從哈工大被禁用Matlab說起，淺談國產化工模擬軟體的現狀與發展

2020-09-25 YEboss的化學大雜燴

近日哈工大被禁用Matlab引起了業內不少討論，眾所周知我國在科研配套軟體上存在不少短板，與國外也有很大差距。在本文中，筆者嘗試從化工模擬軟體出發，主要分析現有化工模擬軟體的現狀，如果這些軟體都被封禁會對行業產生哪些影響，最後探討一下國產模擬軟體如何突圍。


常用的化工模擬軟體有哪些？

筆者這裡按模擬尺度及應用不同大致將其分為四類。

1.分子模擬軟體：這類軟體實際上屬於化學軟體範疇，按照模擬方法又可以大致分為分子動力學模擬以及量子化學模擬。常用的軟體有Gaussian，Material Studio，VASP，LAMMPS等。分子模擬軟體可以模擬分子內部鍵能，分子光譜性質，計算化學反應能量變化等。分子動力學還可以模擬，主要應用場景為藥物，催化劑，先進材料的篩選，物質物性模擬等。

2.流體力學模擬軟體：這類軟體主要用有限元法或有限體積法，對流體力學結構件進行模擬，常用軟體有ansys，fluent，openFOAM，COMSOL等等。流體力學模擬可以用於飛行器（飛機，飛彈，火箭）設計，在化工領域中常見的攪拌槳，氣體分布器等構件的設計均可以使用此類軟體進行輔助。

3.流程模擬軟體：這類軟體通過內置模型，進行化工流程的模擬，主要對化工的工藝設計進行輔助。化工專業所學習的精餾，萃取，換熱等單元操作均可以用此類軟體進行模擬。現在的流程模擬軟體還可以對化工流程進行動態仿真，模擬實時操作過程。流程模擬軟體主要有ASPEN，chemCAD，Pro/II。

4.輔助設計軟體：用於化工過程的輔助設計，可以用於製圖，配管設備布置的設計，此類軟體常見的就是autoCAD，PDMS等。

目前這四類軟體中，流體力學模擬，流程模擬，輔助設計軟體已經非常成熟，這種成熟在於其理論已經計算基本成型，人們已經知道哪類算法適用於哪些問題，存在的偏差大概是多少。在這種算法成熟的基礎上再結合設計經驗以及中小試實驗，人們已經可以利用這些工具計算進行設計開發產品了。後續此類軟體的發展提升空間比較有限，主要就是優化算法，改善人機界面，針對新過程引入新模塊。在理論方面，除了個別領域的一些頑固性問題外（例如可控核聚變中可能涉及的磁流體動力學，湍流直接模擬等），需要本質上進行更新的地方並不多。相對而言分子模擬軟體由於涉及到量子力學方面本身理論就還未完善，考慮到計算機算力進行簡化後常常出現錯誤的結果，屬於算法上還有問題的，目前應用並不是非常廣泛。雖然科研中常常以此為輔助來解釋實驗現象，但以量子力學出發直接設計出催化劑或者新材料的案例還沒有。倒是在分子動力學方面，近30年來發展迅速，目前已經在藥物點位篩選，藥物動力學研究上有了應用，現在西方很多的製藥公司，實際上都在用分子動力學進行藥物篩選，這方面我們和他們確實有很大差距。


採用分子分子模擬藥物與蛋白之間的作用，中醫原教旨主義者經常提到人體非常複雜，人體與藥物間的作用非常複雜，不依賴陰陽五行無法發展中醫藥。這裡就讓大家看看，面對更加複雜的藥物與蛋白靶點作用，現代科技是如何進行研究的。


化工軟體被禁會有多大影響？

我們會不會在化工模擬軟體上被卡脖子，導致相關技術的全面落後呢？如果有一天我們的模擬軟體完全被禁，我們的科研會受到多大影響呢？坦率地說，如果晶片方面的差距是10和100的話，那麼模擬軟體上的差距就是0和100的差距，我們國家幾乎沒有商業化的化工模擬軟體。但是這種差距實際上並不緊迫。即使是我們現在的模擬軟體完全被禁也不會對我們的化工研發行業有非常大的影響。

首先，大部分化工模擬軟體有破解版，可以脫機使用。

如果我們以產品為導向進行開發是完全不受影響的。就比如說我們用盜版的流體力學軟體設計出了一款飛彈，真打起戰來，飛彈發射出去了，總不能美國人說一句，「這飛彈含有美國技術，我們要對它進行制裁」，飛彈就倒退飛回發射井裡。我們的學生，科研人員對這些軟體進行學習也不受影響，你通過玩盜版aspen，學會了設計精餾塔，反應器，也不可能有一群美國人衝到你家裡，然後拿個機器對你腦子一掃描，你就把這些技術忘記了。


據筆者所知，某型號戰鬥機研發過程中大量採用了某國外商用軟體，那麼按照美國的特性，這軟體是正版還是盜版

其次，我們要擺正對計算機模擬技術的態度，以產品為導向。

有些人說，這些軟體雖然可以用盜版，但是要發論文的話必須使用正版軟體。至於發論文的問題，我認為論文導向本身就需要改變，尤其是這種以計算機模擬應用為題材的論文應當給予限制。我們用模擬軟體是為了什麼，為了減少研發成本，加快研發進度更好的做出產品，產品是我們的目的，如果以發論文為目的那就是本末倒置了。而且據我所知，很多所謂的模擬，都是實驗結果已經有了的情況下，利用軟體調節參數，拼湊出一個與實驗結果接近的模擬結果，實際上沒有意義。目前國家對於科研資源，科教人員職稱評定，學歷發放等內容越來越傾向於去論文化，以實際科研成果作為評定標準。因此相關軟體受到限制也正好讓科研人員的觀念進行一個調整，多幹實事，少水論文。

另外，化工模擬軟體可替代性較強，相關商業軟體均有替代方案。

這裡主要是指流程模擬軟體與流體力學軟體。目前開源流體力學軟體有openFOAM等，除了人機界面不太友好外，完全可以替代大部分ansys功能，某些方面甚至更加強大。流程模擬方面，實際上在前幾個月就出現過aspen序列號集體到期的情況，當時就已經引發關注，實際上aspen軟體的替代品也有，比如DWSIM和COCO。另外前文已經說過這兩類計算軟體算法已經基本成型，並且已經公開。在極端情況下，即使重新編寫做一個國產的出來，滿足基本需求也是難度不大的事情。

最後，分子模擬軟體目前應用有限，可以暫時跟跑。

分子模擬技術我們國家與世界先進水平差距相當大，甚至大於現在大家非常關注的晶片和半導體領域。晶片和半導體領域雖然我們有差距，但好歹產業鏈上的每一環，我們都有對應有1-2家企業，有華為，中芯之類的。這個專業畢業的學生好歹有個就業方向，半導體這個行業始終在發展。但是在藥物設計方面，我們卻沒有好的企業，培養的人才無處就業，從企業層面來看這個行業還沒有起步。分子模擬領域的差距其實比較危險，很容易發展成技術代差。實際上在藥物開發方面我們現在已經被西方拉開代差了，分子模擬技術的出現在其中有很大作用。試想一下，如果國外一旦在量子化學模擬方向上出現突破，那麼他們就有了短時間開發藥品，新材料，新型化工品的技術。這也會導致其他領域的突破，比如說可控核聚變的壁面材料，非矽基晶片，癌症特效藥等等。我們與西方的技術差距可能被重新拉大，就像蘇聯當年在工業上已經基本跟上西方國家，但是在半導體方面被西方開闢新戰場迅速拉開差距，導致整體科技落後。好在目前沒有這種突破出現的苗頭，根據現在理論更新的進度分析，近20年來出現這種突破的可能性不大，我們現在還可以耐心的採取跟跑戰術。但是一旦出現這種情況，我們必須依靠舉國之力，不惜一切代價跟上。


國產化工軟體的差距在哪？

我們首先要承認，我們國產的化工軟體與國外有著非常巨大的差距，雖然上面分析了，我們有很多替代方案，暫時尋求國產化工軟體完成進口替代並不是一個特別緊迫的任務。從產業上來說，半導體行業確實更加緊迫一些，優先發展無可厚非。但是在未來，我們有了精力，我們確實應該嘗試在化工軟體上有所突破，一方面可以作為進行技術談判，反制歐美的籌碼。另一方面，這個領域確實有著一定經濟利益。此外，如果我們在化工軟體方面形成技術壁壘，還可以對西方進行技術封鎖。

國產化工軟體最大的問題就是商業軟體的整個生態已經被外國軟體佔領。以流程模擬軟體為例：化工專業的學生上學的時候學的就是aspen，工作的時候用的也都是aspen。用了好幾年，如果這時候要換用一個其他軟體那麼其阻力可想而知。另外aspen並非是一個單純的計算工具，它本身的資料庫也非常強大，每年還和大量科研單位合作，更新數據。另外aspen的大量用戶也為該公司的新模塊開發，問題更新修復等工作提供了動力。如果我們國家要開發一款國產軟體雖然算法是現成的，我們可以做出來，但是如果要長期維護一個大型的資料庫，不斷更新模塊，修正bug，在目前的軟體生態環境下國產軟體很難做到。另外一個不得忽視的問題就是盜版問題，盜版大家都愛用，也成了習慣，而且前文所說，主流化工模擬軟體我們都可以用盜版，這就導致我國軟體企業即使做出了類似aspen的產品，也很難獲得經濟利益。另外版權問題不當要考慮國內，還要考慮國外盜版。當前智慧財產權體系是有利於西方的，因為外國專利比中國多。但是隨著中國科研產業的崛起，必然有一天，我們國家持有的專利會比美國這樣的國家多，這時候以西方的作風，他們就可能掀桌子，不承認現有專利體系。這樣一來未來我們持有的專利或者軟體版權就像今天我們持有的美債一樣，反而成為了我們的負擔。


作為化工流程模擬軟體aspen已經在我國的化工教學以及設計應用中佔有重要地位，談及流程模擬必提aspen

國產化工軟體如何突圍？

我們的化工軟體行業，現階段完全可以處於跟跑狀態，但是在未來，我們不可避免的要面對這個領域的超車和領跑問題。超車就是指我們要有自己的化工模擬軟體，同時打壓西方國家軟體企業的市場以及收益。領跑就是指當我們的化工軟體處於領先地位之後，如何利用我們的領先優勢壓制西方科學進步，創造壁壘獲取利益。

在談這個問題前，我們要來說說，如果我們國家做一款化工模擬軟體有哪些優勢。

首先是語言優勢，我們國家工程人員普遍使用中文，國外軟體大多為英文界面，學習使用有一定語言困難，一款全中文的軟體，比較容易獲得國內支持，尤其在高校教學中容易得到推廣。

其次程式語言方面我們有後發優勢，西方化工軟體由於產生時間較早，普遍採用C或者FORTRAN，這類語言已經有了一定滯後。但從開發角度來說，這些軟體的更新依舊需要用這類舊語言來完成，這就導致了計算效率和兼容性的問題。安裝過aspen的同學或多或少都出現過安裝問題，這就是這種情況的體現。如果未來的國產化工軟體能用新的程式語言編寫，在硬體兼容性上就有很大優勢。

最後，我們國家化工生產門類齊全，有利於針對特有流程採集數據。比如說染料等精細化工產品的生產，大部分都是在我國完成的。如果我們開發出一款針對這類過程的流程模擬軟體，我們能很輕易的得到aspen都搞不到的數據。

認識到這些優勢和劣勢，筆者認為國產化工軟體的突圍方向應該包含以下幾個：

1. 國家主導開源軟體項目

首先，以我國目前的智慧財產權保護現狀，進行商業軟體開發獲得的收益非常有限，難以為繼。同時智慧財產權保護體系本身就是西方主導的，用來壓制後發國家的。所以我們國家出現像ansys，aspen這樣的商業軟體企業是非常困難的。所以化工軟體開發應該走開源路線，也就是說面向用戶免費。至於開發者的利益方面，可以由國家牽頭對其進行補貼，保證開發者的積極性。同時也可以引入競爭機制，保證軟體開發質量。此外對於開源軟體的開發成果，國家也可以介入，通過封鎖地區IP或者其他技術方式對特定國外國家進行封鎖。

2. 針對特定過程的專用模擬軟體

由於目前廣泛的盜版軟體使用現狀，使得我們的國產軟體不可能以免費為賣點，必須在內容上超過外國商業軟體。而針對特定流程是其中一個非常有效的手段。用過aspen與fluent的人大概都會遇到這樣的情況，有些過程用這些軟體做不了。比如在aspen中，反應器模擬的模塊功能就非常有限，相當一部分反應器是無法模擬的，對於特定流程比如燃料化工，煤化工等，連相關的物性數據都很少。而且軟體本身非常大，但80%的功能很多人一輩子都用不到。

這些問題就給了我們開發專用模擬軟體的機會，針對特定的流程比如說染料化工等，由於我們國家相關產業比較成熟，可以有很多方式找到合作機會獲得專門的染料物性數據。針對染料生產流程專門開發一款模擬軟體，滿足這個行業的特定需求。在後期也可以同整個行業進行合作綁定，一有新染料品種和新設備，馬上添加到軟體中，這樣一來，在染料這個細分領域，我們完全可以做出能夠抗衡aspen的產品。甚至開發專用軟體完全可以由軟體使用方主導，舉例來說，如果一個廠是做煤化工的，完全可以根據自己的產品，做自己的工藝仿真軟體。數據來源可以是自己的生產研發數據，應用的對象也是自己專用的產品。仿真軟體也可以根據自己的生產數據與技術開發進度進行維護。簡單的說這就是農村包圍城市的路線，aspen這類產品大而全，我們就做小而精的東西，一個領域一個領域對aspen進行圍剿。

3. 軟體與產業鏈深入綁定

如果我們的化工軟體開發走專用軟體的路線，我們還應該要實現與產業鏈的深入綁定。從形成技術壁壘的角度上來看，任何專利技術如果不與生產產業鏈綁定那麼這些專利技術等於零。最為明顯的就是製藥行業，這個行業外國比我們先進很多，他們也依靠專利授權掙了不少錢。但是由於不和產業鏈綁定，面臨掀桌子式的侵權的時候很多情況下無計可施。就像大家都知道的印度，印度這樣的國家，工業如此落後，但只要公開不承認外國製藥專利，就能搞出仿製藥這個行業，獲得巨大收益。相反做的比較好的就是晶片開發的EDA軟體。這些軟體的開發企業直接與代工廠合作，深入嵌入代工工藝中，導致我們即使有了破解軟體，依舊無法與代工廠合作。我們未來的化工軟體也要走這樣的路線，與設備設計單位，設備生產單位，設備使用單位合作，嵌入整個產業鏈。比如在工藝仿真中可以引入我國廠商生產的具有特色的泵，攪拌器，甚至新型反應器。這樣西方即使剽竊了我們的技術，但是沒有我們的產業鏈依舊無法使用，只要我們把相關設備廠商一卡，我們也可以制裁外國企業了。


印度仿製藥一度引起國內的關注，實際上並非印度製藥技術有多先進，而是印度在專利體系上對西方掀了桌子。

4. 化工仿真教學應以開源軟體為主

最後提一點對於化工仿真教學方面的建議，目前各大高校均以商用軟體作為教學工具，這是非常不好的。主要有幾個問題，首先形成了業內使用商用軟體的大環境，不利於國產軟體發展。其次，商用軟體將內部計算過程進行了封裝，以此來教學容易導致學生只會操作不懂原理，對於培養優秀的模擬人才是沒有意義的。這幾年在面試化工專業畢業生的時候很多人都說自己會用aspen，但是仔細問一些計算原理和調試方面的問題，就會發現這些人只懂操作，只知道把數字填入對應的接口中，然後運行，對於背後的機理實際上一無所知。另外，掌握開源軟體也是業界對於從業人員的基本要求。目前國外的CFD工程師，招聘入門條件就是需要掌握一種商用軟體，外加一種開源軟體。對於化工仿真教學，對於本科生以了解與使用為主，建議先學開源軟體，了解計算原理，再用少量時間上手商用軟體，體驗商用軟體優秀的人機界面。對於研究生，博士階段的教學建議以開發為主，前文提過，我們要避免甚至限制以單純模擬應用為主的論文寫作，如果搞應用，那麼應該看重最終的產品，計算只是輔助。但對於軟體開發我們應當鼓勵，如果研究人員針對行業問題，開發一個計算工具，完全可以作為科研成果，享受升學畢業，職稱評定上的便利。前面提到的openFOAM甚至是linux作業系統，其內核都是由博士生做出來的。


流體力學模擬軟體openFOAM最初就是克羅埃西亞人Hrvoje Jasak在讀博期間編寫的。已經成為主要的開源CFD軟體

最後還是祝願我們國家的化工行業有自己的模擬軟體，當然作為從業人員我們也應當要理解化工模擬軟體並不是非常緊迫的，對於國家暫時把資源投向更重要更核心的領域，我們也應當支持。

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