林雪萍 | 锁住石化咽喉的工业软件

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绊马索的功效

要说绊马索的功效，可谓世界上性价比最高的工具。无论价值连城的汗血宝马，还是彪悍骑兵，在绊马索面前，似乎都不堪一击。简单小物，可以将巨大力量，放倒在地。这种威力极不对称的悬殊对比，总令人感到惊诧。西方如大卫挑战歌利亚巨人，东方如孙悟空横捣天宫秩序，都在描述着这种不对称的神话。

在中国，对于每年产值高达15万亿的石油化工行业的庞然大物，如果说有忌惮之物，那么流程模拟软件就完全可以成为这样的绊马索。
石油化工行业的工厂，到处充满各种化学反应，要搞清楚那些高大威武的容器里面，到底进行了何种神秘的聚会非常困难。这些反应容器，就是一个个巨大的黑箱子，只有谜面没有谜底。而化工流程模拟软件是少见的一扇能够洞察神秘的窗户。在这个领域，国外形成了高度的垄断。石油化工行业涉及到的软件很多，从工程设计、计划调度,到工厂运行、资产管理，覆盖整个价值链条。在这些软件中，作为应用型软件,如先进过程控制，中国已经取得了一些进展，如中控技术就跟美国Aspentech的DMC3进行对标。但流程模拟软件，情况完全不同。它主要是用于描述工艺过程的机理，最关键、也最难。这一方面，美国Aspentech已经形成霸主地位，而且在国内是毫无对手。
流程模拟作为一种基础性软件，涉及多门学科。它以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述化工过程，进行过程物料衡算、热量衡算等计算分析。它跟仿真软件CAE有所不同。仿真软件CAE只能进行工程分析，能发现问题，但不能解决问题，类似医学检查的核磁或动脉造影。而流程模拟软件，则可以进行稳态和动态模拟分析等，一定程度上可以给出解决方案。它能根据装置尺寸、原料产品性质、工艺条件等进行模型校准，以便更准确地表征某个单元操作或加工流程，支持后续的分析工作。
工艺流程模拟软件，其中Aspen、PRO/II， HYSYS为国内绝大多数设计院所使用。Aspen适应范围最广，其中电解质、固体等模块是其它软件难以比拟的；PRO/II在石化上应用较多；而HYSYS则在炼油工程领域有着较高的精度和准确性。

表1 流程模拟主要软件一览表

（整理by 南山林雪萍）

产学研的优等生

Aspen最早源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的大会战，旨在开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进系统”（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN），并于1981年完成。项目到此结束。值得注意的是，该软件Aspen并没有国家知识产权，因为这是能源部的投资。而根据美国很早出台的知识产权法《拜杜法案》的规定，国家投资科研项目，所产生的知识产权，可以完全托付给实施方的大学。随后，为了更好的商业化，在1982年，科研项目负责人就以这样的软件为基础，成立了AspenTech公司，并开发了Aspen Plus的软件，以跟原有软件名称相区分。
作为大型通用流程模拟系统，Aspen Plus是全球各大化工、石化、炼油等过程工业的常用软件。它具有非常完备的物性系统，基于状态方程和活度系数方法的物性模型，例如20多种状态方程模型有15种活度系数模型，有10多种摩尔体积模型等。这种软件，本身就是无数本深度教科书。化学大典里的每一页纸，在这里都会化作代码。
最重要的是，Aspen Plus数据库，包括了5000多种纯组分的物性数据。它的物性数据库中，有近2000种化合物的物性数据，是来自美国化工协会AIChE开发的DIPPR物性数据库。Aspen是唯一获准与德国化学协会DECHEMA的数据库接口软件，从而拥有了最完备的气液平衡及液液平衡数据，共计二十五万多套数据。而这种合作，也跨越了国界。
尝百草而成神农，Aspen Plus也是吃百家饭、学百家拳而长成一身本领。更重要的是，它是一个连续并购的狂人。可以说，对于许多工业软件品牌而言，Aspentech就是一个连环杀手。它一路行走至今，就像是一只贪吃蛇，吃掉了太多的石化行业的工业软件。而最新在物联网时代的举动，则是在2019年收购了德国Mnubo公司。在石化行业，到处了充满自动化巨头，软件、硬件结合非常明显。强敌环伺之下，Aspentech要在流程模拟行业站住脚，需要拼命扩大软件地盘。并购是它最重要的防身之策略吧。

图1 流程行业软件并购图

（整理by 南山林雪萍）

中国对于Aspen的软件崛起，也功不可没。2002年前后是它最煎熬的时候，国外都在谈论它的并购，当时可能的买家包括西门子、ABB、霍尼韦尔。如果没有中石化、中石油等大量软件采购，Aspen这样的软件其实很难生存。在它进入中国的早期，更是有大量浙大化工系的学生对软件进行了丰富和性能提升，均导致了在中国流程模拟软件基本都是Aspen的天下。

VMG：曲线突破

VMGSim软件是一家加拿大公司开发的热力学物性软件包，物性数据库也包括超过5600个纯组分，10万个二元交互作用参数。这些惊人的数字，都不过是验证了这类软件的最大壁垒，其实并不是化学基础理论的突破，也不是软件技术性能的卓越，而是以细致全面专业而胜出。这些软件的伟大之处，正是建立在一细致解决工业模型的功能之上。本类软件不同于传统软件，其关键之处并不在于软件多么精巧或者功能繁多，而是在于覆盖全面、细致入微、稳定可靠，能够精准对工艺特点进行模拟与预测。开发工业软件需要参与者既对工艺有深入了解与认识，又懂计算机编程，能够准确把握相关软件的特点。因此，开发工业软件的天然壁垒比较高，一方面是对相关人员的综合技术要求比较高，另一方面是对相关工艺技术积累有较高的要求。
看上去也是流程模拟软件，但是VMGSim还是避开了AspenTech的正面阵地。VMG先避开Aspen的强项，催化裂化FCC等先不做。而是先从细分领域、从专有过程做起，比如二氧化碳处理、脱硫磺过程等。
这家公司跟同处在一个城市的卡尔加里大学重油实验室，有着长期的合作协议，前者甚至在大学里直接租借1层楼，共同研发。除此之外，该公司每年投入几十万美金扶持大学实验室。这里的重油实验室做全世界油品的特性分析，最擅长化学关系式的表达，表征能力很强。另外，VMG还覆盖了世界各地的脱硫协会提供的各种实验数据。这种错位竞争，使得VMG异军突起，硬是从AspenTech的野心版图中圈定了自己的地盘。目前国内企业做硫磺回收，基本都会用VMG，因为环保很重要。VMG早在2004年前就可以计算硫磺回收装置，而AspenTech直到2014年通过收购，才算补齐了这个短板。
这样定位清晰的一个流程模拟软件，2018年还是卖给了石油服务巨头美国斯伦贝谢公司，被集成到了一个基于云的数字化协作平台上去。国外大公司的数字化平台之下，都是有着厚重的工业软件打底。中国也曾经有机会，参与这样的并购。可惜，国内一向重视硬件的投入，对软件的重要性认识不足，很多时候并不会把软件当作重要的资产来对待。

图2 斯伦贝谢的勘探数字化平台

英国KBC被日本反转美国

KBC最早是一家英国技术咨询公司，面向全球油气、炼油和化工领域，既为石油和天然气的上游（勘探和生产），也为下游（炼油）行业提供从市场分析、项目可行性研究，到工厂运行效率优化和企业效益优化等技术咨询的公司。
不出意外，这一类技术咨询公司一开始就有着很强的软件意识。流程模拟软件是技术咨询过程中的必备分析工具，也是用户持续进行优化增效工作的支撑。从八十年代初开发自有工艺装置模拟、炼厂全流程模拟开始，KBC公司不断增强其在流程模拟软件上的投入。1998年KBC收购了一家美国炼油模拟公司，进一步增强其在装置反应机理模型上的领先地位。2001年KBC公司与加拿大的Hysys合作，联合推出基于流程图建模方式的炼厂全流程模拟软件。基于这个结果，在2004年推出Petro-SIM流程模拟软件，该软件基于炼油化工基本原理，以严格的反应动力学与热力学理论为基础，包含独特的烃组分表征技术和炼油装置反应机理模型，形成了基于严格机理的炼油厂全流程模拟软件。这在全球也是第一家。
随着全球各个行业的整合，单打独斗的技术咨询公司，都会感受到被并购的压力。2016年1月12日，AspenTech宣布收购KBC。令人大跌眼镜的是，这笔看上去很合理的买卖，却被野心勃勃的横河电机，横刀夺爱。在第二年，正式推出知识专家系统KBC Co-Pilot计划，正如飞机副驾驶利用额外知识协助正驾驶， KBC Co-Pilot利用专业知识和见解为工厂提供支持。这些解决方案可以用于炼油装置的远程效能监控。横河电机已经不满足于硬件控制系统的领导地位了，大力发展软件成为它决意推动工业智能的尖刀战略。

硬件的影子

流程行业的工业软件，跟离散制造行业的机械CAD软件一样，都精准地反映了计算机硬件的变化。作为最早推出通用化工稳态流程模拟软件的公司，Simsci可以看成是一个硬件与软件技术同步进化的刻度尺。它精确地反应了硬件的变化。早在1967年，SimSci 公司开发出了世界上第一个炼油蒸馏模拟器。那个时候，软件是硬件微不足道的附属。商业性也不明显。而在六年之后，SimSci又推出了基于流程图的模拟器，图形时代正在计算机上开始崭露头角。它被用于烃类加工工业的设计，显示了商业上潜在价值。而又过了六年，基于PC 机的流程模拟软件Process正式推出。这就是PRO/II的前身。又有仿真模拟功能的完善，它成为该领域的行业基准。可以说，相对于机械制造而言，流程行业无论是在自动化，还是在软件模拟仿真方面，都远远走在了前面。
而大放异彩的Hyprotech也正是得益于计算机的发展。Hyprotech在1980年，推出了小型机的系统，而在1984年紧紧跟随IBM PC的发布，推出PC的版本。1995年微软的Win95发布，对工业软件而言，是一个石破天惊的里程碑。由于微机的高速发展及Windows软件的推出，改变了DOS对微机资源及单任务的限制，使得动态模拟系统在微机上运行成为可能。Hyprotech抓住了这个机会，率先开发出微机版动态模拟系统HYSYS1.0，一举夺魁，成为石油化工领域划时代的里程碑。这是历史上第一家由稳态模拟转向动态模拟的公司。
同样听到了那块激起巨浪的石头的声音，还有来自机械制造领域的CAD软件。在美国，江湖地位基本已经确立了的三维设计软件，走来了新锐的力量。无论是AutoCAD，还是Solidworks，以及独家建模技术的PTC，都依靠PC机的发展而异军突起。而那些绑定Unix系统、工作站、小型机的老牌CAD软件，如响当当的CV公司等，最后基本都是全军覆没。
计算机硬件的变化，犹如陨石撞击地球，抹掉了很多恐龙，也带来了很多新生的物种。

大学的痕迹

工业软件的早期发展都充满了校园的影子，流程行业也不例外。工业软件产值很小，即使像流程模拟软件，在中国每年也不过十亿人民币的规模。而Aspen都发展了四十年，才走到了今天，也不过是一年几个亿的规模。这就决定了，它一开始的产生，很难靠市场投入来实现第一桶金。星星之火，往往会来自大学。
Hyprotech公司的创始人之一就是加拿大卡尔加里大学化工系的教授。
gPROMS流程模拟软件是PSE公司开发的通用工艺过程模拟系统，可以工艺过程建模、模拟和优化。而PSE公司源自英国帝国大学的团队。
美国的GT-PRO是一类专门进行电厂热平衡类计算的专业软件。软件产品包括燃汽轮机系列和火力发电系列产品。它可以有效地兼容GE、ABB、Alstom等公司的燃机模型库。这家公司也是脱胎于从美国麻省理工学院，跟AspenTech公司的诞生几乎是完全重现剧本。这自然给人一种印象，大学能够成为工业软件最重要的摇篮。当然，它背后的一套转化机制更为关键。
中国的流程模拟软件落在了青岛化工学院（现在已经更名为青岛科技大学）的身上。1987年，就已经开发了可以在微机运行的通用流程模拟软件ECSS（ Engineering Chemistry Simulation System）。这个软件采用当时最常见的序贯模块法，是中国自行开发的第一代流程模拟软件的代表。可惜的是，跟其它高校所有的软件特点都一样：技术不错，但用户体验很差。而加拿大Hysys的软件设计，一开始就充满了极简主义，要让工程师易学易懂，在使用过程中能随心所欲地设置。这种软件，一旦在用户落地，就会自动扎根盘踞。用户软件替换非常难的。而缺乏用户知识的回馈和打磨，这让ECSS也是举步维艰。甚至都很难说，这是一款商业化软件。三十多年来，这款软件至今犹存，留下了中国流程工业软件的所有回忆。
如何开启未来，还得需要仔细斟酌，选择合适的突破战略。

美国政府如何扶持软件

从流程行业的工业软件发展，可以清晰地看出美国政府对于工业软件的扶持和监管思路，可以说是简洁明了、驾轻就熟。归结为两点：一个是大力扶持基础研究；二是坚决避免垄断。
Aspen软件可以看成是美国工业软件三部曲的完美诠释。第一曲：政府资助，企业协助。Aspen软件，是由美国能源部的500万美元的项目委托开始。在政府投入的带动下，第一批企业既是金主，也是用户。第二曲：产权转让。项目结束后，国家毫不留恋地抽身而退，产权完全留给学校和教授。而教授担负起了企业家的角色，大踏步实现从实验室软件向商业化软件的迈进。第三曲：社会资金依次跟上。在风险投资的帮助下，Aspen软件很快就得以上市。从上市的10美元，到一年后到每股80美元。上市成功，极大地拓展了这类工业软件本来狭窄的生存空间。而有钱之后，后续一系列的并购，大大巩固了先行者的江山。工业软件，既是用钱堆出来的，也是用户用出来的。每一个阶段，都无法离开精心设计的资金支撑和用户支持。
然而，做大做强的工业软件商，如果走到了接近市场垄断的地位，美国政府也会坚决出手，制止垄断发生。在2002年以前，市面上的流程模拟软件主要是Aspen、加拿大Hyprotech的Hysys和美国Simsci的ProII。三国鼎立的局面，初步形成。然而，野心膨胀的Aspentech则另有所思。尽管在静态模拟方面一枝独秀，但在动态模拟方面，却是落后于加拿大的Hyprotech公司。而且在当时，随着分布式控制系统DCS在流程行业的崛起，一种全新的操作员训练软件OTS（Operator Training System）也广受化工用户青睐。而在90年代，Hyprotech 公司和美国的ABB Simcon 公司一起成为世界上最有名的OTS供应商。两个公司几乎瓜分了世界上仿真培训业务70%市场份额。上述两个原因使得Aspen决定吃掉Hyprotech公司。Hysys也因此成为了Aspentech公司旗下的软件。
三家变成两家，三国均衡的局面被打破，Aspen形成事实上的垄断。这立刻就引起了美国政府的注意。为了防止垄断所造成的创新阻断，美国政府开始进行干涉。两年后，美国联邦贸易委员会裁定垄断成立， Aspentech不得不将Hyprotech和Hysys的源代码对外出售。
此时，镜头切换到了流程行业自动化控制系统的主角之一，霍尼韦尔。它在DCS控制系统已经占有不可动摇的统治地位，然而对于流程模拟与优化，却是攻门乏术。对于美国的裁决，霍尼韦尔可以说是喜出望外，购买了Hysys的源代码，并在此基础上，开发出全新的一款流程模拟软件：Unisim。这使得它不仅在流程模拟领域，而且在培训软件仿真也收获颇丰。
三国之战的另外一家，Simsci则相对较弱，应该是三国演义中早期蜀国的样子。在2002年前后，Simsci 被英维思收购，后者则在2014年成为施耐德的囊中之物。目前Pro/II已经被整合到施耐德旗下的AVEVA中。依然是三分天下，只是换了一种方式。而相对均衡的竞争局面依然存在。这也是美国监管部门想要的结果。

小记

在中国，工业软件的起步向来都不晚。每一个领域都是如此。无论是流程模拟软件，还是在计算机辅助设计软件CAD、计算机辅助工程软件CAE，以及电子设计自动化软件EDA，中国的大学院所的学者们，几乎与美国、法国等同时看到了东方划破黑暗的那道明亮的天际线。在当时，软件也不是什么保密的贵重物品。例如，美国加州伯克利分校的许多软件的源代码，无论是CAE，还是EDA，都曾作为学术交流的礼物，赠送给了北大、北航等学校的教授们。而中国还真是推出了很多可以应用的工业软件。上个世纪八十年代，是中国工业软件最好的时光。可惜，正如中老年人在回忆美好韶华所经常会说起的那样，“那个时候，我们不懂爱情”。彼时，对于工业软件的价值真的不懂。
流程模拟软件，是无数卡住中国制造业喉咙的工业软件之一。群情激昂，到处充满了突破的雄心。然而工业软件的发展，向来不是五十米冲刺，一时半刻的慷慨投入，并无法保证软件的成功。而在石化行业，由于涉及到大量的物性参数和经验常识，这是后来追赶者所需要解决的重大问题。国外的流程模拟软件，背后有着很多化工协会、工程公司等提供大量的化学参数库。而广泛且深入的并购，让跨国化工行业的知识在软件编码层面得到了极大的融合。全世界的精英悄无声息地浸润在软件之中。
这意味着，单独靠软件开发商，是不可能完成一个完整的软件开发。没有大学院所，没有石化领导层的决策，没有用户工程师的配合，这种软件没有成功的可能。正如我们在各个领域所能看到的一样，工业软件的发展，需要用一场马拉松的叙事方式。唯有时间的长镜头，唯有合作的广角度，工业软件这种体量微小的杠杆支点，才能破壁而出。

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作者简介

林雪萍：北京联讯动力咨询公司总经理，上海交大客座研究员

鸣谢中控技术的褚健老师、原中国石油信息化流程模拟项目负责人庄芹仙（现中国石油化工研究院特聘专家）等人的大力支持。

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