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)有限責任公司，北京 100020）
工業(yè)軟件是工業(yè)技術(shù)長(cháng)期積累、沉淀并在應用中迭代升級的軟件化產(chǎn)物，是工業(yè)化成熟度的體現。工業(yè)軟件已經(jīng)成為支撐現代產(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)”轉變。
石化工業(yè)是國民經(jīng)濟支柱型產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟總量大、產(chǎn)業(yè)鏈條長(cháng)、關(guān)聯(lián)覆蓋廣。當前，加快發(fā)展自主可控的石化工業(yè)軟件具有重大戰略意義，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，市場(chǎng)供需兩側不確定因素增加，產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈安全穩定是構建新發(fā)展格局的基礎。當前，我國石化研發(fā)設計類(lèi)軟件高度依賴(lài)國外，歐美產(chǎn)品占據價(jià)值鏈高地，形成產(chǎn)業(yè)化壟斷，存在“卡脖子”風(fēng)險，制約著(zhù)產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展 。二是推進(jìn)石化工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的戰略需求。經(jīng)過(guò)數十年發(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“雙碳”目標下的高質(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(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)轉化及溢出的直接動(dòng)力和重要支撐。三是實(shí)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(shū)記考察調研勝利油田時(shí)強調：“石油能源建設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，能源的飯碗必須端在自己手里?！崩^續依靠引進(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)設計類(lèi)軟件，提升正向研發(fā)設計能力、自主創(chuàng )新能力，掌握發(fā)展主動(dòng)權。
本文首先介紹了石化工業(yè)軟件概況以及石化研發(fā)設計類(lèi)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(wèn)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(shí)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(wèn)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(jiǎn)稱(chēng)石化）行業(yè)，包括煉油、石化、化纖等，不包含油氣勘探開(kāi)發(fā)、地質(zhì)工程、鉆井工程等上游業(yè)務(wù)的專(zhuān)業(yè)軟件。
據估計，我國石化行業(yè)工業(yè)軟件市場(chǎng)規模約占國內工業(yè)軟件市場(chǎng)規模的10%，包括上百種軟件，可以從兩個(gè)維度來(lái)刻畫(huà)，如圖1所示。橫向是業(yè)務(wù)維度，包括工藝研發(fā)、工程設計、工程建設、生產(chǎn)運營(yíng)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)信息系統和控制系統的架構分層維度，從下往上包括過(guò)程控制層（PCS）、生產(chǎn)執行層（MES）以及經(jīng)營(yíng)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(lèi)，即基礎及研發(fā)設計類(lèi)、生產(chǎn)管控類(lèi)、供應鏈物流管理類(lèi)、資產(chǎn)管理類(lèi)和經(jīng)營(yíng)管理類(lèi)，研究分析了國產(chǎn)石化工業(yè)軟件的市場(chǎng)和成熟度情況，編制了國產(chǎn)石化工業(yè)軟件成熟度圖譜、供應商圖譜、短板清單等。文獻進(jìn)一步研究分析了石化工程設計軟件 、流程模擬軟件、資產(chǎn)績(jì)效管理軟件的技術(shù)發(fā)展和應用情況。
（二）我國石化工業(yè)軟件發(fā)展存在的問(wèn)題
當前，我國石化工業(yè)軟件高度依賴(lài)國外，一是生產(chǎn)控制類(lèi)軟件，如安全儀表系統、先進(jìn)過(guò)程控制、在線(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化、實(shí)時(shí)數據庫等軟件，存量的高端市場(chǎng)國外產(chǎn)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(yè)生產(chǎn)將面臨重大安全隱患和停產(chǎn)風(fēng)險。二是基礎及研發(fā)設計類(lèi)軟件，如物性數據庫、流程模擬、工藝設計、三維工廠(chǎng)設計等軟件，歐美產(chǎn)品占據價(jià)值鏈高地，產(chǎn)品占比90%以上，存在嚴重的“卡脖子”風(fēng)險，制約了產(chǎn)業(yè)未來(lái)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(wèn)題有共性之處，如對工業(yè)軟件的戰略性認識不足、創(chuàng )新環(huán)境和市場(chǎng)機制有待完善、技術(shù)成果轉化體系不健全、工業(yè)軟件人才匱乏等。同時(shí)，作為細分領(lǐng)域，石化工業(yè)軟件發(fā)展中也存在一些特有的問(wèn)題。
1. 缺乏對基礎研發(fā)設計軟件的布局
當前，石化基礎性和研發(fā)設計類(lèi)軟件仍然是最薄弱環(huán)節。此類(lèi)軟件研發(fā)難度大、周期長(cháng)，需要持續投入。軟件企業(yè)一般會(huì )選擇避開(kāi)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(shù)積累形成“累積效應”壁壘；平臺化構成“生態(tài)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(yè)軟件企業(yè)處于產(chǎn)業(yè)鏈低端
國內石化工業(yè)軟件企業(yè)的規模普遍小而散，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(kāi)發(fā)，還沒(méi)有形成統一的軟件架構和標準規范。
4. 企業(yè)用戶(hù)不愿意使用國產(chǎn)軟件
軟件具有贏(yíng)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(hù)不愿意承擔相應的風(fēng)險，新研發(fā)的國產(chǎn)石化工業(yè)軟件難以獲得工程應用和市場(chǎng)機會(huì )。
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(yú)吃小魚(yú)”的過(guò)程。從20世紀90年代以來(lái)，收購和兼并成為國際 自動(dòng)化企業(yè)擴張和數字化轉型的一個(gè)重要手段。進(jìn)入21世紀以后，工業(yè)軟件的重要性日益凸顯，工業(yè)軟件成為自動(dòng)化巨頭下半場(chǎng)爭奪戰的關(guān)鍵。西門(mén)子、施耐德電氣、愛(ài)默生、霍尼韋爾、?？怂箍档裙I(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(dòng)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(chǎng)占有率靠前的商業(yè)流程模擬軟件全部被工業(yè)動(dòng)化頭部企業(yè)收購，詳見(jiàn)表 1。
表 1 國際工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)收購流程模擬軟件情況
收購和兼并不外乎幾個(gè)目的：一是為了市場(chǎng)的本地化，間接提高市場(chǎng)占有率；二是為了規模的快速擴張，形成協(xié)同效應；三是為了盡快充實(shí)自己的產(chǎn)品線(xiàn)，獲得上游或下游的更多控制權，減少產(chǎn)品從研發(fā)到上市的時(shí)間；四是通過(guò)收購和資產(chǎn)剝離向“軟實(shí)力”發(fā)展，如 GE 和西門(mén)子向工業(yè)軟件企業(yè)轉型。
（二）集成化
德國工業(yè) 4.0 提出了端到端、縱向和橫向三個(gè)維度的集成。通過(guò)分析國際流程工業(yè)自動(dòng)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(xiàn)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(chǎn)品的互補性，國際領(lǐng)先的供應商， 如艾斯本與?？怂箍?、西門(mén)子與本特利、達索系統與 ABB、劍維與騰訊等結成戰略聯(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(zhuān)業(yè)軟件產(chǎn)品發(fā)展到多領(lǐng)域整合、多專(zhuān)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(shí)現工程數據生命周期管理端到端集成；徹底打通工廠(chǎng)生命周期的數據流，為工廠(chǎng)的運營(yíng)維護提供準確、完整的數據底座，從而提高設計效率、降低風(fēng)險，實(shí)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(gè)模型）和一體化工程設計（一個(gè)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(gè)平臺上對一維、二維和三維的數據流進(jìn)行雙向同步。穩態(tài)及動(dòng)態(tài)同步工藝模型與工程設計數據庫的雙向整合，使過(guò)程能夠無(wú)縫銜接，實(shí)現數據的直接傳遞。
2. 計劃調度與過(guò)程控制的縱向集成
計劃調度與過(guò)程控制的縱向集成是指通過(guò)煉化一體化價(jià)值鏈表征及全廠(chǎng)多單元動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)，將物料和質(zhì)量平衡模型與動(dòng)態(tài)的 APC 模型結合起來(lái)，構建計劃調度、經(jīng)濟目標與過(guò)程控制縱向集成，實(shí)現面向煉化產(chǎn)品價(jià)值鏈的多單元動(dòng)態(tài)優(yōu)化，如柴油產(chǎn)品價(jià)值鏈、芳烴和汽油產(chǎn)品價(jià)值鏈等，真正做到優(yōu)化目標從上到下、從全局到局部的層層分解和動(dòng)態(tài)控制。
例如：艾斯本的通用動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)（GDOT）將計劃的基本模型與 APC 經(jīng)驗模型相結合，同時(shí)保留了模型的一致性，通過(guò)使計劃 / 調度目標與實(shí)際運營(yíng)保持一致，縮小計劃與實(shí)際之間的差距；KBC 公司的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)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(jìn)行集成，提供集成化的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化；劍維 公司的實(shí)時(shí)優(yōu)化解決方案集成了實(shí)時(shí)優(yōu)化平臺（ROMeo）、先進(jìn)控制（SIMSCI APC） 以及供應鏈管理套件（Spiral Suite）；霍尼韋爾 的工廠(chǎng)級優(yōu)化解決方案包括全廠(chǎng)優(yōu)化（Honeywell Forge Plant-Wide Optimizer） 、先進(jìn)控制（Forge APC）以及動(dòng)態(tài)優(yōu)化執行器（Profit Executive）等。
