在数字经济背景下国产工业软件发展路径研究

2023-03-06赵凤娇

天津经济 2023年1期

◎文/闵珊赵凤娇

引言

当今，随着数字经济时代的到来，世界已进入“软件定义制造”的发展时代。在数据经济背景下，建设制造强国、质量强国、网络强国、数字中国已成为我国长期的国家战略。工业软件作为信息技术应用创新产业中的重要节点，广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车电子、国防军工、装备制造、工程机械、食品医疗等重要领域关键环节，是实现数字强国战略目标的关键基础条件之一。

工业软件是将工业实践中的知识、经验和模式转化成数学模型，通过信息化手段集成封装，以易懂易用的软件形式按照需求实现快速调取使用。工业软件的核心是工业生产运营知识库，即工业领域长期积累的基础实验、研发实验、生产运行、物流调度等工业数据和专业经验；将大量工业知识进行数学建模、求解优化、界面友好等信息化技术则是工业软件的表达工具。

根据国家统计局批准工信部发布的《软件和信息技术服务业统计调查制度》，工业软件可划分为研发设计、生产控制、运维管理三大类，覆盖工业企业生产运营全流程。研发设计软件，即利用计算机辅助设计分析复杂工程（产品）的结构力学性能、流固耦合性能、电磁兼容性能等工程（产品）的关键信息，始于研发设计，但存在于工程（产品）的全生命周期，包括计算机辅助设计（CAD）、辅助分析（CAE）、电子设计自动化（EDA）等。生产制造系统，是车间制造数据管理、生产过程控制、生产调度管理等生产过程的 “大脑”，上承研发设计信息，下启仓库物流等供应链信息，包括可编程逻辑控制器（PLC）、分布式数控（DNC）、制造执行系统（MES）等。运维管理软件是对物资管理（物流）、人力资源管理（人流）、财务资源管理（财流）、信息资源管理（信息流）等的企业管理和产品运维软件，是企业生产经营的核心系统，包括ERP企业资源计划系统、产品生命周期管理（PLM）、供应链管理（SCM）等。

一、发达国家典型企业发展历程及经验总结

工业软件起步于19世纪60年代，快速发展于90年代。2021年，全球工业软件市场规模达到4561亿美元，2022年保持继续增长，预计将达到4779.5亿美元。

（一）发达国家典型企业发展概况

全球工业软件市场中，美、德、法约占高端市场份额的80%以上，处于绝对主导地位。

1.美国：从航空航天出发沿军民融合之路走在第一方阵。上世纪60年代为满足产品设计效率提升和复杂产品设计表达的需求，美国波音、洛克希德·马丁、NASA等航天巨头开始研发工业软件来代替人工制图。70年代美国为了缩减昂贵的军用软件费用开支，洛克希德·马丁公司与军火商、汽车商合作开展军民融合，成功开发CAD软件，并形成产业。目前，美国工业软件麦道的设计分析软件UG、西屋电气太空核子实验室的ANSYS、MathWorks公司的MATLAB以及美国国防部主导支持的电子设计软件EDA的公司CADENCE，无论在功能效果还是用户人数，都是世界领先水平。

2.德国：以管理软件、物联网信息系统为抓手，推进工业4.0战略。德国以工业软件头部企业SAPSE（思爱普）和西门子为代表的工业软件企业引领和践行工业4.0国家战略。思爱普公司成立于1972年，是全球最大的企业管理和协同化商务解决方案供应商、全球第三大独立软件供应商。公司核心产品是市场份额全球第一的ERP软件SAP。目前有120多个国家超过百万家企业使用。西门子是全球最大的电气工程和电子公司之一。2001年开始，西门子公司收购Indx软件、PTI、Myrio、英国邵氏集团、UGS集团等企业，产品覆盖全生命周期管理系统、制造运营管理软件、IoT分析软件和各类工业APP，逐步实现转型。

3.法国：以达索系统撬动世界工业软件话语权。达索系统公司由世界军用飞机制造商之一达索公司于1981年成立。通过多次并购，现发展成为拥有CAD/CAE/CAM/PLM的全生命周期数字化、网络化协同研发与管理平台。达索系统在航空、汽车等辅助制造业处于垄断地位，覆盖140余个国家超257万个客户。2020年7月，法国达索系统亚太总部由东京迁至上海，并在浦东设立生命科学与智能制造创新中心，通过仿真系统等赋能生物医药创新研发。

4.其他：各有所长独具特色。加拿大拥有多款全球著名基础软件和工业软件，且多为领域内首创，总体的开发实力仅次于美国、法国和德国。如排版软件CorelDRAW、三维计算机图形软件Houdini、数学和工程计算软件Maple。日本工业软件多集中于嵌入式软件开发，嵌入载体包括机器人、机床、汽车及各类智能终端。

（二）分析总结：多元重金投入、科创接力、资本并购，实现快速发展

根据工业软件具有工程经验与科学研究相结合的特点，笔者认为工业软件产品开发推广可分为四个阶段，欧美国家成功经验在于各阶段创新主体的多元投入、顺利交接和资本介入。

第一阶段，开发核心算法，争取政府经费支持，高校院所完成。该阶段主要是基于工程问题的数理分析建模基础共性技术研究。突出特点一是要求研发人员对理论知识的掌握要深要透；二是开发周期长，研发投入大。如ANSYS每年的研发投入在20亿人民币左右。因此，该阶段创新以高校院所研发人员和政府科研经费投入为主。如美国投入大量资金，通过基础研究的方式进入大学，鼓励教授通过做政府项目开发各种软件。目前全球最强的石化领域流程模拟软件ASPEN，就是源自麻省理工上个世纪70年代的美国能源部项目。

第二阶段，搭建集成界面，政策引导协同创新、院所企业“握手交接”。在统一软件架构、开发标准、数据接口的基础上，软件集成和界面搭建变的顺理成章。该阶段是以政府、高校、院所为主的基础研发算法开发向以企业团队为主的市场应用推广“握手交接”期。此时，政府合理引导必不可少。出台精准科技成果政策、激活技术孵化和科技金融市场，是衔接研究和市场的桥梁。特别是在互联网企业的短期快速高收益的大环境下，只有在政府正确引导下，工业软件的硬核技术方能在激烈的市场竞争环境下真正转化。

第三阶段，测试迭代升级，创新主体移交企业、“种子”落地开花。工业软件生于高校院所用于工业企业，从出生到应用跨度较大，这导致工业软件的测试、验证、迭代、升级之路必然是多轮循环往复。只有经过工业现场多轮模型修正、参数校准、流程优化，基于高校或研究所“生成”的工业软件才能不断在实战中收集反馈、优化升级。该阶段企业接棒创新主体责任。若企业有丰富的工业经验和深厚的工业背景，工业软件的迭代升级和市场推广的效率将大幅提升。如以曲面造型分析见长的达索系统产品CATIA，在测试验证环节得力于其母公司达索航空公司的开放应用场景，这使其快速完成创新应用，建立示范标杆，也为后来与波音公司互相成就的经典合作奠定基础，使其在航空航天、汽车及摩托车领域一直居统治地位。

第四阶段，横纵加快布局，巨头企业资本并购，产业生态逐步形成。工业软件做大做强，一方面要沿产品线向纵深发展。如研发设计CAD/CAE软件，要结合新一代信息化手段不断开发优化算法（求解器）模型，使设计分析过程更快捷更准确。另一方面要合理规划战略布局横向拓展。如从单一研发设计软件沿全生命周期拓展到设计制造运维一体化，从产品系列化到平台生态化，以点、线、面、体，全方位构建产业生态，为合作伙伴形成价值共赢局面。要实现纵横快速布局，利用资本并购中小企业产品是众多欧美巨头企业选择的路径。如达索系统，从1997年收购SolidWorks至今，已先后完成22次并购，为达索系统的发展壮大发挥了不可替代的作用。

二、工业软件发展趋势

当前，随着数字技术的快速发展，工业知识和工业信息已成为数字经济时代的重要生产要素。工业软件作为工业知识和信息的载体，已成为工业数字化的核心驱动力。

（一）多技术驱动，从文档流转向并行和MBSE发展

工业软件应用的并行工程（CE），是在复杂系统工程中，在明确的指导流程框架下，所有工程师通过软件平台并行访问共享数据库，所有子系统工程师实时沟通分享数据，同步解决各自相关问题。主要优点是项目理解认知全、协调沟通成本低、研发设计效率高。MBSE（基于模型的系统工程），是一种有利于系统工程的并行化的建模方法学，以使建模方法支持系统要求、设计、验证、确认等工业实践的各项活动。在通信技术、大数据技术、新型传感技术驱动下，并行和MBSE已逐步成为选择研究和设计方案时的优先方案，并驱动数字孪生技术快速发展。

（二）多功能融合，从单一工具向端边云协同平台进化

随着5G通信、边缘技术、云计算技术的发展，设计、分析、通信、物料管理等功能软件的边界条件越来越模糊，全系统、全流程、全领域、虚实结合的全数字化研发平台已成为发展大趋势。如达索公司打造的3D EXPERIENCE.WORKS，将社交协作与设计、仿真、制造甚至ERP功能相结合，直接应用公有云服务为中小型企业用户提供一个单一的数字环境，而不需再自行购买软件维护系统。而大型企业关键业务和数据的应用系统则放在私有云，安全级别要求不高的应用系统放在外部的数据中心。协同平台满足不同企业多样化需求。

（三）多模式应用，从一次买断到SAAS平台服务

并行技术、MBSE技术、数字化研发平台等技术进步，推动工业软件销售模式从一次性许可（License）转向订阅服务模式。订阅模式软件服务分为两种，一种部署云端，企业通过高速互联网通道使用已授权资源，另一种是软件仍安装本地，企业通过订阅定期获得授权密码。于用户企业，可根据应用需求，灵活增减用户数，可即时获得最新的软件版本。于软件开发商而言，订阅模式使其收入变得稳定可持续。如达索在欧美日国家每年的营收，70%～80%是年租收入，只有20%～30%是一次性许可收入。同时，基于软件平台，汇集工业数据，服务产业发展，工业软件正在以微不可见的力量推动制造业服务化新模式发展。

三、我国工业软件发展产业现状及存在问题

（一）我国工业软件发展阶段分析

我国对工业软件的开发和重视起步较晚，主要可分为三个阶段。

第一阶段（1980—2000年），自力更生，初见成效。70年代后期，中国开始引进IBM计算机和相关工业软件，开始了工业软件的使用和探索。“863”计划启动后，先后实施 “CAD攻关项目”“863/CIMS、制造业信息化工程”等一系列扶持政策，开始大力发展自主工业软件。涌现出高华CAD、CAXA电子图版、开目CAD、中科院飞箭、郑州机械所紫瑞、大连理工JIFEX、用友、中航APOLANS、金蝶等一批国产工业软件。据相关研究统计，上世纪90年代中后期，国产工业软件平均市场占有率在25%左右，其中个别细分领域曾达到45%左右。

第二阶段（2001—2020年），开放市场，内忧外患。笔者认为，2001年中国加入WTO以来，中国工业软件遭受接近毁灭性打击。自身方面，国产工业软件多脱胎于高校院所科研成果，主动开发应用场景推动迭代升级的能力较弱，且各自为战，恶性竞争惨烈。外因方面，由于国内市场的大幅开放，国外企业通过免费让高校使用、默认盗版等手段，培养用户使用习惯，挤压国产软件市场。根据工信部中国电子信息产业发展研究院（CCID）数据显示，截至目前，我国嵌入式软件占工业软件的比重约为63%，处于主导地位；产品研发类如 CAD、CAE、CAM、CAPP等占比约为8.3%；生产管理类如 ERP、CRM、HRM 等占比约为10.6%；生产控制类如 MES、PCS、PLC 等占比约为13.3%；协同集成类的软件产品占比为4.8%。核心工业软件已成为制约我国工业发展的卡脖子问题。

第三阶段（2020—），贸易战觉醒，重整行装再出发。新时代下，中美贸易摩擦进入了持久战阶段。工业软件被提上政治舞台。2019年华为被美国断供升级EDA软件新版本。2020年5月，美国商务部宣布，哈尔滨工业大学等13所国内重点大学被列为禁止使用MATLAB软件的实体清单。MATLAB作为科研基础性工具，正版软件一旦被禁止使用，将对国内科研效率产生很大影响。2021年2月，工业软件入选科技部国家重点研发计划首批重点专项，标志着工业软件再一次成为国家科技领域最高级别的战略部署。

（二）现状及存在问题

经过40年三个阶段螺旋式发展，我国工业软件实现从无到有，产业规模、技术水平、生态环境均有了大幅提升。截至2020年，国产工业软件的市场规模达1974亿元，同比增长14.77%，远高于行业5%的全球增速。基于互联网新型架构的工业软件与App应用而生，为工业软件的研制应用提供了更好的技术路径与应用实践。部分细分领域，特别是以金蝶、用友、浪潮等为代表厂商的经营管理类工业软件，国内市场占有率超50%。从自我发展历史进程角度看，我国工业软件市场呈现奋起直追、快速发展的良好态势。但与此同时，若将国产工业软件发展成效放在全球工业软件产业大背景下，国产工业软件仍在诸多方面有着较大差距。

1.“重硬轻软”，对软产业重要性认识不足。一直以来，国人更看重看得见摸得着的“硬件”。如校园建设多注重教学场地、实验仪器投入，而人文环境、学风校风、智慧校园软件平台却常被忽视。景区开发多强调基础建设、旅游设施等硬件投入，而忽略运营管理、服务质量的软能力提升。同样，工业软件在发展过程中存在 “重硬轻软”问题。在我国工业软件发展的第二个阶段，即改革开放特别是加入WTO以来，中国工业发展实现跨越式高速发展时，与之匹配的国产工业软件基础研究和基本技能的提升却被忽略。甚至部分政府官员直接提出，“工业软件研发周期长见效慢，拿来主义即可”。因此，国产工业软件在全球工业软件快速发展的黄金赛事上，直接退赛了。同样由于认识不足，校准和保护工业软件发展的数据接口标准、知识产权保护等也在很长一段时间内被忽略滞后，致使国家支持高校院所开发的一批算法（求解器）束之高阁。

2.多因素作用，复合型人才缺乏。一是研发周期长，导致人才吸引力偏弱。据《中国工业软件白皮书》，工业软件研发周期长、迭代速度慢，一般大型工业软件的研发周期需要3年～5年，被市场认可则需要10年左右。二是国内工业软件专业设置存在偏差，绝大部分高校都没有工业软件专业。大部分工业软件开发者是机械、化工等具体工业领域人才，转行开发工业软件，导致大型软件在架构设计过程中缺乏专业性。三是消费互联网经济发展快速、薪资待遇随之优厚，吸引大量软件开发人才，甚至对以工业背景为主的工业软件开发人才亦出现虹吸现象。

3.产业环境欠佳，产品竞争力不足。基于认识不足、人才缺乏，国产工业软件产品存在诸多的问题。一是基础研究不足，软件底层架构算法欠优，缺乏如当下被美国卡脖子的MATLAB优质数理分析软件。二是与工业融合深度不够，电磁热耦合场的模拟分析、合理参数设置、快速响应能力、人机友好环境都存在较大差距，特别是以CAE设计分析仿真软件问题尤其突出。三是产业生态尚未形成，开发商大多单兵作战，多系统兼容性有待提升，产学研用协同创新机制有待完善，知识产权保护的观念有待强化。

四、国产工业软件发展建议

我国现阶段工业产业已从高速度发展转变为高质量发展，瞄准工业软件并行计算、MBSE、云架构等发展新趋势弯道超车，是实现国产工业软件创新突破的新机遇。

（一）多元投入，加强核心技术攻关

工业软件核心在算法（求解器），具有开发难度高、创新风险大、投资回报慢等特征。一是统一思想提升对工业软件重要性认识。鼓励政府、军工企业、大型工业企业摒弃“单打独斗”的思想，组建攻关联合体，紧抓产业痛点，聚集发展需求，加大对工业软件开发的投入。二是多元投入保持充足经费和持续支持。国家和地方政府持续加大对工业软件核心算法（求解器）基础研究投入的力度，不怕失败，久久为功。如EDA巨头铿腾公司（Cadence），一年研发投入近60亿元人民币，依然享受高额政府支持。三是多措并举推动产学研用协同创新。通过税收减免、技术合同交易抵扣等手段，鼓励大型工业企业资金进入工业软件研究领域，建立官、产、学、研一体化的社会化多元投入机制，瞄准特定行业，激活大学的机理研究优势，跟工程应用相结合，推动研究成果最后走向商业化。

（二）协同发力，培养复合人才

培养懂智能设备、懂软件研发、懂生产经营管理的“三懂”复合型工业软件研发人员，需要高校、院所和企业机构协同发力。一是加强跨学科专业培养。高校在课程设计中应对工科学生加强软件基础原理的教育，对软件开发专业要增加在某细分行业工业基础知识学习，两个专业都要学深学透。二是深化产教融合。高校和拥有自主知识产权核心技术的标杆企业深度产教合作，创新培养模式。如“企业家导师制”“联合共建技术创新中心”等，引导企业、高校联合培养企业急需紧缺复合型人才。三是引导消费互联网向工业互联网转战。上半场消费互联网技术在电商、社交、搜索、共享经济、本地生活等诸多领域取得了显著成功。随着数字化进程推进，下半场的工业互联网将是 “主旋律”。通过人才政策引导软件技术人才和大型互联网企业瞄准未来，开发工业互联网经济蓝海。

（三）开放市场，提供应用场景

工业软件作为信息技术应用创新产业中的重要节点，应用场景仍是国产软件快速迭代升级的重要一环。一是鼓励高校将国产工业软件引入教学实训环节，从学生开始培养软件用户使用习惯。二是鼓励大型工业企业特别是国有企业发挥责任担当，为国产软件提供适配应用场景。通过测量实际生产过程的数据，完善算法模型。利用工业软件的高精度短周期的优势，催生工业产品不断优化创新。三是鼓励并购重组，整合具有核心产品的中小企业。针对企业小散弱、缺乏龙头引领问题，借鉴欧美龙头企业发展经验，出台鼓励企业兼并重组政策，依托大型工业企业集团进行产业收购整合，加快工业软件大企业培育。

（四）体系建设，打造产业生态

工业软件品类多、易复制，因此在算法研究、人才培养、场景开发的同时，应持续优化生态环境。一是多部门联合制定国家标准，打通数据交换壁垒。政府可参考已有国际标准或者国内优势工业软件企业的数据格式，联合制定工业软件数据表达和存储格式的国家标准，并要求由政府资金资助开发的工业软件遵循相关国家数据标准，以便跨开发团队、跨行业的优化集成。二是加强知识产权法律法规保护力度。开展工业软件正版检查，加大对互联网传播盗版工业软件的治理，依法严厉打击从事工业软件盗版活动的企业、组织及个人。加强从源头封堵盗版行为，强令关停提供盗版下载的网站。三是在统一数据标准和知识产权保护的基础上，面向产品综合优化和全寿命周期需求，培育工业软件核心企业，打造具有一体化开放式架构的工业软件体系。