石化工業(yè)軟件分類及自主工業(yè)軟件成熟度分析

王子宗，王基銘，高立兵

（1 中國石油化工集團有限公司，北京100728；2 中國工程院，北京100088；3 石化盈科信息技術有限責任公司，北京100020）

工業(yè)軟件是工業(yè)技術長期積累、沉淀并在應用中迭代進化的軟件化產物, 是工業(yè)化成熟度的體現(xiàn)。工業(yè)軟件已經成為支撐現(xiàn)代產業(yè)體系發(fā)展和創(chuàng)新的“國之重器”之一，可謂是“工業(yè)之魂”。工業(yè)軟件正從產品、技術、業(yè)務形態(tài)、產業(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)”轉變。軟件定義制造激發(fā)了研發(fā)設計、仿真驗證、生產制造、經營管理等環(huán)節(jié)的創(chuàng)新活力，加快了智能化生產、個性化定制、網絡化協(xié)同、服務化延伸等新模式的發(fā)展[1]。同時，伴隨新一代信息技術發(fā)展，工業(yè)軟件呈現(xiàn)出集成化、平臺化、組件化、服務化、訂閱化等趨勢。云邊協(xié)同新技術架構也為工業(yè)軟件的研發(fā)與應用提供了創(chuàng)新的技術路徑與商業(yè)模式。

目前，我國石化行業(yè)使用的工藝設計、工程設計、流程模擬、專用反應器模型、過程控制優(yōu)化、原油分子表征、物性數(shù)據(jù)庫以及基礎研發(fā)工具等國外軟件占比90%以上，基本被國外軟件壟斷，石化行業(yè)高質量正面臨工業(yè)軟件短板之痛。同時，艾斯 本（AspenTech）、 施 耐 德 電 氣（Schneider Electric）、 西 門 子 （Siemens）、 橫 河 機 電（Yokogawa）等跨國流程工業(yè)企業(yè)近年來紛紛加快并購優(yōu)質工業(yè)軟件步伐，構筑護城河。因此，發(fā)展以流程模擬為代表的自主石化工業(yè)軟件，已經成為我國石化工業(yè)高質量發(fā)展的迫切需求：一方面我國的石化工業(yè)軟件與石化工業(yè)生產規(guī)模和能力不相匹配；另一方面，我國石化工業(yè)已經發(fā)展到了轉型升級的關鍵階段，面臨結構優(yōu)化、綠色低碳、智能升級等需求，迫切需要發(fā)展核心工業(yè)軟件，推動石化工業(yè)高質量發(fā)展，這是發(fā)展我國石化工業(yè)軟件的內生動力和歷史性機遇。

本文依托中國石化集團公司和中國工程院兩個石化工業(yè)軟件發(fā)展戰(zhàn)略研究課題，首先建立了石油化工工業(yè)軟件分類體系，進而將石油化工工業(yè)軟件分為五大類，即研發(fā)設計類、生產管控類、石油供應鏈管理類、資產管理類和經營管理類。通過問卷調查、企業(yè)調研、專家訪談、專題研討、理論研究等形式，對其中18 小類、68 種工業(yè)軟件從技術發(fā)展、市場應用和自主軟件成熟度等方面進行了分析研究。繪制出自主軟件成熟度圖譜和供應商圖譜，形成對我國石油化工工業(yè)軟件現(xiàn)狀的體系化認識，厘清了短板軟件清單，為石化行業(yè)工業(yè)軟件高質量發(fā)展戰(zhàn)略、目標和路徑規(guī)劃奠定了基礎。

1 石油化工工業(yè)軟件分類體系

1.1 石油化工核心軟件全景圖

首先，從兩個維度刻畫出石油化工核心工業(yè)軟件的全景圖，如圖1所示。橫向是業(yè)務維度，包括產品研發(fā)設計、工程設計、工程建設、生產運營、維護/服務管理等；縱向是ISA95 關于企業(yè)信息系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)的架構分層維度，從下往上包括過程層控制層（PCS）、生產執(zhí)行層（MES）、經營管理層（ERP）等。全景圖可以幫助界定石油化工工業(yè)軟件的范圍，為了區(qū)分不同軟件間的差異，以及各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的集成關系，需要進一步對軟件進行分類研究。

1.2 建立石油化工工業(yè)軟件分類體系的必要性

目前，國內對工業(yè)軟件（industry software）的定義尚未統(tǒng)一，有不同的理解和表述。工業(yè)軟件的定義和邊界決定了其市場定位、價值定位，將對相關產業(yè)發(fā)展政策產生深遠影響。目前有一些不正確的工業(yè)軟件定義在有意無意地邊緣化核心工業(yè)軟件，這種避重就輕的做法必將傷害核心工業(yè)軟件的國產化進程，值得警惕。

國內較早發(fā)布關于工業(yè)軟件的政策是《上海市振興工業(yè)軟件專項行動方案（2010—2012 年）》。江勇在上海工業(yè)軟件發(fā)展回顧一文中首次清晰地給出工業(yè)軟件定義[2]：“工業(yè)軟件是指專用于或主要用于工業(yè)生產制造領域，為提高工業(yè)企業(yè)研發(fā)、制造、經營管理水平和工業(yè)裝備技術水平、工業(yè)產品性能的軟件?！贝撕?，在工業(yè)和信息化部相關文件及賽迪研究院的行業(yè)報告中都沿用了這種表述。本文采用上述定義，但“專用于或主要用于工業(yè)領域”是“一個軟件是工業(yè)軟件”的必要條件，而非充分條件，不能把用于工業(yè)的軟件都稱為工業(yè)軟件，這容易讓工業(yè)軟件范疇隨意擴大，導致工業(yè)軟件邊界模糊。

石油化工是典型的流程型制造業(yè)，生產流程是由原子/分子層級的過程、單元/裝置層級的過程以及工廠層級的過程互相嵌套組合，通過非線性相互作用、動態(tài)耦合、網絡化、結構化等集成協(xié)同機制構建而成[3]。承載石化領域知識的化工軟件既有與離散行業(yè)相通的地方，也有體現(xiàn)石化單元操作、“三傳一反”的行業(yè)特色之處。因而，有必要對石油化工工業(yè)軟件進行分類和界定，以形成體系化的認識。

圖1 石油化工工業(yè)軟件全景圖

1.3 石油化工“三鏈”視圖

近年來，中、美、德、日等國相繼發(fā)布了各自國家的智能制造發(fā)展戰(zhàn)略和相應的智能制造參考模型，其中參考模型是制定標準的基礎，起到規(guī)范、支撐和引領產業(yè)界更好地吸收和采用新技術的作用。參考模型清晰地闡述了術語之間的關系，促進業(yè)界達成共識，一方面作為基礎進行分類和評估現(xiàn)有的標準，另一方面識別出能夠促進智能制造系統(tǒng)實現(xiàn)的新標準活動領域。工業(yè)軟件是智能制造的基石，因而這些智能制造參考模型可以作為軟件分類的思考框架。比較知名的參考模型有中國智能制造參考模型IMSA[4]、 德國工業(yè)4.0 參考模型RAMI4.0[5]、日本工業(yè)價值鏈參考模型IVRA[6]、美國國家標準與技術研究院（NIST）智能制造生態(tài)系統(tǒng)參考模型SMS[7]等。工業(yè)企業(yè)在實踐中也提出了相關模型，如西門子的“三條價值鏈”數(shù)字化轉型模型[8]、中國石化在智能工廠建設中提出的“三條業(yè)務主線”[9-10]等。其中，NIST SMS、西門子價值鏈模型和石化智能工廠的業(yè)務主線等雖然表述方式和側重點不同，但本質上都是圍繞制造業(yè)的三個核心，即產品、生產線和生產商業(yè)活動。

本文認為，石油化工全產業(yè)鏈流程主要分為產品鏈、資產鏈和價值鏈這三條鏈，三鏈的交叉處是制造金字塔，如圖2所示。

產品鏈是石化工業(yè)價值創(chuàng)造的核心，把低價值原料轉化為高價值的產品。石油加工過程的本質是將結構分布范圍較寬的原油分子，通過選擇性分離及定向轉化，生產具有特定分子組成的液體燃料、潤滑油產品和精細化工品等。換句話說，現(xiàn)代石油煉制工業(yè)商業(yè)模式的本質是將低附加值的原料分子轉化為高附加值的產品分子。產品鏈上包括石油分子管理、原油調和優(yōu)化、流程模擬、工藝設計以及成品油調和優(yōu)化等。在產品鏈上，軟件發(fā)展方向是石油分子管理、一體化流程建模、生命周期數(shù)字孿生模擬等。

資產鏈是指從工廠設計、工程建設、數(shù)字化交付到運營與維護的工廠全生命周期資產管理。資產運營是實現(xiàn)價值創(chuàng)造的橋梁。石化是典型的重資產行業(yè)，工廠的投資、規(guī)劃、建設、運行、維護等環(huán)節(jié)是石化企業(yè)資產管理的重點。在資產鏈上，軟件發(fā)展趨勢是一體化工程設計、數(shù)字化交付、一體化運維、資產績效管理、資產生命周期管理等。資產鏈與產品鏈在工藝設計與工程設計階段已經走向集成，多專業(yè)數(shù)字化協(xié)同設計和數(shù)字化交付是發(fā)展重點。

圖2 石油化工工業(yè)“三鏈”視圖

價值鏈是指供應鏈及生產控制優(yōu)化等價值創(chuàng)造活動，包含原油采購、計劃優(yōu)化、調度優(yōu)化、物流優(yōu)化、過程控制與優(yōu)化、倉儲、銷售服務等。業(yè)務流程的數(shù)字化可以促成更好的協(xié)作，提升靈活性，形成優(yōu)化的價值鏈。在價值鏈上，軟件發(fā)展方向是供應鏈協(xié)同優(yōu)化、生產集成管控與在線自主生產優(yōu)化等。

制造金字塔是石化企業(yè)制造系統(tǒng)的核心，產品鏈、資產鏈、價值鏈在這里匯聚和交互，從過程控制到生產執(zhí)行，再到企業(yè)經營管理決策，數(shù)據(jù)流的縱向集成發(fā)揮作用。

石化企業(yè)的管理運營水平和數(shù)字化水平需要綜合考察其在三條鏈上的表現(xiàn)。通過數(shù)字化技術和中臺理念，可以從三條鏈上在數(shù)據(jù)和業(yè)務兩方面打破各個獨立子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)源之間的壁壘，完成跨越價值鏈的數(shù)據(jù)融合和協(xié)同，從而有效管理數(shù)據(jù)資產，優(yōu)化生產運營，實現(xiàn)更高的靈活性、更高的生產效率、更高的產品質量和更短的產品上市時間。這是數(shù)字化轉型的驅動力，也是商業(yè)追求的目標。

通過分析國際工業(yè)企業(yè)收購兼并案例，可以清晰地看出圍繞“三鏈”打造集成化的生命周期解決方案這一趨勢，也是國際工業(yè)巨頭完善軟件產品線的基本邏輯所在。例如，艾斯本、西門子、施耐德、劍維、?？怂箍档裙净诟叨然パa的軟件產品組合，結成戰(zhàn)略聯(lián)盟，提出從概念設計、基礎設計、詳細設計、工程建設，到運營維護全生命周期管理解決方案。

1.4 石油化工工業(yè)軟件分類

根據(jù)石油化工“三鏈”視圖，將石油化工工業(yè)軟件分為五大類，即研發(fā)設計類、資產管理類、石油供應鏈管理類、生產管控類、經營管理類。

（1）研發(fā)設計類

包括產品鏈與資產鏈的左端部分，支撐產品/工藝研發(fā)創(chuàng)新、工藝設計、工程設計、工程施工、數(shù)字化交付等活動領域的軟件。進一步可分為基礎工具與數(shù)據(jù)庫、石油分子管理、工藝設計與流程模擬、工程與工程設計等4個子類。

（2）資產管理類

包括支持對設備資產的事務性管理、設備資產檢維修、資產績效管理以及對工廠資產生命周期管理等軟件。進一步可以分為儀表設備管理（AMS）、企業(yè)資產管理（EAM）、設備維護、維修和大修（MRO）、資產績效管理（APM）、資產生命周期管理（ALM）等5個子類。

（3）石油供應鏈管理類

將供應鏈管理與經營管理區(qū)分開，主要是因為石油化工行業(yè)的供應鏈管理（或稱石油供應鏈，PSC）有其特別內涵，包括供應鏈管理（SCM）、廠際物流網絡優(yōu)化軟件、計劃優(yōu)化軟件、調度優(yōu)化軟件、原油調和優(yōu)化軟件、成品油調和優(yōu)化軟件、罐區(qū)管理、倉儲管理軟件等。

（4）生產管控類

包括過程控制系統(tǒng)和生產執(zhí)行系統(tǒng)，支撐對設備和控制系統(tǒng)進行管控、數(shù)據(jù)采集、生產執(zhí)行和安全運行等生產活動領域的軟件。進一步可以分為過程控制系統(tǒng)、先進過程控制與優(yōu)化、生產執(zhí)行與管理等三個子類。

（5）經營管理類

包括企業(yè)資源計劃（ERP）、客戶關系管理（CRM）、供應商關系管理（SRM）、商業(yè)智能（BI）、運營績效分析、一體化運營平臺等軟件。

1.5 分類的其他考慮因素

結合石油化工的行業(yè)特征，分類時考慮了如下因素。

（1）某些高端工業(yè)軟件，不適用于石油化工工業(yè)，如芯片設計用的電子設計自動化（EDA）軟件、離散行業(yè)的計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP）等軟件，不在本文研究范圍。

（2）當同一類型軟件產品的供應商較多時，研究的重點一是選取在石油化工領域應用廣泛的軟件，二是選取頭部企業(yè)。

（3）嵌入式軟件，是跟終端設備密切捆綁的一類軟件，一般隨著產品一起銷售。嵌入式軟件在移動通信、消費電子、汽車電子、機器人、數(shù)控機床、電信等領域市場份額比較大，對于石油化工行業(yè)，主要體現(xiàn)在工業(yè)過程控制系統(tǒng)以及一些智能裝備中，因此只是一個子類。

（4）有些基礎性軟件，比如流程模擬軟件列為研發(fā)類，但已經應用于從概念設計、基礎設計、詳細設計到生產優(yōu)化的全生命周期。

（5） 產品生命周期管理（product lifecycle management，PLM）。PLM 有三個層面的理解，即PLM 領域、PLM 理念和PLM 軟件產品。而PLM 軟件的功能是產品數(shù)據(jù)管理（PDM）軟件的擴展和延伸。根據(jù)國際知名PLM 研究機構CIMdata 的定義，PLM 主要包含三部分，即CAX 軟件（產品創(chuàng)新的工具類軟件）、cPDM 軟件（產品創(chuàng)新的管理類軟件，包括PDM 和在網上共享產品模型信息的協(xié)同軟件等）和相關的咨詢服務等?？紤]到行業(yè)習慣，本文在分類時直接用具體軟件來替代PLM。

1.6 標簽體系

為了進一步對分類后的石化工業(yè)軟件進行畫像，這里提出一套標簽（tags），以反映軟件的不同IT 屬性，包含平臺、套件、工具、數(shù)據(jù)庫、實時、嵌入式等6個標簽。

（1）平臺（platform）

指集成化的平臺軟件，包括三個層面，即工業(yè)應用軟件的集成平臺（如工藝集成設計平臺、流程模擬平臺等）、工業(yè)軟件開發(fā)平臺（如低代碼開發(fā)平臺等）、工業(yè)互聯(lián)網平臺（IIOT）等。

（2）套件（suite）

指軟件集成解決方案。例如供應鏈管理套件、資產績效管理（APM）套件等。

（3）工具（tool）

指專用計算、分析、仿真等工具軟件，如工藝計算軟件、結構應力分析軟件、原油切割工具軟件等。

（4）數(shù)據(jù)庫（database）

包括各類數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，例如化工物性數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫等；廣義的還包括各類算法庫（library）、模型庫（models）、程序庫（packages）等。

（5）實時（real time）

處理實時數(shù)據(jù)的軟件，如生產執(zhí)行系統(tǒng)、在線實時優(yōu)化、在線油品調和優(yōu)化、實時數(shù)據(jù)庫等。

（6）嵌入式（embedded）

自控系統(tǒng)里的系統(tǒng)軟件、組態(tài)軟件、工業(yè)實時操作系統(tǒng)等。

綜上所述，通過分析石油化工的“三鏈”視圖，將石油化工工業(yè)軟件分為五大類，每大類進一步分成若干子類，每個子類里包含若干具體的軟件，再加上IT 屬性標簽，基本上完整地反映了石油化工工業(yè)軟件的全貌。如圖3 所示，是對全景圖進行分類，形成石油化工工業(yè)軟件分類圖譜。

2 石油化工自主工業(yè)軟件成熟度分析

2.1 軟件成熟度評價方法

對于工業(yè)軟件成熟度評估，本文從功能、技術、商業(yè)三個方面建立評價指標，以對自主工業(yè)軟件進行成熟度評價。

圖3 石油化工工業(yè)軟件分類圖譜

（1）功能指標

包括業(yè)務模塊、系統(tǒng)響應能力、安全性、可靠性、易用性、靈活性等。

（2）技術指標

包括數(shù)據(jù)效驗、系統(tǒng)效率、擴展性、代碼開放性、故障處理、需求變更、集成等。

（3）商業(yè)指標

包括版本更新、替代成本、價格、銷售策略等。

基于評價指標，通過供應商自評、專家評估等方式對自主軟件進行打分，然后通過專家研討、綜合分析。對于工業(yè)軟件，不僅要看功能是否實現(xiàn)，用戶體驗是否好，還要看夠不夠穩(wěn)定。僅僅做出一個能用的軟件是很難參與市場競爭的。由一個軟件從原型到產品工程化需要投入更多的財力和人力，在工業(yè)軟件產品工程化階段，公司軟件工程師人數(shù)投入可能是在0-1階段的數(shù)倍。

2.2 自主軟件市場及成熟度分析

產品成熟度與市場占有率有一定關系，也與技術掌握情況有關。沒有特別說明，本文的市場僅指石油化工行業(yè)。市場占有率低，并不一定意味著產品成熟度低，可能與市場結構甚至別的行業(yè)市場情況有關系，要從市場結構和技術掌握情況綜合分析。對于應用市場，存在高端與中低端、存量與增量等結構性特征。高端市場主要為大型集團企業(yè)、中低端市場主要是中小型企業(yè)。存量是已有應用市場，增量是近年來新建項目中的應用。

本文將軟件產品成熟度劃分為相對成熟、進入市場、基本空白三類。相對成熟，指該類技術國產化工業(yè)軟件已經比較成熟，具有較高的市場占有率（＞50%），可以和國外同類軟件在市場上一爭高下；進入市場，指該類技術已基本掌握，實現(xiàn)了產品化，也已占有一定市場份額（20%～40%），但在技術或市場化上還有明顯差距，市場主流還是國外軟件；基本空白，指該類技術國產化軟件市場占有率極低（＜10%），或者在國產化軟件方面基本是空白，市場上幾乎完全依賴國外軟件。

調研的企業(yè)用戶包括：以中國石化、中國石油兩大公司總部及其下屬煉化企業(yè)、設計院、研究單位為主；中國海油、中化集團及少量大型民營石化企業(yè)；石化軟件供應商60 余家。在對18 小類、68 種核心石油化工工業(yè)軟件調研分析的基礎上，從技術掌握情況、市場占有率、產品成熟度以及替代國外產品的難度等方面進行分析，見表1～表5。

2.3 成熟度圖譜和供應商圖譜

將表1～表5 中成熟度分析結果，繪制自主軟件成熟度圖譜，如圖4。其中，對于基本空白的自主性軟件說明如下。

（1）整體上看，越是與制造技術（OT）有關的底層基礎性軟件，空白越多，成熟度越低；越是與信息技術（IT）有關的管理類軟件，自主軟件成熟度越高。這恰恰體現(xiàn)了工業(yè)軟件的本質，即工業(yè)軟件是工業(yè)技術的軟件化，是工業(yè)化成熟度的體現(xiàn)，需要長期的技術積累和知識沉淀。

表1 自主研發(fā)設計類軟件成熟度分析

表2 自主生產管控類軟件成熟度分析

（2）研發(fā)設計類軟件是短板中的斷板，其中工藝設計、流程模擬、化工物性數(shù)據(jù)庫以及基礎工具等都是具有行業(yè)特征的支撐性基礎軟件，是需要重點突破的卡脖子軟件。CAD雖然有一定的通用性，但石化工程設計更重視工藝流程走向、設備與管道的布置，以及各類設備與管道之間的碰撞干涉檢查與處理。國際領先的供應商如海克斯康、劍維、西門子等公司，面向流程工業(yè)提出了“一體化工程到一體化運維”的工程數(shù)據(jù)資產全生命周期解決方案，這些都是很難突破的技術壁壘。

（3）實時數(shù)據(jù)庫（Historian）、先進過程控制（APC）、DCS 等軟件/系統(tǒng)，雖然高端存量市場被國外軟件占據(jù)優(yōu)勢，但在增量市場自主軟件已有一定競爭力甚至具有一定優(yōu)勢，并持續(xù)向中高端市場突破，目前主要缺乏更多市場機會。

表3 自主供應鏈類軟件成熟度分析

表4 自主資產管理類軟件成熟度分析

表5 自主經營管理類軟件成熟度分析

（4）計劃優(yōu)化、調度優(yōu)化等雖然市場占有率低，但已有多款產品，需要進一步商品化和市場推廣。

本文在調研國內外石油化工軟件供應商的基礎上，繪制了供應商圖譜，如圖5所示。供應商圖譜可以看成是一種知識圖譜，提供了對具體軟件的競爭關系以及技術、知識產權等資源信息的指引。石化工業(yè)軟件涉及面廣，面臨的瓶頸、短板眾多。發(fā)展工業(yè)軟件需要匯聚政府、企業(yè)、研究機構、高等院校和用戶等各類資源，構建起工業(yè)軟件政產學研用產業(yè)生態(tài)鏈。

3 結語

工業(yè)軟件的發(fā)展是一個長期的系統(tǒng)性工程，涉及技術、資金、人才、市場、科技成果轉化、知識產權保護等眾多因素，需要構建政產學研用產業(yè)生態(tài)鏈，形成協(xié)同發(fā)展的合力。對于發(fā)展自主可控工業(yè)軟件，目前各界已經形成共識。

2021年2月初，科技部發(fā)布《國家重點研發(fā)計劃“工業(yè)軟件”重點專項2021 年度項目申報指南建議（征求意見稿）》，將圍繞制造業(yè)數(shù)字生態(tài)及基礎前沿技術、產品生命周期核心軟件、智能工廠技術與系統(tǒng)、產業(yè)協(xié)同技術與平臺4 個技術方向，啟動17 個指南任務。研發(fā)設計類軟件、生產管控類軟件和工業(yè)互聯(lián)網平臺在此次指南規(guī)劃中，但主要偏重于離散行業(yè)。流程行業(yè)，特別是石油化工行業(yè)特有的研發(fā)設計類軟件沒有涉及。

圖4 石油化工核心工業(yè)軟件成熟度圖譜

圖5 石油化工業(yè)軟件供應商圖譜

從現(xiàn)實看，由于石油化工工藝設計軟件、通用流程模擬平臺軟件、實時優(yōu)化（RTO）以及化工物性數(shù)據(jù)庫等基礎性和開發(fā)難度大，補短板很難完全依靠市場機制完成。為此，亟需加快推出針對石油化工細分行業(yè)的研發(fā)設計類軟件精準扶持政策，提高這類軟件在戰(zhàn)略性新興產業(yè)政策扶持中的優(yōu)先排序。