石化工業軟件分類及自主工業軟件成熟度分析

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）

工業軟件是工業技術長期積累、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“國之重器”之一，可謂是“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。軟件定義制造激發了研發設計、仿真驗證、生產制造、經營管理等環節的創新活力，加快了智能化生產、個性化定制、網絡化協同、服務化延伸等新模式的發展[1]。同時，伴隨新一代信息技術發展，工業軟件呈現出集成化、平臺化、組件化、服務化、訂閱化等趨勢。云邊協同新技術架構也為工業軟件的研發與應用提供了創新的技術路徑與商業模式。

目前，我國石化行業使用的工藝設計、工程設計、流程模擬、專用反應器模型、過程控制優化、原油分子表征、物性數據庫以及基礎研發工具等國外軟件占比90%以上，基本被國外軟件壟斷，石化行業高質量正面臨工業軟件短板之痛。同時，艾斯 本（AspenTech）、 施 耐 德 電 氣（Schneider Electric）、 西 門 子 （Siemens）、 橫 河 機 電（Yokogawa）等跨國流程工業企業近年來紛紛加快并購優質工業軟件步伐，構筑護城河。因此，發展以流程模擬為代表的自主石化工業軟件，已經成為我國石化工業高質量發展的迫切需求：一方面我國的石化工業軟件與石化工業生產規模和能力不相匹配；另一方面，我國石化工業已經發展到了轉型升級的關鍵階段，面臨結構優化、綠色低碳、智能升級等需求，迫切需要發展核心工業軟件，推動石化工業高質量發展，這是發展我國石化工業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軟件發展戰略研究課題，首先建立了石油化工工業軟件分類體系，進而將石油化工工業軟件分為五大類，即研發設計類、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 種工業軟件從技術發展、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軟件現狀的體系化認識，厘清了短板軟件清單，為石化行業工業軟件高質量發展戰略、目標和路徑規劃奠定了基礎。

1 石油化工工業軟件分類體系

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軟件的全景圖，如圖1所示。橫向是業務維度，包括產品研發設計、工程設計、工程建設、生產運營、維護/服務管理等；縱向是ISA95 關于企業信息系統和自動化控制系統的架構分層維度，從下往上包括過程層控制層（PCS）、生產執行層（MES）、經營管理層（ERP）等。全景圖可以幫助界定石油化工工業軟件的范圍，為了區分不同軟件間的差異，以及各系統之間數據的集成關系，需要進一步對軟件進行分類研究。

1.2 建立石油化工工業軟件分類體系的必要性

目前，國內對工業軟件（industry software）的定義尚未統一，有不同的理解和表述。工業軟件的定義和邊界決定了其市場定位、價值定位，將對相關產業發展政策產生深遠影響。目前有一些不正確的工業軟件定義在有意無意地邊緣化核心工業軟件，這種避重就輕的做法必將傷害核心工業軟件的國產化進程，值得警惕。

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

石油化工是典型的流程型制造業，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、動態耦合、網絡化、結構化等集成協同機制構建而成[3]。承載石化領域知識的化工軟件既有與離散行業相通的地方，也有體現石化單元操作、“三傳一反”的行業特色之處。因而，有必要對石油化工工業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、日等國相繼發布了各自國家的智能制造發展戰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，起到規范、支撐和引領產業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，促進業界達成共識，一方面作為基礎進行分類和評估現有的標準，另一方面識別出能夠促進智能制造系統實現的新標準活動領域。工業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4.0 參考模型RAMI4.0[5]、日本工業價值鏈參考模型IVRA[6]、美國國家標準與技術研究院（NIST）智能制造生態系統參考模型SMS[7]等。工業企業在實踐中也提出了相關模型，如西門子的“三條價值鏈”數字化轉型模型[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的三個核心，即產品、生產線和生產商業活動。

本文認為，石油化工全產業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。

產品鏈是石化工業價值創造的核心，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，現代石油煉制工業商業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、原油調和優化、流程模擬、工藝設計以及成品油調和優化等。在產品鏈上，軟件發展方向是石油分子管理、一體化流程建模、生命周期數字孿生模擬等。

資產鏈是指從工廠設計、工程建設、數字化交付到運營與維護的工廠全生命周期資產管理。資產運營是實現價值創造的橋梁。石化是典型的重資產行業，工廠的投資、規劃、建設、運行、維護等環節是石化企業資產管理的重點。在資產鏈上，軟件發展趨勢是一體化工程設計、數字化交付、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，多專業數字化協同設計和數字化交付是發展重點。

圖2 石油化工工業“三鏈”視圖

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

制造金字塔是石化企業制造系統的核心，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行，再到企業經營管理決策，數據流的縱向集成發揮作用。

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

通過分析國際工業企業收購兼并案例，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、海克斯康等公司基于高度互補的軟件產品組合，結成戰略聯盟，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 石油化工工業軟件分類

根據石油化工“三鏈”視圖，將石油化工工業軟件分為五大類，即研發設計類、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/工藝研發創新、工藝設計、工程設計、工程施工、數字化交付等活動領域的軟件。進一步可分為基礎工具與數據庫、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分開，主要是因為石油化工行業的供應鏈管理（或稱石油供應鏈，PSC）有其特別內涵，包括供應鏈管理（SCM）、廠際物流網絡優化軟件、計劃優化軟件、調度優化軟件、原油調和優化軟件、成品油調和優化軟件、罐區管理、倉儲管理軟件等。

（4）生產管控類

包括過程控制系統和生產執行系統，支撐對設備和控制系統進行管控、數據采集、生產執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、先進過程控制與優化、生產執行與管理等三個子類。

（5）經營管理類

包括企業資源計劃（ERP）、客戶關系管理（CRM）、供應商關系管理（SRM）、商業智能（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特征，分類時考慮了如下因素。

（1）某些高端工業軟件，不適用于石油化工工業，如芯片設計用的電子設計自動化（EDA）軟件、離散行業的計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助工藝規劃（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。

（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、數控機床、電信等領域市場份額比較大，對于石油化工行業，主要體現在工業過程控制系統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類，但已經應用于從概念設計、基礎設計、詳細設計到生產優化的全生命周期。

（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據管理（PDM）軟件的擴展和延伸。根據國際知名PLM 研究機構CIMdata 的定義，PLM 主要包含三部分，即CAX 軟件（產品創新的工具類軟件）、cPDM 軟件（產品創新的管理類軟件，包括PDM 和在網上共享產品模型信息的協同軟件等）和相關的咨詢服務等。考慮到行業習慣，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、數據庫、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）、工業軟件開發平臺（如低代碼開發平臺等）、工業互聯網平臺（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）數據庫（database）

包括各類數據管理系統，例如化工物性數據庫、實時數據庫等；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）

處理實時數據的軟件，如生產執行系統、在線實時優化、在線油品調和優化、實時數據庫等。

（6）嵌入式（embedded）

自控系統里的系統軟件、組態軟件、工業實時操作系統等。

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，形成石油化工工業軟件分類圖譜。

2 石油化工自主工業軟件成熟度分析

2.1 軟件成熟度評價方法

對于工業軟件成熟度評估，本文從功能、技術、商業三個方面建立評價指標，以對自主工業軟件進行成熟度評價。

圖3 石油化工工業軟件分類圖譜

（1）功能指標

包括業務模塊、系統響應能力、安全性、可靠性、易用性、靈活性等。

（2）技術指標

包括數據效驗、系統效率、擴展性、代碼開放性、故障處理、需求變更、集成等。

（3）商業指標

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。對于工業軟件，不僅要看功能是否實現，用戶體驗是否好，還要看夠不夠穩定。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，在工業軟件產品工程化階段，公司軟件工程師人數投入可能是在0-1階段的數倍。

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。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、中低端市場主要是中小型企業。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、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；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。這恰恰體現了工業軟件的本質，即工業軟件是工業技術的軟件化，是工業化成熟度的體現，需要長期的技術積累和知識沉淀。

表1 自主研發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、化工物性數據庫以及基礎工具等都是具有行業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，面向流程工業提出了“一體化工程到一體化運維”的工程數據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）實時數據庫（Historian）、先進過程控制（APC）、DCS 等軟件/系統，雖然高端存量市場被國外軟件占據優勢，但在增量市場自主軟件已有一定競爭力甚至具有一定優勢，并持續向中高端市場突破，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）計劃優化、調度優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。石化工業軟件涉及面廣，面臨的瓶頸、短板眾多。發展工業軟件需要匯聚政府、企業、研究機構、高等院校和用戶等各類資源，構建起工業軟件政產學研用產業生態鏈。

3 結語

工業軟件的發展是一個長期的系統性工程，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生態鏈，形成協同發展的合力。對于發展自主可控工業軟件，目前各界已經形成共識。

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

圖4 石油化工核心工業軟件成熟度圖譜

圖5 石油化工業軟件供應商圖譜

從現實看，由于石油化工工藝設計軟件、通用流程模擬平臺軟件、實時優化（RTO）以及化工物性數據庫等基礎性和開發難度大，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的研發設計類軟件精準扶持政策，提高這類軟件在戰略性新興產業政策扶持中的優先排序。