蔣白樺，呂雪峰，劉玉龍

（石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京100020）

引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與信息系統(tǒng)智能化進(jìn)程的快速推進(jìn)，對(duì)于工程系統(tǒng)和計(jì)算設(shè)備的需求已不僅僅局限于傳統(tǒng)系統(tǒng)功能擴(kuò)充，更關(guān)注系統(tǒng)資源合理有效分配和系統(tǒng)性能效能優(yōu)化，以及服務(wù)個(gè)性化與用戶滿意度的提升[1]。在此類需求引導(dǎo)下，信息物理系統(tǒng)(cyber-physical systems，CPS)作為一種新型智能系統(tǒng)引起了各國政府、學(xué)術(shù)界和商業(yè)界的高度重視[2-5]。

解決物理世界與信息世界分離所造成的問題是信息物理系統(tǒng)發(fā)展的推動(dòng)力。CPS是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，將計(jì)算嵌入到物理過程中，能夠?qū)崟r(shí)感知和控制物理過程，通過計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程相互影響的實(shí)時(shí)反饋循環(huán)，自主地協(xié)調(diào)物理進(jìn)程[6-8]。CPS 無縫集成了傳感器、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算單元和執(zhí)行器，通過計(jì)算、通信、控制技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)，在電力、石化、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域具有重要而廣泛的應(yīng)用前景。

近年來，CPS已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和科技界研究的重要方向[7,9-12]，美國國家科學(xué)基金委員會(huì)將CPS列為重點(diǎn)支持的關(guān)鍵性研究領(lǐng)域。為了在智能電子系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)全球領(lǐng)導(dǎo)地位，歐盟第七框架計(jì)劃啟動(dòng)了智能嵌入式系統(tǒng)的先進(jìn)研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目將CPS作為智能系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。韓國和日本等國近幾年也設(shè)立了針對(duì)CPS的研究計(jì)劃。隨后，中國在電力領(lǐng)域、汽車制造、智慧醫(yī)療、智慧交通等主要工業(yè)領(lǐng)域開始對(duì)CPS進(jìn)行了應(yīng)用研究[13-18]。

石化行業(yè)是我國最重要的工業(yè)領(lǐng)域之一，行業(yè)內(nèi)在CPS領(lǐng)域的研究力度不斷加大。目前針對(duì)石化CPS 的研究和探索，將其定位于智能工廠的基礎(chǔ)設(shè)施[3-5,19]，重點(diǎn)圍繞智能工廠建設(shè)開展。本文在石化行業(yè)CPS 已有理論研究成果基礎(chǔ)之上，深入研究面向石化智能工廠，基于智能體（Agent）的石化信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法與實(shí)踐。

1 國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀

1.1 面向石化智能工廠的信息物理系統(tǒng)

新一代信息技術(shù)與運(yùn)營技術(shù)、制造技術(shù)的融合，給石化工業(yè)生產(chǎn)方式帶來革命性的變化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變革，高性能、高附加值和專用化學(xué)品需求日益增加。未來石化工廠是以工業(yè)化和信息化深度融合為基礎(chǔ)的綠色、高效、安全和可持續(xù)的新型智能化工廠。

石化智能工廠面向石化生產(chǎn)的全產(chǎn)業(yè)鏈，將新一代信息技術(shù)與現(xiàn)有石化生產(chǎn)過程的工藝和設(shè)備運(yùn)行技術(shù)以及人進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)工廠橫向、縱向和端到端的高度集成，提升全面感知、預(yù)測預(yù)警、協(xié)同優(yōu)化、科學(xué)決策的四項(xiàng)關(guān)鍵能力，以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式提升工廠運(yùn)營管理水平，并推動(dòng)形成新的制造和商業(yè)模式創(chuàng)新[1,3,20-21]。

石化信息物理系統(tǒng)的建設(shè)目的，是構(gòu)建一個(gè)以泛在感知和泛在智能服務(wù)為特征的新一代石化生產(chǎn)環(huán)境，打造“狀態(tài)感知-實(shí)時(shí)分析-科學(xué)決策-精準(zhǔn)執(zhí)行”的閉環(huán)，將無處不在的傳感器、智能硬件、控制系統(tǒng)、計(jì)算設(shè)施、信息終端通過石化CPS連接成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)的規(guī)則體系，將企業(yè)、人、設(shè)備、服務(wù)之間互聯(lián)互通，最大限度地開發(fā)、整合和利用各類信息資源、知識(shí)、智慧，應(yīng)對(duì)制造系統(tǒng)的不確定性，實(shí)現(xiàn)制造資源的高效配置，利用石化CPS 打造更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的工廠運(yùn)營管理方式[3-5,19-20]。

CPS 的層級(jí)體系，理論界普遍認(rèn)為可以分為單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和SOS級(jí)（系統(tǒng)之系統(tǒng)）三個(gè)層次，這一劃分，從功能范圍上界定了CPS 的分級(jí)，對(duì)規(guī)范CPS總體認(rèn)識(shí)、推動(dòng)CPS發(fā)展具有重要意義，但是這種劃分并未涉及針對(duì)不同行業(yè)的具體實(shí)踐指導(dǎo)方針。具體到石化行業(yè)，結(jié)合生產(chǎn)企業(yè)的特點(diǎn)，石化CPS對(duì)應(yīng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該是：單元級(jí)CPS對(duì)應(yīng)單裝置；系統(tǒng)級(jí)CPS 對(duì)應(yīng)一套聯(lián)合裝置、一個(gè)完整的加工流程或者一個(gè)作業(yè)部；系統(tǒng)級(jí)CPS面向企業(yè)，且基于平臺(tái)。

1.2 面向智能工廠的智能體技術(shù)

石化信息物理系統(tǒng)泛在感知和泛在智能服務(wù)能力打造，需要具有自組織能力、學(xué)習(xí)能力和推理能力的智能技術(shù)支撐。智能體是分布式人工智能（DAI）領(lǐng)域的一個(gè)基本術(shù)語[22]。智能體被認(rèn)為是一個(gè)物理或抽象的、能在一定環(huán)境下運(yùn)行的實(shí)體，能作用于自身和環(huán)境，并對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)。智能體具有知識(shí)、目標(biāo)和能力。知識(shí)主要包括領(lǐng)域知識(shí)、通訊知識(shí)、控制知識(shí)等；目標(biāo)可以根據(jù)變化情況分為靜態(tài)目標(biāo)和動(dòng)態(tài)目標(biāo)，目標(biāo)可以通過算法編入或顯示給定，或通過通訊獲得；能力是指智能體具有推理、決策、規(guī)劃和控制等的能力。其能力的獲得可以給定、學(xué)習(xí)或通過通訊獲得。多智能體系統(tǒng)(MAS)是由多個(gè)單智能體組成的集合，該系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)一組智能體的行為，以協(xié)同地完成一個(gè)任務(wù)或求解問題。

多智能體系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要研究如何將多個(gè)單智能體組織為一個(gè)群體并使各智能體有效地進(jìn)行協(xié)調(diào)合作，從而產(chǎn)生總體解決問題的能力[23-28]。目前具有代表性的研究主要有基于符號(hào)推理的智能體研究、基于承諾與約定的協(xié)作模型、自協(xié)調(diào)模型等。由于多智能體系統(tǒng)的分布性能、動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，近年來的應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，主要集中在機(jī)器人領(lǐng)域[29]、智能交通領(lǐng)域[18]、智能制造領(lǐng)域[30-31]等。

在智能制造領(lǐng)域，有學(xué)者定義了基于多智能體系統(tǒng)的智能制造單元，用于物理對(duì)象的信息轉(zhuǎn)換、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和驗(yàn)證。一個(gè)智能制造單元可以由其他小的智能制造單元組成，每一個(gè)智能制造單元也可以是其他單元的一部分[32]。每個(gè)單元又具有相當(dāng)?shù)淖灾餍院蛢?nèi)聚性。基于多智能體系統(tǒng)的智能制造系統(tǒng)可以靈活定義從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到市場整個(gè)制造過程的所有活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)智能制造目的。除此之外，有學(xué)者在供應(yīng)鏈管理中采用智能體技術(shù)，通過有效的資源配置，優(yōu)化所有連接企業(yè)的總體供應(yīng)鏈，動(dòng)態(tài)優(yōu)化材料和庫存，增強(qiáng)企業(yè)對(duì)市場的反應(yīng)能力。供應(yīng)鏈研究的一個(gè)重點(diǎn)是不同層次的智能體之間的協(xié)調(diào)[33]等。

傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬和仿真技術(shù)難以對(duì)石化企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性和動(dòng)態(tài)性等復(fù)雜特點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)描述，也難以解決計(jì)算效率與模型可信性之間的矛盾。而智能體則是對(duì)于物理實(shí)體相關(guān)業(yè)務(wù)規(guī)則及工業(yè)知識(shí)的程序化封裝，可實(shí)現(xiàn)模型與規(guī)則的解耦，可做到動(dòng)態(tài)、靈活及輕量化部署應(yīng)用，相較于傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式具有更高的封裝性、擴(kuò)展性及復(fù)用性。對(duì)于石化企業(yè)的生產(chǎn)過程，無法用確定的數(shù)學(xué)模型抽象出可操作的信息物理系統(tǒng)，因此需要借助多智能體的特性，構(gòu)建具有智能行為的生產(chǎn)實(shí)體，依據(jù)石化工廠生產(chǎn)特點(diǎn)及屬性賦予一定規(guī)則，通過個(gè)體之間的交互來模擬從個(gè)體適應(yīng)到大規(guī)模生產(chǎn)現(xiàn)場的展現(xiàn)，以動(dòng)態(tài)、整體的方法解決石化智能工廠信息物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)問題?；谥悄荏w的系統(tǒng)在表達(dá)實(shí)際狀況時(shí)，通過智能體間的通訊、合作、互解、協(xié)調(diào)及控制來表達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能特性。通過智能體構(gòu)建的系統(tǒng)具有自組織能力、學(xué)習(xí)能力和推理能力。

與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬方法比較，基于智能體的信息物理系統(tǒng)用于解決石化智能工廠建設(shè)問題的優(yōu)勢如下：（1）一致性。智能體既能反映生產(chǎn)裝置的屬性，又能反映生產(chǎn)過程中各種參數(shù)變化，能夠表現(xiàn)出與生產(chǎn)實(shí)體相一致的特性，從而滿足高仿真度需求。（2）實(shí)時(shí)性。智能體可根據(jù)石化企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)及屬性進(jìn)行業(yè)務(wù)計(jì)算、報(bào)警監(jiān)控及智能預(yù)測等，對(duì)動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過程做出實(shí)時(shí)判斷。（3）自主性。在基于智能體的CPS 中，每個(gè)智能體均能夠解決給定子問題，并自主地推理和規(guī)劃并選擇適當(dāng)?shù)牟呗?。?）協(xié)調(diào)性?；谥悄荏w的CPS 是一個(gè)協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，智能體之間可通過互相協(xié)調(diào)去解決大規(guī)模的復(fù)雜問題。（5）獨(dú)立性。每個(gè)智能體都有自己的進(jìn)程，可按照各自運(yùn)行方式獨(dú)立工作。

2 基于智能體的石化智能工廠信息物理系統(tǒng)構(gòu)建方法

石化智能工廠的信息物理系統(tǒng)，需要覆蓋智能數(shù)采、計(jì)劃排程、物料平衡、預(yù)測性維護(hù)、石化企業(yè)設(shè)備大數(shù)據(jù)分析、煉油工業(yè)預(yù)測預(yù)警大數(shù)據(jù)分析、煉油生產(chǎn)裝置遠(yuǎn)程技術(shù)診斷服務(wù)和先進(jìn)控制等智能化應(yīng)用，支持全廠生產(chǎn)平衡能力，覆蓋全廠生產(chǎn)業(yè)務(wù)。這樣一個(gè)高度智能化的綜合性制造系統(tǒng)，需要兩個(gè)必不可少的基礎(chǔ)作為支撐。一是需要智能體的強(qiáng)大計(jì)算能力作為運(yùn)行保障；二是需要工廠模型作為工廠信息與實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)字化表述。因此，石化CPS的單元結(jié)構(gòu)應(yīng)包含協(xié)作控制模塊和領(lǐng)域處理模塊。其中，協(xié)作控制模塊提供物理信息感知、通信管理、信息調(diào)用等功能；領(lǐng)域處理模塊由數(shù)據(jù)庫、模型庫、規(guī)則庫和知識(shí)庫等單元組成。

2.1 石化智能工廠信息物理系統(tǒng)的計(jì)算原理

石化智能工廠信息物理系統(tǒng)通用計(jì)算模式可視智能體的工作模式，依托三個(gè)單元協(xié)同予以實(shí)現(xiàn)，一是問題求解單元，包括感知、計(jì)算、決策、執(zhí)行四個(gè)環(huán)節(jié)；二是資源庫，包含知識(shí)和數(shù)據(jù)；三是協(xié)作接口單元。CPS 通過對(duì)物理過程進(jìn)行感知和控制，實(shí)現(xiàn)石化信息空間與石化物理空間無縫結(jié)合，如圖1所示。

圖1 石化智能工廠信息物理系統(tǒng)通用計(jì)算架構(gòu)Fig.1 General computing architecture of cyber-physical systems for smart petrochemical factory

其中，問題求解單元根據(jù)所獲得的任務(wù)、自身資源、狀態(tài)及行為以及其他智能體的環(huán)境信息等，利用資源庫提供的相關(guān)知識(shí)和必要數(shù)據(jù)，進(jìn)行局部任務(wù)規(guī)劃、推理和決策，產(chǎn)生相應(yīng)控制信息和數(shù)據(jù)，控制自身和其他智能體的操作與進(jìn)行，并監(jiān)視自身運(yùn)行狀態(tài)。

感知環(huán)節(jié)是通過異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面、協(xié)同、有目標(biāo)地感知監(jiān)測物理環(huán)境，涉及企業(yè)、工廠、生產(chǎn)裝置、產(chǎn)品及生產(chǎn)環(huán)境狀態(tài)，如生產(chǎn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)計(jì)劃指標(biāo)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理等。計(jì)算環(huán)節(jié)利用數(shù)據(jù)和知識(shí)對(duì)感知到的信息進(jìn)行計(jì)算分析，處理和管理各種分布式異構(gòu)單元的生產(chǎn)信息，獲得各異構(gòu)單元內(nèi)部及異構(gòu)單元之間的關(guān)聯(lián)性及因果性。決策環(huán)節(jié)是根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，進(jìn)行對(duì)現(xiàn)實(shí)的評(píng)估和對(duì)未來的預(yù)測，形成最優(yōu)化的決策，例如：對(duì)設(shè)備狀態(tài)變更、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整等作出判斷。執(zhí)行環(huán)節(jié)是對(duì)決策的物理實(shí)現(xiàn)。將最優(yōu)化的決策轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行的指令作用于物理對(duì)象，如生產(chǎn)裝置等。

資源庫包含了完成任務(wù)所必須的知識(shí)和數(shù)據(jù)。知識(shí)包括模型、規(guī)則和算法，如生產(chǎn)裝置的工藝模型、石化工廠信息模型以及裝置操作規(guī)則等，石化行業(yè)涉及的知識(shí)可以歸納總結(jié)如圖2所示。

數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)裝置的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)、企業(yè)大數(shù)據(jù)和其他非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等，總結(jié)如圖3 所示。其中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)/記錄數(shù)據(jù)與供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)管控、設(shè)備管理、能源管理、安全管控和環(huán)保管控等智能工廠業(yè)務(wù)域?qū)?yīng)，這些數(shù)據(jù)為石化CPS 計(jì)算環(huán)節(jié)提供支撐。

圖2 石化智能工廠信息物理系統(tǒng)通用計(jì)算模式中的知識(shí)庫Fig.2 Knowledge base in general computing mode of cyberphysical systems for smart petrochemical factory

協(xié)作接口單元負(fù)責(zé)與其他智能體以及外部環(huán)境的交互，獲取任務(wù)并根據(jù)任務(wù)的復(fù)雜程度和自身的資源、狀態(tài)和能力尋求協(xié)調(diào)與合作，同時(shí)也向其他智能體提供所需要的能力及服務(wù)，實(shí)現(xiàn)資源、知識(shí)、信息和功能的共享。

2.2 石化智能工廠信息模型

工廠信息模型描述石化企業(yè)中生產(chǎn)活動(dòng)涉及要素的模型抽象，包含企業(yè)核心生產(chǎn)領(lǐng)域涉及的物理對(duì)象和度量對(duì)象，以及這些要素之間的相互關(guān)系，為智能工廠應(yīng)用建設(shè)提供統(tǒng)一訪問機(jī)制、提煉企業(yè)內(nèi)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述模型、提煉企業(yè)內(nèi)統(tǒng)一的對(duì)象關(guān)系模型。工廠信息模型主要描述了模型和關(guān)系，模型要素涉及工廠中的生產(chǎn)相關(guān)裝置、設(shè)備、組織模式、人員、相關(guān)工作流程，通過繼承關(guān)系、包含關(guān)系、連接關(guān)系和關(guān)聯(lián)關(guān)系表達(dá)模型要素之間的關(guān)系。工廠信息模型統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一建設(shè)，可抽象工廠實(shí)體、運(yùn)行機(jī)理、人員組織與活動(dòng)，并進(jìn)行模擬，集中存儲(chǔ)、訪問相關(guān)聯(lián)的信息。

圖3 石化智能工廠信息物理系統(tǒng)通用計(jì)算模式中數(shù)據(jù)內(nèi)容Fig.3 Data in general computing architecture of cyber-physical systems for smart petrochemical factory

石化行業(yè)智能工廠信息模型主要描述工廠的物理組成、參數(shù)指標(biāo)、度量控制。工廠物理組成描述工廠生產(chǎn)過程中涉及的物理實(shí)體的屬性，屬性信息包括類別、定義和相互間的聯(lián)系。參數(shù)指標(biāo)描述物理實(shí)體的度量指標(biāo)和行為。度量控制描述工業(yè)控制系統(tǒng)和物聯(lián)終端的指標(biāo)和參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)?；诮y(tǒng)一的工廠信息模型建設(shè)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)及經(jīng)營管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)底層控制系統(tǒng)互聯(lián)和數(shù)據(jù)互通，各應(yīng)用通過統(tǒng)一的工廠信息模型進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、調(diào)用和信息反饋。

通過統(tǒng)一的工廠信息模型，可提升數(shù)據(jù)的價(jià)值和共享性，打通生產(chǎn)及經(jīng)營管理各環(huán)節(jié)系統(tǒng)的融合、交互通道，如圖4所示。

智能體是具備感知和響應(yīng)能力、能夠自主行動(dòng)的邏輯實(shí)體，因此可以建在工廠模型的節(jié)點(diǎn)上，融合分析、預(yù)測預(yù)警、決策、執(zhí)行能力，使其成為智能體。一個(gè)智能體可以具備多種處理能力，包括業(yè)務(wù)計(jì)算、智能預(yù)測、報(bào)警監(jiān)控等。這些不同的處理能力，由其中包含的智能點(diǎn)（Agentlet）完成，如圖5所示。

智能點(diǎn)利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線、實(shí)時(shí)計(jì)算框架，實(shí)現(xiàn)面向全局的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，如圖6 所示。圖中，ODS（operational data store）為操作型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，分級(jí)分類對(duì)企業(yè)生產(chǎn)涉及的過程和狀態(tài)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)基于生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)生的時(shí)間，與智能體聯(lián)動(dòng)，為其提供環(huán)境、事件上下文等驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。

2.3 石化智能工廠信息物理系統(tǒng)的構(gòu)建方法

圖4 工廠信息模型的集中集成Fig.4 Centralized integration of factory information model

圖5 工廠信息模型中的智能體分布示意圖Fig.5 Distribution of agents in the factory information model

圖6 智能點(diǎn)的工作機(jī)制Fig.6 Working mechanism of agentlet

石化智能工廠信息物理系統(tǒng)構(gòu)建，需要以工廠模型數(shù)據(jù)建模為基礎(chǔ)。工廠模型是對(duì)石化企業(yè)物理實(shí)體的結(jié)構(gòu)性表達(dá)，主要用于定義物理實(shí)體的本體屬性及實(shí)體之間的關(guān)系。而工業(yè)數(shù)據(jù)湖可完成對(duì)工業(yè)現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)源和多種數(shù)據(jù)類型的統(tǒng)一接入和集中存儲(chǔ)，同時(shí)提供過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問能力。石化智能工廠涉及的數(shù)據(jù)量巨大，既包含結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)也包含非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，而且需要對(duì)其進(jìn)行深入分析。在數(shù)據(jù)湖中，可存儲(chǔ)任何形式和任何格式的數(shù)據(jù)，通過對(duì)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，支撐石化智能工廠相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析及預(yù)測預(yù)警。因此在石化智能工廠模型構(gòu)建時(shí)，采用了數(shù)據(jù)湖作為數(shù)據(jù)支撐工具，為石化智能工廠CPS 提供具備更高靈活性和更高敏捷性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

工廠模型對(duì)象在物理工廠產(chǎn)生各種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要通過信息物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)感知，完成工廠數(shù)據(jù)采集，并在知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫的支撐下，調(diào)用智能體的規(guī)則引擎、大數(shù)據(jù)分析引擎、搜索引擎、優(yōu)化計(jì)算服務(wù)引擎及專用服務(wù)引擎，開展數(shù)據(jù)的加工、計(jì)算、分析，實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)處理過程，并將處理的結(jié)果存入工業(yè)數(shù)據(jù)湖?；谝陨显O(shè)計(jì)原則，石化智能工廠信息物理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖7所示。

工廠模型對(duì)象和算法目錄組合生成編輯器，從而創(chuàng)建智能體，實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（laboratory information management system，LIMS）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（real time data base，RTDB）及物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）等將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)湖，智能體通過訂閱得到數(shù)據(jù)湖中的數(shù)據(jù)，并構(gòu)建實(shí)時(shí)計(jì)算框架；使用相關(guān)計(jì)算引擎對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，利用規(guī)則和模型進(jìn)行分析計(jì)算；任務(wù)執(zhí)行單元即業(yè)務(wù)應(yīng)用單元，負(fù)責(zé)感知—計(jì)算—決策—執(zhí)行的處理驅(qū)動(dòng)和控制，同時(shí)為避免強(qiáng)耦合，任務(wù)執(zhí)行單元和處理引擎通過服務(wù)總線進(jìn)行交互。

圖7 石化智能工廠信息物理系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.7 Architecture of cyber-physical systems for smart petrochemical factory

石化信息物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，不限于單一的規(guī)則解析、實(shí)時(shí)計(jì)算或者大數(shù)據(jù)分析，而是通過在工廠模型對(duì)象上創(chuàng)建智能體的方式，使該工廠模型對(duì)象具備各種能力。例如，可針對(duì)工廠的某個(gè)常減壓設(shè)備創(chuàng)建智能體，該智能體可以是規(guī)則解析(如告警)，可以是實(shí)時(shí)計(jì)算(如統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算)，可以是數(shù)據(jù)分析(如預(yù)測預(yù)警)，也可以同時(shí)具備多項(xiàng)能力。

在工廠模型對(duì)象上創(chuàng)建智能體的本質(zhì)是，通過建立模型把現(xiàn)實(shí)的物理世界抽象化，通過需求不斷賦予智能體“IQ”以及“EQ”，使其具有自省能力，感知和預(yù)測自身狀態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)的協(xié)同，并通過可視化界面對(duì)每一個(gè)智能體進(jìn)行配置。

其實(shí)現(xiàn)過程可分為三個(gè)核心步驟。

（1）通過智能體編輯器對(duì)一個(gè)智能體進(jìn)行多種配置，每一種配置生成一個(gè)智能點(diǎn)，通過配置賦予其能力。

（2）每一個(gè)智能點(diǎn)都代表這個(gè)智能點(diǎn)的一種能力。具體過程是，首先通過智能體編輯器對(duì)一個(gè)智能體配置一個(gè)智能點(diǎn)；隨后每生成一個(gè)智能點(diǎn)，數(shù)據(jù)湖都會(huì)通過其數(shù)據(jù)即服務(wù)能力為該智能體提供必要的運(yùn)算數(shù)據(jù)，根據(jù)配置的智能點(diǎn)計(jì)算類型進(jìn)行計(jì)算分析，并將計(jì)算分析結(jié)果在智能點(diǎn)上展現(xiàn)。

（3）最終，智能體接收數(shù)據(jù)處理結(jié)果，執(zhí)行該應(yīng)用的業(yè)務(wù)功能。

2.4 基于智能體的石化信息物理系統(tǒng)示例

可以選取工廠模型節(jié)點(diǎn)層中的儲(chǔ)罐作為一個(gè)智能體，該智能體可包含多個(gè)智能點(diǎn)，例如分別面向溫度、壓力、液位、付空及收滿等屬性的預(yù)測預(yù)警。每個(gè)智能點(diǎn)定義一個(gè)或一組狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)，這些參數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)將被處理引擎進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，處理引擎使用監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，按照智能點(diǎn)指定的預(yù)報(bào)警規(guī)則和算法，進(jìn)行預(yù)報(bào)警運(yùn)算，以做出預(yù)報(bào)警事件的判斷，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)警事件的觸發(fā)、跟蹤和消除，見表1。

3 基于智能體的石化智能工廠信息物理系統(tǒng)工程實(shí)踐

傳統(tǒng)的石化企業(yè)信息系統(tǒng)建設(shè)，通常圍繞不同業(yè)務(wù)域形成獨(dú)立的專業(yè)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的配置相對(duì)固化，系統(tǒng)之間也缺乏協(xié)調(diào)與共享。而基于CPS的智能工廠，其生產(chǎn)系統(tǒng)、資源及處理過程具有高水平的中心性、協(xié)同性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)在資源、成本方面更具優(yōu)勢。基于CPS，智能工廠將按照重視復(fù)用性和持續(xù)性的中心化原則來設(shè)計(jì)，因此靈活性、自適應(yīng)性、學(xué)習(xí)能力及容錯(cuò)能力成為其固有屬性。同時(shí)，其優(yōu)勢不僅僅是在特定生產(chǎn)條件下或者特定業(yè)務(wù)域中的一次性體現(xiàn)，而且最終可以實(shí)現(xiàn)基于平臺(tái)的、面向多套裝置、多個(gè)加工流程或多個(gè)作業(yè)部所形成的系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)的部署與應(yīng)用。石油和化工工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（ProMACE）定位于面向石油和化工行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控的國家級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，是信息物理系統(tǒng)(CPS)在石油和化工行業(yè)的具體實(shí)現(xiàn)。本部分主要介紹基于該平臺(tái)的石化智能工廠CPS案例。

表1 基于智能體的儲(chǔ)罐CPSTable 1 CPS of storage tank based on agent

3.1 大機(jī)組設(shè)備健康管理

設(shè)備的健康及可靠性管理是其運(yùn)行維修階段的關(guān)鍵管理內(nèi)容。傳統(tǒng)的設(shè)備管理系統(tǒng)對(duì)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中管控，雖然可最大化地利用企業(yè)現(xiàn)有的設(shè)備健康維護(hù)資源，但對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化缺乏應(yīng)變能力，難以做到有效預(yù)防。而基于智能體的CPS設(shè)備健康管理模式具有自組織能力，可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并判斷設(shè)備的健康狀態(tài)，通過其自主控制能力，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康預(yù)測的分布式增強(qiáng)控制，充分響應(yīng)設(shè)備健康管理中的動(dòng)態(tài)變化。

石化智能工廠試點(diǎn)企業(yè)A 基于ProMACE 的石化智能工廠CPS，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大機(jī)組設(shè)備的健康管理。通過業(yè)務(wù)模型、案例故障診斷與專家知識(shí)庫故障診斷的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵機(jī)組故障的準(zhǔn)確定位和壽命預(yù)測，為維修決策提供支持，提高企業(yè)預(yù)知性維修管理水平。試點(diǎn)企業(yè)A通過基于智能體的石化智能工廠CPS 實(shí)現(xiàn)的大機(jī)組健康管理過程如圖8所示。

用于大機(jī)組設(shè)備健康管理的工廠模型主要包括設(shè)備故障診斷專家知識(shí)庫、業(yè)務(wù)模型及規(guī)則庫和三維可視化模型，其中，業(yè)務(wù)模型包括預(yù)警報(bào)警模型、健康因素關(guān)聯(lián)分析模型、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型、故障征兆提取模型、壽命預(yù)測模型、備件庫存優(yōu)化模型、系統(tǒng)可靠性模型、生產(chǎn)分析模型等近百個(gè)，形成40 余個(gè)模型規(guī)則；三維可視化模型用于快速定位設(shè)備健康監(jiān)測報(bào)警部位。

通過ProMACE 的IoT基礎(chǔ)設(shè)施及智能體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，采集設(shè)備分類數(shù)據(jù)、設(shè)備特性數(shù)據(jù)、設(shè)備故障數(shù)據(jù)、維修計(jì)劃、測量節(jié)點(diǎn)等12類主數(shù)據(jù)。

通過智能體處理引擎單元判定和預(yù)測導(dǎo)致設(shè)備健康狀況不良的故障部位、故障損壞、故障原因和故障時(shí)間，并提供處理報(bào)警的維修和干預(yù)建議；探索和分析設(shè)備各健康參數(shù)之間的關(guān)系和相互影響程度，沉淀專家知識(shí)優(yōu)化故障診斷；通過智能體業(yè)務(wù)應(yīng)用單元結(jié)合故障診斷結(jié)果和維修建議直接創(chuàng)建維修需求并執(zhí)行。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)策略執(zhí)行效果的評(píng)估，分析導(dǎo)致差距產(chǎn)生的原因，提出消除差距的措施，優(yōu)化維修策略，最終形成可靠性管理流程、基礎(chǔ)管理流程、故障消除流程、策略管理流程、機(jī)械完整性流程和設(shè)備安全管理流程的閉環(huán)，持續(xù)改進(jìn)和提高設(shè)備可靠性。

圖8 試點(diǎn)企業(yè)A大機(jī)組健康管理過程示意圖Fig.8 Process of health management on large machine units in pilot enterprise A

石化智能工廠試點(diǎn)企業(yè)A通過設(shè)備健康和可靠性管理項(xiàng)目建設(shè)，有效提高設(shè)備預(yù)知維修和可靠性管理水平。在項(xiàng)目實(shí)施并運(yùn)行的1 年時(shí)間內(nèi)，設(shè)備故障率降低10%，設(shè)備可用度提高1%，設(shè)備維修費(fèi)用降低5%，設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)減少2%。

3.2 能源優(yōu)化

石化企業(yè)中傳統(tǒng)的能源優(yōu)化方法基于能源專業(yè)管理系統(tǒng)，其不足主要在于：一是無法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地描述石化企業(yè)能源消耗狀況與模型間復(fù)雜的動(dòng)態(tài)關(guān)系，石化企業(yè)的能耗涉及多種能源媒介的動(dòng)態(tài)變化，且消耗量巨大，導(dǎo)致在能源消耗狀態(tài)變化時(shí)模型無法準(zhǔn)確預(yù)測實(shí)體行為；二是傳統(tǒng)優(yōu)化方法無法充分適應(yīng)分布式的石化企業(yè)能源管理模式。而基于智能體的CPS既可以保障能源優(yōu)化的實(shí)時(shí)性需求，又可以充分支持分布式應(yīng)用，同時(shí)可降低系統(tǒng)建設(shè)的管理難度和擴(kuò)展難度。

圖9 試點(diǎn)企業(yè)B能源在線優(yōu)化過程示意圖Fig.9 On-line optimization for energy in pilot enterprise A

石化智能工廠試點(diǎn)企業(yè)B基于石化智能工廠的CPS，以總體效益最大化為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)鍋爐效率、汽輪機(jī)、換熱器、減溫減壓器等設(shè)備的操作優(yōu)化，效果顯著。針對(duì)石化企業(yè)中蒸汽動(dòng)力產(chǎn)、轉(zhuǎn)、輸，通過構(gòu)建能源模型實(shí)現(xiàn)蒸汽動(dòng)力原料和產(chǎn)能優(yōu)化可視化展示能源運(yùn)行情況，以系統(tǒng)總操作費(fèi)用最小為目的進(jìn)行蒸汽優(yōu)化，降低能耗。

通過ProMACE 的IoT 基礎(chǔ)設(shè)施，采集、歸并、統(tǒng)計(jì)能源介質(zhì)的生產(chǎn)、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、輸送、消耗全過程數(shù)據(jù)的量值，對(duì)蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行智能模擬和動(dòng)態(tài)監(jiān)測。試點(diǎn)企業(yè)B 通過基于智能體的石化智能工廠CPS實(shí)現(xiàn)的能源在線優(yōu)化過程如圖9所示。

基于智能體的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元處理數(shù)據(jù)包括15類，主要是企業(yè)、工廠、車間、界區(qū)、裝置、測量點(diǎn)、能源節(jié)點(diǎn)、管網(wǎng)、平衡表、介質(zhì)、基本核算單元、復(fù)合核算單元、基礎(chǔ)指標(biāo)、復(fù)合指標(biāo)、平衡項(xiàng)。優(yōu)化覆蓋管網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，10 小類即管長、外徑、壁厚、管件類型、管件個(gè)數(shù)、保溫材質(zhì)、保溫厚度、蒸汽流量、蒸汽壓力、蒸汽溫度。

基于智能體的處理引擎單元，對(duì)能源管理的各種數(shù)據(jù)成果和評(píng)價(jià)分析的綜合展示功能，支撐企業(yè)能源日產(chǎn)耗數(shù)據(jù)、能源計(jì)量儀表情況、能源關(guān)鍵指標(biāo)、主要管網(wǎng)損失情況的預(yù)警、展示、綜合分析。智能體的處理引擎單元為事前預(yù)測、事中分析、事后追蹤，提供統(tǒng)一、多視角決策和分析綜合視圖，具體業(yè)務(wù)流程涵蓋能源計(jì)劃、能源運(yùn)行、能源統(tǒng)計(jì)、評(píng)價(jià)分析、能源優(yōu)化、能管中心。通過基于智能體的業(yè)務(wù)應(yīng)用單元，找出最經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行和規(guī)劃改造方案，與現(xiàn)場控制系統(tǒng)連接，幫助管理人員隨時(shí)掌握蒸汽管網(wǎng)各部位的工況，消除盲目性，提高管理水平，增加管網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性，達(dá)到節(jié)能降耗的效果，在生產(chǎn)運(yùn)行、管網(wǎng)規(guī)劃改造、節(jié)能降耗等方面，提升管理水平和降低公用工程成本。

試點(diǎn)企業(yè)B 在能源優(yōu)化后，中壓蒸汽管網(wǎng)綜合實(shí)際散熱率為1.1%，綜合設(shè)計(jì)散熱率為0.6%；低壓蒸汽管網(wǎng)綜合實(shí)際散熱率為2.9%，綜合設(shè)計(jì)散熱率為1.4%。

4 結(jié) 論

本文給出了一種將智能體應(yīng)用于石化企業(yè)工廠模型工作節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建具有智能分析、預(yù)測預(yù)警、生產(chǎn)監(jiān)測以及可視化能力的石化信息物理系統(tǒng)的方法。石油和化工工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是石化信息物理系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，在中國石化智能工廠試點(diǎn)企業(yè)的應(yīng)用效果突出，顯著提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。信息物理系統(tǒng)在石化行業(yè)的相關(guān)應(yīng)用，還需要長期的探索與研究，但是CPS 將徹底改變目前石化行業(yè)信息化、自動(dòng)化的理念，促進(jìn)數(shù)據(jù)和信息更充分的利用和挖掘，使石化生產(chǎn)更加主動(dòng)，為提高石化企業(yè)生產(chǎn)效率和開發(fā)新的業(yè)務(wù)模式提供可能性。