流程工業(yè)智能優(yōu)化制造

柴天佑 ，丁進良

（1. 東北大學流程工業(yè)綜合自動化國家重點實驗室，沈陽 110819；2. 東北大學國家冶金自動化工程技術研究中心，沈陽 110819）

一、前言

流程工業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，以資源和可回收資源為原料，通過包含物理化學反應的氣液固多相共存的連續(xù)化復雜生產(chǎn)全流程，為下游離散型制造業(yè)提供原材料和能源的工業(yè)，包括石化、化工、鋼鐵、有色金屬、建材和電力等高耗能行業(yè)，是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是我國經(jīng)濟持續(xù)增長的重要支撐力量。近十年來，我國制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，總體規(guī)模大幅提升，綜合實力不斷增強。流程工業(yè)的生產(chǎn)工藝、裝備和自動化水平都得到了大幅度提升，目前我國已成為世界上門類最齊全、規(guī)模最龐大的流程制造業(yè)大國。我國流程工業(yè)產(chǎn)能高度集中，電力、水泥、鋼鐵、有色金屬、造紙等行業(yè)的產(chǎn)能均居世界第一。我國礦產(chǎn)資源復雜，資源稟賦差，隨著優(yōu)質(zhì)資源的枯竭，資源開發(fā)轉(zhuǎn)向“低品位、難處理、多組分共伴生復雜礦為主”的礦產(chǎn)資源，資源綜合利用率低、流程長、生產(chǎn)成本高?？梢钥闯觯Y源緊缺、能源消耗大、環(huán)境污染嚴重成為制約我國流程工業(yè)發(fā)展的瓶頸。為解決資源、能源與環(huán)保的問題，我國流程工業(yè)正從局部、粗放生產(chǎn)的傳統(tǒng)流程工業(yè)向全流程、精細化生產(chǎn)的現(xiàn)代流程工業(yè)發(fā)展，以達到大幅提高資源與能源的利用率，有效減少污染的目的，高效化和綠色化是我國流程工業(yè)發(fā)展的必然方向。

當前，發(fā)達國家紛紛實施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，強化制造業(yè)創(chuàng)新，重塑制造業(yè)競爭新優(yōu)勢；一些發(fā)展中國家也在加快謀劃和布局，積極參與全球產(chǎn)業(yè)再分工，謀求新一輪競爭的有利位置。從全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展大趨勢來看，發(fā)達國家正利用在信息技術領域的領先優(yōu)勢，加快制造工業(yè)智能化的進程。美國智能制造領導聯(lián)盟提出實施21世紀“智能過程制造”的技術框架和路線[1]，擬通過融合知識的生產(chǎn)過程優(yōu)化實現(xiàn)工業(yè)的升級轉(zhuǎn)型，即集成知識和大量模型，采用主動響應和預防策略進行優(yōu)化決策和生產(chǎn)制造。德國針對離散制造業(yè)提出了以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命發(fā)展戰(zhàn)略[2]，即“工業(yè)4.0”計劃，采用信息物理系統(tǒng)（CPS）將計算資源與生產(chǎn)制造過程的物理資源深度融合與協(xié)同，實現(xiàn)產(chǎn)品、設備、人和組織之間無縫集成及合作，“智慧工廠”和“智能生產(chǎn)”是“工業(yè)4.0”的兩大主題?！肮I(yè)4.0”通過價值鏈及信息物理網(wǎng)絡實現(xiàn)企業(yè)間的橫向集成，支持新的商業(yè)策略和模式的發(fā)展；貫穿價值鏈的端對端集成，實現(xiàn)從產(chǎn)品開發(fā)到制造過程、產(chǎn)品生產(chǎn)和服務的全生命周期管理；根據(jù)個性化需求自動構建資源配置，實現(xiàn)縱向集成、靈活且可重新組合的網(wǎng)絡化制造，實現(xiàn)個性定制生產(chǎn)的高效化。此外，英國宣布“英國工業(yè)2050戰(zhàn)略”，日本和韓國先后提出“I-Japan戰(zhàn)略”和“制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略”。面對第四次工業(yè)革命帶來的全球產(chǎn)業(yè)競爭格局的新調(diào)整，為搶占未來產(chǎn)業(yè)競爭制高點，我國宣布實施“中國制造2025”。

智能制造已成為公認的提升制造業(yè)整體競爭力的核心高技術。智能制造是我國實現(xiàn)制造強國的主攻方向。智能制造只有與制造業(yè)的特點與目標密切結合，充分利用大數(shù)據(jù)，將人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)、移動計算、建模、控制與優(yōu)化等信息技術與制造過程的物理資源緊密融合與協(xié)同，研發(fā)實現(xiàn)智能制造目標的具有各種新功能的制造系統(tǒng)，才可能使制造業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

二、流程工業(yè)智能制造需要新模式

（一）我國流程工業(yè)現(xiàn)有運行模式存在的問題

近年來，我國大多數(shù)大中型流程工業(yè)企業(yè)都進行了信息化建設，生產(chǎn)過程控制采用了集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）、可編程控制器（PLC）系統(tǒng)，安裝了先進控制軟件，如緊急停車（ESD）系統(tǒng)、先進控制（APC）系統(tǒng)、實時優(yōu)化（RTO）或運行控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)線的回路閉環(huán)控制、過程監(jiān)控和運行優(yōu)化。生產(chǎn)經(jīng)營計劃與管理、生產(chǎn)過程的運行操作與管理采用了經(jīng)營決策系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、供應鏈系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)。由于我國流程工業(yè)原料變化頻繁，工況波動劇烈；生產(chǎn)過程涉及物理化學反應，機理復雜；生產(chǎn)過程連續(xù)，不能停頓，任一工序出現(xiàn)問題必然會影響整個生產(chǎn)線和最終的產(chǎn)品質(zhì)量；原料成分、設備狀態(tài)、工藝參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量等無法實時或全面檢測。此外，工業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化決策涉及到多沖突目標、多沖突約束、多尺度的動態(tài)優(yōu)化的世界性科學難題。因此，上述生產(chǎn)經(jīng)營計劃與管理、生產(chǎn)過程的運行操作與管理系統(tǒng)的決策分析仍然依靠知識型工作者憑知識和經(jīng)驗來完成。人的行為制約發(fā)展[3]。當市場、生產(chǎn)條件發(fā)生變化時，決策者難以及時準確地做出決策，從而導致我國流程工業(yè)企業(yè)從生產(chǎn)過程到經(jīng)營管理存在下列問題：

（1）以資金流為主的經(jīng)營決策層：供應鏈采購與裝置運行特性不適應、產(chǎn)業(yè)鏈分布與市場需求存在不匹配，缺乏適應市場和生產(chǎn)條件變化的快速準確決策。

（2）以物質(zhì)流為主的生產(chǎn)運行層：資源和廢棄資源缺乏綜合利用，運行管理與操作缺乏精細化，組成生產(chǎn)全流程的各生產(chǎn)過程缺乏協(xié)同優(yōu)化，運行工況缺乏實時準確識別，產(chǎn)品質(zhì)量缺乏實時監(jiān)控與預測。

（3）以能量流為主的能效安環(huán)層：缺乏生產(chǎn)全流程能源消耗的實時監(jiān)控、預測與優(yōu)化決策；缺乏在產(chǎn)品生產(chǎn)的全生命周期中廢水、廢氣、廢固的實時監(jiān)控和溯源；缺乏與安全相關的關鍵崗位和危險品存放、運輸?shù)葘崟r監(jiān)控與預警。

（4）以信息流為主的感知、認知與決策層：物料屬性和加工過程的工藝參數(shù)無法快速獲?。环从成a(chǎn)過程的動態(tài)特性、優(yōu)化操作與決策知識難以挖掘，難以實現(xiàn)計劃與調(diào)度一體化，難以實現(xiàn)決策與控制一體化，難以實現(xiàn)ERP、MES、過程控制系統(tǒng)（PCS）無縫集成優(yōu)化，從而無法實現(xiàn)企業(yè)的全局優(yōu)化。

（5）系統(tǒng)支撐層：采用DCS、PLC、運行操作與生產(chǎn)管理計算機通過設備網(wǎng)、控制網(wǎng)和管理網(wǎng)組成的控制與管理系統(tǒng)難以處理由大量的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、文本信息和圖像、聲音等組成的工業(yè)大數(shù)據(jù)；難以實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的智能化。

總體上，當前我國流程工業(yè)兩化融合關注的焦點集中在工業(yè)裝置物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的自動化和生產(chǎn)過程運行管理與企業(yè)經(jīng)營管理的信息化，缺乏對于在工藝設計、資源計劃、生產(chǎn)過程運行管理中知識工作的自動化與智能化的研究。

（二）流程工業(yè)的智能制造需要新的創(chuàng)新模式

制造業(yè)包括以機械裝備制造等為代表的離散工業(yè)和以石化、冶金、建材等重要原材料工業(yè)和電力等能源工業(yè)為代表的流程工業(yè)兩種主要類型。

流程工業(yè)與離散制造業(yè)有明顯不同，如圖1所示。離散工業(yè)的主要制造過程可以概括為制造裝備的總體設計，加工裝備的零件，組裝制造裝備。其零件加工與組裝是可拆分的物理過程，產(chǎn)品和加工過程可以數(shù)字化，因此，可以通過計算機集成制造技術實現(xiàn)數(shù)字化設計與生產(chǎn)，關鍵是制造裝備總體設計的優(yōu)化。對于離散工業(yè)來說，智能制造的發(fā)展目標是實現(xiàn)個性定制的高效化。流程工業(yè)是以原材料為主產(chǎn)品，原料進入生產(chǎn)線的不同裝備，通過物理化學反應乃至進一步的形變、相變過程，在信息流與能源流的作用下，經(jīng)過物質(zhì)流變化形成合格的產(chǎn)品。工藝和產(chǎn)品較固定，產(chǎn)品不能單件計量，產(chǎn)品加工過程不能分割，生產(chǎn)線的某一工序產(chǎn)品加工出現(xiàn)問題，會影響生產(chǎn)線的最終產(chǎn)品。流程工業(yè)的關鍵難點是工藝設計的優(yōu)化與生產(chǎn)全流程的全局優(yōu)化。流程工業(yè)生產(chǎn)工藝優(yōu)化是指：①優(yōu)化已有的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)流程，為實現(xiàn)生產(chǎn)全流程的高效化與綠色化打下基礎；②產(chǎn)生生產(chǎn)高性能、高附加值產(chǎn)品的先進生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)全流程整體優(yōu)化是指在全球化市場需求和原料變化時，以高效化與綠色化為目標，使得原材料的采購、經(jīng)營決策、計劃調(diào)度、工藝參數(shù)選擇、生產(chǎn)全流程控制實現(xiàn)無縫集成優(yōu)化，使企業(yè)全局優(yōu)化運行，實現(xiàn)企業(yè)綜合生產(chǎn)指標的優(yōu)化控制[4]。

圖1 離散工業(yè)和流程工業(yè)的結構

流程工業(yè)智能制造發(fā)展目標是高效化和綠色化。高效化的涵義是在市場和原料變化的情況下，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、成本和消耗等生產(chǎn)指標的優(yōu)化控制，實現(xiàn)生產(chǎn)制造全過程安全可靠運行，從而生產(chǎn)出高性能、高附加值產(chǎn)品，使企業(yè)利潤最大化。綠色化的涵義是實現(xiàn)能源與資源高效利用，使能源與資源的消耗盡可能少，污染物實現(xiàn)零排放、環(huán)境綠色化[4]。

實現(xiàn)智能優(yōu)化制造的高效化和綠色化的關鍵是生產(chǎn)工藝優(yōu)化和生產(chǎn)全流程的整體優(yōu)化。流程工業(yè)是由多個重大裝備組成的生產(chǎn)過程，其運行過程的動態(tài)機理復雜，難以建模，難以數(shù)字化。由于原料來源多樣、成分復雜、生產(chǎn)條件多變，因此工況波動頻繁，難以實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和生產(chǎn)全流程的優(yōu)化控制[5]。因此，我國流程工業(yè)不能采用以“工業(yè)4.0”為代表的離散工業(yè)智能制造模式，必須自主創(chuàng)新適合我國流程工業(yè)的實現(xiàn)高效化和綠色化的智能制造模式，流程工業(yè)智能制造模式是智能優(yōu)化制造，即流程工業(yè)智能優(yōu)化制造。智能優(yōu)化制造的涵義是以企業(yè)全局及生產(chǎn)經(jīng)營全過程的高效化與綠色化為目標，以生產(chǎn)工藝智能優(yōu)化和生產(chǎn)全流程整體智能優(yōu)化為特征的制造模式。

三、流程工業(yè)智能優(yōu)化制造系統(tǒng)架構與愿景功能

（一）流程工業(yè)智能優(yōu)化制造系統(tǒng)架構

目前，流程工業(yè)采用如圖2所示的由ERP、MES和PCS組成的三層架構。ERP的主要功能是為實現(xiàn)企業(yè)目標對企業(yè)的人、財、物、能源等資源作出計劃，對計劃完成情況的信息進行監(jiān)控； MES的主要功能是將資源計劃通過生產(chǎn)調(diào)度和工藝設計制定各生產(chǎn)部門的生產(chǎn)計劃與工藝參數(shù)，并將其分解為生產(chǎn)線的調(diào)度計劃和過程控制系統(tǒng)的運行指標，對生產(chǎn)計劃、工藝參數(shù)、調(diào)度計劃、運行指標完成情況等信息進行監(jiān)控。目前ERP和MES的主要功能是實現(xiàn)了信息集成和管理[6]。企業(yè)目標、資源計劃、調(diào)度計劃、運行指標、生產(chǎn)指令與控制指令的決策分析與調(diào)整主要由知識工作者憑知識和經(jīng)驗完成，無法實現(xiàn)企業(yè)目標、生產(chǎn)計劃與調(diào)度的一體化優(yōu)化決策，無法實現(xiàn)ERP和MES的無縫集成優(yōu)化。

圖2 流程工業(yè)三層架構

PCS的主要功能是實現(xiàn)工業(yè)過程各回路的閉環(huán)控制，組成工業(yè)過程的各工業(yè)裝備的邏輯控制和對控制過程監(jiān)控。過程控制系統(tǒng)的設定值、生產(chǎn)指令和運行工況識別仍然依靠知識工作者憑知識和經(jīng)驗來完成，無法實現(xiàn)組成生產(chǎn)全流程的各工業(yè)過程控制系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，無法實現(xiàn)決策與控制的一體化，無法實現(xiàn)生產(chǎn)全流程的優(yōu)化控制，無法實現(xiàn)ERP、MES和PCS的無縫集成優(yōu)化[7]。

參考文獻[8]指出，人工智能不是單一技術，而是應用于特定任務的技術集合。參考文獻[9]指出，雖然對人工智能的界定并不明確且隨時間推移不斷變化，但人工智能的研究和應用多年來始終秉持一個核心目標，即使人的智能行為實現(xiàn)自動化或復制。雖然人工智能技術沒有一個統(tǒng)一的定義，但是，人工智能技術的涵義是通過機器智能延伸和增強人類的感知、認知、決策、執(zhí)行的功能，增強人類認識世界與改造世界的能力，完成人類無法完成的特定任務或比人類更有效地完成特定任務[10]。將人工智能技術與ERP、MES和PCS，特別是與制造流程物理系統(tǒng)優(yōu)化深度融合是流程工業(yè)智能制造的發(fā)展方向。

未來流程工業(yè)采用如圖3所示的由人機合作的智能優(yōu)化決策系統(tǒng)和工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)組成的兩層架構。人機合作的智能優(yōu)化決策系統(tǒng)在ERP和MES的功能基礎上增加如下三大功能：①對市場信息、生產(chǎn)條件和制造流程運行工況實時感知；②企業(yè)目標、生產(chǎn)計劃與調(diào)度的一體化的人機合作優(yōu)化決策；③對決策和執(zhí)行過程實現(xiàn)遠程、移動和可視化監(jiān)控。工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)在PCS的功能基礎上，增加如下四大功能：①生產(chǎn)條件和運行工況變化的感知；②在控制系統(tǒng)設定值改變、頻繁干擾和工況變化的情況下控制系統(tǒng)仍然具有好的動態(tài)性能；③過程工況遠程、移動、可視化監(jiān)控與自優(yōu)化控制；④與組成生產(chǎn)全流程的其他工業(yè)過程控制系統(tǒng)相互協(xié)同，實現(xiàn)生產(chǎn)指標優(yōu)化控制。

（二）智能優(yōu)化制造系統(tǒng)愿景功能

1. 人機合作的智能優(yōu)化決策系統(tǒng)愿景功能

目前，流程企業(yè)采用EPR和MES兩層結構通過如圖4所示的信息化管理系統(tǒng)實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營和生產(chǎn)過程的管理。該信息化管理系統(tǒng)由經(jīng)營決策系統(tǒng)、資源計劃系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、供應鏈系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)組成。目前該系統(tǒng)是企業(yè)經(jīng)營與生產(chǎn)管理的決策與分析的信息化平臺。決策與分析功能還依賴于知識工作者憑知識和經(jīng)驗來完成。

提升上述信息化管理系統(tǒng)的智能化水平的目標是使上述系統(tǒng)成為如圖5所示的人機合作的智能優(yōu)化決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由智能優(yōu)化決策、虛擬制造流程和運行工況認知與自優(yōu)化控制三個子系統(tǒng)組成。人機合作智能優(yōu)化決策系統(tǒng)的愿景功能包括：①實時感知市場信息、生產(chǎn)條件和制造流程運行工況；②以企業(yè)高效化和綠色化為目標，實現(xiàn)企業(yè)目標、計劃調(diào)度、運行指標、生產(chǎn)指令與控制指令一體化優(yōu)化決策；③遠程與移動可視化監(jiān)控決策過程動態(tài)性能；④通過自學習與自優(yōu)化決策，實現(xiàn)人與智能優(yōu)化決策系統(tǒng)協(xié)同，使決策者在動態(tài)變化環(huán)境下精準優(yōu)化決策。

圖3 流程工業(yè)智能優(yōu)化制造系統(tǒng)架構

2. 工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)愿景功能

當前國際上先進的流程企業(yè)采用DCS、PLC等先進的計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)了工業(yè)過程的自動控制。對于可以建立數(shù)學模型的石化等工業(yè)過程，過程控制的設定值可以通過實時優(yōu)化（RTO）和模型預測控制（MPC），但是對于具有綜合復雜性的工業(yè)過程如冶金工業(yè)等，控制系統(tǒng)的設定值仍然依靠知識工作者憑知識和經(jīng)驗來完成。當前，運行異常工況診斷仍然依靠知識工作者完成[11]。

提升PCS智能化水平的目標使過程控制系統(tǒng)成為智能自主控制系統(tǒng)。如圖6所示，該系統(tǒng)主要由智能運行優(yōu)化、高性能智能控制、工況識別與自優(yōu)化控制三個子系統(tǒng)組成。工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)的愿景功能包括：①智能感知生產(chǎn)條件的變化；②以優(yōu)化運行指標為目標，自適應決策控制系統(tǒng)的設定值；③高動態(tài)性能的智能跟蹤控制系統(tǒng)設定值的改變，將實際運行指標控制在目標值范圍內(nèi)；④實時遠程與移動監(jiān)控，預測異常工況，排除異常工況，使系統(tǒng)安全優(yōu)化運行；⑤與組成生產(chǎn)全流程的其他工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)相互協(xié)同，實現(xiàn)生產(chǎn)全流程全局優(yōu)化[12]。

3. 工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)愿景功能

實現(xiàn)生產(chǎn)全流程的優(yōu)化控制必須解決生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化問題。如圖7所示，目前工藝參數(shù)是由工藝研究人員憑知識和經(jīng)驗并經(jīng)過實際生產(chǎn)過程的反復試驗來確定。提升工藝參數(shù)研究的智能化水平的目標是研制工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)的愿景功能包括：①使生產(chǎn)過程虛擬化；②實現(xiàn)生產(chǎn)過程物質(zhì)流、能源流和信息流相互作用的可視化；③給出符合要求的最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)建議，由工藝研究人員確定最佳工藝參數(shù)。

圖4 信息化管理系統(tǒng)

圖5 人機合作智能優(yōu)化決策系統(tǒng)

圖6 工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)

四、關鍵共性技術與挑戰(zhàn)的科學問題

企業(yè)經(jīng)營和生產(chǎn)管理與決策過程是人、機和物三元空間融合的復雜系統(tǒng)，是人參與的信息物理系統(tǒng)。復雜工業(yè)過程控制、全流程運行監(jiān)控與運行管理、企業(yè)運作管理和生產(chǎn)管理的決策分析以及最佳工藝參數(shù)的決策仍然依靠知識工作者根據(jù)其經(jīng)驗和知識來完成。知識型工作在企業(yè)經(jīng)營與生產(chǎn)過程的管理與決策中起核心作用。麥肯錫全球研究所研究報告指出：知識型工作的自動化是驅(qū)動未來全球經(jīng)濟的12種顛覆性技術之一[13]。復雜工業(yè)過程控制、全流程運行監(jiān)控與運行管理產(chǎn)生大數(shù)據(jù)，企業(yè)運作管理與決策和生產(chǎn)管理與決策產(chǎn)生大數(shù)據(jù)，工藝研究實驗也產(chǎn)生大數(shù)據(jù)。工業(yè)大數(shù)據(jù)的特征是數(shù)據(jù)容量大、采樣率高、采樣時間段長（歷史正常、歷史故障、實時）；數(shù)據(jù)類型多，如過程變量（控制量、被控量）、聲音和圖像、管理及運行的生產(chǎn)指標數(shù)據(jù)。工業(yè)大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)使企業(yè)經(jīng)營過程和生產(chǎn)全流程的建模、運行控制與優(yōu)化決策研究從過去的假設驅(qū)動型轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)驅(qū)動型?；跀?shù)據(jù)的建模、控制與優(yōu)化決策已成為自動化科學與技術中新的研究熱點[14]。大數(shù)據(jù)應用技術與人工智能驅(qū)動的知識型工作自動化為生產(chǎn)工藝智能優(yōu)化和生產(chǎn)全流程整體智能優(yōu)化控制研究開辟了一條新的途徑。

將工業(yè)大數(shù)據(jù)、人工智能驅(qū)動的知識型工作自動化、計算機和通信技術與流程工業(yè)的物理資源緊密融合與協(xié)同，攻克下面四項關鍵共性技術，才有可能實現(xiàn)流程工業(yè)的生產(chǎn)工藝智能優(yōu)化和生產(chǎn)全流程整體智能優(yōu)化。

（1）攻克具有綜合復雜性的工業(yè)過程智能優(yōu)化控制技術，實現(xiàn)以綜合生產(chǎn)指標優(yōu)化控制為目標的生產(chǎn)全流程智能協(xié)同優(yōu)化控制，研制工業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)。

（2）攻克人參與的CPS的物理機制建模、動態(tài)性能分析、關鍵工藝參數(shù)與生產(chǎn)指標的預測和多目標動態(tài)優(yōu)化決策技術，研制智能優(yōu)化決策系統(tǒng)。

圖7 工藝研究智能化

（3）攻克以信息實時感知手段為核心的生產(chǎn)全流程運行工況感知與認知技術，研制運行工況識別與自優(yōu)化控制系統(tǒng)。

（4）攻克大數(shù)據(jù)與物理系統(tǒng)知識共同驅(qū)動的生產(chǎn)過程信息流、物質(zhì)流、能源流交互作用的動態(tài)智能建模、仿真與可視化技術，研制用于流程工業(yè)控制、決策和工藝研究實驗的虛擬制造系統(tǒng)。

攻克上述關鍵共性技術必須解決涉及到的對自動化科學與技術、計算機和通信科學與技術、數(shù)據(jù)科學挑戰(zhàn)的科學問題。

對自動化科學與技術挑戰(zhàn)的科學問題包括：①大數(shù)據(jù)分析技術與機理相結合的復雜工業(yè)過程運行動態(tài)性能的智能建模與可視化；②工業(yè)過程智能優(yōu)化控制系統(tǒng)理論與技術；③大數(shù)據(jù)與知識（物理系統(tǒng)知識、管理系統(tǒng)知識等）相結合的生產(chǎn)經(jīng)營與管理和工業(yè)過程運行操作與管理中的多目標動態(tài)智能優(yōu)化決策技術。

對計算機和通信科學與技術挑戰(zhàn)的科學問題包括：①基于移動互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)裝備嵌入式計算機控制系統(tǒng)；②支撐大數(shù)據(jù)與知識自動化的新一代網(wǎng)絡化智能化管控系統(tǒng)；③復雜工業(yè)環(huán)境智能感知與認知技術；④實現(xiàn)生產(chǎn)工藝智能優(yōu)化和生產(chǎn)全流程整體智能優(yōu)化控制的軟件平臺。

對數(shù)據(jù)科學挑戰(zhàn)的科學問題包括：①從價值密度低的大數(shù)據(jù)中挖掘相關關系數(shù)據(jù)；②處理數(shù)據(jù)、文本、圖像等非結構化信息；③利用相關關系建立復雜動態(tài)系統(tǒng)的模型。

五、發(fā)展流程工業(yè)智能優(yōu)化制造的建議

為了盡快實現(xiàn)流程工業(yè)智能優(yōu)化制造，使我國由流程工業(yè)制造大國變?yōu)橹圃鞆妵?，對國家資助機制和相關政策提出如下建議。

（一）突出流程工業(yè)的戰(zhàn)略地位，提升流程工業(yè)企業(yè)創(chuàng)新能力

在政策制定、國家發(fā)展戰(zhàn)略制定中確立流程工業(yè)在我國經(jīng)濟發(fā)展中的基礎性、戰(zhàn)略性地位和作用。我國流程工業(yè)發(fā)展雖然迅速，但目前還是主要利用低廉的勞動力和產(chǎn)能規(guī)模以降低生產(chǎn)成本。從長遠發(fā)展來看，必須依靠內(nèi)涵發(fā)展來提高創(chuàng)新能力、促進經(jīng)濟增長。加大研發(fā)投入力度，建立健全研發(fā)和服務體系。加快實施重點流程工業(yè)行業(yè)智能制造專項行動，切實構建企業(yè)主導的產(chǎn)業(yè)技術研發(fā)體系，著力促進政產(chǎn)學研組成的創(chuàng)新主體的協(xié)同創(chuàng)新，提高企業(yè)原始創(chuàng)新能力。

（二）組織由學術、研發(fā)與企業(yè)三方共同開展流程工業(yè)智能優(yōu)化制造的戰(zhàn)略規(guī)劃與頂層設計

建議由國家相關部門組織產(chǎn)學研各方面的專家組成戰(zhàn)略研究組，共同研討我國流程工業(yè)的特征、現(xiàn)狀和問題。研討流程工業(yè)兩化深度融合實現(xiàn)智能制造的內(nèi)涵與挑戰(zhàn)；研究發(fā)展思路、發(fā)展目標及重點任務、重點工程科技問題、重大關鍵技術和技術路線圖。為我國流程工業(yè)兩化深度融合的應用實施和推廣提出配套政策和措施建議。

（三）將基礎與前沿研究、國家重點研發(fā)計劃、工業(yè)和信息化部兩化深度融合推進計劃和相關重大項目進行一體化整體部署

發(fā)揮中國特色社會主義制度的優(yōu)越性，協(xié)調(diào)各類國家研究計劃，圍繞流程工業(yè)兩化深度融合實現(xiàn)智能制造的關鍵工程科技問題和重大關鍵技術，對從基礎與前沿研究、技術研發(fā)、產(chǎn)品研制到推廣應用各類項目的投入與資助進行一體化部署。

建議工業(yè)和信息化部與國家自然科學基金委員會成立聯(lián)合基金，共同支持流程工業(yè)智能制造示范工程中的基礎與前沿科學問題研究。

建議設立流程工業(yè)智能優(yōu)化制造的重大專項、重點研發(fā)計劃。

建議國家自然科學基金委員會先行啟動與流程工業(yè)智能優(yōu)化制造相關的重大研究計劃、重大項目與重點項目群。

（四）分層次、分目標實施兩化深度融合，推進流程工業(yè)智能優(yōu)化制造

建議實施兩化深度融合引領企業(yè)示范工程。按行業(yè)選擇有示范作用的重點企業(yè)，以企業(yè)為主體聯(lián)合相關國家重點實驗室、國家工程技術中心，形成固定的研發(fā)與工程實施隊伍，進行機制創(chuàng)新，建立對研發(fā)隊伍持續(xù)支持的機制，聯(lián)合創(chuàng)新將示范企業(yè)打造成世界領先的企業(yè)。

建議開展面向行業(yè)的兩化深度融合示范工程。利用大數(shù)據(jù)、云計算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、移動計算等新的信息技術，搭建面向不同行業(yè)的兩化融合技術創(chuàng)新服務平臺和企業(yè)生產(chǎn)管理信息服務平臺，如云ERP、云MES等。

建議開展面向流程企業(yè)以實現(xiàn)智能優(yōu)化運行為目標的信息化系統(tǒng)智能化水平提升示范工程。特別是開展針對關鍵生產(chǎn)工序的重大生產(chǎn)裝備，尤其是高耗能設備，以實現(xiàn)智能優(yōu)化運行為目標，完善過程控制系統(tǒng)，使其可靠完整采集信息，實現(xiàn)回路閉環(huán)控制，具有故障診斷與自愈控制、控制指令優(yōu)化設定等功能。

（五）完善可持續(xù)發(fā)展的職業(yè)教育與專業(yè)人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)一批流程工業(yè)智能優(yōu)化制造領域的專業(yè)技術與研發(fā)人才隊伍

完善人才引進、培養(yǎng)、使用、評價、激勵和保障政策，優(yōu)化人才引進和培養(yǎng)環(huán)境，重點培養(yǎng)和造就面向工業(yè)創(chuàng)新需求的實戰(zhàn)型工程技術人才和具有扎實素養(yǎng)的應用型研發(fā)人才，提升在職人員勞動素質(zhì)，培養(yǎng)一批流程工業(yè)智能優(yōu)化制造領域的專業(yè)技術與研發(fā)人才隊伍。