工業(yè)軟件中幾乎最難啃的三座大山韵丑，就是CAD僻孝、CAE和EDA导帝，大山中間還穿插了許多小的丘陵，如CAM、拓?fù)鋬?yōu)化您单、工程數(shù)據(jù)庫等斋荞。工業(yè)軟件這三座大山，是人類基礎(chǔ)學(xué)科和工程知識的集大成者虐秦。

盡管它支撐了整個工業(yè)的體系平酿，但它的市場份額卻小的可憐，不拿顯微鏡悦陋，是找不到它的存在蜈彼。然而它自身的構(gòu)成，分別是令人望而生畏的數(shù)學(xué)俺驶、物理究油、計算機(jī)和工程經(jīng)驗。沒有一種產(chǎn)值如此微不足道的工業(yè)產(chǎn)品协黑，卻需要有如此漫長的生命軌跡迹匈。從大學(xué)的數(shù)學(xué)方程式開始出發(fā)，經(jīng)過漫長的物理機(jī)理的冶煉脏拦、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的萃取帚孔，最后還必須經(jīng)過工程知識的淬火，才能成為一個成熟可用的工業(yè)軟件產(chǎn)品摇昌。

圖1：工業(yè)軟件的技術(shù)圖譜

四大技術(shù)圖譜就像四座護(hù)法金剛泉档，形成了深不可測的技術(shù)鴻溝。這對于任何一個工業(yè)軟件企業(yè)净耍，十年發(fā)展的沉淀健需，那還只是開始。這條路把赢，太漫長了勤适。

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)需要扎實

工業(yè)軟件首先要有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。計算機(jī)輔助設(shè)計軟件CAD這個學(xué)科的淵起和發(fā)展钝尸，主要是數(shù)學(xué)的一個分支微分幾何突破之后括享，進(jìn)化出了一個新學(xué)科——計算幾何，孔斯珍促、弗格森铃辖、貝塞爾等為CAD，CAE猪叙，EDA等軟件所依賴的3D幾何造型提供了強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)娇斩，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的NURBS相關(guān)曲線曲面理論和算法是目前大部分商用軟件所使用幾何引擎的關(guān)鍵技術(shù)。

而仿真分析軟件CAE無論對于數(shù)據(jù)的前處理和后處理穴翩，還是各種求解器犬第，對數(shù)學(xué)也有很高的要求。

前處理不僅僅是數(shù)據(jù)導(dǎo)入、模型修復(fù)和顯示歉嗓，很大一塊是網(wǎng)格剖分的能力丰介，這部分的技術(shù)門檻不低。算是CAE領(lǐng)域后起之秀Altair作為有幾十產(chǎn)品的上市公司鉴分，至今前處理軟件HyperMesh還是最重要的旗艦產(chǎn)品哮幢，貢獻(xiàn)了公司最多的收入，也是在CAE領(lǐng)域站穩(wěn)腳的基石欣慰。后處理在大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理和直觀市黔、動態(tài)、炫酷可視化展示方面也有很多需要研發(fā)的內(nèi)容氮栏，尤其是在B/S架構(gòu)下插棱，如何通過Web頁面快速高質(zhì)量加載巨大的CAE計算結(jié)果，會是一個巨大的挑戰(zhàn)济季。

工業(yè)強(qiáng)度的網(wǎng)格生成算法不僅有很深的理論問題淌窄，也有很大的程序開發(fā)工作量础呈。德國的斯杭博士在德國開發(fā)Tetgen韭购，從2000年左右開始一直只做這樣的一件事情，堅持了20年矛枚，才有了和商業(yè)四面體引擎ghs3d競爭的能力膜狈。同樣法國Distene公司開發(fā)的MeshGems系列網(wǎng)格剖分系統(tǒng)被廣泛用于商業(yè)CAE軟件，最早來源于INRIA（法國國家信息與自動化研究所）阴默，十幾個研發(fā)人員也專注開發(fā)了近20年缺沿。

工業(yè)軟件這條路上，盡是寂寞的黑夜中的探索稚补。

在NASA公布的CFD VISION2030戰(zhàn)略咨詢報告中童叠，網(wǎng)格生成是單列的五項關(guān)鍵領(lǐng)域之一，并被認(rèn)為是達(dá)成2030愿景的主要瓶頸课幕。就在這樣一個高難度的領(lǐng)域厦坛，國內(nèi)很多軟件都是裸奔，依靠Gmsh之類開源算法無法滿足客戶定制改進(jìn)的要求乍惊，很難做到工業(yè)應(yīng)用主流中去杜秸。

優(yōu)化也是普遍性的數(shù)值方法，包括優(yōu)化理論润绎、代理模型等撬碟，是求解復(fù)雜工程問題的基礎(chǔ)，更不用說對各種路徑規(guī)劃所涉及的矩陣?yán)碚摾蚱病⒎汉治瞿馗颉討B(tài)規(guī)劃、圖論等等，無不是多約束條件下的多目標(biāo)自動解空間尋優(yōu)其障，背后都是數(shù)學(xué)王國建構(gòu)的基礎(chǔ)之基达罗。

各種CAE、EDA軟件中需要多種計算數(shù)學(xué)理論和算法陋沫，包括線性方程組放干、非線性方程組求解、偏微分方程求解岁之、特征值特征向量求解闹彩、大規(guī)模稀疏矩陣求解等都需要非常深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。如果不能熟練運(yùn)用各種數(shù)學(xué)工具估宏，對物理場的建模也就無從談起投充。

物理場面臨著多種挑戰(zhàn)

頭疼的數(shù)學(xué)之后，接著是頭疼的物理芙卸。這是仿真軟件敷液、EDA軟件需要突破的地方。工業(yè)技術(shù)的源頭后摧，是對材料及其物理特性的開發(fā)與利用粱祟。因此，對多物理場及相互耦合的描述與建模是各種仿真分析軟件的核心咙驾。

而工業(yè)軟件由于要解決的是真實的大千世界持偏，所有看得見、看不見的物理場氨肌，都在按照各自的機(jī)理自由游蕩鸿秆。工業(yè)軟件必須要跨越十分寬廣的學(xué)科光譜，跨越了錢學(xué)森科學(xué)技術(shù)體系的基礎(chǔ)科學(xué)怎囚、技術(shù)科學(xué)卿叽、工程科學(xué)、工程技術(shù)恳守，而且也會包含大量的經(jīng)驗考婴、訣竅等“前科學(xué)”知識。具體而言井誉，任何CAE軟件在市場上存身的根本都是其解決結(jié)構(gòu)蕉扮、流體、熱颗圣、電&磁喳钟、光、聲在岂、材料奔则、分子動力學(xué)等物理場問題的能力阵膛，每種物理場都包含豐富的分支學(xué)科。

仿真分析軟件CAE的求解器由物理算法組成汹囱，每個專業(yè)領(lǐng)域都有一堆問題求解算法哩晕，不同領(lǐng)域如電磁、結(jié)構(gòu)陡料、流體的求解器處理機(jī)制冯爷，完全不同，基本沒法通用陪罕；另外一方面昆畜，跟FEA有限元方法有關(guān)，采用的單元類型不同将借，問題求解算法也不同向瓶。因此，雖然也有第三方的求解器讽椿，但無法像三維CAD軟件領(lǐng)域那樣形成通過出售幾何建模引擎和幾何約束求解引擎獲利的商業(yè)模式脱每。

以結(jié)構(gòu)為例，為解決結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題朗涩，有可能會涉及到理論力學(xué)忽孽，分析力學(xué)，材料力學(xué)馋缅，結(jié)構(gòu)力學(xué)扒腕，彈性力學(xué)绢淀，塑性力學(xué)萤悴，振動力學(xué)，疲勞力學(xué)皆的，斷裂力學(xué)等一系列學(xué)科覆履。在這個基礎(chǔ)上，主流的CAE軟件都支持結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能费薄。相對于傳統(tǒng)的CAE的僅限于評估設(shè)計是否滿足要求硝全，結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件在創(chuàng)成式設(shè)計等先進(jìn)技術(shù)支持下可自動生成更好的結(jié)構(gòu)輕，性能優(yōu)楞抡、裝配件少的更優(yōu)設(shè)計伟众。

圖2：物理場之上的工業(yè)模型

（來源DARPA）

由于現(xiàn)實世界的發(fā)展要求，產(chǎn)品的智能化提高導(dǎo)致的復(fù)雜度提高召廷，往往產(chǎn)品本身涉及多場多域問題凳厢。物理場有太多的組合，相互之間又干擾不清二焰。這些復(fù)雜的問題纹站，既要深刻理解學(xué)科自身的物理特性澈越，并對這些學(xué)科物理特性所沉淀的學(xué)科方程，如電磁的麥克斯韋方程泌位、流體力學(xué)的伯努利方程晨瀑、納維-斯托克斯方程等等，深刻理解之外酒妄，還要對實際工程應(yīng)用領(lǐng)域的多物理場交織耦合環(huán)境能夠快速解耦拉冯，讓不同學(xué)科不同特質(zhì)的特征參數(shù)迭代過程中能夠互為方程組求解的輸入輸出，以便對多場多域的工程問題進(jìn)行優(yōu)化蜜硫。

隨著現(xiàn)在需要處理的模型規(guī)模越來越大恨摩，模型本身也越來越復(fù)雜，現(xiàn)有國際上大型商業(yè)CAD德检、CAE屋嘉、EDA中使用的幾何建模引擎和幾何約束求解商業(yè)化組件產(chǎn)品（包括InterOp、CGM澎灸、ACIS院塞、CDS、Parasolid性昭、D-Cubed等）廠商達(dá)索系統(tǒng)拦止、西門子等也在不斷跟進(jìn)最新的計算機(jī)技術(shù)。比如最近也在采用多線程技術(shù)不斷改進(jìn)之前的算法糜颠，用于大幅提升模型導(dǎo)入汹族、模型修復(fù)、縫合其兴、實體建模顶瞒、布爾運(yùn)算、面片化以及約束求解的效率元旬。

輪到了計算機(jī)科學(xué)

正如當(dāng)年圍繞機(jī)床的“數(shù)控技術(shù)”榴徐，很快就演變?yōu)椤坝嬎銠C(jī)數(shù)控技術(shù)”和“計算機(jī)輔助設(shè)計”一樣，工業(yè)軟件的誕生和早期發(fā)展受到計算機(jī)與多媒體硬件進(jìn)步的推動匀归，之后又隨軟件技術(shù)坑资、互聯(lián)網(wǎng)、計算模式的浪潮起伏毯舞。工業(yè)軟件是軟件爹故，但它是硬件設(shè)備高度融合。二者無法分類沥院，也不能相互修飾妹茬，就像兩口子的結(jié)婚照，少了任何一張面孔都是不可想象的炊办。工業(yè)軟件斧枚，不可能忽視計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的問題榆模。

這其中涉及到計算機(jī)硬件技術(shù)自身的迭代進(jìn)步，從大型主機(jī)（Mainframe）稽舱，到工程工作站积辞，再到PC，最后來到云計算趋大，甚至到未來的量子計算與普適計算菠卖，每當(dāng)先進(jìn)的計算技術(shù)出現(xiàn)，與之相匹配的工業(yè)軟件袭靶，就會以鮮明的時代特征相种，出現(xiàn)在工業(yè)界的面前。

軟件工程品姓，是為了應(yīng)對大型軟件編碼可靠性和質(zhì)量管理問題的一門學(xué)科寝并，而應(yīng)時而生。它是支持協(xié)同開發(fā)腹备、保障軟件生命力的重要因素衬潦。軟件工程是驅(qū)動軟件全生命周期工程活動的基礎(chǔ)學(xué)科。軟件工程重點是算法分析植酥、計算機(jī)安全镀岛、軟件質(zhì)量控制、軟件測試與維護(hù)友驮。這其中也涉及到系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計漂羊、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、數(shù)據(jù)庫卸留，計算機(jī)圖形學(xué)與可視化走越、操作系統(tǒng)、編譯原理艾猜、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)买喧、HPC/GPU 并行計算等各種學(xué)科。

除了用戶打交道最多的軟件界面之外首冒，工業(yè)軟件需要涉及一個良好的軟件架構(gòu)和過程管理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)斑宴、接口標(biāo)準(zhǔn)烙损、方便幾何建模引擎、約束求解器窒埃、前后處理诺订、CAE求解器等優(yōu)勢資源集成。加速軟件更新迭代宽考，軟件自動化驗證马榆，工程經(jīng)驗的積累畴瓜，軟件跨平臺(集群,超算)部署，多種服務(wù)模式支持庞吆，二次開發(fā)腳本支持等轨充，以至于后續(xù)大規(guī)模仿真數(shù)據(jù)的挖掘、分析等弄察。

工業(yè)軟件模型之間的兼容性問題蜂筹，目前主要是通過遵循STEP標(biāo)準(zhǔn)解決的。在美國和歐洲芦倒，都有推動STEP標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)及應(yīng)用的非盈利組織艺挪，特別是近期包括波音、空客兵扬、GE麻裳、洛克希德-馬丁等航空巨頭推進(jìn)的LOTAR（長期歸檔和檢索）項目也是以STEP作為基礎(chǔ)。各種CAD器钟、CAE掂器、EDA格式之間相互轉(zhuǎn)換造成的信息丟失和精度丟失每年都會造成高達(dá)數(shù)十億美元的損失，而如何有效復(fù)用這些模型數(shù)據(jù)也長期困擾著各個行業(yè)俱箱，特別是不少國內(nèi)廠商在設(shè)計模型過程中沒有遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)国瓮，“制造”了不少問題數(shù)據(jù)，這些模型數(shù)據(jù)傳遞到下游行業(yè)也造成了很多問題狞谱，有些模型甚至基本不可復(fù)用乃摹。

工程知識是最后的淬火

如何將工業(yè)技術(shù)與知識寫進(jìn)軟件，是業(yè)界最關(guān)注的議題跟衅。

麥克斯韋Maxwell能解決電和光的物理方程描述踪觉，但卻解決不了一家電氣制造商的設(shè)計制造問題≡啬兀基礎(chǔ)技術(shù)很重要撕第，但不能解決工程問題。工業(yè)軟件經(jīng)過工程知識的淬火取蓝，才能與工業(yè)應(yīng)用場景結(jié)合抓深。

工業(yè)軟件可以分為“基-通-專”的層次芥斋。第一層是類似CATIA斟记、UG這樣的基礎(chǔ)通用平臺∏鞑祝基礎(chǔ)通用平臺是最難的盈械，它裹挾了多年的知識沉淀和用戶使用習(xí)慣，因此門檻很高妻诚。在此之上案贩，第二層是行業(yè)相對通用的知識揣褂，包括行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、試驗測試數(shù)據(jù)攒庵、人機(jī)工程學(xué)等嘴纺；而再上面一層是針對特定產(chǎn)品的專用知識，由于面非常窄叙甸，個性化非常明顯颖医，則往往更加小眾，知識密度更大裆蒸。

工程界的建模與分析問題熔萧，混合了很多不同維度的問題，既有基礎(chǔ)學(xué)科的交叉如數(shù)學(xué)僚祷、如物理佛致；又有不同的工程經(jīng)驗的混合。

圖3：建模（鳴謝達(dá)索系統(tǒng)吳敏提供此圖）

因此工業(yè)界辙谜，其實基本不需要聽阿里系俺榆、騰訊系所談到的“建模”装哆。他們會談到建模罐脊，但在那里，那是一種社會科學(xué)昆秩、軟科學(xué)萎雁，事關(guān)消費(fèi)、交易聂帜，是商業(yè)而不是工業(yè)您眉，完全無法解決工廠里的物理世界。他們用了同樣的名詞涡趟，卻在做著不同的事情林皇。

一個簡單的示例可以區(qū)分兩者的核心區(qū)別，互聯(lián)網(wǎng)公司的用戶畫像建模呼泪，它們的這種模型妓付，用大數(shù)據(jù)抽取年齡、收入灌大、地域婴可、階層、職業(yè)死唇、學(xué)歷等等，然后關(guān)聯(lián)到購物交易嗜好行為卿捎。而工業(yè)界一談到用戶畫像建模配紫，其實是完全不同的概念径密。首先它是一個計算機(jī)完全描述的對象模型，其多態(tài)使用場景隨后也精確表征躺孝，而這種用戶畫像模型享扔，如果用在設(shè)計階段，就是人機(jī)工程分析植袍、使用行為分析惧眠；如果用在生產(chǎn)現(xiàn)場，就是一個資源于个，有其資質(zhì)氛魁、勞動能力等級、關(guān)鍵設(shè)備持證厅篓，安全區(qū)域等級等等所描述秀存；如果是一個終端用戶，則不同大陸百分位身高羽氮、駕駛習(xí)慣或链、駕駛舒適感包絡(luò)、地域色澤嗜好等等是這種模型的特質(zhì)舀美，因為這樣的三維模型可以直接載入虛擬產(chǎn)品中進(jìn)行各種場景的模擬優(yōu)化和體驗嚎衡，而與偏向購物交易促銷的互聯(lián)網(wǎng)用戶畫像模型相差十萬八千里。

圖4：模型分析（鳴謝達(dá)索系統(tǒng)吳敏提供此圖）

制造現(xiàn)場涉及大量的工藝過程玉桅，這種Know-how的轉(zhuǎn)移漓荞，是一個非常復(fù)雜的知識擴(kuò)散現(xiàn)象。各種工藝如鑄造非淹、焊接箭基、沖壓、鍛造周讯、切削芭甚、熱處理等，各有各的現(xiàn)場訣竅奔沐。許多暗默知識少煮，只可意會不可言傳，師傅的言傳身授往往是最好的方法碘展。而工業(yè)軟件竿丙，正是向這種知識轉(zhuǎn)化進(jìn)行宣戰(zhàn)。大量的制造經(jīng)驗言秸，要想變成算法软能、編碼，固化到軟件，那都是一個漫長的過程查排。工業(yè)軟件的價值凳枝，因此得以凝聚。

實際上跋核，工程知識的匯聚岖瑰，也會形成用戶的使用習(xí)慣。一旦用戶形成深度依賴砂代，后來者軟件的替代將成為非常艱難的攻城術(shù)蹋订。在芯片領(lǐng)域，電子設(shè)計自動化軟件EDA則深度地嵌入到芯片設(shè)計公司和晶圓代工公司刻伊，三者相互連接在一起露戒，不可分離。很多EDA軟件娃圆，根本得不到代工工廠的工藝數(shù)據(jù)墩倔，而這是EDA發(fā)展歷程中最為重要的養(yǎng)分。沒用了用戶的反饋固脸，軟件因此而 “餓的面黃肌瘦”摇皿。

工業(yè)軟件是人類制造知識的最好結(jié)晶體

工業(yè)軟件是架構(gòu)在數(shù)學(xué)科學(xué)、物理科學(xué)典患、計算機(jī)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)之上的宏大建筑泳嵌，一座復(fù)合型知識的宮殿。

工業(yè)軟件最奇妙的地方猾灰，它一旦集成了前人的技術(shù)膊抄，它就很少會流失。這跟任何一種設(shè)備類的不同萌小，一個老工程師不在了膛逞，現(xiàn)場工藝就可能斷掉。但工業(yè)軟件則是一層一層狱心，既有來自軟件廠商數(shù)學(xué)蟹幔、物理奇才的心血，更有來自數(shù)百萬工業(yè)用戶的使用反饋——這形成了一座堅實的護(hù)城河音诫。唯有如此惨奕，它綜合了如此不同的精華，工業(yè)軟件才成為人類知識的集大成者竭钝。

這是真正的工業(yè)之花梨撞。一花雖小，世界皆在香罐。

（知識自動化）

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