石油化工行業(yè)工業(yè)軟件趨勢(shì)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(zhǎng)期積累、沉淀并在應(yīng)用中迭代升級(jí)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(guó)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(zhǎng)、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(chǎng)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(guó)石化研發(fā)設(shè)計(jì)類(lèi)軟件高度依賴(lài)國(guó)外，歐美產(chǎn)品占據(jù)價(jià)值鏈高地，形成產(chǎn)業(yè)化壟斷，存在“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)，制約著產(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(zhàn)略需求。經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，我國(guó)已躋身世界石化大國(guó)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(dòng)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(shū)記考察調(diào)研勝利油田時(shí)強(qiáng)調(diào)：“石油能源建設(shè)對(duì)我們國(guó)家意義重大，中國(guó)作為制造業(yè)大國(guó)，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(guó)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(jì)類(lèi)軟件，提升正向研發(fā)設(shè)計(jì)能力、自主創(chuàng)新能力，掌握發(fā)展主動(dòng)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(jì)類(lèi)軟件存在的“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)，分析了我國(guó)石化工業(yè)軟件發(fā)展存在的問(wèn)題，然后闡述了國(guó)際上石化工業(yè)軟件的三大發(fā)展趨勢(shì)，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(duì)新時(shí)期我國(guó)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(jù)估計(jì)，我國(guó)石化行業(yè)工業(yè)軟件市場(chǎng)規(guī)模約占國(guó)內(nèi)工業(yè)軟件市場(chǎng)規(guī)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(shè)計(jì)、工程建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)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(tǒng)和控制系統(tǒng)的架構(gòu)分層維度，從下往上包括過(guò)程控制層（PCS）、生產(chǎn)執(zhí)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(chǔ)及研發(fā)設(shè)計(jì)類(lèi)、生產(chǎn)管控類(lèi)、供應(yīng)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(guó)產(chǎn)石化工業(yè)軟件的市場(chǎng)和成熟度情況，編制了國(guó)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(jì)軟件 、流程模擬軟件、資產(chǎn)績(jī)效管理軟件的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用情況。
（二）我國(guó)石化工業(yè)軟件發(fā)展存在的問(wèn)題
當(dāng)前，我國(guó)石化工業(yè)軟件高度依賴(lài)國(guó)外，一是生產(chǎn)控制類(lèi)軟件，如安全儀表系統(tǒng)、先進(jìn)過(guò)程控制、在線(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件，存量的高端市場(chǎng)國(guó)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(xiǎn)。二是基礎(chǔ)及研發(fā)設(shè)計(jì)類(lèi)軟件，如物性數(shù)據(jù)庫(kù)、流程模擬、工藝設(shè)計(jì)、三維工廠設(shè)計(jì)等軟件，歐美產(chǎn)品占據(jù)價(jià)值鏈高地，產(chǎn)品占比90%以上，存在嚴(yán)重的“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)，制約了產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展。
造成我國(guó)石化工業(yè)軟件薄弱的核心原因，與我國(guó)工業(yè)軟件整體發(fā)展問(wèn)題有共性之處，如對(duì)工業(yè)軟件的戰(zhàn)略性認(rèn)識(shí)不足、創(chuàng)新環(huán)境和市場(chǎng)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(shí)，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(wèn)題。
1. 缺乏對(duì)基礎(chǔ)研發(fā)設(shè)計(jì)軟件的布局
當(dāng)前，石化基礎(chǔ)性和研發(fā)設(shè)計(jì)類(lèi)軟件仍然是最薄弱環(huán)節(jié)。此類(lèi)軟件研發(fā)難度大、周期長(zhǎng)，需要持續(xù)投入。軟件企業(yè)一般會(huì)選擇避開(kāi)對(duì)這些基礎(chǔ)性軟件的投入。
2. 國(guó)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(tái)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(guó)石化工業(yè)軟件企業(yè)處于產(chǎn)業(yè)鏈低端
國(guó)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(chǔ)備和技術(shù)積累方面都不足，多采用項(xiàng)目定制開(kāi)發(fā)，還沒(méi)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(hù)不愿意使用國(guó)產(chǎn)軟件
軟件具有贏家通吃的特征，由于國(guó)產(chǎn)軟件在功能、性能和成熟度等方面與國(guó)外產(chǎn)品還有一定差距，企業(yè)用戶(hù)不愿意承擔(dān)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，新研發(fā)的國(guó)產(chǎn)石化工業(yè)軟件難以獲得工程應(yīng)用和市場(chǎng)機(jī)會(huì)。
二、石化工業(yè)軟件發(fā)展趨勢(shì)
（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(jì)90年代以來(lái)，收購(gòu)和兼并成為國(guó)際 自動(dòng)化企業(yè)擴(kuò)張和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個(gè)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(dòng)化巨頭下半場(chǎng)爭(zhēng)奪戰(zhàn)的關(guān)鍵。西門(mén)子、施耐德電氣、愛(ài)默生、霍尼韋爾、海克斯康等工業(yè)硬件巨頭，紛紛加快并購(gòu)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(cè)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(gòu)，詳見(jiàn)表 1。
表 1 國(guó)際工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)收購(gòu)流程模擬軟件情況
收購(gòu)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(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(xiàn)，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(shí)間；四是通過(guò)收購(gòu)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(zhuǎn)型。
（二）集成化
德國(guó)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(guó)際流程工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)收購(gòu)兼并案例，可以清晰地看出其普遍圍繞三項(xiàng)集成，打造一體化的整體軟件解決方案這一趨勢(shì)，這也是國(guó)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(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(guó)際領(lǐng)先的供應(yīng)商， 如艾斯本與海克斯康、西門(mén)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(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(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程采購(gòu)、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(yíng)維護(hù)提供準(zhǔn)確、完整的數(shù)據(jù)底座，從而提高設(shè)計(jì)效率、降低風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)資本項(xiàng)目的投資回報(bào)最大化。
一體化工程設(shè)計(jì)由兩大部分組成：統(tǒng)一的生命周期仿真平臺(tái)（一個(gè)模型）和一體化工程設(shè)計(jì)（一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)）。二者共同構(gòu)成強(qiáng)大的工藝模型與數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠在一個(gè)平臺(tái)上對(duì)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(dòng)態(tài)同步工藝模型與工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的雙向整合，使過(guò)程能夠無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接傳遞。
2. 計(jì)劃調(diào)度與過(guò)程控制的縱向集成
計(jì)劃調(diào)度與過(guò)程控制的縱向集成是指通過(guò)煉化一體化價(jià)值鏈表征及全廠多單元?jiǎng)討B(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(jié)合起來(lái)，構(gòu)建計(jì)劃調(diào)度、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)與過(guò)程控制縱向集成，實(shí)現(xiàn)面向煉化產(chǎn)品價(jià)值鏈的多單元?jiǎng)討B(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(biāo)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(jì)劃的基本模型與 APC 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合，同時(shí)保留了模型的一致性，通過(guò)使計(jì)劃 / 調(diào)度目標(biāo)與實(shí)際運(yùn)營(yíng)保持一致，縮小計(jì)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(duì)流程模擬平臺(tái) 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(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(tái)（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(jí)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(dòng)態(tài)優(yōu)化執(zhí)行器（Profit Executive）等。
