装备数字化软件现状与发展趋势研究

2023-12-30谢轶黄靖

中国军转民 2023年9期

谢轶黄靖

【摘要】软件是数字化技术的载体，是现代工业之魂、数字转型之擎、数字装备之基。特别是在装备建设体系复杂性、快速演进性和博弈对抗性的新形势下，数字化软件已成为影响装备创新发展的核心因素。鉴于其重要意义，本文结合装备研制全生命周期界定了装备数字化软件的概念，梳理了装备数字化软件整体态势，分析了我国当前装备数字化软件面临的现状和问题，提出了我国下一步发展装备数字化软件的建议，并对装备数字化软件的发展趋势进行预测，以期为国内科研机构和软件企业开展装备数字化软件研发和应用提供参考。

【关键词】装备∣数字化软件∣全生命周期

引言

当前，随着我国装备制造业数字化转型步伐日益加快，社会各界对装备数字化软件的关注度持续提升，软件已逐步成为装备制造业高质量发展的重要支撑，但我国装备数字化软件发展仍面临双重压力，不仅受阻于自身发展困境，而且直接遭受国际同类产品的冲击。从总体看，国内产学研用各方持续推进装备数字化软件自主研发，但高端核心软件匮乏，自主品牌“小散弱”现象突出，未形成规模化应用效应，无法适应装备数字化建设快速发展的需要。

为加速装备制造向智能化、服务化、生态化转型升级，推进装备数字化软件研发应用，本文全面分析了装备数字化软件的整体态势，着重厘清当前面临的主要问题与挑战，探索性提出了发展建议，并对装备数字化软件的未来发展趋势进行预测，以期为行业发展研究提供参考。

一、装备数字化软件整体态势

（一）概念与内涵

装备数字化软件是固化装备建设流程、方法、准则，承载模型、算法、知识的技术手段和工具载体，是装备建设战略筹划、装备论证、研制生产、试验鉴定、运用保障等全生命周期各阶段建设的核心支撑。结合数字化软件功能特点和支撑装备建设的不同阶段，装备数字化软件通常包括体系设计建模、系统设计建模、仿真推演、研制生产、试验测试和运用保障等6类软件，如图1所示。

（1）体系设计建模软件。主要对装备体系运用场景、体系能力、体系构成等进行设计建模，支撑装备体系优化设计，通常应用于战略筹划、装备论证等阶段[1]。

（2）系统设计建模软件。主要对装备运用场景、系统组成、技术指标、通用质量特性等进行设计建模，支撑系统设计方案快速生成，通常应用于装备论证、研制生产等阶段[2]。

（3）仿真推演软件。主要构建典型红蓝对抗场景，支撑开展装备体系验证优化、体系运用方案推演、体系效能检验评估和装备体系贡献率评估，通常应用于战略筹划、装备论证、试验鉴定、运用保障等阶段[3]。

（4）研制生产软件。主要指工业软件，用于计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、电子设计自动化（EDA）、软件工程、质量特性设计分析、工艺设计与仿真、制造过程管理、运营管理，支撑装备需求快速响应和敏捷交付，通常应用于装备研制生产阶段[4-6]。

（5）试验测试软件。主要开展试验设计分析、性能边界考核和体系效能检验，支撑数字化性能試验、作战试验和在役考核，通常应用于试验鉴定阶段[7]。

（6）运用保障软件。主要开展装备态势监控、装备运用筹划、保障需求测算、保障行动规划、装备损耗预测和装备健康管理，支撑装备科学管理、高效运用和精确保障，通常应用于运用保障阶段[8]。

（二）整体态势

从全球装备数字化软件市场格局来看，美国、欧洲企业处于主导地位，把握着技术及产业发展方向。①体系设计建模软件主要由Enterprise Architect（澳大利亚）软件占据；②系统设计建模软件主要由MagicDraw（法国）软件、Reapsody（美国）软件占据；③仿真推演软件以EADSIM（美国）、JTLS（北约）、JWARS（美国）等软件为代表；④研制生产软件主要由达索公司的Catia（法国）、TeamCenter（德国）、Candence（美国）软件等占据；⑤试验测试软件以LMS Virtual.Lab（德国）软件处于行业优势地位；⑥运用保障软件中以Maxiom（美国）软件处于行业优势地位。

当前我国数字化软件整体尚处于发展初期，整体状况可概括为“管理软件强、工程软件弱，低端软件多、高端软件少”。其中，体系设计、系统设计、仿真推演等3类软件以及CAD、CAE、EDA、CAM等核心软件取得了局部突破，但仍以跟踪研仿、开源改造、专建专用、补点连线模式为主，存在管理机制不健全、供需衔接不深入、资源投入小散弱等问题。

二、存在问题及建议

（一）存在问题

经初步统计，国产软件主要集中在中低端软件，高端核心软件匮乏，其中体系/系统设计、研制生产、试验测试等4类软件80%以上仍依赖国外进口，国产软件竞争力不强；仿真推演和运用保障软件以专建专用为主，建设杂乱、“小散弱”现象较为突出，还未形成规模化应用效应，整体距离装备数字化转型要求还有较大差距。主要体现在以下几个方面：

（1）创新发展方面。国外装备制造强国高度重视软件基础理论方法研究，孕育孵化了一批高水平的数字化软件（据统计，国外90%以上大型工业软件均结合重大项目研发，如法国达索公司基于飞机设计制造需求研发了三维设计工具CATIA，美国NASA基于航天器结构强度分析需求研发了Nastran软件）。对比国外，我国数字化软件在创新发展上存在以下不足：①创新意识不强。当前，我国大型复杂装备建设重点是保进度、保成功，缺乏将工程经验、领域知识固化为软件的理念意识，导致近年来我国装备建设尚未孵化出实用、管用的自主数字化软件。②创新动力不足。装备研制单位长期使用国外研制生产软件形成了使用黏性，且自主软件使用制度机制尚未完全建立，导致装备管理、研制和使用单位总体缺乏研发使用自主数字化软件的内生动力。③创新能力不够。现有国产自主数字化软件多以跟踪研仿、开源改造、二次开发为主，行业规模和人才储备与国外相比差距明显，导致底层机理掌握不足、原始算法积累不够等问题较为突出，整体上数字化软件自主创新能力亟待提高。因此，我国迫切需要建立装备建设与软件研发协同推进的良性机制，转变意识、激发动力、提升能力。

（2）建设管理方面。国外装备制造强国依托技术协会等民间组织制定标准规范，依托数字工程等重大项目联合产学研各方，持续投入、培育扶持优势软件企业，构建发展生态（如美国防部于2006年始主导，依托OMG、INCOSE等国际协会和建模仿真办公室，布局设计建模、研制生产、试验测试等数字化软件研发，形成系列数字化软件工具集，助力美国推进数字工程战略）。对比国外，我国数字化软件在建设发展上存在以下不足：①建设管理方面，装备管理单位对数字化软件通常采用谁使用谁建设谁管理模式，缺乏顶层统筹和统一的政策引导，加之协调机制不顺畅，导致数字化自主软件建设处于“九龙治水”的多头管理状态。②建设投入方面，多年来，大量数字化软件依托科研条件建设等渠道投入研发，但重点领域数字化软件缺乏长期持续投入、同类软件多渠道重复投入、民营企业优势产品难以获得国家支持等问题普遍存在，导致数字化自主软件处于“小散弱”的无序投入状态。③建设规范方面，由于数字化软件的研制流程、测试评价、集成适配、应用推广、产业链协作等方面缺乏行业级的统一标准规范引导和技术组织支撑，导致数字化自主软件长期处于“跟踪研仿、水土不服”的不利局面。因此，我国迫切需要形成管理体系完备、资源持续投入、标准统一规范的数字化自主软件建设模式，提高建设管理统筹性、持续性、规范性。

（3）应用贯通方面。国外装备制造强国在装备采办过程中广泛应用数字化软件开展全生命周期协同研发，显著提升装备建设质量效益（如美国空军联合雷神公司利用MagicDraw软件，统筹AIM - 9空空弹需求，使其满足F15/F22等六型以上飞机的作战要求，实现装备从论证到小批量生产周期缩短50%以上，经费节约12亿美元）。对比国外，我国数字化软件在应用发展上存在以下不足：①供给需求应用不贯通。复杂装备研制单位已广泛采用数字化软件开展装备设计和制造，但装备管理和使用单位尚未广泛利用数字化软件开展前端装备体系设计和需求论证、后端试验鉴定和运用保障，呈现出“需求方两端弱”“供给方中间强”的现状，导致供给需求应用不贯通，模型数据无法权威一致传递。②行业应用不贯通。由于航天、航空、船舶、兵器等领域单位，均利用不同厂商的数字化软件开展装备数字样机设计（如航空工业主要采用达索系列软件，航发集团主要采用西门子系列软件），导致行业间需交互协作或共享信息时，模型无法有效集成或传递信息丢失。③全生命周期不贯通。由于装备建设战略筹划、装备论证、研制生产、试验鉴定和运用保障等各阶段分属多个业务管理部门分头组织，缺乏整体体系设计，各类软件接口不一，输入输出要素各异，无法实现装备全生命周期连续贯通应用。因此，我国迫切需要从供给需求、行业、全生命周期三个维度，全面推进数字化自主软件高效应用。

（二）发展建议

（1）强化数字化软件生态顶层设计。重点包括：①研究发布中长期发展构想。主要探索以需求牵引、问题导向、研用结合为抓手的数字化自主软件发展模式，明确长远发展目标，形成《装备数字化自主軟件发展构想》，指导数字化软件建设发展。②研究建立数字化软件生态政策制度。主要推动建立数字化自主软件国产化审查、奖励激励、知识产权保护、成果转化和共享等政策制度，研究建立项目安排、经费投入协调等协调机制，形成一体筹划、联合指导、共同推进的顶层架构。

（2）制定数字化软件标准规范。装备管理和使用单位牵头制定装备体系设计、体系运用等跨领域跨单位数字化软件集成接口标准，横向贯通领域间模型数据传递链路；装备管理和使用单位牵引装备研制单位，研究制定数字化软件集成接口标准，纵向贯通领域内模型数据传递链路；结合已有标准成果，补充完善相关数字化软件标准；进一步优化标准制发流程，深化开展标准培训及宣贯，强化刚性执行要求，并结合标准试用情况及时动态修订。

（3）做好数字化软件认证推荐。按照“不设门槛、广泛征求、用户点评、分级推优”的方式组织实施，重点包括：①开展软件测评。结合现有标准成果，补充完善软件代码国产化、对标国产基础软硬件环境适配性及软件应用安全可靠性等要求，遴选专业化测试机构，对各单位自主申报的数字化软件产品开展自主可控和安全可靠测评。②编制推荐指南。区分软件类别，纳入通过测评的数字化软件产品，编制《装备数字化自主软件选用推荐指南》，定期推送装备管理、研制和使用单位。③开展认证互信。制定装备数字化自主软件认证流程与方法，采用类似“点评网站”机制，由应用单位按照功能性能、集成兼容、用户交互、经济成本等维度对软件进行认证互信，逐年更新、优先推荐排名靠前产品，推动形成争优创新、竞相发展的格局。

（4）促进数字化软件推广应用。重点包括：①结合任务推进应用。以重大工程、重点行业典型场景为试点，推动数字化自主软件相关技术、产品和系列解决方案在各领域落地应用，对于比较成熟软件强制使用，对于有初级产品但尚未成熟软件通过首版次等政策激励使用。②发布软件白皮书。建立最佳实践案例评选机制，分领域、分阶段遴选数字化自主软件研发与应用的最佳实践案例；面向装备管理、研制和使用各相关单位，定期编写并发布具有指南性、示范性、权威性的《装备数字化软件研发应用白皮书》，推介成功做法、先进技术。③构建自主软件孵化服务平台。面向产学研用等主体，搭建供需对接桥梁，提供政策制度咨询、标准答疑宣贯、创新人才推介等服务，营造良好的数字化自主软件孵化环境。

（5）推进数字化软件创新迭代。重点包括：①创新攻关。建立高校、研究院所、软件厂商多方参与的联合研究机制，开展理论方法、内核机理、基础算法、共性技术等研究，支撑软件架构与内核升级。②交流共享。通过高端论坛、软件应用大赛等多种形式，展示最新成果、推树优秀软件，促进软件技术交流。③迭代发展。通过建立开源社区，以及用户“体验店”、软件“试用版”等方式，定期收集用户对软件的优化建议，加快软件应用迭代。

三、装备数字化软件未来发展趋势

（一）平台化

传统独立的数字化软件逐步转向平台化，未来将成为软件平台服务的组成部分。大型复杂装备制造正处于数字化转型智能化的过渡阶段，可充分利用平台的资源及优势，支撑实现论证、设计、仿真、制造、试验、保障等活动及过程的集成、互联、协同，加速软件自身的创新发展与生态构建。

以航天某研究院设计制造的一体化平台“鸿奇”为例，通过构建连接模型、数据、样机的平台，覆盖需求、设计、工艺、制造、试验全过程，实现装备研制数据的全面感知、动态传输和实施分析，支持精准决策和智能管控，提高制造资源配置效率；提供组态式低代码开发技术，提升数字化软件的开发效率。

（二）开源化

开源软件、开源社区具有强大的创造力和生命力，逐步发展成为技术创新、产业发展的重要模式。例如，对于大数据、云计算、AI等技术，国际上普遍依靠开源设计进行快速迭代。在我国，开源软件的发展环境正在逐步改善，开源装备数字化软件用户基础不断壮大，大型复杂装备研制数量激增，为国产软件行业成长赋予了新动力。

以中国空气动力研究与发展中心（CARDC）开发的NNW-PHengLEI为例，该软件作为国内第一款以“网格融合”为特色的开源流体工程软件，通过加快流体软件模块、组件、工具箱的创新性开发与分布式验证，将更多的开发资源、用户资源纳入国产流体软件开发的创新体系。

（三）服务化

大型复杂装备的研发和制造与装备数字化软件密不可分，因而装备数字化软件是产业基础高级化和产业链现代化的重要保障之一，随着国产化进程的加剧和工业化实践的增加，国内软件企业也将逐步转变为“软件+服务”的发展新模式，产品也由向客户提供单一软件工具转向为提供“软件+服务”的整体解决方案。

以大型工业软件供应商西门子为例，基于自身的工业基础和技术积累，打造以TeamCenter为核心的装备产品全生命周期建设解决方案，从而实现了软件的协同应用。

四、结语

装备数字化软件是我国复杂装备制造向信息化、数字化与智能化升级的核心支撑。因此，理清国产装备数字化软件发展现状，创新机制驱动软件研发是大型复杂装备自立自强的重要途径。本文在对当前我国装备数字化软件发展现状和存在的问题具有一定了解的基础上，从多维度提出发展建议及未来趋势预测，为装备数字化软件研发与应用提供参考和思路。