编者按：
2022年11月20日，《中国标准化》杂志的“学术研究”专栏刊登了杨春晖等作者共同完成的论文，题目为《工业软件标准体系构建研究》。本文以国内外工业软件及标准化现状为切入点，探讨我国工业软件标准化需求，并从通用基础、产品标准、测试验证、系统集成和行业应用五个维度，深入研究构建工业软件标准体系的方法。旨在为工业软件标准研制提供指导，解决标准体系缺失、标准分散等关键问题，充分展现标准在促进国产工业软件体系化发展、提升质量、推广应用和生态建设中的关键作用，为我国制造业数字化转型提供有力方法和手段。
工业软件标准体系构建研究
该研究由杨春晖、于敏、林军等人共同完成，发表在2022年第21期《中国标准化》杂志上，具体页码为42至50页。
1 引言
工业软件这类软件，主要应用于工业领域，旨在提升工业企业的研发、制造和管理能力，以及增强工业装备的性能。作为新一代信息技术的核心，软件构成了支撑国民经济和社会全方位发展的基础性、战略性产业。当前，全球工业正处于新旧动能快速转换的关键时期，工业软件已深入并广泛运用于几乎所有工业领域的核心部分，成为现代工业的“灵魂”。因此，在工业软件的功能性、性能与效率、可靠性、安全性、兼容性以及数据互联互通等方面，设定了极高的标准。构建一个自主创新能力持续增强、产业规模持续扩张的工业软件产业体系，对于推动工业产品的创新进步、保障产业安全、提升我国整体技术和综合国力，具有极其关键的作用，同时也对促进国民经济的持续健康和社会的稳定发展具有重大意义。
经济活动与社会发展的技术保障，构成了国家基础性制度的关键组成部分。在推动国家治理体系和治理能力现代化的进程中，标准化扮演着根本性和导向性的角色。作为技术和工程实践的承载工具，标准在改善企业内部管理、促进产业链上下游的衔接、减少开发与运营成本、构建良好的产业环境以及增强行业整体竞争力等方面，具有不可替代的作用。2011年，国务院颁布了《关于进一步促进软件产业与集成电路产业发展的相关政策》（国发〔2011〕4号文件）。该政策着重指出，需紧密围绕培育战略性新兴产业的核心目标，特别加大对工业软件研发和关键技术标准制定的扶持力度。此举旨在为工业软件产业的迅猛发展创造有利条件，明确其前进方向，并为进一步推进配套工业软件的标准化工作打下了坚实基础。2020年，国务院发布了《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号文件），该文件进一步凸显了对于“工业软件”领域关键核心技术的研发应给予重视，并持续寻求在社会主义市场经济体制下，形成一种新的全国性关键核心技术攻关机制。在新时代背景下，为了推动高质量发展和全面建设社会主义现代化国家，迫切需要我们强化标准化工作。因此，在推进工业软件产业发展的过程中，构建和完善工业软件的标准体系显得尤为关键。我们必须将标准化工作视为一项重要举措和核心切入点，以此作为支撑和保障，确保工业软件产业的持续健康发展。
2 国产工业软件标准化需求
2.1 工业软件概述
工业体系涵盖采矿业、制造业、原材料及能源等四大核心行业。在我国，工业分类体系庞杂，包括41个工业大类、207个工业中类以及666个工业小类，门类之全，构筑了一个独立且完整的现代工业体系。工业门类繁多，由此衍生出的工业软件种类极为丰富，其分类方法亦呈现多样化趋势。例如，依据国标GB/T 36475-2018《软件产品分类》，工业软件（F类）被细分为工业产品线、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机集成制造系统、工业仿真、可编程逻辑控制器（PLC）、产品生命周期管理（PLM）、产品数据管理（PDM）以及其他工业软件共九个类别；此外，在2019年11月，国家统计局批准并由工信部发布的《软件和信息技术服务业统计调查制度》中，工业软件又被进一步划分为产品研发设计类软件、生产控制类软件以及业务管理类软件三大类。工业软件通常可依据产品生命周期的不同阶段或环节，大致分为研发设计软件、生产制造软件、运行保障软件以及经营管理软件等几类，这种分类方式在业界较为普遍。本文在构建工业软件标准体系时，也将借鉴这一分类方法。具体来说，研发设计软件主要用于电子计算机及其外围设备，帮助工程技术人员进行产品设计和制造，从而提高开发效率、降低成本、缩短周期、提升质量，涵盖计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、电子设计自动化（EDA）、计算机辅助工艺规划（CAPP）、产品数据管理（PDM）/产品生命周期管理（PLM）、基于模型的系统工程（MBSE）以及六性（可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性、环境适应性）等方面。值得注意的是，MBSE和六性技术涉及产品整个生命周期，但鉴于目前它们更多应用于研发设计阶段，因此将其归类于研发设计软件；生产制造软件主要负责在工业产品生产和制造过程中进行数据采集、分析、决策和管理等工作，包括计算机辅助制造（CAM）、分布式控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）、制造执行系统（MES）、数据采集与监视控制系统（SCADA）等；运行保障软件主要用于工业品使用过程中的状态监测、故障诊断、健康管理、维护维修等方面，主要包括故障预测与健康管理（PHM）、交互式电子技术手册（IETM）、维护维修运行管理（MRO）等；而经营管理软件主要包括供应链管理（SCM）、企业资源计划（ERP）、客户关系管理（CRM）、人力资源管理（HRM）等，旨在提升工业企业的生产管理水平，提高产品质量和客户满意度，进而提升整个产品价值链的附加值。本文所讨论的研发设计软件、生产制造软件、运行保障软件以及经营管理软件，是对交互式工业软件的一种分类方法。这些交互式工业软件，主要应用于复杂工业产品的设计及开发。然而，若缺少嵌入式工业软件，复杂工业产品的生产与运行将无法实现。因此，在探讨工业软件时，我们还需将嵌入式工业软件纳入考量，因为这也是工业软件不可或缺的一部分。
工业软件的起源可追溯至欧洲，观察全球工业软件市场的现状，美欧企业占据着领导地位，引领着技术进步和产业发展的趋势。例如，在研发设计软件领域，主要由法国的达索系统集团、德国的西门子工业软件股份有限公司以及美国的ANSYS股份有限公司等企业主导；而在生产控制软件的高端市场，主要由西门子工业软件股份有限公司、日本的欧姆龙集团以及美国的霍尼韦尔国际公司等企业掌握；至于经营管理软件的高端市场，则主要由德国的思爱普公司和美国的甲骨文股份有限公司等企业占据。我国工业软件领域近几年来实现了显著的发展，然而与欧美国家相比，仍存在一定的差距。总体来看，我们可以用“管理软件较为强势，而工程软件相对较弱；低端软件数量较多，高端软件却相对较少”这样的描述来概括其现状。总体而言，首先，工业软件与制造业的结合不够紧密，导致其发展水平未能满足企业需求，产品在成熟度、适用性、稳定性和兼容性方面存在不足，这严重影响了制造企业用户对国内产品的认可度和信心；其次，我国正处于工业化进程中，尚未完成工业化任务，工业软件在发展上缺乏工业技术的积累；再者，我国工业软件面临关键核心技术依赖他人、产品体系化发展能力不足等问题，特别是由于标准体系不健全、标准分散，导致数据格式不统一、接口不兼容等问题尤为突出，因此迫切需要开展工业软件的标准化工作。
2.2国产工业软件标准化需求分析
工业软件是对工业技术、知识及流程进行程序化封装和重复利用的工具，它既具有工业特性又具备软件特性，构成了工业数字化的关键支柱。作为工业技术与软件技术相结合的成果，工业软件在需求、知识与应用等多个层面高度依赖于繁复的工业技术体系。因此，其标准化工作必须全面涵盖众多工业领域，从而全面而系统地展现工业技术的特性。我国工业软件领域面临诸多问题，这些问题主要源于标准体系的缺失和标准的分散。这些问题具体表现为数据格式的不一致、接口的互不兼容、核心技术的依赖性以及体系化发展能力的欠缺。以下是对具体原因的详细分析：
我国工业软件领域面临数据格式和接口规范等标准的缺失，这一现象使得工业软件间的数据共享变得尤为困难。目前，由于缺乏统一的数据格式和接口标准，工业软件产品在数据格式上存在差异，接口不兼容，数据互联互通的问题愈发凸显。不完全的统计数据显示，全球及国内的工业软件产品种类超过两万种，种类繁多，涉及的主要数据格式种类更是超过五百种，这些格式不仅数量众多，而且彼此间的差异显著，缺乏统一的标准格式。不同工业软件产品间、由不同企业开发的同类软件间，以及同一企业内部相同软件的不同版本间，数据格式往往难以相互匹配，这导致了数据流通的障碍。这种现象不仅形成了众多数据孤岛和信息烟囱，还严重影响了不同产业及产业链上下游企业间的资源配置效率。因此，数据要素的价值难以得到充分释放，这成为了阻碍传统制造业实现数字化转型的关键难题。
其次，国际上的工业软件巨头通过确立事实性规范构筑技术障碍，导致市场独占和生态封闭，其中核心和关键技术标准的瓶颈问题尤为明显。目前，一些工业软件的领军企业为了增强自身在生态系统中的主导地位，各自确立了本行业的标准规范，旨在提高工业用户对其产品的依赖性，进而培育出各自的封闭生态系统。我国虽具备健全的工业体系和众多工业软件应用场景的优势，然而在工业软件的关键技术和核心产品领域，却缺少相应的标准规范。目前实施的一些工业软件国际标准，主要是基于ISO的通用基础标准以及主流软件的专用事实标准，它们主要涵盖部分数据格式和文档规范，而这些标准多由国外工业软件巨头主导制定，而核心关键技术标准则并未对外公开。若我国工业软件在发展过程中仅能被动地依照国外标准，那么核心关键技术的标准不完善所导致的“卡脖子”问题将会对我国的工业软件体系化发展造成严重制约。
第三，我国工业软件领域的标准种类相对匮乏，无法充分满足构建工业软件体系的需求。当前，与工业软件紧密相关的标准不仅数量有限，而且分布在不同标准化机构中，其在全面性、系统性、实用性等方面与工业软件行业的实际发展需求存在较大差距。我国在工业软件关键技术的标准化方面已建立起一定的基础，并出台了相关的过程和方法标准。然而，我们仍需完善通用基础、产品、测试验证、系统集成以及行业应用等方面的标准。特别是，工业软件标准化工作的顶层设计和整体规划尚显不足，导致标准化工作缺乏统一的推进机制，这对技术创新与产业化应用的协同发展造成了不利影响。
因此，随着我国工业软件产业的迅猛增长，对相关标准化工作的需求变得尤为迫切，这一需求主要体现在以下三个方面：
首先，工业软件技术的迅猛发展催生了标准制定与更新的迫切需求。在我国已颁布的相关国家标准中，尽管与制造业相关的技术产品文件、工业数据交换以及软件工程等领域较为活跃，但针对工业软件的通用基础、产品、测试验证及行业应用等方面的标准，却远远无法满足当前技术和产业快速发展的要求。需紧密贴合当前技术革新的实际情况，迅速推进先进且适用的标准制定工作，不断提升标准的技术含量和国际化水平，以适应工业软件产业迅猛发展的迫切需求。
二是以数据和接口格式标准打通工业软件烟囱式信息孤岛。当前，我国工业软件的数据和接口格式标准化水平较低，众多国内软件研发企业、高等院校以及研究机构研发出了众多特色鲜明的工业软件，例如CAE核心求解工具等。然而，这些软件普遍采用自定义或与国外某款软件接口转换的数据接口模式，这导致了不同求解器间数据不兼容，以及不同企业间数据共享的难题。在复杂产品的研发过程中，无法实现不同专业领域从上至下的自动迭代，这极大地影响了产品的研发效率。因此，必须充分运用标准的力量，构建统一的工业软件产品数据格式规范以及产品接口规范等，这样有助于消除工业软件之间的信息壁垒，促进全生命周期各环节的业务与数据的深度结合，进而有力地推动我国工业软件的研发与应用。
三是，以应用为导向的标准需求迫切需要得到满足。目前，我们实行的标准体系主要参照ISO和IEC的标准，且多数是针对工业流程和方法的标准。在当前复杂多变的应用市场中，我们亟需提升产品关键技术以及典型应用等方面的标准供应能力。以CAE软件为例，国内众多公司、高校等机构纷纷推出了自主研发的CAE软件，然而，目前尚缺乏一个统一的软件评测标准。若缺乏统一的功能和性能评估准则，将导致软件供应商与需求者之间的交流成本显著增加，进而难以构建一个井然有序的产业氛围。
开展工业软件标准化工作组恰逢其时，此举旨在吸纳行业内的核心单位，增强工业软件标准化工作的行业影响力，使标准化进程与当前工业软件产业的发展更加契合。二者相互促进，有助于更好地引导和规范产业发展，从而提升我国在国际竞争中的地位。
3 工业软件标准化现状
目前，国际上负责工业软件标准化工作的任务，由多个ISO和IEC的技术委员会及分技术委员会分担。例如，ISO/TC184的自动化系统与集成标准化技术委员会、ISO/TC10的技术产品文件标准化技术委员会、ISO/IEC JTC1/SC7的软件与系统工程分技术委员会等。在这些委员会中，ISO/TC184专注于自动化系统领域的标准化，以及产品及其相关服务在设计、采购、制造、生产和交付、支持、维护和处置等方面的集成。其下属的SC4分技术委员会ISO/TC 184/SC 4工业数据负责工业数据的标准化。ISO/TC10主要负责对制造业产品生产过程中产生的技术文件进行标准化，包括设计、制造、检验、使用、回收等各个阶段，以及涉及手工和计算机的各种文件要求，并对这些文件的管理技术进行国际标准化。ISO/IEC JTC1作为信息技术领域的国际标准化委员会，其下设的ISO/IEC JTC1/SC7软件与系统工程分技术委员会，负责软件产品和系统工程的过程、支持工具和支持技术的标准化，涵盖词汇、软件测试、软件评估质量管理、体系架构、软件开发方法及工具等多个领域。该国际标准化组织已着手进行与工业和软件领域相关的标准制定与修订工作，尽管其专业领域有所局限，但这些标准并非专为工业软件量身打造，尽管如此，它们仍触及了工业或软件的一些领域，可作为我国开展工业软件标准化工作的基石。
在我国，早期涉及工业软件的标准化机构包括SAC/TC124全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会、SAC/TC231全国工业机械电气系统标准化技术委员会、SAC/TC146全国技术产品文件标准化技术委员会、SAC/TC159全国自动化系统与集成标准化技术委员会以及SAC/TC28/SC7全国信息技术标准化技术委员会软件与系统工程分技术委员会等，它们各自负责工业过程测量控制与自动化、工业机械电气系统、工业软件技术产品文件、自动化系统与集成、软件与系统工程等领域的标准化任务。这些工作使得我国在工业软件领域的工业过程测量控制、技术产品文件、软件工程等关键技术方面形成了较为坚实的标准化基础。目前已发布的针对工业软件的专项标准涵盖计算机辅助设计（CAD）、制造业企业资源计划（ERP）等工业软件相关产品标准，以及网络安全、技术产品文件、数据格式等方面的标准，具体内容详见表格。
表1 已发布的工业软件相关国家标准
显而易见，我国已经确立了一系列与工业软件相关的标准规范，然而这些标准的数量并不充裕，特别是在工业软件的通用基础、特定产品、集成验证以及行业应用等领域，缺乏相应的标准。由于缺乏统一的标准体系，兼容性和互操作性方面存在不足，这导致了在各个工业领域和环节中形成了数据流通的障碍，进而影响了不同产业之间以及产业链上下游企业间的资源配置效率，从而不利于我国工业全产业链配套优势的充分发挥。因此，为了全面推动并完善我国主导的工业软件标准体系，加强工业软件的顶层规划，针对整个产业链的发展需求软件体系结构设计模式，营造一个优良的产业环境，有必要提出与时代同步的标准化发展战略，以促进制造业的数字化转型，这已成为当前工业软件标准化工作的紧迫要求。
为了全面推动我国主导的、符合产业发展需求的工业软件标准化进程，2022年4月，全国信息化和工业化融合管理标准化技术委员会（SAC/TC 573）正式设立了工业软件标准工作组（WG8）。该工作组的主要职责涵盖了工业软件相关标准的深入研究、编制修订、测试验证、宣传推广以及参与国际标准化活动。2022年7月，数字化工业软件联盟，亦称“广东省数字化学会”，顺利完成了在全国团体标准信息平台的注册手续软件体系结构设计模式，这一成就彰显了该联盟在工业软件领域的团体标准制定方面所拥有的权威地位和广泛影响力。工业软件标准工作组及数字化工业软件联盟将致力于提升工业软件标准体系的顶层设计，并与众多行业组织、用户单位、供给侧企业、高校院所等紧密合作，以制造业数字化变革为起点，以应用需求为导向，针对工业软件技术迅猛发展所引发的标准化制定与升级需求，加速推进工业软件的标准化进程，全面打造促进工业软件高质量发展的标准体系，规范行业发展，营造良好的产业生态，为我国制造强国和数字中国建设提供有力支撑。
4 工业软件标准体系构建
目前，我国及全球范围内，工业软件的标准体系尚不完善，存在标准不足、分散、薄弱的问题，这使得标准化工作的全面推进面临困难。发达国家尚未形成涵盖各类工业、产业链完整的工业体系，缺乏构建工业软件标准体系的产业基础，也尚未具备建立完善的工业软件标准体系的能力。我国工业体系全球领先，涵盖众多门类，工业软件应用广泛，市场需求旺盛，这为构建一个统一且完善的工业软件标准体系奠定了坚实基础。在深入调研了国内外工业软件标准化的发展状况之后，通过进一步的剖析与探讨，本文依据工业软件的具体需求，成功构建了工业软件的标准体系架构。该架构的详细结构图和框架图分别展示于图1和图2中。
图1 工业软件标准体系结构图
如图1和图2所示，工业软件的标准体系涵盖了“通用基础”、“产品标准”、“测试验证”、“系统集成”以及“行业应用”等五个方面。其中，“通用基础”标准旨在解决工业软件共有的基础问题；“产品标准”是标准体系的核心，紧密关联于工业软件产品；“测试验证”标准主要针对产品的测试和验证工作；“系统集成”标准主要关注产品的集成与适配问题；而“行业应用”则根据不同行业的特点，制定出具有针对性的个性化工业软件标准。具体而言，有：
图2 工业软件标准体系框架
通用基础标准旨在解决工业软件中普遍存在的基础性问题，它处在工业软件标准体系结构的底层，并为产品标准以及行业应用标准等提供了必要的支撑。通用基础标准可细分为“基础标准”与“通用标准”两个层面，前者主要指在工业软件领域内构成其他标准基石并广泛应用的术语、分类、架构和命名规范等，后者则针对工业软件这一标准化目标，制定了共性标准，这些标准能够作为制定工业软件标准的参考，涵盖了通用基础软件、通用平台、通用数据和通用技术四个方面。其中，通用基础软件涉及工业软件运行所需的操作系统、中间件和数据库等；通用平台包括与工业软件相关的工业应用管理平台、工业数据管理与协同平台、数字化技术平台、工具链平台以及开发环境等；通用数据则指工业软件产品的数据格式、产品间接口数据、工业数据技术/模型/应用以及工业大数据等；而通用技术则泛指与工业软件相关的知识工程、机理模型、工业智能、工业资源、工业互联、工业软件云、工业数字孪生、共性内核、软件工程和软件可信性等关键技术。
（2）产品标准。工业软件产品的技术规范与该类产品紧密相连，构成了标准体系中的关键环节。这一体系涵盖了研发设计、生产制造、运营保障、经营管理以及嵌入式工业软件等五大类别。鉴于嵌入式工业软件已拥有独立的标准体系，本文将重点探讨研发设计类等交互式工业软件产品的技术规范。具体而言，研发设计类产品标准涵盖了CAD、CAE、EDA、CAPP、PDM/PLM、MBSE以及六性等软件的技术要求与产品规范；生产制造类产品标准则包括CAM、DCS、PLC、MES、SCADA等软件的技术要求与产品规范；运营保障类软件产品标准涉及PHM、IETM、MRO等软件的技术要求与产品规范；经营管理类软件产品标准则包括ERP、SCM、CRM、HRM等软件的技术要求与产品规范。
测试验证规范主要涉及工业软件产品的测试、验证与评估等标准，涵盖了工业软件产品测试规范、产品验证规范、系统测试规范以及适配验证规范等多个方面。同时，该规范还明确了工业软件测评和验证的相关要求及方法，旨在确保工业软件产品的质量。
系统集成规范是关键，它主要涉及工业软件产品在横向整合和纵向兼容等方面的接口规范、集成流程以及集成产品开发（IPD）的标准化。通过加速推进与工业软件系统集成相关的标准项目立项和研发，有助于有效解决工业软件产品间的集成和适配难题。
（5）行业应用标准。工业软件标准体系结构图顶端位置，依照通用基础标准、产品规范、测试验证及系统集成规范，针对电子、航空航天、船舶制造、汽车制造、轨道交通、机械设备、石油化工、电力能源、建筑等多个特定行业的具体需求，对通用基础和产品规范进行深入细化与实际应用，研发出适用于特定行业、型号应用的规范、细则和实施指南，以此指导各行业协同推进工业软件的进步。
5 结语
在我国工业数字化转型的不断深入发展中，工业软件的应用需求日益迫切，同时也步入了至关重要的成长阶段。然而，我国工业软件在关键核心技术方面仍受制于人，产品体系的综合发展能力有待提升，尤其是由于标准体系的不完善和标准的分散，导致数据格式的不统一和接口的不兼容等问题尤为显著。推动工业软件的进步离不开一个健全的生态环境，而标准化建设正是构建这一良好生态的核心要素。工业软件的标准化不仅对提升其发展质量具有根本性、规范性以及导向性的影响，更是实现工业软件产业可持续发展的坚实支撑。因此，把标准化工作视为关键环节和重要突破口，对于促进工业软件产业的健康前行具有重要意义。
全国两化融合标委会工业软件工作组以及数字化工业软件联盟等标准化机构，正恰逢其时地开展工业软件的标准化工作。标准化在工业化进程中扮演着至关重要的基础角色，目前，业界对于工业软件的看法尚未达成共识，这涉及工业软件的术语、分类、接口以及数据格式等多个方面。因此，我们必须深入开展一些基础性研究，通过推进工业软件的标准化工作，以实现认识的统一。标准体系作为指导工业软件标准化工作的纲领性文件，构成了制定标准修订和规划计划的关键参考，是推动标准在相关领域内实现科学合理配置的基石。构建完善的标准体系已成为标准化工作的核心手段和重要支柱，在推进工业软件发展的过程中，构建和优化工业软件标准体系的工作显得尤为关键。因此，本研究对工业软件标准体系框架进行了深入研究和构建，涵盖了通用基础、产品、测试验证、系统集成以及行业应用等五大模块。这一框架为工业软件工作组、数字化工业软件联盟等标准化机构在制定工业软件标准时提供了坚实的基础和参考依据。同时，通过紧密联合相关行业组织、用户单位、供应链企业以及高校院所，我们共同推进工业软件标准的研发工作，确保工业软件标准能够为我国制造强国和数字中国的建设提供强有力的支撑。
