【工业4.0】深度报告：独家解密工业4.0真正图谋？跟踪软件帝国的十年

2018 年 11 月 20 日 产业智能官

作者：林雪萍来源：知识自动化

要理解工业4.0，就避不开对西门子的研究；而要看懂西门子，不要去要看它的硬件，而要去看它的软件。数字化工厂只是水中花，真正的花朵不在你眼前，而在你身头。德国安贝格和成都的数字化工厂的示范，没有必要去看，看明白也没用。你在现场越是欢喜越是敬畏，回头静思的时候，你就会越发沮丧——即使所有的硬件都卖给你，你也无法重新复制。它需要一颗数字心脏，这是根本。

从西门子的视野来看工业4.0的未来，数字化世界的生态逻辑，优先级远远高于物理世界；人机交互（包括浸入式现实）使得所有物理世界的事情，基本在虚拟世界完成；而在物理世界，不过进行了实际的验证、生产、反馈和实施。验证即生产，实体即数据，这就是西门子整个生态体系下衍生出来的工业4.0命题。

西门子视野照中的工业4.0

2015年9月，西门子在一年一度的PLM（产品全生命周期管理）分析师大会上，西门子首席执行官Kaeser进行了题为“数字改变常态”的主旨报告，描述了数字化横扫一切的力量，不仅会改变商业模式，也会不断产生颠覆性的力量。在未来，用户会高度参与到生产中去，甚至消费者叫做“生产型消费者Prosumer”（production consumer的复合词）。为了应对数字化的力量，形成信息物联系统（CPS）的闭环生态体系，Kaeser宣称西门子自从2007年，在数字化软件服务领域投入了将近40亿欧元费用。

为什么西门子最高执行官会参加一个看上去普通的PLM分析师大会？显然，这是顶层意志的表达，这是对战略根基最好的注脚。一直作为西门子首席战略官Kaeser心里很清楚，PLM为代表的数字化，是西门子撬开未来的真正的敲门砖。这是西门子最重要的战略。

西门子的硬件世界实在是很辉煌，是自动化和电气控制处于几乎霸主地位。在未来工厂的物理世界中，要实现智能工厂，一定要通过混线和换模实现生产线产品多样化。这需要借助整个生产过程中的自动化平台（西门子在2009年已经实现全集成自动化平台TIA的整体融合），通过大量的数据检测点和采集系统，来精确控制工位上的设备，实现一条生产线生产多种产品。而这一切，都需要有高度的数字化模拟的能力。

对于西门子而言，这在虚拟世界已经全部实现；而且现场数据可以立刻产生反馈，对虚拟世界形成回馈，并着眼于改善虚拟世界的方案；与此同时，现场的大数据分析，对设备维护和预防诊断，自动形成决策性方案，以图表和报告方式，反馈到决策者的桌面上。这就是“验证即生产，实体即数据”。

3D虚拟现实模仿工厂

展望未来，西门子在CPS的世界中，C界构造了软件PLM闭环，P界则有强大硬件TIA（全集成自动化平台），凭着C界和P界强大的优势，已经完成了CPS的全平台软件与硬件的支撑；往前走一步，工厂的建设、基础设施继续采用虚拟进行模拟；往后走一步，用户的设备维护也在数字化世界中进行分析和维护。至此，整个闭环生态系统已然形成。

十年并购之路才等到工业4.0

在西门子2020的远景中，真正大放异彩的其实是软件部门，也就是西门子PLM事业部。我们需要极大的耐心和敏锐，回头去梳理过去的十年，这个跟西门子凭空——真的是白手起步——构建的数字帝国，是如何一步步通过并购来实现的？

2007年收购美国UGS，是西门子战略布局的巅峰之作。它在数字世界中获得了三项举足轻重入场券：NX作为3D设计软件的三大顶级产品之一；Teamcenter是数据管理PDM的核心，Tecnomatix是数字化工厂装配。前两者，构成了今日西门子世界最为重要的根基。

2008年收购了德国的Innotec，是虚拟工厂建设的一个重要事件，这代表这虚拟工厂的厂房布局和规划，与实际工厂的运行数据进行预先模拟，成为可能。

西门子的软件并购路线图

2011年到2012年进行了眼花缭乱和杂乱无章的收购：Vistagy，IBS，VRcontext，PCS成本控制系统，从不同角度补齐了西门子的软件能力。2013年收购LMS，使西门子进入了仿真与测试系统。此时收购的软件，要么是通用仿真与测试软件，要么是专业工程软件，充满了知识与数据的结合。这里最有想象力的是对于比利时公司VRcontext的收购，这是面向3D可视化的开始。西门子试图在虚拟设计工厂软件中，采用浸入式现实（VR）来实现人机的交互。想象一下，如果一个设计人员像打游戏一样，闯进了自己设计出来的3D工厂，在虚拟世界进行查看是否漏气漏水——这将是一个多么奇妙的世界；而对于合作多年的Tesis软件的收购，则是一个激动人心的平台野心。Tesis可以跟SAP软件、Oracle数据库无缝集成，从而粘合了各种数据缝隙。这个平台上，正在试图容纳下所有的软件巨人。

2014年年底西门子成功收购了Camstar，这是另外一个里程碑的并购。尽管Camstar在电子制造业有非常好的MES系统，但西门子看重的不是MES系统，Simatic IT已经有足够的能力应付。真正重要的是Camstar具有的大数据分析，这是西门子最为看重的一张牌。随后，2015年6月， Omneo PA性能分析软件被正式推出，拉开了西门子大数据与云服务的大幕。

工厂级的大数据性能分析

至此，西门子跟死对头GE公司，在大数据战略方面的防御战，基本告一段落，可以说彻底松了一口气。在GE工业互联网的理念中先进分析Adavance Analysis，具有举足轻重的地位；2013年在工业4.0最早的体系阐述中，大数据是短板。因为无论是工业4.0顶层框架中对于大数据的定位，还是西门子自身的优势，都非常不充分。然而，在拥有了Camstar对于工厂现场数据强大的分析能力，西门子终于补齐了这个短板，真正成为互联网公司的海量数据分析的杀手级玩家。而且，在数字化工厂的世界中，西门子手中的牌，要比GE多得多。

而这一切，都始于2007年对UG进行的35亿美元的收购；当时西门子另外一个大手笔就是将西门子VDO汽车电子以114亿欧元卖给了另外一家德国公司。一软一硬的交换，彻底改变西门子今后的版图。从此，西门子开始了“软”征程，最终成就今日之“数字化工厂”的帝国。如果考虑到西门子在随后10年期间，对硬件的收购几乎并无特别的进展——除了当时收购上海APT开关厂还引起了一些小小的国民情绪骚动，西门子“软”并购和“硬”自发展的策略，得到了巨大的成功。

而这件事，必须要提到功臣Anton Huber先生。他在2007年主导了对UGS的收购，成立了PLM事业部，随后成为工业自动化集团的独立战略单位。然而2013年新上任的西门子新总裁Kaser显然认为这仍然不够突出，将PLM继续向上拔出来，成立了数字化工厂集团；Huber自然成功上位，成为数字化工厂集团首席执行官。

90亿欧元的数字化集团掌门人Huber

然而这个整合之路，并非容易。早在2010年PLM大会上，Huber就指出，软件在产品设计、数字化制造与生产系统、自动化系统的整合关系，IA面临着跟SC传感器、CS控制、AS自动化系统等整合的难题。在那个时候，用于产品管理的PLM全生命周期软件，加上基于硬件自动化管理系统的TIA全集成自动化平台，已经有了开始对视和呼吸的能力。CPS的镜像世界，已经像米开朗琪罗手下的大卫像，呼之欲出。

终于，号角吹响了，2013年德国工业4.0横空出世。这简直就是给西门子量身定做的外衣，披上德国国家战略的形态，横扫德国和中国。从此，如果概念上的战略疑云被一扫而空，没有什么可以限制西门子进行整合的手脚了——工业4.0就是那至今仍然狂刮不止的大风。

为了进一步强化客户构建数字化企业的能力，从2014年10月起，作为嫡系部队，西门子主导开发的Simatic IT MES解决方案，也全部被并入Siemens PLM团队。这是对当年UGS嫁进豪门的一个迟到的承认，是对UGS这个光芒四射的明星的补偿。PLM事业部一直是流浪者的大篮子，盛满了西门子近年多情四处搭讪的外部种子。这次，大篮子终于露出了数字帝国的峥嵘之象，PLM事业部开始整合一切了：因为，数字化改变一切。

数字化拥抱一切

而下一步，在平台的基础上，入口与各种APP应用，将成为西门子数字化的重点。2015年9月PLM大会上，西门子继续高调推广Active WorkSpace，这是一个用户工程师高度友好的界面，统率所有数据的，使得使用者随时可以查看各种各样的数据，从设计到制造，从运行参数到决策分析。抢占入口，成为西门子互联网思维全新的发力点。

当工程师遇到数学家打开CAD内核的奥秘

如果一个产业要寻根，就会发现一个万千世界，最后会聚焦到一个点上。

图| 图为北京凤凰国际传媒中心，由Autodesk的软件产品设计而来。国内众多知名建筑都采用欧克特的BIM（建筑信息化模型）

“一沙一世界”，一世界满眼千秋，亦不过是投射到一粒沙芥。当下，作为工业主流的数字化设计与制造，都需要用到CAD（计算机辅助设计）这样的工具。而CAD的基础底层支撑，就是通用几何造型平台，也可以称之为几何内核。作为实体造型的关键引擎，许多CAD供应商，都会通过购买或者自研的方式，往上建立自己的CAD功能。

然而从萌芽开始，四十年过去了，这个世界却笼罩在数学家的神话之下。

而这个世界，仍然无比地狭小。这是一个拿着放大镜也找不到的利基市场。而它却是万神之殿的基座。

天才工程师的两枚金蛋

几何造型平台是CAD软件最核心的基础部分，通常称为几何内核，或者叫做几何引擎。一般目前的CAD系统都会提供参数建模方法。

图| 剑桥大学

这是一个关于数学家传奇的故事，英国剑桥大学是那个时代最璀璨的光亮之地。剑桥大学CAD实验室的Ian Braid在1973年完成了实体造型的博士论文之后，和导师Charles，以及同窗Alan创办了Shape Data公司，随后开发出第一代实体造型软件Romulus。

1981年一家美国公司买下工程师的公司，着手开发美国版权的第二代产品，也就是后来大名鼎鼎的几何引擎Parasolid。1988年美国CAD供应商UG，买下Parasolid，将它融入UG集成系统中，变成一个实体和曲面造型通用几何平台。

与此同时，Parasolid也作为一个单独的内核产品，为其他CAD软件开发商提供高质量的、世界一流的几何造型核心功能。

这个几何内核的故事，本来可以到此结束了。

然而神人永远不会停止折腾。1986年，Ian被找上门来的美国Spatial Technology公司说的心头发痒，再次开发了第三代面向对象的实体和曲面通用平台ACIS：ACI分别是三位大仙Alan Grayer，Charles Lang和Ian Braid的名字字首，而S则取自实体（Solid）的字首。由于ACIS采用了面向对象的数据结构，并采用了C++编程，使得算法大为改进，它的运行速度是第一代Romulus的4~20倍，是第二代Parasolid的2~6倍。

除了技术先进性之外，ACIS还采用了一种有效的商业模式：那就是鼓励各家软件公司在ACIS上开发，并与STEP标准相兼容的集成制造系统。凡是在ACIS上开发的CAX系统都有共享的几何模型，相互可以直接交换产品数据。ACIS构成了这些系统的几何总线。这样一来，信徒大增。

神剑再次成功出鞘。

1989年ACIS上市后，影响巨大。很多CAD公司都纷纷或者采用ACIS内核，或者采用了它的思想改进了自己的内核。例如法国的Euclid-S、CATIA以及美国的Intergraph、I-DEAS都纷纷跟进，采用这种面向对象的思想进行改进。最重要的事件发生在1993年，Autodesk与Spatial Technology签约，在ACIS平台上开发出MDT三维参数化特征设计系统，成为ACIS的最大用户。

内核不等于CAD：没有UG，就没有几何引擎

然而，对于几何引擎，却有一个极大的误解，以为先有几何引擎，后有之上的CAD软件。几何引擎本来并不存在，它是藏在CAD里面。

达索航空公司，把CAD部门独立出来，并起名叫做CATIA的时候，还没有几何引擎的概念。从麦道公司发展出来的CAD软件商UG，以及Autodesk的MDT，都没有几何引擎的概念。所有的系统模块都放在一块。同样，后来靠参数造型而名声大噪的PTC也没有这些概念。

是UGS在发展自己的商业策略所采用的方针，使得Parasolid几何引擎成为一个独立的概念，随后甚至发展出来一个很小的利基生意。

最早UGS的CAD也是跟几何引擎搅在一起，后来逐渐将内核方面的工作外包给ShapeData公司。这意味着，Parasolid一开始就是两条腿独立走。UGS只是在外包体系中使用Parasolid的团队，Parasolid也允许使用UG提供的一些反馈所丰富的功能。这意味着，UG在相当长的时间里，一直是负责Parasolid的“测试工作”。

这种唇齿相依的关系到了一定的程度，几何引擎，也逐渐达到了产品级的应用成熟度。一段时间之后，UG和Parasolid已经密不可分了。最后UG索性，将Parasolid购买了过来。

没有UG，就没有Parasolid，就没有“几何引擎”的说法。

内核阵营开始分化

虽然很重要，但市场很小，内核公司单独存在是无法存活的。2000年Spatial被达索系统收购。历经14年之后，著名的几何建模内核ACIS终于归到了大型CAD厂商手中。

跟它的前一代几何内核一样，嫁个大户人家，是最好的选择。

然而，在此之前，CATIA跟ACIS一点关系都没有。CATIA是土生土长的内核。高傲自负的法国人一直在为CATIA完善自己的几何造型引擎，从原来的曲面造型到后来的基于BRep的实体造型。甚至，CATIA也没有购买通用约束求解器，而是自己开发。

直到后来，CATIA决定把底层部分独立出来，单独做生意。达索也是花了好几年时间，才把所谓的几何内核独立出来，就是CGM。

因此，购买ACIS，对CATIA而言，主要出于商业需要和数据交换。

如此一来，Parasolid和Acis分别被西门子、达索控制着，已发展为巨大的深坑，并成为两个大的阵营。

AutoCAD、MDT和Inventer、Microstation均采用ACIS几何造型器为内核。而UG、SolidWorks、SolidEdge则采用Parasolid几何造型器。

在这些三维CAD的实体几何造型内核中，老将Parasolid和Acis是几何建模系统的两棵老根，由于一开始就相对独立发展，比较著名，也成就了一代又一代的CAD厂商；加上达索的CGM，是市面上能买到的三款商业化几何引擎。

但是大的CAD软件公司，一般都是有自己的内核的。除了CATIA之外，开创参数建模时代的PTC，其内核Granite也是独成一派，主要是自己使用。这是一个情节不断翻转、充满了八卦的故事。当年日如中天的CAD公司如CV，也有自己的内核，但在转向参数化实体造型方面不成功。从CV“离家出走”的高管创建了PTC，大获成功，反手倒是收购了CV。

图| PTC总部

几何引擎让CAD市场充满了猜忌与阴谋

Parasolid被卖之后，Braid等人重新做了一个公司，继续做内核生意。这让后起之秀SolidWorks得到了很好的机会，它最初给投资者的版本，正是以ACIS为基础的。

但有了投资之后，就开始测试Parasolid和ACIS。几个月之后，换成了Parasolid。尽管ACIS功能表跟Parasolid看上去差不多，但实战不行。前面提到，尽管ACIS是第三代几何引擎产品，实验室性能甚至更优，但它自从诞生后，没有一个大公司，愿意像当年UG那样，如此紧密地对ACIS进行捆绑。所以ACIS的市场占有率，一直低于它的前一个版本Parasolid。这充分证明了一点，在工业软件CAD\CAE\EDA领域，没有交互的工程用户反馈，任何工业软件都不可能发展起来。

然而，作为UG的竞争对手之一，SolidWorks一直活在“杯弓蛇影”的猜忌之中。如果UG将来不肯卖Parasolid，那该怎么办？这是一个若有若无的阴影。而这个问题的解决，要来自更大的家伙。1997年达索以3.1亿美元，收购了SolidWorks。

这次轮到达索进行猜忌了，Parasolid在UG的手中，对Solidworks而言，是一个巨大的威胁。2000年，达索决定出手，战略性地收购ACIS所在的Spatial Tech公司，为SolidWorks也提供一个备选的安全保障。从这里开始，达索才开始跟ACIS有了交集。

随后达索将自己的内核CGM和ACIS，都放在Spatial公司之下。

然而这次收购，又惊动了另一个巨头的利益。正在使用ACIS作为内核的Autodesk的Inventor，也感受到了同样巨大的威胁。

非常警惕的欧特克，为了避免受制于达索，用反垄断为法律手段，开始跟达索打官司。拉锯的结果是，达索可以拥有ACIS，但欧特克拥有随时购买ACIS源代码的权利。有了这个条件作为限制，达索随后顺利完成收购ACIS。

图| 猎鹰8X远程公务机，搭载了达索FalconEye视景结合系统

几年以后，欧特克迅速地使用了这个权利，掏钱购买了ACIS的全部源代码，也就是ACIS R14版本。随后Inventor在此基础上，经过多次版本的迭代。应该说，欧特克的几何内核，虽然源自ACIS，但跟原来的版本，已经区别很大。也可以认为，欧特克已经拥有了自己的内核。

开源还有一颗独苗

一款开源的OpenCasCade，是一棵奇特的幼苗。

成立于1964年的法国马特拉公司MATRA的Euclid系统，也有自己的内核，主要是曲面造型。为了和PTC抗衡，开发了Cas.Cade新一代内核。现在在华天的一个总工，当年就负责基于Cas.Cade的新一代CAD系统Euclid Designer的开发。彼时中国航天对它的理念非常欣赏，认为符合航天设计需求，可以从老的Euclid平稳过渡到新的Euclid Designer。可惜，最终马特拉被达索并购了，整个新一代系列基本停止开发了，曾寄予厚望的航天，也只好逐步转向了Pro/E。

达索与马特拉合并后，并没有吸纳所有的研发人员，也没有说要如何用Cas.Cade，只让剩下的人员成立了一个公司。这部分团队，索性将其变成开源，按照全开源（LGPL）协议进行管理。代码主要还是由法国团队管理，但是在俄罗斯有一个较大的团队，进行应用定制开发。虽然这并不是达索所期望的局面，但是已经晚了。最近几年版本更新比较快。在此内核的基础上，开发出一个开源CAD系统FreeCAD。目前国内也有运用OpenCasCade的社群，开发些小系统。作为开源的几何引擎，做成商业CAD软件的开发难度不小。

造不如买，再次毁掉商业化机会

拥有高水平的内核，是发展自主CAD/CAM/CAE和的核心工作。然而，世界上几何引擎不多了，基本处于垄断地位。中国人手里的中望的Overdrive内核（本来是美国VX CAD的内核，2010年被中望收购）和华天的CRUX IV（华天CAD系统SV的内核）等。

然而，这件事情完全不能商业化。例如中望，也曾经考虑做一套更商业化的内核。然而市场需求并不支持。最大的几何内核Parasolid一年的生意，也就是3000多万美元。如果做内核，跟Parasolid去竞争，是不可能活不下去的。

出于商业上的原因，西门子的UG，对于出售给中国内核，一直都不是太热心。于是中国很多项目，只能二选一，一般都是在跟Spatial公司进行合作。尽管ACIS的价格很高，但国内CAD厂商都只能让步。

图| 70年代高校计算几何协作组成员

中国有了自主的内核是个振奋的信息。但是，单独研发CAD几何内核是没有太大市场的，需要与三维CAD软件系统整合起来做。实际上，国内的CAE和CAM可以用国内的核，共同打开市场。当然这只是一个假设。在中国谁都有生存压力，“造不如买”。无论是几何内核，还是约束求解器，都可以是核心共性技术，但没有一家厂商能负担得起。最后只能是一盘沙子。

中国CAD行业著名的专家、当时中国工程图学学会理事长唐荣锡，在2000年还曾经雄心勃勃地行业喊出“几何造型平台振兴”的口号。按照唐老的看法，高水平的通用几何造型平台是发展CAD软件产业的一级火箭助推器。而在当时，中国许多CAD公司，正在借助CIMS和甩图板的东风，蓬勃发展。跟国外的差距不是没有，但看上去还能看得见、够得着。

然而，几何内核，是从众多成功的工业软件功能中萃取得来的。没有成功的研制优秀CAD软件的基础，就谈不上研制几何平台。而对于软件公司，要想在市场竞争中活命，就不能采用先进、流行的通用平台，因为不但耽误进度，甚至会劳而无功。

这像不像一个死结？在西方，主流CAD都是脱胎于航空业，波音公司、达索公司，都给了那些CAD软件厂商足够的机会、充分的反馈，这才使得国外的CAD厂商逐渐壮大。而在中国，急功近利、追求速度的中国制造，从来不会给上游软件供应商的机会。要么出彩，要么出局。缺少来自用户端的悉心呵护和战略性扶持，是中国CAD、CAE以及EDA在发展路程上的最大死结。

错失的就不会再来

唐老甚至在2004年建议行业，不要将自主研制的开发平台的目标，定位在类似于 ACIS、Parasolid 的几何平台产品，而是要将目标确定为创建新一代的功能特征平台，以功能特征为操作对象，使得新一代平台必须兼顾几何和功能两大方面。这是一个更高的志向。

现在回想起来，本世纪初的几年，正是中国自主CAD还方兴正艾的时候，很多企业都跃跃欲试地要做几何内核。结果是都铩羽而归。在十五时期，大家普遍误解，以为几何内核就是CAD系统。这是历史天空下的误解。随之而来的相应决策，也是失误的。

近20年过去了，随着国外CAD、CAE厂商的市场占有率超过95%，高端CAD比例更高。唐老的梦想，已经成为不可实现的愿望。

当务之急，还是先要把CAD市场做大做活起来。以手机举例来看，华为去做手机芯片是合理的。因为他有足够的体量和自有市场做支撑，当然更是因为有足够的资金。至于其他小手机厂商，还处于解决生存问题阶段，能抓住一个细分市场存活下去才是他们的主要目标。谈做芯片，是不可想象的事情。国产CAD内核，是能打破国外垄断的潜在希望，就像华为的麒麟芯片一样，是一烛跳动不已的小火苗。

小记

布雷德等三人从1970年起，直到2000年7月5日法国达索系统公司签约以2,150万美元现金收购ACIS业务，三人决定退出ACIS，也退出了几何内核领域。闪耀了一代人的星空开始暗淡。整整30年，这三个天才工程师科学家的主要精力，都集中在实体造型平台的开发和完善上，也照亮了其他几个CAD公司的探索之旅。它把后来所有通用几何造型平台要走的路，都几乎探索完毕。

数学家和工程师相结合，正是几何内核四十年不败的传奇魅力。

作者简介

林雪萍：南山工业书院发起人，北京联讯动力咨询公司

鸣谢：杭州新迪董事长叶修梓和总经理彭维、山大华天副总梅敬成、武汉承泽的徐劲总经理等人给予的悉心指导和支持。

注| 文章来源于本刊《装备制造》九月刊，原题为《当工程师遇到数学家打开CAD内核的奥秘》

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