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書名：工業軟件簡史

格式：EPUB/MOBI/AZW3

內容簡介：

空氣沒有形態，卻對生命不可或缺。對於制造業來說，工業軟件恰如空氣，無形、無界、泛在且至關重要。本書以工業軟件最重要的三類工具軟件CAD、CAE和EDA為重點，兼述千差萬別的行業工業軟件，展現工業軟件的發展邏輯，以及工業軟件與制造業相伴相生而少為人知的獨特形態。這裏既有工程師創業家的英雄主義，也有資本的饕餮盛宴，以及政府精心設計的扶持體系，還有不露聲色的企業用戶反哺效應。

當前，工業軟件得到了各界人士的高度重視，回歸到它應有的戰略位置。本書語言活潑靈動，視角獨具一格，以故事化的敘事體系，全方位解析工業軟件及其發展特點。它提供了一個俯瞰萬山眾相的角度，適合所有關註工業軟件和數字化制造的人閱讀。

作者簡介：

林雪萍，北京聯訊動力咨詢公司總經理、上海交通大學中國質量發展研究院客座研究員、天津大學兼職教授、南山工業書院發起人。從事全球產業觀察與企業技術戰略研究，長期跟蹤全球先進制造、制造創新模式和數字化轉型。已編著《灰度創新：無邊界制造》《美國制造創新研究院解讀》《智能制造術語解讀》《工業互聯網創新之路》等圖書，並在《哈佛商業評論》《瞭望周刊》發表多篇文章。主持深耕智能制造的微信公眾號“知識自動化”和面向工業觀察的微博頭條“南山林雪萍”。

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部分摘錄：

工業軟件的骨架

1.1　舉起概念之槌

工業軟件是一個什麽樣的範疇？

回答起來很難。沒有人能夠完全梳理清楚工業軟件的概念，每一種國民經濟分類，都與大量工業軟件筋脈相連。正因為如此復雜，很難給出一個完整、清晰的邊界。如同在一頭巨象面前，每個人都只能摸到龐然大物的一些局部。

工業軟件的定義一向寬泛，而且歧義很多。一種常見的看法是，只要是在工業活動中使用的軟件，都可以算在其中。這意味著對工業軟件的範疇很難進行單純的描述。但這種泛化的認識，容易混淆工業軟件之間的差異。像甲骨文（Oracle）、Salesforce這樣的軟件公司巨頭，盡管很難被替代，但如果下狠心，總是有辦法的。正如銀行領域的去IOE（去除以IBM小型機、Oracle數據庫和EMC存儲設備為代表的IT基礎體系，這三個海外巨頭從軟硬件上壟斷了商業數據庫領域）一樣，也許兩年不行，五年總可以，這是一個靠決心和狠心可以在相對短期內解決的問題。大家已經可以看到華為、阿裏巴巴等公司的努力，無論是在服務器還是數據庫和操作系統方面，中國的自研產品正在起到替代國外產品的作用。但是，如果想要替代諸如Ansys、Synopsys這類大型工業軟件，靠瞬間的決心和狠心是沒有可能的，即使樂觀一點，花上十年八年的時間恐怕都很難實現替代。

這讓我們意識到，工業軟件的定義範疇不能太寬泛。因為太大的突擊面，即使投入大量資金和努力，也收效甚微。就像小小的圖釘，相同的壓力，只有聚焦在小面積上，才能產生破除障礙的效果。對於中國的工業軟件，只有收縮並聚焦受力面，才能產生更大的突破性進展。

按照美國埃士信咨詢公司（IHS）的軟件分類，大類別有18種。其中與中國的工業軟件最接近的，是“工程和科學軟件”，用來支持工業和項目活動的工程和科學過程。按照IHS數據庫統計，大概有5 000多家工業軟件供應商，提供了近2萬多種不同的工業軟件。實際上，大量的工業軟件尚未在收錄之中，因此實際數量要遠大於此。

IHS公司的分類只是一個參考。在中國，“工程和科學”都有特別的含義，因此這種概念並不能照搬過來使用。理想中的工業軟件，需要跟機器、工藝、材料等緊密結合在一起。因此姑且劃分出兩個大類，將工業軟件分為工業管理學軟件和工業物理學軟件。這樣的劃分，是為了將管理類的軟件與其他軟件區分開來，並讓後者保留工程科學計算的基因。這裏的“物理學”，並非指狹義“物理學科的科學”，而是指“物理實體的科學規律”，因此也包括化學、生物學等。本書將主要討論這類軟件，而企業資源計劃（ERP）、供應鏈管理（SCM）、客戶關系管理（CRM）等工業管理類軟件，就不再作為本書的重點。

在推動制造業發展的歷史進程中，國外學者也曾經對“制造”的定義有過困惑。曾經有一種定義認為，“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“砸到腳”這種傳神的比喻，非常形象地描述出“實體經濟”的蓬勃氣息。而對“工業物理軟件”的描述，也希望能起到這樣一種區分的作用。

工業物理學軟件，可以按照企業的業務流程進行分解，大致可以分為廠房設計、產品研發設計（包括實驗室）、制造過程和產品服務等四大過程。

產品服務往往與嵌入式軟件有密切關系。嵌入式軟件是跟終端設備密切捆綁的一類軟件，通常隨著產品被一起銷售出去。隨著智能產品的快速發展，機械產品與電子設備的融合越來越強，因此嵌入式軟件市場也在高速增長。據統計，2020年中國嵌入式軟件市場規模達到1 000億元。就銷售額而言，華為、海爾、南瑞、中車等都是領頭羊企業。這類軟件的行業跨度很大，而且已經與機、電、液壓等融合在一起，因此並非獨立銷售的產品。

很多自動化產品也都有大量與硬件相捆綁的嵌入式軟件，這類產品被稱為嵌入式系統。像制造業中最常見的控制系統PLC，就是一個嵌入式系統。其中，嵌入式操作系統最引人註目。人們對安卓、ISO等消費者級操作系統已經很熟悉，而工業級操作系統則主要有美國風河的VxWorks、加拿大的QNX、開源的Linux系統，以及中國翼輝的SylixOS等。與消費者級操作系統最大的不同是，工業級操作系統需要很強的實時性、可靠性和對惡劣環境的適應性。操作系統之下是硬件，上面是中間件和應用軟件。應用軟件與行業密切相關，也最豐富多彩。美國風河公司的起家，與美國國家航空航天局密切相關，並在發展中逐漸滲透到軍工、網絡通信、工業控制等領域。隨著邊緣計算和泛在連接的發展，嵌入式操作系統可以更好地實現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軟件巨頭，就是因為它制造的軍機、導彈等也裝備大量的嵌入式軟件。但對外單獨出售成熟軟件，卻並不是這類企業的商業模式。因此從獨立性和商業性的角度出發，嵌入式軟件也不作為本書的研究對象。然而，在開發汽車、家電、醫療器械等產品的嵌入式軟件的時候，卻需要大量的研發工具軟件，這些則是本書的重點。

看到“圖1-1　工業軟件全景示意”，有些讀者難免會產生質疑。因為要在一張圖上，既反映出工業軟件的全貌，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遊，如果要用兩日遊就完成旅途，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。因此這張工業軟件圖取名“示意圖”，也是期冀給大家提供一個輪廓，多一個視角來看待復雜斑斕的工業軟件世界。在行業應用實踐中，不能完全按圖索驥。

圖1-1　工業軟件全景示意

1.2　基礎設施建設中的魅影：工廠設計

工廠的設計，離不開軟件。廠房建設以及設備安置與民用建築有所類似，但仍有很多不同之處，需要使用獨特的軟件來完成。有一類是專門面向建築、工程設計和施工（AEC）的三維設計軟件，包含了建築、結構、水暖電等；還有一類軟件是面向專業的領域，如石油化工、電力和海事（PPM）等。面向AEC領域的軟件，一般用來設計民用建築、基礎設施，以及工廠的建築和結構；而面向PPM的軟件則需要考慮大面積的管道、反應容器等。

歷史上，用於建築設計的計算機輔助設計（CAD）軟件，盡管曾經與工業制造品的同伴裹挾在一起，但後來走向了不同的道路。只有少數軟件公司會同時兼具設計建築和設計工業品的業務。在智能制造的一些場合，它們也會偶爾相遇。

工廠設計是一個復雜的系統工程活動，其核心是對生產設施支持系統的保障。它包含了對生產空間、物料流動、人與設備的關系等布局。

在民用建築領域，建築信息模型（BIM）也被廣泛使用。它可以說是CAD軟件在機械領域的發展從巔峰步入平緩（大約在2000年左右）後的新一輪崛起。這一次，CAD軟件的突破口是建築行業，背後的時代性動力依然是計算能力的提升。CAD軟件植根於圖形，難以充分解決建築信息的問題。類似結構件的解決方式，基於BIM的建築CAD軟件開始出現。揮舞“結構件”大旗的Revit軟件，一改機械CAD軟件裏面的點線面結構，實現了參數化設計，在建築行業異軍突起。[1]這裏要提到在1988年以“參數化建模”而徹底改變機械CAD軟件的美國參數技術公司（PTC）。是的，盡管一鳴驚人的美國參數技術公司未能在建築領域建樹權威，但從該公司出走的高管人員，以同樣的思路創造了新銳的Revit軟件[2]，而且非常前衛地采用了訂閱制。這種方法超越了時代的腳步整整二十年，訂閱制目前已成為許多CAD軟件的主流。當然，抵制也是存在的。即使在2020年，Revit軟件仍受到了歐洲建築界用戶前所未有的嚴厲批評和抵制。

回到二十年前，在二維CAD軟件時代迅速崛起的美國歐特克公司（Autodesk），早在1995年就開始研發建築設計產品。然而，即使是擁有在二維機械CAD軟件市場最大的裝機量優勢，歐特克公司在BIM領域也無法站穩腳跟。應該是註意到了BIM崛起的勢頭，歐特克公司在2002年收購了Revit軟件，並在同年推出BIM白皮書。這個早在20世紀70年代學術界提出的概念，終於在市場端發揚光大。但歐特克公司有意將BIM鍛造成獨家“概念之錘”的趨勢——實際上這是一場國際學術口水官司，歐洲人認為是他們最早創建了這種軟件。[3]隨著物聯網時代的到來，數字孿生的概念日趨走紅，BIM這個概念的意義則被大幅削減。這也許會使得很多建築CAD軟件廠商能松一口氣，不必籠罩在“BIM由誰首創”這個命題之下。迄今為止，全球BIM建模軟件有70款之多，常用的有25款。[4]

圖1-2　CAD軟件面向的領域

建築設計CAD軟件的最早發展，得益於美國對於建築標準化的推進，使得面向建築、工程設計和施工的軟件快速發展。美國鷹圖軟件公司（Intergraph）在該領域的建樹，最早是由美國一個城市建立數字地理空間的項目而形成。歐特克公司推動建立了國際互操作聯盟，將美軍的軍用裝備設計格式標準STEP引入建築設計領域，並力推BuildingSmart格式標準。這似乎是一種全球建築設計軟件格式標準的新霸權，歐洲市場對此反應激烈。德國的Nemetschek集團並購了匈牙利Grahpisoft公司的ArchiCAD軟件，一直以來都是Revit軟件的競爭對手。Nemetschek集團經歷了大量的並購發展，最終建立了與美國相抗衡的開放建築信息模型（OpenBIM）體系。這段爭鬥的歷史，反映了歐洲對美國在建築設計軟件格式標準上的壟斷所具有的高度警惕性。德國這家建築設計軟件巨頭，旗下如今已經累積了16個BIM軟件品牌，其中ArchiCAD名氣最大，並在中國建築設計方面具有很大優勢。一點都不意外的是，這款BIM軟件最早是由一批匈牙利的建築師與數學家一起合作開發的。後文我們將看到，軟件的起源，總是與數學有很好的綁定。

每個軟件都會有自己的獨特定位。比利時的BricsCAD軟件以輕巧取勝（已被海克斯康公司收購）。芬蘭的Tekla則是一家從事專業鋼結構軟件研發的公司，對各種鋼結構的設計與制造有著豐富的經驗。這種基於鋼結構深層次的研發能力而形成特色，也使得它可以在BIM市場找到自己的一席之地。達索系統的BIM，雖然是後起之秀，但也找到了一種進入市場的方法。普通BIM的顆粒度不會太精細，而達索系統基於Catia內核所開發的BIM軟件，將顆粒度進一步細化，進入了可以制造的層面，在特別復雜的建築中可占據一席之地，如助力將北京大興國際機場建設成為一個人居體驗的藝術品。大興機場的頂部大雙曲玻璃有8 000多塊，每一張都是獨一無二的。達索系統的BIM軟件能貫穿到底，從前端設計到後面的生產施工可以自動切換，驅動彎管機或切割機直接加工出料件。

基於原有機械CAD軟件內核開發的BIM軟件，整體而言在市場上是勝少敗多，它們往往被用於特殊的場合。鏗利科技（Gehry Technologies）基於Catia進行二次開發而形成的行業應用Digital Project，發展成了建築設計輕量化SaaS（軟件即服務）端應用。在2014年，這家公司被美國天寶公司（Trimble）收購。作為全球最有名的高精度衛星導航定位系統商，天寶公司在工程機械領域被廣為熟知。它建立了工地建築的標桿導航系統，全球第一大工程機械商卡特彼勒公司持有它的股份。天寶公司收購谷歌旗下的數字地圖設計軟件SketchUp，則加強了它對工地現場的幾何造型能力。作為地理信息系統（GIS）的佼佼者，天寶在地理環境建模與施工機械導航之間形成了一體化的數據連通。從近年來的布局看，這也是它進入工業物聯網領域的關鍵戰略之一。

依托建設管理部門對於標準的要求，中國面向建築、工程設計和施工的軟件也有了較快發展。盡管在BIM的核心建模軟件方面仍然落後，但在其他方面也算是有所斬獲，如構力科技（PKPM）、盈建科、廣聯達、品茗、蘇州浩辰、博超等公司的軟件。面向結構分析的PKPM軟件，源自中國建築科學研究院，借助於“863計劃”的工程三維設計系統的課題而研發成功，一度占據勘察設計院90%左右的市場。後來該軟件的主要開發人在離職後創建了盈建科軟件公司，在土木工程結構設計軟件市場中迅速崛起，並於2021年初在深圳證券交易所成功上市。

在工廠設計方面，位於鄭州的機械工業第六設計研究院一度有著很好的發展機會。其開發的工廠設計的JJ軟件包，在20世紀90年代非常活躍。它收集了當時幾乎所有機床廠家的設備數據庫，其中包含很多工藝軟件計算包，可以進行工藝流、幹涉性分析、計算負荷等。可惜的是，與當時很多冉冉興起的國產軟件一樣，它慢慢失去了更新的能力。這再一次表明軟件的特點，即它是一個慢步長跑的事業。就算是能夠靠集中攻關得到它，如果後續沒有持續更新能力，它仍不會有前景。軟件，需要持續地使用，常用才會常新。

在工程造價預算方面，中國的軟件有著獨特的優勢。除了魯班軟件公司之外，廣聯達科技公司也表現突出，呈現了類似國外成熟軟件公司所具有的特性，那就是對並購的偏愛。廣聯達科技公司最新的一次收購，是在2020年以4.08億元現金收購了以設備模型見長、建立在Revit平臺基礎上的洛陽鴻業軟件。作為新興的地理信息系統與電網信息模型（GIM）的結合，主打輕量化的上海葛蘭岱爾近來也嶄露頭角。可以說，在中國工業軟件中，面向AEC的軟件算是跟隨國外品牌跑得最接近、咬得最緊的一個領域。

在建築、工程設計和施工（AEC）之外，工廠的設計，尤其是石油化工、電力和海事（PPM）等領域的基礎設施設計，屬於非常專業的範疇。建築、工程設計和施工行業的供電、通風、土建以及給排水等設計，在石化、電力和海事等領域卻只是一個開始。例如，在石化、電力、制藥等行業，需要裝備無數個大塊頭的反應釜和彎彎曲曲的管道，因此安全、控制都非常重要。於是，面向工廠設計的軟件，就成為一個獨立的分支。這其中的佼佼者包括AVEVA的工廠設計軟件PDMS，以及美國鷹圖軟件（已經被海克斯康公司收購）。與面向AEC的軟件更偏重於土建相比，面向PPM的工廠設計類軟件更重視工藝流程走向、設備與管道的布置，以及各類設備與管道之間的碰撞幹涉檢查與處理等。

AVEVA公司最早起步於20世紀60年代英國劍橋大學CAD中心的項目，這也證明了英國大學與CAD軟件、CAM軟件的廣泛聯系。政府撥款的軟件項目在結束之後孵化出商業軟件，這是相當常見的發展路徑。AVEVA公司軟件的發展與機械CAD軟件的發展，一開始並無差別。二者直到1977年才開始變得迥然不同。這一年，工廠設計管理系統軟件成為一個劃時代的產品。更準確地說，它開創了一個全新的軟件分支。然而，這樣的創新成果，在商業化的過程中還需要與另外兩家美國企業分享。

美國鷹圖（Intergraph）和本特利（Bentley MicroStation）是一對天生的冤家。鷹圖公司有著CAD軟件活化石的聲譽，它是20世紀80年代的五大CAD軟件廠商之一，其他四家都隨著硬件產品與軟件的分離而消失或者被收購。鷹圖最早是從事印刷電路板（PCB）設計，後來借美國城市的地理數據化項目進入AEC領域。1981年，它與一家工程公司合作開發出工廠設計管理系統，並使之成為業內的一個常青樹產品。

本特利是一個與之平行交織的故事。鷹圖公司當時最重要的一個客戶是杜邦化工公司，基思·本特利（Keith Bentley）正是天天使用這個軟件的杜邦工程師。也許是感覺這樣一個軟件過於復雜，於是他自行重新開發了輕靈版的廠房設計軟件，並成立了本特利公司。該公司推出的MicroStation低成本部署方案廣受歡迎。鷹圖甚至投資本特利公司，並一度成為後者重要的銷售渠道。在軟件發展歷史上，低成本一向是促使行業產生變局的重要標誌，MicroStation很快就抓住了個人計算機開始普及的機會，從小型機市場果斷撤出，進入了個人機市場。[5]與Autodesk、PTC、SolidWorks等機械CAD軟件抓住了硬件變遷的浪潮一樣，MicroStation也獲得了時代對於創新者的嘉獎。經過復雜的變遷，它與鷹圖發展成為最主要的競爭對手。再加上AVEVA，它們基本成為流程、電力、造船等行業最重要的三個工廠設計軟件玩家。但時代進化也會產生裂痕，猛龍也會被吞噬。鷹圖公司在輝煌時期經歷了與英特爾公司復雜的官司訴訟，加上戰略判斷失誤，開始走下坡路，在2006年被投資公司並購，並在四年後加入三維坐標測量公司瑞典海克斯康的旗下。AVEVA則在2018年被施耐德電氣反向收購。至今，這三家公司之中，只有本特利保持了獨立的發展。

鷹圖在後期也一度在電子設計自動化（EDA）領域進行耕耘，並最終將相關部門賣給了當前依然活躍的三大EDA軟件商之一的楷登電子（Cadence）。這給人一種印象，一個集成電路板，似乎就是另外一座龐雜的建築而已。其中布滿各種微弱電流往返的超微通道，與北京、上海等城市的道路似乎並無不同。這種視角，能讓我們更好地理解，為何工業軟件一定是強大制造底層的基石。即使從同一個點出發，工業軟件也有很多指向。鷹圖公司不僅僅開發了廠房設計、電子設計自動化軟件，在機械CAD軟件市場也大有斬獲。值得一提的是，這家公司是中端三維CAD軟件Solid Edge的創立者。該軟件現在成為西門子公司旗下的產品，品牌依然活躍。

需要考慮行業特性的管道設計軟件，到後來都發展成為綜合性的工廠設計軟件。大量工藝和設備的知識，進入了工廠設計軟件。世界變得復雜了，軟件也同步跟進。人們看待世界的顆粒度，可以由軟件固化。無論是精細的生物結構，還是宏大的宇宙空間，軟件都能用伸縮自如的尺寸予以呈現。工廠設計，涉及廠房、機器、管道，需要實現智能建造。如果希望工廠建好之後，管道裏的液體流動與想象中一樣的安全穩健，那麽就需要在實際安裝之前，洞察管道液體流動的物理和化學機理。從設計師的想象到現場工人的操作是跨越時間和空間握手，只有軟件才能完成這樣的穿越和連接。造物者，起於心、成於手，只有軟件才能實現在工程中精確地復制創意，一遍又一遍卻不走樣。

國內這方面的軟件，與機械CAD軟件有些類似，在設計端相對較弱，較難進入設計院。這個市場基本被前面提到的幾個品牌產品所壟斷。

但也有新的機會出現。數字化交付，讓這個市場重起波瀾。以前的設計、施工方、主機廠等都是各管一方，前後跨度很長時間，又經過多方交接，最終業主接手的時候，一切都是以文檔作為交付物。當設計院完成工藝設計和工廠模型設計之後，軟件工具設計的三維數字化空間，重新降級，以圖紙文檔的方式，進入建造方。在多種現場的更改（往往也不再通知設計院）之後，整套資料以卡車為單位，一卡車一卡車交到運營方手中。這中間涉及大量的數據斷點，成為石化行業最頭痛的“數據黑洞”。

這給國內一些做模型重構的軟件公司如達美盛、中科輔龍、圖為、綏通等，留下了重新打穿數據通道的機會。如果能夠建立一個數字化集成平臺，將設計、采購、施工、調試等階段產生的數據、資料、模型，都以標準數據格式提交給業主，將是一種完美的交付方式。這就是工廠的數字化交付。達美盛軟件公司采用了構建數字流道的方式，從最初的源頭開始規範數據的形態，並且將工程建設過程中產生的對工廠運維有用的信息（三維模型、文檔、數據、圖片、音頻等）收集起來，並建立彼此之間的關系，方便業主用戶在運營期間使用。

數字化交付平臺是一個數據容器，它讓業主建立起駕馭項目早期的能力——這塊能力以前往往並不完整。借助於數字化交付平臺，業主建立跟設計院對等的數字化工具能力，接收最早的3D模型和設計意圖。設計院和工程公司，則需要提供合乎標準、有一定深度的3D模型。對於施工方而言，數字化交付平臺可以與項目管理軟件連接，保存了施工現場的細枝末節——很多更改操作對後來的運營至關重要。至於設備方主機廠，則可以提供設備參數、運行工況等。即使是試運行的試驗數據，也會提交到平臺上。在數字化工廠應用中，工業軟件還可以將運維實現三維可視化，將人員定位、現場傳感器數據、控制系統等都快速接入系統，並連入中控室。工業現場的數據被激活，信息流變得透明起來。

做數字化交付平臺的這些企業有一個共同的特點，那就是對設備特性和建模非常熟悉，對數據的格式轉換也有很好的駕馭能力。畢竟，就像在手術室縫合傷口一樣，對數據工藝特性的了解，決定了數據連接的精度。

在中國基礎設施建設狂飆猛進的背後，有一個國內市場特有的三邊工程現象，即邊設計、邊采購、邊施工。三邊工程雖然備受爭議，卻屢見不鮮。這一方面與工期計劃安排過緊有關系，另一方面也是與信息流通不暢有關。數字化技術，正在扭轉這樣的局面。那些被切斷的數據，正在被重新連接。

當前，石油化工、煤化工等行業都正在嘗試推進工廠資產管理，設備數字孿生的建立是首當其沖的任務。它往往需要以工藝特性為基礎，建立高保真的物理模型。在這背後，正是依靠數字化交付作為一個全生命周期的支撐。

長江從青藏高原唐古拉山脈出發，一路向東，奔向大海。可以有分叉，可以有快有慢，但不曾中斷。這似乎是一個數字化企業的數據流的隱喻。數據流就像是長江，從設計源頭，一直到最後業務期，不曾中斷。數字化交付正在成為這條河流的河床，數據由此能前後連接，這讓人們重新找到了對抗數據黑洞的希望。

工業軟件，總是隱藏得很深。宏偉的廠房，令人仰視。背後的工業軟件，經常被一筆帶過，甚至無人知曉，但它卻是人類知識最好的傳承。造物者的本意，由軟件實現了精準復制。

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