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控制軟件

中國工業軟件企業發展現狀與瓶頸突破梯度

  2020年04月24日  

  當今中國的工業產能、工業出口規模已經領先世界,中國制造業增加值占到了全球份額的28%以上,在聯合國劃定的所有工業門類和細分領域(41個工業大類,191個中類,525個小類)當中,中國企業都已是重量級玩家。可是中國工業企業要真正進入世界,至今仍面臨一個繞不過去的關鍵短板——工業軟件。

  可能很多人不知道,中國現在最大的工業軟件公司是華為技術。即使華為如此強大,設計產品時也要用三家美國公司Synopsys、Cadence、Mentor提供的EDA(電子設計自動化)工具。芯片設計極其復雜,里面幾十億的晶體管,EDA工具的極限設計精度是無可替代的。

  工業軟件絕不是一般的IT軟件,更不是一般互聯網公司可以涉足的。僅就代碼行數而言,世界上最大的軟件公司不是微軟,不是 SAP,而是全球最大軍火商洛克希德·馬丁公司。去掉制造業的表皮,剩下的核心技術就是工業軟件,包括編程、數據建立分析、設備驅動、程序更改、傳感器應用等全要依賴軟件技術。近年,德國西門子、美國GE、法國施耐德為了維持傳統壟斷地位,使勁并購工業軟件公司。比如2016年11月,西門子就是以45億美元收購了全球三大電子設計自動化軟件EDA之一的Mentor。

  目前進入中國工業領域的重要工業軟件,包括研發類的CAD、CAE、CAM、CAPP,信息管理類的ERP、CRM、HRM,以及生產控制類的MES、PCS、PLC,總共占比接近40%。另外60%主要是嵌入式軟件(嵌入特定設備的專用軟件),因為工業企業對工業智能終端、工業傳感器、工業自動化裝備需求巨大。

  工業軟件企業是各個工業領域的一流公司,是長期積累的工業知識、訣竅的寶貴沉淀,而非IT的產物。時至今日,幾乎每一件工業品的出產、每一臺工業設備的運行,都是先存在于工業軟件的數字世界中,然后才有實體的產品和運行。

  可以這么說,我國工業發展的最大瓶頸就是工業軟件,而工業軟件企業的發展瓶頸也會成為下游工業企業極大的掣肘因素。比如中國核電技術已經是世界一流,國產“華龍一號”核電系統已經整體推向世界。可是業內人士透露:“如果德國西門子現在對中國民用核工業領域禁用NX軟件(西門子公司提供的產品工程解決方案),將是一場災難——所有用NX軟件設計的模型、生產制造過程的管理,都將被中斷,整個產業將受到巨大影響,甚至無法正常運轉。”

  為何中國工業軟件企業目前難當大任,實現替代?通過分析工業軟件公司的發展現狀和面臨瓶頸,可以找出答案。

三個尷尬現實

  至今,“中國制造”仍被認為是大而不強,那么,具體是哪里“不強”?工業軟件長期未能實現自主可控,這是未來產業升級繞不過去的最大弱點。目前看來,中國工業軟件企業至少面對三個尷尬現實:

工業軟件是中國工業企業“短板中的短板”

  現今,中國工業體系當中產生的很多優勢技術、優勢產業開始競逐全球市場,但是,國內更多關注哪些短板要補?集成電路、數控機床、工業軟件,已經是亟須突破的三大短板。

  國內數控機床和集成電路已經有了不小的創新突破,中國機床產業至少在規模上是世界第一,華為海思設計的很多芯片產品也是世界一流水準,唯獨國產工業軟件(尤其是計算機輔助設計CAD、仿真軟件CAE、輔助制造CAM、電子設計自動化EDA),依然落后國際最高水平30年以上。國產工業軟件原本起步不晚,20世紀90年代中期甚至占有國內市場25%的份額,可是,現今急劇萎縮到5%左右,技術和規模都沒有優勢。甚至有人認為,工業軟件是中國企業30年唯一沒有多少進步的工業細分領域。

  根據賽迪顧問與中國工業軟件產業發展聯盟近年的研究數據,中國工業軟件公司普遍的營收規模集中在1億--100億元這個區間內。各個工業細分領域都有相對應的軟件公司存在,而且分布平均,但幾乎沒有接近世界一流水平(技術、規模)的國產工業軟件企業出現。

中國工業軟件企業數量不少,但完全沒有行業主導能力

  曾經有人發問:為什么芯片設計與制造、數控機床、汽車、機器人、激光、兵器、航空、航天以及鈑金、模具、機械制造等各個工業領域,中國企業用于設計、加工、分析的工業軟件,幾乎都是歐美產品,這些關鍵領域的國產軟件公司幾乎沒有聲音?

  CAD研發設計領域,法國達索、德國西門子、美國PTC以及美國Autodesk公司在中國市場的份額超過90%,國內數碼大方、中望軟件、山大華天等只有不到10%的市場份額,神舟航天、金航數碼也僅僅在軍工航天領域擁有一定市場份額。CAE仿真軟件領域,美國公司ANSYS、ALTAIR、NASTRAN占據的市場份額超過95%。目前,在汽車研發、建筑CAD領域,中國工業軟件企業開始向國際對手發起沖擊。

  生產管理領域,德國SAP與美國ORACEL公司占有高端市場的90%以上,國內的用友、金蝶大概只能占據中低端市場的80%左右。德國SAP公司現今的營收水平達到250億歐元上下,超過國內同行用友網絡15倍以上。生產控制領域,西門子、施耐德、GE、羅克韋爾也是優勢明顯。而國內的南瑞、寶信、石化盈科因為在電力、鋼鐵冶金和石化行業深耕多年,具有一定競爭實力。

中國工業軟件企業最缺乏技術訣竅的時間沉淀

  中國很多互聯網公司可以在很短時間就擁有多位一流產品經理,開發幾款世界級的APP(比如微信、抖音)。可是,為什么國內的工業軟件企業不行?因為需要時間沉淀。

  工業軟件業內有兩個基本共識:第一,軟件是軟件(代碼+算法),工業軟件是工業軟件(典型的高端工業品),是工業知識、工作經驗和技術訣竅(Know-How)的集大成者。沒有工業知識,沒有制造業經驗,只學過計算機軟件的工程師,是設計不了先進工業軟件的。第二,很多鄉鎮企業、街道工廠甚至車庫里誕生的互聯網公司,可以短短幾年快速崛起震驚世界,但工業軟件公司絕無這種可能。因為工業軟件是千萬聰明人無數的技術發明和經驗積累,被反復證明有效,經年累月持續迭代、優化出來的。這個時間是多長呢,20年?30年?只會更長。哪怕蘋果、谷歌、亞馬遜這些市值過萬億美元的科技公司,也難以在工業軟件領域有所作為,你再有產品創意、再會集成那些炫酷科技,也跨不過成熟工業軟件的時間門檻。

  工業軟件企業當然知道要忍受寂寞、要持續投入,比如全球最大的CAE公司ANSYS,每年研發投入3億美元左右。但問題是,工業軟件本來就難度極大,市場規模還很小,2018年中國工業軟件市場規模在1600億元左右,不如華為一個公司賣手機的營收規模。

  沈陽機床曾經多次進入國產工業軟件公司10強榜單,歷經千辛萬苦開發出來的 i5 數控系統軟件也進入國際主流數控系統陣營。可是,因為商業模式一時難有可持續性,沈陽機床臨近破產邊緣。商業上的不成功,往往使很多工業軟件公司熬不起時間。

持續融合與迭代

  為什么工業軟件具有極廣泛的重要性?因為智能制造的核心技術就是工業軟件,中國智能制造的發展瓶頸也是工業軟件。

  國內各個工業細分領域都在推進智能制造、機器換人,若是沒有成熟可靠的工業軟件支持,這一切都可能建立在失控的流沙之上。因為所有硬件技術、網絡技術、傳感技術要和制造工藝融合,都要有軟件定義、編碼和封裝。而且工廠是“重資產”,折舊快,產能利用率、技術效能稍微發揮不足,就可能面臨虧損。而工業軟件是資源調動、配置的核心大腦,決定了工廠運營(成本效率)是否可以持續。

  為什么中國工業軟件一直沒有做起來,瓶頸何在?缺錢、缺人才、缺技術都是原因,但最缺的是用力深耕。

  中國工業軟件企業當中,神舟航天、金航數碼算是技術一流的。原本這些公司是沒多大機會的,中國航天工業曾長期使用美國Analytical Graphics公司開發的STK分析軟件,STK可以支持航天任務的全部過程,包括設計、測試、發射、運行和任務應用等。可是,美國政府從STK 7.0版本就開始對中國實施禁運,目前STK最高版本是11.0。中國航天工業只能轉向神舟航天、金航數碼這些國內公司,現實需求的倒逼之下,反而促使中國航天領域的自主研發、持續深耕,國產航天工業軟件已經達到相當高的技術水平。

  工業軟件企業先天具有壟斷優勢,中國公司想要后發制人,那是很少見的,慢一步會步步皆輸。為什么呢?工業軟件不像阿里巴巴的釘釘,或者微軟的Office,任何公司誰都能用,而是針對不同工業現場的專用定制。

  工業軟件公司需要與很多不同的工業企業進行融合,工業流程和技術的程序化,要有強大工業流程和龐大技術數據做支撐,單打獨斗的“純工業軟件公司”是活不下去的。可是,中國大型工業科技企業是否愿意與本土工業軟件公司進行融合?比如華為技術過去在采購國產軟硬件產品時,往往會安排一個專家組,只要專家組當中有一人意見保留,生意就很大可能談不成。不過,美國商務部將華為公司納入“實體清單”以后,華為就開始主動培育本土供應鏈,并且與本土工業軟件企業(比如自主ERP公司用友網絡、自主EDA公司華大九天)深度融合。

  用友已經與華為有過長期合作,與華為云更是深度融合,華為的打磨極益于用友產品的迭代升級。用友已經完成NC Cloud、A++等產品與華為GaussDB數據庫、鯤鵬云服務等IT基礎設施產品的適配工作,下一代ERP產品YonSuite也在測試與部署中。

  EDA絕對是工業軟件的尖端領域,中國集成電路芯片技術的進化迭代,很大一個制約因素就是EDA。目前,三家美國公司Cadence、Synopsys和Mentor占據了全球EDA行業營收的70%以上。哪怕是中國本土的華大九天,經過多年積累已經有了一批特色方案和工具,仍然與國際一流水平存在20年以上的技術差距。其中最難的地方在哪里?融合與迭代。

  EDA主要用于芯片設計,而且設計費用持續增長,大概從65nm(納米)的2800萬美元,上升至5nm的5.4億美元。而且從65nm、40nm、28nm、14/16nm,到10nm、7nm、5nm,每一次技術精度的迭代,軟件都會有30%-50%的代碼需要重新編寫。納米量級的很多物理現象以前沒有見過,運算的復雜度也極大提高。很多物理突破,軟件瓶頸是關鍵限制因素。

突破瓶頸的三個梯度

  國內軟件企業相對擅長管理軟件(比如辦公軟件、財稅軟件),而工程軟件明顯偏弱,至今,國內80%的規劃軟件、50%的制作軟件、95%的效勞軟件無法做到自主可控。就算研發出來性能不錯的工業軟件,應用層面也需要時間打磨成熟。而且工業軟件的核心技術,需要建模、虛擬仿真、數學運算。可是國產工業軟件的內核,目前主要由國外授權(國內僅有一家工業軟件公司具有幾何建模引擎的知識產權),這更是國內工業軟件公司難以逾越的一道壁壘。

長期來看,國內工業軟件企業突破發展瓶頸要跨越三個梯度。

第一梯度:駕馭軟件工程本身的極端復雜性

  工業軟件企業每天要面對的最大難題是什么?無疑是制造業的復雜性問題。金山公司調整了一次WPS Office軟件代碼,就用了3年時間,而WPS Office的代碼行數不到微軟Windows 10系統軟件的十分之一,Windows軟件的代碼行數又跟洛克希德·馬丁公司、波音公司自己用的工業軟件不可同日而語。可見,工業軟件承載的是怎樣大尺度的工程量。

  而且,寫代碼太容易出錯,代碼越寫越長,出錯的頻率指數級增加,總有一些錯誤藏匿在你不知道的角落里。有程序員甚至直言,也許他的余生,都要在糾正自己的錯誤中度過。Windows軟件出錯了,你大不了重啟系統。但工業軟件是不能容忍哪怕一點瑕疵的,程序中的各處關聯非常密集。比如發射火箭,軟件是要控制火箭做動作的,哪個細節不對,火箭立即失控。

  工業軟件太過復雜,成本和可靠性就成了問題。你要確保這個東西不但能用,還得安全不出事,更要考慮成本和可行性,要讓企業客戶用得上、用得起。這就是為什么蘋果手機每隔十幾個月就要更新換代,而一款飛機或者一型航空發動機可以有30-50年壽命。不說精細制造環節,就是升級一次工業軟件也是曠日持久的。

第二梯度:實現工業軟件與企業運行流程的協同應用和優化

  工業軟件企業最大的生存價值是“融入應用場景”。比如谷歌、百度下大力氣投入的自動駕駛技術,核心技術就是嵌入式工業軟件——通過汽車上各種外置、內置傳感器把行駛環境的物理信息轉換成為計算機處理的數據,內置AI(人工智能)算法快速處理,然后給車內的各種控制器發出正確的動作指令。而軟件、AI算法是不斷用路況場景數據訓練成熟的。

  由工廠場景數據訓練出來的工業軟件算法,更是價值重大。中國工業企業數十年來積累起來的海量關鍵工藝流程和工業技術數據,很多是因為軟件能力孱弱,而無法沉淀下來、利用起來。很多核心技術、知識經驗和工業場景數據,大量散落、閉鎖在技術人員的頭腦中,隨著企業人員的流動而不斷耗散流失。企業里面最聰明的永遠是流程和軟件,因為人再聰明也是會流動的,但所有人很多年的經驗、才智都會沉淀在流程和軟件里。

  德國或者美國的工業軟件都是航空航天、汽車領域的應用場景催生出來的。相比之下,中國工業軟件的應用場景要豐富得多,從核電到航空航天,從高鐵到船舶,從風電到光伏,從電子產品到汽車、共享單車,甚至電商物流……都廣泛使用工業軟件。工信部有數據顯示,2018年中國企業的數字化研發設計工具普及率和關鍵工序數控化比例分別達到68%和49%。

第三梯度:大范圍進入“工業云”階段,軟件不再是單一的軟件,而是集成了多種軟件,并提供“軟件+服務”的整體解決方案

  5G時代萬物互聯,工業軟件更不可能只是作為一種輔助的角色出現在特定的工業應用場景中。工業軟件將會以一種深度嵌入、隱秘內生的平臺方式主導工業企業的命運方向。尤其不同以往的一點,這可能是成熟企業的挑戰,新興企業的機會。

  SaaS(軟件即服務)已經是大勢所趨,工業軟件大多已經不是被“采購”的,而是被“訂閱”的,工業軟件以增值服務的形式進入“云”端。多年以前就有了“云CAD”的概念,云端大量的共用資源、成熟方法可以大大提高所有用戶的所有設計的品質效率。

  可是,Autodesk的創始人Michael Riddle認為“云CAD的復雜性是桌面CAD的十倍以上。”“這不完全是因為這類程序動輒數千萬行的代碼,而是指建模的難度,以及像國際象棋一樣復雜的可能性。當然,重建架構體系是必須的,而這簡直是成熟軟件廠商的夢魘。”很多成熟的軟件公司都有一種遺產的重負——做任何事都會建立在過去的、遺留下來的優勢資源之上。現在你要放棄遺產,重建軟件架構,這個痛苦是不可描述的。相反,國內新興的工業軟件公司得到了逆襲機會,而且反應迅速。比如浩辰、利馳加強了線上CAD的應用,而在CAE領域,北京云道、上海數巧、藍威已經在市場的縫隙中有所突破。

  有時,我們真的要冷靜下來思考一下,究竟什么才是“中國制造”的中流砥柱。

  當國內工業企業一直考慮機器換人的時候,你可能不知道,目前中國工業機器人的市場規模僅僅數十億美元,不及淘寶網紅一年的帶貨規模。中國已經是世界上最大的工業軟件市場,占到全球份額的1/3以上,可是這個市場規模不及國內一家頭部手機品牌或者空調品牌一年的營收規模。哪怕工業軟件是一個小產業,但是,由于處于中國工業體系的咽喉位置,涉及各類工業企業的研發設計、生產調度控制、業務管理以及運營維護多個環節,哪里稍微出現一點瑕疵,也一定是全局性的大問題,這就是牽一發而動全身。

  更重要的是,中國工業軟件產業的發展是面對一個相對成熟的存量市場,相比開拓一個全新需求的增量市場,其實難度更大。唯有沉潛下來,以國家整個產業體系的大局觀和安全觀為第一考量,精細投入、持久深耕,方能實現技術上、商業上的真正突圍。

  周倩 本刊特約撰稿人

  本文發表于《中國工業和信息化》雜志2020年3月刊總第21期

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