基础软件及工业软件

基础软件及工业软件是制造业数字化、网络化、智能化的基石，是新一轮工业革命的核心要素。发展以操作系统、数据库、云计算软件为代表的基础软件，以计算机辅助设计CAD、计算机辅助工程CAE、工业过程优化控制软件、嵌入式控制软件、工业互联网平台等为代表的工业软件，全面满足先进轨道交通装备、电力装备、农业装备、高档数控机床与机器人、航空航天装备、海洋工程装备与高技术船舶等重点领域的应用需求，对我国工业领域高质量可持续发展具有重要意义。

需求

基础软件是所有软件的根基，是国家信息产业发展和信息化建设的重要基础和支撑，在整个数字基础设施产业中发挥着至关重要的作用，2021年我国操作系统、数据库和中间件的市场规模分别约为1010亿元、286.8亿元和88.7亿元。工业软件是新一轮工业革命的核心要素，它以软件形态承载着先进工业技术及知识，是确保国家信息安全和促进产业发展的基石和保障，2021年我国工业软件产品市场规模为2414亿元。基础软件和工业软件是实现我国工业高质量发展的前提和保证，是占领新一轮工业革命制高点的必备之器，在当前全球新科技革命兴起与产业发生深刻变革之时，在产业环境和竞争态势发生巨大变化的情况下，实现基础软件及工业软件自主安全可靠和跨越式发展的需求极为迫切。

目标

到2025年，基本形成安全可靠的基础软件及工业软件标准体系。部分操作系统关键技术实现突破，嵌入式操作系统部分满足工控领域需求。形成数款可对标国际先进的数据库和云计算软件产品。三维几何引擎、CAE求解器等工业软件关键核心技术实现一定突破，CAD、CAE等研发设计类工业软件，以及工业过程优化控制软件、嵌入式控制软件等生产控制类工业软件实现突破。形成3～5个达到国际先进水平的工业互联网平台。

到2030年，打造出具有良好市场化应用效果的工业操作系统及工业软件生态。全面突破操作系统微内核等关键核心技术，打造出技术水平较高和市场化能力较强的国产嵌入式操作系统。数据库和云计算软件产品达到国际先进水平。CAD、CAE等研发设计类工业软件，以及工业过程优化控制软件等生产控制类工业软件、嵌入式控制软件在高端制造业基本可用，高端工业软件基本满足国内重点行业应用需求，形成良好的供需互促态势。工业互联网平台实现国际领先。

到2035年，基础软件及工业软件达到与国外领先产品比肩的水平。操作系统进入国际主流产品第一方阵，形成独立、健全、健康的良好生态。CAD、CAE等研发设计类工业软件全面满足我国高端制造业需求，部分工业软件产品功能和性能对标或超越国际顶尖产品，自主产品基本占领国内市场，并开始占据一定的国际市场份额。

■■ 发展重点

1.重点产品

▶ 操作系统

衔接“核高基”等重大专项形成的成果，面向工业、商业和个人应用，研制安全可信、交互友好、兼容性强的桌面/服务器操作系统、手机操作系统，并在此基础上进行软件的开发、迁移和适配，构建应用软件生态。研制高端制造业嵌入式操作系统及智能化边缘计算系统与应用，突破嵌入式操作系统的高可靠、确定性和智能化支撑等核心技术，并在先进轨道交通装备、电力装备、农业装备等关键领域推广应用。

▶ 数据库

瞄准国际前沿，突破分布式扩展、数据压缩、查询优化、分析处理等一系列关键技术，研制高安全、高可靠、高性能的OLTP、OLAP、HTAP和NoSQL等类型数据库产品，形成有国际影响力的开源社区和生态体系，打造完整的产业链和生态链，在党政、金融、电信、制造等重点领域实现产业化应用。

▶ 三维CAD软件

补齐国内三维CAD软件几何内核的关键技术短板，重点开展自由曲线曲面设计与求交理论与方法、产品造型理论与方法、新型三维CAD建模技术等关键技术研究，形成具有完全自主知识产权的三维CAD内核。解决国产化替代产品存在的重大技术瓶颈，面向船舶、航天、兵器等高端制造业的领域应用，形成能够支持领域专用的自主CAD软件产品，打造国际先进的商业化通用三维CAD产品。

▶ CAE软件

重点突破有限元求解算法与引擎核心关键技术，包括前处理器、求解器、后处理器、大规模计算和数据接口，填补国内技术空白，打造高性能求解器，实现千万自由度的大规模求解，满足非线性问题求解需求，支持多种图形格式交换。面向结构、流体、冲击动力学、电磁场仿真、声学、光学、多物理场耦合等多学科，形成具有完全自主知识产权的专用CAE软件产品，基本满足高端制造业的仿真分析需求。国产通用CAE软件实现大规模商业化应用，产品和技术能力达到国际水准。

▶ 工业过程优化控制软件

深度融合工艺机理、过程数据和专家操作经验，重点开展专家知识规则化抽取、异常工况自感知、基于迭代学习、强化学习、迁移学习等智能控制技术的研究，形成完全自主知识产权的先进过程控制技术和软件产品。面向工业通信协议复杂多样、实时优化需求多样多变、优化问题实时求解难度大等挑战，突破多源异构数据的接入和统一表达、可自定义的微服务构建与集合、业务增量自适应的业务聚合框架构建等关键技术，研发自主可控的工业装置实时优化平台。工业过程优化控制软件在石油化工、煤化工、钢铁、水泥等典型流程行业实现国产化替代，软件性能和应用效果达到国际领先水平，并在国际市场上与国外领先软件同台竞技。

▶ 嵌入式控制软件

面向工业机器人、数控加工设备、分布式控制系统、可编程控制器、数字伺服驱动器、智能仪表和执行器等工业智能装备，重点突破嵌入式实时多任务操作系统、轻量级虚拟化软件、分布式控制计算引擎、内存数据库、确定性工业网络协议栈与嵌入式控制软件开发工具，支持异构多核处理器和SoC（系统级芯片），提供多种低功耗和资源受限运行模式，实现过程控制、机电控制、运动控制、安全保护、工业视觉、故障诊断等工业控制相关算法，形成具有完全知识产权的嵌入式控制开发和运行时软件，产品和技术能力达到国际先进水平，实现工业智能装备控制软件的完全自主化。

▶ 工业互联网平台

突破海量工业时序数据的泛在采集、高效存储和查询、一体化管理，基于开源社区和开源项目，打造国际领先的工业物联网时序数据库产品。突破多源异构数据采集与管理、工业机理分析与建模、组态式低代码开发、透明化数据服务构建、安全的跨平台协同等关键技术，打造平台功能丰富与海量用户使用的双向迭代、互促共进的工业互联网平台生态体系。推动开发者围绕特定行业、特定场景的应用需求，打造一大批能满足工业企业实际需求、创造实际价值的工业App。

2.关键技术

▶ 操作系统微内核技术

研究高稳定性、高可扩展性、高可移植性的可信操作系统微内核架构，突破微内核系统调度技术、微内核虚拟存储管理技术、微内核操作系统异构资源管理技术、微内核计时技术，构建微内核代码形式化验证技术，开发基于微内核的操作系统。

▶ 云原生数据库关键技术

开展云原生形态下的数据库体系结构、存储、查询、计算技术研究，突破存算分离架构下磁盘I/O瓶颈与网络带宽瓶颈，克服高读写负载下共享磁盘架构与本地磁盘架构的读写性能差异。研究面向冷热数据和负载波动的数据压缩方法与集群弹性扩展机制、多租户数据隔离与数据加密技术，降低数据管理成本和数据上云风险。

▶ 三维CAD几何建模引擎技术

开展自由曲线曲面设计与求交理论与方法研究，攻克自由曲线曲面投影、偏置和过渡算法以及自由曲面上的自由曲线设计难点，突破三维CAD几何引擎稳定性差的瓶颈。攻克跨产品生命周期数字化支撑难题，三维CAD几何引擎支持产品全流程设计。研究大数据驱动的设计优化技术、人工智能辅助的几何模型错误预测与修复技术、基于虚拟（增强）现实的直接建模技术、基于模型的工艺性审查等新型三维CAD建模技术。

▶ CAE求解器技术

开展CAE求解器基础理论与创新技术、CAE建模与数值仿真技术、多学科多尺度模型集成技术、互联网环境下模型众创分享协作技术、科学计算脚本语言与工程物理建模语言统一的集成开发技术等关键技术研究。突破面向大规模非线性分析与优化、多尺度与多场耦合问题数值求解关键技术，研发国产高性能CAE核心求解器。基于显式几何描述的拓扑优化基础理论与核心算法，研发结构拓扑优化软件系统。

▶ 工业实时控制与优化技术

突破模型在线辨识、多变量协同控制、基于知识的智能控制等关键技术，提高APC软件的稳定性、可靠性和算法多样性。实时优化平台软件支持多源异构数据的接入、统一表达、高效存储和应用，支持大规模非线性优化问题在线求解，实现实时优化和先进控制的一体化。

▶ 嵌入式安全控制技术

开展可形式化证明的安全软件技术、高覆盖率软件测试技术、嵌入式资源虚拟化技术、高速控制任务调度技术、轻量级细粒度加密技术、控制领域统一建模语言等关键技术研究，将工业装备作为边缘设备接入工业互联网，实现功能安全与信息安全的融合，满足高端工业装备和复杂大型生产设施对实时控制保护的要求。

▶ 工业物联网时序数据管理技术

研发高通量数据写入与端边云同步、高性能和高鲁棒数据查询、数据压缩等关键技术。突破千节点以上大规模时序数据库集群的调度优化和高可用保障能力，以及数据强一致性环境下的高并发实时集群处理等技术瓶颈。

▶ 组态式低代码开发技术

低代码支持统一语言的脚本扩展能力，并可实现对其他工业PaaS的集成。支持硬编码方式的模型扩展，开发配套的SDK辅助工具。具有模型规范和封装打包能力，可以在线装配，支持模型的依赖分析、冲突分析和完整性分析。实现时序数据、关系数据、非结构化数据、图数据等多种异构数据源和API服务调用与集成。

■■ 战略支撑与保障

（1）推动自主开源社区建设。促进各类主体大力拥抱开源，鼓励各类开发者积极参与国际和国内各类开源软件项目，成为贡献者甚至主导者。加强自主开源社区建设，提供良好的开发环境，共享开源技术、代码和开发工具。

（2）完善标准体系。完善基础软件及工业软件标准体系，加强基础软件及工业软件标准的制定/修订工作，鼓励有实力的单位牵头制定国际标准。建立基础软件及工业软件的国家评测与认证标准体系。

■■ 技术路线图

基础软件及工业软件产业发展技术路线图如图1-2所示。