虚拟仿真渗入汽车研发每一环 汽车虚拟仿真软件为何被国外垄断

计算机辅助软件越来越多地成为汽车工程师手中不可或缺的工具，从发动机、变速器开发，到底盘控制调校，随处可见它们的身影。其后，其“升级版”——虚拟仿真技术也被大量地应用于汽车领域。虚拟仿真为整车开发、设计带来了极大的优化——开发节点前移，节省了开发时间，节约了研发成本。近日，《中国自动驾驶仿真技术蓝皮书2020》发布。伴随汽车“新四化”的步伐，虚拟仿真技术又开始在智能网联领域大显身手。

不过，让人意外和尴尬的是，工程师们使用的虚拟仿真软件，几乎都是国外企业的产品。2020年5月，美国商务部工业和安全局(BIS)宣布，将33家总部设在中国和开曼群岛的政府机关和商业组织列入实体清单，美国Math-Works公司禁止包括哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学在内的高校、公司使用其开发的MATLAB(Matrix Laboratory)软件。美国这一单边制裁给国内汽车行业带来了不小的震动。

事实上，在去年举行的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》发布会上，专家就曾提及我国汽车行业在设计与模拟平台软件方面存在短板。那么，虚拟仿真软件的具体应用情况如何?自主企业为何在这个领域如此弱势?现在补上这块空白有无必要，又是否来得及?围绕这些问题，《中国汽车报》记者展开了调查。

■渗入汽车研发制造每一环

“计算机辅助设计已在汽车领域应用很长时间了。”天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室主任姚春德告诉记者，“从绘图开始，我们就使用CAD(计算机辅助设计)制作平面设计图，使用CAE(计算机辅助工程)制作立体设计图;在随后的环节，还会使用到大量的软件，比如流体力学分析软件、性能分析软件等。这些软件对现在发动机的设计工作而言，就如同上世纪图板、尺规对于设计人员的作用一样重要。离开它们，研发人员寸步难行。”

“我们在开发过程中大量使用软件，而这些计算软件基本都是国外企业的产品。”张伟(化名)是国内一家知名汽车发动机企业的工程师，他向记者坦陈。

“这种情况(国外软件占绝大多数比例)的确客观存在。我们使用的ANSYS、STARCD、FLUENT、FIRE、Converge、GT-POWER、BOOST都是外国公司的产品。”姚春德说道。

“汽车研发、生产等各环节都离不开仿真、分析软件。”北京五一世界数字孪生科技股份有限公司车辆与交通事业部总经理张帆向记者介绍，传统意义上，在整车开发中使用的软件大致可分为：车身造型环节的ALIAS、CATIA等设计与工程软件;车身结构设计环节的ANSYS、LS-DYNA等力学仿真软件，用以帮助工程师进行受力分析，从而进行材料选择;此外，底盘动力学、轮胎动力学也分别有自己的仿真软件，用来计算重心，模拟制动效果等;制造环节的辅助仿真软件，用于分析装配干涉，给出最优的装配工艺流程等。另据记者了解，在涉及生产的调度系统领域，也活跃着国外工业软件的身影。

■被智能网联赋予更大空间

除了传统经典的应用，让虚拟仿真得以大放异彩的则是汽车智能化、网联化的演进。

“新能源汽车在国内市场的推广热度持续提升，尤其造车新势力的‘大刀阔斧’，让消费者对汽车有了非常高的期待。更多的消费者希望车辆能够快速升级、迭代。这意味着整车企业必须对开发周期‘精打细算’。”张帆表示。

据介绍，自动驾驶实现的基础之一是传感器，智能网联汽车配装大量的传感器，比如摄像头、毫米波雷达、激光雷达等，它们的物理特性完全不同。虚拟仿真软件能够实现对这些传感元器件物理特性的仿真，从而帮助开发者减少实车测试环节，更快地推进开发流程。

“高级别自动驾驶为仿真提出了另一个有别于传统的应用，即虚拟仿真对感知、决策与控制算法的优化与验证。”张帆告诉记者，这项挑战非常之巨大，甚至带有颠覆性，“以往基本上都是对固定物理特性的仿真，有着明确的对象，输入的是一组描述性参数，然后输出结果。但在自动驾驶的开发及测试过程中，决策算法成为重要关注点，这使得输入和输出都发生重大变化，需要仿真的不再是固定的几何模型，而是与车辆安全行驶密切相关的外界环境;仿真的环境也不再是固定的，而是动态变化的目标物，甚至包含了一定深度学习能力生成的场景;同时，需要仿真的变量更多、更开放，目的也由原先的造型工程寻优、改进零部件、选择材料，转变为寻求算法的迭代。”

■软件依赖或存安全风险

“比较遗憾的是，我们大量使用国外的软件，有可能给汽车设计带来安全风险和隐患。”张伟认为，“一是如果软件后台有漏洞且被触发，那我们的产品相当于‘城门大开、昭告天下’;二是美国越来越多地滥用长臂管辖(指美国法院在民事诉讼中对非居民(外国被告)享有司法管辖权，后发展至跨国管辖)，带来法律风险。”

姚春德也指出：“在发动机尤其高压共轨燃油喷射系统领域，大家用的都是国外厂商的开发工具、模拟软件，国内几乎没有替代品。有些国外零部件企业在供货时，产品附带数据监测，意味着你在开发方面的一举一动，都可能被人洞悉，国内一些企业恐怕还没有意识到其严重性。”

在张帆看来，虚拟仿真软件领域有自己的游戏规则：“在这个领域，通用性与专业性并存。比如，流体力学的仿真分析软件，既可用于飞机设计，又可用于汽车造型，在石油炼化领域可用于管道设计，甚至能对运动员的运动姿态进行分析，其学科基础相同，只是凝结了各自行业的专业知识体系，形成了独特的行业应用。国外成功的虚拟仿真软件，都是从通用性分析起步，不断完善，进而开发具有针对性的工具包、模板，最终形成自成体系的软件集成环境。”

■从没有机会到迎来契机

“国内企业即便在这方面有零星的尝试，目前也难成燎原之势。”姚春德告诉记者，造成这个局面的原因在于：一是我国企业起步相对较晚，在CAD已成国外工程师标配时，我们还在使用绘图板手工制图;二是国内同类的各款软件在功能上确实不如国外竞品优秀，这就成了一个循环，因为水平差一些，就不利于推广应用，因为缺乏广泛应用，改进和提升就更慢，进一步加大在大范围应用的难度;三是不同专业之间缺乏有效的沟通协作，搞计算机的人才更了解软件设计，但相对缺乏对工业应用需求的把握，反之亦然。

张帆直言：“前期，大家对虚拟仿真软件的重视程度不够。”在他看来，开发难度及商业特性也成为自主企业开发推广仿真软件的拦路虎。“前期开发成本特别巨大，周期很长，如果没有较为雄厚的财力，恐怕难以支撑;即便开发成功，从商业角度讲，短期内恐也无法获得回报;况且，国外一些基础性的仿真分析软件早已形成一定的市场壁垒，对新进入者并不友好。

不过，这并不意味着国内的虚拟仿真软件毫无市场机会。“由于整车企业面对智能网联技术快速迭代的需要，虚拟仿真软件相应增加了很多维度，比如，要有良好的可用性，以解决实际问题;要有强大的持续拓展性，以适应不断变化的仿真需求;甚至还要具有强大的兼容性。”张帆表示，“而这一块市场，对所有市场参与者来说都是空白，大家基本处于同一起跑线上，为国内虚拟仿真软件厂商提供了此前不具备的发展契机。”

■形成合力实现自主可控

随着打造自主可控的产业链成为行业共识，国内虚拟仿真软件的发展也开始提速。张伟告诉记者：“我们最近在做的工作之一，就是与国内企业合作，共同对研发中常用的软件进行拥有自主知识产权的产品开发。”张伟建议，自主企业在追赶的道路上要兼顾安全与效率，给予原创开发与再开发同样的重视，“国外一些开源软件已非常成熟，我们应当合理高效地利用这部分资源，结合行业实际需求，进行适应性开发。”

另据了解，张帆所在的北京五一世界数字孪生科技股份有限公司，通过AES建立数字孪生平台，自主研发了“51Sim-One自动驾驶仿真平台”，已为宝马、戴姆勒奔驰、广汽、上汽、陕汽等提供产品及服务。他认为：“国内仿真软件厂商应该选准自己的赛道，优先级比较高的是智能网联汽车方向。大家在这一领域起点相近，尽管仿真技术门槛高、所需资金投入大，但仍有必要打破国外巨头的行业垄断地位。国内开发者对于智能网联汽车需求的理解更为透彻，资本也非常关注，有利于行业实现良性发展。高校和科研院所应发挥自己的智力优势，探索前沿性技术。企业则应聚焦于将技术实现，研发可以稳定商用的产品。双方密切互动，形成合力。”

“国家也应尽早意识到这个问题的重要性，推动各方力量形成‘国家队’，对基础性部分进行开发、投入。”姚春德建议道，“目前，很多基础性软件工具由国外厂商垄断，完全指望资本、市场的力量主导开发不现实。更关键的是要保护好科研人员的积极性，形成良好的机制。比如，根据《中华人民共和国促进科技成果转化法》，做好相关配套措施，鼓励高校的智力资源尽快实现成果转化，在转化中认可他们的贡献，保证成果的分配。”(马鑫)