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一、前言

工業軟件的發展背景是依托工業生產需求，提高研發制造、生產管理方面的綜合效益；本質上是對工業知識進行編碼，通過圖形工程將工業生產知識封裝在軟件中，為工業生產提供服務。在信息技術快速發展的當今時代，受工業互聯網[1,2]、云計算[3]、人工智能[4]、智能制造[5]、大數據[6]等新興技術的影響，工業企業在成本控制[7,8]、效率提升[9]、跨企業/跨專業協作[10]等方面的需求顯著增加。相應地，工業軟件不僅是工業企業運營的能力依托，也表現為支撐產業發展和創新的基礎工具。工業軟件可分為數字化設計（又稱研發設計）、生產制造、經營管理、運維服務等主要類型，是現代化工業水平的集中體現、先進技術融合的產物，具有發展歷程久、研發成本高、成功經驗難復制等特征。工業軟件處于工業制造的中游位置，連接著硬件設備、操作系統等上游產業環節，航空、航天、航海、汽車等下游應用領域，發揮著“樞紐”作用。值得指出的是，數字化設計類軟件在工業軟件產業中處于關鍵位置，是實現工業產品制造的“第一步”，直接影響產品的后續流程[11]；主要分為計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助制造（CAM）、電子設計自動化（EDA）、計算機輔助工藝過程（CAPP）、產品生命周期管理（PLM）等類別。然而，《中國工業軟件產業白皮書（2020）》指出，在2018年世界CAD、CAE軟件市場中，我國相應市場規模占比僅為8.5%、9%；理性判斷，我國在數字化設計類工業軟件方向落后國際先進水平20~30年。近年來，科技領域的貿易壁壘有所增強，航空、航天、航海裝備研發所采用的高端數字化設計類工業軟件多數為國外引進，不利于自主創新發展進程[4]，潛在的“卡脖子”風險不容忽視。本文著眼智能制造實際需求、多學科交叉及融合、產業安全發展，凝練數字化設計類工業軟件的的重要價值；進而梳理國內外發展現狀、剖析我國相關產業發展面臨的挑戰、提煉領域重點突破方向，提出現階段數字化設計類工業軟件的發展建議，以期辨明一條適合我國數字化設計類工業軟件行業的可持續發展路徑。

二、數字化設計類工業軟件價值分析

（一）產業安全與國家利益的基石

工業軟件是維持工業企業順暢運營的重要環節，也是我國制造業等產業受國外長臂管轄的“卡脖子”環節之一。近年來，出現了多起與工業軟件相關的技術制裁事件，波及了經濟、金融、教育、交通等方面，如針對我國特定企業的CAE、EDA類軟件禁用事件，將多家中國實體列入出口管制清單事件、一些高校被禁止使用商業數學軟件MATLAB事件等。此外，為了保障工業信息安全，防止黑客入侵、病毒擴散、系統漏洞、密碼破譯等事故的發生，亟需提升工業軟件相關的產業鏈、供應鏈安全技術。盡快開展包括工業軟件在內的關鍵核心技術攻堅，自主掌握工業軟件核心技術能力，才能更好維護產業安全和國家利益。

（二）制造業邁進工業4.0的動力

工業4.0作為以智能制造為主導的“第四次工業革命”生產方法[12]，本質是通過信息物理系統構建智能工廠，將各類工業軟件按需嵌入制造流程。CAD、CAE等復雜度高、綜合性強的數字化設計類工業軟件，事關制造業生產需要，對于制造業向智能化轉型升級起著支撐作用。發展數字化設計類工業軟件，有利于我國工業核心技術領域的自主可控，從而創造穩定可持續的工業發展環境；支持實現工業4.0帶來的諸多技術優勢，如高效應對工廠的實時信息變化、以數字化顯著提升監測效率、應用由高級電機控制的智能機器人等[13]。

（三）學科交叉與融合發展的載體

當前，我國科技領域發展面臨“瓶頸期”，打破困境的關鍵舉措之一是促進跨學科、多技術之間的融合，催生學科前沿的新發展形態。在研發數字化設計類工業軟件的過程中，需高度關注開發工具、算法、軟件工程、交互設計等方向的協同，據此弱化部分方向出現的“短板”效應。例如，為了高質量完成一款CAD軟件的自主研發，需要在企業層面培育、吸引上述提及領域的技術人才，在社會層面營造良好的科研和工程環境[14]。發展數字化設計類工業軟件，有利于促進計算機、機械工程等學科的協同發展與優化布局，也就成為多學科交叉、多領域融合的良好載體。

三、國內外工業軟件發展現狀

（一）國外工業軟件發展現狀

經過多年發展，國外工業軟件在底層開發、界面操作、云端等方面較為成熟，形成了優勢企業的技術壟斷格局（見圖1）。在上游，操作系統、開發工具、中間件主要由美國品牌主導。在中游，達索、歐特克等品牌在數字化設計類方向具有領先優勢，西門子、霍尼韋爾等品牌在生產制造類方向處于行業龍頭地位，思愛普、甲骨文等品牌在經營管理類方向占據主導位置。國外工業軟件企業及市場發展，呈現兩類主要特征：大型軟件企業持續開展并購，占據著絕大部分市場份額；中小型軟件企業發揮專業化、定制化特色，在細分市場方向占據優勢。具體而言，大型企業依靠前期的技術和資本積累，制定了實際上的行業標準，以“多方并購”形式繼續提高市場份額，如達索公司基于CATIA產品開拓市場，隨后收購SolidWorks、Abaqus、Accelrys等軟件品牌；其他企業采取了“專精特新”發展道路，以專業化、定制化的軟件服務來靈活適應市場需求。

（二）我國工業軟件發展現狀

根據工業和信息化部發布的《軟件業經濟運行情況》及相關數據統計[15]，我國工業軟件市場規模逐步擴大，以運維服務類工業軟件的占比最高；2016—2021年工業軟件產品營收從1000億元增長至近2000億元，平均增速約為16%，明顯高于同期國際市場增速（約6%）。這表明，我國工業軟件市場在規模方面進入了世界前列。根據《中國工業軟件及服務企業名錄》及相關數據，有12個省份的工業軟件企業數量超過10家（見表1）。北京、上海、廣東、江蘇等省份的企業數量超過100家，分布相對密集，但其他省份的數量明顯偏少。工業軟件企業的地域分布失衡，必然導致專業人才分布的差異化，也就加劇了各省份在工業軟件發展方面的分化現象。在經營管理類軟件方向，主要由金蝶、用友等國產品牌主導，中低端市場基本實現國產替代，高端市場的國產化率接近40%，整體進入穩定發展期。在生產制造類軟件方向，主要由中控、寶信等國產品牌占據市場；因貼近國內市場，分散控制系統、分布式數據采集和監控系統等軟件的國產化率超過50%，發展勢頭良好。在運維服務類軟件方向，華為、國電南瑞等國產品牌在市場上具有引領地位，發展前景廣闊。然而，國外品牌在我國數字化設計類工業軟件市場占據主導地位，結構設計、仿真分析等功能軟件的對外依存度超過95%，固有的技術鴻溝難以在短期內逾越。在CAD軟件方面，主要有數碼大方、中望、天河智造、浩辰等品牌；在CAE軟件方面，用于國防軍工領域的HAJIF軟件、云端CAE平臺Simright等是代表性的自主可控軟件；少數企業在CAD/CAM軟件產品中初步拓展了的結構仿真分析功能。

四、我國數字化設計類工業軟件發展面臨的挑戰

（一）前期研發投入不足，難以縮短固有差距

隨著科技領域貿易壁壘的增強，較多依賴進口的高端工業軟件面臨“斷供”風險，暴露出數字化設計類工業軟件應用“受制于人”的隱患。應當認識到，我國工業軟件行業為了實現自主創新發展，需要徹底放棄對進口軟件的“拿來主義”思想，努力實踐內生發展之路；積極爭取中長期投入，吸引社會資源參與行業發展，彌補我國自20世紀以來對軟件研發投入不足的缺口。在數字化設計類工業軟件方面，為了穩步縮短與國際領先企業近30年的發展差距，國內工業軟件公司及研發團隊需要克服難度大、周期長、前期收益低等一系列突出問題。不可忽視的是，這類問題往往導致工業軟件企業難以下定研發投入信心，疊加市場競爭的短視效應，明顯阻礙了數字化設計類工業軟件自主可控的發展進程。

（二）行業交流合作不深入，行業標準嚴重缺失

基于現階段我國工業軟件行業的發展環境，相關企業無法簡單復制“先自立門戶、再陸續收購”的發展路線。從數字化設計類工業軟件發展的整體角度看，需要聯合行業內的優勢企業以協調發展步驟/路徑，減弱“單打獨斗”的發展思想。然而，為了保護代碼等核心資產及潛在利益，相關企業之間鮮有交流合作；雖有管理部門、學術機構組織過企業參與的研討交流，但距離預期目標相差甚遠。目前，我國數字化設計類工業軟件行業事實上的標準，多由國外大型工業軟件企業主導；但國外軟件企業之間也有激烈競爭，在行業標準層面并未統一。國內用戶在使用不同企業的軟件產品時，程序/數據之間難以貫通，顯著增加了軟件使用的“壁壘”效應。尚未統一的行業標準，不利于國內相關企業發展研發、制造、運維一體化的軟件產品；尤其在重大裝備制造領域，直接制約了工業軟件作用的發揮。

（三）市場占比失衡，穩定客戶難以聚集

從我國數字化設計類工業軟件的客戶類型分布可見，應用市場集中在大型制造類企業。大型制造類企業為了提高產品質量、降低研發成本、控制生產成本，通常優選使用成本低、技術成熟的進口軟件產品。這就導致國產數字化設計類工業軟件的客戶市場聚集在中小型制造類企業。中小型制造類企業從產品附加值、市場風險等角度考慮，往往無法穩定投入使用工業軟件所需的資金，也就無法構建基于工業軟件的獨特產品優勢，相應的市場競爭力逐步弱化。大型制造類企業難以提供數字化設計類工業軟件的應用合作機會，中小型制造類企業又較少依賴數字化設計類工業軟件。受各類因素的共同作用，企業自主研發數字化設計類工業軟件，往往缺失穩定的客戶；既造成工業軟件企業生存困難的問題，還因用戶數據不足而難以持續優化工業軟件，成為工業軟件行業發展受限的直接原因。

（四）底層核心技術缺失，自主研發能力不強

當前，多數的數字化設計類工業軟件底層核心技術由國外企業壟斷；國內一些企業作為國外工業軟件產品的代理商，尚未具備獨立研發高端工業軟件產品的能力。相應地，一些企業軟件產品的底層核心多為國外企業的算法與軟件內核。工業輔助設計、仿真模擬測試等工業領域的核心技術，不可避免地受制于國外供應。以數字化設計類工業軟件為代表的高端工業軟件，開展自主研發主要受限于兩方面：對于CAE等軟件，除編程技術要求外，涉及理學、工學中的多學科核心知識，對研發團隊的技術能力要求極高；功能全面且穩定的底層開發平臺是開展工業軟件自主研發的前提，這是當前缺失的基礎性環節。（五）智能化成為發展潮流，擠壓后發企業的生存空間國外工業軟件優勢企業積極轉向工業云服務、人工智能方向：在工業云服務的開發階段，軟件不再是獨立存在，而是整合各類基礎軟件并提供“軟件+服務”整體解決方案；人工智能技術通過大量學習特定領域的數據，進而實現結果預測，為工業軟件創新應用提供了新思路。與此同時，我國正處于工業軟件協同應用階段，尚未轉入工業云服務階段。在上述革新技術受到制造類企業青睞的情況下，國外工業軟件優勢企業進一步搶占國內工業軟件市場，對國內軟件企業的整體性自主研發能力提出了更高要求；軟件客戶的使用黏性削弱，研發進度的上限則受時間積累和使用經驗影響。此消彼長之下，國內軟件企業的生存和發展面臨著更大壓力。

五、我國數字化設計類工業軟件的重點突破方向

（一）結構CAD、CAE、優化軟件無縫集成

CAD、CAE、結構優化分別針對結構建模、結構分析、尋找合適的材料分布問題而開發[16]，都基于有限元方法，通過求解結構內的數值響應來分析結構適應性，從而判定結構能否滿足性能需求。為了壓縮開發周期、提高經濟效益，產品設計階段即涉及結構幾何建模、數值分析、設計優化等環節，這需要CAD、CAE、結構優化之間進行數據的無障礙傳遞，對數字化設計類工業軟件能力提出了新要求。然而，有限元方法存在模型逼近的精確度受限、創建模型消耗大量時間成本、場變量的連續性僅為低階、高階分析的節點數呈指數式增長等問題，加之CAD幾何模型與CAE分析模型的構造機理不同、結構的表征數據不兼容，導致CAD、CAE、結構優化之間出現數據交互繁瑣、幾何特征信息丟失等一系列應用不足。拓撲優化技術以結構數值分析為基礎，基于優化拓撲結果來實現結構超輕量、高性能的設計目標[17~19]，因而有限元軟件集成拓撲優化技術也是重要趨勢之一。例如，美國Altair公司從網格劃分、導入CAE、拓撲優化、后處理等多個模塊著手，對每個獨立步驟分別進行集成操作，初步實現了上述功能。研究統一的CAD、CAE、結構優化技術，發展具有自主可控核心知識產權的工業數字化軟件（如等幾何拓撲優化軟件），是突破當前主流的數字化設計類工業軟件生態的關鍵方向。基于等幾何分析方法[20]（見圖2），通過非均勻有理B樣條曲線（NURBS）構建基函數，確保結構的CAD幾何、CAE分析模型具有一致性；打破相關數據的交互壁壘[21,22]，建立等幾何拓撲優化的技術框架。

（二）幾何特征驅動的設計、分析、優化一體化軟件

針對計算機底層的數值計算關鍵技術，結合以幾何特征驅動拓撲優化的設計理念、共行幾何一體化優化的設計理論、等幾何拓撲優化與CAD直接交互技術，開發基于幾何特征驅動，設計、分析、優化一體化的工業軟件。對于重大裝備的多類型復雜曲面構件，應用共形參數化建模與一體化優化設計等理論及技術[23]，適應高承載、低振動等性能需求。等幾何拓撲優化用于二維/三維拉脹超材料研究[24]，以NURBS基函數構造兼顧平滑度、連續性的密度分布函數，與CAD直接交互，消除幾何誤差，克服求解困難。發展的基于特征驅動的拓撲優化方法[25]，將一組特定的工程特征通過相互運動或變形方式得到拓撲構型；從CAD的設計理念出發，迭代選取與CAD特征模型相關的幾何變量，從設計源頭確保了工程結構的特征屬性。

（三）多體、多態、多物理場耦合的仿真計算與分析

隨著計算處理、數據支持等支撐技術的提升，面向多體、多態、多尺度乃至多物理場等復雜耦合模擬分析的新型數字化設計類工業軟件逐步出現。實現多物理場耦合仿真的主要形式有：①通過公開的數據接口標準，串聯多個仿真軟件開展聯合仿真，如Dymola平臺軟件，可基于功能模型接口/功能模型單元來結合Simulink、AMESim等十余種建模工具，依據所屬系統分別進行模擬；②通過數個仿真模塊實現單系統的多領域仿真，如COMSOL不斷集成結構、流體、熱、電磁等分析功能，形成了包含30多個附加模塊的多物理場仿真能力。發展上述耦合仿真功能工業軟件，本質上需要深入開展基于多學科交叉理論的研究。分析不同系統之間相互作用的多物理場，提升描述上述現象的偏微分方程求解精度，削減主觀條件影響，使得仿真結果良好反映客觀規律。

（四）工業軟件云端化、用戶可定制化

基于云計算、物聯網形成的軟件即服務（SaaS）逐漸成為軟件企業的主流經營模式[3]。SaaS是通過云服務向用戶提供軟件使用的新興方法，供應商負責構建企業信息化所需的網絡基礎設施、軟硬件運營平臺，承擔預實施、后期維護等服務。企業無需建立機房、購買軟硬件，而是直接通過互聯網使用信息系統；結合自身需求，向SaaS供應商租賃軟件服務，登錄網絡后即可在設備上使用相關工業軟件。工業軟件企業發展SaaS服務，要在保持優勢領域持續領跑的前提下，按模塊、按精度合理拆分軟件到各個子程序，以滿足各類客戶的使用需求。目前，已有部分企業的工業生產基于SaaS應用展開，如國外的Predix工業物聯網平臺、從數字化到自動化的一體化解決方案等，國內的美云智數工廠仿真軟件、船舶結構設計及生產管理一體專用化軟件平臺等。

（五）引入算法策略，支持計算機異構并行

在設計優化過程中，高精度結構幾何表征模型的缺失，導致CAE分析精度偏低，帶來了后續優化設計的收斂性差、不易尋求可行設計解等問題。引入模型降階、收斂加速等算法策略，針對性解決求解耗時、算法運行效率低下、計算架構僵化、綜合使用成本過高等問題。發展適應中央處理器/圖形處理器異構并行架構的等幾何拓撲優化軟件，實現底層算力的靈活擴展和高效運用。

六、我國數字化設計類工業軟件發展建議

（一）梳理細分領域，精準制定行業扶持政策

針對數字化設計類工業軟件前期研發投入不足的實際問題，建議把握工業軟件的類型特征、研發周期、技術難易等行業要素，據此研究制定扶持政策；從高端人才引進、研發團隊壯大、企業運營順暢等維度，找準扶持政策的著力點，提高政策的實施成效；同步完善產業投資基金、協同研發平臺等配套服務體系建設。建議地方管理部門將工業軟件列為獨立的產業類別，發布區域性扶持政策，促進特色工業軟件、細分領域應用等的布局與優化。例如，與工業和信息化部推進的智能制造試點示范項目相配套，進一步規劃工業軟件核心技術、垂直行業應用等具體發展內容，實質性改善國產工業軟件的研發與應用環境。

（二）促進軟件企業優勢互補，制定國內統一標準

針對國內工業軟件企業之間合作不深的問題，建議地方管理部門發揮牽頭組織作用，引導大型工業軟件研發企業在工業制造、基礎學科、軟件工程等方向開展意向交流，以定向扶持等形式引導跨企業的工業軟件技術合作。建議國內工業軟件優勢企業積極合作，率先開展四類工業軟件的產業體系標準建設。保證工業軟件產品數據格式的一致性，以互聯互通提高不同產品數據的兼容性，提高國產工業軟件綜合集成的應用水平，緩解工業軟件企業的低層次競爭，驅動行業發展的高端高值化。

（三）給予定向扶持，拓展中小型企業客戶市場

針對國產數字化設計類工業軟件缺失穩定客戶的問題，拓展工業軟件在中小型制造類企業的應用規模是適宜的突破口。建議地方管理部門發布扶持政策，緩解中小型制造類企業應用工業軟件資金匱乏的現狀，促成中小型制造類企業提升核心競爭力、工業軟件企業拓展市場規模的共贏局面。還可引導工業軟件企業提供區域性、細分行業性的優惠應用措施，策略性擴大客戶規模，為優化工業軟件產品、把握新興市場需求確定基礎條件。積極營造中小型制造類企業增強國產工業軟件認知與應用的社會氛圍，鼓勵企業用戶發掘工業軟件在成本控制、效率提升、質量改進等方面的中長期收益；吸引中小型制造類企業主動增加工業軟件產品的應用投入，為國產數字化設計類工業軟件的整體性提升創造條件。

（四）完善人才培育機制，聚集高端研發人才

針對數字化設計類工業軟件底層核心技術自主研發能力不強的問題，堅持技術發展的正向思維，積極培養并留住高技術人才，再由人才來筑牢行業發展基礎。高質量實施“新工科”建設等高校學科改革方案，批量培養兼具工業領域知識、信息技術知識的復合型人才。建議地方管理部門發布高層次人才專項政策、高校畢業生及專業技術人員當地留用政策，促進高校培育軟件編程與多學科基礎能力兼備的人才隊伍，緩解工業軟件行業從業人員的待遇保障問題。鼓勵工業軟件企業制定股權分配、股票期權等激勵方案，激發專業技術團隊的積極性以形成長期主義思想。引導工業軟件企業加強行業自律、工業軟件研發人才合理有序流動，避免惡性競爭導致的行業人才流失、行業發展潛力損耗。從培養人才到留住人才再到用好人才，以各環節的理性行動來支持國產工業軟件底層核心技術攻關。

（五）深化基礎研究，發揮國內創新市場優勢

針對國內數字化設計類工業軟件企業受到相關國際企業智能化技術擠壓的問題，建議國內企業從具備比較優勢的產品方向著手，積極融入國內市場的應用生態體系。工業軟件企業應追求“縱向”深入，建立自身優勢領域的底層研究能力，再由工程實際應用來完善工業軟件產品的成熟度；將工業軟件優化算法與行業積累的管理規律相結合，發展本質安全可靠、聚焦市場需求的工業軟件，據此打破國際工業軟件企業的“頭部效應”、先發優勢。相較國外數字化設計類工業軟件企業從大型軍民裝備應用起步的發展路線，國內企業應探索出具有自主特色、以新興領域應用為先的發展道路。發揮國內市場的規模優勢，積極探索與物流、電動汽車等優勢行業的合作方式，提供優質的工業軟件定制化服務，支持客戶構建產品市場競爭力；穩步積累行業應用經驗并形成特色技術優勢，從而快速縮小工業軟件行業的后發劣勢。

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作者:高亮 李培根 黃培 楊震 高杰 單位:華中科技大學機械科學與工程學院 武漢制信科技有限公司