美国仿真软件的国家意志 | 工业软件史

发布时间：2018-06-13 来源：知识自动化

　　美国最早发展CAE是从美国航空航天局NASA开始。在国家资金的支持下，NASA开发了著名的有限元分析软件Nastran。1971年MSC公司改良Nastran了这个程序，成为美国仿真软件的鼻祖。
　　政府的努力：国家战略投资计划
　　在美国领先世界航空航天和国防科技工业诞生了CAE产业的萌芽。美国的科学家们敏锐地识别到计算正在成为与理论和实验并列的第三种科学研究范式。他们清晰的定义了这种变化，并将之呈报给美国政府。美国政府采纳了他们的观点，并通过各种国家战略计划的投资众多科学计算基础设施，实施了大量产业培育举措。这是CAE产业最早在美国得到蓬勃发展的一个重要因素。
　　在“再工业化”浪潮中，美国政府尤其重视建模仿真技术在制造业发展中的作用，再次明确了CAE产业的战略地位。2009年美国“竞争力委员会”白皮书《美国制造业——依靠建模和模拟保持全球领导地位》，将建模、模拟和分析的高性能计算，视为维系美国制造业竞争力战略的王牌。2010年发布《高性能计算与美国制造业圆桌会议报告》白皮书，指出高性能计算建模与模拟能够显著缩短设计周期等，加强竞争力。2011年美国推出高端制造合作伙伴计划AMP，重构先进制造发展理念，重点发展三大领域：开发面向复杂系统的设计工具、开发模块化制造设备、开放式参与平台——都围绕数值模拟技术的软件工具和软件应用平台。2012年发布《国家先进制造战略计划》再次明确要重点发展数值模拟分析技术。
　　在国家战略层面，美国确实是把科学计算和建模仿真作为服务于国家利益的关键技术，从未停止呐喊，从未停止投资。
　　美国CAE发展的伴生工程
　　产业发展的核心，是培育多方产业主体，确定其在价值链上的上下之分，促使他们在市场竞争和商业运作中持续协调和发展新的关系，直到价值链解体和再造。CAE产业发展的核心需求，源于军方对装备技术数据（工程内容）的数字化要求和军工企业对工程过程和工程环境的数字化和智能化需求。军方和军工企业通过各种工程发展计划表达和实现相关的发展需求，产生了大量的共性技术成果，经过各种技术转化机制进入产业界，创造了众多的创业机遇，这正是美国CAE产业发展的源头活水。

　　表1 美国推动科学计算和建模仿真的战略举措（南山工业书院研究组整理）

　　美军CALS计划
　　20世纪80年代中期美国国防部提出了CALS计划，其含义是“计算机辅助后勤保障”，实施的重点是推广装备产品的电子技术手册。在20世纪90年代中期，美国国防部将CALS的内涵发展为“持续采办与全寿命支持”，并明确提出实施CALS的发展目标是营造“集成数据环境（IDE）”。
　　30多年以来，美国国防部一直将CALS看作是武器装备采办工作从基于纸张的手工工作方式向高度电子化、集成化和自动化过渡的一项战略措施，在很多武器装备型号中实施CALS，取得了明显的效益。美国国防部的经验在国际上产生了很好的影响，被很多国家广泛采纳。进入21世纪以来，CALS有望在前两个阶段的发展基础上，进一步成长为武器装备产品和工业产品的“电子商务”。
　　在20世纪70-80年代期间，武器装备的发展十分迅速，后勤保障需要的技术资料种类繁多、数量巨大，培训、维修和保养等工作难度十分大。另一方面，尽管CAD、CAE和CAM技术已经成功运用于军工领域，但是武器装备承包商依然在采用手工方式向军方交付纸介质的各种管理文件、技术文档和后勤保障技术手册。使用手工方式交付纸介质技术手册的传统做法，已经成为当时美国军方装备后勤保障的突出问题。
　　面对大型复杂武器装备研制周期长、可靠性和可维修性差、研制费用和后勤保障费用高等诸多问题，美国国防部研究和推广并行工程思想和集成后勤保障等工程理论，使得在武器装备的研制设计早期阶段就充分考虑到生产制造和维修保障等阶段的问题，同时提出CALS将计算机技术应用于武器装备后勤保障工作。美国国防部在1990年9月28日发布军用手册MIL-HDBK-59A《计算机辅助采办与后勤保障计划实施指南》，在附录A中明确指出“实施CALS的近期工作主要是向承包商采购保障维修武器装备所需要的电子化备件工程图样、维修技术手册、后勤保障分析记录等”。因此，在20世纪80年代到90年代初期，实施CALS的重点放在研究和推广交互式电子化技术手册（IETM）方面（参见工业百条：交互电子技术手册IETM）。
　　在实践中，美国军方和美国军事工业界逐步认识到，不能把CALS仅看作像CAD或CAM那样单纯的“计算机辅助技术”，逐步将CALS的内涵发展为“持续采办与全寿命支持”，明确提出CALS的发展目标是“集成数据环境”，为军方与承包商协同运作武器装备采办及武器装备研制生产创造条件。早在1996年，美国国防部CALS办公室发布《国防部集成数据环境技术计划》，再一次把CALS的最终目标定位为实现集成数据环境。在集成数据环境中，把武器装备等大型复杂产品各方面的信息数据，包括产品技术数据和项目管理数据有序存储在大数据库内，相关的工作人员可以随时随地通过网络提交和获取需要的工作信息。实施以“持续采办与全寿命支持”为内涵的CALS，其工作重点是推进系统集成和信息集成，发展集成数字化信息环境。
　　CALS的另一个发展方向是向电子商务方向发展。2001年1月在日本东京举办的CALS暨电子商务国际研讨会上，美国国防信息系统局在会上发表了《数据是关键》的报告，说明在美国实施CALS就意味着在电子商务环境中运作武器装备采办业务。
　　美军建模仿真主计划
　　为了解决建模与仿真的有关问题，1995年10月，美国国防部制定了一项《国防部建模与仿真主计划》,并以国防部指令的形式颁布（DoD 5000.59-P,1995~2000）。该计划提出了六项目标：创建建模和仿真的通用技术框架；即使提供自然环境的权威表示；提供系统的权威表示；提供人类行为的权威表示；建立满足用户和开发人员需要的建模仿真基础设施；共享建模仿真成果。推行该计划的总体目的在于建立人、自然环境、系统等的权威表达，促进各类模型与仿真应用之间，以及各类模型与相关C4I系统之间的互操作性，促进建模与仿真构件的重用，实现建模仿真的灵活性与高性能。使命空间概念模型、高层体系结构和数据标准构成了建模仿真通用技术框架的三个组成部分。
　　美军建模仿真主计划的执行，为基于仿真的采办提供了框架和基础设施，而基于仿真的设计以及基于仿真的采办模式，为CAD和CAE产业的发展提供了稳定的市场需求。
　　NSF和NASA“先进工程环境”研究计划
　　“先进工程环境”研究项目，是由美国国家科学院和NASA共同发起，由美国国家研究委员会工程技术系统分会航空航天工程专业组先进工程环境研究组负责实施，研究组成员来自洛马、兰德、波音、福特、维吉尼亚大学、休斯顿大学、乔治亚理工大学、普渡大学、美国海军研究生院等军工企业、咨询公司和院校，从1998年开始，分两个阶段进行研究。第一阶段着眼于未来5年内的先进工程环境（AEE）发展需求，第二阶段着眼于未来5-15年内先进工程环境（AEE）的发展需求。
　　AEE研究项目定义了“先进工程环境”的概念，并识别了发展先进工程环境的历史性机遇，这种机遇是建立在过去15年里CAD\CAE\CAM技术的成熟应用基础上，计算机能力大幅提升、工程模型日益成熟、仿真技术飞速进步。先进工程环境可能产生的影响或可与互联网鼻祖ARPANET相提并论，但面临的技术挑战要远大于ARPANET，因此需要尽早以政-产-学联合的方式推进，开发开放式集成架构和功能配置，引导可用可互操作软件工具的开发，实施让软件产业和军工企业皆可从中受益的科技成果推广应用方案，集中进行知识管理等。
　　专用软件工具应留给产业界研究开发，而政府部门组织的研究力量不应该过于关注商业工具能够解决的问题。相对应的，政府组织应通过一系列措施，支持共性通用先进工程环境技术、系统和实践的开发。
　　在AEE研究过程中，NASA启动了“智能综合环境”举措，为AEE赋能，具体包含五方面的要素，分别是：快速综合与仿真工具；费用和风险管理技术；全生命周期集成与验证；协同工程环境；文化变革、培训和教育等。
　　在AEE研究过程中，美国国防部资助了一系列技术和过程研发项目。比如说DARPA的“基于仿真设计倡议”，是为了开发开放灵活的系统，以支持使用虚拟样机、虚拟环境和共享产品信息模型的并行工程。国防部及各军兵种的实验室也积极推动基于仿真的采办，为军工企业的专业技术力量提供集成于采办流程的协同仿真技术，特别提出要有效使能集成产品和过程开发（IPPD）。
　　在AEE研究过程中，美国国家科学基金会在“知识和分布式智能倡议”的目录下，资助了一系列跨学科研究。美国能源部发起了“分布式协同实验环境”项目，定义了通过虚拟实验室聚集美国国家实验室资源的系统需求。
　　AEE研究论证了在未来5年（1998-2003）和5到15年（2003-2013）这两个阶段推进先进工程环境的举措，定义了政府、产业界和学术界在其中应承担的角色和责任，并预见性的指出未来的先进工程环境一定是建立在互联网技术的基础上，需要攻克“互操作性”和“应用组合”这两大难题。
　　美国军方ManTech计划
　　2010年，美国国防部著名的ManTech计划，新设了先进制造企业（AME）专栏，将MBE纳入“制造企业建模和仿真”板块，与之并列的是“基于模型的工程/设计”、“国防部建模与仿真”、“生产力建模”等内容。
　　“先进制造企业”是稳健的战略集合和能力结构，目的是在全球化制造企业环境中，显著削减生产复杂系统的成本和时间。
　　从2009年到2015年，ManTech计划公开报道了5项MBE项目的成功案例，涉及到机枪备件采购、弹药销毁、地面战斗车辆、防爆防伏击车辆、三维模型创建、产品生命周期管理入门、交付物创建等方面。截至2015年最新的投资项目是改善技术数据的交换过程，关注在电子系统中使用3D技术数据、交付给政府的技术数据包校核与确认和MBE能力转化等。
　　各种伴生工程助推CAE产业价值链
　　此刻，可以梳理一下这几个项目的关系。
　　CALS定义的是军方和军品承包商的关系。通过从计算机辅助后勤保障到持续采办和全生命周期支持这样的指令性政策，客观上要求军品承包商必须考虑交互式电子技术手册（IETM）和集成数据环境（IDE）的生产问题，这就为CAD产业的发展创造了稳定的市场需求。
　　M&SMP建模仿真主计划定义了建模仿真技术在军方内部的统一应用框架，但这种内部的基础设施构建活动通过“采办”这一接口对军品承包商的业务流程产生重要影响。军品承包商必须认真考虑“基于仿真的采办”和“基于仿真的工程”等相关问题，着同样为CAD尤其是CAE产业的发展创造了稳定的市场需求。
　　AEE相当于是NASA和学术界的老师们为军品承包商和软件厂商提供了一个功能样板，基于NASA最先进的工程实践，告诉各位，怎样将各种先进技术糅合成一个先进工程环境，在这个过程中会生成什么样的产品技术数据。
　　MBE定义的则是军工厂商和软件厂商之间的关系。围绕着产品技术数据，军工厂商阐明对于产品技术数据的定义、呈现、使用、处理、管理、标准化、质量保证等方面的需求，软件厂商则发展技术，研发产品，满足需求。
　　另一方面，在MBE中，NIST等机构将MBE相关的用于军工制造的专用技术通过标准化、通用化等举措，转化成对民用企业、中小企业有用的产业共性技术，并通过NIST的产业共性技术平台进行转化。
　　软件始终是NASA成功的核心要素
　　NASA的行动则揭示了技术软件化行动的核心，正如NASA技术转化执行主任丹尼尔·洛克尼说：软件始终是NASA成功的核心要素。从2014年起，NASA开始发布软件转化目录，以软件为载体，向工业界进行技术转化。该目录包含了15个技术领域，每两年更新一次，目前大约有2200多种技术软件正处于转化流程中。
　　软件已成为定义技术的新媒介。在NASA软件目录中，既有我们熟知的“业务系统和项目管理”、“数据服务器运营和维护”、“设计和集成工具”等我们熟知的工业软件，也有像“数据和图像处理”、“自治系统”等通用的自动化软件，但更多的却是像“材料和工艺”、“系统试验”、“推进”、“电子电力”、“结构与机构”、“执行器”、“环境科学”、“运载器管理”、“航空”等专业技术软件。这表明在美国软件已经成为科研机构和工业企业之间进行技术流通的普适媒介。
　　这个建立在大量实践基础上的务实创新，是一个巨大的孵化航母。据丹尼尔描述，从2009年起，NASA已经通过各种形式向工业界转化了5000多个软件项目，取得了显著成效，这些实践经验促使NASA决定改善信息发布流程，降低软件获取门槛。

　　表2 NASA技术软件转移内容（南山工业书院研究组整理）

　　丹尼尔在2016年就NASA的技术转化接受采访时表示，加速航空航天科技向私企转移，为公众谋福利，是NASA的共同愿景。四年来，促成的专利授权增长了2.5倍，数量是NASA向公众发布软件的两倍。
　　持续投入 孵化国家生态
　　通过对美国CAE产业发展历史的调研和思考，可以有三点启示：第一是国际工业软件市场已经进入寡头竞争和平台竞争的时代，CAD软件和CAE软件会日益下沉，变成功能组件和技术支撑组件，成为像编译器、驱动器、操作系统内核这样的角色。第二是CAE承载了工业技术知识的分析、验证和确认过程，是创新的核心要素。第三是持续的国家投入。比如美国制造创新研究院DMDII的数字化制造公地（digital commons），也是以更早以前美国军方项目CALS、M&SMP、AEE、MBE等伴生工程的打底。
　　这是一环扣一环的国家持续性建设的姿态。美国的国家意志，从未放弃过对仿真软件的明枪实弹的黄金支持。