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工业软件的发展伴随着计算机、软件、信息通信技术（Information Communication Technology，ICT）驱动工业（制造业，采矿业，电力、热力、燃气及水生产和供应业等）机械化、电气化、数字化、信息化、网络化和智能化的每一步发展历程。
工业软件的源头可追溯到计算机的诞生。1623年，德国科学家契克卡德制造出人类第一台机械计算机。1642年，法国科学家帕斯卡发明著名的帕斯卡机械计算机，首次确立计算机的概念。1679年，德国数学家莱布尼茨提出二进制。1725年，法国纺织机械师乔布提出“穿孔纸带”的构想。1822年，英国科学家巴贝奇制造出第一台差分机，并于1834年提出分析机的概念；他的助手爱达编制出人类历史上第一批计算机程序。1890年，美国统计学家霍列瑞斯博士发明制表机，完成人类历史上第一次大规模数据处理。1893年，德国人施泰格尔在手摇式计算机的基础上研制出名为“大富豪”的计算机。1895年，英国青年工程师弗莱明通过“爱迪生效应”发明了人类第一只电子管。1913年，美国麻省理工学院教授万·布什领导制造出模拟计算机“微分分析仪”。1937年，美国贝尔实验室研究人员斯蒂比兹制造出电磁式数字计算机。1946年，美国宾夕法尼亚大学摩尔学院教授莫奇利和埃克特成功研制出第一台现代电子通用计算机（电子管计算机）ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）。1954年，世界上第一台晶体管计算机诞生，从此以后，计算机便随着集成电路的快速发展而迅速发展。计算机的发展史如图1.1所示。
工业软件起源于计算机在军事工业中的应用。1946年，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（John von Neumann）提出计算机（由运算器、控制器、存储器、输入/输出设备组成）的冯·诺依曼体系结构（二进制逻辑、程序存储执行）。同年，宾夕法尼亚大学的莫奇利和埃克特团队花费48万美元研制出电子数字积分计算机ENIAC，为军方计算弹道表。在第二次世界大战期间，美军的弹道研究实验室每天要为陆军提供6张火力表（每张火力表包含几百条弹道，每条弹道都是复杂数值近似计算的非线性方程），真实战争场景下的庞大计算量（美军雇佣200名计算员大约2个月才能计算完1张火力表）催生了ENIAC。军事计算的强大需求，推动了工业软件的诞生；而计算机在工业领域的应用，则促进了工业软件的飞速发展。
图1.1 计算机的发展史
工业软件的本质依然是软件。1854年，英国数学家布尔（George Boole）发表 The Laws of Thought ，建立布尔代数和今天计算机、电子设备使用的二进制系统；英国数学家阿达·洛芙莱斯（Ada Lovelace）作为计算机程序创始人，创建循环和子程序概念。1940年，华莱士·埃克特（Wallace John Eckert）出版 Punched Card Methods in Scientific Computation ，这种在卡带中打孔（穿孔卡片机）实现复杂的科学计算是人类历史上的第一种计算机算法或模式语言。在第二次世界大战期间，世界的计算研究主要集中在德国、英国和美国。在德国，数字计算机之父康拉德·楚泽（Konrad Zuse）提出计算机程序控制概念、发明第一种高级编程语言Plankalkuel和第一台通用存储计算机Z1；在英国，数学家艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing）提出可计算性理论、人工智能和图灵试验，建立现代计算机科学的理论基础；在美国，在军方的支持下，世界上第一台通用计算机ENIAC与存储程序式计算机EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）被研制出来，“编程”通过连接插板来实现。第二次世界大战后，软件工程随着计算机的兴起而诞生。美国程序员玛格丽特·汉密尔顿（Margaret Heafield Hamilton）首创了“软件工程”一词，她领导的团队为阿波罗（Apollo）11号和其他载人阿波罗任务开发了机载飞行软件，并使用“软件工程”一词以区分自己的工作与刚刚起步的美国太空项目中的硬件工程。因此，从“基因”上追溯，阿波罗机载飞行软件可被视为最早的一类工业软件。从此，基于软件工程的工业软件从航天领域逐渐进入工业领域乃至人类生活的方方面面。
工业软件的发展动力主要是“计算机+工业”与“工业+计算机”，集中表现为工业场景驱动的软件定义，以及以物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术为特征的工业互联网和数字经济，如图1.2所示。
图1.2 工业软件的发展动力
软件定义在本质上是“将硬件变软”，通过软件来实现工业场景中物理系统通常用硬件来实现的功能，并利用软件丰富的表达能力和灵活的变化能力赋予最终的物理系统更自由的使用方式及其功能在未来的持续扩展能力，驱动工业场景创造出新价值。软件定义在效能上是指软件的赋能、赋值和赋智，是工业软件发展的第一动力。软件定义是全球新一轮科技革命和产业变革的新标杆，已成为驱动工业软件发展的核心力量。作为融合“云网边端”数据与服务资源的枢纽，工业软件向下使能硬件、适配多样性计算架构，向上聚合应用、促进工业软件生态繁荣。工业软件是云计算、大数据、人工智能、区块链、移动互联网、物联网、5G、虚拟现实、增强现实、元宇宙等新一代信息技术在工业领域创新的集中体现，是催生传统工业新产品、新业态、新模式发展的重要引擎。
软件定义主要包括软件定义存储、软件定义计算、软件定义网络和软件定义平台。软件定义驱动工业软件跨越式创新发展，攻克基于模型的系统工程与数字孪生驱动的工业协作和融合、高可靠工业用工程组态设计编译、电子产品数字化集成调试、边缘计算基础网关、工业大数据处理、工业大脑等工业软件的共性问题与关键技术，开发设计研发类、信息管理类、生产控制类等工业App（应用程序），加强算法库、零部件库、模型库等工业软件基础资源建设，提升工业软件成熟度。软件定义面向集成电路、航空航天、高端装备、轨道交通、智能网联汽车、生物医药、材料能源等优势主导行业，研发三维数字化协同制造、高端能源装备设计、仿真与测试、管理一体化等平台产品，以及面向电磁频谱、光电、雷达等特定应用对象的嵌入式产品，打造易于适配、迁移与重组的集成平台，提升高性能计算对工业软件的支撑度，大力发展云化的工业软件新形态。
计算机主要集成中央处理器、存储器、控制器等硬件和操作系统、数据库等软件。“计算机+工业”与“工业+计算机”的核心是工业软件。一方面，“计算机+工业”是计算机赋能工业的集中体现，即计算工业化与计算产业化；另一方面，“工业+计算机”是指工业的机械化、自动化、数字化、信息化、网络化和智能化，即工业计算化与产业数字化。基于此，计算机是工业软件发展的动力源。计算机赋予工业新型能力，即在航空航天、汽车、重大装备、钢铁、石化等行业企业实施计算机化转型，计算机能力已成为工业企业的核心竞争力。计算机赋予工业基础设施新的能力和灵活性，成为生产方式升级、生产关系变革、新兴产业发展的重要引擎。
计算机是工业软件的基石，计算机的发展和应用扩展了工业产品的功能，变革了工业产品的价值创造模式，催生了平台化设计、个性化定制、网络化协同、智能化生产、服务化延伸、数字化管理等新型模式，推动了基于先进算力的平台经济、共享经济的蓬勃发展。利用计算机辅助设计、仿真、计算、测试、试验、制造，形成基础工业工具软件；通过计算机控制数控机床、航空航天设备、船舶等重大技术装备，形成关键工业控制软件；采用计算机推动新材料、新能源、智能机器人、网联汽车、工业互联网等重点领域发展，形成行业专用工业软件；依托计算机管理企业工厂的生产、销售、运营、维护等，形成运维管理工业软件。
数字经济是指以数字化的知识和信息为关键生产要素，以数字技术为核心驱动力，以现代信息网络为重要载体，通过数字技术与实体经济深度融合，不断提高经济社会的数字化、网络化、智能化水平，加速重构经济发展与治理模式的新型经济形态。数字经济主要包括数字产业化和产业数字化，其中，数字产业化是数字经济的基础部分，即围绕数据归集、传输、存储、处理、应用等全流程，形成的有关硬件、软件、终端、内容和服务的产业［涉及领域包括电子信息制造业（集成电路）、软件和信息服务业］以及大数据、云计算、人工智能、区块链、虚拟现实、增强现实、混合现实、元宇宙等新一代信息技术产业；产业数字化是数字经济的融合部分，一般指数字技术与第一、第二、第三产业融合、融汇和融通，对产业链上下游的全要素进行数字化升级，提高传统产业生产效率，促进传统产业转型升级，并催生出新业态、新模式的过程。不管是数字产业化，还是产业数字化，数字经济都是软件定义的主战场和核心场景。
在数字经济发展过程中，数字化、信息化、网络化、智能化场景驱动工业软件发展。随着智能软件在工业研发设计、生产制造、运维服务、企业管理等产业关键环节的应用，工业软件围绕“机器换人”促进了智能工业、智慧医疗、智能网联汽车、智慧建筑等数字经济核心产业的建设。在数字经济核心产业发展过程中，工业软件是智能制造的基石，是未来战略性新兴产业发展的基础。针对电子制造、航空航天、高端装备、轨道交通、生物医药、工程建筑、材料能源等产业，工业软件主要是研发设计类、生产工艺类、生产控制类等行业专用软件，以及嵌入式操作系统、嵌入式支撑软件和嵌入式应用软件；面对智能制造、自动驾驶、卫星导航、智慧城市、数字治理、智能建筑等典型场景，工业软件主要指智能软件的开发应用，以及软件向高端化和专业化的升级。时至今日，数字经济中的每一件工业品，几乎都是工业软件的重要结晶；数字经济场景是工业软件需求、研发和应用的主战场，场景打造及其应用推广是工业软件发展壮大的引擎。
工业互联网是新一代信息通信技术与先进制造业深度融合所形成的新业态与应用模式。工业互联网平台是工业互联网的核心载体，是工业软件集大成者。面向制造业数字化、网络化和智能化需求，计算机网络、互联网、移动互联网和物联网赋能工业，通过系统构建网络（基础）、平台、安全三大功能体系，打造人、机、物全面互联的新型网络基础设施，构造基于海量数据的采集、汇聚、分析和服务体系，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的开放式工业云平台，形成智能化发展的新业态和应用模式。
工业软件是工业互联网的核心，实现人、机、物、业务等要素在信号、信息、数据上的互联互通。工业产品的数字化设计、建模仿真、验证测试、模拟试验，工业装备的数字化控制与智能化“大脑”，都离不开工业软件的支撑。根据工业应用的现实瓶颈问题，自下而上形成实际可操作落地、可复用复制的一系列系统解决方案，并以工业App、工业微服务等形式逐渐沉淀到工业互联网平台上，由单点应用到多点推广，由特定行业、特定领域推广至跨行业、跨领域，建立起涵盖生产制造管理全流程、全工艺、全环节的一系列工业软件平台解决方案，形成多层次平台发展体系。工业互联网的发展为解决工业软件受制于人的难题提供了新的思路和模式。
本节以计算机发展的视角，审视以美国为代表的国外工业软件和国内工业软件的发展历程，归纳出工业软件主要的历史节点与重要事件。
国外工业软件的发展历程按重要时间节点与事件可划分为表1.1所示的3个阶段，这与软件发展的程序设计、程序系统和软件工程3个时代基本契合。
表1.1 国外工业软件发展历程的3个阶段
20世纪40年代，在军方需求和军事工业发展的驱动下，电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机相继诞生。在这一背景下，美国国防部的巨型项目半自动地面防空系统（Semi-Automatic Ground Environment，SAGE）催生出配套的军用软件。当时美国高校和企业中的程序员人数约为1200名，而参与SAGE项目研发的就超过700人，SAGE项目孕育出第一个商用高级计算机编程语言FORTRAN和首个指令集可兼容计算机IBM System/360等多项创新成果。1954年-1964年，国际商业机器（International Business Machines，IBM）公司为美国航空公司开发商业航空预订系统SABRE，这是第一个由该公司资助的软件项目，参与该项目的软件工程师约200名，耗资3000万美元。
在冷战时期，美国为了缩减昂贵的军用软件开支，启动国防和民用技术协同工作，将军用软件商用、民用到工业领域，开启了工业软件的先河。以计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件为例，20世纪60年代，美国波音公司、洛克希德公司（现在发展为洛克希德·马丁空间系统公司，每年所编写的软件代码数量超过微软）、美国国家航空航天局（NASA）等航天巨头开始研发CAD工业软件来代替人工制图，以满足人工制图无法实现的越来越复杂的产品需求。
类似地，美国NASA开始研发计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）工业软件，使美国成为全球最早发展CAE工业软件的国家。工业软件起始于军用软件，通过国防和民用技术协同，直接根植于工业场景中，并开始发展。在工业软件的萌芽时期，企业开发的工业软件首先满足自用，然后逐渐产业化、市场化，转为商用。早期的CAD和CAE，随着国防和民用技术协同的深入与工业场景的拓展，逐步发展为各类计算机辅助软件（CAX），主要包括CAD、CAE、CAM（Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）、CAPP（Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺设计）、CAS（Computer Aided Styling，计算机辅助造型）、CAT（Computer Aided Testing，计算机辅助测试）、CAI（Computer Aided Instruction，计算机辅助教学）、CAQ（Computer Aided Quality，计算机辅助质量管理）等。
早在1968年，迪克·莫利（Dick Morley）基于继电器梯形逻辑图的基本原理来模拟继电器控制，发明了可编程控制器（Programmable Controller，PC）或工厂控制器。这种新工厂自动化技术提供了对控制器进行编程的方法，不再需要对继电器进行物理重新布线来创建定时器、计数器和逻辑定序器等功能。1969年，迪克·莫利发明了由中央处理器、125个字节的磁芯存储器和逻辑求解器组成的Modicon（Modular Digital Controller）084，该控制器使用梯形逻辑和专用P370编程终端求解算法。1971年，奥多·斯特鲁格（Odo Struger）和厄恩斯特·杜门穆斯（Ernst Dummermuth）开发了可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）——Bulletin 1774，该控制器采用专用的编程终端T3。PLC作为改进继电器控制的工业电子专业装备，改变了全球工业制造产业流程，PLC创造的工业产品更是极大地改变了全人类的生产方式，由此开始了第三次工业革命。
PLC本质上是具有模块化组件的小型工业计算机，是基于计算机的工业控制器，与工业机器人和CAX共同支撑工业自动化。在工业自动化架构中，PLC是现代工业控制的核心，向下控制工业现场的传感器、执行器等物理硬件，向上支撑数据采集和监控（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系统、制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）以及企业资源规划（Enterprise Resource Planning，ERP）系统。目前，世界上主要的PLC厂商包括德国的西门子公司（SIMATIC系列）、美国的罗克韦尔公司（SLC、MicroLogix、ControlLogix等）和通用电气公司（GE Fanuc PLC）、法国的施耐德公司（Modicon、Quantum、Premium、Momentum等）、日本的三菱公司和欧姆龙公司等。
从1968年到2018年，在工业自动化中涌现出基础技术（Basic technology）、技术概念模型（Technology concepts and methodologies）和整合技术（Consolidated technology）三大类软件技术。其中，基础技术主要包括软件工程、软件过程/流程、安全工程、人工智能、可用性工程、生物计算、网格计算、分布式计算等，这些基础技术是工业软件的理论和根基。技术概念模型主要涵盖面向对象的开发、成熟度模型、统一建模、开源软件、并行处理（分布式、多核）、敏捷开发、产品线工程、软件模式、基于构件的开发、模型驱动开发、自主软件（Autonomous software）、形式化开发（Formal development）等，这些技术概念模型催生了工业软件的工具和方法。整合技术主要有个人计算机、Unix生态系统、图像多任务操作系统（如Windows）、互联网、移动协议与设备、Java生态系统、虚拟/增强现实、LAMP（Linux、Apache、MySQL、PHP/Perl）中间件、搜索引擎、集成开发环境、产品生命周期管理、计算机辅助软件工程等，这些整合技术往往是众多工业软件的分水岭。工业自动化的50年，是工业软件跨越式发展的黄金时期。
在大数据和人工智能时代，互联网、移动互联网、物联网、5G、卫星互联网、工业互联网等产生海量数据，大数据中心/互联网数据中心（IDC）、超算中心和智算中心等赋能云计算、类脑计算、边缘计算、量子计算，提供算力，统计学习、机器学习、深度学习等提供算法，这些数据、算力和算法驱动软件定义工业场景的感知、计算、重构、协同和交互，赋值、赋能、赋智CAX、PLC、MES、ERP、EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）等工业软件。
基于上述3个阶段的国外工业软件发展历程，工业软件生产者在宏观上主要分为早期军事软件与国防和民用技术协同服务企业、独立工业软件公司、企业/工业解决方案提供商、个人计算机（工业）软件商、智能制造与工业互联网服务商、元宇宙建设商等。这些国际厂商将工业软件业务拓展到世界各地，促进了工业软件的快速发展。
我国工业软件发展存在一个滞后期，在国外工业软件发展的影响下，也主要分为3个阶段，分别是20世纪80年代至90年代中期的萌芽阶段、20世纪90年代中期至2020年的起步阶段和2020年至今的发展阶段。
在第一阶段，我国工业软件处于萌芽阶段，主要有两个重要事件。一是工业软件在1986年列入国家“863计划”；二是在1996年成功研制出国内首个EDA软件——熊猫系统。其中，熊猫系统主要由28个设计工具组成，涵盖行为功能级描述、自动布局布线、逻辑和电路模拟、测试码生成、版图编辑和版图验证等功能，共180万行代码。
在第二阶段，工业软件徘徊在起步阶段，主要有两个重要事件。一是国外软件巨头入侵，本土企业缺乏竞争力且产品同质化严重，企业或纷纷倒闭，或成为国外巨头代理商与二次开发商；二是面对国内工业软件市场被国外企业占据的严峻形势，国家在2015年以后开始重视工业软件的发展。整体而言，在这个阶段，我国工业软件国产化率较低，其中研发设计类工业软件国产化率最低，国内厂商市场份额仅占5%左右。而且多数研发设计类工业软件仅应用于工业机理简单、系统功能单一、行业复杂度低的领域。
在第三阶段，工业软件进入发展期，主要有中兴事件和华为事件。国内工业软件受到国外技术封锁后，国家密集出台政策大力支持国内企业加快研发进度，自主可控的工业软件迎来快速发展的“春天”。随着国家在“十四五”期间加大工业转型升级力度，并大力发展高端、智能装备产业，工业软件市场进一步扩大，对本土工业软件产业发展也起到极大的推动作用。应用信息技术改造、提升，传统产业不断取得新的进展，工业设计研发信息化、生产装备数字化、生产过程智能化和经营管理网络化水平迅速提高。电子信息技术的发展催生了一批新兴产业。科技咨询、工业设计、现代物流、软件服务、信息发布、创意产业等工业服务业应运而起，促进了工业的优化升级。网络文化、动漫游戏、休闲娱乐、数字家庭、网络社区、无线城市等电子信息技术的广泛应用，进一步改变了人们的生活方式，扩展了人们的消费需求，产生了新的经济增长点。电信网、互联网、广播网“三网融合”的推进为信息化的发展增添了新的动力。工业软件的用户主要是钢铁、汽车、机械、军工、电子、化工等大型企业。在国家两化融合政策的积极推动下，中国软件产业近十年的发展势头非常强劲。中国的工业设计软件业在装备、汽车、电子电器、航空航天等行业也获得了极大的市场空间。