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導讀 在國家戰略層面，美國確實是把科學計算和建模仿真作為服務于國家利益的關鍵技術，從未停止吶喊，從未停止投資。產業發展的核心，是培育多方產業主體，確定其在價值鏈上的上下之分，促使他們在市場競爭和商業運作中持續協調和發展新的關系，直到價值鏈解體和再造。 美國最早發展CAE是從美國航空航天局NASA開始。在國家資金的支持下，NASA開發了著名的有限元分析軟件Nastran。1971年MSC公司改良Nastran了這個程序，成為美國仿真軟件的鼻祖。 政府的努力：國家戰略投資計劃 在美國領先世界航空航天和國防科技工業誕生了CAE產業的萌芽。美國的科學家們敏銳地識別到計算正在成為與理論和實驗并列的第三種科學研究范式。他們清晰的定義了這種變化，并將之呈報給美國政府。美國政府采納了他們的觀點，并通過各種國家戰略計劃的投資眾多科學計算基礎設施，實施了大量產業培育舉措。這是CAE產業最早在美國得到蓬勃發展的一個重要因素。 在“再工業化”浪潮中，美國政府尤其重視建模仿真技術在制造業發展中的作用，再次明確了CAE產業的戰略地位。2009年美國“競爭力委員會”白皮書《美國制造業——依靠建模和模擬保持全球領導地位》，將建模、模擬和分析的高性能計算，視為維系美國制造業競爭力戰略的王牌。2010年發布《高性能計算與美國制造業圓桌會議報告》白皮書，指出高性能計算建模與模擬能夠顯著縮短設計周期等，加強競爭力。2011年美國推出高端制造合作伙伴計劃AMP，重構先進制造發展理念，重點發展三大領域：開發面向復雜系統的設計工具、開發模塊化制造設備、開放式參與平臺——都圍繞數值模擬技術的軟件工具和軟件應用平臺。2012年發布《國家先進制造戰略計劃》再次明確要重點發展數值模擬分析技術。 在國家戰略層面，美國確實是把科學計算和建模仿真作為服務于國家利益的關鍵技術，從未停止吶喊，從未停止投資。 美國CAE發展的伴生工程 產業發展的核心，是培育多方產業主體，確定其在價值鏈上的上下之分，促使他們在市場競爭和商業運作中持續協調和發展新的關系，直到價值鏈解體和再造。CAE產業發展的核心需求，源于軍方對裝備技術數據（工程內容）的數字化要求和軍工企業對工程過程和工程環境的數字化和智能化需求。軍方和軍工企業通過各種工程發展計劃表達和實現相關的發展需求，產生了大量的共性技術成果，經過各種技術轉化機制進入產業界，創造了眾多的創業機遇，這正是美國CAE產業發展的源頭活水。
表1 美國推動科學計算和建模仿真的戰略舉措 （南山工業書院研究組整理） 美軍CALS計劃 20世紀80年代中期美國國防部提出了CALS計劃，其含義是“計算機輔助后勤保障”，實施的重點是推廣裝備產品的電子技術手冊。在20世紀90年代中期，美國國防部將CALS的內涵發展為“持續采辦與全壽命支持”，并明確提出實施CALS的發展目標是營造“集成數據環境（IDE）”。 30多年以來，美國國防部一直將CALS看作是武器裝備采辦工作從基于紙張的手工工作方式向高度電子化、集成化和自動化過渡的一項戰略措施，在很多武器裝備型號中實施CALS，取得了明顯的效益。美國國防部的經驗在國際上產生了很好的影響，被很多國家廣泛采納。進入21世紀以來，CALS有望在前兩個階段的發展基礎上，進一步成長為武器裝備產品和工業產品的“電子商務”。 在20世紀70-80年代期間，武器裝備的發展十分迅速，后勤保障需要的技術資料種類繁多、數量巨大，培訓、維修和保養等工作難度十分大。另一方面，盡管CAD、CAE和CAM技術已經成功運用于軍工領域，但是武器裝備承包商依然在采用手工方式向軍方交付紙介質的各種管理文件、技術文檔和后勤保障技術手冊。使用手工方式交付紙介質技術手冊的傳統做法，已經成為當時美國軍方裝備后勤保障的突出問題。 面對大型復雜武器裝備研制周期長、可靠性和可維修性差、研制費用和后勤保障費用高等諸多問題，美國國防部研究和推廣并行工程思想和集成后勤保障等工程理論，使得在武器裝備的研制設計早期階段就充分考慮到生產制造和維修保障等階段的問題，同時提出CALS將計算機技術應用于武器裝備后勤保障工作。美國國防部在1990年9月28日發布軍用手冊MIL-HDBK-59A《計算機輔助采辦與后勤保障計劃實施指南》，在附錄A中明確指出“實施CALS的近期工作主要是向承包商采購保障維修武器裝備所需要的電子化備件工程圖樣、維修技術手冊、后勤保障分析記錄等”。因此，在20世紀80年代到90年代初期，實施CALS的重點放在研究和推廣交互式電子化技術手冊（IETM）方面（參見工業百條：交互電子技術手冊IETM）。 在實踐中，美國軍方和美國軍事工業界逐步認識到，不能把CALS僅看作像CAD或CAM那樣單純的“計算機輔助技術”，逐步將CALS的內涵發展為“持續采辦與全壽命支持”，明確提出CALS的發展目標是“集成數據環境”，為軍方與承包商協同運作武器裝備采辦及武器裝備研制生產創造條件。早在1996年，美國國防部CALS辦公室發布《國防部集成數據環境技術計劃》，再一次把CALS的最終目標定位為實現集成數據環境。在集成數據環境中，把武器裝備等大型復雜產品各方面的信息數據，包括產品技術數據和項目管理數據有序存儲在大數據庫內，相關的工作人員可以隨時隨地通過網絡提交和獲取需要的工作信息。實施以“持續采辦與全壽命支持”為內涵的CALS，其工作重點是推進系統集成和信息集成，發展集成數字化信息環境。 CALS的另一個發展方向是向電子商務方向發展。2001年1月在日本東京舉辦的CALS暨電子商務國際研討會上，美國國防信息系統局在會上發表了《數據是關鍵》的報告，說明在美國實施CALS就意味著在電子商務環境中運作武器裝備采辦業務。 美軍建模仿真主計劃 為了解決建模與仿真的有關問題，1995年10月，美國國防部制定了一項《國防部建模與仿真主計劃》,并以國防部指令的形式頒布（DoD 5000.59-P,1995~2000）。該計劃提出了六項目標：創建建模和仿真的通用技術框架；即使提供自然環境的權威表示；提供系統的權威表示；提供人類行為的權威表示；建立滿足用戶和開發人員需要的建模仿真基礎設施；共享建模仿真成果。推行該計劃的總體目的在于建立人、自然環境、系統等的權威表達，促進各類模型與仿真應用之間，以及各類模型與相關C4I系統之間的互操作性，促進建模與仿真構件的重用，實現建模仿真的靈活性與高性能。使命空間概念模型、高層體系結構和數據標準構成了建模仿真通用技術框架的三個組成部分。 美軍建模仿真主計劃的執行，為基于仿真的采辦提供了框架和基礎設施，而基于仿真的設計以及基于仿真的采辦模式，為CAD和CAE產業的發展提供了穩定的市場需求。 NSF和NASA“先進工程環境”研究計劃 “先進工程環境”研究項目，是由美國國家科學院和NASA共同發起，由美國國家研究委員會工程技術系統分會航空航天工程專業組先進工程環境研究組負責實施，研究組成員來自洛馬、蘭德、波音、福特、維吉尼亞大學、休斯頓大學、喬治亞理工大學、普渡大學、美國海軍研究生院等軍工企業、咨詢公司和院校，從1998年開始，分兩個階段進行研究。第一階段著眼于未來5年內的先進工程環境（AEE）發展需求，第二階段著眼于未來5-15年內先進工程環境（AEE）的發展需求。 AEE研究項目定義了“先進工程環境”的概念，并識別了發展先進工程環境的歷史性機遇，這種機遇是建立在過去15年里CADCAECAM技術的成熟應用基礎上，計算機能力大幅提升、工程模型日益成熟、仿真技術飛速進步。先進工程環境可能產生的影響或可與互聯網鼻祖ARPANET相提并論，但面臨的技術挑戰要遠大于ARPANET，因此需要盡早以政-產-學聯合的方式推進，開發開放式集成架構和功能配置，引導可用可互操作軟件工具的開發，實施讓軟件產業和軍工企業皆可從中受益的科技成果推廣應用方案，集中進行知識管理等。 專用軟件工具應留給產業界研究開發，而政府部門組織的研究力量不應該過于關注商業工具能夠解決的問題。相對應的，政府組織應通過一系列措施，支持共性通用先進工程環境技術、系統和實踐的開發。 在AEE研究過程中，NASA啟動了“智能綜合環境”舉措，為AEE賦能，具體包含五方面的要素，分別是：快速綜合與仿真工具；費用和風險管理技術；全生命周期集成與驗證；協同工程環境；文化變革、培訓和教育等。 在AEE研究過程中，美國國防部資助了一系列技術和過程研發項目。比如說DARPA的“基于仿真設計倡議”，是為了開發開放靈活的系統，以支持使用虛擬樣機、虛擬環境和共享產品信息模型的并行工程。國防部及各軍兵種的實驗室也積極推動基于仿真的采辦，為軍工企業的專業技術力量提供集成于采辦流程的協同仿真技術，特別提出要有效使能集成產品和過程開發（IPPD）。 在AEE研究過程中，美國國家科學基金會在“知識和分布式智能倡議”的目錄下，資助了一系列跨學科研究。美國能源部發起了“分布式協同實驗環境”項目，定義了通過虛擬實驗室聚集美國國家實驗室資源的系統需求。 AEE研究論證了在未來5年（1998-2003）和5到15年（2003-2013）這兩個階段推進先進工程環境的舉措，定義了政府、產業界和學術界在其中應承擔的角色和責任，并預見性的指出未來的先進工程環境一定是建立在互聯網技術的基礎上，需要攻克“互操作性”和“應用組合”這兩大難題。
表2 NASA技術軟件轉移內容 （南山工業書院研究組整理）
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