創(chuàng)新自動化科學(xué)與技術(shù)是建設(shè)創(chuàng)新型陜西的核心

管曉宏

科技創(chuàng)新和科技新成果在陜西有效轉(zhuǎn)化是建設(shè)創(chuàng)新型省份的核心。趙正永書記2014年6月27日在創(chuàng)新型省份建設(shè)推進大會指出“要夯實創(chuàng)新型省份的基礎(chǔ)，抓科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)技術(shù)、資本、企業(yè)有效對接，確保我省的科技創(chuàng)新成果有序接替、源源不斷，要抓基礎(chǔ)教育和新技術(shù)研發(fā)和人才隊伍建設(shè)，促進更多優(yōu)秀人才脫穎而出”。婁勤儉省長強調(diào)“要建立充分激發(fā)創(chuàng)新活力的機制，完善各項激勵政策，促進科技成果盡快就地轉(zhuǎn)化”。

陜西雖然是資源大省，但實踐證明走過度開發(fā)利用資源直至資源枯竭再實施經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的老路將付出巨大的環(huán)境成本，損害生存條件，也并非是經(jīng)濟發(fā)展的必由之路。陜西也是制造業(yè)大省，降低制造業(yè)的能耗，提高資源利用率對發(fā)展陜西經(jīng)濟至關(guān)重要。陜西同樣是科技大省。發(fā)揮科技第一生產(chǎn)力的作用，積極轉(zhuǎn)化和應(yīng)用科技新成果，充分巧妙利用資源，讓傳統(tǒng)制造業(yè)煥發(fā)青春，就能避免“先枯竭、再轉(zhuǎn)型”，“先污染、再治理”的工業(yè)發(fā)展老路，創(chuàng)出一條創(chuàng)新型省份的新路。

自動化新技術(shù)的應(yīng)用能夠為創(chuàng)新型省份建設(shè)作出重要貢獻。自動化科學(xué)與技術(shù)誕生于工業(yè)制造過程中對自動化的需求，在第二次世界大戰(zhàn)前后受軍事科技強勁牽引，逐步發(fā)展成為專門的技術(shù)和學(xué)科，成為人類文明進步和現(xiàn)代化的標(biāo)志。自動化不僅可以部分或全部代替人的體力或腦力勞動，而且可以完成人類依靠自身的體力和腦力勞動無法直接完成的任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)使自動化技術(shù)超越了時空和地域的限制，能夠極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減輕人類的勞動強度、降低了原材料和能源消耗，創(chuàng)造前所未有的社會經(jīng)濟效益和社會財富，從而導(dǎo)致國家實力的增長、生態(tài)環(huán)境的改善和人民生活水平的普遍提高。自動化也是國防現(xiàn)代化的標(biāo)志，具有自動導(dǎo)航和控制功能的無人和載人航天器、航空器、航海器，網(wǎng)絡(luò)化和自動化的軍事指揮和武器系統(tǒng)是現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的基礎(chǔ)。

目前，第四次工業(yè)革命正在世界范圍內(nèi)孕育。德國政府提出了“工業(yè)4.0”計劃，世界主要大國政府都提出了相應(yīng)科技引領(lǐng)和創(chuàng)新的社會經(jīng)濟發(fā)展計劃。如果說前三次工業(yè)革命源于蒸汽機、電力、信息在工業(yè)中應(yīng)用，第四次工業(yè)革命將以信息網(wǎng)絡(luò)與物理系統(tǒng)深度融合為標(biāo)志信息物理融合系統(tǒng)，包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、務(wù)聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、智能交通系統(tǒng)等等，從智能終端、智能家居、智能樓宇到智能工廠、智慧城市的各個方面實現(xiàn)。自動化科學(xué)與技術(shù)是信息物理融合系統(tǒng)的基石之一，能夠在“兩化融合”和孕育的第四次工業(yè)革命中發(fā)揮特殊作用。

我國的國民經(jīng)濟發(fā)展水平?jīng)Q定了“工業(yè)化”與“信息化”的“兩化融合”， “以信息化帶動工業(yè)化”、以“信息化改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)”成為國策，也是相當(dāng)長時期內(nèi)的國家重大需求。自動化技術(shù)是“兩化融合”的重要手段。應(yīng)用自動化新技術(shù)能夠大大提高傳統(tǒng)制造業(yè)的產(chǎn)品水平和效率，增強競爭力，降低能源電力工業(yè)的能耗和運行成本，減少環(huán)境污染，并推動信息技術(shù)在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，拉動信息技術(shù)創(chuàng)新的需求。

能源與環(huán)境問題事關(guān)人類社會的生存和可持續(xù)發(fā)展。消耗燃煤、石油等化石能源為主的能耗模式已難以為繼。大面積、持續(xù)性嚴重霧霾污染已經(jīng)直接關(guān)系到我國人民的生存環(huán)境。

目前我國的能源與環(huán)境問題與能源結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。下表中給出了部分大國的一次能源結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，我國的一次能源近70%是燃煤，污染排放比較嚴重，遠高于其他大國的比例，這是我國能源結(jié)構(gòu)的根本問題，也是環(huán)境問題特別突出的根本原因。

改變大國的能源結(jié)構(gòu)非常困難。美國的一次能源中燃煤比例曾接近50%，近年來大力增加天然氣的使用，燃煤的使用已經(jīng)減少到20%。顯然，鑒于我國能源蘊藏結(jié)構(gòu)等實際情況，不可能照搬美國改變能源結(jié)構(gòu)的方法。

節(jié)約能源消耗并由此減少污染排放是解決世界能源問題最有效、最無爭議的途徑之一，其重要性日益受到重視?，F(xiàn)代信息科技與系統(tǒng)工程方法為解決我國能源問題和相伴的環(huán)境問題提供了新途徑，在基本不改變能源生產(chǎn)工藝和消耗設(shè)備的情況下，通過信息物理融合能源系統(tǒng)充分獲取能源生產(chǎn)和消耗的準(zhǔn)確信息，優(yōu)化和協(xié)調(diào)能源電力生產(chǎn)系統(tǒng)和能源使用系統(tǒng)的運行，就滿足能源需求并顯著減少燃煤及其他化石能源消耗，具體做法包括：提高可再生新能源的利用率、優(yōu)化協(xié)調(diào)傳統(tǒng)能源與可再生新能源發(fā)電、能源使用端的節(jié)能優(yōu)化、能源電力生產(chǎn)與需求的配合。

全球的風(fēng)能、太陽能資源總量足以滿足人類全部的能源需求。我國建立了7個風(fēng)電基地，包括地處西北的酒泉風(fēng)電基地和新疆大阪城風(fēng)電基地，風(fēng)電裝機容量超過3-4個三峽電站的裝機容量，已經(jīng)是世界第一。但風(fēng)能、太陽能的產(chǎn)能不確定，能量的產(chǎn)生完全由風(fēng)速、光強等自然條件決定，無法精確預(yù)測，也無法大規(guī)模經(jīng)濟存儲，可再生新能源的大規(guī)模接入電網(wǎng)會給電網(wǎng)運行帶來一定困難。不僅如此，在我國電力工業(yè)現(xiàn)行體制下，電網(wǎng)運行部門充分使用和消納可再生新能源的積極性不高。因此，雖然我國風(fēng)電裝機容量大，但電網(wǎng)的風(fēng)電利用量卻處于較低水平。

電力生產(chǎn)的能耗與生產(chǎn)水平和系統(tǒng)運行狀態(tài)的關(guān)系復(fù)雜，優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度能夠在不改變?nèi)魏卧O(shè)備且滿足需求的情況下降低一次能源（燃煤）的消耗。風(fēng)電、光電與可存儲的水電和抽水蓄能配合使用，就能夠存儲消納一部分不確定可再生能源，提高可再生新能源的利用率。西北地區(qū)的能源種類豐富，包括水電、火電、風(fēng)能、太陽能，“水火風(fēng)光”一應(yīng)俱全。隨著西部水電能源基地的建成，“水火風(fēng)光”能源的協(xié)調(diào)配合，特別是水電與可再生新能源的協(xié)調(diào)配合，能夠取得提高可再生新能源利用率、降低能耗和污染的巨大社會經(jīng)濟效益。然而，水電的生產(chǎn)涉及水資源利用，要同時考慮防洪、輸水、灌溉、航運、環(huán)保、生態(tài)等多個目標(biāo)以及流域管理約束。水電與其他能源的協(xié)調(diào)配合需要水利與電網(wǎng)調(diào)度運行部門的協(xié)調(diào)配合。

我國黑色冶金、有色冶金、建材、化工四大高耗能行業(yè)用電量，占全社會總用電量的近三分之一。另外，樓宇建筑能耗也非常驚人，目前占到我國總能耗的30%以上，涉及電、熱、天然氣等多種能源，具有巨大節(jié)能空間。改進生產(chǎn)設(shè)備和工藝節(jié)能受到極大重視。但產(chǎn)業(yè)界和管理部門對相互關(guān)聯(lián)的綜合能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化可能產(chǎn)生的巨大節(jié)能減排效益的認識和重視程度還不夠。例如，樓宇建筑能源系統(tǒng)的優(yōu)化控制運行可以節(jié)能20%以上，但樓宇能源控制管理系統(tǒng)在樓宇投資中所占比例很小，大多數(shù)樓控系統(tǒng)都不能正常運行，更談不上運行優(yōu)化。

由于電力等二次能源生產(chǎn)的一次能耗一般呈非線性特性，即不同的負載或需求水平上的單位能耗不同，因此能源供應(yīng)與需求的協(xié)調(diào)優(yōu)化也是能源系統(tǒng)節(jié)能減排的重要途徑。協(xié)調(diào)需求側(cè)電能和其他能源介質(zhì)的生產(chǎn)、存儲和使用，調(diào)整不同時段的用能需求模式，可以使得電力能源供應(yīng)系統(tǒng)能夠按更加節(jié)能的方式生產(chǎn)。優(yōu)化調(diào)度有一定柔性的能源需求和電力負載（例如電解鋁、電解鋅，電動汽車充電，樓宇空調(diào)系統(tǒng)等），能夠使能源需求在一定程度上匹配可再生能源的生產(chǎn)過程，形成柔性負載追逐可再生新能源的新用能模式，促進新能源發(fā)電不確定性在需求側(cè)的有效消納，達到節(jié)能降耗目標(biāo)。

根據(jù)我國能源電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀、相關(guān)參考資料以及國內(nèi)外相關(guān)對比研究，通過優(yōu)化運行能源電力系統(tǒng)、樓宇能源系統(tǒng)和高耗能企業(yè)的能源系統(tǒng)，有可能節(jié)約總煤耗10%以上，相當(dāng)于每年節(jié)約4億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤，取得巨大的節(jié)能減排社會經(jīng)濟效益。

能源電力系統(tǒng)的優(yōu)化運行涉及能源生產(chǎn)和消耗的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息及復(fù)雜的系統(tǒng)優(yōu)化問題，我國電力能源系統(tǒng)目前的運行機制、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息獲取和優(yōu)化計算距節(jié)能減排的運行優(yōu)化目標(biāo)存在較大差距。

自動化科技與系統(tǒng)工程方法為能源供需系統(tǒng)運行的節(jié)能優(yōu)化提供了新的途徑。信息獲取和處理技術(shù)如新型傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)等的發(fā)展能夠保證獲取更加準(zhǔn)確的能耗、環(huán)境、系統(tǒng)狀態(tài)等節(jié)能優(yōu)化與控制所必須的信息。系統(tǒng)建模和優(yōu)化方法的發(fā)展使得求解大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題成為可能。

政府領(lǐng)導(dǎo)力強，統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)能力強是我國特有的優(yōu)勢。能源供需整體系統(tǒng)運行的節(jié)能優(yōu)化是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的，通過系統(tǒng)優(yōu)化實現(xiàn)節(jié)能減排是完全可行的。

由此可見，創(chuàng)新自動化科學(xué)與技術(shù)及推廣應(yīng)用，對創(chuàng)新型省份建設(shè)至關(guān)重要。陜西科技界、教育界、工業(yè)界應(yīng)該重視自動化領(lǐng)域的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)，新理論和新方法探索，關(guān)鍵新技術(shù)開發(fā)和推廣應(yīng)用，為創(chuàng)新型省份建設(shè)輸送所需要的人才和技術(shù)，為實現(xiàn)創(chuàng)新型省份建設(shè)的總目標(biāo)作出貢獻。

（作者系陜西省自動化學(xué)會理事長，西安交通大學(xué)長江學(xué)者特聘教授、電子與信息學(xué)院院長）