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第一章 软件定义工业新基础

第一十一节 工业软件产业现状、发展趋势与我国基础分析

中国信息通信研究院两化融合与智能制造研究所 蒋昕昊 张冠男


        随着智能制造、工业4.0和工业互联网等新一轮工业革命的兴起,新技术与传统制造的结合催生了大量新型应用,工业软件也开始结合大数据、虚拟现实、人工智能等先进技术,在研发设计、生产制造、服务管理和维护反馈等工业各环节中凸显出更重要的作用。我国工业软件厂商应当把握新技术新市场带来的机遇,弥补软件技术短板,找准定位,实现产业的升级与壮大。

1.工业软件现状和发展趋势

        1.1工业软件范围、特征与产品体系
        工业软件是指主要用于或专用于工业领域,为提高工业研发设计、业务管理、生产调度和过程控制水平的相关软件与系统。新型工业软件承担着对各类工业数据进行处理、分析和应用的重要功能,是智能制造和工业互联网体系中负责优化、仿真、呈现、决策等关键职能的主要组成部分。
        制造行业在信息化发展初始,工业软件就扮演了不可或缺的重要角色,新型工业软件区别于通用的应用软件,主要具备五大特征:
        一是与行业结合紧密,相对于其他应用软件,更加强调对物理世界的深刻理解,行业物理模型的精确契合;
        二是继承性强,与IT通用软件相比,需行业经验和长期积累,专业性强,应用面较窄,这就要求好的工业软件必须由专业团队多年工作研发,并不断继承完善;
        三是可靠性高,工业软件与制造业的生产过程和机器设备结合,涉及流程复杂,需要高可靠性保证过程与动作的正确性;
        四是开发要求高,工业软产品对开发、集成、管理要求十分严密,需监控软件全生命周期,包括软件开发的全过程;
        五是研发难度大,工业软件的开发工作量巨大,需不断积累完善,对开发人员的IT技能水平与工业专业水平要求均较高。
        伴随着信息化的进程,工业软件产品体系发展逐渐成熟,按照功能分类主要包括研发设计类、业务管理类、生产调度和过程控制类、专业功能类四类软件(如图1)。

工业软件产品分类

图1 工业软件产品分类

        研发设计类软件主要包括计算机辅助设计(CAD:Computer Aided Design)、计算机辅助工程(CAE:Computer Aided Engineering)、计算机辅助工艺过程设计(CAPP:Computer Aided Process Planning)、计算机辅助制造(CAM:Computer Aided Manufacturing)、产品全生命周期管理(PLM:Product Lifecycle Management)等;业务管理类软件包括企业资源计划(ERP:Enterprise Resource Planning)、供应链管理(SCM:Supply Chain Management)、客户关系管理(CRM:Customer Relationship Management)、电子商务等;生产调度和过程控制类主要包括制造执行系统(MES:Manufacturing Execution System)、高级计划排产系统(APS:Advanced Planning and Scheduling System)等;专业功能类软件包含新型工业仿真软件、工业监测软件、工业数据管理平台与行业定制软件等。
        1.2 工业软件的市场与产业现状
        在制造行业和工业企业的不同发展阶段,对工业软件的功能和技术需求也会出现差异,这就导致了每一类工业软件在产业发展中呈现较大差异。根据Gartner统计,从2011年以来,全球工业软件市场规模每年保持约6%的速度增长(如图2)。

各类工业软件市场规模与增速

图2 各类工业软件市场规模与增速

        研发设计类软件重要性提升。制造企业在产品生命周期各阶段对仿真软件的应用增多,CAE软件在制造业各领域的应用日益广泛,保持8%左右的增速。
        传统管理软件稳步增长。管理软件市场进入成熟期,规模保持平稳上升,增长速度开始缓慢下降;ERP等相对成熟的市场加快转向按需付费的软件服务模式,一定程度上影响了行业收入的增长速度。
        生产管理、客户与供应链管理类软件迅速发展。生产管理类软件市场空间广阔,MES软件成为智能工厂多个环节数据交换的核心;全球MES软件的规模达到78亿美元,维持17%左右的高增长率。而客户管理和供应链管理软件高速增长,反映出制造企业顺应“网络化协同制造”的要求,更加重视与消费者和产业链的信息交流。
        从产业格局来看,目前全球工业软件产业主要由欧美企业主导,呈现出“两极多强”的态势,SAP、Siemens在多个领域均展露的头角,而IBM、达索系统和Salesforce.com在各自专业领域形成了一定优势。其中,ERP软件产业格局相对稳定,SAP和Oracle两家企业占据主导,属于一线ERP软件,Infro、Sage、Microsoft属于二线ERP软件;CRM领域中,Salesforce占据全球CRM市场第一位,且发展迅速,其成功来自基于SaaS的云服务模式;CAD产业的主导者是Autodesk和达索系统,且随着仿真、设计技术与先进技术的结合,逐渐出现新的参与者;MES软件具有较强的行业应用特性,与特定的行业关系紧密,需要大量的行业领域知识积累,因此,形成不同MES厂家占据不同行业的局面。
        在国内市场,国产软件企业在研发设计、业务管理和生产调度/过程控制三类软件中均有一定市场份额,但在某些细分领域仍与国外领先软件企业差距较大,属于行业末端跟随者的角色。国内市场排名前五的国内厂商占据整体市场份额较低,且其96%的销售在国内市场,全球份额不足0.3%(如图3)。CAD软件方面,达索、西门子PLM和Vero占据41%市场份额,国内3D CAD市场主要由外资企业掌控,软件核心技术几何内核国内仅有一家企业具有知识产权,其他企业均采用“授权”经营方式。

国内工业软件市场排名

图3 国内工业软件市场排名

        1.3 工业软件技术发展趋势
        在智能制造、工业互联网等先进制造体系中,工业软件主要承担计算与分析功能,其产业体系较为成熟,未来新型工业软件将向仿真化、大数据化、集成化和云化的方向发展。
        仿真软件将成为新型工业软件未来发展重点,复杂系统仿真成为重要方向。得益于计算处理、数据支持、图形化等基础支撑技术的持续提升,面向多相多态介质、多物理场、多尺度等复杂耦合仿真的新型工业软件日渐丰富,其实现形式主要有两种:一是通过开放的数据接口标准进行多仿真系统耦合的联合仿真,如法国达索系统公司推出Dymola仿真平台,基于FMI/FMU接口联合AMESim、PROOSIS、Simulink等十几种不同建模工具和机电分系统进行仿真;二是通过增加仿真模块,通过单系统实现多领域仿真,从而扩展工业仿真软件应用领域。
        新型工业软件引入大数据等先进技术应用,加强分析与计算能力。企业管理和生产管理等传统工业软件与大数据技术结合,通过对设备、用户、市场等数据的分析,提升场景可视化能力,实现对用户行为和市场需求的预测和判断;大数据与工业具体需求结合产生新型工业数据分析软件,实现了产品良率监测、设备预测性维护管理、产线动态排产等多种工业智能化场景应用。
        工业软件系统将以PLM等关键软件为中心集成化,推动工厂内“信息孤岛”聚合为“信息大陆”。传统工业软件以ERP为中心进行数据打通,未来新型工业软件将基于全生命周期管理软件PLM进行系统性集成,如西门子打造了基于PLM架构的全集成数字能力解决方案,其PLM产品可实现外部设计工具、分散研发团队、MES与控制系统、第三方管理软件等多系统的集成,实现工厂从底层到上层的信息贯通。
        基于SaaS模式的工业软件成为重要趋势,但主要面向中低端产品。当前向云平台迁移的工业软件主要为CRM和SCM两种,未来企业管理软件与设计仿真软件将加速向云迁移,其中ERP由于包含大量敏感本地数据将以混合云为主要形式,CAD/CAE/CAM/CAPP将率先探索中低端SaaS云服务市场,MES云化方案尚处在起步探索阶段。

2.我国工业软件发展面临的问题与挑战

        2.1 我国工业软件发展面临的整体问题
        工业软件领域根植于整体软件产业,工业软件产业的强大,不仅需要过硬的IT产业基础支撑,更需要进行长久的工业经验积累和融合。我国软件产业整体实力不强,但部分国内软件企业已经开始着手布局工业软件,重点面向特色行业和云端应用,打造核心产品。如北京数码大方(CAXA)依托工业云,重点面向装备、汽车、电子和航天航空,提供全系列的CAD和PLM解决方案,目前已成为国产第一大CAD/PLM供应商;和利时作为最大国产生产过程控制软件厂商,推出HOLLiAS工业控制云应用,提供资产管理和运营优化类解决方案,推动其工业软件产品在能源、电力、化工领域继续实现快速增长。
        同时,我们应该认识到,我国工业软件发展过程中仍然面临较多的问题和挑战,需要引起重视。
        (1)我国工业软件在关键技术、工业需求结合方面与国外产品存在较大差距。部分工业软件的核心算法尚未掌握,如CAD的几何内核算法和CAE有限次元算法,国内软件企业仍需通过授权经营或整体购买方式进行使用;二是与工业应用需求结合不紧密,国产工业软件多为标准化通用型产品,对产品定制和二次开发的相关经验积累不足,难以满足复杂多变的工业实际业务与特定场景需求。
        (2)我国工业软件市场成熟度较低,企业竞争力不强。当前我国软件企业整体不强,软件产品多集中在OA、CRM等门槛较低的软件类型,而国外产品在MES、ERP、PLM等主流工业软件市场上占据主导,稳定性与可用性均强于国内产品。同时,国内工业软件产品虽然价格较低,但是性能参差不齐,与其他厂商软件的兼容性较差,持续服务水平无法保证,市场对国内产品的信心和认可程度总体偏弱。
        (3)我国工业软件产业价值链仍不完善,新兴产业环节主体缺失。由于市场环境不够完善、关键技术存在差距等原因,我国工业软件产业链缺少高技术附加值的增值服务供应商,如结合信息技术与行业需求的行业应用服务商、工程技术咨询服务商等。同时,一些新兴的产业环节国内企业限于多方面考虑尚未进行有效布局,如工业整体数字解决方案、工业数据分析应用系统、工业大数据平台等。
        (4)我国工业软件复合型人才稀缺。工业软件的研发和应用需要大量既懂信息技术又懂工业技术,并且具有有一定企业管理知识的复合型人才,成材率低、培养难度大导致工业软件人才大量缺口。同时,当前受经济等各方面因素影响,人力成本上升较快,软件企业人力成本支出压力日益增大。国外软件企业加快在华布局,也使得国内各企业间争夺人才的现象更加激烈,许多国内企业依靠实施工业软件项目培养出的工业软件人才流失严重。
        (5)工业软件知识产权保护滞后。工业软件的主要用户是企业用户,部分中小型工业企业为了节省资金而选择盗版软件或是放任员工使用盗版软件,且由于工业软件与生产过程的紧耦合性,盗版软件带来的安全风险问题可能使整个工业企业承受严重的损失。不注重知识产权保护“免费意识”的形成,使得国内企业不愿意投巨额资金进行工业软件的研发,从此进入工业软件企业凋零的恶性循环。

3.对我国工业软件发展的对策与建议

        我国工业软件市场潜力巨大,《中国制造2025》、智能制造试点示范专项行动等一系列行动计划将促使对国内对工程软件产品的需求进一步扩大,虽然国内当前面临技术、市场、应用等多方面问题,新一轮工业革命仍然是我国工业软件产业发展不可多得的机遇,需夯实基础,补齐短板,尽快实现新一代IT技术在工业中的广泛应用。
        3.1 完善国内工业软件产业与政策环境
        建议政府部门加强工业软件顶层设计,统筹工业软件与工业云、工业大数据的发展,形成有效互补、齐头并进的体系,做好政策扶持、平台搭建、人才培养等工作。同时,立足我国相关工业与软件联盟组织,梳理国内工业软件产业现状,从技术、应用、市场、企业等多个维度进行系统性研究,针对产业薄弱环节,出台相应扶持政策与保障措施,加快推动国内工业软件体系化发展和产业化应用。
        3.2 促进软件技术与工业领域深度融合
        如果一款软件产品不能与行业工艺流程相结合,对企业的价值是十分有限的。国际CAD软件领先企业达索集团同时也是商务飞机制造行业的领导者,其航空仿真设计软件不仅性能稳定,而且符合行业特性。建议软件技术提供商加强行业需求结合,促进软件技术与工业技术深度融合,让工业软件类企业与行业龙头企业相结合,共同开发工业软件,通过联盟、论坛、会议等形式打造工业领域与软件信息领域的技术交流与需求对接平台,鼓励发展与工业领域紧密结合的定制化软件与解决方案,使工业软件产品更具有行业特性,从而赢得市场竞争力。
        3.3 加强新型工业软件的研发和推广
        新一轮工业革命带来了新技术应用的爆发,建议产业方面重点关注大数据、云计算、人工智能等新一代信息通信技术与工业软件的结合,完善创新体制与机制,鼓励我国领先软件企业全面掌握关键技术,重点突破虚拟仿真测试、工业大数据处理、等高端工业软件核心技术,支持开发通用的三维产品设计平台、数字化工厂仿真平台等新型工业软件平台,全面推动产业链升级,加紧抢占市场优势。
 
        (本文引自《世界电信》, 2016 (2) :13-18)