數(shù)字化工業(yè)軟件發(fā)展策略研究

序論：好文章的創(chuàng)作是一個(gè)不斷探索和完善的過(guò)程，我們?yōu)槟扑]一篇數(shù)字化工業(yè)軟件發(fā)展策略研究范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來(lái)更深刻的閱讀感受。

一、前言

工業(yè)軟件的發(fā)展背景是依托工業(yè)生產(chǎn)需求，提高研發(fā)制造、生產(chǎn)管理方面的綜合效益；本質(zhì)上是對(duì)工業(yè)知識(shí)進(jìn)行編碼，通過(guò)圖形工程將工業(yè)生產(chǎn)知識(shí)封裝在軟件中，為工業(yè)生產(chǎn)提供服務(wù)。在信息技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)今時(shí)代，受工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[1,2]、云計(jì)算[3]、人工智能[4]、智能制造[5]、大數(shù)據(jù)[6]等新興技術(shù)的影響，工業(yè)企業(yè)在成本控制[7,8]、效率提升[9]、跨企業(yè)/跨專業(yè)協(xié)作[10]等方面的需求顯著增加。相應(yīng)地，工業(yè)軟件不僅是工業(yè)企業(yè)運(yùn)營(yíng)的能力依托，也表現(xiàn)為支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展和創(chuàng)新的基礎(chǔ)工具。工業(yè)軟件可分為數(shù)字化設(shè)計(jì)（又稱研發(fā)設(shè)計(jì)）、生產(chǎn)制造、經(jīng)營(yíng)管理、運(yùn)維服務(wù)等主要類型，是現(xiàn)代化工業(yè)水平的集中體現(xiàn)、先進(jìn)技術(shù)融合的產(chǎn)物，具有發(fā)展歷程久、研發(fā)成本高、成功經(jīng)驗(yàn)難復(fù)制等特征。工業(yè)軟件處于工業(yè)制造的中游位置，連接著硬件設(shè)備、操作系統(tǒng)等上游產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)，航空、航天、航海、汽車等下游應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)揮著“樞紐”作用。值得指出的是，數(shù)字化設(shè)計(jì)類軟件在工業(yè)軟件產(chǎn)業(yè)中處于關(guān)鍵位置，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品制造的“第一步”，直接影響產(chǎn)品的后續(xù)流程[11]；主要分為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）、計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程（CAPP）、產(chǎn)品生命周期管理（PLM）等類別。然而，《中國(guó)工業(yè)軟件產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)（2020）》指出，在2018年世界CAD、CAE軟件市場(chǎng)中，我國(guó)相應(yīng)市場(chǎng)規(guī)模占比僅為8.5%、9%；理性判斷，我國(guó)在數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件方向落后國(guó)際先進(jìn)水平20~30年。近年來(lái)，科技領(lǐng)域的貿(mào)易壁壘有所增強(qiáng)，航空、航天、航海裝備研發(fā)所采用的高端數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件多數(shù)為國(guó)外引進(jìn)，不利于自主創(chuàng)新發(fā)展進(jìn)程[4]，潛在的“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。本文著眼智能制造實(shí)際需求、多學(xué)科交叉及融合、產(chǎn)業(yè)安全發(fā)展，凝練數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件的的重要價(jià)值；進(jìn)而梳理國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、剖析我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)、提煉領(lǐng)域重點(diǎn)突破方向，提出現(xiàn)階段數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件的發(fā)展建議，以期辨明一條適合我國(guó)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展路徑。

二、數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件價(jià)值分析

（一）產(chǎn)業(yè)安全與國(guó)家利益的基石

工業(yè)軟件是維持工業(yè)企業(yè)順暢運(yùn)營(yíng)的重要環(huán)節(jié)，也是我國(guó)制造業(yè)等產(chǎn)業(yè)受國(guó)外長(zhǎng)臂管轄的“卡脖子”環(huán)節(jié)之一。近年來(lái)，出現(xiàn)了多起與工業(yè)軟件相關(guān)的技術(shù)制裁事件，波及了經(jīng)濟(jì)、金融、教育、交通等方面，如針對(duì)我國(guó)特定企業(yè)的CAE、EDA類軟件禁用事件，將多家中國(guó)實(shí)體列入出口管制清單事件、一些高校被禁止使用商業(yè)數(shù)學(xué)軟件MATLAB事件等。此外，為了保障工業(yè)信息安全，防止黑客入侵、病毒擴(kuò)散、系統(tǒng)漏洞、密碼破譯等事故的發(fā)生，亟需提升工業(yè)軟件相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈安全技術(shù)。盡快開(kāi)展包括工業(yè)軟件在內(nèi)的關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)，自主掌握工業(yè)軟件核心技術(shù)能力，才能更好維護(hù)產(chǎn)業(yè)安全和國(guó)家利益。

（二）制造業(yè)邁進(jìn)工業(yè)4.0的動(dòng)力

工業(yè)4.0作為以智能制造為主導(dǎo)的“第四次工業(yè)革命”生產(chǎn)方法[12]，本質(zhì)是通過(guò)信息物理系統(tǒng)構(gòu)建智能工廠，將各類工業(yè)軟件按需嵌入制造流程。CAD、CAE等復(fù)雜度高、綜合性強(qiáng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件，事關(guān)制造業(yè)生產(chǎn)需要，對(duì)于制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)起著支撐作用。發(fā)展數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件，有利于我國(guó)工業(yè)核心技術(shù)領(lǐng)域的自主可控，從而創(chuàng)造穩(wěn)定可持續(xù)的工業(yè)發(fā)展環(huán)境；支持實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0帶來(lái)的諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如高效應(yīng)對(duì)工廠的實(shí)時(shí)信息變化、以數(shù)字化顯著提升監(jiān)測(cè)效率、應(yīng)用由高級(jí)電機(jī)控制的智能機(jī)器人等[13]。

（三）學(xué)科交叉與融合發(fā)展的載體

當(dāng)前，我國(guó)科技領(lǐng)域發(fā)展面臨“瓶頸期”，打破困境的關(guān)鍵舉措之一是促進(jìn)跨學(xué)科、多技術(shù)之間的融合，催生學(xué)科前沿的新發(fā)展形態(tài)。在研發(fā)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件的過(guò)程中，需高度關(guān)注開(kāi)發(fā)工具、算法、軟件工程、交互設(shè)計(jì)等方向的協(xié)同，據(jù)此弱化部分方向出現(xiàn)的“短板”效應(yīng)。例如，為了高質(zhì)量完成一款CAD軟件的自主研發(fā)，需要在企業(yè)層面培育、吸引上述提及領(lǐng)域的技術(shù)人才，在社會(huì)層面營(yíng)造良好的科研和工程環(huán)境[14]。發(fā)展數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件，有利于促進(jìn)計(jì)算機(jī)、機(jī)械工程等學(xué)科的協(xié)同發(fā)展與優(yōu)化布局，也就成為多學(xué)科交叉、多領(lǐng)域融合的良好載體。

三、國(guó)內(nèi)外工業(yè)軟件發(fā)展現(xiàn)狀

（一）國(guó)外工業(yè)軟件發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，國(guó)外工業(yè)軟件在底層開(kāi)發(fā)、界面操作、云端等方面較為成熟，形成了優(yōu)勢(shì)企業(yè)的技術(shù)壟斷格局（見(jiàn)圖1）。在上游，操作系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)工具、中間件主要由美國(guó)品牌主導(dǎo)。在中游，達(dá)索、歐特克等品牌在數(shù)字化設(shè)計(jì)類方向具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，西門(mén)子、霍尼韋爾等品牌在生產(chǎn)制造類方向處于行業(yè)龍頭地位，思愛(ài)普、甲骨文等品牌在經(jīng)營(yíng)管理類方向占據(jù)主導(dǎo)位置。國(guó)外工業(yè)軟件企業(yè)及市場(chǎng)發(fā)展，呈現(xiàn)兩類主要特征：大型軟件企業(yè)持續(xù)開(kāi)展并購(gòu)，占據(jù)著絕大部分市場(chǎng)份額；中小型軟件企業(yè)發(fā)揮專業(yè)化、定制化特色，在細(xì)分市場(chǎng)方向占據(jù)優(yōu)勢(shì)。具體而言，大型企業(yè)依靠前期的技術(shù)和資本積累，制定了實(shí)際上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以“多方并購(gòu)”形式繼續(xù)提高市場(chǎng)份額，如達(dá)索公司基于CATIA產(chǎn)品開(kāi)拓市場(chǎng)，隨后收購(gòu)SolidWorks、Abaqus、Accelrys等軟件品牌；其他企業(yè)采取了“專精特新”發(fā)展道路，以專業(yè)化、定制化的軟件服務(wù)來(lái)靈活適應(yīng)市場(chǎng)需求。

（二）我國(guó)工業(yè)軟件發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的《軟件業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況》及相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[15]，我國(guó)工業(yè)軟件市場(chǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大，以運(yùn)維服務(wù)類工業(yè)軟件的占比最高；2016—2021年工業(yè)軟件產(chǎn)品營(yíng)收從1000億元增長(zhǎng)至近2000億元，平均增速約為16%，明顯高于同期國(guó)際市場(chǎng)增速（約6%）。這表明，我國(guó)工業(yè)軟件市場(chǎng)在規(guī)模方面進(jìn)入了世界前列。根據(jù)《中國(guó)工業(yè)軟件及服務(wù)企業(yè)名錄》及相關(guān)數(shù)據(jù)，有12個(gè)省份的工業(yè)軟件企業(yè)數(shù)量超過(guò)10家（見(jiàn)表1）。北京、上海、廣東、江蘇等省份的企業(yè)數(shù)量超過(guò)100家，分布相對(duì)密集，但其他省份的數(shù)量明顯偏少。工業(yè)軟件企業(yè)的地域分布失衡，必然導(dǎo)致專業(yè)人才分布的差異化，也就加劇了各省份在工業(yè)軟件發(fā)展方面的分化現(xiàn)象。在經(jīng)營(yíng)管理類軟件方向，主要由金蝶、用友等國(guó)產(chǎn)品牌主導(dǎo)，中低端市場(chǎng)基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，高端市場(chǎng)的國(guó)產(chǎn)化率接近40%，整體進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期。在生產(chǎn)制造類軟件方向，主要由中控、寶信等國(guó)產(chǎn)品牌占據(jù)市場(chǎng)；因貼近國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，分散控制系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)等軟件的國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)50%，發(fā)展勢(shì)頭良好。在運(yùn)維服務(wù)類軟件方向，華為、國(guó)電南瑞等國(guó)產(chǎn)品牌在市場(chǎng)上具有引領(lǐng)地位，發(fā)展前景廣闊。然而，國(guó)外品牌在我國(guó)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析等功能軟件的對(duì)外依存度超過(guò)95%，固有的技術(shù)鴻溝難以在短期內(nèi)逾越。在CAD軟件方面，主要有數(shù)碼大方、中望、天河智造、浩辰等品牌；在CAE軟件方面，用于國(guó)防軍工領(lǐng)域的HAJIF軟件、云端CAE平臺(tái)Simright等是代表性的自主可控軟件；少數(shù)企業(yè)在CAD/CAM軟件產(chǎn)品中初步拓展了的結(jié)構(gòu)仿真分析功能。

四、我國(guó)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

（一）前期研發(fā)投入不足，難以縮短固有差距

隨著科技領(lǐng)域貿(mào)易壁壘的增強(qiáng)，較多依賴進(jìn)口的高端工業(yè)軟件面臨“斷供”風(fēng)險(xiǎn)，暴露出數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件應(yīng)用“受制于人”的隱患。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，我國(guó)工業(yè)軟件行業(yè)為了實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新發(fā)展，需要徹底放棄對(duì)進(jìn)口軟件的“拿來(lái)主義”思想，努力實(shí)踐內(nèi)生發(fā)展之路；積極爭(zhēng)取中長(zhǎng)期投入，吸引社會(huì)資源參與行業(yè)發(fā)展，彌補(bǔ)我國(guó)自20世紀(jì)以來(lái)對(duì)軟件研發(fā)投入不足的缺口。在數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件方面，為了穩(wěn)步縮短與國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)近30年的發(fā)展差距，國(guó)內(nèi)工業(yè)軟件公司及研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要克服難度大、周期長(zhǎng)、前期收益低等一系列突出問(wèn)題。不可忽視的是，這類問(wèn)題往往導(dǎo)致工業(yè)軟件企業(yè)難以下定研發(fā)投入信心，疊加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的短視效應(yīng)，明顯阻礙了數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件自主可控的發(fā)展進(jìn)程。

（二）行業(yè)交流合作不深入，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重缺失

基于現(xiàn)階段我國(guó)工業(yè)軟件行業(yè)的發(fā)展環(huán)境，相關(guān)企業(yè)無(wú)法簡(jiǎn)單復(fù)制“先自立門(mén)戶、再陸續(xù)收購(gòu)”的發(fā)展路線。從數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件發(fā)展的整體角度看，需要聯(lián)合行業(yè)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)企業(yè)以協(xié)調(diào)發(fā)展步驟/路徑，減弱“單打獨(dú)斗”的發(fā)展思想。然而，為了保護(hù)代碼等核心資產(chǎn)及潛在利益，相關(guān)企業(yè)之間鮮有交流合作；雖有管理部門(mén)、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)組織過(guò)企業(yè)參與的研討交流，但距離預(yù)期目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。目前，我國(guó)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件行業(yè)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，多由國(guó)外大型工業(yè)軟件企業(yè)主導(dǎo)；但國(guó)外軟件企業(yè)之間也有激烈競(jìng)爭(zhēng)，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)層面并未統(tǒng)一。國(guó)內(nèi)用戶在使用不同企業(yè)的軟件產(chǎn)品時(shí)，程序/數(shù)據(jù)之間難以貫通，顯著增加了軟件使用的“壁壘”效應(yīng)。尚未統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不利于國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)發(fā)展研發(fā)、制造、運(yùn)維一體化的軟件產(chǎn)品；尤其在重大裝備制造領(lǐng)域，直接制約了工業(yè)軟件作用的發(fā)揮。

（三）市場(chǎng)占比失衡，穩(wěn)定客戶難以聚集

從我國(guó)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件的客戶類型分布可見(jiàn)，應(yīng)用市場(chǎng)集中在大型制造類企業(yè)。大型制造類企業(yè)為了提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低研發(fā)成本、控制生產(chǎn)成本，通常優(yōu)選使用成本低、技術(shù)成熟的進(jìn)口軟件產(chǎn)品。這就導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件的客戶市場(chǎng)聚集在中小型制造類企業(yè)。中小型制造類企業(yè)從產(chǎn)品附加值、市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)等角度考慮，往往無(wú)法穩(wěn)定投入使用工業(yè)軟件所需的資金，也就無(wú)法構(gòu)建基于工業(yè)軟件的獨(dú)特產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，相應(yīng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力逐步弱化。大型制造類企業(yè)難以提供數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件的應(yīng)用合作機(jī)會(huì)，中小型制造類企業(yè)又較少依賴數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件。受各類因素的共同作用，企業(yè)自主研發(fā)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件，往往缺失穩(wěn)定的客戶；既造成工業(yè)軟件企業(yè)生存困難的問(wèn)題，還因用戶數(shù)據(jù)不足而難以持續(xù)優(yōu)化工業(yè)軟件，成為工業(yè)軟件行業(yè)發(fā)展受限的直接原因。

（四）底層核心技術(shù)缺失，自主研發(fā)能力不強(qiáng)

當(dāng)前，多數(shù)的數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件底層核心技術(shù)由國(guó)外企業(yè)壟斷；國(guó)內(nèi)一些企業(yè)作為國(guó)外工業(yè)軟件產(chǎn)品的代理商，尚未具備獨(dú)立研發(fā)高端工業(yè)軟件產(chǎn)品的能力。相應(yīng)地，一些企業(yè)軟件產(chǎn)品的底層核心多為國(guó)外企業(yè)的算法與軟件內(nèi)核。工業(yè)輔助設(shè)計(jì)、仿真模擬測(cè)試等工業(yè)領(lǐng)域的核心技術(shù)，不可避免地受制于國(guó)外供應(yīng)。以數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件為代表的高端工業(yè)軟件，開(kāi)展自主研發(fā)主要受限于兩方面：對(duì)于CAE等軟件，除編程技術(shù)要求外，涉及理學(xué)、工學(xué)中的多學(xué)科核心知識(shí)，對(duì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)能力要求極高；功能全面且穩(wěn)定的底層開(kāi)發(fā)平臺(tái)是開(kāi)展工業(yè)軟件自主研發(fā)的前提，這是當(dāng)前缺失的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)。（五）智能化成為發(fā)展潮流，擠壓后發(fā)企業(yè)的生存空間國(guó)外工業(yè)軟件優(yōu)勢(shì)企業(yè)積極轉(zhuǎn)向工業(yè)云服務(wù)、人工智能方向：在工業(yè)云服務(wù)的開(kāi)發(fā)階段，軟件不再是獨(dú)立存在，而是整合各類基礎(chǔ)軟件并提供“軟件+服務(wù)”整體解決方案；人工智能技術(shù)通過(guò)大量學(xué)習(xí)特定領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)果預(yù)測(cè)，為工業(yè)軟件創(chuàng)新應(yīng)用提供了新思路。與此同時(shí)，我國(guó)正處于工業(yè)軟件協(xié)同應(yīng)用階段，尚未轉(zhuǎn)入工業(yè)云服務(wù)階段。在上述革新技術(shù)受到制造類企業(yè)青睞的情況下，國(guó)外工業(yè)軟件優(yōu)勢(shì)企業(yè)進(jìn)一步搶占國(guó)內(nèi)工業(yè)軟件市場(chǎng)，對(duì)國(guó)內(nèi)軟件企業(yè)的整體性自主研發(fā)能力提出了更高要求；軟件客戶的使用黏性削弱，研發(fā)進(jìn)度的上限則受時(shí)間積累和使用經(jīng)驗(yàn)影響。此消彼長(zhǎng)之下，國(guó)內(nèi)軟件企業(yè)的生存和發(fā)展面臨著更大壓力。

五、我國(guó)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件的重點(diǎn)突破方向

（一）結(jié)構(gòu)CAD、CAE、優(yōu)化軟件無(wú)縫集成

CAD、CAE、結(jié)構(gòu)優(yōu)化分別針對(duì)結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)分析、尋找合適的材料分布問(wèn)題而開(kāi)發(fā)[16]，都基于有限元方法，通過(guò)求解結(jié)構(gòu)內(nèi)的數(shù)值響應(yīng)來(lái)分析結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，從而判定結(jié)構(gòu)能否滿足性能需求。為了壓縮開(kāi)發(fā)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段即涉及結(jié)構(gòu)幾何建模、數(shù)值分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化等環(huán)節(jié)，這需要CAD、CAE、結(jié)構(gòu)優(yōu)化之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)障礙傳遞，對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)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(chuàng)建模型消耗大量時(shí)間成本、場(chǎng)變量的連續(xù)性僅為低階、高階分析的節(jié)點(diǎn)數(shù)呈指數(shù)式增長(zhǎng)等問(wèn)題，加之CAD幾何模型與CAE分析模型的構(gòu)造機(jī)理不同、結(jié)構(gòu)的表征數(shù)據(jù)不兼容，導(dǎo)致CAD、CAE、結(jié)構(gòu)優(yōu)化之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)交互繁瑣、幾何特征信息丟失等一系列應(yīng)用不足。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)以結(jié)構(gòu)數(shù)值分析為基礎(chǔ)，基于優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)超輕量、高性能的設(shè)計(jì)目標(biāo)[17~19]，因而有限元軟件集成拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)也是重要趨勢(shì)之一。例如，美國(guó)Altair公司從網(wǎng)格劃分、導(dǎo)入CAE、拓?fù)鋬?yōu)化、后處理等多個(gè)模塊著手，對(duì)每個(gè)獨(dú)立步驟分別進(jìn)行集成操作，初步實(shí)現(xiàn)了上述功能。研究統(tǒng)一的CAD、CAE、結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，發(fā)展具有自主可控核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)數(shù)字化軟件（如等幾何拓?fù)鋬?yōu)化軟件），是突破當(dāng)前主流的數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件生態(tài)的關(guān)鍵方向?；诘葞缀畏治龇椒╗20]（見(jiàn)圖2），通過(guò)非均勻有理B樣條曲線（NURBS）構(gòu)建基函數(shù)，確保結(jié)構(gòu)的CAD幾何、CAE分析模型具有一致性；打破相關(guān)數(shù)據(jù)的交互壁壘[21,22]，建立等幾何拓?fù)鋬?yōu)化的技術(shù)框架。

（二）幾何特征驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化一體化軟件

針對(duì)計(jì)算機(jī)底層的數(shù)值計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合以幾何特征驅(qū)動(dòng)拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)理念、共行幾何一體化優(yōu)化的設(shè)計(jì)理論、等幾何拓?fù)鋬?yōu)化與CAD直接交互技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于幾何特征驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化一體化的工業(yè)軟件。對(duì)于重大裝備的多類型復(fù)雜曲面構(gòu)件，應(yīng)用共形參數(shù)化建模與一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)等理論及技術(shù)[23]，適應(yīng)高承載、低振動(dòng)等性能需求。等幾何拓?fù)鋬?yōu)化用于二維/三維拉脹超材料研究[24]，以NURBS基函數(shù)構(gòu)造兼顧平滑度、連續(xù)性的密度分布函數(shù)，與CAD直接交互，消除幾何誤差，克服求解困難。發(fā)展的基于特征驅(qū)動(dòng)的拓?fù)鋬?yōu)化方法[25]，將一組特定的工程特征通過(guò)相互運(yùn)動(dòng)或變形方式得到拓?fù)錁?gòu)型；從CAD的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，迭代選取與CAD特征模型相關(guān)的幾何變量，從設(shè)計(jì)源頭確保了工程結(jié)構(gòu)的特征屬性。

（三）多體、多態(tài)、多物理場(chǎng)耦合的仿真計(jì)算與分析

隨著計(jì)算處理、數(shù)據(jù)支持等支撐技術(shù)的提升，面向多體、多態(tài)、多尺度乃至多物理場(chǎng)等復(fù)雜耦合模擬分析的新型數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件逐步出現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)耦合仿真的主要形式有：①通過(guò)公開(kāi)的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，串聯(lián)多個(gè)仿真軟件開(kāi)展聯(lián)合仿真，如Dymola平臺(tái)軟件，可基于功能模型接口/功能模型單元來(lái)結(jié)合Simulink、AMESim等十余種建模工具，依據(jù)所屬系統(tǒng)分別進(jìn)行模擬；②通過(guò)數(shù)個(gè)仿真模塊實(shí)現(xiàn)單系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真，如COMSOL不斷集成結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁等分析功能，形成了包含30多個(gè)附加模塊的多物理場(chǎng)仿真能力。發(fā)展上述耦合仿真功能工業(yè)軟件，本質(zhì)上需要深入開(kāi)展基于多學(xué)科交叉理論的研究。分析不同系統(tǒng)之間相互作用的多物理場(chǎng)，提升描述上述現(xiàn)象的偏微分方程求解精度，削減主觀條件影響，使得仿真結(jié)果良好反映客觀規(guī)律。

（四）工業(yè)軟件云端化、用戶可定制化

基于云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)形成的軟件即服務(wù)（SaaS）逐漸成為軟件企業(yè)的主流經(jīng)營(yíng)模式[3]。SaaS是通過(guò)云服務(wù)向用戶提供軟件使用的新興方法，供應(yīng)商負(fù)責(zé)構(gòu)建企業(yè)信息化所需的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、軟硬件運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，承擔(dān)預(yù)實(shí)施、后期維護(hù)等服務(wù)。企業(yè)無(wú)需建立機(jī)房、購(gòu)買軟硬件，而是直接通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)使用信息系統(tǒng)；結(jié)合自身需求，向SaaS供應(yīng)商租賃軟件服務(wù)，登錄網(wǎng)絡(luò)后即可在設(shè)備上使用相關(guān)工業(yè)軟件。工業(yè)軟件企業(yè)發(fā)展SaaS服務(wù)，要在保持優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域持續(xù)領(lǐng)跑的前提下，按模塊、按精度合理拆分軟件到各個(gè)子程序，以滿足各類客戶的使用需求。目前，已有部分企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)基于SaaS應(yīng)用展開(kāi)，如國(guó)外的Predix工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、從數(shù)字化到自動(dòng)化的一體化解決方案等，國(guó)內(nèi)的美云智數(shù)工廠仿真軟件、船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)管理一體專用化軟件平臺(tái)等。

（五）引入算法策略，支持計(jì)算機(jī)異構(gòu)并行

在設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，高精度結(jié)構(gòu)幾何表征模型的缺失，導(dǎo)致CAE分析精度偏低，帶來(lái)了后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的收斂性差、不易尋求可行設(shè)計(jì)解等問(wèn)題。引入模型降階、收斂加速等算法策略，針對(duì)性解決求解耗時(shí)、算法運(yùn)行效率低下、計(jì)算架構(gòu)僵化、綜合使用成本過(guò)高等問(wèn)題。發(fā)展適應(yīng)中央處理器/圖形處理器異構(gòu)并行架構(gòu)的等幾何拓?fù)鋬?yōu)化軟件，實(shí)現(xiàn)底層算力的靈活擴(kuò)展和高效運(yùn)用。

六、我國(guó)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件發(fā)展建議

（一）梳理細(xì)分領(lǐng)域，精準(zhǔn)制定行業(yè)扶持政策

針對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件前期研發(fā)投入不足的實(shí)際問(wèn)題，建議把握工業(yè)軟件的類型特征、研發(fā)周期、技術(shù)難易等行業(yè)要素，據(jù)此研究制定扶持政策；從高端人才引進(jìn)、研發(fā)團(tuán)隊(duì)壯大、企業(yè)運(yùn)營(yíng)順暢等維度，找準(zhǔn)扶持政策的著力點(diǎn)，提高政策的實(shí)施成效；同步完善產(chǎn)業(yè)投資基金、協(xié)同研發(fā)平臺(tái)等配套服務(wù)體系建設(shè)。建議地方管理部門(mén)將工業(yè)軟件列為獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)類別，發(fā)布區(qū)域性扶持政策，促進(jìn)特色工業(yè)軟件、細(xì)分領(lǐng)域應(yīng)用等的布局與優(yōu)化。例如，與工業(yè)和信息化部推進(jìn)的智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)目相配套，進(jìn)一步規(guī)劃工業(yè)軟件核心技術(shù)、垂直行業(yè)應(yīng)用等具體發(fā)展內(nèi)容，實(shí)質(zhì)性改善國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件的研發(fā)與應(yīng)用環(huán)境。

（二）促進(jìn)軟件企業(yè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，制定國(guó)內(nèi)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)國(guó)內(nèi)工業(yè)軟件企業(yè)之間合作不深的問(wèn)題，建議地方管理部門(mén)發(fā)揮牽頭組織作用，引導(dǎo)大型工業(yè)軟件研發(fā)企業(yè)在工業(yè)制造、基礎(chǔ)學(xué)科、軟件工程等方向開(kāi)展意向交流，以定向扶持等形式引導(dǎo)跨企業(yè)的工業(yè)軟件技術(shù)合作。建議國(guó)內(nèi)工業(yè)軟件優(yōu)勢(shì)企業(yè)積極合作，率先開(kāi)展四類工業(yè)軟件的產(chǎn)業(yè)體系標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。保證工業(yè)軟件產(chǎn)品數(shù)據(jù)格式的一致性，以互聯(lián)互通提高不同產(chǎn)品數(shù)據(jù)的兼容性，提高國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件綜合集成的應(yīng)用水平，緩解工業(yè)軟件企業(yè)的低層次競(jìng)爭(zhēng)，驅(qū)動(dòng)行業(yè)發(fā)展的高端高值化。

（三）給予定向扶持，拓展中小型企業(yè)客戶市場(chǎng)

針對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件缺失穩(wěn)定客戶的問(wèn)題，拓展工業(yè)軟件在中小型制造類企業(yè)的應(yīng)用規(guī)模是適宜的突破口。建議地方管理部門(mén)發(fā)布扶持政策，緩解中小型制造類企業(yè)應(yīng)用工業(yè)軟件資金匱乏的現(xiàn)狀，促成中小型制造類企業(yè)提升核心競(jìng)爭(zhēng)力、工業(yè)軟件企業(yè)拓展市場(chǎng)規(guī)模的共贏局面。還可引導(dǎo)工業(yè)軟件企業(yè)提供區(qū)域性、細(xì)分行業(yè)性的優(yōu)惠應(yīng)用措施，策略性擴(kuò)大客戶規(guī)模，為優(yōu)化工業(yè)軟件產(chǎn)品、把握新興市場(chǎng)需求確定基礎(chǔ)條件。積極營(yíng)造中小型制造類企業(yè)增強(qiáng)國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件認(rèn)知與應(yīng)用的社會(huì)氛圍，鼓勵(lì)企業(yè)用戶發(fā)掘工業(yè)軟件在成本控制、效率提升、質(zhì)量改進(jìn)等方面的中長(zhǎng)期收益；吸引中小型制造類企業(yè)主動(dòng)增加工業(yè)軟件產(chǎn)品的應(yīng)用投入，為國(guó)產(chǎn)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件的整體性提升創(chuàng)造條件。

（四）完善人才培育機(jī)制，聚集高端研發(fā)人才

針對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件底層核心技術(shù)自主研發(fā)能力不強(qiáng)的問(wèn)題，堅(jiān)持技術(shù)發(fā)展的正向思維，積極培養(yǎng)并留住高技術(shù)人才，再由人才來(lái)筑牢行業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)。高質(zhì)量實(shí)施“新工科”建設(shè)等高校學(xué)科改革方案，批量培養(yǎng)兼具工業(yè)領(lǐng)域知識(shí)、信息技術(shù)知識(shí)的復(fù)合型人才。建議地方管理部門(mén)發(fā)布高層次人才專項(xiàng)政策、高校畢業(yè)生及專業(yè)技術(shù)人員當(dāng)?shù)亓粲谜撸龠M(jìn)高校培育軟件編程與多學(xué)科基礎(chǔ)能力兼?zhèn)涞娜瞬抨?duì)伍，緩解工業(yè)軟件行業(yè)從業(yè)人員的待遇保障問(wèn)題。鼓勵(lì)工業(yè)軟件企業(yè)制定股權(quán)分配、股票期權(quán)等激勵(lì)方案，激發(fā)專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)的積極性以形成長(zhǎng)期主義思想。引導(dǎo)工業(yè)軟件企業(yè)加強(qiáng)行業(yè)自律、工業(yè)軟件研發(fā)人才合理有序流動(dòng)，避免惡性競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的行業(yè)人才流失、行業(yè)發(fā)展?jié)摿p耗。從培養(yǎng)人才到留住人才再到用好人才，以各環(huán)節(jié)的理性行動(dòng)來(lái)支持國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件底層核心技術(shù)攻關(guān)。

（五）深化基礎(chǔ)研究，發(fā)揮國(guó)內(nèi)創(chuàng)新市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)

針對(duì)國(guó)內(nèi)數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件企業(yè)受到相關(guān)國(guó)際企業(yè)智能化技術(shù)擠壓的問(wèn)題，建議國(guó)內(nèi)企業(yè)從具備比較優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品方向著手，積極融入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的應(yīng)用生態(tài)體系。工業(yè)軟件企業(yè)應(yīng)追求“縱向”深入，建立自身優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域的底層研究能力，再由工程實(shí)際應(yīng)用來(lái)完善工業(yè)軟件產(chǎn)品的成熟度；將工業(yè)軟件優(yōu)化算法與行業(yè)積累的管理規(guī)律相結(jié)合，發(fā)展本質(zhì)安全可靠、聚焦市場(chǎng)需求的工業(yè)軟件，據(jù)此打破國(guó)際工業(yè)軟件企業(yè)的“頭部效應(yīng)”、先發(fā)優(yōu)勢(shì)。相較國(guó)外數(shù)字化設(shè)計(jì)類工業(yè)軟件企業(yè)從大型軍民裝備應(yīng)用起步的發(fā)展路線，國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)探索出具有自主特色、以新興領(lǐng)域應(yīng)用為先的發(fā)展道路。發(fā)揮國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的規(guī)模優(yōu)勢(shì)，積極探索與物流、電動(dòng)汽車等優(yōu)勢(shì)行業(yè)的合作方式，提供優(yōu)質(zhì)的工業(yè)軟件定制化服務(wù)，支持客戶構(gòu)建產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；穩(wěn)步積累行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)并形成特色技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而快速縮小工業(yè)軟件行業(yè)的后發(fā)劣勢(shì)。

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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(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 武漢制信科技有限公司