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开源仿真软件的开发和利用

hillyuan

1年前浏览2298

1 开源软件协议

常见的开源软件协议如下：

具有传染性的GPL协议: 基于GPL协议软件开发的软件也必须是GPL协议。GPL要求你在将你的软件贩卖给用户时必须向用户公开你的源代码。如果你的软件只做SaaS服务，倒是可以不公开源代码，因为你并没有把软件贩卖给用户。
LGPL协议: 如果只是与LGPL软件做动态链接，那么你的软件不需遵守LGPL协议。
BSD/MIT/X11协议: 不要求基于这些协议软件开发的软件公开源码，只要求著作权等的表示
Apache协议: 与上述BSD协议类似，但是受美国出口法律约束。（注: 我注意到中国厂家的WPS也有类似条款，因此在法律上华为现在不能使用WPS）
在美国的开源服务器，如GitHub也受美国法律约束。这里面是有很多隐患的，需要小心。

（作者不是法律专家，上述意见仅供参考。如有错误，敬请斧正！）

2 开源的理由

不得不开源，比如说基于GPL协议
炫技，得到承认的欲求（请点赞，请关注等）。同时伴随着扩大软件的知名度的希望。
争取更多用户，提高知名度。如此希望得到更多的投资机会和合作的可能。
降低软件公布门槛，提高软件质量。因为开源软件完全免责，可以把bug留给他人修改。
用税金开的软件被要求开源（美国，法国，日本）。但中国例外。
有些自己开发的东西，放在自己手里多半是要烂掉了，还不如开源。

对于商业公司而言，他们还有其他考量：

可以增加名气, 增加影响力. 开源软件的质量是新兴公司技术水平的最好体现。
给使用者建立信心。由于门槛低（不要钱）使得用户乐于尝试，由于开源没有断供的危险。
一种广告手段。可以得到免费的测试，修正，而提高软件质量。用户的反馈也有利与对市场的把握，而节省市场调查的成本。
一种招聘高水平员工的手段。
可以自由的使用各种开源软件，以减少开放成本。
一种打破垄断的弱者的战略。

基于开源的商业软件战略可以有如下几点。

Support and service: 为开源软件的使用提供技术服务。RedHat采用的是这种策略。这个是不是中国人最熟悉的做法？我发现中国有不少提供国外商业仿真软件使用方法培训的公司，奇怪的是它们并不能开发软件，甚至没有软件的代理权？开源软件的使用提供技术服务是进一步的做法，由于熟悉开源软件内部，应该能做得更好。不过我怀疑这种模式的收入有限，因为仿真软件的用户数量毕竟不能和RedHat这样的操作系统，LAMP这样的开发环境相比。但是另一方面，软件的咨询服务方面的费用比例正在上升。具体的数字就不知道了。
Dual license: 提供限定功能的免费版本和无限定的付费版本。一般情况下免费版本的使用也加上一定条件，如源码修正必须公开，不允许商用等。这种方式营销的面比较强。免费版本可以使潜在的用户产生信任感，得到迅速的反馈，了解用户的需求，还可以得到免费的软件测试，甚至是开发人员。MySQL采用的是这种策略。
Constomazation: 付费定制。定制的内容可以是现有软件欠缺的，也有可能是特殊行业的特殊功能，也有可能是便利化工具。以近期流行的3D打印为例，其特点是材料的渐增过程，解法上也许不需要什么新东西，需要的就是计算工具的重组和相应的便利化工具。个人认为这是一个非常广阔的领域。能够熟练地操作这一工具是打破ABAQUS，ANSYS等独霸市场的有力武器。
SaaS: Google，eBay他们开发软件，但是不买软件，他们买网上服务。在这里，你用GPL软件也可以，这是其魅力之一。
人才培养: 归根结底，如果没有相应的人才，什么战略都归为空谈。而中国正是缺少这样的人才。如果能够通过开源软件形成一个开发社区，可以用来教育培养相应的开发人才向商业软件公司输送。也许这才是最根本靠谱的战略吧。

3 中国的仿真软件开放

在中国开发仿真软件需要认清如下三个问题

开发仿真软件首先需要了解"应用(研究的/工业的）→物理/力学原理 → 数学算法软件工程"这一系列的过程。如果你要开发一流的软件，你更是需要精通这一系列的过程。根据我个人的经验，最低限度你需要经自己的手推导出全部的公式，厘清每一个数据的走向。这是一个很高的门槛，即要求很高的数理素养，还要具备一定的软件开发人员的工匠气质，决定了能参加这类软件开发的人很少。科学计算平台trilinos可以是最有影响力的平台之一了，它在Github上现在的星数是349，这个数字和高人气的通用开源软件相比要差一，二个数量级。
中国的研究水平较低。在我熟悉的专业（力学有限元）中，我没有看到国内专家的高水平专著，也很少看到有影响力的论文。这是中国很难出现相应的高水平软件的原因之一。另外，据我个人的经验，中国的教授们很少自己编程，因此很难理解认识软件开发的难点，痛点。而据我所知，名著Finite Element Method的作者之一·R.L.Taylor，名著Finite Element Procedure的作者K.J. Bath都是会自己动手编程的，而你如果有机会读到FEAP的源码，你还可以看到英年早逝的力学大师J.C.Simo和其他名家开发的代码。
中国缺少开源软件开发的文化。有句话说"Opensource is an ethos not just license". 在中国，竞价排名，知识付费的盛行正是反映了某种缺失。另外，在欧美，日本，利用税金开发的软件一般是要求开源的，据说中国也投入过数亿开发有限元软件，但是并不公开。如上所述，我们应该可以想象光靠高校等的研究人员来开发出一个可用的软件是非常困难的，最好的可能是开发出一个还不错的基础平台。如果能借此培养一些开发人才，形成一定的开源开发社区，从企业拿到二次，三次开发资金，还有成长起来的可能。上面的独吞模式必定是一条走不通的死胡同！参考这里。

4 仿真用开源软件

4.1 CAD软件

4.1.1 OpenCASCADE

用C 开发的程序库，主要功能是3D形状的表现和演算。EUCLID-IS　CAD/CAM　system in 1987年. 1999年以OpenCASCAD为名开源。

4.1.2 FreeCAD

标准的CAD软件，用C 开发，采用OpenCASCAD内核。留有与有限元软件的接口，可以无缝链接calculix等开源软件。

4.1.3 SALOME

仿真解析用前，后处理软件，用C 和python开发，使用了Qt4，VTK， OpenCASCAD库。包含CAD功能，网格划分功能，计算条件设定功能，计算结果后处理功能。

4.2 网格划分软件

4.2.1 Netgen

从CAD数据生成三角形（2D）或四面体（3D）单元的软件库和软件。

4.2.2 Tetgen

从CAD数据生成四面体单元的软件库和软件。

4.2.3 Gmsh

从CAD数据生成四面体单元的软件库和软件。

4.3 网格管理软件

网格管理软件负责管理既存网格，比如节点，单元的生成，删除。网格细分，粗化。并行计算时的通信管理等。

4.3.1 MOAB

4.3.2 MSTK

4.3.3 STK

这个是大型平台trilinos包含的一个程序库。trilinos内还有一个网格管理库PUMI，但是缺乏一些必要的功能，如side set的实装，现在还在开发中。

4.3.4 INMOST

4.3.5 MESQUITE

这是一个自适应（adaptive）网格划分工具。用于修正网格以提高网格性能。

4.3.6 Metis，Scotch，Zoltan

Graph数据结构管理软件。我把它们放在这里是因为它们经常用于并行计算时网格的分割。

4.4 计算工具

4.4.1 blas, lapack

blas内包含最简单的矩阵，矢量运算。Lapack内包含矩阵求异，固有值计算等。他们之所以重要，是因为所有计算都少不了这些计算。matlab也好，ruby也好，python也好，其函数实际上就是调用这两个库。其二，这两个库都经历了极致的优化。直接调用优化后的库函数往往意味计算速度的大量提升。个人建议，如果购买了intel编译器，建议使用其MKL库。否则建议使用openblas。

4.4.2 各种各样的求解器

mumps：MUltifrontal Massively Parallel sparse direct Solver联立方程组求解器

arpack，parpack：Implicitly Restarted Arnoldi Method固有值求解器

fftw：离散傅立叶变换计算库

存在大量类似的计算工具。现在有将这些工具整理归总的趋势，如suitesparse就包含十来计算软件。下述计算平台trilinos和Petsc就包含的更多了。