汽車虛擬仿真軟件爲何被國外壟斷
計算機輔助軟件越來越多地成爲汽車工程師手中不可或缺的工具，從發動機、變速器開發，到底盤控制調校，隨處可見它們的身影。其後，其“升級版”——虛擬仿真技術也被大量地應用於汽車領域。虛擬仿真爲整車開發、設計帶來了極大的優化——開發節點前移，節省了開發時間，節約了研發成本。近日，《中國自動駕駛仿真技術藍皮書2020》發佈。伴隨汽車“新四化”的步伐，虛擬仿真技術又開始在智能網聯領域大顯身手。
不過，讓人意外和尷尬的是，工程師們使用的虛擬仿真軟件，幾乎都是國外企業的產品。2020年5月，美國商務部工業和安全局（BIS）宣佈，將33家總部設在中國和開曼羣島的政府機關和商業組織列入實體清單，美國Math-Works公司禁止包括哈爾濱工業大學、哈爾濱工程大學在內的高校、公司使用其開發的MATLAB（Matrix Laboratory）軟件。美國這一單邊制裁給國內汽車行業帶來了不小的震動。
事實上，在去年舉行的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》發佈會上，專家就曾提及我國汽車行業在設計與模擬平臺軟件方面存在短板。那麼，虛擬仿真軟件的具體應用情況如何？自主企業爲何在這個領域如此弱勢？現在補上這塊空白有無必要，又是否來得及？圍繞這些問題，《中國汽車報》記者展開了調查。
■滲入汽車研發製造每一環
“計算機輔助設計已在汽車領域應用很長時間了。”天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室主任姚春德告訴記者，“從繪圖開始，我們就使用CAD（計算機輔助設計）製作平面設計圖，使用CAE（計算機輔助工程）製作立體設計圖；在隨後的環節，還會使用到大量的軟件，比如流體力學分析軟件、性能分析軟件等。這些軟件對現在發動機的設計工作而言，就如同上世紀圖板、尺規對於設計人員的作用一樣重要。離開它們，研發人員寸步難行。”
“我們在開發過程中大量使用軟件，而這些計算軟件基本都是國外企業的產品。”張偉（化名）是國內一家知名汽車發動機企業的工程師，他向記者坦陳。
“這種情況（國外軟件佔絕大多數比例）的確客觀存在。我們使用的ANSYS、STARCD、FLUENT、FIRE、Converge、GT-POWER、BOOST都是外國公司的產品。”姚春德說道。
“汽車研發、生產等各環節都離不開仿真、分析軟件。”北京五一世界數字孿生科技股份有限公司車輛與交通事業部總經理張帆向記者介紹，傳統意義上，在整車開發中使用的軟件大致可分爲：車身造型環節的ALIAS、CATIA等設計與工程軟件；車身結構設計環節的ANSYS、LS-DYNA等力學仿真軟件，用以幫助工程師進行受力分析，從而進行材料選擇；此外，底盤動力學、輪胎動力學也分別有自己的仿真軟件，用來計算重心，模擬製動效果等；製造環節的輔助仿真軟件，用於分析裝配干涉，給出最優的裝配工藝流程等。另據記者瞭解，在涉及生產的調度系統領域，也活躍着國外工業軟件的身影。
■被智能網聯賦予更大空間
除了傳統經典的應用，讓虛擬仿真得以大放異彩的則是汽車智能化、網聯化的演進。
“新能源汽車在國內市場的推廣熱度持續提升，尤其造車新勢力的‘大刀闊斧’，讓消費者對汽車有了非常高的期待。更多的消費者希望車輛能夠快速升級、迭代。這意味着整車企業必須對開發週期‘精打細算’。”張帆表示。
據介紹，自動駕駛實現的基礎之一是傳感器，智能網聯汽車配裝大量的傳感器，比如攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等，它們的物理特性完全不同。虛擬仿真軟件能夠實現對這些傳感元器件物理特性的仿真，從而幫助開發者減少實車測試環節，更快地推進開發流程。
“高級別自動駕駛爲仿真提出了另一個有別於傳統的應用，即虛擬仿真對感知、決策與控制算法的優化與驗證。”張帆告訴記者，這項挑戰非常之巨大，甚至帶有顛覆性，“以往基本上都是對固定物理特性的仿真，有着明確的對象，輸入的是一組描述性參數，然後輸出結果。但在自動駕駛的開發及測試過程中，決策算法成爲重要關注點，這使得輸入和輸出都發生重大變化，需要仿真的不再是固定的幾何模型，而是與車輛安全行駛密切相關的外界環境；仿真的環境也不再是固定的，而是動態變化的目標物，甚至包含了一定深度學習能力生成的場景；同時，需要仿真的變量更多、更開放，目的也由原先的造型工程尋優、改進零部件、選擇材料，轉變爲尋求算法的迭代。”
■軟件依賴或存安全風險
“比較遺憾的是，我們大量使用國外的軟件，有可能給汽車設計帶來安全風險和隱患。”張偉認爲，“一是如果軟件後臺有漏洞且被觸發，那我們的產品相當於‘城門大開、昭告天下’；二是美國越來越多地濫用長臂管轄（指美國法院在民事訴訟中對非居民（外國被告）享有司法管轄權，後發展至跨國管轄），帶來法律風險。”
姚春德也指出：“在發動機尤其高壓共軌燃油噴射系統領域，大家用的都是國外廠商的開發工具、模擬軟件，國內幾乎沒有替代品。有些國外零部件企業在供貨時，產品附帶數據監測，意味着你在開發方面的一舉一動，都可能被人洞悉，國內一些企業恐怕還沒有意識到其嚴重性。”
在張帆看來，虛擬仿真軟件領域有自己的遊戲規則：“在這個領域，通用性與專業性並存。比如，流體力學的仿真分析軟件，既可用於飛機設計，又可用於汽車造型，在石油煉化領域可用於管道設計，甚至能對運動員的運動姿態進行分析，其學科基礎相同，只是凝結了各自行業的專業知識體系，形成了獨特的行業應用。國外成功的虛擬仿真軟件，都是從通用性分析起步，不斷完善，進而開發具有針對性的工具包、模板，最終形成自成體系的軟件集成環境。”
■從沒有機會到迎來契機
“國內企業即便在這方面有零星的嘗試，目前也難成燎原之勢。”姚春德告訴記者，造成這個局面的原因在於：一是我國企業起步相對較晚，在CAD已成國外工程師標配時，我們還在使用繪圖板手工製圖；二是國內同類的各款軟件在功能上確實不如國外競品優秀，這就成了一個循環，因爲水平差一些，就不利於推廣應用，因爲缺乏廣泛應用，改進和提升就更慢，進一步加大在大範圍應用的難度；三是不同專業之間缺乏有效的溝通協作，搞計算機的人才更瞭解軟件設計，但相對缺乏對工業應用需求的把握，反之亦然。
張帆直言：“前期，大家對虛擬仿真軟件的重視程度不夠。”在他看來，開發難度及商業特性也成爲自主企業開發推廣仿真軟件的攔路虎。“前期開發成本特別巨大，週期很長，如果沒有較爲雄厚的財力，恐怕難以支撐；即便開發成功，從商業角度講，短期內恐也無法獲得回報；況且，國外一些基礎性的仿真分析軟件早已形成一定的市場壁壘，對新進入者並不友好。
不過，這並不意味着國內的虛擬仿真軟件毫無市場機會。“由於整車企業面對智能網聯技術快速迭代的需要，虛擬仿真軟件相應增加了很多維度，比如，要有良好的可用性，以解決實際問題；要有強大的持續拓展性，以適應不斷變化的仿真需求；甚至還要具有強大的兼容性。”張帆表示，“而這一塊市場，對所有市場參與者來說都是空白，大家基本處於同一起跑線上，爲國內虛擬仿真軟件廠商提供了此前不具備的發展契機。”
■形成合力實現自主可控
隨着打造自主可控的產業鏈成爲行業共識，國內虛擬仿真軟件的發展也開始提速。張偉告訴記者：“我們最近在做的工作之一，就是與國內企業合作，共同對研發中常用的軟件進行擁有自主知識產權的產品開發。”張偉建議，自主企業在追趕的道路上要兼顧安全與效率，給予原創開發與再開發同樣的重視，“國外一些開源軟件已非常成熟，我們應當合理高效地利用這部分資源，結合行業實際需求，進行適應性開發。”
另據瞭解，張帆所在的北京五一世界數字孿生科技股份有限公司，通過AES建立數字孿生平臺，自主研發了“51Sim-One自動駕駛仿真平臺”，已爲寶馬、戴姆勒奔馳、廣汽、上汽、陝汽等提供產品及服務。他認爲：“國內仿真軟件廠商應該選準自己的賽道，優先級比較高的是智能網聯汽車方向。大家在這一領域起點相近，儘管仿真技術門檻高、所需資金投入大，但仍有必要打破國外巨頭的行業壟斷地位。國內開發者對於智能網聯汽車需求的理解更爲透徹，資本也非常關注，有利於行業實現良性發展。高校和科研院所應發揮自己的智力優勢，探索前沿性技術。企業則應聚焦於將技術實現，研發可以穩定商用的產品。雙方密切互動，形成合力。”
“國家也應儘早意識到這個問題的重要性，推動各方力量形成‘國家隊’，對基礎性部分進行開發、投入。”姚春德建議道，“目前，很多基礎性軟件工具由國外廠商壟斷，完全指望資本、市場的力量主導開發不現實。更關鍵的是要保護好科研人員的積極性，形成良好的機制。比如，根據《中華人民共和國促進科技成果轉化法》，做好相關配套措施，鼓勵高校的智力資源儘快實現成果轉化，在轉化中認可他們的貢獻，保證成果的分配。”