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工业软件:堵点与出路

发表时间:2022-08-08 浏览次数:175

世界处于百年未有之大变局,大国战略博弈进一步聚焦制造业,美国“先进制造业领导力战略”、德国“国家工业 战略 2030”、日本“社会 5.0”等以重振制造业为核心的发展战略,均以智能制造为主要抓手,力图抢占全球制造业新一轮竞争制高点。我国制造业增加值多年维持全球第一,但长期处于价值链的中低端,制造大国向制造强国的转变中,工业软件作用举足轻重,EDA/MATLAB断供事件,更是倒逼国产工业软件加速发展。


  工业软件在国内因起步较晚,高端核心技术长期被外国垄断,中国制造业规模占全球的近30%,但国产工业软件的市场份额不足6%,工业软件正在成为我国由制造大国走向制造强国迈进的主要瓶颈。本文以工业软件堵点、出路为题,对此进行一些探讨。


  一、我国工业软件堵点


  工业软件是工业知识软件化的结果,指将数学、物理、化学、电子、机械等多学科知识进行融合并软件化,使工业软件成为智能工具,起到定义工业产品、控制生产设备、完善业务流程、提高运行效率等作用,其核心价值在于帮助工业企业提质、降本、增效,提高企业在高端制造中的竞争力。


  2021年,我国工业软件产品实现收入2414亿元,同比增长24.8%。而近5年,全球工业软件市场规模平均增速维持在6%。我国开始进入工业化进程后期,工业软件需求缺口大。工业软件与先进制造一同成长,德国、美国、英国已完成工业化进程,凭借深厚的工业积累,已诞生百亿欧元体量的巨头公司。海外工业软件巨头均诞生于工业强国的转型时期,产品与产业融合不断提升产品的实际应用性能。


  目前,国外软件巨头占据国内工业软件从设计、制造至服务的八成以上市场,掌控着仿真设计、分析工具、企业管理和先进控制等工业软件核心技术。国际主流常用的各领域工业软件超过150余款,涵盖研发设计、生产控制、测试验证等环节,几乎都是国外企业提供,且软件封闭不开源、不开放。结合产品形态、用途和特点的不同,工业软件可分为研发设计、生产控制、信息管理和嵌入式软件四大类。每一类的工业软件堵点或是卡脖子之处简述如下:


  研发设计类软件:目前我国工业软件最大的短板,几乎被国外厂商垄断。主要用于提高企业的研发能力和效率,包括CAD/CAE/PLM/EDA等。研发设计类工业软件是我国工业软件的短板,国产化率较低。从龙头企业数量的角度来看,研发设计类工业软件(CAD/CAE/CAM等)各细分领域的前十大供应商中,国内企业数量占比较少。国内企业营业收入及研发投入与海外企业仍具有较大差距。从实际的研发投入来看,国内6家头部企业研发投入不及SAP(全球企业软件供应商思爱普)的1/9。通用型研发设计类软件,外资厂商占据主要的市场份额,国内厂商追赶难度较大。研发设计类软件具有跨学科,复杂知识系统的工程化特点,造成商业化难度大,生态构建难。同时由于通用型软件厂商正在以平台化的方式快速发展,国内厂商追赶难度较大。在CAD、EDA、BIM等赛道国产厂商已获得细分垂直领域的国产化突破。


  生产控制类软件:国产化率达50%,集中在中低端软件。主要用于提高制造过程的管控水平、改善生产设备的效率和利用率,包括PLC/EMS/MES等,代表企业包括西门子、霍尼韦尔、宝信软件(600845)、中控技术等。行业垂直化特征明显,国内厂商更贴近客户需求,国产化率达50%。国外厂商在高端离散行业市占率较高,国内厂商主要集中在中低端的细分市场,且规模相对较小。国内厂商在具有垄断性、生产技艺较为成熟的流程行业初步完成国产化替代。在DCS、MES、SCADA等领域,国产厂商拥有一定程度国产化基础,各厂商解决方案的模块化程度、产品化程度提高,复用率不断提升,形成良性循环。


  信息管理类软件:中低端市场国产厂商垄断,高端市场海外厂商占比超61%。主要用于提高企业管理水平和资源利用效率,包括ERP/PM/CRM等,代表企业包括SAP、Oracle、用友网络(600588)、金蝶等。行业进入稳定发展期,中低端市场基本实现国产替代,云化加速性能赶超。本土信息管理类软件工业软件已经出现代表厂商,在中低端市场占有率高,诸如金蝶、用友网络等,这些代表厂商已经具备较大规模和实力。国内ERP企业从财务数据及战略执行力上都展现了极强的云转型动力。国内厂商分别推出了“PaaS+多模块SaaS”的核心云原生产品,针对大企业、中型企业、小企业均推出了相应产品,并针对中大型企业则灵活提供本地化、混合云、公有云等多种部署方案。从战略和落地均领先于海外厂商。


  嵌入式软件:国产软件与国外巨头同场竞技的局面。嵌入在硬件中的操作系统和开发工具软件,包括PLC/SCADA/DNC等,代表企业包括WNDRVR、西门子、海尔、中兴等。在智能化转型中得以大规模应用,国产化率较高。嵌入式软件在产业数字化转型中得到大规模应用。嵌入式软件部门收入占工业增加值比重与工业增长速度正相关,嵌入式软件收入占工业增加值比重增加1%,人均工业增加值增长率平均增加2.3%,嵌入式软件对智能制造发展起到关键作用。


  二、我国工业软件发展出路


  我国目前面临制造业升级的问题,制造业要升级,就必须有匹配的工业软件作为基石。作为工艺沉淀与传承的载体,工业软件涉及生产制造过程中各个环节,并且成为锻造智能化制造与作业体系的核心基础,工业软件是工业4.0时代实现智能制造的关键。要避免国产工业软件被“卡脖子”,实现对国外先进工业软件的追赶和超越,有关专家表示,可以从以下几个方面入手:


  一是在国家战略层面,要把高端工业软件放在“中国制造”向“中国智造”转向的关键位置。工业软件研发难度大、体系设计复杂、技术门槛高、硬件开销大、复合型研发人才紧缺、对可靠性要求较高,因此研发周期长、研发迭代速度慢。一般大型工业软件的研发周期需要3-5年的时间,要被市场认可则需要10年左右,需要长期的积累才能完成目标。鼓励软件企业、工业企业、高校、科研机构协同研发,避免出现技术空心化现象,扎根工业领域,注重工业数据积累,联合开发面向产品全生命周期和制造全过程各环节的核心工业软件,逐步破解工业软件受制于人的局面。


  二是加强人才要素支持,培养研发人才。工业软件研发需要兼具行业知识和软件研发背景的复合型人才,要充分挖掘高校和科研院所的科研潜力,对标国际领先职业技术人才培养模式,校企对接,高校根据产业需求定向培养,企业重视对人才的再教育再培养。


  三是加大资金投入力度。从“十五”到“十二五”的15年间,国家对 CAD/CAE 等核心工业软件投入资金不超过2亿元。而全球最大的CAE仿真软件公司Ansys在2019年一整年的研发投入为2.98亿美元,约为21亿人民币,是我国15年投入的十倍之多。要把工业软件的发展放到航空、航天、兵工、船舶等行业同等重要的地位,发挥国家体制的优越性,加大研发资金投入。


  四是满足特定需求。支持国产工业软件企业发展壮大,帮助拓展工业软件创新产品应用场景。加强与国际领先企业在技术研发标准等方面深度合作,共同开发和推广具有我国产业特色的高端产品,聚焦工业软件网络安全,加入国际联合组织。


  附件1、EDA/MATLAB断供事件


  2019年5月15日,美国商务部正式对中国华为及其子公司发出禁售令,隔天美国EDA软件公司ANSYS 规定立即禁止与华为及其子公司一切的生意往来、服务以及训练等工作。


  ANSYS 为全球当前工程模拟软件的大厂,在众多产品的创造过程中,都扮演着至关重要的角色。其领域涵盖航天、建筑、科技、生医等领域,借由 ANSYS 旗下的工程模拟软件,进行各项产品设计的模拟与事后的验证工作,以达到产品快速进入市场,并将低成本的目的。在目前,为科技业全球重镇的台湾来说,包含台积电、联发科以及其他的零组件元件厂,甚至是系统厂都是 ANSYS 的客户。日前,ANSYS 也获得了台积电 5 纳米FinFET 制程技术,以及新系统整合芯片先进 3D 芯片堆栈技术的认证,是现代科技产品发展中不可或缺的关键工具之一。


  EDA全称“电子设计自动化”(ElectronicDesignAutomation),被誉为“芯片之母”,是所有芯片设计的基础软件。芯片被禁,华为尚且有海思作为替代,但如果没有EDA软件,海思想设计芯片没有工具可用。全球范围内,EDA行业每年70%的收入,都集中在美国三家公司手中,分别是楷登电子科技(Cadence)、新思科技(Synopsys)和明导国际(MentorGraphics)。我国华为及其 IC子公司海思虽有补救方案,但在对先进技术和工艺的支持上,还存在不小差距。


  2020年5月22日,美国商务部将33个中国实体加入“实体清单”,哈尔滨工业大学和哈尔滨工程大学位列其中,遭遇MATLAB禁用。


  MATLAB全名“矩阵实验室”(MatrixLaboratory),有着“工科神器”之称。对于很多工科生来说,这是学习生涯中都要学会使用的软件,之所以能被冠以“神器”之名,是因为其在工科领域广泛的应用,涵盖数学计算、建模仿真、电子通信、机械化工、汽车航空、电力能源、经济金融和生物医学等跨度极大的学科


  MATLAB本身已经成为“合格认定”的一部分,许多提交论文,必须附加Matlab的程序验证,如果不允许使用Matlab,会使得许多研究人员直接断炊,这就是标准的力量。


  不管是MATLAB,还是EDA,都指向了中国核心工业软件缺失的问题。