國防工業如何造就了工業軟件
http://www.debgrams.com 2018-10-19 15:51 來源：知識自動化
軍方吃到了死螃蟹
二戰前后，模擬計算機是二戰中的計算主力，它控制了幾乎所有炮彈的方向。這些計算機就像哪吒一樣，駕馭著那些呼嘯的火球，在海陸空全方位的爆炸。計算力，主宰了軍方從火炮控制到魚雷瞄準、再到諜報的密碼分析。這是軍事引領計算和軟件發展的時代。
1946年研制成功的電子計算機ENIAC享盡美譽（盡管另外一臺不具備編程的ABC計算機也在爭奪這份榮譽），這是第一臺以數值運算為目的的計算機，這是一個計算機史上的傳奇，太多商業上的狗血故事圍繞著它而來。然而，它迎來的第一個主顧，卻正是軍火承包商。
1949年，美國著名軍火商諾斯羅普·格魯曼（Northrop-Grumman）委托ENIAC之父所創建的科學家公司（后來被大名鼎鼎的蘭德公司所收購），建立了一臺二進制自動化計算機（BINAC）。由于是受客戶委托定制，可以認為這是第一臺商用計算機。這是一臺基于合同的計算機，可惜只生產了一臺。
這是一次失敗的商業化，因為它并不能投入使用。雙方扯皮之后，最后不了了之。
這個時候并無大型程序的概念，因為存儲空間完全不足。這臺計算機的測試程序也不過50行代碼。然而，這可以算是工業軟件最早的萌芽。這次萌芽，與軍火生意密切相關。
軍方吃到了一只死螃蟹。然而軍方不為失敗所動。
實際上，在整個四十年代，根據《軟件工程通史》作者Jones的統計，軍事和國防的軟件應用數量，占據了整個市場的50%；剩下的38%則都是為科學服務的。當然，那個時候，科學也是為國防服務的。
工業軟件，正是美國國防部一手扶持起來的。
史上最昂貴的軟件來自軍方
二戰一結束，所有圍繞槍炮和導彈的工業軟件，似乎都可以消停了。然而，就在美國于日本投下兩顆原子彈之后的同一個月份，蘇聯也引爆了自己的原子彈。這是一個同歸于盡的概念。整個世界，立刻變得哇涼哇涼。
這次引爆，對計算機和軟件的發展，意外地產生了極其重要的影響。為了抗衡蘇聯的原子彈，美國決定引入一個大型防空系統SAGE（Semi-Automatic Ground Environment），保護美國本土不受敵方遠程轟炸機攜帶核彈的突然侵襲。這是最早的網絡戰的思路，通過美國各地的雷達站，將監測到的敵機動向傳送到空軍總部。空軍指揮員則通過總部的顯示器來跟蹤敵機的行蹤，進而命令就近軍分區進行攔截。
SAGE整個技術方案是由MIT林肯實驗室負責制定的，于1957年投入試運行。在一系列的競標中，IBM戰勝了雷神等競爭對手，被委托開發SAGE系統。IBM重新搭建新班子、租用新場地完成開發。
最初的SAGE，采用低級語言（匯編語言）編寫，達到50萬行代碼，使其成為最大的軟件應用。實際上，這個系統吸引了很多公司參與開發。SAGE軟件開發計劃成了軟件工程開發中最“崇高”的事業之一。當時美國程序員的數目大約為1200名，而有700人為SAGE項目工作。著名的智囊公司蘭德（Rand）在1959年也加入其中，并成立了獨立的公司——系統開發公司（SDC），以進一步開發這個估計需要100萬行代碼的軟件。
從五十年代開始，SAGE是當時最大的計算機和軍用軟件的應用程序，是軍事預算的饑餓巨獸。到了六十年代，這個項目投入達到了驚人的120億美元（按可比價格算，投入規模相當于2014年的1000億美元）。這種巨量投入，使得SAGE成為徹底顛覆三觀的軟件野蠻人。
作為當時世界上最大的計算機及軍用軟件應用，SAGE防空系統集成了計算機、工業軟件、通信和網絡的成就，一時也是獨霸一方。它正在預示著全新的現代信息戰爭的曙光。
然而SAGE系統高昂的費用，讓它無法持續太久。SAGE計劃并未完全實施，到了60年代中期就下馬了。此時，軍民合用的概念也開始出現。后來出現的聯合監視系統，就是為了減輕SAGE系統造成的沉重經濟負擔。軍、民用雷達盡可能兼用，以減少雷達運行費用，并用13個空軍和聯邦防空局的聯合控制中心替代了SAGE系統的控制中心。此舉據說減少了6000名工作人員，大大節省了開支。
SAGE系統一直使用到1983年才得以退役。這個龐大的軟件系統推動了一個里程碑的變化，真正改變了美國國家對國防部的預算態度，從此以后，武器的軟件開支，也成為國家預算最為重要的支出。
這是一個典型的軍民融合的故事。然而最精彩的地方，依然是SAGE帶來的工業軟件技術的孵化。它的研究成果在民用工業中發揚光大，導致傳統的工程設計繪圖方法發生了革命性變化。
CAD誕生了！從SAGE走向交互
1950年，美國麻省理工學院MIT在旋風Ⅰ型計算機顯示器上生成了簡單圖形。接著MIT主持了美國國防部防空系統SAGE的方案研制。當時一種全新的人機交互工具——光筆，開始誕生。光筆可以對屏幕上的字符串進行控制，這種交互操作方式，就像是使用鼠標器來選擇菜單。
將SAGE計劃中的光筆交互圖形技術應用到工程繪圖中來，要歸功于麻省的伊凡（Ivan E. Sutherland）。他在1963年完成了博士論文，并完成了使用光筆在計算機屏幕上選取、定位圖形要素的Sketch-Pad系統，實現了人機對話式的交互作業。同時提出將圖形分解為子圖和圖元的層次數據結構，為60年代中至70年代末計算機輔助繪圖（此時CAD還停留在“繪圖”而非“設計”的意義上）技術的大發展，奠定了原型示范基礎。
與此同時，1964年秋IBM公司著手開發交互圖形終端的第一代產品IBM2250，最早采用光筆作為交互輸入手段，并配有一組32個功能鍵，以便執行畫直線、圓弧、虛線、標注尺寸、提取子圖等宏命令。
CAD像一只要出竅的小雞，啄食著最后要穿破的蛋殼。
而此時，美國工業正處于突飛猛進的時期，最具象征性的兩大行業迅速做出反應。
首先是汽車工業，美國通用汽車公司與IBM合作，開發了DAC-1計算機設計加強系統(Design Augmented by Computer)。
與此同時，美國洛克希德飛機公司和麥克唐納飛機公司也各自獨立在IBM2250上開發二維繪圖系統，前者稱為CADAM，后者則稱為CADD。從60年代末起，逐漸在這些系統中增加曲線和曲面功能、數控加工編程功能等，形成了最早的計算機輔助設計、制造（簡稱CAD/CAM）系統。從1974年起CADAM正式作為商品對外出售，成為70年代至80年代中期IBM主機上應用最廣的第一代CAD/CAM軟件產品。
歐洲也做出了反應。以幻影2000和陣風戰斗機而聞名的法國達索航空的CAD/CAM部門開發了知名的CATIA軟件，隨后軟件部門分離出來并形成獨立的達索系統公司。達索航空首先是CATIA的開發者，隨后是堅定的用戶和支持者。達索同時還積極引進洛克希德馬丁公司的CADAM軟件進行學習。時運輪流轉，1989年洛克希德飛機公司缺少資金開發新型戰斗機，決定出售CADAM子公司。作為老合作方，IBM在1990年1月用2.7億美元收購CADAM，并于1992年起托付達索管理。
這種跨國之間的工程知識融合，帶有強烈的軍方色彩，造就了來日輝煌的三大高端CAD軟件之一的CATIA。它繼承了法國達索和美國洛克希德兩家頂級軍機制造商的傳統，因此也成為當前航空工業中必不可少的軟件。
沒有軍方，就沒有CAD產業
80年代初，CAD系統價格依然令一般企業望而卻步，這使得CAD技術無法擁有更廣闊的市場。當時CAD、CAE技術價格極其昂貴(也許還有人記得，曾幾何時，在國內租用一套CATIA的年租金即需15～20萬美元；而MSC NASTRAN仿真軟件在1988年第一次進入中國時， IBM4381大型機版本，三年租期就是19萬美元)。另外，軟件商品化程度一般都很低。由于開發者本身也是CAD大用戶，因此彼此之間技術保密。只有少數幾家受到國家財政支持的軍火商，在70年代冷戰時期才有條件獨立開發或依托某廠商發展CAD技術。例如CADAM 由美國洛克希德公司支持，CALMA 由美國通用電氣公司開發，CV 得到了波音、麥道、GE和羅羅發動機等的支持。I-DEAS 由美國國家航空及宇航局支持，UG 由美國麥道公司開發，CATIA則由法國達索航空開發。
此一刻，除了軍工行業之外，CAD技術同樣吸引了如日中天的民用汽車制造巨頭。汽車制造商紛紛開始摸索開發一些曲面系統為自己服務，如大眾汽車公司 SURF、福特汽車公司 PDGS、雷諾汽車公司EUCLID。還有豐田、通用汽車公司等都開發了自己的CAD系統。然而，由于無軍方支持，開發經費及經驗不足，其開發出來的軟件商品化程度都較軍方支持的系統要低，功能覆蓋面和軟件水平亦相差較大。
這些喧鬧的公司，經過幾十年的發展和上百次的并購，最后被合并同類項之后，形成了今天的工業軟件寡頭壟斷的局面。一個簡明扼要的印象是，在高端CAD的三家企業中，與波音交往密集的 CV公司所出走的管理層創立了獨樹一幟的PTC公司，達索飛機直接誕生了CATIA，麥道公司一手成就了UG（現在的西門子PLM部門）。
如果為了簡化復雜的歷史輪廓，拋開曲折的并購商業史，可以得出一句干脆的結論：沒有軍方支持的CAD軟件，最后不可能活下來。
同樣在中國，某型號軍機也是CATIA V5在全球的第一個用戶。來自中國軍機用戶者的大量建議使得V5得以快速完善。商業化之路，更加穩健。
同樣，如果去翻看仿真軟件CAE的歷史，也寫滿了軍方和航空航天的強烈印記。
除了軟件產品本身，美國軍方在制定工業軟件的標準上，從未有過遲鈍的時候。隨著各種計算軟件的使用，相互交換產品信息成為一種必須。許多國家紛紛開始制定數字化產品的格式標準。這其中最有影響力的，當屬于美國提出的原始圖形交換規范IGES（Initial Graphics Exchange Specification）。它是由美國空軍提出集成計算機輔助制造ICAM計劃，由美國國家標準局NBS組織波音公司、通用電氣等共同商議制定。1980年初公布第一版，它已經成為事實上的國際標準，幾乎所有的CAD系統都配置IGES接口。它也極大地促進了其他格式的發展。1982年美國空軍再次以麥道軍機部為主，形成了產品數據交換規范，并成為ISO制定的STEP標準的重要支撐。
順便提一句，美國空軍的這個ICAM計劃，一方面對分析設計方法影響深遠，IDEF方法論風靡一時；更重要的是，它帶動了另外一個宏大的柔性制造的計劃，那就是CIMS工程。它被納入到863計劃，成為中國制造業走向信息化的重要契機，甩圖板成為信息化的啟蒙課本，對中國當前的從業人員影響深遠。
不妨可以說，中國的CAD行業，還帶有一點點遙遠的美國軍部的氣息。
快進！STOP！情節都一樣
隨后三十年，我們可以按下快進鍵一閃而過。這些被國防軍工所孵化、養大、送上馬的工業軟件商們，都已經樂滋滋地走上了市場化的道路。有了國防軍工大把經費的多年滋養，通過并購、國際化的路線，他們已經完全走向成熟的企業。然而，軍方依然像一個不離不棄的大奶媽，繼續毫不動搖地支持工業軟件的發展。
在2018年7月份，國防部推動的“電子復興計劃ERI”所公開的五年項目中，電子設計軟件EDA毫不意外地獲得了同級項目中金額最多的扶持。像在EDA領域穩坐頭把交椅的CADENCE公司，一年研發投入近60億人民幣，依然享受軍方的呵護有加，額外掏錢支持工業軟件做面向未來的創新設計。這奶媽當的，自然也是天下無敵。這就是美國軍方的思路：要讓電子產業更強，電子設計軟件先行。
工業軟件的成功，固然離不開工業巨頭的撫養，而更重要的是知識產權的轉換機制，需要精心設計、無縫銜接。誕生于波音公司的EASY5，最早其實是為軍方開發使用的，隨后由波音公司完成了商業化，包含了飛機設計過程中實戰而來的各種數據,將近500多個數據庫模塊。經過近30年的不斷積累和大量工程問題的檢驗，可謂是波音公司工程仿真經驗的結晶。而在2002年，當時還是獨立的仿真軟件公司 MSC，從波音手中收購EASY5，隨后升級為Windows版本，并推向市場。一時間，從軍方的項目扶持，到主機廠的接手豐富，再到獨立軟件公司的徹底商業化，產權轉換輕松自如。
反觀中國，也有很多好的產品，例如中國空氣動力研究與發展中心的風雷軟件PHengLei、航空623所的大型結構分析軟件HAJIF。早在1985年，623主導的HAJIF有限元分析軟件獲國家科技進步一等獎。工程師們花費數十年的心血，造就了鋒利的寶劍。而它們的命運卻多是趴窩守家而已，呆在原地不動。就像嵌在墻壁上的魔法棒，閃閃發光，卻無人敢于從體制高墻摘下來揮舞。
然而， 沒有新的動力源引入，魔法棒也會失效。沒有商業化的環境，這些體系內的封閉專業軟件（In-house）只能在奄奄一息中勉強續命，餓得皮包骨頭，勉強為少得可憐的用戶進行服務。
一方面地里缺種少苗，一方面讓僅存的莊稼苗餓著。一時間也是中國工業軟件的無邊尷尬。
小記：工業軟件就是一筆最秘密的軍火生意
可能會讓所有人都感到驚訝的是，美國國防部（DoD）其實是全世界最大的軟件擁有者。在美國，軍事軟件一直就是可以獨立成章的單獨類別。在最近幾十年的商業史中，密密麻麻寫滿了軟件的傳奇故事：無論是Windows 95開創的個人PC機的巔峰時代，還是輝煌一時的互聯網，或者是打爆天下的移動互聯網、云計算、人工智能、APP軟件時代。然而，從1990年開始到現在的三十年間，即使應用軟件數量經歷了大爆炸般地爆發，美國軍事和國防應用軟件的數量，依然牢牢地占據了16%的比例。然而，任你游戲榮耀、任你娛樂致死、任你雨后春筍APP，大小軟件多如牛毛，美國國防軍工的應用軟件的發展勢頭，從不減速。
表1 工業軟件就是一筆軍火生意
（作圖：林雪萍；數據來源：《軟件工程通史》）
如此來看，從代碼的數量而言，全球頭號軍火商洛克希德馬丁很早就超越微軟成為最大的軟件商，也就毫不奇怪了。隨著美軍向“網絡中心戰NCW”轉移，各類武器統一上網，指揮中心將一統天下。軟件大鱷洛馬自然也成為最大贏家。一個單兵就是全系統，這才是未來的武器之王！而這背后需要多少軟件的支持？
落雨知時節，潤物細無聲，美國軍工行業一直高調而持久地推動著民用工業軟件的發展。工業軟件其實就是一筆看不見的軍火生意。
軍工，才是工業軟件之母。
編輯精選
