打开CAD内核的奥秘 | 工业软件发展史（转）

cunzhang3000

如果一个产业要寻根，就会发现一个万千世界，最后会聚焦到一个点上。

“一沙一世界”，一世界满眼千秋，亦不过是投射到一粒沙芥。当下，作为工业主流的数字化设计与制造，都需要用到CAD（计算机辅助设计）这样的工具。而CAD的基础底层支撑，就是通用几何造型平台，也可以称之为几何内核。作为实体造型的关键引擎，许多CAD供应商，都会通过购买或者自研的方式，往上建立自己的CAD功能。

然而从萌芽开始，四十年过去了，这个世界却是笼罩在数学家的神话之下。

而这个世界，仍然无比地狭小。这是一个拿着放大镜也找不到的利基市场。而它却是万神之殿的基座。

天才工程师的两枚金蛋
几何造型平台是CAD软件最核心的基础部分，通常称为几何内核，或者叫做几何引擎。一般目前的CAD系统都会提供参数建模方法。

这是一个关于数学家传奇的故事，英国剑桥大学是那个时代最璀璨的光亮之地。剑桥大学CAD实验室的Ian Braid在1973年完成了实体造型的博士论文之后，和导师Charles，以及同窗Alan创办了Shape Data公司，随后开发出第一代实体造型软件Romulus。1981年一家美国公司买下工程师的公司，着手开发美国版权的第二代产品，也就是后来大名鼎鼎的几何引擎Parasolid。1988年美国CAD供应商UG，买下Parasolid，将它融入UG集成系统中，将它变成一个实体和曲面造型通用几何平台。

与此同时，Parasolid也作为一个单独的内核产品，为其他CAD软件开发商提供高质量的、世界一流的几何造型核心功能。  

这个几何内核的故事，本来可以到此结束了。

然而神人永远不会停止折腾。1986年，Ian被找上门来的美国Spatial Technology公司说的心头发痒，再次开发了第三代面向对象的实体和曲面通用平台ACIS：ACI分别是三位大仙Alan Grayer，Charles Lang和Ian Braid的名字字首，而S则取自实体（Solid）的字首。由于ACIS采用了面向对象的数据结构，并采用了C++编程，使得算法大为改进，它的运行速度是第一代Romulus的4-20倍，是第二代Parasolid的2-6倍。

除了技术先进性之外，ACIS还采用了一种有效的商业模式：那就是鼓励各家软件公司在ACIS上开发，并与STEP标准相兼容的集成制造系统。凡是在ACIS上开发的CAX系统都有共享的几何模型，相互可以直接交换产品数据。ACIS构成了这些系统的几何总线。这样一来，信徒大增。

神剑再次成功出鞘。

1989年ACIS上市后，影响巨大。很多CAD公司都纷纷或者采用ACIS内核，或者采用了它的思想改进了自己的内核。例如法国的Euclid-S、CATIA 以及美国的Intergraph、I-DEAS都纷纷跟进，采用这种面向对象的思想进行改进。最重要的时间发生在1993年，Autodesk与Spatial Technology签约，在ACIS平台上开发出MDT三维参数化特征设计系统，成为ACIS的最大用户。
  
内核不等于CAD：没有UG，就没有几何引擎
然而，对于几何引擎，却有一个极大的误解，以为先有几何引擎，后有之上的CAD软件。几何引擎本来并不存在，它是藏在CAD里面。

达索航空公司，把CAD部门独立出来，并起名叫做CATIA的时候，没有几何引擎的存在。从麦道公司发展出来的CAD软件商UG，以及Autodesk的MDT，这些都是没有几何引擎的概念。所有的系统模块，都放在一块。同样，后来靠参数造型而名声大噪的PTC也没有这些引擎的概念。

是UGS在发展自己的商业策略所采用的方针，使得Parasolid几何引擎，成为一个独立的概念，随后甚至发展处来一个很小的利基生意。

最早UGS的CAD也是跟几何引擎搅在一起，后来逐渐将内核方面的工作外包给ShapeData公司。这意味着，PARASOLID一开始就是两条腿独立走。UGS只是在外包体系中使用PARASOLID的团队，Parasolid也允许使用UG提供的一些反馈所丰富的功能。这意味着，UG在相当长的时间，一直是负责Parasolid的“测试工作”。

这种唇齿相依的关系到了一定的程度，几何引擎，也逐渐达到了产品级的应用成熟度。一定时间之后，UG和Parasolid已经密不可分了。最后UG索性，将Parasolid购买过来。

没有UG，就没有Parasolid。就没有“几何引擎”的说法。

内核阵营开始分化
虽然很重要，但市场很小，内核公司单独存在是无法存活的。2000年Spatial被达索系统收购。历经14年之后，著名的几何建模内核ACIS终于归到了大型CAD厂商手中。跟它的前一代几何内核一样，嫁个大户人家，是最好的选择。

然而，在此之前，CATIA跟ACIS一点关系没有。CATIA都是土生土长的内核。高傲自负的法国人一直在为CATIA完善自己的几何造型引擎，从原来的曲面造型到后来的基于BRep的实体造型。甚至，CATIA也没有购买通用约束求解器，而是自己开发。

直到后来，CATIA决定把底层部分独立出来，单独做成独立的生意。达索也是花了好几年时间，才把所谓的几何内核独立出来，就是CGM。

因此，购买ACIS，对CATIA而言，主要出于商业需要和数据交换。

如此一来，Parasolid和Acis分别被西门子、达索控制着，已发展为巨大的深坑。并成为两个大的阵营。

AutoCAD、MDT和Inventer、Microstation均采用ACIS几何造型器为内核。 而UG、 SolidWorks、SolidEdge则采用Parasolid几何造型器。

在这些三维 CAD的实体几何造型内核中，老将Parasolid和Acis是几何建模系统的两棵老根，由于一开始就相对独立发展，比较著名，也成就了一代又一代的CAD厂商；加上达索的CGM，是市面上能买到的三款商业化几何引擎。

表1  ACIS与Parasolid的对比

但是大的CAD软件公司，一般都是有自己的内核的。除了CATIA之外，开创参数建模时代的PTC，其内核Granite也是独成一派，主要是自己使用。这是一个情节不断翻转、充满了八卦的故事。当年日入中天的CAD公司如CV，也有自己的内核，但在转向参数化实体造型方面不成功。从CV“离家出走”的高管创建的PTC了，大获成功，反手倒是收购了CV。

几何引擎让CAD市场充满了猜忌与阴谋
Parasolid被卖了之后，Braid等人，重新做了一个公司，继续做内核生意。这让后起之秀SolidWorks得到了很好的机会，它最初给投资者的版本，正是以ACIS为基础。

但有了投资之后，就开始测试Parasolid和ACIS。几个月之后，换成了Parasolid。尽管ACIS功能表跟Parasolid看上去差不多，但实战不行。前面提到，尽管ACIS是第三代几何引擎产品，实验室性能甚至更优，但它自从诞生后，没有一个大公司，愿意像当年UG那样，如此紧密地对ACIS进行捆绑。所以ACIS在市场占有率，一直低于它的前一个版本Parasolid。这充分证明了一点，在工业软件CAD\CAE\EDA领域，没有交互的工程用户反馈，任何工业软件都不可能发展起来。

然而，作为UG的竞争对手之一SolidWorks一直活在一个“杯弓蛇影”的猜忌之中。如果UG将来不肯卖Parasolid，哪会怎么办？这是一个若有若无的阴影下。而这个问题的解决，要来自更大的家伙。1997年达索以3.1亿美元，收购了SolidWorks。

这次轮到达索进行猜忌了，Parasolid在UG的手中，对Solidworks而言，是一个巨大的威胁。2000年，达索决定出手，战略性地收购ACIS所在的Spatial Tech公司，为SolidWorks也提供一个备选的安全保障。从这里开始，达索才跟ACIS开始有交集。随后达索将自己的内核CGM和ACIS，都放在Spatial公司之下。

然而这次收购，又惊动了另外一个巨头的利益。正在使用ACIS作为内核的Autodesk的Inventor，也感受到了同样巨大的威胁。

非常警惕的欧特克，为了避免受制于达索，用反垄断为法律手段，开始跟达索打官司。拉锯的结果是，达索可以拥有ACIS，但欧特克拥有随时购买ACIS源代码的权利。有了这个条件作为限制，达索随后顺利完成收购ACIS。

几年以后，欧特克迅速地使用了这个权利，掏钱购买了ACIS的全部源代码，也就是ACIS R14版本。随后Inventor在此基础上，经过多次版本的迭代。应该说，欧特克的几何内核，虽然源自ACIS，但跟原来的版本，已经区别很大。也可以认为欧特克已经拥有了自己的内核。

cunzhang3000

开源还有一棵独苗
一款开源的OpenCasCade，是一棵奇特的幼苗。成立于1964年的法国马特拉公司MATRA的Euclid系统，也有自己的内核，主要是曲面造型。为了和PTC抗衡，开发了Cas.Cade新一代内核。现在在华天的一个总工，当年就是在负责基于Cas.Cade的新一代CAD系统Euclid Designer开发。彼时中国航天对它的理念非常欣赏，认为符合航天设计需求，可以从老的Euclid平稳过渡到新的Euclid Designer。可惜最终马特拉被达索并购了，整个新一代系列基本停止开发了，曾给予厚望的航天，也只好逐步转向Pro/E了。

达索与马特拉合并后，并没有吸纳所有的研发人员，也没有说要如何用Cas.Cade，让剩下的人员成立了一个公司。这部分团队，索性将其变成开源，按照全开源（LGPL）协议进行管理。代码主要还是法国团队管理，但是在俄罗斯有一个较大的团队，进行应用定制开发。虽然这并不是达索所期望的局面，但是已经晚了。最近几年版本更新比较快。在此内核的基础上，开发出一个开源CAD系统FreeCAD。 目前国内也有运用OpenCasCade的社群，开发些小系统。作为开源的几何引擎，做成商业CAD软件开发难度不小。

造不如买，再次毁掉商业化机会
拥有高水平的内核，是发展自主CAD/CAM/CAE和的核心工作。然而，世界上几何引擎不多了，基本处于垄断地位。中国人手里的中望的Overdrive内核（本来是美国VX CAD的内核，2010年被中望收购）和华天的CRUX IV （华天CAD系统SV的内核）等。

然而，这件事情完全不能商业化。例如中望，也曾经考虑做一套更商业化的内核。然而市场需求并不支持。最大的几何内核Parasolid一年的生意，也就是3000多万美元。如果做内核， 跟Parasolid去竞争争，是不可能活不下去的。

由于处于商业上的原因，西门子的UG，对于出售给中国内核，一直都不是太热心。于是中国很多项目，只能二选一，一般都是在跟Spatial公司进行合作。尽管ACIS的价格很高，但国内CAD厂商都只能让步。

中国有自主的内核是个振奋的信息。但是，单独研发CAD几何内核是没有太大市场的，需要与三维CAD软件系统整合起来做。实际上，国内的CAE和CAM可以用国内的核，共同打开市场。当然这只是一个假设。在中国谁都有生存压力， “造不如买”。无论是几何内核，还是约束求解器，都可以是核心共性技术，但没有一家厂商能否负担。最后只能是一盘沙子。

中国CAD行业著名的专家、当时中国工程图学学会理事长唐荣锡，在2000年还曾经雄心勃勃地行业喊出“几何造型平台振兴”的口号。按照唐老的看法，高水平的通用几何造型平台是发展CAD软件产业的一级火箭助推器。而在当时，中国许多CAD公司，正在借助CIMS和甩图板的东风，蓬勃发展。跟国外的差距不是没有，但看上去还能看得见、够的着。

然而，几何内核，是从众多成功的工业软件功能中萃取得来。没有成功的研制优秀CAD软件的基础，就谈不上研制几何平台。而对于软件公司，要在市场活命，不采用先进、流行的通用平台，不但耽误进度，甚至会劳而无功。

这像不像一个死结？在西方，主流CAD都是脱胎于航空业，波音公司、达索公司，都给了那些CAD软件厂商足够的机会、充分的反馈，这才使得国外的CAD厂商逐渐壮大。而在中国，急功近利、追求速度的中国制造，从来不会给上游软件供应商的机会。要么出彩，要么出局。缺少来自用户端的悉心呵护和战略性扶持，是中国CAD、CAE以及EDA在发展路程上的最大死结。

错失的就不会再来
唐老甚至在2004年建议行业，不要将自主研制的开发平台的目标，定位在类似于 ACIS、Parasolid 的几何平台产品，而是要将目标确定为创建新一代的功能特征平台，以功能特征为操作对象，使得新一代平台必须兼顾几何和功能两大方面。 这是一个更高的志向。

现在回想起来，本世纪初的几年，正是中国自主CAD还方兴正艾的时候，很多企业都跃跃欲试地要做几何内核。结果后来都是铩羽而归。在十五时候。大家普遍误解，以为几何内核就是CAD系统。这是，历史天空下的误解。随之而来的相应决策，也是是失误的。

近20年过去了，随着国外CAD、CAE厂商的市场占有率超过95%，高端CAD比例更高。唐老的梦想，已经成为不可实现的愿望。

当务之急，还是要把CAD市场做大做活起来。以手机举例来看，华为去做手机芯片是合理的。因为他有足够的体量和自有市场做支撑，当然更是因为有足够的资金。至于其他小手机厂商，还处于解决生存问题阶段，能抓住一个细分市场存活下才是他们的主要目标。谈做芯片，是不可想象的事情。国产CAD内核，是能打破国外垄断的潜在希望，就像华为的麒麟芯片一样，是一烛跳动不已的小火苗。

小记
布雷德等三人从1970年起，直到2000年7月5日法国达索系统公司签约以2,150万美元现金收购ACIS业务，三人决定退出ACIS，也退出了几何内核领域。闪耀了一代人的星空开始暗淡。整整30年，这三个天才工程师科学家的主要精力，都集中在实体造型平台的开发和完善上，也照亮了其他几个CAD公司的探索之旅。它把后来所有通用几何造型平台要走的路，都几乎探索完毕。

数学家和工程师相结合，正是几何内核四十年不败的传奇魅力。


作者简介
林雪萍：南山工业书院发起人，北京联讯动力咨询公司
鸣 谢：杭州新迪董事长叶修梓和总经理彭维、山大华天副总梅敬成、武汉承泽的徐劲总经理等人给予的悉心指导和支持。

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中国的人力不够，永远的死结，人力不够，对任何行业都如此，人力不够，

数学有啥用

[size=36.9444px]中国数学还停留在找规律(1,4,9,16,?)，速算(两秒钟算出85*85=？)，列算式解应用题这些坑里无法自拔。
[size=36.9444px]一边进水一边出水池子何时能满？不许用方程！一定要用小学方法！
[size=36.9444px]为什么不能用方程？因为它体现不出小孩子的聪明。

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信息量很大哈

wanghuang117

信息量不小

寂静回声

华天 SINOVATION软件是针对现代机械制造业创新设计和工程设计的需求，在消化、吸收日本UEL公司CRUX基础平台技术而开发出的具有完全自主知识产权的可扩展的高端三维CAD/CAM系统
在引入的日本UEL公司（日本最大的CAD/CAM软件开发公司）的CAD/CAM 基础平台CRUX源代码消化吸收的基础上，突破了大量关键技术。2011年项目组发布自主知识产权的新产品版本2个，取得软件著作权3项，正在审批1项专利，发表论文4篇。2011年，本项目获得了省级2个课题项目的经费支持。
2007年8月，日本最大的CAD软件开发公司——UEL公司，带着具有国际先进水平的三维CAD软件系统，来到中国寻求合作。，2008年5月，日本UEL公司最终与华天软件和中创软件签署合作协议，全面开放其核心技术。按照协议，三维CAD软件在中国的销售份额中，只需要付给日本UEL公司7%的利润。国内首个具有自主版权的三维CAD/CAMSINOVATION1.0版本已于2009年正式发布

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