石油化工行业工业软件趋势探析及发展路径研究

高立兵

（石化盈科信息技术有限责任公司，北京 100020）

工业软件是工业技术长期积累、沉淀并在应用中迭代升级的软件化产物，是工业化成熟度的体现。工业软件已经成为支撑现代产业体系发展和创新的工业之魂。工业软件正从产品、技术、业务形态、产业发展模式等多维度重塑工业体系，现代工业正从“以装备为核心的工业”向“以软件定义的工业”转变[1]。

石化工业是国民经济支柱型产业，经济总量大、产业链条长、关联覆盖广。当前，加快发展自主可控的石化工业软件具有重大战略意义，已迫在眉睫：一是保障石化产业链自主可控的重大举措。全球新冠病毒疫情加速了产业链深度重构，市场供需两侧不确定因素增加，产业链供应链安全稳定是构建新发展格局的基础。当前，我国石化研发设计类软件高度依赖国外，欧美产品占据价值链高地，形成产业化垄断，存在“卡脖子”风险，制约着产业未来的发展[2]。二是推进石化工业高质量发展的战略需求。经过数十年发展，我国已跻身世界石化大国行列，炼油和乙烯产能均位居世界第一位[3]，但与实现“双碳”目标下的高质量发展要求相比，在原始创新能力、产业结构调整、绿色安全水平等方面仍存在一定差距，面临高端化、绿色化、智能化发展需求。石化工业软件将成为优化石化工业生产与管理流程、变革生产方式与生产关系、提升全要素生产率、促进先进石化工业技术转化及溢出的直接动力和重要支撑。三是实现石化科技高水平自立自强的必然选择。2021 年10 月21 日，习近平总书记考察调研胜利油田时强调：“石油能源建设对我们国家意义重大，中国作为制造业大国，要发展实体经济，能源的饭碗必须端在自己手里。”继续依靠引进别国技术谋求发展已经行不通了，迫切需要发展核心工业软件，特别是研发设计类软件，提升正向研发设计能力、自主创新能力，掌握发展主动权。

本文首先介绍了石化工业软件概况以及石化研发设计类软件存在的“卡脖子”风险，分析了我国石化工业软件发展存在的问题，然后阐述了国际上石化工业软件的三大发展趋势，总结了艾斯本和剑维两家公司的发展历程，最后提出了对新时期我国石化工业软件发展路径的三点思考。

一、石化工业软件概况及存在的问题

（一）石化工业软件概况

本文研究的工业软件聚焦在石油化工（简称石化）行业，包括炼油、石化、化纤等，不包含油气勘探开发、地质工程、钻井工程等上游业务的专业软件。

据估计，我国石化行业工业软件市场规模约占国内工业软件市场规模的10%，包括上百种软件，可以从两个维度来刻画，如图1 所示。横向是业务维度，包括工艺研发、工程设计、工程建设、生产运营等，覆盖石油化工核心业务范围；纵向是ISA95 关于企业信息系统和控制系统的架构分层维度，从下往上包括过程控制层（PCS）、生产执行层（MES）以及经营管理层（ERP）等。

图1 石化工业软件全景图

王子宗等将石化工业软件分为五大类，即基础及研发设计类、生产管控类、供应链物流管理类、资产管理类和经营管理类，研究分析了国产石化工业软件的市场和成熟度情况，编制了国产石化工业软件成熟度图谱、供应商图谱、短板清单等。文献进一步研究分析了石化工程设计软件[4-5]、流程模拟软件[6-7]、资产绩效管理软件[8]的技术发展和应用情况。

（二）我国石化工业软件发展存在的问题

当前，我国石化工业软件高度依赖国外，一是生产控制类软件，如安全仪表系统、先进过程控制、在线实时优化、实时数据库等软件，存量的高端市场国外产品占80%以上，一旦受到外方攻击、断供或不授权使用，石化工业生产将面临重大安全隐患和停产风险。二是基础及研发设计类软件，如物性数据库、流程模拟、工艺设计、三维工厂设计等软件，欧美产品占据价值链高地，产品占比90%以上，存在严重的“卡脖子”风险，制约了产业未来的发展。

造成我国石化工业软件薄弱的核心原因，与我国工业软件整体发展问题有共性之处，如对工业软件的战略性认识不足、创新环境和市场机制有待完善、技术成果转化体系不健全、工业软件人才匮乏等[9-10]。同时，作为细分领域，石化工业软件发展中也存在一些特有的问题。

1.缺乏对基础研发设计软件的布局

当前，石化基础性和研发设计类软件仍然是最薄弱环节。此类软件研发难度大、周期长，需要持续投入。软件企业一般会选择避开对这些基础性软件的投入。

2.国外供应商构筑起三大壁垒

三大壁垒包括：技术积累形成“累积效应”壁垒；平台化构成“生态效应”壁垒；软硬捆绑、转换成本巨大构成“锁定效应”壁垒。

3.我国石化工业软件企业处于产业链低端

国内石化工业软件企业的规模普遍小而散，在资金投入、人力储备和技术积累方面都不足，多采用项目定制开发，还没有形成统一的软件架构和标准规范。

4.企业用户不愿意使用国产软件

软件具有赢家通吃的特征，由于国产软件在功能、性能和成熟度等方面与国外产品还有一定差距，企业用户不愿意承担相应的风险，新研发的国产石化工业软件难以获得工程应用和市场机会。

二、石化工业软件发展趋势

（一）软硬一体化

工业软件的演进就是“大鱼吃小鱼”的过程。从20 世纪90 年代以来，收购和兼并成为国际自动化企业扩张和数字化转型的一个重要手段。进入21 世纪以后，工业软件的重要性日益凸显，工业软件成为自动化巨头下半场争夺战的关键。西门子、施耐德电气、爱默生、霍尼韦尔、海克斯康等工业硬件巨头，纷纷加快并购优质工业软件企业，与自身的工业自动化、工业测量等拳头产品形成软硬一体的解决方案[11]。市场占有率靠前的商业流程模拟软件全部被工业自动化头部企业收购，详见表1。

表1 国际工业自动化企业收购流程模拟软件情况

收购和兼并不外乎几个目的：一是为了市场的本地化，间接提高市场占有率；二是为了规模的快速扩张，形成协同效应；三是为了尽快充实自己的产品线，获得上游或下游的更多控制权，减少产品从研发到上市的时间；四是通过收购和资产剥离向“软实力”发展，如GE和西门子向工业软件企业转型。

（二）集成化

德国工业4.0 提出了端到端、纵向和横向三个维度的集成。通过分析国际流程工业自动化企业收购兼并案例，可以清晰地看出其普遍围绕三项集成，打造一体化的整体软件解决方案这一趋势，这也是国际工业企业完善其工业软件产品线的基本逻辑所在。

1.工程数据生命周期管理端到端集成

基于各自软件产品的互补性，国际领先的供应商，如艾斯本与海克斯康、西门子与本特利、达索系统与ABB、剑维与腾讯等结成战略联盟，面向流程工业提出了“一体化工程”解决方案。该方案从单学科的专业软件产品发展到多领域整合、多专业协同、多业务流程衔接的软件生态体系；提供从概念设计、基础设计、详细设计、工程采购、施工到数字化交付的一体化工程解决方案，实现工程数据生命周期管理端到端集成；彻底打通工厂生命周期的数据流，为工厂的运营维护提供准确、完整的数据底座，从而提高设计效率、降低风险，实现资本项目的投资回报最大化。

一体化工程设计由两大部分组成：统一的生命周期仿真平台（一个模型）和一体化工程设计（一个数据库）。二者共同构成强大的工艺模型与数据库，能够在一个平台上对一维、二维和三维的数据流进行双向同步。稳态及动态同步工艺模型与工程设计数据库的双向整合，使过程能够无缝衔接，实现数据的直接传递。

2.计划调度与过程控制的纵向集成

计划调度与过程控制的纵向集成是指通过炼化一体化价值链表征及全厂多单元动态优化技术，将物料和质量平衡模型与动态的APC 模型结合起来，构建计划调度、经济目标与过程控制纵向集成，实现面向炼化产品价值链的多单元动态优化，如柴油产品价值链、芳烃和汽油产品价值链等，真正做到优化目标从上到下、从全局到局部的层层分解和动态控制。

例如：艾斯本的通用动态优化技术（GDOT）将计划的基本模型与APC 经验模型相结合，同时保留了模型的一致性，通过使计划/调度目标与实际运营保持一致，缩小计划与实际之间的差距；KBC 公司的动态实时优化（D-RTO）解决方案对流程模拟平台Petro-SIM、先进控制（PACE）、供应链调度软件（VM-SCS），以及雪佛龙公司的分布式递归LP 软件（PETRO）进行集成，提供集成化的动态实时优化；剑维公司的实时优化解决方案集成了实时优化平台（ROMeo）、先进控制（SIMSCI APC）以及供应链管理套件（Spiral Suite）；霍尼韦尔的工厂级优化解决方案包括全厂优化（Honeywell Forge Plant-Wide Optimizer）、先进控制（Forge APC）以及动态优化执行器（Profit Executive）等。

3.供应链管理横向集成

供应链管理横向集成是指通过一体化的企业级供应链管理平台实现覆盖原油采购、生产计划、生产调度、分销网络等供应链环节的横向集成。该集成支持各部门的协同工作，不同角色的用户均可访问并参与相应的决策制定。例如艾斯本的供应链管理套件（Aspen Unified for Refinery Planning and Scheduling）、KBC 的供应链管理套件（Visual MESA Supply Chain Scheduling，VM-SCS）、剑维的供应链管理套件（Spiral Suite）、霍尼韦尔的供应链与生产管理软件（Symphosite）等。

（三）平台化

任何单一软件工具的品牌都不再重要，平台成为一种顶层战略。现在企业的竞争已经不是单一产品的竞争，而是平台的竞争、产品链的竞争、生态圈的竞争。这里的平台包括2 层含义：一是工业互联网平台。传统工业软件通过解耦与重构，向SaaS 化、微服务化发展，软件开发向低代码化发展，销售模式向订阅化发展。二是软件产品平台化、组件化。例如，多学科商业CAD 软件差不多需要用到70 个组件，最核心的组件有几何建模内核（主要有西门子Parasolid，达索ACIS/CGM）、2D/3D 约束求解器（主要有西门子DCM）、图形组件（主要有TECH SOFT 3D）、数据转换器（主要有达索与Tech Soft 3D）[12]。CAE 软件还需要网格剖分器的组件（主要有Distene的MeshGems）。达索系统、西门子、欧特克、PTC 等公司既是CAD/CAE 平台型软件供应商，也是CAD/CAE 商业组件供应商。

化工流程模拟软件同样向平台化发展。化工流程模拟软件应用于工艺设计、虚拟开车、操作员培训、生产优化等工厂全生命周期。经过40 多年发展，领先供应商的产品已经集成稳态模拟与动态模拟、集成炼油模拟与化工模拟，主要包括5 大功能模块，即工艺规范、过程结构（流程图）、优化求解器、过程单元模型和化工物性，如图2（a）所示，并通过CAPEOPEN 软件接口标准促进了通用流程模拟软件平台与单元模型、热力学模型组件间的互操作[13]。未来，化工流程模拟平台软件的5 大模块将进一步融合生产实时数据、实验数据、资产生命周期数据，进一步集成第三方求解器、优化器、大数据模型、专用反应器模型、物性数据库等，为打造石化工艺数字孪生提供平台化支撑，如图2（b）所示。

图2 通用流程模拟软件平台组成及发展趋势

三、国际工业软件发展案例及启示

（一）典型企业发展案例

1.艾斯本公司

艾斯本公司软件产品组合经历了三大发展阶段。研发阶段（1976—1981 年）：为了应对20 世纪70 年代的石油危机，1976 年美国能源部联合50 家化工企业，投资600 万美元，支持MIT 的化学工程组用于研究过程工业的新技术，项目名称叫ASPEN (Advanced System for Process Engineering)。

初创阶 段（1981—1994 年）：1980 年ASPEN 项目完成；1981 年开发队伍在风险投资公司支持下成立艾斯本公司（AspenTech）；1982 年发布了第一款产品Aspen Plus；1984 年发布第一款炼油厂计划软件Aspen PIMS；1986年发布第一款可投入商业应用的模型预测控制软件Apsen DMCplus；1994 年在纳斯达克上市。

并购发展阶段：从1996 年起，艾斯本收购了超过25 个领域中最优秀的公司，打造了涵盖绩效工程、制造与供应链、资产绩效管理三大类软件的产品线，广泛应用于能源、化工、制药、工程设计以及其他采用化学工艺生产产品的行业，如图3 所示。这与艾斯本从流程模拟、优化到人工智能的业务发展逻辑保持同步。2021年10 月，艾默生以60 亿美元现金获得艾斯本55%的多数股权，并将旗下OSI 公司的电力软件和地质建模软件业务并入艾斯本业务中。

图3 艾斯本软件产品组合演变

2.剑维公司

剑维（Aveva）成立于1964 年，是与本特利、鹰图齐名的工程设计公司，为造船和海洋工程、石油和天然气、造纸、电力、化工和制药等工业领域提供全生命周期解决方案及服务。

施耐德于2014 年收购英维斯（Invesys），2017 年反向收购剑维，并将英维斯的业务与剑维整合。原来英维斯的软件，包括用于化工流程模拟的PRO/II、用于换热设备和网络优化的HEXTRAN、用于动态过程模拟的DYNSIM、用于在线实时优化的ROMeo 等，现在都集成在剑维品牌下，形成了工程设计集成平台AVEVA E3D、IE&D、流程模拟平台软件、资产绩效管理套件，提供从工程设计、工程建设、数字化交付到生产运营全生命周期的解决方案，如图4所示。

图4 剑维工厂全生命周期软件解决方案

（二）国外工业软件产业发展启示

1.国家的战略重视和经费扶持

世界产业格局正在发生深刻变化，围绕技术路线主导权、价值链分工、产业生态的竞争日益激烈，在关键工业产业和领域，早已超出了企业、产业之争，变成了国家之争。无论出身科研机构或制造业企业，欧美工业软件巨头的共同特点是背后始终有政府战略和经费扶持的影子。近年来，美国将“把握最先进的制造业中心软件”视为确保本国制造业“继续掌控全球工业布局主导权”的必要条件。为了维护国际竞争地位，国外厂商对外出售固化了上一代甚至上几代技术和数据的工业软件，采取禁售或者禁运高端模块等手段进行技术保护。从产业安全、大型工业系统尤其是流程型生产系统功能安全、信息安全来看，发展自主工业软件技术、产品和产业具有重大意义。

2.完善的产学研用合作机制

石化工业软件研发涉及化工热力学、传递过程、单元操作、化学反应工程、化工系统工程、应用数学、计算机与软件等众多学科的交叉融合，唯有多类创新主体的共同参与才能促进石化工业软件的技术进步与产品创新。很多流程模拟软件最早源自大学，例如AspenPlus 源自MIT, Spyro 最初源自Mario Dente 教授提出的动力学和数学模型，gPROMS 源自英国帝国理工学院，国内的“化工之星”源自青岛科技大学等。这是自然科学原理的一种自发性外溢，之后需要很好的成果转化机制和市场生态环境，才能促进软件不断迭代完善，成为一款成熟的商业化软件产品。

3.自主研发与收购并重

工业软件研发周期长、投入成本高。据估计，一款大型工业软件的研发周期需要3—5 年的时间，要被市场认可则需要10 年左右。例如，西门子2001—2019 年收购了23 家工业软件公司，平均成立时间为23.6 年。因而，除了自主研发外，收购兼并是软件行业版图巨变的助推器，成为国际自动化企业扩张和数字化转型的一个重要手段。国际工业软件巨头通过长时间研发和并购，形成了庞大的产品链，甚至生态圈，构建了以强打弱、以长打短的竞争战略优势。

四、我国石化工业软件发展路径思考

关于工业软件发展路径，近年来文献进行了广泛讨论[14-17]，其中也有细分行业软件发展的研究，如钢铁行业[18]、建材行业[19]等。以下重点从体制机制、软件顶层架构和基础共性技术三个方面进行分析。

（一）创新联合体机制

当前是发展国产石化工业软件的最好时机，但如何发挥国内石化市场规模巨大、应用场景丰富和工程数据积累的优势，如何把分散在高校、科研单位、软件开发企业、装备制造企业、工程设计公司、石化生产企业等不同组织中的技术资源、模型和数据资源、人力资源等整合起来，发挥新型举国体制优势，是一项值得深入研究的课题。

截至2022 年底，国家级的制造业创新中心总数已达到26 个。比照制造业创新中心管理模式，以石化央企为主体，设立国家级石化工业软件创新中心（具有独立实体法人资格），构建产学研用创新生态，不失为一种可行路径。只有解决了体制机制问题，人才、资金、知识产权等激励机制才会迎刃而解。

（二）软件架构顶层设计

以石化工程数据生命周期管理为例，该软件涉及流程模拟软件、二维P&ID 软件和三维CAD 软件的集成、多学科数据的共享和交换。国际领先供应商已经建立起一系列基于平台化的支撑，覆盖全业务流程，实现数据共享和交换的技术和标准体系。而从国内石化行业多年自研软件发展看，此类软件由于缺乏统一开发平台、标准和技术规范，不能有效对数据、功能和业务流程进行整合，多是围绕单点技术进行研发，软件功能单一，技术竞争力与适应性不足，软件研发不断回到起点。

云架构、人工智能、低代码开发等都是软件发展的新动力，但想要将这一类技术在石化工业软件发展中的作用充分发挥出来，基于石化业务逻辑、兼容行业标准规范的顶层软件架构设计便成为关键。

（三）基础共性技术突破

石化工业软件与钢铁、建材等流程制造的工业软件，以及离散制造的工业软件，在底层核心技术堆栈方面有不少通用共性。例如CAD/CAE 软件的三维建模引擎、几何约束求解器、计划优化软件的线性规划求解器、先进过程控制软件的多变量预测模型控制算法等都是工业软件基础共性技术。实现共性技术突破需要统筹国家资源，包括开源资源，统一规划，从而推进跨行业融合。

总之，石化工业软件发展是一个不断投入、持续迭代的漫长过程。集中攻关以便在短期内实现个别软件0-1 的突破，并非不可逾越，但要形成一个完整的石化工业软件产业生态体系，则需要一个漫长的资源整合过程。