摘要：工业软件是工业制造的“大脑和神经”，大力发展工业软件，推动核心工业软件自主可控，是中国建设“制造强国”的必由之路和提升产业国际竞争力的重要抓手。通过构建工业软件产业链全景图，分上游、中游和下游分析了工业软件产业链的构成。当前，全球工业软件产业生态系统呈现出寡头垄断市场格局，上下游之间密切嵌合，智能化、云化、集成化发展态势明显，行业巨头通过并购称霸全球，国家参与度高等特征。中国工业软件产业仍然处于劣势，表现为电子设计自动化行业市场规模增速快于全球，但外资企业占绝对优势地位；本土电子设计自动化厂商竞争力有所增强，但与国际巨头相比差距仍然巨大；工业软件产业规模虽保持中高速增长，但占全球比重仍然较低；国内市场被外资企业主导，部分细分行业产品严重依赖进口等。为解决中国工业软件产业竞争力偏弱的问题，提出组织力量进行技术攻关、完善投融资机制、培育产业生态系统、重视人才培养和人才引进等对策建议。
关键词：工业软件；产业链；产业生态；产业竞争力；工业制造；工业互联网
基金：中国社会科学院大学新文科建设支持计划（2020-KYLX04-21）；中国社会科学院产业与区域发展智库基础研究项目（2020G04）；中国社会科学院登峰战略优势学科（产业经济学）项目。
借鉴自然界的生态系统概念，产业生态系统是指影响产业发展的诸要素及其相互作用关系，包括产业内企业成员及其相互关系、产业链上下游关系、产业发展的配套支持条件（公共服务体系、产业政策与竞争政策、社会经济文化条件等）。产业生态系统包括但不限于产业链，有着比产业链更加丰富的内容。本文分析了工业软件产业链的构成，概括了全球工业软件产业生态系统的特征，并对中国工业软件产业竞争力及其偏弱的原因进行了分析，最后对提高中国工业软件产业竞争力、增强自主可控能力提出了对策建议。
一、工业软件产业链
工业软件产业链可分为上游、中游和下游三个环节。工业软件产业链全景如图1所示，上游主要是为工业软件产品制造提供基础服务的软硬件，如计算机设备、操作系统、开发工具和中间件。中游主要包括研发设计软件、生产控制软件、业务管理软件及嵌入式软件。其中，研发设计类软件主要应用于设计环节，是数字化研发创新的主要工具，能够提升产品开发效率、降低开发成本、提高产品质量；生产控制类软件主要应用于产品生产过程，帮助企业提高制造过程的管控水平，改善生产设备的效率和利用率；业务管理类软件主要用于提升企业的管理治理水平和运营效率；嵌入式软件是基于嵌入式系统设计的软件，用于实现其他设备的控制、监视、管理等功能。在下游应用方面，工业软件广泛应用于机械装备、汽车制造、能源电力、航空航天、工业通信和安防电子等领域与环节中。
图1工业软件产业链全景
目前，在我国市场中，工业软件产业链上游及中游占据主导地位的是国外厂商，如上游的苹果、微软，中游的SAP、西门子，这些企业通过频繁横向扩展和纵向积累，拥有最尖端的人才、科技与创新资源，控制着整个生态系统。近年来，随着成本优势发挥与人才资源汇集，我国工业软件企业在部分领域已获得较高的市场份额，通过加大研发投入逐步在产业链的中高端占有一席之地，如业务管理类软件的用友网络和金蝶软件，在产业链中初步获得了话语权。在产业链下游环节，基于数字化模型，我国工业软件已经发展出满足各专业应用领域需求的工业手机软件，发展前景可期。
基于产品用途，工业软件可划分为研发设计软件、生产控制软件、业务管理软件和嵌入式软件[1]。由于我国过去的工业数字化路径偏向于“重硬轻软”，而嵌入式软件大多与硬件集成销售，因此从销售额来看，嵌入式工业软件市场规模最大，接近千亿元；排在第二位和第三位的生产控制类及业务管理类工业软件受益于工业自动化、企业数字化升级，过去几年实现了较快发展；而研发设计类软件受到国内软件行业环境等的影响，目前市场份额最小，成为工业4.0时代我国产业结构转型升级的重点和难点。主要核心工业软件产品类型、应用领域、国内外代表性企业见表1。位于产业链中游研发设计环节的核心工业软件主要包括CAD、CAE、CAM、PLM、EDA等。其中，EDA由CAD、CAE、CAM等概念发展而来，是最重要的集成电路软件设计工具，EDA软件水平代表了一国电子产品的设计能力[2]。借助EDA，以计算机辅助的工业软件来替代人脑计算，可自动完成对目标芯片的逻辑编译、简化、分割、综合、布线和仿真，产品合格率大大提高，平均成本显著下降。
表1主要核心工业软件产品及代表性企业
注：笔者根据公开资料整理。
二、全球工业软件产业生态系统特征
作为产业链条中各类参与者、产业发展的支撑因素与外部环境等构成的多维系统，产业生态系统影响着各主体的行为方式和有机联系。当前，全球工业软件产业生态系统呈现出寡头垄断市场格局，上下游之间密切嵌合，智能化、云化、集成化发展态势明显，行业巨头通过并购称霸全球，国家参与度高等特征。
（一）寡头垄断市场格局
寡头垄断市场结构主要来自三方面。一是技术本身的门槛高。由于集成电路产业经过半个多世纪的高速发展，其设计和生产复杂程度空前提高，一个高端芯片，动辄包含上百亿晶体管，如何让计算机高效准确地求解这些复杂问题，形成了一个个实在的技术壁垒。不仅如此，核心工业软件种类众多、流程复杂，大多厂商只能生产部分点工具，即使行业巨头通过不断并购重组、补齐产品，形成了自己的优势领域，也很难做到全链通吃。二是市场容量的壁垒。电子信息产业中越前端的产业规模越小，越后端的规模越大，核心工业软件处于产业前端，其市场容量很大程度上限制了后来竞争者。三是锁定效应与用户黏性形成壁垒。从客户端来讲，用户从成熟的核心工业软件切换到新的软件工具要付出较高的学习成本，因此核心工业软件的使用存在用户黏性。可想而知，在这样一个市场容量不大，存在较高技术壁垒和产品用户黏性且被成熟公司垄断的领域，其他竞争者反超的可能性微乎其微。
（二）上下游之间相互嵌合的生态网
工业软件产业链的正常运行要求实现上下游软件之间的匹配与兼容，受这一特征影响，不仅要求工业软件企业的自身产品覆盖从设计到封装使用的全流程工具链，而且要求与上游软硬件设备供应商、下游应用需求方形成较为稳固的产销关系，这种密切嵌合的关系网日益成为工业软件产业的发展常态。在工业软件上下游相互嵌合的生态网中，新产品、新工艺相互促进、互为一体、滚动发展，使得生态网外的竞争者更难跻身产业链的某一环，实现反超。
（三）智能化、云化、集成化发展态势
以EDA软件为例，人工智能将在EDA中扮演更重要的角色，促进智能化发展。一方面，芯片设计基础数据规模的增加与系统运算能力的阶跃式上升为人工智能技术在EDA领域的应用提供了新的契机，通过AI算法可以帮助客户设计达到最优化的PPA目标（功耗、性能和面积），开发针对具体环节或场景的定制化工具与性能更高的终端产品；另一方面，利用人工智能技术可以更智能化地进行判断，帮助设计师精准决策，降低芯片设计门槛，缩短设计周期，提升EDA工具效率。
云化指的是云技术将更多应用于EDA领域。利用“云计算+EDA”模式，在线提供EDA工具和软件，不仅能够使设计工作摆脱物理环境制约，还能避免设计企业因计算资源不足、流程管理等问题带来的研发风险，保障企业研发生产效率；通过EDA云化，可以为客户提供混合云、公有云等环境服务，提供模块可选、弹性算力、高可靠性的工具服务；此外，EDA云平台能有效降低企业在服务器配置和维护等基础设施方面的费用，降低客户资本支出。
集成化就是通过将不同元器件用封装等形式集成到更高层次，从而提供更强的性能。EDA软件可以在芯片设计早期进行系统集成，建立裸片—封装—PCB—系统的闭环建模和分析流程，推动复杂功能设计的异构集成，为整个系统提供设计和验证工具[3]。
（四）并购是行业巨头称霸全球的重要手段
国外工业软件巨头绝大多数经历了多次并购重组而得以发展壮大，这也是其之所以能够为客户提供完整产品系统能力的主要原因。如新思科技通过大量并购，形成从设计前端到后端的完整生产能力与技术，满足客户差异化诉求，自1990年首次并购以来，公司已并购总计超百起，产品线得到持续补强。2021年，公司并购步伐还在加速，收购了10~800G数据速率以太网控制器IP公司MorethanIP，使公司IP产品组合得到进一步扩充，将为客户提供面向网络、AI和云计算片上系统（SoC）的低延迟、高性能全线以太网IP解决方案。Dassault公司在大量收购后往往推出对应的产品品牌，扩充自身产品线，在PLM、CAD、CAE、工业仿真技术、平台打造等方面均积累了优势，能够支持从项目前阶段、具体设计、分析模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程，工业软件产品功能强大、市场份额领先、客户基础广泛，成为工业软件巨头（见表2）。
表2Dassault公司收购历程
（五）国家参与度高
21世纪以来，欧美发达国家将工业软件发展上升为国家战略，出台了一系列政策措施重点扶持。2009年，美国竞争力委员会发布《美国制造业——依靠建模和模拟保持全球领导地位》白皮书，将建模、模拟等高性能计算视为维系制造业竞争力的重要支撑；2011年，美国推出高端制造合作伙伴计划AMP，重点发展围绕数值模拟技术的软件工具和应用平台；2020年7月，美国工业互联网联盟首次发布《工业数字化转型白皮书》，认为云计算、物联网、超链接等关键技术与高效的创新流程是企业数字化转型的重要驱动因素；2021年4月，拜登宣布1800亿美元规模的科技研发计划，重点支持量子计算、人工智能、先进半导体制造等前沿领域发展。此外，德国政府出台《高技术战略2020》《信息通讯技术2020》等政策措施，鼓励工业软件产业发展与项目创新；法国政府将工业软件研发课题列为国家关键技术项目，并积极参与欧盟框架下的信息科技计划（IST）和尤里卡框架下的ITEA计划。
日本和韩国在信息技术产业领域各具优势，近年来也加入到大力支持工业软件发展行列。日本发布2021年《制造业白皮书》，推动企业深化数字化转型；2020年7月，韩国政府发布“材料，零部件和设备2.0战略”，意在大幅扩充关键战略产品的供应链管理，打造尖端产业世界强国。
随着中美贸易摩擦加剧，美国对我国采取限购措施，限制芯片、工业软件、设备器件、技术服务等的对华出口，对国内工业生产造成较大影响。特别是我国EDA等核心工业软件依旧主要依靠进口，如果境外厂商因美国政府限购而停止对我国EDA供货和技术支持，国内关键领域的工业生产可能受到严重影响。
随着国内智能制造产业的快速发展和国际环境的变化，我国对发展核心工业软件越来越重视，支持力度越来越大。近年来，相继出台了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》（国发〔2020〕8号）、《工业互联网创新发展行动计划（2021—2023年）》（工信部信管〔2020〕197号）、《关于加快推动制造服务业高质量发展的意见》（发改产业〔2021〕372号）等政策文件，均提出要加快发展工业芯片、工业软件、工业互联网，大力培育工业软件企业及产业生态。
三、中国工业软件产业竞争力
近年来，我国工业软件产业展露生机，在扩大产业规模、点工具研发等方面取得了一定成绩，但与国际先进水平相比，在市场规模、细分产品、进出口情况、代表性企业市场份额及产品等方面的竞争力仍存在不小差距。
（一）中国工业软件产业规模虽保持中高速增长，但占全球比重仍然较低
近年来，随着智能制造、工业互联网等政策利好持续释放，我国工业软件市场规模基本保持中高速增长。2016—2020年，工业软件产品收入从1078亿元上升到2020年的1974亿元，年均增长16.3%；工信部“软件业经济运行情况”显示，2021年1—7月，我国工业软件产品收入达1273亿元，同比增长17.0%2，表明我国工业软件领域正向扩大产业规模、驱动工业智能化、推进国产替代等方向迈进（见图2）。现阶段，全国150家自主研发的工业软件企业中，95%的企业营收规模不足5000万元3，工业软件小而散的现象比较突出。
据高德纳（Gartner）数据统计，2020年全球工业软件市场规模约为4332亿美元4，约合人民币2.8万亿元，2020年我国工业软件产品实现收入1974亿元5，仅占全球份额的7%，表明我国工业软件实力偏弱。
图22016—2021年中国工业软件产品收入
（二）国内市场被外资企业主导，部分细分行业产品严重依赖进口
《中国工业软件产业白皮书（2020）》显示，在国内市场上，很多工业软件细分领域都是国外企业产品占据主导地位。国内市场前十大供应商中，我国企业均不足半数。从CAE、CAD、PLM、SCM等细分领域来看，在CAE领域，中外企业数比是0∶10；在CAD领域，中外企业数量比是3∶7；在PLM领域，中外企业数量比是2∶8；在SCM领域，中外企业数量比是4∶6。尽管在MES和ERP领域，中外企业数量比达到7∶3，但是在其高端市场部分仍由外国企业产品所垄断，如以Siemens、Dassault、SAP、Oracle等企业产品为主。甚至有调研发现，国内有些用户企业在创建初期使用国产ERP软件，但当企业发展到一定规模时，因国产软件功能难以支撑业务需求，转而将国产ERP软件替换成SAP的产品，出现了“逆国产化”现象。
对30余家知名工业软件供给侧企业和28家头部工业软件需求侧企业的调研结果显示，95%的研发设计类工业软件依赖进口，国产可用的研发设计类产品主要应用于工业机理简单、系统功能行业复杂度低的领域。生产控制类工业软件相对较好，国内企业产品国内市场占有率可以达到50%，但在高端市场中不占优势。总体而言，国内市场上，我国工业软件中只有ERP、CAD、CAE、CAPP的渗透率超过了50%，其他工业软件的渗透率大多低于30%，外资企业产品占主导状况的形势仍然比较严峻6。
（三）我国EDA行业市场规模增速快于全球，但外资企业占绝对优势地位
电子系统设计联盟（ESDAlliance）数据显示，2020年全球EDA市场规模达114.7亿美元，同比增长11.6%，2015—2020年年均复合增长率为8.03%，EDA软件行业在全球市场中的重要性日益突出7。受下游集成电路市场需求拉动，我国EDA行业市场规模不断增长，2015—2020年年均复合增长率高达13.82％；国内EDA企业数量多年持续增长，现已有近30家本土EDA企业，市场参与度有所提升。但国内EDA市场规模尚不足10亿美元，在全球EDA市场规模中占比较小（见图3）。整体来看，我国市场EDA行业集中度高，主要由美国Synopsys、美国Cadence和德国MentorGraphics（2016年为西门子收购）三家厂商垄断，占国内市场份额的77.7%（此三家占全球市场份额达到60%以上），留给华大九天、芯禾科技、广立微等本土EDA厂商的市场份额较少（见图4）。
图32016—2020年EDA市场规模及增速比较
图42020年我国EDA行业市场份额
（四）本土EDA厂商竞争力有所增强，但与国际巨头相比差距仍然巨大
近年来，我国EDA厂商在细分领域逐步实现突破，如在仿真端，华大九天和概伦电子实力强劲；在后端，芯禾半导体具有较完整的解决方案和竞争力；广立微在良率优化端的软件和测试机、博达微在数据端的快速参数测试方案等达到较高水平。受益于在细分领域的产品突破，我国本土EDA厂商竞争力有所增强[4]。
尽管如此，国内EDA厂商在全球产业链中仍然缺乏竞争力。一方面，我国EDA厂商以提供点工具为主，在产品完整性、集成度等方面仍与发达国家跨国公司有较大差距，仅有华大九天一家可以提供面板和模拟集成电路全流程设计平台，其他厂商只能提供某领域内的部分工具，而发达国家跨国公司经过一系列并购，基本打通了EDA全流程工具链，能够覆盖全领域的设计需求（见表3）；另一方面，我国自主研发的工业软件产品大多集中于产业链中低端领域，同行业内产品竞争力相对较高，但针对高端产品及部分核心工业软件的研发生产，我国产品竞争力水平则明显不足。相比之下，国内核心工业软件企业还需要进一步加快研发覆盖全领域的设计平台，争取在产业链高端环节实现突破。
EDA软件还只是工业软件中的冰山一角，和EDA面临相同困境的还有三维CAD、CAE、CAM、PLM、MES等核心工业软件，以汽车制造、航空航天为代表的高端装备制造业基本都被法国达索CATIA、德国西门子UGNX、美国PTC等产品垄断。由此可见我国自主工业软件之殇，发展自主工业软件体系刻不容缓。
表3国内外主要EDA企业情况
四、中国工业软件产业竞争力偏弱原因
上述分析表明，与发达国家相比，我国工业软件产业整体呈“小、散、差”的发展局面，国内企业市场份额小，产业链不完整，技术水平相对落后，离自主可控距离还比较远。
（一）技术积累不足，产业基础薄弱
工业软件是信息技术和工业技术融合发展的产物，核心工业软件产业的发展需要长期积累。欧美工业经历几百年发展，完成了三次工业革命，在实践中充分试错、总结经验，其工业软件产业无论从市场规模还是知识和人才储备上均具有优势。而我国工业化起步晚，工业信息化经验积累更加薄弱，远远没有国外工业软件的经历丰富。国外工业软件巨头之所以强大，原因之一就在于积累了几十年甚至上百年工业生产的关键技术、流程、知识、工艺和数据，形成了扎实的工业数据知识库，具备最重要、最核心、最底层的支撑。而这些对于我国企业而言，都还相当薄弱。为此，国内工业软件企业要追赶国际巨头，必须沉下心苦练内功，夯实底层技术积累和产业基础。
（二）研发投入不足，融资能力偏弱
（三）用户依赖国际巨头产品，国内产业生态亟待优化
长期以来，国内工业软件市场被国际巨头所垄断，由于软件产品使用习惯黏性，国内用户形成了对供给巨头产品的依赖。这种依赖导致国内旺盛的用户需求很大程度上推动了国际工业软件巨头产品优化发展，而不是本土企业工业软件的发展。工业软件就是要不断解决自身缺陷，不断迭代，才能保证软件的活力。比如，达索的系统，许多国内用户天天用，不断反馈需求，迭代自然就很快。只有经过不断开发、反馈、升级这样循环上升的过程，工业软件的技术水平与市场竞争力才能有效提高。相比之下，国内工业软件使用用户少，产品缺乏用户反馈，导致产品优化和迭代升级状况不太理想。当前，外资企业垄断了大多数的国内头部客户，在核心技术、产品成熟度和营销渠道的完善程度上，导致国内厂商难以同外资企业竞争。
（四）人才短缺，人才流失问题严重
人才是根本，强大的人力资本是支持工业软件持续发展的基石。以EDA为例，有数据表明，仅新思科技一家企业就在美洲雇佣了5000多名工人，其中80%是工程师9。然而，我国在高端技术领域的专业人才相对缺乏，工业软件领域的人才缺口尤甚。首先是因为从事工业软件要求既要懂工业又要懂软件，这种复合型性人才培养难度大、培养周期长。工业软件是一个跨学科的应用方向，涉及数学、信息技术、机械、电气传动与控制等多领域的知识，在工业软件设计和研发过程中，需要既懂信息化又懂工业机理的复合型人才。而现实情况是，绝大部分高校在专业设置领域有偏差，没有工业软件专业，培养的软件人才基本都是计算机工程、软件工程专业，缺乏工业基础。工厂的业务人员懂工业制造，却不懂软件设计。此外，工业软件人才流失严重。据调查，工业软件行业刚毕业的硕士研究生的年薪在12~15万元之间，工作七八年的开发人员年收入也仅能达到20万元，可一些互联网、游戏公司轻易就能用数倍年薪挖人，导致工业软件行业人才流失问题更加严重。
五、对策建议
当前，在全球工业软件产业蓬勃发展的大势下，我国应把握时代脉搏，积极推进工业软件领域自主可控，从技术攻关、投融资支持、生态培育、人才培养四个方面发力，推动我国工业软件产业发展水平更上新台阶。
（一）组织力量进行技术攻关，夯实产业基础
要提高我国工业软件自主可控能力和增强其国际竞争力，需要脚踏实地、苦练内功，逐步补齐产业基础薄弱短板。当前，应发挥我国“新型举国体制”优越性，组织力量进行技术攻关，加速工业技术软件化进程。一是支持制造业创新中心、国家工程技术研究中心等创新平台，将工业软件作为创新发展重点工作和工程。二是加快建设工业知识数据库，将工业技术领域的专家经验、工艺流程、核心参数等知识沉淀下来，变个别知识经验为集体知识财富，从源头上增强国产工业软件的竞争优势。三是推动产业数字化发展，建设和推广工业互联网平台，提高企业软件化水平，开展百万工业手机软件培育行动等。四是整合国内“产—学—研—用”优势力量，加强计算数学、并行算法等基础理论研究，推进三维几何建模引擎、求解器等关键共性技术联合攻关。五是以应用为牵引，采取“产—学—研—用”协同攻关模式，促进学术界、工业界与工业软件企业多方协作，着力推动工业龙头企业与国产工业软件企业结对子。六是推进工业软件企业与工业企业、军工企业的战略合作，通过并购股权、投资成立合资公司等，形成互利共同体，面向特定需求开展技术研发。
（二）完善投融资机制，强化资本市场对工业软件企业的支持
（三）培育产业生态系统，增强国内用户使用国产工业软件的信心
基于良好的产业生态系统，用户企业购买到的不仅仅是工业软件本身，还可以借鉴行业最佳实践、知识和经验。为此，工业软件企业要更好地把握客户需求，持续改进产品和服务，形成新的盈利模式，实现生态系统的良性循环。一是研究出台软件“首版次”政策，及时出台鼓励国内用户使用国产工业软件保险补贴、应用奖补等政策，提高国内用户使用国产工业软件的积极性，推动国产软件在各行业应用。二是强化知识产权保护。加强知识产权保护、打击盗版等违法行为，建立起工业软件企业通过提供软件服务即能获得持续收入的制度基础。三是完善工业软件标准体系建设。开展工业软件测试评价，为国产工业软件进入国家目录提供测试评估，增强对高端工业软件核心技术、关键算法的评价能力，形成具有创新性和广泛应用性的测试评估支撑平台。四是丰富国内应用场景，拓展国产工业软件在更多领域应用。大力推动国内工业软件在机械、电子、船舶、航空航天、汽车、轨道交通等重点领域示范应用，促进一批重大项目立项和建设，系统总结一批优秀行业解决方案，在全行业推广应用。
（四）高度重视人才培养和人才引进，完善人才使用激励约束机制
参考文献
[2]俞慧友.核心工业软件：智能制造的中国无人区[N].科技日报,2018-05-17(2).
[3]刘丽辉.工业软件：在智能制造中智慧前行[N].人民邮电报,2016-12-05(6).
[4]蔡恩泽.中国EDA产业突围之路[J].产权导刊,2021(3):5-7.
[5]王健君,余蕊,宫超.工业软件之忧[J].瞭望,2019(47):28-34.