摘要：回顧了工廠智能化思想的發(fā)展歷程，分析了傳統(tǒng)智能工廠的理念，給出了當(dāng)前階段智能工廠的新定義，為現(xiàn)今許多企業(yè)面對大數(shù)據(jù)云計算時代的困惑和無奈提供了參考;其次對流程制造工業(yè)智能工廠的體系結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)實施技術(shù)進行了探索和研究，并利用其方法設(shè)計了流程工業(yè)智能化的結(jié)構(gòu)體系，這將對流程工業(yè)自動化理論應(yīng)用研究起到重要作用。

　　關(guān)鍵詞：流程工業(yè)，智能工廠，功能模塊，應(yīng)用研究

　　1 智能工廠的概念及體系架構(gòu)

　　1.1 智能工廠概念目前， 最早有關(guān)智能工廠的描述源于美國智能制造領(lǐng)導(dǎo)同盟提出的智能過程制造(SPM)，它主要是指：將人員、系統(tǒng)連接起 來，實 現(xiàn) 規(guī) 劃、運 行、維護以及管理設(shè)備，而應(yīng)用模型化的方法，使得決策和運行模式變得更加可靠，增加了事件的預(yù)測性，提升了事故反應(yīng)能力。 繼美國之后，德國政府也高度重視，提出了 “工業(yè) 4.0” 路線。 “工業(yè) 4.0” 即虛擬網(wǎng)絡(luò)-實體 物 理 系 統(tǒng)(CPS)， 主要是通過將物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上， 使其具有計算、通信、遠程控制、相互協(xié)調(diào)的功能，最終實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界和現(xiàn)實世界的融合，即所謂的人機一體化智能系統(tǒng)，智能制造無疑是總規(guī)劃的重點。 2015 年李克強總理在《政府工作報告》中提到了“中國制造 2025”，指出：要實現(xiàn)中國制造，就需要堅持創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型、強化基礎(chǔ)。 某種意義上而言，要實現(xiàn)中國制造就需要加快智能轉(zhuǎn)型，發(fā)展智能制造業(yè)[1]。建設(shè)智能工廠，首先要說數(shù)字化工廠。 數(shù)字化工廠是對整個工廠生產(chǎn)過程進行仿真模擬、評估和優(yōu)化，并進一步擴展到整個產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。 數(shù)字化工廠的本質(zhì)就是實現(xiàn)信息的集成， 通過對企業(yè)全部流程進行數(shù)據(jù)采集， 建立數(shù)據(jù)庫，將物理工廠變成數(shù)字化工廠。智能工廠正是建立在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上， 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)加強信息管理服務(wù)， 最終達到最優(yōu)生產(chǎn)、 無人干預(yù)、效益最佳、動態(tài)平衡的目標(biāo)。筆者認為，對于智能工廠從不同角度看是有著不同理解的：從工程實踐的方面來看，以信息化為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)專業(yè)學(xué)科，使工廠能精確地感知和判斷發(fā)生的狀況，為企業(yè)合理運作、管理提供服務(wù)的智能系統(tǒng)即稱作智能工廠;另一方面，以科學(xué)分析的方式定義：通過集成的生產(chǎn)方式，對生產(chǎn)加工過程的各個階段以及經(jīng)營運行等做出分析、判斷和解決，并對人類的相關(guān)活動進行搜集加以運用，最終達到向智能信息化的轉(zhuǎn)變就是智能工廠。

　　1.2 整體思路對于怎樣建設(shè)智能化工廠的問題一直被專業(yè)人士不斷討論，筆者認為應(yīng)當(dāng)用正確的方法將理論運用于實踐，可參考如下步驟加快建設(shè)智能化工廠：首先，應(yīng)該明確建設(shè)的目標(biāo)，企業(yè)將運用此技術(shù)到達什么樣的目的，怎樣的效益;接著規(guī)劃好實施的路線，因為智能工廠的建設(shè)并不是一個小問題，這其中涉及到許多方面，規(guī)劃好步驟有利于一步步用于實踐;再次，需要制定好有效的建設(shè)策略，不同時期建設(shè)不同的重點，而這也是智能化建設(shè)的關(guān)鍵點之一。

　　1.3 系統(tǒng)架構(gòu)智能工廠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由操作智能化、運營智能化、商業(yè)智能化組成， 同時這三種層次和企業(yè)信息化模型中的三個層次是相對應(yīng)的： 操作管理智能化對應(yīng) PCS 層， 生產(chǎn)管理智能化對應(yīng) MES 層，商業(yè)智能對應(yīng) ERP 層。正是基于這樣的理論，現(xiàn)代工廠信息化才能得以繼承發(fā)展和創(chuàng)新。 長久以來，國內(nèi)企業(yè)一直堅持信息化建設(shè)與專題信息化應(yīng)用的聯(lián)合研發(fā)， 并為此做出了巨大努力， 例如加快控制技術(shù)的研究和實踐、 不斷優(yōu)化生產(chǎn)管理模式、大力提高系統(tǒng)深度運用等工作內(nèi)容[2]。其實智能工廠并無什么特別之處， 也能夠在實際生產(chǎn)中實現(xiàn)。 多年來，許多國家積極探索和尋求智能工廠實現(xiàn)路徑，圖 1 為智能工廠的基本架構(gòu)與框架。

　　2 智能工廠建設(shè)功能模塊與工作進展

　　2.1 智能工廠功能模塊

　　(1)過程模型庫建設(shè)一個擁有過程模型庫能夠作為理論研究以及實踐的基本平臺，也是創(chuàng)新的必要條件。 這個模型庫需要多個模型共同組成，如生產(chǎn)、工藝、產(chǎn)品、產(chǎn)品供需、材料物理等，這些模塊相輔相成共同組成了流程工業(yè)的過程模型。 這些模型主要包括：①生產(chǎn)模型：主要用于展示生產(chǎn)過程中的設(shè)備的生產(chǎn)情況、運行狀態(tài)等，作為能為系統(tǒng)生產(chǎn)給予合理可行的方式，是過程模型庫是必不可少的組成部分;②工藝模型：能夠?qū)χ圃炷芰τ杏绊懙膶傩院凸に噮��?shù)結(jié)合;③產(chǎn)品模型：主要功能是可以不斷地分析在制作加工過程中產(chǎn)品特性的變化，便于各個生產(chǎn)過程的結(jié)合;④產(chǎn)品供需模型：主要用于描繪出生產(chǎn)需求與市場銷售情況的關(guān)系;⑤材料物理模型： 在制作加工過程中材料的產(chǎn)品屬性會發(fā)生改變，尤其是物理特性，而該模型即為改變數(shù)據(jù)全程記錄與還原[3]。 StaticModel PCSUnit： 該類模型描述 PCS 層生產(chǎn)設(shè)備的靜 態(tài) 信 息，它包括裝置名稱、裝 置 區(qū) 域、裝 置 類 型、裝 置 生 產(chǎn) 上限、裝置生產(chǎn)下限、裝置平均損耗等屬性。 動態(tài)輸入信息庫與動態(tài)輸出信息庫是相輔相成的。 它們重點描述仿真過程中需要仿真的裝置行為，例如流量變化、罐存變化等。 DynamicInput Model SimPCSTankInput： 該類 模 型 描 述 PCS 層罐的動態(tài)輸入屬性，它包括了罐名稱、時間標(biāo)簽、罐初始罐存等屬性。 DynamicOutput Model SimPCSStreamOutput：該類 模 型描述了 PCS 層物料流股的動態(tài)輸出屬性，它包括了物料流股名稱、時間標(biāo)簽、物料流股上游仿真流量等屬性。

　　(2)算法庫算法庫也是智能工廠建設(shè)初步試驗系統(tǒng)的組成部分之一，其中包括：①仿真算法庫：主要用于模式產(chǎn)品實際運作過程，判斷生產(chǎn)操作過程中不同運行方式的合理性;②過程控制算法庫：通過此算法庫試驗系統(tǒng)能夠分析產(chǎn)品生產(chǎn)過程中控制方案對其的影響程度;③過程優(yōu)化算法庫：通過此算法庫能夠?qū)Ξa(chǎn)品生產(chǎn)過程的各個階段進行設(shè)計、工藝、流程的優(yōu)化;④輔助算法庫：主要用于為工廠系統(tǒng)提供必要的計算方法;⑤專家知識庫：指通過知識工程方法對曾經(jīng)擁有的工程及管理方面的經(jīng)驗合理整合與利用。一般常用的實時仿真算法： 1)亞當(dāng)斯-莫爾頓隱式算法(Adams-Moulton)(AM) AM 1 階法=向后歐拉法：xn+1=xn+hfn+1 AM 2 階法：xn+1=xn+ 1 2 h(fn+1+fn ) AM 3 階法：xn+1=xn+ 1 2 h(5fn+1+8fn-fn-1 )一般常用的過程優(yōu)化算法：模擬 退 火(SimulatedAnnealing，SA)算法是近年來特別引人注目的一種適用于解大型組合優(yōu)化問題的技術(shù)， 算法的核心在于模仿熱力學(xué)中液體的凍結(jié)與結(jié)晶或金屬熔液的冷卻與退火過程。 SA 是一種通用、高效、健壯、可行的擬物型隨機近似算法，并且可以較容易地并行實現(xiàn)以進一步提高運行效率， 適合求解大規(guī)模組合優(yōu)化問題特別是 NP 完全問題。遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)是一種新的全局優(yōu)化搜索算法，因其簡單通用、魯棒性強、適于并行處理，在過去 20 年中己廣泛應(yīng)用于計算機科學(xué)、優(yōu)化調(diào)度、運輸問題、組合優(yōu)化、復(fù)雜函數(shù)系統(tǒng)優(yōu)化、機器學(xué)習(xí)、系統(tǒng)識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等領(lǐng)域[4]。

　　2.2 智能工廠建設(shè)進展在當(dāng)前的信息化時代，工業(yè)領(lǐng)域面臨嚴(yán)峻的環(huán)境、資源危機以及市場、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)，人們也越來越重視信息化與工業(yè)化的融合，智能工廠建設(shè)將勢在必行。 2015 年 3 月，李克強在政府工作報告中指出，要實施中國制造，堅持智能轉(zhuǎn)型、創(chuàng)新驅(qū)動，接著在 2015 年 5 月國務(wù)院正式發(fā)布《中國制造 2025》報告，這無疑表現(xiàn)出我國對智能工業(yè)發(fā)展的重視程度與支持力度， 相信我國將很快會在此領(lǐng)域取得重大進展。

　　3 智能工廠建設(shè)技術(shù)的實際應(yīng)用案例

　　筆者從事建設(shè)的某石化企業(yè)自 2011 年開始編制規(guī)劃方案， 2012 年啟動科研工作，2013 年 7 月完成智能工廠的總體設(shè)計，僅一年后，我們看到了智能工廠的明顯效果。 在 2015 年已經(jīng)基本建成智能工廠的初步框架， 它將智能工廠的五化特征融入于實踐之中，形成了計劃調(diào)度、裝置操作、安全環(huán)保、能源管理、IT 管控的智能模式體系。對于該石化企業(yè)的智能工廠建設(shè)，筆者歸納如下核心技術(shù)： ①生產(chǎn)管控中心的建成投用，該中心集經(jīng)營優(yōu)化、生產(chǎn)指揮、工藝操作、運行管理、專業(yè)支持、應(yīng)急保障六位一體，實現(xiàn)了生產(chǎn)的完整化、集成化、統(tǒng)一化;②集中集成和標(biāo)準(zhǔn)化取得進展，ODS系統(tǒng)集成了 13 個系統(tǒng)， 為工廠內(nèi)諸多生產(chǎn)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，并實現(xiàn)了生產(chǎn)物料等 40 個標(biāo)準(zhǔn)化模板及 36 類主數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建;③三維數(shù)字工廠初步形成，可進行多個采樣點和實時數(shù)據(jù)展示，實現(xiàn)了全方位管理;④全流程聯(lián)動優(yōu)化平臺首次在煉化企業(yè)中運用;⑤實現(xiàn) HSE 管理、應(yīng)急指揮實時化、可視化;⑥一系列國產(chǎn)先進信息化技術(shù)在煉化企業(yè)首次使用。

　　4 結(jié)束語

　　智能工廠是多學(xué)科多專業(yè)多技術(shù)的深度結(jié)合， 也是今后工廠發(fā)展的必由之路。 當(dāng)前階段，智能化工廠的建設(shè)最需要考慮的是如何依托于傳統(tǒng)模式基礎(chǔ)上進行集成化改造。 過去的觀念已經(jīng)跟不上時代的潮流，我們需要從過去的舊觀念向在線、全自動的思路轉(zhuǎn)變。 未來的工廠，人與系統(tǒng)的完美結(jié)合會更大發(fā)揮人的作用， 實現(xiàn)企業(yè)效益增加。 然而創(chuàng)新的道路注定充滿艱辛和挑戰(zhàn)，智能化工廠的建設(shè)任重而道遠。

　　參考文獻

　　[1]夏茂森.流程工業(yè)智能工廠建設(shè)技術(shù)的研究[J].信息技術(shù)與信息化， 2013(6)：46-52

　　[2]方紅飛，榮岡，馮毅萍.動態(tài)模擬在流程工業(yè)智能工廠實驗系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].信息與控制，2006(3)：362-367

　　《流程工業(yè)智能工廠建設(shè)技術(shù)應(yīng)用探究》來源：《工業(yè)控制計算機》，作者：馬孟模。