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深夜摔键盘

CAD产业发展回顾与思考之七

回溯历史 凭事实探索规律  

四十年来各种CAD系统不断产生，又不断融合、消亡，至今形成全球范围的三大高端主流系统 达索/CATIA、EDS/UG和PTC/ProE, 这种产业格局是怎样形成的，发展前景又将如何？   
飞机、汽车和造船工业是制造业的巨头，是国民经济和国防的支柱产业。这些工业又都是使用全尺寸放样、样板和标准样件作为外形配合的协调工具，对数字化设计制造的要求最为迫切。因此，CAD的应用开发自然先从这些骨干企业开始。最初, 大型企业的计算机主导配置是IBM主机和2250光笔图形终端。其中最早获得成功应用的系统有美国麦道公司的CADD和洛克希德公司的CADAM。CADD用于F15战斗机的研制，对外不开放，只提供协作单位Northrop公司使用；同时在小型机上开发数控加工编程系统，用于F15等的零件制造，以后发展为UG系统。法国达索飞机公司开展CAD活动稍晚，但是晚有晚的好处，对CAD系统的功能开发从一开始就考虑得更加周到，避开二维，直攻三维，将产品命名为计算机辅助三维交互应用，简称CATIA，一举覆盖了曲面、线框、实体、加工、机构分析和机器人操作规划。达索善于学习，近学雷诺，远学洛克希德，又与蓝色巨人IBM结盟。雷诺汽车厂就在巴黎，周恩来总理曾在这里勤工俭学，意大利广场附近的Godefroy旅馆门边钉有铜牌，纪念他1922-1924在此寄宿。1968年末贝齐埃（P. Bézier）在雷诺厂配置了一台数控绘图机和一台数控铣床，1972年起用CAD/CAM技术设计汽车车身外形和加工模具。他领导研制了Unisurf曲面造型、SurfAPT曲面加工和RA3D实体造型系统，还开发了多种工业机器人。雷诺的这些前沿实践为达索提供了另一渠道的直接借鉴。   
以CADAM和CATIA为代表的IBM主机版CAD系统的开发进度较慢，市场回报速度也慢，从下表的统计数字可以看出，基于16位小型机的CV、Intergraph等小型CAD系统一度在CAD市场上领先，直到1985年后IBM（即CADAM和CATIA）的年销售额才达到US＄7.5亿，稳居市场份额首位。在这7.5亿中CADAM占大头，CATIA只占几千万元。   

表1 国外CAD系统的年销售额变化对照   
公司名 年销售额，百万美元   
1978 1981 1982 1983 1984 1985 1986   
CV 49 300 325 400.3 542 441 410   
Intergraph 18 83 155 252 402 526 705   
Calma 30 117 140 215 210 200 210   
IBM 40 260 474 530 750 1015   
UG 40 69.8 105 171 231   
能否这样认识，CV、Intergraph等小型机系统虽然在1981-1986年前后红极一时，年销售额从不到5千万美元迅速跃升到5-7亿多，但是这些快速成长企业的人员素质和技术基础终究赶不上大器晚成的达索/CATIA和麦道/UG。在IBM主机版CATIA，超小型机VAX版UG、工作站版Pro/E和微机版AutoCAD等稳步形成的品牌壁垒下都难以生存，只有逐个被兼并到这些优胜企业中去。
   
企业要求CAD集成和面向PLM  
CAD是普遍适用的高新技术，引发了制造业的数字化革命，锋芒所指，所向披靡，使得所有企业禁不住先用为快，于是价格较低的各种小系统自然成为首选目标。这时大多数CAD用户正处于幼年的自发阶段，连波音这样的大公司也不例外。波音飞机公司应用和开发CAD/CAM技术的历程很值得研究，她大体经历了三个阶段：   
第一阶段1975-1980年，其突出标志是使用成套小型机系统，累计共有247个CV站位和160个Gerber站位，用于机械和电器设计。这些系统的典型配置是一台小型机（如PDP-11，Nova，HP，Prime）连接4到8个图形终端，价格在10万美元上下。这种配置在应用中逐渐暴露出一个尖锐的矛盾，即系统间互不连通，不能与IBM主机上建立的飞机外形主模型直接通信。于是波音着手建立信息交换网，将不同的计算机系统联网，进行数据格式转换，使不同系统融为一体。这项工程称作CIIN-计算机集成信息网络，1978年投入使用，据说耗费了4千万美元。1979年12月波音向美国国家标准局NBS提出倡议，制订IGES图形交换标准，并积极参与标准的草拟。1980年1月NBS颁布了IGES 1.0版。经过不断修订，IGES至今仍广泛应用于异构CAD系统之间的曲面数据交换。   
第二阶段1980-1985年，着手自主开发CAD/CAM集成系统，称作TIGER计划。系统采用模块化层次结构，可以运行于IBM主机、IBM/PC、VAX和Apollo四种机型操作系统。前后共投入250人年，耗资3千万美元，最后因达不到预期效果而中途下马。其中NURBS曲面系统后来被应用于ACIS平台。   
第三阶段1985年末，波音访问达索，决定清一色采用CATIA，逐渐取代现有的多样化系统。1989年9月我们去西雅图访问，波音当时使用IBM3090/600S等4台主机，每台主机连接350至450个5080图形终端，交互响应速度较慢，而且主机一旦出现故障，将有2000人窝工并且大量丢失数据。运行费高，每个图形终端的使用费包括主机、通信、软件等在内，大约每年10万美元，1600个终端就是1.6亿。   
1990年10月波音启动新一代客机B777的全新设计，采用复合材料部件、电传操纵等新技术，全面展开三维实体建模。1994年4月9日首架飞机推出装配厂房，全厂工人汇集厂房前，热烈庆祝了一整天。再隔一年，1995年5月飞机以成批生产的节奏交付使用，飞机出厂直接投入航线飞行。一架全新大型客机，以50亿美元投资4年半时间从设计到批生产无故障一步成功，同一架飞机可以互换安装Rolls Royce、GE和P＆W三种型号发动机，这不能不说是飞机设计史上的一个奇迹。当时777的订货周期是18个月，计划缩短到12个月，以后再缩短到6个月。为此波音正在改造原有的800多套管理系统，将这些系统电脑化，并向卓越工厂（Brilliant Factory）的目标迈进, 设想用计算机自动记录工人的生产活动,从中发现窝工、低效环节，进行优化，迭代提高生产效率。由此对CAD系统提出了更高要求，不但产品设计数据要一体化集成，而且CAD要面向PLM产品全生命期管理，实现CAD/CAE/CAM/PDM/ERP全程一体化。这时经过多年的应用实践和成功企业的先进经验传布，广大CAD用户已经从自发上升到自为阶段，学会了从更广阔的视角来选择CAD系统。独立的小系统如果不能与主流系统挂钩，融入PLM体系，被用户选购的机会将越来越少。   

CAD厂商的发展和生存越来越艰难   
压力来自多方面。计算机硬件不断降价，摩尔定律断定微处理器的速度会每18个月翻一倍，而贝尔定律则认为如果保持计算能力不变，微处理器的价格和体积每18个月减小一半。在网络时代计算将无所不在，而且收费将越来越低。乔治·吉尔德曾预测，未来25年里主干网的带宽将每6个月增加一倍，比CPU的增长速度快得多。CAD软件同样在降价，但是开发和维护成本却在不断上升。源码越攒越多，编程语言越来越杂，计算误差的控制越来越难，而广大用户总会不断提出新问题、新要求，要想满足这些要求的难度越来越大。回到表1，在1984-1986年，CAD厂商年销售额达到5-10亿美元好像并不很难，而15年后，2001年5月23日美国EDS宣布将用9.5亿美元现金收购SDRC，目的在使合并后的UGS和SDRC在数字化、网络协同、全生命期产品开发的全球软件市场上占据首位，年销售额超过10亿美元。2000年度UGS和SDRC的销售额分别为US＄5.26亿和4.52亿，EDS为192亿。   
《航空知识》1996（12）汪亚卫写 世界航空工业发展大趋势一文指出：由于冷战结束以及世界性普遍的经济萧条，美、欧及前苏联大幅度裁减军费，使得军用飞机的市场萎缩，企业合并出现高潮。美国航空工业企业原来规模很大，近年来通用动力公司、格鲁门公司、马丁·玛丽埃塔公司、罗克韦尔公司、威斯汀豪斯公司等昔日大企业已被并入其他公司。美国大公司的数量减少，而实力却在大大加强，政府的扶持与保护仍然十分重要。1996年12月波音与麦道宣布合并，交易金额133亿美元，翌年销售额可望达到480亿美元，成为世界最大航空航天公司。美国的大型客机在1979年时有3种：B747、L1011和DC10，现在只剩波音一家，与欧洲空中客车相对抗。Chrysler汽车公司原在美国名列第三，1993年销售额为US＄436亿，纯利润24亿，1994年销售额522亿，纯利润37亿。1998年并入德国Daimler Benz集团，成为DaimlerChrysler，生产的客车品牌有Maybach，Mercedes-Benz，Chrysler，Jeep，Dodge等，2002年度收入US＄1588亿，共售出客车405万辆，商用车48.54万辆。这些举足轻重的超大型飞机、汽车公司的兼并必然连锁反应到CAD厂商之间的市场再分配。波音和Chrysler原来就是CATIA的忠实用户，欧洲经济的增强只会有利于CATIA。  

认真探索 寻求超越   
国外的各种产业都在激烈的竞争和兼并中快速发展，市场竞争并未破坏生产力，相反在快速推动生产力前进，至少CAD产业是如此。互联网的创建一开始完全依靠美国国防部的策划和投资，授权专家负责突破关键技术，短短几年内使全球五花八门的计算机都顺利进入了Web, 可见计划和市场经济具有互补性。波音的TIGER计划，20年后由CATIA V5自然实现。   
国外CAD产业发展的40年实践为我们提供了最生动的教材，我们要认真研究，寻求对策，抓住机遇，实现跨越式发展。数风流人物还看今朝！

liwenjun