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化工数字化转型 应正视工业软件短板
2020年2期 发行日期:2020-01-15
作者:■ 过程系统工程专业委员会副主任 杨友麒

我国制造业当前正处于信息化与工业化两化深度融合的高潮,通过数字化转型升级实现高质量发展,是制造业追求的目标。化工制造业也不例外。2018年中兴芯片事件以后,当年4月《科技日报》推出新专栏“亟待攻克的核心技术”,发起了“是什么卡了我们的脖子”为引题的大讨论,其中一期标题是《核心工业软件,智能制造的中国“无人区”》,指出工业软件和芯片是同时击中中国制造软肋的“软”“硬”两把利剑。但是,芯片问题已经是万众属目,而工业软件作为“制造强国”最大短板却未引起各方面足够重视。

一、制造业信息化的发展趋势
    
    新一代信息技术是新一轮科技革命中创新最活跃、交叉最密集、渗透性最强的领域,正在引发系统性、革命性、群体性的技术突破和产业变革,全球加速迈向以万物互联、数据驱动、软件定义、平台支撑、智能主导的数字经济新时代。习近平总书记在2018年11月G20峰会讲话中强调:“我们要鼓励创新,促进数字经济和实体经济深度融合,十分关注新技术应用带来的风险挑战。”
    信息化发展的三个阶段  在第四次技术革命风起云涌的今天,制造业的数字化转型升级正是当前各个企业信息化建设的焦点。我们知道,在信息化发展进程中首先是企业基础监测控制到管理经营的数字化,这是第一阶段。
    企业的数字化转型已经成为数字经济时代企业赖以生存的法则,产品数字化、客户数字化、运营数字化,以及由此驱动的商业模式变革,成为转型的战略重点,企业唯有加速数字化转型才能取得领先优势。数字化的企业在提高质量、提高生产效率、降低生产和销售成本,以及缩短新产品开发周期等方面都具有显著优势,因而竞争力大为提升。只有设备运行监测控制数字化后,才有具备物联网的基础,也就是进入工业互联网的网络化阶段,这是第二阶段。
    在数字化、网络化的基础上形成虚拟空间,在此虚拟空间建立起以数学模型为基础的“数字孪生”模型,使得企业从生产到经营行为可以在虚拟空间准确呈现,甚至超前呈现(因为计算机速度比现实快),从而可以预测企业下一步行为、优化下一步行为,防止安全事故,这才到达智能制造的第三阶段。没有“数字孪生”,就称不上“智能化”,这也是其难点。
    所以,需要知道:信息化的数字化—网络化—智能化三阶段只能循序渐进,无法跳跃式一步达到智能化。目前社会上有一些公司,其实在数字化领域做工作,但喜欢打着“智能化”的招牌,这是一种不科学的浮夸风,业内内行人士、特别是政府管理人员应该清楚地加以区分,不可随着商业宣传“人云亦云”。
    软件定义世界 在自动化、数字化的时代,软件对传统产业的赋能作用越来越大。例如宝马7系列汽车内置软件超2亿行代码;波音787客机中的软件代码超过10亿行;一个炼油化工企业的信息系统也与此类似。
    工业软件是工业操作运行技术、工艺经验、制造知识和控制方法的显性化、数字化和系统化的承载体。本质是工业与软件的融合,是人们对工业研发设计、生产制造、经营管理、运维服务等全生命周期业务环节认知规律的模型化、代码化、工具化,是工业知识、技术积累和经验体系的新载体。一个企业的信息系统就相当于企业的神经系统,控制着企业的正常运行。工业软件正在从产品、技术、业务形态、产业发展模式等多方面重塑工业体系,工业正从“以装备为核心”向 “以软件定义工业”的方向发展。

二、炼化企业数字化转型的核心技术
    
    炼油化工企业是一种流程加工行业,其自动化程度本来就比机械、电子等离散加工制造业高,现在的数字化转型就是将一系列功能软件分层次地集成起来,形成统一的企业信息系统,图1展示了一个典型的炼油化工企业信息系统结构。
    图1中所展示的信息系统架构由四个层次构成:基础检测层、过程控制层、生产执行层和经营管理层。其中基础层主要由现场检测仪表和集散控制系统DCS、数据采集与监视控制系统SCADA和可编程序控制器PLC等硬件组成。从基础层采集到的数据信息上传到过程控制层,这里的核心软件是:实时数据库RTDB、先进过程控制APC、油品调和和仿真培训。再向上面传送给生产执行层,这里的核心软件是制造执行系统MES、流程模拟系统和物流仓储管理系统。这一层还有一个常用的软件——试验室信息管理系统LIMS,负责将厂里中心化验室产生的分析化验数据收集管理(图1上未显示);最顶层管理系统的核心是先进计划系统APS和企业资源计划ERP,当然还有电子商务系统、客户关系管理CRM系统等。
    应当说,在先进计划系统APS之下还有一个生产调度系统(图1上没有表示),生产计划负责制定按年度、月份的生产,而生产调度系统则负责制定按周、按日的详细计划。

    这些软件集成起来形成的信息系统,控制着整个企业的运行,相当于企业的神经系统,指挥着企业“长、满、安、稳、优”地运行。企业能否运行良好且安全就取决于这些软件的质量和水平。


三、我国工业软件的发展近况
   
    软件的大国,工业软件的侏儒  我国的软件产业总体来说是一个中国增长最快的产业之一,在2015年以前,每年产值增加速率都在20%~30%,即使到2015—2018年,增速也在14%~15%,比我国GDP增速快1倍以上。2018年,全国软件和信息技术服务业规模以上企业3.78万家,累计完成软件业务收入6.3万亿元,同比增长14.2%,产值仅次于美国,居全球第二位。
    但是,我国的软件产业发展并不均衡,主要收入来自能赚快钱的行业,如电子商务、金融、网游以及嵌入软件。对于那些需要行业知识做基础、需要多年经验积累、不断改进的工业软件,国内供应能力偏弱。
    这可以从以下两组数字看出来:就世界总体来看:2018年全球软件市场规模为16984亿美元;而全球工业软件市场规模为3849亿美元,即工业软件占总量的23.8%。而中国2018年软件市场规模为63061亿元;其中工业软件市场规模为1415亿元,工业软件占总量的2.24%,所以中国的工业软件市场非常畸形。这并非意味中国的工业软件市场小,而是因为90%的市场都被进口软件占领,国产工业软件只是侏儒,无法与外国的软件巨人博弈。
    具体来看,根据调查,炼油化工企业用的核心工业软件,也大致符合上述总体状况。如果将自己掌握核心技术的程度分为三个档次:第一类,基本掌握了核心技术,可以在市场上与外国同类软件一拼高下的国产软件;第二类,虽然外国有,国内企业自己也有,但技不如人,在市场上不在一个档次上,国产软件不占主流;第三类,即“卡脖子”类,国内市场完全被外国软件垄断,国内所用的完全是外国软件。
    按上述分类,前面提到的十大核心工业软件的状况大致如下:
    第一类只有四个:仿真培训系统OTS(如东方仿真公司PSSP、北京圣金桥公司RealSim2.0等);生产运行系统MES(如石化盈科公司SMES 3.0、浙江中控公司MES-Suite等);油品调和(石化盈科公司PBO、上海华东理工大学ECUST-BLENDER等);实验室信息管理系统LIMS(石化盈科公司PROCET-LIMS、浙江中控LIMS、北京汇博嘉讯LabBuilder LIMS);
    第二类有五个:计划排产(中石油计划优化软件 APS2.0);调度优化软件(北京时林公司SAPS1.0 );先进控制软件方面(浙江中控的APC-Suite);实时数据库(南京富岛实时数据库系统、浙江中控ESP-iSYS、三维力控Pspace);实时优化(浙江中控的RTO-Suite、华东理工大学开发的乙烯装置专用实时优化软件)。
    第三类有流程模拟软件,这个领域市场上有名的软件有五六种:国内上世纪曾经有青岛化工学院开发的工程化学模拟系统ECSS(又称化工之星)在市场上存在过,但随着国外软件功能不断提高,国内投入不足,差距越来越大,到21世纪国产化的流程模拟软件就完全被淘汰了。此外,我们的化工科研设计单位用的软件基本全是外国引进的软件。
    所以,当前中石化、中石油、中海油及中化集团等大型石油化工企业信息系统的支撑软件主要都是外国工业软件,如果哪天国外供应商不允许使用了,那么这些企业就立刻面临停产的尴尬局面。因为现代化企业的信息管理系统就是企业的神经中枢,信息系统一旦出问题,就相当中枢神经瘫痪,生产就无法继续。这种状况与我国这样一个世界最大化工大国的地位是完全不相适应的。
    造成工业软件成为短板的原因 之所以形成这样一种尴尬局面原因是多方面的,我们可以从软件的应用方和软件的供应方两个方面来梳理一下。
    从石油化工企业应用方面有以下3个原因:
   (1)我国企业利润较低,信息化投入达不到国际上工业发达国家平均占销售额1%的水平,舍不得在软件上花费,再加上缺乏知识产权的版权意识,总认为软件不值钱(甚至不花钱拷贝得来)。
   (2)国内的DCS控制系统市场过去被国外长期垄断,外国的大型公司将软件与硬件捆绑销售,造成了整个行业对在其之上的工业软件形成长期依赖,工业软件市场也被国外企业垄断。
   (3)新开发的软件需要有一个应用中发现问题、改进成熟的试错期。而国内大型国营石化企业主管不愿意承担国产化工业软件成长期试错的风险,宁可花费重金购买外国成熟软件,也不希望用不够成熟的国产软件,使得国产软件无法获得发展和成长机会。  
    从国产化软件开发供应商方面有以下6个原因:
   (1)国产软件基础薄弱,难以突破国外大型公司长期垄断形成的“累积效应”壁垒。
   (2)国内工业软件供应商大多采用(工程)项目型运作方式,即“定制化开发”,软件开发只关注满足最低限度的功能需求,往往忽视过程中知识的不断积累和对成熟产品的借鉴,更难以培养出大型软件的架构技术。
   (3)国外大型软件供应商注重全面生态系统建设:软件供应商、系统集成商、实施服务商、增值销售商、自动化硬件商形成联盟,其竞争力不是国产软件能达到的。
   (4)国外老牌软件公司一方面积累深厚工业经验,一方面不断研发新功能以满足客户需求,研发创新投入大;而国内软件起步晚,长期靠定制化服务生存,研发投入不足,形不成全面规划化的“品牌”软件。
   (5)国内软件企业来自科研院所或高等学校,往往缺乏持续开发和竞争能力,满足于“获奖”和升职;而来自大型国营企业的软件公司则满足于为母公司“定制服务”,缺乏通用化国际竞争的动力,因而形不成大型工业软件公司和有竞争力的品牌。
   (6)国内资本市场风险投资对我国自主软件公司支持也不够,因为工业软件成熟的周期长、回报周期长,不能“赚快钱”。

四、对策和建议
    
    作为世界第一制造大国,中国必须立刻改变这种尴尬状态,实现从软件大国向软件强国转型。以下是笔者建议采取的对策:
   (1)对“卡脖子”的工业软件,例如流程模拟软件,政府应重点投资,发挥产、学、研优势资源整合的举国体制,尽快补齐短板,防止受制于人。
    这方面不妨吸取美国开发流程模拟系统ASPEN 的经验:美国在上世纪70年代就由国家能源部出资500万美元,成立研发项目,委托最具实力的麻省理工学院为主体,开发“第三代流程模拟系统”。为了保证开发的成果不仅是学术成果,还是生产企业好用的软件产品,又由政府出面组织了50家大型化工企业参加项目,每家出资2 万美元并分享成果。为了确保成果适合工业应用,项目经理推选孟山都公司派代表担任。
    该工业软件经历了5年时间才完成第一版开发,项目组人数最多时达到40~50人。1981年能源部验收后,所剩下的开发人员立即转化成立ASPEN公司,不久公司得到风险投资的支持,转变为上市公司,一年以后其股票增值了8倍多。于是开始兼并先进控制、计划优化、供应链等一系列软件公司,形成自己的多功能软件平台ASPEN ONE,变成了一个在世界30多个国家开办办事处/研发基地的跨国公司。具有中国特色的社会主义“举国体制”的优势,这样的产学研结合,中国也应当能做到。
   (2)对已经国产化研发成熟的产品软件,尽量在大型国营石化企业推广采用,在使用中修改提高完善,替代国外软件,如MES/APC/实时数据库/计划优化/LIMS软件等。要给中国自己开发的软件上线应用的机会,在应用过程中提供改进提高的机会。这样才能使国产化工业软件不断成长壮大。
   (3)快速追赶卡脖子工业软件的另外一条途径就是实现海外并购,在国际市场上去抢购外国的优秀工业软件公司资源。但是目前现有的与石油和化工行业相关的大型国营IT公司(产值十亿元以上,如石化盈科、中油瑞飞)都是中石化、中石油下属公司。应立即通过股份制改革,整合国内现有资源,做强做大一批国内上市工业软件公司,使其成为到国际上去打拼的中国软件企业的“航空母舰”。
   (4)鼓励国产化DCS硬件公司,如源自电子部六所的和利时公司、源自浙江大学的浙江中控公司,大力发展工业软件。国内外的经验均证明,以硬件产品为依托,发展工业软件是一条成功的道路,现在国际DCS市场的竞争也集中在其软件功能上。所以,这些DCS公司应该加大软件开发投入,提高适合炼油化工企业应用的软件水平。
   (5)改变石化工业软件生态环境,营造国产化工业软件自由发展的大空间。首先要倡导软件产品知识产权保护意识,并完善软件产品知识产权保护的法律体系,要求国企使用正版软件,形成软件是贵重知识产品的市场环境。改变国内工业软件供应商大多靠(工程)项目型运作方式,即“定制化开发”以求生存、而软件产品不值钱的状态。政府方面则应出台扶植国产化工业软件企业的政策,如降低中、小企业融资门槛;改善风险投资环境,鼓励向国家需要的工业软件倾斜;对工业软件企业给以优惠税收政策等。
   (6)大力培养工业软件人才。工业软件开发需要行业专家与软件人员密切配合,最好是既懂行业知识、又能编写软件的复合型人才。此外,国内缺乏大型软件架构设计人才,不妨从国外引进。更重要的是,我国缺乏像任正非式的工业软件企业家,这只能靠大型国营IT公司改制和扶植民营工业软件企业培养。

炼化生产企业信息系统十大核心软件:
  (1)计划排产APS
  (2)调度优化
  (3)先进控制APC
  (4)流程模拟
  (5)仿真培训OTS

(6)生产运行系统MES
(7)实时数据库
(8)油品调和
(9)实时优化RTO
(10)实验室系统LIMS

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