最近幾年，科技卡脖子的問題經(jīng)常被提起，這也是目前我國科技界、經(jīng)濟(jì)界、投資圈的討論熱點之一?？ú弊蛹夹g(shù)的重災(zāi)區(qū)是半導(dǎo)體行業(yè)，首當(dāng)其沖者是芯片設(shè)計上游的工業(yè)軟件(EDA軟件)。雖然國內(nèi)許多公司具備芯片設(shè)計能力，但是IC設(shè)計的高端軟件EDA工具仍然基本由外國公司壟斷。EDA受制于人，足見工業(yè)軟件對一個科技時代的重要性。

　　隨著科技行業(yè)進(jìn)入機(jī)器人時代，我國有著天然的先發(fā)優(yōu)勢。以新能源智能汽車為例，目前中國是最大的生產(chǎn)國，也是最大的消費國，但是我國的自動駕駛技術(shù)卻沒有走在最前頭，特別是在技術(shù)研發(fā)范式上仍然采用手工作坊模式。為了在機(jī)器人時代免于被卡脖子，我們必須大力投入到自動駕駛以及機(jī)器人的工業(yè)軟件自主化中，以形成生產(chǎn)、技術(shù)快速迭代、消費的閉環(huán)。特別是，自動駕駛是機(jī)器人技術(shù)的高地，應(yīng)用于新能源智能汽車的自動駕駛技術(shù)及其供應(yīng)鏈經(jīng)過量產(chǎn)的洗禮后，很容易降維到不同的機(jī)器人行業(yè)，孵化出無數(shù)的細(xì)分機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。

　　形成生產(chǎn)、技術(shù)快速迭代和消費的閉環(huán)的關(guān)鍵在于工業(yè)軟件，正如芯片行業(yè)強(qiáng)依賴EDA軟件，機(jī)器人行業(yè)技術(shù)研發(fā)的效率也強(qiáng)依賴機(jī)器人的工業(yè)軟件。本文將介紹什么是機(jī)器人的工業(yè)軟件，以及筆者使用工業(yè)軟件提升研發(fā)效率的經(jīng)驗。

　　01 機(jī)器人時代的來臨

　　隨著越來越多的機(jī)器人以及無人車出現(xiàn)在我們的日常生活，機(jī)器人時代已經(jīng)來臨。在深入研究機(jī)器人時代之前，讓我們首先回顧一下信息科技的演變。信息技術(shù)騰飛于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時仙童半導(dǎo)體公司和英特爾公司通過生產(chǎn)微處理器奠定了信息時代的基礎(chǔ)，隨之而來的是硅谷的爆炸式發(fā)展。盡管微處理器技術(shù)極大地提高了工業(yè)生產(chǎn)力，但普羅大眾接觸它的機(jī)會非常有限。

　　情況在20世紀(jì)80年代發(fā)生了變化，隨著個人電腦的出現(xiàn)，以及后來的蘋果Macintosh和微軟Windows的圖形界面(GUI)使得個人計算快速普及，規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)使得個人計算的價格大幅降低。最終，計算機(jī)在全球范圍內(nèi)普及的愿景，在2000年左右實現(xiàn)了。

　　21世紀(jì)初，在每個人都擁有個人電腦的基礎(chǔ)上，雅虎和谷歌通過搜索引擎連接了人與信息，衍生出了互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。從2004年的Facebook開始，社交網(wǎng)絡(luò)在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上讓人與人便利地連接起來，將整個人類社會從線下轉(zhuǎn)移到了線上。隨著互聯(lián)網(wǎng)社會的人口增長，諸如Airbnb(2008年)、Uber(2009年)等應(yīng)用開始在互聯(lián)網(wǎng)社會提供商業(yè)服務(wù)，形成了一個互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)社會，我國在互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)社會獨步全球，各種基于互聯(lián)網(wǎng)的APP將用戶體驗做到了極致，但是實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施依然基本依賴于美國提供的技術(shù)。

　　技術(shù)時代的窗口再一次敞開，眼下已經(jīng)進(jìn)入了機(jī)器人時代，服務(wù)機(jī)器人、無人機(jī)、送貨機(jī)器人、智能車將為人類提供服務(wù)，特別在我國老齡化日益嚴(yán)重的背景下可以提供充裕的生產(chǎn)力。因此，在機(jī)器人時代我國不能再被卡脖子，必須要成為世界上機(jī)器人技術(shù)研發(fā)效率最高的國家。而研發(fā)效率取決于研發(fā)工具，特別是機(jī)器人研發(fā)工業(yè)軟件可以把機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)從勞動密集型升華為智慧密集型，使得研發(fā)的技術(shù)更容易規(guī)模化落地。

　　02 機(jī)器人研發(fā)的手工作坊時代

　　目前隨著新能源車行業(yè)在我國的快速崛起，自動駕駛變成了行業(yè)的香餑餑，各大車廠也就自動駕駛技術(shù)人才展開了激烈的競爭。但在該領(lǐng)域，我國的人才儲備與美國差距懸殊。我們做過一個估算，中國目前在無人駕駛領(lǐng)域的人才儲備不足500人，而美國的這一數(shù)字可以達(dá)到4000到5000人。我們將這里的“人才”定義為對整個自動駕駛技術(shù)棧有系統(tǒng)性理解并且能夠深入挖掘至少一個細(xì)分領(lǐng)域的工程師。

　　比人才儲備差距問題更嚴(yán)重的是研發(fā)范式問題，據(jù)筆者了解，國內(nèi)大多數(shù)廠商還停留在手工作坊時代。調(diào)試一個算法，然后算法集成到一個系統(tǒng)，到附近的幾個道路跑路測，跑出問題了再找出問題，根據(jù)問題修復(fù)，修復(fù)的代碼可能又帶來新的問題。很多技術(shù)點都是通過手工的打磨，在一個地區(qū)測試出來的成果放在一個新的環(huán)境可能又會失效。這種研發(fā)方法效率低、成本高、難以規(guī)?；a(chǎn)。比如許多公司會維護(hù)一個測試車隊，等待合適的天氣環(huán)境進(jìn)行不同的無人駕駛測試，這樣的測試覆蓋率不可能高。而且一個在上海測試的車即使在上海表現(xiàn)很好，換了一個城市，比如廣州，就可能出現(xiàn)問題，如果換了一個國家，比如巴黎，可能就更加難以適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境了。

　　在這種手工作坊的研發(fā)范式下，機(jī)器人技術(shù)研發(fā)還停留在勞動密集型階段，研發(fā)成果難以規(guī)?；涞?，每一個新的市場與場景都需要一個新的團(tuán)隊來覆蓋。特別在我國的人才儲備已經(jīng)落后的情況下，勞動密集型的研發(fā)范式很難確保中國在這個新興產(chǎn)業(yè)筑建壁壘。

　　因此，筆者認(rèn)為應(yīng)該加大在自動駕駛以及機(jī)器人的工業(yè)軟件中的投入，比如仿真引擎，然后讓引擎自動迭代算法，如此可以做到真正的高效率研發(fā)，研發(fā)出的技術(shù)也可以更輕松覆蓋多個市場，實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展。

　　03 機(jī)器人時代的工業(yè)軟件

　　機(jī)器人時代的工業(yè)軟件的一個例子是自動駕駛研發(fā)中的仿真引擎。通過在數(shù)字孿生環(huán)境中的仿真與數(shù)據(jù)積累，自動駕駛算法研發(fā)的效率可以得到極大地提升，實現(xiàn)成本最小化，從而以最優(yōu)的價格推出最佳的自動駕駛產(chǎn)品，快速實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，最終達(dá)不可逾越的高技術(shù)與商業(yè)門檻。與手工作坊的范式相比，工業(yè)軟件可以把自動駕駛的研發(fā)從勞動密集型升華為智慧密集型，降低投入的同時提高產(chǎn)出。例如，目前的手工作坊范式為了測試汽車如何處理大雪環(huán)境，測試團(tuán)隊可能需要等待幾個月，直到大雪來臨，然后在路上收集物理測試數(shù)據(jù)。使用了仿真軟件作為研發(fā)測試引擎后，我們可以輕易地在數(shù)字孿生環(huán)境中建造一條道路并產(chǎn)生一個大雪場景，然后根據(jù)需要產(chǎn)生各種高質(zhì)量的測試數(shù)據(jù)。

　　仿真對汽車行業(yè)來說其實并不陌生，例如，車輛動態(tài)模擬器已經(jīng)被廣泛用于開發(fā)過程中，如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)。在自動駕駛軟件研發(fā)中，仿真器已被用于測試和驗證決策模塊和路徑規(guī)劃模塊。但目前的仿真環(huán)境缺乏對世界的高保真重現(xiàn)。最近，基于游戲引擎的高保真模擬器已經(jīng)被開發(fā)出來，比如Carla和LGLVS使用計算機(jī)圖形模型、渲染算法和物理模型來嘗試產(chǎn)生一個高保真環(huán)境。但是目前虛擬環(huán)境與現(xiàn)實之間的差距還是過大：首先，這些模擬器只提供虛擬城市的地圖，其中的地理和物理環(huán)境特征與真實世界的道路測試并不相同。其次，移動物體的行為，如車輛和行人，都是寫死的，很難模仿真正的交通參與物的行為(例如，巴黎行人的行為可能與新德里行人的行為不同)。最后，這些仿真引擎不能很好地對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行高保真仿真，因此很難產(chǎn)生精準(zhǔn)的感知數(shù)據(jù)。礙于上述技術(shù)限制，中國的自動駕駛研發(fā)基本仍停滯于手工作坊的范式，追求短平快地在市場上推出產(chǎn)品。這樣的做法在短期內(nèi)讓人感覺進(jìn)展很快，但是在技術(shù)發(fā)展的長跑中很容易暴露出效率問題，后繼乏力。

　　我們認(rèn)為基于仿真引擎的研發(fā)是一個先進(jìn)的工業(yè)化研發(fā)范式，而不僅僅是一組技術(shù)的堆砌。如圖2所示，根據(jù)實際部署經(jīng)驗，我們總結(jié)了基于仿真引擎的自動駕駛研發(fā)范式的幾大原則：

　　原則1：結(jié)構(gòu)仿真。數(shù)字孿生體應(yīng)該包括精確的環(huán)境三維模型，它呈現(xiàn)出與物理環(huán)境相同的地理和幾何特性?；诮Y(jié)構(gòu)孿生體，自動駕駛的周邊環(huán)境可以得到很好地模擬。例如，利用目標(biāo)環(huán)境的幾何信息，可以合成真實的激光雷達(dá)點云和攝像機(jī)圖像，從而進(jìn)行很好的感知仿真。

　　原則2：物理仿真。物體運動、碰撞和感應(yīng)的物理過程應(yīng)該在仿真器中得到真實體現(xiàn)。例如，一個車輛動力學(xué)模型需要一組參數(shù)來精確地模擬物體的運動。又例如，地理的信息也應(yīng)該被真實地體現(xiàn)，比如把高精地圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入到仿真系統(tǒng)中。

　　原則3：邏輯仿真。模擬的交通參與者(如車輛和行人)在與自動駕駛車和其他物體互動時，應(yīng)該有類似于他們的物理環(huán)境的行為。這一原則對于測試自動駕駛汽車的規(guī)劃和決策模塊至關(guān)重要，特別是在交通繁忙的場景中。

　　04 效率的提升

　　在實現(xiàn)了很真實的結(jié)構(gòu)仿真(傳感器)，物理仿真(車體模型)，以及邏輯仿真(行為模擬)后，我們對比了物理測試的成本以及仿真測試的成本。物理測試無人駕駛算法的成本約為180美元/小時，而基于仿真引擎的測試僅為2美元/小時。在同樣的預(yù)算下，較之于手工作坊的研發(fā)范式，工業(yè)軟件驅(qū)動的研發(fā)范式可以把效率提升兩個數(shù)量級。目前業(yè)界還有許多聲音認(rèn)為仿真引擎不可靠，手工作坊才是正途。但是效率的提升不會騙人，引用更先進(jìn)的研發(fā)方法的團(tuán)隊最終可以達(dá)致更高的效率，從而淘汰低效率的方法。在美國，許多領(lǐng)先的自動駕駛公司，比如Tesla以及Waymo，在仿真上的投入已經(jīng)越來越高了，最終這些自動駕駛仿真軟件上的投入會溢出到各個機(jī)器人的應(yīng)用中，快速培育這些垂直應(yīng)用的發(fā)展。

　　特別是Tesla，在每年的技術(shù)發(fā)布會上都會詳細(xì)介紹自身的技術(shù)棧，大家都會被Tesla的芯片、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器人產(chǎn)品等耀眼的技術(shù)所吸引，而媒體也會鋪天蓋地地宣傳這些耀眼的新興技術(shù)點。而筆者認(rèn)為，支撐Tesla研發(fā)迭代最核心的引擎就是他們的仿真引擎，而仿真引擎的介紹在Tesla的技術(shù)發(fā)布會上往往被一筆帶過，不容易被注意到。但是通過對比Tesla的研發(fā)范式與我國新能源車公司的研發(fā)范式，我們很容易發(fā)現(xiàn)雙方在技術(shù)研發(fā)上的顯著代差，如同冷兵器之于火器。

　　05 總結(jié)

　　機(jī)器人時代是中國科技與經(jīng)濟(jì)的極大機(jī)遇，中國已經(jīng)占據(jù)了明顯的先發(fā)優(yōu)勢，目前中國是新能源智能汽車的最大生產(chǎn)國以及消費國，但中國公司的研發(fā)范式還停留在手工作坊時代，很難高效地通過先進(jìn)技術(shù)將生產(chǎn)與消費相連接形成閉環(huán)。而海外領(lǐng)先廠商已經(jīng)進(jìn)化到以工業(yè)軟件為核心的研發(fā)范式。筆者與團(tuán)隊自身研發(fā)的經(jīng)驗也確認(rèn)了以工業(yè)軟件為核心研發(fā)范式相對手工作坊范式有兩個數(shù)量級的效率提升。領(lǐng)先的機(jī)器人工業(yè)軟件可以極大地提升研發(fā)效率，把生產(chǎn)端與消費端相連接形成閉環(huán)。這個閉環(huán)將確保我國在機(jī)器人時代擁有技術(shù)以及商業(yè)上的絕對優(yōu)勢，因此，機(jī)器人時代的工業(yè)軟件自主化，中國不能再錯過!