宋 彬 東洋工程(上海)有限公司 上海 200124

近年來，我國化工企業(yè)加快了工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型或智能化建設(shè)的步伐。2021—2022年，有13個化工行業(yè)工廠被國家工信部列入年度智能制造示范工廠，涉及石油煉化及石化下游產(chǎn)品、生物燃料、煤化工、氯堿化工和氟化工等多個領(lǐng)域；既有央企、大型國企，也有民營控股企業(yè)。

形成這種局面的原因有很多，從四個方面總結(jié)如下：

(1)企業(yè)內(nèi)在動力。無論處于產(chǎn)業(yè)鏈上游還是下游，化工企業(yè)均面臨著來自各方面的壓力：規(guī)模競爭、產(chǎn)能競爭、成本競爭、經(jīng)濟放緩帶來的需求放緩、產(chǎn)品市場快速演變等。同時，隨著工廠規(guī)模的增大，超大規(guī)模的一體化基地不斷興起，管理壓力也與日俱增。這些都是企業(yè)升級的內(nèi)在動力。

(2)新技術(shù)發(fā)展所產(chǎn)生的“技術(shù)勢能”。隨著通信技術(shù)、云服務(wù)、人工智能和大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域的不斷進步，目前已達到了足夠的技術(shù)高度，使現(xiàn)代工廠從工業(yè)3.0時代的工廠自動化提升到數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化成為了可能。

(3)政府推動。2021年12月21日，工信部聯(lián)合國家其它七個部門發(fā)布了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，確立了智能制造“兩步走”戰(zhàn)略，明確了具體的執(zhí)行目標(biāo)，兼顧了“應(yīng)用端”(即使用服務(wù)的企業(yè)用戶)和“供給端”(即智能服務(wù)技術(shù)的提供者)的發(fā)展方向，從全局高度指導(dǎo)我國智能制造的發(fā)展。2022年11月4日，工信部又發(fā)布了《石化行業(yè)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2022版)》，為石化行業(yè)的智能制造發(fā)展提供規(guī)范和指導(dǎo)[1-2]。這兩個文件為石化行業(yè)智能化建設(shè)的發(fā)展提供了強勁的推力。

(4)發(fā)展趨勢。全球眾多知名化工企業(yè)都不同程度地在智能化建設(shè)中發(fā)力，顯示出同向的發(fā)展趨勢，這會刺激企業(yè)對自身發(fā)展的深度思考和轉(zhuǎn)變。

綜上所述，作為“應(yīng)用端”，化工企業(yè)應(yīng)該冷靜思考，選擇合適的發(fā)展策略；作為“供給端”，各技術(shù)服務(wù)企業(yè)在項目執(zhí)行中要深刻理解業(yè)主的需求，針對性地提供優(yōu)良服務(wù)?；谙嚓P(guān)實踐經(jīng)驗和思考，對化工行業(yè)智能化建設(shè)總結(jié)如下。

1 化工行業(yè)智能建設(shè)流程

智能工廠是層層建設(shè)的結(jié)果。工廠數(shù)字化是智能工廠建設(shè)的基礎(chǔ)，它將現(xiàn)實世界中的物理對象映射至虛擬的數(shù)字世界中，將生產(chǎn)及經(jīng)營的各種要素以數(shù)字形式賦予其上，通過數(shù)據(jù)實時同步，實現(xiàn)工廠在數(shù)字世界中的運行。進一步地，通過先進的數(shù)據(jù)或應(yīng)用集成、數(shù)據(jù)分析、人工智能和功能拓展，實現(xiàn)不同程度的智能化。

自Wolfgang Wahlster等提出“工業(yè)4.0”概念以來，眾多工業(yè)企業(yè)在如何將智能工廠概念變?yōu)楝F(xiàn)實的過程中，做了不懈的努力。我國石化行業(yè)的智能化嘗試起步于2012年[3]。這一工作至今仍在不斷探索和嘗試，方法論已漸漸形成：①自企業(yè)決策層開始，自上而下貫徹；②從對象元件數(shù)字化起，向智能應(yīng)用拓展的方向，自下而上執(zhí)行；③以多進程、多層次、迭代式實施為模式發(fā)展。

基于成熟的傳統(tǒng)工廠建設(shè)流程，化工智能工廠建設(shè)的基本過程和主要任務(wù)見圖1。

圖1 化工智能工廠建設(shè)的基本過程

2 智能化建設(shè)的頂層設(shè)計

企業(yè)智能化建設(shè)的頂層設(shè)計工作內(nèi)容主要是：基于需求確立目標(biāo)[4]，制定策略和架構(gòu)，分解工作任務(wù)，制定進度要求，建立評判機制。它要求決策者實事求是地評估現(xiàn)狀與智能工廠的發(fā)展方向，厘清風(fēng)險，理性地評估方案，做出決策。它的戰(zhàn)略意義重大，體現(xiàn)了企業(yè)決策者的決心和意志。

在化工智能工廠建設(shè)的頂層設(shè)計過程中，需要考慮如下因素：①企業(yè)形式；②工廠規(guī)模與類型；③投入與收益預(yù)期；④工藝特點和項目內(nèi)容；⑤實施架構(gòu)、范圍和步驟等。

2.1 企業(yè)形式

智能工廠建設(shè)能獲得多少支持與企業(yè)形式有一定關(guān)系。

化工企業(yè)形式有很多，如獨資、合資、國有等。不同的企業(yè)形式，其決策者風(fēng)格、企業(yè)文化、和投資策略等都有很大差別。不同企業(yè)對智能工廠建設(shè)的決心、資金、協(xié)調(diào)能力也各有差異。

智能工廠建設(shè)是一個長期的過程，體現(xiàn)的是自上而下的意志。在面對各種阻力和困難時，能否堅持方向；在長周期的建設(shè)過程中，能否持之以恒；在投入和產(chǎn)出效果不明顯的情況下，能否不忘初心等。這些都需要企業(yè)決策者的勇氣與智慧。體現(xiàn)在頂層設(shè)計中，即影響整體方案科學(xué)性、規(guī)范性、有效性、決心與魄力等。

2.2 工廠規(guī)模與類型

化工廠有中小型獨立工廠、大型工廠裝置、一體化基地和異地工廠網(wǎng)絡(luò)之分。

工廠規(guī)模和類型的影響因素有：投資占比、建設(shè)周期、數(shù)字基建規(guī)模、場景復(fù)雜度等。對于新建項目，中小型工廠的智能建設(shè)投資占比將非?？捎^。但隨著工廠規(guī)模的增大，總投資額度的升高，投資占比會逐漸降低直至趨于穩(wěn)定；工廠規(guī)模增加，其數(shù)字基建規(guī)模會顯著增大，應(yīng)用智能場景增多，建設(shè)周期增加；場景的復(fù)雜程度與具體應(yīng)用有關(guān)，但總體來說，規(guī)模愈大愈復(fù)雜。

異地工廠網(wǎng)絡(luò)可以看作是若干個彼此距離較遠、且具有一定規(guī)模的工廠聯(lián)合。每個工廠按照同一個或者近似的智能建設(shè)方案，各自進行獨立建設(shè)，通過數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和智能場景的聯(lián)合應(yīng)用實現(xiàn)智能化。需要考慮各工廠當(dāng)前的建設(shè)狀態(tài)、建設(shè)進度、復(fù)雜程度、執(zhí)行方案、距離遠近以及數(shù)據(jù)的傳輸成本和安全性等。

2.3 投入與收益預(yù)期

考慮到智能化建設(shè)的投資成本，在頂層設(shè)計時，需要冷靜、客觀、全面地分析成本與收益，不能盲目決策。例如，某項目在預(yù)案階段，對智能化建設(shè)的投資額度估計不足，概算時，發(fā)現(xiàn)項目整體成本遠高于預(yù)期投資，不得不對整個項目的建設(shè)方案進行反復(fù)修改。

此外，智能工廠的投入與收益不一定成正比。有時效果會非常不明顯，甚至是失敗的。例如，某新建工廠為了優(yōu)化日常設(shè)備管理，部署了設(shè)備管理系統(tǒng)(EAM)，由于系統(tǒng)定制化不足，場景功能與實際需求存在距離，使用了一段時間之后，逐漸暴露出問題：業(yè)務(wù)流程不能貼近實際，淪為簡單的“記賬簿”，額外增加了工作量，功能未達預(yù)期。

2.4 工藝特點和項目內(nèi)容

頂層設(shè)計可以對企業(yè)的“運營痛點”做有針對性的部署。

企業(yè)的運營與工藝流程密切相關(guān)?；ば袠I(yè)屬于流程工業(yè)，領(lǐng)域很多，細分行業(yè)特點各異。精細化工行業(yè)如油墨、涂料、膠粘劑等，其工藝多為批次生產(chǎn)，離散性特征表現(xiàn)較為明顯。具體體現(xiàn)如：批次間工藝差異大、操作多、自動化水平低于流程穩(wěn)定的工藝、批次間質(zhì)量控制難等；大化工行業(yè)如基礎(chǔ)化工、石油化工和煉化一體化等，是連續(xù)性的生產(chǎn)工藝，其特點是：流程穩(wěn)定，設(shè)備可靠，自動化程度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

對于前者，智能化的方向，多為優(yōu)化生產(chǎn)、提能增效、質(zhì)量控制等；而后者，多側(cè)重于節(jié)約能效、資產(chǎn)管理和運營維護更加智能便捷等。

此外，因化工廠危險化學(xué)品多，壓力容器或管道危險性大，操作過程風(fēng)險高，各種技術(shù)或規(guī)范的相互制約多，大多數(shù)裝置技改時間窗口有限，所以無論是新建工廠還是現(xiàn)有工廠改造，都應(yīng)充分考慮智能工廠軟硬件的可拓展性。

在實際情況中，智能工廠建設(shè)還可能面對更多的現(xiàn)實問題。例如，對于現(xiàn)有裝置，如果沒有前期的數(shù)字化交付，智能化建設(shè)會面臨更大的困難[5]；新老裝置之間，在智能化建設(shè)中，業(yè)務(wù)配套和設(shè)施融合有很多現(xiàn)實問題；在長周期的智能化建設(shè)過程中，由于概念與技術(shù)迭代更新過快，會帶來很多超出預(yù)期的矛盾和問題等。

2.5 架構(gòu)和目標(biāo)

化工企業(yè)所執(zhí)行的智能化架構(gòu)可能有差異。

對于全工業(yè)行業(yè)，世界各主要國家的工廠智能化架構(gòu)有：

(1)美國基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念的Industrial Internet Reference Architecture(IIRA)架構(gòu)模型；

(2)德國基于“工業(yè)4.0”概念的Industrie 4.0 Reference Architecture Model (RAMI 4.0)架構(gòu)模型；

(3)日本工業(yè)價值鏈促進會基于“工業(yè)價值鏈”概念的Industrial Value Chain Reference Architecture (IVRA)架構(gòu)模型；

我國有《基于云制造的智能工廠架構(gòu)要求》(GB/T 39474—2020)。2021年，國家工信部發(fā)布的《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2021版)》包括了“智能制造系統(tǒng)架構(gòu)”。

為支持石化行業(yè)智能工廠的建設(shè)，2022年底，國家工信部在《石化行業(yè)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2022版)》中發(fā)布了“石化行業(yè)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)”。同時明確：到2025年初步建成石化行業(yè)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系。

在智能化建設(shè)過程中，化工企業(yè)可以從單一的智能場景入手，以點及面，逐步建設(shè)成一定成熟度的智能車間和智能工廠；也可以構(gòu)造整體系統(tǒng)架構(gòu)，從基礎(chǔ)設(shè)施開始，進行全面的規(guī)劃和建設(shè)，直到滿足企業(yè)智能成熟度目標(biāo)。前者適用于中小型新建裝置的智能化，或現(xiàn)有工廠改造，以及異地工廠網(wǎng)絡(luò)的智能化構(gòu)建；后者適用于大型化工基地的建設(shè)。

3 數(shù)字化工廠與數(shù)字化交付

3.1 數(shù)字化工廠與數(shù)字化交付方式

數(shù)字化工廠是智能工廠的先期階段，建設(shè)基礎(chǔ)是裝置的靜態(tài)數(shù)據(jù)。它的構(gòu)建需要解決下列問題：數(shù)據(jù)因何而生，從何而來？如何組織數(shù)據(jù)？數(shù)據(jù)能否真實地反映實體對象？

化工裝置的工程信息稱為數(shù)字化靜態(tài)數(shù)據(jù)。它的傳統(tǒng)獲取方式是依靠工程竣工時的交付文件。傳統(tǒng)式交付文件內(nèi)的信息存在很多局限性，無法滿足工廠數(shù)字化的需求。執(zhí)行數(shù)字化交付是未來數(shù)字化工廠建設(shè)的必由之路。兩者之間的主要特點對比見表1。

表1 傳統(tǒng)工程交付與數(shù)字化交付的特點對比

3.2 交付體系與數(shù)字化建設(shè)模式的實踐

采用傳統(tǒng)工程交付的已建項目建設(shè)數(shù)字化工廠的模式，可以稱之為逆向模式；采用數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)同步建設(shè)裝置實體和數(shù)字化工廠的模式，可以稱之為正向模式。目前，國內(nèi)企業(yè)從逆向模式和正向模式分別進行了探索，兩種模式的差異見圖2。

采用數(shù)字化交付的正向模式，從工廠設(shè)計初期開始即可應(yīng)用管理機制和體系規(guī)范數(shù)字化建設(shè)，將提高工廠的智能建設(shè)效率，是理想的建設(shè)方案。它可以使智能工廠的建設(shè)具備先天優(yōu)勢。

3.3 數(shù)字化交付中數(shù)字化平臺的選擇

數(shù)字化交付的一大特色是工廠數(shù)字化平臺的應(yīng)用，它是核心的技術(shù)工具，它的選擇需要考慮諸多因素：

(1)兼容性。與第三方數(shù)據(jù)庫，如MS SQL、Oracle等的兼容。

(2)開放性。即與第三方智能工業(yè)應(yīng)用軟件如ERP，MES，LIMS，WMS等的外部數(shù)據(jù)集成。

(3)標(biāo)準(zhǔn)化。滿足工程項目的數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)集成性能。指對不同品牌設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)集成，如3D模型、P&ID設(shè)計、儀表設(shè)計、管道材料設(shè)計等，以及對結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件的集成。

(5)系統(tǒng)性能。如數(shù)據(jù)加載速度、處理速度、存儲能力、查詢能力與速度和傳輸?shù)乃俣鹊仁欠駶M足企業(yè)要求。

(6)部署方式是否方便靈活。

(7)數(shù)據(jù)安全?；て髽I(yè)尤其要考慮技術(shù)的自主安全性。智能工廠的數(shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)屬于化工企業(yè)，需要考慮數(shù)據(jù)或者服務(wù)平臺因“供給端”企業(yè)變更或消亡等帶來的風(fēng)險和問題。

(8)可擴展性及人機交互等。目前，工廠數(shù)字化平臺供應(yīng)商及其服務(wù)有多種選擇，他們的數(shù)字化交付平臺和相關(guān)軟件生態(tài)見表2和表3。

表2 國際數(shù)字化平臺和軟件生態(tài)匯總

表3 國內(nèi)數(shù)字化平臺和軟件生態(tài)匯總

在國內(nèi)細分市場中，國際供貨商和國內(nèi)供貨商各有優(yōu)勢和缺陷。

國際廠商具有更豐富的經(jīng)驗與業(yè)績，它們是國內(nèi)大型建設(shè)項目的首選，但存在以下不足：①成本高昂；②軟件需要一定程度的定制化，企業(yè)需要考慮二次開發(fā)的難度；③部分供貨商數(shù)字化生態(tài)較為封閉；④某些工程設(shè)計軟件用戶體驗還需改進。

雖然國內(nèi)供貨商的設(shè)計軟件生態(tài)不如國際主流廠商，但他們的優(yōu)勢在經(jīng)營靈活，勝在價格和定制化服務(wù)。值得強調(diào)的是，在當(dāng)前的國際形勢下，數(shù)字化服務(wù)的“供給端”屬于國家引導(dǎo)的重點發(fā)展領(lǐng)域，有極為重要的戰(zhàn)略高度，使得國內(nèi)供應(yīng)商受到特定企業(yè)群體的青睞。

3.4 智能工廠建設(shè)交付系統(tǒng)的發(fā)展

全行業(yè)智能化的發(fā)展方向就是實體、人工智能和人的融合替代設(shè)備與人的簡單結(jié)合。工程項目智能化未來也會融入智能工廠的建設(shè)當(dāng)中，將帶來全新的數(shù)據(jù)與知識交付體系：數(shù)字化交付將集合裝置的數(shù)字組織模型，與裝置設(shè)計的知識庫和裝置工程項目運行階段的相關(guān)數(shù)據(jù)(如設(shè)計變更記錄，采購記錄、施工數(shù)據(jù)等)，與智能工廠無縫連接在一起。它是融合式的知識傳承與數(shù)據(jù)內(nèi)嵌，給工廠的智能化建設(shè)提供強有力的支持。傳統(tǒng)的項目交付和智能項目和智能工廠融合交付模式見圖3。

圖3 智能項目和智能工廠融合交付

4 智能場景

4.1 應(yīng)用開發(fā)和部署

應(yīng)用開發(fā)和部署，即應(yīng)用類智能制造場景的營造，是智能工廠的核心部分。它們源于企業(yè)的生產(chǎn)實踐，或來自于企業(yè)對未來業(yè)務(wù)的展望與設(shè)想，通過各種工業(yè)軟件和定制化的數(shù)字服務(wù)實現(xiàn)。

國家工信部等四部門在2022年9月發(fā)布的《智能制造典型場景參考指引》中，針對全工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域，總結(jié)了16個環(huán)節(jié)、45個智能制造典型場景[6]。相比2021年的版本，新增了“數(shù)字基建”環(huán)節(jié)及其系列場景，并對其他場景進行了優(yōu)化，覆蓋了企業(yè)的大部分需求，為智能工廠建設(shè)提供了指導(dǎo)。

4.2 化工企業(yè)智能場景的現(xiàn)狀

由于行業(yè)和需求的差異，不同的企業(yè)可以根據(jù)自身情況，自主選擇智能場景的建設(shè)內(nèi)容。工信部2021年公布的智能制造示范工廠共110家，其中石化化工企業(yè)有7家；2022年智能制造示范工廠共99家，其中石化化工企業(yè)有6家，其選擇應(yīng)用的智能環(huán)節(jié)分布見圖4。

注：“其他”列，指不屬于《智能制造典型場景參考指引》的環(huán)節(jié)。圖4 2021年和2022年智能制造示范工廠化工類企業(yè)智能環(huán)節(jié)分布

從圖4可以看出：

(1)應(yīng)用性智能環(huán)節(jié)，如生產(chǎn)作業(yè)、質(zhì)量管控、設(shè)備管理、安全管控、能源管理和環(huán)保管控是石化化工智能工廠優(yōu)先考慮的對象，體現(xiàn)了化工企業(yè)的行業(yè)特色。

(2)基礎(chǔ)性智能場景(數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施集成和工廠數(shù)字化設(shè)計)的數(shù)量明顯增加。

(3)2022年比2021年在供應(yīng)鏈管理、模式創(chuàng)新等特色應(yīng)用方面有了零的突破，應(yīng)用數(shù)量增加明顯。

(4)2022年名單中部分環(huán)節(jié)不在《智能制造典型場景參考指引》的列選之內(nèi)，說明企業(yè)開始更加重視定制化的應(yīng)用。

5 智能成熟度評估和智能工廠建設(shè)的程度

化工企業(yè)智能化的程度依靠智能成熟度評估確定。在我國，評估的依據(jù)是《智能制造能力成熟度模型》(GB/T 39116—2020)和《智能制造能力成熟度評估方法》(GB/T 39117—2020)。

幾點思考和建議如下：

(1)評估人才職業(yè)化建設(shè)。

按照《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》的目標(biāo)，未來有大量智能工廠建成，需要更多從事評估的人才。他們既要熟悉所屬行業(yè)的知識，又要了解智能業(yè)務(wù)，還要具備職業(yè)素養(yǎng)、操守和道德標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)該鼓勵市場中對評估人才的培養(yǎng)和職業(yè)環(huán)境的孕育，執(zhí)業(yè)注冊制或許是兼具導(dǎo)向型和成效性的道路。

(2)專業(yè)工具的開發(fā)。

智能化建設(shè)是迭代的過程，有時多年才能達到成熟度目標(biāo)，所以，成熟度評估報告的存續(xù)和管理顯得特別重要。

成熟度評估結(jié)論應(yīng)該客觀、詳實、可靠；評估報告的評估域內(nèi)容、證據(jù)鏈、評估結(jié)果和行動項應(yīng)該格式完整、條理清晰、易于核查追溯；專業(yè)的評估工具是必要的。

建議“供給端”企業(yè)增加智能成熟度評估工具的開發(fā)力度。

(3)評估方法的科學(xué)化。

智能制造能力成熟度評估過程需要減少主觀因素，以提高可信性和可靠性。

例如，《智能制造能力成熟度評估方法》中“成熟度要求滿足程度得分”存在“大部分滿足”和“部分滿足”的描述，在實際執(zhí)行中可能有多種理解，建議盡可能量化相關(guān)指標(biāo)；證據(jù)鏈的要求可以具體化、規(guī)范化、提供舉例或附以模板等。

隨著不斷地實踐和發(fā)展，期待評估方法能更加規(guī)范化、科學(xué)化，從而促進智能工廠建設(shè)行業(yè)的健康發(fā)展。

6 結(jié)語

(1)對于一定規(guī)模的化工企業(yè)來說，工廠的智能化建設(shè)將是大勢所趨。企業(yè)的決策者既要避免踟躕不前，又忌盲目跟風(fēng)；企業(yè)可以冷靜、客觀、科學(xué)地提出自身的智能化發(fā)展戰(zhàn)略。

(2)智能工廠建設(shè)是系統(tǒng)工程，并非一堆工業(yè)軟件的簡單堆砌或套用。企業(yè)應(yīng)該根據(jù)經(jīng)營情況、企業(yè)特點、經(jīng)營痛點和發(fā)展構(gòu)想，穩(wěn)步推進智能化建設(shè)的進程。

(3)智能工廠的建設(shè)是不斷完善的過程，不會一勞永逸，不應(yīng)松懈、輕視或止步不前。評估應(yīng)用智能場景的實際效果要從實踐出發(fā)、回歸實踐、認(rèn)真扎實、實事求是。智能成熟度評價也要在實踐中發(fā)展進步。

(4)智能工廠建設(shè)反映了化工企業(yè)的現(xiàn)實需求，符合國家工業(yè)發(fā)展的方向，有潛力巨大的市場，希望參與各方都能由此獲益。