柴天佑 ，丁進(jìn)良

（1. 東北大學(xué)流程工業(yè)綜合自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110819；2. 東北大學(xué)國家冶金自動化工程技術(shù)研究中心，沈陽 110819）

一、前言

流程工業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，以資源和可回收資源為原料，通過包含物理化學(xué)反應(yīng)的氣液固多相共存的連續(xù)化復(fù)雜生產(chǎn)全流程，為下游離散型制造業(yè)提供原材料和能源的工業(yè)，包括石化、化工、鋼鐵、有色金屬、建材和電力等高耗能行業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的重要支撐力量。近十年來，我國制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，總體規(guī)模大幅提升，綜合實(shí)力不斷增強(qiáng)。流程工業(yè)的生產(chǎn)工藝、裝備和自動化水平都得到了大幅度提升，目前我國已成為世界上門類最齊全、規(guī)模最龐大的流程制造業(yè)大國。我國流程工業(yè)產(chǎn)能高度集中，電力、水泥、鋼鐵、有色金屬、造紙等行業(yè)的產(chǎn)能均居世界第一。我國礦產(chǎn)資源復(fù)雜，資源稟賦差，隨著優(yōu)質(zhì)資源的枯竭，資源開發(fā)轉(zhuǎn)向“低品位、難處理、多組分共伴生復(fù)雜礦為主”的礦產(chǎn)資源，資源綜合利用率低、流程長、生產(chǎn)成本高?？梢钥闯?，資源緊缺、能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重成為制約我國流程工業(yè)發(fā)展的瓶頸。為解決資源、能源與環(huán)保的問題，我國流程工業(yè)正從局部、粗放生產(chǎn)的傳統(tǒng)流程工業(yè)向全流程、精細(xì)化生產(chǎn)的現(xiàn)代流程工業(yè)發(fā)展，以達(dá)到大幅提高資源與能源的利用率，有效減少污染的目的，高效化和綠色化是我國流程工業(yè)發(fā)展的必然方向。

當(dāng)前，發(fā)達(dá)國家紛紛實(shí)施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，強(qiáng)化制造業(yè)創(chuàng)新，重塑制造業(yè)競爭新優(yōu)勢；一些發(fā)展中國家也在加快謀劃和布局，積極參與全球產(chǎn)業(yè)再分工，謀求新一輪競爭的有利位置。從全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展大趨勢來看，發(fā)達(dá)國家正利用在信息技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢，加快制造工業(yè)智能化的進(jìn)程。美國智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟提出實(shí)施21世紀(jì)“智能過程制造”的技術(shù)框架和路線[1]，擬通過融合知識的生產(chǎn)過程優(yōu)化實(shí)現(xiàn)工業(yè)的升級轉(zhuǎn)型，即集成知識和大量模型，采用主動響應(yīng)和預(yù)防策略進(jìn)行優(yōu)化決策和生產(chǎn)制造。德國針對離散制造業(yè)提出了以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命發(fā)展戰(zhàn)略[2]，即“工業(yè)4.0”計(jì)劃，采用信息物理系統(tǒng)（CPS）將計(jì)算資源與生產(chǎn)制造過程的物理資源深度融合與協(xié)同，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、設(shè)備、人和組織之間無縫集成及合作，“智慧工廠”和“智能生產(chǎn)”是“工業(yè)4.0”的兩大主題?！肮I(yè)4.0”通過價(jià)值鏈及信息物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的橫向集成，支持新的商業(yè)策略和模式的發(fā)展；貫穿價(jià)值鏈的端對端集成，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品開發(fā)到制造過程、產(chǎn)品生產(chǎn)和服務(wù)的全生命周期管理；根據(jù)個(gè)性化需求自動構(gòu)建資源配置，實(shí)現(xiàn)縱向集成、靈活且可重新組合的網(wǎng)絡(luò)化制造，實(shí)現(xiàn)個(gè)性定制生產(chǎn)的高效化。此外，英國宣布“英國工業(yè)2050戰(zhàn)略”，日本和韓國先后提出“I-Japan戰(zhàn)略”和“制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略”。面對第四次工業(yè)革命帶來的全球產(chǎn)業(yè)競爭格局的新調(diào)整，為搶占未來產(chǎn)業(yè)競爭制高點(diǎn)，我國宣布實(shí)施“中國制造2025”。

智能制造已成為公認(rèn)的提升制造業(yè)整體競爭力的核心高技術(shù)。智能制造是我國實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的主攻方向。智能制造只有與制造業(yè)的特點(diǎn)與目標(biāo)密切結(jié)合，充分利用大數(shù)據(jù)，將人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)、移動計(jì)算、建模、控制與優(yōu)化等信息技術(shù)與制造過程的物理資源緊密融合與協(xié)同，研發(fā)實(shí)現(xiàn)智能制造目標(biāo)的具有各種新功能的制造系統(tǒng)，才可能使制造業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

二、流程工業(yè)智能制造需要新模式

（一）我國流程工業(yè)現(xiàn)有運(yùn)行模式存在的問題

近年來，我國大多數(shù)大中型流程工業(yè)企業(yè)都進(jìn)行了信息化建設(shè)，生產(chǎn)過程控制采用了集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）、可編程控制器（PLC）系統(tǒng)，安裝了先進(jìn)控制軟件，如緊急停車（ESD）系統(tǒng)、先進(jìn)控制（APC）系統(tǒng)、實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）或運(yùn)行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的回路閉環(huán)控制、過程監(jiān)控和運(yùn)行優(yōu)化。生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃與管理、生產(chǎn)過程的運(yùn)行操作與管理采用了經(jīng)營決策系統(tǒng)、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、供應(yīng)鏈系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)。由于我國流程工業(yè)原料變化頻繁，工況波動劇烈；生產(chǎn)過程涉及物理化學(xué)反應(yīng)，機(jī)理復(fù)雜；生產(chǎn)過程連續(xù)，不能停頓，任一工序出現(xiàn)問題必然會影響整個(gè)生產(chǎn)線和最終的產(chǎn)品質(zhì)量；原料成分、設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量等無法實(shí)時(shí)或全面檢測。此外，工業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化決策涉及到多沖突目標(biāo)、多沖突約束、多尺度的動態(tài)優(yōu)化的世界性科學(xué)難題。因此，上述生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃與管理、生產(chǎn)過程的運(yùn)行操作與管理系統(tǒng)的決策分析仍然依靠知識型工作者憑知識和經(jīng)驗(yàn)來完成。人的行為制約發(fā)展[3]。當(dāng)市場、生產(chǎn)條件發(fā)生變化時(shí)，決策者難以及時(shí)準(zhǔn)確地做出決策，從而導(dǎo)致我國流程工業(yè)企業(yè)從生產(chǎn)過程到經(jīng)營管理存在下列問題：

（1）以資金流為主的經(jīng)營決策層：供應(yīng)鏈采購與裝置運(yùn)行特性不適應(yīng)、產(chǎn)業(yè)鏈分布與市場需求存在不匹配，缺乏適應(yīng)市場和生產(chǎn)條件變化的快速準(zhǔn)確決策。

（2）以物質(zhì)流為主的生產(chǎn)運(yùn)行層：資源和廢棄資源缺乏綜合利用，運(yùn)行管理與操作缺乏精細(xì)化，組成生產(chǎn)全流程的各生產(chǎn)過程缺乏協(xié)同優(yōu)化，運(yùn)行工況缺乏實(shí)時(shí)準(zhǔn)確識別，產(chǎn)品質(zhì)量缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測。

（3）以能量流為主的能效安環(huán)層：缺乏生產(chǎn)全流程能源消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測與優(yōu)化決策；缺乏在產(chǎn)品生產(chǎn)的全生命周期中廢水、廢氣、廢固的實(shí)時(shí)監(jiān)控和溯源；缺乏與安全相關(guān)的關(guān)鍵崗位和危險(xiǎn)品存放、運(yùn)輸?shù)葘?shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警。

（4）以信息流為主的感知、認(rèn)知與決策層：物料屬性和加工過程的工藝參數(shù)無法快速獲?。环从成a(chǎn)過程的動態(tài)特性、優(yōu)化操作與決策知識難以挖掘，難以實(shí)現(xiàn)計(jì)劃與調(diào)度一體化，難以實(shí)現(xiàn)決策與控制一體化，難以實(shí)現(xiàn)ERP、MES、過程控制系統(tǒng)（PCS）無縫集成優(yōu)化，從而無法實(shí)現(xiàn)企業(yè)的全局優(yōu)化。

（5）系統(tǒng)支撐層：采用DCS、PLC、運(yùn)行操作與生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)通過設(shè)備網(wǎng)、控制網(wǎng)和管理網(wǎng)組成的控制與管理系統(tǒng)難以處理由大量的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、文本信息和圖像、聲音等組成的工業(yè)大數(shù)據(jù)；難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的智能化。

總體上，當(dāng)前我國流程工業(yè)兩化融合關(guān)注的焦點(diǎn)集中在工業(yè)裝置物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的自動化和生產(chǎn)過程運(yùn)行管理與企業(yè)經(jīng)營管理的信息化，缺乏對于在工藝設(shè)計(jì)、資源計(jì)劃、生產(chǎn)過程運(yùn)行管理中知識工作的自動化與智能化的研究。

（二）流程工業(yè)的智能制造需要新的創(chuàng)新模式

制造業(yè)包括以機(jī)械裝備制造等為代表的離散工業(yè)和以石化、冶金、建材等重要原材料工業(yè)和電力等能源工業(yè)為代表的流程工業(yè)兩種主要類型。

流程工業(yè)與離散制造業(yè)有明顯不同，如圖1所示。離散工業(yè)的主要制造過程可以概括為制造裝備的總體設(shè)計(jì)，加工裝備的零件，組裝制造裝備。其零件加工與組裝是可拆分的物理過程，產(chǎn)品和加工過程可以數(shù)字化，因此，可以通過計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，關(guān)鍵是制造裝備總體設(shè)計(jì)的優(yōu)化。對于離散工業(yè)來說，智能制造的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)個(gè)性定制的高效化。流程工業(yè)是以原材料為主產(chǎn)品，原料進(jìn)入生產(chǎn)線的不同裝備，通過物理化學(xué)反應(yīng)乃至進(jìn)一步的形變、相變過程，在信息流與能源流的作用下，經(jīng)過物質(zhì)流變化形成合格的產(chǎn)品。工藝和產(chǎn)品較固定，產(chǎn)品不能單件計(jì)量，產(chǎn)品加工過程不能分割，生產(chǎn)線的某一工序產(chǎn)品加工出現(xiàn)問題，會影響生產(chǎn)線的最終產(chǎn)品。流程工業(yè)的關(guān)鍵難點(diǎn)是工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化與生產(chǎn)全流程的全局優(yōu)化。流程工業(yè)生產(chǎn)工藝優(yōu)化是指：①優(yōu)化已有的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)流程，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程的高效化與綠色化打下基礎(chǔ)；②產(chǎn)生生產(chǎn)高性能、高附加值產(chǎn)品的先進(jìn)生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)全流程整體優(yōu)化是指在全球化市場需求和原料變化時(shí)，以高效化與綠色化為目標(biāo)，使得原材料的采購、經(jīng)營決策、計(jì)劃調(diào)度、工藝參數(shù)選擇、生產(chǎn)全流程控制實(shí)現(xiàn)無縫集成優(yōu)化，使企業(yè)全局優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化控制[4]。

圖1 離散工業(yè)和流程工業(yè)的結(jié)構(gòu)

流程工業(yè)智能制造發(fā)展目標(biāo)是高效化和綠色化。高效化的涵義是在市場和原料變化的情況下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、成本和消耗等生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造全過程安全可靠運(yùn)行，從而生產(chǎn)出高性能、高附加值產(chǎn)品，使企業(yè)利潤最大化。綠色化的涵義是實(shí)現(xiàn)能源與資源高效利用，使能源與資源的消耗盡可能少，污染物實(shí)現(xiàn)零排放、環(huán)境綠色化[4]。

實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化制造的高效化和綠色化的關(guān)鍵是生產(chǎn)工藝優(yōu)化和生產(chǎn)全流程的整體優(yōu)化。流程工業(yè)是由多個(gè)重大裝備組成的生產(chǎn)過程，其運(yùn)行過程的動態(tài)機(jī)理復(fù)雜，難以建模，難以數(shù)字化。由于原料來源多樣、成分復(fù)雜、生產(chǎn)條件多變，因此工況波動頻繁，難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和生產(chǎn)全流程的優(yōu)化控制[5]。因此，我國流程工業(yè)不能采用以“工業(yè)4.0”為代表的離散工業(yè)智能制造模式，必須自主創(chuàng)新適合我國流程工業(yè)的實(shí)現(xiàn)高效化和綠色化的智能制造模式，流程工業(yè)智能制造模式是智能優(yōu)化制造，即流程工業(yè)智能優(yōu)化制造。智能優(yōu)化制造的涵義是以企業(yè)全局及生產(chǎn)經(jīng)營全過程的高效化與綠色化為目標(biāo)，以生產(chǎn)工藝智能優(yōu)化和生產(chǎn)全流程整體智能優(yōu)化為特征的制造模式。

三、流程工業(yè)智能優(yōu)化制造系統(tǒng)架構(gòu)與愿景功能

（一）流程工業(yè)智能優(yōu)化制造系統(tǒng)架構(gòu)

目前，流程工業(yè)采用如圖2所示的由ERP、MES和PCS組成的三層架構(gòu)。ERP的主要功能是為實(shí)現(xiàn)企業(yè)目標(biāo)對企業(yè)的人、財(cái)、物、能源等資源作出計(jì)劃，對計(jì)劃完成情況的信息進(jìn)行監(jiān)控； MES的主要功能是將資源計(jì)劃通過生產(chǎn)調(diào)度和工藝設(shè)計(jì)制定各生產(chǎn)部門的生產(chǎn)計(jì)劃與工藝參數(shù)，并將其分解為生產(chǎn)線的調(diào)度計(jì)劃和過程控制系統(tǒng)的運(yùn)行指標(biāo)，對生產(chǎn)計(jì)劃、工藝參數(shù)、調(diào)度計(jì)劃、運(yùn)行指標(biāo)完成情況等信息進(jìn)行監(jiān)控。目前ERP和MES的主要功能是實(shí)現(xiàn)了信息集成和管理[6]。企業(yè)目標(biāo)、資源計(jì)劃、調(diào)度計(jì)劃、運(yùn)行指標(biāo)、生產(chǎn)指令與控制指令的決策分析與調(diào)整主要由知識工作者憑知識和經(jīng)驗(yàn)完成，無法實(shí)現(xiàn)企業(yè)目標(biāo)、生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度的一體化優(yōu)化決策，無法實(shí)現(xiàn)ERP和MES的無縫集成優(yōu)化。

圖2 流程工業(yè)三層架構(gòu)

PCS的主要功能是實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程各回路的閉環(huán)控制，組成工業(yè)過程的各工業(yè)裝備的邏輯控制和對控制過程監(jiān)控。過程控制系統(tǒng)的設(shè)定值、生產(chǎn)指令和運(yùn)行工況識別仍然依靠知識工作者憑知識和經(jīng)驗(yàn)來完成，無法實(shí)現(xiàn)組成生產(chǎn)全流程的各工業(yè)過程控制系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，無法實(shí)現(xiàn)決策與控制的一體化，無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程的優(yōu)化控制，無法實(shí)現(xiàn)ERP、MES和PCS的無縫集成優(yōu)化[7]。

參考文獻(xiàn)[8]指出，人工智能不是單一技術(shù)，而是應(yīng)用于特定任務(wù)的技術(shù)集合。參考文獻(xiàn)[9]指出，雖然對人工智能的界定并不明確且隨時(shí)間推移不斷變化，但人工智能的研究和應(yīng)用多年來始終秉持一個(gè)核心目標(biāo)，即使人的智能行為實(shí)現(xiàn)自動化或復(fù)制。雖然人工智能技術(shù)沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，但是，人工智能技術(shù)的涵義是通過機(jī)器智能延伸和增強(qiáng)人類的感知、認(rèn)知、決策、執(zhí)行的功能，增強(qiáng)人類認(rèn)識世界與改造世界的能力，完成人類無法完成的特定任務(wù)或比人類更有效地完成特定任務(wù)[10]。將人工智能技術(shù)與ERP、MES和PCS，特別是與制造流程物理系統(tǒng)優(yōu)化深度融合是流程工業(yè)智能制造的發(fā)展方向。

未來流程工業(yè)采用如圖3所示的由人機(jī)合作的智能優(yōu)化決策系統(tǒng)和工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)組成的兩層架構(gòu)。人機(jī)合作的智能優(yōu)化決策系統(tǒng)在ERP和MES的功能基礎(chǔ)上增加如下三大功能：①對市場信息、生產(chǎn)條件和制造流程運(yùn)行工況實(shí)時(shí)感知；②企業(yè)目標(biāo)、生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度的一體化的人機(jī)合作優(yōu)化決策；③對決策和執(zhí)行過程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、移動和可視化監(jiān)控。工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)在PCS的功能基礎(chǔ)上，增加如下四大功能：①生產(chǎn)條件和運(yùn)行工況變化的感知；②在控制系統(tǒng)設(shè)定值改變、頻繁干擾和工況變化的情況下控制系統(tǒng)仍然具有好的動態(tài)性能；③過程工況遠(yuǎn)程、移動、可視化監(jiān)控與自優(yōu)化控制；④與組成生產(chǎn)全流程的其他工業(yè)過程控制系統(tǒng)相互協(xié)同，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化控制。

（二）智能優(yōu)化制造系統(tǒng)愿景功能

1. 人機(jī)合作的智能優(yōu)化決策系統(tǒng)愿景功能

目前，流程企業(yè)采用EPR和MES兩層結(jié)構(gòu)通過如圖4所示的信息化管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營和生產(chǎn)過程的管理。該信息化管理系統(tǒng)由經(jīng)營決策系統(tǒng)、資源計(jì)劃系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、供應(yīng)鏈系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)組成。目前該系統(tǒng)是企業(yè)經(jīng)營與生產(chǎn)管理的決策與分析的信息化平臺。決策與分析功能還依賴于知識工作者憑知識和經(jīng)驗(yàn)來完成。

提升上述信息化管理系統(tǒng)的智能化水平的目標(biāo)是使上述系統(tǒng)成為如圖5所示的人機(jī)合作的智能優(yōu)化決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由智能優(yōu)化決策、虛擬制造流程和運(yùn)行工況認(rèn)知與自優(yōu)化控制三個(gè)子系統(tǒng)組成。人機(jī)合作智能優(yōu)化決策系統(tǒng)的愿景功能包括：①實(shí)時(shí)感知市場信息、生產(chǎn)條件和制造流程運(yùn)行工況；②以企業(yè)高效化和綠色化為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)目標(biāo)、計(jì)劃調(diào)度、運(yùn)行指標(biāo)、生產(chǎn)指令與控制指令一體化優(yōu)化決策；③遠(yuǎn)程與移動可視化監(jiān)控決策過程動態(tài)性能；④通過自學(xué)習(xí)與自優(yōu)化決策，實(shí)現(xiàn)人與智能優(yōu)化決策系統(tǒng)協(xié)同，使決策者在動態(tài)變化環(huán)境下精準(zhǔn)優(yōu)化決策。

圖3 流程工業(yè)智能優(yōu)化制造系統(tǒng)架構(gòu)

2. 工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)愿景功能

當(dāng)前國際上先進(jìn)的流程企業(yè)采用DCS、PLC等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)過程的自動控制。對于可以建立數(shù)學(xué)模型的石化等工業(yè)過程，過程控制的設(shè)定值可以通過實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）和模型預(yù)測控制（MPC），但是對于具有綜合復(fù)雜性的工業(yè)過程如冶金工業(yè)等，控制系統(tǒng)的設(shè)定值仍然依靠知識工作者憑知識和經(jīng)驗(yàn)來完成。當(dāng)前，運(yùn)行異常工況診斷仍然依靠知識工作者完成[11]。

提升PCS智能化水平的目標(biāo)使過程控制系統(tǒng)成為智能自主控制系統(tǒng)。如圖6所示，該系統(tǒng)主要由智能運(yùn)行優(yōu)化、高性能智能控制、工況識別與自優(yōu)化控制三個(gè)子系統(tǒng)組成。工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)的愿景功能包括：①智能感知生產(chǎn)條件的變化；②以優(yōu)化運(yùn)行指標(biāo)為目標(biāo)，自適應(yīng)決策控制系統(tǒng)的設(shè)定值；③高動態(tài)性能的智能跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)定值的改變，將實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)控制在目標(biāo)值范圍內(nèi)；④實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程與移動監(jiān)控，預(yù)測異常工況，排除異常工況，使系統(tǒng)安全優(yōu)化運(yùn)行；⑤與組成生產(chǎn)全流程的其他工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)相互協(xié)同，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程全局優(yōu)化[12]。

3. 工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)愿景功能

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程的優(yōu)化控制必須解決生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化問題。如圖7所示，目前工藝參數(shù)是由工藝研究人員憑知識和經(jīng)驗(yàn)并經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)過程的反復(fù)試驗(yàn)來確定。提升工藝參數(shù)研究的智能化水平的目標(biāo)是研制工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)的愿景功能包括：①使生產(chǎn)過程虛擬化；②實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程物質(zhì)流、能源流和信息流相互作用的可視化；③給出符合要求的最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)建議，由工藝研究人員確定最佳工藝參數(shù)。

圖4 信息化管理系統(tǒng)

圖5 人機(jī)合作智能優(yōu)化決策系統(tǒng)

圖6 工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)

四、關(guān)鍵共性技術(shù)與挑戰(zhàn)的科學(xué)問題

企業(yè)經(jīng)營和生產(chǎn)管理與決策過程是人、機(jī)和物三元空間融合的復(fù)雜系統(tǒng)，是人參與的信息物理系統(tǒng)。復(fù)雜工業(yè)過程控制、全流程運(yùn)行監(jiān)控與運(yùn)行管理、企業(yè)運(yùn)作管理和生產(chǎn)管理的決策分析以及最佳工藝參數(shù)的決策仍然依靠知識工作者根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)和知識來完成。知識型工作在企業(yè)經(jīng)營與生產(chǎn)過程的管理與決策中起核心作用。麥肯錫全球研究所研究報(bào)告指出：知識型工作的自動化是驅(qū)動未來全球經(jīng)濟(jì)的12種顛覆性技術(shù)之一[13]。復(fù)雜工業(yè)過程控制、全流程運(yùn)行監(jiān)控與運(yùn)行管理產(chǎn)生大數(shù)據(jù)，企業(yè)運(yùn)作管理與決策和生產(chǎn)管理與決策產(chǎn)生大數(shù)據(jù)，工藝研究實(shí)驗(yàn)也產(chǎn)生大數(shù)據(jù)。工業(yè)大數(shù)據(jù)的特征是數(shù)據(jù)容量大、采樣率高、采樣時(shí)間段長（歷史正常、歷史故障、實(shí)時(shí)）；數(shù)據(jù)類型多，如過程變量（控制量、被控量）、聲音和圖像、管理及運(yùn)行的生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)。工業(yè)大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)使企業(yè)經(jīng)營過程和生產(chǎn)全流程的建模、運(yùn)行控制與優(yōu)化決策研究從過去的假設(shè)驅(qū)動型轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)驅(qū)動型。基于數(shù)據(jù)的建模、控制與優(yōu)化決策已成為自動化科學(xué)與技術(shù)中新的研究熱點(diǎn)[14]。大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)與人工智能驅(qū)動的知識型工作自動化為生產(chǎn)工藝智能優(yōu)化和生產(chǎn)全流程整體智能優(yōu)化控制研究開辟了一條新的途徑。

將工業(yè)大數(shù)據(jù)、人工智能驅(qū)動的知識型工作自動化、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)與流程工業(yè)的物理資源緊密融合與協(xié)同，攻克下面四項(xiàng)關(guān)鍵共性技術(shù)，才有可能實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)的生產(chǎn)工藝智能優(yōu)化和生產(chǎn)全流程整體智能優(yōu)化。

（1）攻克具有綜合復(fù)雜性的工業(yè)過程智能優(yōu)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化控制為目標(biāo)的生產(chǎn)全流程智能協(xié)同優(yōu)化控制，研制工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)。

（2）攻克人參與的CPS的物理機(jī)制建模、動態(tài)性能分析、關(guān)鍵工藝參數(shù)與生產(chǎn)指標(biāo)的預(yù)測和多目標(biāo)動態(tài)優(yōu)化決策技術(shù)，研制智能優(yōu)化決策系統(tǒng)。

圖7 工藝研究智能化

（3）攻克以信息實(shí)時(shí)感知手段為核心的生產(chǎn)全流程運(yùn)行工況感知與認(rèn)知技術(shù)，研制運(yùn)行工況識別與自優(yōu)化控制系統(tǒng)。

（4）攻克大數(shù)據(jù)與物理系統(tǒng)知識共同驅(qū)動的生產(chǎn)過程信息流、物質(zhì)流、能源流交互作用的動態(tài)智能建模、仿真與可視化技術(shù)，研制用于流程工業(yè)控制、決策和工藝研究實(shí)驗(yàn)的虛擬制造系統(tǒng)。

攻克上述關(guān)鍵共性技術(shù)必須解決涉及到的對自動化科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)和通信科學(xué)與技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)挑戰(zhàn)的科學(xué)問題。

對自動化科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)的科學(xué)問題包括：①大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與機(jī)理相結(jié)合的復(fù)雜工業(yè)過程運(yùn)行動態(tài)性能的智能建模與可視化；②工業(yè)過程智能優(yōu)化控制系統(tǒng)理論與技術(shù)；③大數(shù)據(jù)與知識（物理系統(tǒng)知識、管理系統(tǒng)知識等）相結(jié)合的生產(chǎn)經(jīng)營與管理和工業(yè)過程運(yùn)行操作與管理中的多目標(biāo)動態(tài)智能優(yōu)化決策技術(shù)。

對計(jì)算機(jī)和通信科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)的科學(xué)問題包括：①基于移動互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)裝備嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；②支撐大數(shù)據(jù)與知識自動化的新一代網(wǎng)絡(luò)化智能化管控系統(tǒng)；③復(fù)雜工業(yè)環(huán)境智能感知與認(rèn)知技術(shù)；④實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝智能優(yōu)化和生產(chǎn)全流程整體智能優(yōu)化控制的軟件平臺。

對數(shù)據(jù)科學(xué)挑戰(zhàn)的科學(xué)問題包括：①從價(jià)值密度低的大數(shù)據(jù)中挖掘相關(guān)關(guān)系數(shù)據(jù)；②處理數(shù)據(jù)、文本、圖像等非結(jié)構(gòu)化信息；③利用相關(guān)關(guān)系建立復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的模型。

五、發(fā)展流程工業(yè)智能優(yōu)化制造的建議

為了盡快實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)智能優(yōu)化制造，使我國由流程工業(yè)制造大國變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國，對國家資助機(jī)制和相關(guān)政策提出如下建議。

（一）突出流程工業(yè)的戰(zhàn)略地位，提升流程工業(yè)企業(yè)創(chuàng)新能力

在政策制定、國家發(fā)展戰(zhàn)略制定中確立流程工業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性地位和作用。我國流程工業(yè)發(fā)展雖然迅速，但目前還是主要利用低廉的勞動力和產(chǎn)能規(guī)模以降低生產(chǎn)成本。從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，必須依靠內(nèi)涵發(fā)展來提高創(chuàng)新能力、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長。加大研發(fā)投入力度，建立健全研發(fā)和服務(wù)體系。加快實(shí)施重點(diǎn)流程工業(yè)行業(yè)智能制造專項(xiàng)行動，切實(shí)構(gòu)建企業(yè)主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)體系，著力促進(jìn)政產(chǎn)學(xué)研組成的創(chuàng)新主體的協(xié)同創(chuàng)新，提高企業(yè)原始創(chuàng)新能力。

（二）組織由學(xué)術(shù)、研發(fā)與企業(yè)三方共同開展流程工業(yè)智能優(yōu)化制造的戰(zhàn)略規(guī)劃與頂層設(shè)計(jì)

建議由國家相關(guān)部門組織產(chǎn)學(xué)研各方面的專家組成戰(zhàn)略研究組，共同研討我國流程工業(yè)的特征、現(xiàn)狀和問題。研討流程工業(yè)兩化深度融合實(shí)現(xiàn)智能制造的內(nèi)涵與挑戰(zhàn)；研究發(fā)展思路、發(fā)展目標(biāo)及重點(diǎn)任務(wù)、重點(diǎn)工程科技問題、重大關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)路線圖。為我國流程工業(yè)兩化深度融合的應(yīng)用實(shí)施和推廣提出配套政策和措施建議。

（三）將基礎(chǔ)與前沿研究、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、工業(yè)和信息化部兩化深度融合推進(jìn)計(jì)劃和相關(guān)重大項(xiàng)目進(jìn)行一體化整體部署

發(fā)揮中國特色社會主義制度的優(yōu)越性，協(xié)調(diào)各類國家研究計(jì)劃，圍繞流程工業(yè)兩化深度融合實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵工程科技問題和重大關(guān)鍵技術(shù)，對從基礎(chǔ)與前沿研究、技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品研制到推廣應(yīng)用各類項(xiàng)目的投入與資助進(jìn)行一體化部署。

建議工業(yè)和信息化部與國家自然科學(xué)基金委員會成立聯(lián)合基金，共同支持流程工業(yè)智能制造示范工程中的基礎(chǔ)與前沿科學(xué)問題研究。

建議設(shè)立流程工業(yè)智能優(yōu)化制造的重大專項(xiàng)、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。

建議國家自然科學(xué)基金委員會先行啟動與流程工業(yè)智能優(yōu)化制造相關(guān)的重大研究計(jì)劃、重大項(xiàng)目與重點(diǎn)項(xiàng)目群。

（四）分層次、分目標(biāo)實(shí)施兩化深度融合，推進(jìn)流程工業(yè)智能優(yōu)化制造

建議實(shí)施兩化深度融合引領(lǐng)企業(yè)示范工程。按行業(yè)選擇有示范作用的重點(diǎn)企業(yè)，以企業(yè)為主體聯(lián)合相關(guān)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家工程技術(shù)中心，形成固定的研發(fā)與工程實(shí)施隊(duì)伍，進(jìn)行機(jī)制創(chuàng)新，建立對研發(fā)隊(duì)伍持續(xù)支持的機(jī)制，聯(lián)合創(chuàng)新將示范企業(yè)打造成世界領(lǐng)先的企業(yè)。

建議開展面向行業(yè)的兩化深度融合示范工程。利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、移動計(jì)算等新的信息技術(shù)，搭建面向不同行業(yè)的兩化融合技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)平臺和企業(yè)生產(chǎn)管理信息服務(wù)平臺，如云ERP、云MES等。

建議開展面向流程企業(yè)以實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化運(yùn)行為目標(biāo)的信息化系統(tǒng)智能化水平提升示范工程。特別是開展針對關(guān)鍵生產(chǎn)工序的重大生產(chǎn)裝備，尤其是高耗能設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化運(yùn)行為目標(biāo)，完善過程控制系統(tǒng)，使其可靠完整采集信息，實(shí)現(xiàn)回路閉環(huán)控制，具有故障診斷與自愈控制、控制指令優(yōu)化設(shè)定等功能。

（五）完善可持續(xù)發(fā)展的職業(yè)教育與專業(yè)人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)一批流程工業(yè)智能優(yōu)化制造領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)與研發(fā)人才隊(duì)伍

完善人才引進(jìn)、培養(yǎng)、使用、評價(jià)、激勵(lì)和保障政策，優(yōu)化人才引進(jìn)和培養(yǎng)環(huán)境，重點(diǎn)培養(yǎng)和造就面向工業(yè)創(chuàng)新需求的實(shí)戰(zhàn)型工程技術(shù)人才和具有扎實(shí)素養(yǎng)的應(yīng)用型研發(fā)人才，提升在職人員勞動素質(zhì)，培養(yǎng)一批流程工業(yè)智能優(yōu)化制造領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)與研發(fā)人才隊(duì)伍。