計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造是干嘛的(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造專業(yè)怎么樣)

站在今天回顧C(jī)AE軟件的發(fā)展歷史,可以看到:從全球來看,CAE在經(jīng)過了上世紀(jì)四十年左右的發(fā)展之后,從2000年前后開始進(jìn)入成熟壯大期。經(jīng)過一系列的兼并重組,海外 CAE巨頭逐漸發(fā)展壯大,不斷提升自身的 CAE分析技術(shù)、拓展應(yīng)用范圍,當(dāng)前已進(jìn)入成熟發(fā)展階段。

雖然早在上個(gè)世紀(jì)七八十年代,中國本土就涌現(xiàn)了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的有限元分析軟件,但在2000年前后,隨著國外CAE軟件廠商相繼進(jìn)入中國市場,中國本土 CAE軟件廠商遭到巨大沖擊、發(fā)展非常緩慢。直到2006年前后,國內(nèi)制造、汽車、工程機(jī)械、航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域的市場需求持續(xù)增大,中國本土CAE軟件開發(fā)商才再次積聚起力量,開始謀求做大做強(qiáng)。最近十多年來,國家一系列幫扶政策陸續(xù)推出,國產(chǎn) CAE廠商開始迎來加速發(fā)展期。

就眼下的市場格局而言,全球CAE市場基本被前三大供應(yīng)商所主導(dǎo),分別是西門子、Ansys和達(dá)索,市占率共計(jì)47%(2020年數(shù)據(jù));在中國市場,主要廠商為達(dá)索、西門子、Ansys、安世亞太、中望和安懷信等,國內(nèi)三家公司市占比均不足5%,總占比僅6%(天風(fēng)證券數(shù)據(jù))?？梢?在國內(nèi)的工業(yè)軟件市場中,國內(nèi)廠商在面對國際大廠時(shí)還非常弱小,大量的設(shè)計(jì)、制造等核心工業(yè)軟件均為國外品牌所占領(lǐng)。數(shù)據(jù)顯示,目前CAE國產(chǎn)化率僅為11%。

當(dāng)然,另外一個(gè)不容忽視的政策紅利是,隨著中美博弈、信創(chuàng)加速,國產(chǎn)化的確在不斷提升,政策正在推動CAE行業(yè)快速發(fā)展。

2012年,工信部印發(fā)了《軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,提出要推動計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造(CAD/CAM)、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)、制造執(zhí)行管理系統(tǒng)(MES)等工業(yè)軟件在航空、航天、機(jī)械、汽車、電子等工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。2015年,國務(wù)院提出大力開發(fā)安全領(lǐng)域操作系統(tǒng)等工業(yè)基礎(chǔ)軟件,加快提升智能設(shè)計(jì)仿真、制造物聯(lián)與服務(wù)等高端工業(yè)軟件技術(shù),開發(fā)高端工業(yè)平臺軟件和應(yīng)用軟件以及推進(jìn)工業(yè)軟件體系化發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

政府出臺的行業(yè)支持政策有助于推動 CAE技術(shù)發(fā)展、健全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系、促進(jìn) CAE軟件行業(yè)應(yīng)用、加快建立產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系,對于助力下游工業(yè)企業(yè)智能化、信息化進(jìn)程具有重要意義。

但就如查理·芒格所說:“宏觀是我們必須要接受的,而微觀才是我們能有所作為的?！?/p>

在眼下的產(chǎn)業(yè)大環(huán)境中,對于業(yè)界來說,一個(gè)更關(guān)鍵的微觀命題是——當(dāng)我們開始討論國產(chǎn)CAE時(shí),最重要的討論點(diǎn)應(yīng)該在哪里?

綜合產(chǎn)品力之戰(zhàn)

作為一款工業(yè)軟件,CAE的產(chǎn)品力比拼的到底是什么?

籠統(tǒng)的說,客戶應(yīng)用CAE,就是運(yùn)用仿真模擬取代真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)。要實(shí)現(xiàn)這種替代,CAE需要整合數(shù)學(xué) 物理學(xué)(底層)、計(jì)算機(jī)科學(xué)(中層)、工程學(xué)(外層)等三個(gè)層面的能力。

CAE軟件從底層的物理規(guī)則和數(shù)學(xué)公式出發(fā),將現(xiàn)實(shí)世界映射到軟件中;然后運(yùn)用求解器(包含計(jì)算機(jī)語言編程和算法)進(jìn)行相應(yīng)的求解計(jì)算,并把結(jié)果通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)現(xiàn)可視化和用戶交互;最后,結(jié)合特定領(lǐng)域工程學(xué)的工作流程,幫助用戶解決工程中的實(shí)際問題。

與這一原理邏輯相對應(yīng),CAE的產(chǎn)品力也體現(xiàn)在多個(gè)層面。

首先,產(chǎn)品覆蓋的是單一物理場、還是多物理場。

CAE的本質(zhì)是用物理法則對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行描述。常見的物理場包括傳熱、孔隙水流動、濃度場、壓力應(yīng)變場、動力學(xué)場、化學(xué)場、靜電場和靜磁場等。每個(gè)專業(yè)領(lǐng)域又會涉及到特定物理規(guī)則,以結(jié)構(gòu)為例,為解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題,有可能會涉及到理論力學(xué)、分析力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、振動力學(xué)、疲勞力學(xué)、斷裂力學(xué)等一系列特定規(guī)則。

從目前主流的CAE軟件來看,基于對物理場的覆蓋能力,可以分為通用類、專用類兩大類。

其中,通用性CAE適用范圍廣,可針對多種類型產(chǎn)品的物理力學(xué)性能進(jìn)行模擬仿真,代表軟件企業(yè)主要是Ansys、 MSC、達(dá)索等;專業(yè)性CAE主要針對特定類型的產(chǎn)品提供較好的性能分析、預(yù)測以及設(shè)計(jì)優(yōu)化等功能,代表軟件包括:專注于流體力學(xué)領(lǐng)域的Fluent、專注于多體動力學(xué)領(lǐng)域的 Adams和專注于注塑成型領(lǐng)域的 Moldflow等。

從目前行業(yè)的發(fā)展趨勢看,對多物理場的覆蓋的確更能體現(xiàn)產(chǎn)品力上的領(lǐng)先優(yōu)勢,像達(dá)索、Ansys等頭部CAE廠商還在不斷通過收購來實(shí)現(xiàn)對更多物理場的覆蓋。

以Ansys為例,他們在三年前的產(chǎn)品組合中還沒有任何光學(xué)仿真產(chǎn)品,而三年后就已經(jīng)可以在這一領(lǐng)域提供端到端的解決方案。2018年收購OPTIS,2020年收購Lumerical,最近(2021年 8月 30日),又剛剛宣布收購光學(xué)軟件開發(fā)商Zemax公司。這家公司作為全球首選的成像光學(xué)設(shè)計(jì)平臺,此前已經(jīng)獨(dú)立發(fā)展30多年。它依靠高精度光線追跡和可靠的透鏡設(shè)計(jì),幾乎涉及光學(xué)制造環(huán)節(jié)中的每一個(gè)光學(xué)元件。

對物理場的覆蓋越來越多,給Ansys帶來多個(gè)層面的利好。

一是最關(guān)鍵的產(chǎn)品力提升,Ansys表示,他們的光學(xué)仿真套件不是作為孤立的產(chǎn)品獨(dú)立工作,而是作為完整多物理場工作流程的一部分運(yùn)行。如今,Ansys光學(xué)解決方案用于多種應(yīng)用,從自動駕駛汽車中的攝像頭和 LiDAR陣列到電信和手機(jī)攝像頭,再到醫(yī)療設(shè)備和其他視覺輔助設(shè)備;二是直接帶來了TAM和營收的擴(kuò)展。Ansys在2021年第三季度財(cái)報(bào)會議上就表示,在第三季度,已經(jīng)有約 5%的合同訂單中包含了光學(xué)模擬產(chǎn)品。

在國內(nèi),實(shí)現(xiàn)多物理場覆蓋的代表廠商是云廬科技,他們是國內(nèi)掌握了有限元分析技術(shù)的少數(shù)廠商之一。

根據(jù)公開信息,核心團(tuán)隊(duì)出自清華大學(xué)和中科院。早在2013年,其核心創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)為清華大學(xué)、麻省理工學(xué)院和劍橋大學(xué)組成的“三校低碳聯(lián)盟”開發(fā)配套軟件,基于結(jié)構(gòu)、溫度和流體等三種物理場耦合,開發(fā)出世界上第一款淺層地?zé)崮苡邢拊抡娣治鱿到y(tǒng)。

云廬科技在2015年正式成立后,始終致力于通過融合CAE的數(shù)字孿生技術(shù),實(shí)現(xiàn)對交通、水利、新能源、城市生命線等基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期的管理和維護(hù)。

如今,云廬科技可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、流體、電磁、傳熱等領(lǐng)域的多物理場耦合仿真。2021年9月,云廬科技發(fā)布自主研發(fā)的“非線性多物理場耦合仿真云平臺——云朏”?！霸茤F”仿真云平臺將其多物理場耦合仿真能力提升到一個(gè)新的高度。

據(jù)介紹,“云朏”仿真云平臺系統(tǒng)內(nèi)核的結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊,包含桁架、索、梁、殼、實(shí)體等多種單元類型,以及剛性連接、彈性連接、MPC等多種約束連接形式,集成了多種彈塑性本構(gòu),可實(shí)現(xiàn)靜力學(xué)、動力學(xué)、非線性、模態(tài)、疲勞等多種工況計(jì)算;流體力學(xué)模塊包含算子分裂法、混合元法、有限元-有限體積耦合法等多種算法,可求解多相流、k-ε模型、大渦模擬、多孔介質(zhì)滲流等多種模型問題;熱力學(xué)模塊可分析包含第一類邊界、熱流邊界、傳熱邊界、輻射邊界等多種邊界問題的求解。

其二,仿真算力、可靠性、易用性的提升以及云計(jì)算、人工智能算法的應(yīng)用。

簡單來說,CAE同其他工業(yè)軟件一樣,其發(fā)展同樣受到計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的深刻影響。

拆解 CAE軟件架構(gòu),CAE按照功能可以分為 9大模塊:輸入輸出、幾何、有限元模型、后處理器、求解器、圖形、公共模塊、高性能計(jì)算(HC)、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)科學(xué)需要提供仿真過程所需的算力。模擬仿真過程涉及到大量計(jì)算過程,需要計(jì)算機(jī)提供算力支持、加速計(jì)算過程(高性能計(jì)算)、優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)等,以加快設(shè)計(jì)過程。

最近幾年,CAE算力和算法的不斷升級來自供求兩個(gè)方面的推拉合力。

在需求端,只有算力進(jìn)一步提升,多場耦合才能真正實(shí)現(xiàn),仿真效果也將進(jìn)一步優(yōu)化。從上世紀(jì)90年代到今天,多物理場耦合逐步從理論走向?qū)嵺`,但由于計(jì)算量較大,當(dāng)前的多物理場耦合往往還是采取各種形式的簡化方法,仍然涉及多種軟件、算法以及數(shù)據(jù)互換的問題。

在供給端,數(shù)學(xué)理論、算法、計(jì)算機(jī)圖形、三維實(shí)體造型、數(shù)據(jù)交換、工程數(shù)據(jù)管理等技術(shù)的革新已經(jīng)成為推動 CAE軟件水平提升的重要驅(qū)動力。

CAE在算法和算力上的提升,有兩大看點(diǎn)。

一是云CAE。云 CAE提供多端訪問、資源分配的靈活性。用戶通過訪問CAE云平臺,能夠選擇所需要的計(jì)算資源,在計(jì)算資源運(yùn)用上具有一定的靈活性,有助于提升計(jì)算的速度。

二是人工智能 CAE。各個(gè)數(shù)字化領(lǐng)域中逐步“ 人工智能”是未來十年的重要主題,CAE也不例外。

人工智能技術(shù)可與仿真的多個(gè)環(huán)節(jié)相結(jié)合,同時(shí),人工智能技術(shù)也能夠與 CAE的多個(gè)環(huán)節(jié)相結(jié)合,提升 CAE的易用性與使用效率。一方面表現(xiàn)為通過 AI技術(shù)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的功能,部分替代需要人工參與的環(huán)節(jié)或?yàn)槿斯ぬ峁┹o助,增強(qiáng)易用性,如 AI提供邊界條件,AI提出修改建議等,另一方面,通過 AI算法訓(xùn)練代理模型,有助于提升計(jì)算速度,降低成本。

眼下,主要的傳統(tǒng)工業(yè)軟件巨頭都在向智能化業(yè)務(wù)拓展,人工智能也在向工業(yè)軟件業(yè)務(wù)拓展。比如:達(dá)索、西門子、Ansys。

在國內(nèi),云廬科技新推出的“云朏”仿真云平臺也宣稱,具備多物理場耦合仿真、非線性分析、超大規(guī)模計(jì)算和人工智能/AI算法等四大核心技術(shù),可以讓行業(yè)用戶更輕松地在強(qiáng)大的云基礎(chǔ)設(shè)施上進(jìn)行仿真模擬,更快更好地完成運(yùn)維管理、產(chǎn)品開發(fā)等工作。

云廬科技為了綜合利用云計(jì)算和工程仿真的綜合優(yōu)勢,將“云朏”仿真云平臺與華為云合作創(chuàng)建了一個(gè)安全的云解決方案。用戶可以直接從桌面上運(yùn)行的應(yīng)用程序輕松訪問云中的 HPC。云廬科技基于“云朏”仿真云平臺,針對基建行業(yè)、市政管理、公共建筑和地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)打造出了相關(guān)的解決方案,相關(guān)的應(yīng)用程序套件也正在逐步完善。

基于區(qū)域分解法的并行架構(gòu),使“云朏”仿真云平臺的計(jì)算能力得到顯著加強(qiáng)。系統(tǒng)內(nèi)核支持并行計(jì)算,目前已通過億級自由度萬核并行測試,代碼并行率高于95%,在大規(guī)模、超大規(guī)模仿真分析方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢;內(nèi)核的計(jì)算精度與國際知名通用CAE軟件相當(dāng),線性計(jì)算結(jié)果相差<1‰,非線性計(jì)算結(jié)果相差<1%。

在物理場仿真和算法算力的基礎(chǔ)之上,第三個(gè)關(guān)鍵是平臺和生態(tài)的構(gòu)建。

國外CAE龍頭公司經(jīng)過幾十年迭代,不僅技術(shù)層面非常成熟,平臺和生態(tài)也已經(jīng)成型。

這種平臺和生態(tài)首先表現(xiàn)為工業(yè)軟件的模塊化,比如上文提到的網(wǎng)格剖分器組件(主要有 Distene的 MeshGems等)。工業(yè)軟件因?yàn)閮?nèi)涵極其豐富、因而擁有復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的組成單元。這使得產(chǎn)業(yè)鏈中的企業(yè)會主動進(jìn)行水平分工,聚焦自己的優(yōu)勢領(lǐng)域,公司之間進(jìn)行通力合作。

其次,這種平臺和生態(tài)還表現(xiàn)在包含專家團(tuán)隊(duì)、服務(wù)商以及供應(yīng)鏈在內(nèi)的整體環(huán)境。

比如Siemens PLM全球有 150家技術(shù)合作伙伴,Solid Edge有 289家第三方合作伙伴, Dassault System全球有 934家技術(shù)合作伙伴,這些合作伙伴不僅是模塊的供應(yīng)商,同時(shí)也是其他 CAX軟件的供應(yīng)商,工業(yè)設(shè)計(jì)軟件的巨頭絕大部分都是產(chǎn)業(yè)鏈公司,其產(chǎn)品也是平臺型產(chǎn)品,已經(jīng)形成非常穩(wěn)健的產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)。

CAM軟件需要涉及到加工路徑的組件(主要有德國的 ModuleWorks與英國的 MachineWorks)。CATIA、NX、 Creo等高端多學(xué)科 MCAD會涉及更多的組件,其中有不少核心組件來自于第三方,甚至有些組件會來自競爭對手。

從下游客戶的角度出發(fā),也在呼喚平臺和生態(tài)的構(gòu)建。

隨著集成系統(tǒng)和軟件復(fù)雜性的不斷增加,許多行業(yè)中的設(shè)計(jì)、建造、集成、調(diào)試和運(yùn)營都涉及到了越來越多的利益相關(guān)者。因此,國內(nèi)的云廬科技提出,“云朏”仿真云平臺的核心價(jià)值在于幫助人們在云中高效地完成仿真計(jì)算,合力打造一個(gè)數(shù)字孿生的開放生態(tài)系統(tǒng)。如今,“云朏”仿真云平臺核心開發(fā)團(tuán)隊(duì)已與北京大學(xué)、清華大學(xué)、中國科學(xué)院等國內(nèi)高校團(tuán)隊(duì)展開合作,開發(fā)集成了一批高校和科研院所自研的先進(jìn)算法。

云廬科技創(chuàng)始人兼CEO王長欣表示:“國內(nèi)行業(yè)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和國產(chǎn)工業(yè)軟件的產(chǎn)品創(chuàng)新已經(jīng)產(chǎn)生了‘同頻共振’,云廬科技一方面堅(jiān)持獨(dú)立自主創(chuàng)新,另一方面也會堅(jiān)持與所有合作伙伴一起‘共研共創(chuàng)’,打造一個(gè)更開放、更強(qiáng)壯的數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)?！?/p>

四是國產(chǎn)自主的問題:

在今天的全球經(jīng)濟(jì)形勢下,CAE軟件的國產(chǎn)自主性尤其值得認(rèn)真探究。

簡單來說,國內(nèi)CAE市場不外乎幾種產(chǎn)品,一種代理國外產(chǎn)品,第二種是基于開源的二次開發(fā),第三種是完全獨(dú)立自主的國產(chǎn)軟件。從市面上看,前兩種占絕大多數(shù),真正的第三種并不多見。

云廬科技創(chuàng)始人兼CEO王長欣表示,云廬科技從一開始的目標(biāo)就是要做“真正意義的、國產(chǎn)自主的、有清晰商業(yè)模式的CAE產(chǎn)品”。

他之所以這樣界定,是強(qiáng)調(diào)兩個(gè)要點(diǎn)。一是產(chǎn)品的確是獨(dú)立研發(fā)的,無論是產(chǎn)品的前處理、后處理還是求解器都是云廬科技獨(dú)立研發(fā)完成的。畢竟“開源的說停就停,體系不夠強(qiáng)大,Bug不好解決?！倍钱a(chǎn)品是可以真正商業(yè)化的產(chǎn)品。此前有些過于學(xué)術(shù)化的“產(chǎn)品”,雖然也是“國產(chǎn)自主”,但功能比較單一,代碼也不夠穩(wěn)定,并不能真正產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化。

在產(chǎn)品路線上,公司在2020年,結(jié)合人工智能、5G物聯(lián)網(wǎng)、邊云協(xié)同,發(fā)布了兩代云廬數(shù)字孿生平臺“云奚”,并在交通基礎(chǔ)設(shè)施建造與運(yùn)維、城市安全與應(yīng)急、數(shù)字政府建設(shè)、環(huán)境治理等領(lǐng)域打造了多個(gè)標(biāo)桿案例;2021年9月,云廬科技在中國國際服務(wù)貿(mào)易交易會上正式發(fā)布自主研發(fā)的非線性多物理場耦合仿真云平臺——云朏。

2022年,將推出低代碼系統(tǒng)級仿真平臺--云摶。這也標(biāo)志著云廬科技CAE系列產(chǎn)品的成熟度又提升到了一個(gè)新的水平。

尋找行業(yè)場景中的“長坡厚雪”

在綜合產(chǎn)品力之上,對行業(yè)場景的選擇是一個(gè)更能體現(xiàn)商業(yè)智慧的地方。

簡單來說,CAE應(yīng)用方式因行業(yè)領(lǐng)域和具體場景的不同而具備很大的差異。

從行業(yè)來說,不同領(lǐng)域?qū)?CAE軟件需求有較大差異。一方面,不同行業(yè)有自身的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),對產(chǎn)品的測試流程不一、維度不同,制造現(xiàn)場涉及大量的工藝過程需要行業(yè) know-how作為支持。另一方面,下游用戶的使用習(xí)慣和綁定程度也決定了 CAE軟件在工程學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用形式。

從場景來說,CAE仿真用于模擬零件、部件、裝置(整機(jī))乃至生產(chǎn)線、工廠和各種市政基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)動和運(yùn)行狀態(tài)。其間,涉及從概念規(guī)劃到生產(chǎn)落地的各個(gè)工程階段,包括:規(guī)劃階段、概念開發(fā)、系統(tǒng)級設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、測試與提煉、生產(chǎn)啟動、日常運(yùn)維等等,CAE可以在不同階段提供不同能力的支持。

從全球來看,美國市場上涉及建模仿真的主流行業(yè)領(lǐng)域包括:資產(chǎn)效率分析、制造質(zhì)量管理、工況分析、未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等。歐盟涉及建模仿真領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目則主要有雙胞胎控制、數(shù)字動態(tài)城市、車輛安全模型等14個(gè)領(lǐng)域。

以汽車領(lǐng)域?yàn)槔?Ansys的 Fluent、達(dá)索系統(tǒng)的 SimPACK分別在流體分析、多體動力學(xué)分析領(lǐng)域具有領(lǐng)先優(yōu)勢,以成熟而穩(wěn)定的行業(yè)應(yīng)用和功能特性為通用、福特、本田、日產(chǎn)等大型汽車企業(yè)提供服務(wù)。

在中國市場,有觀點(diǎn)認(rèn)為,中國涉及建模仿真十大領(lǐng)域包含有信息通信技術(shù)驗(yàn)證、機(jī)器人設(shè)計(jì)分析、航空航天裝備設(shè)計(jì)分析、船舶設(shè)計(jì)分析、軌道交通裝備設(shè)計(jì)分析、新能源汽車設(shè)計(jì)分析、電力裝備運(yùn)行分析、新材料性能驗(yàn)證、生物醫(yī)療器械設(shè)計(jì)分析、農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計(jì)分析等領(lǐng)域。

以應(yīng)用成熟度而言,CAE在中國航天、汽車、航空領(lǐng)域中的應(yīng)用處于主導(dǎo)地位;從市場份額占比分析,CAE在汽車、高鐵軌道交通、電子裝備制造領(lǐng)域中的應(yīng)用處于主導(dǎo)地位。

從供應(yīng)商的主打領(lǐng)域看,像安世亞太、中望等本土企業(yè)在通用機(jī)械、航天航空、船舶汽車、石油化工、電子電器和高校工程等方面有所建樹;英特仿真也是用于航空、航天、汽車、機(jī)械重工等高端裝備制造行業(yè)。

從頭部大廠最近幾年的實(shí)踐看,CAE廠商對行業(yè)的覆蓋和物理場的覆蓋一樣,都是以“多”為美,越全越好。

以Ansys公司為例,綜合該公司最近幾年財(cái)報(bào)可知:從行業(yè)角度來看,高科技和半導(dǎo)體、航空航天和國防、汽車和地面運(yùn)輸被認(rèn)為是該公司的“頂級垂直行業(yè)”。

對于眼下正處于成長期的國產(chǎn)CAE廠商來說,對于行業(yè)的選擇尤其值得注意。他們一方面要在核心產(chǎn)品力上進(jìn)行正面強(qiáng)攻,但另一方面,在行業(yè)、場景和商業(yè)模式上則可以有相對靈活的選擇,關(guān)鍵是要找到真正的“長坡厚雪”,找到那片最合適自己的土壤,快快長大!

比如制造業(yè),作為CAE應(yīng)用的重點(diǎn)行業(yè),最近幾年因?yàn)椤爸悄苤圃臁睅又圃鞓I(yè)轉(zhuǎn)型升級,下游行業(yè)用戶對CAE認(rèn)知度和重視度持續(xù)提升,CAE輔助產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的重要性日益凸顯;但在另一方面也要看到,制造領(lǐng)域長期來形成的市場格局和用戶習(xí)慣,短期之內(nèi)完成正面替代并不容易。

再比如基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域,這個(gè)市場的特點(diǎn)是存量巨大(尤其在中國),最近幾年智慧城市、智慧交通、智能建筑等新理念也給CAE的采用帶來新的驅(qū)動力。

無論是智慧城市還是智慧交通,都離不開工程安全的保障,而工程事故有可能是發(fā)生在運(yùn)維的階段,也有可能是發(fā)生在施工期。目前,世界上很多國家都已經(jīng)把基礎(chǔ)設(shè)施的災(zāi)變機(jī)理、預(yù)測方法等,納入到未來的重要規(guī)劃中。同時(shí),基礎(chǔ)設(shè)施災(zāi)害的發(fā)生,往往既有自然因素的影響,也有人為因素的影響。天災(zāi)可以通過對環(huán)境的預(yù)測,如氣象、水文、地質(zhì)災(zāi)害來預(yù)報(bào),人禍可以通過法規(guī)、設(shè)計(jì)和在線監(jiān)測系統(tǒng)來避免。

以云廬科技為例,他們基于其“云朏”、“云奚”、“云摶”等多款產(chǎn)品,決定首先布局交通、市政、智慧樓宇、能源等行業(yè)的垂直領(lǐng)域。云廬科技認(rèn)為,基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的數(shù)字孿生雖然已經(jīng)發(fā)展了20多年,但目前大部分應(yīng)用還處于利用傳統(tǒng)的傳感器,收集、采集數(shù)據(jù)的水平,無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行正確有效的分析。

在他們看來,基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字孿生是一個(gè)跨學(xué)科、多領(lǐng)域融合的行業(yè)。首先,需要有傳感器、網(wǎng)絡(luò)、云平臺以及系統(tǒng)集成等技術(shù)支持,也需要計(jì)算力學(xué),以及建筑、橋梁、水利等專業(yè)技術(shù)的支撐配合。另外,我們還需要對數(shù)據(jù)建模,進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,以及基于人工智能的數(shù)據(jù)挖掘。

從全球范圍來看,“數(shù)字孿生城市”目前已經(jīng)成為廣受關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域。CAE軟件與BIM、3DGIS之間的結(jié)合也越來越密切,在一定程度上提供了一種解決城市大規(guī)模工程協(xié)同分析的方法。這種方法對于城市規(guī)劃、災(zāi)害分析等方面有著很大的幫助。后續(xù),隨著仿真技術(shù)不斷的進(jìn)步,領(lǐng)域間的結(jié)合也將會更加深入,數(shù)字孿生城市的進(jìn)程也會相應(yīng)加快。

與行業(yè)類似,CAE廠商對具體場景環(huán)節(jié)的覆蓋,也要兼顧理想和現(xiàn)實(shí)。

理想的狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)對行業(yè)內(nèi)的全生命周期覆蓋,實(shí)現(xiàn)全棧仿真。比如達(dá)索的3DE平臺,Bentely分別對應(yīng)項(xiàng)目管理和資產(chǎn)管理兩個(gè)階段的產(chǎn)品,都是實(shí)現(xiàn)了對行業(yè)產(chǎn)品的全生命周期覆蓋。

這種全棧仿真對廠商和用戶都有很大好處。

對用戶來說,全棧仿真、效率更高。如Ansys總裁兼首席執(zhí)行官Ajei S. Gopal所說,他們的產(chǎn)品組合可以使客戶能從芯片級開始仿真,增加了產(chǎn)品成功的可能性,也為客戶節(jié)省了時(shí)間、金錢和其他關(guān)鍵資源。

而對廠商來說,能夠同用戶那里擴(kuò)展業(yè)務(wù),是一種的典型的“l(fā)and and expand”打法,自然可以挖掘出更高的營收、利潤,客戶粘性也更強(qiáng)。

與頭部CAE廠商對場景環(huán)節(jié)的全棧仿真不同,對于成長期的中國CAE廠商來說,現(xiàn)階段更現(xiàn)實(shí)的情況率先完成對某些場景環(huán)節(jié)的覆蓋,或者設(shè)計(jì)、或者運(yùn)維,不一而足。

這種覆蓋考驗(yàn)的不僅僅是產(chǎn)品技術(shù)的先進(jìn)性和可用性,還有行業(yè)用戶本身的技術(shù)滲透率。如果是新能源、5G等前沿新興行業(yè),更容易切入的場景可能是研發(fā)環(huán)節(jié);但如果是基建、市政、交通等其他行業(yè),更容易起量的場景可能就是日常運(yùn)維、檢測等環(huán)節(jié)。

CAE廠商對于場景環(huán)節(jié)的選擇很大程度上會直接決定他們的商業(yè)模式。

比如有的廠商甚至?xí)x擇在CAE產(chǎn)品業(yè)務(wù)(授權(quán)費(fèi) 咨詢服務(wù))的基礎(chǔ)上,直接介入到終端設(shè)備和產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié),跨度的確很大。

也有像云廬科技這類公司,專注在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域,不斷通過場景驗(yàn)證豐富自己的產(chǎn)品平臺,認(rèn)認(rèn)真真的打磨商業(yè)模式。在供熱管網(wǎng)領(lǐng)域,云廬科技幫助客戶定位漏損位置,精度可以達(dá)到十米;在智慧城市的內(nèi)澇預(yù)演中,云廬科技的計(jì)算速度可以以分鐘計(jì)算,已經(jīng)做到國內(nèi)最強(qiáng)。

跑步迎接行業(yè)整合期

CAE軟件等研發(fā)設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件,有一個(gè)特點(diǎn):全球市場規(guī)?？瓷先タ赡懿⒉皇呛艽?但因?yàn)樘幵诋a(chǎn)業(yè)鏈的上游,對很多行業(yè)的產(chǎn)業(yè)撬動能力非常巨大。

如果只看純CAE產(chǎn)品市場的話,根據(jù)Credence Research數(shù)據(jù),2020年預(yù)計(jì)全球CAE市場規(guī)模達(dá)到81億美元,預(yù)計(jì)2025年達(dá)到 128億美元,年均復(fù)合增速9.6%。

根據(jù)賽迪顧問2016-2021年中國工業(yè)軟件市場規(guī)模數(shù)據(jù),2020年中國CAE市場規(guī)模達(dá)到18億元,預(yù)計(jì) 2021年達(dá)到21億元,年均復(fù)合增速為 16.2%,明顯高于全球增速水平。

如果我們結(jié)合CAE在具體行業(yè)場景中的應(yīng)用,則會發(fā)現(xiàn)市場規(guī)模更為可觀。

以上文提到的基礎(chǔ)設(shè)施為例,無論對基于目前存量還是未來增量,相關(guān)數(shù)字化工具在未來20年中都將迎來巨大的經(jīng)濟(jì)機(jī)遇。

根據(jù)牛津經(jīng)濟(jì)研究院發(fā)布的《 2017年全球基礎(chǔ)設(shè)施展望》(“《牛津經(jīng)濟(jì)展望》”),在2015年,全球涉及公路、電力、鐵路、電信、水、機(jī)場和港口的支出為2.3萬億美元; 2016年至2040年期間,這一支出將平均每年增加3.2萬億美元。

對基礎(chǔ)設(shè)施的需求增加歸因于各種因素,包括城市化以及對人口和氣候變化的適應(yīng)。根據(jù)《牛津經(jīng)濟(jì)展望》,到2040年,世界人口的10%和亞洲人口的15%將遷入城市或發(fā)現(xiàn)其周圍地區(qū)已成為城市,而在全球基礎(chǔ)設(shè)施支出的預(yù)期中,僅中國就占去30%。

與基建投資同步,數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施工程的需求也會不斷加強(qiáng)。CAE產(chǎn)品和數(shù)字孿生可以滿足各類基礎(chǔ)設(shè)施投資者對跨項(xiàng)目和資產(chǎn)生命周期的數(shù)字工作流程的改進(jìn)期望。

智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國建筑工程行業(yè)市場調(diào)研及投資方向研究報(bào)告》表示,2019年,相比于發(fā)達(dá)國家,中國的建筑信息化水平還十分落后。我國建筑施工企業(yè)信息化投入占總產(chǎn)值的比例約為 0.08%,而發(fā)達(dá)國家則為1%,中國僅約為發(fā)達(dá)國家的 1/10,仍有較大提升空間。

眼下,各國基礎(chǔ)設(shè)施的投資者和建設(shè)者們對本行業(yè)低下的生產(chǎn)率和成本超支越來越不滿意(尤其與已經(jīng)嘗到數(shù)字技術(shù)甜頭的制造業(yè)相比時(shí)),他們已經(jīng)越來越認(rèn)識到通過數(shù)字化解決這些低效率問題的必要性。

換句話說,基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的“工業(yè)化”可能是未來十年里最引人注目的話題之一,他帶來的行業(yè)利好不亞于“智能制造”,也必將成為CAE等工業(yè)設(shè)計(jì)軟件最為肥美的目標(biāo)市場之一。

根據(jù)美股上市公司Bentley在上市招股書中援引的研究機(jī)構(gòu)Cambashi的數(shù)據(jù)顯示,如果全球基礎(chǔ)設(shè)施工程軟件支出的強(qiáng)度與制造業(yè)產(chǎn)品工程軟件支出的強(qiáng)度相等,那么全球基礎(chǔ)設(shè)施工程軟件支出將為292億美元。在這個(gè)數(shù)百億的市場中,基于CAE、BIM、GIS等技術(shù)形成的數(shù)字孿生解決方案將占有相當(dāng)大的比例。

此外,對于這一行業(yè),除了上文中提到了產(chǎn)品力和行業(yè)場景覆蓋之外,還有一些問題值得進(jìn)一步探討。

一是云化CAE的價(jià)值。

軟件云化在全球來看幾乎都是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。國外領(lǐng)先CAE廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)上云,國內(nèi)廠商仍處于完善軟件的階段,但有觀點(diǎn)認(rèn)為,上云技術(shù)壁壘較低,國內(nèi)廠商有望實(shí)現(xiàn)短時(shí)快速趕超。

從應(yīng)用上看,的確能看到明顯的增長。

Ansys公司總裁兼首席執(zhí)行官Ajei戈帕爾在2020年第四季度收益會議上說,對 Ansys Cloud的需求持續(xù)增加,其使用量在 2019年到 2020年之間增加了 100%。從云化的速度看,廠商的確在加速。比如Ansys Cloud已經(jīng)在機(jī)械流體、電磁學(xué)、光學(xué)等方面提供了大部分旗艦產(chǎn)品。

但他也提醒說:“今天我們的大多數(shù)客戶依然選擇都在自己的數(shù)據(jù)中心或自己的私有云中使用 Ansys產(chǎn)品。Ansys Cloud顯然正在快速增長,但在今天和可預(yù)見的未來,它仍然是我們業(yè)務(wù)的一小部分?！?/p>

同樣,對于國產(chǎn)CAE軟件廠商來說,云化CAE看上去需要成為標(biāo)配,但具體在營收上能不能打,這個(gè)可能還是需要有一個(gè)客觀的判斷。

二是CAD/CAE / CAM等研發(fā)設(shè)計(jì)軟件的一體化發(fā)展。

眼下,的確出現(xiàn)了工業(yè)軟件產(chǎn)品一體化發(fā)展的趨勢。這一點(diǎn)其實(shí)與CAE軟件實(shí)現(xiàn)全棧仿真這一趨勢是一脈相承的。工業(yè)軟件從單項(xiàng)應(yīng)用到實(shí)現(xiàn)對企業(yè)客戶研發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營、物流等各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的全覆蓋和深度滲透后,逐步朝綜合集成的方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程和生產(chǎn)經(jīng)營模式變革。

所以,我們看到越來越多的廠商(尤其西門子、達(dá)索、Ansys等頭部大廠)都在不斷整合CAD/CAE / CAM等產(chǎn)品,不斷通過兼并收購搶占市場。

在國內(nèi),像中望軟件在過去20年也經(jīng)歷了兩次轉(zhuǎn)型。

先是2002年,向CAD軟件提供商轉(zhuǎn)型,推出自主研發(fā)的 CAD平臺軟件中望CAD;然后2018年成立CAE研究中心,并在2019年推出首款全波三維電磁仿真軟件 ZWSim-EM,進(jìn)軍CAE領(lǐng)域;2020年,中望又發(fā)布All- in-One CAx發(fā)展戰(zhàn)略,正式開啟一體化之路。

坦率來說,CAD/CAE / CAM等研發(fā)設(shè)計(jì)軟件的一體化發(fā)展必然會加劇產(chǎn)業(yè)的內(nèi)卷,相關(guān)廠商的確需要加強(qiáng)對產(chǎn)業(yè)時(shí)間窗口的把握。

綜上所述,從全球來看,國產(chǎn)CAE落后國外CAE至少一個(gè)發(fā)展階段;當(dāng)國外CAE基于水平分工編織起了強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)平臺和生態(tài)時(shí),國產(chǎn)CAE可能還需要在核心技術(shù)組件、行業(yè)場景、解決方案和服務(wù)交付等各方面獨(dú)立完成垂直整合的工作。

當(dāng)然,從另一方面看,國產(chǎn)CAE的客戶需求和政策紅利也都非常確定。

盡管國外 CAE軟件廠商在眼下的市場中依然具有較強(qiáng)的領(lǐng)先優(yōu)勢,但并不能完全滿足中國制造業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域內(nèi)研發(fā)、生產(chǎn)、建設(shè)、運(yùn)維等環(huán)節(jié)中的仿真設(shè)計(jì)需求,市場中存在很多圍繞特定行業(yè)、特定場景的 CAE解決方案需求。

在我們看來,未來5年肯定是國產(chǎn)CAE廠商大發(fā)展的黃金時(shí)期,但不同廠商可能會選擇了不同的發(fā)展路線,此刻看來或許沒有對錯(cuò)之分,主要看誰跑得快。誰能盡快做到龍頭(可以是CAE行業(yè)維度,也可以是細(xì)分行業(yè)、細(xì)分場景維度),誰就能以最佳的姿態(tài)迎接行業(yè)整合期的到來。（周萌）

參考文獻(xiàn):

《CAX工業(yè)軟件,打破歐美數(shù)十年技術(shù)壟斷》(華西證券,2021.5)

《工業(yè)軟件底層技術(shù)剖析》(天風(fēng)證券,2021.11)

《國內(nèi)CAE廠商或?qū)⒓铀侔l(fā)展》(華泰證券,2021.9)

《工業(yè)軟件的思維“CAE”:從虛擬走到現(xiàn)實(shí)》(天風(fēng)證券,2021.2)

來源： 中國網(wǎng)