裝備數字化軟件現狀與發展趨勢研究

謝軼 黃靖

引言

當前，隨著我國裝備制造業數字化轉型步伐日益加快，社會各界對裝備數字化軟件的關注度持續提升，軟件已逐步成為裝備制造業高質量發展的重要支撐，但我國裝備數字化軟件發展仍面臨雙重壓力，不僅受阻于自身發展困境，而且直接遭受國際同類產品的沖擊。從總體看，國內產學研用各方持續推進裝備數字化軟件自主研發，但高端核心軟件匱乏，自主品牌“小散弱”現象突出，未形成規模化應用效應，無法適應裝備數字化建設快速發展的需要。

為加速裝備制造向智能化、服務化、生態化轉型升級，推進裝備數字化軟件研發應用，本文全面分析了裝備數字化軟件的整體態勢，著重厘清當前面臨的主要問題與挑戰，探索性提出了發展建議，并對裝備數字化軟件的未來發展趨勢進行預測，以期為行業發展研究提供參考。

一、裝備數字化軟件整體態勢

（一）概念與內涵

裝備數字化軟件是固化裝備建設流程、方法、準則，承載模型、算法、知識的技術手段和工具載體，是裝備建設戰略籌劃、裝備論證、研制生產、試驗鑒定、運用保障等全生命周期各階段建設的核心支撐。結合數字化軟件功能特點和支撐裝備建設的不同階段，裝備數字化軟件通常包括體系設計建模、系統設計建模、仿真推演、研制生產、試驗測試和運用保障等6 類軟件，如圖1 所示。

（1）體系設計建模軟件。主要對裝備體系運用場景、體系能力、體系構成等進行設計建模，支撐裝備體系優化設計，通常應用于戰略籌劃、裝備論證等階段[1]。

（2）系統設計建模軟件。主要對裝備運用場景、系統組成、技術指標、通用質量特性等進行設計建模，支撐系統設計方案快速生成，通常應用于裝備論證、研制生產等階段[2]。

（3）仿真推演軟件。主要構建典型紅藍對抗場景，支撐開展裝備體系驗證優化、體系運用方案推演、體系效能檢驗評估和裝備體系貢獻率評估，通常應用于戰略籌劃、裝備論證、試驗鑒定、運用保障等階段[3]。

（4）研制生產軟件。主要指工業軟件，用于計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、電子設計自動化（EDA）、軟件工程、質量特性設計分析、工藝設計與仿真、制造過程管理、運營管理，支撐裝備需求快速響應和敏捷交付，通常應用于裝備研制生產階段[4-6]。

（5）試驗測試軟件。主要開展試驗設計分析、性能邊界考核和體系效能檢驗，支撐數字化性能試驗、作戰試驗和在役考核，通常應用于試驗鑒定階段[7]。

（6）運用保障軟件。主要開展裝備態勢監控、裝備運用籌劃、保障需求測算、保障行動規劃、裝備損耗預測和裝備健康管理，支撐裝備科學管理、高效運用和精確保障，通常應用于運用保障階段[8]。

（二）整體態勢

從全球裝備數字化軟件市場格局來看，美國、歐洲企業處于主導地位，把握著技術及產業發展方向。①體系設計建模軟件主要由Enterprise Architect（澳大利亞）軟件占據；②系統設計建模軟件主要由MagicDraw（法國）軟件、Reapsody（美國）軟件占據；③仿真推演軟件以EADSIM（美國）、JTLS（北約）、JWARS（美國）等軟件為代表；④研制生產軟件主要由達索公司的Catia（法國）、TeamCenter（德國）、Candence（美國）軟件等占據；⑤試驗測試軟件以LMS Virtual.Lab（德國）軟件處于行業優勢地位；⑥運用保障軟件中以Maxiom（美國）軟件處于行業優勢地位。

當前我國數字化軟件整體尚處于發展初期，整體狀況可概括為“管理軟件強、工程軟件弱，低端軟件多、高端軟件少”。其中，體系設計、系統設計、仿真推演等3 類軟件以及CAD、CAE、EDA、CAM 等核心軟件取得了局部突破，但仍以跟蹤研仿、開源改造、專建專用、補點連線模式為主，存在管理機制不健全、供需銜接不深入、資源投入小散弱等問題。

二、存在問題及建議

（一）存在問題

經初步統計，國產軟件主要集中在中低端軟件，高端核心軟件匱乏，其中體系/系統設計、研制生產、試驗測試等4類軟件80%以上仍依賴國外進口，國產軟件競爭力不強；仿真推演和運用保障軟件以專建專用為主，建設雜亂、“小散弱”現象較為突出，還未形成規?；瘧眯w距離裝備數字化轉型要求還有較大差距。主要體現在以下幾個方面：

（1）創新發展方面。國外裝備制造強國高度重視軟件基礎理論方法研究，孕育孵化了一批高水平的數字化軟件（據統計，國外90%以上大型工業軟件均結合重大項目研發，如法國達索公司基于飛機設計制造需求研發了三維設計工具CATIA，美國NASA 基于航天器結構強度分析需求研發了Nastran 軟件）。對比國外，我國數字化軟件在創新發展上存在以下不足：①創新意識不強。當前，我國大型復雜裝備建設重點是保進度、保成功，缺乏將工程經驗、領域知識固化為軟件的理念意識，導致近年來我國裝備建設尚未孵化出實用、管用的自主數字化軟件。②創新動力不足。裝備研制單位長期使用國外研制生產軟件形成了使用黏性，且自主軟件使用制度機制尚未完全建立，導致裝備管理、研制和使用單位總體缺乏研發使用自主數字化軟件的內生動力。③創新能力不夠?，F有國產自主數字化軟件多以跟蹤研仿、開源改造、二次開發為主，行業規模和人才儲備與國外相比差距明顯，導致底層機理掌握不足、原始算法積累不夠等問題較為突出，整體上數字化軟件自主創新能力亟待提高。因此，我國迫切需要建立裝備建設與軟件研發協同推進的良性機制，轉變意識、激發動力、提升能力。

（2）建設管理方面。國外裝備制造強國依托技術協會等民間組織制定標準規范，依托數字工程等重大項目聯合產學研各方，持續投入、培育扶持優勢軟件企業，構建發展生態（如美國防部于2006 年始主導，依托OMG、INCOSE 等國際協會和建模仿真辦公室，布局設計建模、研制生產、試驗測試等數字化軟件研發，形成系列數字化軟件工具集，助力美國推進數字工程戰略）。對比國外，我國數字化軟件在建設發展上存在以下不足：①建設管理方面，裝備管理單位對數字化軟件通常采用誰使用誰建設誰管理模式，缺乏頂層統籌和統一的政策引導，加之協調機制不順暢，導致數字化自主軟件建設處于“九龍治水”的多頭管理狀態。②建設投入方面，多年來，大量數字化軟件依托科研條件建設等渠道投入研發，但重點領域數字化軟件缺乏長期持續投入、同類軟件多渠道重復投入、民營企業優勢產品難以獲得國家支持等問題普遍存在，導致數字化自主軟件處于“小散弱”的無序投入狀態。③建設規范方面，由于數字化軟件的研制流程、測試評價、集成適配、應用推廣、產業鏈協作等方面缺乏行業級的統一標準規范引導和技術組織支撐，導致數字化自主軟件長期處于“跟蹤研仿、水土不服”的不利局面。因此，我國迫切需要形成管理體系完備、資源持續投入、標準統一規范的數字化自主軟件建設模式，提高建設管理統籌性、持續性、規范性。

（3）應用貫通方面。國外裝備制造強國在裝備采辦過程中廣泛應用數字化軟件開展全生命周期協同研發，顯著提升裝備建設質量效益（如美國空軍聯合雷神公司利用MagicDraw 軟件，統籌AIM - 9 空空彈需求，使其滿足F15/F22 等六型以上飛機的作戰要求，實現裝備從論證到小批量生產周期縮短50%以上，經費節約12 億美元）。對比國外，我國數字化軟件在應用發展上存在以下不足：①供給需求應用不貫通。復雜裝備研制單位已廣泛采用數字化軟件開展裝備設計和制造，但裝備管理和使用單位尚未廣泛利用數字化軟件開展前端裝備體系設計和需求論證、后端試驗鑒定和運用保障，呈現出“需求方兩端弱”“供給方中間強”的現狀，導致供給需求應用不貫通，模型數據無法權威一致傳遞。②行業應用不貫通。由于航天、航空、船舶、兵器等領域單位，均利用不同廠商的數字化軟件開展裝備數字樣機設計（如航空工業主要采用達索系列軟件，航發集團主要采用西門子系列軟件），導致行業間需交互協作或共享信息時，模型無法有效集成或傳遞信息丟失。③全生命周期不貫通。由于裝備建設戰略籌劃、裝備論證、研制生產、試驗鑒定和運用保障等各階段分屬多個業務管理部門分頭組織，缺乏整體體系設計，各類軟件接口不一，輸入輸出要素各異，無法實現裝備全生命周期連續貫通應用。因此，我國迫切需要從供給需求、行業、全生命周期三個維度，全面推進數字化自主軟件高效應用。

（二）發展建議

（1）強化數字化軟件生態頂層設計。重點包括：①研究發布中長期發展構想。主要探索以需求牽引、問題導向、研用結合為抓手的數字化自主軟件發展模式，明確長遠發展目標，形成《裝備數字化自主軟件發展構想》，指導數字化軟件建設發展。②研究建立數字化軟件生態政策制度。主要推動建立數字化自主軟件國產化審查、獎勵激勵、知識產權保護、成果轉化和共享等政策制度，研究建立項目安排、經費投入協調等協調機制，形成一體籌劃、聯合指導、共同推進的頂層架構。

（2）制定數字化軟件標準規范。裝備管理和使用單位牽頭制定裝備體系設計、體系運用等跨領域跨單位數字化軟件集成接口標準，橫向貫通領域間模型數據傳遞鏈路；裝備管理和使用單位牽引裝備研制單位，研究制定數字化軟件集成接口標準，縱向貫通領域內模型數據傳遞鏈路；結合已有標準成果，補充完善相關數字化軟件標準；進一步優化標準制發流程，深化開展標準培訓及宣貫，強化剛性執行要求，并結合標準試用情況及時動態修訂。

（3）做好數字化軟件認證推薦。按照“不設門檻、廣泛征求、用戶點評、分級推優”的方式組織實施，重點包括：①開展軟件測評。結合現有標準成果，補充完善軟件代碼國產化、對標國產基礎軟硬件環境適配性及軟件應用安全可靠性等要求，遴選專業化測試機構，對各單位自主申報的數字化軟件產品開展自主可控和安全可靠測評。②編制推薦指南。區分軟件類別，納入通過測評的數字化軟件產品，編制《裝備數字化自主軟件選用推薦指南》，定期推送裝備管理、研制和使用單位。③開展認證互信。制定裝備數字化自主軟件認證流程與方法，采用類似“點評網站”機制，由應用單位按照功能性能、集成兼容、用戶交互、經濟成本等維度對軟件進行認證互信，逐年更新、優先推薦排名靠前產品，推動形成爭優創新、競相發展的格局。

（4）促進數字化軟件推廣應用。重點包括：①結合任務推進應用。以重大工程、重點行業典型場景為試點，推動數字化自主軟件相關技術、產品和系列解決方案在各領域落地應用，對于比較成熟軟件強制使用，對于有初級產品但尚未成熟軟件通過首版次等政策激勵使用。②發布軟件白皮書。建立最佳實踐案例評選機制，分領域、分階段遴選數字化自主軟件研發與應用的最佳實踐案例；面向裝備管理、研制和使用各相關單位，定期編寫并發布具有指南性、示范性、權威性的《裝備數字化軟件研發應用白皮書》，推介成功做法、先進技術。③構建自主軟件孵化服務平臺。面向產學研用等主體，搭建供需對接橋梁，提供政策制度咨詢、標準答疑宣貫、創新人才推介等服務，營造良好的數字化自主軟件孵化環境。

（5）推進數字化軟件創新迭代。重點包括：①創新攻關。建立高校、研究院所、軟件廠商多方參與的聯合研究機制，開展理論方法、內核機理、基礎算法、共性技術等研究，支撐軟件架構與內核升級。②交流共享。通過高端論壇、軟件應用大賽等多種形式，展示最新成果、推樹優秀軟件，促進軟件技術交流。③迭代發展。通過建立開源社區，以及用戶“體驗店”、軟件“試用版”等方式，定期收集用戶對軟件的優化建議，加快軟件應用迭代。

三、裝備數字化軟件未來發展趨勢

（一）平臺化

傳統獨立的數字化軟件逐步轉向平臺化，未來將成為軟件平臺服務的組成部分。大型復雜裝備制造正處于數字化轉型智能化的過渡階段，可充分利用平臺的資源及優勢，支撐實現論證、設計、仿真、制造、試驗、保障等活動及過程的集成、互聯、協同，加速軟件自身的創新發展與生態構建。

以航天某研究院設計制造的一體化平臺“鴻奇”為例，通過構建連接模型、數據、樣機的平臺，覆蓋需求、設計、工藝、制造、試驗全過程，實現裝備研制數據的全面感知、動態傳輸和實施分析，支持精準決策和智能管控，提高制造資源配置效率；提供組態式低代碼開發技術，提升數字化軟件的開發效率。

（二）開源化

開源軟件、開源社區具有強大的創造力和生命力，逐步發展成為技術創新、產業發展的重要模式。例如，對于大數據、云計算、AI 等技術，國際上普遍依靠開源設計進行快速迭代。在我國，開源軟件的發展環境正在逐步改善，開源裝備數字化軟件用戶基礎不斷壯大，大型復雜裝備研制數量激增，為國產軟件行業成長賦予了新動力。

以中國空氣動力研究與發展中心（CARDC）開發的NNW-PHengLEI 為例，該軟件作為國內第一款以“網格融合”為特色的開源流體工程軟件，通過加快流體軟件模塊、組件、工具箱的創新性開發與分布式驗證，將更多的開發資源、用戶資源納入國產流體軟件開發的創新體系。

（三）服務化

大型復雜裝備的研發和制造與裝備數字化軟件密不可分，因而裝備數字化軟件是產業基礎高級化和產業鏈現代化的重要保障之一，隨著國產化進程的加劇和工業化實踐的增加，國內軟件企業也將逐步轉變為“軟件+服務”的發展新模式，產品也由向客戶提供單一軟件工具轉向為提供“軟件+服務”的整體解決方案。

以大型工業軟件供應商西門子為例，基于自身的工業基礎和技術積累，打造以TeamCenter 為核心的裝備產品全生命周期建設解決方案，從而實現了軟件的協同應用。

四、結語

裝備數字化軟件是我國復雜裝備制造向信息化、數字化與智能化升級的核心支撐。因此，理清國產裝備數字化軟件發展現狀，創新機制驅動軟件研發是大型復雜裝備自立自強的重要途徑。本文在對當前我國裝備數字化軟件發展現狀和存在的問題具有一定了解的基礎上，從多維度提出發展建議及未來趨勢預測，為裝備數字化軟件研發與應用提供參考和思路。