絆馬索的功效

要說絆馬索的功效，可謂世界上性價比最高的工具。無論價值連城的汗血寶馬，還是彪悍騎兵，在絆馬索面前，似乎都不堪一擊。簡單小物，可以將巨大力量，放倒在地。這種威力極不對稱的懸殊對比，總令人感到驚詫。西方如大衛(wèi)挑戰(zhàn)歌利亞巨人，東方如孫悟空橫搗天宮秩序，都在描述著這種不對稱的神話。

在中國，對于每年產(chǎn)值高達15萬億的石油化工行業(yè)的龐然大物，如果說有忌憚之物，那么流程模擬軟件就完全可以成為這樣的絆馬索。

石油化工行業(yè)的工廠，到處充滿各種化學反應，要搞清楚那些高大威武的容器里面，到底進行了何種神秘的聚會非常困難。這些反應容器，就是一個個巨大的黑箱子，只有謎面沒有謎底。而化工流程模擬軟件是少見的一扇能夠洞察神秘的窗戶。在這個領域，國外形成了高度的壟斷。

石油化工行業(yè)涉及到的軟件很多，從工程設計、計劃調度,到工廠運行、資產(chǎn)管理，覆蓋整個價值鏈條。在這些軟件中，作為應用型軟件,如先進過程控制，中國已經(jīng)取得了一些進展，如中控技術就跟美國Aspentech的DMC3進行對標。但流程模擬軟件，情況完全不同。它主要是用于描述工藝過程的機理，最關鍵、也最難。這一方面，美國Aspentech已經(jīng)形成霸主地位，而且在國內是毫無對手。

流程模擬作為一種基礎性軟件，涉及多門學科。它以工藝過程的機理模型為基礎，采用數(shù)學方法來描述化工過程，進行過程物料衡算、熱量衡算等計算分析。它跟仿真軟件CAE有所不同。仿真軟件CAE只能進行工程分析，能發(fā)現(xiàn)問題，但不能解決問題，類似醫(yī)學檢查的核磁或動脈造影。而流程模擬軟件，則可以進行穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模擬分析等，一定程度上可以給出解決方案。它能根據(jù)裝置尺寸、原料產(chǎn)品性質、工藝條件等進行模型校準，以便更準確地表征某個單元操作或加工流程，支持后續(xù)的分析工作。

工藝流程模擬軟件，其中Aspen、PRO/II， HYSYS為國內絕大多數(shù)設計院所使用。Aspen適應范圍最廣，其中電解質、固體等模塊是其它軟件難以比擬的；PRO/II在石化上應用較多；而HYSYS則在煉油工程領域有著較高的精度和準確性。

表1 流程模擬主要軟件一覽表（整理by 南山林雪萍）

產(chǎn)學研的優(yōu)等生

Aspen最早源于美國能源部七十年代后期在麻省理工學院（MIT）組織的大會戰(zhàn)，旨在開發(fā)新型第三代流程模擬軟件。該項目稱為“過程工程的先進系統(tǒng)”（Advanced System for Process Engineering，簡稱ASPEN），并于1981年完成。項目到此結束。值得注意的是，該軟件Aspen并沒有國家知識產(chǎn)權，因為這是能源部的投資。而根據(jù)美國很早出臺的知識產(chǎn)權法《拜杜法案》的規(guī)定，國家投資科研項目，所產(chǎn)生的知識產(chǎn)權，可以完全托付給實施方的大學。隨后，為了更好的商業(yè)化，在1982年，科研項目負責人就以這樣的軟件為基礎，成立了AspenTech公司，并開發(fā)了Aspen Plus的軟件，以跟原有軟件名稱相區(qū)分。

作為大型通用流程模擬系統(tǒng)，Aspen Plus是全球各大化工、石化、煉油等過程工業(yè)的常用軟件。它具有非常完備的物性系統(tǒng)，基于狀態(tài)方程和活度系數(shù)方法的物性模型，例如20多種狀態(tài)方程模型有15種活度系數(shù)模型，有10多種摩爾體積模型等。這種軟件，本身就是無數(shù)本深度教科書。化學大典里的每一頁紙，在這里都會化作代碼。

最重要的是，Aspen Plus數(shù)據(jù)庫，包括了5000多種純組分的物性數(shù)據(jù)。它的物性數(shù)據(jù)庫中，有近2000種化合物的物性數(shù)據(jù)，是來自美國化工協(xié)會AIChE開發(fā)的DIPPR物性數(shù)據(jù)庫。Aspen是唯一獲準與德國化學協(xié)會DECHEMA的數(shù)據(jù)庫接口軟件，從而擁有了最完備的氣液平衡及液液平衡數(shù)據(jù)，共計二十五萬多套數(shù)據(jù)。而這種合作，也跨越了國界。

嘗百草而成神農，Aspen Plus也是吃百家飯、學百家拳而長成一身本領。更重要的是，它是一個連續(xù)并購的狂人。可以說，對于許多工業(yè)軟件品牌而言，Aspentech就是一個連環(huán)殺手。它一路行走至今，就像是一只貪吃蛇，吃掉了太多的石化行業(yè)的工業(yè)軟件。而最新在物聯(lián)網(wǎng)時代的舉動，則是在2019年收購了德國Mnubo公司。在石化行業(yè)，到處了充滿自動化巨頭，軟件、硬件結合非常明顯。強敵環(huán)伺之下，Aspentech要在流程模擬行業(yè)站住腳，需要拼命擴大軟件地盤。并購是它最重要的防身之策略吧。

圖1 流程行業(yè)軟件并購圖（整理by 南山林雪萍）

中國對于Aspen的軟件崛起，也功不可沒。2002年前后是它最煎熬的時候，國外都在談論它的并購，當時可能的買家包括西門子、ABB、霍尼韋爾。如果沒有中石化、中石油等大量軟件采購，Aspen這樣的軟件其實很難生存。在它進入中國的早期，更是有大量浙大化工系的學生對軟件進行了豐富和性能提升，均導致了在中國流程模擬軟件基本都是Aspen的天下。

VMG：曲線突破

VMGSim軟件是一家加拿大公司開發(fā)的熱力學物性軟件包，物性數(shù)據(jù)庫也包括超過5600個純組分，10萬個二元交互作用參數(shù)。這些驚人的數(shù)字，都不過是驗證了這類軟件的最大壁壘，其實并不是化學基礎理論的突破，也不是軟件技術性能的卓越，而是以細致全面專業(yè)而勝出。這些軟件的偉大之處，正是建立在一細致解決工業(yè)模型的功能之上。本類軟件不同于傳統(tǒng)軟件，其關鍵之處并不在于軟件多么精巧或者功能繁多，而是在于覆蓋全面、細致入微、穩(wěn)定可靠，能夠精準對工藝特點進行模擬與預測。開發(fā)工業(yè)軟件需要參與者既對工藝有深入了解與認識，又懂計算機編程，能夠準確把握相關軟件的特點。因此，開發(fā)工業(yè)軟件的天然壁壘比較高，一方面是對相關人員的綜合技術要求比較高，另一方面是對相關工藝技術積累有較高的要求。

看上去也是流程模擬軟件，但是VMGSim還是避開了AspenTech的正面陣地。VMG先避開Aspen的強項，催化裂化FCC等先不做。而是先從細分領域、從專有過程做起，比如二氧化碳處理、脫硫磺過程等。

這家公司跟同處在一個城市的卡爾加里大學重油實驗室，有著長期的合作協(xié)議，前者甚至在大學里直接租借1層樓，共同研發(fā)。除此之外，該公司每年投入幾十萬美金扶持大學實驗室。這里的重油實驗室做全世界油品的特性分析，最擅長化學關系式的表達，表征能力很強。另外，VMG還覆蓋了世界各地的脫硫協(xié)會提供的各種實驗數(shù)據(jù)。

這種錯位競爭，使得VMG異軍突起，硬是從AspenTech的野心版圖中圈定了自己的地盤。目前國內企業(yè)做硫磺回收，基本都會用VMG，因為環(huán)保很重要。VMG早在2004年前就可以計算硫磺回收裝置，而AspenTech直到2014年通過收購，才算補齊了這個短板。

這樣定位清晰的一個流程模擬軟件，2018年還是賣給了石油服務巨頭美國斯倫貝謝公司，被集成到了一個基于云的數(shù)字化協(xié)作平臺上去。國外大公司的數(shù)字化平臺之下，都是有著厚重的工業(yè)軟件打底。中國也曾經(jīng)有機會，參與這樣的并購。可惜，國內一向重視硬件的投入，對軟件的重要性認識不足，很多時候并不會把軟件當作重要的資產(chǎn)來對待。

圖2 斯倫貝謝的勘探數(shù)字化平臺

英國KBC被日本反轉美國

KBC最早是一家英國技術咨詢公司，面向全球油氣、煉油和化工領域，既為石油和天然氣的上游（勘探和生產(chǎn)），也為下游（煉油）行業(yè)提供從市場分析、項目可行性研究，到工廠運行效率優(yōu)化和企業(yè)效益優(yōu)化等技術咨詢的公司。

不出意外，這一類技術咨詢公司一開始就有著很強的軟件意識。流程模擬軟件是技術咨詢過程中的必備分析工具，也是用戶持續(xù)進行優(yōu)化增效工作的支撐。從八十年代初開發(fā)自有工藝裝置模擬、煉廠全流程模擬開始，KBC公司不斷增強其在流程模擬軟件上的投入。1998年KBC收購了一家美國煉油模擬公司，進一步增強其在裝置反應機理模型上的領先地位。2001年KBC公司與加拿大的Hysys合作，聯(lián)合推出基于流程圖建模方式的煉廠全流程模擬軟件。基于這個結果，在2004年推出Petro-SIM流程模擬軟件，該軟件基于煉油化工基本原理，以嚴格的反應動力學與熱力學理論為基礎，包含獨特的烴組分表征技術和煉油裝置反應機理模型，形成了基于嚴格機理的煉油廠全流程模擬軟件。這在全球也是第一家。

隨著全球各個行業(yè)的整合，單打獨斗的技術咨詢公司，都會感受到被并購的壓力。2016年1月12日，AspenTech宣布收購KBC。令人大跌眼鏡的是，這筆看上去很合理的買賣，卻被野心勃勃的橫河電機，橫刀奪愛。在第二年，正式推出知識專家系統(tǒng)KBC Co-Pilot計劃，正如飛機副駕駛利用額外知識協(xié)助正駕駛， KBC Co-Pilot利用專業(yè)知識和見解為工廠提供支持。這些解決方案可以用于煉油裝置的遠程效能監(jiān)控。橫河電機已經(jīng)不滿足于硬件控制系統(tǒng)的領導地位了，大力發(fā)展軟件成為它決意推動工業(yè)智能的尖刀戰(zhàn)略。

硬件的影子

流程行業(yè)的工業(yè)軟件，跟離散制造行業(yè)的機械CAD軟件一樣，都精準地反映了計算機硬件的變化。作為最早推出通用化工穩(wěn)態(tài)流程模擬軟件的公司，Simsci可以看成是一個硬件與軟件技術同步進化的刻度尺。它精確地反應了硬件的變化。早在1967年，SimSci 公司開發(fā)出了世界上第一個煉油蒸餾模擬器。那個時候，軟件是硬件微不足道的附屬。商業(yè)性也不明顯。而在六年之后，SimSci又推出了基于流程圖的模擬器，圖形時代正在計算機上開始嶄露頭角。它被用于烴類加工工業(yè)的設計，顯示了商業(yè)上潛在價值。而又過了六年，基于PC 機的流程模擬軟件Process正式推出。這就是PRO/II的前身。又有仿真模擬功能的完善，它成為該領域的行業(yè)基準。可以說，相對于機械制造而言，流程行業(yè)無論是在自動化，還是在軟件模擬仿真方面，都遠遠走在了前面。

而大放異彩的Hyprotech也正是得益于計算機的發(fā)展。Hyprotech在1980年，推出了小型機的系統(tǒng)，而在1984年緊緊跟隨IBM PC的發(fā)布，推出PC的版本。

1995年微軟的Win95發(fā)布，對工業(yè)軟件而言，是一個石破天驚的里程碑。由于微機的高速發(fā)展及Windows軟件的推出，改變了DOS對微機資源及單任務的限制，使得動態(tài)模擬系統(tǒng)在微機上運行成為可能。Hyprotech抓住了這個機會，率先開發(fā)出微機版動態(tài)模擬系統(tǒng)HYSYS1.0，一舉奪魁，成為石油化工領域劃時代的里程碑。這是歷史上第一家由穩(wěn)態(tài)模擬轉向動態(tài)模擬的公司。

同樣聽到了那塊激起巨浪的石頭的聲音，還有來自機械制造領域的CAD軟件。在美國，江湖地位基本已經(jīng)確立了的三維設計軟件，走來了新銳的力量。無論是AutoCAD，還是Solidworks，以及獨家建模技術的PTC，都依靠PC機的發(fā)展而異軍突起。而那些綁定Unix系統(tǒng)、工作站、小型機的老牌CAD軟件，如響當當?shù)腃V公司等，最后基本都是全軍覆沒。

計算機硬件的變化，猶如隕石撞擊地球，抹掉了很多恐龍，也帶來了很多新生的物種。

大學的痕跡

工業(yè)軟件的早期發(fā)展都充滿了校園的影子，流程行業(yè)也不例外。工業(yè)軟件產(chǎn)值很小，即使像流程模擬軟件，在中國每年也不過十億人民幣的規(guī)模。而Aspen都發(fā)展了四十年，才走到了今天，也不過是一年幾個億的規(guī)模。這就決定了，它一開始的產(chǎn)生，很難靠市場投入來實現(xiàn)第一桶金。星星之火，往往會來自大學。

Hyprotech公司的創(chuàng)始人之一就是加拿大卡爾加里大學化工系的教授。

gPROMS流程模擬軟件是PSE公司開發(fā)的通用工藝過程模擬系統(tǒng)，可以工藝過程建模、模擬和優(yōu)化。而PSE公司源自英國帝國大學的團隊。

美國的GT-PRO是一類專門進行電廠熱平衡類計算的專業(yè)軟件。軟件產(chǎn)品包括燃氣輪機系列和火力發(fā)電系列產(chǎn)品。它可以有效地兼容GE、ABB、Alstom等公司的燃機模型庫。這家公司也是脫胎于從美國麻省理工學院，跟AspenTech公司的誕生幾乎是完全重現(xiàn)劇本。這自然給人一種印象，大學能夠成為工業(yè)軟件最重要的搖籃。當然，它背后的一套轉化機制更為關鍵。

中國的流程模擬軟件落在了青島化工學院（現(xiàn)在已經(jīng)更名為青島科技大學）的身上。1987年，就已經(jīng)開發(fā)了可以在微機運行的通用流程模擬軟件ECSS（ Engineering Chemistry Simulation System）。這個軟件采用當時最常見的序貫模塊法，是中國自行開發(fā)的第一代流程模擬軟件的代表。可惜的是，跟其它高校所有的軟件特點都一樣：技術不錯，但用戶體驗很差。而加拿大Hysys的軟件設計，一開始就充滿了極簡主義，要讓工程師易學易懂，在使用過程中能隨心所欲地設置。這種軟件，一旦在用戶落地，就會自動扎根盤踞。用戶軟件替換非常難的。而缺乏用戶知識的回饋和打磨，這讓ECSS也是舉步維艱。甚至都很難說，這是一款商業(yè)化軟件。三十多年來，這款軟件至今猶存，留下了中國流程工業(yè)軟件的所有回憶。

如何開啟未來，還得需要仔細斟酌，選擇合適的突破戰(zhàn)略。

美國政府如何扶持軟件

從流程行業(yè)的工業(yè)軟件發(fā)展，可以清晰地看出美國政府對于工業(yè)軟件的扶持和監(jiān)管思路，可以說是簡潔明了、駕輕就熟。歸結為兩點：一個是大力扶持基礎研究；二是堅決避免壟斷。

Aspen軟件可以看成是美國工業(yè)軟件三部曲的完美詮釋。第一曲：政府資助，企業(yè)協(xié)助。Aspen軟件，是由美國能源部的500萬美元的項目委托開始。在政府投入的帶動下，第一批企業(yè)既是金主，也是用戶。第二曲：產(chǎn)權轉讓。項目結束后，國家毫不留戀地抽身而退，產(chǎn)權完全留給學校和教授。而教授擔負起了企業(yè)家的角色，大踏步實現(xiàn)從實驗室軟件向商業(yè)化軟件的邁進。第三曲：社會資金依次跟上。在風險投資的幫助下，Aspen軟件很快就得以上市。從上市的10美元，到一年后到每股80美元。上市成功，極大地拓展了這類工業(yè)軟件本來狹窄的生存空間。而有錢之后，后續(xù)一系列的并購，大大鞏固了先行者的江山。工業(yè)軟件，既是用錢堆出來的，也是用戶用出來的。每一個階段，都無法離開精心設計的資金支撐和用戶支持。

然而，做大做強的工業(yè)軟件商，如果走到了接近市場壟斷的地位，美國政府也會堅決出手，制止壟斷發(fā)生。在2002年以前，市面上的流程模擬軟件主要是Aspen、加拿大Hyprotech的Hysys和美國Simsci的ProII。三國鼎立的局面，初步形成。

然而，野心膨脹的Aspentech則另有所思。盡管在靜態(tài)模擬方面一枝獨秀，但在動態(tài)模擬方面，卻是落后于加拿大的Hyprotech公司。而且在當時，隨著分布式控制系統(tǒng)DCS在流程行業(yè)的崛起，一種全新的操作員訓練軟件OTS（Operator Training System）也廣受化工用戶青睞。而在90年代，Hyprotech 公司和美國的ABB Simcon 公司一起成為世界上最有名的OTS供應商。兩個公司幾乎瓜分了世界上仿真培訓業(yè)務70%市場份額。上述兩個原因使得Aspen決定吃掉Hyprotech公司。Hysys也因此成為了Aspentech公司旗下的軟件。

三家變成兩家，三國均衡的局面被打破，Aspen形成事實上的壟斷。這立刻就引起了美國政府的注意。為了防止壟斷所造成的創(chuàng)新阻斷，美國政府開始進行干涉。兩年后，美國聯(lián)邦貿易委員會裁定壟斷成立， Aspentech不得不將Hyprotech和Hysys的源代碼對外出售。

此時，鏡頭切換到了流程行業(yè)自動化控制系統(tǒng)的主角之一，霍尼韋爾。它在DCS控制系統(tǒng)已經(jīng)占有不可動搖的統(tǒng)治地位，然而對于流程模擬與優(yōu)化，卻是攻門乏術。對于美國的裁決，霍尼韋爾可以說是喜出望外，購買了Hysys的源代碼，并在此基礎上，開發(fā)出全新的一款流程模擬軟件：Unisim。這使得它不僅在流程模擬領域，而且在培訓軟件仿真也收獲頗豐。

三國之戰(zhàn)的另外一家，Simsci則相對較弱，應該是三國演義中早期蜀國的樣子。在2002年前后，Simsci 被英維思收購，后者則在2014年成為施耐德的囊中之物。目前Pro/II已經(jīng)被整合到施耐德旗下的AVEVA中。依然是三分天下，只是換了一種方式。而相對均衡的競爭局面依然存在。這也是美國監(jiān)管部門想要的結果。

小記

在中國，工業(yè)軟件的起步向來都不晚。每一個領域都是如此。無論是流程模擬軟件，還是在計算機輔助設計軟件CAD、計算機輔助工程軟件CAE，以及電子設計自動化軟件EDA，中國的大學院所的學者們，幾乎與美國、法國等同時看到了東方劃破黑暗的那道明亮的天際線。在當時，軟件也不是什么保密的貴重物品。例如，美國加州伯克利分校的許多軟件的源代碼，無論是CAE，還是EDA，都曾作為學術交流的禮物，贈送給了北大、北航等學校的教授們。而中國還真是推出了很多可以應用的工業(yè)軟件。上個世紀八十年代，是中國工業(yè)軟件最好的時光。可惜，正如中老年人在回憶美好韶華所經(jīng)常會說起的那樣，“那個時候，我們不懂愛情”。彼時，對于工業(yè)軟件的價值真的不懂。

流程模擬軟件，是無數(shù)卡住中國制造業(yè)喉嚨的工業(yè)軟件之一。群情激昂，到處充滿了突破的雄心。然而工業(yè)軟件的發(fā)展，向來不是五十米沖刺，一時半刻的慷慨投入，并無法保證軟件的成功。而在石化行業(yè)，由于涉及到大量的物性參數(shù)和經(jīng)驗常識，這是后來追趕者所需要解決的重大問題。國外的流程模擬軟件，背后有著很多化工協(xié)會、工程公司等提供大量的化學參數(shù)庫。而廣泛且深入的并購，讓跨國化工行業(yè)的知識在軟件編碼層面得到了極大的融合。全世界的精英悄無聲息地浸潤在軟件之中。

這意味著，單獨靠軟件開發(fā)商，是不可能完成一個完整的軟件開發(fā)。沒有大學院所，沒有石化領導層的決策，沒有用戶工程師的配合，這種軟件沒有成功的可能。正如我們在各個領域所能看到的一樣，工業(yè)軟件的發(fā)展，需要用一場馬拉松的敘事方式。唯有時間的長鏡頭，唯有合作的廣角度，工業(yè)軟件這種體量微小的杠桿支點，才能破壁而出。

作者

林雪萍：北京聯(lián)訊動力咨詢公司總經(jīng)理，上海交大客座研究員

鳴謝中控技術的褚健老師、原中國石油信息化流程模擬項目負責人莊芹仙（現(xiàn)中國石油化工研究院特聘專家）等人的大力支持。

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