計算機輔助軟件越來越多地成為汽車工程師手中不可或缺的工具，從發(fā)動機、變速器開發(fā)，到底盤控制調(diào)校，隨處可見它們的身影。其后，其“升級版”——虛擬仿真技術(shù)也被大量地應用于汽車領(lǐng)域。虛擬仿真為整車開發(fā)、設(shè)計帶來了極大的優(yōu)化——開發(fā)節(jié)點前移，節(jié)省了開發(fā)時間，節(jié)約了研發(fā)成本。近日，《中國自動駕駛仿真技術(shù)藍皮書2020》發(fā)布。伴隨汽車“新四化”的步伐，虛擬仿真技術(shù)又開始在智能網(wǎng)聯(lián)領(lǐng)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(yè)的產(chǎn)品。2020年5月，美國商務(wù)部工業(yè)和安全局(BIS)宣布，將33家總部設(shè)在中國和開曼群島的政府機關(guān)和商業(yè)組織列入實體清單，美國Math-Works公司禁止包括哈爾濱工業(yè)大學、哈爾濱工程大學在內(nèi)的高校、公司使用其開發(fā)的MATLAB(Matrix Laboratory)軟件。美國這一單邊制裁給國內(nèi)汽車行業(yè)帶來了不小的震動。

事實上，在去年舉行的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》發(fā)布會上，專家就曾提及我國汽車行業(yè)在設(shè)計與模擬平臺軟件方面存在短板。那么，虛擬仿真軟件的具體應用情況如何?自主企業(yè)為何在這個領(lǐng)域如此弱勢?現(xiàn)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(diào)查。

■滲入汽車研發(fā)制造每一環(huán)

“計算機輔助設(shè)計已在汽車領(lǐng)域應用很長時間了。”天津大學內(nèi)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(shè)計)制作平面設(shè)計圖，使用CAE(計算機輔助工程)制作立體設(shè)計圖;在隨后的環(huán)節(jié)，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(xiàn)在發(fā)動機的設(shè)計工作而言，就如同上世紀圖板、尺規(guī)對于設(shè)計人員的作用一樣重要。離開它們，研發(fā)人員寸步難行。”

“我們在開發(fā)過程中大量使用軟件，而這些計算軟件基本都是國外企業(yè)的產(chǎn)品。”張偉(化名)是國內(nèi)一家知名汽車發(fā)動機企業(yè)的工程師，他向記者坦陳。

“這種情況(國外軟件占絕大多數(shù)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(chǎn)品。”姚春德說道。

“汽車研發(fā)、生產(chǎn)等各環(huán)節(jié)都離不開仿真、分析軟件。”北京五一世界數(shù)字孿生科技股份有限公司車輛與交通事業(yè)部總經(jīng)理張帆向記者介紹，傳統(tǒng)意義上，在整車開發(fā)中使用的軟件大致可分為：車身造型環(huán)節(jié)的ALIAS、CATIA等設(shè)計與工程軟件;車身結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)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，模擬制動效果等;制造環(huán)節(jié)的輔助仿真軟件，用于分析裝配干涉，給出最優(yōu)的裝配工藝流程等。另據(jù)記者了解，在涉及生產(chǎn)的調(diào)度系統(tǒng)領(lǐng)域，也活躍著國外工業(yè)軟件的身影。

■被智能網(wǎng)聯(lián)賦予更大空間

除了傳統(tǒng)經(jīng)典的應用，讓虛擬仿真得以大放異彩的則是汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的演進。

“新能源汽車在國內(nèi)市場的推廣熱度持續(xù)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。這意味著整車企業(yè)必須對開發(fā)周期‘精打細算’。”張帆表示。

據(jù)介紹，自動駕駛實現(xiàn)的基礎(chǔ)之一是傳感器，智能網(wǎng)聯(lián)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?qū)崿F(xiàn)對這些傳感元器件物理特性的仿真，從而幫助開發(fā)者減少實車測試環(huán)節(jié)，更快地推進開發(fā)流程。

“高級別自動駕駛為仿真提出了另一個有別于傳統(tǒng)的應用，即虛擬仿真對感知、決策與控制算法的優(yōu)化與驗證。”張帆告訴記者，這項挑戰(zhàn)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，有著明確的對象，輸入的是一組描述性參數(shù)，然后輸出結(jié)果。但在自動駕駛的開發(fā)及測試過程中，決策算法成為重要關(guān)注點，這使得輸入和輸出都發(fā)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(guān)的外界環(huán)境;仿真的環(huán)境也不再是固定的，而是動態(tài)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(yōu)、改進零部件、選擇材料，轉(zhuǎn)變?yōu)閷で笏惴ǖ牡?rdquo;

■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(shè)計帶來安全風險和隱患。”張偉認為，“一是如果軟件后臺有漏洞且被觸發(fā)，那我們的產(chǎn)品相當于‘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(quán)，后發(fā)展至跨國管轄)，帶來法律風險。”

姚春德也指出：“在發(fā)動機尤其高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)領(lǐng)域，大家用的都是國外廠商的開發(fā)工具、模擬軟件，國內(nèi)幾乎沒有替代品。有些國外零部件企業(yè)在供貨時，產(chǎn)品附帶數(shù)據(jù)監(jiān)測，意味著你在開發(fā)方面的一舉一動，都可能被人洞悉，國內(nèi)一些企業(yè)恐怕還沒有意識到其嚴重性。”

在張帆看來，虛擬仿真軟件領(lǐng)域有自己的游戲規(guī)則：“在這個領(lǐng)域，通用性與專業(yè)性并存。比如，流體力學的仿真分析軟件，既可用于飛機設(shè)計，又可用于汽車造型，在石油煉化領(lǐng)域可用于管道設(shè)計，甚至能對運動員的運動姿態(tài)進行分析，其學科基礎(chǔ)相同，只是凝結(jié)了各自行業(yè)的專業(yè)知識體系，形成了獨特的行業(yè)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(fā)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(huán)境。”

■從沒有機會到迎來契機

“國內(nèi)企業(yè)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于：一是我國企業(yè)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制圖;二是國內(nèi)同類的各款軟件在功能上確實不如國外競品優(yōu)秀，這就成了一個循環(huán)，因為水平差一些，就不利于推廣應用，因為缺乏廣泛應用，改進和提升就更慢，進一步加大在大范圍應用的難度;三是不同專業(yè)之間缺乏有效的溝通協(xié)作，搞計算機的人才更了解軟件設(shè)計，但相對缺乏對工業(yè)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(fā)難度及商業(yè)特性也成為自主企業(yè)開發(fā)推廣仿真軟件的攔路虎。“前期開發(fā)成本特別巨大，周期很長，如果沒有較為雄厚的財力，恐怕難以支撐;即便開發(fā)成功，從商業(yè)角度講，短期內(nèi)恐也無法獲得回報;況且，國外一些基礎(chǔ)性的仿真分析軟件早已形成一定的市場壁壘，對新進入者并不友好。

不過，這并不意味著國內(nèi)的虛擬仿真軟件毫無市場機會。“由于整車企業(yè)面對智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)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(xù)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，大家基本處于同一起跑線上，為國內(nèi)虛擬仿真軟件廠商提供了此前不具備的發(fā)展契機。”

■形成合力實現(xiàn)自主可控

隨著打造自主可控的產(chǎn)業(yè)鏈成為行業(yè)共識，國內(nèi)虛擬仿真軟件的發(fā)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(nèi)企業(yè)合作，共同對研發(fā)中常用的軟件進行擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品開發(fā)。”張偉建議，自主企業(yè)在追趕的道路上要兼顧安全與效率，給予原創(chuàng)開發(fā)與再開發(fā)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(jié)合行業(yè)實際需求，進行適應性開發(fā)。”

另據(jù)了解，張帆所在的北京五一世界數(shù)字孿生科技股份有限公司，通過AES建立數(shù)字孿生平臺，自主研發(fā)了“51Sim-One自動駕駛仿真平臺”，已為寶馬、戴姆勒奔馳、廣汽、上汽、陜汽等提供產(chǎn)品及服務(wù)。他認為：“國內(nèi)仿真軟件廠商應該選準自己的賽道，優(yōu)先級比較高的是智能網(wǎng)聯(lián)汽車方向。大家在這一領(lǐng)域起點相近，盡管仿真技術(shù)門檻高、所需資金投入大，但仍有必要打破國外巨頭的行業(yè)壟斷地位。國內(nèi)開發(fā)者對于智能網(wǎng)聯(lián)汽車需求的理解更為透徹，資本也非常關(guān)注，有利于行業(yè)實現(xiàn)良性發(fā)展。高校和科研院所應發(fā)揮自己的智力優(yōu)勢，探索前沿性技術(shù)。企業(yè)則應聚焦于將技術(shù)實現(xiàn)，研發(fā)可以穩(wěn)定商用的產(chǎn)品。雙方密切互動，形成合力。”

“國家也應盡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(chǔ)性部分進行開發(fā)、投入。”姚春德建議道，“目前，很多基礎(chǔ)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(fā)不現(xiàn)實。更關(guān)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(jù)《中華人民共和國促進科技成果轉(zhuǎn)化法》，做好相關(guān)配套措施，鼓勵高校的智力資源盡快實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化中認可他們的貢獻，保證成果的分配。”(馬鑫)