設計、仿真一體化,才是未來?

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專業的設計優化工具領域，是最近二十多年才得以發展起來。它代表了一種全新的設計仿真一體化的理念，使得設計的迭代大大加速。而最新人工智慧的算法，則使得這一進程，進一步被加速。

江湖鳴清雛

1996年，一個華人軟體工程師從通用電氣的全球研究中心辭職出來，跟合伙人創立了Engineous Software公司，發布了軟體iSight。他在GE領導軟體開發，具有得天獨厚的條件接觸這些新技術。GE在10%硬性淘汰的機制下，使得一幫子聰明人嘗試各種新方法，以證明自己的價值。但這位華人可能沒有想到這個公司在短短時間內就成為業界的領袖。在這之前的優化工具面臨很多工程實際的挑戰，而他將當時領先的響應面模型方法和試驗設計方法寫到了軟體裡。這些方法擺脫了傳統優化對數學方程式的依賴，適合於面向仿真的設計。

儘管iSight也難以脫離原來軟體工具的窠臼，比如要求用戶是優化專家，很多新的方法其實存在理論上的缺陷等，但對於當時幾乎沒有工程上可用的優化軟體的製造業，已經是一個突破。

憑藉良好的商業運作和通用電氣的背景，很快iSight得到了CAE仿真應用水平最高的汽車與航空巨頭公司的青睞，在公司成立之初四年時間，公司增長了20多倍。

在實際應用中，iSight也意識到優化建立於仿真過程的集成，於是在2003年推出FIPER集成環境，使得各種不同的CAE仿真工具可以自動交換數據，便於實現由優化來驅動設計和分析的一體化，這讓iSight如虎添翼，繼續迅速發展。

然而2008年金融風暴來襲，CAD/CAE大鱷法國的達索，在2009年以四千萬美元的低價將Engineous公司全部收購，將iSight改成Isight，納入到Simula仿真的家族中。自此再也鮮有Isight的消息和發展，一顆新星悄然退於幕後。

波音自研軟體的鋒芒外露

波音公司非常擅長開發自研軟體，最早的一批研究基於響應面模型優化算法的就有波音的工程師。在航空航天領域，優化的需求非常強烈。這是因為它代表著一個國家的尖端技術和最高軍事力量。而航空航天領域的問題複雜，涉及多學科，需要諸多仿真過程互相調用。比如說給定機翼形狀，需要流體動力學仿真計算機翼的受力；反過來動力模型仿真機翼在受力情況下形狀改變，改變了的形狀作為輸入又要導回到流體動力學仿真，直到收斂。在過去的30年，有證據顯示美國在NASA，波音，DARPA（美國國防先進研究項目管理總署）投資巨大來發展優化設計技術。在新型飛行器的總體設計，以及重要部件設計上，優化設計技術得到普遍和廣泛的應用。波音公司在2004年通過技術授權，將與飛機無關的算法部分的通用優化器DesignExplorer，對外提供給另外一家以仿真集成為主業的Phoenix Integration公司。儘管這款優化器功能與Isight，完全不相上下。但在iSight的光芒掩蓋之下，新東家一直無法翻身，直到iSight被收購之後才重燃生機，在航空航天、海軍等市場上表現活躍，回到幾十人的規模。

美國之外的陣地

在歐洲戰場上，在歐盟的主導之下，英國宇航局，英國國防評估與研究局，德國奔馳航空公司，以及義大利、挪威等幾十家企業和大學就設計優化主題成立了名為「前沿」(Frontier)的研究專項。一番調研以後覺得這是一個有價值的方向，而且美國人已經有了Engineous， Phoenix Integration, 還有老牌的優化公司比如VR&D。研究項目一結束，就由義大利的幾個教授牽頭在1999年成立了Esteco公司，推出了modeFrontier的軟體，其中Frontier就取自研究項目「前沿」的名字。這款優化軟體直接跟iSight和modelCenter競爭，主攻航天和汽車等製造業。這幾個教授沒有一個是優化算法專家，儘管軟體在集成上表現不俗，優化器用的則是網上一些通用的算法。但是眾人拾柴火焰高，當初參加項目的大企業們都承諾使用歐盟自己的軟體，modeFrontier很快在歐盟這個圈子被廣泛應用。用戶的使用反饋，永遠是軟體發展最好的乳汁。通過用戶的加速迭代，這款名不見經傳的軟體發展很快。但想進入北美和亞太市場，卻遇到了很大的阻力。畢竟算法並不給力，似乎具有歐洲「口音」，無法真正走向全球化。

歐洲還有一個以戰鬥和數學聞名的俄國，他們也有一款優化軟體， 2010年成立DATADVANCE，2012年推出產品pSeven。不過用戶數量不多，可能僅局限於歐洲的客戶。

2014年一直活躍在設計優化領域的華人，依託位於溫哥華的在加拿大綜合性大學裡蟬聯冠軍的西蒙弗雷澤大學，創建了恩峰Empower Operations，並推出了基於人工智慧和機器學習的軟體OASIS。這款智能優化軟體，算法上優勢明顯，在通用汽車、世界知名手機A公司、福特汽車以及航空、新能源等領域得到廣泛的應用。

併購者的樂園

實際上，歐洲的modefrontier軟體面臨著另外一款全新的歐洲軟體的阻擊，那就是Noesis 公司的Optimus軟體，這是老牌比利時公司LMS在2003年成立的公司所開發的軟體。跟modeFrontier比較起來，Optimus軟體技術並無先進之處，但對外開放性很好。而在東方的日本，有一家以代理髮家的CAE公司Cybernet，在汽車行業深耕多年積累了大量的客戶。2010年Cybernet以500萬歐元收購了這家比利時的軟體。

在製造強國德國也有一個有意思的叫做Dynardo公司，2002年發布了一款OptiSLang軟體。雖然並無驕人的算法，但主推魯棒設計和可靠性設計，依然受到廣泛歡迎。它先是通過仿真巨頭ANSYS的渠道進入市場，並在去年被ANSYS以3千萬歐元收入門下。

在美國的本部，另有一個公司RedCedar引人注目。根植於毗鄰的密西根州立大學，是大名鼎鼎的遺傳算法的發源地。2004年公司推出HEEDS，其主要算法也是以遺傳算法為基礎。2013年被流體分析軟體CD-Adapco公司收購，而CD-Adapco也在2016年被西門子以9億7千萬美元收購。西門子一定是嗅到了市場對優化的需要，在接下來的西門子年會上第一次有了關於優化設計的分會場。

小有意思的是德國的西門子買了美國的RedCedar，而美國的ANSYS買的德國的Dynardo。

如果重新看一下這些優化軟體，會發現，併購方往往不是來自單一的CAD和CAE的廠家。因為設計優化軟體，正好介於CAD和CAE之間。達索和西門子都是有能力構建整個數字設計平臺和環境的巨頭。ANSYS作為全球CAE銷量第一，年銷售額15億美金的公司，最近這些年忙著買了眾多CAE仿真軟體，全部集成在Workbench平臺之上。通過優化軟體，可以方便地與這些CAE軟體集成。Cybernet雖然跟前幾個比起來，體量不在一個量級，但近幾年也收購了多款分析和仿真軟體，目標是要實現設計和仿真的一體化。

圖1 優化設計軟體的江湖

小記

未來的產品和流程設計，將是設計和仿真的一體化。同一個平臺，同一個工作間，通過優化技術，尤其是智能優化技術，將CAD與CAE聯結起來，實現自動學習和設計的迭代。以前兩個星期才能迭代一次設計，通過這樣的集成，在兩個星期內將有可能實現幾千次的智能迭代和優選，並且還無需人工參與。

傳統分離的CAD設計與CAE仿真，正在越來越緊密地聯繫在一起，數據正在加速進行迭代，而整個製造的進程，則會呈現一個全新不同的面貌。