深度：獨家解密工業4.0真正圖謀？跟蹤軟體帝國的十年

來源：知識自動化

要理解工業4.0，就避不開對西門子的研究；而要看懂西門子，不要去要看它的硬體，而要去看它的軟體。數字化工廠只是水中花，真正的花朵不在你眼前，而在你身頭。德國安貝格和成都的數字化工廠的示範，沒有必要去看，看明白也沒用。你在現場越是歡喜越是敬畏，回頭靜思的時候，你就會越發沮喪——即使所有的硬體都賣給你，你也無法重新複製。它需要一顆數字心臟，這是根本。

從西門子的視野來看工業4.0的未來，數字化世界的生態邏輯，優先順序遠遠高於物理世界；人機互動（包括浸入式現實）使得所有物理世界的事情，基本在虛擬世界完成；而在物理世界，不過進行了實際的驗證、生產、反饋和實施。驗證即生產，實體即資料，這就是西門子整個生態體系下衍生出來的工業4.0命題。

西門子視野照中的工業4.0

2015年9月，西門子在一年一度的PLM（產品全生命週期管理）分析師大會上，西門子執行長Kaeser進行了題為“數字改變常態”的主旨報告，描述了數字化橫掃一切的力量，不僅會改變商業模式，也會不斷產生顛覆性的力量。在未來，使用者會高度參與到生產中去，甚至消費者叫做“生產型消費者Prosumer”（production consumer的複合詞）。為了應對數字化的力量，形成資訊物聯絡統（CPS）的閉環生態體系，Kaeser宣稱西門子自從2007年，在數字化軟體服務領域投入了將近40億歐元費用。

為什麼西門子最高執行官會參加一個看上去普通的PLM分析師大會？顯然，這是頂層意志的表達，這是對戰略根基最好的註腳。一直作為西門子首席戰略官Kaeser心裡很清楚，PLM為代表的數字化，是西門子撬開未來的真正的敲門磚。這是西門子最重要的戰略。

西門子的硬體世界實在是很輝煌，是自動化和電氣控制處於幾乎霸主地位。在未來工廠的物理世界中，要實現智慧工廠，一定要通過混線和換模實現生產線產品多樣化。這需要藉助整個生產過程中的自動化平臺（西門子在2009年已經實現全整合自動化平臺TIA的整體融合），通過大量的資料檢測點和採集系統，來精確控制工位上的裝置，實現一條生產線生產多種產品。而這一切，都需要有高度的數字化模擬的能力。

對於西門子而言，這在虛擬世界已經全部實現；而且現場資料可以立刻產生反饋，對虛擬世界形成回饋，並著眼於改善虛擬世界的方案；與此同時，現場的大資料分析，對裝置維護和預防診斷，自動形成決策性方案，以圖表和報告方式，反饋到決策者的桌面上。這就是“驗證即生產，實體即資料”。

3D虛擬現實

展望未來，西門子在CPS的世界中，C界構造了軟體PLM閉環，P界則有強大硬體TIA（全整合自動化平臺），憑著C界和P界強大的優勢，已經完成了CPS的全平臺軟體與硬體的支撐；往前走一步，工廠的建設、基礎設施繼續採用虛擬進行模擬；往後走一步，使用者的裝置維護也在數字化世界中進行分析和維護。至此，整個閉環生態系統已然形成。

十年併購之路才等到工業4.0

在西門子2020的遠景中，真正大放異彩的其實是軟體部門，也就是西門子PLM事業部。我們需要極大的耐心和敏銳，回頭去梳理過去的十年，這個跟西門子憑空——真的是白手起步——構建的數字帝國，是如何一步步通過併購來實現的？

2007年收購美國UGS，是西門子戰略佈局的巔峰之作。它在數字世界中獲得了三項舉足輕重入場券：NX作為3D設計軟體的三大頂級產品之一；Teamcenter是資料管理PDM的核心，Tecnomatix是數字化工廠裝配。前兩者，構成了今日西門子世界最為重要的根基。

2008年收購了德國的Innotec，是虛擬工廠建設的一個重要事件，這代表這虛擬工廠的廠房佈局和規劃，與實際工廠的執行資料進行預先模擬，成為可能。

西門子的軟體併購路線圖

2011年到2012年進行了眼花繚亂和雜亂無章的收購：Vistagy，IBS，VRcontext，PCS成本控制系統，從不同角度補齊了西門子的軟體能力。2013年收購LMS，使西門子進入了模擬與測試系統。此時收購的軟體，要麼是通用模擬與測試軟體，要麼是專業工程軟體，充滿了知識與資料的結合。這裡最有想象力的是對於比利時公司VRcontext的收購，這是面向3D視覺化的開始。西門子試圖在虛擬設計工廠軟體中，採用浸入式現實（VR）來實現人機的互動。想象一下，如果一個設計人員像打遊戲一樣，闖進了自己設計出來的3D工廠，在虛擬世界進行檢視是否漏氣漏水——這將是一個多麼奇妙的世界；而對於合作多年的Tesis軟體的收購，則是一個激動人心的平臺野心。Tesis可以跟SAP軟體、Oracle資料庫無縫整合，從而粘合了各種資料縫隙。這個平臺上，正在試圖容納下所有的軟體巨人。

2014年年底西門子成功收購了Camstar，這是另外一個里程碑的併購。儘管Camstar在電子製造業有非常好的MES系統，但西門子看重的不是MES系統，Simatic IT已經有足夠的能力應付。真正重要的是Camstar具有的大資料分析，這是西門子最為看重的一張牌。隨後，2015年6月， Omneo PA效能分析軟體被正式推出，拉開了西門子大資料與雲服務的大幕。

工廠級的大資料效能分析

至此，西門子跟死對頭GE公司，在大資料戰略方面的防禦戰，基本告一段落，可以說徹底鬆了一口氣。在GE工業網際網路的理念中先進分析Adavance Analysis，具有舉足輕重的地位；2013年在工業4.0最早的體系闡述中，大資料是短板。因為無論是工業4.0頂層框架中對於大資料的定位，還是西門子自身的優勢，都非常不充分。然而，在擁有了Camstar對於工廠現場資料強大的分析能力，西門子終於補齊了這個短板，真正成為網際網路公司的海量資料分析的殺手級玩家。而且，在數字化工廠的世界中，西門子手中的牌，要比GE多得多。

而這一切，都始於2007年對UG進行的35億美元的收購；當時西門子另外一個大手筆就是將西門子VDO汽車電子以114億歐元賣給了另外一家德國公司。一軟一硬的交換，徹底改變西門子今後的版圖。從此，西門子開始了“軟”征程，最終成就今日之“數字化工廠”的帝國。如果考慮到西門子在隨後10年期間，對硬體的收購幾乎並無特別的進展——除了當時收購上海APT開關廠還引起了一些小小的國民情緒騷動，西門子“軟”併購和“硬”自發展的策略，得到了巨大的成功。

而這件事，必須要提到功臣Anton Huber先生。他在2007年主導了對UGS的收購，成立了PLM事業部，隨後成為工業自動化集團的獨立戰略單位。然而2013年新上任的西門子新總裁Kaser顯然認為這仍然不夠突出，將PLM繼續向上拔出來，成立了數字化工廠集團；Huber自然成功上位，成為數字化工廠集團執行長。

90億歐元的數字化集團掌門人Huber

然而這個整合之路，並非容易。早在2010年PLM大會上，Huber就指出，軟體在產品設計、數字化製造與生產系統、自動化系統的整合關係，IA面臨著跟SC感測器、CS控制、AS自動化系統等整合的難題。在那個時候，用於產品管理的PLM全生命週期軟體，加上基於硬體自動化管理系統的TIA全整合自動化平臺，已經有了開始對視和呼吸的能力。CPS的映象世界，已經像米開朗琪羅手下的大衛像，呼之欲出。

終於，號角吹響了，2013年德國工業4.0橫空出世。這簡直就是給西門子量身定做的外衣，披上德國國家戰略的形態，橫掃德國和中國。從此，如果概念上的戰略疑雲被一掃而空，沒有什麼可以限制西門子進行整合的手腳了——工業4.0就是那至今仍然狂刮不止的大風。

為了進一步強化客戶構建數字化企業的能力，從2014年10月起，作為嫡系部隊，西門子主導開發的Simatic IT MES解決方案，也全部被併入Siemens PLM團隊。這是對當年UGS嫁進豪門的一個遲到的承認，是對UGS這個光芒四射的明星的補償。PLM事業部一直是流浪者的大籃子，盛滿了西門子近年多情四處搭訕的外部種子。這次，大籃子終於露出了數字帝國的崢嶸之象，PLM事業部開始整合一切了：因為，數字化改變一切。

數字化擁抱一切

而下一步，在平臺的基礎上，入口與各種APP應用，將成為西門子數字化的重點。2015年9月PLM大會上，西門子繼續高調推廣Active WorkSpace，這是一個使用者工程師高度友好的介面，統率所有資料的，使得使用者隨時可以檢視各種各樣的資料，從設計到製造，從執行引數到決策分析。搶佔入口，成為西門子網際網路思維全新的發力點。

當工程師遇到數學家 開啟CAD核心的奧祕

如果一個產業要尋根，就會發現一個萬千世界，最後會聚焦到一個點上。

圖| 圖為北京鳳凰國際傳媒中心，由Autodesk的軟體產品設計而來。國內眾多知名建築都採用歐克特的BIM（建築資訊化模型）

“一沙一世界”，一世界滿眼千秋，亦不過是投射到一粒沙芥。當下，作為工業主流的數字化設計與製造，都需要用到CAD（計算機輔助設計）這樣的工具。而CAD的基礎底層支撐，就是通用幾何造型平臺，也可以稱之為幾何核心。作為實體造型的關鍵引擎，許多CAD供應商，都會通過購買或者自研的方式，往上建立自己的CAD功能。

然而從萌芽開始，四十年過去了，這個世界卻籠罩在數學家的神話之下。

而這個世界，仍然無比地狹小。這是一個拿著放大鏡也找不到的利基市場。而它卻是萬神之殿的基座。

天才工程師的兩枚金蛋

幾何造型平臺是CAD軟體最核心的基礎部分，通常稱為幾何核心，或者叫做幾何引擎。一般目前的CAD系統都會提供引數建模方法。

圖| 劍橋大學

這是一個關於數學家傳奇的故事，英國劍橋大學是那個時代最璀璨的光亮之地。劍橋大學CAD實驗室的Ian Braid在1973年完成了實體造型的博士論文之後，和導師Charles，以及同窗Alan創辦了Shape Data公司，隨後開發出第一代實體造型軟體Romulus。

1981年一家美國公司買下工程師的公司，著手開發美國版權的第二代產品，也就是後來大名鼎鼎的幾何引擎Parasolid。1988年美國CAD供應商UG，買下Parasolid，將它融入UG整合系統中，變成一個實體和曲面造型通用幾何平臺。

與此同時，Parasolid也作為一個單獨的核心產品，為其他CAD軟體開發商提供高質量的、世界一流的幾何造型核心功能。

這個幾何核心的故事，本來可以到此結束了。

然而神人永遠不會停止折騰。1986年，Ian被找上門來的美國Spatial Technology公司說的心頭髮癢，再次開發了第三代面向物件的實體和曲面通用平臺ACIS：ACI分別是三位大仙Alan Grayer，Charles Lang和Ian Braid的名字字首，而S則取自實體（Solid）的字首。由於ACIS採用了面向物件的資料結構，並採用了C++程式設計，使得演算法大為改進，它的執行速度是第一代Romulus的4~20倍，是第二代Parasolid的2~6倍。

除了技術先進性之外，ACIS還採用了一種有效的商業模式：那就是鼓勵各家軟體公司在ACIS上開發，並與STEP標準相相容的整合製造系統。凡是在ACIS上開發的CAX系統都有共享的幾何模型，相互可以直接交換產品資料。ACIS構成了這些系統的幾何匯流排。這樣一來，信徒大增。

神劍再次成功出鞘。

1989年ACIS上市後，影響巨大。很多CAD公司都紛紛或者採用ACIS核心，或者採用了它的思想改進了自己的核心。例如法國的Euclid-S、CATIA以及美國的Intergraph、I-DEAS都紛紛跟進，採用這種面向物件的思想進行改進。最重要的事件發生在1993年，Autodesk與Spatial Technology簽約，在ACIS平臺上開發出MDT三維引數化特徵設計系統，成為ACIS的最大使用者。

核心不等於CAD：沒有UG，就沒有幾何引擎

然而，對於幾何引擎，卻有一個極大的誤解，以為先有幾何引擎，後有之上的CAD軟體。幾何引擎本來並不存在，它是藏在CAD裡面。

達索航空公司，把CAD部門獨立出來，並起名叫做CATIA的時候，還沒有幾何引擎的概念。從麥道公司發展出來的CAD軟體商UG，以及Autodesk的MDT，都沒有幾何引擎的概念。所有的系統模組都放在一塊。同樣，後來靠引數造型而名聲大噪的PTC也沒有這些概念。

是UGS在發展自己的商業策略所採用的方針，使得Parasolid幾何引擎成為一個獨立的概念，隨後甚至發展出來一個很小的利基生意。

最早UGS的CAD也是跟幾何引擎攪在一起，後來逐漸將核心方面的工作外包給ShapeData公司。這意味著，Parasolid一開始就是兩條腿獨立走。UGS只是在外包體系中使用Parasolid的團隊，Parasolid也允許使用UG提供的一些反饋所豐富的功能。這意味著，UG在相當長的時間裡，一直是負責Parasolid的“測試工作”。

這種脣齒相依的關係到了一定的程度，幾何引擎，也逐漸達到了產品級的應用成熟度。一段時間之後，UG和Parasolid已經密不可分了。最後UG索性，將Parasolid購買了過來。

沒有UG，就沒有Parasolid，就沒有“幾何引擎”的說法。

核心陣營開始分化

雖然很重要，但市場很小，核心公司單獨存在是無法存活的。2000年Spatial被達索系統收購。歷經14年之後，著名的幾何建模核心ACIS終於歸到了大型CAD廠商手中。

跟它的前一代幾何核心一樣，嫁個大戶人家，是最好的選擇。

然而，在此之前，CATIA跟ACIS一點關係都沒有。CATIA是土生土長的核心。高傲自負的法國人一直在為CATIA完善自己的幾何造型引擎，從原來的曲面造型到後來的基於BRep的實體造型。甚至，CATIA也沒有購買通用約束求解器，而是自己開發。

直到後來，CATIA決定把底層部分獨立出來，單獨做生意。達索也是花了好幾年時間，才把所謂的幾何核心獨立出來，就是CGM。

因此，購買ACIS，對CATIA而言，主要出於商業需要和資料交換。

如此一來，Parasolid和Acis分別被西門子、達索控制著，已發展為巨大的深坑，併成為兩個大的陣營。

AutoCAD、MDT和Inventer、Microstation均採用ACIS幾何造型器為核心。而UG、SolidWorks、SolidEdge則採用Parasolid幾何造型器。

在這些三維CAD的實體幾何造型核心中，老將Parasolid和Acis是幾何建模系統的兩棵老根，由於一開始就相對獨立發展，比較著名，也成就了一代又一代的CAD廠商；加上達索的CGM，是市面上能買到的三款商業化幾何引擎。

但是大的CAD軟體公司，一般都是有自己的核心的。除了CATIA之外，開創引數建模時代的PTC，其核心Granite也是獨成一派，主要是自己使用。這是一個情節不斷翻轉、充滿了八卦的故事。當年日如中天的CAD公司如CV，也有自己的核心，但在轉向引數化實體造型方面不成功。從CV“離家出走”的高管建立了PTC，大獲成功，反手倒是收購了CV。

圖| PTC總部

幾何引擎讓CAD市場充滿了猜忌與陰謀

Parasolid被賣之後，Braid等人重新做了一個公司，繼續做核心生意。這讓後起之秀SolidWorks得到了很好的機會，它最初給投資者的版本，正是以ACIS為基礎的。

但有了投資之後，就開始測試Parasolid和ACIS。幾個月之後，換成了Parasolid。儘管ACIS功能表跟Parasolid看上去差不多，但實戰不行。前面提到，儘管ACIS是第三代幾何引擎產品，實驗室效能甚至更優，但它自從誕生後，沒有一個大公司，願意像當年UG那樣，如此緊密地對ACIS進行捆綁。所以ACIS的市場佔有率，一直低於它的前一個版本Parasolid。這充分證明了一點，在工業軟體CAD\CAE\EDA領域，沒有互動的工程使用者反饋，任何工業軟體都不可能發展起來。

然而，作為UG的競爭對手之一，SolidWorks一直活在“杯弓蛇影”的猜忌之中。如果UG將來不肯賣Parasolid，那該怎麼辦？這是一個若有若無的陰影。而這個問題的解決，要來自更大的傢伙。1997年達索以3.1億美元，收購了SolidWorks。

這次輪到達索進行猜忌了，Parasolid在UG的手中，對Solidworks而言，是一個巨大的威脅。2000年，達索決定出手，戰略性地收購ACIS所在的Spatial Tech公司，為SolidWorks也提供一個備選的安全保障。從這裡開始，達索才開始跟ACIS有了交集。

隨後達索將自己的核心CGM和ACIS，都放在Spatial公司之下。

然而這次收購，又驚動了另一個巨頭的利益。正在使用ACIS作為核心的Autodesk的Inventor，也感受到了同樣巨大的威脅。

非常警惕的歐特克，為了避免受制於達索，用反壟斷為法律手段，開始跟達索打官司。拉鋸的結果是，達索可以擁有ACIS，但歐特克擁有隨時購買ACIS原始碼的權利。有了這個條件作為限制，達索隨後順利完成收購ACIS。

圖| 獵鷹8X遠端公務機，搭載了達索FalconEye視景結合系統

幾年以後，歐特克迅速地使用了這個權利，掏錢購買了ACIS的全部原始碼，也就是ACIS R14版本。隨後Inventor在此基礎上，經過多次版本的迭代。應該說，歐特克的幾何核心，雖然源自ACIS，但跟原來的版本，已經區別很大。也可以認為，歐特克已經擁有了自己的核心。

開源還有一顆獨苗

一款開源的OpenCasCade，是一棵奇特的幼苗。

成立於1964年的法國馬特拉公司MATRA的Euclid系統，也有自己的核心，主要是曲面造型。為了和PTC抗衡，開發了Cas.Cade新一代核心。現在在華天的一個總工，當年就負責基於Cas.Cade的新一代CAD系統Euclid Designer的開發。彼時中國航天對它的理念非常欣賞，認為符合航天設計需求，可以從老的Euclid平穩過渡到新的Euclid Designer。可惜，最終馬特拉被達索併購了，整個新一代系列基本停止開發了，曾寄予厚望的航天，也只好逐步轉向了Pro/E。

達索與馬特拉合併後，並沒有吸納所有的研發人員，也沒有說要如何用Cas.Cade，只讓剩下的人員成立了一個公司。這部分團隊，索性將其變成開源，按照全開源（LGPL）協議進行管理。程式碼主要還是由法國團隊管理，但是在俄羅斯有一個較大的團隊，進行應用定製開發。雖然這並不是達索所期望的局面，但是已經晚了。最近幾年版本更新比較快。在此核心的基礎上，開發出一個開源CAD系統FreeCAD。目前國內也有運用OpenCasCade的社群，開發些小系統。作為開源的幾何引擎，做成商業CAD軟體的開發難度不小。

造不如買，再次毀掉商業化機會

擁有高水平的核心，是發展自主CAD/CAM/CAE和的核心工作。然而，世界上幾何引擎不多了，基本處於壟斷地位。中國人手裡的中望的Overdrive核心（本來是美國VX CAD的核心，2010年被中望收購）和華天的CRUX IV（華天CAD系統SV的核心）等。

然而，這件事情完全不能商業化。例如中望，也曾經考慮做一套更商業化的核心。然而市場需求並不支援。最大的幾何核心Parasolid一年的生意，也就是3000多萬美元。如果做核心，跟Parasolid去競爭，是不可能活不下去的。

出於商業上的原因，西門子的UG，對於出售給中國核心，一直都不是太熱心。於是中國很多專案，只能二選一，一般都是在跟Spatial公司進行合作。儘管ACIS的價格很高，但國內CAD廠商都只能讓步。

圖| 70年代高校計算幾何協作組成員

中國有了自主的核心是個振奮的資訊。但是，單獨研發CAD幾何核心是沒有太大市場的，需要與三維CAD軟體系統整合起來做。實際上，國內的CAE和CAM可以用國內的核，共同開啟市場。當然這只是一個假設。在中國誰都有生存壓力，“造不如買”。無論是幾何核心，還是約束求解器，都可以是核心共性技術，但沒有一家廠商能負擔得起。最後只能是一盤沙子。

中國CAD行業著名的專家、當時中國工程圖學學會理事長唐榮錫，在2000年還曾經雄心勃勃地行業喊出“幾何造型平臺振興”的口號。按照唐老的看法，高水平的通用幾何造型平臺是發展CAD軟體產業的一級火箭助推器。而在當時，中國許多CAD公司，正在藉助CIMS和甩圖板的東風，蓬勃發展。跟國外的差距不是沒有，但看上去還能看得見、夠得著。

然而，幾何核心，是從眾多成功的工業軟體功能中萃取得來的。沒有成功的研製優秀CAD軟體的基礎，就談不上研製幾何平臺。而對於軟體公司，要想在市場競爭中活命，就不能採用先進、流行的通用平臺，因為不但耽誤進度，甚至會勞而無功。

這像不像一個死結？在西方，主流CAD都是脫胎於航空業，波音公司、達索公司，都給了那些CAD軟體廠商足夠的機會、充分的反饋，這才使得國外的CAD廠商逐漸壯大。而在中國，急功近利、追求速度的中國製造，從來不會給上游軟體供應商的機會。要麼出彩，要麼出局。缺少來自使用者端的悉心呵護和戰略性扶持，是中國CAD、CAE以及EDA在發展路程上的最大死結。

錯失的就不會再來

唐老甚至在2004年建議行業，不要將自主研製的開發平臺的目標，定位在類似於 ACIS、Parasolid 的幾何平臺產品，而是要將目標確定為建立新一代的功能特徵平臺，以功能特徵為操作物件，使得新一代平臺必須兼顧幾何和功能兩大方面。這是一個更高的志向。

現在回想起來，本世紀初的幾年，正是中國自主CAD還方興正艾的時候，很多企業都躍躍欲試地要做幾何核心。結果是都鎩羽而歸。在十五時期，大家普遍誤解，以為幾何核心就是CAD系統。這是歷史天空下的誤解。隨之而來的相應決策，也是失誤的。

近20年過去了，隨著國外CAD、CAE廠商的市場佔有率超過95%，高階CAD比例更高。唐老的夢想，已經成為不可實現的願望。

當務之急，還是先要把CAD市場做大做活起來。以手機舉例來看，華為去做手機晶片是合理的。因為他有足夠的體量和自有市場做支撐，當然更是因為有足夠的資金。至於其他小手機廠商，還處於解決生存問題階段，能抓住一個細分市場存活下去才是他們的主要目標。談做晶片，是不可想象的事情。國產CAD核心，是能打破國外壟斷的潛在希望，就像華為的麒麟晶片一樣，是一燭跳動不已的小火苗。

小記

佈雷德等三人從1970年起，直到2000年7月5日法國達索系統公司簽約以2,150萬美元現金收購ACIS業務，三人決定退出ACIS，也退出了幾何核心領域。閃耀了一代人的星空開始暗淡。整整30年，這三個天才工程師科學家的主要精力，都集中在實體造型平臺的開發和完善上，也照亮了其他幾個CAD公司的探索之旅。它把後來所有通用幾何造型平臺要走的路，都幾乎探索完畢。

數學家和工程師相結合，正是幾何核心四十年不敗的傳奇魅力。

未來智慧實驗室是人工智慧學家與科學院相關機構聯合成立的人工智慧，網際網路和腦科學交叉研究機構。

未來智慧實驗室的主要工作包括：建立AI智慧系統智商評測體系，開展世界人工智慧智商評測；開展網際網路（城市）雲腦研究計劃，構建網際網路（城市）雲腦技術和企業圖譜，為提升企業，行業與城市的智慧水平服務。

文|林雪萍   來源：人工智慧學家