平民化仿真，工业软件突破连

本文来自微信公众号：知识自动化 （ID：zhishipai），原文标题：《林雪萍 屈凯峰 | 平民化仿真 工业软件突破连》，作者：林雪萍 屈凯峰

算力的三个阶段

计算机辅助工程 CAE 的理论基础，起源于 20 世纪 40 年代的有限元分析法。在 1960~1970 年，CAE 软件还处于探索时期，分析对象主要是航空航天及核电等大型装备的强度和刚度等。此时的 CAE，只能运行在 Unix 工作站上。这是一个算力贫乏的时代。为了节省资源，连显示器和存储器也往往都是两台机器。庞大的计算机硬件仅仅看体型就让人望而生畏，一台计算机充满一间屋子是常见的事情。软件，不过是计算机硬件的附属品。

围绕大型机诞生的最早一代仿真软件，有来自 NASA 的 Nastran、也有来自西屋核电的 ANSYS 和非线性软件麻省理工的 ADINA、布朗大学的 Abaqus（跟 ANSYS 一样，第一个客户也是西屋核电）等。工作站作为一种昂贵的稀缺资源，也是一种集中算力的体现。人们只能去指定的机房，排队等候计算的时间。熟悉方程式的科学家们，通过命令行的组合，完成特定场景下的仿真分析。既然软件使用门槛如此高昂，脖子又被掐在硬件厂商的手里，它的发展动力自然大打折扣。软件犹如深宫秘宝，少数身怀绝技的科学家和非凡的工程师，穿过不为人知的洞口和隧道，方能够接近它。

从 IBM 在 1981 年推出第一台真正意义上的 PC 机开始，桌面 PC 的浪潮来临了。兼容机开始盛行，计算能力也得以提升。软件也开始得以进行普及，使用门槛也大大降低。这期间，很多跟大型机紧密捆绑在一起的软件，被逐一淘汰，独立的软件则崭露头角。Windows95 操作系统的图形化界面，则更是横扫一切可能的阻碍。在这个过程中，无论是设计 CAD 软件，还是仿真 CAE 软件厂商，都在忙不迭地转换身姿，拥抱个人机时代。设计软件 AutoCAD 成功从 Unix 系统转型成功，而 Solidworks 则直接成为 Windows 的原生软件。而 Ansys 仿真软件，在诞生 14 年之后，从 1984 年开始推出了适配英特尔 286 的电脑。界面更友好，功能更好用。体现这种凤凰变朱雀飞入寻常家的最好例子，莫过于非线性仿真软件四大金刚的 ADINA。它早在 1975 年就在麻省理工诞生，但直到 1988 年才可以开始商业化让更多工程师可以使用。一匹桀骜不驯的烈马，终于有了更多的人，可以驾驭它。而目前全球排名第三的澳汰尔，就是在这个时候，随着 PC 的普及诞生。全球第一的 Ansys 虽然创建于 1970 年，但直到 1996 年才经由风投公司之手，完成在纳斯达克上市。工业软件，仿佛从宙斯的奥林匹克仙山，降落到民间的厅堂。使用门槛降低了，资本市场也开始对它有了全新的理解。一旦它巨大的用户群潜力得以确认，资本的拥抱自然就会超乎热情。

很容易注意到，在一种技术引发时代的剧烈变动的时候，市场格局就开始洗牌。洗牌既有死亡，也有重生。有些企业会倒下，而新生面孔也令人欣喜。正如当下的电动汽车，人们会惊讶即使如强大的 BBA 三大车系或者是日本三大汽车，都有身骨瑟瑟发抖之时，但新一代的王者如特斯拉，还有中国蔚小理等造车新势力，已经像从老人身边呼啸而过的孩子，欢腾中跑在前面迎接东方的曙光。

同样的曙光，照射在仿真软件的赛道。从 2010 年往后，以超算中心和云计算为代表的廉价超强算力的时代，已经来到。算力已经成为一种文明的军备竞赛，美国、日本和中国，在这里竞相发力。这些超算中心的超级算力所要解决的问题，就是通过仿真问题，通过仿真软件来计算核爆炸、天气预测等多元参数、无限放大的复杂事件。

跟 Windows 时代的算力不同，云计算和超算中心看上去又重新回到了工作站时代的集中式。只不过这一次增加了一个分布式的桌面端。从表现形式来看，第一代算力：集中式的工作站；第二代算力是分散式的桌面应用；而第三代算力，就软件应用而言，它回到了集中式的算力，但同时加上了分布式的桌面甚至手机应用，后者最常见的形式就是 App 应用小程序。

算力平民化，门槛进一步降低。那么仿真软件呢？不出意外，也正在迎来了一个全新的春天。

手忙脚乱的仿真软件

在上个世纪八九十年代 PC 机的崛起，形成了对既有软件的大洗牌。这个过程中，许多一流的设计 CAD 软件厂家被大肆洗劫，很多厂家都消失了 —— 这些品牌的凋落，是因为它们的技术落伍，未能在工作站向 PC 转型的过程中，被技术离心力甩出赛道。它们死在两次暴风雨的切换之间。但很多 CAE 厂商却顽强活下来了。它们有些品牌在更晚些的时候消逝在市场，原因跟 CAD 厂家有所不同。它们并非是在第一代算力向第二代算力的过程中落伍，而是在最近的二十年由于商业模式的变迁而消失：更大的鱼吃掉了它们。

新的时代不能兼容它们，是因为商业原因而非技术原因，但毕竟它们还是挤进了新的时代。某种意义而言，CAE 厂商表现出来的韧性，是因为 CAE 表现了更强的专业性。它的使用门槛还是太高。仿真软件一般都是单物理场，只计算结构力学，或者只计算电磁。而要做出复杂的仿真结果，就需要对着多种物理场进行计算。仿真工程师需要熟悉这些不同的物理场，和不同的软件界面。

对于一个企业而言，产品的设计人员与仿真工程师往往是两拨人。而且仿真工程师要远远少于设计师。设计师往往只需要一种软件就可以完成全部任务；但仿真工程师则需要在计算结构力学、计算热学、计算电磁学等不同的仿真软件之间，进行来回切换。就像在水力站转动阀门的操作工，眼前十几个阀门，转动方式各不相同。既然每个阀门都需要不同的方言口令，手忙脚乱自然是最常见的事情。

然而，仿真工程师的难点，还不在于忙于打开各种奇怪的阀门，通晓每种软件的语言，更重要的是还要对自己的行业知识有足够的了解。他需要将工程任务中的行业 Know-how 跟建模语言，连接在一起。这需要相当深厚的功力。

仿真软件，再次展现了它拒人门外的知识高冷型软件。从极端来说，它只是一个高级的科学计算器，它与行业无关。这也展示了工业软件盈利的最高级的一种模式，那就是只做通用计算平台和建模语言，封装数学模型；至于面向行业的不同琐碎的场景，则需要由仿真工程师自行完成。

这个门槛自然很高。

于是会有一批全新的陌生客，尝试改变了仿真软件难用的特性。

巨人足迹间的缝隙

可以说，如果按照单学科 CAE（只解决力学、热、电、磁、光等任何一个单一物理场）的方向进行突围，道路基本已经被垄断的寡头封死。大型仿真软件早已通过深挖技术壕沟、并购多个不同物理场的软件，形成了一个平台化的解决方案。

于是，后发者采用了另外一种思路，避开单学科对巨人进行挑战，而是从工程应用的角度出发，从而将看上去牢不可破的大铁门掀起了一扇缝隙。

来自瑞典斯德哥尔摩的 COMSOL 仿真软件，做了工程应用仿真模块的尝试。就本质而言，有限元分析、工程仿真的本质，都是在算数学方程。而 COMSOL 起源于 MATLAB 的 Toolbox。COMSOL 主打工程模块，而不是学科。1986 年公司成立，随后发布了 FEMLAB，这是它的第一个工程应用模块：结构力学。看到这个名字，就可以看出它简直就是 MatLab 的寄生品。当然，因为官司纠纷，后来 COMSOL 也重写代码，斩断了跟 Matlab 的联系。两年后发布了电磁学模块，并随后发布了化学、传热等模块。2005 年，产品名称更改为 COMSOL Multiphysics—— 可以说这个名字直到它成立 10 年之后，才真正形成了多物理场的概念。随后，各种工程模块不断增加。如果记录这个日益增长的清单，似乎是一个无聊的流水账。然而将这些工程应用模块看成是一面面移动的插旗，那么插旗背后则象征着不断崛起的市场，例如它在 2020 年开发的燃料电池和电解槽板块，正是在迎合冉冉升起的氢燃料产业。有了一个多物理场平台作为基础底座，COMSOL 的上部就像是一个不断增长的插头口，新的行业市场不断被加插进来。追逐热点行业，它就像向阳花一样，伸向不同的方向。

COMSOL 的成功得益于三点，其一是基础平台植根于数学物理理论。从最底层的理论出发，自然表现出杰出的方程求解能力，它的偏微分方程 PDE 模块非常强大。其次 COMSOL 为工程问题提供易于使用的软件解决方案。产品库中的所有产品模块，都是标准化的界面。无论是电子、机械、化工等工程领域，或者是传热、流体等特定物理现象，都使用了同一个软件界面，而操作流程也都一样。这对于那些收购了大量软件的大型 CAE 公司，提供了另外一种选择。大型 CAE 公司不得不对收购的软件，进行数据打通、界面更换等工作，在相当长时间内，用户不得不反复切换阀门。更重要的是，COMSOL 主打工程模块，很多行业知识封装在其中，包括电化学、等离子体等几十款应用模块 —— 很多模块往往是经典 CAE 软件作为通用软件平台所难以拥有的功能模块。这些带有行业属性的工程模块，让工程师松下一口气，他们的仿真任务有了行业属性的护栏，这是一件更容易上手的工具。它为行业，定制了特殊的工具。

仿真软件的新突破，需要精心研究巨龙足迹所留下的缝隙。

第三波浪潮呼之欲来

仿真软件的应用，在不断简化。仿真软件的第一波浪潮，专用性很强，底层特性很强。它往往都是面向单一学科的通用仿真软件，如流体、电磁、热、结构等都是各自分离。用户需要分别购买不同款的学科软件。第二波软件则更加专注于行业。以 COMSOL 的工程应用模块为典型代表，它底层构建了多物理场，并且跟行业相结合，使得应用工程师可以轻松面对自己的行业进行仿真开发。

但这也并非终点。更加简化的 CAE 软件，继续来到。它们更加专注一个行业，专门为一个行业进行仿真。最为典型的是在 1998 年成立的 MotorCAD，它只瞄准先进电机的开发，提供了电磁、热、机械和电机效率与性能优化这四个最关键的功能模块。

好用啊，它可以实现全扭矩转速范围内的多物理仿真设计。于是，它在电机行业一统天下就不足为奇，全球主要的电机生产商、科研机构都在使用。而如果采用经典的仿真软件，由于过于聚焦通用性，大量的功能其实都是不需要的。而 MotorCAD 的所有模块，则可以被吸干榨尽，它就是为电机而生。

既然面向行业的专用软件已经证明可行，下一步，更小的颗粒度在哪里，更低的门槛会是什么？那就是直接面向设备，甚至面向设备的零件。例如，可以面向某一款电机，只做无刷电机或直流电机，这意味着更小巧的 App 将被开发出来，直接面向个性化的设备。如果说，COMSOL 代表了以多物理场为底层的功能模块的崛起，那么 MotorCAD 则是在功能模块的基础上直接面向垂直行业。而在此基础上，可以构建更多的个性化场景应用 App，面向特定的设备，也就顺理成章了。

第三波 CAE 软件，正在呈现新的轮廓。

COMSOL 已经嗅到了这种味道，它在将自己的软件变得更加“App 碎片化”。2014 年它发布的版本中，包含“App 开发器”，并发布了服务器，支持 App 分发，让各地不同的用户都可以在它的服务器上，运行这些专业应用程序。最让工程师开心的是，App 开发器包含完全图形化的编程功能，用户可以自如的创建 App。到了 2018 年 COMSOL 终于为自己在互联网时代定下基调，发布了编译器。用户可以自行将在母平台所开发的程序，转换为独立运行的仿真 App。运行时候，则无需安装 COMSOL 软件。事情变得越来越简化。

COMSOL 的商业逻辑，就是面向专业细分领域，包括三十多个工程应用功能模块，而不是通用软件，在中国的市场乘风破浪。用户已经在此基础上，建立了 1000 多个 App 案例。在 ANSYS、Altair、MSC 所笼罩的阴影之下，COMSOL 找到属于自己的地盘。

同样在国内，北京云道智造也是避开经典 CAE 的通用软件路线，而是在自己底层的多物理场仿真平台之上，建立广泛的工程应用模块和 App 应用程序，为正在崛起的中国制造提供一个更低门槛的使用机会。

如果说第一代 ANSYS、Nastran 所代表的软件使用难度用高度来比喻，它就像是上海中心大厦的最高层第 127 层。那么从这里看下去，COMSOL 的工程应用模块离地面只有 20 层楼的高度。而现在 COMSOL 和云道的 App 应用，将使得它位于第 10 层的位置。越来越向地气靠拢了，人们抬头可见。

随着超算和云计算能力的普及，更加便利的方式在出现。如果能将开发平台也面向行业用户开发，让用户自己开发 App，那么这些应用将会出现在第一层楼的位置，触手可及。云道正在采用更加激进的云化方式，下沉到这个位置，将多物理场的仿真平台开放出来，并且联合开发或者由第三方进行工程模块和 App 开发。云道基于通用底层平台开发了电子散热仿真软件 Simetherm，已实现对主流商业软件 Flotherm、ICEPAK 的部分替代；上海一家专门做航空复合材料轻量化的专业咨询公司，就是直接调用这个底层平台，开发行业模块，面向国内的飞机工厂。以前分布在不同人手里的知识，正在一个个像摊裂开来的汤圆，各种芝麻馅、五仁馅都四散开来，混在一起。更加平民化的仿真，从来没有如此靠近过大众人群。

小记：一代算力，一代仿真

工业软件的市场，从全球格局看，就像是一个发育成熟的成人，进入了一个高度稳定的结构。这种稳定是由寡头垄断所决定的，它们几乎可以采用“闭眼点菜”的方式，通过并购将各种具备创新的初创公司吞食。但在中国市场则不同，它似乎刚刚开始呈现自己舒展少年筋骨的地方。CAE 软件如何选择突破方向，是一个极具策略的考量。采用软件即服务的 SaaS 化，是其中的一条路线。国内的上海数巧、北京蓝威和德国的 SimScale 都在采用这种路线。同一阵营的 SaaS 的仿真软件 OnScale 仅仅成立五年，就在今年被 ANSYS 收购，意味着这条云化的方向已经得到了老牌仿真厂商的认可。而云道除了也在走 SaaS 化的路线之外，进一步推出了工程应用模块与 App 联动的方式，采用“平台即服务”的 PaaS 化，紧密地跟行业应用结合在一起。它大大降低了使用者的门槛，使得平民化仿真成为可能。瑞典的 COMSOL 已经证明了它的可行性。而中国现在很多新兴行业如锂电池、碳化硅，都提出了全新的场景需求，国外仿真软件也并无成熟的工程模块。如果能够进一步降低使用门槛，国产 CAE 软件正可以大展身手。

2015 年在国际工程建模、分析和仿真社区协会 NAFEMS 的研讨会上，业内专家提出了仿真大众化、民主化的议题，成为国际上倡导“普惠仿真”的先声。基于超算 / 云计算与专业化仿真 App 的广泛应用，将引发仿真技术的普惠化革命。

凭借第三次算力浪潮的助力，第三代仿真软件或许也可以随之跃起。这一次，算力普及，仿真普惠。