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军工是工业软件之母 | 国防工业如何造就了工业软件
李明 2018-09-20
导语

没有商业化的环境,这些体系内的封闭专业软件(In-house)只能在奄奄一息中勉强续命,饿得皮包骨头,勉强为少得可怜的用户进行服务。

▍军方吃到了死螃蟹

二战前后,模拟计算机是二战中的计算主力,它控制了几乎所有炮弹的方向。这些计算机就像哪吒一样,驾驭着那些呼啸的火球,在海陆空全方位的爆炸。计算力,主宰了军方从火炮控制到鱼雷瞄准、再到谍报的密码分析。这是军事引领计算和软件发展的时代。

1946年研制成功的电子计算机ENIAC享尽美誉(尽管另外一台不具备编程的ABC计算机也在争夺这份荣誉),这是第一台以数值运算为目的的计算机,这是一个计算机史上的传奇,太多商业上的狗血故事围绕着它而来。然而,它迎来的第一个主顾,却正是军火承包商。

图1 先驱者

1949年,美国著名军火商诺斯罗普·格鲁曼(Northrop-Grumman)委托ENIAC之父所创建的科学家公司(后来被大名鼎鼎的兰德公司所收购),建立了一台二进制自动化计算机(BINAC)。由于是受客户委托定制,可以认为这是第一台商用计算机。这是一台基于合同的计算机,可惜只生产了一台。

这是一次失败的商业化,因为它并不能投入使用。双方扯皮之后,最后不了了之。

这个时候并无大型程序的概念,因为存储空间完全不足。这台计算机的测试程序也不过50行代码。然而,这可以算是工业软件最早的萌芽。这次萌芽,与军火生意密切相关。

军方吃到了一只死螃蟹。然而军方不为失败所动。

实际上,在整个四十年代,根据《软件工程通史》作者Jones的统计,军事和国防的软件应用数量,占据了整个市场的50%;剩下的38%则都是为科学服务的。当然,那个时候,科学也是为国防服务的。

工业软件,正是美国国防部一手扶持起来的。

▍史上最昂贵的软件来自军方

二战一结束,所有围绕枪炮和导弹的工业软件,似乎都可以消停了。然而,就在美国于日本投下两颗原子弹之后的同一个月份,苏联也引爆了自己的原子弹。这是一个同归于尽的概念。整个世界,立刻变得哇凉哇凉。

这次引爆,对计算机和软件的发展,意外地产生了极其重要的影响。为了抗衡苏联的原子弹,美国决定引入一个大型防空系统SAGE(Semi-Automatic Ground Environment),保护美国本土不受敌方远程轰炸机携带核弹的突然侵袭。这是最早的网络战的思路,通过美国各地的雷达站,将监测到的敌机动向传送到空军总部。空军指挥员则通过总部的显示器来跟踪敌机的行踪,进而命令就近军分区进行拦截。

SAGE整个技术方案是由MIT林肯实验室负责制定的,于1957年投入试运行。在一系列的竞标中,IBM战胜了雷神等竞争对手,被委托开发SAGE系统。IBM重新搭建新班子、租用新场地完成开发。

最初的SAGE,采用低级语言(汇编语言)编写,达到50万行代码,使其成为最大的软件应用。实际上,这个系统吸引了很多公司参与开发。SAGE软件开发计划成了软件工程开发中最“崇高”的事业之一。当时美国程序员的数目大约为1200名,而有700人为SAGE项目工作。著名的智囊公司兰德(Rand)在1959年也加入其中,并成立了独立的公司——系统开发公司(SDC),以进一步开发这个估计需要100万行代码的软件。

从五十年代开始,SAGE是当时最大的计算机和军用软件的应用程序,是军事预算的饥饿巨兽。到了六十年代,这个项目投入达到了惊人的120亿美元(按可比价格算,投入规模相当于2014年的1000亿美元)。这种巨量投入,使得SAGE成为彻底颠覆三观的软件野蛮人。

作为当时世界上最大的计算机及军用软件应用,SAGE防空系统集成了计算机、工业软件、通信和网络的成就,一时也是独霸一方。它正在预示着全新的现代信息战争的曙光。

然而SAGE系统高昂的费用,让它无法持续太久。SAGE计划并未完全实施,到了60年代中期就下马了。此时,军民合用的概念也开始出现。后来出现的联合监视系统,就是为了减轻SAGE系统造成的沉重经济负担。军、民用雷达尽可能兼用,以减少雷达运行费用,并用13个空军和联邦防空局的联合控制中心替代了SAGE系统的控制中心。此举据说减少了6000名工作人员,大大节省了开支。

SAGE系统一直使用到1983年才得以退役。这个庞大的软件系统推动了一个里程碑的变化,真正改变了美国国家对国防部的预算态度,从此以后,武器的软件开支,也成为国家预算最为重要的支出。

这是一个典型的军民融合的故事。然而最精彩的地方,依然是SAGE带来的工业软件技术的孵化。它的研究成果在民用工业中发扬光大,导致传统的工程设计绘图方法发生了革命性变化。

▍CAD诞生了!从SAGE走向交互

1950年,美国麻省理工学院MIT在旋风Ⅰ型计算机显示器上生成了简单图形。接着MIT主持了美国国防部防空系统SAGE的方案研制。当时一种全新的人机交互工具——光笔,开始诞生。光笔可以对屏幕上的字符串进行控制,这种交互操作方式,就像是使用鼠标器来选择菜单。

将SAGE计划中的光笔交互图形技术应用到工程绘图中来,要归功于麻省的伊凡(Ivan E. Sutherland)。他在1963年完成了博士论文,并完成了使用光笔在计算机屏幕上选取、定位图形要素的Sketch-Pad系统,实现了人机对话式的交互作业。同时提出将图形分解为子图和图元的层次数据结构,为60年代中至70年代末计算机辅助绘图(此时CAD还停留在“绘图”而非“设计”的意义上)技术的大发展,奠定了原型示范基础。

与此同时,1964年秋IBM公司着手开发交互图形终端的第一代产品IBM2250,最早采用光笔作为交互输入手段,并配有一组32个功能键,以便执行画直线、圆弧、虚线、标注尺寸、提取子图等宏命令。

CAD像一只要出窍的小鸡,啄食着最后要穿破的蛋壳。

而此时,美国工业正处于突飞猛进的时期,最具象征性的两大行业迅速做出反应。

首先是汽车工业,美国通用汽车公司与IBM合作,开发了DAC-1计算机设计加强系统(Design Augmented by Computer)。

与此同时,美国洛克希德飞机公司和麦克唐纳飞机公司也各自独立在IBM2250上开发二维绘图系统,前者称为CADAM,后者则称为CADD。从60年代末起,逐渐在这些系统中增加曲线和曲面功能、数控加工编程功能等,形成了最早的计算机辅助设计、制造(简称CAD/CAM)系统。从1974年起CADAM正式作为商品对外出售,成为70年代至80年代中期IBM主机上应用最广的第一代CAD/CAM软件产品。

欧洲也做出了反应。以幻影2000和阵风战斗机而闻名的法国达索航空的CAD/CAM部门开发了知名的CATIA软件,随后软件部门分离出来并形成独立的达索系统公司。达索航空首先是CATIA的开发者,随后是坚定的用户和支持者。达索同时还积极引进洛克希德马丁公司的CADAM软件进行学习。时运轮流转,1989年洛克希德飞机公司缺少资金开发新型战斗机,决定出售CADAM子公司。作为老合作方,IBM在1990年1月用2.7亿美元收购CADAM,并于1992年起托付达索管理。

这种跨国之间的工程知识融合,带有强烈的军方色彩,造就了来日辉煌的三大高端CAD软件之一的CATIA。它继承了法国达索和美国洛克希德两家顶级军机制造商的传统,因此也成为当前航空工业中必不可少的软件。

▍没有军方,就没有CAD产业

80年代初,CAD系统价格依然令一般企业望而却步,这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。当时CAD、CAE技术价格极其昂贵(也许还有人记得,曾几何时,在国内租用一套CATIA的年租金即需15~20万美元;而MSC NASTRAN仿真软件在1988年第一次进入中国时, IBM4381大型机版本,三年租期就是19万美元)。另外,软件商品化程度一般都很低。由于开发者本身也是CAD大用户,因此彼此之间技术保密。只有少数几家受到国家财政支持的军火商,在70年代冷战时期才有条件独立开发或依托某厂商发展CAD技术。例如CADAM 由美国洛克希德公司支持,CALMA 由美国通用电气公司开发,CV 得到了波音、麦道、GE和罗罗发动机等的支持。I-DEAS 由美国国家航空及宇航局支持,UG 由美国麦道公司开发,CATIA则由法国达索航空开发。

此一刻,除了军工行业之外,CAD技术同样吸引了如日中天的民用汽车制造巨头。汽车制造商纷纷开始摸索开发一些曲面系统为自己服务,如大众汽车公司 SURF、福特汽车公司 PDGS、雷诺汽车公司EUCLID。还有丰田、通用汽车公司等都开发了自己的CAD系统。然而,由于无军方支持,开发经费及经验不足,其开发出来的软件商品化程度都较军方支持的系统要低,功能覆盖面和软件水平亦相差较大。 

这些喧闹的公司,经过几十年的发展和上百次的并购,最后被合并同类项之后,形成了今天的工业软件寡头垄断的局面。一个简明扼要的印象是,在高端CAD的三家企业中,与波音交往密集的 CV公司所出走的管理层创立了独树一帜的PTC公司,达索飞机直接诞生了CATIA,麦道公司一手成就了UG(现在的西门子PLM部门)。

如果为了简化复杂的历史轮廓,抛开曲折的并购商业史,可以得出一句干脆的结论:没有军方支持的CAD软件,最后不可能活下来。

同样在中国,某型号军机也是CATIA V5在全球的第一个用户。来自中国军机用户者的大量建议使得V5得以快速完善。商业化之路,更加稳健。

同样,如果去翻看仿真软件CAE的历史,也写满了军方和航空航天的强烈印记。

除了软件产品本身,美国军方在制定工业软件的标准上,从未有过迟钝的时候。随着各种计算软件的使用,相互交换产品信息成为一种必须。许多国家纷纷开始制定数字化产品的格式标准。这其中最有影响力的,当属于美国提出的原始图形交换规范IGES(Initial Graphics Exchange Specification)。它是由美国空军提出集成计算机辅助制造ICAM计划,由美国国家标准局NBS组织波音公司、通用电气等共同商议制定。1980年初公布第一版,它已经成为事实上的国际标准,几乎所有的CAD系统都配置IGES接口。它也极大地促进了其他格式的发展。1982年美国空军再次以麦道军机部为主,形成了产品数据交换规范,并成为ISO制定的STEP标准的重要支撑。

顺便提一句,美国空军的这个ICAM计划,一方面对分析设计方法影响深远,IDEF方法论风靡一时;更重要的是,它带动了另外一个宏大的柔性制造的计划,那就是CIMS工程。它被纳入到863计划,成为中国制造业走向信息化的重要契机,甩图板成为信息化的启蒙课本,对中国当前的从业人员影响深远。 

不妨可以说,中国的CAD行业,还带有一点点遥远的美国军部的气息。

▍快进!STOP!情节都一样

随后三十年,我们可以按下快进键一闪而过。这些被国防军工所孵化、养大、送上马的工业软件商们,都已经乐滋滋地走上了市场化的道路。有了国防军工大把经费的多年滋养,通过并购、国际化的路线,他们已经完全走向成熟的企业。然而,军方依然像一个不离不弃的大奶妈,继续毫不动摇地支持工业软件的发展。

在2018年7月份,国防部推动的“电子复兴计划ERI”所公开的五年项目中,电子设计软件EDA毫不意外地获得了同级项目中金额最多的扶持。像在EDA领域稳坐头把交椅的CADENCE公司,一年研发投入近60亿人民币,依然享受军方的呵护有加,额外掏钱支持工业软件做面向未来的创新设计。这奶妈当的,自然也是天下无敌。这就是美国军方的思路:要让电子产业更强,电子设计软件先行。

工业软件的成功,固然离不开工业巨头的抚养,而更重要的是知识产权的转换机制,需要精心设计、无缝衔接。诞生于波音公司的EASY5,最早其实是为军方开发使用的,随后由波音公司完成了商业化,包含了飞机设计过程中实战而来的各种数据,将近500多个数据库模块。经过近30年的不断积累和大量工程问题的检验,可谓是波音公司工程仿真经验的结晶。而在2002年,当时还是独立的仿真软件公司 MSC,从波音手中收购EASY5,随后升级为Windows版本,并推向市场。一时间,从军方的项目扶持,到主机厂的接手丰富,再到独立软件公司的彻底商业化,产权转换轻松自如。

反观中国,也有很多好的产品,例如中国空气动力研究与发展中心的风雷软件PHengLei、航空623所的大型结构分析软件HAJIF。早在1985年,623主导的HAJIF有限元分析软件获国家科技进步一等奖。工程师们花费数十年的心血,造就了锋利的宝剑。而它们的命运却多是趴窝守家而已,呆在原地不动。就像嵌在墙壁上的魔法棒,闪闪发光,却无人敢于从体制高墙摘下来挥舞。

然而, 没有新的动力源引入,魔法棒也会失效。没有商业化的环境,这些体系内的封闭专业软件(In-house)只能在奄奄一息中勉强续命,饿得皮包骨头,勉强为少得可怜的用户进行服务。

一方面地里缺种少苗,一方面让仅存的庄稼苗饿着。一时间也是中国工业软件的无边尴尬。

▍小记:工业软件就是一笔最秘密的军火生意

可能会让所有人都感到惊讶的是,美国国防部(DoD)其实是全世界最大的软件拥有者。在美国,军事软件一直就是可以独立成章的单独类别。在最近几十年的商业史中,密密麻麻写满了软件的传奇故事:无论是Windows 95开创的个人PC机的巅峰时代,还是辉煌一时的互联网,或者是打爆天下的移动互联网、云计算、人工智能、APP软件时代。然而,从1990年开始到现在的三十年间,即使应用软件数量经历了大爆炸般地爆发,美国军事和国防应用软件的数量,依然牢牢地占据了16%的比例。然而,任你游戏荣耀、任你娱乐致死、任你雨后春笋APP,大小软件多如牛毛,美国国防军工的应用软件的发展势头,从不减速。

表1 工业软件就是一笔军火生意(作图:林雪萍;数据来源:《软件工程通史》)

如此来看,从代码的数量而言,全球头号军火商洛克希德马丁很早就超越微软成为最大的软件商,也就毫不奇怪了。随着美军向“网络中心战NCW”转移,各类武器统一上网,指挥中心将一统天下。软件大鳄洛马自然也成为最大赢家。一个单兵就是全系统,这才是未来的武器之王!而这背后需要多少软件的支持?

落雨知时节,润物细无声,美国军工行业一直高调而持久地推动着民用工业软件的发展。工业软件其实就是一笔看不见的军火生意。

军工,才是工业软件之母。

▍作者简介

林雪萍:南山工业书院发起人,北京联讯动力咨询公司总经理

鸣谢:中智浩云总裁戚国焕、杭州新迪数字总经理彭维、航空工业信息中心原首席顾问宁振波给予的指导。

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作者 李明

博士生

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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