林雪萍 | 工厂数字化交付的前生今生 | 工业软件风云录
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工厂的设计，从来不能离开软件。厂房以及设备，尽管跟民用建筑有所类似，但也有很多不同之处，依然需要独特的软件来完成。历史上，这类用在建筑上的计算机辅助设计软件，尽管曾经跟设计工业品的同伴裹挟在一起，但后来还是走向了不同的历程。只有少数软件公司，会同时兼具设计建筑和设计工业品。而在智能制造的一些场合，它们也的确会相遇。数字化交付，让本来跨越时空的厂房设计与运维，实现了穿越性的握手。为了准备这一天，工业软件的时钟，需要倒拨五十年。
从工厂建筑开始
厂房的设计是一个复杂的系统工程活动。对工厂的设计，核心是对生产设施支持系统的保障。它包含了生产空间的设计、物料流动、人与设备的关系等布局。
单就厂房而言，它就是一座工业建筑。在工业化很长的一大段时间内，它就是钢筋土泥水电气的化身。这是一类专门面向建筑行业AEC（建筑、工程设计和施工）的三维设计软件，包含了建筑、结构、水暖电等。还有一类是面向专业的领域，如石化、电力和海事（PPM）等。而这二者，都涉及到了地理信息系统GIS的应用。面向AEC领域的软件，一般用来设计民用建筑、基础设施，也包括工厂的建筑和结构；而PPM则需要考虑大面积的管道、反应容器等。
在民用建筑领域，建筑信息模型BIM也被广泛使用。它可以说是在机械CAD发展到巅峰开始平缓的时候（大约在2000年左右）后的新一轮崛起，这一次它的突破口是建筑行业，背后的时代性动力依然是计算能力的提升。CAD系统植根于图形，而难以充分解决建筑信息的问题。类似结构件的解决方式，基于BIM的建筑设计CAD开始出现。挥舞“结构件”大旗的Revit，一改机械CAD里面的点线面结构，实现了参数化设计，在建筑行业异军突起。似曾相识，这里又要提到在1988年以“参数化建模”而彻底改变了机械CAD软件PTC公司。是的，尽管一鸣惊人的PTC公司未能在建筑领域建树威权，但他们出走的高管，却是以同样的思路，成立了新锐的Revit软件 ，而且非常前卫地采用了订阅制。这种方法超越了时代的脚步整整二十年，订阅制成为许多CAD软件的主流。当然，抵抗从来都有，即使在2020年，Revit的订阅制受到了德国建筑界用户前所未有的严厉批评和抵制。
回到二十年前，在二维CAD时代迅速崛起的Autodesk，早在1995年就开始研发建筑设计产品。然而，即使是拥有在二维机械CAD市场最大的装机量优势，在BIM领域也无法站稳脚跟。应该注意到了BIM崛起的势头，欧特克在2002年收购了Revit，并在同年推出BIM白皮书，让这个早已被上个世纪七十年代学术界已经提出的概念，终于在市场端发扬光大。但欧特克有意将BIM锻造成独家“概念之锤”的趋势——实际上这是一场国际学术上的口水官司，欧洲人认为是他们最早创建了这种软件。但Autodesk的强势，依然让很多其它建筑软件很尴尬，有时候会使用BIM，有时候也难免适当做些切割。拉拉扯扯的尴尬状态持续了一段时间。而随着物联网时代，数字孪生概念的走红，BIM这个概念的意义则大大被削减。相信这也许会让很多建筑设计CAD的厂商松一口气，不必笼罩在“BIM由谁打响”这样的命题之下。到目前，全球BIM建模软件有70款之多，仅常用的就有25款。
图1 设计CAD面向的领域
最早建设设计CAD软件的发展得益于美国对于建筑标准化的推进，使得面向AEC软件快速发展。美国鹰图软件Intergraph在AEC领域的建树，最早就是由美国一个城市建立数字地理空间的项目而形成。欧特克则更是推动建立了国际互操作联盟，将美军的军用装备格式STEP引入到建筑设计领域，并力推一种BuildingSmart格式。这似乎是一种全球建筑格式的新霸权，欧洲市场对此反应激烈。德国的Nemetschek并购了匈牙利Grahpisoft公司的ArchiCAD软件，它一直以来都是Revit的热门对手。Nemetschek经历了大量的并购发展，最终建立了与美国相抗衡的开放式OpenBIM体系。这段争斗的历史，反应了欧洲对美国在建筑设计软件格式标准上的垄断所具有的高度警惕性。而德国这家建筑设计软件巨头旗下现在已经累积了16个BIM软件品牌，ArchiCAD名气最大并在中国建筑设计方面优势很大。一点都不意外的是，这款BIM软件最早也是一批匈牙利的建筑师与数学家一起合作开发的。无处不在的提示，软件的起源，总是跟数学有很好的绑定。
各个软件都会找到自己的不同定位，比利时的BricsCAD以轻巧取胜（已经被大胃口的海克斯康收购了），而芬兰的Tekla则是一家专业钢结构软件研发，对各种钢结构的设计与制造有着丰富的经验。这种基于钢结构深层次的渲染能力而形成的特色，也使得它可以在BIM市场找到自己的一席之地。而达索系统的BIM，虽然是后起之秀，但也找到了一种进入的方法。一般BIM的颗粒度不会太精细，而达索系统基于Catia内核所开发的BIM软件，进一步将其颗粒度深化，进入了可以制造的层面。在特别复杂的建筑如大兴机场，已经成为一个人居体验的艺术品，占据一席之地。大兴机场的顶部大双曲玻璃有8000多块，每一张都是独一无二的，它的设计由前到后，自动转换，从生产施工到单零件级，可以驱动弯管机或切割机直接加工出料件。
基于原有机械CAD内核开发的BIM软件，整体而言是胜少败多。它们往往被用于特殊的场合。Gehry Technologies 基于CATIA进行二次开发而形成的行业应用DigitalProject，发展成了建筑设计轻量化SaaS端应用。而在2014年，这家公司就被美国天宝收购。作为全球最有名的高精度卫星导航定位系统商，天宝在工程机械领域被广为熟知，它建立了工地建筑的标杆导航系统。全球第一大工程机械商卡特彼勒也持有它的股份。而收购谷歌的数字地图设计软件SketchUp，则加强了它对工地现场的几何造型能力。作为地理信息系统GIS的佼佼者，天宝在地理环境建模与施工机械导航之间形成了一体化的数据连通。从近几年的布局来看，这也是它进入工业物联网领域的关键战略之一。
在中国，依靠建设部对于标准的执着要求，中国面向AEC软件也有了较快的发展。尽管在BIM的核心建模软件仍然落后，但在其它方面也算是各有斩获。包括北京PKPM、北京盈建科、广州广联达、品茗、苏州浩辰、北京博超等软件。面向结构分析的PKPM，源自中国建筑科学研究院，借助于863计划的工程三维设计系统的课题而研发成功，一度占据勘察设计院90%的市场。后来该软件的主要开发人离职后创建了盈建科，在土木工程结构设计软件市场中也迅速崛起。
而在工厂设计方面，郑州六院本来有着很好的机会。当时开发了工厂设计的JJ软件包，在九十年代很活跃。它收集了当时所有机床厂家的设备数据库（样片库），包含了很多工艺软件计算包，可以进行工艺流、干涉性分析、计算负荷等。可惜随着改制的变迁，跟当时很多冉冉兴起的国产软件一样，慢慢失去了更新的能力。这再一次表明软件的特点，它是一个慢步长跑的事情。就算是靠攻关集中攻克出来，但后续如果没有持续更新能力，那也不会有前景。软件，需要持续地使用：常用才会常新。
而在工程造价方面，中国也有着独特的优势。除了鲁班之外，广联达表现突出。它呈现了一个国外成熟软件公司所具有的特性，那就是对并购的偏爱。它在2014年收购了芬兰的BIM软件MagiCAD，作为一个可视化和参数化模型，它拥有庞大的建筑产品模型库，包括了窗户、消防栓、动力电缆等数十万种不同类别的产品。这使得现场的建筑设计变得更加轻松。在中国工业软件沉闷的资本市场上，广联达是少有的擅长并购组合的企业。最新一次收购则是在2020年，收购了以设备模型见长、建立在Revit平台基础上的北京鸿业软件。而作为新兴的地理信息系统与GIM的结合，主打轻量化的上海葛兰岱尔也崭露头角。可以说，在各种软件领域中，面向AEC软件，中国算是咬得最紧、跟随国外品牌跑得最近的一个领域。
工厂设计的交付
而在民用建筑之外，工厂的设计尤其是在石化、电力和海事等PPM领域，进入了非常专业的工厂设计范畴。AEC领域的供电、通风、土建以及给排水等，在PPM领域这里还只是一个开始。在石油化工、电力、制药等行业，有着无数个大块头反应釜和弯弯曲曲的管道。安全、控制开始变得无比的重要。于是面向厂房设计的软件，就成为一个独立的分支。这其中佼佼者包括施耐德电气收购AVEVA的工厂设计软件PDMS。与民用建筑的AEC更偏重于土建相比，工厂设计类软件更重视工艺流程走向、设备与管道的布置，以及各类设备与管道之间的碰撞干涉检查与处理 。AVEVA软件最早起源于上个世纪六十年代英国剑桥大学CAD中心的项目，这也再次确认了英国大学与CAD/CAM软件的广泛联系。政府拨款的软件项目，在结束之后，就会孵化出商业软件。我们应该听过太多类似的故事。跟机械CAD一样，它也同时发育成长。二者的差别直到1977年才开始变得迥然不同。这一年，管道设计软件PDMS成为一个划时代的产品。更准确地说，它开创了一个全新的分支。然而这样的标杆性路标，还需要另外两家美国企业来分享。
美国鹰图Intergraph和本特利MicroStation则是一对天生的冤家。鹰图Intergraph有着CAD活化石的痕迹。它是上个世纪八十年代的五大CAD厂商之一（其它四家都随着硬件与软件的分离而消失或者被收购）。它最早是做印刷电路板PCB的设计，后来由于美国城市的地理数据化项目而进入AEC领域，最后在1981年与一家工程公司合作开发了工厂管理设计系统PDS，从而成为一棵常青树产品。
本特利的MicroStation则是一个平行交织的故事。鹰图当时最重要的一个客户是杜邦化工，而本特利正是天天使用这个软件的工程师。应该是感觉这样一个软件实在过于复杂，于是自行重新开发了轻灵版的厂房设计软件，并成立了本特利公司。这个公司推出的MicroStation的低成本部署方案广受欢迎。鹰图甚至投资本特利公司，并一度成为后者重要的销售渠道。在软件发展历史上，低成本一向是行业发生变局的重要标志，MicroStation很快就抓住了PC机开始普及的机会，从小型机市场果断撤出，进入了个人机市场 。在不同的阵地上，这类故事都是用着同样的旋律。跟Autodesk、PTC、Solidworks等机械CAD软件抓住硬件变迁的浪头一样，MicroStation也得到了时代对于善变者的嘉奖。后来经过复杂的变迁，它跟Intergraph已经成为最重要的竞争对手。加上AVEVA，基本成为流程电力造船行业最重要的三个工厂设计玩家。但时代进化总会产生裂痕，猛虎也会被大地吞噬。Intergraph在辉煌时期经历了跟英特尔复杂的官司诉讼，加上战略判断失误，逐渐开始走下坡路，在2006年被投资公司并购,并在四年后加入三维坐标测量公司瑞典海克斯康的旗下。而AVEVA则在2018年被施耐德电气反向收购。至今，三剑客之中，只有本特利仍然保持独立的发展。
鹰图Intergraph在后期也一度在电子设计自动化EDA领域进行过耕耘，并最终将相关部门卖给了当前依然活跃的三大EDA软件商之一的CADENCE。这不免给人一种印象，一个集成电路板不过就是另外一座庞杂的建筑而已。在那里，各种微弱电流往返的超微通道跟北京上海城市的大路并无不同。这种视角，会让我们更好地理解工业软件为何一定是强大制造底层的基石。即使从同一个点出发，工业软件也有很多指向。InterGraph公司不仅仅设计了厂房设计、电子设计自动化软件，即使在机械CAD市场也大有斩获。值得一提的是，这家公司是中低端三维CAD软件SolidEdge的创立者，现在已经成为西门子旗下的产品，品牌依然活跃。
这类需要考虑行业特性的管道设计到后来都发展成为综合性的工厂设计软件，大量工艺和设备的知识，也提前进入工厂设计软件之中。世界变得复杂了，软件也同步跟进。人类看待世界的颗粒度，其实是由软件来固化。无论是精细的生物结构，还是宏大的宇宙空间，软件呈现了伸缩自如的尺寸，如影相随。工厂设计，有厂房，有机器，有管道，需要包含一套智能建造。如果希望工厂建好之后，管道里的液体流动跟想象中一样的安全稳健，那么就需要在实际安装之前，洞察管道流动的物理和化学机理。从设计师的想象，到现场工人的操作，跨越时间和空间握手，只有软件才能完成这样的穿越和连接。造物者，起于心成于手，只有软件才能实现在工程中精确地复制创意，一遍又一遍而不走样。
工厂的数字化交付应运而生。有了这些软件生成的物理模型和仿真机理，如果能够跟将来的工厂运维结合起来，数据将真的实现全生命周期的流转。这是工厂里一次前所未有的新气象。厂房设计的软件，将再次发挥着重要的作用。国内这方面的软件，跟机械CAD市场有些类似，在设计端相对较弱，很难进入设计院。这块市场也基本被前面几个品牌所垄断。国内主要有长沙优易软件UESOFT作为国产三维管道CAD/CAE一体化设计的代表之一，在能源石化领域也有一席之地 。当设计院完成工艺设计之后，图纸就会进入建造方和之后的运营。这中间涉及到了大量的数据断点，给国内一些做模型重构的软件公司，如中科辅龙科技、图为、绥通等国产软件，留下了重新打穿数据通道的机会。一些来源自各行业工厂设计背景的公司如中机六院牵头联合国机集团相关单位成立的国机互联等也跨界投入了这一领域的软件开发。从定制化起家，这些企业有一个共同的特点，那就是对设备特性和建模非常熟悉，对数据的格式转换也有很好的驾驭。毕竟，就像手术室缝合伤口一样，对数据工艺特性的了解，决定了数据连接的精度。数字化交付，有了可以信赖的颗粒度。
中国基建狂飙猛进的背后，是一个国外厂家不太熟悉的三边工程（边设计、边采购、边施工）。三边工程在国内也是备受争议，但却屡见不鲜。一方面跟工期计划安排过紧有关系，另一方面也是与信息流通不畅有关。而数字化技术，正在试图挽回这样的局面。那些被切断的数据，正在被重新连接。从前到后，按照图纸和设备的数据，在数字化交付的大背景下，可以用数字孪生方式重构工厂的生产设施支持。数字孪生，将是打通三边工程的一个重要抓手。
以前，现场进展数据不清晰不准确，对于物资到货、施工进度等数据，主要依赖于项目进展而非图纸资料。这在信息化高度发达的今天，听起来简直是不可思议。由于现场项目经理无法了解详细的施工进展，不清楚材料到货与剩余施工计划是否匹配，只能经常召开进度协调会，每次会议长达半天。而中科辅龙科技采用数字孪生技术构建工厂模型，基于工厂对象自动识别设计变更并叠加施工进展和库存等信息，就可以降低一半以上的会议频率和时长。
当前，石油化工行业正在跃跃欲试地推进工厂资产如各种设备的数字孪生，以工艺特性为基础，建立高保真的物理模型是首当其冲的任务。而数字化交付也迎来了新的春天。
小记
工业软件，总是藏得很深。宏伟的工厂，令人生畏；而背后的设计软件，却经常被一笔带过，甚至无人知晓。而工厂的数字化交付，正将二者虚虚实实地结合在一起，设计师和操作员完成了穿越时间的对话。
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作者简介
林雪萍：北京联讯动力咨询公司总经理，上海交大中国质量发展研究院客座研究员
鸣谢：此文成文过程得到了陆云强、朱恺真、孙承武、赵文功、李飞、潘立等人的大力支持。往期专辑推荐 | ||
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