“我國鋼鐵工業(yè)近幾年形成了信息技術(shù)集成、過程工藝技術(shù)集成、全生命周期技術(shù)集成的三維技術(shù)集成，這些技術(shù)集成是信息化的基礎(chǔ)。因此，鋼鐵行業(yè)是離智能化最近的行業(yè)，具有最好的實(shí)現(xiàn)智能化的條件，對智能化的需求也是最迫切的。”9月27日，中國工程院院士、東北大學(xué)教授王國棟在由中國冶金報社、唐山市工業(yè)和信息化局共同主辦，遷安市九江線材有限責(zé)任公司協(xié)辦的2019（第五屆）中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+推進(jìn)大會上表示。
鋼鐵工業(yè)智能制造平臺架構(gòu)
王國棟介紹了鋼鐵工業(yè)智能制造的平臺架構(gòu)。
在他看來，智能有以下幾個特點(diǎn)：一是具有感知能力，即具有能夠感知外部世界、獲取外部信息的能力，是產(chǎn)生智能活動的前提條件和必要條件。二是具有記憶和思維能力，即能夠存儲感知到的外部信息及由思維產(chǎn)生的知識，同時可利用已有的知識對信息進(jìn)行分析、計(jì)算、比較、判斷、聯(lián)想、決策。三是具有學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力，即通過與環(huán)境的相互作用，不斷學(xué)習(xí)積累知識，使自己能夠適應(yīng)環(huán)境變化。四是具有行為決策能力，即對外界的刺激做出反應(yīng)，形成決策并傳達(dá)相應(yīng)的信息。
智能控制的核心是信息物理系統(tǒng)（CPS）。該系統(tǒng)的總體架構(gòu)為：感知（物理）層、網(wǎng)絡(luò)層、計(jì)算層。其通過集成先進(jìn)的感知、計(jì)算、通信、控制等信息技術(shù)和自動控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化。目前冶金企業(yè)的嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)構(gòu)成為物理層、網(wǎng)絡(luò)層、計(jì)算控制層、應(yīng)用層。
王國棟指出，智能制造平臺建設(shè)的原則，一是充分利用企業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)和現(xiàn)有數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)的智能制造技術(shù)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)采集與處理，開發(fā)CPS系統(tǒng)的數(shù)字孿生，即數(shù)字感知系統(tǒng)，使企業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)升級為具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全流程智能制造，促進(jìn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
二是要實(shí)施真正的智能化。企業(yè)在實(shí)施全流程、一體化智能制造的過程中，應(yīng)當(dāng)在滿足系統(tǒng)功能要求的前提下，逐步、穩(wěn)妥地對現(xiàn)有的企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、過程控制、基礎(chǔ)自動化等系統(tǒng)進(jìn)行軟件改造，使其具有感知能力、記憶和思維能力、學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力、行為決策能力，成為真正的智能化系統(tǒng)。
“鋼鐵工業(yè)是一個流程工業(yè)，因此鋼鐵工業(yè)信息系統(tǒng)必須是全流程、一體化的，能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)流、信息流、能量流的綜合分析、控制、管理�！蓖鯂鴹潖�(qiáng)調(diào)。
他進(jìn)一步指出，隨著技術(shù)手段的豐富和計(jì)算能力的提升，解決問題的方式將從把復(fù)雜問題分為相對簡單的不同層次，逐層解決問題的傳統(tǒng)方式，轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱鐚�、跨域”的扁平化發(fā)展的方式。
扁平化雙層架構(gòu)為“云端智能層”和“本地決策層”。云端智能層具有低實(shí)時性的MES、ERP和BI（商務(wù)智能）功能，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、設(shè)備能力、成本、資源、人力資源等多個目標(biāo)的綜合協(xié)調(diào)�！氨镜貨Q策層”具有高實(shí)時性PCS（過程控制系統(tǒng)）、BA（樓宇設(shè)備自控系統(tǒng)）和傳感器等功能，輔以人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，強(qiáng)化計(jì)算能力、實(shí)時性等。兩層級之間在線實(shí)時動態(tài)調(diào)整，靈活、協(xié)調(diào)地實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量、效率的提升。
為了更好地實(shí)現(xiàn)扁平化發(fā)展，企業(yè)需要邊緣計(jì)算。應(yīng)用邊緣計(jì)算可實(shí)現(xiàn)對近場裝置、設(shè)備及系統(tǒng)的智能控制，解決網(wǎng)絡(luò)延時帶來的不確定性問題，減輕云端負(fù)擔(dān)，同時兼顧云計(jì)算和終端的協(xié)同。
鋼鐵智能制造平臺的核心是數(shù)字感知系統(tǒng)
鋼鐵企業(yè)在智能化發(fā)展過程中，面臨著一些問題。王國棟指出，鋼鐵行業(yè)是多工序、長流程的流程工業(yè)，鋼鐵生產(chǎn)過程為全流程“黑箱”，冶煉反應(yīng)器內(nèi)部、連鑄和軋制工件內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和物理變化以及相關(guān)的重要參數(shù)，看不見、摸不到、測不出，實(shí)時、內(nèi)部信息感知極度缺乏；目前系統(tǒng)中使用的模型大多為理論模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停嬖谳^大的不確定性，預(yù)報精度差，難以實(shí)現(xiàn)高精度的動態(tài)協(xié)調(diào)控制，控制決策存在粗獷性甚至是盲目性問題；由于工藝條件、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化引起生產(chǎn)工況發(fā)生復(fù)雜變化，過程輸入條件、狀態(tài)變量和控制目標(biāo)之間關(guān)系復(fù)雜。
“數(shù)字感知為我們利用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、AI（人工智能）等現(xiàn)代信息技術(shù)攻克以往無法逾越的障礙提供了全新的思路和可行的方法，為冶金等行業(yè)的精準(zhǔn)感知及控制提供了理想的解決方案�！蓖鯂鴹澾M(jìn)一步表示，“在信息流的控制下，物質(zhì)流與能量流發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理作用，因此以足夠的精度求解基于物理—化學(xué)反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，可以獲得物質(zhì)流、能量流、信息流的統(tǒng)一解�！�
鋼鐵行業(yè)數(shù)學(xué)模型由于具有不確定性、強(qiáng)非線性、極其復(fù)雜性的特點(diǎn)，必須采用數(shù)學(xué)模型與AI/大數(shù)據(jù)結(jié)合的方式，以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)主線，以人工智能及實(shí)測大數(shù)據(jù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，高效率地實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字感知，破解鋼鐵行業(yè)“黑箱”系統(tǒng)。
CPS系統(tǒng)的基本組件包括傳感器、執(zhí)行器和決策控制單元�；窘M件結(jié)合反饋循環(huán)控制機(jī)制構(gòu)成了CPS的基本功能邏輯單元，執(zhí)行最基本的檢測與控制功能數(shù)字感知系統(tǒng)：基于大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和物理—化學(xué)模型的巨型數(shù)字傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物理世界全部物理量的數(shù)字孿生。
其中，決策控制單元能依據(jù)數(shù)字感知系統(tǒng)、感知信息和用戶輸入規(guī)則進(jìn)行智能決策，發(fā)出工藝控制參數(shù)調(diào)整指令，保證在既定的條件下得到控制目標(biāo)值。
王國棟指出，物理系統(tǒng)的數(shù)字孿生是核心。工業(yè)4.0的數(shù)字感知系統(tǒng)能全面感知和掌控信息流、物質(zhì)流、能量流的全流程規(guī)律。全流程一體化CPS系統(tǒng)可以系統(tǒng)解決斷點(diǎn)和數(shù)據(jù)離線自動采集等問題，實(shí)現(xiàn)全流程一體化協(xié)調(diào)控制。
智能制造系統(tǒng)的主要功能：一是信息深度感知，即實(shí)現(xiàn)工藝質(zhì)量精準(zhǔn)預(yù)報與在線狀態(tài)感知；二是數(shù)據(jù)處理存儲，即實(shí)現(xiàn)全流程工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)采集與處理；三是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，包括5G的物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)連接萬物與人；四是設(shè)備診斷維護(hù)，即實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)診斷與智能維護(hù)；五是質(zhì)量監(jiān)控優(yōu)化，即實(shí)現(xiàn)質(zhì)量異常原因追溯與生產(chǎn)工藝優(yōu)化；六是精準(zhǔn)協(xié)調(diào)控制，即實(shí)現(xiàn)質(zhì)量精準(zhǔn)控制與多工序協(xié)調(diào)智能優(yōu)化；七是智能優(yōu)化決策，即實(shí)現(xiàn)橫向產(chǎn)供銷全流程一體、縱向各層次協(xié)同的智能優(yōu)化決策。
“建設(shè)鋼鐵工業(yè)信息系統(tǒng)，應(yīng)按照鋼鐵生產(chǎn)的流程，在主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)建立可以進(jìn)行智能感知、決策、控制的智能體，實(shí)現(xiàn)對各環(huán)節(jié)的智能控制。這些智能體包括：原料處理智能體、高爐冶煉智能體、煉鋼—連鑄智能體、熱軋智能體、冷軋智能體、熱處理智能體。鋼企應(yīng)將各智能體組成涵蓋整個流程的多智能體，實(shí)現(xiàn)各智能體之間的銜接、協(xié)調(diào)、平衡、優(yōu)化。”王國棟建議。
