國產核心工業軟件發展可行途徑思考與政策建議

發布時間: 2020-06-08 11:48:19   來源:仿真技術應用聯盟  作者:丁 升

  核心工業軟件是工業制造與工程設計創新發展的支柱,是《中國制造2025》的制勝法寶,但近三十年來,國內核心工業軟件市場逐步被國外軟件壟斷。打破國外壟斷,改變被動局面,發展自主化國產核心工業軟件已成上下共識。本文通過對造成國產核心工業軟件發展困境的原因進行了初步分析,在此基礎上思考了國產核心工業軟件發展的可行途徑,進而提出可操作的政策建議,望能為促進國產自主可控核心工業軟件發展發揮一定作用。

  一 工業軟件分類及與IT軟件的差異

  工業軟件有很多定義,也包括很多分類方法,各類軟件的基礎與開發難度有很大差異,造成發展不均衡。但無論怎樣定義與分類,都無法改變核心工業軟件的重要性及其落后程度。

  一般將工業軟件劃分為研發設計、生產控制、服務保障與運營管理四大類,其中CAE、CAD、EDA等研發設計類軟件是工業軟件中地位極其重要的一類,可稱得上核心工業軟件,卻也是國內最薄弱的一類。

  核心工業軟件是科學計算軟件在工業產品研發設計領域的應用,是以科學計算為主緊密結合工業技術的軟件,本質是科學計算。IT軟件是以信息技術為核心的軟件,二者是不同類別的軟件,絕無從屬關系,存在本質差別。如果把IT軟件比作寫作文,那以CAD、CAE為代表的核心工業軟件就是做數學題。寫作文基本沒有會不會的問題,只有水平高低之分,有的人能寫小說、有的人能寫散文,能寫詩,大部分人只會寫流水賬。做數學題則不同,會就是會,不會的也就基本做不出來了,當然,會做的人里面也有水平高低之分。

  研發設計類工業軟件地位重要、基礎薄弱、國產化率低,并且開發難度大、開發周期長、落后程度高、資金需求大,是發展國產工業軟件首先要考慮的部分。目前有一些不正確的工業軟件定義在有意無意地邊緣化核心工業軟件,這種避重就輕的錯誤思維必將極大挫傷核心工業軟件的國產化進程,值得警惕。

  二 發展國產核心工業軟件的難得機遇

  發展國產核心工業軟件,現在可以說占盡了天時、地利、人和的絕佳時機,機會錯過恐怕很難再有突破。

  在國內,核心工業軟件屢遭卡脖子,在需求側,軍工企業更是被長期禁運,急切盼望成熟、穩定、功能全面的國產核心工業軟件面世;國外核心工業軟件高居不下的價格也迫使用戶尋找穩定可靠的低成本替代品;中小企業更是無法承受國外軟件高昂的價格。而在供給側,開發者也無不傾己所能加快研發,但無奈受限于資金、技術、人才、技術路線等,目前暫無多大起色。市場需求與研發出現巨大錯位,打破僵局已勢在必行。

  在國外,近十多年來國外核心工業軟件技術發展緩慢,已經進入了技術發展的平臺期,為保持業績而進行大規模并購,以橫向擴展彌補縱向發展緩慢所帶來的不足;在技術上,國外的核心工業軟件,特別是CAE軟件基本都是從上世紀六七十年代的代碼逐步積累到今天的,基本沒有做大的重構與修改,甚至CAE求解器仍然采用Fortran77語言編寫的,這點可以從這些軟件子程序接口規范體現出來(Ansys用戶可以打開其安裝目錄下ansys\customize\user\ansys.F文件查看)。其圖形界面也基本上從上世紀90年代開始發展的,都有很長的歷史了。這都說明一個問題,國外老牌軟件的代碼有些“老”,軟件架構、代碼結構、界面樣式等都需要進行深度重構與改進,以提高軟件性能和適應用戶新的操作習慣。這也傳遞出一個信號,他們需要放緩發展進程,抽出時間重構代碼。

  國內需求迫切、國外發展放緩,不能不說這是難得的發展機遇,但國內核心工業軟件開發者卻仍未找到合適的發展路線,在迷茫中艱難探索。

  三 造成國產工業軟件困境的原因分析

  01 技術需求與機構設置產生巨大錯位

  以CAE軟件為例,據初步統計,CAE軟件的核心求解器涉及力學、物理學、數學、航空宇航科學與技術、計算機科學技術等11個一級學科, 30多個二級學科,幾乎涵蓋全部力學二級學科,三級學科高達110多個;CAE軟件的前后處理器主要涉及計算機科學技術和數學兩個一級學科,6個二級學科,12個三級學科。由此可見,核心工業軟件特別是CAE軟件是一個涉及眾多學科的綜合體,從前后處理到求解器全面開發,即使只開發結構分析方面的功能恐怕至少上百人甚至數百人的開發團隊才能勝任,遠非一個研究室、教研室、實驗室、課題組或一個中小規模的開發公司能力所及。

  國內包括各級科研院所與高校等科研機構基本按照學科分類部署研究室、教研室、實驗室等基層研究單位,并按對應學科對成員進行考核,雖然也逐步建立了許多跨學科基層研究單位,但所跨學科數量也遠遠低于CAE軟件所涉及學科的數量。技術需求與機構設置產生巨大錯位,是造成國產工業軟件發展困境的原因之一。

  02 資金需求與投資方向產生巨大錯位

  從技術上講,核心工業軟件可劃分為三個層面。第一個層面是科學研究層面,在這個層面上,國內科研院所、高校等機構的研究人員能夠緊跟國際前沿水平,可以說基本不存在不掌握核心技術的問題。第二個層面是科學計算層面,是把科學研究層面的方法、算法、模型等基礎技術通過計算機編程語言轉化為代碼,通過計算機分析運行解決各種工程、科研問題。這些科學計算代碼基本都是科研人員自行編寫的計算程序,多因項目進程影響只注重解決核心問題,很少考慮日后的擴展問題,還遠不能稱為軟件。但這些代碼都分散于各科研院所與高校,具有各自的知識產權,沒有經過技術(成果)轉化過程,形成不了發展國產工業軟件的合力。第三個層面是軟件工程層面,通過現代軟件工程的手段按軟件開發的規范將這些相關的代碼重構、綜合、融合、改進,解決代碼適用的廣度、深度問題,提高代碼的計算效率、計算規模、計算精度以及軟件使用的易用性、方便性等一系列問題,將代碼性質由程序上升到軟件。目前國產工業軟件最需要解決的就應該是這個層面的問題,而國家資金卻基本都投入到了第二個層面中去。資金需求與投資方向產生巨大錯位,這是造成國產工業軟件發展困境的另一個原因。

  03 發展模式的錯位

  國內科研體系的架構下的科研成果有個極其鮮明的特性,那就是時間積累短,空間分布廣,發展模式類似于農村建“平房”。而國外軟件則是城市中建“樓房”的發展模式,基本上是依靠單一的時間積累連續發展起來的,期間穿插著有限數量的商業并購進行橫向擴展。事實證明,再多的“平房”也很難形成高大堅固的“樓房”,這是造成國產工業軟件發展困境的又一原因。

  04 研究成果積累的缺失

  國家在近幾十年大力投入推動科學研究與科學計算發展過程中只注重了資金投入,基本沒有對產出的資源進行回收、積累,以至于在需要大力推動核心工業軟件自主化發展時,除了資金別無可投,比如研發核心工業軟件的基礎資源。這也是國產核心工業軟件自主化道路上需要克服解決的一大難題。

  四 國產核心工業軟件發展的可行途徑思考

  國內核心工業軟件市場上國外產品的絕對壟斷地位決定了國產工業軟件一上場就要參與國際競爭,對國產自主化核心工業軟件在性能、功能、易用性等各方面提出了極高要求。因此,國外軟件發展過程中經歷過的企業伴生、迭代發展的過程不可能被目前的市場接受,自我完善是國產軟件首先面臨的問題。

  近十多年以來國外主流軟件縱向發展放緩,而工業、工程設計的需求并沒有太大提高,十多年前國際主流工業軟件的功能已基本滿足目前需求?;谶@樣一個基本事實,國產核心工業軟件發展的第一個目標定在十多年前國際主流核心工業軟件水平或者現有國際主流軟件前80%功能的水平便具有很強的現實意義。一是培養補課意識,端正心態認識差距;二是降低表面難度,增強了軟件開發的信心;三是可以避免急功近利、好高騖遠;四是這個定位的產品足以滿足絕大多數工業、工程設計需求;五是產品可以初步具備參與國際競爭的能力。

  歷史經驗表明,對于核心工業軟件的發展,走市場化道路是可行的路線,經得起市場考驗的產品才有生命力。在國內現有科研體制下,國有科研力量對核心工業軟件市場化發展的推動作用似乎只能來自于各種方式、形式的成果轉化。

  如何理順科研人員與核心工業軟件研發人員以及科技成果與核心工業軟件產品之間的關系成為當務之急,這就需要建立新型科技成果轉化機制,讓不同技術層次涉及的技術人員各司其職,以新型成果轉化機制為媒介,搞活核心工業軟件的技術市場。至此,國家回收核心工業軟件基礎成果(科學計算程序)的新型成果轉化機制便呼之欲出了,在這個新型機制下,國家對核心工業軟件的投資便不僅僅是資金投入,還有更為重要的資源(代碼)投入。

  對開發核心工業軟件的技術路線而言,可有四種發展模式

  01 常規模式

  這是基本從零開始的滾雪球模式,目前核心工業軟件研發企業多采用這種模式,其資源基礎基本沒超過研發人員的自身積累,發展現狀表明效果并不理想。

  02 操作系統模式

  參照國產操作系統的發展方式,以開源資源為基礎,通過消化吸收開源資源,構建自主軟件產品。

  03 航母模式

  中國航母的發展“瓦良格”功不可沒,國內有大量“平房”資源,即是發展國產核心工業軟件的“瓦良格”。

  04 高鐵模式

  中國高鐵是以購買核心技術為主發展起來的,這也是國產核心工業軟件可行的發展路線之一。

  從以上四種發展模式看,國產核心工業軟件發展的關鍵聚焦在了資源之上,基礎資源是保障核心工業軟件發展的絕對重要因素,因此,如何利用好現有但分散的(平房)資源,快速奠定核心工業軟件基礎,在短期內將差距縮短到二十年之內是需要首先考慮的問題。

  五 發展核心工業軟件的政策與立項建議

  為促進國產核心工業軟件快速有序補課發展,避免出現推而不前的狀況,從技術層面提出了一些可操作的政策與立項建議。

  1、制定長遠規劃

  核心工業軟件沒有至少十年的長遠規劃要想趕上國外水平基本不現實。

  2、制定可實現目標

  瞄準世紀初國外主流軟件水平、能力、功能,踏實補課,第一個目標是世紀初國外主流軟件水平,力爭在三到五年內將差距縮短到二十年以內,滿足用戶需求的80-90%。

  3、篩選種子對象

  區分產品研發型、項目服務型、銷售咨詢型核心工業軟件相關企業,重點扶持以產品研發為主攻方向的企業。調研收集相關企業的發展規劃、產品規劃,以及產品持續升級維護的策略與計劃、市場推廣模式等重要信息,篩選有前途、有能力、可扶持的種子企業。

  4、重點精準投入

  以研發設計類軟件為重點方向,以軟件工程化研發為重點對象,重點投入扶持種子企業。

  5、優先扶持傳統工業軟件開發

  國產工業軟件的突破口在于補足基礎課,傳統工業軟件是基礎,沒有這個基礎其它新鮮花樣、噱頭拯救不了國產核心工業軟件。

  6、試點探索科研院所與高校開展核心工業軟件商業開發的可行途徑

  既能發揮科研院所與高校的技術基礎優勢,又能使產品經過市場錘煉更加成熟與穩定,同時獲得市場效益促進產品的持續發展與升級維護,早日與國撥項目資金斷臍,獨立發展。

  以CAE軟件為例的共用技術立項建議

  梳理國際主流核心工業軟件的詳盡功能,分層次建立軟件功能模塊的詳細目錄清單,作為以后立項指標設定的參考依據。責成相關科研與開發單位按該目錄清單上報其程序、軟件的具體詳細功能,并附相關考核算例,徹底摸清國內外核心工業軟件能力的底數,找準差距,有針對性地設立項目創舊補課,勿在短期內輕言創新。

  建立核心工業軟件系統、全面的考核算例庫。針對國際主流核心工業軟件詳盡目錄清單,設計或搜集各功能模塊的分析計算實例,形成系統、全面的考核算例庫,除按專業功能進行分類外,還要劃分為功能驗證型和性能測試型兩大類??己怂憷龓炜勺鳛轫椖苛㈨椗c結題時輔助專家評審的一個客觀依據,也是軟件開發的功能參照??己怂憷龓鞈3蛛S時動態更新。

  制定軟件的輸入、輸出文件格式規范,形成國內統一標準。前后處理器與核心求解器之間以數據文件的方式傳遞數據,各種數據需要以一定的方式、格式保存在文件中,便于讀寫。為減少開發者共有工作量、方便數據交流、便于驗收考核、促進國內軟件快速發展,制定統一數據格式標準勢在必行。

  開發統一的規范文件的讀寫模塊及其與國際主流軟件的數據轉換模塊,為選擇采用國產核心工業軟件的工業、工程用戶提供遷移既往數據提供解決方案,消除后顧之憂。

  前后處理核心模塊開發。CAE軟件前后處理涉及幾何建模、網格生成、數據可視化等三大通用核心技術模塊,目前這三大模塊仍是國產CAE軟件發展道路上的攔路虎,急需突破。通過對核心工業軟件開發中共性技術設立專項,集中國內核心力量重點突破,項目結題后回收相關代碼通過驗收,并在業內共享使用。

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