工業軟件持續發展的動力：科學探索與制造業創新

寧振波

（中國航空工業集團信息技術中心，北京 100028）

0 引言

講工業軟件，必須先講軟件。《軟件工程通史》對軟件發展作出了以10 年為周期的若干階段界定。由此可見，數學知識軟件化歷史與計算機歷史同步發展。基本匯編語言是軟件的早期形態，大約200 個匯編/宏匯編語言軟件被開發，其中100個用于軍事/國防，75個用于科學。

軟件一詞于1956年在美國被正式提出，是指計算機程序及說明程序的各種文檔。現階段，軟件發展存在以下五大趨勢：①計算技術重心轉向網絡化，互聯網成為軟件開發、部署和運行的平臺；②軟件服務化趨勢逐步以應用和軟件產品為中心轉移到以客戶服務為中心；③智能化趨勢逐步由物理傳感器狀態感知分析向人類意識思維方向轉變；④操作系統、數據庫、中間件和應用軟件等相互融合，向一體化平臺發展；⑤大量創新技術、業態模式推動人類社會、國民經濟各行業、數字經濟市場快速發展。

1 工業軟件發展歷程

第三次工業革命誕生了電子數字計算機和軟件，從這個意義上而言，電子數字計算機、軟件、工業軟件均為工業產品。然而實際上，電子數字計算機和軟件的出現逐步將人類知識轉化為軟件，也稱為人類知識軟件化［2］，如圖1所示。

Fig.1 Software trend of human knowledge圖1 人類知識軟件化趨勢

高級編程語言為人類數百年形成的工業知識和技術能力插上軟件的翅膀，工業技術軟件化開始了萬里長征第一步，工業技術（知識）融入計算機軟件。PatrickJ.Hanratty1957 年在GE 工作時開發了一個由編制數控程序的CAM系統——PRONTO，據今在用的3D 機械CAD/CAM 系統中仍存在70%可追溯的原始代碼。由此可見，第一款CAD/CAM 軟件就是用于制造業數控編程。軟件化知識意味著模塊化、系列化、標準化、共享化、數字化知識，給予人類知識全新的屬性和力量，讓工業界基于知識加速進行產品創新。在產品創新中，將已經軟件化的知識不斷優化、重組和二次創新。

第二代工業軟件成型及應用于1960-1979 年，誕生了商用工業軟件。隨著CRT 單色顯示器能顯示曲線，繪圖機能繪制曲線，出現了計算機輔助繪圖軟件（Computer Aided Drafting，CAD）。然而，初期軟件程序員必須熟練使用匯編指令，編程過程耗時費力。高級語言出現，簡化了編程過程，形成實用的軟件功能。此外，商用軟件進入快速增長期，工業技術軟件化自身發展在一定程度加速了基礎知識軟件化、軟件知識工業化發展的腳步。例如，CAX 軟件研發不僅需要與工業需求相匹配，還需具備平面幾何、立體幾何、曲線曲面計算、算法與恰當的圖形顯示表達等方面知識。因此，該時期CAD 屬于輔助設計軟件。

從第一款CAD 軟件研發后，一系列CAD 軟件紛紛面世。工業技術軟件化偉大進程在CAD 軟件與技術發展脈絡中可見一斑，如圖2 所示。計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）軟件也是在大量工業需求下出現的產物。第一套通用型有限元分析軟件是為了滿足航天航空工業對結構分析的需求，美國國家航空航天局（NASA）阿波羅登月計劃目的是實現載人登月飛行和對月球的實地考察，為載人行星飛行和探測進行技術準備。因此，誕生了NASTRAN（NASA STRuctural ANalysis Program）和I-DEAS（集成化機械設計與工程分析系統）軟件。

Fig.2 Industrial development and industrial software process圖2 工業發展和工業軟件進程

開發CAE 軟件是為了利用計算機輔助技術，求解航天、航空工程中復雜產品的結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸等問題，后續發展為解決大繞度、大應變、粘彈性、蠕變、流體、電磁等復雜非線性問題，及對嵌入式系統軟件進行代碼驗證、模型驗證、硬件在環綜合驗證等系統仿真問題。

通過上述軟件發展過程可見，第一個CAD 軟件是為了滿足數控加工需求，第一個CAE 軟件是為了滿足航天航空復雜產品需求。工業技術軟件化完全是由工業的內生需求牽引和驅動的一場工業領域研發與生產工具的偉大變革，為研制與創新工藝品提供了一種新能力。由此可見，工業需求牽引是工業軟件開發的動力，工業軟件的核心是長期積累的產品設計知識、工藝知識和生產制造知識［3］。計算機出現后，可將多年積累、反復驗證后的工業知識轉化為工業軟件，將人的知識轉化為機器知識。世界工業軟件發展的最佳案例就是Francis Bernard 開發的CATIA，奠定了世界工業軟件排名第一的輝煌。

工業技術軟件化，工業知識技能至關重要，數學方法、軟件工程思想應用也必不可少。例如，世界上第一枚二極管、三級管和集成電路都來自于貝爾實驗室，第一臺數字計算機、軟件概念、人工智能概念均為美國創造。因此，必須清醒認識到：工業創新才是中國工業軟件的核心，缺乏工業和制造業創新就無法產生自主研發的工業軟件。

2 從亞當·斯密《國富論》看現代工業體系分工

亞當·斯密《國富論》中的分工理論系統闡述了勞動分工對提高勞動生產率和增進國民財富的巨大作用。回顧計算機發展歷程，1946 年世界第一臺電子數字計算機ENIAC 只有硬件，沒有軟件和操作系統，后來研發出軟件，發展至今一直沿用馮·諾依曼體系架構。

2.1 硬件架構分工

1965 年前，每臺計算機操作系統均為IBM360 系列，標志著計算機工業化開始。1981 年出現個人PC 計算機，配置8088CPU 和存儲器，外設包括CRT、鍵盤、軟盤和打印機。隨著計算機性能要求不斷提高，數學處理器8087 協處理器（Co-Processor）產生。由于在開發CAD 時發現，確少8087 協處理器將無法支撐大規模CAD 計算，因此形成了8088CPU 和8087協處理器分工，如圖3所示。

Fig.3 PC architecture computer supporting CAD圖3 支持CAD的PC架構計算機

常規顯示器、鍵盤、磁盤機和打印機已無法滿足CAD軟件使用，必須添加新外設，例如繪圖機、光筆、TABLELAT（光學版，那時沒有鼠標）等。然而，外設增多將導致8088CPU 處理能力下降。為此，需要在計算機外加一個8089 通道處理器，專門處理外部設備數據輸入輸出。此外，當時8088、8087、8089 這3 個芯片構成了控制、數學計算和外圍設備處理的核心計算機。

2.2 軟件體系分工

回顧計算機軟件發展歷程，1956 年才有軟件和操作系統。直到1965 年前，每臺計算機僅存在一個操作系統，相互不統一也不共享。之后，陸續出現了數據庫、匯編語言、應用軟件等通用軟件，如圖4所示。

從通用軟件發展到專用軟件，存在多種操作系統，例如嵌入式、分布式、實時操作系統、網絡操作系統等；數據庫包含關系型、層次型、實時數據庫、分布式數據庫等；編程語言包括匯編語言、FORTRAN、BASIC、COBOL、C+等；應用軟件從信息管理發展到研發設計、生產控制、嵌入式軟件等。本文倡導工業軟件新生態，將專業軟件發展為通用軟件，面向航空、汽車、造船等不同行業。例如CATIA、西門子、PTC 或AUTODESK，可同時應用于航空、汽車、造船、建筑等行業，如圖5所示。

Fig.4 Division of computer software system圖4 計算機軟件體系分工

Fig.5 Universal industrial software in the world圖5 全球工業通用軟件

本文以CATIA 為例，該軟件結構設計功能強大，復雜曲面功能優秀，從點到曲線curve、線架wire frame、曲面surface，最后重構實體。因此，在全球航空工業、汽車復雜外形設計領域廣泛使用。

國內最早大規模用CATIA 的是中國航空工業集團第一飛機設計研究院，CATIA V5 就是近20 年在國內使用過程中優化成熟的產物。CATIA V5 剛發布時共包括200 多個模塊，經過第一飛機設計研究院團隊分析后，確定真正適用于飛機設計的不到60 個，缺乏飛機設計專用功能模塊，因此花費高額資金購買了兩個CATIA 開發包權限。2000-2002 年，在新飛豹設計中第一飛機設計研究院基于開發包開發了幾十個CATIA 航空專用模塊，加上購買的近60 個通用模塊，共有上百個模塊。目前，通過研制新飛豹、空警2000、ARJ21、運20 等系列飛機型號，已積累幾百個基于CATIA 平臺自主開發的模塊。雖然，各大飛機設計廠商均采用CATIA 架構，但第一飛機設計研究院的CAITA 與波音、洛馬、空客和法國達索系統公司的CATIA 完全不一樣。

由此可見，如此復雜龐大架構的CATIA，航空工業只能用到一小部分，其中近300 個模塊可供汽車行業使用的不到30 個，大量中小企業可用模塊更少。并且，中小企業在資金、高級人才短缺的情況下，根本難以組織團隊實現自主開發。

3 中國工業軟件新賽道

全世界工業軟件龍頭企業基本選擇通用工業軟件發展路線，從人類分工到計算機架構分工，再到系統軟件分工。中國的工業軟件企業可針對較為完整的工業體系行業，例如家具、箱包、服裝、家電和汽車等，開發專用設計、仿真、工藝和制造軟件，集中優勢研發，與現有成熟工業軟件相互結合，如圖6所示。

Fig.6 Construction of special industrial software for new track of China's industrial software圖6 構建中國工業軟件新賽道專用工業軟件

工業軟件是必由之路，但中國90%以上中小企業無法負擔大型工業軟件費用。因此，中國工業軟件發展之路應向行業專用工業軟件方向發展。專用工業軟件相較于通用工業軟件更經濟、簡單、好用，占用的計算、網絡資源相對較少，對中小企業優勢更大。

4 中國工業軟件發展的十點思考

4.1 工業知識原創是核心

工業知識的核心為原始創新。國產的“卡脖子”工業軟件應從數學計算方法和工業技術物理現象領域入手，對該問題認識的高度和目標決定了解決工業軟件“卡脖子”研究的突破方向，關鍵在于CAE、CAD 技術研究積累，兩者間存在先CAE 后CAD 的內在物理關系。

工業品設計力學原理從應用數學有限元分析起步，轉化為計算機輔助設計的技術。由于工業品設計的核心是技術物理參數、常數，因此無法存在一套通用軟件解決中國所欠缺的工業軟件問題，需按照工業分類研發出多類別國產工業軟件。

4.2 知識產權保護是生命線

工業軟件實際上是工業設計、研制方案的計算仿真工具，清晰地定義所謂的工業軟件為工業設計方案仿真計算工具。但在如今知識大爆炸時代，也是知識快速傳播時代，迫切需要加強中國知識產權保護工作。

然而，部分地方政府對工業軟件知識產權保護仍落實不到位，以致于國內一些知識網站還出現了盜版工業軟件的銷售廣告；許多企業缺乏尊重知識產權的意識；部分工業軟件公司口頭上號召保護知識產權，幕后卻千方百計破解好用的工業軟件，供自己參考借鑒。因此，若不下決心做好知識產權保護工作，就難以真正實現中國自主工業軟件研發。

4.3 工業軟件難點是復雜產品

工業軟件過去40 多年來，在大型復雜產品大規模應用中培養了一大批熟練掌握三維設計的工程技術人員；逐步完善、改善應用，形成了目前國際三維設計標準；大規模復雜產品在設計、反復迭代以及應用中，持續發現軟件問題并升級換代，形成了現在大量的成熟工業軟件。例如，大型轎車可安裝彩電、冰箱、空調等家電。但是，不能因工業軟件能設計家電，就推而廣之到處宣傳其可設計汽車，因為家電只是汽車中的一個設備，復雜度完全不對等。同理，當能設計汽車時就宣傳軟件可設計飛機，也是不合理的，因為汽車設計牽涉約40 多個專業門類，而飛機設計牽涉至少200多個專業門類。

此外，工業軟件的復雜產品應用是考題，也是難題，只有通過應用，才有可能進行推廣。因此，無論是開發、算法、軟件架構還是大規模應用，核心都是復雜產品。當復雜產品做好了，大規模推廣就容易了。

4.4 工業軟件上云是必然趨勢

以前，中小企業工業軟件使用率低的原因主要有以下3 點：①缺乏資金。部分工業軟件價格高達數十萬元，甚至數百萬元。②缺乏技術。工業軟件應用需要掌握較深的理論知識和應用經驗，中小企業缺乏工業軟件相關技術，應用軟件難度較大。③缺乏人才。中小企業科技人員相對較少，還要身兼數職，分工也不夠明確，而工業軟件的深度應用必須要聚焦，因此對于中小企業的工程師而言通常難以做到。

在云時代，工業軟件上云可實現按需使用、按次收費，大幅度降低了資金成本。但實施后發現，工業軟件上云后卻無人問津。云時代，服務可以開放化，可以由全社會技術專家提供服務，每個人都可能是服務提供者和受益者。過去，在軟件開發商處購買產品，如果開發服務人員的專業與購買方專業類似，就能夠便于提供行業化、知識化等專業性服務，而一旦專業差距較大，就只能提供常規軟件應用服務。

服務開放化后，企業總能以最低成本找到對公司特別了解的服務者，他們提供的服務可能相較于軟件公司更專業、精準。工業軟件與中小企業親密接觸的方案，既不是工業軟件放低身段委身中小企業，也不是中小企業踮起腳尖高攀工業軟件。而是通過工業云開辟一個新時空，中小企業、工業軟件和社會化服務者三方相互結合，形成工業軟件云生態。

4.5 工業APP不能解決所有問題

工業APP 將工業產品及工業過程的知識和技術顯性化、模型化、軟件化后，形成模塊化軟件，本質是工業知識和技術軟件化。傳統工業軟件是生產工具的數字化，工業APP 則是知識、技術和能力的數字化，是機器可執行、使用的知識。中國制造業企業可從聚集企業核心知識入手，有序實施研發技術體系和工業互聯網平臺建設，逐步轉變為以工業APP 創新帶動產品、技術創新的新型工業生態。

面對大型復雜產品，尤其是飛機、航母和潛艇等不可分解的復雜產品時，工業APP 能夠解決復雜產品分解出的絕大部分零件、組件、部件，甚至子系統初步設計、詳細設計、仿真計算、工藝和生產制造、裝配以及試驗。但需要指出的是，依靠工業APP 模塊不可能完全解決全飛機的設計、仿真、工藝和制造問題，仍需大型工業軟件架構的平臺與工業APP 的體系架構支持。

4.6 工業軟件應堅持長期主義

當前，從常見的工業軟件CATIA、西門子PLM、PRO/E、ANSYS 等發展歷史可見，達索、麥道、西屋、NASA 等公司是世界著名工業軟件的技術源頭。工業軟件需從長期、復雜的航空航天工程中提煉共性技術。該技術來源的特殊性是中國啟動自主工業軟件的重要借鑒，由于中國在第一次到第三次工業革命中均未把握機會，創新能力不足，大量工業技術設計能力較差，工業軟件研制能力和水平較低。因此，工業軟件研發應堅持長期主義，通過多年努力才能有所突破。

4.7 開源軟件版權問題

俄烏沖突在西方社會引發了一系列針對俄羅斯的制裁，包括著名的Oracle、SAP、Apple、Google 等國際科技巨頭暫停對俄羅斯的服務或產品，GitHub 等部分開源軟件及社區也停止了服務。2019 年Github 就曾表示過受制裁國家的用戶將無法訪問許多GitHub 服務，尤其是私有代碼庫，但開發者仍然可貢獻并使用公共代碼庫。如果用戶的私有代碼庫受到限制，可選擇公開此代碼庫以維持訪問。據悉，目前已有軟件開發者在社交網站上發帖討論是否禁止俄國程序員使用他們的代碼。

開放性和包容性本是開源文化的基石，開源社區也是以全球訪問和參與為目而設計。但從目前實際情況來看，開源其實并不自由，科技也并非無國界［4］。

4.8 統籌自主發展與進口

工業軟件是國際生態，不是中國生態。中國是全球經濟重要的一部分，因此中國工業軟件企業要走出國門，加強世界交流，拓展國際市場。因此，建議中國工業軟件企業不僅要在國內發展，也要走出國門。當然，不可置否的是，該進口的工業軟件仍然需要進口。

4.9 統籌計劃研發與市場競爭

2020 年后據公開信息可見，工業軟件上市公司數量逐漸增多，中控技術、中望軟件、概倫電子等公司陸續登陸資本市場。遠算科技、安世亞太、數碼大方、華天軟件、芯華章等公司相繼取得融資。法國達索系統、西門子、EDF、SAP 等國外軟件巨頭逐步加深與中國企業合作，力圖在中國數字化轉型中站穩腳跟。國務院各部委和各地方政府也部署了各類工業軟件開發、攻關的眾多項目和投資。然而，如何避免低層次重復開發投資，依然是一個亟待解決的重大問題。

4.10 資本和投資忌運動式

人們已經清晰地認識到工業軟件是提升工業智造水平不可或缺的一部分［5］。近年來，中國對工業軟件重視程度不斷提升，頒布了一系列政策強力支持工業軟件發展，整體投資環境向好。然而，從全球市場而言，各環節、領域工業軟件市場幾乎由國際巨頭瓜分，中國工業軟件企業仍處于發展階段，要在工業軟件領域建立和保持競爭壁壘，就要緊貼客戶需求，跟緊工業發展現狀。

目前，中國工業軟件市場類似于20 世紀90 年代國際市場的戰國時代，高端工業軟件遙不可及，低端工業軟件的重復研發遍地開花。因此，投資應慎重選擇，切忌運動式。

5 結語

全球化是必然趨勢，中國工業軟件發展是為了打造人類命運共同體的“全球生態體系”。中國工業軟件要解決的問題不是取代所有進口軟件，而是要解決“卡脖子”的工業軟件問題。因此，工業軟件必須杜絕低層次重復，應面向國際，不斷進行科學探索和制造業創新，建立完整的可持續發展概念，尋找到一條符合中國工業軟件自身發展的道路。