以下文章來源于數字孿生DigitalTwin ，作者高天翼，王磊等

本文由北航陶飛教授帶領的makeTwin團隊聯(lián)合其他院校團隊完成，分析了工業(yè)軟件與智能制造的密切關系，提出了一種包含最流行的十種工業(yè)軟件類型的軟件分類方法，期望相關工作可以幫助行業(yè)從業(yè)者和研究人員了解彼此的領域，以科研視角指導工業(yè)軟件應用的發(fā)展，為我國的工業(yè)軟件自主研發(fā)提供方向上的支持。

- 文章信息 -

本文作者：高天翼，王磊等。由「數字孿生DigitalTwin」原創(chuàng)首發(fā)， 數字化企業(yè)經授權發(fā)布。文章于2025年1月在國際期刊《journal of manufacturing systems》在線發(fā)表。

近年來，智能制造因能夠顯著提升制造業(yè)效率與智能化水平、為企業(yè)創(chuàng)造競爭優(yōu)勢而持續(xù)受到學術界與工業(yè)界的廣泛關注。作為智能制造體系的核心使能要素，工業(yè)軟件已深度滲透至企業(yè)設計、管理、生產及服務全流程，有效推動了產業(yè)升級。

本文綜述了面向智能制造的工業(yè)軟件技術體系：首先，解析工業(yè)軟件與智能制造的協(xié)同演化機制；其次，綜合各國政府政策導向與龍頭企業(yè)實踐，提出與智能制造密切關聯(lián)的十大工業(yè)軟件分類標準；繼而，從技術演進路徑、功能架構、學術研究進展與商業(yè)應用現(xiàn)狀四個維度展開深入分析；最后，凝練當前技術瓶頸并展望未來研究方向。本研究旨在促進產學研協(xié)同創(chuàng)新，推動科研成果產業(yè)化轉化，同時引導學術界聚焦產業(yè)實踐中的關鍵技術難題。

01

引言

工業(yè)軟件主要指應用于工業(yè)領域，旨在提升企業(yè)研發(fā)、制造、管理水平及工業(yè)裝備性能的軟件系統(tǒng)。新一代信息技術的進步正推動全球制造業(yè)邁向智能制造時代，數字化工程愈發(fā)受到重視。智能制造的核心在于持續(xù)融合信息空間與物理空間，通過數據驅動的制造過程實現(xiàn)設備控制、狀態(tài)感知、實時分析、科學決策與精準執(zhí)行，以解決產品全生命周期中復雜與不確定性問題。材料創(chuàng)新與裝備發(fā)展是推動物理空間進步的直接動力，而在信息空間中，工業(yè)軟件承擔著實體虛擬化、物理設備控制、制造與管理流程定義以及不確定性操作模擬等關鍵任務，對促進智能制造發(fā)展具有重要作用。

近年來，全球制造業(yè)企業(yè)紛紛將工業(yè)軟件發(fā)展列為重要戰(zhàn)略。洛克希德·馬丁公司全面實施數字化制造的軟件工廠戰(zhàn)略，其年度軟件代碼編寫量甚至超過微軟。西門子堅持數字化戰(zhàn)略二十余年，累計投入超百億美元發(fā)展軟件業(yè)務，悄然成為歐洲僅次于SAP的第二大軟件企業(yè)。通用電氣（GE）通過工業(yè)互聯(lián)網平臺“Predix"確立了在物聯(lián)網軟件平臺領域的領先地位。波音787的整個研發(fā)過程使用了8000余種軟件，其中商業(yè)化軟件不足1000種，其余7000余種均為波音長期積累的專有軟件。

智能制造背景下的工業(yè)軟件提升不僅在于應用層面，更重要的是開發(fā)適配企業(yè)核心業(yè)務的專屬軟件。學術界已開啟新一代信息技術與智能制造融合的探索，包括物聯(lián)網、大數據、云計算和人工智能等方向。理論研究已證明故障診斷、資源優(yōu)化、創(chuàng)新設計、可持續(xù)維護等領域的算法模型取得良好應用。然而，將這些技術封裝為成熟工業(yè)軟件仍面臨挑戰(zhàn)。盡管大型制造企業(yè)在該領域處于領先地位，但標準化推進困難：不同企業(yè)產品結構與制造環(huán)境存在獨特性，對軟件功能、適應性和集成度需求各異。

各國政府長期重視工業(yè)軟件發(fā)展，美國推出《美國制造——通過建模與仿真保持全球領導力》計劃，德國實施"工業(yè)4.0戰(zhàn)略"，中國制定《中國制造2025》規(guī)劃。最新智能制造發(fā)展戰(zhàn)略如美國《先進制造領導力戰(zhàn)略》、德國《國家工業(yè)戰(zhàn)略2030》、歐盟"工業(yè)5.0"及中國《"十四五"智能制造發(fā)展規(guī)劃》均強調工業(yè)軟件發(fā)展。

但現(xiàn)有研究多聚焦智能制造相關技術，對軟件本體關注不足：智能制造需要哪些工業(yè)軟件？工業(yè)軟件可支持哪些研究類型？不同工業(yè)軟件在智能制造中的關鍵作用如何？其面臨哪些挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢？本文旨在系統(tǒng)解答這些問題。據我們所知，目前尚缺乏對此的全面研究。

因此，本綜述從概念內涵、發(fā)展歷程、功能特征、學術研究、商業(yè)應用及未來趨勢等維度，系統(tǒng)梳理面向智能制造的工業(yè)軟件體系，力圖填補工業(yè)軟件與智能制造間關系的研究空白，為學術界和產業(yè)界深入探索工業(yè)軟件在智能制造中的科學應用提供價值洞見。

02

工業(yè)軟件

與智能制造之間的關系

工業(yè)軟件發(fā)展的核心驅動力，源于對先進制造范式的持續(xù)探索與追求。智能制造作為一種總體概念，體現(xiàn)了信息技術與先進制造技術的深度融合。如圖所示，第三次工業(yè)革命后的制造范式發(fā)展可劃分為四個階段：自動化制造、數字化制造、網絡化制造與智能制造。圖中坐標系以x軸對應工業(yè)軟件種類，y軸表征制造范式的發(fā)展階段層次，直觀展現(xiàn)了技術演進與軟件體系擴展的關聯(lián)性。

（1）自動化制造（20世紀40年代至70年代）

1946年，福特公司機械工程師D.S. Harder首次提出"自動化"概念，用于描述生產過程的自主運行，推動了自動化理論的形成。此后，為應對產品質量與數量的激烈競爭，各類自動化設備被制造并投入生產應用。從20世紀60年代中期至70年代初，大規(guī)模生產需求推動了自動化生產線的成熟應用。這一時期，自動化設備需求促使設備供應商開發(fā)出中央控制系統(tǒng)（CCS）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）等配套自動化系統(tǒng)。這些軟件系統(tǒng)的應用不僅實現(xiàn)了設備的高效精準控制，更標志著工業(yè)軟件與制造范式融合的開端，推動制造范式向自動化方向演進。

（2）數字化制造（20世紀80年代至90年代）

智能制造概念于20世紀80年代首次提出，當時被定義為數字化制造，其核心目標是通過計算機技術實現(xiàn)產品信息、工藝信息與資源信息的數字化描述、集成、分析與決策，進而快速生產滿足用戶需求的產品。計算機性能與圖形技術的提升，為制造范式升級提供了更強助力。數字化制造促使軟件供應商從計算機輔助設計、制造與管理等維度開發(fā)工業(yè)軟件，以提升制造企業(yè)效率。

在此背景下，計算機輔助軟件（CAX系列）逐步發(fā)展并廣泛應用，包括計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP）及計算機輔助制造（CAM）等，推動產品設計環(huán)境從手工繪圖向數字化全面轉型。與此同時，以精益生產為代表的數字化管理理念被提出，其核心是以最小投入實現(xiàn)最大、最快的產出，要求企業(yè)對制造資源、物流控制、車間調度、質量控制、成本管控及庫存管理等環(huán)節(jié)實現(xiàn)精細化運營。以企業(yè)資源計劃（ERP）為代表的企業(yè)管理軟件受到制造企業(yè)青睞，以制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為核心的制造過程管理軟件開始商業(yè)化。這些工業(yè)軟件的應用，促使制造業(yè)設計與管理流程從依賴紙質文檔的傳統(tǒng)模式轉向數字化全鏈路協(xié)同。

（3）網絡化制造（20世紀90年代至2010年）

1994年，美國國防部聯(lián)合百余家大型企業(yè)共同制定《21世紀制造企業(yè)戰(zhàn)略》研究計劃，首次提出敏捷制造（Agile Manufacturing, AM）戰(zhàn)略，其核心是通過充分整合企業(yè)內外部資源，快速響應市場變化并滿足客戶需求。至20世紀末，隨著互聯(lián)網技術的持續(xù)發(fā)展，作為敏捷制造的延伸，各類網絡化制造模式相繼涌現(xiàn)，包括應用服務提供商（ASP）、制造網格（MGrid）及云制造（CMfg）等。這一趨勢推動軟件供應商開發(fā)具備跨平臺協(xié)作能力的工業(yè)軟件，以促進供應鏈、區(qū)域及行業(yè)間的企業(yè)協(xié)同。此類軟件通過增強制造資源的共享與優(yōu)化配置，將傳統(tǒng)孤立式制造模式轉變?yōu)榫W絡化協(xié)同制造體系。

（4）智能制造（2010年至今）

智能制造是新一代信息技術與制造技術的深度融合，貫穿產品設計、制造與服務全生命周期，通過全面感知、實時分析、自主決策與精準執(zhí)行，持續(xù)提升企業(yè)產品質量、效益與服務能級。這一階段，軟件供應商將前沿技術融入工業(yè)軟件，推動產品全生命周期智能化升級——數據分析軟件、人工智能應用、虛擬仿真等新興軟件領域迅速發(fā)展。

例如，物聯(lián)網技術的成熟使產品設計、管理、制造與服務環(huán)節(jié)積累海量工業(yè)大數據，促使傳統(tǒng)數據分析軟件與先進機器學習算法深度融合，催生了面向工業(yè)場景的大數據分析軟件；虛擬化與物聯(lián)網技術的結合則推動數字孿生（Digital Twin, DT）技術實現(xiàn)物理世界與虛擬世界的深度融合，形成成熟的商業(yè)軟件應用。與此同時，人工智能生成內容（AIGC）技術正加速賦能傳統(tǒng)工業(yè)軟件，特別是在設計階段的產品草圖生成、預測與健康管理（PHM）階段的數據增強等低風險場景中展現(xiàn)應用潛力。隨著工業(yè)軟件產品形態(tài)的多樣化，主流供應商紛紛推出集成化工業(yè)互聯(lián)網平臺，構建從設備層到管理層的全棧式解決方案。這些新型工業(yè)軟件的快速發(fā)展，使得制造業(yè)在設計、生產、管理與運營等環(huán)節(jié)實現(xiàn)更高程度的智能化與效率提升，推動制造業(yè)向全流程智能化方向持續(xù)進化。

03

制造業(yè)中的工業(yè)軟件

本文根據軟件的使用場景，例如生產線、工廠、企業(yè)、企業(yè)間等，總結了與智能制造密切相關的十大工業(yè)軟件。

(1)產線級

數據采集與嵌入式控制軟件（DC&EC） 是支撐生產線智能化的核心技術，主要負責設備自動化、分布式控制與數據采集。

作為智能生產線的最小組成單元，各類自動化設備均配備嵌入式控制系統(tǒng)以確保自主運行與統(tǒng)一交互，例如：機器人搭載的機器人操作系統(tǒng)（ROS）、定制化自動化設備中的可編程邏輯控制器（PLC）、數控機床的數控系統(tǒng)（NCS）、自動化倉儲的倉庫控制系統(tǒng)（WCS）等。在整條生產線的層級，DC&EC主要體現(xiàn)為數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）——SCADA多用于離散制造場景，聚焦底層設備數據向上層管理系統(tǒng)的傳輸與監(jiān)控；FCS則主要應用于流程工業(yè)，側重接收上層系統(tǒng)指令并實現(xiàn)制造全流程閉環(huán)控制。隨著新一代信息技術的發(fā)展，上述系統(tǒng)正逐步與物聯(lián)網、人工智能技術融合，被賦予更強的全連接能力與邊緣計算能力，推動生產線向自適應、自優(yōu)化的智能化方向演進。

(2)工廠級

工廠級軟件主要負責產品的設計、開發(fā)管理，接收來自企業(yè)管理軟件（BM）的生產訂單，并將其分配給底層制造設備組織生產。它們可分為產品開發(fā)軟件（PD）、開發(fā)管理軟件（DM）、制造過程管理軟件（MPM）、制造仿真軟件（MPS）、運維軟件（OM）和數字孿生軟件（DT）。

PD用于協(xié)助工程師完成新產品的設計和試制，提高產品開發(fā)效率，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產品質量。CAX系列軟件是目前主流的PD軟件，主要包括：CAD、CAE、CAPP和CAM，分別用于建立產品建模、分析產品參數、制定工藝路線和生成數控代碼。

DM以PLM為代表，主要用于管理和監(jiān)控產品開發(fā)的數據和過程。PLM起源于PDM，最初用于管理產品開發(fā)、設計和制造的數據，包括電子文檔、數字文件、數據庫記錄，實現(xiàn)從設計階段到制造階段的數據轉換。PLM對新產品開發(fā)過程的全生命周期進行管理，提高產品開發(fā)速度，降低產品開發(fā)成本，提高產品質量。因此，PDM、QMS、PMS和工作流管理也被認為是PLM的一部分，用于管理整個過程，而不是應用于特定的單個場景。

MPM主要對工廠內制造任務的所有數據流進行管理，包括制造任務分解、計劃、調度、組織、指揮、執(zhí)行、監(jiān)控、統(tǒng)計等。APS是指先進的計劃和調度系統(tǒng)，是解決生產調度中排序和資源分配問題的工具。MES是一個位于APS和DC&EC之間的面向車間的信息管理系統(tǒng)，它可以為作業(yè)者和管理者提供所有資源的計劃執(zhí)行、跟蹤和當前狀態(tài)信息。

管理軟件做出的計劃和決策可能會偏離實際情況，導致制造過程中的風險。建模和仿真技術可以捕捉系統(tǒng)的動態(tài)特性，檢驗制造系統(tǒng)和決策是否有效。MPS利用虛擬仿真技術來預先規(guī)劃生產線布局、設備配置、工藝路徑和物流。在仿真模型“演練”的基礎上，進行分析、評估、驗證，快速發(fā)現(xiàn)問題，及時調整優(yōu)化原方案。

MRO應用于運維，包括維護、維修、材料和服務。PHM基于物聯(lián)網技術獲取設備運行狀態(tài)信息和故障信息。根據系統(tǒng)的歷史數據和環(huán)境因素，采用信號處理和深度學習算法監(jiān)測設備狀態(tài)，預測故障，評估系統(tǒng)健康狀態(tài)。EMS實時采集水、電、油、氣等各種能耗數據，并對能耗進行動態(tài)分析，實現(xiàn)制造系統(tǒng)能耗的節(jié)約和提高。

DT軟件可以將DT技術應用于制造業(yè)，通過定制化的DT解決方案，實現(xiàn)不同行業(yè)企業(yè)的DT工廠。DT軟件建立物理工廠的虛擬實體，為生產的仿真提供支持，將SCADA采集的數據進行可視化處理，并結合人工智能技術對數據進行分析和結合，為工廠內MES、PHM等其他軟件提供智能決策和技術支持。

(3)企業(yè)級

在企業(yè)層面，BM主要面向管理企業(yè)的標準化業(yè)務執(zhí)行，包括產品設計、采購、銷售和倉儲、財務、人力資源、客戶等，以規(guī)范業(yè)務流程，提高工作效率，幫助決策。其中，CRM軟件可以整合客戶信息資源，維護和吸引客戶，提高企業(yè)利潤。供應鏈管理軟件可以協(xié)調供應鏈的各個部分，以減少總成本和交貨周期。物料需求計劃（MRP）軟件可以根據物料清單和庫存狀況計算物料需求數量和需求時間，從而確定采購和加工計劃。

質量管理體系（QMS）可以在ISO/TS體系的基礎上持續(xù)改進企業(yè)的質量管理，但需要與其他管理體系相結合。倉庫管理系統(tǒng)（WMS）主要實現(xiàn)倉儲、倉庫可視化、倉庫調度和倉庫分配。FM軟件主要針對總賬、固定資產、資金鏈、財務報表、財務票據的管理，規(guī)范業(yè)務流程，提高核算效率，提高企業(yè)效益。ERP集成了上述軟件系統(tǒng)的功能，從整體上優(yōu)化了企業(yè)的運營模式，合理配置了企業(yè)資源，改進了企業(yè)業(yè)務流程，增強了企業(yè)競爭力。

(4)區(qū)域/全球級

在企業(yè)中，工業(yè)軟件發(fā)揮著促進企業(yè)間協(xié)作的作用，工業(yè)互聯(lián)網平臺軟件（IIP）成為企業(yè)使用的主要軟件類型。目前的IIP在功能上主要分為以下幾類：

• 設備互聯(lián)平臺：廣泛應用物聯(lián)網和互聯(lián)網技術連接設備終端，構建精準、實時、高效的云端數據采集與互聯(lián)系統(tǒng)。同時，運用大數據和人工智能技術，實時分析設備運行狀態(tài)，不斷優(yōu)化研發(fā)、設計、制造、運營、管理的效率。
• 協(xié)同研發(fā)平臺：企業(yè)與客戶之間廣泛協(xié)同設計，自動完成需求分析、設計和制造環(huán)節(jié)，實現(xiàn)個性化、定制化的服務模式。
• 供應鏈協(xié)同平臺：打通產業(yè)鏈上下游，優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)供需匹配和資源共享。
• 協(xié)同制造平臺：使同一地區(qū)或同一行業(yè)的企業(yè)將其實體制造資源封裝并發(fā)布到網絡空間，以服務的形式實現(xiàn)制造協(xié)同。
• 服務應用平臺：共享打包的應用服務，實現(xiàn)廣泛的按需使用。

(5)貫穿全層級

IBDA軟件在所有場景中都扮演著重要的角色。在市場分析階段，市場數據分析軟件可以有效地發(fā)現(xiàn)市場波動數據，建立市場風險評估和客戶偏好分析模型，指導企業(yè)調整市場策略。在產品設計階段，產品設計分析軟件可以有效地幫助設計人員分析產品的合理性，評估產品性能，預測產品成本，計算工作時間，提高設計效率，縮短研發(fā)周期。在制造階段，工業(yè)數據分析軟件可以獲取設備、效率、成本、能耗等數據，建立分析模型，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控和工藝參數優(yōu)化。在服務階段，設備運行數據分析軟件可以遠程獲取設備的運行數據，實時了解設備運行狀況，制定更合理的設備維護計劃。

04

面向智能制造的

十大工業(yè)軟件

因此，本文從不用應用場景視角總結了與智能制造密切相關的十大熱門工業(yè)軟件，如表格所示，分別為PD、DM、BM、MPM、MPS、DC&EC、OM、IBDA、IIP和DT。下圖展示了這些工業(yè)軟件系統(tǒng)在制造過程中的應用場景和部分關聯(lián)關系。

05

總 結

工業(yè)軟件作為智能制造的原動力，已經滲透到制造業(yè)的方方面面。本文詳細闡述了工業(yè)軟件的發(fā)展過程、工業(yè)軟件與智能制造的關系、工業(yè)軟件對智能制造的意義以及主流的十種工業(yè)軟件。然后進一步介紹了這十種工業(yè)軟件的歷史、功能、商業(yè)應用、支持研究和未來發(fā)展趨勢。

工業(yè)軟件發(fā)展迅速，日益多樣化和集成化，但仍存在技術壟斷、標準碎片化、智能化和可擴展性不發(fā)達、數據存在漏洞、智能化程度低、可靠性和適應性差、應用不當等問題。對于研究人員來說，未來的工作應該集中在工業(yè)軟件和應用于工業(yè)軟件的技術的標準化上。此外，擴展和完善應用方法和評估標準將是實現(xiàn)工業(yè)軟件在智能制造中的效用最大化的關鍵。行業(yè)從業(yè)者應該學習和規(guī)范各種工業(yè)軟件的使用，以提高效率和降低成本。工業(yè)軟件提供商應該優(yōu)先考慮用戶體驗，增強其可靠性、可擴展性，并推進其智能功能。