在上篇人工智能和化學(xué)工業(yè)有關(guān)系嗎？--參加某智能制造會(huì)議有感(2)中指出，恒定智能系統(tǒng)--知識(shí)自動(dòng)化才是今后化學(xué)工業(yè)搞信息化、智能化的重點(diǎn)方向。本篇作為終結(jié)篇，說明化學(xué)工業(yè)智能制造的道路。
三、知識(shí)自動(dòng)化才是化學(xué)工業(yè)智能制造的主方向
化學(xué)工程作為一種典型的工程學(xué)科，其特點(diǎn)是半理論半實(shí)驗(yàn)。由于一些現(xiàn)象過于復(fù)雜，涉及機(jī)械、材料、物理、化學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和傳遞，多種因素關(guān)聯(lián)偶合在一起，無法通過純理論邏輯推導(dǎo)得到某些現(xiàn)象的原因或結(jié)論，需要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下將各種因素分離獨(dú)立研究（徹底的研究方法），或者綜合在一起、只研究主要因素對(duì)結(jié)果的影響。也就是說，化學(xué)工程的大部分理論知識(shí)來自于實(shí)驗(yàn)室研究。
舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子，例如一組新的二元體系，在沒有汽液平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的前提下，有哪種模型敢說它的預(yù)測(cè)精度在5%內(nèi)？雖然化工文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)有了上百萬組的二元汽液平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，化工熱力學(xué)家研究了近50年的汽液平衡預(yù)測(cè)模型，但一旦遇到關(guān)鍵應(yīng)用，還是得去實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
又由于化工現(xiàn)象的復(fù)雜性，有些現(xiàn)象在工業(yè)裝置上表現(xiàn)出與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)裝置上不同的特性甚至在實(shí)驗(yàn)室無法觀察到的現(xiàn)象，即所謂的“放大效應(yīng)”，其本質(zhì)還是對(duì)某些因素考察不清導(dǎo)致沒有正確預(yù)測(cè)。此時(shí)，我們可以從工業(yè)裝置得到反饋從而擴(kuò)展化學(xué)工程的知識(shí)。另外，從工業(yè)裝置運(yùn)行中，還可以得到大量的操作、維護(hù)、安全方面的、超出實(shí)驗(yàn)室研究范圍的經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)。
（雖然化工行業(yè)在中國(guó)不是什么好形象，在大學(xué)也不是什么好專業(yè)，但是其學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)、研究方法都比較復(fù)雜，在歐美化學(xué)工程在工程學(xué)科中是一個(gè)收入靠前的專業(yè)。）
可見，一個(gè)化工裝置的工藝機(jī)理知識(shí)基本已經(jīng)融入到最初的設(shè)計(jì)中和運(yùn)行的自動(dòng)化控制中，已經(jīng)80%以上實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的自動(dòng)化；而裝置運(yùn)營(yíng)知識(shí)，主要涉及人員管理、資產(chǎn)設(shè)備管理、操作、維護(hù)、供應(yīng)鏈的知識(shí)還是存在于各種SOP中，和作為經(jīng)驗(yàn)存在于人腦中，這方面離知識(shí)自動(dòng)化還有很在大的距離。
將經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識(shí)，將知識(shí)融入到自動(dòng)化系統(tǒng)中，我想這就是知識(shí)自動(dòng)化，這也是智能制造的核心。
化學(xué)工業(yè)的知識(shí)自動(dòng)化和智能制造到底能做什么呢？
生產(chǎn)工藝是一個(gè)化工企業(yè)的核心，化工行業(yè)的生產(chǎn)過程數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化程度走在整個(gè)工業(yè)體系的前列，基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)車間無人化生產(chǎn)，但是中央控制室還是坐著人，通過電腦屏幕觀察和監(jiān)測(cè)著生產(chǎn)過程，隨時(shí)準(zhǔn)備人工遠(yuǎn)程干預(yù)甚至去現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)。實(shí)際上，我們的最終的產(chǎn)品質(zhì)量并非一成不變非常穩(wěn)定，生產(chǎn)過程的原料利用率和能源利用率也并非達(dá)到最佳。一個(gè)化工裝置并非做到自動(dòng)化、無人化就算實(shí)現(xiàn)了智能制造的目標(biāo)，新目標(biāo)已經(jīng)不是滿足系統(tǒng)穩(wěn)定在一個(gè)狀態(tài)，而是讓裝置系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行在滿足裝置安全、產(chǎn)品質(zhì)量約束下，原料、能源、資產(chǎn)利用率最優(yōu)的狀態(tài)下。多產(chǎn)品的精細(xì)化工工廠還要實(shí)現(xiàn)敏捷、柔性以快速應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化和訂單要求。
石油化工行業(yè)的“智能制造”的架構(gòu)早已確定，即在過程控制、生產(chǎn)管理、經(jīng)營(yíng)管理這三個(gè)層次實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)化和智能化,分別對(duì)應(yīng)過程控制系統(tǒng)（PCS）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）。
（圖片來自 “科普化工”公眾號(hào)）
過程控制系統(tǒng)（PCS)： 將表征生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，以DCS和PLC為代表，包括先進(jìn)過程控制APC。
企業(yè)資源計(jì)劃（ ERP )：是對(duì)企業(yè)資源進(jìn)行有效綜合的計(jì)劃與管理，功能包括產(chǎn)品定貨、原材料采購(gòu)、配送、銷售、會(huì)計(jì)等一系列業(yè)務(wù)流，以SAP為代表
生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）：作為DCS和MES之間的接口，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)績(jī)效管理和運(yùn)行數(shù)據(jù)的集成，功能模塊包括短期生產(chǎn)計(jì)劃、作業(yè)排產(chǎn)和調(diào)度(APS)、維護(hù)管理、技術(shù)信息管理、在線實(shí)時(shí)優(yōu)化RTO、產(chǎn)品質(zhì)量管理LIMS
不管在哪個(gè)層級(jí)，要讓計(jì)算機(jī)來解決問題，都需要將問題數(shù)字化并抽象為數(shù)學(xué)模型，所以智能化的核心是五個(gè)化:'數(shù)字化、可視化、模型化、自動(dòng)化、集成化'。只有將經(jīng)驗(yàn)、信息通過檢測(cè)技術(shù)來數(shù)字化，通過數(shù)據(jù)可視化分析找到規(guī)律，然后將規(guī)律轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，再通過計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)學(xué)模型自動(dòng)求解、自動(dòng)決策，將決策或結(jié)論自動(dòng)傳輸給上一層或者下一層，從而達(dá)到集成化。這個(gè)完整的過程就是知識(shí)自動(dòng)化，知識(shí)自動(dòng)化將人從重復(fù)性工作中解脫出來，專注于創(chuàng)新和高附加值的活動(dòng)，顯然它對(duì)人才的要求變得更高。
四、業(yè)界對(duì)智能制造的反應(yīng)--參會(huì)有感
六月初，我參加了第三屆中國(guó)石油與化工可持續(xù)發(fā)展論壇中的智能制造分論壇。作為一篇參會(huì)感，還是寫一些感受吧。
中石化是流程工業(yè)“智能制造”的先行者，有清晰的體系結(jié)構(gòu)和路線圖
鎮(zhèn)海煉化信息中心儲(chǔ)祥萍主任報(bào)告“生產(chǎn)管控智能化，實(shí)現(xiàn)降本增效“，介紹了鎮(zhèn)海煉化在于ERP、MES和PCS三個(gè)層次的信息化和智能化的方法和工具，實(shí)施、使用經(jīng)驗(yàn)。
查閱資料可以發(fā)現(xiàn)，早在工業(yè)4.0提出之前的2012年，中國(guó)石化開始啟動(dòng)智能工廠總體規(guī)劃，2014年中石化完成了智能工廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并全面啟動(dòng)燕山石化、鎮(zhèn)海煉化、茂名石化、九江石化4個(gè)試點(diǎn)的建設(shè)工作。中石化當(dāng)之無愧地屬于智能制造的先行者，并且是遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在其他企業(yè)前列。
既然中石化為煉油石化行業(yè)建立了完整的智能制造體系，那么其他化工公司直接復(fù)制他們的工具和方法，是否就能實(shí)現(xiàn)智能制造呢？天底下沒有靠復(fù)制就能成功的事，尤其從石化向化工行業(yè)復(fù)制。
第一，石化企業(yè)原料原油來源多，組成多變，產(chǎn)品線多且可根據(jù)市場(chǎng)調(diào)節(jié)產(chǎn)品比例，所以生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度尤為重要。而一般化工企業(yè)，尤其大宗品化工，原料和產(chǎn)品都比較穩(wěn)定，在資源調(diào)度和生產(chǎn)計(jì)劃即頂層ERP的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單的多。對(duì)多原料多產(chǎn)品多產(chǎn)線的化工企業(yè)，值得通過計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化生產(chǎn)資源。
第二，上各種智能制造系統(tǒng)的投入和產(chǎn)出比。智能制造的一項(xiàng)主要投入就是各個(gè)層次的軟件，軟件投資的一個(gè)特點(diǎn)就是它與裝置規(guī)模幾乎無關(guān)，一套軟件的價(jià)格不會(huì)隨著裝置規(guī)模大小發(fā)生變化，但產(chǎn)生的效益基本同裝置規(guī)模成正比，如此看來，軟件系統(tǒng)的投資收益也存在幾乎是線性的規(guī)模效應(yīng)。中小企業(yè)必須用適合中小企業(yè)的低成本的軟件系統(tǒng)。
第三，三個(gè)層次的優(yōu)化除了PCS直接純粹和設(shè)備通訊外，但是ERP和MES有更多的與人的接口，并涉及到企業(yè)的管理文化，系統(tǒng)的投用涉及到管理、文化的變化，或者系統(tǒng)根據(jù)企業(yè)的管理文化來定制化。涉及到人的東西，就不能簡(jiǎn)單的復(fù)制了。
設(shè)備維護(hù)診斷還真需要大數(shù)據(jù)技術(shù)
上海精技富華的許哲紹總經(jīng)理報(bào)告了”智慧可靠度兩化深度融合體系“，介紹利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)維護(hù)、和故障診斷。
對(duì)此我表示深深的贊同，我在拙文大數(shù)據(jù)技術(shù)會(huì)怎樣改變化學(xué)工業(yè)？（2） 中表示，動(dòng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、預(yù)維護(hù)是大數(shù)據(jù)技術(shù)在化工領(lǐng)域少許的幾個(gè)可行應(yīng)用之一。其需要發(fā)展的技術(shù)：
新型傳感技術(shù)：將振動(dòng)、聲音、圖像、電流等信號(hào)融入監(jiān)測(cè)模型中，一個(gè)關(guān)鍵特征信號(hào)可以代替幾十個(gè)關(guān)聯(lián)較弱的信號(hào)。而基于大數(shù)據(jù)的人工智能技術(shù)最大的成就就是聲音、圖像的處理識(shí)別，工業(yè)上基于這兩類信號(hào)的應(yīng)用還比較少，是時(shí)候應(yīng)用它們了。
信號(hào)處理方法和算法：如何將信號(hào)現(xiàn)象同故障類型關(guān)聯(lián)起來，需要使用高級(jí)模式識(shí)別技術(shù)。
主流技術(shù)服務(wù)商技術(shù)方案比較接地氣
艾默生的瞿昭女士參加了圓桌討論，回答了我提出的幾個(gè)問題，非常有邏輯有條理，貼切實(shí)際情況，明確指出不能用離散工業(yè)的智能制造、工業(yè)4.0的概念套用到流程工業(yè)，沒有任何讓我感到夸大智能制造的內(nèi)容。
艾默生在流程工業(yè)的智能制造主推PLANTWEB，底層依然是它的測(cè)量?jī)x表，應(yīng)用層作了一些屬于MES的東西，采用工業(yè)云進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，所以應(yīng)用層的數(shù)據(jù)接口更簡(jiǎn)單。
通過線下交流，這個(gè)PLANTWEB應(yīng)用層的一個(gè)應(yīng)用就是基于振動(dòng)分析的泵、壓縮機(jī)這些動(dòng)設(shè)備的性能監(jiān)測(cè)，這一點(diǎn)就是在上文“設(shè)備維護(hù)診斷還真需要大數(shù)據(jù)技術(shù)”提過，所以這個(gè)問題大家都比較重視。
五、結(jié)語(yǔ)
雖然人工智能的概念現(xiàn)在非常熱，講了無數(shù)故事，吸引了無數(shù)投資，但是對(duì)化學(xué)工業(yè)（甚至可以擴(kuò)大到流程工業(yè)）的影響基本可以認(rèn)為忽略不計(jì)。化學(xué)工業(yè)談智能制造，絕不是依靠基于大數(shù)據(jù)的人工智能，而是依靠知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字化、自動(dòng)化。
石油化工行業(yè)的“智能制造”的框架早已確定，就是在過程控制、生產(chǎn)管理、經(jīng)營(yíng)管理這三個(gè)層次分別通過PCS、MES和ERP來實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)化和智能化，這是一條靠譜的路。
我之前寫了系列大數(shù)據(jù)的文章，感興趣者可以閱讀。
大數(shù)據(jù)技術(shù)會(huì)怎樣改變化學(xué)工業(yè)？（3，終結(jié)）
大數(shù)據(jù)技術(shù)會(huì)怎樣改變化學(xué)工業(yè)？（2）
大數(shù)據(jù)技術(shù)會(huì)怎樣改變化學(xué)工業(yè)？（1）
大數(shù)據(jù)沒那么神秘: 技術(shù)篇(1)
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