前言

上周，科技部出臺了“十四五”國家重點研發(fā)計劃“工業(yè)軟件專項”，在公開征集建議中。工具類的還在規(guī)劃進行中。我們也借此機會，探討一下中國工業(yè)軟件的突破方向。

中國的工業(yè)軟件最需要突破的重點陣地，就是工具級和向下的組件。盡管國外已經(jīng)走向了平臺級的方向，但國內(nèi)的發(fā)展仍要堅持從基礎(chǔ)開始，從底層突破，“不做泛化、少做平臺“。

概念之槌，如何舉起來

那么，工業(yè)軟件到底應(yīng)該是一個什么樣的范疇？

回答起來很難。沒有人能夠完全梳理清楚工業(yè)軟件的問題，每一種國民經(jīng)濟分類的背后，都有著一大堆的工業(yè)軟件的筋脈相連。正因為如此復雜，使得在攻堅戰(zhàn)打響的時候，很難給出一個完整、清晰的邊界。這是一頭巨象，每人都只能摸到局部一點點。

工業(yè)軟件的定義一向?qū)挿?，在中國也是歧義很多。一種常見的看法是，只要是在工業(yè)活動中使用的軟件，都可以算在其中。這意味著工業(yè)軟件的范疇，很難有一個純種的血統(tǒng)。但這種泛化的認識，容易混淆工業(yè)軟件之間的差異。可以說， 像Oracle、Salesforce這樣的軟件巨頭，盡管很難替代，但如果下狠心，正如銀行領(lǐng)域的去IOE一樣，兩年不行，五年總可以，總是有辦法的。這是一個靠決心和狠心可以短時間生效的問題，我們已經(jīng)看到華為、阿里無論是服務(wù)器還是數(shù)據(jù)庫，正在起到的作用。但想要替代類似像ANSYS、Synopsys這類的大型工業(yè)軟件，靠瞬間的決心和狠心，是沒有可能的。即使是樂觀一點，十年八年恐怕都很難。

這讓我們意識到，工業(yè)軟件的定義界面不能太寬泛。因為太大的突擊面，即使投下去資金和努力，但收效仍然會很差。小小的按釘，會讓我們簡明扼要地了解到，相同的壓力，也只有在更小的面積上，才能產(chǎn)生破除障礙的效果。中國的工業(yè)軟件，只有收縮并聚焦受力面，才能產(chǎn)生更大的突破性效果。

按美國咨詢公司IHS的軟件分類，大類別有18種。其中跟中國的工業(yè)軟件最接近的，就是“工程和科學軟件”，用來支持工業(yè)和項目活動的工程和科學過程。按照該數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計，大概有5000多家軟件工業(yè)軟件供應(yīng)商，提供了近2萬多種不同的工業(yè)軟件。而實際上，大量的工業(yè)軟件并不在收錄之中，因此實際數(shù)目要遠大于此。

在中國，“工程和科學”都有特別的含義，因此這種概念也無法對照過來。理想中的工業(yè)軟件，最好能跟機器、工藝、材料等緊密結(jié)合在一起。在這里，筆者給出一個大類，將工業(yè)軟件可以分為工業(yè)管理學和工業(yè)物理學。這樣的分法，純粹是為了將管理類的軟件區(qū)分開來，同時還能保留工程科學計算的血統(tǒng)。這里的“物理學”，并非狹義“物理學科的科學”，而是指“物理實體的科學規(guī)律”，因此也包括化學、生物學等。本文主要就是來討論這一類軟件，而ERP軟件、供應(yīng)鏈軟件SCM、客戶關(guān)系管理等工業(yè)管理類軟件，就不再作為本文的討論對象。

在推動美國制造業(yè)發(fā)展的歷史進程中，美國學者也曾經(jīng)對“制造”的定義有過困惑。后來有一種定義認為，“掉下去能砸到腳的東西，那就是制造”，盡管這種定義也不夠準確，但它非常形象地描述了“實體經(jīng)濟”如粗眉大眼般的活生生氣息。而“工業(yè)物理軟件”，也希望起到這樣一種區(qū)分的作用，盡管筆者給不出類似“砸到腳”這種傳神的比喻。

圖1 工業(yè)軟件全景圖示意

工業(yè)物理學軟件，可以按照企業(yè)的業(yè)務(wù)流程進行分解。大致可以分為廠房設(shè)計，產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計（包括實驗室）、制造過程和產(chǎn)品服務(wù)等四大過程。

產(chǎn)品服務(wù)往往與嵌入式軟件有密切關(guān)系。嵌入式軟件，是跟終端設(shè)備密切捆綁的一類軟件，隨著產(chǎn)品一起銷售出去。隨著智能產(chǎn)品快速發(fā)展，機械產(chǎn)品與電子設(shè)備的融合越來越強，因此嵌入式軟件也是高速增長。根據(jù)《前瞻研究院》的數(shù)據(jù)，2019年中國嵌入式軟件市場規(guī)模接近100億。就銷售額而言，華為、海爾、南瑞集團、中車等都是領(lǐng)頭羊。這類軟件，行業(yè)跨度很大，而且已經(jīng)跟機電液壓等融合在一起，因此并非獨立銷售的產(chǎn)品。很多自動化產(chǎn)品也都有大量的與硬件相捆綁的嵌入式軟件，這類產(chǎn)品被稱為嵌入式系統(tǒng)。像制造業(yè)最常見的控制系統(tǒng)PLC，其實就是一個嵌入式系統(tǒng)。在這其中，嵌入式操作系統(tǒng)最引人注目，消費者對安卓、蘋果手機操作系統(tǒng)已經(jīng)很熟悉，而在工業(yè)領(lǐng)域則主要是美國風河的VxWorks，以及加拿大的QNX，也有開源的Linux系統(tǒng)可以支撐，國內(nèi)則有北京翼輝的 SylixOS等。跟消費者級的操作系統(tǒng)最大的不同是，它需要很強的實時性、可靠性和對惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。操作系統(tǒng)之下是硬件，上面是中間件和應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件跟行業(yè)密切相關(guān)，也最豐富多彩。風河的起家，就是跟美國宇航局NASA密切相關(guān)，并逐漸滲透到到軍工、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域。隨著邊緣計算和泛在連接的發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)可以更好地實現(xiàn)邊緣智能和機器端決策。嵌入式軟件是高端裝備的重要組成部分。全球最大的軍火商洛克希德馬丁有時也被看成是工業(yè)軟件巨頭，就是因為它的軍機、導彈等，也帶有大量的嵌入式軟件。但對外單獨出售成熟軟件，卻并不是他們這類企業(yè)的商業(yè)模式。因此從獨立性和商業(yè)性的角度出發(fā)，嵌入式軟件也不作為本書的研究對象。而開發(fā)汽車、家電、醫(yī)療器械等產(chǎn)品的嵌入式軟件的時候，仍然需要大量的研發(fā)工具軟件，則是我們的重點。

這張《工業(yè)軟件全景示意圖》，肯定會遭到不少人的質(zhì)疑。因為要在一張圖上，既反映出工業(yè)軟件的全貌，又要做到科學性，真的是太難了。就像在北京這座千年古都中觀光旅游，如果要用兩日游就完成旅途，那只能是個別看實景大部分靠地圖，僅僅收獲一個大致印象，和些許的歷史牽掛。因此這張工業(yè)軟件的圖也取名“示意圖”，也是期冀給大家提供一個輪廓而已，多一個視角來看待復雜斑駁的工業(yè)軟件世界。在行業(yè)真實應(yīng)用中，也不能完全按圖索驥，去認識光影陸離的工業(yè)軟件世界。

先說工廠設(shè)計軟件

這首先涉及到建筑設(shè)計軟件，面向建筑、工程與施工（AEC）的軟件，以及面向流程、電力和海事（PPM），也涉及到正在走熱的數(shù)字化交付。

廠房的設(shè)計是一個復雜的系統(tǒng)工程活動。對工廠的設(shè)計，核心是對生產(chǎn)設(shè)施支持系統(tǒng)的保障。它包含了生產(chǎn)空間的設(shè)計，物料流動、人與設(shè)備的關(guān)系等布局。

在民用建筑領(lǐng)域，建筑信息模型BIM被廣泛使用。它可以說是在機械CAD發(fā)展到巔峰開始趨于平緩的時候（大約在2000年左右）后的新一輪崛起。CAD系統(tǒng)植根于圖形，而難以充分解決建筑信息的問題。類似結(jié)構(gòu)件的解決方式，基于BIM的建筑設(shè)計CAD開始出現(xiàn)。揮舞“結(jié)構(gòu)件”大旗的Revit，一改機械CAD里面的點線面結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計，在建筑行業(yè)異軍突起。后來被Autodesk收購。到目前，全球BIM建模軟件有70款之多，僅常用的就有25款。

圖2 設(shè)計CAD面向的領(lǐng)域

最早建筑設(shè)計CAD軟件的發(fā)展，得益于美國對于建筑標準化的推進，使得面向AEC（建筑、工程和施工）軟件的快速發(fā)展。美國鷹圖軟件Intergraph在AEC領(lǐng)域的建樹，最早就是美國一個城市建立數(shù)字地理空間的項目而形成。德國的Nemetschek并購了匈牙利Grahpisoft公司的ArchiCAD軟件，一直以來都是Revit的熱門對手。Nemetschek經(jīng)歷了大量的并購發(fā)展，最終建立了與美國相抗衡的開放式OpenBIM體系。這段爭斗的歷史，反應(yīng)了歐洲對美國在建筑設(shè)計軟件格式標準上的壟斷，所具有的高度警惕性。

在中國，依靠建設(shè)部對于標準的執(zhí)著要求，中國面向AEC軟件也有了較快的發(fā)展。盡管在BIM的核心建模軟件仍然落后，但在其它方面也算是各有斬獲。包括北京PKPM、北京盈建科、北京廣聯(lián)達、品茗、蘇州浩辰、北京博超等軟件。面向結(jié)構(gòu)分析的PKPM，源自中國建筑科學研究院，借助于863計劃的工程三維設(shè)計系統(tǒng)的課題而研發(fā)成功，一度占據(jù)勘察設(shè)計院90%的市場。后來該軟件的主要開發(fā)人離職后創(chuàng)建了盈建科，在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件市場中也迅速崛起。上個月已經(jīng)在深交所成功上市。

而在工程造價方面，中國的軟件也有著獨特的優(yōu)勢。除了魯班之外，廣聯(lián)達表現(xiàn)突出。它呈現(xiàn)了類似國外成熟軟件公司所具有的特性，那就是對并購的偏愛。最新一次收購，則是在2020年收購了以設(shè)備模型見長、建立在Revit平臺基礎(chǔ)上的洛陽鴻業(yè)軟件。而作為新興的地理信息系統(tǒng)與GIM的結(jié)合，主打輕量化的上海葛蘭岱爾也是嶄露頭角?？梢哉f，在各種軟件領(lǐng)域中，面向AEC軟件，中國算是跟隨國外品牌跑得最接近、咬得最緊的一個領(lǐng)域。

而在民用建筑之外，工廠的設(shè)計尤其是在石化、電力和海事等PPM領(lǐng)域，就進入了非常專業(yè)的工廠設(shè)計范疇。AEC領(lǐng)域的供電、通風、土建以及給排水等，在PPM領(lǐng)域這里還只是一個開始。在石油化工、電力、制藥等行業(yè)，有著無數(shù)個大塊頭的反應(yīng)釜和彎彎曲曲的管道。因此安全、控制開始變得無比的重要。于是面向廠房設(shè)計的軟件，就成為一個獨立的分支。這其中佼佼者包括AVEVA的工廠設(shè)計軟件PDMS、以及美國鷹圖軟件（已經(jīng)被海克斯康收購）。與民用建筑的AEC則更偏重于土建相比，工廠設(shè)計類軟件更重視工藝流程走向、設(shè)備與管道的布置，以及各類設(shè)備與管道之間的碰撞干涉檢查與處理。

這類需要考慮行業(yè)特性的管道設(shè)計，到后來都發(fā)展成為綜合性的工廠設(shè)計軟件，大量工藝和設(shè)備的知識，也提前進入工廠設(shè)計軟件之中。世界變得復雜了，軟件也同步跟進。人類看待世界的顆粒度，其實是由軟件來固化的。

國內(nèi)這方面的軟件，跟機械CAD市場有些類似，在設(shè)計端相對較弱，很難進入設(shè)計院。這塊市場也基本被前面幾個品牌所壟斷。國內(nèi)主要有長沙優(yōu)易軟件UESOFT，作為國產(chǎn)三維管道CAD/CAE一體化設(shè)計的代表之一，在能源石化領(lǐng)域也有一席之地。當設(shè)計院完成工藝設(shè)計之后，圖紙就會進入建造方和之后的運營。這中間涉及到了大量的數(shù)據(jù)斷點，給國內(nèi)一些做模型重構(gòu)的軟件公司，如中科輔龍科技、圖為、綏通等國產(chǎn)軟件，留下了重新打穿數(shù)據(jù)通道的機會。一些來源自各行業(yè)工廠設(shè)計背景的公司如中機六院牽頭聯(lián)合國機集團相關(guān)單位成立的國機互聯(lián)等也跨界投入了這一領(lǐng)域的軟件開發(fā)。

當前，石油化工行業(yè)正在躍躍欲試地推進工廠資產(chǎn)管理，如設(shè)備數(shù)字孿生。以工藝特性為基礎(chǔ)，建立高保真的物理模型，是首當其沖的任務(wù)。

重兵屯扎在MBSE山谷

如果討論工業(yè)軟件，不談MBSE（基于模型的系統(tǒng)工程），那么一定就是偏離了主戰(zhàn)場。MBSE向來都是工業(yè)軟件的最擁擠、最熱鬧的兵家必爭之地，MBSE是支撐復雜工業(yè)品開發(fā)的一種方法論和系統(tǒng)觀。它以模型化的描述方法，重寫了一遍系統(tǒng)工程的傳統(tǒng)Vee模型：左側(cè)自上而下的分解，以及右側(cè)自下而上的合成。它是以建模語言、方法論和工具作為MBSE的三大支柱。其中工具，正是體現(xiàn)在工業(yè)軟件上。如果把MBSE的經(jīng)典“V型”看成是一個有厚度的物理峽谷，那么從左到右，處處都是工業(yè)軟件駐扎的大本營。從這個意義而言，這個Vee字形，代表了工業(yè)正向設(shè)計的思維。與其說是它是一種方法論，用于指導開發(fā)設(shè)計，不如說它代表了一種高級的工業(yè)文明。

讓我們從這個Vee字形的左端開始出發(fā)吧。

首先碰到的是需求管理。一個產(chǎn)品最早源自一個人的創(chuàng)意。越是顛覆性產(chǎn)品，越是難以從傳統(tǒng)的經(jīng)驗中去尋找。而對于復雜的產(chǎn)品，則需要有好的“概念處理”方式。但它不能是只用Word來記錄的純文本，它需要有一定的結(jié)構(gòu)，尤其要解決多人協(xié)同的問題，如需求的鏈接、跟蹤，協(xié)同開發(fā)，多視圖等。這就需要一套需求管理軟件，例如IBM的Doors軟件占據(jù)了統(tǒng)治性的地位，其它則包括了Cradle、寶蘭公司Carliber等，也包括Jama 、Goda等偏項目管理級軟件也可以使用。國內(nèi)則有索為Sysware.ORM、安世亞太Sys.RE等。當然，如果是簡單的產(chǎn)品開發(fā)，不妨用微軟Visio也可以勝任。

從需求管理開始，我們就會碰到軟件開發(fā)的第一個怪癖，那就是需求永遠是模糊的、主觀的和易變的，這像是我們對童年遙遠的回憶。軟件自身開發(fā)的需求，更容易如此。需求管理軟件，就是打算為這樣的隨意性，套上一個籠頭。

圖3 簡化的Vee字形

從專業(yè)性來看，Doors專注于需求管理，管理得很細致、很專業(yè)，但是其技術(shù)架構(gòu)則相對比較老，對當前越來越復雜的產(chǎn)品，可能也會有犯嘀咕的時候。最近幾年，國外的公司非常強調(diào)Design Thinking（設(shè)計思維），就是要突出創(chuàng)意設(shè)計。這意味“需求牽引產(chǎn)品研制”，拉長到整個生命周期來看，這就超出了Doors本身能力的范疇。這也是為什么一些做CAD的公司，如西門子、PTC公司會不斷收購一類ALM（應(yīng)用周期管理軟件），類似項目管理系統(tǒng)，或者是代碼托管平臺。西門子在2015年收購了Polarion，而PTC則在2021年初收購了SaaS化的ALM軟件：Arena。

然后就是體系的架構(gòu)與建模，需要對系統(tǒng)架構(gòu)進行整體描述。最常見的軟件是IBM的Rhapsody和MagicDraw，后者已經(jīng)被達索系統(tǒng)所收購。在國防軍工、航天航空領(lǐng)域，涉及到多種子系統(tǒng)、零部件之間的交互、各種物理化學的反應(yīng)，這就需要用一種大系統(tǒng)的胸懷，超越細節(jié)的糾葛，來完成一個系統(tǒng)的整體建模。系統(tǒng)建模簡化了細節(jié)，而只從鷹眼式俯瞰功能劃分、結(jié)構(gòu)分解、行為規(guī)范等。這種無關(guān)乎軟件實現(xiàn)細節(jié)的視角，讓頂層架構(gòu)師可以放松束縛，專注于最重要的功能和邏輯。

在一個模型驅(qū)動的產(chǎn)品開發(fā)——這通常被認為是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個重要前半部分，基于模型的系統(tǒng)建模至關(guān)重要。美國的F22、F35聯(lián)合戰(zhàn)斗機，都采用了Rhapsody作為系統(tǒng)建模工具。隨著機電軟體化的普遍存在，通訊、醫(yī)療、汽車和消費電子等領(lǐng)域，都使得系統(tǒng)建模成為上帝之眼。

走完需求和體系這兩級臺階，順著山坡再向下走一格，就來到了一維1D建模的世界，也就是系統(tǒng)級仿真。工程師們最擅長的學科，開始登場了。機械、液壓、電氣等各個學科都有自己的建模仿真工具。在這個臺階上，它需要解決的更多的只是時間響應(yīng)的動態(tài)特性，而不是具體的物理空間尺寸。因此這個時候的仿真，并不需要高保真度。常見的以文本建模的Modelica語言派，包括處理能源系統(tǒng)的Saber，流體方面的西門子AMESim和Flowmaster等，以及被ESI收購的SimulationX。

這樣的小公司會有很多，例如Dymola作為一個多學科系統(tǒng)的仿真軟件，在熱系統(tǒng)中尤為突出。1996年豐田研發(fā)普瑞斯的電氣動力總成系統(tǒng)的時候，Dymola曾起到了重要作用，也因此被豐田注資。2006年被達索系統(tǒng)收購。而這家公司的創(chuàng)始人瑞典教授，更大的成就則在1997年創(chuàng)立了Modelica語言規(guī)范，開辟了系統(tǒng)建模領(lǐng)域的獨特一派。這看上去是軟件的突破，但軟件的底層向來都是數(shù)學的問題。90年代初，數(shù)學上終于突破了微分和代數(shù)的統(tǒng)一求解，統(tǒng)一了微分代數(shù)方程。而機電領(lǐng)域的多體系統(tǒng)，就是一個標準的微分、代數(shù)問題。數(shù)學石破天驚打開門，軟件豁然開朗一片天。Modelica語言隨即誕生。這種語言，天生就是為了系統(tǒng)級的多學科聯(lián)合仿真而來。它源自是歐盟一個項目，以解決機電液等聯(lián)合仿真的問題，當時1D建模仿真并不流行。彼時的仿真，仍然需要采用Abaqus或者ANSYS這種笨重的三維仿真去實現(xiàn)，時間非常漫長。

十年之后，基于Modelica發(fā)展起來的軟件，高速發(fā)展，并又在隨后的十年迎來了被并購的高峰。大的軟件巨頭，都開始認識到這種軟件的重要性。而國內(nèi)對應(yīng)的公司，則有蘇州同元MWorks等。不用說，這也涉及到大量面向行業(yè)如風機、電動車等Modelica數(shù)字模型庫，如南京遠思智能的Simtek就在開發(fā)類似的基礎(chǔ)庫。蒙特利卡流派的軟件，其中有基于機電熱等模型庫的豐富性，是一個很重要的競爭力。很多都是依靠伙伴前行。工業(yè)軟件的勝出，已經(jīng)超越了靠單兵作戰(zhàn)的時候。這就是一個生態(tài)的征戰(zhàn)。被達索收購的Dymola軟件，周圍有一個生態(tài)圈，有很多專門開發(fā)模型庫的公司，如TLK, DLR, Claytex等。其中瑞典的Modelon是佼佼者，在Modelica模型庫頗有造詣。圍繞著模型庫，永遠都是填不完的基礎(chǔ)。這類基礎(chǔ)模型庫，是用來加固城墻而必不可缺的護城河。

對于系統(tǒng)建模仿真而言，整個系統(tǒng)和子系統(tǒng)的功能和邏輯，將在這里進行模擬仿真，以確定是否行得通。而這中間多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，也需要像世冠GCAir的開發(fā)環(huán)境來進行聯(lián)合連接。而2020年六月因為突然斷供哈工大而徹底走出幕后的美國Matlab，也正是蹲在這一層的小霸王。它可以發(fā)出控制信號，與其它軟件形成多學科協(xié)同，成為事實上的工程計算標準。因為圍繞Matlab，一個龐大的生態(tài)已經(jīng)構(gòu)成，各個軟件都有相互穿插耦合，這正是它最核心的價值。當然了，Matlab的偏微分方程求解能力很強。說白了，軟件的強大，核心還是數(shù)學。

圖4 建模工具一大堆

(Source：MBSE的發(fā)展歷程，中國系統(tǒng)工程學會科普工作站 ）

上面的模擬，可以簡單認為沒有尺寸、只有時間的邏輯世界。而沿著臺階，再下一格，就進入了物理世界所真實對應(yīng)的數(shù)字世界。一輛汽車的輪胎、發(fā)動機，都開始有了尺寸、材料和形態(tài)特征，這正是最常見的計算機輔助設(shè)計CAD和仿真CAE環(huán)節(jié)。需要用CAD進行三維（或者二維）的空間尺寸的描述，然后再用CAE進行模擬仿真。這里有大量的CAD軟件，機械類CAD如廣州中望，蘇州浩辰；而電子設(shè)計自動化EDA軟件則有美國Cadence，國內(nèi)如華大九天、概倫電子、蘇州芯合等，既有設(shè)計也有仿真。而在專業(yè)仿真CAE領(lǐng)域有電氣仿真AVEVA的IGE+XAO，流體力學如Fluent、大連英特等。而在云端的CAE仿真，則有北京云道智造、適創(chuàng)科技這樣倡導普惠仿真的推動者。各自分工，也不一樣。這類軟件更加分散，這里就不多作贅述。

如果把事物高度抽象化而言（這種說法，其實容易犯錯誤），可以簡單這么想：系統(tǒng)級仿真可以看成是0D-1D空間中進行快速建模，而CAD設(shè)計則在2D-3D空間之中完成幾何尺寸的變化，而CAE仿真則更多要在3D空間甚至四維空間，進行更加細微的展示。

而在這個下坡的最后階段，往往需要一類軟件多學科優(yōu)化的軟件，能快速連接CAD/CAE 軟件，尋求性能更優(yōu)的設(shè)計參數(shù)方案。佼佼者如美國Isight、比利時Optimus。加拿大華人創(chuàng)立的Oasis軟件，在人工智能算法上，也是獨樹一幟，也得到了通用汽車北美汽車廠的高度肯定。

好了，截止到這里，我們沿著系統(tǒng)工程的Vee字形左端，來到了Vee字形的谷底。反彈的時間到了，物理樣機、測試等正式接棒。我們來到了山谷的右側(cè)，開始向上爬。物理實體登臺，“會砸到腳的東西”開始出現(xiàn)。

要爬上Vee字形的右坡，最重要的是兩個概念。一個是驗證與確認V&V，一個是硬件在環(huán)。

如果說基于模型的SE，也就是MBSE，跟傳統(tǒng)的SE最大區(qū)別，那就是兩點。第一是“以模型為中心”，取代了傳統(tǒng)的“以文檔為中心”，層層模型，逐次疊加嵌套，就在山坡左側(cè)；第二就是全過程虛擬驗證，在山坡右側(cè)。這被稱為驗證與確認V&V軟件。例如北京安懷信的SimV&Ver。它需要回答仿真精度問題，將試驗室的測試結(jié)果，與仿真結(jié)果進行擬合。V&V是利用已經(jīng)確認過的試驗數(shù)據(jù)，來作為一個計量基點，用來判斷仿真結(jié)果是否準確。計算機的仿真要被證明是精確的，必須跟驗證過的模型去對照。如果說一個工人需要用卡尺去測量零件，那么V&V就是標定卡尺的更高級卡尺。V&V驗證，其實是一種知識復用的典型。一個好的企業(yè)，需要通過積累V&V模型庫，來構(gòu)建自己的知識庫。這是一筆巨大的企業(yè)財富。

硬件在環(huán)，則是V型右山坡的另外一個重要特點。簡單說，就是把硬件模擬器，開始正式加入到測試環(huán)境中來，軟硬一體的實時機開始出現(xiàn)。例如汽車領(lǐng)域dSpace，就是在Matlab的基礎(chǔ)上增加硬件，進行實時仿真。這一類實時計算設(shè)備，還有加拿大RT-LAB，它在電力領(lǐng)域的實時仿真長期獨占鰲頭。更廣泛的控制和儀器儀表測試，則主要是美國國家儀表NI公司的Labview。

實時仿真往往跟仿真軟件高度綁定。例如Concurrent公司的實時計算系統(tǒng)iHawk、瑞士Speedgoat等，都跟Matlab密切相關(guān)。實際上，Speedgoat正是Matlab所在公司的前員工在2007年初成立。這再次強化了一種印象，工業(yè)軟件沒有不結(jié)伴前行的，灑家一身武功包打天下的軟件是不可想象的。單獨一個Matlab或許并不可怕，但它早已跟其它各種軟件、硬件，在地下連接成錯綜復雜的樹根綜合體。牽一發(fā)而動全身，這就是企業(yè)在使用工業(yè)軟件最難替代的地方。也是成熟軟件在技術(shù)之外的更高級堡壘。

從這個角度看，以模型驅(qū)動的建模仿真與代碼生成的軟件系統(tǒng)，與硬件廠商形成類似當年英特爾和微軟一樣的Wintel聯(lián)盟，交叉鎖定，掌控了復雜系統(tǒng)產(chǎn)品的高端開發(fā)技術(shù)體系和手段。以汽車電控領(lǐng)域為例，來自全球著名的奧地利汽車發(fā)動機設(shè)計咨詢公司李斯特AVL，不僅提供發(fā)動機臺架，也提供開發(fā)測試的CAE軟件。其汽車系統(tǒng)設(shè)計分析軟件，再加上德國實時計算設(shè)備dSpace，一軟一硬，幾乎全面壟斷了中國汽車電控正向設(shè)計研發(fā)技術(shù)體系。

就硬件在環(huán)而言，再往前走一步，就是“人在環(huán)路”。也就是主觀性能的測試，以及人體行為分析。每個汽車廠，都會有很多試車員，就跟五糧液酒廠會有品酒師一樣，他們要對“腳踩下去沒有勁是什么意思”進行回答。當下開始走熱的汽車模擬器中，已經(jīng)回答了這個問題。簡單一點的虛擬駕駛器，模擬連人在內(nèi)的物理樣機動作。三維實境的路譜由華為提供，硬件釆模器是Concurrent 公司的，而軟件則是達索系統(tǒng)公司的Simpack等軟件。而更加細膩逼真的評估，則需要在一個大型的座艙里，汽車試駕員可以進行各種操控，急踩油門，提高音響，猛打方向盤等。進行實時仿真。它往往需要提供輪胎模型、路面模型，然后進行模擬。例如德國VI-grade就提供這樣的產(chǎn)品，小的模擬器要上百萬元1臺，可以放在辦公室里，而多功能的模擬器則達到上億元1臺，需要專門的大廠房。德國寶馬汽車就專門有一座大樓，用于各種汽車模擬器。最常見的行為仿真，就是加入了硬件及駕駛者的行為。

一切的一切，最后才走到物理驗證，跟實物完全一樣的物理樣機才開始登場。這個時候，創(chuàng)意成型，月影隱去，制造的曙光就要登場了。而此前這個漫長的下坡、上坡的過程中，只有走過完整的路，是一套正向研發(fā)的最高工業(yè)文明。而逆向仿制研發(fā)，往往只需要截取其中的一小段，甚至主要是在右半坡棲息。而正向研發(fā)之路，看似羊腸小道，卻是通往天空的正路。工業(yè)軟件，不僅僅是一種工具，更是一種量尺，標定了正向研發(fā)的決心。

推動MBSE的發(fā)展，對于制造商而言，需要一種前瞻性的視角，是面向未來數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵一環(huán)。在國際上，方法論、建模語言和規(guī)范、工具都已經(jīng)很成熟，唯一跟不上來的就是團隊。而對于復雜產(chǎn)品的研發(fā)工程師而言，這是應(yīng)該成為一種基本的門檻技能。很多工業(yè)軟件公司，戰(zhàn)略布局就是遵循MBSE的Vee模型進行落子。例如西門子軟件的戰(zhàn)略布局，可以說就是要填滿了整個Vee的山谷，這讓并購軟件的目標鎖定，變得十分容易。而工業(yè)巨頭，也加緊了推動MBSE在企業(yè)的戰(zhàn)略位置。全球軍火商洛克希德馬丁的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，可以說就是從企業(yè)內(nèi)部推動MBSE開始。2005年，對MBSE非常熱心的董事長，選定了MBSE專家，在所有的制造流程開始推動MBSE的落實。十五年過去了，據(jù)稱這項龐大的工程，已經(jīng)完成了40%。這自然是一個漫長的過程。然而，數(shù)字化戰(zhàn)略，畢竟開始騰飛。

然后，可以進入制造了。

制造過程軟件

一家企業(yè)已經(jīng)建立了一個復雜而多產(chǎn)的全球制造體系：6家工廠生產(chǎn)和發(fā)運來自20多個產(chǎn)品系列的75000多個SKU。為了滿足每年60萬份的全球訂單，這些工廠依賴于1000多臺設(shè)備、數(shù)十條連續(xù)流水線，在某些情況下，在不同地點的類似產(chǎn)品還需要不同的產(chǎn)品“配方”。如何規(guī)劃這種進進出出的訂單？

這就涉及到一類銷售與運營規(guī)劃（S&OP）的軟件，行業(yè)也稱之為“大物流計劃”。它超越了一個工廠的范疇，而是從全球的制造能力分布，來考慮海陸空的實際運力和成本，再來決定物品的移動軌跡，而這個軌跡則決定了不同工廠的排產(chǎn)順序。這就是全球視角下的物流規(guī)劃。美國FlexSim的軟件，就可以完成全球模型的模擬，幫助關(guān)鍵決策的制定。而達索系統(tǒng)的Quest、西門子的Plant Simulation也是這類物流建模的軟件。大型工業(yè)巨頭，在這些領(lǐng)域，市場切分得非常精細。在上面全局視角的物流規(guī)劃系統(tǒng)之下，則進一步通過不同的軟件，加強現(xiàn)場管理能力。

到了產(chǎn)線現(xiàn)場，就會涉及到大量的物料運輸問題，例如傳送帶，而且也涉及到人的行走、AGV車輛、藍區(qū)和紅區(qū)區(qū)域等。產(chǎn)線是設(shè)計出來的。產(chǎn)線布局，正在被當作一個“數(shù)字化產(chǎn)品”被進行設(shè)計。建模、仿真都是必不可少的。無論是環(huán)形線布置，還是平行線布置，各種工位、傳送帶作為輸入條件之后，就可以開始計算。例如Delmia 產(chǎn)線軟件旗下的DF就有類似軟件功能。而西門子的Technomatix Process Simulate，羅克韋爾的Demo3D（收購自英國Emulate3D），都可以進行機器產(chǎn)線的設(shè)計，虛擬調(diào)試以及機器的調(diào)試。

在整個數(shù)字化工廠的體系中，可以有一個復雜的模擬模型，將訂單、客戶位置、工廠、成本、機器性能、產(chǎn)線產(chǎn)能，都能完整地聯(lián)系在一起，并實現(xiàn)仿真。這是一個值得期待的數(shù)字化工廠的世界。

這只是數(shù)字端的開始，下一步，可以進入了真實制造的環(huán)節(jié)。

我們可以從最常見的制造執(zhí)行系統(tǒng)MES開始。它以機器為中心，向上到ERP、向下到人機界面的一個管理平臺，是傳統(tǒng)制造的核心中樞。它解決了物流計劃與執(zhí)行系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)。1997年制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會MESA提出的11個功能，是過去二十多年MES發(fā)展的基石。直到最近幾年的物聯(lián)網(wǎng)和傳感器的大量普及，無處不在的數(shù)據(jù)采集和邊緣計算，使得MES的經(jīng)典框架正在承受不小的晃動。

然而，這個行業(yè)最大的特點就是散、專、小。由于它跟行業(yè)特性綁定得非常緊密，工藝流程多變，因此這個行業(yè)很少能夠出現(xiàn)通吃的寡頭壟斷局面，而是在垂直領(lǐng)域，各有千秋。釀酒、制藥、水泥等都會有行業(yè)所獨自青睞的MES軟件。與MES相對應(yīng)的APS高級排產(chǎn)系統(tǒng)，則由于各種原因，成為一項叫好不叫座的軟件。

質(zhì)量軟件源遠流長。上個世紀二十年代休哈特建立了統(tǒng)計過程控制SPC，開辟了量化質(zhì)量問題的先河。至今仍然深刻地影響著制造業(yè)的質(zhì)量管理。除此之外，質(zhì)量追溯、供應(yīng)商質(zhì)量管理、成本管理、實驗室管理等，有很多不同的軟件。在大眾的一家主機廠，分廠的規(guī)模，一個質(zhì)量部門就有大約35種軟件。當然在一些簡化的場合，MES軟件中也有質(zhì)量模塊。

管理工廠的質(zhì)量數(shù)據(jù)是一件非常碎片化的事情。這對于肯吃苦、愿意做服務(wù)的國產(chǎn)管理軟件留下很多機會。例如清大菲恩、上海云質(zhì)往往會深度介入作業(yè)端，對數(shù)據(jù)采集的位置和機器進行定制化開發(fā)。沒有太大的硬技術(shù)門檻，重要的是吃透工藝的軟門檻，而且對設(shè)備要有深刻的理解是必不可少的。做好這些數(shù)據(jù)斷點動作，質(zhì)量管理才能變得相對簡單。

質(zhì)量軟件最大的推動障礙，仍然體現(xiàn)在管理者的怠慢。質(zhì)量在很多時候，并不是董事會的熱點話題，通常情況下質(zhì)量的優(yōu)先級并不高。因此質(zhì)量軟件也沒有想象中的那樣成為剛需。只有在諸如制藥和食品等特殊的領(lǐng)域，因為這些行業(yè)有著嚴苛的質(zhì)量法令。2020年年底，流程石化行業(yè)的領(lǐng)頭羊之一霍尼韋爾，就花費13億美元現(xiàn)金，收購一家質(zhì)量管理軟件企業(yè)，而這家企業(yè)的銷售額不過5600萬美元，市值與銷售比達到了23倍。很正常，這就是霍尼韋爾要進軍制藥行業(yè)的代價。

計算機輔助制造CAM軟件，盡管可以放在制造過程來講，但它更好的位置，或許應(yīng)該放在三維設(shè)計軟件CAD的章節(jié)里面去講。因為CAD設(shè)計的圖紙，當面向數(shù)控機床進行加工的時候，需要使用CAM軟件來對機床的數(shù)控系統(tǒng)進行編程。CAM軟件是工件精度的重要保障，因為是它決定了刀具在加工表面上進退翻飛的軌跡。無論是飛機機翼的加工，還是蘋果手機殼，都離不開CAM軟件對刀具切削軌跡的預先規(guī)劃。規(guī)劃得當，工件表面才能得到精準加工。從這一點來看，CAM軟件是CAD和機床之間的橋梁。這也讓人理解了為什么北京精雕機床，當年能夠進入蘋果的供應(yīng)商行列，因為精雕最早就是以CAM而發(fā)展起來。這是中國少數(shù)在CAM領(lǐng)域能夠脫穎而出的軟件。而要做好CAM軟件，同樣需要一個非常精細的生態(tài)。這是一個“螺螄殼里做道場”的股市。就算是再強大CAD，或者CAM軟件，也離不開兩家主要的CAM內(nèi)核廠商，德國的Moduleworks和MachineWorks。前者占據(jù)了絕大部分市場。如刀片般狹窄的市場，依然是高智力密集型。這就是工業(yè)軟件生態(tài)的分工。而且，以精密機械制造著稱的德國產(chǎn)業(yè)界，也是最清楚CAM本身的價值。在德國政府看來，工業(yè)4.0的一部分其實就是源自機械的精密加工性，因此每年都有上千萬的投入，用來資助CAM的相關(guān)項目。CAM聽上去已經(jīng)是隱身幕后的名字，但它其實正是在智能制造過程中大放異彩。哪里有概念老廉頗，到處都是新氣象。

石化行業(yè)還得重新理

石化行業(yè)又是另外一番光景。這個行業(yè)應(yīng)用的軟件，跟離散制造有著很多親戚關(guān)系，例如生產(chǎn)管控、經(jīng)營管理ERP等。但盡管也有流體動力學、有限元分析等通用軟件，但又有很多獨特之處。

從研發(fā)設(shè)計來看，很多軟件都是石化行業(yè)特有的。流程模擬對于石化廠家的設(shè)計人員來講，提前確定化工工藝的可行性至關(guān)重要。而在工藝設(shè)計與模擬方面，中國幾乎完全空白。通用性流程模擬較強的有美國Aspenplus，AVEVA的ProII和霍尼韋爾的Unisim。而在國內(nèi)，目前幾乎沒有類似的軟件。專業(yè)流程模擬市場也基本被國外壟斷，廣州辛孚能源則通過分子級煉油模擬，找到了一個很好的切入點。在工程管理如EPC方面，基本也都是國外軟件主宰天下，包括鷹圖、AVEVA等。在2D和3D設(shè)計方面，一些國產(chǎn)軟件擠進來，包括廣州中望、山大華天、中科輔龍科技等等。至于在計算機輔助分子結(jié)構(gòu)設(shè)計CAMD方面，物性計算和化合物數(shù)據(jù)庫都是非常專業(yè)的領(lǐng)域，基本都是國外的幾家公司和大學所掌握。

而在生產(chǎn)制造方面，除了一些跟離散制造行業(yè)有類似的軟件之外，像先進過程控制APC、實時優(yōu)化軟件RTO等，基本也都是國外軟件所占據(jù)的市場。國內(nèi)在APC方面有浙大中控、杭州優(yōu)穩(wěn)在自己的控制系統(tǒng)DCS上面，取得了一定的進展。

石化行業(yè)還有很多其它的軟件，包括供應(yīng)鏈管控、油藏開發(fā)、油品調(diào)度等，這里也就不再贅述了。

相關(guān)軟件還是數(shù)不過來

自動化軟件，總是要提及的。跟MES軟件和下層控制系統(tǒng)PLC相關(guān)的軟件，則是一類人機交互的界面，有時也包括被稱為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控軟件SCADA。顧名思義，它是由數(shù)采、實時數(shù)據(jù)庫和可視化展示而構(gòu)成。由于機電一體化設(shè)備，控制系統(tǒng)實在太多。很多非常小眾的設(shè)備，其數(shù)據(jù)格式是非常獨特的?？梢哉f，沒有任何一個品牌SCADA，能夠采集所有設(shè)備的數(shù)據(jù)。目前名氣比較大的是施耐德電氣AVEVA旗下的Wonderware，而國內(nèi)的則以北京亞控、力控為代表。也有專注于提供數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的軟件，如美國Keppware（被PTC這樣PLM公司收購后，成為一塊響當當?shù)奈锫?lián)網(wǎng)招牌）、美國Redlion等。國內(nèi)的華龍訊達，則憑借近二十年的電氣控制的配套和升級改造，也是吃透了數(shù)據(jù)采集的菜。這些數(shù)據(jù)采集的能力，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代得以大展身手。

說到控制系統(tǒng)，用于離散制造的PLC和流程行業(yè)的DCS各有所長，但也有很多共性。控制系統(tǒng)背后都是軟件，包含了組態(tài)編程軟件、運行時軟件和HMI軟件等核心組件。這類自動化軟件往往不被人關(guān)注，但也都是中國工業(yè)的軟肋。

資產(chǎn)管理軟件EAM，又是一大類軟件。這在流程工業(yè)等重資產(chǎn)行業(yè)，尤為重要。國外的MRO軟件如IBM Maximo，還有常見的SAP、Oracle都有很多軟件屯兵在此。最近幾年涌現(xiàn)出來許多的數(shù)據(jù)分析公司，與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，圍繞著設(shè)備的備件、能耗、預測性維護應(yīng)用。最近幾年大熱的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，也期待在這里大顯身手。

小記：無論發(fā)生什么，都從工具開始追

當然還有材料、化學、實驗室等諸多軟件，選定任何一個行業(yè)，都應(yīng)該有一個長長的清單需要羅列。但無論是哪種工業(yè)軟件，都要回歸基礎(chǔ)。對于工業(yè)軟件的發(fā)展，當下能看到很多焦灼與沖動，總想借助于新的技術(shù)潮流，大干快上迅速發(fā)展起來。這種思路，對于工業(yè)軟件這種靠知識結(jié)晶的產(chǎn)品，基本上是行不通的。大量的工藝、設(shè)計、材料知識進入軟件的過程，恰如煤的形成，它與樹木之間，有著很長的隔離期。若求速戰(zhàn)速決，必速戰(zhàn)速敗。

工業(yè)軟件代表著工業(yè)文明的最高形態(tài)，是數(shù)學、物理、化學、生物等自然科學知識，結(jié)合人類設(shè)計制造的實踐，相互浸潤長期磨合而成。而國外軟件經(jīng)過幾十年的發(fā)展和大量的并購，基本上已經(jīng)完成了形態(tài)的徹底改變。國外大部分軟件的來源，往往都是在數(shù)學、物理或者工程有著很深的造詣的人。先行者發(fā)現(xiàn)了一把鋼刀，后人則反復錘煉。平臺式軟件，正如一把多功能瑞士軍刀，不僅功能豐富，而且相互之間經(jīng)過反復打磨。大殺器，對于求勝心切的初學者，絕非正途。追趕者不能為成熟者的形態(tài)而動。

發(fā)展工業(yè)軟件，要老老實實地從工具層開始。因為只有深磕工具層，才會發(fā)現(xiàn)數(shù)學的硬核，發(fā)現(xiàn)物理世界的基礎(chǔ)和自然科學。但除了數(shù)學基礎(chǔ)之外，還需要一些其它條件。中科院計算數(shù)學所的創(chuàng)始人、計算數(shù)學的奠基人馮康先生，是國際公認的有限元權(quán)威。而在目前國際上大會和學術(shù)文章，有限元方面一定都缺不了中國人諸多身影?？梢哉f中國是有限元大國，但在有限元CAE分析的商業(yè)化軟件，卻基本無所作為。為什么？因為這就涉及到工業(yè)軟件的第二個特性，用戶側(cè)的知識反哺。工業(yè)軟件是用戶用出來的，用則進，不用則廢。而用戶要真正介入，還要依賴工業(yè)軟件的第三個特性：協(xié)同生態(tài)。好的軟件，一定是有一群豐富的組件、插件、接口做配合，還有大量的模型庫、參數(shù)庫、物性庫等。廚房里如果只剩下一桶油，再多的蔬菜如何能做出好吃的大餐？沒有數(shù)學基礎(chǔ)，就沒有軟件；沒有用戶哺育，就沒有商業(yè)產(chǎn)品；沒有協(xié)同生態(tài)，就沒有產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。三者相互鎖定，無法單一開鎖。而目前中國工業(yè)軟件的現(xiàn)狀是，底部中空無根基，大學基礎(chǔ)研究十分缺乏；軟件廠家身羸弱，沒有造血能力；用戶無心陪小弟，拿來主義趕快車；協(xié)同舢板不成局，國內(nèi)廠家仍然是單打獨斗，缺乏組件與生態(tài)的配合。國外軟件已經(jīng)進入平臺協(xié)同的階段，基本已經(jīng)登上了連輪子都帶了鋼刀的希臘戰(zhàn)車，而國內(nèi)依然是各自為政?？梢哉f，四大頑疾不破，工業(yè)軟件難進。因此，發(fā)展工業(yè)軟件，一定要著眼于對工業(yè)軟件的全景認識，才能了解它完全迥異于其它“砸腳的產(chǎn)品“。

工業(yè)軟件開發(fā)者需要耐得住寂寞，而遠景的規(guī)劃也需要滴灌潤土。不是捅破天，而是扎透地，這恐怕是工業(yè)軟件突破的唯一原則。

責任編輯：lq