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工業軟件活力不斷
經過六十多年的發展，工業軟件不僅沒有看到任何衰退的拐點，反而從產品深度和新技術的融入，呈現了年輕人一般的活力。可以說，工業軟件是正當壯年。各種工業軟件公司，在其已經構建的工業學科基礎上，突破屏障，向生命科學、智慧城市、增材制造、納米材料等更多領域突破。
工業軟件，呈現了知識軟件化，和空間數字化的結合。軟件化是把產品從市場開發到制造的整個過程，所涉及的知識與流程都實現固化的特征，而數字化是把物理世界的對象及其關系，都通過數據方式進行呈現。工業軟件的發展歷史進程中，隨著產品對象和制造設備的不同，會產生出不同的軟件形態。
工業軟件，由于以代碼的形式躲在硬件的后面，無形無影，很少有人會去思考的它的形狀和構成。就像水流一樣，既無法區分它的形狀身段，也難以對它進行切分。
然而令人驚訝的是，工業軟件其實是一個以組件為主的裝配行業。它的構成，呈現了強烈的積木特征，從而構成了一個極其獨特的隱形組件形態。
軟積木的裝配行業
從產業角度看，工業軟件的開發過程是在加速的。這是因為，它的共性部分，逐漸被抽離出來定義商業化。這一點本來并不值得奇怪。早在CAD剛剛誕生不久，它的幾何內核就被逐漸剝離出來。英國劍橋大學CAD實驗室是英國CAD的源頭，1973年IanBraid在此完成了“體素設計”的博士論文，以此為基礎創建了后來被稱為Parasolid的幾何內核。1986年美國Spatial
Technology公司成立，同樣邀請Ian Braid以及其導師與同窗合作，并以其名字首字母命名其產品ACIS,
促進了工業軟件核心的組件化與產業化的進程。幾何內核可以看成是工業軟件之CAX軟件“宇宙原力”的建模引擎，并且成功地商業化。Parasolid當前屬于西門子工業軟件PLM
Components事業部，全球有近200多家軟件公司使用Parasolid幾何內核。2000年，Spatial被達索系統收購，全球有近100多家軟件公司使用。絕大部分CAD軟件公司，都會使用這些幾何內核，在此基礎上開發自己的產品。
這種將功能組件進行剝離并且商業化的思路，大大推動了工業軟件社會化分工的發展。
近60年的發展，工業軟件早已經成為一個成熟的產業。跟汽車、飛機等一樣，有著不同層面的成熟供應商與基于新技術發展中的供應商。一個機械CAD軟件，可以分解成幾十個組件。每個組件其實并沒有想象中那么大的團隊在維護，人數大概在30-200人之間，大部分是幾十人的團隊。各個有獨特技術的公司都可以分一杯羹。這使得工業軟件產品，正在由大部分自主研發，走向組合式的發展。
過去傳統的機械CAD軟件公司，需要長達十年周期才可能商業化。而今天，只需投入200人左右花費2年的時間，就可以開發出面向行業的比較全面的基礎模塊（零件、裝配體、工程圖）。開發難度，正在降低。
工業軟件的四層組合
就像自然界一樣，簡單的食物鏈隨著時間，也逐漸以分層的方式進行分化。時至今日，整個工業軟件的產業界，已經發展出成熟的產業提供商（組件）的生態。分別為系統層、組件層、應用層和人機交互層。
圖1 工業軟件的四層架構
系統層是由操作系統、圖形標準等構成。今天CAX軟件一般都是建立在Windows操作系統之上，Unix\Linux也有一些。由于歷史演進的原因，一些軟件依然可以運行在Unix之上,
但隨著時代發展，一些軟件公司為了降低維護成本，未來主要以Windows系統和基于云的方式部署為主。
如圖2灰色部分是最基本的組件，這是構建CAX軟件最基礎、最核心組件，構成其產品屬性的組件。比如：最底層的組件，幾何引擎，它包括曲面建模、小面片建模與實體建模引擎。不管是CAD、CAE、CAM軟件，目前國際化的商業軟件基本都包含有其此類組件。
組件的價值是提供各種算法，但它屬于通用的。因為幾何建模，是數學、圖形學、計算機科學的結合物，可以廣泛應用。作為CAD軟件，最為核心之一就是幾何建模引擎（內核），它代表了一款軟件的基礎能力，主要有三種方式，實體建模、小面片和曲面建模。這是三種主要的建模引擎，從這個意義講，幾何內核的數學特性已經達到了巔峰地步，很難有所突破。但并不是所有的幾何建模引擎都支持這三種建模技術，或者說CAX都需要有這三種內核。工業軟件根據用途分為很多類型，很多軟件只需要其中一種或者兩種。例如：非常活躍的創成式設計，就是實體建模+小面片的結合。
如果要開發一款CAD軟件，那至少還需要加上幾何約束器；如果是CAE軟件，那至少還需要加上網格剖分的組件（求解器屬于應用層）；如果是CAM軟件，還至少還需要加上加工路徑規劃的組件；如果是機器人離線編程軟件OLP，那還需要加上機器人路徑規劃的組件等等。當然光有這些還不夠，有的時候還需要打開其他軟件設計的模型，那么這個時候還需要數據轉換的組件；有的時候需要對畫好的模型進行渲染，那還需要渲染的組件。越往上的組件，有的時候既可以作為組件，也可以作為產品，但很多時候主要以軟件模塊的方式存在。
圖2 CAX軟件的組件框架
By Vincent LU
如果說組件層，是可以進行商業化的組合。那么應用層，就是真正考驗一個軟件公司的功力的時候。它直接決定了一個軟件的功能特性。這完全靠時間堆砌，這也決定了軟件的生死。
工業軟件產業鏈的組裝特性，最為典型的，發生在上個世紀90年代的Solidworks軟件。一方面它是抓住了Windows界面的機會，另外不為人所熟悉的就是它率先大膽地采用了組件的思想。這家公司在1993年成立，而在1995年就開發上市一套令人耳目一新的3DCAD軟件。這背后就是組件思想，或者是“模塊裝配”。就是基于產業鏈思想進行開發。Solidworks在此思想上發揮的淋漓盡致。有現成組件，絕不會自己開發。正因為基于這種思想以及把精力放在應用層（市場用戶的需求上），迅速被達索系統盯上，在1997年就被收購，這似乎讓它失去了更好的獨舞表演機會。而它的創始人，在2012年再次出山，成立了一家三維云CAD：Onshape。這是人們最早開始在云端來實現三維設計的嘗試，它也較好地融合了協同設計的特性。到了2015年，第一款新品得以發布。如此快速的時間，都是得益于軟件的裝配屬性。
知識裝配，組件走向極致化
就像汽車行業一樣，既然有零部件的類別，那么就有主要的零部件供應商公司了。工業軟件行業內同樣也是如此。
工業軟件CAX，一般主要有11類的基礎組件的供應商。隨著新技術的發展，還在源源不斷的增加。幾何引擎最主要的產品主要有：Parasolid，ACIS，這兩款組件幾乎覆蓋全球最主要的CAX/AEC廠家，而開源幾何引擎Open
CASCADE（OCC）非常受國內CAX廠家的青睞，基本模塊免費與開源 ，其他模塊要收費。
幾何約束器在商業化的MCAD廠家中幾乎都是以DCM為主；而全球90%以上的商業化CAM軟件公司，都在使用ModuleWorks與MachineWorks這兩家公司的產品，用來生成加工刀路的路徑。CAE中，不少大型CAE廠家在使用MeshGems作為網格剖分的引擎。而在數據轉換器，供應商主要有兩家：HoopsExhange與InterOp。而作為三維CAD另一個非常重要的組件幾何約束器，幾乎都是西門子收購的D-Cube公司DCM的天下。
圖3 CAX軟件的外圍供應商
（By Vincent LU）
組件是構建CAX軟件的基礎，在行業中，即使包括工業軟件巨頭，也不會所有的組件和產品都自己來做，這是產業發展成熟度的標志，正如特斯拉不會整車和零部件都靠自己來造。而組件是一個在不斷發展的產業鏈，隨著新技術的到來，產業鏈中會發展出不同的組件。組件最大的一個特點，它是某一類技術的集合，由點發展到線，再發展到面。學術層面主要是到點的層次或者線的層次，而要組件化，則還需要有一個產業化的過程，通過產業化與商業化的結合，通過不斷的完善，帶動組件發展起來。
這種以組件形式存在的軟件供應鏈，就是為了成本，提高效率。當然，在當今的環境下，也可能會成為一種危險的軟件供應鏈的封鎖術。
發展的形態
工業軟件最大的工程量與最核心的競爭力主要是在應用層，用戶很少會關心用哪些內核，哪些組件。用戶最關心的是，有哪些針對性的功能模塊，是否好用。而對于中國工業軟件廠商，要選擇突破口，需要有一個理性的判斷。
組件產業的發展，不僅僅是在商業模式上，在產品開發的成本上都具有產業發展的特點，它直接影響其產品對應用層的延伸能力、性能、穩定性、健壯性。但是它與行業應用場景（應用層）不會直接產生關系，中間還有應用層的功能，應用層與用戶行業相關，所以需要通過大量的時間與用戶交互，才能完善其功能。在這里還是以MCAD軟件為例，目前國際上最主要的MCAD主流軟件（面對中小型市場），差不多有40個模塊左右，一款高端MCAD軟件，差不多有150個模塊左右。其中實體建模、曲面、裝配等為基本模塊，而鈑金、焊件、管路、模具等等為行業的應用層，后面還其他擴展模塊，比如渲染、工業設計、高級曲面、公差分析等。
應用層因為其與行業相關性非常高，可以做出垂直的特點，因此也成為工業軟件真正百花齊放的地方。與此相反，通用型CAD/CAE的發展窗口，正在越來越狹小，后來者的機會越來越少。通用軟件正在以平臺化的方式快速發展。某國外CAD軟件公司生態合作伙伴分類，有520多個第三方應用層模塊，并且把全球與其合作的生態合作伙伴分為11大類，每一大類中還分成若干小類，幾乎覆蓋基于MCAD的CAD領域全球所有的第三方應用層模塊公司。
這些公司產品通常分為兩種形式，一種是有自己獨立的圖形用戶界面GUI，獨立進行銷售。還有一種方式，就是作為模塊的插件，使用其他載體產品的GUI，通常會針對數個同類產品進行開發，借用后者成熟的渠道進入市場。這是更加隱形的軟件模塊。
圖4 某國外CAD軟件公司生態合作伙伴分類
By Vincent LU
從應用生態公司的發展路線來看，這些公司通常最終的宿命會被那些大公司收購，這個方面可以通過前端章節中看到各大公司的收購史，其中很大一部分公司在沒有收購之前是以這些公司的插件形式進入市場，甚至有些軟件都放棄自己的獨立GUI方式開發，直接基于某款載體軟件如MCAD或者CAE軟件進行開發。
目前國際上知名的工業軟件公司，主要投入放在應用層的開發與收購上。從主要工業軟件公司的規模與收入、成立時間與人員投入來看，MCAD類的公司，規模是屬于第一梯隊的；CAE類公司規模屬于第二梯隊；絕大部分CAM類公司與其他模塊屬于第三梯隊類的公司。
圖5 部分公司成立時間與人員
By Vincent LU
小記：大魚和蝦米的故事
正是由于工業軟件的組裝特性，產生了大量精于做各種組件的公司。這些豐富的小魚生態，圍繞大魚的發展，從而讓工業軟件這個行業成為一個繁忙的并購王國。
對于中國的發展而言，如果上來就盯著第一梯隊或者第二梯隊的佼佼者直接追趕，其實是很難有勝算的機會。因此走垂直行業的特色路線，才會有更好的商業潛力。而與此同時，真要建立一套獨立可控的工業軟件體系，必須同步培養一個豐富的組件生態，這才符合工業軟件的裝配特性。忙于扶持一家大的頭部公司，而不考慮軟件供應鏈的微生態，國產工業軟件是很難發展壯大起來。