未來石化智能工廠頂層設(shè)計：現(xiàn)狀、對比及展望

王子宗，高立兵，索寒生

（1 中國石油化工集團(tuán)有限公司，北京 100728；2 石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100020）

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，我國石化產(chǎn)業(yè)的規(guī)模、產(chǎn)量和技術(shù)能力都有了大幅度提升，產(chǎn)業(yè)規(guī)模已躋身世界石化大國前列。但是，與高質(zhì)量發(fā)展和建設(shè)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)鏈的要求相比還有差距，主要面臨資源與能源利用率偏低、煉油總體產(chǎn)能過剩、化工產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重和附加值不高、高端制造水平亟待提高、安全環(huán)境壓力大等問題。在不斷加速的能源轉(zhuǎn)型、國家“雙碳”戰(zhàn)略、日益嚴(yán)格的監(jiān)管要求和不斷變化的市場需求推動下，環(huán)境、社會和治理（ESG）成為當(dāng)務(wù)之急。石化工業(yè)正通過創(chuàng)新工藝技術(shù)與新一代信息通信技術(shù)深度融合，發(fā)展智能制造，推動可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，加快向綠色和高質(zhì)量方向發(fā)展。

發(fā)展智能制造是石化工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要路徑，不僅有助于石化企業(yè)全面提高生產(chǎn)效率、提升效益、改善產(chǎn)品品質(zhì)，滿足新常態(tài)下企業(yè)創(chuàng)新和升級的需求，還可帶動眾多新技術(shù)、新產(chǎn)品及新裝備快速發(fā)展，催生新應(yīng)用、新業(yè)態(tài)和新模式，推動石化工業(yè)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量變革、效率變革和動力變革，推動我國石化工業(yè)邁向全球產(chǎn)業(yè)鏈中高端。

國家“十三五”規(guī)劃以來，在國家智能制造戰(zhàn)略部署下，工業(yè)和信息化部通過產(chǎn)業(yè)政策支持的智能制造新模式項(xiàng)目435 項(xiàng)，綜合標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目163項(xiàng)，極大推動了我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的進(jìn)程。石化智能制造也進(jìn)入到實(shí)質(zhì)性落地階段，先后有十幾家煉化企業(yè)入選國家智能制造試點(diǎn)示范、示范工廠或標(biāo)桿企業(yè)。以中國石化集團(tuán)公司（以下簡稱中石化）為首的集團(tuán)型石化企業(yè)率先進(jìn)行智能油田、智能工廠、智能研究院、智能加油站建設(shè)，加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型步伐，起到了良好的引領(lǐng)和示范作用。首批4家試點(diǎn)示范企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動化采集率、先進(jìn)控制投用率分別提升了20%、10%，均達(dá)到了98%以上，外排污染源自動監(jiān)控率達(dá)到100%，勞動生產(chǎn)率提高20%以上，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

早在2012 年，中石化率先在國內(nèi)提出石化智能工廠概念，按照“六統(tǒng)一”的信息化建設(shè)原則，推進(jìn)智能工廠項(xiàng)目及相關(guān)配套信息化項(xiàng)目建設(shè)。隨著智能工廠試點(diǎn)、推廣、提升項(xiàng)目建設(shè)的不斷深入，石化智能工廠內(nèi)涵不斷發(fā)展和豐富，形成了較為完整的石化行業(yè)智能工廠理論體系，如圖1所示。

圖1 石化智能工廠理論框架“123456”演化過程

按照規(guī)劃，試點(diǎn)階段為石化智能工廠1.0，提升和推廣階段為石化智能工廠2.0。目前正在進(jìn)行新一代石化智能工廠（3.0）的規(guī)劃設(shè)計。本文聚焦以下三個問題：石化智能工廠建設(shè)面臨哪些挑戰(zhàn)？智能流程制造有什么發(fā)展趨勢？如何結(jié)合新一代信息通信技術(shù)與業(yè)務(wù)需求，進(jìn)行未來石化智能工廠頂層設(shè)計？

1 石化智能工廠存在的問題及能力需求

1.1 存在的問題

我國石化行業(yè)的信息化建設(shè)始于20 世紀(jì)90 年代，經(jīng)歷了“起步和技術(shù)引進(jìn)”“分散建設(shè)”“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)”“深化應(yīng)用，集中集成”和“集成共享，協(xié)同創(chuàng)新”五個階段。當(dāng)前石化智能工廠建設(shè)中突出的問題表現(xiàn)如下：一是應(yīng)用系統(tǒng)眾多，系統(tǒng)集成度不夠。典型煉化一體化企業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)多達(dá)百余套，既有總部統(tǒng)建業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，也有企業(yè)自建專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)間一般是界面集成或應(yīng)用集成，需要進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。二是建設(shè)重點(diǎn)聚焦在生產(chǎn)運(yùn)營層，總體呈現(xiàn)“橄欖型”。生產(chǎn)控制層重視不足，智能化程度不高，生產(chǎn)裝置工藝流程模擬、實(shí)時優(yōu)化、智能控制技術(shù)應(yīng)用有待提高廣度和深度。三是存在信息孤島，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。沒有真正實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)的自由流動”，數(shù)據(jù)資產(chǎn)價值有待挖掘。四是智能化味道不足。對現(xiàn)場一線員工的賦能支撐不夠，設(shè)備預(yù)測性維護(hù)、生產(chǎn)全流程優(yōu)化等重點(diǎn)環(huán)節(jié)有待突破。五是信息化復(fù)合型人才短缺。對于先進(jìn)過程控制、生產(chǎn)計劃優(yōu)化等應(yīng)用，因?yàn)楹笈_都有模型需要維護(hù)，對使用者提出了較高要求，不少企業(yè)因人才缺乏而沒有達(dá)到預(yù)期應(yīng)用效果。

1.2 業(yè)務(wù)能力需求

通過試點(diǎn)、提升和推廣項(xiàng)目，在煉化企業(yè)初步沉淀了部分智能化業(yè)務(wù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐，但在智能感知、工藝機(jī)理和工業(yè)大數(shù)據(jù)的混合建模與分析、全流程協(xié)同優(yōu)化控制、知識驅(qū)動的智能化操作和智能化決策等方面都需要進(jìn)一步提升。

（1）生產(chǎn)優(yōu)化。生產(chǎn)計劃優(yōu)化模型需要更加準(zhǔn)確，要結(jié)合二次裝置的嚴(yán)格機(jī)理模型來更新規(guī)劃模型參數(shù)；裝置控制優(yōu)化不但要“卡邊”操作，更要實(shí)現(xiàn)在線閉環(huán)實(shí)時優(yōu)化，以及計劃調(diào)度與過程控制的集成；從局部優(yōu)化到全流程優(yōu)化。

（2）生產(chǎn)管控?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集要“應(yīng)采盡采”，全面提升現(xiàn)場感知水平；減少重復(fù)性工作，部分環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)無人化；生產(chǎn)異常能夠被快速偵測、識別，結(jié)合大數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)輔助人員操作。

（3）設(shè)備管理。實(shí)時監(jiān)測動靜電儀等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行預(yù)警和故障診斷；量化評估潛在風(fēng)險，進(jìn)行輔助決策，充分利用專家知識實(shí)現(xiàn)風(fēng)險可控；人員技能培訓(xùn)要更加貼近實(shí)戰(zhàn)，與實(shí)操過程實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合。

（4）安全環(huán)保。加強(qiáng)專業(yè)安全管理，覆蓋工藝安全、生產(chǎn)安全和設(shè)備安全等；加強(qiáng)高風(fēng)險作業(yè)、重大危險源的預(yù)測預(yù)警，實(shí)現(xiàn)事后管理向事前預(yù)測的轉(zhuǎn)變；加強(qiáng)環(huán)保溯源分析，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)廢氣、廢水的溯源；加強(qiáng)環(huán)保設(shè)施運(yùn)行優(yōu)化。

（5）能源及公用工程。實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化由單設(shè)備優(yōu)化、單裝置優(yōu)化向全廠優(yōu)化、區(qū)域優(yōu)化延伸，提高能源利用效率及能源供應(yīng)安全；加強(qiáng)水電氣風(fēng)等公用工程數(shù)據(jù)的全過程采集，能源計量儀表智能化改造，能量利用全過程監(jiān)測和優(yōu)化；重點(diǎn)煉油及化工產(chǎn)品的碳足跡管理。

1.3 技術(shù)能力需求

（1）建模和仿真。深化建模深度，原油原料實(shí)現(xiàn)分子級建模和優(yōu)化；深化模型應(yīng)用粒度，加強(qiáng)機(jī)理模型、數(shù)據(jù)模型的混合建模以及多尺度模型融合應(yīng)用；基于三維、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和數(shù)據(jù)集成的可視化模型應(yīng)用。

（2）數(shù)據(jù)治理。建立數(shù)據(jù)治理體系，建立數(shù)據(jù)安全管理辦法，制定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的唯一性，挖掘數(shù)據(jù)資產(chǎn)價值。

（3）邊緣云平臺。統(tǒng)籌規(guī)劃老系統(tǒng)上云和新老系統(tǒng)融合模式，提升平臺能力，賦能企業(yè)個性化需求的應(yīng)用開發(fā)。

（4）工控和網(wǎng)絡(luò)安全。提升網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險態(tài)勢感知和主動預(yù)防能力；加強(qiáng)工控安全策略的統(tǒng)一規(guī)劃、實(shí)施和運(yùn)維。

（5）新技術(shù)的深化應(yīng)用。結(jié)合新一代信息技術(shù)、智能傳感器和智能裝備，聚焦工業(yè)級業(yè)務(wù)場景，深化跨學(xué)科、跨領(lǐng)域融合創(chuàng)新應(yīng)用，例如AI、5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器視覺、數(shù)字孿生等。

2 石化智能制造發(fā)展趨勢

2.1 工業(yè)軟件視角

工業(yè)軟件凝聚了先進(jìn)的工業(yè)研發(fā)、設(shè)計、管理的理念、知識、方法和工具，是人類工業(yè)知識的結(jié)晶，也是推進(jìn)智能制造發(fā)展的核心要素和重要支撐?！败浖x”成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的新特征和新標(biāo)志。關(guān)于石化工業(yè)軟件的分類和自主軟件的成熟度情況、工程設(shè)計軟件、流程模擬軟件以及資產(chǎn)績效管理（APM）軟件等，已經(jīng)有較為詳細(xì)的論述，這里僅作幾點(diǎn)補(bǔ)充。

2.1.1 機(jī)電軟一體化

2021年10月，艾默生以60億美元現(xiàn)金獲得艾斯本55%的多數(shù)股權(quán)，并將旗下OSI Inc 公司的電力軟件和地質(zhì)建模軟件業(yè)務(wù)并入到艾斯本業(yè)務(wù)。至此，市場占有率靠前的流程模擬軟件全部被工業(yè)自動化頭部企業(yè)收購，如表1所示。這表明工業(yè)自動化與工業(yè)軟件結(jié)合將更加緊密，向機(jī)電軟一體化整體解決方案發(fā)展。

表1 國際工業(yè)自動化企業(yè)收購流程模擬軟件情況

2.1.2 平臺化、組件化和生態(tài)化

這里的平臺包括2層含義：一是工業(yè)軟件產(chǎn)品平臺化；二是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（IIoT）。任何單一軟件工具的品牌都不再重要，平臺成為一種頂層戰(zhàn)略?，F(xiàn)在的競爭已經(jīng)不是單一產(chǎn)品的競爭，而是平臺的競爭、產(chǎn)品鏈的競爭、生態(tài)圈的競爭。如表2 所示，國際工業(yè)企業(yè)都推出了自己的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺戰(zhàn)略。不過，國際企業(yè)更強(qiáng)調(diào)的是MES/MOM、資產(chǎn)績效管理、運(yùn)營績效管理、能源管理以及流程模擬等工業(yè)軟件的推廣應(yīng)用，特別是在石化等重資產(chǎn)行業(yè)。

表2 自動化工業(yè)廠家推出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶來IT 架構(gòu)的變化，云邊協(xié)同新技術(shù)架構(gòu)也為工業(yè)軟件的研發(fā)與應(yīng)用提供了創(chuàng)新的技術(shù)路徑與商業(yè)模式。傳統(tǒng)工業(yè)軟件通過解耦與重構(gòu)，向SaaS 化、移動化、IoT 化發(fā)展。數(shù)據(jù)中臺、技術(shù)中臺和業(yè)務(wù)中臺促進(jìn)了知識的沉淀和復(fù)用，通過輕量化工業(yè)APP滿足個性化需求和快速迭代。IT架構(gòu)從單機(jī)應(yīng)用到C/S、B/S，發(fā)展到云邊端協(xié)同；部署模式從On premise（企業(yè)內(nèi)部部署）向私有云、公有云以及混合云發(fā)展。

2.1.3 軟件開發(fā)低代碼化

在新一代工業(yè)軟件中，都不同程度融合了機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、機(jī)器人流程自動化（RPA）、低代碼開發(fā)等技術(shù)。低代碼應(yīng)用平臺（LCAPs）通過可視化軟件功能組件的裝配及模型化驅(qū)動自動生成運(yùn)行代碼，無需編碼或通過少量代碼就可以快速生成應(yīng)用程序，為工程師快速開發(fā)可用、好用的工業(yè)軟件提供了良好的開發(fā)環(huán)境。低代碼開發(fā)技術(shù)最直接的價值是大幅度降低了成本，并且大幅度提升了效率。其次，技術(shù)門檻降低，更懂業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)人員可以直接操作配置系統(tǒng)。

2.1.4 軟件銷售模式訂閱化

工具類軟件的銷售方式，正從一次性許可（License）轉(zhuǎn)向訂閱模式（Subscription），主要表現(xiàn)形態(tài)就是按年租賃付費(fèi)。訂閱模式的軟件并不一定都是基于云部署，可以仍然是在企業(yè)內(nèi)部安裝，但是通過訂閱定期獲得授權(quán)密碼。例如劍維公司的AVEVA Flex 就是一種全新的商業(yè)模式：消除了平臺、I/O 和客戶端計數(shù)；無限制訪問數(shù)，可視化客戶端；根據(jù)業(yè)務(wù)需求動態(tài)調(diào)整產(chǎn)品使用情況。

2.2 流程工業(yè)開放自動化視角

自20 世紀(jì)70 年代PLC 和DCS 進(jìn)入自動化領(lǐng)域之來，處于ISA 95的L1和L2控制層的自動化硬件和軟件結(jié)構(gòu)一直沒有變動，不同廠家產(chǎn)品間兼容性差，沒有互操作性。伴隨快速發(fā)展的IT 技術(shù)和滯后的OT 技術(shù)間的矛盾加劇，讓最終用戶承受著巨大的負(fù)擔(dān)。

當(dāng)前，工業(yè)自動化領(lǐng)域正在基于IEC 61499 標(biāo)準(zhǔn)或其他開放架構(gòu)，打造設(shè)備互操作、系統(tǒng)易重構(gòu)、軟件可移植的開放自動化架構(gòu)。國際上已經(jīng)出現(xiàn)兩條明顯不同的技術(shù)路線，一條以美國開放流程自動化論壇（OPAF）為代表的面向流程工業(yè)控制系統(tǒng)的開放流程自動化架構(gòu)（open process automation，OPA），目標(biāo)是對ISA 95 的L1 和L2 功能標(biāo)準(zhǔn)化，采用對現(xiàn)有DCS、PLC重新定義，以及對先進(jìn)控制和MES、HMI等的虛擬化技術(shù)。另一條是德國流程工業(yè)用戶組織NAMUR倡議的開放架構(gòu)（namur open architecture,NOA），堅(jiān)持在現(xiàn)有工業(yè)信息化、自動化金字塔結(jié)構(gòu)的前提下，通過OPC UA（嵌入式過程控制統(tǒng)一架構(gòu)）與OT技術(shù)深度融合，提升運(yùn)行維護(hù)的優(yōu)化能力。

2.3 工廠建設(shè)模式視角

在石化智能工廠工程建設(shè)模式上有兩大發(fā)展趨勢：一是向工程設(shè)計階段延伸；二是全廠信息化的EPC模式。

2.3.1 向工程設(shè)計端延伸，數(shù)字化交付為智能工廠奠定基礎(chǔ)

數(shù)字化交付是指除了實(shí)體的物理工廠外，還需要移交一座依托于數(shù)據(jù)、文檔、三維模型以及它們與工廠對象關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)字化虛擬工廠。隨著國家標(biāo)準(zhǔn)《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51296—2018）頒布實(shí)施，國內(nèi)越來越多的石化工程新建項(xiàng)目采用數(shù)字化交付方式，例如目前中石化正以中科煉化一體化、中沙合資聚碳酸酯、古雷煉化一體化、海南煉化百萬噸乙烯、鎮(zhèn)海煉化的鎮(zhèn)?；匾黄跒榇淼墓こ探ㄔO(shè)項(xiàng)目上，進(jìn)行工程數(shù)字化交付探索和實(shí)踐。

工程數(shù)字化交付是提升石化企業(yè)資產(chǎn)全生命周期管理水平的重要內(nèi)容。項(xiàng)目前期、設(shè)計、采購、施工等“靜態(tài)信息”構(gòu)成工程數(shù)字化交付的內(nèi)容，加之項(xiàng)目試車和生產(chǎn)運(yùn)行等“動態(tài)信息”的積累，為運(yùn)營期智能工廠的建設(shè)奠定數(shù)字化基礎(chǔ)。目前，在數(shù)字化交付與接收平臺和工具，交付工廠對象的可信單一工程數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)的完整性、合規(guī)性和一致性，以及如何支撐生產(chǎn)運(yùn)營需求等方面還存在標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、技術(shù)、安全、知識產(chǎn)權(quán)等系列問題，需要進(jìn)一步研究。

同時，智能工廠的設(shè)計理念向前延伸。不同于傳統(tǒng)的逆向工程，而是在工程設(shè)計階段就考慮并梳理智能工廠建設(shè)需求，提出智能工廠的設(shè)計條件，融入各專業(yè)設(shè)計，開展風(fēng)險、可靠性等分析，將相關(guān)的信息感知、智能運(yùn)維、生產(chǎn)管控、設(shè)備管理、安全環(huán)保等要求在設(shè)計過程中提前規(guī)劃，從正向設(shè)計推動智能工廠建設(shè)。

2.3.2 全廠信息化EPC模式。

伴隨大型煉廠及煉化一體化項(xiàng)目的新建以及對老廠的改擴(kuò)建，全廠信息化的EPC 實(shí)施模式應(yīng)運(yùn)而生。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)設(shè)計在整個工程建設(shè)過程中的主導(dǎo)作用，有利于設(shè)計、采購、施工各階段工作合理銜接，且質(zhì)量責(zé)任主體明確。EPC總承包模式在工程建設(shè)領(lǐng)域已應(yīng)用成熟，當(dāng)前大型新建、改擴(kuò)建煉廠的全廠信息化建設(shè)在技術(shù)復(fù)雜度、投資額度、項(xiàng)目管理難度等方面同樣具備采用EPC模式的條件。信息化設(shè)計與工程設(shè)計同步，實(shí)現(xiàn)智能工廠整體規(guī)劃、整體設(shè)計、整體開發(fā)、整體實(shí)施和統(tǒng)一交付。這一模式已成功運(yùn)用于中科煉化、古雷石化等多家石油化工企業(yè)煉廠的建設(shè)。

3 燈塔工廠及啟示

從2018 年開始，世界經(jīng)濟(jì)論壇（WEF）與麥肯錫咨詢公司聯(lián)合在世界范圍內(nèi)遴選“全球燈塔工廠網(wǎng)絡(luò)”（global light house network，GLN），評價從價值實(shí)現(xiàn)、集成用例、賦能要素和技術(shù)平臺四大維度。截至2022年3月，全球已選出燈塔工廠103家，其中包括5 家油氣、化學(xué)品企業(yè)，即美國DCP Midstream 公司（丹佛工廠）、巴西MODEC 公司（里約熱內(nèi)盧）、土耳其Petkim 公司（伊茲密爾）、沙特阿美（Khurais胡萊斯油田）以及土耳其STAR 煉油廠（伊茲密爾）。燈塔工廠正在引領(lǐng)第四次工業(yè)（4IR）革命技術(shù)的普及，包括數(shù)字化、自動化、高級分析、預(yù)測性分析、VR 和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等。通過商業(yè)模式創(chuàng)新、智能技術(shù)應(yīng)用，全面提高企業(yè)數(shù)字化能力，引領(lǐng)未來制造業(yè)的轉(zhuǎn)型。

燈塔工廠包括三大類：一是制造型燈塔工廠；二是端到端價值鏈型燈塔工廠；三是可持續(xù)性燈塔工廠。已經(jīng)總結(jié)出124個用例，其中制造型燈塔工廠包括數(shù)字裝配與加工、數(shù)字設(shè)備維護(hù)、數(shù)字化績效管理、數(shù)字質(zhì)量管理、數(shù)字化可持續(xù)發(fā)展等五大類業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的58 個用例，通過優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)，提高運(yùn)營效率和質(zhì)量指標(biāo)，擴(kuò)大自身競爭優(yōu)勢。

端到端價值鏈燈塔工廠包括供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)連接性、端到端產(chǎn)品開發(fā)、端到端規(guī)劃、端到端交付、客戶連接等五大類業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的66 個用例，通過推出新產(chǎn)品、新服務(wù)、高度定制化、更小的批量或者更短的生產(chǎn)周期等方式，改變運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性。

分析燈塔工廠成功經(jīng)驗(yàn)，六大推動因素在先進(jìn)制造用例的規(guī)?；瘮U(kuò)展中功不可沒，包括：①用敏捷工作方式持續(xù)迭代，幫助企業(yè)預(yù)判技術(shù)局限，打破瓶頸；②打造敏捷數(shù)字工作室，讓業(yè)務(wù)人員、數(shù)據(jù)工程師、系統(tǒng)工程師、產(chǎn)品經(jīng)理共同開展頭腦風(fēng)暴，激發(fā)創(chuàng)意；③采用可擴(kuò)展的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)/數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)；④完善技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)并深化協(xié)同效應(yīng)，合作伙伴能夠持續(xù)為項(xiàng)目賦能；⑤建設(shè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，通過游戲化、數(shù)字化的學(xué)習(xí)途徑，以及虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等工具，有效提升員工技能；⑥成立數(shù)字化轉(zhuǎn)型組織，分享最佳實(shí)踐，開展用例的優(yōu)先級劃分，注重成效和解決方案，推動整個企業(yè)開展變革。

4 石化智能制造基本特征、內(nèi)涵及演進(jìn)路徑

4.1 石化智能制造的基本特征

智能制造已成為全球工業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)和學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。關(guān)于智能制造，英文有兩種專用術(shù)語廣泛使用，即smart manufacturing（SM）和intelligent manufacturing（IM）。王柏村等通過文獻(xiàn)計量統(tǒng)計分析研究了SM與IM的起源、定義、發(fā)展、關(guān)鍵技術(shù)以及參考架構(gòu)等主題。德國工業(yè)4.0 描述了未來制造的關(guān)鍵特征，概括一個核心、兩大主題和三項(xiàng)集成，提出了圖2(a)中的RAMI4.0 參考模型，對智能制造的定義是：人、機(jī)器和資源將會如同在一個社交網(wǎng)絡(luò)里自然地相互溝通協(xié)作，生產(chǎn)出來的智能產(chǎn)品能夠理解自己被制造的細(xì)節(jié)以及將如何使用，并積極協(xié)助生產(chǎn)過程。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）提出了圖2(b)中的SME（智能制造生態(tài)）參考模型，對智能制造的定義是：針對工廠、供應(yīng)鏈和客戶需求不斷變化的要求和條件，能實(shí)時響應(yīng)的一體化協(xié)同制造系統(tǒng)。中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會（SAC）提出了圖2(c)中的IMSA參考模型。在我國制造強(qiáng)國戰(zhàn)略研究報告中，認(rèn)為智能制造是制造技術(shù)與數(shù)字技術(shù)、智能技術(shù)及新一代信息技術(shù)的融合，是面向產(chǎn)品全生命周期的具有信息感知、優(yōu)化決策、執(zhí)行控制功能的制造系統(tǒng)，旨在高效、優(yōu)質(zhì)、柔性、清潔、安全、敏捷地制造產(chǎn)品和服務(wù)用戶。在工業(yè)和信息化部2016 年發(fā)布的《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》中給出了智能制造另一個新的表述：智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。此外，還有美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考模型IIRA[圖2(d)]、ISO/TC184自動化系統(tǒng)與集成提出的全局三維圖[圖2(e)]以及日本工業(yè)價值鏈參考模型IVRA[圖2(f)]等。

圖2 幾種主要智能制造參考模型

制造業(yè)分為流程工業(yè)和離散工業(yè)。流程制造的智能化發(fā)展面臨的問題有其自身特征和技術(shù)挑戰(zhàn)。石化屬于典型的流程工業(yè)，其生產(chǎn)過程不同于離散工業(yè)，也與一般的流程工業(yè)存在較大區(qū)別，主要表現(xiàn)在原料物料復(fù)雜、工藝裝備復(fù)雜、產(chǎn)品種類眾多、運(yùn)行條件苛刻、安全環(huán)保約束嚴(yán)格等。

石化制造的本質(zhì)特征表現(xiàn)為：制造流程規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多個緊密聯(lián)系并相互作用的操作單元所組成，在時空上具有多尺度的層次結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)。從橫向上看，制造流程是一系列相關(guān)的、異質(zhì)的物理或化學(xué)過程的非線性、動態(tài)耦合過程，如“三傳一反”，即質(zhì)量傳遞、熱量傳遞、動量傳遞和反應(yīng)過程；從縱向上看，又是這些過程之間的跨時空尺度嵌套—耦合體系，是由融合復(fù)雜物理輸入/輸出的物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)、能量流網(wǎng)絡(luò)和信息流網(wǎng)絡(luò)“三網(wǎng)融合與協(xié)同”的信息物理系統(tǒng)（CPS）。王基銘、李德芳等對石化信息物理系統(tǒng)（PCPS）的定義、層級特征、計算架構(gòu)等進(jìn)行了研究。高立兵等將石化CPS按照自調(diào)節(jié)與自校正、自感知與自適應(yīng)、自認(rèn)知與自學(xué)習(xí)、自認(rèn)知和自復(fù)制等能力成熟度分為4個等級。中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院與中國信息物理系統(tǒng)發(fā)展論壇發(fā)布的《信息物理系統(tǒng)建設(shè)指南》提出了CPS 在石化行業(yè)4種應(yīng)用模式，即人智、輔智、混智和機(jī)智。

4.2 石化智能制造的內(nèi)涵

過程系統(tǒng)工程（PSE）是研究石化智能制造的重要理論、技術(shù)和工程方法。PSE研究內(nèi)容包括化學(xué)供應(yīng)鏈的創(chuàng)造和操作、過程的改進(jìn)，解決許多相互沖突目標(biāo)情況下化學(xué)品的發(fā)現(xiàn)、設(shè)計、制造和配送等。自20 世紀(jì)80 年代誕生以來，PSE 與時俱進(jìn)，伴隨信息技術(shù)的發(fā)展，研究范圍也不斷擴(kuò)大。

為了建立石化智能制造理論體系，王子宗等在參考NIST SME 參考模型和石化智能工廠三條業(yè)務(wù)主線的基礎(chǔ)上，提出石化智能制造“三鏈模型”，分為產(chǎn)品鏈、資產(chǎn)鏈和價值鏈這三條鏈，三鏈的交叉處是制造金字塔，如圖3所示。三鏈模型分別對應(yīng)產(chǎn)品生命周期維度、生產(chǎn)系統(tǒng)周期維度和商業(yè)周期維度。對于已知分子結(jié)構(gòu)的大宗基礎(chǔ)化學(xué)品生產(chǎn)，其工藝路線相對固定，生產(chǎn)流程連續(xù)，工藝設(shè)計與工程設(shè)計合二為一，因而常常重點(diǎn)關(guān)注資產(chǎn)鏈和價值鏈兩個維度。

圖3 石化智能制造“三鏈模型”（修改自文獻(xiàn)[10]）

產(chǎn)品鏈?zhǔn)鞘I(yè)價值創(chuàng)造的核心，把低價值原料轉(zhuǎn)化為高價值的產(chǎn)品，包括石油分子管理、產(chǎn)品設(shè)計、流程模擬、油品調(diào)和等。石油加工過程的本質(zhì)是將結(jié)構(gòu)分布范圍較寬的原油分子，通過選擇性分離及定向轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)具有特定分子組成的液體燃料、潤滑油產(chǎn)品和精細(xì)化工品等?；诜肿蛹壉碚骱头磻?yīng)動力學(xué)建模已成為石油化工領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)，并由此催生了分子管理技術(shù)的研究和發(fā)展。例如，?？松梨陂_發(fā)了一套“原油指紋系統(tǒng)”，從原油開始就建立分子水平的“指紋信息”，目的是“把正確的分子，在正確的時間放到供應(yīng)鏈的正確位置上”，從而使每桶不同的原料油產(chǎn)生最大的價值。

資產(chǎn)鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)價值創(chuàng)造的橋梁，包括從工廠可行性研究、概念設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、采購施工試車、數(shù)字化交付到運(yùn)營與維護(hù)的工廠全生命周期。從項(xiàng)目績效管理（PPM）到資產(chǎn)績效管理（APM），提高資本性支出（CAPEX）效益，降低運(yùn)營成本（OPEX）是石化企業(yè)資產(chǎn)管理的重點(diǎn)。

價值鏈?zhǔn)侵腹?yīng)鏈管理、生產(chǎn)、銷售等價值創(chuàng)造活動，包含原油采購、生產(chǎn)計劃和調(diào)度、生產(chǎn)、儲運(yùn)、銷售和服務(wù)等。業(yè)務(wù)流程的數(shù)字化可以促成更好的協(xié)作、提升靈活性，形成優(yōu)化的價值鏈。

制造金字塔是石化企業(yè)制造系統(tǒng)的核心，產(chǎn)品鏈、資產(chǎn)鏈、價值鏈在這里匯聚和交互。石化工廠的物理模型遵循ISA106，從下往上分為設(shè)備、裝置、單元、工廠、企業(yè)等五級。

通過分析國際工業(yè)軟件企業(yè)的產(chǎn)品線，可以清晰地看出沿著“三鏈”打造集成化、一體化的軟件整體解決方案這一趨勢，也是國際自動化企業(yè)收購工業(yè)軟件完善其軟件產(chǎn)品線的邏輯所在。

石化企業(yè)的運(yùn)營管理水平和數(shù)字化水平需要綜合考察其在三鏈上的表現(xiàn)，石化智能工廠2.0 建設(shè)，已經(jīng)通過數(shù)字化舉措對三條鏈分別進(jìn)行優(yōu)化以改進(jìn)管理運(yùn)營表現(xiàn)，并取得了一定的成績。而石化智能工廠3.0 的重點(diǎn)將是進(jìn)一步解決數(shù)據(jù)共享和交換、系統(tǒng)間集成和跨鏈協(xié)同等難題。通過新一代信息通信技術(shù)和中臺技術(shù)，可以從三鏈上在數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)兩方面打破各個獨(dú)立子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)源之間的壁壘，完成跨鏈的數(shù)據(jù)融合和業(yè)務(wù)協(xié)同，從而更有效地管理數(shù)據(jù)資產(chǎn)，優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)更高的靈活性、更高的生產(chǎn)效率、更高的產(chǎn)品質(zhì)量。這是石化工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的驅(qū)動力，也是實(shí)現(xiàn)石化工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展追求的目標(biāo)。在跨越三鏈協(xié)同方面，重點(diǎn)是圍繞供應(yīng)鏈集成、價值鏈優(yōu)化以及工程數(shù)據(jù)全生命周期管理，如圖4所示。

（1）統(tǒng)一供應(yīng)鏈管理。統(tǒng)一的企業(yè)級供應(yīng)鏈管理平臺，可基于云端部署，支持SaaS 服務(wù)，覆蓋各個供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)，包括原油采購、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調(diào)度、一次分銷等，如圖4(a)所示。例如，劍維公司的統(tǒng)一供應(yīng)鏈管理套件Spiral Suite，集成的軟件包括原油物性數(shù)據(jù)管理（Spiral Assay）、生產(chǎn)計劃優(yōu)化（Spiral Plan）、生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化（Spiral Schedule）、供＆銷物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化（Spiral Network）、流程模擬（ROMeo）以及與第三方ERP集成等。

（2）基于產(chǎn)品價值鏈的多裝置動態(tài)優(yōu)化。目前，裝置的先進(jìn)過程控制（APC）、實(shí)時優(yōu)化（RTO）、廠級計劃與調(diào)度優(yōu)化還沒能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的縱向集成和自由流動，計劃目標(biāo)與裝置實(shí)際運(yùn)營情況有一定差距，問題的癥結(jié)在于計劃優(yōu)化用線性模型來表征非線性過程。國際廠商如艾斯本、劍維、KBC、霍尼韋爾等提出了面向產(chǎn)品價值鏈的多單元動態(tài)優(yōu)化解決方案，如圖4(b)所示。采用分子級煉化一體化價值鏈表征及多單元動態(tài)優(yōu)化技術(shù)，無縫集成嚴(yán)格機(jī)理模型、降階混合模型和計劃LP 模型，統(tǒng)一計劃和調(diào)度、優(yōu)化操作，以增加效益。基于動態(tài)實(shí)時優(yōu)化，可以將生產(chǎn)計劃、調(diào)度排產(chǎn)、操作優(yōu)化、操作控制整體貫通，真正做到優(yōu)化目標(biāo)從上到下、從全局到局部的層層分解和閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)基于產(chǎn)品價值鏈的優(yōu)化。

（3）工程數(shù)據(jù)全生命周期管理。國際廠商如海克斯康、劍維、西門子等公司，面向流程工業(yè)提出了“一體化工程到一體化運(yùn)維”的工程數(shù)據(jù)資產(chǎn)全生命周期解決方案，如圖4(c)所示。徹底打通工廠生命周期的數(shù)據(jù)流，為工廠的運(yùn)營維護(hù)提供準(zhǔn)確、完整的數(shù)據(jù)支撐，從而能夠提高設(shè)計效率、降低風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)資本項(xiàng)目的投資回報最大化。

圖4 跨鏈協(xié)同場景示意

4.3 石化智能制造演進(jìn)路徑

從中遠(yuǎn)期看，智能制造的發(fā)展路徑是清晰、可預(yù)見的：通過工業(yè)化和信息化“兩化”深度融合，構(gòu)建信息物理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從人全盤控制到人不在現(xiàn)場的完全自治運(yùn)行。中國工程院周濟(jì)院士團(tuán)隊(duì)提出智能制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化三范式及“HCPS 模型”，并認(rèn)為目前處于HCPS1.5 和HCPS2.0 之間，如圖5(a)所示。ABB 公司提出“工業(yè)自治六階段模型”，并認(rèn)為當(dāng)前系統(tǒng)介于第2 級和第3 級之間，如圖5(b)所示。中石化在智能工廠建設(shè)中提出了智能工廠演進(jìn)5 階段，如圖5(c)所示，目前處于2.0 和3.0 之間，即基于智能制造平臺，實(shí)現(xiàn)了局部智能應(yīng)用。上述三種表述形式不同，但觀點(diǎn)一致，都認(rèn)為智能系統(tǒng)最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)完全自治。

圖5 不同智能制造演進(jìn)路徑模型

從近期看，在國家“十四五”規(guī)劃階段，石化智能工廠建設(shè)需要從裝備、感知、控制、操作、運(yùn)營、決策等層級，以工藝、裝置為核心，重點(diǎn)提升全面感知、實(shí)時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行和自主學(xué)習(xí)等5項(xiàng)核心能力，通過“數(shù)據(jù)+平臺+應(yīng)用”信息化管理、建設(shè)、運(yùn)維新模式，推動設(shè)計、生產(chǎn)、物流、銷售與服務(wù)等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化提升，形成虛實(shí)融合，以數(shù)據(jù)和模型為驅(qū)動、以石化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為支撐的新型制造模式，實(shí)現(xiàn)降本、增效、綠色、安全、轉(zhuǎn)模式等五大核心價值。

5 未來石化智能工廠設(shè)計思考

未來石化智能工廠建設(shè)，是在繼承試點(diǎn)項(xiàng)目、推廣項(xiàng)目實(shí)踐成果的基礎(chǔ)上，立足新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念，進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)展。特別是在云邊端協(xié)同、數(shù)字資產(chǎn)服務(wù)、關(guān)鍵能力提升等方面。核心內(nèi)涵包括如下內(nèi)容：一個目標(biāo)，即創(chuàng)造增長、提升價值（包括運(yùn)營和財務(wù)方面）；一個平臺，即邊緣云平臺；三個支撐體系，即信息和數(shù)字化管控體系、數(shù)據(jù)治理和信息標(biāo)準(zhǔn)化體系、網(wǎng)絡(luò)安全體系；四方面建設(shè)內(nèi)容，即經(jīng)營管理、生產(chǎn)運(yùn)營、工程建設(shè)、信息技術(shù)支撐和基礎(chǔ)設(shè)施（向裝置層下沉，向決策層拓展，向設(shè)計端延伸，向產(chǎn)業(yè)鏈擴(kuò)維，向分子級深化）；五項(xiàng)能力，即全面感知、實(shí)時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行、自主學(xué)習(xí)；六化特征，即自動化、數(shù)字化、模型化、集成化、孿生化、自主化；60+應(yīng)用場景，包括經(jīng)營管理、生產(chǎn)一體化優(yōu)化、生產(chǎn)操控、供應(yīng)鏈管理、設(shè)備管理、能源管控、環(huán)保管控、安全管控、工程建設(shè)等業(yè)務(wù)域；建設(shè)模式，包括“數(shù)據(jù)+平臺+應(yīng)用”、多級部署、云邊端協(xié)同；實(shí)施路徑與策略，包括新老系統(tǒng)數(shù)據(jù)和應(yīng)用融合模式（綠地模式、棕地模式、藍(lán)地模式）。

5.1 未來石化智能工廠應(yīng)具有的核心能力和特征

5.1.1 五項(xiàng)核心能力

未來石化智能工廠需要發(fā)展五項(xiàng)核心能力（圖6）：全面感知、實(shí)時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行和自主學(xué)習(xí)。前4項(xiàng)能力構(gòu)成的“感知-分析-決策-執(zhí)行”信息流閉環(huán)是石化CPS 的基本過程，并具有時間、空間多尺度特征。第5項(xiàng)“自主學(xué)習(xí)”是人工智能的發(fā)展應(yīng)用，制造系統(tǒng)增加了基于新一代人工智能技術(shù)的學(xué)習(xí)認(rèn)知部分，不僅具有更加強(qiáng)大的感知、決策與控制的能力，更具有學(xué)習(xí)能力、產(chǎn)生知識的能力。使石化工業(yè)知識的產(chǎn)生、利用、傳承和積累效率發(fā)生革命性變化，而且可大大提高處理制造系統(tǒng)不確定性、復(fù)雜性問題的能力，極大改善制造系統(tǒng)的建模與決策效果。同時，石化制造系統(tǒng)不斷突破地域、組織的界限，實(shí)現(xiàn)對人才、技術(shù)、資金、數(shù)據(jù)等資源和要素的高效配置，不斷孕育新的服務(wù)模式與新興業(yè)態(tài)。

圖6 石化智能工廠的五大核心能力

5.1.2 “六化”特征（見圖7）

圖7 石化智能工廠“六化”特征

自動化（automation）：包括過程控制自動化，如DCS、PLC、SIS，以及PID 自整定、先進(jìn)控制（APC）、自動連鎖控制、自動切換、一鍵操作等；裝備自動化，如立體倉庫、軌道機(jī)器人、特種作業(yè)機(jī)器人；程序性自動化，如低代碼應(yīng)用平臺（LCAPs）、機(jī)器人流程自動化（RPA）、知識自動化（KA）等。在未來智能工廠建設(shè)中需要提高智能裝備、機(jī)器人及程序自動化技術(shù)的使用，減少用工，降低勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)環(huán)節(jié)少人化和無人化，提高精準(zhǔn)執(zhí)行的能力。

數(shù)字化（digitalization）：數(shù)字化指對人、機(jī)、料、法、環(huán)等核心生產(chǎn)要素的全面感知和數(shù)據(jù)采集，既包括從MES、SCADA、DCS、PLC、LIMS等系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，也包括通過物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、移動終端、機(jī)器視覺、智能儀器儀表、在線檢測分析儀、可穿戴設(shè)備等獲取數(shù)據(jù)。通過提高全面感知能力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)字化、資源數(shù)字化、業(yè)務(wù)數(shù)字化、流程數(shù)字化、管理數(shù)字化，形成數(shù)字資產(chǎn)。數(shù)字化解決數(shù)據(jù)的有無問題，是石化“數(shù)據(jù)+平臺+應(yīng)用”新模式的基礎(chǔ)。

模型化（modeling）：模型泛指實(shí)際系統(tǒng)或過程特性的一種表示形式，或映射成的一種結(jié)構(gòu)，如機(jī)理模型、數(shù)據(jù)模型、幾何模型、業(yè)務(wù)模型、信息模型等。建模一直伴隨化工的發(fā)展，工程師依靠模型進(jìn)行工程設(shè)計、研究和決策制定?；み^程具有多時空尺度特征，需要綜合利用化工過程的第一性原理與過程數(shù)據(jù)，結(jié)合人工智能算法進(jìn)行混合建模，解決化工過程中的模擬、監(jiān)測、優(yōu)化和預(yù)測等問題。文獻(xiàn)[61]綜述了智能制造中機(jī)理模型、數(shù)據(jù)模型、混合模型建模技術(shù)及應(yīng)用。文獻(xiàn)[64]分析了人工智能和化學(xué)工程進(jìn)行混合建模存在的優(yōu)勢、限制、機(jī)遇與挑戰(zhàn)。未來石化智能工廠建設(shè)要加強(qiáng)與工藝結(jié)合，向裝置下沉，通過基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法，對工廠進(jìn)行全方位的模型化描述，實(shí)現(xiàn)對石化工業(yè)知識的固化、沉淀和復(fù)用。

集成化（Integrated）：包含兩層含義，一是德國工業(yè)4.0 提出的縱向集成、橫向集成和端到端集成；二是綜合集成，包括數(shù)據(jù)集成、服務(wù)集成、應(yīng)用集成等。無論是德國工業(yè)4.0 的三項(xiàng)集成，還是我國的兩化融合，盡管語言體系不一樣，本質(zhì)上都是針對多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的互聯(lián)、互通難題，這是所有國家、企業(yè)的共同挑戰(zhàn)。未來石化智能工廠建設(shè)，既要深化“三鏈”集成，解決數(shù)據(jù)的共享和交換問題，更要發(fā)展跨越價值鏈的業(yè)務(wù)協(xié)同。

數(shù)字孿生化（digital twinning）：為物理實(shí)體、數(shù)字實(shí)體等可以有數(shù)字模型的實(shí)體或?qū)嶓w組合建立數(shù)字模型的過程。石化數(shù)字孿生包括三個核心要素，即模型、數(shù)據(jù)和服務(wù)。數(shù)字孿生是解決智能制造信息物理融合難題的一項(xiàng)關(guān)鍵使能技術(shù)。基于數(shù)字孿生，構(gòu)建信息物理系統(tǒng)，可以提升虛實(shí)互動、實(shí)時分析能力，支持全生命周期的持續(xù)優(yōu)化和異常處置。2021 年12 月，工業(yè)和信息化部聯(lián)合八部委印發(fā)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃文件將數(shù)字孿生列為智能制造關(guān)鍵核心技術(shù)，提出了“數(shù)字孿生+”智能場景的描述，這是把數(shù)字孿生放到了“通用目的技術(shù)”（GPT）的地位。文獻(xiàn)[68]綜述了數(shù)字孿生在流程行業(yè)應(yīng)用的難點(diǎn)和使能技術(shù)。目前，數(shù)字孿生在石化行業(yè)的應(yīng)用還處于起步階段。中石化正在開展“數(shù)字孿生的智能乙烯工廠”項(xiàng)目。未來，通過構(gòu)建基于設(shè)備級、單元級/裝置級、工廠級、企業(yè)級數(shù)字孿生，基于“數(shù)據(jù)+算法”，提供數(shù)字化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)描述、診斷、預(yù)測和決策等服務(wù)應(yīng)用。

自主化（autonomous）：自主化是對系統(tǒng)自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等特征的總稱。自動化、數(shù)字化、模型化、集成化和數(shù)字孿生都是自主化的基礎(chǔ)，是從數(shù)據(jù)到信息、知識、智慧（DIKW）的轉(zhuǎn)化。自主化程度是一個持續(xù)演進(jìn)、螺旋上升的過程，是工業(yè)人工智能與石化工藝技術(shù)的深度融合過程。最終目標(biāo)是系統(tǒng)可以應(yīng)對未知變化，人不再必須參與控制過程，形成高度自治型工廠（autonomous factory）。機(jī)器感知、情景感知、機(jī)器學(xué)習(xí)、認(rèn)知智能等都是提高自主化程度的關(guān)鍵技術(shù)。

5.2 重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容和建設(shè)模式

未來石化智能工廠建設(shè)內(nèi)容重點(diǎn)圍繞經(jīng)營管理、生產(chǎn)運(yùn)營、工程建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施支撐和信息化保障體系等4個領(lǐng)域展開，如圖8所示。其中，重點(diǎn)考慮如下幾點(diǎn)。

圖8 石化智能工廠重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容藍(lán)圖

（1）向裝置層下沉。圍繞乙烯、聚烯烴等重要裝置，提高生產(chǎn)操控智能化水平，為現(xiàn)場賦能、為基層員工賦能。通過APC、RTO、智能裝備、程序自動化、機(jī)器視覺等技術(shù)，減少用工，降低勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)部分環(huán)節(jié)的少人化和無人化。

（2）向決策層拓展，發(fā)展數(shù)據(jù)智能，發(fā)揮數(shù)據(jù)資產(chǎn)價值。支撐諸如原油市場價格預(yù)測、原油采購優(yōu)化、原油價值鏈一體化優(yōu)化、成品油物流優(yōu)化、基于知識圖譜的供應(yīng)商風(fēng)險管理、動設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維、工藝遠(yuǎn)程診斷服務(wù)等應(yīng)用。

（3）向工程設(shè)計延伸，推進(jìn)煉化工程數(shù)字化交付平臺建設(shè)。建立以智能工廠為導(dǎo)向的工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范；建設(shè)煉化工程數(shù)字化交付平臺，以及與運(yùn)營平臺（數(shù)字化接收平臺）的無縫銜接；深化數(shù)字化交付內(nèi)容和廣度，由一次性交付向漸進(jìn)式交付轉(zhuǎn)變，由固定資產(chǎn)的數(shù)字化化交付（設(shè)計、采購、施工等過程的工程數(shù)據(jù)、工程文檔、三維模型等數(shù)字化信息），向固定資產(chǎn)+無形資產(chǎn)（工藝機(jī)理模型）的數(shù)字化交付模式發(fā)展，推進(jìn)數(shù)字資產(chǎn)和運(yùn)營數(shù)據(jù)的融合，形成數(shù)字“雙底座”。

（4）數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化“補(bǔ)課”，基礎(chǔ)設(shè)施升級改造。智能儀表升級改造，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、物料、產(chǎn)品、環(huán)境、人員的全面感知；增加在線檢測分析、特種作業(yè)機(jī)器人；工業(yè)有線和5G 網(wǎng)絡(luò)升級改造，完善融合通信，形成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)環(huán)境。

（5）數(shù)據(jù)治理，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。以數(shù)據(jù)作為戰(zhàn)略資產(chǎn)，建設(shè)石化數(shù)據(jù)治理體系，推進(jìn)數(shù)據(jù)治理制度流程、數(shù)據(jù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)集中共享機(jī)制和信息標(biāo)準(zhǔn)化體系的建設(shè)，持續(xù)提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，形成全業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。通過邊緣云平臺，推進(jìn)數(shù)據(jù)能力、業(yè)務(wù)能力、技術(shù)能力的沉淀、復(fù)用和開放，構(gòu)建服務(wù)化、集約化的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全生命周期管理和平臺數(shù)字化運(yùn)營，敏捷響應(yīng)數(shù)據(jù)應(yīng)用需求，促進(jìn)數(shù)據(jù)應(yīng)用創(chuàng)新。

（6）建設(shè)模式。“數(shù)據(jù)+平臺+應(yīng)用”模式，多級部署，云邊協(xié)同。可擴(kuò)展、先進(jìn)的邊緣云平臺是未來石化智能工廠技術(shù)架構(gòu)的核心，其關(guān)鍵能力包括：物聯(lián)感知和邊緣計算能力、工廠數(shù)字孿生建模能力、企業(yè)級數(shù)據(jù)資源管控能力、企業(yè)應(yīng)用的集成與管控能力、工業(yè)知識運(yùn)行與管控能力?？偛颗c下屬企業(yè)形成云邊端協(xié)同，促進(jìn)知識的沉淀和復(fù)用，解決碎片化供給和全局優(yōu)化需求之間矛盾。構(gòu)建百花齊放的工業(yè)APP 和快速迭代模式，滿足企業(yè)個性化需求，提升系統(tǒng)縱向貫通性和業(yè)務(wù)覆蓋度，促進(jìn)業(yè)務(wù)協(xié)同。

（7）實(shí)施路徑和策略。對于新建工廠，可以采取綠地模式（Greenfield）：直接采用新的邊緣云平臺架構(gòu)，應(yīng)用APP 化，建設(shè)基于角色的崗位工作臺，例如中科煉化、古雷石化等新建工廠即是這種模式；對于老廠升級以及改擴(kuò)建工程，需要結(jié)合數(shù)據(jù)治理，統(tǒng)籌考慮新老系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合和系統(tǒng)集成模式。棕地模式（Brownfield），即現(xiàn)有系統(tǒng)應(yīng)用升級和重構(gòu)，將現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、應(yīng)用按照與平臺不同等級的成熟度搬到新架構(gòu)里。藍(lán)地模式（Bluefield）：按照目標(biāo)架構(gòu)的要求，有選擇性地、將部分?jǐn)?shù)據(jù)或者功能模塊從老系統(tǒng)搬到新系統(tǒng)里。不管采取哪種模式，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)都是前提條件。

5.3 應(yīng)用場景

應(yīng)用場景是推進(jìn)智能制造落地的重要抓手，世界燈塔工廠目前總結(jié)出124個應(yīng)用場景，工信部針對“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”發(fā)布了20個應(yīng)用場景，工信部四部委聯(lián)合發(fā)布的《智能制造典型場景參考指引（2021年）》，總結(jié)出15個環(huán)節(jié)52個智能制造典型場景。石化智能工廠場景規(guī)劃需要考慮如下幾點(diǎn)。

（1）綜合石化智能工廠2.0建設(shè)內(nèi)容、“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”等專項(xiàng)，以及典型企業(yè)智能工廠規(guī)劃方案，形成石化信息化場景全景，是未來石化智能工廠建設(shè)的基線。

（2）圍繞經(jīng)營管理、生產(chǎn)一體化優(yōu)化、生產(chǎn)操控、供應(yīng)鏈管理、設(shè)備管理、能源管理、環(huán)保管控、安全管理、工程建設(shè)等業(yè)務(wù)域，結(jié)合新技術(shù)發(fā)展和業(yè)務(wù)需求，對單一業(yè)務(wù)和跨流程業(yè)務(wù)進(jìn)行應(yīng)用場景規(guī)劃，形成應(yīng)用場景清單全集。不同企業(yè)可以從場景清單中選擇重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容，滿足個性化需求。

（3）應(yīng)用場景內(nèi)容包括針對業(yè)務(wù)痛點(diǎn)、場景描述、技術(shù)要素和預(yù)期效果等。按照業(yè)務(wù)、管理、智能點(diǎn)，可選項(xiàng)、必選項(xiàng)，提升、新建等維度對場景分類、分級。技術(shù)要素包括支撐智能場景的技術(shù)、支撐系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、模型等要素。預(yù)期效果是在財務(wù)和運(yùn)營指標(biāo)方面的價值實(shí)現(xiàn)，包括對效益、效率、質(zhì)量、安全、環(huán)保以及業(yè)務(wù)模式等方面的影響。

（4）正如國際燈塔工廠帶來的啟示，數(shù)字化的投入和收益，并不是平行線，數(shù)字化投入只有跨越某個臨界拐點(diǎn)后，才會呈現(xiàn)指數(shù)增長。一方面場景應(yīng)用需要在數(shù)量上達(dá)到一定規(guī)模（燈塔工廠評選要求20個以上），另一方面在業(yè)務(wù)覆蓋面上要達(dá)到一定廣度，形成集成和協(xié)同優(yōu)勢。

6 展望

發(fā)展石化智能制造，標(biāo)準(zhǔn)和能力評估不可或缺。目前，按照《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2021版）》要求，由中石化牽頭編制的《石化行業(yè)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》已經(jīng)通過工業(yè)和信息化部組織專家評審，進(jìn)入公開征求意見階段。下一步需要加快石化行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃和制定，發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)在推進(jìn)石化智能制造有序發(fā)展中的指導(dǎo)和規(guī)范作用。同時，以國家智能制造能力成熟度模型（GB/T 39116—2020）和評估方法（GB/T 39117—2020）為基礎(chǔ)，加快構(gòu)建石化智能工廠能力成熟度評估體系，從業(yè)務(wù)、技術(shù)、組織和人才等四個方面全方位定性和定量評估，幫助石化企業(yè)確定工廠信息化現(xiàn)狀水平，明確差距和發(fā)展目標(biāo)，指引智能工廠建設(shè)和發(fā)展。

突破石化核心工業(yè)軟件短板，才能牢牢掌握創(chuàng)新發(fā)展主動權(quán)。需要石化龍頭企業(yè)發(fā)揮市場主體地位，聯(lián)合高校、科研院所等構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研用生態(tài)體系，建立企業(yè)自主知識產(chǎn)權(quán)軟件培育體系，發(fā)揮國內(nèi)石化市場規(guī)模巨大和場景豐富優(yōu)勢，加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，推進(jìn)石化自主技術(shù)軟件化，如實(shí)時優(yōu)化軟件、通用流程模擬軟件、專用反應(yīng)器模型軟件等，解決“卡脖子”問題。2021年4月，中石化與清華大學(xué)成立綠色化工聯(lián)合研究院，是雙方構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研用深度融合的技術(shù)創(chuàng)新體系的務(wù)實(shí)之舉。同時，對于已有核心軟件，如石化MES，需要在軟件的設(shè)計思想、平臺架構(gòu)、系統(tǒng)功能和用戶體驗(yàn)方面持續(xù)改進(jìn)和加快迭代。

新技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，以價值創(chuàng)造為目標(biāo)。智能工廠建設(shè)不能僅僅靠技術(shù)、裝備投入，追求把技術(shù)武裝到牙齒，更要重視企業(yè)核心競爭力的培育。既需要企業(yè)戰(zhàn)略、組織機(jī)制、業(yè)務(wù)流程等方面的配合和支撐，也需要培養(yǎng)數(shù)字文化、創(chuàng)新文化，以及建設(shè)信息化人才梯隊(duì)。數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個長期系統(tǒng)工程，需要把技術(shù)植入企業(yè)基因，開啟一場永無止境的競爭能力進(jìn)化之旅。