工業企業軟件化：趨勢、機理與路徑

謝克強 陳平

（工業和信息化部電子第五研究所，廣東廣州 511370）

隨著新興信息技術與工業深度融合發展，數字化與智能化已經成為工業發展趨勢。基于信息物理系統（cyber-physical system，CPS）的智能工廠正在引領制造方式向智能化方向發展；云制造、網絡眾包、異地協同設計、大規模個性化定制、精準供應鏈、電子商務等網絡協同制造模式正在重塑產業價值鏈體系。這些使制造技術體系、制造模式、產業形態和價值鏈發生巨大變革，其中軟件在此次巨變中發揮了核心作用，軟件定義成為發展的重要趨勢與特征[1]。

企業是工業創新體系的主體，沒有一批優質工業企業就不可能成為制造強國。推進制造強國建設需要培育適應時代發展趨勢的企業。在軟件定義工業趨勢下，企業運行和發展模式面臨新的要求。德國先進制造業技術領域專家奧拓·布勞克曼在《智能制造：未來工業模式和業態的顛覆與重構》[2]一書中寫道，一個企業的成功不是基于機械、工具等硬件，而是基于它的軟件，這意味著工業企業要通過軟件激發創新活力、發展潛力和轉型動力，進行系統性變革，既包括制造思維的深刻改變，也包括制造方式的變革，還包括組織架構、運作模式和管理方式的顛覆性創新，甚至還包括勞動用工、員工技能、崗位結構的重新調整。在變革浪潮中，工業企業軟件化呼之欲出。《“十四五”軟件和信息技術服務業發展規劃》指出，軟件定義賦予了企業新型能力，航空航天、汽車、重大裝備、鋼鐵、石化等行業企業紛紛加快軟件化轉型，軟件能力已成為工業企業的核心競爭力。

一、工業企業軟件化的現象及趨勢

全球正在出現以新一代信息技術與傳統工業深度融合為特征的新一輪工業創新浪潮。在這一浪潮中，軟件支撐和定義工業的基礎性作用日益突出，軟件定義工業成為未來工業發展的主要路徑之一。

從國家政策看，各個國家圍繞“再工業化”開展先進工業戰略布局，核心是軟件在工業中的深度滲透，通過軟件再造業務流程，實現向數字化、網絡化、智能化的方向發展。德國“工業4.0”構建基于信息物理系統（Cyber-Physical Systems , CPS）的新型工業體系。“工業4.0”戰略中的關鍵技術與理念處處可見軟件的身影，其重要性日益上升，發展勢頭迅猛，以工業軟件為主角的信息技術是產業變革的核心推動力。美國的“制造業創新國家網絡”將軟件提高到一個很重要的位置，其吸納的自適應運載器創建（adaptive vehicle make, AVM）項目實質是“軟件化的工業技術+軟件定義生產體系+優化重構的生產關系”[3]。軟件作為新一輪工業革命的核心競爭力正成為世界各國的共識。

從企業戰略看，各個大型工業企業也紛紛強化自己的軟件實力，踏上由“硬”變“軟”之路。美國軍工企業洛克希德·馬丁公司的代碼行量已經超過微軟公司，成為世界上最大的軟件公司。德國西門子公司一直圍繞如何構建軟件競爭優勢進行全方位的戰略布局，近十年并購了數十家工業軟件企業，2014 年成立了數字化工廠集團，該集團是全球唯一一家智能制造軟硬件整合解決方案提供商，并且推出MindSphere即西門子工業云平臺，意欲打造成工業新中樞[4]。西門子的軟件實力已經涵蓋設計、分析、制造、數據管理、機器人自動化、檢測、逆向工程、云計算和大數據等領域。博世作為全球最大的汽車零件供應商，積極把握新一代信息科技革命給工業帶來的機會，致力于自動化、數字化、智能化進程。面對未來，博世提出了以軟件平臺為核心的“慧連制造”解決方案[5]。施耐德電氣近幾年開始軟件布局，收購了大量軟件公司。施耐德電氣認為軟件是賦能工業未來的關鍵途徑，將軟件作為未來最重要的戰略重心之一，認為要解決企業的核心問題，關鍵是利用工業軟件平臺，助力其在企業價值鏈的各個環節實現價值最大化。今后，智能制造的實現將以工業軟件作為核心，并將其作為工業轉型的關鍵載體[6]。霍尼韋爾提出“軟件也是核心競爭力”，倡導由“硬”到“軟”的互聯轉型，不僅為客戶生產硬件產品，還要提供更多基于軟件和數據的增值服務，全球2 萬多名研發人員中有一半專注于軟件領域，軟件相關業務年收入超過10 億美元，且正高速增長[7]。

工業巨頭們紛紛把自己定位成軟件企業，絕不是偶然。各公司都希望通過提升軟件能力打造自己在新工業革命中的核心競爭力。不管是工業4.0、工業互聯網，還是智能制造，其核心內容是通過對業務與信息進行雙向映射[8]，用軟件再造業務流程，實現組織變革，將企業流程和數據全面集成，以實現整個價值鏈的數字化交互。因此，軟件能力就成為了實現這個目標的關鍵。西門子、施耐德等傳統工業公司都在向軟件化發展，實際上就是按照軟件的思維，進行企業改造與轉型，推動產品升級與技術進步。

需要指出的是，這些工業企業并不是要成為像微軟一樣的純軟件公司，而是要將技術、業務與軟件深度融合，由軟件來表達、管理與創新[9]。工業與軟件正從“兩極”向“中心”靠攏，工業企業與軟件企業的界線越來越模糊。工業企業在傳統工業優勢基礎上探索軟件發展的新業務，傳統軟件企業正在招攬來自工業領域的專家。要真正實現新一輪的工業革命，關鍵在于融合。這不僅是工業、服務業與軟件業的融合，更是思維與創新的融合。

二、工業企業軟件化內涵及影響

（一）企業軟件化的概念

現代經濟學理論認為，企業本質上是“一種資源配置的機制”，其能夠實現整個社會經濟資源的優化配置，降低整個社會的“交易成本”[10]。傳統工業企業運用各種“硬生產要素”（土地、勞動力、資本、機械器材等），為市場提供商品或服務。

筆者認為企業軟件化是以軟件技術為手段，以軟件思維為運行機理，以軟件代碼改造實現企業的研發、生產、組織、管理和營銷等為主要內容，以提質增效升級為目標，轉化為具有軟件屬性企業的動態發展過程，它貫穿于企業運行的整個體系，從投入、經營、決策、執行到產出等。對工業企業而言，企業軟件化是軟件定義工業的內在要求。

軟件是業務、流程、組織的賦能工具和載體，為工業建立了一套信息空間與物理空間的閉環賦能體系，實現了物質生產運行規律的模型化、代碼化、軟件化，使制造過程在虛擬世界實現快速迭代和持續優化，并不斷優化物質世界的運行[11]。

企業軟件化體現了由信息空間向人類社會與物理世界的映射，通過軟件來驅動信息變換，優化物理世界的物質運動、能量運動以及人類社會的生產活動[12]，更便捷和更高效地提供更高品質的產品和服務，使制造過程更加高效、靈活、智能、以人為本。

（二）工業企業系統模型

人們一般認為系統是由一些相互聯系、相互制約的若干組成部分結合而成的、具有特定功能的一個有機整體[13]。系統一般由輸入、處理和輸出組成，為特定的目標而運轉。從某種角度看，企業就是一個系統。圖1 為工業企業系統的抽象模型，它是對工業企業整個生產與經營這一復雜過程的抽象描述，從而突出了工業企業生產與經營過程中物質、信息和知識運動過程的實質。

圖1 工業企業系統模型

工業企業系統是一個復雜系統，它將輸入的物質、能量、信息、知識進行處理與變換后輸出各種產品、服務、信息和知識，即通過一系列相互關聯的活動實現制造系統的“輸入—處理—輸出”過程。

一個工業企業的內部系統處理通常存在四個過程與功能域，即研發設計、生產制造、組織管理、經營銷售。這些過程與功能域可以進一步分解為若干分子過程與分子功能域，而且可以根據需要繼續分解。所有過程和功能域（包括分子過程與分子功能域）并不是完全獨立的，而是相互作用與相互影響的。

（三）工業企業軟件化內涵

根據工業企業的系統模型，工業企業軟件化的運作可概括為輸入軟件化、處理軟件化、輸出軟件化。輸入軟件化具體表現為資源要素投入軟件化，輸出軟件化具體表現為產品服務軟件化。根據系統內過程與功能域劃分，處理軟件化可分為研發設計軟件化、生產制造軟件化、組織管理軟件化、營銷體驗軟件化。

1.資源要素投入軟件化

工業企業軟件化對資源要素進行改造，勞動者由以體力人才為主轉向以軟件、咨詢管理人才為主；生產資料由以原材料、機器設備為主轉向以軟件、數據、知識為主。在采購環節，軟件化使基于電子商務的聯合采購提高了行業采購行動的協調性。資源配置和供應鏈管理由軟件系統加以實現。

2.研發設計軟件化

在研發設計環節，軟件化帶來了企業研發主體、流程、方式的重大變革。企業的研發設計主體從依托企業內部為主向多部門聯合為主演變，企業的研發設計流程從串行到并行方式演進，研發設計方式從以物理實驗手段為主向以數字仿真為主演變。

3.生產制造軟件化

在生產制造環節，軟件化使企業的生產過程逐步走向現代化，企業可以采用更加靈活的數字化定制生產方式，提高專業化生產制造能力。軟件服務從產業鏈兩端促進工業產業結構優化，形成新的、開放競合的產業鏈新模式，催生基于工業大數據的生產新形態。

4.組織管理軟件化

工業企業軟件化對組織管理進行改造，組織結構由科層式轉變為平臺化，組織方式由有組織轉變為自組織。管理重心從指令和信息的上傳下達轉變為組織結構的知識內化以及學習型組織的構建。

5.營銷體驗軟件化

軟件化為定制產品提供了可行性，增強了與產業鏈下游企業的協同能力，實現線下看樣、體驗、物流與線上詢價、交易、支付的優勢互補，促進產品分銷和售后服務水平提升。軟件化形成了集網上信息發布、交易支付、體驗展示、物流配送、售后服務、價格發現、品牌推廣及行情監測等功能于一體的跨區域信息系統平臺。

6.產品服務軟件化

生產的產品由有形的物質產品向無形的信息產品轉變；由硬件決定產品價值向以軟件決定產品價值為主轉變；生產制造由產品向“產品+服務”轉變；由產品（服務）創新轉向商業模式創新。

（四）工業企業軟件化變革

工業企業軟件化產生了多方面的變革，以適應軟件定義工業的模式。

1.物質要素驅動向非物質要素驅動轉變

企業成長的驅動力由以土地、生產資料、機械設備等物質要素為主轉變為以數據與知識等非物質要素為主。企業更加注重數據與知識的積累，通過軟件固化下來，基于軟件實現數據自動流動與知識自動化。數據在生產制造、產品服務、基礎設施等核心環節流動，創新業務流程，形成一個接一個的“數據循環”，最終實現整個企業快速運轉。物理系統可更好、更快地完成大量機械工作（即機械自動化），使勞動者從枯燥、煩瑣的體力勞動中解脫出來，而信息系統則有效提高了腦力勞動的自動化水平（即知識自動化），解放了人類的部分腦力勞動[14]。知識自動化提升了知識管理的力度，自動生成組織活動所需的知識，繼而完成相關流程，提高企業的運作效率及效益，促使企業向智能化知識學習、知識發現演變，進而實現從要素驅動向創新驅動轉變。

2.硬件生產為主向軟件研發為主轉變

企業生產更加關注用戶需求分析、產品體驗設計等，而這些更側重于軟件研發。移植于產品中的感知和適應性功能為智能產品的研發提供工具和創新方法論；基于軟件的智能制造促進傳統產業向產品設計和服務模式兩端進行轉型和延伸；數據挖掘和商業智能等典型應用可以準確把握和分析客戶深層次需求，形成了研發服務的完整反饋環。

3.生產范式向服務范式轉變

企業由傳統產品制造為核心，向提供產品和依托產品的服務轉變，提供整體解決方案。這些提升了企業的產品營銷能力和面向客戶需求進行設計的能力，也豐富了產業鏈條上的分工，創新了許多新的商業模式。例如，羅爾斯·羅伊斯、通用電氣等公司通過軟件對銷售后產品收集的數據分析進行預測性維護，從賣產品向賣“產品+服務”轉變，實現價值鏈的延伸[15]。

4.企業主導向用戶主導轉變

未來制造產品將不再是企業生產什么、用戶使用什么的企業主導模式，而是用戶參與甚至主導產品生產需求。不管是數字化、網絡化還是智能化，重要的是能夠理解用戶、理解行業、理解產業，而理解的基礎是通過軟件對大量數據進行收集、挖掘、分析、計算，找出共性及數據相關性，進而通過軟件定義各種功能，滿足用戶各方面的需求。企業軟件化將工業帶入消費者定義市場的階段。

5.固定邊界向弱化邊界轉變

軟件化帶來的開放式平臺和架構主要體現在制造資源的共享開發、產業機會的開放接入以及產業價值的共同創造等層面。軟件化促進了依托互聯網的資源和信息的加速共享，有效減少供給和需求的信息不對稱問題；開放接入則能有效匹配消費者需求，以最低的成本和適當的服務滿足客戶需求；在產業價值的共同創造方面，軟件化則提供了更有利的創新環境、出色的集成能力和良好的柔性，讓更多的企業從開放式系統中獲益。開放式打破了傳統的行業界限，使不同行業的企業走到了一起，增加各自的市場機會，形成互利共生的工業生態系統。開放式將以往排他性競爭轉變為互利共生，不是以較低成本反復應用自身的生產要素，而是憑借合作共生發揮異質的技術、信息、知識等的互補和相乘的效應。

三、工業企業軟件化的路徑

（一）基于企業架構的軟件化

工業企業軟件化要考慮企業的產品、過程、組織和資源的大環境與企業的發展目標、管理模式、生產經營組織方式相結合。將軟件技術、現代管理技術和制造技術相結合，并應用于企業產品全生命周期的各個階段，實現工作流、物流、信息流、價值流的集成與優化運行。

逐步推進工業企業的軟件化，首先，要明確企業軟件化需要一套科學的理論體系為指導；其次，要以企業架構理論為基礎，從企業戰略的高度，采用不斷進化的觀點來看待企業軟件化，使軟件化從局部規劃和設計向全局規劃和頂層設計轉變，最終走上可持續發展的道路。

企業架構的革新是企業軟件化的首要條件。當業務越來越依賴IT，IT 與業務的連接越來越緊密，甚至融為一體時，整個組織需要一個共同語言來分析和解決問題，這個共同語言就是企業架構所提供的。企業架構是對真實世界企業的業務流程和IT 設施的抽象描述，它包括企業戰略、組織、職能、業務流程、IT 系統、數據、網絡部署等，是完整的、一體化的描述[16-17]。企業架構反映了企業業務的狀況，并體現了業務與IT 的映射關系，能明確各類IT 設施對業務的支撐關系。企業架構是企業的核心資產，可以使企業擁有應對變化的能力。以企業架構為基礎進行軟件化是工業企業軟件化的有效方式，即以企業架構為核心，將企業架構的方法應用于工業企業軟件化的實施、指導、評價。如圖2所示，企業架構路徑演進是工業企業軟件化的核心，企業戰略目標和業務目標驅動路徑演進；模式是不同企業情況和業務運行傳導的結果；標準規范起到規范指導作用；評價體系幫助企業識別差距、確立目標、實施改進。

圖2 企業架構為基礎的企業軟件化

如圖3 所示，軟件化的企業架構主要分為三個層次：一是物理層，主要由傳感器、網絡、存儲以及裝置等硬件基礎設備構成，負責信息的采集、傳輸和生產執行；二是平臺層，積累沉淀各種資源，并進行調度與整合管理；三是應用層，提供設計、生產、管理、服務等一系列創新性應用服務。數據在各層間流動。

圖3 軟件化的企業架構

（二）企業軟件化演進方向

企業的情況不同，軟件化演進路徑也不盡相同，大致上企業可以從物理層、平臺層、應用層發力，表現為物理資源虛擬化、平臺管控軟件化、應用服務生態化。

1.物理資源虛擬化

物理層的服務器、存儲、網絡以及工業設備等硬件資源構成了企業的基礎設施。硬件資源虛擬化將各種物理資源予以抽象、轉換后呈現出來，打破物理設備結構間不可切割的障礙，形成軟件定義基礎設施。這些虛擬的資源不受現有資源的架構方式、地域或物理設備的限制，并被當成一種邏輯上的資源，而非物理資源加以控制和管理[18]。將這些資源統一管理并進行池化，從而將這些池化的資源實現按需分配和重新組合。

傳統的企業架構往往缺乏硬件資源管理和調度手段，不能充分發揮硬件資源共享優勢，應用效率偏低；軟件資源分配缺乏合理性，使用過程中沒有應用高效準確的數據整合導致軟硬件資源分配與調用缺乏有效的依據。軟件定義基礎設施降低了對復雜硬件的管理難度，實現了資源的自動化整合，伴隨著效率、自動化、靈活性與服務質量的提升和增益，幫助企業減少成本，成為企業軟件化的基石。

2.平臺管控軟件化

軟件化平臺是軟件定義工業時代企業開展生產制造與經營管理的核心能力平臺，對內整合能力與資源，對外連接各大合作平臺，面向各類型用戶提供業務能力與技術支持。

軟件化平臺是整合內外部跨組織、跨平臺信息的樞紐，實現數據互聯互通；是研發生產的資源與能力的匯聚樞紐，實現制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置；是組織管理的邏輯樞紐和指揮中樞，實現智慧化經營管理。通過建設軟件化平臺，可以幫助企業快速實現軟件化。

平臺軟件化形成以軟件平臺為核心的邊緣計算平臺、大數據平臺、云平臺、信息管理平臺等。通過構建平臺化的資源匯聚與互聯體系，建立面向工業大數據存儲、集成、訪問、分析、管理的開發環境，涵蓋了設計、計算、仿真、研制、生產管理，提供一個并行協同的集成工作環境，通過軟件實現工業技術、經驗、知識的模型化、標準化、軟件化，將制造資源與制造能力沉淀到平臺，基于軟件復用實現“知識自動化”[19]，并通過平臺驅動各種資源打破各個業務運行環境的分離和隔閡，進行敏捷生產和制造，進而驅動企業業務流程重構和組織再造。

通過構建高度集成、智能和協作的軟件化平臺，支撐生產全要素、全流程、全產業鏈、全生命周期管理、產銷互動全場景資源的統一管控與按需配置，將原來的需求變化必須通過硬件資源平臺變化來實現，轉變為透過一個深度軟件定義的平臺可以靈活地定義管理各種資源，從硬件資源為核心走向軟件平臺為核心。軟件化的平臺提升生產效率、創新模式業態，探尋數據與人、生產、利潤間，以及數據與業務間的各種關聯性，為企業決策提供全面的、準確的、更具實際意義的預測與輔助決策；使產品、機器、人、業務從封閉走向開放，從獨立走向系統；重組客戶、供應商、銷售商以及企業內部組織的關系，重構供應鏈、資金鏈、物流鏈，銷售鏈、服務鏈。

3.應用服務生態化

企業軟件化從寬度和深度上極大地擴展了軟件的應用范圍，每個層面、每個環節都成為智能化的子系統，并通過價值網絡實現橫向集成，由端到端集成橫跨整個價值鏈，利用軟件化平臺垂直集成和打造網絡化的制造體系。在變革過程中進一步促進軟件在每個細節上與企業業務融合，通過平臺和云化的應用形成動態的、生態化的進化環境。

在軟件化平臺的基礎上形成豐富的垂直行業應用。在平臺的基礎上，結合特定行業需求，將軟件與企業業務深入融合，通過豐富開放的API，將行業知識與能力進行沉淀、復用和重構，封裝成為功能模塊，并進行動態集成，有針對性地開發行業應用和解決方案，在平臺上形成垂直應用集群，直接對外提供服務，加速企業業務能力的輸出，構建企業的應用生態。這種方式不受“硬件”資源管理約束，互聯互通、深度協同，業務應用的智能化由軟件實現，設備的種類及功能由軟件配置而定，打破了對業務的封閉，實現了更多的功能，能提供更為靈活高效和多樣化的服務。一方面，通過專業應用來提升生產效率，創新企業涵蓋研發、設計、生產、制造、運營、營銷和服務的全生命周期模式；另一方面，還可以靈活運用多種應用來滿足日益變化的業務需求。基于軟件化應用幫助工業企業從基于產品向基于服務的模式演進（從獨立產品到“產品+遠程協助”，再到“產品+增值服務”，最后演變成服務平臺），增加收入并加強客戶黏性，實現價值鏈的延伸。

四、結束語

軟件定義未來工業正以不可阻擋的燎原之勢發展，工業企業軟件化方興未艾。工業企業軟件化將軟件全面融入工業全過程，實現生產模式和組織的變革，優化資源配置方式，提升各類生產要素的效率，帶動技術產品、組織管理、經營機制、銷售理念和模式等的創新。工業企業軟件化培育了企業的新型能力，全面支撐軟件定義工業的要求。隨著工業企業軟件化趨勢的不斷發展，內涵不斷深化，實施路徑不斷顯現，需要我們去探索、去實踐。參考相關評價體系[20-21]，構建工業企業軟件化成熟度評價框架將是下一步的重要工作。