软件铸魂：中国核心工业软件创新图谱与发展战略——12位院士共铸核心工业软件

本书由12位两院院士和12家全国重点实验室等国家级科研机构共同执笔，聚焦核心工业软件自主创新与产业应用，构建我国工业软件发展蓝图与发展战略。全书共 25章，首先介绍了我国核心工业软件的研发背景及发展战略，然后分别介绍了设计开发类工业软件，生产控制类工业软件以及经营、运维、安全类工业软件的研发背景、内容创新、工程应用、发展建议等，力图促进研制面向细分行业的集成化工业软件平台，推动工业知识软件化和架构开源化，推进工业软件云化部署。
本书深入工业软件的创新设计和技术核心，汇集多种不同工业软件的技术和应用，为工业软件研发人员、行业管理者提供权威参考，助力推动我国工业软件产业自主可控与高质量发展。

无

第1章 概述 001
1 核心工业软件的研发背景、需求及重大意义 002
1.1 背景 002
1.2 需求 005
1.3 意义 006
2 我国核心工业软件的创新图谱 007
2.1 设计开发类核心工业软件 007
2.2 生产控制类核心工业软件 011
2.3 经营、运维、安全类核心工业软件 014
3 核心工业软件的工程应用、成效 017
3.1 设计开发类核心工业软件 017
3.2 生产控制类核心工业软件 020
3.3 经营管理类等的核心工业软件 023
4 我国核心工业软件的发展战略 024
4.1 人工智能赋能工业软件创新与发展战略 024
4.2 自主智能无人系统核心软件技术分析与发展战略 025
4.3 加强核心工业软件的基础科学问题研究 025
4.4 加快核心工业软件的测试验证大型实验装置建设 026
4.5 加紧复杂环境中的工业软件标准制订 027
4.6 设计开发类核心工业软件发展战略 027
4.7 生产控制类核心工业软件发展战略 028
4.8 经营、运维、安全类核心工业软件发展战略 030

第2章 高端工业母机数字化设计与核心工业软件 033
1 背景意义 034
2 国内外研究现状 035
2.1 复杂工件加工特征分析研究现状 035
2.2 机床多轴运动拓扑设计研究现状 036
2.3 机床整机布局构型设计研究现状 038
3 核心工业软件技术 039
3.1 复杂工件加工特征分析技术 039
3.2 数控机床多轴运动链设计技术 042
3.3 数控机床布局方案设计技术 045
3.4 数控机床设计方案综合评价技术 046
4 重点工程应用及成效 048
5 发展战略与展望 056
5.1 高端数控机床正向设计技术 056
5.2 高端数控机床数字孪生及虚拟调试技术 056
5.3 高端数控机床生成式智能设计技术 057
6 小结 057

第3章 高端装备智能制造数字底座 061
1 背景意义与需求分析 062
1.1 政策导向 062
1.2 行业需求 063
2 国内外研究现状 064
3 智能制造数字底座核心技术与功能 066
3.1 数字底座总体架构 067
3.2 工业数据泛在连接 067
3.3 本体+AI的工业数据与知识治理 069
3.4 工业知识混合建模与联合计算 076
3.5 工业软件共性技术引擎 077
3.6 低代码应用开发 079
3.7 工业具身智能应用 081
4 高端装备具身智能应用场景 083
4.1 工业大模型与工业智能体 083
4.2 高端装备领域功能应用及成效 087
5 智能制造数字底座发展战略与展望 097
6 小结 098

第4章 离散制造业机器人智能算法软件系统 101
1 背景意义与需求分析 102
1.1 离散制造业的发展趋势与核心挑战 102
1.2 传统工业机器人在离散制造业中的应用局限 103
1.3 机器人智能化需求分析 103
2 国内外离散制造业机器人智能算法软件发展现状 104
2.1 国内离散制造业机器人智能算法软件发展现状 104
2.2 国外离散制造业机器人智能算法软件发展现状 110
3 工业制造机器人关键算法软件一体化平台 112
3.1 测量识别算法软件 112
3.2 视点规划算法软件 118
3.3 协同控制算法软件 123
3.4 故障诊断算法软件 134
4 重大工程应用及成效 141
4.1 航空制造行业工程应用及成效 141
4.2 船舶制造行业工程应用及成效 143
4.3 新能源汽车制造行业工程应用及成效 145
4.4 高铁车身制造行业工程应用及成效 146
5 发展战略与展望 147
5.1 我国离散制造业机器人智能算法软件发展机遇 147
5.2 我国离散制造业机器人智能算法软件发展路径 148
6 小结 148

第5章 自主智能无人系统核心软件创新与发展 151
1 研发背景及意义 152
1.1 国家战略需求 152
1.2 技术发展驱动 153
2 主要研发内容及创新 153
2.1 复杂动态场景主动感知软件 154
2.2 智能优化决策软件 155
2.3 智能协同控制软件 157
2.4 数字孪生仿真软件 159
3 重点工程应用及成效 163
3.1 智能化无人作战 163
3.2 智慧城市与智能交通 166
3.3 环境监测 166
3.4 航空航天 167
4 创新成果的国内外影响 168
4.1 国内影响 168
4.2 国际影响 170
5 发展建议 171
6 小结 173

第6章 柔性产线变型设计方法与数字孪生系统 175
1 研发背景及意义 176
1.1 产线建设的发展历程 176
1.2 产线变型设计的内涵、定义与核心挑战 176
1.3 传统产线设计方法的局限与变革需求 177
2 柔性产线变型设计方法体系 177
2.1 “构-动-控-优”四型合一产线变型设计方法 177
2.2 柔性产线迭代设计模式 180
2.3 装备/产线泛化封装技术 182
3 重点工程应用及成效 184
3.1 柔性产线快速变型设计系统 184
3.2 电子产品多品种小批量贴装线的快速变型设计应用 185
3.3 新能源动力电池非标产线的快速变型设计应用 188
4 创新成果的国内外影响 191
4.1 主要创新成果 191
4.2 国内外学术评价与影响 192
5 产线变型设计方法与软件发展建议 193
5.1 技术层面与人工智能的深度融合 193
5.2 产业层面构建产学研用协同生态与示范推广策略 194
5.3 柔性产线快速变型设计技术发展未来展望 195
6 小结 196
6.1 未来技术发展趋势 196
6.2 应用领域的扩展方向 197

第7章 形性耦合的CAD/CAE一体化工业软件 199
1 研发背景与战略意义 200
1.1 CAD/CAE工业软件的价值 200
1.2 CAD/CAE一体化的技术内涵 200
1.3 CAD/CAE一体化的科学问题与技术挑战 201
1.4 CAD/CAE软件自主研发的必要性 202
2 主要研发内容及创新 202
2.1 三维几何造型关键技术 203
2.2 性能仿真关键技术 205
2.3 CAD/CAE一体化与设计优化关键技术 206
2.4 工业设计软件平台 207
3 重点工程应用及成效 208
3.1 高端装备数字化设计 208
3.2 复杂产品创新设计 209
3.3 面向特色行业的专用设计软件 210
4 创新成果的国内外影响 211
4.1 学术创新与影响 212
4.2 关键技术国产化替代与重点应用 212
4.3 产业带动效应 213
5 发展建议 214
5.1 亟需突破的关键核心技术方向 214
5.2 自主可控工业软件生态建设 216
5.3 政策与科技协同发展建议 217
6 小结 218

第8章 基于数字孪生的半导体硅单晶生长核心工业软件 221
1 背景及意义 222
2 主要内容及创新 224
2.1 半导体硅单晶生长数字孪生平台构建与工业软件架构 225
2.2 半导体硅单晶生长变量检测与数据处理软件 227
2.3 硅单晶生长全过程建模及核心工艺优化软件 230
2.4 硅单晶生长设备及过程可视化软件 233
2.5 硅单晶全周期生长状态智能监测与设备健康管理软件 236
3 重点工程应用及成效 238
4 创新成果的国内外影响 239
5 发展建议 240
6 小结 241

第9章 高端控制装备与核心工业软件 243
1 背景及意义 244
2 以微机为核心的工业控制装备与过程先进控制软件 246
3 高性能、高可靠控制装备与多变量优化控制软件 247
3.1 高性能、高可靠控制装备 247
3.2 大型造纸机多变量优化控制核心工业软件 249
3.3 国内外评价及影响 249
4 全集成大规模控制装备与全流程动态优化软件 250
4.1 全集成大规模控制装备 250
4.2 大型炼油工程全流程动态优化核心工业软件 252
4.3 国内外评价与影响 254
5 高安全/高端控制装备与高性能智能运行控制软件 254
5.1 高安全/高端控制装备 254
5.2 高性能智能运行控制核心工业软件 257
5.3 国内外评价及影响 259
6 广域协同的高端可编程控制装备与多目标智能优化软件 260
6.1 广域协同的高端可编程控制装备 260
6.2 大型高炉多目标智能优化核心工业软件 263
6.3 国内外评价及影响 265
7 超大规模网络化高性能控制装备与UCS核心工业软件 266
7.1 背景及系统组成 266
7.2 UCS核心关键技术 267
7.3 UCS的主体硬件设备 267
7.4 UCS的核心工业软件 267
7.5 UCS的典型工程应用 267
7.6 UCS的技术评价 268
8 小结 268

第10章 流程制造智能调控核心工业软件 271
1 引言 272
2 仿真模拟ToP软件 272
2.1 研发背景及意义 272
2.2 主要研发内容及创新 273
2.3 重点工程应用及成效 274
2.4 发展建议 276
2.5 创新成果的国内外影响 276
2.6 小结 277
3 实时优化ReMOTE-RTO软件 277
3.1 研发背景及意义 277
3.2 主要研发内容及创新 278
3.3 重点工程应用及成效 280
3.4 发展建议 281
3.5 创新成果的国内外影响 282
3.6 小结 282
4 调度决策POSS软件 283
4.1 研发背景及意义 283
4.2 主要研发内容及创新 283
4.3 重点工程应用及成效 285
4.4 发展建议 287
4.5 创新成果的国内外影响 287
4.6 小结 288
5 生产计划决策RPS软件 288
5.1 研发背景及意义 288
5.2 主要研发内容及创新 289
5.3 重点工程应用及成效 290
5.4 发展建议 293
5.5 创新成果的国内外影响 293
5.6 小结 293
6 未来发展设想 294

第11章 零碳智慧能源系统设计与运行平台软件 297
1 背景意义与需求分析 298
1.1 背景意义 298
1.2 主要难点与挑战 299
1.3 解决思路 300
2 国内外现状 300
2.1 系统智能性设计平台相关软件 300
2.2 系统运行优化平台相关软件 301
3 零碳智慧能源系统智能性设计与运行优化平台软件 302
3.1 智能性设计平台软件 303
3.2 运行优化平台软件 306
4 重点工程应用及成效 309
4.1 榆林科创新城零碳智慧能源站示范项目 309
4.2 零碳5G基站与数据中心示范应用 310
4.3 2022年北京冬奥会延庆冬奥村智能人居示范工程 310
5 发展趋势展望 310
6 小结 311

第12章 模型驱动的核心工业软件开发新范式 315
1 研发背景意义 316
2 国内外研究现状 317
3 核心工业软件技术或平台 318
3.1 模型驱动的新型工业软件开发范式 319
3.2 知识层面：工业智能模型库 319
3.3 决策层面：大模型垂域知识强化与确定性推理增强 323
3.4 验证层面：“云-边-端”协同的具身
反馈验证平台与架构 324
4 重点工程应用及成效 326
5 发展战略与展望 328
6 小结 329

第13章 太阳能光热发电及其核心工业软件 331
1 发展意义及趋势 332
1.1 光热发电对于能源低碳转型的重要意义 332
1.2 发展历程、现状 333
1.3 发展趋势 334
2 光热发电系统工艺及主要设备 336
2.1 光热发电系统构成及原理 336
2.2 聚光集热系统 338
2.3 储换热系统 341
2.4 发电系统 343
3 光热发电系统软件 344
3.1 光热电站全厂系统架构及软件一览 344
3.2 光热发电设计软件 345
3.3 光热电站控制系统软件 347
3.4 光热电站仿真培训平台软件 350
3.5 光热电站运行智慧管理平台软件 352
3.6 工业软件的工程应用及成效 356
3.7 国内外影响及评价 357
4 总结及建议 358

第14章 数字孪生模型驱动的高炉炼铁全系统核心工业软件 361
1 背景及意义 362
1.1 全球炼铁工业发展趋势 362
1.2 我国炼铁工业现状与挑战 362
1.3 炼铁流程核心工业软件的重要性 362
1.4 研发炼铁流程核心工业软件的意义 363
2 主要内容及创新 364
2.1 大型高炉TRT装置智能运行控制技术和软件 365
2.2 大型高炉多目标优化与智能控制技术和软件 369
2.3 高炉炼铁全流程数字孪生与智能调控技术和软件 372
3 核心工业软件在重点工程的应用及成效 375
3.1 柳钢重点工程应用 376
3.2 鞍钢重点工程应用 376
3.3 其他钢铁厂案例 377
4 发展钢铁工业核心工业软件的建议 378
4.1 钢铁制造全流程数字孪生与智能调控软件研发的必要性 379
4.2 工业大模型在软件研发中的核心作用 379
4.3 软件研发的重点方向与技术难点 380
4.4 研究发展实施路径建议 380
5 高炉炼铁核心工业软件创新成果的国内外影响 381
5.1 国内影响 381
5.2 国际影响 382
5.3 未来影响展望 382
6 小结 382

第15章 冷连轧数字孪生与信息物理系统关键技术及核心工业软件 385
1 背景及意义 386
1.1 板带材轧制发展趋势 386
1.2 我国板带材冷轧控制软件现状与挑战 386
1.3 冷轧流程核心工业软件的重要性 387
1.4 研发冷轧流程核心工业软件的意义 387
2 主要内容及创新 388
2.1 冷连轧数字孪生与信息物理系统和软件 388
2.2 轧制过程数字孪生模型与多目标动态优化技术和软件 393
2.3 板形、厚度-张力CPS系统多机架多变量耦合优化和软件 398
3 核心工业软件在重点工程的应用及成效 402
3.1 唐钢重点工程应用 402
3.2 “一带一路”重点工程应用 402
4 发展轧制全流程核心工业软件的建议 404
4.1 钢铁全流程智能调控软件研发的必要性 404
4.2 钢铁核心工业软件研发的重点方向与技术难点 405
4.3 研究发展实施路径建议 406
5 板带材轧制核心工业软件创新成果的国内外影响 406
5.1 国内影响 407
5.2 国际影响 407
6 小结 408

第16章 生物制造装备系统与核心工业软件 411
1 研发背景及意义 412
2 主要研发内容及创新 413
2.1 大型发酵装备及协同控制软件 413
2.2 生物反应器及嵌入式软件 414
2.3 数据驱动的产品设计软件 415
2.4 数据驱动的质量调控软件 417
2.5 生化检测中的软测量及估计软件 418
2.6 多源信息融合的综合监控软件 419
3 重点工程应用及成效 421
3.1 规模化生物发酵装备及软件 421
3.2 连续化全自动分离装备及软件 423
3.3 智能化酿造装备及软件 425
4 创新成果的国内外影响 427
5 发展建议 428
6 小结 428

第17章 人工智能赋能经营管理类核心工业软件 431
1 经营管理类工业软件需求分析 432
2 国内外经营管理类工业软件产业发展现状 432
2.1 国内经营管理类工业软件产业发展现状 432
2.2 国外经营管理类工业软件产业发展现状 434
2.3 经营管理类工业软件发展趋势 435
3 核心工业软件技术或平台 436
3.1 以ERP为平台的资源计划类软件 437
3.2 以PLM为平台的业务管理类软件 438
3.3 以MES为平台的生产管理类软件 440
3.4 以OA为平台的运作管理类软件 442
4 重点工程应用及成效 444
4.1 航天领域重点工程应用案例：MWorks空间站系统级仿真 444
4.2 机械行业应用案例：共享集团数字化车间 445
4.3 石化行业应用案例：中科炼化4D精益施工管理系统 445
4.4 轨道交通行业应用案例：燕房线综合自动化系统 446
4.5 汽车行业应用案例：五菱汽车车桥厂MES系统 446
4.6 电子行业应用案例：某研究所数字化工艺系统 447
4.7 能源行业应用案例：斜沟选煤厂智能化解决方案 447
5 发展战略与展望 448
5.1 我国经营管理软件发展机遇 448
5.2 我国经营管理软件发展战略 449
6 小结 450

第18章 离散工业智能制造运维管控软件平台 453
1 研发背景及意义 454
1.1 离散工业智能制造运维管控软件研究现状 454
1.2 离散工业智能制造运维管控软件的研发意义 454
2 主要内容及创新 455
2.1 工业互联网下多机协同制造技术及系统 455
2.2 智能制造生产多要素管控优化技术及系统 462
2.3 船舶制造过程运维管控技术及系统 471
3 重点工程应用及成效 476
3.1 超大型工程机械智能制造管控系统设计与应用 476
3.2 超大型船舶制造车间智能管控系统设计与应用 480
4 发展战略与展望 485
4.1 我国智能制造管控软件发展机遇 486
4.2 我国智能制造管控软件发展战略及发展路径 486
5 小结 487

第19章 高端装备智能运维服务核心工业软件 489
1 背景意义及需求分析 490
1.1 背景意义 490
1.2 需求分析 492
2 国内外研究现状 493
2.1 应用领域方面 493
2.2 技术平台方面 494
2.3 国内外标准方面 496
3 智能运维服务体系架构 497
3.1 智能运维服务体系架构 497
3.2 PHM一体化设计平台 498
3.3 资源管理与调度系统平台 500
3.4 维护维修运行管理平台 500
3.5 安全与风险管理平台 501
3.6 知识库与智能分析平台 502
3.7 通用一体化基础平台 503
4 发展战略与展望 503
4.1 发展战略 503
4.2 未来展望：从技术赋能到生态引领的价值跃升 505
5 小结 506

第20章 工业控制系统信息安全类核心工业软件 509
1 研发背景及意义 510
1.1 国家战略需求 510
1.2 产业发展瓶颈 511
1.3 软件发展意义 512
2 主要研发内容及创新 513
2.1 现役工控系统安全监视与增强平台 513
2.2 工控系统安全威胁感知与响应平台 519
2.3 新一代工业控制系统综合安全平台 522
2.4 高端控制装备及系统的核心工业软件 523
3 重点工程应用及成效 527
3.1 电力工控系统安全防护应用 527
3.2 石化工控系统安全防护应用 527
3.3 内生安全关键控制系统SIS的工程应用 528
3.4 超大规模网络化高性能控制系统UCS的工程应用 529
3.5 应用成效 529
4 创新成果的国内外影响 530
5 发展建议 531
5.1 技术研发方向 531
5.2 产业生态建设 531
5.3 政策支持措施 532
6 小结 532

第21章 人工智能赋能工业软件创新与发展战略 535
1 背景意义或需求分析 536
1.1 全球制造业新趋势与发展战略 536
1.2 我国制造业现状与痛点 536
1.3 制造业“智造”新需求 538
2 国内外研究现状 540
2.1 工业软件的内涵与分类 540
2.2 国外工业软件发展现状 542
2.3 我国工业软件发展现状 543
2.4 工业软件自主创新面临的挑战 545
3 人工智能赋能工业软件前沿技术 545
3.1 AI驱动的工业软件新范式 545
3.2 AI赋能的工业软件架构体系 546
3.3 AI赋能的工业软件核心平台能力 547
3.4 AI赋能的工业软件关键技术基础 547
4 重点工程应用及成效 550
4.1 工艺数字孪生仿真模拟软件 550
4.2 工业实时优化平台软件 552
4.3 企业生产计划决策软件 552
4.4 工厂生产调度决策软件 553
5 发展战略与展望 554
5.1 技术演进趋势 554
5.2 构建工业具身智能体系 555
5.3 自主可控工业软件战略 555
5.4 推动产学研用深度融合 556
6 小结 556

第22章 自主智能无人系统核心软件技术分析与发展战略 559
1 背景意义与需求分析 560
1.1 总体背景 560
1.2 多领域应用需求 561
1.3 战略意义 562
2 国内外研究现状 562
2.1 国外研究现状 562
2.2 国内研究进展 564
3 无人系统核心软件技术与平台 566
3.1 基础软件层 566
3.2 功能软件层 568
3.3 工具链与平台 571
4 重点应用工程及成效 572
4.1 培育农业新质生产力 572
4.2 助力全场景智慧交通 573
4.3 拓展航天器自主能力新边界 573
4.4 引发汽车制造产线的柔性革命 574
4.5 构建全域作战新体系 574
5 发展战略与展望 575
5.1 国内外差距分析 575
5.2 发展战略与实施路径 576
5.3 分阶段目标 578
5.4 展望 578
6 小结 579

第23章 核心工业软件基础科学研究 581
1 研发背景及战略意义 582
1.1 研发背景 582
1.2 战略意义 585
2 国内外情况及存在问题 586
2.1 数学 586
2.2 物理 587
2.3 化工 588
2.4 机械 589
3 主要研发内容 590
3.1 数学 590
3.2 物理 591
3.3 化工 592
3.4 机械 593
4 研发基础 594
4.1 数学 594
4.2 物理 594
4.3 化工 595
4.4 机械 595
5 应用前景 596

第24章 核心工业软件的测试验证大型实验装置研制 599
1 背景及战略意义 600
1.1 项目背景 600
1.2 战略意义 601
2 现状分析 602
2.1 国内测试验证现状 602
2.2 国外测试验证现状 603
2.3 测试验证的重要作用 603
3 实验装置总体方案 603
3.1 总体架构与装置主体 603
3.2 技术路线与关键设施 606
3.3 大型实验装置的目标与主要功能 612
4 大型实验装置的研制基础 612
5 大型实验装置的应用前景 614

第25章 工业软件标准—复杂环境中工业软件规模化发展的隐形“命门” 617
1 工业软件标准的重要性 618
1.1 工业软件标准的关键作用 618
1.2 工业软件标准的战略锚点 620
2 工业软件标准的发展形势 621
2.1 技术融合驱动标准体系重构：从“单点规范”到“全链条协同” 621
2.2 标准化模式转型：从“自上而下”到“产学研用协同共建” 622
2.3 安全与可信：从“可选要求”到“准入门槛” 623
2.4 国际标准格局：从“被动跟随”到“主动参与” 624
2.5 标准化与人才培养形成生态闭环 625
3 面临的机遇和挑战 626
3.1 工业软件标准化的机遇 626
3.2 工业软件标准化面临的问题 626
4 推进工业软件标准化之路 628
4.1 产业政策方面 628
4.2 具体标准研制和应用方面 630
5 总结和展望 633