一、引言

制造業(yè)主要有兩種類型：一種是離散工業(yè)，包括機(jī)械設(shè)備制造業(yè)；另一種是

流程工業(yè)，以石油化工、冶金、建材、能源等重要原材料工業(yè)為代表。

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)必不可少的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是支撐經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)和世界經(jīng)濟(jì)的

重要力量。離散制造是一個(gè)物理過程，產(chǎn)品可以單獨(dú)計(jì)算，因此容易將制造過程

數(shù)字化。離散制造更強(qiáng)調(diào)滿足個(gè)性化的需求和柔性制造，但是，流程工業(yè)的生產(chǎn)

經(jīng)營(yíng)方式具有較為明顯的不容易數(shù)字化的特點(diǎn)。例如，原料的選取往往不同，而

生產(chǎn)過程通常也會(huì)涉及不同的物理以及化學(xué)反應(yīng)，涉及的機(jī)理較為復(fù)雜。對(duì)于流

程工業(yè)來說，生產(chǎn)過程是連續(xù)的，不能停止的，過程中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)，都

會(huì)直接影響整條生產(chǎn)線以及成品的質(zhì)量。由于流程工業(yè)過程中對(duì)原材料、生產(chǎn)設(shè)

備、工藝參數(shù)等無法實(shí)時(shí)測(cè)量或檢測(cè)。流程工業(yè)的上述特點(diǎn)表現(xiàn)為測(cè)量難、建模

難、控制難和優(yōu)化決策難。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)的制造行業(yè)已經(jīng)有了跨越式的進(jìn)步，整體行'也規(guī)模

迅速提高，整體實(shí)力不斷變強(qiáng)。目前，中國(guó)是世界上門類最齊全、規(guī)模最大的制

造業(yè)國(guó)家，也是世界上唯一一個(gè)在聯(lián)合國(guó)工業(yè)分類中包含所有工業(yè)類別的國(guó)家。

我國(guó)制造業(yè)面臨的主要問題是能耗高、資源消耗高、產(chǎn)品附加值低、環(huán)境污染嚴(yán)

重。因此，要實(shí)現(xiàn)制造過程的高效化與綠色化。高效化的涵義是在市場(chǎng)或原材料

可能發(fā)生變化的情況下，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、成本、消耗等綜

合生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化調(diào)控。高效化會(huì)帶來產(chǎn)品的高績(jī)效和高附加值，同時(shí)使企業(yè)的

利潤(rùn)最大化。綠色化指的是對(duì)能源和資源的有效利用，通過盡可能降低能源和資

源的消耗，實(shí)現(xiàn)污染物零排放以保護(hù)環(huán)境。

智能制造已成為提升制造業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力的核心技術(shù)，人工智能(artificial

intelligence^!)技術(shù)已成為制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。例如，通用人工智能技術(shù)

首次被證明適用于復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景中的診斷和預(yù)測(cè)問題。人工智能技術(shù)加速了智能

制造的發(fā)展。智能制造的發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示。

FirstIndustrial

Revoluticn

Smartcontrolsystembas?d

CofWoisystemUsedononccmputmgconvnumcabon,

Controlsyslem

FocdDackspeedgovernorbasedcocnpulertechndogyandcontrol

onMetatochfx>k>gy

MectwwcaltMKMassproductionbeiedonFuftwautemaboebeiedonC>ber-phys?ltytteme

onwaterandsteamthedMsionoflaborandelectroncandnfomation

ledwlogy

I

Endofthe18thcenturyStarto<201hcenturyStarto<1970$

圖1第一、二、三、四次工業(yè)革命路線圖

以機(jī)械技術(shù)為基礎(chǔ)的蒸汽機(jī)和反饋調(diào)速器的出現(xiàn)引發(fā)了第一次工業(yè)革命；電

力和基于電氣技術(shù)的控制系統(tǒng)的出現(xiàn)引發(fā)「第二次工業(yè)革命：可編程邏輯控制器

(programmablelogiccontroller,PLC)和集散控制系統(tǒng)(distributedcontrolsystem,

DCS)的出現(xiàn)引發(fā)了第三次工業(yè)革命。從這三次產(chǎn)業(yè)革命中可以看出，發(fā)展高效

的新能源和信息技術(shù)是改變工業(yè)生產(chǎn)方式和提高工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。當(dāng)蒸汽和

電力成為能源時(shí)，蒸汽機(jī)和發(fā)電設(shè)備就必須使用控制系統(tǒng)。反饋控制技術(shù)使機(jī)械

調(diào)速器可以控制蒸汽動(dòng)力機(jī)械縫紉機(jī)的速度，而反饋控制技術(shù)和邏輯控制技術(shù)使

電氣控制系統(tǒng)可以控制電動(dòng)屠宰場(chǎng)輸送帶的穩(wěn)定運(yùn)行。通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技

術(shù)的緊密結(jié)合而發(fā)明的PLC和DCS技術(shù)，極大提高了大規(guī)模生產(chǎn)線的自動(dòng)化程

度。

當(dāng)前，隨著人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，

我們正處于第四次工業(yè)革命時(shí)期。發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)施工業(yè)化戰(zhàn)略，加強(qiáng)制造業(yè)創(chuàng)新，

以重塑制造業(yè)新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。一些發(fā)展中國(guó)家也在加快規(guī)劃和戰(zhàn)略，積極參與全

球產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力再分工，以在新一輪產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中尋求有利地位。發(fā)達(dá)國(guó)家利用其在

信息技術(shù)領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)，加快建立智能制造業(yè)°例如，2016年10月，美國(guó)國(guó)

家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)制定的《國(guó)家人工智能研發(fā)戰(zhàn)略計(jì)劃》指出，人工智能可以用

于改善制造流程，提高整個(gè)產(chǎn)品制造過程的靈活性。2018年5月，美國(guó)白宮舉

辦了美國(guó)工業(yè)人工智能峰會(huì)，參會(huì)人員策劃組織了特定行業(yè)的會(huì)議，分享了行業(yè)

領(lǐng)袖通過使用人工智能技術(shù)增強(qiáng)美國(guó)勞動(dòng)者勞動(dòng)能力的新方法。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基

金會(huì)(NationalScienceFoundation,NSF)也表示,人工智能有潛力改變美國(guó)工業(yè)

的各個(gè)方面，并為先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)造新希望。2020年8月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)

人工智能研究院發(fā)布了一個(gè)新的資助機(jī)會(huì)，重點(diǎn)關(guān)注八個(gè)主題，其中動(dòng)態(tài)系統(tǒng)人

工智能研究所是其中之一。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)人工智能研究所支持基礎(chǔ)人工智能、機(jī)器學(xué)

習(xí)理論、算法，以及實(shí)時(shí)傳感、學(xué)習(xí)、決策和預(yù)測(cè)的相關(guān)工程和科學(xué)研究及教育，

以引領(lǐng)安全、可靠、高效的人工智能發(fā)展。美國(guó)2020財(cái)年和2021財(cái)年的研發(fā)

預(yù)算強(qiáng)調(diào)，為了確保美國(guó)在科學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新處于全球領(lǐng)先，應(yīng)優(yōu)先考慮智能

和數(shù)字化制造，尤其是針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。

二、流程工業(yè)生產(chǎn)全流程決策、控制、運(yùn)行管理現(xiàn)狀分析

流程工業(yè)生產(chǎn)全流程的決策、控制和運(yùn)行管理現(xiàn)狀如圖2所示。流程企業(yè)普

遍采用由企業(yè)資源規(guī)劃(enterpriseresourceplanning,ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng)

(manufacturingexecutionsystem,MES)和過程控制系統(tǒng)(processcontrolsystem,

PCS)組成的三層結(jié)構(gòu)。企業(yè)經(jīng)理利用ERP系統(tǒng)得到生產(chǎn)過程各設(shè)備的參數(shù)，

然后根據(jù)自身積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，對(duì)產(chǎn)品綜合生產(chǎn)指標(biāo)(產(chǎn)品質(zhì)量、能耗和成本

等)的目標(biāo)值范圍做出決定。生產(chǎn)部門經(jīng)理利用MES得到生產(chǎn)信息，然后通過

自己積累的專家經(jīng)驗(yàn)來決定生產(chǎn)制造全流程的生產(chǎn)指標(biāo)目標(biāo)值范圍。運(yùn)行管理者

和工藝工程師通過PCS獲得運(yùn)行條件，通過感官(即視覺、聽覺和觸覺)獲得具

體信息，再根據(jù)自己積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)做出決定，以反映實(shí)際生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)

量、能耗和成本等運(yùn)行指標(biāo)的目標(biāo)值范圍，然后操作人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)

決定PCS的控制命令。PCS通過控制整個(gè)制造和生產(chǎn)過程，使受控過程的輸出跟

蹤控制指令，以提高產(chǎn)品的運(yùn)行指標(biāo)并且保證整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)指標(biāo)在期望的目

標(biāo)值范圍內(nèi)。

Comprehensive

productionindices

Enterpriseresource

planning(ERP)

Manufacturing

executionsystem

(MES)

ProductionordersProcessparameters

A

/A\Controi

?「command

Processcontrol

system(PCS)1

Raw

Products

materialsManufacturing

process1

圖2流程工業(yè)生產(chǎn)全流程的決策、控制和運(yùn)行管理現(xiàn)狀

雖然大部分企業(yè)己經(jīng)部署了三層架構(gòu)系統(tǒng)或MES和PCS的兩層架構(gòu)系統(tǒng)，

但這些系統(tǒng)主要是用來實(shí)現(xiàn)信息集成和管理功能。企業(yè)目標(biāo)(即利潤(rùn)、環(huán)境保護(hù)

等)、資源規(guī)劃與調(diào)度、運(yùn)行指標(biāo)、生產(chǎn)指令、控制指令等，仍由知識(shí)工作者根

據(jù)其知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)決策。然而，知識(shí)工作者無法實(shí)現(xiàn)企業(yè)目標(biāo)、生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度的

一體化優(yōu)化決策，也無法實(shí)現(xiàn)ERP與MES的無縫集成與優(yōu)化。圖3描繪了流程

工業(yè)生產(chǎn)全流程的決策、控制和運(yùn)行管理，可以將其視為人-信息?物理系統(tǒng)

(human-cyber-physicalsystem)。操作員通過信息系統(tǒng)取得生產(chǎn)信息，并通過人

的視覺、聽覺和觸覺獲得多源異構(gòu)的生產(chǎn)信息。再利用大腦的學(xué)習(xí)、認(rèn)知、分析、

決策能力，結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，對(duì)綜合生產(chǎn)指標(biāo)、整個(gè)制造和生產(chǎn)過程的生

產(chǎn)指標(biāo)、操作指標(biāo)和控制系統(tǒng)指令進(jìn)行決策。

圖3人?信息-物理系統(tǒng)

由于人無法及時(shí)準(zhǔn)確地感知?jiǎng)討B(tài)變化的運(yùn)行條件，因此很難實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造和

生產(chǎn)過程的全局優(yōu)化。而且，人類行為已經(jīng)成為制造流程發(fā)展的瓶頸?？偟膩碚f，

當(dāng)前我國(guó)流程工業(yè)的重點(diǎn)是關(guān)注于工業(yè)設(shè)備物料轉(zhuǎn)化過程的自動(dòng)化和生產(chǎn)過程、

運(yùn)行管理和企業(yè)管理的信息化。而當(dāng)前我國(guó)流程工業(yè)存在的主要問題是在工藝設(shè)

計(jì)、資源規(guī)劃、生產(chǎn)過程運(yùn)行管理等方面，對(duì)知識(shí)工作的自動(dòng)化和智能化缺乏

研究。

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、云計(jì)算和第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)的發(fā)展催生

了工業(yè)人工智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)。工業(yè)人工智能的本質(zhì)是將人工智能技術(shù)與

特定的工業(yè)場(chǎng)景相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式創(chuàng)新、智能生產(chǎn)決策、資源優(yōu)化配置等

創(chuàng)新應(yīng)用。工業(yè)人工智能賦予工業(yè)系統(tǒng)自感知、自學(xué)習(xí)、自執(zhí)行、自決策、自適

應(yīng)的能力，使其能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的工業(yè)環(huán)境并完成多樣化的工業(yè)目標(biāo)和任務(wù),

最終提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備性能。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為企業(yè)提供了獲取工業(yè)大

數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，帶動(dòng)工業(yè)人工智能技術(shù)的發(fā)展以及科研模式和方法的變革。比如

CPSfcyberphysicalsystems)和會(huì)聚研究等新方法的出現(xiàn)，促進(jìn)了工業(yè)過程制造的

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。第四次工業(yè)革命將實(shí)現(xiàn)制造業(yè)知識(shí)工作的自動(dòng)化和智

能化。

三、智能制造對(duì)流程工業(yè)的意義和前景

流程工業(yè)智能制造是一種以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)制造、生產(chǎn)過程的管理和決策，以及

智能優(yōu)化和智能自主控制為特征的制造模式。智能制造的目標(biāo)是使企業(yè)的制造流

程"綠色化〃和低碳化，并提高生產(chǎn)效率。如圖4所示，將操作者的知識(shí)工作變得

自動(dòng)化，將控制系統(tǒng)和制造過程轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄茏灾骺刂葡到y(tǒng)，使企業(yè)管理者和生產(chǎn)

管理者的知識(shí)工作智能化。ERP和MES轉(zhuǎn)變?yōu)槿藱C(jī)合作的智能管理決策系統(tǒng)，

將企業(yè)原有的ERP、MES、PCS三層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿藱C(jī)合作的智能管理決策系統(tǒng)和

智能自主控制系統(tǒng)兩層結(jié)構(gòu)，如圖5所示。如圖6所示，將整個(gè)制造和生產(chǎn)過程

的決策、控制與運(yùn)行管理轉(zhuǎn)化為CPS,并將生產(chǎn)制造操作員以及知識(shí)工作者的知

識(shí)工作變得自動(dòng)化和智能化。CPS中的知識(shí)工作者是計(jì)劃者、管理者和決策者。

圖4智能制造和生產(chǎn)過程

圖5制造過程由三層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄艿膬蓪咏Y(jié)構(gòu)

imdlioentsystem

Manufacturingprocess

Hjgh-pedarmance

?nielliQentxntrol

CoQMrveAna*d?c

leaminQdeasons

imengerxyeddKXi

(b<?n)(bean)

andseifoaimtzauon

Perception

(s^ht.hearing,pcrccpoonHighenergyoomjrrang

touch,etc.)andoperatingWiprww

conditionrttogninon

Product

圖6制造和生產(chǎn)過程的信息物理系統(tǒng)

人機(jī)合作的智能管理決策系統(tǒng)主要由智能優(yōu)叱決策、虛擬制造過程、工況識(shí)

別與自優(yōu)化控制三個(gè)子系統(tǒng)組成。該智能管理決策系統(tǒng)的預(yù)期功能如下：

（1）感知市場(chǎng)信息、生產(chǎn)情況和制造過程的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況;

（2）以企業(yè)高效叱與綠色化為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合生產(chǎn)指標(biāo)、計(jì)劃調(diào)度指

標(biāo)、制造生產(chǎn)全流程生產(chǎn)指標(biāo)、運(yùn)行指標(biāo)、生產(chǎn)指標(biāo)、控制指令的綜合優(yōu)化決策；

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)決策過程動(dòng)態(tài)性能的遠(yuǎn)程移動(dòng)可視化監(jiān)控；

（4）通過自學(xué)習(xí)和自優(yōu)化決策，實(shí)現(xiàn)人與智能優(yōu)化決策系統(tǒng)之間的協(xié)同，

使決策者能在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中準(zhǔn)確優(yōu)化決策。

智能自主控制系統(tǒng)主要由三個(gè)子系統(tǒng)組成：智能運(yùn)行優(yōu)化、高性能智能控

制、運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別和自優(yōu)化控制。該智能自主控制系統(tǒng)的預(yù)期功能如下：

（1）智能感知生產(chǎn)條件的動(dòng)態(tài)變化；

（2）以優(yōu)化運(yùn)行指標(biāo)為目標(biāo)，對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行自適應(yīng)決策；

（3）智能跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)定值的變化具有高動(dòng)態(tài)性能，將實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)控

制在目標(biāo)值范圍內(nèi)；

（4）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控和移動(dòng)監(jiān)控，預(yù)測(cè)和排除異常運(yùn)行工況，使系統(tǒng)安

全、優(yōu)化運(yùn)行;

（5）配合構(gòu)成整個(gè)生產(chǎn)過程的其他工業(yè)過程的智能自主控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整

個(gè)生產(chǎn)過程的全局優(yōu)化。

四、科學(xué)挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)

流程工業(yè)生產(chǎn)全流程的智能化對(duì)自動(dòng)化科學(xué)技術(shù)中基于數(shù)學(xué)模型或因果數(shù)

據(jù)的建模、控制和優(yōu)化提出了挑戰(zhàn)。工業(yè)人工智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為流程工業(yè)提供

了實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程智能化的新方法和新技術(shù)。

雖然工業(yè)人工智能的定義尚不明確且隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，但工業(yè)人

工智能研究及其應(yīng)用的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中知識(shí)工作的自動(dòng)化

和智能化，從而顯著提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。這些活動(dòng)包括生產(chǎn)和過程設(shè)計(jì)、運(yùn)行

管理和決策過程，制造過程和運(yùn)營(yíng)管理控制一一目前依賴于人類感知、認(rèn)知、分

析決策能力、經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的活動(dòng)。

工業(yè)人工智能主要是利用工業(yè)大數(shù)據(jù)，開發(fā)用于工況識(shí)別、預(yù)測(cè)以及決策

的人工智能算法和人工智能系統(tǒng)；并設(shè)計(jì)用于智能決策和智能化管控系統(tǒng)的軟件,

以補(bǔ)充和提高知識(shí)工作者在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)過程中的能力。此外，人工智能算法、運(yùn)

算能力和人機(jī)交互也是不容忽視的問題。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，大數(shù)據(jù)、CPS、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)先進(jìn)

制造和智能制造的重大需求。2012年10月，美國(guó)通用電氣在題為“勿dustr/M

Internet:PushingtheBoundariesofMindsandMachines”白皮書中提出了工業(yè)互聯(lián)

網(wǎng)的概念。2011年1月，德國(guó)工業(yè)科學(xué)研究聯(lián)盟提出工業(yè)4.0戰(zhàn)略。2011年

11月，工業(yè)4.0戰(zhàn)略被列入《2020年高新科技戰(zhàn)略》。近期，美國(guó)和德國(guó)都制

定了結(jié)合人工智能技術(shù)發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略。2019年10月180,國(guó)家主席

習(xí)近平向在遼寧省沈陽市舉行的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全球峰會(huì)開幕式致賀信，習(xí)近平在信

中表示：當(dāng)前，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命加速發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷

突破，為各國(guó)經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展注入了新動(dòng)能，也為促進(jìn)全球產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展提供了新

機(jī)遇。中國(guó)高度重視工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展