今天談工業軟件的自主研發，更多的是在一個國際關系激烈變化的大背景下而言的。其緊迫性和重要性體現在：假設我們不能夠得到西方發達國家的工業軟件的支持，我們的工業發展會面臨什么情況？
這確實是一個不堪想象的問題，尤其是復雜制造業，如航空行業、汽車行業，離開國外的工業軟件，設計工作基本是不可能的事情。這也意味著，在復雜的制造業領域，沒有國外的工業軟件的支持，整個產品開發工作都沒有辦法開展。嚴重到這種程度，確實可以稱得上是“卡脖子”。
中國應該有自己的工業軟件戰略，作為一個制造業的大國，這是自然不過的事情。但中國自主工業軟件的關鍵突破口在哪里？這是一個工業軟件發展戰略必須考慮的問題。本文就中國制造業發展工業軟件的關鍵談一些個人看法。
1.工業軟件關鍵在CAD
當前國家對于工業軟件非常重視，但對于什么是工業軟件，各界卻沒有達成完全一致的意見。很多機構從各自的立場出發給出了什么是工業軟件的看法，眾說紛紜，莫衷一是。在此，筆者無意對什么是工業軟件發表自己的看法。
但筆者覺得，無論以何種方式去劃分工業軟件，CAD作為工業軟件的關鍵，其地位是不可動搖的。正是因為這樣，筆者認為，我國自主工業軟件的關鍵突破口在CAD技術。或者反過來說，只有突破了CAD技術，才是真正的工業軟件的突破。
首先，從國際主流CAD廠家的數據來看，CAD工具軟件在PLM領導廠商收入中占重要部分。
圖一所示是CIMdata提供的2018年各PLM廠商的收入數據，可以看到管理型軟件協同產品定義管理（collaborative Product Definition management，cPDm）占的比重在幾家主流PLM廠商——如達索、西門子等——都非常低，而CAD工具類的軟件收入都占了這些廠家的非常重要的部分。這說明從全球范圍來看，CAD在整個制造業中占了非常重要的位置。
圖一：2018年各PLM廠商的收入
數據來源：CIMdata《2019 China PMIF-Market Analysis Results》
就我國國內情況而言，情勢更為明顯。根據e-works的報告，CAD工具在2018年占比達到34.2%，再加上與CAD密切相關的仿真分析工具占比25.9%，可見工具型軟件在中國的應用是相當普遍的。
圖二：2018年中國主流PLM市場的構成
來源：e-works《中國PLM市場概覽》
以上還只是就統計數據而言。實際情況我想在PLM圈里的應該都比較清楚：自從上世紀90年代中期PDM引入國內，經過二十多年的發展，實際應用效果、推廣程度都不太理想。作為一個管理平臺，無論稱之為PDM、PLM抑或cPDm，在中國制造業迄今為止，其應用都差強人意，推廣應用的范圍都相當有限。
但CAD卻不一樣，今天的制造業離開了CAD，幾乎無法開展工作。如汽車行業，每個整車廠動輒幾百、幾千甚至上萬的設計工程師，每個人都需要用到CAD開展設計工作。由于各種原因，以上統計數據還沒有真正把這一龐大的實際用戶數盡數包含進去。
總之，這是一個數量十分龐大的離開CAD工具沒法工作的群體。這還只是說到了直接影響到的工作崗位，實際上，設計工程師沒法開展設計工作，下游的制造、采購、物流的工作也無從談起，那么間接影響到的人員數量就更為巨大。
其次，從軟件的特性來看，CAD工具也是當之無愧的關鍵的關鍵。
制造業應用到其業務中的軟件有工具型軟件和管理型軟件。相對于管理型軟件，工具型軟件更容易產品化、商品化，成為標準的商業軟件。而管理型軟件則相對困難得多，因為各企業文化差異大、管理差異大，用一套模式去套往往很難。
正是基于這樣的原因，工具型軟件對制造企業的幫助往往立竿見影，而管理型商業套裝軟件則往往捉襟見肘，往往在犧牲掉很多需求的情況下遷就商業套裝軟件的模式，其效果自然大打折扣，并且可取代性也較高。
上面說到的PLM是如此，即使全球最成功的應用軟件SAP，其實施雖然比PDM/PLM要好得多，但這方面的制約也是顯而易見的。從開發的特性來看，這種管理性平臺，無論業務多么復雜，我們是可以在較短時間內開發出企業能夠使用的平臺的。
其所需要的技能或者專業人才是兩類，第一類是能夠把管理需求迅速進行結構化整理、形成業務方案的顧問性人才，第二類是軟件架構師。有了這兩類人才，管理型軟件的開發就不是瓶頸。
但工具型軟件，尤其是CAD軟件則不是這樣的，如果沒有足夠的三維技術的積累，沒有大量設計工程師浸入式參與、迭代，是不可能在短時間內開發出來的。
總之，管理型軟件一般本來需要差異化實施，在較短時間內按照企業管理要求開發出來是可能的；而CAD這種工具型軟件通用化較高，但所需要的技術積累較多，短時間開發出來并不容易。
第三，制造業中，雖然CAD、仿真軟件、CAM等都是工具型軟件，但CAD是源頭。
仿真工具、CAM工具等往往嚴重依賴CAD技術。當沒有CAD的時候，CAE、CAM等很難獨立發揮作用。而有了CAD，則CAE、CAM等工具的開發則不會存在根本性的障礙。
如CAE軟件，不同行業、甚至同一行業不同領域，其差異化都非常大，因此我們可以看到CAE的市場細分很厲害，有很多國內的公司在這些細分市場都有不俗的表現。這一事實也印證了上述觀點。
第四，從智能制造的發展來看，智能制造涉及到的很多新概念、新方法等都與CAD有關。
如創成式設計與增材制造就是典型。這一新的設計與制造方法打破了傳統的可制造性束縛，其意義不僅僅是體現在設計、制造本身，而且會給物流、售后帶來根本性的改變，其帶給制造業的革命性意義不言而喻。
但創成式設計核心還是在CAD以及基于CAD的仿真應用。可以說，沒有三維技術的支持，就談不上面向未來的制造業的創新與發展。
綜上所述，無論從目前國內的應用現狀，還是軟件本身的特性以及未來智能制造的發展，CAD工具都有著十分基礎性的作用。沒有自主的CAD技術，就談不上自主的工業化軟件。
國際主流CAD廠商發展史回顧
國際上主流的PLM廠商，基本都是CAD起家、并且其主打產品一直是CAD。非CAD起家的很多廠商都已經消失了。這也從一個側面說明了CAD旺盛的生命力。下面從兩家最具有代表性的PLM廠商來看國際PLM市場CAD產品化、商業化過程。
第一家自然是法國的達索系統。
達索系統的CAD產品CATIA如今被廣泛應用于航空行業、汽車行業等復雜制造業，其產品化、商業化的成功當然具有很好的示范作用。CATIA的創意和誕生并不在一家純粹的IT公司，而是在達索航空。達索航空早在上世紀60年代就已經是世界航空航天工業的主要廠家之一，并且一直工作在飛機設計、制造的第一線。
CATIA正是在達索航空這樣一個環境下，于上世紀70年代醞釀、創新而出。這個時候，3D還是處于非常早的階段，萌芽期的技術推廣，由于有著各種問題，無疑受到了設計工程師非常大的阻力。最終，CATIA從達索航空獨立出來，于1981年成立達索系統公司，專門負責該產品的開發。
同時達索系統與IBM合作，由IBM負責產品市場、銷售等相關工作。在上世紀80年代中期，IBM成為CATIA的用戶，在其工程和制造工廠部署CATIA。上世紀90年代，CATIA被用到波音公司波音777項目，成為第一個大型飛行器完全數字化組裝的案例。
達索系統在發展過程中伴隨著一系列的并購和新的品牌形成。如在上世紀90年代末整并SolidWorks，整并IBM的PDM產品ProductManager形成ENOVIA品牌，在本世紀初創建新的DELMIA品牌，2005年左右整并Abaqus形成SIMULA品牌、整并Virtools，2006年左右整并MatrixOne，2010年左右整并并成立新的EXALEAD品牌。
這一系列的收購、整合使得達索系統形成了一整套以自身的3D技術為基礎，擴展到數字化制造、數字化仿真、三維虛擬展示、三維搜索等領域從而形成全方位的以三維為核心的數字化解決方案。
另一家是西門子PLM。
西門子PLM的歷史可謂非常曲折。西門子PLM的三維設計軟件NX的前身是Unigraphics。Unigraphics是在上世紀七十年代，由一家位于美國加州的聯合計算公司（United Computing，UC）開發了的一款CAD軟件，簡稱UG。
1976年，UC被麥道公司收購，作為麥道公司自動化部門的全資子公司運營。1991年，美國的電子數據系統公司（Electronic Data Systems，EDS)從麥道收購UG。EDS是美國通用汽車（General Motor，GM）旗下的IT公司，后來發展成為一個全球信息技術服務公司。然后EDS又收購了intergragh，與UG合并，改名叫UGS。
這時的UGS已經成為行業的主流廠商之一，產品主要是三維CAD軟件UG，以及PDM軟件iMan。2001年，EDS收購了SDRC，并于2002年發布了Unigraphics NX。Unigraphics NX是Unigraphics的新“下一代”版本的第一個版本，它最終將Unigraphics和I-DEAS的功能和功能整合到一個統一的產品中。
2003年UGS從EDS拆分出來被賣給了三家投資公司，準備獨立上市。此后，UGS收購了制造仿真軟件Tecnomatix以及CAE軟件NASTRAN的部分產權。2007年西門子收購UGS，成立了西門子PLM部門，并于2009年10月宣布推出其旗艦數字化產品開發解決方案NX 軟件的最新版。
近年來西門子收購了十幾家軟件公司，軟件功能覆蓋的領域也逐步擴展。目前，西門子PLM的品牌主要包括用于三維設計的CAD工具NX、PDM產品Teamcenter、用于工藝規劃和仿真及工藝流程管理的Tecnomatix、用于數據采集和分析的LMS等。
從以上兩個目前最主流的CAD產品的發展史，筆者分享以下幾點個人體會：
（一）優秀、先進的CAD產品，必然首先植根于最領先的制造業中。
無論是CATIA還是NX，在其發展的初級階段，都與航空行業或者更準確地說與飛機設計與制造有著千絲萬縷的聯系。這是為什么呢？因為飛機設計其復雜度最需要計算機輔助，最容易見到效益。因此，在這個行業，最容易產生真實的需求，促進CAD工具的迭代。
（二）強大的CAD產品需要工業巨頭的長期扶持。
無論是CATIA還是NX，其成長過程經歷了無數版本的升級迭代。CATIA在產品化階段，先后有達索航空和IBM乃至后來的波音公司的支持。NX則先后有麥道飛機和通用汽車兩大工業巨頭的支持。
這種支持包括兩個方面，一方面是投資上的支持。CAD產品從雛形到真正可用、到產品化，是一個漫長的過程。一家獨立的IT公司往往難以承擔這一漫長過程的成本。另一方面，CAD工具往往首先不是一個IT的事情，首先是設計思想、設計知識，其開發需要優秀的設計師浸入式的參與，這是一個純粹的IT公司難以高效做到的。
（三）從兩個優秀的CAD產品發展軌跡來看，CAD的產品化與商業化是可以適當分離的。
CAD產品的開發團隊需要專心致志、長久地投入在技術上，確保技術本身的強大生命力，而不可急功近利。這個技術是廣義的技術，并非只是IT技術，更包括前面所談到的浸入式的設計思想與設計知識，甚至包括應用數學、力學等方面的科學內容。
而商業化則是可以借助在IT市場有更多話語權的公司合作、推動。如IBM對于達索系統在產品商業化方面的貢獻、EDS對于UG在產品商業化方面的貢獻，都是有目共睹的例子。
（四）整個數字化設計、制造涉及到很多工具，一家公司難以開發所有的工具，并使得這些工具都在業界領先。
在這個過程中，需要靠整合不斷壯大。無論是達索系統還是西門子PLM，從其發展歷程來看，中途都經歷了多個整并、收購案例，從而使得其產品線從三維設計為主擴展至仿真分析、數字化制造等領域。在這一過程中，真正擁有自己的三維技術是核心，一切圍繞著自己的三維技術進行整合，是這兩家公司共同的道路。
如何發展我們自己的CAD
CAD在工業軟件中十分重要性，因此，我國如果要進行工業軟件的自主研發，首先要突破CAD才有意義。這是難點所在，解決這個難點，千門萬戶都已打開；反之，則皆徒然。我們應該如何發展自己的CAD？筆者就這個問題談一點粗淺看法。
首先是一個時機和技術路徑的問題。
有一種觀點認為，目前中國發展自己的CAD技術還不具備條件，因為國外是工業化之后才有CAD，言下之意，中國正處在工業化的過程中，還不具備研發CAD工具的條件。完全工業化是不是一款設計軟件產生的必要條件呢？
我認為未必如此。況且今天的中國的工業化程度與西方70年代相比，究竟是一個怎樣的對比關系都不容易說清楚。并且，在上世紀80年代，在決定采用國外CAD軟件之前，國內在CAD方面其實有過不少自主研發的嘗試和成果。只是大方向變了，都放棄了。
今天的中國制造業，比如在航空行業、汽車行業，其整體設計能力與國外相比，顯然存在不少差距，這是有目共睹的事實，但作為提煉CAD需求而言，我認為是足夠的。
所不足的是，我們可能缺少像達索系統創始人弗朗西斯·伯納德(Francis Bernard)那樣的既精通設計又能夠將這些設計的需求系統化地轉化成為對工具軟件的要求的人。這個工作看似簡單，實際非常復雜，對人才的要求很高。所以從時點上而言，如果我們現在要談自主工業軟件的突破，那么首先需要在此時此刻從CAD開始。
從技術路徑而言，如果我們要發展這一塊，就要從底層做起。即從IT的底層架構而言，都應該是自己的東西，并且對國外的CAD工具不能亦步亦趨，要有所創新和發展。這一點非常重要，因為只有做到這一點，才有可能在后面的迭代中有更多的靈活的做法。
基于國外的三維引擎進行封裝，在此基礎上的“自主研發”是沒有意義的。甚至更有甚者，今后在自主CAD領域再鬧出“漢芯”芯片或者“紅芯”瀏覽器式的鬧劇就沒意思了。
其次，發展CAD從何處著手？
中國制造業中，最能夠代表先進性的當推航空行業和汽車行業。但這兩大行業特征并不相同，恰好可以形成一定對照。就管理水平而言，汽車行業遠遠高于其它行業。正是因為大規模制造在效率和成本方面的反逼，使得汽車行業的管理水平不斷精益求精。
但就三維應用而言，航空行業在數字化設計、數字化制造等方面則遠遠走在其它行業的前面。因此，如果開發管理型平臺，汽車行業的業務實踐無疑最有價值；如果開發產品研發過程中的工具型軟件，則航空行業的業務實踐應該是標桿。因此中國自主CAD的發軔無疑應該在航空行業。
第三，CAD自主研發需要什么團隊？
談論這個問題之前，我們首先需要分析一下一個全新的CAD工具的發展策略。
在當前階段開發CAD產品，其起點一定要高，否則很難堅持下去。這是為什么呢？因為當前的時代不比西方的上世紀70年代或者中國的上世紀90年代初，那個時候，制造行業普遍沒有非常優秀的CAD工具可用。
西方各工業巨頭在70年代的時候，各企業內部都是使用自己開發的一些工具輔助設計，大多以二維為主。中國90年代，即使航空行業，三維也沒有得到普遍應用。此后幾年，達索系統的CATIA V4推到航空某所的時候，設計人員是在行政命令下犧牲掉極大的設計效率推廣基于CATIA V4的三維設計與數字化組裝。
這一痛苦的過程相信很多人記憶猶新。之所以這么痛苦還要堅持，是因為沒有別的選擇。但今天的這個時代已經今非昔比，工程師們已經長期、普遍使用了非常優秀的CAD工具，不太可能退回到那個時代，以極大地犧牲掉設計效率為代價，極端痛苦地嘗試新工具。
因此，自主研發的CAD如果長時間停留在低水平、難以實用的階段，對其推廣乃至如何堅持下去都會是一個嚴重的問題。因此，在當前時代，已經不存在一個長時間在低端徘徊、迭代的環境了，而應該是一開始就是高起點這樣一個發展策略與路徑。
這一發展策略對人才團隊的要求非常高。在這個團隊中，首先要有非常頂尖的設計、分析工程師的浸入式參與。CAD首先不是一個IT問題，而是一個設計思想、設計知識在工具上的體現。
管理型平臺其實首先也不是一個IT問題，而是一個業務方案問題。但管理型平臺與CAD工具還是有根本性區別的，開發管理型平臺需要很好的業務分析師進行業務方案的設計，這個業務方案來自于業務，但并不需要這個業務鏈上的人員浸入式參與。
管理的邏輯可以由業務分析師總體把控、整體設計。但CAD工具，其中點滴細節，都必須貼合產品設計、分析的需要，離開優秀的設計、分析工程師們浸入式參與，靠業務分析師按照“邏輯”補充這些需求必然是低效的、在適應性上需要很長迭代過程的。
其次，這個團隊還需要有數學、力學方面的科學工作者。三維建模以及基于這些模型的仿真分析，底層實際上已經是應用數學、空氣動力學等方面的問題了，高水平的CAD工具必須在一開始就要將這些考慮進去，形成“科學”基因。達索系統公司把自己定位為科學公司也是這個道理。
最后才是IT架構師。IT架構師是需要根據CAD的應用需求、應用場景找到當前最前適合于解決這些問題的IT方案，這些IT方案是可以區別與目前主流CAD產品的。相比過去幾十年前、十幾年前，IT技術有了很大發展，當然需要充分利用新的技術發展優勢取得CAD底層技術架構的優勢。
還有一點淺見就是，發展CAD的主要精力應該放在攻克三維核心技術上，而不必花過多功夫在集成和數據標準上。
筆者在上世紀90年代曾經參與過一些國家計算機集成制造系統（Computer Integration Manufacturing System，CIMS）項目。那個時候，一個普遍的苦惱是集成問題，所謂3C（CAD/CAPP/CAM）集成一度被稱為是CIMS的核心。
直到后來許多年，大家最感頭痛的好像都是集成問題。由集成的問題，大家自然熱衷談數據標準。其實集成并不是那么難，也不應該成為主要問題。過去之所以這么難，主要是因為這些工具也罷、管理平臺也罷，都是別人家的東西，我們無法觸及其真正深層次的東西。
一旦觸及核心，或者核心本身就是我們自己設計的，那集成為什么是一個問題呢？這里說這個問題，并不是說集成不重要、數據標準不重要，而是要認清楚問題的本質、問題的主次。
如果要發展自主CAD工具，當沒有核心的三維技術被研發出來之前，空談集成和數據標準就顯得有些疏闊顢頇而缺乏實際意義。
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