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工业互联网,智能制造,工业软件是生产流程数字化的关键,软件自主可控是核心

发布时间:2020-09-16 11:22编辑:小狐阅读: 231次 手机阅读

1、工业互联网是实现企业内部数字化建设的重要基础

1.1. 工业互联网体系架构

工业互联网体系分为五个层级,包括设备层、网络层、平台层、软件层和应用层,同时安全 体系贯穿在工业互联网五个层级之间。

工业互联网,智能制造,工业软件是生产流程数字化的关键,软件自主可控是核心(图1)

1.1.1. 设备层—工业互联网基础设施

工业互联网基础设施包括生产制造环节的工业机器人、服务机器人、3D 打印机、智能机床、 智能生产设备等设施,传感器、RFID、控制芯片、数据监测仪器等智能硬件设备,以及数据 集成处理与存储中心等。设备层能够完成数据的采集、执行等工作。

1.1.2. 网络层—工业通信

根据工业互联网产业联盟发布的工业互联网体系架构(版本 2.0),工业互联网的网络互 联,即通过有线、无线方式,将工业互联网体系相关的人机物料法环以及企业上下游、智能 产品、用户等全要素连接,支撑业务发展的多要求数据,实现端到端数据传输。网络层 主要负责数据的传输、分发等工作。

工业互联网网络体系可分为工厂内部网络和工厂外部网络。①工厂内部网络用于连接在制品、 智能机器、工业控制、人等主体,可分为工厂 IT 网络和工厂 OT(即工业生产与控制) 网络。其中工厂 OT 网络主要用于连接生产现场的控制器、传感器、监控设备等部 件;工厂 IT 网络主要由 IP 网络构成,通过网关设备实现与互联网和工厂 OT 网络的互联及安全隔离。②工厂外部网络用于连接企业上下游、企业与智能产品、企业与用户等主体,旨 在通过互联网实现对工业全生命周期各项资源与活动的优化配臵。

同时,网络互联根据协议层次由底层至上层可以分为多方式接入、网络层和传输层传送 三层。①多方式接入主要包括有线接入和无线接入,有线接入包含现场总线、工业以太网、 工业 PON、TSN 等,无线接入主要包括 5G/4G、WiFi/WiFi6、WIA、WirelessHART、 ISA100.11a 等方式。②网络层主要作用是实现工业非实时数据、工业实时数据、 网络控制与网络等。工业非实时数据指对无时延同步要求的采集信息数据与数 据的传输,实时数据则是对有实时性要求的生产控制信息和需要实时处理的采集信息的 数据传输。网络控制主要负责路由表/流表生成、路径选择、路由协议互通、ACL 配臵、QoS 配臵等,网络主要包括层次化的 QoS、拓扑、接入、资源等功能。③传输 层传送主要包含数据传输与传输,数据传输指端到端的数据传输,基于 TCP、UDP 等 设备将数据传输到;传输主要包含传输层的端口、端到端连接和安全 等。

1.1.3. 平台层—工业云平台

工业互联网平台是在传统云平台的基础上叠加物联网、大数据、人工智能等新兴技术,实现 海量异构数据汇聚与建模分析、工业经验知识软件化与模块化、工业创新应用与运行, 从而支撑生产智能决策、业务模式创新、资源优化配臵和产业生态培育的载体。

我国十大“双跨”工业互联网云平台有望获得重点支持。工业互联网平台的连接对象为工业 设备,基于工业互联网平台,解决方案商对工业设备进行监测、运行优化和安全防护, 使设备可以更好地运转,从而提升生产效率和生产精度,创造服务效益。中国电子信息产业 发展研究院世界工业研究所人工智能研究室主任王哲在接受采访时表示,目前我国具有一定 影响力的平台超过 70 个,平均工业设备连接数达到 69 万台,平均工业模型数突破 1100 个,平均工业 APP 达到 2120 个,行业处于快速增长期。为了加快培育一批实力强、服务广的跨 行业跨领域工业互联网平台,有效支撑制造业转型升级,2019 年工信部评选并对外公示了 我国十大跨行业跨领域的工业互联网平台。

1.1.4. 软件层—工业软件

工业软件指专用于或主要用于工业领域,以提高工业企业研发、制造、水平和工业装备 性能的软件。按照产品形态、用途和特点的不同,工业软件可分为研发设计软件、生产控制 软件、信息软件和嵌入式软件。工业软件是生产流程数字化的关键。

1.1.5. 应用层—工业解决方案

工业解决方案主要包括工业数据的、分析以及工业 APP 的应用等。其中,工业数 据和分析包括设备监测、能耗分析、供应链、智能诊断等。工业 APP 则是面向工 业产品全生命周期相关业务(设计、生产、实验、使用、保障、交易、服务等)的场景需求, 把工业产品及相关技术过程中的知识、最佳实践及技术诀窍封装成应用软件。工业 APP 以 解决工业场景中的特定问题为目的,是工业解决方案中的核心部分。

1.1.6. 工业安全

1.2. 我国面临制造业被动升级转型,企业数字化至关重要,工业互联网是重要基 础

随着经济发展进入新拐点,我国制造业的低人力成本优势逐渐丧失。2014 年,我国劳动力 成本是十年前的 2.7 倍。三星、耐克、富士康等世界知名企业纷纷选择在东南亚和印度开设 新厂。根据东莞市政府数据,2014 年全年,东莞倒闭了 428 家企业,曾经被称为制造之都 的温州,也在经历制造产业空心化。

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我国的高端制造业尚未建立,低端制造业面临向东南亚和印度等地区转移。近年来,我国制 造业成本跃升,但效率尚未跟上,正在经历成长阵痛。根据《2018 年中国制造业痛点分析 报告》综合来看,超过 50%以上的行业痛点分布在信息与大数据、智能工厂与智能制 造领域,而整个制造业的痛点主要集中终端设备连接性、数据标准统一性以及数据信息安全 性三个方面。同时,中国企业核心竞争力要素分布不均衡,其中信息与大数据的指标评价值远低于其它要素,成为影响到企业其他各要素效能的短板。

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中国工业场景基础设施的数字化水平低,智能制造发展受到严重制约。根据两化融合服务联 盟的数据,截止到 2019 年第二季度,所调查的 15 万家工业企业在生产设备数字化率、关键 工序数控化率分别为 47%和 49.2%,而工业企业智能制造就绪率仅为 7.6%,且这其中绝大 多数为规模以上企业。设备设施数字化、网络化基础薄弱,尤其反映在中小企业设备改造资 金投入不足和数据采集不完整。

数字化、联网化率不足,也限制了工业软件普及率,使重点行业企业加应用计算机辅助设计 (CAD)制造执行(MES)产品生命周期(PLM)等工业软件配臵率较低。根据《2018 年中国制造业痛点分析报告》2017 年中国企业的 94.4%的企业未能做好部署 智能制造的准备,生产设备数字化率只有 44.8%,而数字化设备联网率仅为 39.0%。制造执 行(MES)普及率只有 18.1%,数据采集与监控(SCADA)只有 4.7%。

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工业互联网是实现企业内部数字化建设的重要基础,中国亟需大幅提升工业设备设施网络化 水平,突破企业数字化发展瓶颈,大力推动以 5G 为支撑的工业互联网发展。

2. 企业数字化的实现—离不开硬件更离不开软件

工业互联网的核心是基于全面互联而形成数据驱动的智能。工业互联网共性的基础和支 持可以从网络、数据和安全三个方面来理解:1网络是基础。通过物联网、互联网等技术实现工业全的互联互通。2安全是保障。通过设备安全、网络完全、控制安全、数据 安全及应用安全五大方面构建涵盖工业全的安全防护体系,保障工业智能化的实现。3 数据是工业智能化的核心驱动。实现数字化需要建立数据的采集,交换,集成处理,建模分 析,决策优化和反馈控制等。这一既离不开包含生产环节、数据采集环节、控制环节及 数据处理环节在内的硬件设施,也离不开对数据进行建模、分析的各类工业软件。

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2.1. 硬件—工业互联网的骨骼

在工业互联网硬件端,生产环节需要各类智能生产设备,比如机器人、智能机床等,数据采 集环节需要各类传感器、仪表、检测/监测设备等,控制环节需要 DCS、PLC 等各类工业自 动化控制(含内嵌软件)数据处理存储环节需要、存储器等。

2.2. 工业软件和数据解决方案—工业互联网的大脑

2.2.1. 工业软件

工业软件是工业生产提质、降本、增效的重要工具。与其他软件不同的是,它并非 IT 行业发 展的产物,其核心也不在于软件。工业软件的核心在于工业,其本质是工业发展过程中长期 积累的工业知识与经验的结晶,与工业化进程相伴相生,相辅相成。具体来讲,工业软件是 将工业领域和工业技术中设计、仿真、工艺等方面的生产知识、工艺方法、技术经验等实现 数字化、模型化、显性化、化以及智能化,并通过软件形式进行封装、承载、应用以及 迭代等,实现软件定义智能制造。

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1 研发设计类

研发设计类工业软件主要用于提升企业在产品设计与研发工作领域的能力和效率,主要包括 CAD、CAM、CAE、EDA、PLM、PDM 等产品。根据赛迪顾问数据,研发设计类软件中 PLM 市场份额最大,达到 27.1%,其次为 BIM、CAD、EDA 软件,分别占据 14.4%、13.6%和 13.4%的市场份额。

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 CAD

CAD(Computer-aided Design)即计算机辅助设计,指利用计算机及其图形设备帮助设计 人员进行设计工作,用自动化的流程代替手动制图,在机械、电子、汽车、航空航天、建筑 等领域得到广泛应用。CAD 分为 2D 和 3D,其中 3D CAD 在全球市场中占据了约 75%的份 额。

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根据 P&S Intelligence 数据,2017 年全球 CAD 市场规模为 83.25 亿美元,预计市场以 CAGR 6.6%增速扩张,到 2025 年,全球市场规模将增长至 138 亿美元。当前,CAD 领域的龙头 厂商主要为达索、Autodesk、西门子等,其中达索旗下 1982 年发布的 CATIA 已拥 有近百个模块的 3D CAD 领域领先产品,已成为汽车行业不可或缺的软件。Autodesk 为三 维设计、工程及娱乐软件的领导者,主要产品包括 AutoCAD、AutoCAD Architecture、 AutoCAD Electrical 等。在中国市场,2D CAD 发展较为迅速,并在低端市场上快速普及, 但 3D CAD 还有很大的发展空间。中望软件、浩辰软件是当前中国 CAD 领域领导企业。

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 CAM

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 CAE

CAE(Computer Aided Engineering)即计算机辅助工程,其本质上即为仿真,CAE 软件 的主体是有限元分析软件,基本思想是将结构离散化,用有限个容易分析的单元来表示复杂 的对象。例如,CAE 软件能够通过预测现实中的力、振动、热、流体流动等情况,针对产品 是否会断裂、磨损或是否按照原本设计的方式工作等开展分析,在此基础上对产品的结构进 行优化。CAE 多应用在航空、航天、机械、土木结构等领域。

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根据 Grand View Research 数据,2019 年全球 CAE 市场规模达到 73 亿美元,预计未来以 CAGR 9.3%增长,2025 年全球市场规模有望达到 124 亿美元。目前,行业龙头主要为 Ansys、 西门子、达索、Hexagon、PTC 等国外企业,这些大型 CAD 厂商在发展过程中常通过并购 手段增强其 CAE 产品的竞争力。相比国外市场,我国有限元发展缓慢,国外于 1940s 已提 出有限元法理论,并在 1960-90s 逐渐商用。我国在 1960s 由数学家冯康提出了有限元的分 析方法,但是此时国外已经应用于航空领域。2018 年,我国 CAE 市场规模约为 41.89 亿元。 当前我国 CAE 厂商数量少,国内厂商的 CAE 软件有核心功能但缺乏二次能力、核心算 法薄弱,功能不健全。

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 EDA

EDA(Electronic Design Automation)即电子设计自动化,是指利用计算机辅助设计(CAD) 软件,来完成超大规模集成电路的功能设计、综合、验证、物理设计(包括布局、布线、版 图、设计规则检查等)等流程的设计方式。EDA 可以在芯片设计中将复杂的物理问题用数学 模型高度精确化地表述,利用数学工具解决多目标多约束的最优化问题。随着集成电路制造 工艺进入 7nm 以下,数字芯片中标准单元数量达到亿数量级,EDA 算法已经成为数据密集 型计算的典型代表。当前,EDA 主要厂商包括 Synopsys、Cadence 和 Mentor Graphics 等, 且三大巨头拥有中国市场 90%左右的市场份额。而国内的十几家 EDA 公司,如华大九天、 芯禾科技等,技术上仍以 16nm 和 28nm 为主,2018 年合计额不过 3.5 亿元,国内市 场份额约为 10%,全球市场份额仅为 1%左右。目前,EDA 软件技术水平不足已成为制约我 国集成电路发展的重要因素。

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 PLM

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根据 Quadrant 报告数据,2018 年全球 PLM 市场规模达到 185.7 亿美元,预计未来将以 7.2% 的年复合增长率增长,2023 年 PLM 市场规模将达到 260 亿美元以上。根据 CIMdata 数据, 2018年中国PLM软件市场规模为23.5亿美元。当前PLM市场上的厂商基本可以分为三类: 第一类是以 CAD 为主体的 PLM 供应商,代表企业有西门子、达索、PTC 等;第二类为以 PDM 为主体的 PLM 供应商,代表企业有上海思普、浙大联科、武汉开目等;第三类是以 PLM+ERP 整体解决为主体的供应商,代表企业为用友、Oracle、SAP 等。

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2 生产控制类

生产控制类软件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,主要包括 MES、SCADA、EMS 等。根据赛迪顾问数据,2018 年生产控制类软件市场中,MES 软件 拥有 29.0%的市场份额,其次为 DCS 与 SCADA,比重分别为 23.1%与 17.6%。生产控制 类软件供应商中,国外企业与国内厂商均拥有一定的市场份额。其中,国外厂商如西门子、 ABB 等由于发展历史悠久、技术先进,相对而言具有一定的竞争优势;国内企业如国电南瑞、 宝信软件、石化盈科、中控技术等,则在特定行业领域占据了一定的市场份额,如国电南瑞 侧重于电力能源行业,宝信软件、石化盈科、中控技术则专注于钢铁石化行业。

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 MES

MES(Manufacturing Execution System)即生产制造执行,是位于上层的计划系 统与底层的工业控制之间的面向车间层的信息。MES 是对整个车间制造过程的优化, 而不是单一的解决某个生产瓶颈,MES 通过控制包括物料、设备、人员、流程指令和 设施在内的所有工厂资源,优化从订单到产品完成的整个生产活动,达到以最少投入生产出 最优产品的目标。MES 需要实时收集生产过程中数据,并与计划层和控制层进行信息交互, 通过企业的连续信息流来实现企业信息全集成。

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 SCADA

SCADA(supervisory control and data acquisition)是数据采集与监控,主要指有监控 程序及数据收集能力的电脑控制,可以应用于工业程序、基础设施或设备中。SCADA 包括以下子:①人机界面(human machine interface,缩写为 HMI)HMI 是一个 可以显示程序状态的设备,操作员可以依此设备监控及控制程序。②远程终端控制(RTU) 或可编程逻辑控制器(PLC)它们能够连接各个程序中的传感器,将采集的数据发送给监 控。③通信网络,可作为监控及 RTU(或 PLC)之间传输数据的管道。SCADA 是一个可以监控及控制所有设备的集中式,或是在由分散在一个区域中许多的组合。 其中 RTU 或 PLC 负责对执行层的控制,主则负责对层级的监控。例如在一个 中,PLC 用来控制制程中冷却水的流量,而 SCADA 用于让操作员改变流量的目标值, 设臵需显示及记录的警告条件(例如流量过低,温度过高)等。

3 类

信息类软件能够帮助企业提高水平,提升物流效率和信息流效率,主要包括 ERP、 CRM、SCM 等产品。根据赛迪顾问数据,2018 年我国信息类软件市场中,ERP 软件 比重最高,为 27.9%,其次为 FM、HRM 与 SCM,分别拥有市场份额 19.0%、13.9%及 12.7%。信息类软件各供应商中,用友软件、SAP 及 Oracle 拥有领先优势,分别占据市场份额 16.0%、14.0%与 11.0%,国内企业如东软、浙江大华、浪潮、金蝶、北明软件、远光软件 等处于快速发展期,正在逐步拓展国内市场。

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 ERP

ERP (Enterprise Resource Planning) 指企业资源计划,是一种主要面向制造行业 进行物质资源、人力资源、资金资源和信息资源集成一体化的企业信息系 统。根据 Forrester 数据,2017 年全球 ERP 市场规模为 526 亿美元;根据前瞻产业研究院 数据,同年中国 ERP 市场规模达到 238.8 亿元。目前,全球 ERP 市场中 SAP、Oracle 等 国外厂商居于领先位臵,2017 年二者分别拥有市场份额 21.7%与 11.8%,其次为 Sage、 Workday、Infor。国内厂商如鼎捷、浪潮、用友、汉得、金蝶等近年来获得了较快发展。 根据 CCIDnet 数据,2017 年国内 ERP 市场中,SAP 与 Oracle 分别以 22.1%与 16.2%的份 额位居国内市场第一第二名,鼎捷与浪潮则以 14.7%与 7.2%的份额分别位列第三与第四。

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 CRM

CRM(Customer Relationship Management)指客户资源,是用计算机自动化分 析、市场营销、以及应用等流程的软件,是一种企业与现有客户及潜在客 户之间关系互动的。它的目标是通过提高客户的价值、满意度、赢利性和忠实度来 缩减周期和成本、增加收入、寻找扩展业务所需的新的市场和渠道。目前, Salesforce 是 CRM 行业的领导者,其他三大 CRM 软件供应商分别是 SAP、Oracle 和 Microsoft。国内 CRM 厂商包括易、纷享销客、金蝶、红圈营销、用友等。

 SCM

4嵌入式软件

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2.2.2. 解决方案—工业 APP 和工业云平台

根据《工业互联网 APP 发展白皮书》工业互联网 APP 的本质是企业知识和技术诀窍的模 型化、模块化、标准化和软件化,能够有效促进知识的显性化、公有化、组织化、化, 极大地便利了知识的应用和复用。

相对于传统工业软件,工业 APP 一般具有六大典型特征:①解决特定问题。一个工业 APP 存在的目的是完整表达一个或多个特定功能,解决工业场景中的特定问题。②特定工业技术 的载体。工业 APP 是工业产品及相关生产技术过程中的数据、流程、知识、经验等的集合 与载体。③小轻灵,可组合,可复用。由于工业 APP 只解决特定的问题,一般具有轻巧灵 活的特点。不同用途的工业 APP 可以通过一定的逻辑与交互进行组合,以解决更为复杂的 问题。同时,工业 APP 可以重复应用到不同场景中解决其中相同的问题。④结构化与形式 化。工业 APP 是将工业中的流程与方法、数据与信息、经验与知识进行结构化整合、抽象 化表达的结果形式,能够通过人机交互界面实现可视化的输入与输出。⑤轻代码。由于工业 APP 的需要编程知识与工业知识的结合,轻代码化有利于人员快速、便捷地设计 APP,实现工业技术的有效积累。⑥平台化可移植。由于工业 APP 整合、封装了解决特定 问题的工业技术,因而能够在工业互联网平台中不依赖于特定环境运行。

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国外企业争相布局工业 APP,建立工业智能化新优势。当前,在工业 4.0、工业互联网、数 字孪生和虚拟制造环境等新概念下,国外企业和组织开始积极探索新的信息化体系,大规模 和使用工业 APP。美国、欧洲等国际领军企业围绕“智能机器+云平台+工业 APP” 功能 架构,整合“平台商+应用者+海量用户”等生态资源, 抢占工业数据入口主导权、培 育海量者、培养终端用户习惯,不断建立、巩固以平台为载体、以数据为驱动的工业智 能化新优势,抢占新工业的制高点。如西门子推出的 MindSphere 开放式物联网操作系 统,可将传感器、控制器及各种信息收集的工业设备数据,通过工业网络实时传输到云 端,并在云端为企业数据分析、工业 APP 以及其他工业相关应用服务,旨在构建 以者平台和工业 APP 为核心的产业生态。此外,以 ABB、博世等为代表的大型制造业 企业及工业自动化、智能化服务商,依据工业 4.0 体系标准,从终端需求出发,研发、 推广各类 APP,不断深化工业数字化服务。

我国工业 APP 市场潜力巨大,未来可期。我国的工业 APP 市场虽仍处于起步阶段,但我国 作为工业门类最多最全的国家,工业应用场景丰富,工业 APP 市场空间巨大。“中国制造 2025” 背景下,我国工业数字化、自动化、智能化水平不断提升,积累了一定的数据资源与知识技 术资源。随着我国工业互联网平台建设进程的加快以及软件实力的逐步增强,我国工业 APP 市场将进入快速发展期。目前,国内部分领军企业开始探索工业 APP 领域。如中航工 业集团以工业 APP 为工具,持续将飞机研制技术、经验总结积累,形成结构化、软件化模 型库,大幅度提升了飞机研制的协同工作效率。东方国信则是基于工业互联网平台 Cloudiip, 近 200 个可复用的微服务,包括高铁云、工业锅炉云、冶金云、水电云、风电云、空压 云、能源云、资产云、热网云等 10 个工业互联网子平台,形成数百个工业 APP。 此外,海尔、三一重工、徐工、华为等国内制造业标杆企业均开始布局工业 APP,意图培育 APP 应用生态圈,抢占工业数字化的制高点。

结论:企业的数字化离不开硬件更离不开软件,即工业软件和数据解决方案。

3. 智能制造离不开工业软件,软件自主可控是核心

3.1. 工业软件市场空间广阔

根据赛迪智库数据,2018 年,全球工业软件市场规模高达 3893 亿美元,同比增长 5.20%。 同年,我国工业软件市场规模达到 1678 亿元,同比增长 16.20%。随着国家产业转型升级进 入攻坚期,数字化转型成为企业共识,同时国家政策红利逐步释放,叠加 5G、大数据、云 云服务等新兴技术的加速普及给工业软件和应用注入新活力,我国工业软件行业迎来高速发展机遇。预计到 2021 年,我国工业软件市场规模将达到 2631.1 亿元,2018-2021 年 CAGR 达到 16%。

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从区域来看,全球工业软件额最高的是北美地区,亚太区市场占全球市场份额的 23.8%, 市场规模同比增速为 7.6%,高于全球平均水平。在中国市场,占比最大的是华东地区,其 次是中南和华北地区,与我国地域工业发展水平相一致。

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3.2. 国产替代势在必行

3.2.1. 我国工业软件现状:研发设计类是短板,高端化需求迫切

大型工业企业投资占比超 50%,中小型企业需求有待进一步挖掘。从我国工业软件市场需求 端来看,我国工业软件客户主要为大型工业企业,占比为 52.1%。中小型企业由于研发水平 低、智能化需求小、经费不足等原因,对工业软件的需求相对较小。未来随着我国工业数字 化、智能化水平提升,同时工业 APP、微服务、企业上云进一步发展,中小型企业的需求有 进一步挖掘的空间。

国内厂商收入规模与海外龙头差距巨大。从供应端来看,我国工业软件厂商的收入规模与海 外龙头企业相比存在明显的差距。2019 年,达索的营业收入约为 314.04 亿元,而国 内龙头企业宝信软件、中望软件的营收仅为 68.49 亿与 3.61 亿元。这主要由于海外龙头厂 商在技术水平与产品性能上具有突出优势,并且通过不断并购在一定程度上形成了自己的产 品生态圈,因而能够在全球市场上占据较大份额,获得百亿级别的收入规模。

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嵌入式软件占比最大,信息类软件是我国强项。从工业软件市场细分种类来看,我国嵌 入式软件占比最大,达到57.4%,其次是信息类及生产控制类,分别占比17.1%及17.0%, 占比最小的是研发设计类,份额为 8.5%。相比研发设计类与生产控制类,信息类软件 是我国的强项,国内企业凭借价格较低、操作简单等产品特征,占据了多数中小企业市场。 但在高端领域,SAP、Oracle 等国外龙头企业仍具有一定的竞争优势,存在较大的国产替代 空间。2018 年国内信息类软件市场中,用友网络以 16.0%的份额成为第一名,SAP 与 Oracle 则分别拥有 14.0%与 11.0%的份额,位列第二与第三,东软、浪潮、浙江大华、金蝶 等国内厂商拥有 5%以上的份额。

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研发设计是短板,生产控制类国内企业落后较多。我发设计类软件全面受制于美德法, 与全球龙头企业技术差距非常大。在 CAD、CAM、CAE 及 PLM 等领域,达索、西门子、 Autodesk、Ansys 等全球市场龙头在技术方面具有明显优势,位列第一梯队。我国厂商如广 联达、神州软件、中望软件等近年来获得较快发展,但仍与海外龙头存在较大差距。其中, 广联达在建筑工程领域凭借 BIM(Building Information Modeling,即建筑信息模型)项目全 生命周期解决方案获得了较大的市场份额,神州软件、中望软件等厂商正在持续提升产品性 能,逐步拓展市场。在 EDA 领域,外资厂商垄断的现象更为明显,美国厂商 Synopsys、 Cadence 和总部在美国的 Mentor Graphics 被称为“EDA 三巨头”拥有中国 90%以上的市 场份额。国内 EDA 厂商主要有华大九天、芯愿景、概伦电子、芯禾科技等,目前尚无法与 “三巨头”直接竞争。

我国生产控制类软件厂商虽占据了一定的市场份额,但竞争优势多集中于单个行业应用领域,尚未出现行业龙头。国内生产控制类软件市场中,国外厂商如西门子、ABB 等具有一定的技 术领先优势。由于生产控制类软件需要与具体生产过程紧密融合,一些国内企业如国电南瑞、 宝信软件、石化盈科、中控技术等,凭借对特定行业领域的了解,深耕行业内客户资源,在 各自的细分领域获得了一定的市场份额。目前,我国生产控制类市场中供应者较多、竞争活 跃,但缺乏市场领导者,且高端市场仍存在国产替代需求,国内厂商需持续对产品进行 迭代,扩大品牌影响力。

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我国工业软件市场国产替代、高端化、定制化需求迫切。目前,国内工业软件高端用户市场 仍被国外大型企业主导,且技术门槛较高,我国自主研发的工业软件主要集中在中低端领域。 因此,我国工业软件行业未来发展仍有较多壁垒需要突破,高端市场国产替代空间较大。此 外,工业软件下游应用客户范围广泛,不同行业痛点各不相同,客户对工业软件的定制需求 尤为显著。因此,深挖客户需求,并针对客户个性化需求进行定制的能力是工业软件供 应商增强竞争力和增加客户粘性的重要手段。

总结:我国虽已是全球第一大工业国,但是我国工业软件整体发展水平大幅落后于欧美发达 国家,2019 年中国工业软件市场仅占全球大约 7%的份额。我国自主研发的工业软件面临“管 理软件强,工程软件弱。低端软件多,高端软件少”的现状。

3.2.2. 原因分析:内因(工业发展水平长期落后、资金)+外因(人才、土壤)

工业软件发展程度与一国工业发展水平相辅相成。工业软件的诞生于工业过程中产生的 各类需求,反过来,工业软件又提高了工业过程中的质量和效率。美国的 PTC 和的达 索的发展壮大很大程度上是受到美、法两国航空航天行业的反哺,以达索为例,先进的 飞机制造产业对工业软件产生了极大的需求,从而孵化出了达索强大的工业软件,目前 达索已成为全球主要军用飞机制造商之一。而我国工业软件,尤其是研发设计类软件和高端 产品较弱的根本原因在于我国工业水平长期落后于发达国家所致,而在后期的工业发展过程 中,考虑到自研软件成本过高,性能短期又无法媲美欧美先进产品,因此对自主工业软件的 发展重视程度不够。

资金困境导致研发投入严重不足。工业软件在前期时需要大规模的资金投入,例如 CAE 软件从研发设计到商业化,其技术密集度不低于研制一架“歼-20”飞机,且者在软件 成功商业化之前的较长一段时间内无法取得任何收益,这一特点使得工业软件行业具有较高 的门槛,也是我国工业软件创新不足的主要原因之一。对比海外工业软件龙头的研发投入可 以看出,在绝对数字上,我发投入远低于国外企业。在相对比重上,我国工业软件的研 发投入水平依旧不高,例如中望软件和广联达的研发投入占营收比重勉强与 Autodesk、Synopsys 持平,但与 PTC 有较大差距,而专注于 EDA 软件的芯愿景、国内 ERP、MES 领 域领先厂商宝信软件的研发投入则处于相对较低的水平。国内厂商研发投入不足的主要原因 包括:①由于国内工业软件企业处于起步阶段,产品性能无法在全球市场中拥有一席之地, 导致其收入规模小,企业的研发投入因此也相对较小。②国内社会资本相对更愿意投入“短 平快”的项目,工业软件这类高风险、高投入、见效慢的项目较难吸引到大量投资者。③过 去十年国家对工业软件的资金支持相对有限。国外企业虽已拥有绝对领先优势,但仍旧较大 程度受益于政府的资金支持,如 EDA 龙头 Cadence 在美国主导的“电子复兴五年计 划”中被列为第一批扶持名录之中。

工业互联网,智能制造,工业软件是生产流程数字化的关键,软件自主可控是核心(图29)

我国过去缺乏国内工业软件良性发展的土壤。虽然我国在加入 WTO 之后开始重视知识产权 保护,但国内版权保护意识仍旧较差,工业软件市场中横行的情况长久存在。由于国外 软件价格高昂,国内软件厂商往往通过低价方式争取客户、拓展市场。但软件的存在使 得国内厂商的价格优势不再,生存空间被严重挤压,极大抑制了国产正版软件的发展壮大。

人才短缺成为制约我国工业软件研发水平的重要因素。工业软件技术壁垒高,涉及多学科知 识,因此工业软件的研发需要大量同时精通信息技术、工业技术以及企业的复合型人才。 当前,复合型研发人才的缺乏已经成为制约我国工业软件发展的重要因素。我国工业软件领 域人才缺失的主要原因包括:①国内高校尚未建立起完善的复合型人才培养模式,一些人员 虽在特定领域内较为专业,但缺乏复合型的知识与技能。②一些国内高校在人才培养时重应 用而轻研发,如计算力学等基础课程侧重于讲授国外知名软件的操作使用方法,使得大学及 科研院所在工业软件理论、算法、程序设计与实现等研发方面的能力逐渐弱化,失去造血能 力。③部分行业的人才虹吸效应导致大量信息技术领域的高端人才进入收入较高领域相关企 业,发展有限、资金不足的工业软件企业难以吸引到最优秀的人才。

3.2.3. 内部需求叠加外部催化,国产替代势在必行

国家信息安全需求和国外技术封锁迫使自主可控成为必要。由于流程工业涉及能源、制药等 行业,在我国工业体系的中流砥柱。而工业软件是实现工业智能化的核心,关系到我国能源 安全等一系列重要问题。而在离散工业领域,诸如军工、高科技电子等行业把握我国信息安 全命脉,而产业源头技术“卡脖子”现象将威胁我国信息安全。整体而言,我国工业互联网 基础技术空心化严重,实现自主可控需求迫切。

结论:正视差距,专注突破。短期内我国实现对国外领先产品的超越和替代不现实,但应持 续专注于技术突破,横向补充产业线产品,纵向实现上下游的渗透。

4. 工业解决方案内容众多,是实现企业内部数据价值挖掘的关键

4.1. 注重软件服务水平,数据价值挖掘是关键

基于工业软件的工业解决方案服务大致分为三种类型:1软件业务服务。在这个领域,我 国工业服务企业主要依托于先进而复杂的国外软件产品,软件安装、维护、升级及培训 等服务。2软件的协同服务。在这个领域,服务商需要对生产企业的各业务流程进行串通 和优化,需要基于各生产要素的不同软件平台,实现企业在各生产要素之前的数据互通。3 “工业云”服务。在这个领域,服务商会基于客户需求定制更加专业化、多样化的软件 产品,“云上”服务。

工业制造覆盖的领域众多,不同企业所面临的研发、制造、流程需求都不尽相同,标准 化的产品往往难以直接为生产企业所直接使用,因此行业定制化需求广泛。鉴于此,对行业 拥有深刻理解,且能够实现客户的个性化需求的专业解决方案商会更受制造业企业的青 睐。国内服务商基于对不同生产领域的理解,形成了专业化的分工。

流程工业 VS 离散工业,行业痛点差异化大。在工业互联网应用领域中,通用型应用场景主 要包括排程优化、调度、生产监控、服务配套优化等。但是流程行业和离散行业天然特 性不同,同时二者在我国的数字化发展水平也存在差异。因此,不同行业依托工业互联网所 要解决的痛点也不相同。流程行业具有危险系数大、能耗物耗高、污染问题严重、工艺和生 产环境复杂等特点,因此以产能、资产、安环等方面的性优化为主。而在离散行业中, 多品种、小批量离散行业主要围绕产品全生命周期开展特色应用,少品种、大批量离散行业 则以产品质量与市场需求为核心开展特色应用。

工业互联网,智能制造,工业软件是生产流程数字化的关键,软件自主可控是核心(图30)

行业的工艺、制造流程越复杂,生产技术难度越大,解决方案商的价值也就越大,对于 行业关键生产工艺的理解成为企业的壁垒和护城河。对于传统制造业来说,生产工艺相对简 单,实现数字化难度较低。然而对于航天航空、高科技电子、汽车、高端机械装备等行业, 涵盖大量工艺参数,上游供应商数目庞大,且生产流程复杂,因此对于产业链的协同要求非 常高。以飞机制造为例,一架波音飞机从机翼、机身、尾翼、控制面等主要结构到发动机、 机舱和辅助动力装臵等推进,再到次级结构和内饰等,所需零件大约达到 40 万到 600 万个。一部 iPhone 手机的产出需要 183 家供货商、748 家工厂为苹果公司供货,产业链包 括 26 个国家和地区。此时,单纯的工业软件无法满足需求,对于行业、产品工艺的理解至 关重要,行业关键生产工艺的理解成为企业的壁垒和护城河。

4.2. 工业解决方案内容众多

工业解决方案涉及研发设计、生产、运维服务等多个环节,内容众多。在研发设计端,具体 内容包括优化研发体系,在生产端则包括推广工业机器人、打造智能工厂等。以智能制 造解决方案龙头能科股份为例,根据公司官网,其解决方案涵盖产品设计、工艺规划管 理、生产工程、生产执行、产品运维、全流程集成,涉及产品的全生命周期,具体工作 则包括不同软件平台的整合、大数据分析等。以某航天客户数字化柔性线项目为例,该项目 配臵 20 台数控设备,在此基础上贯通信息化 ERP、PLM、MES 与车间自动化 SCADA、 WMS、WCS、DNC、MDC、AGV 调度等,统一控制立体库、AGV、机械手、零点定 位、机床、工装预调台等自动化设备,可以有效实现智能柔性化生产,提高生产产能 20%, 减少人员成本 50%,提高设备利用率 7%。

本文相关词条概念解析:

软件

软件(中国大陆及香港用语,台湾作软体,英文:Software)是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。一般来讲软件被划分为系统软件、应用软件和介于这两者之间的中间件。软件并不只是包括可以在计算机(这里的计算机是指广义的计算机)上运行的电脑程序,与这些电脑程序相关的文档一般也被认为是软件的一部分。简单的说软件就是程序加文档的集合体。另也泛指社会结构中的管理系统、思想意识形态、思想政治觉悟、法律法规等等。

标签: 工业 软件 企业 数据 市场
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