工业控制设备软件开发论文

2022-04-23

工业控制设备软件开发论文篇1：

军工行业助力工业软件国产化的对策研究

摘要：工业软件是指应用于工业领域的各类软件。随着信息技术向工业领域的全面渗透和融合，工业软件已成为支撑研发设计、生产调度、业务管理和过程控制的隐形“工业之魂”。我国工业软件自主创新不足，将带来禁用风险、安全风险、制约可持续发展、阻碍创新超越等一系列问题。军工行业应抓住发展机遇，主动发挥排头兵作用，助力推进工业软件国产化进程。

关键词：军工行业；工业软件；国产化

当今我国工业产值全球领先，2020年工业增加值高达31.3万亿元，连续11年位居第一制造业大国。在联合国产业分类中，我国是唯一一个拥有全部工业门类的国家，形成了覆盖41个大类、207个中类、666个小类的现代工业体系。尽管我国制造业在规模上居全球之首，但大而不强、全而不优的局面并未得到根本改变，“缺芯少魂”问题依旧突出。工业软件作为高端装备研制生产全生命周期中数据源生成、加工、共享和增值不可或缺的工具和基础，是支撑研发设计、生产调度、业务管理和过程控制的隐形“工业之魂”，是中国制造向“智”造升级的利刃。工业软件技不如人、受制于人，将严重影响我国迈向制造强国的进程。

一、工业软件已成为阻碍我国制造业发展的瓶颈

（一）我国工业软件发展现状

我国工业软件起步不晚，但受历史时期“重硬轻软”思想的影响，国产软件发展严重滞后，国内市场长期被国外垄断。在研发设计类软件领域，法国达索、德国西门子、美国Autodesk在我国CAD市场的占有率达90%以上，自主拥有CAD核心技术——几何内核的国内企业极少，多数企业是通过授权许可方式获得经营权。国内CAE软件市场上，美国ANSYS、ALTAIR、NASTRAN等公司占据主导地位，所占市场份额高达95%。生产调度类软件领域，国内市场被西门子、施耐德、GE等国际巨头占据，南瑞集团、宝信软件、石化盈科等仅在电力、钢铁冶金、石化等细分行业有所突破。业务管理类软件领域， Salesforce借助云服务模式的优势发展迅猛，多年来始终占据全球CRM（客户关系管理）软件市场首位。德国SAP、美国ORACLE公司长期垄断ERP（企业资源计划）软件高端市场，用友网络、金蝶软件仅在中低端市场争得一席之地。

随着数字经济的发展，我国越来越意识到工业软件国产化的重要性。国产软件凭借需求理解、服务响应、产品价格等方面的优势，也逐渐展现出良好发展态势，特别是在特色行业和云端应用上表现优异。如数码大方自主研发的CAD软件，实现了包括华为、北汽福田、珠海格力在内的百万用户应用。和利时推出的面向过程自动化应用的HOLLiAS一体化解决方案，实现了现场智能仪表设备、控制系统、企业资源管理系统之间的信息传送和管控优化，已被成功推广应用于电力、化工、能源等多个领域。虽然取得一定成绩，但我们还应清楚认识到，国产工业软件还有很长的路要走，与国外领先企业相比，我国在关键技术研发、市场竞争力等方面仍差距悬殊，国产软件还处在“跟随者”位置。

（二）工业软件发展面临的难题及对我国制造业的影响

1.国产软件研发需要协同突破瓶颈技术

以研发设计类软件为例，功能模块一般包括可视化建模、底层计算求解、结果后处理三部分，其中底层计算求解引擎是CAD和CAE最基础的核心组件，引擎的求解策略适应性、计算精度与效率将直接影响到软件性能。底层计算求解引擎技术在国外发展较早，应用较为广泛的几何引擎ACIS和Parasolid、几何约束求解引擎DCM等早在市场上站稳脚跟。在近乎垄断的市场环境下，为数不多的国内技术团队将较难获得应用迭代、持续发展的机会。再加上求解引擎属于关键中间件产品，面临着研发周期长风险大、直接市场需求小、投入产出比不高等问题，技术团队自主研发的动力不足，坚持者寥寥无几。且由于技术研发难度较大，单靠一个或几个团队也难以真正实现瓶颈技术突破。

2.国产软件需要经历足够的应用锤炼

成熟工业软件需要时间门槛，需要在应用中持续研发、迭代、改进和重构。只有经过技术突破、产品开发、应用验证、推广应用，才能成为成熟的商业化软件。一般而言，从关键技术突破到形成功能完整、稳定运行的产品，再到实用于工业场景、经历工业应用锤炼，一般需要经过10～20年，而应用锤炼时间更是占到其中的一半，这足以看到应用锤炼的重要性。SolidWorks公司极为认同该观念，规定每年要定期召开全球用户大会，公布用户针对上一版本提出的改进需求，并将其作为软件版本更新的直接依据。相比而言，国内市场对国产软件不够信赖，国产软件缺少规模用户应用验证、需求反馈和迭代改进的机会，容错成长的环境尚未形成。

3.国产软件需要工业知识和技术诀窍的沉淀

工业软件是工业的结晶，而非仅仅是信息化工具。工业软件最为核心的是经过时间沉淀的工业知识、工业经验和技术诀窍。在工业场景应用中，专家智慧和数据经验被显化封装成可复用的组件，只有经历过知识与经验的淬火，工业软件才能真正实现与工业企业的融合。国外极为重视工业知识的积累和保护，波音787研制过程使用的8000余件软件中，仅1000余件属于商业软件，其余均属于多年积累形成的自主专用软件，并不对外销售。与国外相比，国内工业企业知识沉淀的意识薄弱，较多采用“拿来主义”，直接购买国外软件，导致长期积累的海量关键技术、工艺、流程、知识和经验被国外软件收集，工业软能力出现“空心化”问题。

4.业界使用的标准由国外大型软件企业主导

部分单位对国外软件存在较大依赖，为了与国外软件实现兼容使用和互联互通，只能被动遵循国外标准。目前广泛使用的标准较多由国外大型软件企业主导。如兵器行业的《兵器产品三维建模通用要求》，主要适用于使用美国Pro/E软件和Pro/NTRALINK软件进行的三维建模设计；航空工业的《航空产品数字化设计与制造系列标准》，重点面向基于法国达索CATIA软件的应用。部分单位模仿国外软件标准，盲目跟随国外知识体系、技术路线、工艺流程，导致标准与工业活动脱节。另外，由于工业软件标准制定缺乏顶层设计与统筹规划，单位之间各自为战，导致工业软件的可扩展性、可配置性、可重構性也较为不足。

5.我国工业软件知识产权保护环境尚不健全

个别单位由于习惯使然或者出于成本考虑，选择盗版软件或者放任员工使用盗版软件。对于单位自身来说，可能会带来被诉侵权、高额赔偿或者品牌形象受损害的风险。据统计，2017年以来法国达索因侵权先后起诉国内企业10余次，其中上海同捷由于非法使用CATIA软件，被判赔偿侵权费1505万元。对于整个竞争环境来说，过多使用盗版软件，也在一定程度上挤压了国产软件的生存空间，国内企业不再愿意高额投入进行自主研发，出现“劣币跨界驱逐良币”现象。除此之外，开源软件的违规使用问题也亟需警惕。由于不同开源软件的使用协议、授权范围存在较大差异，不同开源软件之间的兼容情况也较为复杂。对开源软件的管控不足，将增加知识产权侵权风险。

我国工业软件自主创新不足，将带来一定的风险：一是存在禁用风险。目前国外卫星工具包（STK）和部分空间环境分析工具已被禁用，部分高等院校被禁止使用MATLAB软件，华为被禁止与美国三大电子设计自动化公司（Synopsy、Cadence、Mentor）合作。软件一旦被禁用，将会影响到装备的正常研制生产过程。二是存在安全风险。部分国外软件应用较为复杂，对软件提供商技术支持的依赖性较强。软件使用中产生的大量数据存在丢失或被滥用的问题，亟需加以关注。三是制约可持续发展。不同厂商的软件之间存在兼容性障碍，一旦形成路径依赖，迁移或者替换将产生巨大代价；且部分软件的数据格式不开放，系统集成、数据提取存在较大难度。四是阻碍创新超越。工业软件即能力，长期使用国外软件，等同于将单位多年积累的业务流程、知识经验等核心能力无偿输出给国外公司，将造成“强他而非自强”的局面，不利于实现创新超越。

二、我国工业软件国产化进入发展关键期

当前工业互联网时代的到来，为工业软件国产化带来新的机遇和挑战。随着5G、云计算、大数据、人工智能等新兴技术与工业领域不断融合，数字经济浪潮驱动传统制造业加速变革。工业云、工业大数据、工业APP等新模式新业态涌现，传统工业软件将面临着整个架构体系的重建，这为国内企业缩短差距乃至弯道超车提供了机会。如工业云的出现，使SaaS（软件即服务）模式逐渐进入市场竞争，这种嵌入内生的平台方式，必然引起软件行业未来竞争格局的变化。软件不再仅仅是单一的软件，而是“软件+服务”的整体解决方案，工业软件以增值方式进入云端，用户以“订阅”方式共用云端的成熟资源，这种模式下企业之间的核心竞争点将会发生明显改变。另外，大数据、人工智能等技术的应用，也为工业软件发展带来新的活力。大数据驱动下的工业企业流程再造，为工业软件的灵活性、适应性提出更高的要求；大数据挖掘与关联分析技术，为工业软件的求解建模拓展了新的思路；人工智能和机器学习的强大特征表征能力，将显著提升模型的解释性和自我成长性；工业APP基于其微内核、高内聚、强专业性的特点，可以有效屏蔽机理模型类工业软件的通用技术门槛，为国产软件的后来居上提供了新的途径。

当今国产工业软件发展进入关键期，在看到机遇的同时，我們还应意识到，挑战始终与机遇并存。国内企业若不能抢占先机，一旦国际巨头基于云服务建成“工业数字平台”，将会加速国内工业企业经验和知识被“锁定”在平台上的过程，国内企业将被置于更加不利的市场地位。

三、军工行业助力工业软件国产化进程的有关建议

军工行业作为国家的支柱行业，需要把握新一轮工业革命带来的难得机遇，集合政府以及技术攻关、产品开发、软件应用、测评服务主体等多方力量，助力推动工业软件国产化进程。

（一）推进工业软件核心技术协同攻关

鼓励和支持骨干企业、科研院所、高校基于开放模式，提炼核心技术难点及行业关键问题，在瓶颈技术研发上发挥排头兵作用，提高对工业软件内核的贡献度。建立健全工业软件核心技术攻关新型举国体制，发挥集中力量办大事的优势，通过产学研合作、产业上下游联动和军民联动，打造联合开发、优势互补的产业技术创新联盟，协同推动核心技术攻关和集成适配优化。利用政府科技计划渠道，支持大型工业软件的系统架构技术、底层求解引擎技术研发与标准体系研究等，以重大工程实施、重大产品开发开展应用示范，带动工业软件发展，积累形成具有自主知识产权的核心成果。

（二）加快工业软件、工业云和工业大数据标准体系制定

加强工业软件标准体系的顶层设计与统筹规划，推动工业软件、工业云和工业大数据等标准制定。面向工业软件的实际应用场景需求，围绕通用基础、业务管理、基础产品研制鉴定和应用验证等，开展军工工业软件标准体系研究、标准框架构建。加快制定需求标准、基础编码、架构标准、测试评估、安全防护等共性支撑标准，以及工业设计、生产、管理、服务等环节的应用服务标准。鼓励骨干企业、科研院所、高校参与国际标准化组织、协会、联盟的标准化工作，提升国产软件在国际市场上的话语权。

（三）鼓励和支持国产工业软件的应用推广

鼓励在军工行业优先使用国产化工业软件，坚持边研边用、边用边改，通过应用将国产软件产品与解决方案迭代成熟，不断提高软件的稳定性、实用性和成熟度。健全涵盖基础理论研究、核心技术攻关、工业软件开发、工程应用实践的完整产业链，引导形成产用结合的生态体系，解决需求与技术相脱节的问题。支持基础软硬件厂商开展系统集成适配关键技术攻关，强化技术产品和终端应用的协同互动，面向应用需求体系化地提升关键基础软硬件的性能和可靠性。同时推进工业软件服务体系的健全完善，提升工业软件质量评测、适配验证、软件过程及能力成熟度评估的能力和水平。

（四）加大对国产工业软件的知识产权保护力度

一要营造良好知识产权保护生态。通过多部门协同联动，组织引导军工单位使用优秀国产工业软件，加强软件集中采购和软件资产管理；推动使用国产软件的宣传和培训，增强全员版权意识。二要提升国内企业知识产权保护意识和能力。引导将知识产权管理纳入软件企业研发全过程，鼓励软件企业提前进行有重点、有层次的知识产权布局，及时对自主研发成果进行确权，构建从核心到外围的知识产权保护体系。引导软件企业及时对成果进行技术价值评估、知识产权侵权风险排查、开源许可风险识别，以规避知识产权侵权风险，打造出自主可控的国产工业软件。

参考文献：

[1]周凡利.创新突破工业软件发展瓶颈[J].中国工业和信息化，2020（3）：26-34.

[2]高柏，朱兰.从“世界工厂”到工业互联网强国：打造智能制造时代的竞争优势[J].改革，2020（6）：30-43.

[3]周倩.中国工业软件企业发展现状与瓶颈突破梯度[J].中国工业和信息化，2020（3）：56-61.

（作者简介：侯媛媛，博士，国家国防科技工业局信息中心高级工程师；夏辉，国家国防科技工业局信息中心工程师；刘艳丽，国家国防科技工业局信息中心工程师）

作者：侯媛媛夏辉刘艳丽

工业控制设备软件开发论文篇2：

中国造船与国产工业软件之欠缺

秋風卷地惊梦人，向荣深处是幻景。中国号称“世界工厂”，制造业规模之巨大举世瞩目，但自从美国制裁中兴和华为、抛出连串“实体清单”，极力打压中国制造业后，当层层外衣被剥落，人们发现中国工业其实远没想象中强悍，不仅许多核心技术缺失，而且连支撑制造业运转的工业软件都受制于人。我国造船工业软件同样为欧美国家垄断，国内船企在设计、生产、管理上的国产工业软件少之又少。这与我国作为世界最大造船国的地位极不相称，也与中国造船的愿望不符，而且其中隐患更可能会对现有造船体系带来不可预知的冲击。因此，在反思教训之余，加快自主化工业软件的开发和应用，改变依赖国外工业软件的格局，既是我国制造业当务之急，也是中国造船在实现由大变强进程中必须踏平的一个坎。

美国“实体清单”的背后居心

随着中美贸易战不断升级，美国对中国的科技制裁、打击越来越疯狂。从2018年8月至今，美国政府共7次向我国发布了实体清单，被压制的中国企业和机构达208家，涵盖军工、科技、芯片、核电、安防、人工智能、网络安全等领域，成为全球实体清单数量最多国家。

在这份仍不休止的长长清单里，我国不少船舶企业或与船舶有关的机构也是赫然有名，如原中国船舶重工集团、原中国船舶工业集团、哈尔滨工程大学，特别是前不久把我国24家参与南海岛礁建设的企业列入实体清单，其中中交建和中国船舶集团分别有5家公司和3家公司被制裁。值得强调的是，哈尔滨工程大学是国家211、985大学，是国内船舶工业、海洋开发等领域的人才培养和科学研究基地。因为事件发生得突然，当时该校一时哗然，许多学生在不知情下竟然无法使用MATLAB软件，而这一停用严重影响了该校师生正常开展教学和课题研究。

美国不遗余力地对我国推出实体清单，在技术层面大力压制，其居心又是什么？实体清单是美国商务部产业与安全局用于对特定对象的出口限制，凡是落入该名单的实体均成为限制出口的对象。该概念由前美国总统布什于1990年首次提出，当时是为了防止美国出口物品被用于核武器制造，后来逐渐成为美国实施科技霸权的武器。企业或部门一旦被列入实体清单，美国政府即可根据《出口管理条例》限制对其出口、进口或转口，这就意味着无法与美国有包括技术及其关联产品在内的任何商业交易，在未得到许可证前，美国各出口商不得帮助清单上企业获取受该条例管辖的任何物项。而透过美国对中国实施的实体清单，可发现大多制裁跟工业软件有关。

美国之所以对我国这样做，总的来说是害怕中国崛起，担心中国制造业强大威胁其利益和安全。在无法通过核心技术制裁迫使中国屈服后，其于是妄图在应用更广泛更普及的工业软件上做文章。概括地说，实体清单的目的无非有如下几个：1、防止和打击我国获得必要的技术和产品，阻碍我国正常发展;2、通过限制高新科技产品和技术输出，打压和排挤我国企业，以卑鄙手段帮助美国工业摧跨竞争对手;3、以实体清单的制裁手段干预世界自由贸易，以国家安全为理由获取超额利益;4、限制我国的科技产业发展和创新，以保证美国在科技领域的绝对领导和垄断地位。

制造大国的工业软件尴尬

工业软件是指在工业领域里进行研发设计、业务管理、生产调度和过程控制的相关软件与系统，包括研发设计类（CAD、CAE、PLM等）、生产调度和过程控制类（MES、SCADA等）、业务管理类（ERP、SCM、HRM等）三大领域。它以代码的形式躲在硬件里，是工业化进程不可缺少的伴生物，也是工业制造的大脑和神经，尤以研发设计类最为核心和关键，如果没有它，再高端的设备、再精湛的工艺也得瘫痪。譬如制造芯片如果缺了它，就无法借助计算机自动完成逻辑编译、简化、分割、布局、布线和仿真等程序。可以说，工业软件定义了产品功能、企业流程、生产方式、企业创新能力和整个制造业的生态，实现了虚拟制造与实体制造的结合，重构了传统的设计制造、测试、再制造的流程。作为“底层”技术，它虽然没有高大上的光环，但不可或缺性决定了其不啻于核心技术的重要性。中国科协智能制造学会联合体智能制造研究所副所长林雪萍更是直指工业软件是智能制造、工业互联网的内核。

我国是公认的制造大国，但工业软件水平还相当孱弱，呈“管理软件强、工程软件弱;低端软件多、高端软件少”的特点，甚至有人直言我国工业软件起码比先进国家落后30年。事实上，我国工业软件基本依赖于国外进口，是中国与西方技术差距最大的一个行业。据有关数据，世界工业软件主要由德国西门子、法国达索、美国PTC等巨头垄断，欧美CAD、CAE在我国市场占有率分别达90%、95%以上，我国CAM市场也被国外把持。我国工业软件与国外的差距主要体现在五方面：首先，国内工业软件缺乏核心技术，自主创新不强。其次，软件业与制造业融合程度不高，总体发展水平滞后于企业需求和应用水平。第三，国内工业软件标准少、产业规模小、竞争能力不强，处于产业链及价值链中低端。第四，国内工业软件综合集成应用不全，程序兼容欠缺。最后，国内工业软件多是单一软件，缺乏集合多种功能软件。

我国研发工业软件的时间并不短，也取得了一定成绩，但与工业强国的差距越拉越大，这既跟我国工业地位不符，又增加了“卡脖子”风险，而造成这种窘境，有内因也有外因。内因上，国家重视不够，资金支持力度不大。据统计，从“十五”到“十二五”我国对工业软件投入不超过2亿元，还不及软件公司Ansys2019年研发经费的1 /10。工业软件来自工业，而我国尚未完成工业化，工业软件研发本来就先天不足，更大问题是错把工业软件混同于IT软件，成了国产软件发展的硬伤。与此同时，国内工业软件开发以高校、科研院所为主，企业很少参与，结果因为用户市场缺失而陷入经营不善、难以验证迭代和人才流失的恶性循环。

外因上，国外工业软件大肆进入中国市场，并采取两大手段扼杀国产工业软件。一是通过捐赠和赞助，让我国大学科研教育捆绑国外软件，教授国外软件操作，弱化国内软件研发基础性教育，导致我国大学科研院所工业软件理论、算法、程序设计等能力退化，使学生养成使用国外现成软件的习惯。二是放任国外工业软件盗版在中国横流。此举目的是：利用盗版形成倾销式市场挤压，迫使国产工业软件厂商失去生存和成长空间;利用盗版形成的低价，诱惑国内企业低成本甚至零成本先用起来，将其研发、生产如毒瘾般锁定在国外工业软件，然后通过打击盗版向中国企业获取高额利润。

国產造船工业软件少之又少

作为制造业重要组成部分，船舶工业的特点是船舶产品繁多、小批量、工艺流程复杂、劳动力密集、建造周期长、管理难度大，所以跟一般工业软件比较，船舶工业软件除了一脉相承，使用的种类更多、要求更高和集成难度更大。在船舶领域，我国工业软件起步并不比国外晚太多。上世纪八十年代末，我国已经开始进行船舶工业软件研发，并取得了一些成果，如沪东中华研发的SPD、上海船舶工艺研究所研发的SB3DS、哈工程大和第七〇二所联合牵头开发的船舶流体性能评估软件“中国数值水池虚拟试验系统V1.0”、CCS开发的基于三维模型的船舶维护保养系统METE、外高桥造船自主研发的SEM和山东山大华天软件有限公司拥有的CAD内核技术，以及数字化造船国家工程实验室推出的“船舶与海工装备虚拟制造国产软件开发与产业化”项目等。其中沪东中华的SPD突破了船舶海量模型高性能显示等多项关键技术，在国内许多船企得到了应用。在华南船舶行业，广州红帆电脑科技有限公司推出了“PDM系统”、“生产管理系统”等7大造船成熟系统，为国内造船发挥了积极作用。

但是，我国造船工业软件不例外地跟其它制造业一样采用 “拿来主义”，形成了国外软件“先入为主”的局面，整个产业为国外企业垄断，从设计到建造各环节的工业软件几乎来自欧美，能得以广泛应用的国产船舶工业软件少之又少，正如江南造船科技委主任胡可一表示，国外软件在我国船舶工业中占据主导地位，核心的依然是国外软件，虽然国内软件也有，但多数容错性及应用性不足，或者只是一些接口软件，然后再加一些数据，在船舶工业所占份额极其有限。

我国船企使用的设计软件主要为法国达索、美国PTC、英国AVEVA、西班牙SENER的产品，这些国外软件在我国船舶设计软件市场上占比超过90%以上。船舶分析评估软件市场同样也为欧美占据，主要产品有美国MSC.PATRAN/NASTRAN、法国ABAQUS、芬兰NAPA、西门子STAR-CCM+、瑞典SHIPFLOW和DNV GLSESAM等。船舶建造管理软件则广泛使用法国达索DELMIA、西门子Tecnomatix Plant Simulation、芬兰Visual Components、韩国EPM等。在船舶运维软件上，DNV · GL、NK、康士伯、瓦锡兰产品充斥我国船舶工业。

我国现代造船业本身就起步晚，行业经验积累相对薄弱，这不但成了我国造船工业软件开发滞后的绊脚石，而且为国外工业软件牢牢占据我国船舶工业市场提供了条件，因为船舶工业软件不是买来就能直接使用，还需要应用企业根据自身实际情况进行二次开发与集成，所以一旦引进，就很难用别的软件替代。此外，工业软件兴起之时，我国船舶工业的发展水平和程度还不高，自主研发船舶工业软件的积极性和意愿不强，即使一些船企有所布局也只是自研自用，商业化程度低，加之船舶工业软件学习成本高，用户培养困难，新开发软件难以实现商业化。这些因素使得国产船舶工业软件从一开始就显得步履维艰，在国外产品大举入侵和泛滥下更是日渐凋零。

客观地说，我国船舶业在短短二十多年里，一跃成为造船大国，长期在世界三大造船指标上占据榜首，国外先进船舶工业软件的引进和应用居功不小，对提高生产效率、管理水平和技术能力等都有着促进作用，但随着“科学无国界”越来越成为一句空话，原创技术制裁风气越来越盛行，这种发展终究不是长远之策，其隐藏的危险显而易见，中国造船业不得不防。

船舶工业软件进口化的种种弊端

中国工业还停留在“大而不强”的阶段，处处受制于人，动辄被人“卡脖子”，就是因为缺少核心技术和工业软件。我国船舶业也同样存在着这种现象，靠买技术做强自己已经越来越行不通了，西方国家是不会给这样机会的。中兴、华为事件的发生和“实体清单”频频流出，已经为我国工业科技界重重地敲响了警钟。

于造船业而言，先进的造船模式是提高竞争力的必由之路，智能制造是造船的未来方向，而这些都离不开自主可控的工业软件。虽然我国船舶业不像通信行业那样遭受到重大的技术制裁，但进口工业软件的风险和困扰同样存在，恶果的爆发只是时间迟早问题。国外工业软件的垄断局面对我国船舶业起码有三大弊端。

第一，安全风险性。我国造船业体量大，各种关键技术、流程、知识、工艺及数据集成于工业软件中，若过度依赖舶来品，又无有效措施防范进口软件可能设置的“后门”，我国大量造船研发信息乃至国家机密就会被泄露，国家安全就会受到威胁和攻击。类似事件屡见不鲜，远的有2008年“微软黑屏”、2011年Solidworks“泄密门”、2013年“棱镜”计划等事件，近的有日韩互删“出口白名单”。

第二，阻碍性。国外船舶工业软件的垄断对我国本土船舶工业软件的影响不言而喻。我国船企在使用外国软件时会把大量设计、制造、管理信息反哺国外企业，特别是后续技术改进中对其进行的二次开发，船企大量数据和经验为国外软件优化添砖加瓦，更是直接抑制中国本土软件发展。另外，国外根本不会也不可能出售最新科技成果的工业软件，只出售前一代甚至前几代数据的工业软件。这就无形中助长了甘于现状的风气，也可能导致我国造船软件永远跟在其后面由人摆布。

第三，依赖性。这个隐患危害最大，也最可怕。由于自行封闭数据库是工业软件的共同特点，其通常会与各种自有知识库整合在一起。长期使用国外软件会造成对其特有功能和数据产生依赖性，而系统升级和替换时数据迁移及软件商的维护终止也是十分头疼的事情。这种情况带来更坏的结果就是：过度依赖国外软件，一旦国际形势风云变幻，进口软件被取消许可授权，我国船舶工业的研发、设计、生产、管理信息化运转将可能遭受毁灭性打击。当前，国际形势错综复杂，国际战略合作转向战略竞争，甚至可能变成战略对抗，而美国对中国实施科技打压就足以说明未来走势。这种形势下，作为高度依赖外国软件的我国船舶工业完全有可能成为下一个打压对象。或许有人会认为，我国船舶工业软件多数来自欧洲，使用美国的较少，目前仅是中美关系恶化，所以造船业在这场贸易战所受影响不会太大。但要知道，纵然欧洲企业不禁售，也不可掉以轻心，因为许多欧洲软件公司与美国都有关联，比如西门子和达索的CAD所属产品生命周期管理研发部门就设在美国，它们几乎所有CAD/CAE软件的授权都与美国有关。

自主发展的利与不利

“底层”科研技术的缺失几乎是所有后发国家工业都面临的问题和劣势。我国工业软件出现今天的局面，有先天问题，也有后天问题。美国科技制裁大棒挥起时，既为我国工业科技制造了障碍，也唤醒越来越多人重新审视工业软件及我国走过的软件之路。这无疑是一个积极信号，也释放出令人振奋的能量。虽然我国是工业后发国家，在工业软件上走了不少弯路，承受了不少教训，但此时奋起直追仍是亡羊补牢为时不晚。

我国还未经历过完整的工业革命，改革开放后几乎是跑着发展工业，欠缺深厚的制造底蕴和技术经验积累。这是我国推进工业软件自主研发进程的最大不利，因为工业软件不是计算机软件，其涉及数学、机械、电气传动与控制、工艺融合及应用等学科，如果没有丰富的工业基础知识和制造经验，是不可能设计出先进工业软件。加之过去我国开发模式大多以院校和研究机构为主导，在方向上混淆不清。这样，也就造成我国这方面人才奇缺，既懂工艺、电气、机械，又懂软件开发，以及有系统架构规划能力的人少之又少。

由于这些年养成的习惯，很多企业已对购买和应用国外工业软件当成一种定势思维，一时半时还不适应或者不相信甚至不屑于使用国产工业软件，这对本来就市场萧条的本土软件将是更大打击，严重阻碍工业软件国产化率提升。与此同时，把工业软件视作IT软件的错误观念也可能在一定时期内遗留。总之，这些认识偏差无疑是我国工业软件产业需要克服的不利因素。此外，虽然我国近年加大力度打击盗版行为，但知识产权保护不力仍然普遍存在，其结果就是国外工业软件更加泛滥，而国产软件权益则得不到有效保护很可能加剧研用脱节。或许，影响我国做大做强工业软件产业的因素还有很多，可上述这些不利因子终究是绕不开的事实。

中国工业软件自主发展的障碍和困难重重，但也不乏机会。首先，中美贸易战和科技压制爆发后，我国工业软件危机意识空前高涨，上至政府下到企业都对此高度重视，强烈要求工业软件实现国产化。其中，国家将其放到了越来越重要发展战略位置，不仅加大资金支持，而且在政策上予以大力扶持，如工信部继2018年提出“加快工业技术软件化，加快制造业数字化转型”的政策指引，今年3月又发布了《关于推动工业互联网加快发展的通知》，要求打造工业软件产品，加快部署应用。日前，国务院更是印发了《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》，把推进工业软件上升到举国体制。这既彰显了国家的决心，又为我国工业软件的本土化带来了曙光和希望。可以预见，未来“十四五”将会更多地对工业软件产业进行部署。其次，中国有世界门类最齐全、规模最大的工业，也有世界一流的工业企业。这是我国弥补缺失完整工业化的巨大优势，如果合理组织，是完全有可能开发出跻身世界一流的工业软件。另外，我国工业软件经过几十年探索，已经积累了很多经验，打下了一定基础，也将会为后续的工业软件研发提供有益帮助。第三，我国有巨大的市场需求和市场潜力，有足够大的发展空间。如果这种消费能力一旦能引向国产工业软件，其推动能量将是无法估计的。从未来趋势看，国内企业使用工业软件优先向本土产品倾斜也是完全可能的。最后，我国有很好的举国体制优势。中国的社会主义制度历来有举全国力量办大事的传统，并在重大项目和发展中取得了巨大成功。今年，我国之所以能在抗击疫情中取得成功，明显是得益于一呼百应的举国制。有了举国制作支撑，就能对工业软件组织起顶尖科研力量进行攻关，就能持续投入资金解决实际问题，就能协调软件企业与制造企业合作，促进研发产品推广应用。相信举国制能在我国工业软件探索中得到很好运用，并使之成为新的成功典范。

这些有利条件对我国工业软件产业、制造业的未来释放了非常积极的信号，同样于中国船舶业也是极其鼓舞人心。在这有利的历史关头，中国造船业乃至我国工业开打软件自主化攻坚战正当其时。

中国造船需要做些什么？

船舶工业软件作为工业软件其中一种，其研发难度大、风险高、成本高、周期长，同样要求具备数学架构、显示引擎、人机操作、功能模块、集成互通等方面能力，要打破国外垄断局面，真正实现船舶工业软件自主化，不仅需要精准政策和国家支持，更需要造船业与其它工企、软企、院校、科研所等通力合作和耐心耕耘，而造船业作为船舶工业软件的研发参与者和使用者，在整个产业中又无疑扮演着最重要的角色。为此，我国造船业应当做好以下几方面工作。

一是我国造船业要抛弃速胜幻想，树立信心，脚踏实地补齐短板，如基础学科薄弱、工业和软件复合型人才缺乏等，采用产学研联合及船舶、计算机跨领域合作等方式，从行业层面统一规划、协同发展，实现国内船舶工业软件研发系统性突破，保障船舶工业数字化、智能化可持续发展。在研发上，我国大型船企应发挥起主导作用，加强与信息等行业合作，甚至通过并购和投资软件公司来确保工业和信息行业发挥各自优势，避免出现软件产品技术不够先进、更新不够及时、与工业生产不匹配等问题。对此，沪东中华、外高桥造船等知名企业都有较为成功的先例，但还有很大的提升空间。与此同时，推出新产品后要加强推广应用，并争取国家在这方面予以实实在在的政策和资金支持。

二是船企要从敢于和乐于使用国货上去切实支持国产船舶工业软件的发展。好的软件是用出来的，只有用户反复使用、纠错和反馈，软件才会得以不断完善和更新迭代，也只有把国内市场做大并向国外拓展，国产船舶工业软件产业才会真正强大起来，国外软件才会逐步从中国市场退出去，最终为推动我国造船业高质量发展形成一个良性循环。很自然，刚开始时，国产软件在性能或效率等方面会不如原本使用的国外软件，这时就需要国内船企的魄力和大局意识。

三是行业组织要建立行业数据标准、底层核心技术和统一软件架构，推动船舶行业内部资源整合、一体化软件架构平台开发，提升并健全自主软件的配套服务能力，强化供需对接，助力自主船舶工业软件市场推广，以提升自主工业软件商业化应用水平及其竞争力。同时，要引导和支持重点船企加强与国产软件机构、互联网企业合作，促进社会资本积极进入船舶工业软件产业。

四是要老老实实地一头扎下去开展研发。船舶龙头企业要有研发专项资金的规划，确保自主滚動研发顺利展开。中小船企也应发挥自己在细分领域的优势，积极布局、配合和参与软件研发，促使大研发行业氛围形成，推动专业人才大量涌现。

五是方法上，不要盯着第一梯队或者第二梯队追赶，不要追求软件开发“大而全”，而应立足自身实际，走垂直行业特色路线，把研发方向定位于基础通用、行业通用和企业专用三个层面。这样做有利于发挥基础软件开发商、行业软件二次开发商和企业的客户化开发等各级主体的特长和积极性。

诚然，实现船舶工业软件自主可控并非为了排斥国外的产品和技术，而是要打破完全依赖、完全拿来的局面。否则，这跟我国的开放政策也是格格不入。因此，在研发船舶工业软件的时候要注意融入全球工业软件发展的生态系统，学习和借鉴国外的先进经验和技术，利用“他山之石”推动我国船舶工业软件产业的进程发展。

雄关漫步真如铁，而今迈步从头越。我国工业已经到了转型升级的关键阶段，而严峻的国际形势又迫使工业软件唯有自主化一条路可走。要走好这条路，可能会很难，也可能需要漫长的时间，但相信我国在知耻后勇的精神激励下一定能跨过工业软件的高山深坑。中国制造业加油！中国造船业加油！

作者：吕龙德

工业控制设备软件开发论文篇3：

3D砂型打印设备软件系统技术要求浅析

摘要：对3D砂型打印设备软件系统技术要求进行了简要分析。从工序流程、基础条件、性能要求、系统功能，以及软件测试等方面进行了系统的阐述。有针对性地规范了3D砂型打印设备软件系统研发的技术要求，为3D砂型打印设备的研发、成型单元的系统集成，以及增材制造标准体系的建设与丰富提供了借鉴。

关键词：3D砂型打印设备；软件系统；工序流程；集成控制

工业技术创新 URL：http：∥www.china-iti.com DOI：10.14103/j.issn.2095—8412.2017.04.012

引言

3D砂型打印机设备能取代现有铸造行业复杂的砂型制作流程，采取喷墨砂型打印技术，采用逐点喷洒粘接剂来粘接砂粒的方法制造原型，通过一个个平面逐层打印，直到做出产品的砂型，然后用传统的铸造技术和该砂型制造出需要的产品。

本文拟从3D砂型打印设备软件系统所涉及到的工序流程、基础条件、性能要求、系统功能，以及软件测试等角度，浅析开发及系统集成过程中重点关注的技术要求，以期为3D砂型打印设备的研制及增材制造标准体系建设提供一定的技术支持与思路。

1工序流程

3D砂型打印工序流程可划分为模型文件导入、布图、切片、切片文件导入、设备自检、工作箱驶入、工艺参数下达、混砂、砂型打印、系统归位、砂型静置、工作箱驶出、清浮砂等过程。

2基础条件

基础条件包括设备条件、系统软件、知识库和系统文档等。

2.1设备条件

应具备供砂设备、供液设备、3D砂型打印设备，具备感知设备运行的状态、工况、环境等参数的传感功能部件，以及各种控制阀、电机、泵等执行功能部件。各设备与功能部件由运行于主控制器的软件系统进行通信互联，满足感知、分析、推理、决策、控制、反馈等能力需求。

2.2系统软件

应具备布图及切片等应用软件，以及用户控制域（如HMI等）、逻辑控制域（女IPLC、IO、通信等）、运动控制域（如PLCopen等）等控制软件：

（1）用户控制域软件主要用于3D砂型打印设备人机交互，其后台运行程序与逻辑控制域软件实时交互实现设备监控，从MES系统接收工作计划及反馈完工情况，从ERP系统领料及反馈原材料使用情况，从LIMS系统接收原材料及砂型试块的质量检测结果。

（2）逻辑控制域软件主要用于接收用户控制域软件的命令，采集设备运行状态、工况数据、环境数据及各工艺相关参数等，进而基于知识库中的各种数据模型（如故障预测模型、工艺模型、质量模型、PID模型等），结合分析与推理等算法运算（如自诊断、自修复、自调整等）进行决策，最终通过IO、通信及运动控制域软件执行经过优化或诊断的决策，并闭环反馈执行结果。

（3）运动控制域软件主要用于接收逻辑控制域软件的决策指令，转换为位置控制器、速度控制器、伺服驱动器等能够识别的运动命令，带动执行机构完成相应动作，并向逻辑控制域软件反馈运动机构的当前位置、速度、扭矩等数据。

2.3知识库

知识库包括设备类知识库、原材料类知识库和工艺类知识库。

（1）设备类知识库内容主要包括判断供砂设备、供液设备、3D砂型打印等设备及其附属设施完好性的知识，用于确定是否能够开始执行生产计划。

（2）原材料类知识库内容主要包括用于判断原材料是否符合安全生产及打印质量要求的知识，如无砂粒度、砂灼减量、砂含泥量、砂酸耗值、树脂强度、树脂含水量、树脂杂质含量、树脂粘度、固化剂总酸度、固化剂粘度、固化剂游离酸、固化剂密度等。

（3）工艺类知识库内容主要包括将用于计算打印计划中新旧砂配比及加入量、铺砂器振动频率与铺砂速度、树脂与固化剂配比及加入量、混砂时间、压缩空气压力、打印层厚、环境温湿度等工艺进行数字化处理，并参与各工序环节关键质量的控制过程。

2.4系统文档

系统应包含以下文档：可行性研究报告、项目开发计划、概要设计说明书、测试分析报告、软件需求说明书、详细设计说明书、用户手册、项目开发总结报告等。系统文档内容和编排按照GB/T 8567执行，系统文档管理按照GB/T 16680执行。

3性能要求

（1）可靠性要求：用户控制域、逻辑控制域、运动控制域等控制软件运行稳定，其软件系统的配置、集成与研制满足3D砂型打印各工序流程的无缝衔接，并具有一定的防错、容错与中断续打能力。

（2）易用性要求：人机用户交互界面设计要符合相关标准和规范（如微软的WINDOWS等），直观、舒适、风格一致并符合使用者的操作习惯，状态跳转与界面切换方式灵活，易于理解与学习，联机帮助文档内容与功能完备。

（3）开放性要求：采用全软件式结构，用户控制域、逻辑控制域、运动控制域等控制软件運行于同一台主控制器中，主控制器位于IT网络与OT网络的交界处，能够通过成熟的技术进行集成，实现整个系统结构的开放。在OT网络层面，系统软件采用OPC、FB与EPA等技术方式，与联锁设备、驱动域功能部件（如位置控制器、速度控制器、伺服驱动器等）及其他功能部件进行系统集成：在IT网络层面（如MES、ERP、LIMS等信息管理系统），系统软件采用ESB总线、OPC UA等技术方式进行系统间的数据对接。

（4）可扩展性要求：各功能模块相对独立完整，可根据不同的工艺需求，通过不同的调用机制（如有限状态机）进行组合、移植及功能扩展。

4系统功能

4.1系统设置

具备软件用户权限设置、设备能力与健康状态确认、标准参数维护、统一数据采集配置与变量映射等功能。

4.2过程控制

按照3D砂型打印工序流程，各工序过程控制要求如F：

（1）模型文件导入：依据砂芯生产计划，将经过审核的砂型三维模型导入布图软件。

（2）布图：在布图软件中，综合考虑工艺缩尺、空间利用率、打印效率等因素，进行砂型三维模型布图。

（3）切片：依据砂芯打印参数，在切片软件中设置相关参数（如分辨率、打印层厚等），切片生成机床系统可识别的坐标参数，切片过程中应注意检查、修补工艺文件漏洞。

（4）切片文件导入：依据砂芯生产计划及设备健康状态，将经过审核的切片文件导入主控制器。

（5）设备自检：采集砂型打印所涉及的设备及附属设施的功能完好性、原材料（如型砂、树脂、固化剂、清洗剂等）存有量及其理化参数、工况环境（如工作电压、工作电流、电机转速、压缩空气压力、温湿度等）等参数，与知识库中的判据进行比对，给出能否进行下一步作业的提示或处理建议。

（6）工作箱驶入：设备自检通过后，工作箱驶入打印工位。

（7）工艺参数下达：当设备准备就绪后，根据切片文件编号，由全流程虚拟制造系统向用户控制域软件下达经审核过的工艺参数。

（8）混砂：按照新旧砂比例参数，控制砂闸加砂：按照固化剂加入量及混砂时间参数进行混砂。混砂后的型砂直接排出到铺砂器的砂槽内，之后根据铺砂量的需求循环加砂与混砂。

（9）砂型打印：按照下达的工艺参数及给定的坐标参数进行逐层打印。控制铺砂器高频振动逐层铺砂并紧实，达到设定厚度后开始正式打印：先铺一层经固化剂混砂后的型砂，打印头通过负压作用在切片文件指定的成型区域喷射树脂，与已铺覆的型砂化学反应后粘结，形成单层零件截面。然后控制升降台下降设定层厚，然后不断重复铺砂、喷射、粘结、升降台下降过程，直至打印完整砂型。逐层打印期间，打印头通过正压作用在执行打印设定层数后进行清洗，检测到刮痕时会报警，累计报警次数越限时自动停机。

（10）系统归位：砂型打印完毕后，打印头与铺砂器运行至初始位，混砂罐、铺砂器砂槽排空。

（11）砂型静置：对打印完毕的砂型，根据设定的硬化时间参数静置处理。

（12）工作箱驶出：系统归位后，工作箱驶出打印工位。

（13）清浮砂：工作结束时，工作箱抬升，可通过负压作用清除工作箱内的浮砂，进而获得最终砂型。

4.3手动运行

在手动模式下，应能够对部分运动机构执行单步移动操作，如：工作箱的进出移动/升降，打印头的初始化，铺砂器的加砂位、初始位、清扫位，液料的加入等。

4.4设备运维

对设备的运行及报警状态进行在线监控与记录，根据报警或故障情况确定是否触发维修任务，报警及故障信息可通过声光、短信、邮件等形式分等级处理。具备设备专家库更新、设备开动率及OEE指标统计，及支持远程运维与故障诊断等功能。

4.5统计分析

能够按照日期、产品名称等字段查询对应的设备效率、产量、原材料消耗（如型砂、树脂、固化剂、清洗剂等用量）、能耗（如电能、压缩空气用量等）、工况环境（如工作电压、工作电流、电机转速、压缩空气压力、温湿度等）、质量检测（如强度、密度、表面质量等）等信息。

5软件测试

根據开发与集成过程的实际需求，将软件测试阶段划分为：设计阶段、代码功能模块测试阶段、集成测试阶段、系统测试阶段、验收测试阶段、回归测试（复测）阶段，各阶段中使用的测试方法按照GB/T9386相关内容执行。