裝備數(shù)字化軟件現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢研究

謝軼 黃靖

引言

當前，隨著我國裝備制造業(yè)數(shù)字化轉型步伐日益加快，社會各界對裝備數(shù)字化軟件的關注度持續(xù)提升，軟件已逐步成為裝備制造業(yè)高質量發(fā)展的重要支撐，但我國裝備數(shù)字化軟件發(fā)展仍面臨雙重壓力，不僅受阻于自身發(fā)展困境，而且直接遭受國際同類產(chǎn)品的沖擊。從總體看，國內(nèi)產(chǎn)學研用各方持續(xù)推進裝備數(shù)字化軟件自主研發(fā)，但高端核心軟件匱乏，自主品牌“小散弱”現(xiàn)象突出，未形成規(guī)?；瘧眯瑹o法適應裝備數(shù)字化建設快速發(fā)展的需要。

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

一、裝備數(shù)字化軟件整體態(tài)勢

（一）概念與內(nèi)涵

裝備數(shù)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(zhàn)略籌劃、裝備論證、研制生產(chǎn)、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(shù)字化軟件功能特點和支撐裝備建設的不同階段，裝備數(shù)字化軟件通常包括體系設計建模、系統(tǒng)設計建模、仿真推演、研制生產(chǎn)、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(yōu)化設計，通常應用于戰(zhàn)略籌劃、裝備論證等階段[1]。

（2）系統(tǒng)設計建模軟件。主要對裝備運用場景、系統(tǒng)組成、技術指標、通用質量特性等進行設計建模，支撐系統(tǒng)設計方案快速生成，通常應用于裝備論證、研制生產(chǎn)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(yōu)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(zhàn)略籌劃、裝備論證、試驗鑒定、運用保障等階段[3]。

（4）研制生產(chǎn)軟件。主要指工業(yè)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(chǎn)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(shù)字化性能試驗、作戰(zhàn)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(tài)勢監(jiān)控、裝備運用籌劃、保障需求測算、保障行動規(guī)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(tài)勢

從全球裝備數(shù)字化軟件市場格局來看，美國、歐洲企業(yè)處于主導地位，把握著技術及產(chǎn)業(yè)發(fā)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(jù)；②系統(tǒng)設計建模軟件主要由MagicDraw（法國）軟件、Reapsody（美國）軟件占據(jù)；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(chǎn)軟件主要由達索公司的Catia（法國）、TeamCenter（德國）、Candence（美國）軟件等占據(jù)；⑤試驗測試軟件以LMS Virtual.Lab（德國）軟件處于行業(yè)優(yōu)勢地位；⑥運用保障軟件中以Maxiom（美國）軟件處于行業(yè)優(yōu)勢地位。

當前我國數(shù)字化軟件整體尚處于發(fā)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(tǒng)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(jīng)初步統(tǒng)計，國產(chǎn)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(tǒng)設計、研制生產(chǎn)、試驗測試等4類軟件80%以上仍依賴國外進口，國產(chǎn)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(xiàn)象較為突出，還未形成規(guī)模化應用效應，整體距離裝備數(shù)字化轉型要求還有較大差距。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）創(chuàng)新發(fā)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(shù)字化軟件（據(jù)統(tǒng)計，國外90%以上大型工業(yè)軟件均結合重大項目研發(fā)，如法國達索公司基于飛機設計制造需求研發(fā)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(fā)了Nastran 軟件）。對比國外，我國數(shù)字化軟件在創(chuàng)新發(fā)展上存在以下不足：①創(chuàng)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(jīng)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(shù)字化軟件。②創(chuàng)新動力不足。裝備研制單位長期使用國外研制生產(chǎn)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(fā)使用自主數(shù)字化軟件的內(nèi)生動力。③創(chuàng)新能力不夠?，F(xiàn)有國產(chǎn)自主數(shù)字化軟件多以跟蹤研仿、開源改造、二次開發(fā)為主，行業(yè)規(guī)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(shù)字化軟件自主創(chuàng)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(fā)協(xié)同推進的良性機制，轉變意識、激發(fā)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(xié)會等民間組織制定標準規(guī)范，依托數(shù)字工程等重大項目聯(lián)合產(chǎn)學研各方，持續(xù)投入、培育扶持優(yōu)勢軟件企業(yè)，構建發(fā)展生態(tài)（如美國防部于2006 年始主導，依托OMG、INCOSE 等國際協(xié)會和建模仿真辦公室，布局設計建模、研制生產(chǎn)、試驗測試等數(shù)字化軟件研發(fā)，形成系列數(shù)字化軟件工具集，助力美國推進數(shù)字工程戰(zhàn)略）。對比國外，我國數(shù)字化軟件在建設發(fā)展上存在以下不足：①建設管理方面，裝備管理單位對數(shù)字化軟件通常采用誰使用誰建設誰管理模式，缺乏頂層統(tǒng)籌和統(tǒng)一的政策引導，加之協(xié)調機制不順暢，導致數(shù)字化自主軟件建設處于“九龍治水”的多頭管理狀態(tài)。②建設投入方面，多年來，大量數(shù)字化軟件依托科研條件建設等渠道投入研發(fā)，但重點領域數(shù)字化軟件缺乏長期持續(xù)投入、同類軟件多渠道重復投入、民營企業(yè)優(yōu)勢產(chǎn)品難以獲得國家支持等問題普遍存在，導致數(shù)字化自主軟件處于“小散弱”的無序投入狀態(tài)。③建設規(guī)范方面，由于數(shù)字化軟件的研制流程、測試評價、集成適配、應用推廣、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作等方面缺乏行業(yè)級的統(tǒng)一標準規(guī)范引導和技術組織支撐，導致數(shù)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(xù)投入、標準統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)字化自主軟件建設模式，提高建設管理統(tǒng)籌性、持續(xù)性、規(guī)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(shù)字化軟件開展全生命周期協(xié)同研發(fā)，顯著提升裝備建設質量效益（如美國空軍聯(lián)合雷神公司利用MagicDraw 軟件，統(tǒng)籌AIM - 9 空空彈需求，使其滿足F15/F22 等六型以上飛機的作戰(zhàn)要求，實現(xiàn)裝備從論證到小批量生產(chǎn)周期縮短50%以上，經(jīng)費節(jié)約12 億美元）。對比國外，我國數(shù)字化軟件在應用發(fā)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(shù)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(shù)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(xiàn)出“需求方兩端弱”“供給方中間強”的現(xiàn)狀，導致供給需求應用不貫通，模型數(shù)據(jù)無法權威一致傳遞。②行業(yè)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(shù)字化軟件開展裝備數(shù)字樣機設計（如航空工業(yè)主要采用達索系列軟件，航發(fā)集團主要采用西門子系列軟件），導致行業(yè)間需交互協(xié)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(zhàn)略籌劃、裝備論證、研制生產(chǎn)、試驗鑒定和運用保障等各階段分屬多個業(yè)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(xiàn)裝備全生命周期連續(xù)貫通應用。因此，我國迫切需要從供給需求、行業(yè)、全生命周期三個維度，全面推進數(shù)字化自主軟件高效應用。

（二）發(fā)展建議

（1）強化數(shù)字化軟件生態(tài)頂層設計。重點包括：①研究發(fā)布中長期發(fā)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(shù)字化自主軟件發(fā)展模式，明確長遠發(fā)展目標，形成《裝備數(shù)字化自主軟件發(fā)展構想》，指導數(shù)字化軟件建設發(fā)展。②研究建立數(shù)字化軟件生態(tài)政策制度。主要推動建立數(shù)字化自主軟件國產(chǎn)化審查、獎勵激勵、知識產(chǎn)權保護、成果轉化和共享等政策制度，研究建立項目安排、經(jīng)費投入?yún)f(xié)調等協(xié)調機制，形成一體籌劃、聯(lián)合指導、共同推進的頂層架構。

（2）制定數(shù)字化軟件標準規(guī)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(shù)字化軟件集成接口標準，橫向貫通領域間模型數(shù)據(jù)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(shù)字化軟件集成接口標準，縱向貫通領域內(nèi)模型數(shù)據(jù)傳遞鏈路；結合已有標準成果，補充完善相關數(shù)字化軟件標準；進一步優(yōu)化標準制發(fā)流程，深化開展標準培訓及宣貫，強化剛性執(zhí)行要求，并結合標準試用情況及時動態(tài)修訂。

（3）做好數(shù)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(yōu)”的方式組織實施，重點包括：①開展軟件測評。結合現(xiàn)有標準成果，補充完善軟件代碼國產(chǎn)化、對標國產(chǎn)基礎軟硬件環(huán)境適配性及軟件應用安全可靠性等要求，遴選專業(yè)化測試機構，對各單位自主申報的數(shù)字化軟件產(chǎn)品開展自主可控和安全可靠測評。②編制推薦指南。區(qū)分軟件類別，納入通過測評的數(shù)字化軟件產(chǎn)品，編制《裝備數(shù)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(shù)字化自主軟件認證流程與方法，采用類似“點評網(wǎng)站”機制，由應用單位按照功能性能、集成兼容、用戶交互、經(jīng)濟成本等維度對軟件進行認證互信，逐年更新、優(yōu)先推薦排名靠前產(chǎn)品，推動形成爭優(yōu)創(chuàng)新、競相發(fā)展的格局。

（4）促進數(shù)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(yè)典型場景為試點，推動數(shù)字化自主軟件相關技術、產(chǎn)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(chǎn)品但尚未成熟軟件通過首版次等政策激勵使用。②發(fā)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(shù)字化自主軟件研發(fā)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(fā)布具有指南性、示范性、權威性的《裝備數(shù)字化軟件研發(fā)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(chǎn)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(chuàng)新人才推介等服務，營造良好的數(shù)字化自主軟件孵化環(huán)境。

（5）推進數(shù)字化軟件創(chuàng)新迭代。重點包括：①創(chuàng)新攻關。建立高校、研究院所、軟件廠商多方參與的聯(lián)合研究機制，開展理論方法、內(nèi)核機理、基礎算法、共性技術等研究，支撐軟件架構與內(nèi)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(yōu)秀軟件，促進軟件技術交流。③迭代發(fā)展。通過建立開源社區(qū)，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(yōu)化建議，加快軟件應用迭代。

三、裝備數(shù)字化軟件未來發(fā)展趨勢

（一）平臺化

傳統(tǒng)獨立的數(shù)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(shù)字化轉型智能化的過渡階段，可充分利用平臺的資源及優(yōu)勢，支撐實現(xiàn)論證、設計、仿真、制造、試驗、保障等活動及過程的集成、互聯(lián)、協(xié)同，加速軟件自身的創(chuàng)新發(fā)展與生態(tài)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(shù)據(jù)、樣機的平臺，覆蓋需求、設計、工藝、制造、試驗全過程，實現(xiàn)裝備研制數(shù)據(jù)的全面感知、動態(tài)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(tài)式低代碼開發(fā)技術，提升數(shù)字化軟件的開發(fā)效率。

（二）開源化

開源軟件、開源社區(qū)具有強大的創(chuàng)造力和生命力，逐步發(fā)展成為技術創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要模式。例如，對于大數(shù)據(jù)、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(fā)展環(huán)境正在逐步改善，開源裝備數(shù)字化軟件用戶基礎不斷壯大，大型復雜裝備研制數(shù)量激增，為國產(chǎn)軟件行業(yè)成長賦予了新動力。

以中國空氣動力研究與發(fā)展中心（CARDC）開發(fā)的NNW-PHengLEI 為例，該軟件作為國內(nèi)第一款以“網(wǎng)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(chuàng)新性開發(fā)與分布式驗證，將更多的開發(fā)資源、用戶資源納入國產(chǎn)流體軟件開發(fā)的創(chuàng)新體系。

（三）服務化

大型復雜裝備的研發(fā)和制造與裝備數(shù)字化軟件密不可分，因而裝備數(shù)字化軟件是產(chǎn)業(yè)基礎高級化和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化的重要保障之一，隨著國產(chǎn)化進程的加劇和工業(yè)化實踐的增加，國內(nèi)軟件企業(yè)也將逐步轉變?yōu)椤败浖?服務”的發(fā)展新模式，產(chǎn)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(yè)軟件供應商西門子為例，基于自身的工業(yè)基礎和技術積累，打造以TeamCenter 為核心的裝備產(chǎn)品全生命周期建設解決方案，從而實現(xiàn)了軟件的協(xié)同應用。

四、結語

裝備數(shù)字化軟件是我國復雜裝備制造向信息化、數(shù)字化與智能化升級的核心支撐。因此，理清國產(chǎn)裝備數(shù)字化軟件發(fā)展現(xiàn)狀，創(chuàng)新機制驅動軟件研發(fā)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(shù)字化軟件發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題具有一定了解的基礎上，從多維度提出發(fā)展建議及未來趨勢預測，為裝備數(shù)字化軟件研發(fā)與應用提供參考和思路。