石油化工行業(yè)工業(yè)軟件趨勢探析及發(fā)展路徑研究
高立兵
（石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100020）
工業(yè)軟件是工業(yè)技術(shù)長期積累、沉淀并在應(yīng)用中迭代升級的軟件化產(chǎn)物，是工業(yè)化成熟度的體現(xiàn)。工業(yè)軟件已經(jīng)成為支撐現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展和創(chuàng)新的工業(yè)之魂。工業(yè)軟件正從產(chǎn)品、技術(shù)、業(yè)務(wù)形態(tài)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式等多維度重塑工業(yè)體系，現(xiàn)代工業(yè)正從“以裝備為核心的工業(yè)”向“以軟件定義的工業(yè)”轉(zhuǎn)變。
石化工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)支柱型產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟(jì)總量大、產(chǎn)業(yè)鏈條長、關(guān)聯(lián)覆蓋廣。當(dāng)前，加快發(fā)展自主可控的石化工業(yè)軟件具有重大戰(zhàn)略意義，已迫在眉睫：一是保障石化產(chǎn)業(yè)鏈自主可控的重大舉措。全球新冠病毒疫情加速了產(chǎn)業(yè)鏈深度重構(gòu)，市場供需兩側(cè)不確定因素增加，產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全穩(wěn)定是構(gòu)建新發(fā)展格局的基礎(chǔ)。當(dāng)前，我國石化研發(fā)設(shè)計類軟件高度依賴國外，歐美產(chǎn)品占據(jù)價值鏈高地，形成產(chǎn)業(yè)化壟斷，存在“卡脖子”風(fēng)險，制約著產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展 。二是推進(jìn)石化工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略需求。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，我國已躋身世界石化大國行列，煉油和乙烯產(chǎn)能均位居世界第一位，但與實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)下的高質(zhì)量發(fā)展要求相比，在原始創(chuàng)新能力、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)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(fā)展需求。石化工業(yè)軟件將成為優(yōu)化石化工業(yè)生產(chǎn)與管理流程、變革生產(chǎn)方式與生產(chǎn)關(guān)系、提升全要素生產(chǎn)率、促進(jìn)先進(jìn)石化工業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)化及溢出的直接動力和重要支撐。三是實(shí)現(xiàn)石化科技高水平自立自強(qiáng)的必然選擇。2021年10月21日，習(xí)近平總書記考察調(diào)研勝利油田時強(qiáng)調(diào)：“石油能源建設(shè)對我們國家意義重大，中國作為制造業(yè)大國，要發(fā)展實(shí)體經(jīng)濟(jì)，能源的飯碗必須端在自己手里。”繼續(xù)依靠引進(jìn)別國技術(shù)謀求發(fā)展已經(jīng)行不通了，迫切需要發(fā)展核心工業(yè)軟件，特別是研發(fā)設(shè)計類軟件，提升正向研發(fā)設(shè)計能力、自主創(chuàng)新能力，掌握發(fā)展主動權(quán)。
本文首先介紹了石化工業(yè)軟件概況以及石化研發(fā)設(shè)計類軟件存在的“卡脖子”風(fēng)險，分析了我國石化工業(yè)軟件發(fā)展存在的問題，然后闡述了國際上石化工業(yè)軟件的三大發(fā)展趨勢，總結(jié)了艾斯本和劍維兩家公司的發(fā)展歷程，最后提出了對新時期我國石化工業(yè)軟件發(fā)展路徑的三點(diǎn)思考。
一、石化工業(yè)軟件概況及存在的問題
（一）石化工業(yè)軟件概況
本文研究的工業(yè)軟件聚焦在石油化工（簡稱石化）行業(yè)，包括煉油、石化、化纖等，不包含油氣勘探開發(fā)、地質(zhì)工程、鉆井工程等上游業(yè)務(wù)的專業(yè)軟件。
據(jù)估計，我國石化行業(yè)工業(yè)軟件市場規(guī)模約占國內(nèi)工業(yè)軟件市場規(guī)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(yè)務(wù)維度，包括工藝研發(fā)、工程設(shè)計、工程建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)營等，覆蓋石油化工核心業(yè)務(wù)范圍；縱向是 ISA95 關(guān)于企業(yè)信息系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的架構(gòu)分層維度，從下往上包括過程控制層（PCS）、生產(chǎn)執(zhí)行層（MES）以及經(jīng)營管理層（ERP）等。
圖 1 石化工業(yè)軟件全景圖
王子宗等將石化工業(yè)軟件分為五大類，即基礎(chǔ)及研發(fā)設(shè)計類、生產(chǎn)管控類、供應(yīng)鏈物流管理類、資產(chǎn)管理類和經(jīng)營管理類，研究分析了國產(chǎn)石化工業(yè)軟件的市場和成熟度情況，編制了國產(chǎn)石化工業(yè)軟件成熟度圖譜、供應(yīng)商圖譜、短板清單等。文獻(xiàn)進(jìn)一步研究分析了石化工程設(shè)計軟件 、流程模擬軟件、資產(chǎn)績效管理軟件的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用情況。
（二）我國石化工業(yè)軟件發(fā)展存在的問題
當(dāng)前，我國石化工業(yè)軟件高度依賴國外，一是生產(chǎn)控制類軟件，如安全儀表系統(tǒng)、先進(jìn)過程控制、在線實(shí)時優(yōu)化、實(shí)時數(shù)據(jù)庫等軟件，存量的高端市場國外產(chǎn)品占80%以上，一旦受到外方攻擊、斷供或不授權(quán)使用，石化工業(yè)生產(chǎn)將面臨重大安全隱患和停產(chǎn)風(fēng)險。二是基礎(chǔ)及研發(fā)設(shè)計類軟件，如物性數(shù)據(jù)庫、流程模擬、工藝設(shè)計、三維工廠設(shè)計等軟件，歐美產(chǎn)品占據(jù)價值鏈高地，產(chǎn)品占比90%以上，存在嚴(yán)重的“卡脖子”風(fēng)險，制約了產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展。
造成我國石化工業(yè)軟件薄弱的核心原因，與我國工業(yè)軟件整體發(fā)展問題有共性之處，如對工業(yè)軟件的戰(zhàn)略性認(rèn)識不足、創(chuàng)新環(huán)境和市場機(jī)制有待完善、技術(shù)成果轉(zhuǎn)化體系不健全、工業(yè)軟件人才匱乏等。同時，作為細(xì)分領(lǐng)域，石化工業(yè)軟件發(fā)展中也存在一些特有的問題。
1. 缺乏對基礎(chǔ)研發(fā)設(shè)計軟件的布局
當(dāng)前，石化基礎(chǔ)性和研發(fā)設(shè)計類軟件仍然是最薄弱環(huán)節(jié)。此類軟件研發(fā)難度大、周期長，需要持續(xù)投入。軟件企業(yè)一般會選擇避開對這些基礎(chǔ)性軟件的投入。
2. 國外供應(yīng)商構(gòu)筑起三大壁壘
三大壁壘包括：技術(shù)積累形成“累積效應(yīng)”壁壘；平臺化構(gòu)成“生態(tài)效應(yīng)”壁壘；軟硬捆綁、轉(zhuǎn)換成本巨大構(gòu)成“鎖定效應(yīng)”壁壘。
3. 我國石化工業(yè)軟件企業(yè)處于產(chǎn)業(yè)鏈低端
國內(nèi)石化工業(yè)軟件企業(yè)的規(guī)模普遍小而散，在資金投入、人力儲備和技術(shù)積累方面都不足，多采用項目定制開發(fā)，還沒有形成統(tǒng)一的軟件架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
4. 企業(yè)用戶不愿意使用國產(chǎn)軟件
軟件具有贏家通吃的特征，由于國產(chǎn)軟件在功能、性能和成熟度等方面與國外產(chǎn)品還有一定差距，企業(yè)用戶不愿意承擔(dān)相應(yīng)的風(fēng)險，新研發(fā)的國產(chǎn)石化工業(yè)軟件難以獲得工程應(yīng)用和市場機(jī)會。
二、石化工業(yè)軟件發(fā)展趨勢
（一）軟硬一體化
工業(yè)軟件的演進(jìn)就是“大魚吃小魚”的過程。從20世紀(jì)90年代以來，收購和兼并成為國際 自動化企業(yè)擴(kuò)張和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個重要手段。進(jìn)入21世紀(jì)以后，工業(yè)軟件的重要性日益凸顯，工業(yè)軟件成為自動化巨頭下半場爭奪戰(zhàn)的關(guān)鍵。西門子、施耐德電氣、愛默生、霍尼韋爾、海克斯康等工業(yè)硬件巨頭，紛紛加快并購優(yōu)質(zhì)工 業(yè)軟件企業(yè)，與自身的工業(yè)自動化、工業(yè)測量等拳頭產(chǎn)品形成軟硬一體的解決方案 。市場占有率靠前的商業(yè)流程模擬軟件全部被工業(yè)動化頭部企業(yè)收購，詳見表 1。
表 1 國際工業(yè)自動化企業(yè)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(guī)模的快速擴(kuò)張，形成協(xié)同效應(yīng)；三是為了盡快充實(shí)自己的產(chǎn)品線，獲得上游或下游的更多控制權(quán)，減少產(chǎn)品從研發(fā)到上市的時間；四是通過收購和資產(chǎn)剝離向“軟實(shí)力”發(fā)展，如 GE 和西門子向工業(yè)軟件企業(yè)轉(zhuǎn)型。
（二）集成化
德國工業(yè) 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(yè)自動化企業(yè)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(yè)企業(yè)完善其工業(yè)軟件產(chǎn)品線的基本邏輯所在。
1. 工程數(shù)據(jù)生命周期管理端到端集成
基于各自軟件產(chǎn)品的互補(bǔ)性，國際領(lǐng)先的供應(yīng)商， 如艾斯本與海克斯康、西門子與本特利、達(dá)索系統(tǒng)與 ABB、劍維與騰訊等結(jié)成戰(zhàn)略聯(lián)盟，面向流程工業(yè)提出了“一體化工程”解決方案。該方案從單學(xué)科的專業(yè)軟件產(chǎn)品發(fā)展到多領(lǐng)域整合、多專業(yè)協(xié)同、多業(yè)務(wù)流程銜接的軟件生態(tài)體系；提供從概念設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、工程采購、施工到數(shù)字化交付的一體化工程解決方案，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)生命周期管理端到端集成；徹底打通工廠生命周期的數(shù)據(jù)流，為工廠的運(yùn)營維護(hù)提供準(zhǔn)確、完整的數(shù)據(jù)底座，從而提高設(shè)計效率、降低風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)資本項目的投資回報最大化。
一體化工程設(shè)計由兩大部分組成：統(tǒng)一的生命周期仿真平臺（一個模型）和一體化工程設(shè)計（一個數(shù)據(jù)庫）。二者共同構(gòu)成強(qiáng)大的工藝模型與數(shù)據(jù)庫，能夠在一個平臺上對一維、二維和三維的數(shù)據(jù)流進(jìn)行雙向同步。穩(wěn)態(tài)及動態(tài)同步工藝模型與工程設(shè)計數(shù)據(jù)庫的雙向整合，使過程能夠無縫銜接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接傳遞。
2. 計劃調(diào)度與過程控制的縱向集成
計劃調(diào)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(tài)優(yōu)化技術(shù)，將物料和質(zhì)量平衡模型與動態(tài)的 APC 模型結(jié)合起來，構(gòu)建計劃調(diào)度、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)與過程控制縱向集成，實(shí)現(xiàn)面向煉化產(chǎn)品價值鏈的多單元動態(tài)優(yōu)化，如柴油產(chǎn)品價值鏈、芳烴和汽油產(chǎn)品價值鏈等，真正做到優(yōu)化目標(biāo)從上到下、從全局到局部的層層分解和動態(tài)控制。
例如：艾斯本的通用動態(tài)優(yōu)化技術(shù)（GDOT）將計劃的基本模型與 APC 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合，同時保留了模型的一致性，通過使計劃 / 調(diào)度目標(biāo)與實(shí)際運(yùn)營保持一致，縮小計劃與實(shí)際之間的差距；KBC 公司的動態(tài)實(shí)時優(yōu)化（D-RTO）解決方案對流程模擬平臺 Petro-SIM、先進(jìn)控制（PACE）、供應(yīng)鏈調(diào)度軟件（VM-SCS），以及雪佛龍公司的分布式遞歸 LP 軟件（PETRO）進(jìn)行集成，提供集成化的動態(tài)實(shí)時優(yōu)化；劍維 公司的實(shí)時優(yōu)化解決方案集成了實(shí)時優(yōu)化平臺（ROMeo）、先進(jìn)控制（SIMSCI APC） 以及供應(yīng)鏈管理套件（Spiral Suite）；霍尼韋爾 的工廠級優(yōu)化解決方案包括全廠優(yōu)化（Honeywell Forge Plant-Wide Optimizer） 、先進(jìn)控制（Forge APC）以及動態(tài)優(yōu)化執(zhí)行器（Profit Executive）等。
