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中国制造的基础命脉:工业软件何时能突围?

随着美国政府对华为的围堵步步升级,芯片的重要性已经家喻户晓,但中国企业被“卡脖子”的不止是芯片。
今年6月以来,由于被美国商务部列入实体清单,哈工大、哈工程等老牌工科院校无法继续使用正版的计算仿真软件MATLAB,一度引起热议,这一软件由美国公司Mathworks开发,是应用广泛的基础仿真软件。而在此前,被列入实体清单的华为,已经无法继续与美国三大电子设计自动化公司(Synopsy、Cadence、Mentor)合作。
中国工业软件的短板再次被暴露出来。
工业软件本身是基于多种基础科学的产业,同时又离不开长期应用的迭代,这一差距难以短时间内弥补。政策也开始关注这一短板,工信部今年3月发布《关于推动工业互联网加快发展的通知》,提出增强关键技术产品供给能力,打造工业软件等关键软硬件产品,加快部署应用。
工业软件中,CAX(计算机辅助软件)是广泛应用的一类基础软件,它包括三类典型的工业软件:CAD(计算机辅助设计)软件是创造模型的软件,CAE(计算机辅助工程)软件是优化模型与工艺的软件,CAM(计算机辅助制造)软件是让模型变为实物的软件。在CAX软件领域,国内企业与外资公司有着明显的差距。分析国外CAX软件的发展历史和规律,有助于我们为国产工业软件突围找到路径。
01 
工业软件三波浪潮背后的规律
不同的产业有不同的产业特点和发展规律,工业软件产业是基于科学的产业,尤其是数学、物理等基础科学,基础研究一直都在给产业提供源源不断的动力,从建立曲线曲面的数学模型开始到实际应用于造物的不同环节。
整个工业软件的创新是持续的,但是这种创新更像是一种脉冲式的过程,伴随着工业工程技术的进步,计算机水平的提高,河水滚滚向前,但在某个特定的时期会加速、聚合,走向新的方向,孕育新的分支。纵观工业软件的发展史,大约有三波浪潮。
二十世纪70年代到80年代产生了第一波浪潮,一些公司开发了相关的CAD产品,主要用于解决航空航天、大型装备、汽车等复杂产品的数字化设计,这些软件主要基于UNIX平台。
世界上第一款CAM软件NX(UG)开始于1972年,起初叫UNIAPT,1978年发布UG R1版本,这一软件最终被西门子收购。达索系统的Catia开始于1977年,起初叫CATI,1981年改名叫CATIA,发布V1版本,1984发布V2。PTC公司成立于1985年,1988年发布Pro/Engineer第一版,基于UNIX系统。
第二波浪潮在Window时代,又有三家公司异军突起。SolidWorks公司成立于1993年,在1995年发布了SolidWorks,基于Parasolid与DCM等组件开发。Solid Edge由Intergraph 1995年发布,起初基于ACIS开发,后被UGS收购后切换到Parasolid与DCM等组件开发。Autodesk Inventor,1999年发布,基于Autodesk Shape Manager (ASM)开发。至此,CAD产业已经基本成型,河水缓缓向前,偶有浪花涌现。
2000年以后,随着数字技术使用的广度和深度扩大,数字革命方兴未艾,我们似乎又看到一波新的浪潮正在来临,一批新的面孔又出现在市场中,比如Spaceclaim,其创始人之一Mike Payne也是PTC、SolidWorks早期创始人之一。Autodesk Fusion 360,2013年3月发布第一个版本,基于Autodesk Shape Manager (ASM)开发。Onshape公司2012年成立,2015年发布第一个版本,基于Parasolid与DCM开发,其创始人Jon Hirschtick和John McEleney分别是SolidWorks创始人及第二任CEO。
工业软件的这三股浪潮下的发展史,可以总结出一些规律:
工业软件的发展是计算机科学走向成熟,然后结合具体的工程技术学科,进而演化成的一个跨学科产品。三股浪潮的背后,是计算机软硬件平台跨越式的升级。
产品的出发点很重要,找到准确的细分市场,在细分市场中的行业找到差异化定位,然后有着系统的市场营销策路。比如: SolidWorks, Oshape, Orchard, RoboDK, Sharp3D, Vention就是基于CAD的技术,成立之初都是从不同的细分市场与差异化定位开辟市场。
商业化CAX产品从成立之初到产品发布通常需要2-3年的时间,比如: SolidWorks, Solid Edge, Onshape等软件基于商业化组件开发,开发周期2-3年时间,其后分别被达索,UGS,PTC收购。
1993年至今,资本的作用越来越大,工业软件巨头不断通过投资、收购来扩充版图。西门子收购了MultiMechanics(高级材料建模)、Atlas 3D(增材制造优化)、Process Systems Enterprise(高级过程建模);达索系统收购了Medidata Solutions(58亿美元,医疗数据)、Argosim(系统需求验证)、Trace Software(电气设计);Altair收购了DEM Solutions(离散元建模)、Polliwog(PCB设计与分析);ANSYS收够了LSTC(7.75亿美元,动力学分析)PTC收购了Onshape(4.7亿美元,云CAD);Hexagon收购了Amendate(创成式设计与增材制造);Autodesk与NEWSPRING投资aPriori 2680万美元;cannaan投资nTopology 2000万美元;Intel与Gradient Ventures投资onscale 1000万美元。
这些软件公司里通常都有行业老手,这些老手既懂战略、又懂技术,还熟悉市场,他们了解产业规律,善于在复杂的供需环节对接整合资源,他们在这个行业内有过成功的创业经验, Bernard Charlès(CEO, 在达索工作37年),Jon Hirschtick(SolidWorks与Onshape创始人),Jim Heppelmann(从Windchill的CTO、创始人到PTC CEO在PTC工作24年), Jon Stevenson(从1983年工作至今以不同高层身份参与了19家公司,以技术与顾问为主)等等是这个行业的典型代表,对产品的实现之路胸有成竹,对市场战略与市场营销策略有远见,对公司的发展与部署具有洞察力。
产品主要基于全球化产业链进行开发,开发投入主要集中在基于细分市场及其场景的应用层开发,不涉及产业链的零部件开发。行业内最知名的CAX公司,几乎都是基于工业软件产业链的资源开发,有些产品公司也是产业链的组件提供商。比如Parasolid、D-Cubed、Kineo属于西门子,ACIS, CGM, Interop属于达索系统等等。
产品的发展,不求大、求全,市场定位非常明确,避免在成熟行业红海竞争。在细分市场,应用场景非常丰富,遍地是机会。通用CAX的市场已经被一些大型工业软件公司部署到一定阶段,并且这些公司有雄厚的资金,丰富的成功用户,老练庞大的技术研发团队,全球化的销售团队与渠道,按道理新的CAX公司很难有机会切入这个领域。
但事实是,从1960年代到今天,还是不断有新的公司进入,他们使用不同的方法,比如通过不同的细分市场(大企业、中小型企业、初创企业、大中小学、个人用户等等)、通过不同的部署方式(UNIX, WINDOWS,云, IPAD)、通过不同的行业应用场景(配置化产品设计,机器人应用生态,逆向工程,创成式设计,增材制造等等)方式切入细分市场。有需求就有不同的细分市场,难点是对此细分市场容量的预测与演化。
通用CAX软件创立之初,人数差不多在150-300人之间,后续随着模块不断的增加,目前国际上流行的主流软件公司人数差不多在600-1300人之间。非通用CAX领域,人数在30-300人之间。
02 
详解工业软件产业链
和汽车、航空航天、高铁、机床等高端制造产业类似,如今的工业软件产业也有复杂的产业链,很多巨头盘踞其中,它越来越像一个模块化的装备产品,拥有复杂且相互关联的组成单元。
常见的工业软件产品中,没有一家公司的所有代码都是自己撰写。就像汽车一样,这个产业也有完整的供应链,是需要一群聪明的公司通力合作才能实现,很多产品都是基于全球供应链开发,企业主要聚焦自己的优势领域。
CAD(计算机辅助设计)软件方面,如SolidWorks、Solid Edge、Inventor等主流市场(为小型企业到中小型企业)MCAD软件,至少要用到70个组件(Components),最核心的组件有几何内核(主要有西门子Parasolid,达索ACIS/CGM),2D/3D约束器(主要有西门子D-Cubed),图形组件(主要有TECH SOFT 3D),数据转换器(主要有达索与Tech Soft 3D),大部分CAD公司基于这几款基础组件就可以把基础框架搭起来。
CAE(计算机辅助工程)软件需要网格剖分器的组件(主要有Distene的MeshGems)。CAM(计算机辅助制造)软件需要涉及到加工路径的组件(主要有德国的ModuleWorks与英国的MachineWorks)。CATIA、NX、Creo这些高端多学科MCAD会涉及更多的组件,其中有不少核心组件也是来自于第三方,甚至有些组件会来自竞争对手。
CAX软件的主要架构可以参考下图, 最底层青色部分是操作系统与计算机图形程序接口,这两者都与硬件有着密切的关系,橙色部分就是CAX软件产品的主要组件的类型。
中国制造的基础命脉:工业软件何时能突围?
图1:CAX软件的技术架构
具体来说,其中核心的组件和主要产品如下:
几何引擎:几何引擎是最基础的核心组件,也是我们国家目前最关注的领域,主要分为三类建模器,实体建模、曲面建模以及小面片建模,这几年这三者的融合在增材制造与创成式设计领域发挥这巨大的作用。目前主要的几何引擎有Parasolid(全球200多家客户),ACIS(全球100多家客户),CGM(全球几十家客户),开源的OCC等。全球绝大部分大型商业化CAX软件,基本都是使用商业化几何引擎,尤其是美国的Parasolid和ACIS。几何引擎大部分的技术实现都是公开的,但是一款优秀的几何引擎经过众多商业化软件以及优质客户的反复淬炼,在性能,稳定性,可靠性上可以说经过几十年的发展。这个领域没有捷径,国产几何引擎的发展也需经过千锤百炼的才能真正傲视群雄。
2D/3D约束管理器:几何约束求解引擎,广泛应用在草图轮廓表达、零件建模参数表达、装配约束以及碰撞检查等场景中,为快速确定设计意图表达、检查干涉、模拟运动提供了强有力的支持,可帮助最终用户提高生产效率。约束求解引擎也是最基础的核心组件,目前最主要的产品是D-Cubed DCM。大部分知名的商业CAD软件都在使用DCM。
CAE网格剖分组件:主要用于仿真分析软件的网格划分。在CAE行业内,这是一个让人有些纠结的组件。通常做CAE求解器的公司,擅长的是求解器的开发,但是网格划分从开发实现上属于另外一个领域,而且开发工作量或许并不亚于求解器的开发,甚至还超过求解器开发的工作量。很多CAE公司发展最后短板都卡在前处理上。在网格剖分器上主要的组件是法国的MeshGems。
CAM组件:CAM软件中缺少不了刀具的路径规划,而CAM组件主要就是实现此功能。目前全球最主要的CAM组件有德国的ModuleWorks和英国的MachineWorks,差不多全球90%的CAM软件都在使用这两家公司的组件。
数据转换器:CAX软件离不开数据转换器。数据转换器的主要作用就是让你的软件不仅仅可以打开其他软件的3D数据格式,而且也能够输出到其他软件的3D数据格式,现在甚至链工程图也可以。3D数据转换器主要有法国的InterOp(全球200家商业客户),美国HOOPS Exchange(全球200家商业客户),法国的Datakit等。
除了建模引擎,约束求解最基础的组件外,还有其他重要的组件,比如做其机器人仿真与离线编程中所涉及到的路径规划,主要有法国Kineo和芬兰的Visual Components;渲染的组件IRAY+,有印度GSSL的特征识别的组件以及Nestlib组件,隐藏线消除,模型修复,模型简化等等。一款主流MCAD产品,至少需要70几个组件。
通过深入观察CAX软件的复杂产业链,可以看出工业软件产业的一些基本特点。首先,国际化通用CAX软件,基本通过产业全球供应链(组件)的方式来开发软件。商业化CAX软件公司主要开发量在应用层与GUI(图形用户界面),尤其是应用层,大型工业软件家公司已经经历了几十年的迭代,有着丰富的模块。比如:CATIA, NX差不多有150几个模块,SolidWorks, Solid Edge, Inventor差不多有40几个模块。
工业软件是一款具有“网络经济”特征的工业产品,一家企业使用了某款工业软件,和其具有技术关联或者供应链关系的企业可能会更倾向选择同一款软件,而且随着用户的增多,用户所提供的反馈又成为产品功能完善和性能提升重要的动力。在这种情况下,先行者会具有很大的先发优势,他们通过网络效应,一方面可以在行业内快速获取用户,另一方面可以通过用户网络持续开展创新,从而获得“先行者的复利”。
在这些复杂的组件、软件产品的基础上,CAX衍生出了丰富的生态,尤其是CAD软件生态最为活跃。生态不仅仅是模块的扩展,还包括专家团队,服务商,以及供应链。在工业设计软件的巨头绝大部分都是产业链玩家,他们的产品也是平台型产品,已经形成非常稳健的生态。Siemens PLM全球有150家技术合作伙伴,Solid Edge有289家第三方合作伙伴, Dassault System全球有934家技术合作伙伴,SolidWorks为例,SolidWorks全球有520个第三方模块,相信PTC与Autodesk也同样有数百家的技术合作伙伴或者生态合作伙伴。这些模块的供应商不仅仅是这些公司的合作伙伴,同时也是其他CAX软件的供应商,有些也是组件的供应商。
03 
国产工业软件的位置和目标
要讨论突围,首先要明确国产工业软件的位置和突围目标。
根据工业软件的产品性质,从产品主要模块上来看,工业软件在可控性上可以分为三种类型,自主工业软件(以汽车举例:汽车+零部件都是自己造),合资工业软件(比如:汽车行业的中外合资公司),国产工业软件(应用层模块自主开发+组件全球化)。
目前国内的工业软件提供商主要是前两种、尤其是第一类居多。第三类公司中“零部件”用开源的居多。国内的企业在严格意义上属于第一类和第三类之间,第三类中核心组件来自于国外开源组件,而第三类国外工业软件公司更加偏向于商业化的组件。目前国外公司大部分偏向应用层的模块是自己开发,而且也是开发工作量最大的部分,与用户需求息息相关的。
国产自主可控的CAX软件从政策的最终目标来看,我们希望不仅产品(公司+品牌+技术+团队)是自主的,同时希望打造自主产业链(组件供应商也是自主的),这不是不可以实现。产学研三大件上,中国的学和研并不差,但是学和研却很容易错过产的窗口期。国产自主CAX软件是需要有一个长期投入的准备,而不是做3-5年草草了事。国外的公司也不是上来就有今天这么大的规模,是长期发展与迭代的结果,产品与研究以双螺旋式相辅相成地发展。
因此,国内软件自主的实现步骤也必须循序渐进。国外在此产业有近60多年的产学研的积累,即使我们今天可以借鉴,可以帮助我们节约大量的重复性的工作,但还是无法做到一蹴而就,这需要规划与部署,
即使我们基于现有成熟商业组件开发,并且有行业产品作为参考,但软件架构、大量应用功能的开发、保证性能和稳定性等方面还是需要资深软件开发人员的大量投入比如:零件与装配体模块,通常需要150人开发2年的时间,工程图至少需要开发1.5年时间。这是3个最基础的模块。
如果需要开发一款对标SolidWorks, Solid Edge, Inventor这种主流的CAD软件(Design Focused),代码量差不多在3000万行到4500万行代码。差不多需要3000-4500人一年以上的开发工作量。像CATIA,NX,Creo等高端软件(多学科)是主流软件开发工作量的至少4倍以上,这些高端软件的开发已经持续了数十年,专业功能模块也达到数十个,甚至数以百计,这些功能模块都是在数十万、百万级最终客户的需求上不断改进和实现的。
中国制造的基础命脉:工业软件何时能突围?
表1:全球CAX软件公司规模与成立时间
从表1可以看到,国际主流CAD公司不管是在营收还是人数规模上都是非常庞大的(Siemens PLM, Dassualt System, Autodesk, PTC),虽然营收上还包括非CAD产品,但是即使减去这些非CAD产品,这些公司的营收也在10亿到20亿美金之间,而且有着几千人到上万人的研发团队。如果我们直接以同样的产品、同样的细分市场与他们正面竞争,这个需要大智慧以及对整个行业与市场有足够的远见与洞察力。
其次,从这些公司营收和规模上还能看到从CAD到CAE到CAM是逐步降低的,这个软件的覆盖面有关,CAD,覆盖面最广,在企业研发设计团队中几乎人手一套。CAE,产品现在设计人员与仿真分析人员使用,CAM,主要是做加工编程与工艺的人员使用。不管是CAD还是CAE,发展还没有到达上限,还有很多细分的领域值得发展,比如面向六西格玛设计(DFSS),面向质量的设计(DFQ)、面向装配设计(DFA)、面向制造的设计(DFM)、面向成本设计(DFC)、面向绿色设计(DFS)等等,还需要不断的融合与完善,大厂因为地缘不同市场的关系无法兼顾所有,国内企业要懂得借“力”借“势”,对市场要做系统全面的分析。
上述数据估量更多是静态评估,这些工业软件巨头仍然在快速的奔跑,不会坐以待毙。如图2,描述了工业软件成长路线图。这幅图只是大概汇总了目前工业软件成长可以看到的区间,而且我们也绝不怀疑其他领域对此行业的跨界颠覆,或者颠覆性设计到制造思想的出现。
中国制造的基础命脉:工业软件何时能突围?
图2:工业软件成长路线图
04 
突围要以用户为中心
需要强调的是,在每个步骤上我们都要与最终使用者一起来磨练自主可控的工业软件。如今的形式似乎有些矫枉过正,我们的重心放在核心自主与国产自主可控,而忽略了最终使用者。即便国外最大的几家工业软件公司,也是通过走进客户,给客户创造价值为宗旨,最基础、核心的部分实现路线还是通过与优质用户长期反复的沟通迭代完成的,而不是解决从0-1(从无到有)。即便有些点是从0-1,那也是在一定基础上,而这部分基础目前不仅学术上是公开的,甚至一些代码都是公开的。
我们需要做的,是把这些部分基础通过用户需求长期反复迭代出来。通过与用户的沟通长期反复迭代核心组件是组件这个产业的规律,目前全世界没有任何一款商业软件核心组件是基于免费开源代码实现的。某知名工业软件公司明确在研发部门告知不允许使用免费、开源代码。
无论国产化还是市场化,产品都需要立足为客户创造价值的过程。国外有不少优秀的产品已经迭代了很多年,但因为其市场战略以及市场营销策略的不足,并没能得到很好的发展。换个角度思考,如果我们能够获得一些顶级公司的源代码,我们在技术上完全补平,我们就能和目前主流的高端和中端的CAX产品公司竞争吗?答案并不肯定。
中国制造的基础命脉:工业软件何时能突围?
图3:市场营销原理图
国产工业软件不仅仅需要考虑怎样通过一定的策略与规划发展工业软件产业链中所涉及的关键零部件(组件);也需要考虑在市场化环境中,怎样制定合适的市场营销战略,市场营销策略,创造对客户有价值的产品或者解决方案。
我们要尽快的从点走向线再走向面,即把单点技术优势转化为产业链优势,再转化为平台优势。
如有只有单点方面核心技术的公司,不管是国家层面还是行业资本层面,可以积极的把这些点方面的技术按照类型发展成组件。如果是拥有组件的公司,要积极开放与共享,只有通过行业公司不断的使用,组件才能稳定、可靠、完善、性价比更高;如果对工业软件市场熟悉并且有整合创造能力的公司,结合当前的国际环境、市场环境、行业环境,开发出与时俱进的产品,为客户创造价值的产品,而不是刻舟求剑,简单的去模仿跟随国外领先企业。
在当前中国的形势下,脱离用户搞产品开发与只依赖国外的组件发展国产CAX软件,都是不适合的。前者期待用爱国情怀让市场买单,显然是掩耳盗铃;后者如果也和国外的路线一样,借助全球化产业链,效果虽然明显,但是在国力没有强大到一定的程度下,也会一不小心被釜底抽薪,进而后悔莫及。
对于国产工业软件的发展,我们提出以下七条参考意见:
第一条
国外大型工业软件公司的收购可能会碰到不小的阻碍,但是一些产业链中的组件厂家,我们还是有机会收购的。这些大型软件公司的收购通常也是围绕组件生态以及应用模块合作伙伴(Apps)。
第二条
国外软件公司的收购的本质是产品、技术团队、客户,即使可以购买源代码,但没有技术团队,短期内消化也有非常大的挑战,但可以像汽车产业一样,通过合资公司的方式,学习和培养本地化人才。软件行业可以比汽车行业接触的更底层。
第三条
国际形势的复杂加大了国外工业软件公司全球化部署的运营风险,也给国内的大型企业是否可以继续使用国外软件增加了不确定性。这种大环境的改变作为企业必须得重新制定对应的计划。那么可能存在两种情况,一,国外工业软件公司与国内软件公司或者大型企业合资的方式重构软件的性质。二,国内大型企业直接参与对国产软件公司的投入或者收购国内外软件公司。
第四条
与CAD、CAE、CAM、或者工艺相关的国内工业软件公司,选择不同的细分市场切入市场,太过正面切入只会让自己遍体鳞伤,过去的历史就是实证。在2DCAD市场,浩辰与中望因在2D市场因市场战略与策略的优化,取得了不小的成功。
第五条
对于3DCAD与CAE市场,通用CAD,通用前后处理非常重要,这两个核心切入点,通用CAD的实现:可以让国内大量的制造业相关的公司更容易基于其上开发出不同的应用模块,真正满足客户需求,提升市场覆盖率。通用前后处理解决了国内CAE公司瘸腿的问题,国内专项CAE求解器并不差。
第六条
通用3DCAD通过“硬投入”的方式,很容易矫枉过正,不能一蹴而就的事情,我们可以分步迂回的实现,毕竟通用CAD已经发展了近60年,这么大的差距,尤其是在应用层的模块上的积累,这个需要巨大的开发量。但目前貌似我们目前的重心是在核心组件上,核心组件的成熟需要至少8年时间的科学地淬炼,即使国外现有的Parasolid、ACIS的成功也是有西门子与达索庞大的用户群体淬炼出来,不是想当然的热情就能做出来的。在此期间我们使用国外的核心组件就是一种迂回策略,过渡性策略,像Andriod与鸿蒙。
第七条
CAE软件,现在我们的核心短板是前处理,一旦我们有个顶级的前处理并且共享出来,将会彻底释放我们国家CAE产业的现状。基于云计算、数字化仿真样机、数字化合规验证,这种新的环境与细分方向,同样可以给我们迂回的机会。和国外路线一样,有些国外此方面的核心组件,我们先用起来,这个是正常的路线。而且组件的合作协议都是长期的,成本也非常低,并没有License层面的技术控制,除非操作系统变化,在合约期内法律上合法使用的,这可以给我们足够的过渡期。在过渡期,我们的目标是市场。
国产工业软件技术路线可以齐头并进,CAX软件开发和底层引擎开发同步进行。就像C919在做,航发、航电也在做一样,到成熟的时候可以实现替换,软件主要还是看用户的接受程度。首先要软件可用,真正是能用来设计产品的软件。
软件“有这个功能”和“这个功能能用”是完全不同的两回事,千万不能用前者代替后者。前者作为验证性产品是可以的,但是真正面向用户的时候就需要有巨大的经济与时间投入,不然用户花钱买个不能用的东西,这怎么可能?要想实现国产替代,就得在充分竞争的环境下,做到产品能用,这是硬道理。

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