力筑工業之基 重鑄智造靈魂

（中國航空工業集團信息技術中心，北京 100028）

0 引言

軟件（中國大陸及香港用語，臺灣稱作軟體，英文為Software）是一系列按照特定順序組織的計算機數據和指令的集合。但面對現代工業軟件而言，該定義已不再適用。工業軟件是以工業知識為核心、以信息物理系統（Cyberphysical Systems，CPS）形式運行、為工業品帶來高附加值、用于工業過程的所有軟件的總稱［1］。

近幾年國外對工業軟件的定義（techopedia）為：“工業軟件是一種可以幫助人們在工業規模收集、操作和管理信息的應用程序、過程、方法和功能的集合。工業軟件的使用包括運營、制造、設計、建筑、采礦、紡織、化工、食品加工等行業用戶及其服務提供商?！保↖ndustrial software is a col?lection of application programs，methods and functions that can aid in collection，manipulation and management of infor?mation on an industrial scale，and sectors that make use of in?dustrial software include operations，manufacturing，design?ing，construction，mining，textile，mills，chemicals，food processing and service providers.）［2］

我國正處于從工業大國向工業強國的轉變階段，其中工業軟件起著重中之重的作用，而一款成熟的工業軟件，需要融入大量工業知識與長期積累的制造經驗，不是僅憑計算機軟件知識的工程師或將工業知識融入軟件即可研發成功的。CPS 條件下智能制造快速發展，工業軟件已成為制造業發展的核心要素之一，并將在發展中進一步展現其不可或缺的重要地位。

1 軟件——工業之魂

魂，主管人之精神靈氣。類比到工業，軟件便可稱為工業的魂。沒有軟件，再先進的加工中心、儀器、設備都只是廢鐵一塊；產品研發、生產、管理與設備運行、維護都將混亂不堪，先進的工業體系便也不復存在。例如：沒有軟件的輔助，全球最先進的第五代戰斗機根本無法起飛，也就毫無價值；沒有計算機輔助工程（Computer Aided Engi?neering，CAE）軟件，諸如衛星、高鐵、高端芯片等復雜產品根本無從開發［1］。

現今各類產品，由于其結構復雜、技術復雜以及產品更迭速度快，如果沒有各類工業軟件的輔助，僅依靠人力無法完成研發任務。依靠工業軟件的研發手段，就是改模擬傳遞為數字傳遞、改串行研發為并行研發，其優點是在縮短產品研制周期的同時提高產品質量，降低研制產品成本，縮短產品研制周期，最終給客戶呈現出精品。例如在開發、研制、制造過程中采用數字化技術和并行工程的波音777 飛機。波音公司依靠充分的技術儲備和組織管理經驗，零部件全部三維數字化定義、數字化預裝配，以精益制造思想為指導，共建立238 個設計建造團隊，實施并行工程。采用數字化預裝配代替實物樣機。生產過程中修正了2 500 處設計干涉問題，使設計更改和返工率減少50% 以上，裝配時出現的問題減少50%～80%，研制周期由常規的10 多年縮短為4.5 年。最終造出的第一架波音777 性能優于已有24 年歷史的第400 架波音747，這就是工業軟件的強大之處［3］。未來，諸如飛機等復雜產品的研制將進入“以綜合模型為基礎，以數字孿生為驅動”的新型研發模式。

工業軟件是一個十分龐大的體系，包括設計研發軟件、生產制造軟件、工業管理軟件、工控軟件等。制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）又稱制造運營管理系統（Manufacturing Operations Management，MOM），是企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）等上游系統與分布式數控（Distributed Numerical Control，DNC）/制造數據采集管理系統（Manufacturing Data Collection and control，MDC）等下游系統之間的橋梁。MES 強調控制、協調和執行，使企業信息化系統在擁有良好的計劃系統的同時還能使生產計劃落到實處。功能完善的MES 軟件應該包含高級計劃與排程（Advanced Planning and Scheduling，APS），只有通過APS 才能使MES 中的計劃更精確、科學，才能使MES 流暢地運行起來。若沒有車間MES/APS 軟件定義的設備能力、最優生產計劃和生產質量管理等內容，所有機床、生產線等制造設備都無法按照給定的計劃進行有序、高效的生產，甚至會陷于混亂和癱瘓狀態①。

工控軟件包含數據采集、人機界面、軟件應用、過程控制、數據庫、數據通訊等內容，其特點是與硬件綁定，相對封閉和專用?，F代工業設備的正常運轉和精準工作均依靠工控軟件實現。在現代工業生產線上，工控軟件中任何一個參數失調，都可能造成大批廢品甚至是設備停機。

2 工業技術軟件化

工業技術軟件化的重點在于將工業知識/技術等要素從非軟件形態轉化為軟件形態的同時，還需用軟件定義、改變它們的形態或性質。工業技術是支撐工業發展的基本要素之一，是幾十年來工業技術發展的重要趨勢。而工業技術軟件化離不開知識的傳承。

人類知識傳播路徑如圖1 所示。

Fig.1 Human knowledge transmission route圖1 人類知識傳播路線

在數字化儲存方式出現之前，知識儲存在人腦，或記錄在其他介質上。在記錄、使用、傳播等方面受到諸多限制，同時知識的更新非常困難。傳統物化載體記錄和傳播知識的方式已無法跟上現代快速發展與不斷升級的新工業革命步伐。

數字化儲存方式帶來的巨大好處首先是無損復制，不再因反復使用而產生圖文失真或磨損；其次，數字化圖文在編輯上比紙介質更加方便自如；最關鍵一點，數字化可以打破空間界限，基于網絡無損傳輸，在任意許可范圍內實現共享，最大限度地滿足全網范圍內分布式傳播與獲取的需求。

此外，數字化設備所需的物理介質空間，與傳統介質所占空間相比，幾乎可以忽略不計。比爾·蓋茨曾親自示范：一張光盤記錄的可打印文件，能夠打印成幾十米高的“打印紙柱”。只有將知識數字化后寫入軟件，讓工業技術/知識最大限度地軟件化，讓工程師脫離厚重的設計手冊，只用軟件就可不限時空地調用工業技術/知識，才能把工業技術/知識的作用發揮極致。

工業技術是用于研發生產、用來解決技術問題的基本要素，它往往是發明與實踐的結晶。工業技術的載體可以是碳基介質（如人腦、紙質書籍資料等），也可以是硅基介質（如硬盤、光盤等）。因此，擁有工業知識，就需要擁有承載工業知識的人或物。工業技術/知識被寫入軟件并存儲到賽博空間就是工業技術軟件化的結果。

工業技術軟件化由索為系統公司在2016 年提出，旨在研究人類使用知識和機器使用知識的技術泛在化過程，建設自主的工業技術軟件化平臺，并以此作為一個技術突破口打破國際軟件巨頭對工業軟件的壟斷。

2017 年12 月15 日工業技術軟件化產業聯盟（又名工業APP 聯盟）在北京正式成立，工信部原副部長楊雪山教授這樣理解工業技術軟件化：為什么要工業技術軟件化？①從勞動生產率看，必要的；②從制造發展過程看，必需的；③從智能制造發展過程看，必然的；④從制造業發展未來看，最關鍵的。

必須將工業技術軟件化放在整個工業化進程的大視角下理解：它是工業技術/知識的顯性化、模型化、數字化、系統化和泛在化，是一個綜合地不斷提高人/機使用知識效率的發展過程。人和機器既是知識的創造者、使用者，也是受益者。可以認為，工業技術軟件化是傳統知識管理在以智能為標識的全新歷史時期下的解構與重構，是其與數字化技術結合之后的又一次轉型和發揚光大。

工業技術軟件化由來已久，過程必將長期而緩慢。工業技術軟件化量多面廣，包括將某些專用知識嵌入商用軟件、將特定的經驗與技巧寫成自用小軟件、開發專用自主可控電力軟件、開發自主可控嵌入式工控軟件、開發工業物聯網的設備驅動軟件、開發服裝柔性生產MES 軟件等。工業技術軟件化可以從企業的任何一個工作環節、選擇任何一種工業技術/知識、面向任何尺度的軟件交付物做起。

做好工業技術軟件化，需要長期的技術積累和知識沉淀，需要企業有足夠的耐心與實踐。企業可將所有來自實踐一線的工業技術、經驗、知識沉淀下來，經過模型化、軟件化、再封裝，構成互不相關、高度適應外部需求變化的微服務，然后在更具體的工業場景中將它們組建成特定的工業APP［4］。

3 工業軟件

網景通訊公司創始人、硅谷著名投資者馬克·安德森在《軟件正在吞噬整個世界》中指出：軟件的擴散和蔓延，已經是全球、全社會、全行業性質的，水銀瀉地般無孔不入，“軟件化”已經是一場看不見但是可以切身感受到的“運動”。隨著計算機在各行業的全面普及，軟件涉及的領域愈加寬廣，其體量或大或小，從幾十行代碼到幾億行代碼不等。軟件的作用已深入到社會生產生活各個方面。

軟件大致可以分為系統軟件、應用軟件和中間件3類。作為這些軟件的重要組成部分，工業軟件是包含了所有承載工業要素、用于工業過程的軟件。工業軟件作為一種載體和工具在工業領域中建立數據自動流動規則體系，對業務活動賦能、延伸人類知識與智能。工業范疇與工業軟件應用范疇一致，無論是重工業、輕工業還是化學工業，都離不開工業軟件。

一個軟件的質量，如其性能、功能、可維護性、可靠性、安全性、互操作性等質量指標，依賴于軟件中的知識、算法、控制邏輯實現。特別是工業軟件，如果沒有特定的算法與知識支撐，無法進行研發。工業軟件是復姓，首先姓“工”其次才姓“軟”，其難點在于“工業”而不在“軟件”。沒有工業技術的長期發展與積累，就沒有工業軟件的應用與成長，而軟件從另一方面再次提升了工業發展速度與質量，很多工業品沒有軟件的支撐無法開發。工業與軟件是相輔相成、相互促進的。

常見的商用工業軟件數量只占工業軟件總量的10%～15%（估算值）。大量工業軟件是企業針對相關項目開發的，并不會商業化。例如波音787 整個研制過程用到8 000 多種軟件，其中只有不到1 000 種是常見的商業化軟件，其余7 000 多種軟件都是波音公司經過多年經驗積累自行開發的私有（自用）軟件，其中僅CATIA 就有超過6 000 個許可證［5］。

按照國際慣例，企業自己開發的軟件往往被稱作“in house（自用）”軟件。相對于商用工業軟件，自用軟件具有更明顯的特定意義。這類軟件是專門在特定場合使用的，僅適用于某家企業的某個工序，沒有普適性。大量的自用軟件實際上已成為企業核心競爭力不可或缺的一部分。

理論上講，工業軟件研發主體應該是多樣化的：有工業巨頭的按需開發，有專業商用公司開發，也有企業員工根據自己的需求開發，還有自由個體憑興趣開發，再或者有高校組織教師/學生進行開發，由研究院所組織團隊自己開發，還有企業自己成立專門的部門或獨立的公司進行開發。但是，真正把工業軟件開發成功，且運用到產品生命周期管理過程中去，并通過產品或研究成果產生收益，再將收益不斷持續投入新版本軟件開發中，形成良性滾動發展，目前看來只有工業巨頭能夠做到。

工業軟件在開發過程中，頂層系統架構搭建難度大，英文程序使用門檻高，硬件設備建立開銷大，編程高手培養難度高，產權知識不易保護，后期維護相當繁瑣。國外工業軟件開發在20 世紀70 年代冷戰時期進入爆發期，但也只有財力雄厚的軍火商、汽車商才有條件獨立開發或依托某廠商開發早期的CAD 軟件。

例如：CADAM——由美國洛克希德公司支持的商用軟件；CALMA——由美國通用電氣公司開發的商用軟件；CV——由美國波音公司支持的商用軟件；I-DEAS——由美國NASA 支持的商用軟件；UG——由美國麥道公司開發的商用軟件；CATIA——由法國達索公司開發的商用軟件；SURF——由德國大眾汽車公司開發的自用軟件；PDGS——由美國福特汽車公司開發的自用軟件；EUCLID——由法國雷諾公司開發的自用軟件，后成為商用軟件等［1］。

企業自主開發工業軟件是現有趨勢，其成果往往以一種自用軟件或“工業APP”的形式存在。這樣的自用軟件，算法未必最先進，菜單界面未必簡潔大方，但可根據企業自身需求針對性解決問題。

4 工業APP

工業APP 尚且處于初階發展階段，世界范圍內仍未對它給出明確定義，在中國工業界依舊屬于新生事物。工信部《工業互聯網APP 培育工程實施方案（2018-2020 年）》定義為：“工業互聯網APP（以下簡稱工業APP）是基于工業互聯網、承載工業知識和經驗、滿足特定需求的工業應用軟件，是工業技術軟件化的重要成果?！?/p>

以1957 年帕特里克·漢拉蒂（Patrick Hanratty）博士開發出世界上第一款商業化的數控編程系統PRONTO 為起點，工業技術軟件化開啟了漫長的發展歷程。PRONTO 數控編程系統邁出了工業軟件的第一步，被稱為“一切CAD的基石”。60 多年來，學界與產業界一直嘗試將機械、電子、物理、化學等專業領域知識，以及在工業研發實踐中積累的設計過程、加工技巧、工藝路線、造型方法、仿真經驗、運維管理等方面知識“裝入”軟件這個“容器”，并在計算機充沛的算力支撐下，發揮巨大的“賦值、賦能、賦智”作用。如今相當一部分大型工業軟件是由某種APP 發展而來。

《工業互聯網APP 發展白皮書》指出，工業APP 作為一種新型工應軟件，一般具有以下6 個典型特征：完整地表達一個或多個特定功能，解決待定問題；特定工業技術/知識載體；小輕靈，可組合，可重用；結構化和形式化；低代碼化；平臺可移植［6］。

作為工業技術知識的載體，工業APP 有兩個關注重點：第一，對工業數據建模以及對模型進行持續優化；第二，對已有工業技術知識進行提煉與抽象。它強調高度的標準化與體系化且運行載體多樣化，用戶可以根據實際需求進行安裝、使用、相互調用，甚至是卸載和更換其它工業APP，操作快速、方便、靈活。同時，工業APP 采用微服務技術，這是一種新型的軟件架構技術，可以把一個應用程序分解為功能粒度更小，相互之間完全獨立的組件，從而使工業APP 獲得更高的敏捷性、可用性和伸縮性。

將作為基于通用設計軟件的設計知識封裝為工業APP 的基礎，傳統架構下的工業軟件（如CAX/PDN/PM 等研發設計工具、ERP/MES/SCM 等運營管理軟件和組織協同軟件以及嵌入式軟件等）正在加速解構、重構，同時云化改造遷移，實現工具平臺化。解構后形成的工業APP 同時向工業互聯網平臺發展，協助傳統工業軟件更好地服務于工業活動。兩者將在未來相互配合，長期共存，最終形成更加高效的生產力。

工業APP 體系龐大，涉及的工業技術門類眾多，個性化強，對象繁多，關系復雜。它擁有一個三維體系框架，包含工業維、技術維和軟件維。任何工業APP 都可按照該體系框架進行分解和組合，同時可具有多個維度屬性，例如螺栓機加工工藝仿真APP 既屬于基礎共性APP，同時也屬于生產制造APP，還屬于應用改進環節APP。通常為了滿足不同時期行業、企業或組織的產品發展戰略需求，工業APP 體系需定期或不定期進行相應重新規劃和修整。

工業APP 發展歷程是工業技術軟件化的結果，其發展演變路徑可以總結為：工業技術/知識→工業軟件→工業APP→工業互聯網APP。工業APP 形式根據其發展歷程和分享范圍也可以分為3 種：個體自有模式、企業自有模式和商用公有模式。

在工業APP 生態中，存在不同的利益相關方，它們在產業鏈上各司其職又互相影響，形成有規律的共同體，在產業、技術發展的外部環境下，相互制約、價值共享、互利共存。堅持開放共享、共創共贏，引導大量工業企業、平臺運營商、軟件開發商、系統集成商和其他開發者等，建設以工業APP 與工業用戶之間相互促進、雙向迭代為核心，資源富集、創新活躍、多方參與、高效協同的工業APP 開放生態體系，為產業發展提供源源不竭的前進動力［4］。

常規工業軟件，如CAX、PLM、MES 等，功能分散、深嵌在各種不同的底層架構中。通常需要單獨購買不同種類的工業軟件，才能使用其中不同種類的功能。目前沒有任何一個工業軟件廠商能夠提供覆蓋所有專業領域的軟件解決方案，只有天生既姓“工”又姓“公”的工業互聯網平臺以及基于微服務技術、面向角色和場景的工業APP 才是解決這一問題的最終方案。值得指出的是，盡管工業APP 是工業互聯網APP 的簡寫，但它們之間依舊有著細微差別。工業APP 與工業軟件的關系與發展演變路徑是：工業技術與知識→工業軟件→工業APP（個體自有、企業自有）→工業互聯網APP（商用公有）。

5 自主之路

2018-2019 年西方各國對諸如中興、華為等中國行業領頭企業實施了各種維度上的封鎖，既有芯片類硬件斷供，也有工業軟件斷供。如果說芯片斷供會導致企業停產，那么軟件斷供則是扼殺企業芯片設計和實驗試制能力。沒有芯片依然可以自主研發設備進行制造，但失去設計與實驗試制能力則會被完全禁錮，所以開發出我國自主產權的工業軟件刻不容緩。

目前眾多行業都實施了多種形式和主題的“數字化/信息化”，軟件價值和作用得到了一定程度的體現和發揮，諸如物聯網、大數據、云計算、區塊鏈等，新技術與術語層出不窮。這些新概念背后支撐性核心關鍵技術是工業軟件。

但是，各方對工業軟件的重視程度明顯不夠，工業軟件和普通IT 軟件往往被混為一談，軟件的“使能作用”“靈魂作用”沒有充分發揮。同時，軟件因為不可見，而往往不為人所知，從政府資源投向來看，近幾年國家推出的若干重大工程集中于集成電路、大數據、智能制造等領域，但是在工業軟件這個核心的“工業靈魂”問題上，幾乎沒有以“軟件”為名的重大工程，更不用說專業化程度極高的工業軟件。工業軟件實際處于“說起來重要、落實起來次要、干起來不要”的尷尬境地。

如在“十五”至“十二五”期間，國家對三維CAD/CAE等核心工業軟件研發的投入強度不足2 億人民幣。相比之下全球最大的CAE 仿真軟件Ansys 公司2016 年在研發的投入資金為3.5 億美元，約合20 億人民幣。即國外一家仿真軟件公司一年的研發投入相當于我國3 個五年規劃軟件研發方面投入總和的10 倍。

由于認識上的缺失，我國已經錯過了20 世紀70-80年代軟件興起期以及90 年代末的互聯網軟件高潮期。但如今智能技術重新洗牌，工業革命再次迎來新一輪“窗口期”。在這一時期，軟件，特別是工業軟件將成為新工業革命的關鍵要素。

工業軟件一直面臨著復雜的分類問題。目前國內外大都沿襲了傳統通用軟件的分類和命名方式。如CAD、PDM、MES 等。這樣的劃分也客觀上造成工業軟件種類龐雜、數量巨大和功能冗余。另一方面，國內在包括工業軟件在內的諸多技術領域一直跟隨國外的命名習慣，包括眾多商用、自用工業軟件等門類。如果缺乏科學的分類和簡明的命名，是非常不容易學習、理解和掌握的，更不利于自主研發。因此建議按照聯合國工業門類的視角分類工業軟件，而不是從工業門類居多，龐大而復雜的信息化視角出發。本文提出一個新的工業軟件體系，嘗試重新劃分和命名一些常見的工業軟件，如圖2 所示。重新分類后每種軟件的簡要說明如表1 所示。

Fig.2 New classification of industrial software圖2 工業軟件新分類

Table 1 Classification description表1 分類說明

我國擁有41 個工業大類、207 個工業中類、666 個工業小類，形成了獨立完整的現代工業體系，是全世界唯一擁有聯合國產業分類當中全部工業門類的國家。沒有完成工業化的國家，不可能出現工業軟件；而完成了工業化的國家，也不一定能夠出現好的工業軟件。2020 年國家出臺了很多利好政策，支持軟件產業發展，因此本文認為2020 年是中國工業軟件元年；我國有相當完整的工業體系，尤其在各類橋梁、跨海大橋、復雜隧道、高層建筑、高鐵施工、高速公路、金屬結構、工程機械等工程建設方面，積累了強大的方法、算法、經驗、知識，因此可基于建筑業，逐步形成工業軟件優勢，并進一步推廣經驗；爭取在中華人民共和國建國100 周年時，在世界工業軟件有一席之地，即在世界格局不變的前提下，我國占據工業軟件三分之一天下（美國三分之一、歐洲三分之一），實現“2020 工業軟件啟元年，三十年后三分天下居其一”。

《論語》有言：“名不正則言不順，言不順則事不成”，中國以“工X 軟件”定義和命名，簡明扼要，易懂易記，專屬中國。一旦加以推廣使用，必能在業界傳播開來并得到廣泛認可。也只有在工業軟件分類方式上加以改變，相當于重新開辟一條新的賽道，世界工業軟件的“競爭賽道”才會發生變化，這樣我國才能在命名基礎和技術空間上，在新的賽道上，取得領先地位。

6 結語

本文闡述了軟件與工業軟件的本質，系統分析了工業軟件與工業技術的關系，對工業軟件進行了重新分類，以期為我國工業軟件發展開辟一條新的賽道。工業軟件作為工業魂魄，必將在一個制造強國崛起的過程中伴隨左右。工業軟件是復姓，既姓“工”也姓“軟”，“工”與“軟”相輔相成，相互促進。軟件是智能化的基礎和載體，中國工業轉型升級，道在軟件！