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工业软件标准化体系构建

日期:2022-12-08  来源:互联网    点击:
    1 引言

  工业软件是指用于或主要用于工业领域,以提高工业企业研发、制造、管理水平和工业装备性能的软件。软件是新一代信息技术的灵魂,是关系国民经济和社会全面发展的基础性、战略性产业。在全球工业进入新旧动能加速转换的关键阶段,工业软件已经渗透和广泛应用于几乎所有工业领域的核心环节,工业软件是现代工业的“灵魂”。

  因此,对工业软件的功能、性能效率、可靠性、安全性、兼容性和数据互联互通等方面提出了极高的要求,建立一个自主创新能力不断提高、产业规模不断扩大的工业软件产业体系,对于推动工业产品创新发展、确保产业安全、提升国家整体技术和综合实力,起着至关重要的作用,对于促进国民经济和社会持续健康发展具有重要的意义。

  标准是经济活动和社会发展的技术支撑,是国家基础性制度的重要方面。标准化在推进国家治理体系和治理能力现代化中发挥着基础性、引领性作用。标准作为技术和工程实践的载体,在优化企业内部管理、促进产业上下游对接、降低开发运行成本、建立良好的产业生态、提升行业综合竞争力等方面发挥着不可替代的作用。

  2 国产工业软件标准化需求

  2.1 工业软件概述

  工业是由采矿业、制造业、原材料和能源四大行业组成。在我国,有41个工业大类,207个工业中类,666个工业小类,工业门类齐全,形成了独立完整的现代工业体系。由于工业门类复杂,脱胎于工业的工业软件种类繁多,分类方式多样化,如:国标GB/T 36475-2018《软件产品分类》将工业软件(F类)分为工业产品线、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机集成制造系统、工业仿真、可编程逻辑控制器(PLC)、产品生命周期管理(PLM)、产品数据管理(PDM)、其他工业软件9类;在2019年11月,经国家统计局批准工信部发布的《软件和信息技术服务业统计调查制度》中,将工业软件划分为产品研发设计类软件、生产控制类软件、业务管理类软件。

  通常情况下,工业软件可按照产品生命周期的阶段或环节,大致划分为研发设计类软件、生产制造类软件、运行保障类软件和经营管理类软件,这是一种在业界较为常用的划分方法,本文的工业软件标准体系构建也将参考该种分类方法,其中:

  研发设计类软件应用于电子计算机及其外围设备,协助工程技术人员完成产品设计和制造,提升产品开发效率、降低开发成本、缩短开发周期、提高产品质量,主要包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、电子设计自动化(EDA)、计算机辅助工艺规划(CAPP)、产品数据管理(PDM)/产品生命周期管理(PLM)、基于模型的系统工程(MBSE)以及六性(可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性、环境适应性)等,需要注意的是,MBSE、六性涉及产品的全生命周期阶段,但考虑当前更多应用于研发设计阶段,因此将其归入研发设计类;

  生产制造类软件主要是负责工业产品生产和制造过程中进行数据采集、分析、决策和管理等,主要包括计算机辅助制造(CAM)、分布式控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器(PLC)、制造执行系统(MES)、数据采集与监视控制系统(SCADA)等;

  运行保障类软件主要用于工业品使用过程中的状态监测、故障诊断、健康管理、维护维修等,主要包括故障预测与健康管理(PHM)、交互式电子技术手册(IETM)、维护维修运行管理(MRO)等;

  经营管理件类软件主要有供应链管理(SCM)、企业资源计划(ERP)、客户关系管理(CRM)、人力资源管理(HRM)等,其目的是提高工业企业的生产管理水平,提高产品质量和客户满意度,提升整个产品价值链的增加值。

  同时,需要说明的是,本文考虑的研发设计类软件、生产制造类软件、运行保障类软件和经营管理类软件主要是针对交互式工业软件的一种划分方式,交互式工业软件用于复杂工业品的设计、开发等,但是,若没有嵌入式工业软件就没有复杂工业品的生产与运行,因此,对于工业软件而言,还应考虑嵌入式工业软件,它也是工业软件的重要组成部分。

  工业软件起源于欧洲,从目前的全球工业软件市场格局看,美国、欧洲企业处于主导地位,把握着技术及产业发展方向,如:研发设计类软件,主要由达索系统集团(法国)、西门子工业软件股份有限公司(德国)、ANSYS股份有限公司(美国)等公司把控;生产控制类软件的高端市场,则主要由西门子工业软件股份有限公司、欧姆龙集团(日本)、霍尼韦尔国际公司(美国)等公司占据;经营管理类软件的高端市场,主要由思爱普公司(德国)、甲骨文股份有限公司(美国)等公司占据。近些年,我国工业软件取得了显著进步,但与欧美国家相比还有一定差距,整体状态可概括为“管理软件强、工程软件弱,低端软件多、高端软件少”。从总体来看,一是由于工业软件与制造业深度融合不足,总体发展水平滞后于企业的应用需求,产品的成熟度、适用性、稳定性、兼容性不高,极大影响了制造企业用户对国内产品的接受度和发展信心;

  二是由于我国尚处于工业化阶段,还没有完成工业化进程,工业软件在发展过程中缺乏工业技术的积累;三是由于我国工业软件存在关键核心技术受制于人、产品体系化发展能力不足等问题,尤其是因标准体系缺失、标准零散而导致数据格式不统一、接口不兼容等问题突出,因此亟需开展工业软件标准化工作。

  2.2 国产工业软件标准化需求分析

  工业软件是工业技术/知识、流程的程序化封装与复用,兼具工业属性和软件属性,是工业数字化的重要基石。工业软件作为工业技术和软件技术融合的产物,在需求、知识、应用等方面深度依赖庞杂的工业技术体系,其标准化工作需全面覆盖门类众多的工业行业,以全面系统地体现工业技术的特点。我国工业软件因标准体系缺失、标准零散而导致了数据格式不统一、接口不兼容、核心技术受制于人、体系化发展能力不足等问题。具体原因分析如下:

  (1)国内工业软件的数据格式、接口规范等标准缺失,导致工业软件数据共享困难。当前,我国工业软件数据格式和接口标准缺失,导致工业软件产品数据格式不统一、接口不兼容、数据互联互通困难等问题突出。据不完全统计,国内外工业软件产品多达2万余种,产品数量庞大,主要的数据格式超过数百种,数量繁多且差异较大,无通用的数据格式。不同工业软件产品之间、不同企业开发的相同软件之间、甚至同一企业相同软件的不同版本之间数据格式难以兼容,形成了数据流通壁垒,造成了大量的数据烟囱和信息孤岛,制约了不同产业之间以及产业链上下游不同企业之间的资源配置效率,数据要素价值难以有效释放,成为制约传统制造业数字化转型的难点。

  (2)国外工业软件巨头利用事实标准建立技术壁垒,形成市场垄断和生态锁定,核心关键技术标准的卡脖子问题突出。当前,部分工业软件巨头为提升各自的生态主导力,分别形成了所在行业的事实标准,以提升工业企业用户对其产品的依赖度,培育形成各自的封闭生态圈。我国虽然拥有完整的工业体系、丰富的工业软件应用场景优势,但缺乏工业软件关键技术及核心产品领域的相关标准。现行的少量工业软件国际标准主要是通用的ISO基础标准和主流软件专用的事实标准,仅涉及部分数据格式及文档规范标准,由国外工业软件巨头主导制定,核心关键技术标准却不对外开放。若只能被动遵循国外标准,核心关键技术标准缺失的“卡脖子”问题将严重制约我国工业软件的体系化发展。

  (3)国内工业软件标准数量稀少,难以满足工业软件体系建设要求。目前,国内工业软件密切相关的标准数量稀少,且分散于不同的标准化组织中,其全面性、系统性、可用性与当前工业软件行业发展需求差距巨大。我国在工业软件关键技术领域虽然已具备一定的标准化基础,制定了与工业软件相关的过程与方法标准,但还缺少通用基础、产品、测试验证、系统集成和行业应用等标准,尤其缺乏工业软件标准化工作的顶层设计与整体规划,标准化工作尚未形成统筹推进的机制,不利于技术创新与产业化应用的协同发展。

  因此,伴随国内工业软件产业的蓬勃发展,对其标准化工作提出迫切需求,主要体现在以下三个方面:

  (1)工业软件技术快速发展带来的标准制定和升级需求。我国已发布的与工业软件较为相关的国家标准中,除了与制造业有关的技术产品文件、工业数据交换、软件工程较为活跃外,其他专门关于工业软件的通用基础、产品、测试验证及行业应用等方面标准远不能满足当前技术和产业发展的需求。需紧密结合当前技术创新实际,加快制定先进适用的标准,提高标准的技术水平和国际化程度,以满足工业软件产业快速发展的需求。

  (2)以数据和接口格式标准打通工业软件烟囱式信息孤岛。目前,我国工业软件的数据、接口格式标准化程度不高,国内软件研发公司、高校、研究院所等开发了很多具有特色的工业软件,如:CAE核心求解工具,但普遍存在采用自定义的或者和国外某款软件接口转换的数据接口模式,导致不同求解器之间数据不兼容、不同企业之间数据共享困难,在复杂产品研制过程中无法实现不同专业之间的自上而下的自动迭代,显著降低了产品的研制效率。因此,更需要发挥标准的作用,在不同工业软件之间建立统一的产品数据格式标准和产品间接口标准等,可有助于打通工业软件烟囱式信息孤岛,实现全生命周期各阶段业务和数据的深度融合,有助于支撑我国工业软件产品的开发、应用等。

  (3)以应用为牵引的标准需求亟待满足。现行标准体系多为采标ISO、IEC,多为工业相关的过程、方法标准。面对当前复杂的应用市场,需要加强产品关键技术、典型应用等标准的有效供给。例如CAE软件,国内许多公司、高校等纷纷推出了其自主研发的CAE软件,但尚无统一的软件测评标准。如果没有统一的功能、性能等测评标准,就会加大软件厂商与需求方的沟通成本,无法建立一个有序的产业环境。

  为此,开展工业软件标准化工作正逢其时,通过吸纳业内骨干单位,提高工业软件标准化工作的行业影响力,使标准化工作和当前工业软件产业发展更相匹配,二者相辅相成,可更好地引导和规范产业发展,提升我国在国际上的竞争力。

  3工业软件标准化现状

  目前,国际上与工业软件相关的标准化工作分别由多个ISO和IEC的技术委员会/分技术委员会完成,如:ISO/TC 184 Automation systems and integration(自动化系统与集成标准化技术委员会)、ISO/TC 10 Technical product documentation(技术产品文件标准化技术委员会)、ISO/IEC JTC1/SC 7 Software and systems engineering(国际标准化组织/国际电工委员会第一联合技术委员会软件与系统工程分技术委员会)等,其中:

  ISO/TC 184负责自动化系统领域中的标准化及其在产品及其相关服务的设计、采购、制造、生产和交付、支持、维护和处置方面的集成,其下设的SC 4分技术委员会ISO/TC 184/SC 4 Industrial data(工业数据)负责工业数据的标准化工作;

  ISO/TC 10的主要职能是开展对制造业产品生产过程中所产生的技术文件,包括设计、制造、检验、使用、回收等产品生命周期中手工的和计算机所涉及到的各种文件要求,以及对这些文件管理技术等方面的国际标准化工作;

  ISO/IEC JTC 1是一个信息技术领域的国际标准化委员会,下设ISO/IEC JTC1/SC 7 Software and systems engineering(软件和系统工程)分技术委员会,其工作范围是软件产品和系统工程的过程、支持工具和支持技术的标准化,涉及词汇、软件测试、软件评估质量管理、体系架构、软件开发方法及工具等领域。

  上述国际标准化组织已开展了与工业、软件相关的标准制修订工作,由于受其专业范围所限,这些标准并不是专门针对工业软件而进行研制的,但涉及了工业或软件的某些方面,可以作为我国工业软件标准化工作的基础。

  在国内,前期与工业软件相关的标准化组织主要有SAC/TC124 全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会、SAC/TC 231 全国工业机械电气系统标准化技术委员会、SAC/TC 146 全国技术产品文件标准化技术委员会、SAC/TC 159 全国自动化系统与集成标准化技术委员会、SAC/TC 28/SC 7 全国信息技术标准化技术委员会软件与系统工程分技术委员会等,分别承担着工业过程测量控制和自动化、工业机械电气系统、工业软件技术产品文件、自动化系统与集成、软件与系统工程等领域标准化的工作,使得我国在工业软件相关的工业过程测量控制、技术产品文件、软件工程等关键技术领域已经具备了一定的标准化基础,已发布的专门针对工业软件的标准主要包括计算机辅助设计(CAD)、制造业企业资源计划(ERP)等工业软件相关产品标准以及网络安全、技术产品文件、数据格式等标准,具体如表1所示。

表1 已发布的工业软件相关国家标准

  可见,我国已制定一些工业软件相关标准,但数量较少,尤其缺少专门针对工业软件的通用基础、产品专用、集成验证及行业应用等方面标准。由于标准不成体系,兼容性、互操作性都存在问题,在不同工业领域、不同环节形成了数据流通壁垒,制约了不同产业之间以及产业链上下游不同企业之间的资源配置效率,不利于发挥我国工业全产业链配套优势。

  因此,为统筹推进建立健全由我国主导的工业软件标准体系,强化工业软件顶层设计,着眼于整个产业链的发展需求,建立良好的产业生态环境,应配套提出与时俱进的标准化发展体系,推动制造业数字化转型,成为当前工业软件标准化工作的迫切需求。

  为统筹推进由我国主导的满足产业发展需求的工业软件标准化工作,2022年4月,全国信息化和工业化融合管理标准化技术委员会(SAC/TC 573)成立了工业软件标准工作组(WG 8),主要负责工业软件相关标准的研究、制定修订、测试验证和宣贯推广,以及国际标准化工作。同时,2022年7月,数字化工业软件联盟(又名“广东省数字化学会”)在全国团体标准信息平台注册成功,标志着联盟在工业软件领域团体标准制定工作中具有权威性和影响力。

  接下来,工业软件标准工作组、数字化工业软件联盟将通过强化工业软件标准体系的顶层设计,广泛联合相关行业组织、用户单位、供给侧企业、高校院所等开展紧密协作,以制造业数字化转型为出发点,以应用为牵引,围绕工业软件技术快速发展带来的标准制定和升级需求,加快推进工业软件标准化工作,全面构建推动工业软件高质量发展的标准体系,规范行业发展,培育良好的产业生态环境,为制造强国、数字中国建设提供坚实支撑。

  4工业软件标准体系构建

  目前,国内外工业软件标准体系缺失,标准处于缺、散、弱的状态,标准化工作难以统筹推进。发达国家缺少门类齐全、产业链完整的工业体系,不具备建立工业软件标准体系的产业基础,还没有能力建立完备的工业软件标准体系。我国具有全球最为完整的工业体系,工业门类齐全,工业软件应用场景丰富,市场需求广泛,具备了建立统一完备的工业软件标准体系的基础。

  本文在调研国内外工业软件标准化现状的基础上,通过进一步的分析和研究等,结合工业软件的实际需求,建立了工业软件标准体系框架,工业软件标准体系结构图、框架图分别如图1、图2所示。

图1 工业软件标准体系结构图

图2 工业软件标准体系框架

  工业软件标准可包括“A通用基础”“B产品标准”“C测试验证”“D系统集成”及“E行业应用”5个部分,通用基础标准用于解决工业软件基础共性问题,产品标准作为标准体系核心部分与工业软件产品密切相关,测试验证标准主要用于工业软件产品、系统的测试、验证,系统集成标准主要针对工业软件产品的集成与适配,行业应用则从行业领域出发制定各行业个性化的工业软件标准。具体包括以下标准类型。

  (1)通用基础标准。通用基础标准用于解决工业软件基础共性问题,位于工业软件标准体系结构图的最底层,是产品标准和行业应用标准等的支撑。通用基础标准又可分为“基础标准”和“通用标准”两部分,其中:基础标准是指在工业软件领域范围内作为其他标准的基础并普遍使用,具有广泛指导意义的术语、分类、框架和命名规则等;通用标准是针对工业软件这一标准化对象制定的共性标准,它可作为制定工业软件标准的依据,包括通用基础软件、通用平台、通用数据和通用技术四个方面,通用基础软件指工业软件运行所依赖的操作系统、中间件和数据库等,通用平台指工业软件相关的工业应用管理平台、工业数据管理与协同平台、数字化技术平台、工具链平台、开发环境等,通用数据是工业软件产品的数据格式、产品间的接口数据、工业数据技术/模型/应用和工业大数据等,通用技术则是指工业软件相关的知识工程、机理模型、工业智能、工业资源、工业互联、工业软件云、工业数字孪生、共性内核、软件工程、软件可信性等关键技术。

  (2)产品标准。产品标准针对工业软件产品的技术要求,与工业软件产品密切相关,是标准体系中的核心部分,包括研发设计类产品、生产制造类产品、运营保障类产品、经营管理类产品和嵌入式工业软件五个部分,由于嵌入式工业软件已有相应的标准体系,因此本文主要考虑研发设计类产品等交互式工业软件产品,其中:研发设计类产品标准包括CAD、CAE、EDA、CAPP、PDM/PLM、MBSE和六性等软件的技术要求以及产品标准;生产制造类产品标准包括CAM、DCS、PLC、MES、SCADA等软件的技术要求以及产品标准;运行保障类软件产品标准包括PHM、IETM、MRO等软件的技术要求以及产品标准;经营管理类软件产品标准包括ERP、SCM、CRM、HRM等软件的技术要求以及产品标准。

  (3)测试验证标准。测试验证标准主要针对工业软件产品的测试、验证以及评价方面的标准,包括工业软件产品测试标准、产品验证标准、系统测试标准以及适配验证标准等,制定工业软件测评、验证相关的要求和方法等,以保证工业软件产品质量。

  (4)系统集成标准。系统集成标准主要针对工业软件产品横向集成、纵向适配等方面接口规范、集成规程以及集成产品开发(IPD)等的标准化,通过加快推进工业软件系统集成相关标准的立项与研制,可有助于解决工业软件产品间的集成、适配问题。

  (5)行业应用标准。行业应用标准位于工业软件标准体系结构图的最顶层,依据通用基础标准、产品标准、测试验证以及系统集成标准,面向电子行业、航空航天、船舶行业、汽车行业、轨道交通、机械装备、石油化工、电力能源、建筑行业等特定行业的具体需求,对通用基础、产品标准进行细化和落地,研制工业软件产品在具体行业、型号应用中等应遵循的规范、细则和实施指南等,指导各行业共同推进工业软件发展。

  5 结语

  在我国工业数字化转型持续向纵深跃进形势下,工业软件应用的需求强烈,也迎来了关键的发展机遇期。但是,我国工业软件仍存在关键核心技术受制于人、产品体系化发展能力不足等问题,尤其是因标准体系的缺失、标准零散而导致数据格式不统一、接口不兼容等问题突出。发展工业软件需要一个好的生态,标准化工作本身就是这个良好的生态的关键。工业软件标准化又是在推进工业软件高质量发展中发挥着基础性、规范性和引领性的作用。所以,将标准化工作作为重要抓手和关键切入点,可有效支撑和保障工业软件产业的健康发展。

  因此,由全国两化融合标委会工业软件工作组、数字化工业软件联盟等标准化组织开展工业软件标准化工作正逢其时。然而,标准化是工业化过程中非常重要的一项基础工作,现在业界对工业软件的意见还不太一致,包括工业软件术语、分类、接口、数据格式等,所以需要做好一些基础性研究,通过工业软件的标准化工作来统一认识。

  标准体系是指导标准化组织开展工业软件标准化工作的指南,是编制标准制修订规划和计划的主要依据之一,是促进领域范围内的标准组成达到科学合理化的基础,标准体系建设已成为标准化工作的主要抓手和工作支撑点,在发展工业软件的同时,建立、健全工业软件标准体系的工作尤为重要。

  基于此,本文研究并构建了工业软件标准体系框架,包括通用基础、产品、测试验证、系统集成和行业应用五个部分,可为工业软件工作组、数字化工业软件联盟等标准化组织的工业软件标准编制奠定基础及提供依据,通过有效联合相关行业组织、用户单位、供给侧企业、高校院所展开紧密协作,共同开展工业软件标准研制,让工业软件标准能够为建设制造强国、数字中国提供关键的支撑。

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