普惠仿真 智造日新

刘高升

无仿真 非智造

“仿真”一词，外延很广，工业领域常用“仿真”代指以CAE （Computer Aided Engineering，计算機辅助工程）软件为核心的数值模拟技术，而其广义则包括有限元CAE、专业仿真CAE（例如多体动力学、控制系统、电气系统、IC设计仿真的EDA等）、系统级设计仿真等在工业领域应用到的所有仿真类技术。从仿真所涉领域可以看出，它是一门基于数学、物理学、信息科学等跨学科的综合性技术，它构成了数字化设计与制造的科学基础，担当着智能制造的核心引擎角色。

业界专家共识：智能制造，起点在设计，难点在建模，焦点在仿真。作为工研软件CAX（含CAD＼CAE＼CAM＼CAT＼CAPP等）家族中的核心一员，CAE覆盖制造业的产品论证、设计、生产、销售、服务的各个环节，广泛应用于机理研究、产品设计、技术方案验证、试验结果分析、故障归零、生产过程、装配、工艺、质量、检验等产品的全生命周期。今天，CAE软件在机械工业、武器装备、航空、航天、汽车、船舶、电子产品、建筑、医疗等各个领域都得到了广泛应用，并融合吸收了计算可视化、虚拟现实、知识工程、工业互联网、云计算等新成果，其准确性、计算效能都大幅提升，早就超出了数值分析的范畴，业已成为定义智能制造的主要数字化工具和关键核心技术。可以说，拥有仿真就等同拥有了未来智造的创新密码。一言以蔽之：无仿真，非智造。

CAE仿真技术对于智能制造的主要作用体现在帮助智造工程师“多、快、好、省”地做设计、搞研发：“多”是指CAE软件可以帮助工程师增加设计分析能力，开发出更多的“虚拟样机”、替代更多的“物理样机验证”，贡献更多的研发创新；“快”是指CAE软件可以快捷模拟各种设计与试验方案，减少设计与试验时间，缩短设计和分析的循环周期；“好”是指CAE软件帮助工程师采用优化设计，找出产品设计最佳方案，提升产品质量，并能在产品制造和工程施工之前预先发现潜在问题，或者事故之后分析、查找具体原因，降低研制和试验的安全风险；“省”是指CAE软件帮助工程师提升产品设计的合理性，降低设计成本，以及减少“物理样机”消耗，降低材料费用和试验成本。

有普惠，更创新

提起“普惠”二字，广为熟知的是普惠金融和普惠教育。财富和教育是人类发展的核心资源，科技也是如此。高科技的人类文明成果理当以合宜的方式为人类所共享，并最终由形式上的普惠转变为实质上的公平。普惠不同于普适，普适是从技术本身出发，强调技术本身的能力边界；普惠则是从技术伦理而言，强调技术的低门槛共享权利。普惠也不同于公益，它是广义社会正义的一种体现，强调公平地普遍性供给。普惠着重表达的是供给的方式，而公益着重表达的是对供给对象的功能和价值。普惠仿真是以仿真技术大众化、民主化为使命，立足于技术机会平等要求和产业可持续原则，以可负担的成本，通过某种载体为有CAE技术需求的群体提供及时、方便、 高质量、有效的仿真服务。也就是说，普惠化的仿真将给当代智造带来可得性、价廉性、便利性、安全性、优质性等多项价值。

CAE仿真技术纵有千般好，若不能普惠于智造，就会止步于厂商的逐利工具。抛去技术本身的问题，诸如准确性、可靠性、运算能力等方面，就工程应用而言，仿真技术的门槛也非常高，而且在国家、组织、个人的多个层面都有较高门槛，导致其目前很难普惠于智造业各群体。

从国家层面看，CAE仿真技术的国际分布是极度不均衡的。以中国与欧美对比为例，当下我国工业仿真软件市场几乎被欧美公司所垄断。在市场上能够得到的欧美CAE软件产品均为普通商用版本，而非最先进的技术，其高端部分的技术都是对外禁运的。21世纪以来，欧美CAE巨头加快了并购的步伐，形成了越发强大的技术垄断优势，仿真技术的“数字鸿沟”越拉越大，导致后发工业国在仿真技术上已经望尘莫及，处于明显弱势地位。

从组织层面看，仿真技术门槛体现在其对企业的人、财、技术、观念等综合资源能力的高要求上。中小型企业缺乏足够的人、财和技术，加上研发创新意识相对淡薄，所以，仿真技术对于中小企业来说，一度是难以企及的奢侈品，是实实在在的“成本中心”，买不起、用不起，也不敢买、不敢用。每遇到仿真的问题，直接到高校找专家搬救兵，或者请专业仿真咨询公司提供技术支持，企业自身很难迈过仿真应用的高门槛。大型企业单位为设计研发配备的资金、人才、技术等资源非常丰富，研发创新的重视程度远高于中小企业，所以仿真技术在国内外大机构中的应用更为普遍，相应地，其创新能力也更强，马太效应越发凸显。

从个体层面看，高门槛体现在对仿真技术的驾驭难度上。要应用仿真解决工程问题，工程师需要多学科的知识储备，至少具备诸如物理、软件、数学等学科的知识，还需要学习与CAE软件对应的编程语言，更要掌握工程领域的KnowHow，只有软件与工程俱佳的综合型人才方能较好地驾驭仿真技术，因而也影响了仿真技术的普惠应用。

尽管技术门槛高，仿真技术的普惠化仍然是势不可挡的时代潮流。2015年8月，在NAFEMS（国际工程建模、分析和仿真社区协会）的网络研讨会上，业内专家提出了仿真大众化、民主化（Democratization of CAE）的议题，成为国际上倡导“普惠仿真”的先声。与会专家一致认为，基于工业互联网应运而生的专业化仿真APP的形成和广泛应用，将引发仿真技术的普惠化革命和井喷式爆发。在不久的将来，仿真技术的使用者将由75万发展到超过8000万，仿真技术的市场总额也将越过300亿美元大关。

普惠化的仿真技术不仅大大降低了应用门槛，更能让工程师从复杂的仿真基础性知识中解放出来，成为研发设计的数字引擎，极大赋能智造领域的研发创新。在这个软件定义制造的时代，如果没有工业软件，智能制造就无从谈起，而如果没有普惠化的仿真软件，数字创新就无从做起。管理大师德鲁克曾说，“未来管理的核心是有效定义具体知识的运用和组合”。工业领域通过普惠化的仿真软件轻松定义的“新知识”，必将成为未来智造的主要创新来源。随着工业互联网基础设施的不断完善，基于互联网平台，工程师可通过APP化的CAE软件对研发资源进行优化配置，实现智能设计、智能生产、智能服务的数字贯通和知识封装，提升整体智造水平和创新能力。

仿真普惠，路在何方

从2015年到2020年，国际仿真界的普惠仿真“宣言”犹在耳畔，如今以CAE仿真为代表的工业软件正处风口浪尖，在国际风云中成为了大国博弈的技术底牌。仿真技术本身也在两种极具张力的趋势中螺旋演进。一种趋势是Autocratizing-CAE（独占化、垄断化CAE），即美欧的CAE巨头持续并购，不断形成垄断的优势；另一种是Democratizing-CAE（民主化、普惠化CAE），即在新兴市场的工业互联网浪潮之下，普惠仿真的力量正不断崛起。

普惠仿真之火正在工业互联网的推动下不断燎原，并衍生出两个显著的普惠化路径：云化及APP化。在云化方面，传统的CAE巨头ANSYS、达索等企业纷纷上云，推出云化版本和云计算服务。国内外的云化CAE项目也不断涌现。SimScale是德国慕尼黑的技术团队建立的一个基于云计算的工程CAE仿真平台，其在2020年1月获得2700万欧元的投资，足见资本对技术趋势的敏锐嗅觉。与国外相比，国内的云化CAE平台也从2014年起不断兴起，并已形成了一定气候。

在APP化方面，全球的CAE企业也都在争先探索。早在2015年的国际工程建模、分析和仿真社区协会会议上，业内专家就已经展示了工业APP化的普惠仿真案例。其中，Front End Analytics公司的总经理Juan Betts就是普惠仿真的积极支持者，其将某种智能的仿真自动化专用工具称为“SmartApps”。它具有高度可用性、网络可得性、使用经济性以及较高智能性，代表了普惠仿真的方向，能广泛惠及工程师，乃至非工程师群体。这种APP化的智能仿真工具的开发、推广及普及，将革命性地驱动仿真技术市场乃至整个智造产业。如此精巧、智能又低调的APP化工具就是普惠仿真大戏的主角——仿真APP。

图1 仿真技术普惠化过程

工業APP是传统工业软件在工业互联网时代发展出的新形态；仿真APP也正是基于工业互联网产生的CAE新形态，非常适合可以对流程和方法固化的一些特定的设计仿真问题。具体来说，仿真APP是基于统一的CAE平台的专用仿真应用程序，是对仿真知识和经验的灵巧封装。仿真APP将专家经验、行业知识和仿真流程固化下来，供设计工程师直接使用，从而大幅降低了仿真技术的应用门槛，解决了仿真技术“难学、难用、难推广”的行业痼疾。

仿真APP是能实现特定工业产品的某些仿真试验功能的数字化模型，可以让每位工程师都能便捷开展仿真试验。传统仿真软件“贵且难”，通常只有大型企业才能购买（中小企业买不起），只有具备数学、物理、工程及计算机等复合知识的专业仿真工程师才能使用（非专业仿真工程师用不上），严重制约了仿真技术的应用范围和使用价值。仿真技术的普惠化，就像个人电脑和智能手机的普及化一样，让信息技术推动新工业革命的飞速发展，让更多的工程师、更多的企业能够使用仿真技术，开辟仿真技术的全新市场空间。

除了云化和APP化，还有如开源化等源自市场的普惠驱动力，各国政府也都在布局旨在推广仿真技术的创新网络。中国于2018年成立了旨在发展工业软件生态的国家数字化设计与制造创新中心，并于2019年成立了聚焦仿真技术的国家数字化设计与制造创新中心北京中心，也即北京数字化设计与制造产业创新中心，展现了国家层面对仿真技术和数字创新的高度重视。可见，在当今全球智造的大格局之中，无论市场还是非市场因素都在高度聚焦仿真技术，普惠仿真的大幕已经悄然拉开了。

普惠仿真 云道智造

“普惠”的内涵强调供给侧，普惠仿真的主力自然是市场化力量主体——企业。在国内外众多的仿真企业中，云道智造（Internet Based Engineering）尽管规模不大，却是普惠仿真领域独树一帜的典型案例。云道智造的立业使命就是“自主匠心、普惠仿真”，凭借自主可控的“互联网+仿真APP”模式创新地重构仿真技术体系，使普惠仿真的理想照进现实。

如果说，云道智造使命中的“自主匠心”表征了生产力（技术维度）的革故，“普惠仿真”则体现出生产关系（生态维度）的鼎新。云道智造的普惠仿真事业坚持本源性创新，其核心产品充分借鉴智能手机的“iOS+APP”模式，用自主可控、互联网化的“PaaS（大平台）+APP（小应用）”架构重建仿真产业的生态体系，引领仿真技术从第二代CAE（Computer Aided Engineering）发展到第三代IBE（Internet Based Engineering）。IBE兼顾“仿真技术自主化”、“仿真知识（经验）软件化”、“仿真工具专用化”和“仿真产业生态化”的聚合式系统创新，为智造者提供工业仿真试验模型（APP）的无代码化便捷开发工具，以及配套云端平台，建设仿真APP在线运行及下载商店，创造仿真APP的大规模社会化协同开发和应用共享机制，使仿真技术能低成本、大范围应用于工业领域。

早在2013年，云道智造创始人屈凯峰博士受到苹果iOS系统中APP商店的启发，就提出了一条基于仿真操作系统的“互联网+仿真”的普惠仿真思想，这在当时的业内还是石破天惊的“幻想”。七年来，云道智造团队没有投机取巧，规规矩矩地做笨功夫，老老实实地从一行一行的代码编起，从一个一个的仿真APP做起。为了坚守“自主匠心、普惠仿真”的初心，云道智造坚持“三绝不”（一绝不靠代理国内外软件谋利，二绝不投奔高校，即不依赖某个高校的大旗，三是绝不为资本方所绑架），“痛并快乐”地坚持独立自主、本源创新的发展路线。

士不可不弘毅，虽任重道远也要风雨兼程。2014年3月，云道智造在清华科技园注册成立；2017年4月，经过3年打磨的普惠仿真平台——SimdroidV1.0横空出世；2018年8月，SimdroidV2.0正式发布，该版本已经具备完善的图形交互式仿真开发环境，开发工程师无需掌握任何编程语言，通过简单的鼠标拖拽即可便捷完成仿真工作和开发仿真APP。从2019到2020年，复杂的国际局势和全球疫情没有影响SimdroidV3.0和SimdroidV4.0的相继迭代问世，与此同时，云道智造还推出了SimCapsule仿真云平台。基于如此扎实的技术积淀，云道智造牵头申报成功多项国家级重大专项（例如工业互联网创新发展工程中“面向虚拟仿真设计场景的工业互联网平台测试床项目”等），系业界首次对“仿真平台+仿真APP”的仿真安卓模式进行全方位的应用测试。云道智造由此成为我国在仿真领域实现“换道超车”的重要攻坚力量。

云道智造坚持“用时代的技术，开发时代的产品，满足时代的需求”，创造互联网时代的IBE仿真产业生态体系。其普惠仿真体系包括：仿真APP（工业产品的仿真试验模型）、APP商店（工业产品的仿真试验模型库）、Simdroid（工业产品仿真试验模型开发工具/运行平台）和SimCapsule（细分行业专用仿真软件云平台）。

通过Simdroid这个仿真APP“操作系统”，工程师可开展固体力学、电动力学、流体力学和热力学的仿真工作，并可通过无代码化仿真APP开发环境，将专家经验、行业知识和仿真流程便捷地固化为仿真APP，从而推动仿真技术的商业化应用场景深入到产品级，大幅降低仿真APP的开发门槛和仿真技术的应用门槛。SimCapsule是一个细分行业专用仿真软件的在线快速开发、运行和推广的云平台。开发者可以通过平台支持的私有云和公有云部署，无需安装仿真软件，即可通过任何支持HTML5的浏览器，随时随地跨终端访问平台，在线使用仿真应用，完成仿真全流程工作。这样，SimCapsule就可以赋能开发者灵活、快速地开发垂直的Web仿真应用，同时在线运行和推广。

图2 惠普仿真——实现仿真技术民主化/大众化

作為一个工业互联网企业，云道智造不仅通过PaaS平台助力快捷开发仿真APP，还能将第三方开发的APP整合到一个数字空间中来，建设一个各类仿真APP的数字王国。在开发Simdroid和SimCapsule两个平台的基础上，云道智造进一步打造了Simapps的工业互联网平台。Simapps不只简单的APP商店，它还包含仿真APP的上传、搜索、购买、在线使用、编译下载等功能。工业品全生命周期的工程师均可在仿真APP商店中搜索与工业品相关的仿真APP，在线调用超算资源进行仿真计算，或下载至本地运行；亦可联系仿真APP开发者进行特定功能的定制开发。通过仿真APP开发平台和仿真APP的综合交易平台，云道智造实现了技术和商业模式的双重创新，使普惠仿真生态真正在智造中落地生根。

云道智造所倡导和构建的仿真产业生态体系支持仿真APP的大规模社会化协同开发和应用共享。基于云道智造提供的统一而强大的、开放不开源的仿真引擎，高校科研专家提供基础算法，软件工程师开发PaaS平台，仿真工程师开发产品专用仿真APP，协同为工业企业、产业园区、行业组织提供研发端工业互联网解决方案。为了进一步更好地营造普惠仿真生态，云道智造还分别于2018年入股国家数字化设计与制造创新中心，成为最大的发起股东之一；于2019年牵头成立国家数字化设计与制造创新中心北京中心，同时获批组建运营北京数字化设计与制造产业创新中心和北京设计创新中心；于2020年成立致力于数字仿真创新发展的“数字创新智库”。普惠仿真不是一个企业和几个企业能够达成的，要着眼于产业生态的全局，因此，云道智造正努力打造一个普惠仿真的最广泛的统一战线，以“网络化带动数字化”、“市场化带动国产化”，兼顾 “自主”与“普惠”，用全球领先的技术和产品助力全天下的普惠仿真事业。

智造日新，普惠可期

《易经》中表征创新变革的《革》卦卦辞：“革，已日乃孚，元亨，利贞，悔亡”。工业互联时代伊始，数字仿真产业的既有垄断秩序已经走过鼎盛阶段，制造业各领域已开始“数字化转型”，全球智造正在革故鼎新，中国智造也开启了新图景，普惠仿真大业可期。

工欲善其事，必先利其器。我们应该知道，CAE仿真技术这样的关键核心利器是无法买来和讨来的。作为中国智造生生日新的底层软实力，国产自主的CAE技术要想弯道超车，跨越国内外30多年的技术和产业鸿沟，并开辟出普惠仿真的“天下大同”之路，首先要自力更生、自主可控。对于中国智造，“自主匠心”可以说是“普惠仿真”的应有之义。因此，有必要进一步思考以自主匠心发展普惠仿真的“数字工略”。

目前，国产CAE的产品水平和产业生态与美欧发达国家还有较大差距。在技术体系上，国产CAE软件整体实力已落后国外软件20～30年，尤其在产品功能性和健壮性等方面劣势更明显。国产CAE软件的功能相对单一，产品线太窄，大部分以单功能的技术突破为主，软件成熟度偏低，用户体验较差，尚未达到产品级。除了云道智造的Simdroid这样的新兴PaaS级通用仿真平台，国内自主的CAE软件很少具备较强的二次开发功能，多数产品或是专业性较强的小众CAE软件，或是基于国外CAE软件的二次开发程序。加之，自主CAE产品因为缺乏工程用户的反馈、打磨和迭代过程，难以取得行业客户认同。在生态体系上，国内仿真技术产业的上下游均不完备，从技术链、供应链到产业链的生态系统均未建立完善。在过去二十年中，国外软件大举进入中国市场，遏制打压了国产软件的生存和发展空间，再次出发的国产CAE势必要重建产业生态。面对这些现状，无论是发展自主CAE技术，还是打造普惠仿真生态，都应从政策、组织、工程、教育等多维度审视考量。

在政策战略层面，相关主管部门应制定发展国产CAE和推动普惠仿真技术的长期战略和支持政策。CAE仿真的自主创新和普惠发展离不开友好的工业软件政策环境，故应制定长期的战略发展规划。近年来，尽管我国政府已经越来越重视工业仿真等“卡脖子”技术，但在政策制定的战略高度和可持续性上仍存在改进空间。就目前形势看，有必要做顶层设计，将发展自主CAE技术写入“十四五规划”等国家级战略规划中，从源头上放长线制定推动仿真技术发展的政策。在政策制定上，应统筹规划，避免重复，全方位考虑从中央到地方的纵向政策统一、调度配合，以及横向的各利益相关群体的资源整合。鉴于我国高校院所与企业单位在仿真技术的侧重点上差异显著（或偏重于理论，或偏重于工程），对于相关部门的重点课题立项，应兼顾科研机构的基础理论研究任务和商业机构的实际工程应用需求。

如果说大型企业单位是“自主匠心”的国产CAE目前的主战场，中小企业则是“普惠仿真”的主要受益群体。政府可考虑通过设立“仿真优惠券”等方式，补贴开展应用仿真技术进行研发创新的中小企业，让一部分中小企业通过普惠仿真把研发先做强起来。有次第地，先实现部分企业补贴示范应用，然后逐步在行业范围扩展推广，进而推动整个制造产业的仿真普及。

在组织管理层面，建设自主、普惠的CAE产业生态，需要从上到下的整体协同，更需要国产CAE企业之间的紧密合作。工业互联时代，网络设施是基础，产业协同是根本，要发展国产CAE和普惠仿真，势必要先优化“政产学研”多元协同的产业组织生态。首先，从“政”的维度，中央层面应成立产业领导小组，加强协调工作力度和提高管理决策效率。其次，从“产”的角度，为打破长期以来国产CAE单位“小山头”、“游击队”式的离散组织和重复建设，发挥规模效应和聚集效应，可考虑在全国核心区域建设自主工业仿真软件创新高地，作为国产CAE企业的“总部基地”，先打破物理空间的界限以开展紧密合作，再打破观念意识和技术空间的界限以抱团做强，实现共享生态资源，共建技术标准，共谋产业发展。比如可以发挥北京地区的综合产业创新优势，建设“国家级工业软件创新中心”，运用国家数字化设计与制造创新中心北京中心/北京数字化设计与制造产业创新中心、数字创新智库、云道智造等单位已经聚合的国家级仿真技术平台资源，和已经建好的中关村东升国际科学园几千平米“工业仿真创新空间”，以开放、共赢的方式精准链接国内CAE代表型企业和专家团队的技术、客户资源，联合开展技术攻关、市场拓展、人才培养和资本运营等工作。再者，从“学研”和“人才”的角度，教育和科研部门也应联动起来，集中各领域专家资源，加强校企互动和产教融合，让高端人才与产业需求精准对接，同时，配套相应的高标准人才与科研保障机制以建立可持续的组织管理体系。

在工程应用层面，要让国产CAE软件和普惠仿真技术有用武之地。工业软件是用出来的，要给国产CAE软件和普惠仿真的项目参与实际工程的机会，让它们在持续的工程应用中迭代历练。因此，应加强与重要行业和重点工程相结合，从用户和工程的细分需求出发，重点打造面向具体场景的APP化产品。在工程实践中，从产品迭代和信息安全的角度出发，还应考虑以国产化仿真软件分阶段替代国外产品，至少保证国内外软件在一段时间并行用起来，以此推动国内仿真软件加速成长。此外，在重点行业和重大工程中，各参与方应共同建立起一套符合中国仿真产业发展特点的规范标准体系，既适应中国国情，又能与国际標准体系接轨。

在教育科研层面，发展国产CAE软件和推动普惠仿真要重视教育科研的基础应用。普惠仿真技术离不开普惠仿真教育，国产CAE软件更要重视从教育科研系统先用起来。高校院所是CAE产品的绝佳早期试验田，应当建设与完善CAE软件相关的学科体系，加强仿真人才培养。例如以国内学术会议和行业学会为平台，形成高校CAE和行业CAE软件联盟，充分调动国内各大高校、学会的科研资源。从高校的课程、人才、课题等项目开始，逐步验证国产CAE软件的可靠性和健壮性，然后再逐步走向产业市场。如能整合实施以上工略，则仿真自主化不是梦，仿真普惠路也不会远。

2016年，谷歌CEO Sundar Pichai在给员工的一封公开信中谈到：对我们而言，技术绝不仅仅是我们创造的设备或产品，因为那并不是终极目标；技术是一种民主化的（普惠化的）力量（Democratizing force），它所提供的信息便是力量之源。CAE仿真正是这样一种具有伟大普惠力量的技术，它源于科学，而不止于工具，而是旨在：为数字化立心，为智造业立命，为产业互联铸重器，为科创时代开太平。