工业人工智能驱动的流程工业智能制造.docx

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1、工业人工智能驱动的流程工业智能制造编者按：流程工业是国民经济的支柱产业，石化、化工、钢铁、有色等是典型的流程制造业。解决流程制造中资源、能源利用率和安全环保问题，亟需推动流程制造绿色化、低碳化、高端化、智能化发展。智能制造是我国实现制造强国的主攻方向，是提升制造业整体竞争力的核心技术。为实现流程工业的跨越式发展，需要将智能制造与流程工业的特点和目标相结合，充分利用大数据，将人工智能、移动互联网、云计算等信息技术与流程工业物理资源深度融合，开发各种新功能来实现智能制造的目标。本文在回顾流程工业生产全过程中现有决策、控制和运行管理框架的不足的基础上，提出了一种流程工业智能制造新模式，即工业人工智能

2、、工业互联网与流程工业的深度融合。文章针对流程工业现有的由企业资源规划、制造执行系统和过程控制系统组成的三层结构的发展现状进行了总结，并对流程工业所采取的决策、控制和运营管理进行了分析；阐述了智能制造框架的含义，提出了基于人机协作的智能优化决策系统和智能自主控制系统的设想。最后，分析了在流程工业中成功部署智能制造所面临的科学挑战和关键技术。一、引言制造业主要有两种类型：一种是离散工业，包括机械设备制造业；另一种是流程工业，以石油化工、冶金、建材.、能源等重要原材料工业为代表。制造业是国民经济必不可少的基础产业，是支撑经济持续增长和世界经济的重要力量。离散制造是一个物理过程，产品可以单独计算，因

3、此容易将制造过程数字化。离散制造更强调满足个性化的需求和柔性制造，但是，流程工业的生产经营方式具有较为明显的不容易数字化的特点。例如，原料的选取往往不同，而生产过程通常也会涉及不同的物理以及化学反应，涉及的机理较为复杂。对于流程工业来说，生产过程是连续的，不能停止的，过程中任何一个环节出错，都会直接影响整条生产线以及成品的质量。由于流程工业过程中对原材料、生产设备、工艺参数等无法实时测量或检测。流程工业的上述特点表现为测量难、建模难、控制难和优化决策难。经过几十年的发展，我国的制造行业已经有了跨越式的进步，整体行业规模迅速提高，整体实力不断变强。目前，中国是世界上门类最齐全、规模最大的制造业国

4、家，也是世界上唯一一个在联合国工业分类中包含所有工业类别的国家。我国制造业面临的主要问题是能耗高、资源消耗高、产品附加值低、环境污染严重。因此，要实现制造过程的高效化与绿色化。高效化的涵义是在市场或原材料可能发生变化的情况下，实现整个生产过程的产品质量、产量、成本、消耗等综合生产指标的优化调控。高效化会带来产品的高绩效和高附加值，同时使企业的利润最大化。绿色化指的是对能源和资源的有效利用，通过尽可能降低能源和资源的消耗，实现污染物零排放以保护环境。智能制造已成为提升制造业整体竞争力的核心技术，人工智能(artificial intelligence, Al)技术能成为制造业发展的重要趋势。例如

5、，通用人工智能技术首次被证明适用于复杂工业场景中的诊断和预测问题。人工智能技术加速了智能制造的发展。智能制造的发展趋势如图1所示。Control system basedon etectrical technologyControl system based oncomputer technologyFurther automation based onelectronic and informationtechnologyEnd of the 18th centuryFourth IndustrialRevolutionSmart control system basedon computi

6、ng, communication,and controlCyber-physical systemsMass production basedMthe division ofelectrca energyStart of 20th centuryStart of 1970sToday图1第一、二、三、四次工业革命路线图以机械技术为基础的蒸汽机和反馈调速器的出现引发了第一次工业革命；电力和基于电气技术的控制系统的出现引发了第二次工业革命；可编程逻辑控制器(programmablelogic controller, PLC)和集散控制系统(distributed controlsystem, D

7、CS)的出现引发了第三次工业革命。从这三次产业革命中可以看出，发展高效的新能源和信息技术是改变工业生产方式和提高工业竞争力的关键。当蒸汽和电力成为能源时，蒸汽机和发电设备就必须使用控制系统。反馈控制技术使机械调速器可以控制蒸汽动力机械缝纫机的速度，而反馈控制技术和逻辑控制技术使电气控制系统可以控制电动屠宰场输送带的稳定运行。通过计算机技术和控制技术的紧密结合而发明的PLC和DCS技术，极大提高了大规模生产线的自动化程度。当前，随着人工智能、移动互联网、云计算、工业互联网等技术的快速发展，我们正处于第四次工业革命时期。发达国家实施工业化战略，加强制造业创新，以重塑制造业新的竞争优势。一些发展中国

8、家也在加快规划和战略，积极参与全球产业劳动力再分工，以在新一轮产业竞争中寻求有利地位。发达国家利用其在信息技术领域的巨大优势，加快建立智能制造业。例如，2016年10月，美国国家科学技术委员会制定的国家人工智能研发战略计划指出，人工智能可以用于改善制造流程，提高整个产品制造过程的灵活性。2018年5月，美国白宫举办了美国工业人工智能峰会，参会人员策划组织了特定行业的会议，分享了行业领袖通过使用人工智能技术增强美国劳动者劳动能力的新方法。美国国家科学基金会(National Science Foundation, NSF)也表示，人工智能有潜力改变美国工业的各个方面，并为先进制造业创造新希望。2

9、020年8月，美国国家科学基金会人工智能研究院发布了一个新的资助机会，重点关注八个主题，其中动态系统人工智能研究所是其中之一。动态系统人工智能研究所支持基础人工智能、机器学习理论、算法，以及实时传感、学习、决策和预测的相关工程和科学研究及教育，以引领安全、可靠、高效的人工智能发展。美国2020财年和2021财年的研发预算强调，为了确保美国在科学技术发现和创新处于全球领先，应优先考虑智能和数字化制造，尤其是针对机器学习和人工智能实现的系统。在工业4.0之后，2017年9月，德国启动了学习系统的开发和应用，以确保未来工作和生产更加灵活和高效。2018年11月，德国联邦政府宣布了人工智能战略，强调人

10、工智能是促进工业过程智能监控、管理和控制的关键组成部分及必不可少的驱动因素，从而将工业4.0提升到下一个水平。此外，英国公布英国工业2050战略，日本提出i-Japan战略2015，韩国推出制造业创新3.0战略。面对第四次工业革命带来的全球产业竞争的新调整，中国工程院“新一代人工智能引领下的智能制造研究课题组发表题为中国智能制造发展战略研究的研究报告。该报告提出了标志我国智能制造进入第二阶段(20252035)的新一代智能制造是使中国的智能制造技术和应用水平走在世界前列。智能制造成为提升制造业整体竞争力的核心技术。智能制造是中国实现制造强国的主攻方向。为了实现流程工业的跨越式发展(即从较低的技

11、术水平跃升至较高的技术水平，同时跳过中级水平)，需要将智能制造与流程工业的特点和目标相结合；充分利用大数据，将人工智能、移动互联网、云计算、建模、控制、优化等信息技术与流程工业物理资源深度融合；开发各种新功能来实现智能制造的目标。为了使工业人工智能和工业互联网在流程工业智能制造中发挥不可替代的作用，加速我国制造业数字化、网络化、智能化的发展进程，本文以流程工业智能制造生产全流程为应用场景，阐述了智能制造对流程工业的意义，提出了新的研究方向和研究方法。二、流程工业生产全流程决策、控制、运行管理现状分析流程工业生产全流程的决策、控制和运行管理现状如图2所示。流程企业普遍采用由企业资源规划(ente

12、rpriseresource planning, ERP)、制造执行系统(manufacturingexecution system, MES)和过程控制系统(process controlsystem, PCS)组成的三层结构。企业经理利用ERP系统得到生产过程各设备的参数，然后根据自身积累的经验和知识，对产品综合生产指标(产品质量、能耗和成本等)的目标值范围做出决定。生产部门经理利用MES得到生产信息，然后通过自己积累的专家经验来决定生产制造全流程的生产指标目标值范围。运行管理者和工艺工程师通过PCS获得运行条件，通过感官（即视觉、听觉和触觉）获得具体信息，再根据自己积累的经验和知识做出决

13、定，以反映实际生产过程中产品质量、能耗和成本等运行指标的目标值范围，然后操作人员根据自己的经验和知识决定PCS的控制命令。PCS通过控制整个制造和生产过程，使受控过程的输出跟踪控制指令，以提高产品的运行指标并且保证整条生产线的生产指标在期望的目标值范围内。Comprehensive图2流程工业生产全流程的决策、控制和运行管理现状虽然大部分企业已经部署了三层架构系统或MES和PCS的两层架构系统，但这些系统主要是用来实现信息集成和管理功能。企业目标(即利润、环境保护等)、资源规划与调度、运行指标、生产指令、控制指令等，仍由知识工作者根据其知识和经验决策。然而，知识工作者无法实现企业目标、生产计划

14、与调度的一体化优化决策，也无法实现ERP与MES的无缝集成与优化。图3描绘了流程工业生产全流程的决策、控制和运行管理，可以将其视为人-信息、-物理系统(human-cyber-physical system)。操作员通过信息系统取得生产信息，并通过人的视觉、听觉和触觉获得多源异构的生产信息。再利用大脑的学习、认知、分析、决策能力，结合自身的经验和知识，对综合生产指标、整个制造和生产过程的生产指标、操作指标和控制系统指令进行决策。Operators andknowledge workersAnalyticdecisions(brain)Cognitivelearning(brain)Percep

15、tion* (sight, hearing,touch, etc)ProductioninformationDecisionresultsProductioninformation图3人-信息-物理系统由于人无法及时准确地感知动态变化的运行条件，因此很难实现整个制造和生产过程的全局优化。而且，人类行为已经成为制造流程发展的瓶颈。总的来说，当前我国流程工业的重点是关注于工业设备物料转化过程的自动化和生产过程、运行管理和企业管理的信息化。而当前我国流程工业存在的主要问题是在工艺设计、资源规划、生产过程运行管理等方面，对知识工作的自动化和智能化缺乏研究。移动互联网、边缘计算、云计算和第五代移动通信技术(5G)的发展催生了工业人工智能和工业互联网的出现。工业人工智能的本质是将人工智能技术与特定的工业场景相结合，实现设计模式创新、智能生产决策、资源优化配置等创新应用。工业