【流程工業(yè)的未來發(fā)展——智能優(yōu)化】近幾十年來中國流程工業(yè)雖然有了長足發(fā)展和進(jìn)步，但總體生產(chǎn)制造效能與國際先進(jìn)水平相比還有一定差距，資源、能源和環(huán)境約束下的創(chuàng)新水平亟待提升。

背景

一些發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家目前在加快智能制造戰(zhàn)略規(guī)劃和布局，如美國SPM計(jì)劃、德國工業(yè)4.0、日本制造業(yè)戰(zhàn)略、歐盟未來工廠計(jì)劃、印度制造計(jì)劃、中國制造2025戰(zhàn)略，第四次工業(yè)革命已經(jīng)來臨。

第四次工業(yè)革命的核心之一是構(gòu)建信息物理融合系統(tǒng)(cyberphysicalsystems,CPS)。

CPS是計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C(computer、communication、control)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)等功能。CPS的實(shí)現(xiàn)，可以使得計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)有機(jī)融合，從而提升大型工程系統(tǒng)的可靠性、高效性、實(shí)時(shí)性和魯棒性，具有重要而廣泛的應(yīng)用前景。

CPS系統(tǒng)包含環(huán)境感知、分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信和系統(tǒng)控制等問題，使物理系統(tǒng)具有計(jì)算、通信、控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治功能。它注重計(jì)算資源與物理資源的緊密結(jié)合和協(xié)調(diào)，主要用于一些智能系統(tǒng)上，如設(shè)備互聯(lián)、無人駕駛、物聯(lián)傳感、智能家居、智能機(jī)器人、智能導(dǎo)航等。

流程工業(yè)現(xiàn)存的問題

流程工業(yè)智能優(yōu)化制造面臨三大國際性難點(diǎn)，國內(nèi)外研究幾乎處于同一起跑線上，表現(xiàn)為：

由于原料屬性成分多變、難測(cè)，以及加工過程包含復(fù)雜的物理過程和化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致生產(chǎn)過程難以用精確的數(shù)學(xué)模型描述，數(shù)字化問題任重道遠(yuǎn);

與離散制造業(yè)不同，流程工業(yè)的制造流程一般都存在多個(gè)相互耦合關(guān)聯(lián)的過程，其整體運(yùn)行的全局最優(yōu)是一個(gè)混合、多目標(biāo)、多尺度的動(dòng)態(tài)沖突優(yōu)化命題;

目前現(xiàn)有的信息化網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)無法提供生產(chǎn)與經(jīng)營決策優(yōu)化的自感知、自計(jì)算、自組織和自維護(hù)功能。

愿景

流程工業(yè)中的以高效化、綠色化和智能化為主題的智能優(yōu)化制造，就是要在工程技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)“四化”，即：數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化;同時(shí)，在企業(yè)生產(chǎn)制造運(yùn)行層面也要實(shí)現(xiàn)“四化”，即：敏捷化、高效化、綠色化和安全化。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，流程工業(yè)智能優(yōu)化制造的愿景目標(biāo)是：在已有的物理制造系統(tǒng)基礎(chǔ)上，充分融合人的知識(shí)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、(移動(dòng))網(wǎng)絡(luò)通信和人機(jī)交互的知識(shí)型工作自動(dòng)化以及虛擬制造等現(xiàn)代信息技術(shù)，從生產(chǎn)、管理以及營銷全過程優(yōu)化出發(fā)，推進(jìn)以高效化、綠色化和智能化為目標(biāo)的流程工業(yè)智能優(yōu)化制造，不僅要實(shí)現(xiàn)制造過程的裝備智能化，而且也要實(shí)現(xiàn)制造流程、操作方式、管理模式的自適應(yīng)智能優(yōu)化，使得企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益最大化。

基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)

目前亟須解決的流程工業(yè)智能優(yōu)化制造的工程科學(xué)問題包括：生產(chǎn)與經(jīng)營全過程信息智能感知與集成、知識(shí)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)過程計(jì)劃與管理決策、人機(jī)物協(xié)同的全流程協(xié)同控制與優(yōu)化、全生命周期安全環(huán)境足跡監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)控制等。

針對(duì)這些科學(xué)問題，需要解決和突破：特殊參量原位檢測(cè)與全流程泛在感知、多源多尺度信息的統(tǒng)一表征與分布式處理、知識(shí)驅(qū)動(dòng)的資源優(yōu)化與自主決策、大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的企業(yè)生產(chǎn)智慧管理、生產(chǎn)過程多維度智能建模等方面的難點(diǎn)，以期實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程整體運(yùn)行行為的優(yōu)化。

流程工業(yè)智能優(yōu)化制造的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)的框架圖

通過信息化和工業(yè)化深度融合實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)智能優(yōu)化制造仍存在著一些亟需解決的重大基礎(chǔ)理論與工程科技問題，如經(jīng)營決策、資源與能源的結(jié)構(gòu)配置、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度與優(yōu)化控制系統(tǒng)指令仍然依賴人工經(jīng)驗(yàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程整體運(yùn)行行為的優(yōu)化，生產(chǎn)工藝研究和新產(chǎn)品的開發(fā)還停留于生產(chǎn)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)小試，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有實(shí)現(xiàn)虛擬制造。

同時(shí)流程工業(yè)智能優(yōu)化制造需要進(jìn)一步深度融合物理裝置、信息和社會(huì)，旨在進(jìn)一步提升員工素質(zhì)、保障安全環(huán)保和形成良好的社會(huì)效益。