本文作者趙翰林、林雪萍，由知識自動化（zhishipai）授權(quán)轉(zhuǎn)載

美國最早發(fā)展CAE是從美國航空航天局NASA開始。在國家資金的支持下，NASA開發(fā)了著名的有限元分析軟件Nastran。1971年MSC公司改良Nastran了這個程序，成為美國仿真軟件的鼻祖。

政府的努力：國家戰(zhàn)略投資計劃

在美國領(lǐng)先世界航空航天和國防科技工業(yè)誕生了CAE產(chǎn)業(yè)的萌芽。美國的科學家們敏銳地識別到計算正在成為與理論和實驗并列的第三種科學研究范式。他們清晰的定義了這種變化，并將之呈報給美國政府。美國政府采納了他們的觀點，并通過各種國家戰(zhàn)略計劃的投資眾多科學計算基礎(chǔ)設(shè)施，實施了大量產(chǎn)業(yè)培育舉措。這是CAE產(chǎn)業(yè)最早在美國得到蓬勃發(fā)展的一個重要因素。

在“再工業(yè)化”浪潮中，美國政府尤其重視建模仿真技術(shù)在制造業(yè)發(fā)展中的作用，再次明確了CAE產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略地位。2009年美國“競爭力委員會”白皮書《美國制造業(yè)——依靠建模和模擬保持全球領(lǐng)導(dǎo)地位》，將建模、模擬和分析的高性能計算，視為維系美國制造業(yè)競爭力戰(zhàn)略的王牌。2010年發(fā)布《高性能計算與美國制造業(yè)圓桌會議報告》白皮書，指出高性能計算建模與模擬能夠顯著縮短設(shè)計周期等，加強競爭力。2011年美國推出高端制造合作伙伴計劃AMP，重構(gòu)先進制造發(fā)展理念，重點發(fā)展三大領(lǐng)域：開發(fā)面向復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計工具、開發(fā)模塊化制造設(shè)備、開放式參與平臺——都圍繞數(shù)值模擬技術(shù)的軟件工具和軟件應(yīng)用平臺。2012年發(fā)布《國家先進制造戰(zhàn)略計劃》再次明確要重點發(fā)展數(shù)值模擬分析技術(shù)。

在國家戰(zhàn)略層面，美國確實是把科學計算和建模仿真作為服務(wù)于國家利益的關(guān)鍵技術(shù)，從未停止吶喊，從未停止投資。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心，是培育多方產(chǎn)業(yè)主體，確定其在價值鏈上的上下之分，促使他們在市場競爭和商業(yè)運作中持續(xù)協(xié)調(diào)和發(fā)展新的關(guān)系，直到價值鏈解體和再造。CAE產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心需求，源于軍方對裝備技術(shù)數(shù)據(jù)（工程內(nèi)容）的數(shù)字化要求和軍工企業(yè)對工程過程和工程環(huán)境的數(shù)字化和智能化需求。軍方和軍工企業(yè)通過各種工程發(fā)展計劃表達和實現(xiàn)相關(guān)的發(fā)展需求，產(chǎn)生了大量的共性技術(shù)成果，經(jīng)過各種技術(shù)轉(zhuǎn)化機制進入產(chǎn)業(yè)界，創(chuàng)造了眾多的創(chuàng)業(yè)機遇，這正是美國CAE產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源頭活水。

表1 美國推動科學計算和建模仿真的戰(zhàn)略舉措

（南山工業(yè)書院研究組整理）

20世紀80年代中期美國國防部提出了CALS計劃，其含義是“計算機輔助后勤保障”，實施的重點是推廣裝備產(chǎn)品的電子技術(shù)手冊。在20世紀90年代中期，美國國防部將CALS的內(nèi)涵發(fā)展為“持續(xù)采辦與全壽命支持”，并明確提出實施CALS的發(fā)展目標是營造“集成數(shù)據(jù)環(huán)境（IDE）”。

30多年以來，美國國防部一直將CALS看作是武器裝備采辦工作從基于紙張的手工工作方式向高度電子化、集成化和自動化過渡的一項戰(zhàn)略措施，在很多武器裝備型號中實施CALS，取得了明顯的效益。美國國防部的經(jīng)驗在國際上產(chǎn)生了很好的影響，被很多國家廣泛采納。進入21世紀以來，CALS有望在前兩個階段的發(fā)展基礎(chǔ)上，進一步成長為武器裝備產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品的“電子商務(wù)”。

在20世紀70-80年代期間，武器裝備的發(fā)展十分迅速，后勤保障需要的技術(shù)資料種類繁多、數(shù)量巨大，培訓(xùn)、維修和保養(yǎng)等工作難度十分大。另一方面，盡管CAD、CAE和CAM技術(shù)已經(jīng)成功運用于軍工領(lǐng)域，但是武器裝備承包商依然在采用手工方式向軍方交付紙介質(zhì)的各種管理文件、技術(shù)文檔和后勤保障技術(shù)手冊。使用手工方式交付紙介質(zhì)技術(shù)手冊的傳統(tǒng)做法，已經(jīng)成為當時美國軍方裝備后勤保障的突出問題。

面對大型復(fù)雜武器裝備研制周期長、可靠性和可維修性差、研制費用和后勤保障費用高等諸多問題，美國國防部研究和推廣并行工程思想和集成后勤保障等工程理論，使得在武器裝備的研制設(shè)計早期階段就充分考慮到生產(chǎn)制造和維修保障等階段的問題，同時提出CALS將計算機技術(shù)應(yīng)用于武器裝備后勤保障工作。美國國防部在1990年9月28日發(fā)布軍用手冊MIL-HDBK-59A《計算機輔助采辦與后勤保障計劃實施指南》，在附錄A中明確指出“實施CALS的近期工作主要是向承包商采購保障維修武器裝備所需要的電子化備件工程圖樣、維修技術(shù)手冊、后勤保障分析記錄等”。因此，在20世紀80年代到90年代初期，實施CALS的重點放在研究和推廣交互式電子化技術(shù)手冊（IETM）方面（參見工業(yè)百條：交互電子技術(shù)手冊IETM）。

在實踐中，美國軍方和美國軍事工業(yè)界逐步認識到，不能把CALS僅看作像CAD或CAM那樣單純的“計算機輔助技術(shù)”，逐步將CALS的內(nèi)涵發(fā)展為“持續(xù)采辦與全壽命支持”，明確提出CALS的發(fā)展目標是“集成數(shù)據(jù)環(huán)境”，為軍方與承包商協(xié)同運作武器裝備采辦及武器裝備研制生產(chǎn)創(chuàng)造條件。早在1996年，美國國防部CALS辦公室發(fā)布《國防部集成數(shù)據(jù)環(huán)境技術(shù)計劃》，再一次把CALS的最終目標定位為實現(xiàn)集成數(shù)據(jù)環(huán)境。在集成數(shù)據(jù)環(huán)境中，把武器裝備等大型復(fù)雜產(chǎn)品各方面的信息數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)和項目管理數(shù)據(jù)有序存儲在大數(shù)據(jù)庫內(nèi)，相關(guān)的工作人員可以隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)提交和獲取需要的工作信息。實施以“持續(xù)采辦與全壽命支持”為內(nèi)涵的CALS，其工作重點是推進系統(tǒng)集成和信息集成，發(fā)展集成數(shù)字化信息環(huán)境。

CALS的另一個發(fā)展方向是向電子商務(wù)方向發(fā)展。2001年1月在日本東京舉辦的CALS暨電子商務(wù)國際研討會上，美國國防信息系統(tǒng)局在會上發(fā)表了《數(shù)據(jù)是關(guān)鍵》的報告，說明在美國實施CALS就意味著在電子商務(wù)環(huán)境中運作武器裝備采辦業(yè)務(wù)。

為了解決建模與仿真的有關(guān)問題，1995年10月，美國國防部制定了一項《國防部建模與仿真主計劃》,并以國防部指令的形式頒布（DoD 5000.59-P,1995~2000）。該計劃提出了六項目標：創(chuàng)建建模和仿真的通用技術(shù)框架；即使提供自然環(huán)境的權(quán)威表示；提供系統(tǒng)的權(quán)威表示；提供人類行為的權(quán)威表示；建立滿足用戶和開發(fā)人員需要的建模仿真基礎(chǔ)設(shè)施；共享建模仿真成果。推行該計劃的總體目的在于建立人、自然環(huán)境、系統(tǒng)等的權(quán)威表達，促進各類模型與仿真應(yīng)用之間，以及各類模型與相關(guān)C4I系統(tǒng)之間的互操作性，促進建模與仿真構(gòu)件的重用，實現(xiàn)建模仿真的靈活性與高性能。使命空間概念模型、高層體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)標準構(gòu)成了建模仿真通用技術(shù)框架的三個組成部分。

美軍建模仿真主計劃的執(zhí)行，為基于仿真的采辦提供了框架和基礎(chǔ)設(shè)施，而基于仿真的設(shè)計以及基于仿真的采辦模式，為CAD和CAE產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了穩(wěn)定的市場需求。

NSF和NASA“先進工程環(huán)境”研究計劃

“先進工程環(huán)境”研究項目，是由美國國家科學院和NASA共同發(fā)起，由美國國家研究委員會工程技術(shù)系統(tǒng)分會航空航天工程專業(yè)組先進工程環(huán)境研究組負責實施，研究組成員來自洛馬、蘭德、波音、福特、維吉尼亞大學、休斯頓大學、喬治亞理工大學、普渡大學、美國海軍研究生院等軍工企業(yè)、咨詢公司和院校，從1998年開始，分兩個階段進行研究。第一階段著眼于未來5年內(nèi)的先進工程環(huán)境（AEE）發(fā)展需求，第二階段著眼于未來5-15年內(nèi)先進工程環(huán)境（AEE）的發(fā)展需求。

AEE研究項目定義了“先進工程環(huán)境”的概念，并識別了發(fā)展先進工程環(huán)境的歷史性機遇，這種機遇是建立在過去15年里CAD\CAE\CAM技術(shù)的成熟應(yīng)用基礎(chǔ)上，計算機能力大幅提升、工程模型日益成熟、仿真技術(shù)飛速進步。先進工程環(huán)境可能產(chǎn)生的影響或可與互聯(lián)網(wǎng)鼻祖ARPANET相提并論，但面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)要遠大于ARPANET，因此需要盡早以政-產(chǎn)-學聯(lián)合的方式推進，開發(fā)開放式集成架構(gòu)和功能配置，引導(dǎo)可用可互操作軟件工具的開發(fā)，實施讓軟件產(chǎn)業(yè)和軍工企業(yè)皆可從中受益的科技成果推廣應(yīng)用方案，集中進行知識管理等。

專用軟件工具應(yīng)留給產(chǎn)業(yè)界研究開發(fā)，而政府部門組織的研究力量不應(yīng)該過于關(guān)注商業(yè)工具能夠解決的問題。相對應(yīng)的，政府組織應(yīng)通過一系列措施，支持共性通用先進工程環(huán)境技術(shù)、系統(tǒng)和實踐的開發(fā)。

在AEE研究過程中，NASA啟動了“智能綜合環(huán)境”舉措，為AEE賦能，具體包含五方面的要素，分別是：快速綜合與仿真工具；費用和風險管理技術(shù)；全生命周期集成與驗證；協(xié)同工程環(huán)境；文化變革、培訓(xùn)和教育等。

在AEE研究過程中，美國國防部資助了一系列技術(shù)和過程研發(fā)項目。比如說DARPA的“基于仿真設(shè)計倡議”，是為了開發(fā)開放靈活的系統(tǒng)，以支持使用虛擬樣機、虛擬環(huán)境和共享產(chǎn)品信息模型的并行工程。國防部及各軍兵種的實驗室也積極推動基于仿真的采辦，為軍工企業(yè)的專業(yè)技術(shù)力量提供集成于采辦流程的協(xié)同仿真技術(shù)，特別提出要有效使能集成產(chǎn)品和過程開發(fā)（IPPD）。

在AEE研究過程中，美國國家科學基金會在“知識和分布式智能倡議”的目錄下，資助了一系列跨學科研究。美國能源部發(fā)起了“分布式協(xié)同實驗環(huán)境”項目，定義了通過虛擬實驗室聚集美國國家實驗室資源的系統(tǒng)需求。

AEE研究論證了在未來5年（1998-2003）和5到15年（2003-2013）這兩個階段推進先進工程環(huán)境的舉措，定義了政府、產(chǎn)業(yè)界和學術(shù)界在其中應(yīng)承擔的角色和責任，并預(yù)見性的指出未來的先進工程環(huán)境一定是建立在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，需要攻克“互操作性”和“應(yīng)用組合”這兩大難題。

2010年，美國國防部著名的ManTech計劃，新設(shè)了先進制造企業(yè)（AME）專欄，將MBE納入“制造企業(yè)建模和仿真”板塊，與之并列的是“基于模型的工程/設(shè)計”、“國防部建模與仿真”、“生產(chǎn)力建模”等內(nèi)容。

“先進制造企業(yè)”是穩(wěn)健的戰(zhàn)略集合和能力結(jié)構(gòu)，目的是在全球化制造企業(yè)環(huán)境中，顯著削減生產(chǎn)復(fù)雜系統(tǒng)的成本和時間。

從2009年到2015年，ManTech計劃公開報道了5項MBE項目的成功案例，涉及到備件采購、彈藥銷毀、地面戰(zhàn)斗車輛、防爆防伏擊車輛、三維模型創(chuàng)建、產(chǎn)品生命周期管理入門、交付物創(chuàng)建等方面。截至2015年最新的投資項目是改善技術(shù)數(shù)據(jù)的交換過程，關(guān)注在電子系統(tǒng)中使用3D技術(shù)數(shù)據(jù)、交付給政府的技術(shù)數(shù)據(jù)包校核與確認和MBE能力轉(zhuǎn)化等。

此刻，可以梳理一下這幾個項目的關(guān)系。

CALS定義的是軍方和軍品承包商的關(guān)系。通過從計算機輔助后勤保障到持續(xù)采辦和全生命周期支持這樣的指令性政策，客觀上要求軍品承包商必須考慮交互式電子技術(shù)手冊（IETM）和集成數(shù)據(jù)環(huán)境（IDE）的生產(chǎn)問題，這就為CAD產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了穩(wěn)定的市場需求。

M&SMP建模仿真主計劃定義了建模仿真技術(shù)在軍方內(nèi)部的統(tǒng)一應(yīng)用框架，但這種內(nèi)部的基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建活動通過“采辦”這一接口對軍品承包商的業(yè)務(wù)流程產(chǎn)生重要影響。軍品承包商必須認真考慮“基于仿真的采辦”和“基于仿真的工程”等相關(guān)問題，著同樣為CAD尤其是CAE產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了穩(wěn)定的市場需求。

AEE相當于是NASA和學術(shù)界的老師們?yōu)檐娖烦邪毯蛙浖S商提供了一個功能樣板，基于NASA最先進的工程實踐，告訴各位，怎樣將各種先進技術(shù)糅合成一個先進工程環(huán)境，在這個過程中會生成什么樣的產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)。

MBE定義的則是軍工廠商和軟件廠商之間的關(guān)系。圍繞著產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)，軍工廠商闡明對于產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)的定義、呈現(xiàn)、使用、處理、管理、標準化、質(zhì)量保證等方面的需求，軟件廠商則發(fā)展技術(shù)，研發(fā)產(chǎn)品，滿足需求。

另一方面，在MBE中，NIST等機構(gòu)將MBE相關(guān)的用于軍工制造的專用技術(shù)通過標準化、通用化等舉措，轉(zhuǎn)化成對民用企業(yè)、中小企業(yè)有用的產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)，并通過NIST的產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)平臺進行轉(zhuǎn)化。

NASA的行動則揭示了技術(shù)軟件化行動的核心，正如NASA技術(shù)轉(zhuǎn)化執(zhí)行主任丹尼爾·洛克尼說：軟件始終是NASA成功的核心要素。從2014年起，NASA開始發(fā)布軟件轉(zhuǎn)化目錄，以軟件為載體，向工業(yè)界進行技術(shù)轉(zhuǎn)化。該目錄包含了15個技術(shù)領(lǐng)域，每兩年更新一次，目前大約有2200多種技術(shù)軟件正處于轉(zhuǎn)化流程中。

軟件已成為定義技術(shù)的新媒介。在NASA軟件目錄中，既有我們熟知的“業(yè)務(wù)系統(tǒng)和項目管理”、“數(shù)據(jù)服務(wù)器運營和維護”、“設(shè)計和集成工具”等我們熟知的工業(yè)軟件，也有像“數(shù)據(jù)和圖像處理”、“自治系統(tǒng)”等通用的自動化軟件，但更多的卻是像“材料和工藝”、“系統(tǒng)試驗”、“推進”、“電子電力”、“結(jié)構(gòu)與機構(gòu)”、“執(zhí)行器”、“環(huán)境科學”、“運載器管理”、“航空”等專業(yè)技術(shù)軟件。這表明在美國軟件已經(jīng)成為科研機構(gòu)和工業(yè)企業(yè)之間進行技術(shù)流通的普適媒介。

這個建立在大量實踐基礎(chǔ)上的務(wù)實創(chuàng)新，是一個巨大的孵化航母。據(jù)丹尼爾描述，從2009年起，NASA已經(jīng)通過各種形式向工業(yè)界轉(zhuǎn)化了5000多個軟件項目，取得了顯著成效，這些實踐經(jīng)驗促使NASA決定改善信息發(fā)布流程，降低軟件獲取門檻。

                                                                           表2 NASA技術(shù)軟件轉(zhuǎn)移內(nèi)容

（南山工業(yè)書院研究組整理）

丹尼爾在2016年就NASA的技術(shù)轉(zhuǎn)化接受采訪時表示，加速航空航天科技向私企轉(zhuǎn)移，為公眾謀福利，是NASA的共同愿景。四年來，促成的專利授權(quán)增長了2.5倍，數(shù)量是NASA向公眾發(fā)布軟件的兩倍。

通過對美國CAE產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史的調(diào)研和思考，可以有三點啟示：第一是國際工業(yè)軟件市場已經(jīng)進入寡頭競爭和平臺競爭的時代，CAD軟件和CAE軟件會日益下沉，變成功能組件和技術(shù)支撐組件，成為像編譯器、驅(qū)動器、操作系統(tǒng)內(nèi)核這樣的角色。第二是CAE承載了工業(yè)技術(shù)知識的分析、驗證和確認過程，是創(chuàng)新的核心要素。第三是持續(xù)的國家投入。比如美國制造創(chuàng)新研究院DMDII的數(shù)字化制造公地（digital commons），也是以更早以前美國軍方項目CALS、M&SMP、AEE、MBE等伴生工程的打底。

這是一環(huán)扣一環(huán)的國家持續(xù)性建設(shè)的姿態(tài)。美國的國家意志，從未放棄過對仿真軟件的黃金支持。

作者簡介：