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(duì)大數(shù)據(jù)云計(jì)算時(shí)代的困惑和無(wú)奈提供了參考;其次對(duì)流程制造工業(yè)智能工廠的體系結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)實(shí)施技術(shù)進(jìn)行了探索和研究，并利用其方法設(shè)計(jì)了流程工業(yè)智能化的結(jié)構(gòu)體系，這將對(duì)流程工業(yè)自動(dòng)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(guó)智能制造領(lǐng)導(dǎo)同盟提出的智能過(guò)程制造(SPM)，它主要是指：將人員、系統(tǒng)連接起 來(lái)，實(shí) 現(xiàn) 規(guī) 劃、運(yùn) 行、維護(hù)以及管理設(shè)備，而應(yīng)用模型化的方法，使得決策和運(yùn)行模式變得更加可靠，增加了事件的預(yù)測(cè)性，提升了事故反應(yīng)能力。 繼美國(guó)之后，德國(guó)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(shí)體 物 理 系 統(tǒng)(CPS)， 主要是通過(guò)將物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上， 使其具有計(jì)算、通信、遠(yuǎn)程控制、相互協(xié)調(diào)的功能，最終實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界和現(xiàn)實(shí)世界的融合，即所謂的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，智能制造無(wú)疑是總規(guī)劃的重點(diǎn)。 2015 年李克強(qiáng)總理在《政府工作報(bào)告》中提到了“中國(guó)制造 2025”，指出：要實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造，就需要堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、智能轉(zhuǎn)型、強(qiáng)化基礎(chǔ)。 某種意義上而言，要實(shí)現(xiàn)中國(guó)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(shuō)數(shù)字化工廠。 數(shù)字化工廠是對(duì)整個(gè)工廠生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬、評(píng)估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)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(shí)現(xiàn)信息的集成， 通過(guò)對(duì)企業(yè)全部流程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 建立數(shù)據(jù)庫(kù)，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(qiáng)信息管理服務(wù)， 最終達(dá)到最優(yōu)生產(chǎn)、 無(wú)人干預(yù)、效益最佳、動(dòng)態(tài)平衡的目標(biāo)。筆者認(rèn)為，對(duì)于智能工廠從不同角度看是有著不同理解的：從工程實(shí)踐的方面來(lái)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(yùn)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(guò)集成的生產(chǎn)方式，對(duì)生產(chǎn)加工過(guò)程的各個(gè)階段以及經(jīng)營(yíng)運(yùn)行等做出分析、判斷和解決，并對(duì)人類的相關(guān)活動(dòng)進(jìn)行搜集加以運(yùn)用，最終達(dá)到向智能信息化的轉(zhuǎn)變就是智能工廠。

　　1.2 整體思路對(duì)于怎樣建設(shè)智能化工廠的問(wèn)題一直被專業(yè)人士不斷討論，筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)用正確的方法將理論運(yùn)用于實(shí)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(yùn)用此技術(shù)到達(dá)什么樣的目的，怎樣的效益;接著規(guī)劃好實(shí)施的路線，因?yàn)橹悄芄�廠的建設(shè)并不是一個(gè)小問(wèn)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(shí)踐;再次，需要制定好有效的建設(shè)策略，不同時(shí)期建設(shè)不同的重點(diǎn)，而這也是智能化建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)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(yùn)營(yíng)智能化、商業(yè)智能化組成， 同時(shí)這三種層次和企業(yè)信息化模型中的三個(gè)層次是相對(duì)應(yīng)的： 操作管理智能化對(duì)應(yīng) PCS 層， 生產(chǎn)管理智能化對(duì)應(yīng) MES 層，商業(yè)智能對(duì)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(zhǎng)久以來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)一直堅(jiān)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(shí)踐、 不斷優(yōu)化生產(chǎn)管理模式、大力提高系統(tǒng)深度運(yùn)用等工作內(nèi)容[2]。其實(shí)智能工廠并無(wú)什么特別之處， 也能夠在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)。 多年來(lái)，許多國(guó)家積極探索和尋求智能工廠實(shí)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(jìn)展

　　2.1 智能工廠功能模塊

　　(1)過(guò)程模型庫(kù)建設(shè)一個(gè)擁有過(guò)程模型庫(kù)能夠作為理論研究以及實(shí)踐的基本平臺(tái)，也是創(chuàng)新的必要條件。 這個(gè)模型庫(kù)需要多個(gè)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(guò)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(guò)程中的設(shè)備的生產(chǎn)情況、運(yùn)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(guò)程模型庫(kù)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(guò)程中產(chǎn)品特性的變化，便于各個(gè)生產(chǎn)過(guò)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(chǎng)銷售情況的關(guān)系;⑤材料物理模型： 在制作加工過(guò)程中材料的產(chǎn)品屬性會(huì)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(dòng)態(tài)輸入信息庫(kù)與動(dòng)態(tài)輸出信息庫(kù)是相輔相成的。 它們重點(diǎn)描述仿真過(guò)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(dòng)態(tài)輸入屬性，它包括了罐名稱、時(shí)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(dòng)態(tài)輸出屬性，它包括了物料流股名稱、時(shí)間標(biāo)簽、物料流股上游仿真流量等屬性。

　　(2)算法庫(kù)算法庫(kù)也是智能工廠建設(shè)初步試驗(yàn)系統(tǒng)的組成部分之一，其中包括：①仿真算法庫(kù)：主要用于模式產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)作過(guò)程，判斷生產(chǎn)操作過(guò)程中不同運(yùn)行方式的合理性;②過(guò)程控制算法庫(kù)：通過(guò)此算法庫(kù)試驗(yàn)系統(tǒng)能夠分析產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中控制方案對(duì)其的影響程度;③過(guò)程優(yōu)化算法庫(kù)：通過(guò)此算法庫(kù)能夠?qū)Ξa(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)、工藝、流程的優(yōu)化;④輔助算法庫(kù)：主要用于為工廠系統(tǒng)提供必要的計(jì)算方法;⑤專家知識(shí)庫(kù)：指通過(guò)知識(shí)工程方法對(duì)曾經(jīng)擁有的工程及管理方面的經(jīng)驗(yàn)合理整合與利用。一般常用的實(shí)時(shí)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(guò)程優(yōu)化算法：模擬 退 火(SimulatedAnnealing，SA)算法是近年來(lái)特別引人注目的一種適用于解大型組合優(yōu)化問(wèn)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(guò)程。 SA 是一種通用、高效、健壯、可行的擬物型隨機(jī)近似算法，并且可以較容易地并行實(shí)現(xiàn)以進(jìn)一步提高運(yùn)行效率， 適合求解大規(guī)模組合優(yōu)化問(wèn)題特別是 NP 完全問(wèn)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(jiǎn)單通用、魯棒性強(qiáng)、適于并行處理，在過(guò)去 20 年中己廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)科學(xué)、優(yōu)化調(diào)度、運(yùn)輸問(wèn)題、組合優(yōu)化、復(fù)雜函數(shù)系統(tǒng)優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)、系統(tǒng)識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[4]。

　　2.2 智能工廠建設(shè)進(jìn)展在當(dāng)前的信息化時(shí)代，工業(yè)領(lǐng)域面臨嚴(yán)峻的環(huán)境、資源危機(jī)以及市場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)，人們也越來(lái)越重視信息化與工業(yè)化的融合，智能工廠建設(shè)將勢(shì)在必行。 2015 年 3 月，李克強(qiáng)在政府工作報(bào)告中指出，要實(shí)施中國(guó)制造，堅(jiān)持智能轉(zhuǎn)型、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，接著在 2015 年 5 月國(guó)務(wù)院正式發(fā)布《中國(guó)制造 2025》報(bào)告，這無(wú)疑表現(xiàn)出我國(guó)對(duì)智能工業(yè)發(fā)展的重視程度與支持力度， 相信我國(guó)將很快會(huì)在此領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。

　　3 智能工廠建設(shè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用案例

　　筆者從事建設(shè)的某石化企業(yè)自 2011 年開(kāi)始編制規(guī)劃方案， 2012 年啟動(dòng)科研工作，2013 年 7 月完成智能工廠的總體設(shè)計(jì)，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(shí)踐之中，形成了計(jì)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(duì)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(yíng)優(yōu)化、生產(chǎn)指揮、工藝操作、運(yùn)行管理、專業(yè)支持、應(yīng)急保障六位一體，實(shí)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(jìn)展，ODS系統(tǒng)集成了 13 個(gè)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(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)物料等 40 個(gè)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(jìn)行多個(gè)采樣點(diǎn)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示，實(shí)現(xiàn)了全方位管理;④全流程聯(lián)動(dòng)優(yōu)化平臺(tái)首次在煉化企業(yè)中運(yùn)用;⑤實(shí)現(xiàn) HSE 管理、應(yīng)急指揮實(shí)時(shí)化、可視化;⑥一系列國(guó)產(chǎn)先進(jìn)信息化技術(shù)在煉化企業(yè)首次使用。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　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(jìn)行集成化改造。 過(guò)去的觀念已經(jīng)跟不上時(shí)代的潮流，我們需要從過(guò)去的舊觀念向在線、全自動(dòng)的思路轉(zhuǎn)變。 未來(lái)的工廠，人與系統(tǒng)的完美結(jié)合會(huì)更大發(fā)揮人的作用， 實(shí)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(yuǎn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[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(dòng)態(tài)模擬在流程工業(yè)智能工廠實(shí)驗(yàn)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(lái)源：《工業(yè)控制計(jì)算機(jī)》，作者：馬孟模。