計算機輔助設計與制造是干嘛的(計算機輔助設計與制造專業(yè)怎么樣)

站在今天回顧CAE軟件的發(fā)展歷史,可以看到:從全球來看,CAE在經(jīng)過了上世紀四十年左右的發(fā)展之后,從2000年前后開始進入成熟壯大期。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、拓展應用范圍,當前已進入成熟發(fā)展階段。

雖然早在上個世紀七八十年代,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、工程機械、航空航天等應用領域的市場需求持續(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。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商所主導,分別是西門子、Ansys和達索,市占率共計47%(2020年數(shù)據(jù));在中國市場,主要廠商為達索、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%(天風證券數(shù)據(jù))。可見,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還非常弱小,大量的設計、制造等核心工業(yè)軟件均為國外品牌所占領。數(shù)據(jù)顯示,目前CAE國產(chǎn)化率僅為11%。

當然,另外一個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《軟件和信息技術服務業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,提出要推動計算機輔助設計和輔助制造(CAD/CAM)、計算機輔助工程(CAE)、制造執(zhí)行管理系統(tǒng)(MES)等工業(yè)軟件在航空、航天、機械、汽車、電子等工業(yè)領域的廣泛應用。2015年,國務院提出大力開發(fā)安全領域操作系統(tǒng)等工業(yè)基礎軟件,加快提升智能設計仿真、制造物聯(lián)與服務等高端工業(yè)軟件技術,開發(fā)高端工業(yè)平臺軟件和應用軟件以及推進工業(yè)軟件體系化發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化應用。

政府出臺的行業(yè)支持政策有助于推動 CAE技術發(fā)展、健全行業(yè)標準體系、促進 CAE軟件行業(yè)應用、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。”

在眼下的產(chǎn)業(yè)大環(huán)境中,對于業(yè)界來說,一個更關鍵的微觀命題是——當我們開始討論國產(chǎn)CAE時,最重要的討論點應該在哪里?

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,客戶應用CAE,就是運用仿真模擬取代真實的物理實驗。要實現(xiàn)這種替代,CAE需要整合數(shù)學 物理學(底層)、計算機科學(中層)、工程學(外層)等三個層面的能力。

CAE軟件從底層的物理規(guī)則和數(shù)學公式出發(fā),將現(xiàn)實世界映射到軟件中;然后運用求解器(包含計算機語言編程和算法)進行相應的求解計算,并把結果通過計算機圖形學實現(xiàn)可視化和用戶交互;最后,結合特定領域工程學的工作流程,幫助用戶解決工程中的實際問題。

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

首先,產(chǎn)品覆蓋的是單一物理場、還是多物理場。

CAE的本質是用物理法則對現(xiàn)實世界進行描述。常見的物理場包括傳熱、孔隙水流動、濃度場、壓力應變場、動力學場、化學場、靜電場和靜磁場等。每個專業(yè)領域又會涉及到特定物理規(guī)則,以結構為例,為解決結構設計的問題,有可能會涉及到理論力學、分析力學、材料力學、結構力學、彈性力學、塑性力學、振動力學、疲勞力學、斷裂力學等一系列特定規(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)品的物理力學性能進行模擬仿真,代表軟件企業(yè)主要是Ansys、 MSC、達索等;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、預測以及設計優(yōu)化等功能,代表軟件包括:專注于流體力學領域的Fluent、專注于多體動力學領域的 Adams和專注于注塑成型領域的 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)品力上的領先優(yōu)勢,像達索、Ansys等頭部CAE廠商還在不斷通過收購來實現(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仿真產(chǎn)品,而三年后就已經(jīng)可以在這一領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軟件開發(fā)商Zemax公司。這家公司作為全球首選的成像光學設計平臺,此前已經(jīng)獨立發(fā)展30多年。它依靠高精度光線追跡和可靠的透鏡設計,幾乎涉及光學制造環(huán)節(jié)中的每一個光學元件。

對物理場的覆蓋越來越多,給Ansys帶來多個層面的利好。

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

在國內(nèi),實現(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的少數(shù)廠商之一。

根據(jù)公開信息,核心團隊出自清華大學和中科院。早在2013年,其核心創(chuàng)始團隊為清華大學、麻省理工學院和劍橋大學組成的“三校低碳聯(lián)盟”開發(fā)配套軟件,基于結構、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熱能有限元仿真分析系統(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,實現(xiàn)對交通、水利、新能源、城市生命線等基礎設施全生命周期的管理和維護。

如今,云廬科技可以實現(xiàn)結構、流體、電磁、傳熱等領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”。“云朏”仿真云平臺將其多物理場耦合仿真能力提升到一個新的高度。

據(jù)介紹,“云朏”仿真云平臺系統(tǒng)內(nèi)核的結構力學模塊,包含桁架、索、梁、殼、實體等多種單元類型,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,可實現(xiàn)靜力學、動力學、非線性、模態(tài)、疲勞等多種工況計算;流體力學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、多孔介質滲流等多種模型問題;熱力學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算、人工智能算法的應用。

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

拆解 CAE軟件架構,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、高性能計算(HC)、參數(shù)優(yōu)化設計。計算機科學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算過程,需要計算機提供算力支持、加速計算過程(高性能計算)、優(yōu)化參數(shù)設計等,以加快設計過程。

最近幾年,CAE算力和算法的不斷升級來自供求兩個方面的推拉合力。

在需求端,只有算力進一步提升,多場耦合才能真正實現(xiàn),仿真效果也將進一步優(yōu)化。從上世紀90年代到今天,多物理場耦合逐步從理論走向實踐,但由于計算量較大,當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)學理論、算法、計算機圖形、三維實體造型、數(shù)據(jù)交換、工程數(shù)據(jù)管理等技術的革新已經(jīng)成為推動 CAE軟件水平提升的重要驅動力。

CAE在算法和算力上的提升,有兩大看點。

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算資源,在計算資源運用上具有一定的靈活性,有助于提升計算的速度。

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

人工智能技術可與仿真的多個環(huán)節(jié)相結合,同時,人工智能技術也能夠與 CAE的多個環(huán)節(jié)相結合,提升 CAE的易用性與使用效率。一方面表現(xiàn)為通過 AI技術總結經(jīng)驗的功能,部分替代需要人工參與的環(huán)節(jié)或為人工提供輔助,增強易用性,如 AI提供邊界條件,AI提出修改建議等,另一方面,通過 AI算法訓練代理模型,有助于提升計算速度,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)務拓展,人工智能也在向工業(yè)軟件業(yè)務拓展。比如:達索、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)模計算和人工智能/AI算法等四大核心技術,可以讓行業(yè)用戶更輕松地在強大的云基礎設施上進行仿真模擬,更快更好地完成運維管理、產(chǎn)品開發(fā)等工作。

云廬科技為了綜合利用云計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)建了一個安全的云解決方案。用戶可以直接從桌面上運行的應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、公共建筑和地質災害已經(jīng)打造出了相關的解決方案,相關的應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,使“云朏”仿真云平臺的計算能力得到顯著加強。系統(tǒng)內(nèi)核支持并行計算,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先優(yōu)勢;內(nèi)核的計算精度與國際知名通用CAE軟件相當,線性計算結果相差<1‰,非線性計算結果相差<1%。

在物理場仿真和算法算力的基礎之上,第三個關鍵是平臺和生態(tài)的構建。

國外CAE龍頭公司經(jīng)過幾十年迭代,不僅技術層面非常成熟,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)軟件因為內(nèi)涵極其豐富、因而擁有復雜且相互關聯(lián)的組成單元。這使得產(chǎn)業(yè)鏈中的企業(yè)會主動進行水平分工,聚焦自己的優(yōu)勢領域,公司之間進行通力合作。

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

比如Siemens PLM全球有 150家技術合作伙伴,Solid Edge有 289家第三方合作伙伴, Dassault System全球有 934家技術合作伙伴,這些合作伙伴不僅是模塊的供應商,同時也是其他 CAX軟件的供應商,工業(yè)設計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)的構建。

隨著集成系統(tǒng)和軟件復雜性的不斷增加,許多行業(yè)中的設計、建造、集成、調(diào)試和運營都涉及到了越來越多的利益相關者。因此,國內(nèi)的云廬科技提出,“云朏”仿真云平臺的核心價值在于幫助人們在云中高效地完成仿真計算,合力打造一個數(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)團隊已與北京大學、清華大學、中國科學院等國內(nèi)高校團隊展開合作,開發(fā)集成了一批高校和科研院所自研的先進算法。

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’,云廬科技一方面堅持獨立自主創(chuàng)新,另一方面也會堅持與所有合作伙伴一起‘共研共創(chuàng)’,打造一個更開放、更強壯的數(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)濟形勢下,CAE軟件的國產(chǎn)自主性尤其值得認真探究。

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,是強調(diào)兩個要點。一是產(chǎn)品的確是獨立研發(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立研發(fā)完成的。畢竟“開源的說停就停,體系不夠強大,Bug不好解決?！倍钱a(chǎn)品是可以真正商業(yè)化的產(chǎn)品。此前有些過于學術化的“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”,并在交通基礎設施建造與運維、城市安全與應急、數(shù)字政府建設、環(huán)境治理等領域打造了多個標桿案例;2021年9月,云廬科技在中國國際服務貿(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。這也標志著云廬科技CAE系列產(chǎn)品的成熟度又提升到了一個新的水平。

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)場景的選擇是一個更能體現(xiàn)商業(yè)智慧的地方。

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

從行業(yè)來說,不同領域對 CAE軟件需求有較大差異。一方面,不同行業(yè)有自身的設計規(guī)范和標準,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,下游用戶的使用習慣和綁定程度也決定了 CAE軟件在工程學領域的應用形式。

從場景來說,CAE仿真用于模擬零件、部件、裝置(整機)乃至生產(chǎn)線、工廠和各種市政基礎設施的運動和運行狀態(tài)。其間,涉及從概念規(guī)劃到生產(chǎn)落地的各個工程階段,包括:規(guī)劃階段、概念開發(fā)、系統(tǒng)級設計、詳細設計、測試與提煉、生產(chǎn)啟動、日常運維等等,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)領域包括:資產(chǎn)效率分析、制造質量管理、工況分析、未來工業(yè)網(wǎng)絡等。歐盟涉及建模仿真領域重點項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個領域。

以汽車領域為例,Ansys的 Fluent、達索系統(tǒng)的 SimPACK分別在流體分析、多體動力學分析領域具有領先優(yōu)勢,以成熟而穩(wěn)定的行業(yè)應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。

在中國市場,有觀點認為,中國涉及建模仿真十大領域包含有信息通信技術驗證、機器人設計分析、航空航天裝備設計分析、船舶設計分析、軌道交通裝備設計分析、新能源汽車設計分析、電力裝備運行分析、新材料性能驗證、生物醫(yī)療器械設計分析、農(nóng)機裝備設計分析等領域。

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

從供應商的主打領域看,像安世亞太、中望等本土企業(yè)在通用機械、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、機械重工等高端裝備制造行業(yè)。

從頭部大廠最近幾年的實踐看,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報可知:從行業(yè)角度來看,高科技和半導體、航空航天和國防、汽車和地面運輸被認為是該公司的“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)品力上進行正面強攻,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應用的重點行業(yè),最近幾年因為“智能制造”帶動制造業(yè)轉型升級,下游行業(yè)用戶對CAE認知度和重視度持續(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,制造領域長期來形成的市場格局和用戶習慣,短期之內(nèi)完成正面替代并不容易。

再比如基礎設施領域,這個市場的特點是存量巨大(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)把基礎設施的災變機理、預測方法等,納入到未來的重要規(guī)劃中。同時,基礎設施災害的發(fā)生,往往既有自然因素的影響,也有人為因素的影響。天災可以通過對環(huán)境的預測,如氣象、水文、地質災害來預報,人禍可以通過法規(guī)、設計和在線監(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)的垂直領域。云廬科技認為,基礎設施領域的數(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)進行正確有效的分析。

在他們看來,基礎設施的數(shù)字孿生是一個跨學科、多領域融合的行業(yè)。首先,需要有傳感器、網(wǎng)絡、云平臺以及系統(tǒng)集成等技術支持,也需要計算力學,以及建筑、橋梁、水利等專業(yè)技術的支撐配合。另外,我們還需要對數(shù)據(jù)建模,進行大數(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)成為廣受關注的熱點領域。CAE軟件與BIM、3DGIS之間的結合也越來越密切,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、災害分析等方面有著很大的幫助。后續(xù),隨著仿真技術不斷的進步,領域間的結合也將會更加深入,數(shù)字孿生城市的進程也會相應加快。

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。

理想的狀態(tài)是實現(xiàn)對行業(yè)內(nèi)的全生命周期覆蓋,實現(xiàn)全棧仿真。比如達索的3DE平臺,Bentely分別對應項目管理和資產(chǎn)管理兩個階段的產(chǎn)品,都是實現(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)省了時間、金錢和其他關鍵資源。

而對廠商來說,能夠同用戶那里擴展業(yè)務,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。

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)實的情況率先完成對某些場景環(huán)節(jié)的覆蓋,或者設計、或者運維,不一而足。

這種覆蓋考驗的不僅僅是產(chǎn)品技術的先進性和可用性,還有行業(yè)用戶本身的技術滲透率。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。

比如有的廠商甚至會選擇在CAE產(chǎn)品業(yè)務(授權費 咨詢服務)的基礎上,直接介入到終端設備和產(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,專注在基礎設施領域,不斷通過場景驗證豐富自己的產(chǎn)品平臺,認認真真的打磨商業(yè)模式。在供熱管網(wǎng)領域,云廬科技幫助客戶定位漏損位置,精度可以達到十米;在智慧城市的內(nèi)澇預演中,云廬科技的計算速度可以以分鐘計算,已經(jīng)做到國內(nèi)最強。

跑步迎接行業(yè)整合期

CAE軟件等研發(fā)設計類工業(yè)軟件,有一個特點:全球市場規(guī)模看上去可能并不是很大,但因為處在產(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年預計全球CAE市場規(guī)模達到81億美元,預計2025年達到 128億美元,年均復合增速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)模達到18億元,預計 2021年達到21億元,年均復合增速為 16.2%,明顯高于全球增速水平。

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

以上文提到的基礎設施為例,無論對基于目前存量還是未來增量,相關數(shù)字化工具在未來20年中都將迎來巨大的經(jīng)濟機遇。

根據(jù)牛津經(jīng)濟研究院發(fā)布的《 2017年全球基礎設施展望》(“《牛津經(jīng)濟展望》”),在2015年,全球涉及公路、電力、鐵路、電信、水、機場和港口的支出為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。

對基礎設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。根據(jù)《牛津經(jīng)濟展望》,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,而在全球基礎設施支出的預期中,僅中國就占去30%。

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

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告》表示,2019年,相比于發(fā)達國家,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)達國家則為1%,中國僅約為發(fā)達國家的 1/10,仍有較大提升空間。

眼下,各國基礎設施的投資者和建設者們對本行業(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)字技術甜頭的制造業(yè)相比時),他們已經(jīng)越來越認識到通過數(shù)字化解決這些低效率問題的必要性。

換句話說,基礎設施領域的“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)設計軟件最為肥美的目標市場之一。

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

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一步探討。

一是云化CAE的價值。

軟件云化在全球來看幾乎都是一個不可逆轉的趨勢。國外領先CAE廠商已經(jīng)實現(xiàn)上云,國內(nèi)廠商仍處于完善軟件的階段,但有觀點認為,上云技術壁壘較低,國內(nèi)廠商有望實現(xiàn)短時快速趕超。

從應用上看,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)在機械流體、電磁學、光學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,但在今天和可預見的未來,它仍然是我們業(yè)務的一小部分?！?/p>

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

二是CAD/CAE / CAM等研發(fā)設計軟件的一體化發(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。這一點其實與CAE軟件實現(xiàn)全棧仿真這一趨勢是一脈相承的。工業(yè)軟件從單項應用到實現(xiàn)對企業(yè)客戶研發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營、物流等各業(yè)務環(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,實現(xiàn)業(yè)務流程和生產(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)歷了兩次轉型。

先是2002年,向CAD軟件提供商轉型,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,進軍CAE領域;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)設計軟件的一體化發(fā)展必然會加劇產(chǎn)業(yè)的內(nèi)卷,相關廠商的確需要加強對產(chǎn)業(yè)時間窗口的把握。

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

當然,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的領先優(yōu)勢,但并不能完全滿足中國制造業(yè)、基礎設施等領域內(nèi)研發(fā)、生產(chǎn)、建設、運維等環(huán)節(jié)中的仿真設計需求,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,也可以是細分行業(yè)、細分場景維度),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:

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

《工業(yè)軟件底層技術剖析》(天風證券,2021.11)

《國內(nèi)CAE廠商或將加速發(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》(天風證券,2021.2)

來源： 中國網(wǎng)