解困工业软件

研发设计类软件几乎被海外垄断,推进国产替代、为中国工业补上最弱一环仍需时日

距离哈尔滨工业大学被禁用海外数理分析软件 MATLAB 一年过去了,学校师生仍未找到满意的替代方案。一名哈工大电子工程研究生对财新称,目前仍没有可用的国产替代品,主要依靠 Python 等编程语言代替,「但有很多不方便」。

2020 年 6 月,哈工大、哈工程等多个科研机构和公司,被美国以涉军为由列入实体清单,此后两校师生发现无法再通过学校账号登入 MATLAB。更早之前的 2019 年 5 月,美国商务部将华为列入实体清单,导致其无法使用最新的 EDA(Electronics Design Automation)软件去设计芯片。这两个事件让基础软件的「卡脖子」问题浮出水面。

一名工程物理学博士称,工科学生广泛使用 MATLAB 进行科学绘图和数据分析,其优势在于集成了各学科的常用函数,且不断适配深度学习、智能汽车等热点领域,可以明显提升验证速度。而在尝试开发 MATLAB 国产替代品的软件从业者徐斌看来,这款软件的数学基础十分简单,连高中学生都能弄懂大部分,但其函数「多得要命」,「别人积累了 36 年、6000 多个函数,每个还有很多变化,完全是天文数字的数据量」。

软件是中国工业最薄弱的一环,其中 MATLAB 等研发设计类软件几乎被海外垄断,从业者对国产产品的第一反应多是「没听说过」。根据于 2021 年 5 月发布的《中国工业软件白皮书(2020)》(下称「白皮书」)调研,在生产控制、经营管理、运维服务这三个工业制造环节,国产工业软件在中国国内市场份额已分别达到五成、七成、三成;但在研发设计环节,海外软件占比仍高达 95%。白皮书由中国工业技术软件化产业联盟在国家工信部指导下撰写。

工业研发设计软件门类众多,除了常见的模型制图(Computer-aided Design,CAD)、模拟仿真(Computer-aided Engineering,CAE)、计算机辅助制造(Computer-aided Manufacturing,CAM)等辅助工具外,还有大量数理分析软件,以及集成了核心工业经验的软件。在大型项目开发中,各学科使用的软件总数高达上百种。

美国在高科技领域对中国的限制与制裁愈演愈烈,中国工业软件「卡脖子」挑战也日益突出。2021 年 5 月,在中国科学院和中国工程院院士大会上,中国国家主席习近平指出,要加强原创性、引领性科技攻关,明确提及石油天然气、工业软件等多个领域。这被市场视作重要的政策信号。

资本市场开始向工业软件类公司投去更多关注。3 月,被誉为「国产 CAD 第一股」的中望软件(688083.SH)登陆 A 股,上市以来较发行价上涨近 3 倍,市盈率 200 多倍,市场认为其以 CAD、CAE、CAM 等国产替代软件为主的产品矩阵,在关键领域有望打破欧美垄断局面,并因其标的稀缺性备受追捧。芯片设计软件企业华大九天也已启动上市计划,同样被市场寄予厚望。「虽然中望与全球一流水平还有差距,但给它这么高估值就是因为太缺了,没的可投。」一名长期关注工业软件行业的投资者如此形容 A 股的饥渴。

虽然政策和资本均已萌动,但工业软件产业的培育仍是漫长过程。工业软件远比大众消费类软件复杂。不少工业软件底层算法难度大,且涉及大量行业数据和知识,并非普通软件公司可以快速研发。过去 60 多年里,海外工业龙头逐步丰富其软件,目前在底层技术、行业知识、市场生态等方面都形成了极高的壁垒。

「中国(工业软件)要达到全球一流水平至少还要十年。」浙江大学教授高曙明告诉财新。在这名研究 CAD 软件近 40 年的学者眼中,工业软件的特点是技术难度大、资金投入高、研发周期长、市场有限,还需要工业水平支撑。「有些国外好的软件都直接诞生于大型工业企业,它们自身产品研发对软件有需求,边做边用,越用越好,实际是工业的附属产品。」

对 MATLAB 国产替代的项目进度,徐斌态度谨慎。一年前,MATLAB 在两校被禁后,有师生为其国产替代项目 Truffer 无偿贡献了一些算法,这让他备受鼓舞。不过,他也并不预期立马就能做出与 MATLAB 对标的产品。「先完成『从 0 到 1』的开发,再慢慢打磨,用四五年时间推出就不错了。」徐斌说。

需求破土

最先感受到美国技术封锁威胁的是中国的军用领域,这一领域的国产化需求亦最先萌发。工业软件从业者蒋杰(化名)向财新回忆称:「2018 年是一个分界线,军用的国产替代需求明显起来了,对我们来说是非常关键的机会。」其所在的公司成立于 2009 年,主要开发多物理场模拟仿真技术,长期向军队提供模拟演练平台。

多物理场模拟仿真是 CAE 软件的核心技术,通过模拟力、热、光、电磁等物理特性,向用户提供逼近物理现实的测试环境。不过,中国在这类技术上仍有明显短板。根据白皮书调研,中国市场前十大 CAE 软件供应商中没有一家来自国内,在各类主流工业软件类别中国产化率最低。

2018 年以前,蒋杰感觉在军用领域推动国产化产品整体比较困难,但现在情况不同。美国前总统特朗普于 2017 年就任后,明显加大了对中国企业尤其涉军企业的技术封锁。据财新统计,特朗普任内共将超过 200 个中国实体列入限制清单,涉及大量航天航空、核工业、船舶等领域,这意味着任何受美国出口管制的产品均须在获得批准后才能出口,事实上这种审批程序等于「关门」。

目前,军用领域已经在推行从硬件到软件的全面国产化替代。「国产化在军队提了很多年,但之前大家对国产产品的稳定性有顾虑。现在即使竞争力弱一点,也要坚决完成替代。」一名工业软件人士观察称。

不过,在工业软件领域,部分产品短期内难以找到替代方案。据一名接近军用领域的软件从业者介绍,在军用领域内,操作平台和产品管理类等门槛较低的软件要尽快实现国产化。

乘着国产化需求的东风,蒋杰的公司拿下了军队飞机模拟器的订单,这在极其谨慎的军用航空行业并不容易。飞机模拟器虽是硬件,但其核心是多物理场模拟仿真技术,此前军队主要向加拿大公司 CAE(CAE.CA)等海外企业采购。蒋杰表示,目前接到的订单量已经大幅超过其生产能力,未来公司还希望突破民用航空市场。

在军用工业之外,一些民用工业的央企、国企也未雨绸缪。据工业软件企业杉数科技介绍,在 2019 年以前其客户基本都是民企和外企,但随着近年中美关系恶化,公司发现很多国企主动找上门来,希望将美国软件替换掉。

杉数科技由四名美国斯坦福大学博士创立,向客户提供国产求解器。作为基础软件,求解器可以对复杂的现实问题进行数学建模,并给出最优解。杉数科技联合创始人葛冬冬以电力系统优化举例称,海外软件用四秒就可以算出结果,而杉数的产品需要八秒,但已经可以起到替代的初步效果。

不过整体来看,在民用工业领域,工业软件国产替代大潮尚未来临,中国软件公司要从海外研发设计软件公司手中抢订单依旧不易。上述工业软件人士表示,民用工业是否存在大量国产替代需求,目前还不明确;如果要进入这块市场,还得与海外竞争对手「拼服务」。

中国民用工业尚未感受到明显的禁售压力,对国产研发设计软件也怀有诸多顾虑。一名石油设计院管理层明确告诉财新,国产设计软件很难进入其供应体系。过去数十年,石油天然气领域一直在推进国产化,目前设备设施和系统工程的国产化率较高;但三维设计软件、计算软件仍主要使用海外产品,一些核心工艺更是从海外引进整套解决方案。

「国外工艺方案在性能保障上有底气,比如天然气脱硫能够保证在每立方米 20 毫克以内,国产产品可能要到 60 毫克。」上述人士称。尤其中国国产软件在海外认知度低,在国际竞标中不被认可,「用了拿不出去说话」。

对一些研发设计软件而言,国产产品面对的议题并非如何替代海外产品,而是市场实际需求的不足。譬如 CAE 软件,其在中国工业中的使用率普遍较低,整体需求都尚未打开。工程师用 CAE 在仿真环境中提前评估方案,避免依赖经验和反复生产实物试错,为研发节省成本和时间。

「目前对国内大部分制造企业来说,CAE 仿真还属于锦上添花。」云庐科技 CTO 刘韶鹏告诉财新。云庐科技主攻 CAE 仿真求解内核,核心团队来自中科院和清华大学,此前曾尝试研发、推广垂直行业的 CAE 软件,但迫于市场太小而放弃,目前已经将方向调整至基于仿真的基建数字孪生。

据刘韶鹏介绍,CAE 软件对用户有一定门槛,用户要具备足够的力学和数学基础和仿真计算经验,但国内企业 CAE 团队投入不足,从业人员水平也参差不齐。「国内企业买的初衷是用 CAE 来指导设计,但用起来发现仿真分析计算结果往往不理想,还不如老经验来得管用,就越来越怀疑 CAE 的作用。」

迫于降成本需求,一些中国制造企业开始尝试 CAE。一名国内大型车规电子企业人士告诉财新,近年其团队花费上百万元购买海外软件,并组建团队启用 CAE。「公司愿意试也是为了降成本,尤其疫情以来,降成本的诉求更大了。」他说。

刘韶鹏向财新表示,云庐接到的部分需求是针对复杂耦合问题,在海外通用 CAE 软件基础上改进算法和开发软件。民生证券投行业务部总监张明举认为,「CAE 的需求刚被激活,未来降成本的需求会倒逼企业启用这类软件。」高曙明则指出,当下 CAE 使用率低与工业水平有关,CAE 软件为产品节省试错时间,产品创新度越高、对 CAE 需求越大;而目前大部分中国制造企业的产品创新度不够高,需求自然较少。「随着中国工业水平提高,CAE 需求将越来越多。」高曙明说。

国产赶路

对于华东理工大学过程系统工程专业博士陈是昭来说,要对标海外工业软件 AspenPlus 实在不容易。AspenPlus 是化工行业最为关键的软件,全球各大化工企业都用它模拟生产设备和化工流程,尚无国产替代产品。一年前,在中国工程院院士钱锋的牵头下,陈是昭等共十名研究生、博士团队开始尝试自行搭建其中的一些流程模型。

「我们这类单独开发项目,最欠缺的就是数据库。」陈是昭向财新解释称。AspenPlus 的热力学和物性数据库涵盖范围极广,对于成千上万种物质都有非常准确的数据。该团队购买了一个海外文献库,但它也不直接提供数据。

「AspenPlus 能够把整个文献里的数据全部提取出来,拟合好了封装在软件里面。」陈是昭分析称。此外其团队也找过一些开源的物性库,但通常里面的数据不够准且量太小。正因为缺乏精确的数据,目前其搭建的模型只能实现一小部分功能。

即便在某些与 AspenPlus 基本能达到相同结果的流程上,陈是昭发现这个软件还是有捉摸不透的过人之处。比如,书上的原理显示在一些流程中,原料会瞬间消耗,但实际生产中,原料却在缓慢减少,而 AspenPlus 就能在这类细节上贴近实际,达到 95% 的准确度。「这是他们根据经验积累出的细节」,陈是昭认为。

现在该团队设计的软件在某几个流程上也能算准,「基本做出『从 0 到 1』的过程。这套东西拿到任何学术比赛都能拿一等奖,但要商用还是有很大差距。」陈是昭坦承。

对于国产工业软件而言,数据和知识的积累都是难过的门槛。据刘韶鹏介绍,搭建一个 CAE 软件需要数学和物理学理论基础、软件技能和垂直行业知识。从公开发布的学术成果来看,中国的理论基础和国外相比并不落后。在上世纪中期,中国已经展开了有限元研究,与国外几乎同期,有限元是主流 CAE 软件所采用的核心方法。

「中国的数学力学等基础理论水平在国际上都不落后,差的还是行业知识和用户反馈的积累。」刘韶鹏认为。过去几十年,国外软件集成了大量数据,比如各种材料的性能曲线。「如果一个 CAE 软件的分析结果与实际有差异,主要原因之一可能是缺少数据积累。」

即便产品门槛看似较低的软件,海外公司也已建立起优势。不少工程师认为,相较于其他工业软件,CAD 软件涉及的行业知识较少,做一个「能用的」不难,只是不易做到「好用」。一名海外主流 CAD 企业人士向财新解释称,「好用」背后是大量的人力投入。

「就算一根线,也会有几十、上百个参数去控制,距离、粗细、端点的形状等等,都需要大量投入。」上述人士称,CAD 这类软件代码量非常大,越到后期越难保持统一性,「我们定的目标是,上世纪 90 年代画出来的东西用最新软件也能打开,能做到这一点的公司并不多,背后需要大量人力去解决。」

对于中国工业软件而言,更为困难的是综合性产品体系的搭建。在过去数十年内,西门子(SIE.DE)、达索(DSY.FR)等海外工业巨头通过迭代和收购搭建起全能的产品生态,例如,达索在上世纪 90 年代收购了 CAD 软件 SolidWorks,它与 CATIA 形成了两大 CAD 产品线,此后两个产品又分别进行多次收购,可以提供从设计到交付的完整平台。根据其财报,2020 年达索总收入达 45 亿欧元(约合 346 亿元人民币),同比增长 12%,其中软件收入达 40 亿欧元。

「企业级产品研发牵涉到不同部门,每个部门各自用不同的软件,就很难成体系。如果一个软件都解决了,对项目管理非常有利。」上述汽车电子人士如此解释海外「巨无霸产品」的价值。张明举则从投资价值角度分析称,目前一些国产工业软件公司在各自领域已有一定建树,但从整个赛道来看,小企业的价值有限,只有合并到一个平台上形成合力时才有定价权。

在中国软件行业,大型体系产品的构建刚刚起步。号称「国产 CAD 第一股」的中望软件就致力于打造一体化产品。中望软件成立于 1998 年,在 2010 年通过收购美国 VX CAD/CAM 团队搭建起 3 D CAD 技术,2018 年又进军 CAE 领域,目前产品覆盖 2 D 和 3 D CAD、CAE 以及 CAM。

「中望的目标是做 All-in-one 的平台,对标达索的 SolidWorks。」一名熟悉中望软件的人士向财新分析称。他认为,中望一方面在继续推进 3 D CAD,同时也在集成 CAD、CAE、CAM,毕竟市场对一体化有很大需求,「不能只做设计,也要提供仿真让企业去优化设计」。

根据中望软件年报,2020 年总营收为 4.56 亿元,同比增长 25%;净利润为 1.20 亿元,同比增长 34%。中望目前过高的估值意味着,并购恐怕是快速增长的惟一途径。一名投资人向财新分析称,按照盈利预测,到 2023 年,中望的利润也不及 5 亿元,按 500 亿元的市值其市盈率对应 100 倍,而中望当下的市盈率已高达 200 多倍。「压力大得不得了,只有通过持续并购来维持价值。」

中国路径

工业软件安全问题,已经引起政策部门的重视。但工业软件门类众多,涉及不同类型、行业和知识难度,其发展路径仍有待明确。6 月,国家工信部信息技术发展司司长谢少锋在中国工业软件大会上表示,将尽快发布软件产业「十四五」发展规划,强化对工业软件关键技术软件的重点支持。

实际上,中国的工业软件研究早在上世纪中期就已起步,至今未成气候的原因十分复杂。

多名在上世纪八九十年代参与相关研究的人士向财新回忆称,当时国内追求发展效率,对工业软件的主流态度是「拿来主义」——能买就不自己做。正是这一主流思想,也给了海外工业软件极大的历史性机会,它们借助中国近 30 多年工业制造体系的建立和完善,渗透至各行各业,积累了大量的经验数据,从而逐步优化完善其工业软件底层技术。在全球一体化潮流下,中国此前并未感受到这一国内外分工过程中的自身风险。中国高校、研发机构的兴趣也转移至其他新兴领域,比如进入发展期的互联网行业,仅剩很少的团队一直坚持研究工业软件。

早期工业企业也不具备自行开发软件的条件。上述石油设计院管理层回忆称,上世纪 90 年代,设计软件领域只有海外产品可供选择,当时中国软件人才少,不可能自己开发软件。即便后期软件开发门槛变低,企业对开发软件的意愿也不强烈,「软件公司不懂这套工业体系,合作起来太费精力」。

「总体来说,越基础的越要优先做,因为越基础的往往是越难的,也最容易被卡脖子。」高曙明建议,要从各类工业软件的基础技术入手,例如 CAD 软件的内核分别是三维几何引擎和约束求解器,虽然目前中国在这两项技术上都有自主研发系统,但是功能还不够强,可靠性还不够高,与国外先进产品相比还有很大差距。此外,CAE 公共的前置处理软件也值得优先。

在技术层面,业界呼吁集中力量进行技术攻关。上述白皮书建议,政府应设立重大攻关项目,以科研院所为主体,联合企业共同攻关。高曙明也认为,工业软件的尖端人才本来就少,目前还分散在各高校、研究机构和产业内,「应该想办法使人才相对集中,真正拧成一股绳来干事」。此外,更要想办法吸引最优秀的人才来从事工业软件研发。

除了底层技术,工业软件涉及的大量数据和知识该如何快速积累?对此,白皮书建议设立国家级公共知识库共享平台,布局基本求解算法库、标准零部件库、基础数据库等。不过,一名学界人士表示,公共知识库的难点在于共享,「很多工业知识是企业自己的,这也是它的财富,未必愿意共享」。

在手机芯片领域,华为被美国明确禁售高端芯片,导致其手机产品线受到巨大打击,也激发了华为加快业务转型步伐以及对科研投入的力度和强度。但工业软件领域缺乏大型龙头企业承担发展重任。对此,白皮书建议,在国企改革框架下,推动成立国有大型工业软件集团。同时,鉴于目前海外「第一梯队」软件企业已经并购完成,建议企业加快并购「第二梯队」企业,或是供需两侧加深合作,通过并购、股权投资、成立合资公司等市场行为形成互利共赢的利益联合体。

工业软件盗版问题在中国也比较严重,实质上严重阻碍了国产软件打破海外产品的垄断。多名人士观察称,不少企业长期使用海外盗版软件。「这也是国产软件起不来的重要原因。」一名软件行业人士表示。

长期来看,工业软件水平提升关乎工业企业自身技术沉淀。6 月 24 日,索为系统董事长李义章在 2021 财新夏季峰会上表示,有一类工业软件并非工具,实际凝聚了工业产品的知识和技术体系,例如飞机制造企业波音基于沉淀多年的核心技术,开发了约 7000 多种软件用于飞机设计,这些软件都不对外销售。

「知识和经验都装在脑中,人退休后,他积累的东西留不下来。」上述石油设计院管理层认为,制造业传承积累经验确实紧迫。其所在的单位近年也花费数千万元建设了数据库,以便存储项目经验。

目前,国家工信部正在推动企业以工业 App 的方式封装经验。2017 年,工信部出台发展工业互联网指导意见,提出到 2025 年培育 100 万个工业 App,分别涉及基础共性、行业通用和企业专用 App。作为工业 App 专项的承建方之一,索为系统认为,相较于企业自身打造的数据库,工业 App 直接将知识变成软件,效率更高,目前的挑战主要在于投入和商业模式。

「工业 App 的开发需要投入,一个 App 平均投入是 5 万到 10 万元,100 万个就是 500 亿到 1000 亿元,不能全靠国家,还得靠行业龙头和社会资本;另外是商业模式,投入了之后如何产生效益,形成良性循环。」李义章向财新表示

我们应该学会去理解别人的观点,不仅仅是服从和被告知。

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