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
2、模式,即工业人工智能、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。统,使企业管理者和生产管理者的知识工作智能化。ERP和 MES转变为人机合作的智能管理决策系统,将企业原有的 ERP、MES、PCS三层结构转变为人机合作的智能管理决策系 统和智能自主控制系统两层结构,如图5所示。如图6所示,
3、 将整个制造和生产过程的决策、控制与运行管理转化为CPS, 并将生产制造操作员以及知识工作者的知识工作变得自动 化和智能化。CPS中的知识工作者是计划者、管理者和决策者。ControlControlComprohonstvo production indicesIntclligonC mAnAgamont and decision- making Byslem of human-machtn coopoftionEnterpri&e rettourceplanning (ERP)Manufacturingoxecution system(MES)Planners, managers,decis
4、ion-makers1 command|1 command Icommand11Process control system (PCS) 1! 1Procoss control system (PCS)! IProcess control system (PCS) NRaw【 1! t:1 Imateriahi .ManufaclunngJ . 1Manufacturing1 . 1Manufactunng1process 1processIprocess NLXJ 1X| Products七:. ControlIntolteent and autcxiomous control syrste
5、m 1lntoWgeat and autonomou* control syrstemI Intelligent and autonomous Icontrol syrstem N图4智能制造和生产过程图5制造过程由三层结构转变为智能的两层结构imelbgent systemIntelligent prediction and setf -opttnuzabonHigh-performance mteltigent controlIntellgnt perception and operaong corxMion recognitionPhysical systemManufactunng p
6、rocess图6制造和生产过程的信息物理系统人机合作的智能管理决策系统主要由智能优化决策、虚 拟制造过程、工况识别与自优化控制三个子系统组成。该智 能管理决策系统的预期功能如下:(1) 感知市场信息、生产情况和制造过程的实时运行 状况;(2) 以企业高效化与绿色化为目标,实现企业综合生 产指标、计划调度指标、制造生产全流程生产指标、运行指 标、生产指标、控制指令的综合优化决策;(3) 实现对决策过程动态性能的远程移动可视化监 控;(4) 通过自学习和自优化决策,实现人与智能优化决 策系统之间的协同,使决策者能在动态变化的环境中准确优 化决策。智能自主控制系统主要由三个子系统组成:智能运行优化、
7、高性能智能控制、运行状态识别和自优化控制。该智能 自主控制系统的预期功能如下:(1)智能感知生产条件的动态变化;(2)以优化运行指标为目标,对控制系统的设定值进 行自适应决策;(3)智能跟踪控制系统设定值的变化具有高动态性能, 将实际运行指标控制在目标值范围内;(4)实现实时远程监控和移动监控,预测和排除异常 运行工况,使系统安全、优化运行;(5)配合构成整个生产过程的其他工业过程的智能自 主控制系统,实现整个生产过程的全局优化。四、科学挑战与关键技术流程工业生产全流程的智能化对自动化科学技术中基 于数学模型或因果数据的建模、控制和优化提出了挑战。工 业人工智能和工业互联网为流程工业提供了实现
8、整个生产 过程智能化的新方法和新技术。虽然工业人工智能的定义尚不明确且随着时间的推移 而发生变化,但工业人工智能研究及其应用的核心目标是实 现当前工业生产活动中知识工作的自动化和智能化,从而显 著提高经济和社会效益。这些活动包括生产和过程设计、运 行管理和决策过程,制造过程和运营管理控制一一目前依赖 于人类感知、认知、分析决策能力、经验和知识的活动。工业人工智能主要是利用工业大数据,开发用于工况识 别、预测以及决策的人工智能算法和人工智能系统;并设计 用于智能决策和智能化管控系统的软件,以补充和提高知识 工作者在生产和设计过程中的能力。此外,人工智能算法、 运算能力和人机交互也是不容忽视的问题
9、。工业互联网的出现,大数据、CPS、互联网等信息技术 的发展,以及对先进制造和智能制造的重大需求。2012年 10 月,美国通用电气在题为Industrial Internet: Pushingthe Boundaries of Minds and Machines白皮书中提出了工业互联 网的概念。2011年1月,德国工业科学研究联盟提出工业 4.0战略。2011年11月,工业4.0战略被列入2020年 高新科技战略。近期,美国和德国都制定了结合人工智能 技术发展工业互联网的战略。2019年10月18 H,国家主 席习近平向在辽宁省沈阳市举行的工业互联网全球峰会开 幕式致贺信,习近平在信中表示
10、:当前,全球新一轮科技革 命和产业革命加速发展,工业互联网技术不断突破,为各国 经济创新发展注入了新动能,也为促进全球产业融合发展提 供了新机遇。中国高度重视工业互联网创新发展,愿同国际 社会一道,持续提升工业互联网创新能力,推动工业化与信 息化在更广范围、更深程度、更高水平上实现融合发展。这 一声明指明了中国工业互联网高质量发展的方向。要使工业 互联网成为推动我国制造业高质量发展的强大动力,开展工 业互联网高质量发展的模式和路径研究至关重要。结合我国流程工业发展现状,数字化、网络化、智能化 需求以及工业人工智能和工业互联网的发展目标,我们提出 需要解决以下科学问题:(1)基于动态系统建模与深
11、度学习相结合的复杂工况 识别与反馈控制;(2)基于机理分析与工业大数据分析相结合的动态特 性、运行、决策知识挖掘;(3)基于预测、反馈和强化学习相结合的人机协同优 化决策;(4)多冲突目标、多约束、多时间尺度的智能优化决 策与控制一体化技术。为了解决这些科学问题,有必要采用CPS和会聚研究的 思想。会聚研究是一种以问题驱动为特征的新的研究范式和 思维方式。会聚研究解决的问题是具有挑战性的科学研究问 题或涉及社会需求的重大挑战,需要跨学科的合作研究。为 了解决这些复杂的问题,需要各学科进行交叉学习,以达到 各学科共同创新的新框架。将科学的方法以及技术相融合是 解决该难题的最佳策略。团队科学正在成
12、为一种更典型的研 究模式。为此,我们提出以下亟待解决的关键技术:(1)复杂工业环境下运行工况的多尺度多源信息的智能感知与识别;(2)复杂工业环境下基于5G的多尺度多源信息快速可 靠的传输技术;(3)系统辨识与深度学习相结合的复杂工业系统智能 建模、数字率生与可视化技术;(4)关键工艺参数和生产指标的预测与追溯;(5)复杂工业系统的智能自主控制技术;(6)人机合作的智能优化决策方法;(7)智能优化决策与控制一体化技术;(8)端边云协同实现工业人工智能算法的技术。五、总结为了实现流程工业的高端化、绿色化、智能化,需要将 工业人工智能、工业互联网与流程工业领域知识深度融合, 开发人工智能算法和人工智
13、能自主系统,以补充和提升知识 型工作者的能力。本文总结了现有流程工业整个生产过程的 决策、控制和运行管理的不足,阐述了流程工业智能制造的 含义,并提出了流程工业智能优化制造的愿景。结合我国流 程工业的发展现状和数字化、网络化、智能化的需要,提出 了流程工业智能制造面临的科学问题和关键技术。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,因此容易将制造过程数字化。离散制造 更强调满足个
14、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,我国的制造行业巳经有了跨越式的 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家,也是世 界上唯一一个
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