宁振波：软件持续发展的动力

讲工业软件，必须先讲软件。《软件工程通史》对软件发展作出了以10年为周期的若干阶段界定。由此可见，数学知识软件化历史与计算机历史同步发展。基本汇编语言是软件的早期形态，大约200个汇编/宏汇编语言软件被开发，其中100个用于军事/国防，75个用于科学。 软件一词于1956年在美国被正式提出，是指计算机程序及说明程序的各种文档。现阶段，软件发展存在以下五大趋势： ①计算技术重心转向网络化，互联网成为软件开发、部署和运行的平台； ②软件服务化趋势逐步以应用和软件产品为中心转移到以客户服务为中心； ③智能化趋势逐步由物理传感器状态感知分析向人类意识思维方向转变； ④操作系统、数据库、中间件和应用软件等相互融合，向一体化平台发展； ⑤大量创新技术、业态模式推动人类社会、国民经济各行业、数字经济市场快速发展。 1 工业软件发展历程 第三次工业革命诞生了电子数字计算机和软件，从这个意义上而言，电子数字计算机、软件、工业软件均为工业产品。然而实际上，电子数字计算机和软件的出现逐步将人类知识转化为软件，也称为人类知识软件化，如图1所示。

图 1 人类知识软件化趋势 高级编程语言为人类数百年形成的工业知识和技术能力插上软件的翅膀，工业技术软件化开始了万里长征第一步，工业技术（知识）融入计算机软件。PatrickJ.Hanratty1957年在GE工作时开发了一个由编制数控程序的CAM系统——PRONTO，据今在用的3D机械CAD/CAM系统中仍存在70％可追溯的原始代码。 由此可见，第一款CAD/CAM软件就是用于制造业数控编程。软件化知识意味着模块化、系列化、标准化、共享化、数字化知识，给予人类知识全新的属性和力量，让工业界基于知识加速进行产品创新。在产品创新中，将已经软件化的知识不断优化、重组和二次创新。 第二代工业软件成型及应用于1960-1979年，诞生了商用工业软件。随着CRT单色显示器能显示曲线，绘图机能绘制曲线，出现了计算机辅助绘图软件（CAD）。然而，初期软件程序员必须熟练使用汇编指令，编程过程耗时费力。高级语言出现，简化了编程过程，形成实用的软件功能。 此外，商用软件进入快速增长期，工业技术软件化自身发展在一定程度加速了基础知识软件化、软件知识工业化发展的脚步。例如，CAX软件研发不仅需要与工业需求相匹配，还需具备平面几何、立体几何、曲线曲面计算、算法与恰当的图形显示表达等方面知识。因此，该时期CAD属于辅助设计软件。

图2 工业发展和工业软件进程 从第一款CAD软件研发后，一系列CAD软件纷纷面世。工业技术软件化伟大进程在CAD软件与技术发展脉络中可见一斑，如图2所示。计算机辅助工程（CAE）软件也是在大量工业需求下出现的产物。第一套通用型有限元分析软件是为了满足航天航空工业对结构分析的需求，美国国家航空航天局（NASA）阿波罗登月计划目的是实现载人登月飞行和对月球的实地考察，为载人行星飞行和探测进行技术准备。因此，诞生了NASTRAN和I-DEAS（集成化机械设计与工程分析系统）软件。 开发CAE软件是为了利用计算机辅助技术，求解航天、航空工程中复杂产品的结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触等问题，后续发展为解决大绕度、大应变、粘弹性、蠕变、流体、电磁等复杂非线性问题，及对嵌入式系统软件进行代码验证、模型验证、硬件在环综合验证等系统仿真问题。 通过上述软件发展过程可见，第一个CAD软件是为了满足数控加工需求，第一个CAE软件是为了满足航天航空复杂产品需求。工业技术软件化完全是由工业的内生需求牵引和驱动的一场工业领域研发与生产工具的伟大变革，为研制与创新工艺品提供了一种新能力。由此可见，工业需求牵引是工业软件开发的动力，工业软件的核心是长期积累的产品设计知识、工艺知识和生产制造知识。 计算机出现后，可将多年积累、反复验证后的工业知识转化为工业软件，将人的知识转化为机器知识。世界工业软件发展的最佳案例就是Francis Bernard开发的CATIA，奠定了世界工业软件排名第一的辉煌。 工业技术软件化，工业知识技能至关重要，数学方法、软件工程思想应用也必不可少。例如，世界上第一枚二极管、三级管和集成电路都来自于贝尔实验室，第一台数字计算机、软件概念、人工智能概念均为美国创造。因此，必须清醒认识到： 工业创新才是中国工业软件的核心，缺乏工业和制造业创新就无法产生自主研发的工业软件。 2 从亚当·斯密《国富论》看现代工业体系分工 亚当·斯密《国富论》中的分工理论系统阐述了劳动分工对提高劳动生产率和增进国民财富的巨大作用。回顾计算机发展历程，1946年世界第一台电子数字计算机ENIAC只有硬件，没有软件和操作系统，后来研发出软件，发展至今一直沿用冯·诺依曼体系架构。 2.1 硬件架构分工 1965年前，每台计算机操作系统均为IBM360系列，标志着计算机工业化开始。1981年出现个人PC计算机，配置8088 CPU和存储器，外设包括CRT、键盘、软盘和打印机。随着计算机性能要求不断提高，数学处理器8087协处理器（Co-Processor）产生。由于在开发CAD时发现，确少8087协处理器将无法支撑大规模CAD计算，因此形成了8088CPU和8087协处理器分工，如图3所示。