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工业软件简史-电子书下载

简介

空气没有形态,却对生命不可或缺。对于制造业来说,工业软件恰如空气,无形、无界、泛在且至关重要。本书以工业软件最重要的三类工具软件CAD、CAE和EDA为重点,兼述千差万别的行业工业软件,展现工业软件的发展逻辑,以及工业软件与制造业相伴相生而少为人知的独特形态。这里既有工程师创业家的英雄主义,也有资本的饕餮盛宴,以及政府精心设计的扶持体系,还有不露声色的企业用户反哺效应。
当前,工业软件得到了各界人士的高度重视,回归到它应有的战略位置。本书语言活泼灵动,视角独具一格,以故事化的叙事体系,全方位解析工业软件及其发展特点。它提供了一个俯瞰万山众相的角度,适合所有关注工业软件和数字化制造的人阅读。

作者介绍

林雪萍,北京联讯动力咨询公司总经理、上海交通大学中国质量发展研究院客座研究员、天津大学兼职教授、南山工业书院发起人。从事全球产业观察与企业技术战略研究,长期跟踪全球先进制造、制造创新模式和数字化转型。已编著《灰度创新:无边界制造》《美国制造创新研究院解读》《智能制造术语解读》《工业互联网创新之路》等图书,并在《哈佛商业评论》《瞭望周刊》发表多篇文章。主持深耕智能制造的微信公众号“知识自动化”和面向工业观察的微博头条“南山林雪萍”。

部分摘录:
工业软件的骨架 1.1 举起概念之槌 工业软件是一个什么样的范畴?
回答起来很难。没有人能够完全梳理清楚工业软件的概念,每一种国民经济分类,都与大量工业软件筋脉相连。正因为如此复杂,很难给出一个完整、清晰的边界。如同在一头巨象面前,每个人都只能摸到庞然大物的一些局部。
工业软件的定义一向宽泛,而且歧义很多。一种常见的看法是,只要是在工业活动中使用的软件,都可以算在其中。这意味着对工业软件的范畴很难进行单纯的描述。但这种泛化的认识,容易混淆工业软件之间的差异。像甲骨文(Oracle)、Salesforce这样的软件公司巨头,尽管很难被替代,但如果下狠心,总是有办法的。正如银行领域的去IOE(去除以IBM小型机、Oracle数据库和EMC存储设备为代表的IT基础体系,这三个海外巨头从软硬件上垄断了商业数据库领域)一样,也许两年不行,五年总可以,这是一个靠决心和狠心可以在相对短期内解决的问题。大家已经可以看到华为、阿里巴巴等公司的努力,无论是在服务器还是数据库和操作系统方面,中国的自研产品正在起到替代国外产品的作用。但是,如果想要替代诸如Ansys、Synopsys这类大型工业软件,靠瞬间的决心和狠心是没有可能的,即使乐观一点,花上十年八年的时间恐怕都很难实现替代。
这让我们意识到,工业软件的定义范畴不能太宽泛。因为太大的突击面,即使投入大量资金和努力,也收效甚微。就像小小的图钉,相同的压力,只有聚焦在小面积上,才能产生破除障碍的效果。对于中国的工业软件,只有收缩并聚焦受力面,才能产生更大的突破性进展。
按照美国埃士信咨询公司(IHS)的软件分类,大类别有18种。其中与中国的工业软件最接近的,是“工程和科学软件”,用来支持工业和项目活动的工程和科学过程。按照IHS数据库统计,大概有5 000多家工业软件供应商,提供了近2万多种不同的工业软件。实际上,大量的工业软件尚未在收录之中,因此实际数量要远大于此。
IHS公司的分类只是一个参考。在中国,“工程和科学”都有特别的含义,因此这种概念并不能照搬过来使用。理想中的工业软件,需要跟机器、工艺、材料等紧密结合在一起。因此姑且划分出两个大类,将工业软件分为工业管理学软件和工业物理学软件。这样的划分,是为了将管理类的软件与其他软件区分开来,并让后者保留工程科学计算的基因。这里的“物理学”,并非指狭义“物理学科的科学”,而是指“物理实体的科学规律”,因此也包括化学、生物学等。本书将主要讨论这类软件,而企业资源计划(ERP)、供应链管理(SCM)、客户关系管理(CRM)等工业管理类软件,就不再作为本书的重点。
在推动制造业发展的历史进程中,国外学者也曾经对“制造”的定义有过困惑。曾经有一种定义认为,“掉下去能砸到脚的东西,那就是制造”。尽管这种定义也不够准确,但“砸到脚”这种传神的比喻,非常形象地描述出“实体经济”的蓬勃气息。而对“工业物理软件”的描述,也希望能起到这样一种区分的作用。
工业物理学软件,可以按照企业的业务流程进行分解,大致可以分为厂房设计、产品研发设计(包括实验室)、制造过程和产品服务等四大过程。
产品服务往往与嵌入式软件有密切关系。嵌入式软件是跟终端设备密切捆绑的一类软件,通常随着产品被一起销售出去。随着智能产品的快速发展,机械产品与电子设备的融合越来越强,因此嵌入式软件市场也在高速增长。据统计,2020年中国嵌入式软件市场规模达到1 000亿元。就销售额而言,华为、海尔、南瑞、中车等都是领头羊企业。这类软件的行业跨度很大,而且已经与机、电、液压等融合在一起,因此并非独立销售的产品。
很多自动化产品也都有大量与硬件相捆绑的嵌入式软件,这类产品被称为嵌入式系统。像制造业中最常见的控制系统PLC,就是一个嵌入式系统。其中,嵌入式操作系统最引人注目。人们对安卓、ISO等消费者级操作系统已经很熟悉,而工业级操作系统则主要有美国风河的VxWorks、加拿大的QNX、开源的Linux系统,以及中国翼辉的SylixOS等。与消费者级操作系统最大的不同是,工业级操作系统需要很强的实时性、可靠性和对恶劣环境的适应性。操作系统之下是硬件,上面是中间件和应用软件。应用软件与行业密切相关,也最丰富多彩。美国风河公司的起家,与美国国家航空航天局密切相关,并在发展中逐渐渗透到军工、网络通信、工业控制等领域。随着边缘计算和泛在连接的发展,嵌入式操作系统可以更好地实现边缘智能和机器端决策。嵌入式软件是高端装备的重要组成部分。全球最大的军火商洛克希德·马丁有时也被看成是工业软件巨头,就是因为它制造的军机、导弹等也装备大量的嵌入式软件。但对外单独出售成熟软件,却并不是这类企业的商业模式。因此从独立性和商业性的角度出发,嵌入式软件也不作为本书的研究对象。然而,在开发汽车、家电、医疗器械等产品的嵌入式软件的时候,却需要大量的研发工具软件,这些则是本书的重点。
看到“图1-1 工业软件全景示意”,有些读者难免会产生质疑。因为要在一张图上,既反映出工业软件的全貌,又要做到科学性,真的是太难了。就像在北京这座千年古都中观光旅游,如果要用两日游就完成旅途,那只能是个别看实景,大部分靠地图,仅仅收获一个大致印象和些许的历史牵挂。因此这张工业软件图取名“示意图”,也是期冀给大家提供一个轮廓,多一个视角来看待复杂斑斓的工业软件世界。在行业应用实践中,不能完全按图索骥。
图1-1 工业软件全景示意
1.2 基础设施建设中的魅影:工厂设计 工厂的设计,离不开软件。厂房建设以及设备安置与民用建筑有所类似,但仍有很多不同之处,需要使用独特的软件来完成。有一类是专门面向建筑、工程设计和施工(AEC)的三维设计软件,包含了建筑、结构、水暖电等;还有一类软件是面向专业的领域,如石油化工、电力和海事(PPM)等。面向AEC领域的软件,一般用来设计民用建筑、基础设施,以及工厂的建筑和结构;而面向PPM的软件则需要考虑大面积的管道、反应容器等。
历史上,用于建筑设计的计算机辅助设计(CAD)软件,尽管曾经与工业制造品的同伴裹挟在一起,但后来走向了不同的道路。只有少数软件公司会同时兼具设计建筑和设计工业品的业务。在智能制造的一些场合,它们也会偶尔相遇。
工厂设计是一个复杂的系统工程活动,其核心是对生产设施支持系统的保障。它包含了对生产空间、物料流动、人与设备的关系等布局。
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CAD软件在机械领域的发展从巅峰步入平缓(大约在2000年左右)后的新一轮崛起。这一次,CAD软件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软件植根于图形,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CAD软件开始出现。挥舞“结构件”大旗的Revit软件,一改机械CAD软件里面的点线面结构,实现了参数化设计,在建筑行业异军突起。[1]这里要提到在1988年以“参数化建模”而彻底改变机械CAD软件的美国参数技术公司(PTC)。是的,尽管一鸣惊人的美国参数技术公司未能在建筑领域建树权威,但从该公司出走的高管人员,以同样的思路创造了新锐的Revit软件[2],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,订阅制目前已成为许多CAD软件的主流。当然,抵制也是存在的。即使在2020年,Revit软件仍受到了欧洲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软件时代迅速崛起的美国欧特克公司(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软件市场最大的装机量优势,欧特克公司在BIM领域也无法站稳脚跟。应该是注意到了BIM崛起的势头,欧特克公司在2002年收购了Revit软件,并在同年推出BIM白皮书。这个早在20世纪70年代学术界提出的概念,终于在市场端发扬光大。但欧特克公司有意将BIM锻造成独家“概念之锤”的趋势——实际上这是一场国际学术口水官司,欧洲人认为是他们最早创建了这种软件。[3]随着物联网时代的到来,数字孪生的概念日趋走红,BIM这个概念的意义则被大幅削减。这也许会使得很多建筑CAD软件厂商能松一口气,不必笼罩在“BIM由谁首创”这个命题之下。迄今为止,全球BIM建模软件有70款之多,常用的有25款。[4]
图1-2 CAD软件面向的领域
建筑设计CAD软件的最早发展,得益于美国对于建筑标准化的推进,使得面向建筑、工程设计和施工的软件快速发展。美国鹰图软件公司(Intergraph)在该领域的建树,最早是由美国一个城市建立数字地理空间的项目而形成。欧特克公司推动建立了国际互操作联盟,将美军的军用装备设计格式标准STEP引入建筑设计领域,并力推BuildingSmart格式标准。这似乎是一种全球建筑设计软件格式标准的新霸权,欧洲市场对此反应激烈。德国的Nemetschek集团并购了匈牙利Grahpisoft公司的ArchiCAD软件,一直以来都是Revit软件的竞争对手。Nemetschek集团经历了大量的并购发展,最终建立了与美国相抗衡的开放建筑信息模型(OpenBIM)体系。这段争斗的历史,反映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。德国这家建筑设计软件巨头,旗下如今已经累积了16个BIM软件品牌,其中ArchiCAD名气最大,并在中国建筑设计方面具有很大优势。一点都不意外的是,这款BIM软件最早是由一批匈牙利的建筑师与数学家一起合作开发的。后文我们将看到,软件的起源,总是与数学有很好的绑定。
每个软件都会有自己的独特定位。比利时的BricsCAD软件以轻巧取胜(已被海克斯康公司收购)。芬兰的Tekla则是一家从事专业钢结构软件研发的公司,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研发能力而形成特色,也使得它可以在BIM市场找到自己的一席之地。达索系统的BIM,虽然是后起之秀,但也找到了一种进入市场的方法。普通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,将颗粒度进一步细化,进入了可以制造的层面,在特别复杂的建筑中可占据一席之地,如助力将北京大兴国际机场建设成为一个人居体验的艺术品。大兴机场的顶部大双曲玻璃有8 000多块,每一张都是独一无二的。达索系统的BIM软件能贯穿到底,从前端设计到后面的生产施工可以自动切换,驱动弯管机或切割机直接加工出料件。
基于原有机械CAD软件内核开发的BIM软件,整体而言在市场上是胜少败多,它们往往被用于特殊的场合。铿利科技(Gehry Technologies)基于Catia进行二次开发而形成的行业应用Digital Project,发展成了建筑设计轻量化SaaS(软件即服务)端应用。在2014年,这家公司被美国天宝公司(Trimble)收购。作为全球最有名的高精度卫星导航定位系统商,天宝公司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公司持有它的股份。天宝公司收购谷歌旗下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。从近年来的布局看,这也是它进入工业物联网领域的关键战略之一。
依托建设管理部门对于标准的要求,中国面向建筑、工程设计和施工的软件也有了较快发展。尽管在BIM的核心建模软件方面仍然落后,但在其他方面也算是有所斩获,如构力科技(PKPM)、盈建科、广联达、品茗、苏州浩辰、博超等公司的软件。面向结构分析的PKPM软件,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%左右的市场。后来该软件的主要开发人在离职后创建了盈建科软件公司,在土木工程结构设计软件市场中迅速崛起,并于2021年初在深圳证券交易所成功上市。
在工厂设计方面,位于郑州的机械工业第六设计研究院一度有着很好的发展机会。其开发的工厂设计的JJ软件包,在20世纪90年代非常活跃。它收集了当时几乎所有机床厂家的设备数据库,其中包含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。可惜的是,与当时很多冉冉兴起的国产软件一样,它慢慢失去了更新的能力。这再一次表明软件的特点,即它是一个慢步长跑的事业。就算是能够靠集中攻关得到它,如果后续没有持续更新能力,它仍不会有前景。软件,需要持续地使用,常用才会常新。
在工程造价预算方面,中国的软件有着独特的优势。除了鲁班软件公司之外,广联达科技公司也表现突出,呈现了类似国外成熟软件公司所具有的特性,那就是对并购的偏爱。广联达科技公司最新的一次收购,是在2020年以4.08亿元现金收购了以设备模型见长、建立在Revit平台基础上的洛阳鸿业软件。作为新兴的地理信息系统与电网信息模型(GIM)的结合,主打轻量化的上海葛兰岱尔近来也崭露头角。可以说,在中国工业软件中,面向AEC的软件算是跟随国外品牌跑得最接近、咬得最紧的一个领域。
在建筑、工程设计和施工(AEC)之外,工厂的设计,尤其是石油化工、电力和海事(PPM)等领域的基础设施设计,属于非常专业的范畴。建筑、工程设计和施工行业的供电、通风、土建以及给排水等设计,在石化、电力和海事等领域却只是一个开始。例如,在石化、电力、制药等行业,需要装备无数个大块头的反应釜和弯弯曲曲的管道,因此安全、控制都非常重要。于是,面向工厂设计的软件,就成为一个独立的分支。这其中的佼佼者包括AVEVA的工厂设计软件PDMS,以及美国鹰图软件(已经被海克斯康公司收购)。与面向AEC的软件更偏重于土建相比,面向PPM的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等。
AVEVA公司最早起步于20世纪60年代英国剑桥大学CAD中心的项目,这也证明了英国大学与CAD软件、CAM软件的广泛联系。政府拨款的软件项目在结束之后孵化出商业软件,这是相当常见的发展路径。AVEVA公司软件的发展与机械CAD软件的发展,一开始并无差别。二者直到1977年才开始变得迥然不同。这一年,工厂设计管理系统软件成为一个划时代的产品。更准确地说,它开创了一个全新的软件分支。然而,这样的创新成果,在商业化的过程中还需要与另外两家美国企业分享。
美国鹰图(Intergraph)和本特利(Bentley MicroStation)是一对天生的冤家。鹰图公司有着CAD软件活化石的声誉,它是20世纪80年代的五大CAD软件厂商之一,其他四家都随着硬件产品与软件的分离而消失或者被收购。鹰图最早是从事印刷电路板(PCB)设计,后来借美国城市的地理数据化项目进入AEC领域。1981年,它与一家工程公司合作开发出工厂设计管理系统,并使之成为业内的一个常青树产品。
本特利是一个与之平行交织的故事。鹰图公司当时最重要的一个客户是杜邦化工公司,基思·本特利(Keith Bentley)正是天天使用这个软件的杜邦工程师。也许是感觉这样一个软件过于复杂,于是他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。该公司推出的MicroStation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,低成本一向是促使行业产生变局的重要标志,MicroStation很快就抓住了个人计算机开始普及的机会,从小型机市场果断撤出,进入了个人机市场。[5]与Autodesk、PTC、SolidWorks等机械CAD软件抓住了硬件变迁的浪潮一样,MicroStation也获得了时代对于创新者的嘉奖。经过复杂的变迁,它与鹰图发展成为最主要的竞争对手。再加上AVEVA,它们基本成为流程、电力、造船等行业最重要的三个工厂设计软件玩家。但时代进化也会产生裂痕,猛龙也会被吞噬。鹰图公司在辉煌时期经历了与英特尔公司复杂的官司诉讼,加上战略判断失误,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。AVEVA则在2018年被施耐德电气反向收购。至今,这三家公司之中,只有本特利保持了独立的发展。
鹰图在后期也一度在电子设计自动化(EDA)领域进行耕耘,并最终将相关部门卖给了当前依然活跃的三大EDA软件商之一的楷登电子(Cadence)。这给人一种印象,一个集成电路板,似乎就是另外一座庞杂的建筑而已。其中布满各种微弱电流往返的超微通道,与北京、上海等城市的道路似乎并无不同。这种视角,能让我们更好地理解,为何工业软件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。鹰图公司不仅仅开发了厂房设计、电子设计自动化软件,在机械CAD软件市场也大有斩获。值得一提的是,这家公司是中端三维CAD软件Solid Edge的创立者。该软件现在成为西门子公司旗下的产品,品牌依然活跃。
需要考虑行业特性的管道设计软件,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,进入了工厂设计软件。世界变得复杂了,软件也同步跟进。人们看待世界的颗粒度,可以由软件固化。无论是精细的生物结构,还是宏大的宇宙空间,软件都能用伸缩自如的尺寸予以呈现。工厂设计,涉及厂房、机器、管道,需要实现智能建造。如果希望工厂建好之后,管道里的液体流动与想象中一样的安全稳健,那么就需要在实际安装之前,洞察管道液体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是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,一遍又一遍却不走样。
国内这方面的软件,与机械CAD软件有些类似,在设计端相对较弱,较难进入设计院。这个市场基本被前面提到的几个品牌产品所垄断。
但也有新的机会出现。数字化交付,让这个市场重起波澜。以前的设计、施工方、主机厂等都是各管一方,前后跨度很长时间,又经过多方交接,最终业主接手的时候,一切都是以文档作为交付物。当设计院完成工艺设计和工厂模型设计之后,软件工具设计的三维数字化空间,重新降级,以图纸文档的方式,进入建造方。在多种现场的更改(往往也不再通知设计院)之后,整套资料以卡车为单位,一卡车一卡车交到运营方手中。这中间涉及大量的数据断点,成为石化行业最头痛的“数据黑洞”。
这给国内一些做模型重构的软件公司如达美盛、中科辅龙、图为、绥通等,留下了重新打穿数据通道的机会。如果能够建立一个数字化集成平台,将设计、采购、施工、调试等阶段产生的数据、资料、模型,都以标准数据格式提交给业主,将是一种完美的交付方式。这就是工厂的数字化交付。达美盛软件公司采用了构建数字流道的方式,从最初的源头开始规范数据的形态,并且将工程建设过程中产生的对工厂运维有用的信息(三维模型、文档、数据、图片、音频等)收集起来,并建立彼此之间的关系,方便业主用户在运营期间使用。
数字化交付平台是一个数据容器,它让业主建立起驾驭项目早期的能力——这块能力以前往往并不完整。借助于数字化交付平台,业主建立跟设计院对等的数字化工具能力,接收最早的3D模型和设计意图。设计院和工程公司,则需要提供合乎标准、有一定深度的3D模型。对于施工方而言,数字化交付平台可以与项目管理软件连接,保存了施工现场的细枝末节——很多更改操作对后来的运营至关重要。至于设备方主机厂,则可以提供设备参数、运行工况等。即使是试运行的试验数据,也会提交到平台上。在数字化工厂应用中,工业软件还可以将运维实现三维可视化,将人员定位、现场传感器数据、控制系统等都快速接入系统,并连入中控室。工业现场的数据被激活,信息流变得透明起来。
做数字化交付平台的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能力。毕竟,就像在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。
在中国基础设施建设狂飙猛进的背后,有一个国内市场特有的三边工程现象,即边设计、边采购、边施工。三边工程虽然备受争议,却屡见不鲜。这一方面与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。数字化技术,正在扭转这样的局面。那些被切断的数据,正在被重新连接。
当前,石油化工、煤化工等行业都正在尝试推进工厂资产管理,设备数字孪生的建立是首当其冲的任务。它往往需要以工艺特性为基础,建立高保真的物理模型。在这背后,正是依靠数字化交付作为一个全生命周期的支撑。
长江从青藏高原唐古拉山脉出发,一路向东,奔向大海。可以有分叉,可以有快有慢,但不曾中断。这似乎是一个数字化企业的数据流的隐喻。数据流就像是长江,从设计源头,一直到最后业务期,不曾中断。数字化交付正在成为这条河流的河床,数据由此能前后连接,这让人们重新找到了对抗数据黑洞的希望。
工业软件,总是隐藏得很深。宏伟的厂房,令人仰视。背后的工业软件,经常被一笔带过,甚至无人知晓,但它却是人类知识最好的传承。造物者的本意,由软件实现了精准复制。

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