企鹅号 2020-11-03 热度:

作为制造业的“皇冠”,如今的航空航天产业早已迈进数字化设计阶段,人们手工制图的阶段已不复存在,目前已经对这类设计软件高度依赖。

来源 | 数字工业知识中心、航空制造网、空天大视野

中国工业软件该如何突围?

在今年中兴事件后,国人都知道芯片是一项最重要的核心技术。但是,至今很少有人知道,尽管中兴每年进口六七十亿美元的芯片,但如果美国禁用只有数百万美元的电子工程设计软件,那么,上百亿的芯片也不过是一堆高级硅土。

当智能制造和工业4.0的目标越来约聚焦在数字化设计、数字化工厂和数字化运营服务的时候,“数字建模和仿真”再次成为一切数字化工业背后最为闪耀的明星。最为重要的制造领域的三个软件工具,CAD(计算机辅助设计)、CAE(计算机辅助工程)和CAM(计算机辅制造),成为中国信息化最熟悉、然而看上去却是现在最为薄弱的领域。在这三种软件中,含金量最高而我国最为薄弱的当推CAE软件。

作为制造业的“皇冠”,如今的航空航天产业早已迈进数字化设计阶段,人们手工制图的阶段已不复存在,目前已经对这类设计软件高度依赖。因为飞机的设计极为复杂,各种结构件和标准件之间的配合需要十分精密,如果仍采用手工设计,在图纸到实物的转化中,过度依赖操作工人的理解、经验和技能水平,这将会消耗大量人力物力,而航空航天业的发展却面临着激烈的国际竞争。只有不断研发出更好性能、更低价格和更快的研发时间,才能在激烈的竞争中保持优势地位。

据国外资料表明,在产品的研发过程中正确使用CAE软件,可以大大减少设计过程中产生重大变化的概率,有数据表明甚至降低了15倍;缩短了产品研发时间的60%;降低产品使用中的故障率83%;产品的成本也有所下降。

航空航天发展对CAE软件的需求

随着人类对航空航天飞行器的要求不断提高,为了満足航空航天飞行器提高性能、降低成本和减少研发时间的要求,将要求采用能力更强、计算更便捷的CAE软件。下面按飞行器的飞行速度和飞行高度,从低到高依次来介绍这些飞行器对CAE软件需求。

1.常规飞机的需求

一般来说,飞机的设计可分为概念设计、初步设计和详细设计三个阶段。在概念设计阶段,要求CAE软件能提供有一定淮度而快 方便计算各种飞机构型,在巡航飞行状态的能力。在初步设计阶段,要求CAE软件能具有提供所选飞机构型的适中准度的仿真能力,具有能进行性能确认和优化的能力,并能自动生成变化的构型和自动生成数据库的能力。在详细设计阶段要求进一步解决飞机设计中存在的复杂的设计问题。这就对CAE软件采用的物理模型和计算的准度提出了更高的要求。

图1 CFD软件在常规飞机设计中的应用

2.高超声速飞行器的需求

目前世界各国发展的高超声速飞行器,主要有两大类。一类是以火箭发动机为动力的高超声速飞行器,如高超声速助推滑翔导弹和航天飞机等;另一类飞行器是以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器,如高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机等。前一类飞行器对CAE软件的要求,是提供设计气动防热和稳定控制的仿真。后一类飞行器对CAE软件的要求,除了包括类似于前一类飞行器的要求外,还要提供吸气式发动机的仿真能力。

高超声速飞行器的设计过程,已经不同于常规飞机。首先高超声速飞行器己经不能像飞机那样,将飞行器的机体和发动机分开来单独设计,而必须将机体与发动机进行一体化设计。

图3 高超声速飞行器要求采用新的设计方法

3.航天飞行器的需求

航天飞行器是飞行器中经历的环境最为复杂的飞行器。它们不仅承受比常规飞机和高超声速飞机更高的速度、温度和压力和这些参数的极端变化,而且它们还承受太空中的严酷的辐射环境,因此,它们对CAE软件的要求最高。载人的飞行器,为了提可靠性和安全性,其要求比无人飞行器的要求更高。目前,美国等航天强国,对于近地轨道和探索月球的飞行器,已日趋成熟,而其进一步发展的目标,将是提高性能、降低成本和扩大应用。但对于目的地是火星的飞行器,总体上仍处于探索阶段。

一般来说,航天飞行器可分为运载器和航天器两大类。运载器目前主要采用火箭发动机,未来也可能发展出新的动力系统。对于火箭发动机来说,急需开发全仿真软件,以大规模减少地面试验的次数而大大降低开发成本。美国的SpaceX公司开发的火箭发动机仿真软件,在降低火箭研制成本中起了明显的作用。

图3 美国SpaceX公司应用了火箭发动机CFD仿真软件

在最近几年,伴随着数字化、网络化和智能化的深入发展,中国制造正在向智能制造迅速转型。中国制造业缺少核心的工业软件,将是一柄达摩克利斯之剑,长悬于中国制造之顶。没有自主核心工业软件的支撑,中国制造强国和航空航天强国之梦仍难变成现实。

工业软件有多重要

作为短板的危害就有多大

工业软件的本质是工业品。它从来都是工业的结晶,而非IT的产物。工业软件是工业化长期积累的工业知识与诀窍的结晶,是工业化进程的不可缺少的伴生物。而在中国,很多时候,它却被简单地认为更多是IT软件属性,跟其他管理软件、甚至互联网一起发展。这是一个天大的误判。

而且,这个误判对制造业的发展而言,是一个致命的误伤。如今西门子、GE、施耐德等工业巨头都在拼命并购软件,打造软硬一体化的公司。仅就代码行数而言,世界上最大的软件公司,不是微软,不是 SAP,而是制造业的翘楚、全球最大的军火商洛克希德马丁公司。

时至今日,每一件工业品,几乎都是工业软件的结晶,每一台装备,离开了软件都不能运行。但是,每一种国外工业软件里面究竟有什么,却是谁也说不清。这是一个失控的数字世界。貌似强大的“中国制造”,恰恰就是站立在失控的工业软件的数字世界之颠。

当许多人都在沉迷工业互联网、人工智能、大数据来推动制造业转型升级的时候,没有人意识到这些概念如果脱光了一层一层衣服,最内核的就是工业软件。

从现状分析

看我国工业软件的突围之路

如果说,以前软件只是硬件的附属物,那么,现在的软件已反客为主,成为了机器的大脑和神经,主宰了机器世界的运行逻辑。

没有工业软件,智能制造就是空想。智能制造涉及硬件、软件、网络、计算等多种技术和制造技术的融合,而工业软件是其中最为关键的技术。无论是硬件、网络、计算等技术和制造工艺融合,都离不开软件定义、编码和封装。

没有自主可控的工业软件,智能制造就无从谈起。而工业软件涉及工业制造、企业管理的各个方面,存储、处理大量数据,一旦泄密,后果不堪设想。

早在2011年,法国达索公司旗下的机械设计软件——SolidWorks,就被爆料存在安全“后门”,将个人计算机上的信息泄露给他人。

虽然Solidworks予以否认,但因为这款软件在中国应用非常广泛,事关重大。国家相关部门随即通知各军工企业停止使用该软件,以防资料被窃取而导致可能的泄密事件。工信部也下发通知,要求加强工业控制系统信息安全管理。

我们不能将国家的信息安全寄希望于外国软件的商业道德与自律,加快研发自主可控软件,是保证中国信息安全的重要手段。

首先是高端人才的问题,但凡软件可以写到符合工业软件级别的,都是编程能力很不错的,基本都被互联网,金融等行业吸引走了,留下来的都是靠情怀,而情怀能在现实面前支持多久,谁也不好说。

其次,工业软件本质是工业产品,是需要时间去结晶的,个人、公司、社会、客户,谁都等不起这个时间。没有时间的工业软件就是会有各种bug,这些bug又经常是高风险,而高风险换来的不一定是高回报。

最后工业软件,本质上还是不能脱离行业,而国内的工业还没有走到标准化和高质量的阶段,大量的工业软件要为这些不是标准化的东西去买单。另外,这些工业行业的从业人员,很多也没有对工业软件有足够的重视程度,目光所及,看到的是设备,看不到的是工业软件。

说了那么多劣势,其实我们也有自己的优势:

首先在于场景,类似移动互联网,中国制造的生态和产业链丰富,有足够多的场景去需要工业软件,德国或者美国的工业软件都是航天或者汽车领域催生出来的。中国的工业软件也许会走一条不一样的路,比如选择的一些基本的物流或者核电等行业,也是大量需要工业软件的。

大量的应用场景带来的是理论方法的创新,最新的多领域物理统一建模理论方法,与技术所创造的知识自动化技术体系,正在使得工业软件生成方式发生改变。而经过十一五、十二五的一些前期工作,中国在这方面已经慢慢有所建树。

如果可以深入持续的开展工业知识(模型)的表达与互联研究,建立模型重用、在新工科教育中强化工业软件的基础作用、制定相关产业联动政策鼓励工业界采用国产替代技术等,未来还是有所期待的。

最后是体制,工业软件需要从上层标准的建立,来确定底层的开发设计逻辑。“所以很多人建议把工业软件的发展放到航空、航天、兵工、船舶等行业同等重要的地位,发挥我们举国体制优越性,破解工业软件受制于人的局面。

中国工业软件

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