石化工业软件分类及自主工业软件成熟度分析

王子宗，王基铭，高立兵

（1 中国石油化工集团有限公司，北京100728；2 中国工程院，北京100088；3 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进化的软件化产物, 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“国之重器”之一，可谓是“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。软件定义制造激发了研发设计、仿真验证、生产制造、经营管理等环节的创新活力，加快了智能化生产、个性化定制、网络化协同、服务化延伸等新模式的发展[1]。同时，伴随新一代信息技术发展，工业软件呈现出集成化、平台化、组件化、服务化、订阅化等趋势。云边协同新技术架构也为工业软件的研发与应用提供了创新的技术路径与商业模式。

目前，我国石化行业使用的工艺设计、工程设计、流程模拟、专用反应器模型、过程控制优化、原油分子表征、物性数据库以及基础研发工具等国外软件占比90%以上，基本被国外软件垄断，石化行业高质量正面临工业软件短板之痛。同时，艾斯 本（AspenTech）、 施 耐 德 电 气（Schneider Electric）、 西 门 子 （Siemens）、 横 河 机 电（Yokogawa）等跨国流程工业企业近年来纷纷加快并购优质工业软件步伐，构筑护城河。因此，发展以流程模拟为代表的自主石化工业软件，已经成为我国石化工业高质量发展的迫切需求：一方面我国的石化工业软件与石化工业生产规模和能力不相匹配；另一方面，我国石化工业已经发展到了转型升级的关键阶段，面临结构优化、绿色低碳、智能升级等需求，迫切需要发展核心工业软件，推动石化工业高质量发展，这是发展我国石化工业软件的内生动力和历史性机遇。

本文依托中国石化集团公司和中国工程院两个石化工业软件发展战略研究课题，首先建立了石油化工工业软件分类体系，进而将石油化工工业软件分为五大类，即研发设计类、生产管控类、石油供应链管理类、资产管理类和经营管理类。通过问卷调查、企业调研、专家访谈、专题研讨、理论研究等形式，对其中18 小类、68 种工业软件从技术发展、市场应用和自主软件成熟度等方面进行了分析研究。绘制出自主软件成熟度图谱和供应商图谱，形成对我国石油化工工业软件现状的体系化认识，厘清了短板软件清单，为石化行业工业软件高质量发展战略、目标和路径规划奠定了基础。

1 石油化工工业软件分类体系

1.1 石油化工核心软件全景图

首先，从两个维度刻画出石油化工核心工业软件的全景图，如图1所示。横向是业务维度，包括产品研发设计、工程设计、工程建设、生产运营、维护/服务管理等；纵向是ISA95 关于企业信息系统和自动化控制系统的架构分层维度，从下往上包括过程层控制层（PCS）、生产执行层（MES）、经营管理层（ERP）等。全景图可以帮助界定石油化工工业软件的范围，为了区分不同软件间的差异，以及各系统之间数据的集成关系，需要进一步对软件进行分类研究。

1.2 建立石油化工工业软件分类体系的必要性

目前，国内对工业软件（industry software）的定义尚未统一，有不同的理解和表述。工业软件的定义和边界决定了其市场定位、价值定位，将对相关产业发展政策产生深远影响。目前有一些不正确的工业软件定义在有意无意地边缘化核心工业软件，这种避重就轻的做法必将伤害核心工业软件的国产化进程，值得警惕。

国内较早发布关于工业软件的政策是《上海市振兴工业软件专项行动方案（2010—2012 年）》。江勇在上海工业软件发展回顾一文中首次清晰地给出工业软件定义[2]：“工业软件是指专用于或主要用于工业生产制造领域，为提高工业企业研发、制造、经营管理水平和工业装备技术水平、工业产品性能的软件。”此后，在工业和信息化部相关文件及赛迪研究院的行业报告中都沿用了这种表述。本文采用上述定义，但“专用于或主要用于工业领域”是“一个软件是工业软件”的必要条件，而非充分条件，不能把用于工业的软件都称为工业软件，这容易让工业软件范畴随意扩大，导致工业软件边界模糊。

石油化工是典型的流程型制造业，生产流程是由原子/分子层级的过程、单元/装置层级的过程以及工厂层级的过程互相嵌套组合，通过非线性相互作用、动态耦合、网络化、结构化等集成协同机制构建而成[3]。承载石化领域知识的化工软件既有与离散行业相通的地方，也有体现石化单元操作、“三传一反”的行业特色之处。因而，有必要对石油化工工业软件进行分类和界定，以形成体系化的认识。

图1 石油化工工业软件全景图

1.3 石油化工“三链”视图

近年来，中、美、德、日等国相继发布了各自国家的智能制造发展战略和相应的智能制造参考模型，其中参考模型是制定标准的基础，起到规范、支撑和引领产业界更好地吸收和采用新技术的作用。参考模型清晰地阐述了术语之间的关系，促进业界达成共识，一方面作为基础进行分类和评估现有的标准，另一方面识别出能够促进智能制造系统实现的新标准活动领域。工业软件是智能制造的基石，因而这些智能制造参考模型可以作为软件分类的思考框架。比较知名的参考模型有中国智能制造参考模型IMSA[4]、 德国工业4.0 参考模型RAMI4.0[5]、日本工业价值链参考模型IVRA[6]、美国国家标准与技术研究院（NIST）智能制造生态系统参考模型SMS[7]等。工业企业在实践中也提出了相关模型，如西门子的“三条价值链”数字化转型模型[8]、中国石化在智能工厂建设中提出的“三条业务主线”[9-10]等。其中，NIST SMS、西门子价值链模型和石化智能工厂的业务主线等虽然表述方式和侧重点不同，但本质上都是围绕制造业的三个核心，即产品、生产线和生产商业活动。

本文认为，石油化工全产业链流程主要分为产品链、资产链和价值链这三条链，三链的交叉处是制造金字塔，如图2所示。

产品链是石化工业价值创造的核心，把低价值原料转化为高价值的产品。石油加工过程的本质是将结构分布范围较宽的原油分子，通过选择性分离及定向转化，生产具有特定分子组成的液体燃料、润滑油产品和精细化工品等。换句话说，现代石油炼制工业商业模式的本质是将低附加值的原料分子转化为高附加值的产品分子。产品链上包括石油分子管理、原油调和优化、流程模拟、工艺设计以及成品油调和优化等。在产品链上，软件发展方向是石油分子管理、一体化流程建模、生命周期数字孪生模拟等。

资产链是指从工厂设计、工程建设、数字化交付到运营与维护的工厂全生命周期资产管理。资产运营是实现价值创造的桥梁。石化是典型的重资产行业，工厂的投资、规划、建设、运行、维护等环节是石化企业资产管理的重点。在资产链上，软件发展趋势是一体化工程设计、数字化交付、一体化运维、资产绩效管理、资产生命周期管理等。资产链与产品链在工艺设计与工程设计阶段已经走向集成，多专业数字化协同设计和数字化交付是发展重点。

图2 石油化工工业“三链”视图

价值链是指供应链及生产控制优化等价值创造活动，包含原油采购、计划优化、调度优化、物流优化、过程控制与优化、仓储、销售服务等。业务流程的数字化可以促成更好的协作，提升灵活性，形成优化的价值链。在价值链上，软件发展方向是供应链协同优化、生产集成管控与在线自主生产优化等。

制造金字塔是石化企业制造系统的核心，产品链、资产链、价值链在这里汇聚和交互，从过程控制到生产执行，再到企业经营管理决策，数据流的纵向集成发挥作用。

石化企业的管理运营水平和数字化水平需要综合考察其在三条链上的表现。通过数字化技术和中台理念，可以从三条链上在数据和业务两方面打破各个独立子系统以及数据源之间的壁垒，完成跨越价值链的数据融合和协同，从而有效管理数据资产，优化生产运营，实现更高的灵活性、更高的生产效率、更高的产品质量和更短的产品上市时间。这是数字化转型的驱动力，也是商业追求的目标。

通过分析国际工业企业收购兼并案例，可以清晰地看出围绕“三链”打造集成化的生命周期解决方案这一趋势，也是国际工业巨头完善软件产品线的基本逻辑所在。例如，艾斯本、西门子、施耐德、剑维、海克斯康等公司基于高度互补的软件产品组合，结成战略联盟，提出从概念设计、基础设计、详细设计、工程建设，到运营维护全生命周期管理解决方案。

1.4 石油化工工业软件分类

根据石油化工“三链”视图，将石油化工工业软件分为五大类，即研发设计类、资产管理类、石油供应链管理类、生产管控类、经营管理类。

（1）研发设计类

包括产品链与资产链的左端部分，支撑产品/工艺研发创新、工艺设计、工程设计、工程施工、数字化交付等活动领域的软件。进一步可分为基础工具与数据库、石油分子管理、工艺设计与流程模拟、工程与工程设计等4个子类。

（2）资产管理类

包括支持对设备资产的事务性管理、设备资产检维修、资产绩效管理以及对工厂资产生命周期管理等软件。进一步可以分为仪表设备管理（AMS）、企业资产管理（EAM）、设备维护、维修和大修（MRO）、资产绩效管理（APM）、资产生命周期管理（ALM）等5个子类。

（3）石油供应链管理类

将供应链管理与经营管理区分开，主要是因为石油化工行业的供应链管理（或称石油供应链，PSC）有其特别内涵，包括供应链管理（SCM）、厂际物流网络优化软件、计划优化软件、调度优化软件、原油调和优化软件、成品油调和优化软件、罐区管理、仓储管理软件等。

（4）生产管控类

包括过程控制系统和生产执行系统，支撑对设备和控制系统进行管控、数据采集、生产执行和安全运行等生产活动领域的软件。进一步可以分为过程控制系统、先进过程控制与优化、生产执行与管理等三个子类。

（5）经营管理类

包括企业资源计划（ERP）、客户关系管理（CRM）、供应商关系管理（SRM）、商业智能（BI）、运营绩效分析、一体化运营平台等软件。

1.5 分类的其他考虑因素

结合石油化工的行业特征，分类时考虑了如下因素。

（1）某些高端工业软件，不适用于石油化工工业，如芯片设计用的电子设计自动化（EDA）软件、离散行业的计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺规划（CAPP）等软件，不在本文研究范围。

（2）当同一类型软件产品的供应商较多时，研究的重点一是选取在石油化工领域应用广泛的软件，二是选取头部企业。

（3）嵌入式软件，是跟终端设备密切捆绑的一类软件，一般随着产品一起销售。嵌入式软件在移动通信、消费电子、汽车电子、机器人、数控机床、电信等领域市场份额比较大，对于石油化工行业，主要体现在工业过程控制系统以及一些智能装备中，因此只是一个子类。

（4）有些基础性软件，比如流程模拟软件列为研发类，但已经应用于从概念设计、基础设计、详细设计到生产优化的全生命周期。

（5） 产品生命周期管理（product lifecycle management，PLM）。PLM 有三个层面的理解，即PLM 领域、PLM 理念和PLM 软件产品。而PLM 软件的功能是产品数据管理（PDM）软件的扩展和延伸。根据国际知名PLM 研究机构CIMdata 的定义，PLM 主要包含三部分，即CAX 软件（产品创新的工具类软件）、cPDM 软件（产品创新的管理类软件，包括PDM 和在网上共享产品模型信息的协同软件等）和相关的咨询服务等。考虑到行业习惯，本文在分类时直接用具体软件来替代PLM。

1.6 标签体系

为了进一步对分类后的石化工业软件进行画像，这里提出一套标签（tags），以反映软件的不同IT 属性，包含平台、套件、工具、数据库、实时、嵌入式等6个标签。

（1）平台（platform）

指集成化的平台软件，包括三个层面，即工业应用软件的集成平台（如工艺集成设计平台、流程模拟平台等）、工业软件开发平台（如低代码开发平台等）、工业互联网平台（IIOT）等。

（2）套件（suite）

指软件集成解决方案。例如供应链管理套件、资产绩效管理（APM）套件等。

（3）工具（tool）

指专用计算、分析、仿真等工具软件，如工艺计算软件、结构应力分析软件、原油切割工具软件等。

（4）数据库（database）

包括各类数据管理系统，例如化工物性数据库、实时数据库等；广义的还包括各类算法库（library）、模型库（models）、程序库（packages）等。

（5）实时（real time）

处理实时数据的软件，如生产执行系统、在线实时优化、在线油品调和优化、实时数据库等。

（6）嵌入式（embedded）

自控系统里的系统软件、组态软件、工业实时操作系统等。

综上所述，通过分析石油化工的“三链”视图，将石油化工工业软件分为五大类，每大类进一步分成若干子类，每个子类里包含若干具体的软件，再加上IT 属性标签，基本上完整地反映了石油化工工业软件的全貌。如图3 所示，是对全景图进行分类，形成石油化工工业软件分类图谱。

2 石油化工自主工业软件成熟度分析

2.1 软件成熟度评价方法

对于工业软件成熟度评估，本文从功能、技术、商业三个方面建立评价指标，以对自主工业软件进行成熟度评价。

图3 石油化工工业软件分类图谱

（1）功能指标

包括业务模块、系统响应能力、安全性、可靠性、易用性、灵活性等。

（2）技术指标

包括数据效验、系统效率、扩展性、代码开放性、故障处理、需求变更、集成等。

（3）商业指标

包括版本更新、替代成本、价格、销售策略等。

基于评价指标，通过供应商自评、专家评估等方式对自主软件进行打分，然后通过专家研讨、综合分析。对于工业软件，不仅要看功能是否实现，用户体验是否好，还要看够不够稳定。仅仅做出一个能用的软件是很难参与市场竞争的。由一个软件从原型到产品工程化需要投入更多的财力和人力，在工业软件产品工程化阶段，公司软件工程师人数投入可能是在0-1阶段的数倍。

2.2 自主软件市场及成熟度分析

产品成熟度与市场占有率有一定关系，也与技术掌握情况有关。没有特别说明，本文的市场仅指石油化工行业。市场占有率低，并不一定意味着产品成熟度低，可能与市场结构甚至别的行业市场情况有关系，要从市场结构和技术掌握情况综合分析。对于应用市场，存在高端与中低端、存量与增量等结构性特征。高端市场主要为大型集团企业、中低端市场主要是中小型企业。存量是已有应用市场，增量是近年来新建项目中的应用。

本文将软件产品成熟度划分为相对成熟、进入市场、基本空白三类。相对成熟，指该类技术国产化工业软件已经比较成熟，具有较高的市场占有率（＞50%），可以和国外同类软件在市场上一争高下；进入市场，指该类技术已基本掌握，实现了产品化，也已占有一定市场份额（20%～40%），但在技术或市场化上还有明显差距，市场主流还是国外软件；基本空白，指该类技术国产化软件市场占有率极低（＜10%），或者在国产化软件方面基本是空白，市场上几乎完全依赖国外软件。

调研的企业用户包括：以中国石化、中国石油两大公司总部及其下属炼化企业、设计院、研究单位为主；中国海油、中化集团及少量大型民营石化企业；石化软件供应商60 余家。在对18 小类、68 种核心石油化工工业软件调研分析的基础上，从技术掌握情况、市场占有率、产品成熟度以及替代国外产品的难度等方面进行分析，见表1～表5。

2.3 成熟度图谱和供应商图谱

将表1～表5 中成熟度分析结果，绘制自主软件成熟度图谱，如图4。其中，对于基本空白的自主性软件说明如下。

（1）整体上看，越是与制造技术（OT）有关的底层基础性软件，空白越多，成熟度越低；越是与信息技术（IT）有关的管理类软件，自主软件成熟度越高。这恰恰体现了工业软件的本质，即工业软件是工业技术的软件化，是工业化成熟度的体现，需要长期的技术积累和知识沉淀。

表1 自主研发设计类软件成熟度分析

表2 自主生产管控类软件成熟度分析

（2）研发设计类软件是短板中的断板，其中工艺设计、流程模拟、化工物性数据库以及基础工具等都是具有行业特征的支撑性基础软件，是需要重点突破的卡脖子软件。CAD虽然有一定的通用性，但石化工程设计更重视工艺流程走向、设备与管道的布置，以及各类设备与管道之间的碰撞干涉检查与处理。国际领先的供应商如海克斯康、剑维、西门子等公司，面向流程工业提出了“一体化工程到一体化运维”的工程数据资产全生命周期解决方案，这些都是很难突破的技术壁垒。

（3）实时数据库（Historian）、先进过程控制（APC）、DCS 等软件/系统，虽然高端存量市场被国外软件占据优势，但在增量市场自主软件已有一定竞争力甚至具有一定优势，并持续向中高端市场突破，目前主要缺乏更多市场机会。

表3 自主供应链类软件成熟度分析

表4 自主资产管理类软件成熟度分析

表5 自主经营管理类软件成熟度分析

（4）计划优化、调度优化等虽然市场占有率低，但已有多款产品，需要进一步商品化和市场推广。

本文在调研国内外石油化工软件供应商的基础上，绘制了供应商图谱，如图5所示。供应商图谱可以看成是一种知识图谱，提供了对具体软件的竞争关系以及技术、知识产权等资源信息的指引。石化工业软件涉及面广，面临的瓶颈、短板众多。发展工业软件需要汇聚政府、企业、研究机构、高等院校和用户等各类资源，构建起工业软件政产学研用产业生态链。

3 结语

工业软件的发展是一个长期的系统性工程，涉及技术、资金、人才、市场、科技成果转化、知识产权保护等众多因素，需要构建政产学研用产业生态链，形成协同发展的合力。对于发展自主可控工业软件，目前各界已经形成共识。

2021年2月初，科技部发布《国家重点研发计划“工业软件”重点专项2021 年度项目申报指南建议（征求意见稿）》，将围绕制造业数字生态及基础前沿技术、产品生命周期核心软件、智能工厂技术与系统、产业协同技术与平台4 个技术方向，启动17 个指南任务。研发设计类软件、生产管控类软件和工业互联网平台在此次指南规划中，但主要偏重于离散行业。流程行业，特别是石油化工行业特有的研发设计类软件没有涉及。

图4 石油化工核心工业软件成熟度图谱

图5 石油化工业软件供应商图谱

从现实看，由于石油化工工艺设计软件、通用流程模拟平台软件、实时优化（RTO）以及化工物性数据库等基础性和开发难度大，补短板很难完全依靠市场机制完成。为此，亟需加快推出针对石油化工细分行业的研发设计类软件精准扶持政策，提高这类软件在战略性新兴产业政策扶持中的优先排序。