石油化工行業工業軟件趨勢探析及發展路徑研究

高立兵

（石化盈科信息技術有限責任公司，北京 100020）

工業軟件是工業技術長期積累、沉淀并在應用中迭代升級的軟件化產物，是工業化成熟度的體現。工業軟件已經成為支撐現代產業體系發展和創新的工業之魂。工業軟件正從產品、技術、業務形態、產業發展模式等多維度重塑工業體系，現代工業正從“以裝備為核心的工業”向“以軟件定義的工業”轉變[1]。

石化工業是國民經濟支柱型產業，經濟總量大、產業鏈條長、關聯覆蓋廣。當前，加快發展自主可控的石化工業軟件具有重大戰略意義，已迫在眉睫：一是保障石化產業鏈自主可控的重大舉措。全球新冠病毒疫情加速了產業鏈深度重構，市場供需兩側不確定因素增加，產業鏈供應鏈安全穩定是構建新發展格局的基礎。當前，我國石化研發設計類軟件高度依賴國外，歐美產品占據價值鏈高地，形成產業化壟斷，存在“卡脖子”風險，制約著產業未來的發展[2]。二是推進石化工業高質量發展的戰略需求。經過數十年發展，我國已躋身世界石化大國行列，煉油和乙烯產能均位居世界第一位[3]，但與實現“雙碳”目標下的高質量發展要求相比，在原始創新能力、產業結構調整、綠色安全水平等方面仍存在一定差距，面臨高端化、綠色化、智能化發展需求。石化工業軟件將成為優化石化工業生產與管理流程、變革生產方式與生產關系、提升全要素生產率、促進先進石化工業技術轉化及溢出的直接動力和重要支撐。三是實現石化科技高水平自立自強的必然選擇。2021 年10 月21 日，習近平總書記考察調研勝利油田時強調：“石油能源建設對我們國家意義重大，中國作為制造業大國，要發展實體經濟，能源的飯碗必須端在自己手里。”繼續依靠引進別國技術謀求發展已經行不通了，迫切需要發展核心工業軟件，特別是研發設計類軟件，提升正向研發設計能力、自主創新能力，掌握發展主動權。

本文首先介紹了石化工業軟件概況以及石化研發設計類軟件存在的“卡脖子”風險，分析了我國石化工業軟件發展存在的問題，然后闡述了國際上石化工業軟件的三大發展趨勢，總結了艾斯本和劍維兩家公司的發展歷程，最后提出了對新時期我國石化工業軟件發展路徑的三點思考。

一、石化工業軟件概況及存在的問題

（一）石化工業軟件概況

本文研究的工業軟件聚焦在石油化工（簡稱石化）行業，包括煉油、石化、化纖等，不包含油氣勘探開發、地質工程、鉆井工程等上游業務的專業軟件。

據估計，我國石化行業工業軟件市場規模約占國內工業軟件市場規模的10%，包括上百種軟件，可以從兩個維度來刻畫，如圖1 所示。橫向是業務維度，包括工藝研發、工程設計、工程建設、生產運營等，覆蓋石油化工核心業務范圍；縱向是ISA95 關于企業信息系統和控制系統的架構分層維度，從下往上包括過程控制層（PCS）、生產執行層（MES）以及經營管理層（ERP）等。

圖1 石化工業軟件全景圖

王子宗等將石化工業軟件分為五大類，即基礎及研發設計類、生產管控類、供應鏈物流管理類、資產管理類和經營管理類，研究分析了國產石化工業軟件的市場和成熟度情況，編制了國產石化工業軟件成熟度圖譜、供應商圖譜、短板清單等。文獻進一步研究分析了石化工程設計軟件[4-5]、流程模擬軟件[6-7]、資產績效管理軟件[8]的技術發展和應用情況。

（二）我國石化工業軟件發展存在的問題

當前，我國石化工業軟件高度依賴國外，一是生產控制類軟件，如安全儀表系統、先進過程控制、在線實時優化、實時數據庫等軟件，存量的高端市場國外產品占80%以上，一旦受到外方攻擊、斷供或不授權使用，石化工業生產將面臨重大安全隱患和停產風險。二是基礎及研發設計類軟件，如物性數據庫、流程模擬、工藝設計、三維工廠設計等軟件，歐美產品占據價值鏈高地，產品占比90%以上，存在嚴重的“卡脖子”風險，制約了產業未來的發展。

造成我國石化工業軟件薄弱的核心原因，與我國工業軟件整體發展問題有共性之處，如對工業軟件的戰略性認識不足、創新環境和市場機制有待完善、技術成果轉化體系不健全、工業軟件人才匱乏等[9-10]。同時，作為細分領域，石化工業軟件發展中也存在一些特有的問題。

1.缺乏對基礎研發設計軟件的布局

當前，石化基礎性和研發設計類軟件仍然是最薄弱環節。此類軟件研發難度大、周期長，需要持續投入。軟件企業一般會選擇避開對這些基礎性軟件的投入。

2.國外供應商構筑起三大壁壘

三大壁壘包括：技術積累形成“累積效應”壁壘；平臺化構成“生態效應”壁壘；軟硬捆綁、轉換成本巨大構成“鎖定效應”壁壘。

3.我國石化工業軟件企業處于產業鏈低端

國內石化工業軟件企業的規模普遍小而散，在資金投入、人力儲備和技術積累方面都不足，多采用項目定制開發，還沒有形成統一的軟件架構和標準規范。

4.企業用戶不愿意使用國產軟件

軟件具有贏家通吃的特征，由于國產軟件在功能、性能和成熟度等方面與國外產品還有一定差距，企業用戶不愿意承擔相應的風險，新研發的國產石化工業軟件難以獲得工程應用和市場機會。

二、石化工業軟件發展趨勢

（一）軟硬一體化

工業軟件的演進就是“大魚吃小魚”的過程。從20 世紀90 年代以來，收購和兼并成為國際自動化企業擴張和數字化轉型的一個重要手段。進入21 世紀以后，工業軟件的重要性日益凸顯，工業軟件成為自動化巨頭下半場爭奪戰的關鍵。西門子、施耐德電氣、愛默生、霍尼韋爾、海克斯康等工業硬件巨頭，紛紛加快并購優質工業軟件企業，與自身的工業自動化、工業測量等拳頭產品形成軟硬一體的解決方案[11]。市場占有率靠前的商業流程模擬軟件全部被工業自動化頭部企業收購，詳見表1。

表1 國際工業自動化企業收購流程模擬軟件情況

收購和兼并不外乎幾個目的：一是為了市場的本地化，間接提高市場占有率；二是為了規模的快速擴張，形成協同效應；三是為了盡快充實自己的產品線，獲得上游或下游的更多控制權，減少產品從研發到上市的時間；四是通過收購和資產剝離向“軟實力”發展，如GE和西門子向工業軟件企業轉型。

（二）集成化

德國工業4.0 提出了端到端、縱向和橫向三個維度的集成。通過分析國際流程工業自動化企業收購兼并案例，可以清晰地看出其普遍圍繞三項集成，打造一體化的整體軟件解決方案這一趨勢，這也是國際工業企業完善其工業軟件產品線的基本邏輯所在。

1.工程數據生命周期管理端到端集成

基于各自軟件產品的互補性，國際領先的供應商，如艾斯本與海克斯康、西門子與本特利、達索系統與ABB、劍維與騰訊等結成戰略聯盟，面向流程工業提出了“一體化工程”解決方案。該方案從單學科的專業軟件產品發展到多領域整合、多專業協同、多業務流程銜接的軟件生態體系；提供從概念設計、基礎設計、詳細設計、工程采購、施工到數字化交付的一體化工程解決方案，實現工程數據生命周期管理端到端集成；徹底打通工廠生命周期的數據流，為工廠的運營維護提供準確、完整的數據底座，從而提高設計效率、降低風險，實現資本項目的投資回報最大化。

一體化工程設計由兩大部分組成：統一的生命周期仿真平臺（一個模型）和一體化工程設計（一個數據庫）。二者共同構成強大的工藝模型與數據庫，能夠在一個平臺上對一維、二維和三維的數據流進行雙向同步。穩態及動態同步工藝模型與工程設計數據庫的雙向整合，使過程能夠無縫銜接，實現數據的直接傳遞。

2.計劃調度與過程控制的縱向集成

計劃調度與過程控制的縱向集成是指通過煉化一體化價值鏈表征及全廠多單元動態優化技術，將物料和質量平衡模型與動態的APC 模型結合起來，構建計劃調度、經濟目標與過程控制縱向集成，實現面向煉化產品價值鏈的多單元動態優化，如柴油產品價值鏈、芳烴和汽油產品價值鏈等，真正做到優化目標從上到下、從全局到局部的層層分解和動態控制。

例如：艾斯本的通用動態優化技術（GDOT）將計劃的基本模型與APC 經驗模型相結合，同時保留了模型的一致性，通過使計劃/調度目標與實際運營保持一致，縮小計劃與實際之間的差距；KBC 公司的動態實時優化（D-RTO）解決方案對流程模擬平臺Petro-SIM、先進控制（PACE）、供應鏈調度軟件（VM-SCS），以及雪佛龍公司的分布式遞歸LP 軟件（PETRO）進行集成，提供集成化的動態實時優化；劍維公司的實時優化解決方案集成了實時優化平臺（ROMeo）、先進控制（SIMSCI APC）以及供應鏈管理套件（Spiral Suite）；霍尼韋爾的工廠級優化解決方案包括全廠優化（Honeywell Forge Plant-Wide Optimizer）、先進控制（Forge APC）以及動態優化執行器（Profit Executive）等。

3.供應鏈管理橫向集成

供應鏈管理橫向集成是指通過一體化的企業級供應鏈管理平臺實現覆蓋原油采購、生產計劃、生產調度、分銷網絡等供應鏈環節的橫向集成。該集成支持各部門的協同工作，不同角色的用戶均可訪問并參與相應的決策制定。例如艾斯本的供應鏈管理套件（Aspen Unified for Refinery Planning and Scheduling）、KBC 的供應鏈管理套件（Visual MESA Supply Chain Scheduling，VM-SCS）、劍維的供應鏈管理套件（Spiral Suite）、霍尼韋爾的供應鏈與生產管理軟件（Symphosite）等。

（三）平臺化

任何單一軟件工具的品牌都不再重要，平臺成為一種頂層戰略。現在企業的競爭已經不是單一產品的競爭，而是平臺的競爭、產品鏈的競爭、生態圈的競爭。這里的平臺包括2 層含義：一是工業互聯網平臺。傳統工業軟件通過解耦與重構，向SaaS 化、微服務化發展，軟件開發向低代碼化發展，銷售模式向訂閱化發展。二是軟件產品平臺化、組件化。例如，多學科商業CAD 軟件差不多需要用到70 個組件，最核心的組件有幾何建模內核（主要有西門子Parasolid，達索ACIS/CGM）、2D/3D 約束求解器（主要有西門子DCM）、圖形組件（主要有TECH SOFT 3D）、數據轉換器（主要有達索與Tech Soft 3D）[12]。CAE 軟件還需要網格剖分器的組件（主要有Distene的MeshGems）。達索系統、西門子、歐特克、PTC 等公司既是CAD/CAE 平臺型軟件供應商，也是CAD/CAE 商業組件供應商。

化工流程模擬軟件同樣向平臺化發展。化工流程模擬軟件應用于工藝設計、虛擬開車、操作員培訓、生產優化等工廠全生命周期。經過40 多年發展，領先供應商的產品已經集成穩態模擬與動態模擬、集成煉油模擬與化工模擬，主要包括5 大功能模塊，即工藝規范、過程結構（流程圖）、優化求解器、過程單元模型和化工物性，如圖2（a）所示，并通過CAPEOPEN 軟件接口標準促進了通用流程模擬軟件平臺與單元模型、熱力學模型組件間的互操作[13]。未來，化工流程模擬平臺軟件的5 大模塊將進一步融合生產實時數據、實驗數據、資產生命周期數據，進一步集成第三方求解器、優化器、大數據模型、專用反應器模型、物性數據庫等，為打造石化工藝數字孿生提供平臺化支撐，如圖2（b）所示。

圖2 通用流程模擬軟件平臺組成及發展趨勢

三、國際工業軟件發展案例及啟示

（一）典型企業發展案例

1.艾斯本公司

艾斯本公司軟件產品組合經歷了三大發展階段。研發階段（1976—1981 年）：為了應對20 世紀70 年代的石油危機，1976 年美國能源部聯合50 家化工企業，投資600 萬美元，支持MIT 的化學工程組用于研究過程工業的新技術，項目名稱叫ASPEN (Advanced System for Process Engineering)。

初創階 段（1981—1994 年）：1980 年ASPEN 項目完成；1981 年開發隊伍在風險投資公司支持下成立艾斯本公司（AspenTech）；1982 年發布了第一款產品Aspen Plus；1984 年發布第一款煉油廠計劃軟件Aspen PIMS；1986年發布第一款可投入商業應用的模型預測控制軟件Apsen DMCplus；1994 年在納斯達克上市。

并購發展階段：從1996 年起，艾斯本收購了超過25 個領域中最優秀的公司，打造了涵蓋績效工程、制造與供應鏈、資產績效管理三大類軟件的產品線，廣泛應用于能源、化工、制藥、工程設計以及其他采用化學工藝生產產品的行業，如圖3 所示。這與艾斯本從流程模擬、優化到人工智能的業務發展邏輯保持同步。2021年10 月，艾默生以60 億美元現金獲得艾斯本55%的多數股權，并將旗下OSI 公司的電力軟件和地質建模軟件業務并入艾斯本業務中。

圖3 艾斯本軟件產品組合演變

2.劍維公司

劍維（Aveva）成立于1964 年，是與本特利、鷹圖齊名的工程設計公司，為造船和海洋工程、石油和天然氣、造紙、電力、化工和制藥等工業領域提供全生命周期解決方案及服務。

施耐德于2014 年收購英維斯（Invesys），2017 年反向收購劍維，并將英維斯的業務與劍維整合。原來英維斯的軟件，包括用于化工流程模擬的PRO/II、用于換熱設備和網絡優化的HEXTRAN、用于動態過程模擬的DYNSIM、用于在線實時優化的ROMeo 等，現在都集成在劍維品牌下，形成了工程設計集成平臺AVEVA E3D、IE&D、流程模擬平臺軟件、資產績效管理套件，提供從工程設計、工程建設、數字化交付到生產運營全生命周期的解決方案，如圖4所示。

圖4 劍維工廠全生命周期軟件解決方案

（二）國外工業軟件產業發展啟示

1.國家的戰略重視和經費扶持

世界產業格局正在發生深刻變化，圍繞技術路線主導權、價值鏈分工、產業生態的競爭日益激烈，在關鍵工業產業和領域，早已超出了企業、產業之爭，變成了國家之爭。無論出身科研機構或制造業企業，歐美工業軟件巨頭的共同特點是背后始終有政府戰略和經費扶持的影子。近年來，美國將“把握最先進的制造業中心軟件”視為確保本國制造業“繼續掌控全球工業布局主導權”的必要條件。為了維護國際競爭地位，國外廠商對外出售固化了上一代甚至上幾代技術和數據的工業軟件，采取禁售或者禁運高端模塊等手段進行技術保護。從產業安全、大型工業系統尤其是流程型生產系統功能安全、信息安全來看，發展自主工業軟件技術、產品和產業具有重大意義。

2.完善的產學研用合作機制

石化工業軟件研發涉及化工熱力學、傳遞過程、單元操作、化學反應工程、化工系統工程、應用數學、計算機與軟件等眾多學科的交叉融合，唯有多類創新主體的共同參與才能促進石化工業軟件的技術進步與產品創新。很多流程模擬軟件最早源自大學，例如AspenPlus 源自MIT, Spyro 最初源自Mario Dente 教授提出的動力學和數學模型，gPROMS 源自英國帝國理工學院，國內的“化工之星”源自青島科技大學等。這是自然科學原理的一種自發性外溢，之后需要很好的成果轉化機制和市場生態環境，才能促進軟件不斷迭代完善，成為一款成熟的商業化軟件產品。

3.自主研發與收購并重

工業軟件研發周期長、投入成本高。據估計，一款大型工業軟件的研發周期需要3—5 年的時間，要被市場認可則需要10 年左右。例如，西門子2001—2019 年收購了23 家工業軟件公司，平均成立時間為23.6 年。因而，除了自主研發外，收購兼并是軟件行業版圖巨變的助推器，成為國際自動化企業擴張和數字化轉型的一個重要手段。國際工業軟件巨頭通過長時間研發和并購，形成了龐大的產品鏈，甚至生態圈，構建了以強打弱、以長打短的競爭戰略優勢。

四、我國石化工業軟件發展路徑思考

關于工業軟件發展路徑，近年來文獻進行了廣泛討論[14-17]，其中也有細分行業軟件發展的研究，如鋼鐵行業[18]、建材行業[19]等。以下重點從體制機制、軟件頂層架構和基礎共性技術三個方面進行分析。

（一）創新聯合體機制

當前是發展國產石化工業軟件的最好時機，但如何發揮國內石化市場規模巨大、應用場景豐富和工程數據積累的優勢，如何把分散在高校、科研單位、軟件開發企業、裝備制造企業、工程設計公司、石化生產企業等不同組織中的技術資源、模型和數據資源、人力資源等整合起來，發揮新型舉國體制優勢，是一項值得深入研究的課題。

截至2022 年底，國家級的制造業創新中心總數已達到26 個。比照制造業創新中心管理模式，以石化央企為主體，設立國家級石化工業軟件創新中心（具有獨立實體法人資格），構建產學研用創新生態，不失為一種可行路徑。只有解決了體制機制問題，人才、資金、知識產權等激勵機制才會迎刃而解。

（二）軟件架構頂層設計

以石化工程數據生命周期管理為例，該軟件涉及流程模擬軟件、二維P&ID 軟件和三維CAD 軟件的集成、多學科數據的共享和交換。國際領先供應商已經建立起一系列基于平臺化的支撐，覆蓋全業務流程，實現數據共享和交換的技術和標準體系。而從國內石化行業多年自研軟件發展看，此類軟件由于缺乏統一開發平臺、標準和技術規范，不能有效對數據、功能和業務流程進行整合，多是圍繞單點技術進行研發，軟件功能單一，技術競爭力與適應性不足，軟件研發不斷回到起點。

云架構、人工智能、低代碼開發等都是軟件發展的新動力，但想要將這一類技術在石化工業軟件發展中的作用充分發揮出來，基于石化業務邏輯、兼容行業標準規范的頂層軟件架構設計便成為關鍵。

（三）基礎共性技術突破

石化工業軟件與鋼鐵、建材等流程制造的工業軟件，以及離散制造的工業軟件，在底層核心技術堆棧方面有不少通用共性。例如CAD/CAE 軟件的三維建模引擎、幾何約束求解器、計劃優化軟件的線性規劃求解器、先進過程控制軟件的多變量預測模型控制算法等都是工業軟件基礎共性技術。實現共性技術突破需要統籌國家資源，包括開源資源，統一規劃，從而推進跨行業融合。

總之，石化工業軟件發展是一個不斷投入、持續迭代的漫長過程。集中攻關以便在短期內實現個別軟件0-1 的突破，并非不可逾越，但要形成一個完整的石化工業軟件產業生態體系，則需要一個漫長的資源整合過程。