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工業(yè)軟件為什么這么難？
發(fā)布時間：2022-06-10
工業(yè)軟件中幾乎最難啃的三座大山，就是CAD、CAE和EDA，大山中間還穿插了許多小的丘陵，如CAM、拓?fù)鋬?yōu)化、工程數(shù)據(jù)庫等。工業(yè)軟件這三座大山，是人類基礎(chǔ)學(xué)科和工程知識的集大成者。
盡管它支撐了整個工業(yè)的體系，但它的市場份額卻小的可憐，不拿顯微鏡，是找不到它的存在。然而它自身的構(gòu)成，分別是令人望而生畏的數(shù)學(xué)、物理、計算機和工程經(jīng)驗。沒有一種產(chǎn)值如此微不足道的工業(yè)產(chǎn)品，卻需要有如此漫長的生命軌跡。從大學(xué)的數(shù)學(xué)方程式開始出發(fā)，經(jīng)過漫長的物理機理的冶煉、計算機科學(xué)與技術(shù)的萃取，最后還必須經(jīng)過工程知識的淬火，才能成為一個成熟可用的工業(yè)軟件產(chǎn)品。
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圖1：工業(yè)軟件的技術(shù)圖譜
四大技術(shù)圖譜就像四座護法金剛，形成了深不可測的技術(shù)鴻溝。這對于任何一個工業(yè)軟件企業(yè)，十年發(fā)展的沉淀，那還只是開始。這條路，太漫長了。
數(shù)學(xué)基礎(chǔ)需要扎實
工業(yè)軟件首先要有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。計算機輔助設(shè)計軟件CAD這個學(xué)科的淵起和發(fā)展，主要是數(shù)學(xué)的一個分支微分幾何突破之后，進化出了一個新學(xué)科——計算幾何，孔斯、弗格森、貝塞爾等為CAD，CAE，EDA等軟件所依賴的3D幾何造型提供了強有力的理論基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的NURBS相關(guān)曲線曲面理論和算法是目前大部分商用軟件所使用幾何引擎的關(guān)鍵技術(shù)。
而仿真分析軟件CAE無論對于數(shù)據(jù)的前處理和后處理，還是各種求解器，對數(shù)學(xué)也有很高的要求。
前處理不僅僅是數(shù)據(jù)導(dǎo)入、模型修復(fù)和顯示，很大一塊是網(wǎng)格剖分的能力，這部分的技術(shù)門檻不低。算是CAE領(lǐng)域后起之秀Altair作為有幾十產(chǎn)品的上市公司，至今前處理軟件HyperMesh還是最重要的旗艦產(chǎn)品，貢獻了公司最多的收入，也是在CAE領(lǐng)域站穩(wěn)腳的基石。后處理在大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理和直觀、動態(tài)、炫酷可視化展示方面也有很多需要研發(fā)的內(nèi)容，尤其是在B/S架構(gòu)下，如何通過Web頁面快速高質(zhì)量加載巨大的CAE計算結(jié)果，會是一個巨大的挑戰(zhàn)。
工業(yè)強度的網(wǎng)格生成算法不僅有很深的理論問題，也有很大的程序開發(fā)工作量。德國的斯杭博士在德國開發(fā)Tetgen，從2000年左右開始一直只做這樣的一件事情，堅持了20年，才有了和商業(yè)四面體引擎ghs3d競爭的能力。同樣法國Distene公司開發(fā)的MeshGems系列網(wǎng)格剖分系統(tǒng)被廣泛用于商業(yè)CAE軟件，最早來源于INRIA（法國國家信息與自動化研究所），十幾個研發(fā)人員也專注開發(fā)了近20年。
工業(yè)軟件這條路上，盡是寂寞的黑夜中的探索。
在NASA公布的CFD VISION2030戰(zhàn)略咨詢報告中，網(wǎng)格生成是單列的五項關(guān)鍵領(lǐng)域之一，并被認(rèn)為是達成2030愿景的主要瓶頸。就在這樣一個高難度的領(lǐng)域，國內(nèi)很多軟件都是裸奔，依靠Gmsh之類開源算法無法滿足客戶定制改進的要求，很難做到工業(yè)應(yīng)用主流中去。
優(yōu)化也是普遍性的數(shù)值方法，包括優(yōu)化理論、代理模型等，是求解復(fù)雜工程問題的基礎(chǔ)，更不用說對各種路徑規(guī)劃所涉及的矩陣?yán)碚?、泛函分析、動態(tài)規(guī)劃、圖論等等，無不是多約束條件下的多目標(biāo)自動解空間尋優(yōu)，背后都是數(shù)學(xué)王國建構(gòu)的基礎(chǔ)之基。
各種CAE、EDA軟件中需要多種計算數(shù)學(xué)理論和算法，包括線性方程組、非線性方程組求解、偏微分方程求解、特征值特征向量求解、大規(guī)模稀疏矩陣求解等都需要非常深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。如果不能熟練運用各種數(shù)學(xué)工具，對物理場的建模也就無從談起。
物理場面臨著多種挑戰(zhàn)
頭疼的數(shù)學(xué)之后，接著是頭疼的物理。這是仿真軟件、EDA軟件需要突破的地方。工業(yè)技術(shù)的源頭，是對材料及其物理特性的開發(fā)與利用。因此，對多物理場及相互耦合的描述與建模是各種仿真分析軟件的核心。
而工業(yè)軟件由于要解決的是真實的大千世界，所有看得見、看不見的物理場，都在按照各自的機理自由游蕩。工業(yè)軟件必須要跨越十分寬廣的學(xué)科光譜，跨越了錢學(xué)森科學(xué)技術(shù)體系的基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、工程科學(xué)、工程技術(shù)，而且也會包含大量的經(jīng)驗、訣竅等“前科學(xué)”知識。具體而言，任何CAE軟件在市場上存身的根本都是其解決結(jié)構(gòu)、流體、熱、電&磁、光、聲、材料、分子動力學(xué)等物理場問題的能力，每種物理場都包含豐富的分支學(xué)科。
仿真分析軟件CAE的求解器由物理算法組成，每個專業(yè)領(lǐng)域都有一堆問題求解算法，不同領(lǐng)域如電磁、結(jié)構(gòu)、流體的求解器處理機制，完全不同，基本沒法通用；另外一方面，跟FEA有限元方法有關(guān)，采用的單元類型不同，問題求解算法也不同。因此，雖然也有第三方的求解器，但無法像三維CAD軟件領(lǐng)域那樣形成通過出售幾何建模引擎和幾何約束求解引擎獲利的商業(yè)模式。
以結(jié)構(gòu)為例，為解決結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題，有可能會涉及到理論力學(xué)，分析力學(xué)，材料力學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)，彈性力學(xué)，塑性力學(xué)，振動力學(xué)，疲勞力學(xué)，斷裂力學(xué)等一系列學(xué)科。在這個基礎(chǔ)上，主流的CAE軟件都支持結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能。相對于傳統(tǒng)的CAE的僅限于評估設(shè)計是否滿足要求，結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件在創(chuàng)成式設(shè)計等先進技術(shù)支持下可自動生成更好的結(jié)構(gòu)輕，性能優(yōu)、裝配件少的更優(yōu)設(shè)計。
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圖2：物理場之上的工業(yè)模型
（來源DARPA）
由于現(xiàn)實世界的發(fā)展要求，產(chǎn)品的智能化提高導(dǎo)致的復(fù)雜度提高，往往產(chǎn)品本身涉及多場多域問題。物理場有太多的組合，相互之間又干擾不清。這些復(fù)雜的問題，既要深刻理解學(xué)科自身的物理特性，并對這些學(xué)科物理特性所沉淀的學(xué)科方程，如電磁的麥克斯韋方程、流體力學(xué)的伯努利方程、納維-斯托克斯方程等等，深刻理解之外，還要對實際工程應(yīng)用領(lǐng)域的多物理場交織耦合環(huán)境能夠快速解耦，讓不同學(xué)科不同特質(zhì)的特征參數(shù)迭代過程中能夠互為方程組求解的輸入輸出，以便對多場多域的工程問題進行優(yōu)化。
隨著現(xiàn)在需要處理的模型規(guī)模越來越大，模型本身也越來越復(fù)雜，現(xiàn)有國際上大型商業(yè)CAD、CAE、EDA中使用的幾何建模引擎和幾何約束求解商業(yè)化組件產(chǎn)品（包括InterOp、CGM、ACIS、CDS、Parasolid、D-Cubed等）廠商達索系統(tǒng)、西門子等也在不斷跟進最新的計算機技術(shù)。比如最近也在采用多線程技術(shù)不斷改進之前的算法，用于大幅提升模型導(dǎo)入、模型修復(fù)、縫合、實體建模、布爾運算、面片化以及約束求解的效率。
輪到了計算機科學(xué)
正如當(dāng)年圍繞機床的“數(shù)控技術(shù)”，很快就演變?yōu)?ldquo;計算機數(shù)控技術(shù)”和“計算機輔助設(shè)計”一樣，工業(yè)軟件的誕生和早期發(fā)展受到計算機與多媒體硬件進步的推動，之后又隨軟件技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、計算模式的浪潮起伏。工業(yè)軟件是軟件，但它是硬件設(shè)備高度融合。二者無法分類，也不能相互修飾，就像兩口子的結(jié)婚照，少了任何一張面孔都是不可想象的。工業(yè)軟件，不可能忽視計算機科學(xué)與技術(shù)的問題。
這其中涉及到計算機硬件技術(shù)自身的迭代進步，從大型主機（Mainframe），到工程工作站，再到PC，最后來到云計算，甚至到未來的量子計算與普適計算，每當(dāng)先進的計算技術(shù)出現(xiàn)，與之相匹配的工業(yè)軟件，就會以鮮明的時代特征，出現(xiàn)在工業(yè)界的面前。
軟件工程，是為了應(yīng)對大型軟件編碼可靠性和質(zhì)量管理問題的一門學(xué)科，而應(yīng)時而生。它是支持協(xié)同開發(fā)、保障軟件生命力的重要因素。軟件工程是驅(qū)動軟件全生命周期工程活動的基礎(chǔ)學(xué)科。軟件工程重點是算法分析、計算機安全、軟件質(zhì)量控制、軟件測試與維護。這其中也涉及到系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、數(shù)據(jù)庫，計算機圖形學(xué)與可視化、操作系統(tǒng)、編譯原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、HPC/GPU 并行計算等各種學(xué)科。
除了用戶打交道最多的軟件界面之外，工業(yè)軟件需要涉及一個良好的軟件架構(gòu)和過程管理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、接口標(biāo)準(zhǔn)、方便幾何建模引擎、約束求解器、前后處理、CAE求解器等優(yōu)勢資源集成。加速軟件更新迭代，軟件自動化驗證，工程經(jīng)驗的積累，軟件跨平臺(集群,超算)部署，多種服務(wù)模式支持，二次開發(fā)腳本支持等，以至于后續(xù)大規(guī)模仿真數(shù)據(jù)的挖掘、分析等。
工業(yè)軟件模型之間的兼容性問題，目前主要是通過遵循STEP標(biāo)準(zhǔn)解決的。在美國和歐洲，都有推動STEP標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)及應(yīng)用的非盈利組織，特別是近期包括波音、空客、GE、洛克希德-馬丁等航空巨頭推進的LOTAR（長期歸檔和檢索）項目也是以STEP作為基礎(chǔ)。各種CAD、CAE、EDA格式之間相互轉(zhuǎn)換造成的信息丟失和精度丟失每年都會造成高達數(shù)十億美元的損失，而如何有效復(fù)用這些模型數(shù)據(jù)也長期困擾著各個行業(yè)，特別是不少國內(nèi)廠商在設(shè)計模型過程中沒有遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，“制造”了不少問題數(shù)據(jù)，這些模型數(shù)據(jù)傳遞到下游行業(yè)也造成了很多問題，有些模型甚至基本不可復(fù)用。
工程知識是最后的淬火
如何將工業(yè)技術(shù)與知識寫進軟件，是業(yè)界最關(guān)注的議題。
麥克斯韋Maxwell能解決電和光的物理方程描述，但卻解決不了一家電氣制造商的設(shè)計制造問題?；A(chǔ)技術(shù)很重要，但不能解決工程問題。工業(yè)軟件經(jīng)過工程知識的淬火，才能與工業(yè)應(yīng)用場景結(jié)合。
工業(yè)軟件可以分為“基-通-專”的層次。第一層是類似CATIA、UG這樣的基礎(chǔ)通用平臺?；A(chǔ)通用平臺是最難的，它裹挾了多年的知識沉淀和用戶使用習(xí)慣，因此門檻很高。在此之上，第二層是行業(yè)相對通用的知識，包括行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、試驗測試數(shù)據(jù)、人機工程學(xué)等；而再上面一層是針對特定產(chǎn)品的專用知識，由于面非常窄，個性化非常明顯，則往往更加小眾，知識密度更大。
工程界的建模與分析問題，混合了很多不同維度的問題，既有基礎(chǔ)學(xué)科的交叉如數(shù)學(xué)、如物理；又有不同的工程經(jīng)驗的混合。
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圖3：建模（鳴謝達索系統(tǒng)吳敏提供此圖）
因此工業(yè)界，其實基本不需要聽阿里系、騰訊系所談到的“建模”。他們會談到建模，但在那里，那是一種社會科學(xué)、軟科學(xué)，事關(guān)消費、交易，是商業(yè)而不是工業(yè)，完全無法解決工廠里的物理世界。他們用了同樣的名詞，卻在做著不同的事情。
一個簡單的示例可以區(qū)分兩者的核心區(qū)別，互聯(lián)網(wǎng)公司的用戶畫像建模，它們的這種模型，用大數(shù)據(jù)抽取年齡、收入、地域、階層、職業(yè)、學(xué)歷等等，然后關(guān)聯(lián)到購物交易嗜好行為。而工業(yè)界一談到用戶畫像建模，其實是完全不同的概念。首先它是一個計算機完全描述的對象模型，其多態(tài)使用場景隨后也精確表征，而這種用戶畫像模型，如果用在設(shè)計階段，就是人機工程分析、使用行為分析；如果用在生產(chǎn)現(xiàn)場，就是一個資源，有其資質(zhì)、勞動能力等級、關(guān)鍵設(shè)備持證，安全區(qū)域等級等等所描述；如果是一個終端用戶，則不同大陸百分位身高、駕駛習(xí)慣、駕駛舒適感包絡(luò)、地域色澤嗜好等等是這種模型的特質(zhì)，因為這樣的三維模型可以直接載入虛擬產(chǎn)品中進行各種場景的模擬優(yōu)化和體驗，而與偏向購物交易促銷的互聯(lián)網(wǎng)用戶畫像模型相差十萬八千里。
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圖4：模型分析（鳴謝達索系統(tǒng)吳敏提供此圖）
制造現(xiàn)場涉及大量的工藝過程，這種Know-how的轉(zhuǎn)移，是一個非常復(fù)雜的知識擴散現(xiàn)象。各種工藝如鑄造、焊接、沖壓、鍛造、切削、熱處理等，各有各的現(xiàn)場訣竅。許多暗默知識，只可意會不可言傳，師傅的言傳身授往往是最好的方法。而工業(yè)軟件，正是向這種知識轉(zhuǎn)化進行宣戰(zhàn)。大量的制造經(jīng)驗，要想變成算法、編碼，固化到軟件，那都是一個漫長的過程。工業(yè)軟件的價值，因此得以凝聚。
實際上，工程知識的匯聚，也會形成用戶的使用習(xí)慣。一旦用戶形成深度依賴，后來者軟件的替代將成為非常艱難的攻城術(shù)。在芯片領(lǐng)域，電子設(shè)計自動化軟件EDA則深度地嵌入到芯片設(shè)計公司和晶圓代工公司，三者相互連接在一起，不可分離。很多EDA軟件，根本得不到代工工廠的工藝數(shù)據(jù)，而這是EDA發(fā)展歷程中最為重要的養(yǎng)分。沒用了用戶的反饋，軟件因此而 “餓的面黃肌瘦”。
工業(yè)軟件是人類制造知識的最好結(jié)晶體
工業(yè)軟件是架構(gòu)在數(shù)學(xué)科學(xué)、物理科學(xué)、計算機技術(shù)和工業(yè)技術(shù)之上的宏大建筑，一座復(fù)合型知識的宮殿。
工業(yè)軟件最奇妙的地方，它一旦集成了前人的技術(shù)，它就很少會流失。這跟任何一種設(shè)備類的不同，一個老工程師不在了，現(xiàn)場工藝就可能斷掉。但工業(yè)軟件則是一層一層，既有來自軟件廠商數(shù)學(xué)、物理奇才的心血，更有來自數(shù)百萬工業(yè)用戶的使用反饋——這形成了一座堅實的護城河。唯有如此，它綜合了如此不同的精華，工業(yè)軟件才成為人類知識的集大成者。
這是真正的工業(yè)之花。一花雖小，世界皆在。