流体仿真研发必要性（从哈工大被禁用Matlab说起）

近日哈工大被禁用Matlab引起了业内不少讨论，众所周知我国在科研配套软件上存在不少短板，与国外也有很大差距。在本文中，笔者尝试从化工模拟软件出发，主要分析现有化工模拟软件的现状，如果这些软件都被封禁会对行业产生哪些影响，最后探讨一下国产模拟软件如何突围。

常用的化工模拟软件有哪些？

笔者这里按模拟尺度及应用不同大致将其分为四类。

1.分子模拟软件：这类软件实际上属于化学软件范畴，按照模拟方法又可以大致分为分子动力学模拟以及量子化学模拟。常用的软件有Gaussian，Material Studio，VASP，LAMMPS等。分子模拟软件可以模拟分子内部键能，分子光谱性质，计算化学反应能量变化等。分子动力学还可以模拟，主要应用场景为药物，催化剂，先进材料的筛选，物质物性模拟等。

2.流体力学模拟软件：这类软件主要用有限元法或有限体积法，对流体力学结构件进行模拟，常用软件有ansys，fluent，openFOAM，COMSOL等等。流体力学模拟可以用于飞行器（飞机，导弹，火箭）设计，在化工领域中常见的搅拌桨，气体分布器等构件的设计均可以使用此类软件进行辅助。

3.流程模拟软件：这类软件通过内置模型，进行化工流程的模拟，主要对化工的工艺设计进行辅助。化工专业所学习的精馏，萃取，换热等单元操作均可以用此类软件进行模拟。现在的流程模拟软件还可以对化工流程进行动态仿真，模拟实时操作过程。流程模拟软件主要有ASPEN，chemCAD，Pro/II。

4.辅助设计软件：用于化工过程的辅助设计，可以用于制图，配管设备布置的设计，此类软件常见的就是autoCAD，PDMS等。

目前这四类软件中，流体力学模拟，流程模拟，辅助设计软件已经非常成熟，这种成熟在于其理论已经计算基本成型，人们已经知道哪类算法适用于哪些问题，存在的偏差大概是多少。在这种算法成熟的基础上再结合设计经验以及中小试实验，人们已经可以利用这些工具计算进行设计开发产品了。后续此类软件的发展提升空间比较有限，主要就是优化算法，改善人机界面，针对新过程引入新模块。在理论方面，除了个别领域的一些顽固性问题外（例如可控核聚变中可能涉及的磁流体动力学，湍流直接模拟等），需要本质上进行更新的地方并不多。相对而言分子模拟软件由于涉及到量子力学方面本身理论就还未完善，考虑到计算机算力进行简化后常常出现错误的结果，属于算法上还有问题的，目前应用并不是非常广泛。虽然科研中常常以此为辅助来解释实验现象，但以量子力学出发直接设计出催化剂或者新材料的案例还没有。倒是在分子动力学方面，近30年来发展迅速，目前已经在药物点位筛选，药物动力学研究上有了应用，现在西方很多的制药公司，实际上都在用分子动力学进行药物筛选，这方面我们和他们确实有很大差距。

采用分子分子模拟药物与蛋白之间的作用，中医原教旨主义者经常提到人体非常复杂，人体与药物间的作用非常复杂，不依赖阴阳五行无法发展中医药。这里就让大家看看，面对更加复杂的药物与蛋白靶点作用，现代科技是如何进行研究的。

化工软件被禁会有多大影响？

我们会不会在化工模拟软件上被卡脖子，导致相关技术的全面落后呢？如果有一天我们的模拟软件完全被禁，我们的科研会受到多大影响呢？坦率地说，如果芯片方面的差距是10和100的话，那么模拟软件上的差距就是0和100的差距，我们国家几乎没有商业化的化工模拟软件。但是这种差距实际上并不紧迫。即使是我们现在的模拟软件完全被禁也不会对我们的化工研发行业有非常大的影响。

首先，大部分化工模拟软件有破解版，可以脱机使用。

如果我们以产品为导向进行开发是完全不受影响的。就比如说我们用盗版的流体力学软件设计出了一款导弹，真打起战来，导弹发射出去了，总不能美国人说一句，“这导弹含有美国技术，我们要对它进行制裁”，导弹就倒退飞回发射井里。我们的学生，科研人员对这些软件进行学习也不受影响，你通过玩盗版aspen，学会了设计精馏塔，反应器，也不可能有一群美国人冲到你家里，然后拿个机器对你脑子一扫描，你就把这些技术忘记了。

据笔者所知，某型号战斗机研发过程中大量采用了某国外商用软件，那么按照美国的特性，这软件是正版还是盗版

其次，我们要摆正对计算机模拟技术的态度，以产品为导向。

有些人说，这些软件虽然可以用盗版，但是要发论文的话必须使用正版软件。至于发论文的问题，我认为论文导向本身就需要改变，尤其是这种以计算机模拟应用为题材的论文应当给予限制。我们用模拟软件是为了什么，为了减少研发成本，加快研发进度更好的做出产品，产品是我们的目的，如果以发论文为目的那就是本末倒置了。而且据我所知，很多所谓的模拟，都是实验结果已经有了的情况下，利用软件调节参数，拼凑出一个与实验结果接近的模拟结果，实际上没有意义。目前国家对于科研资源，科教人员职称评定，学历发放等内容越来越倾向于去论文化，以实际科研成果作为评定标准。因此相关软件受到限制也正好让科研人员的观念进行一个调整，多干实事，少水论文。

另外，化工模拟软件可替代性较强，相关商业软件均有替代方案。

这里主要是指流程模拟软件与流体力学软件。目前开源流体力学软件有openFOAM等，除了人机界面不太友好外，完全可以替代大部分ansys功能，某些方面甚至更加强大。流程模拟方面，实际上在前几个月就出现过aspen序列号集体到期的情况，当时就已经引发关注，实际上aspen软件的替代品也有，比如DWSIM和COCO。另外前文已经说过这两类计算软件算法已经基本成型，并且已经公开。在极端情况下，即使重新编写做一个国产的出来，满足基本需求也是难度不大的事情。

最后，分子模拟软件目前应用有限，可以暂时跟跑。

分子模拟技术我们国家与世界先进水平差距相当大，甚至大于现在大家非常关注的芯片和半导体领域。芯片和半导体领域虽然我们有差距，但好歹产业链上的每一环，我们都有对应有1-2家企业，有华为，中芯之类的。这个专业毕业的学生好歹有个就业方向，半导体这个行业始终在发展。但是在药物设计方面，我们却没有好的企业，培养的人才无处就业，从企业层面来看这个行业还没有起步。分子模拟领域的差距其实比较危险，很容易发展成技术代差。实际上在药物开发方面我们现在已经被西方拉开代差了，分子模拟技术的出现在其中有很大作用。试想一下，如果国外一旦在量子化学模拟方向上出现突破，那么他们就有了短时间开发药品，新材料，新型化工品的技术。这也会导致其他领域的突破，比如说可控核聚变的壁面材料，非硅基芯片，癌症特效药等等。我们与西方的技术差距可能被重新拉大，就像苏联当年在工业上已经基本跟上西方国家，但是在半导体方面被西方开辟新战场迅速拉开差距，导致整体科技落后。好在目前没有这种突破出现的苗头，根据现在理论更新的进度分析，近20年来出现这种突破的可能性不大，我们现在还可以耐心的采取跟跑战术。但是一旦出现这种情况，我们必须依靠举国之力，不惜一切代价跟上。

国产化工软件的差距在哪？

我们首先要承认，我们国产的化工软件与国外有着非常巨大的差距，虽然上面分析了，我们有很多替代方案，暂时寻求国产化工软件完成进口替代并不是一个特别紧迫的任务。从产业上来说，半导体行业确实更加紧迫一些，优先发展无可厚非。但是在未来，我们有了精力，我们确实应该尝试在化工软件上有所突破，一方面可以作为进行技术谈判，反制欧美的筹码。另一方面，这个领域确实有着一定经济利益。此外，如果我们在化工软件方面形成技术壁垒，还可以对西方进行技术封锁。

国产化工软件最大的问题就是商业软件的整个生态已经被外国软件占领。以流程模拟软件为例：化工专业的学生上学的时候学的就是aspen，工作的时候用的也都是aspen。用了好几年，如果这时候要换用一个其他软件那么其阻力可想而知。另外aspen并非是一个单纯的计算工具，它本身的数据库也非常强大，每年还和大量科研单位合作，更新数据。另外aspen的大量用户也为该公司的新模块开发，问题更新修复等工作提供了动力。如果我们国家要开发一款国产软件虽然算法是现成的，我们可以做出来，但是如果要长期维护一个大型的数据库，不断更新模块，修正bug，在目前的软件生态环境下国产软件很难做到。另外一个不得忽视的问题就是盗版问题，盗版大家都爱用，也成了习惯，而且前文所说，主流化工模拟软件我们都可以用盗版，这就导致我国软件企业即使做出了类似aspen的产品，也很难获得经济利益。另外版权问题不当要考虑国内，还要考虑国外盗版。当前知识产权体系是有利于西方的，因为外国专利比中国多。但是随着中国科研产业的崛起，必然有一天，我们国家持有的专利会比美国这样的国家多，这时候以西方的作风，他们就可能掀桌子，不承认现有专利体系。这样一来未来我们持有的专利或者软件版权就像今天我们持有的美债一样，反而成为了我们的负担。

作为化工流程模拟软件aspen已经在我国的化工教学以及设计应用中占有重要地位，谈及流程模拟必提aspen

国产化工软件如何突围？

我们的化工软件行业，现阶段完全可以处于跟跑状态，但是在未来，我们不可避免的要面对这个领域的超车和领跑问题。超车就是指我们要有自己的化工模拟软件，同时打压西方国家软件企业的市场以及收益。领跑就是指当我们的化工软件处于领先地位之后，如何利用我们的领先优势压制西方科学进步，创造壁垒获取利益。

在谈这个问题前，我们要来说说，如果我们国家做一款化工模拟软件有哪些优势。

首先是语言优势，我们国家工程人员普遍使用中文，国外软件大多为英文界面，学习使用有一定语言困难，一款全中文的软件，比较容易获得国内支持，尤其在高校教学中容易得到推广。

其次编程语言方面我们有后发优势，西方化工软件由于产生时间较早，普遍采用C或者FORTRAN，这类语言已经有了一定滞后。但从开发角度来说，这些软件的更新依旧需要用这类旧语言来完成，这就导致了计算效率和兼容性的问题。安装过aspen的同学或多或少都出现过安装问题，这就是这种情况的体现。如果未来的国产化工软件能用新的编程语言编写，在硬件兼容性上就有很大优势。

最后，我们国家化工生产门类齐全，有利于针对特有流程采集数据。比如说染料等精细化工产品的生产，大部分都是在我国完成的。如果我们开发出一款针对这类过程的流程模拟软件，我们能很轻易的得到aspen都搞不到的数据。

认识到这些优势和劣势，笔者认为国产化工软件的突围方向应该包含以下几个：

1. 国家主导开源软件项目

首先，以我国目前的知识产权保护现状，进行商业软件开发获得的收益非常有限，难以为继。同时知识产权保护体系本身就是西方主导的，用来压制后发国家的。所以我们国家出现像ansys，aspen这样的商业软件企业是非常困难的。所以化工软件开发应该走开源路线，也就是说面向用户免费。至于开发者的利益方面，可以由国家牵头对其进行补贴，保证开发者的积极性。同时也可以引入竞争机制，保证软件开发质量。此外对于开源软件的开发成果，国家也可以介入，通过封锁地区IP或者其他技术方式对特定国外国家进行封锁。

2. 针对特定过程的专用模拟软件

由于目前广泛的盗版软件使用现状，使得我们的国产软件不可能以免费为卖点，必须在内容上超过外国商业软件。而针对特定流程是其中一个非常有效的手段。用过aspen与fluent的人大概都会遇到这样的情况，有些过程用这些软件做不了。比如在aspen中，反应器模拟的模块功能就非常有限，相当一部分反应器是无法模拟的，对于特定流程比如燃料化工，煤化工等，连相关的物性数据都很少。而且软件本身非常大，但80%的功能很多人一辈子都用不到。

这些问题就给了我们开发专用模拟软件的机会，针对特定的流程比如说染料化工等，由于我们国家相关产业比较成熟，可以有很多方式找到合作机会获得专门的染料物性数据。针对染料生产流程专门开发一款模拟软件，满足这个行业的特定需求。在后期也可以同整个行业进行合作绑定，一有新染料品种和新设备，马上添加到软件中，这样一来，在染料这个细分领域，我们完全可以做出能够抗衡aspen的产品。甚至开发专用软件完全可以由软件使用方主导，举例来说，如果一个厂是做煤化工的，完全可以根据自己的产品，做自己的工艺仿真软件。数据来源可以是自己的生产研发数据，应用的对象也是自己专用的产品。仿真软件也可以根据自己的生产数据与技术开发进度进行维护。简单的说这就是农村包围城市的路线，aspen这类产品大而全，我们就做小而精的东西，一个领域一个领域对aspen进行围剿。

3. 软件与产业链深入绑定

如果我们的化工软件开发走专用软件的路线，我们还应该要实现与产业链的深入绑定。从形成技术壁垒的角度上来看，任何专利技术如果不与生产产业链绑定那么这些专利技术等于零。最为明显的就是制药行业，这个行业外国比我们先进很多，他们也依靠专利授权挣了不少钱。但是由于不和产业链绑定，面临掀桌子式的侵权的时候很多情况下无计可施。就像大家都知道的印度，印度这样的国家，工业如此落后，但只要公开不承认外国制药专利，就能搞出仿制药这个行业，获得巨大收益。相反做的比较好的就是芯片开发的EDA软件。这些软件的开发企业直接与代工厂合作，深入嵌入代工工艺中，导致我们即使有了破解软件，依旧无法与代工厂合作。我们未来的化工软件也要走这样的路线，与设备设计单位，设备生产单位，设备使用单位合作，嵌入整个产业链。比如在工艺仿真中可以引入我国厂商生产的具有特色的泵，搅拌器，甚至新型反应器。这样西方即使剽窃了我们的技术，但是没有我们的产业链依旧无法使用，只要我们把相关设备厂商一卡，我们也可以制裁外国企业了。

印度仿制药一度引起国内的关注，实际上并非印度制药技术有多先进，而是印度在专利体系上对西方掀了桌子。

4. 化工仿真教学应以开源软件为主

最后提一点对于化工仿真教学方面的建议，目前各大高校均以商用软件作为教学工具，这是非常不好的。主要有几个问题，首先形成了业内使用商用软件的大环境，不利于国产软件发展。其次，商用软件将内部计算过程进行了封装，以此来教学容易导致学生只会操作不懂原理，对于培养优秀的模拟人才是没有意义的。这几年在面试化工专业毕业生的时候很多人都说自己会用aspen，但是仔细问一些计算原理和调试方面的问题，就会发现这些人只懂操作，只知道把数字填入对应的接口中，然后运行，对于背后的机理实际上一无所知。另外，掌握开源软件也是业界对于从业人员的基本要求。目前国外的CFD工程师，招聘入门条件就是需要掌握一种商用软件，外加一种开源软件。对于化工仿真教学，对于本科生以了解与使用为主，建议先学开源软件，了解计算原理，再用少量时间上手商用软件，体验商用软件优秀的人机界面。对于研究生，博士阶段的教学建议以开发为主，前文提过，我们要避免甚至限制以单纯模拟应用为主的论文写作，如果搞应用，那么应该看重最终的产品，计算只是辅助。但对于软件开发我们应当鼓励，如果研究人员针对行业问题，开发一个计算工具，完全可以作为科研成果，享受升学毕业，职称评定上的便利。前面提到的openFOAM甚至是linux操作系统，其内核都是由博士生做出来的。

流体力学模拟软件openFOAM最初就是克罗地亚人Hrvoje Jasak在读博期间编写的。已经成为主要的开源CFD软件

最后还是祝愿我们国家的化工行业有自己的模拟软件，当然作为从业人员我们也应当要理解化工模拟软件并不是非常紧迫的，对于国家暂时把资源投向更重要更核心的领域，我们也应当支持。

,