工业企业软件化：趋势、机理与路径

谢克强 陈平

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 511370）

随着新兴信息技术与工业深度融合发展，数字化与智能化已经成为工业发展趋势。基于信息物理系统（cyber-physical system，CPS）的智能工厂正在引领制造方式向智能化方向发展；云制造、网络众包、异地协同设计、大规模个性化定制、精准供应链、电子商务等网络协同制造模式正在重塑产业价值链体系。这些使制造技术体系、制造模式、产业形态和价值链发生巨大变革，其中软件在此次巨变中发挥了核心作用，软件定义成为发展的重要趋势与特征[1]。

企业是工业创新体系的主体，没有一批优质工业企业就不可能成为制造强国。推进制造强国建设需要培育适应时代发展趋势的企业。在软件定义工业趋势下，企业运行和发展模式面临新的要求。德国先进制造业技术领域专家奥拓·布劳克曼在《智能制造：未来工业模式和业态的颠覆与重构》[2]一书中写道，一个企业的成功不是基于机械、工具等硬件，而是基于它的软件，这意味着工业企业要通过软件激发创新活力、发展潜力和转型动力，进行系统性变革，既包括制造思维的深刻改变，也包括制造方式的变革，还包括组织架构、运作模式和管理方式的颠覆性创新，甚至还包括劳动用工、员工技能、岗位结构的重新调整。在变革浪潮中，工业企业软件化呼之欲出。《“十四五”软件和信息技术服务业发展规划》指出，软件定义赋予了企业新型能力，航空航天、汽车、重大装备、钢铁、石化等行业企业纷纷加快软件化转型，软件能力已成为工业企业的核心竞争力。

一、工业企业软件化的现象及趋势

全球正在出现以新一代信息技术与传统工业深度融合为特征的新一轮工业创新浪潮。在这一浪潮中，软件支撑和定义工业的基础性作用日益突出，软件定义工业成为未来工业发展的主要路径之一。

从国家政策看，各个国家围绕“再工业化”开展先进工业战略布局，核心是软件在工业中的深度渗透，通过软件再造业务流程，实现向数字化、网络化、智能化的方向发展。德国“工业4.0”构建基于信息物理系统（Cyber-Physical Systems , CPS）的新型工业体系。“工业4.0”战略中的关键技术与理念处处可见软件的身影，其重要性日益上升，发展势头迅猛，以工业软件为主角的信息技术是产业变革的核心推动力。美国的“制造业创新国家网络”将软件提高到一个很重要的位置，其吸纳的自适应运载器创建（adaptive vehicle make, AVM）项目实质是“软件化的工业技术+软件定义生产体系+优化重构的生产关系”[3]。软件作为新一轮工业革命的核心竞争力正成为世界各国的共识。

从企业战略看，各个大型工业企业也纷纷强化自己的软件实力，踏上由“硬”变“软”之路。美国军工企业洛克希德·马丁公司的代码行量已经超过微软公司，成为世界上最大的软件公司。德国西门子公司一直围绕如何构建软件竞争优势进行全方位的战略布局，近十年并购了数十家工业软件企业，2014 年成立了数字化工厂集团，该集团是全球唯一一家智能制造软硬件整合解决方案提供商，并且推出MindSphere即西门子工业云平台，意欲打造成工业新中枢[4]。西门子的软件实力已经涵盖设计、分析、制造、数据管理、机器人自动化、检测、逆向工程、云计算和大数据等领域。博世作为全球最大的汽车零件供应商，积极把握新一代信息科技革命给工业带来的机会，致力于自动化、数字化、智能化进程。面对未来，博世提出了以软件平台为核心的“慧连制造”解决方案[5]。施耐德电气近几年开始软件布局，收购了大量软件公司。施耐德电气认为软件是赋能工业未来的关键途径，将软件作为未来最重要的战略重心之一，认为要解决企业的核心问题，关键是利用工业软件平台，助力其在企业价值链的各个环节实现价值最大化。今后，智能制造的实现将以工业软件作为核心，并将其作为工业转型的关键载体[6]。霍尼韦尔提出“软件也是核心竞争力”，倡导由“硬”到“软”的互联转型，不仅为客户生产硬件产品，还要提供更多基于软件和数据的增值服务，全球2 万多名研发人员中有一半专注于软件领域，软件相关业务年收入超过10 亿美元，且正高速增长[7]。

工业巨头们纷纷把自己定位成软件企业，绝不是偶然。各公司都希望通过提升软件能力打造自己在新工业革命中的核心竞争力。不管是工业4.0、工业互联网，还是智能制造，其核心内容是通过对业务与信息进行双向映射[8]，用软件再造业务流程，实现组织变革，将企业流程和数据全面集成，以实现整个价值链的数字化交互。因此，软件能力就成为了实现这个目标的关键。西门子、施耐德等传统工业公司都在向软件化发展，实际上就是按照软件的思维，进行企业改造与转型，推动产品升级与技术进步。

需要指出的是，这些工业企业并不是要成为像微软一样的纯软件公司，而是要将技术、业务与软件深度融合，由软件来表达、管理与创新[9]。工业与软件正从“两极”向“中心”靠拢，工业企业与软件企业的界线越来越模糊。工业企业在传统工业优势基础上探索软件发展的新业务，传统软件企业正在招揽来自工业领域的专家。要真正实现新一轮的工业革命，关键在于融合。这不仅是工业、服务业与软件业的融合，更是思维与创新的融合。

二、工业企业软件化内涵及影响

（一）企业软件化的概念

现代经济学理论认为，企业本质上是“一种资源配置的机制”，其能够实现整个社会经济资源的优化配置，降低整个社会的“交易成本”[10]。传统工业企业运用各种“硬生产要素”（土地、劳动力、资本、机械器材等），为市场提供商品或服务。

笔者认为企业软件化是以软件技术为手段，以软件思维为运行机理，以软件代码改造实现企业的研发、生产、组织、管理和营销等为主要内容，以提质增效升级为目标，转化为具有软件属性企业的动态发展过程，它贯穿于企业运行的整个体系，从投入、经营、决策、执行到产出等。对工业企业而言，企业软件化是软件定义工业的内在要求。

软件是业务、流程、组织的赋能工具和载体，为工业建立了一套信息空间与物理空间的闭环赋能体系，实现了物质生产运行规律的模型化、代码化、软件化，使制造过程在虚拟世界实现快速迭代和持续优化，并不断优化物质世界的运行[11]。

企业软件化体现了由信息空间向人类社会与物理世界的映射，通过软件来驱动信息变换，优化物理世界的物质运动、能量运动以及人类社会的生产活动[12]，更便捷和更高效地提供更高品质的产品和服务，使制造过程更加高效、灵活、智能、以人为本。

（二）工业企业系统模型

人们一般认为系统是由一些相互联系、相互制约的若干组成部分结合而成的、具有特定功能的一个有机整体[13]。系统一般由输入、处理和输出组成，为特定的目标而运转。从某种角度看，企业就是一个系统。图1 为工业企业系统的抽象模型，它是对工业企业整个生产与经营这一复杂过程的抽象描述，从而突出了工业企业生产与经营过程中物质、信息和知识运动过程的实质。

图1 工业企业系统模型

工业企业系统是一个复杂系统，它将输入的物质、能量、信息、知识进行处理与变换后输出各种产品、服务、信息和知识，即通过一系列相互关联的活动实现制造系统的“输入—处理—输出”过程。

一个工业企业的内部系统处理通常存在四个过程与功能域，即研发设计、生产制造、组织管理、经营销售。这些过程与功能域可以进一步分解为若干分子过程与分子功能域，而且可以根据需要继续分解。所有过程和功能域（包括分子过程与分子功能域）并不是完全独立的，而是相互作用与相互影响的。

（三）工业企业软件化内涵

根据工业企业的系统模型，工业企业软件化的运作可概括为输入软件化、处理软件化、输出软件化。输入软件化具体表现为资源要素投入软件化，输出软件化具体表现为产品服务软件化。根据系统内过程与功能域划分，处理软件化可分为研发设计软件化、生产制造软件化、组织管理软件化、营销体验软件化。

1.资源要素投入软件化

工业企业软件化对资源要素进行改造，劳动者由以体力人才为主转向以软件、咨询管理人才为主；生产资料由以原材料、机器设备为主转向以软件、数据、知识为主。在采购环节，软件化使基于电子商务的联合采购提高了行业采购行动的协调性。资源配置和供应链管理由软件系统加以实现。

2.研发设计软件化

在研发设计环节，软件化带来了企业研发主体、流程、方式的重大变革。企业的研发设计主体从依托企业内部为主向多部门联合为主演变，企业的研发设计流程从串行到并行方式演进，研发设计方式从以物理实验手段为主向以数字仿真为主演变。

3.生产制造软件化

在生产制造环节，软件化使企业的生产过程逐步走向现代化，企业可以采用更加灵活的数字化定制生产方式，提高专业化生产制造能力。软件服务从产业链两端促进工业产业结构优化，形成新的、开放竞合的产业链新模式，催生基于工业大数据的生产新形态。

4.组织管理软件化

工业企业软件化对组织管理进行改造，组织结构由科层式转变为平台化，组织方式由有组织转变为自组织。管理重心从指令和信息的上传下达转变为组织结构的知识内化以及学习型组织的构建。

5.营销体验软件化

软件化为定制产品提供了可行性，增强了与产业链下游企业的协同能力，实现线下看样、体验、物流与线上询价、交易、支付的优势互补，促进产品分销和售后服务水平提升。软件化形成了集网上信息发布、交易支付、体验展示、物流配送、售后服务、价格发现、品牌推广及行情监测等功能于一体的跨区域信息系统平台。

6.产品服务软件化

生产的产品由有形的物质产品向无形的信息产品转变；由硬件决定产品价值向以软件决定产品价值为主转变；生产制造由产品向“产品+服务”转变；由产品（服务）创新转向商业模式创新。

（四）工业企业软件化变革

工业企业软件化产生了多方面的变革，以适应软件定义工业的模式。

1.物质要素驱动向非物质要素驱动转变

企业成长的驱动力由以土地、生产资料、机械设备等物质要素为主转变为以数据与知识等非物质要素为主。企业更加注重数据与知识的积累，通过软件固化下来，基于软件实现数据自动流动与知识自动化。数据在生产制造、产品服务、基础设施等核心环节流动，创新业务流程，形成一个接一个的“数据循环”，最终实现整个企业快速运转。物理系统可更好、更快地完成大量机械工作（即机械自动化），使劳动者从枯燥、烦琐的体力劳动中解脱出来，而信息系统则有效提高了脑力劳动的自动化水平（即知识自动化），解放了人类的部分脑力劳动[14]。知识自动化提升了知识管理的力度，自动生成组织活动所需的知识，继而完成相关流程，提高企业的运作效率及效益，促使企业向智能化知识学习、知识发现演变，进而实现从要素驱动向创新驱动转变。

2.硬件生产为主向软件研发为主转变

企业生产更加关注用户需求分析、产品体验设计等，而这些更侧重于软件研发。移植于产品中的感知和适应性功能为智能产品的研发提供工具和创新方法论；基于软件的智能制造促进传统产业向产品设计和服务模式两端进行转型和延伸；数据挖掘和商业智能等典型应用可以准确把握和分析客户深层次需求，形成了研发服务的完整反馈环。

3.生产范式向服务范式转变

企业由传统产品制造为核心，向提供产品和依托产品的服务转变，提供整体解决方案。这些提升了企业的产品营销能力和面向客户需求进行设计的能力，也丰富了产业链条上的分工，创新了许多新的商业模式。例如，罗尔斯·罗伊斯、通用电气等公司通过软件对销售后产品收集的数据分析进行预测性维护，从卖产品向卖“产品+服务”转变，实现价值链的延伸[15]。

4.企业主导向用户主导转变

未来制造产品将不再是企业生产什么、用户使用什么的企业主导模式，而是用户参与甚至主导产品生产需求。不管是数字化、网络化还是智能化，重要的是能够理解用户、理解行业、理解产业，而理解的基础是通过软件对大量数据进行收集、挖掘、分析、计算，找出共性及数据相关性，进而通过软件定义各种功能，满足用户各方面的需求。企业软件化将工业带入消费者定义市场的阶段。

5.固定边界向弱化边界转变

软件化带来的开放式平台和架构主要体现在制造资源的共享开发、产业机会的开放接入以及产业价值的共同创造等层面。软件化促进了依托互联网的资源和信息的加速共享，有效减少供给和需求的信息不对称问题；开放接入则能有效匹配消费者需求，以最低的成本和适当的服务满足客户需求；在产业价值的共同创造方面，软件化则提供了更有利的创新环境、出色的集成能力和良好的柔性，让更多的企业从开放式系统中获益。开放式打破了传统的行业界限，使不同行业的企业走到了一起，增加各自的市场机会，形成互利共生的工业生态系统。开放式将以往排他性竞争转变为互利共生，不是以较低成本反复应用自身的生产要素，而是凭借合作共生发挥异质的技术、信息、知识等的互补和相乘的效应。

三、工业企业软件化的路径

（一）基于企业架构的软件化

工业企业软件化要考虑企业的产品、过程、组织和资源的大环境与企业的发展目标、管理模式、生产经营组织方式相结合。将软件技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期的各个阶段，实现工作流、物流、信息流、价值流的集成与优化运行。

逐步推进工业企业的软件化，首先，要明确企业软件化需要一套科学的理论体系为指导；其次，要以企业架构理论为基础，从企业战略的高度，采用不断进化的观点来看待企业软件化，使软件化从局部规划和设计向全局规划和顶层设计转变，最终走上可持续发展的道路。

企业架构的革新是企业软件化的首要条件。当业务越来越依赖IT，IT 与业务的连接越来越紧密，甚至融为一体时，整个组织需要一个共同语言来分析和解决问题，这个共同语言就是企业架构所提供的。企业架构是对真实世界企业的业务流程和IT 设施的抽象描述，它包括企业战略、组织、职能、业务流程、IT 系统、数据、网络部署等，是完整的、一体化的描述[16-17]。企业架构反映了企业业务的状况，并体现了业务与IT 的映射关系，能明确各类IT 设施对业务的支撑关系。企业架构是企业的核心资产，可以使企业拥有应对变化的能力。以企业架构为基础进行软件化是工业企业软件化的有效方式，即以企业架构为核心，将企业架构的方法应用于工业企业软件化的实施、指导、评价。如图2所示，企业架构路径演进是工业企业软件化的核心，企业战略目标和业务目标驱动路径演进；模式是不同企业情况和业务运行传导的结果；标准规范起到规范指导作用；评价体系帮助企业识别差距、确立目标、实施改进。

图2 企业架构为基础的企业软件化

如图3 所示，软件化的企业架构主要分为三个层次：一是物理层，主要由传感器、网络、存储以及装置等硬件基础设备构成，负责信息的采集、传输和生产执行；二是平台层，积累沉淀各种资源，并进行调度与整合管理；三是应用层，提供设计、生产、管理、服务等一系列创新性应用服务。数据在各层间流动。

图3 软件化的企业架构

（二）企业软件化演进方向

企业的情况不同，软件化演进路径也不尽相同，大致上企业可以从物理层、平台层、应用层发力，表现为物理资源虚拟化、平台管控软件化、应用服务生态化。

1.物理资源虚拟化

物理层的服务器、存储、网络以及工业设备等硬件资源构成了企业的基础设施。硬件资源虚拟化将各种物理资源予以抽象、转换后呈现出来，打破物理设备结构间不可切割的障碍，形成软件定义基础设施。这些虚拟的资源不受现有资源的架构方式、地域或物理设备的限制，并被当成一种逻辑上的资源，而非物理资源加以控制和管理[18]。将这些资源统一管理并进行池化，从而将这些池化的资源实现按需分配和重新组合。

传统的企业架构往往缺乏硬件资源管理和调度手段，不能充分发挥硬件资源共享优势，应用效率偏低；软件资源分配缺乏合理性，使用过程中没有应用高效准确的数据整合导致软硬件资源分配与调用缺乏有效的依据。软件定义基础设施降低了对复杂硬件的管理难度，实现了资源的自动化整合，伴随着效率、自动化、灵活性与服务质量的提升和增益，帮助企业减少成本，成为企业软件化的基石。

2.平台管控软件化

软件化平台是软件定义工业时代企业开展生产制造与经营管理的核心能力平台，对内整合能力与资源，对外连接各大合作平台，面向各类型用户提供业务能力与技术支持。

软件化平台是整合内外部跨组织、跨平台信息的枢纽，实现数据互联互通；是研发生产的资源与能力的汇聚枢纽，实现制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置；是组织管理的逻辑枢纽和指挥中枢，实现智慧化经营管理。通过建设软件化平台，可以帮助企业快速实现软件化。

平台软件化形成以软件平台为核心的边缘计算平台、大数据平台、云平台、信息管理平台等。通过构建平台化的资源汇聚与互联体系，建立面向工业大数据存储、集成、访问、分析、管理的开发环境，涵盖了设计、计算、仿真、研制、生产管理，提供一个并行协同的集成工作环境，通过软件实现工业技术、经验、知识的模型化、标准化、软件化，将制造资源与制造能力沉淀到平台，基于软件复用实现“知识自动化”[19]，并通过平台驱动各种资源打破各个业务运行环境的分离和隔阂，进行敏捷生产和制造，进而驱动企业业务流程重构和组织再造。

通过构建高度集成、智能和协作的软件化平台，支撑生产全要素、全流程、全产业链、全生命周期管理、产销互动全场景资源的统一管控与按需配置，将原来的需求变化必须通过硬件资源平台变化来实现，转变为透过一个深度软件定义的平台可以灵活地定义管理各种资源，从硬件资源为核心走向软件平台为核心。软件化的平台提升生产效率、创新模式业态，探寻数据与人、生产、利润间，以及数据与业务间的各种关联性，为企业决策提供全面的、准确的、更具实际意义的预测与辅助决策；使产品、机器、人、业务从封闭走向开放，从独立走向系统；重组客户、供应商、销售商以及企业内部组织的关系，重构供应链、资金链、物流链，销售链、服务链。

3.应用服务生态化

企业软件化从宽度和深度上极大地扩展了软件的应用范围，每个层面、每个环节都成为智能化的子系统，并通过价值网络实现横向集成，由端到端集成横跨整个价值链，利用软件化平台垂直集成和打造网络化的制造体系。在变革过程中进一步促进软件在每个细节上与企业业务融合，通过平台和云化的应用形成动态的、生态化的进化环境。

在软件化平台的基础上形成丰富的垂直行业应用。在平台的基础上，结合特定行业需求，将软件与企业业务深入融合，通过丰富开放的API，将行业知识与能力进行沉淀、复用和重构，封装成为功能模块，并进行动态集成，有针对性地开发行业应用和解决方案，在平台上形成垂直应用集群，直接对外提供服务，加速企业业务能力的输出，构建企业的应用生态。这种方式不受“硬件”资源管理约束，互联互通、深度协同，业务应用的智能化由软件实现，设备的种类及功能由软件配置而定，打破了对业务的封闭，实现了更多的功能，能提供更为灵活高效和多样化的服务。一方面，通过专业应用来提升生产效率，创新企业涵盖研发、设计、生产、制造、运营、营销和服务的全生命周期模式；另一方面，还可以灵活运用多种应用来满足日益变化的业务需求。基于软件化应用帮助工业企业从基于产品向基于服务的模式演进（从独立产品到“产品+远程协助”，再到“产品+增值服务”，最后演变成服务平台），增加收入并加强客户黏性，实现价值链的延伸。

四、结束语

软件定义未来工业正以不可阻挡的燎原之势发展，工业企业软件化方兴未艾。工业企业软件化将软件全面融入工业全过程，实现生产模式和组织的变革，优化资源配置方式，提升各类生产要素的效率，带动技术产品、组织管理、经营机制、销售理念和模式等的创新。工业企业软件化培育了企业的新型能力，全面支撑软件定义工业的要求。随着工业企业软件化趋势的不断发展，内涵不断深化，实施路径不断显现，需要我们去探索、去实践。参考相关评价体系[20-21]，构建工业企业软件化成熟度评价框架将是下一步的重要工作。