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。
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 。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，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 、流程模擬軟件、資產績效管理軟件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。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 。市場占有率靠前的商業流程模擬軟件全部被工業動化頭部企業收購，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。
