构建工业互联网知识体系，读懂工业互联网发展大势
2021年5月28日，习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上发表重要讲话，强调要加快建设科技强国，实现高水平科技自立自强。习近平总书记指出：“科技攻关要坚持问题导向，奔着最紧急、最紧迫的问题去。要从国家急迫需要和长远需求出发，在石油天然气、基础原材料、高端芯片、工业软件、农作物种子、科学试验用仪器设备、化学制剂等方面关键核心技术上全力攻坚。”工业软件被列为当前科技攻关最紧急、最迫切的问题，同时关乎国家急迫需要和长远需求， 与基础原材料和高端芯片等并列， 彰显了巨大的战略价值。
文｜王海成，国家发展和改革委员会产业经济与技术经济研究所
本文刊于《中国发展观察》杂志2021年第14期
工业软件的概念范畴较为广阔，一切应用于工业领域的软件都属于广义工业软件。工信部信软司在与工业软件产业发展有关文件中指出：工业软件是指专用于或主要用于工业领域，为提高工业企业研发、制造、生产管理水平和工业装备性能的软件。根据用途和表现形式，工业软件一般分为研发设计类软件、信息管理类软件、生产控制类软件和嵌入式工业软件四类（赛迪顾问， 2019），每类工业软件均有其代表产品和企业。研发设计类软件主要用于提高企业产业设计和研发的工作效率， 代表产品有CAD、CAE、PLM等，代表企业有达索系统、Autodesk、中望软件等；信息管理类软件主要用于提高企业管理水平和资源利用效率，代表产品有ERP、CRM、SCM等，代表企业有SAP、Oracle、Saleforce、用友网络、金蝶国际等；生产控制类软件主要应用于提高制造过程的管控水平、改善生产设备的效率和利用率，代表产品有MES、APS等，代表企业有西门子、GE、宝信软件、中控技术、鼎捷软件等。（一）从技术创新特征看，工业软件技术应用专用性强，多学科融合、投入巨大从技术应用的专用性看，办公软件、商业软件、移动互联网软件等通用软件基本上不受专业、应用领域和行业的差异，而工业软件则与其应用领域、场景的专业知识关系密切，具有很强的专用性，例如塑料成型工艺有注射成型（厨房用品、电器设备外壳、玩具与游戏等）、挤塑成型（管材、薄膜、棒材、单丝以及其他异型材）、滚塑成型（搬运箱、翻斗车皮、帆船船体、衣用模特、工业贮槽和贮罐等）；印刷行业则存在柔版、凹版、胶版工艺上的差异，并在材料、速度、印刷幅面等方面形成进一步的差异。从研发投入所需要的资金看，工业生产过程需要基于材料、加工流程以及被加工产品的规格、尺寸等进行工艺上的匹配，工业软件需要针对这种变化进行无数次的组合，进而寻找出最优的匹配方法。而要实现工业软件的高成熟度和高效率，则研发过程中必须要通过大量的试错性投入，全球知名的CAE厂商ANSY每年的研发投入在5亿美元左右。图1给出了基于中国上市公司数据工业软件行业与信息传输、软件与信息服务业研发投入数据，可以发现本世纪以来我国的信息传输、软件与信息服务业研发强度大幅提升，但工业软件行业的研发强度明显高于信息传输、软件与信息服务业的整体水平。从研发投入所需要的知识复杂度看，工业软件具有多学科融合特征，工业软件将工业生产现场中的工程数据积累成有价值的信息，并将其转化为知识，然后转化为数学模型，之后，通过建模仿真过程生成为控制软件，再经过不断的测试和验证，最终形成可复用的平台架构和软件功能，这一过程需要集成、应用多个学科的知识和研究方法。（二）从行业进入壁垒看，工业软件呈现运行成本壁垒高、项目经验壁垒高、品牌壁垒高“三高” 并存从项目经验壁垒看，工业软件尤其是生产控制类软件，需要梳理客户需求后形成满足客户需求管理模式的实施方案，最终通过软件系统进行配置并培训上线，这都需要协同管理软件厂商具有长期的经验积累和大量客户实践中的总结提炼。新进入者通常项目经验积累不足，在理解和把握用户核心需求方面的能力欠缺，难以从业务流程、知识共享、信息聚合推送等价值环节入手，进而通过信息化手段来提高客户管理和运营效率，导致产品应用效果不理想。从运营壁垒看，由于不同行业生产工艺复杂且差异较大，对于规模较大的大中型客户提供快速响应并提供现场技术服务，这就需要软件厂商建立具有一定覆盖率的服务网点；对于小型客户，厂商需要建立针对标准化产品的渠道经销服务体系和多层次分布式运营体系，这些都需要大量资金、人力和经验积累方能完成。从品牌壁垒看，主流工业软件厂商软件平台完整、行业解决方案细分度高，品牌形象好，新进入者由于缺乏成功案例、知名度不高，很难在高端市场竞争中胜出。（三）从标准与兼容性看， 工业软件数据标准统一，兼容性要求高以工业设计软件为例，不同原始设备制造商、供应商、合同制造商以及其他合作伙伴之间有大量的数据需要处理，代表性的如CAD 数据交换和互操作性。CAD数据交换是指将数据从一种CAD系统转换成另外一种CAD文件格式的软件技术及方法，其中主要的问题包括几何元素如网格、曲面以及实体造型之间的转换，以及如属性、元数据、装配结构以及特征数据的转换。基于标准模型和专用接口是目前流行的CAD数据交换技术， 其交换数据的效率和质量直接影响着CAD数据交换的状况，进而也影响着产品的开发和生产效率。为了改善产品数据的交换和共享，国际标准化组织开发了庞大的STEP （standard exchange of product data model）标准，特别是美国波音、洛马和欧洲空客、达索等领先企业和解决方案提供商共同组建的长期保存和检索国际项目组（Long Term Archiving and Retrieval International Project Group）也是以STEP作为基础（杨双荣等， 2010）。目前，各主要CAD厂商都在努力增强自身软件的接口，但效果并不理想，每年由格式相互转换造成的信息丢失和精度丢失都会导致高达数十亿美元的损失。（一）在生产管理类软件的低端市场和生产控制类软件的细分行业具有一席之地，但研发设计类核心软件市场份额明显过低近年来，国内工业软件市场保持快速增长，如嵌入式软件、生产控制软件、信息管理系统等在国内都已经得到了比较快速的发展。浪潮、用友、东软占据信息管理类软件市场前三位，占比分别为16.0%、11.4%、9.5%，国外厂商SAP、Orcale 占比分别为7.6%、6.5%。华为是国内市场最大的嵌入式软件制造商，占比达到33.5%，中兴占比为10.6%，国内企业在嵌入式软件上占据优势。然而，核心工业软件如仿真类软件， 国内企业目前仍有一定差距。研发设计类软件目前以外资企业为主， PLM和CAD软件占比最高，分别为29.7%和27.0%，达索系统占据最大市场份额19.05%，生产控制类软件中MES和DCS软件占比最高，分别为29.0%和23.1%，西门子是绝对的市场龙头，占比超过23.7%，国宝信软件凭借在钢铁行业龙头地位， 市场份额达到9.0%。生产管理类工业软件中德国SAP与美国ORACEL 公司占有高端市场的90%以上，用友、金蝶等国内软件企业只能占据中低端市场的80%左右。生产控制软件领域主要被西门子、施耐德、GE、罗克韦尔等国外巨头占据，宝信、石化盈科等在细分行业占有一席之地（王云侯，2018）。（二）核心工业软件依赖于国外，面临“卡脖子”的风险中国工业软件被“卡脖子” 问题早有端倪，军工领域的一些企业就曾被美国“授权合格最终用户（VEU）”名单拒之门外，禁止购买一些细分行业的专用工业软件。例如汽车电控细分领域的CAE专用软件DSPACE在业内处于垄断地位， 但早在10年前已对中国军工企业全面禁运；中国航天工业曾长期使用美国AnalyTIcalGraphics公司开发的STK分析软件，STK可以支持航天任务的全部过程，包括设计、测试、发射、运行和任务应用等，但美国政府从STK7.0版本就开始对中国实施禁运，目前最高版本是11.0 （周倩，2020）。2019年6月，根据美国商务部的要求，美国EDA软件三大厂商暂停对华为的授权和更新，三大厂商垄断了全球90%的市场份额，芯片设计公司和代工厂几乎都必须跟三巨头合作。2020年6 月，美国软件公司MathWorks按照美国政府要求，对被列入实体名单哈尔滨工业大学和哈尔滨工程大学终止MATLAB软件（MATLAB软件主要用于计算、可视化、数据分析等方面，如果对两所大学持续施行禁用， 那么署名单位为两所大学的论文则不能出现任何基于MATLAB的数据图表。虽然Octave、Python等开源产品可以替代MATLAB的数值计算部分， 但其配套软件Simulink的仿真模拟能力，则几乎没有替代产品）的相关授权。2021年4月15日，美国会议员汤姆 科顿（Tom Cotton）个人主页消息，其与议员迈克尔 麦考尔（Michael McCaul）在致美国商务部长吉娜 雷蒙多的信中，呼吁将设计芯片的电子设计自动化（EDA）软件纳入出口管制范围。2021年6月8 日，美国防部官方网站报道，国防部根据14017号行政命令发布《战略和关键材料百日部门审查报告》。这份由国防部牵头的报告及其建议已提交给总统拜登。报告指出，美国半导体设计生态系统强大，处于世界领先地位，但美国公司高度依赖向中国销售以实现持续利润增长和国内研发投资，保护美国在半导体制造和先进封装供应链中的技术优势，提出政府应针对关键半导体设备和技术实施出口管制，以解决某些供应链漏洞，政府当局也应努力与主要供应盟友及伙伴合作就有效的多边管制进行协调，以保护美国的国家安全利益，限制受关注国家的高级半导体能力。（三）海量关键工艺流程和工业技术数据的信息尚未得到有效整理、储存，面临着毁损、流失乃至被窃取的风险由工业生产过程的积累的关键技术、工艺、知识、数据等综合而成的工业知识数据库，是工业软件最为底层、核心、重点的支撑， 新中国成立以来甚至是近代工业化以来，中国工业发展过程中积累了海量的工业知识数据，由于这些数据散落于各个企业、技术人员，缺乏有效整理和存储，随着企业退出市场、技术人员流动逐渐耗散、流失。与此同时，在工业软件过程中产生的大量数据，正在通过各种方式被国外软件企业收集，一旦滥用将危害到信息安全和国防安全。2011年达索公司的Solidworks软件被曝出存在泄露计算机信息的后门， 而目前达索公司已与中国商飞、中船集团、中国航天科技、中国铁建、中国建筑、中广核、上汽、广汽等国内上百家大型企业建立了合作关系，C919国产大飞机、武汉雷神山医院、北京至雄安城际铁路这些重大项目都有参与。（四）软件业和制造业融合程度不高，总体发展水平滞后于企业的需求和应用水平一方面，纯粹软件企业产品范围扩大或者转移至工业软件存在较大的难度，区别于普通网络应用软件，工业软件是对工业技术和流程的程序化封装，需要海量的技术数据和工业流程，一些软件公司限于生存压力，甚至将尚未经过严格测试的工业软件部署到客户现场，使客户成为“试验品”。长此以往， 导致一些大中型工业企业对本土工业软件缺乏信心。另一方面，国内大型制造企业对智能制造时代工业软件的重要性认识不足，飞机、船舶、冶金、化工、生物医药、电子信息制造等重点制造领域长期以来习惯用国外工业软件（倪光南， 2019），一些国有企业下属的专业信息化公司，大量代销国外工业软件，甚至故意打压国产软件，而小企业则普遍使用盗版国外工业软件，导致要面向中小客户的国内工业软件生存空间被严重挤压。国际工业软件巨头通常同时开发多个互相配套的软件，如PLM将CAD、CAE以及产品数据管理PDM 等系统衔接一体，使企业能够对产品从设计、研发到生产、报废等全生命周期的设计及信息进行高效地应用、集成与管理，因此用户将从同一家公司购买多个软件，形成竞争的实际障碍。目前，国产工业软件普遍还处于研发设计、过程工程等单一应用环节，鲜见贯穿全环节的综合性集成应用，而不同厂商间工业软件程序的兼容性存在较大问题，综合集成效应尚未显现。从行业标准看，国内工业软件市场的事实标准均由国际工业软件巨头主导， 由于巨头企业标准不一，国内市场同时使用国外工业软件时，不同厂商程序兼容性存在较大问题，大多数情况下只能主动与国外软件互联兼容，被迫遵守对方产品标准。（一）作为战略性新兴产业， 工业软件的战略性长期关注不足战略性新兴产业的“战略性” 所体现的经济学性质主要体现在以下两个方面，一是产业所基于的主导技术的未来性和突破性；二是产业所面向的现实的和潜在的市场需求规模巨大。特征一决定了主导技术的投资具有长期性和不确定性， 因而需要更加“耐心”的投资和更加多样化的高强度学习和探索；特征二决定了战略性新兴产业的发展绩效涉及到一国发展的深层次经济利益（贺俊和吕铁，2012）。因此，战略性新兴产业的选择、培育很大程度是国家层面的博弈竞争， 也就决定了不能仅按照当前体量的大小作为扶持培养优先序的选择标准。从国家产业发展战略看，国家发改委于2018年9月同科技部、工信部、财政部等有关部门发布的《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》中，“工业软件”属于第四级，“产品研发设计软件”，也就是CAD、CAE等核心工业软件，处于第五层，被淹没在近4000项细分“重点”产品和服务中。中美经贸摩擦以来，我国对工业软件的重视程度不断提高，2021年2月1日，科技部发布《关于对“十四五”国家重点研发计划首批18个重点专项2021年度项目申报指南征求意见的通知》，工业软件首次入选国家重点研发计划重点专项。此前，工业软件从未入选过包括国家自然科学基金、国家科技重大专项、国家重点研发计划等在内的国家最高科技计划体系。从具体产业政策支持方式看， 暴露出了相当多的问题：一是尚未有专门的工业软件管理部门，工业软件与国家发改委、科技部、工信部等主管业务均有关联，2011年以后，工业软件被纳入“两化融合” 信息化领域，由工信部分管，工信部主要通过两化融合支持企业信息化的方式给予企业支持，由于重点支持制造业企业，工业软件企业基本上得不到直接的财政支持（林雪萍，2018）。二是产业政策耐心度不够，以往的软件产业发展政策往往基于企业规模、资金实力、存续时间设定一定的门槛要求，即使2020年颁布的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，仍对企业的产品内容、存续时间设置了周期不一的税收减免优惠政策，而对于地方政府来说，由于注意力的局限和风险厌恶倾向的原因，更倾向于选择满足资质要求、经济实力雄厚且长期与本部门关系紧密的企业（封凯栋、姜子莹，2018），对于规模偏小的软件企业关注度不足。稳定可靠、界面友好是软件实现工业应用的基本要求，而要达到这种要求则需要不断试错反复迭代，这就决定了工业软件研发具有长周期的特征。从产业发展的实践看，开发一款市场可接受的工业软件通常需要三五年的时间，而从市场接受到拓展则可能需要10年左右的时间。由于在投向市场、开发成功前企业没有任何现金收入， 而又需要投入大量资金，因此企业面临很强的资金约束。从企业融资渠道看，由于工业软件研发周期过长，无法满足风投的快速成长性指标，因此软件企业不会成为风投公司的关注点。而从银行的授信要求看，工业软件公司的主要资产是代码，在投入市场前来说并不具备质押价值，长期是否产生经济效益也需要市场检验，授信风险较大。因此，通过财政资金支持是较为可行的方法。然而，与美国相比，我国对工业软件的财政支持力度则相形见绌，以往国家重点研发计划项目平均投入金额约在2000亿元左右， 《“工业软件”重点专项》共计17 个指南任务，可能大概会获得3.4 亿元左右的支持，反观美国对工业软件的支持力度则大得多。2017 年6月，美国国防高级研究计划局（DARPA）推出为期5年、总投入15 亿美元的电子复兴计划，支持芯片技术的开发。其中，EDA软件巨头Cadence获得第一批入围扶持项目中的最高资助额2410万美元，使用机器学习设计用于模拟、封装和电路板的自动布局产生器，Synopsys 公司获得610万美元的资金补助；Arm、加州大学圣地亚哥分校和高通公司共同开展一项耗资助额为1130万美元、利用机器学习为数字芯片设计开放来源的自动布局产生器的计划，明尼苏达大学获得530万美元，用于设计类似的模拟电路工具（Merritt，2018）。（四）专业人才培养断档，校企联合不够紧密，互联网行业虹吸效应明显一般应用软件研发主要是编写代码，如果软件发生问题可以通过逐行运行代码、调试，一直追溯到底层，大都可以快速找到原因并解决，因此一般应用软件主要需要有活力的年轻人，这类人才数量较多；而工业软件的主体是工业，需要具有行业经验和软件代码开发能力的复合型开发工程师，成材率低、培养难度大，在国内非常稀缺。从人才培养看，高等院校计算力学等基础课程主要讲授国外知名软件的使用操作，在工业软件理论、算法、程序设计与实现等研发方面的能力逐渐弱化，甚至失去造血能力。科研人员的科研成果考核、科研项目结题验收往往以论文是否被纳入SCI数据库为导向，大大限制了大学科研院所自主研发工业软件的积极性。实际上，这对科研能力的要求远不如自行研发软件、通过国外知名软件进行验证计。工业软件是一个涉及众多学科的综合体，从前后处理到求解器全面开发，即使只开发结构分析方面的功能恐怕至少上百人的开发团队才能胜任。目前，国内科研机构基本按照学科分类部署研究室、教研室、实验室等基层研究单位，虽然一些研究单位也在不断跨学科基层研究单位，但所跨学科数量远低于工业软件所涉及学科的数量。从人才需求看，工业软件虽然是软件行业中最难、最复杂的领域，但薪酬待遇不高，IT人才更倾向于人工智能、大数据等领域（马晓澄等， 2020）。另一方面，国外软件企业加紧在华布局，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（蒋昕昊、张冠男，2016）。从国家战略高度重视国产工业软件，提高其在战略性新兴产业政策扶持中的优先排序。建议将国家发展改革委作为工业软件业的牵头主管部门，加快制定相关扶持政策，建立核心技术发展保障制度；建议由国家发改委牵头，成立国家工业软件创新战略发展委员会，其主要职责是为国家产业技术创新提供科学咨询和建议。具体包括：第一，持续跟踪研究工业软件产业创新发展规律和特点，研究制定工业软件产业创新发展战略，研究提出国家工业软件产业共性技术研发重点方向、政策措施和重大建议。第二，组织开展国家工业软件产业技术创新体系建设评估，为改进和完善国家工业软件产业共性技术创新支撑体系建设提供科学依据。国家工业软件产业创新战略发展委员会成员由政府相关部门代表、专家代表、企业家代表共同组成。除政府部门的委员代表采用派出方式产生外，其他委员代表可公开征募和选拔，实行任期责任制。同时，配备能力较强的办事机构。（二）加强核心自主工业软件研发，加快建立核心工业软件备份系统工业软件研发创新所具有的学科基础性、成功概率高度不确定性和跨部门之间高协调性，决定了必然要更好发挥政府作用，要集中人力财力物力加快核心技术攻关，狠抓基础技术攻关，充分发挥科研院所、企业等各方力量，提炼核心技术难点以及行业关键问题，组织实施核心自主工业软件关键技术攻关工程，协同攻关。建议依托国家自然科学基金、社会科学基金等，加快建立工业知识数据库，收集整理工业发展过程中存有的大量专家经验、工艺流程和核心参数等，从源头上为国产工业软件研发提供数据支撑。由于核心自主工业软件开发需要长期的工业经验积累和团队协作，短期内我们要加快建立核心工业软件备份系统，系统梳理我国受制于人的核心自主工业软件产品清单，建立世界范围内关键产品备份表，逐步实现在底线思维下的最低保障。核心工业软件备份系统建设作为一种补短板、强弱项的行为，要开展系统性研究和论证，选择关键行业和关键领域。针对研发设计类、生产控制类工业软件，要依托行业内龙头企业，力争做到重要产品和供应渠道至少有一个替代来源。进一步强化信息管理软件特别是嵌入式软件的优势，拉长长板，拉紧国际产业链对我国工业软件的依存关系，尽快形成对外方人为断供的有力反制。（三）改进和优化产业政策， 强化以市场需求为导向的工业软件产业发展动力机制设立国家工业软件产业投资基金，工业软件涉及技术和学科领域的综合交叉问题，要求上下游技术和产业的衔接、配套，形成系统的技术创新链，也需要跨学科、跨领域、跨技术活动阶段的系统而持续的投入支持。为避免重复立项、浪费资源，充分发挥社会主义集中力量办大事的制度优势，建议将分散在政府不同部门的共性技术创新资源统一起来、优化配置，建议学习芯片支持模式，尽快成立国家层面的CAX类“国家工业软件产业投资基金”，用于持续、稳定、集中地支持建立和发展国家工业软件共性技术创新研究院及行业共性技术创新基地开展重大产业共性技术创新活动。要发挥财政科技投入“四两拨千斤”的作用，提高产业界参与制订国家工业软件产业政策的参与程度。支持和鼓励工业软件企业参与政府支持的共性技术研发项目立项工作，提高企业在共性技术研发方面的发言权。改革科技计划和项目的管理方式，建立合理的绩效考评机制，减少科技经费浪费，提高项目经费的使用效率。进一步强化以市场需求为导向的产业发展动力机制，工业软件的优化和迭代提供需要巨量实践经验与隐性知识，可以说“用”是工业软件之母。当前一些关键行业部门虽有国产软件作为极端情况下的备份，但多数情况下并未真正使用。我们建议，要真正实现国有工业软件从“买”到“用”的转变，对关系国家安全和国民经济命脉的主要行业和关键领域占据支配地位的国有企业，要率先推广甚至是强制使用国产工业软件，要加大民营企业使用国产工业软件的激励力度，在政府购买、项目申报、税收优惠上予以倾斜。此外，国外工业软件盗版在国内广泛使用，很大程度是国外软件厂商为消灭我国本土工业软件的倾销策略，因此要加大对工业软件的知识产权保护，加大对侵权行为的惩治力度，提高国内企业使用国外盗版软件的成本，倒逼国内企业使用成本相对更低的国内工业软件。强化产学研结合，促进国内工业软件龙头企业、高校和科研机构联合培养产业创新人才，联合制定人才培养计划，联合招生，共同建设课程体系和教学内容，共同实施培养过程，构建和完善支撑工业软件企业技术研发、安全咨询、技术评测、成果转化的公共服务体系改变单纯考核论文发表的评价体系， 鼓励科技人员投身工业软件基础科研，抓好完善评价制度等基础改革，坚持质量、绩效、贡献为核心的评价导向，全面准确反映成果创新水平、转化应用绩效和对经济社会发展的实际贡献。对工业软件企业的研发人才，要有针对性地降低社保企业缴费比例或者进行社保补贴，以降低企业的前期开发成本。（完）