工业软件的内涵和发展趋势
2021-08-03 来源： 数字化企业
工业软件是计算机科学、数学、物理学和管理学等各领域科学技术蓬勃发展与交叉融合的产物。
「 1.工业应用软件的内涵 」
工业软件主要包括工业应用软件和嵌入式工业软件。工业应用软件主要分三大类，包含范畴如图1所示。
图1 工业应用软件包含的范畴
（1）产品创新数字化软件领域：支持工业企业进行研发创新的工具类和平台类软件。具体包括：计算机辅助设计（CAD，主要包括计算机辅助机械MCAD和电气设计ECAD）、工程仿真（CAE）、计算机辅助制造（CAM，主要指数控编程软件）、计算机辅助工艺规划（CAPP）、电子设计自动化（EDA）、数字化制造（digital manufacturing）、产品数据管理/产品全生命周期管理（PDM/PLM，涵盖了产品研发与制造、产品使用和报废回收再利用三个阶段），以及相关的专用软件。例如公差分析、软件代码管理或应用生命周期管理（CASE/ALM）、大修维护管理（MRO）、三维浏览器、试验数据管理、设计成本管理、设计质量管理、三维模型检查、可制造性分析等。AEC行业（建筑与施工行业）也广泛应用CAD、CAE软件。CAD软件还包括工厂设计、船舶设计，以及焊接CAD、模具设计等专用软件，CAD软件经历了从二维工程图甩图板，到转向三维特征建模，进而实现基于模型的产品定义（model based definition，MBD）的过程。数字化制造主要包括工厂的设备布局仿真、物流仿真、人因工程仿真等功能。CAE软件包含的门类很多，可以从多个维度进行划分，主要包括运动仿真、结构仿真、动力学仿真、流体力学仿真、热力学仿真、电磁场仿真、工艺仿真（涵盖铸造、注塑、焊接、增材制造、复合材料等多种制造工艺）、振动仿真、碰撞仿真、疲劳仿真、声学仿真、爆炸仿真等，以及设计优化、拓扑优化、多物理场仿真等软件，另外还有仿真数据、仿真流程和仿真知识管理软件。近年来，在三维建模技术、三维可视化技术、虚拟仿真技术和工业物联网技术的发展与交叉融合的背景下，数字孪生技术（digital twin）应运而生，成为当前学术界和工业界关注的热点。创成式设计（genrative design）则因引入全新的设计方式，融合人工智能技术，也成为了业界关注的热点。
（2）管理软件领域：支持企业业务运营的各类管理软件。具体包括：企业资源计划（ERP）、制造执行系统（MES）、客户关系管理（CRM）、供应链管理（SCM）、供应商关系管理（SRM）、企业资产管理（EAM）、人力资产管理（HCM）、商业智能（BI）、高级计划与排程/先进生产排程（APS）、质量管理系统（QMS）、项目管理（PM）、能源管理（EMS）、主数据管理（MDM）、实验室管理（LIMS）、业务流程管理（BPM）、协同办公与企业门户等。ERP是从物料需求计划（MRP）、制造资源计划（MRPII）发展起来的。CRM、HCM、BI、PM、协同办公和企业门户应用于各行各业，但工业企业对这些系统有特定的功能需求。例如，人力资产管理具体包括人力资源管理、人才管理和劳动力管理，其中，工业企业对劳动力管理有特定需求。随着移动通信技术的普及，越来越多的管理软件支持手机APP、基于角色分配权限、集成位置信息，能够将相关信息推送到不同类型的用户。
（3）工控软件领域：支持对设备和自动化产线进行管控、数据采集和安全运行的软件。具体包括：先进过程控制（APC）、集散控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）、数据采集与监视控制系统（SCADA）、组态软件、分布式数控与机器数据采集（DNC/MDC），以及工业网络安全软件等。其中，DCS、PLC和SCADA的控制软件与硬件设备紧密集成，是工业物联网应用的基础。
工业应用软件的特质是包含复杂的算法和逻辑、融合工程实践的Know-how、与硬件系统和设备集成、具有鲜明的行业特点、能够满足客户的个性化需求、提供二次开发平台、实现端到端的集成应用才能发挥预期价值等。因此，很多工业软件企业将软件进行配置，形成行业解决方案，以便缩短实施与交付周期。
「 2.工业软件的发展趋势 」
工业软件具有鲜明的行业特质，不同行业、不同生产模式、不同产品类型的制造企业，对工业软件的需求差异很大。因此，工业软件需要很强的可配置性，并具备二次开发的能力。工业软件蕴含着业务流程和工艺流程，包含诸多算法，因此，需要结合企业的实际需求进行实施和落地。制造企业需要应用的工业软件类型众多，要取得实效，需要实现工业软件的集成，构建集成平台。
工业软件正在从以下7个方面进行演进：
1）工业软件正在重塑制造业
工业软件的重要程度不断提升，软件成为体现产品差异化的关键。例如，70%的汽车创新来自汽车电子，而60%的汽车电子创新属于软件创新；智能手机的核心差异化主要体现在操作系统和应用软件，直接影响用户体验。另外，工业互联网的应用也涉及到诸多工业软件，为工业设备插上了智慧的翅膀。
“软件定义”成为业界共识，如软件定义的产品、软件定义的机器（图2）、软件定义的数据中心、软件定义的网络，软件定义的业务流程，数据驱动智能决策等。对工业软件的开发与应用效果和掌控程度，已成为制造企业体现差异化竞争优势的关键。工业软件的应用贯穿企业的整个价值链，从研发、工艺、采购、制造、营销、物流供应链到服务，打通数字主线（digital thread）；从车间层的生产控制到企业运营，再到决策，建立产品、设备、产线到工厂的数字孪生模型（digital twin）；从企业内部到外部，实现与客户、供应商和合作伙伴的互联和供应链协同，企业所有的经营活动都离不开工业软件的全面应用。因此，工业软件正在重塑制造业，成为制造业的数字神经系统。
图2 软件定义的机器（来源：GE）
2）工业软件的应用模式走向云端和设备端
工业软件的应用模式已经从单机应用、客户端/服务器（C/S）、浏览器/服务器（B/S），逐渐发展到走向云端部署和边缘端部署（嵌入式软件）。早期的工业软件是基于PC的单机应用，很多软件带有“加密狗”。后来，软件应用出现了网络版。ERP、SCM等管理软件的应用是基于C/S的应用模式，需要在客户机和服务器都安装软件，在服务器安装数据库。随着互联网的兴起，越来越多的工业软件转向B/S架构，不再需要在客户端安装软件，直接在浏览器上输入网址即可登录，这使得软件升级和迁移变得更加便捷。服务器虚拟化、桌面虚拟化等技术则可以帮助企业更好地利用服务器资源。
此外，很多智能装备，例如无线通信基站和程控交换机内部，部署了诸多嵌入式的控制、检测、计算、通讯等软件。近年来，设备端的边缘计算能力迅速增强，一些原来PC上部署的软件也移植到设备端，实现边缘计算，更高效地进行数据处理和分析。
3）工业软件的部署方式从企业内部转移到外部
工业软件的部署模式从企业内部部署（on premise）转向私有云、公有云以及混合云。云计算技术的发展，使得企业可以更高效、安全地管理自己的计算能力和存储资源，建立私有云平台；中小企业可以直接应用公有云服务，不再自行维护服务器；大型企业则可以将涉及关键业务和数据的应用系统放在私有云，而将其他面向客户、供应商及合作伙伴，以及安全级别要求不高的应用系统放在外部的数据中心，实现混合云应用。
国外管理软件公司纷纷加速向云部署转型，并购基于公有云的应用系统。向云服务转型，成为众多管理软件公司最大的增长点。如Salesforce提供完全基于公有云的CRM系统，取得了巨大的成功；原SolidWorks创业团队创建的Onshape（图3）是一个完全基于公有云的三维CAD系统，可以在任何终端进行三维设计，方便地进行协作，已累计获得1.69亿美元的融资，2019年被PTC公司以4.7亿美元并购；甲骨文公司已提供支持多租户的数据库，能够确保运行在公有云平台的应用系统能够彼此独立。另外，已有很多软件公司支持软件的灵活部署，可以在On Premise、私有云、公有云和混合云的模式之间动态调整。
随着云应用的不断深入，越来越多的企业用户开始接受基于公有云的部署方式，将复杂的IT运维工作交给大型的互联网IT公司，例如亚马逊云（AWS）、微软Azure云平台等，其最大的优势是管理专业且方便。我国的阿里云、华为云、腾讯云、京东云以及三大电信运营商也都提供了多种形式的云服务。有的公司还推出了托管服务（managed service），帮助制造企业管理部署在企业内部的应用系统。
图3 完全基于公有云平台的三维设计软件Onshape
4）工具类软件从销售许可证转向订阅模式
工具类软件的销售方式从销售许可证（license）转向订阅模式（subscription）。例如，Autodesk公司的CAD软件已经不再销售License，只支持订阅方式；PTC的Creo软件也在大力转向订阅模式。订阅模式的软件并不一定都是基于云部署，可以仍然是在企业内部安装，但是通过订阅模式定期获得授权密码。
订阅模式是一种对于用户企业和软件公司而言双赢的模式。用户企业可以根据应用需求，灵活地增减用户数，还可以即时获得最新的软件版本。而对于软件公司，则可以确保用户产生持续的现金流。虽然当期某个用户企业带来的收入可能减少，但是几年下来，订阅服务的收入通常会超过销售固定License的营收。同时，由于用户企业已经产生了大量数据，也不可能轻易更换软件。正因为如此，有的软件企业在向订阅模式转型的过程中，尽管有几年时间营业收入下降，甚至出现亏损，但股票价格却反而节节攀升。
5）工业软件走向平台化、组件化，解构为工业APP
工业软件的架构从紧耦合转向松耦合，呈现出组件化、平台化、服务化，PaaS+SaaS的特点。早期的工业软件是固化的整体，牵一发动全身，修改起来很麻烦。后来出现了面向对象的开发语言，进而产生了面向服务的架构（SOA），软件的功能模块演化为Web Service组件，通过对组件进行配置，将多个组件连接起来，完成业务功能。
互联网的浪潮催生了应用服务提供商（application service provider，ASP），后来演化为SaaS服务。然而，单纯将软件服务化并不能满足企业客户差异化的需求，只有将软件开发的平台也迁移到互联网平台，才能授之以渔。PaaS平台是否强大，成为工业软件能否向云模式成功转型的关键。
近年来，又出现了微服务架构，每个微服务可以用不同的开发工具开发，独立进行运行和维护，通过轻量化的通信机制将微服务组合起来，完成特定功能。管理软件，尤其是电商平台在前台和后台之间，增加了中台系统，以便能够及时处理海量的并发需求和数据。
工业软件正在解构为运行于工业云平台或者工业互联网平台上的工业APP（其参考模型见图4），可以实现即插即用，操作简便易用，随需而变。工业APP蕴含了工业技术和Know-how。随着工业PaaS的标准不断完善，不同企业开发的工业APP将可以实现互操作，从而催生工业APP Store，方便地进行交易和应用。
图4 工业APP参考模型（来源：工业互联网APP白皮书，工业技术软件化联盟，2018.4）
6）工业软件的开发环境转向开放、开源
工业软件的开发环境已从封闭、专用的平台走向开放和开源的平台。Linux操作系统的广泛应用显著降低了企业的IT成本；Java以其跨平台应用的特点，得到了工业软件开发商的青睐；在人工智能领域，Google推出了Tensorflow开源引擎，使得企业可以快速开展相关应用；智能机器人领域的开源操作系统ROS，使得IT专家能够快速开发机器人应用；ARM公司发布了开源的物联网操作系统Mbed OS。在CAD软件领域，Intellicad Technology Consortium（ITC组织）提供了一个类似AutoCAD的CAD开源平台，也在全球吸引了很多软件开发商。
7）工业软件的运行平台从PC转向移动端
工业软件的运行平台从以PC为主，走向支持多种移动操作系统（安卓、苹果、微信小程序等）。如果要开发支持多个移动操作系统的APP，对于工业软件开发商而言，无疑需要并行维护多套系统。因此，很多工业软件开发商选择了基于HTML5来开发适应Windows和多种移动操作系统的软件。
引自：《智能制造实践指南》（作者：黄培，许之颖，张荷芳）
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