1　引言

工業(yè)4.0給兩化融合帶來(lái)了新的動(dòng)力，中國人善于追逐新名詞和新概念，雖然同是工業(yè)4.0一詞，不同的人對其卻有不同的理解。對于工業(yè)4.0的詮釋?zhuān)诘聡臐h諾威工業(yè)博覽會(huì )、紐倫堡SPS自動(dòng)化工業(yè)展或相關(guān)網(wǎng)站能直接得到“真金”。近幾年，中國人開(kāi)始關(guān)心這兩個(gè)世界頂級的工業(yè)盛會(huì )，特別是企業(yè)與行業(yè)相關(guān)的人，他們從中理解德國工業(yè)4.0，關(guān)心其中的工業(yè)軟件。

工業(yè)軟件是實(shí)現工業(yè)4.0的重要角色，據觀(guān)察，近幾年漢諾威工業(yè)博覽會(huì )和紐倫堡SPS展都設有專(zhuān)門(mén)的工業(yè)軟件展區，并分布在工業(yè)控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )等廳中，大會(huì )目前為工業(yè)軟件進(jìn)行了如下分類(lèi)：項目規劃類(lèi)，工程工具類(lèi)（包括CAD、CAE、CAM等），管理類(lèi)（包括虛擬現實(shí)的工廠(chǎng)仿真、資產(chǎn)管理系統、生產(chǎn)數據采集系統、ERP系統、信息管理系統、MES系統、工廠(chǎng)信息管理系統、工廠(chǎng)的情報系統、生產(chǎn)數據管理系統、SCADA系統、供應鏈管理系統等）、人機界面類(lèi)、控制類(lèi)、軟件服務(wù)類(lèi)。

從物理形態(tài)上看，工業(yè)軟件可分成嵌入式軟件與非嵌入式軟件兩大類(lèi)；嵌入式工業(yè)軟件是嵌入在控制器、人機界面（HMI）、通信、傳感裝置之中的采集、控制、通信、顯示等軟件；德國人將嵌入系統、嵌入式系統+網(wǎng)絡(luò )技術(shù)定義為本次工業(yè)4.0信息物理系統（CPS）的核心和基礎。非嵌入式軟件是裝在通用計算機、服務(wù)器、工業(yè)控制計算機之中的項目規劃、工程工具、服務(wù)管理等軟件，涵蓋設計、開(kāi)發(fā)、工藝、監控、協(xié)議、管理等內容。

2　特點(diǎn)

（1）繼承性強。需行業(yè)經(jīng)驗和長(cháng)期積累，其專(zhuān)業(yè)性強，應用面窄；與IT領(lǐng)域通用軟件不同，不是關(guān)注不斷創(chuàng )新，而是要不斷積累；它強調將對物理世界的深刻理解，并能積累到軟件中；多數工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)工作量巨大，沒(méi)有團隊多年的工作，很難形成具有市場(chǎng)競爭力的軟件，更難說(shuō)獨具特色。以企業(yè)管理類(lèi)軟件SAP為例，SAP不僅提供管理軟件系統及軟件服務(wù)，更重要的是提供了一套管理方式，這套管理方式是多年經(jīng)驗積累而成。又如1987成立的德國斯圖加特大學(xué)的ISG研究所，專(zhuān)門(mén)研究機器人控制(RC)、數控設備控制（NCN）領(lǐng)域的運動(dòng)控制，并形成核心軟件ISG kernel，庫卡（KUKA）機器人目前運動(dòng)控制采用該技術(shù)，是公認權威的優(yōu)化運動(dòng)控制軟件，其需要大量積累機器人與數控領(lǐng)域的經(jīng)驗，短時(shí)間難以實(shí)現。

（2）可靠性高。軟件與制造業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程和機器結合，需要高可靠性保證過(guò)程與動(dòng)作的正確性；無(wú)論是高速列車(chē)、煉油過(guò)程、軋鋼生產(chǎn)，還是各類(lèi)紡織機械、塑料機械、包裝機械、汽車(chē)生產(chǎn)等的控制都離不開(kāi)可靠性，工業(yè)軟件不僅對軟件的正確性要求十分嚴苛，而且對軟件開(kāi)發(fā)、管理要求十分嚴密，IEC61508軟件SIL安全認證，需監控軟件開(kāi)發(fā)的全過(guò)程及軟件全生命周期。對于與硬件直接相關(guān)的軟件更是只能正確，這與我們平時(shí)用的手機、PC機的軟件偶爾死機的性質(zhì)完全不同。

（3）平臺化。平臺化是當前工業(yè)軟件的主要特征，是軟件效率與可靠性的保證。工程設計類(lèi)軟件（CAD、CAE、CAM等）的平臺性毫無(wú)爭議；控制、HMI、管理開(kāi)發(fā)類(lèi)軟件的平臺性已經(jīng)發(fā)展成熟，如按照PLCopen的IEC61131-3標準開(kāi)發(fā)的CODEsys與KW-MULTIPROG控制用平臺軟件，可滿(mǎn)足企業(yè)開(kāi)發(fā)不同DCS、PLC產(chǎn)品的需要，又有很好的繼承性、可靠性，目前國內的主流DCS與PLC企業(yè)都在選用。軟件的平臺化使得軟件開(kāi)發(fā)難度大大提高，軟件不僅要完成業(yè)務(wù)功能需求，還要能完成軟件復用、軟件生成和數據重構、處理輸出等功能。

3　現狀

國家十分重視工業(yè)軟件，從2010年工信部組織建立了中國工業(yè)軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟，到工業(yè)基礎軟件“自主可控”政策的推出，已經(jīng)取得明顯的作用。但中國工業(yè)軟件的現狀不樂(lè )觀(guān)，主要體現在：

（1）認識不夠。從政府到企業(yè)，從大學(xué)到研究所，將工業(yè)軟件等同于應用軟件的開(kāi)發(fā)，尚未認識到工業(yè)軟件基礎平臺化的重要性與困難；缺少對系統性、關(guān)鍵性軟件的持續支持，國家的科技攻關(guān)項目強調大工程、短平快，軟件項目附在大項目中，缺少打基礎、攻難關(guān)的工業(yè)軟件項目；國家有機器人用操作系統項目，但是，機器人的開(kāi)發(fā)平臺、協(xié)同運動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議軟件是核心，每項內容都困難。說(shuō)明對當前工業(yè)軟件認識有問(wèn)題；開(kāi)發(fā)平臺工業(yè)軟件難度大，但意義更大，不應該回避，更不應該將某個(gè)行業(yè)的應用軟件等同于平臺化的工業(yè)軟件；如計算機操作系統，國家應該給與大力和持續的支持。

（2）人才奇缺。IT業(yè)的發(fā)展已經(jīng)開(kāi)始制約工業(yè)軟件的基本人才條件，工業(yè)軟件的類(lèi)型豐富，應用面廣，中國企業(yè)的人才目前只能滿(mǎn)足應用國外工業(yè)軟件的需求，很多類(lèi)型的工業(yè)軟件缺少研發(fā)人員，因此大量開(kāi)發(fā)類(lèi)型軟件如CAD、CAE、CAM均靠進(jìn)口。造成這種現象的原因是：IT工業(yè)與制造業(yè)發(fā)展不平衡。同是編程人員，甚至工業(yè)軟件的編程人員比IT的軟件人員要求更高，但目前IT業(yè)技術(shù)人員的收入是制造業(yè)的2~4倍，技術(shù)精英大量轉到IT業(yè)，人才離開(kāi)了生產(chǎn)、設備與機器，誰(shuí)來(lái)改造，提升制造業(yè)？

（3）“生態(tài)”混亂。國內工業(yè)軟件的研發(fā)、銷(xiāo)售的生態(tài)已“被”打亂，從開(kāi)發(fā)、認證、規劃都存在自主技術(shù)不夠與引進(jìn)技術(shù)不消化的問(wèn)題。制造業(yè)企業(yè)沒(méi)有資金與能力開(kāi)發(fā)，國內企業(yè)不愿意用自主產(chǎn)品，市場(chǎng)與環(huán)境沒(méi)有留下多少生存土壤，自主工業(yè)軟件發(fā)展艱難；政府對工業(yè)軟件的生態(tài)調控困難，已經(jīng)出現國內工業(yè)軟件企業(yè)與國外企業(yè)技術(shù)競爭已明顯不公的情況。在與生產(chǎn)CODEsys軟件的德國3S公司深入交流可以發(fā)現，該公司很多年一直獲得歐盟、國家、州政府的經(jīng)費長(cháng)期支持；據斯圖加特大學(xué)的ISG研究所網(wǎng)站公布的數據顯示，2014年，獲德國教育與科技部的5個(gè)項目經(jīng)費支持的公司都不是所謂的大公司。通過(guò)走訪(fǎng)國內民間企業(yè)也可發(fā)現問(wèn)題，在浙江平陽(yáng)，有一個(gè)當地十分有名氣的印刷機械設備企業(yè)，產(chǎn)值過(guò)億、產(chǎn)品出口；以其標簽檢品機產(chǎn)品為例，產(chǎn)品銷(xiāo)售價(jià)格40萬(wàn)左右，其中進(jìn)口關(guān)鍵部件BST圖像處理系統，價(jià)格20~30萬(wàn)。這說(shuō)明一方面中國企業(yè)產(chǎn)品利潤很低，沒(méi)有研發(fā)工業(yè)軟件的經(jīng)濟條件。另一方面，生產(chǎn)產(chǎn)品越多，國外企業(yè)利潤越多，研發(fā)經(jīng)費取之不竭。

4　發(fā)展

中國已經(jīng)成為世界制造業(yè)大國，雖然產(chǎn)品過(guò)剩、利潤少、技術(shù)含量低等問(wèn)題嚴重，但是企業(yè)的生產(chǎn)物理內容在中國，對事物的理解基礎在中國，只要愿意，制造過(guò)程的技術(shù)訣竅know how可以由民族團隊繼承；以PCB生產(chǎn)為例，我國已經(jīng)是PCB第一生產(chǎn)大國，企業(yè)已經(jīng)掌握PCB的CAD設計、生產(chǎn)、設備操作、工藝等全過(guò)程。從用戶(hù)CAD設計PCB文件到生產(chǎn)，首先需要CAM（軟件是以色列Orbotech、美國Gerber、美國Scitex等公司提供，價(jià)格不菲），完成自動(dòng)布線(xiàn)規則檢查（DRC）及自動(dòng)修改有問(wèn)題的設計，自動(dòng)完成拼板、旋轉和鏡向，自動(dòng)添加電鍍夾片、內層排膠條和測試圖形，自動(dòng)添加各種定位孔，生成數控鉆床鉆孔資料和銑外形資料，自動(dòng)生成光板測試模板鉆孔資料和網(wǎng)絡(luò )表，計算導體銅箔的面積等；通過(guò)多年的生產(chǎn)，這些從PCB設計到加工的工藝細節中國企業(yè)已經(jīng)掌握，只是PCB生產(chǎn)企業(yè)沒(méi)有軟件人才，PCB企業(yè)表示如果有軟件團隊，開(kāi)發(fā)只是時(shí)間問(wèn)題，當然需要資金。

如何解決中國從制造大國到制造強國轉型，目前來(lái)看跨越式發(fā)展是一個(gè)方法，但更適用于IT互聯(lián)網(wǎng)的世界。工業(yè)軟件靠積累，靠人類(lèi)對客觀(guān)世界的認識的不斷提高。在當前經(jīng)濟形式下，需小步快走，我國大學(xué)與研究所人才資源豐富，是一股可以依靠的力量；但需通過(guò)政府引導和國內制造業(yè)企業(yè)給與支持和理解，讓大學(xué)與研究所走向行業(yè)企業(yè)，接觸機器設備，了解用戶(hù)需求。雖然國內已經(jīng)有了華中數控、浙大中控等一批著(zhù)名企業(yè)，并給出很好的范例。但支持小團隊是支持創(chuàng )新的根本，所有成功的企業(yè)都是從小團隊開(kāi)始。

從工業(yè)4.0談到智能制造，CPS更應該讓我們重視工業(yè)軟件，是否能放下談?wù)?，走向工業(yè)，接觸機器，讓我們知道智能制造需要什么。從設備級來(lái)說(shuō)伺服代替齒輪是新一代工業(yè)革命要點(diǎn)，進(jìn)一步需完成運動(dòng)控制與視覺(jué)的智能結合，為柔性生產(chǎn)打基礎，這里嵌入式系統將仍然是主角。從工廠(chǎng)級來(lái)說(shuō)需要將信息流代替人工流，從規劃、設計、生產(chǎn)、銷(xiāo)售到服務(wù)形成信息的閉環(huán)，互聯(lián)網(wǎng)將成為主角。

我們需要幾十年方向不變的小團隊，因為它們是中國工業(yè)軟件的未來(lái)。國家應該支持建立大量的工業(yè)軟件小團隊，采用階梯式、持續式、不變式的支持方式，代替短平快、跟風(fēng)式、操作式方式，這些團隊必須面向企業(yè)、行業(yè)、窄方向，重新苦戰10年，中國工業(yè)軟件才有自己的話(huà)語(yǔ)權，才能將工業(yè)4.0成為中國的工業(yè)4.0。

作者簡(jiǎn)介

嚴義，二級教授，博士生導師，計算機應用、計算機系統結構專(zhuān)業(yè)方向。智能與軟件研究所所長(cháng)，兼杭州電子科技大學(xué)國家級計算機基礎實(shí)驗示范中心主任，浙江省嵌入式系統重點(diǎn)實(shí)驗室(杭電)主任，浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng )新團隊（面向行業(yè)的嵌入式關(guān)鍵技術(shù)）負責人?，F任PLCopen中國主席。

研究領(lǐng)域：計算機系統結構、嵌入式系統、機電一體化、自動(dòng)化智能儀器儀表等。先后主持過(guò)國家自然基金、國家863項目，省部級科技重大、重點(diǎn)攻關(guān)項目若干。在國內外重要學(xué)術(shù)刊物及國際重要學(xué)術(shù)會(huì )議上發(fā)表論文40多篇，被SCI、EI檢索論文20余篇，教材論著(zhù)3部，授權發(fā)明專(zhuān)利10多項。主持的項目獲浙江省科技進(jìn)步獎一等獎一項、浙江省科技進(jìn)步獎二等獎2項，浙江省科技進(jìn)步獎三等獎1項。

現為享受政府特貼專(zhuān)家，浙江省有突出貢獻中青年專(zhuān)家，全國信息產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng )新先進(jìn)個(gè)人，浙江省151人才工程一層次人員（重點(diǎn)資助人員），浙江省高校中青年學(xué)科帶頭人。

摘自《自動(dòng)化博覽》6月刊