DOI：10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20170107
本文发表于《钢铁》2017年第52卷第6期，p1-12
关于智能化钢厂的讨论——从物理系统一侧出发讨论钢厂智能化
殷瑞钰
（钢铁研究总院， 北京 100081）
摘要
钢铁工业是典型的流程制造业，制造流程是其物理特征。通过对钢铁制造流程内在特征的研究，阐述了对钢厂智能化的认识，探讨了推进钢厂智能化的思路及其内涵，包括智能化设计、智能化物流、智能化物质流/能量流/信息流的组织与调控、智能化经营和服务等。指出流程型智能化制造的物理系统要以动态-有序、协同-连续运行为其网络结构及程序优化的导向，并以此物理系统（流程系统）为本体与智能化信息网络系统融合，实现全厂性动态运行、管理、服务等过程的自感知、自决策、自执行和自适应。智能化钢厂的建设，需要深刻理解制造流程动态运行过程的物理本质，构建起植根于流程运行要素及其优化的运行网络、运行程序的物理模型，进而构建全流程网络化、层次化信息流模型。钢厂智能化不只是数字信息系统，必须高度重视物理系统的研究，必须是有物理输入/输出的物质流网络、能量流网络和信息流网络“三网协同”的信息物理系统。钢厂智能化既要重视数字化信息网络系统的研发，更要重视制造流程（物理系统）中物质流网络、能量流网络的结构优化和运行程序优化，通过以制造流程物理系统结构优化和数字化信息系统相互融合来实现钢厂智能化。
关键词： 钢铁制造流程； 物理结构； 物质流； 能量流； 信息流； 信息物理融合系统； 智能化
引言
由于企业生产方式和产品类型的不同，智能制造会有不同的模式。初步看来可分为：离散型智能制造、流程型智能制造、网络协同型智能制造、大规模个性化定制和远程运维服务。智能化产品未必一定来自智能化制造过程，智能化制造过程未必生产智能化产品；行业不同，企业类型不同，智能化的体现方式不尽相同。
以机械加工等为代表的离散型制造的特征是：
（1）机械类产品一般是由可拆分的零部件组装而成的。产品的性能、质量和加工效率取决于总体设计。
（2）机械类零部件及其加工过程一般在常温、固体状态下进行，较易实现数字化。
（3）离散的零部件在组装的过程中可数字化。
（4）各种机械加工装备的运行过程易于数字化。
（5）机器装配、运行整体上易于数字化。
（6）离散型制造业的智能化主要体现在产品功能的智能化。
以冶金、化工、建材为代表的流程型制造的特征是：
（1）企业由异质、异构、相关协同的工序构成，企业以不可拆分的制造流程整体协同运行的方式存在，适合于连续、批量化生产。
（2）制造流程中存在着复杂的物理、化学过程，甚至往往出现气、液、固多相共存的连续变化，物质/能量转化过程复杂，难以全部实现数字化。
（3）企业是复杂的大系统，输入的原料/燃料组分波动，外界随机干涉因素多，难以直接数字化。
（4）组成制造流程的单元工序/装置的功能是不同的，制造流程属于异质、异构单元组合的集成体。
（5）工序/装置之间的关系属于异质、异构单元之间非线性相互作用、动态耦合过程，匹配、协同的参数复杂多变，数字化较难。
（6）产品性能、质量、生产效率取决于工艺流程设计优化、各个工艺过程的优化和全流程运行的整体优化。
（7）流程型制造业的智能化主要体现在制造流程运行过程的智能化。
不同类型制造业的发展趋向不同：离散型制造主要体现在追求产品功能智能化、高效化。流程型制主要体现在造追求制造过程智能化、绿色化、产品质量品牌化。行（产）业不同，企业类型不同，实现智能化的途径、内涵、目标不能一概而论，应该各有特色。
流程制造业智能制造的涵义：根据流程制造业的特征，其智能制造的涵义应该是以企业生产经营全过程和企业发展全局的智能化、绿色化、产品质量品牌化为核心目标研发出来的生产经营全过程的数字物理融合系统。
其关键技术包括生产工艺/装置技术优化、工艺/装置之间的“界面”技术优化和制造全过程的整合-协同优化，以此为基础嵌入数字信息技术，从而构成体现智能特色的数字物理融合系统——CPS。
本文讨论的是流程型智能制造，是基于信息物理融合系统的、智能化制造的工厂，不是产品的智能化。现在尚没有典型的案例和理论，此处重在搭建一个构思的概念框架，寻找一条切入的有效途径，提出一个设想的开发步骤，形成一个开放的讨论平台。
1 制造流程的内在物理特征—自组织性和他组织力
流程制造业的“根”是制造流程（生产流程）。制造流程是为了实现特定的功能目标而构建的，一般是由相互关联而又异质-异构的工序/装置（子系统）在设定的时-空范围内，通过特定的信息系统动态地集成构建起来的结构化整体系统。流程的动态运行过程是开放性的、非平衡的，属于耗散结构、耗散过程[1-2]，为了优化流程运行过程的耗散，流程系统的运行应是动态-有序、协同-连续/准连续的。主导形成流程结构的“序”以及流程运行的“序”是来源于制造流程内部，因而必须认识到制造流程本身具有自组织性。制造流程的自组织性来自于流程的功能序、空间序和时间序的配置和组合。制造流程自组织力的强弱取决于流程系统内工序功能的解析-优化，工序之间相互作用关系的协同-优化和流程内工序集合的集成-优化。然而，有自组织性的系统未必有完全合理的自组织结构，在其运行时也未必有很强的自组织力，从而影响到耗散过程的优劣，为了优化流程系统的耗散过程（例如生产过程的效率、生产过程的稳定性等），往往需要外界的帮助、支持、调控（例如进行技术改造、加强调控手段、全局性的信息化支持等），这种来自原有流程物理系统外的帮助、支持、调控手段是他组织力。因此，制造流程的设计、运行过程，体现了流程的自组织性、自组织力和他组织力。当今而言，制造流程这一物理系统的本质性结构优化和融入强有力的信息化手段是流程工业绿色化、智能化发展的关键和共性特征。
2 关于钢铁企业智能化的认识
智能化远高于自动化和通讯技术，智能化不同于单元装置的自动化加通讯技术，更不是在个别工序/装置上加个机器人就算智能化。钢厂智能化就是要使不同工序/装置之间的横向集成性（重在结构优化、效率提高和价值提升）和原子/分子-装置/场域-制造流程/工厂等不同层次上的纵向集成性（重在质量提高、新品开发、能源转换效率提高和环境生态友好），通过网络化构建和程序化、数字化组织协同运行，并与资源/能源信息、市场/资金信息、环境/法律信息、生态/社会信息结合起来，在一定规则的指引下，构成一个包括设计、订单、计划、生产、销售、财务、服务在内的智能化的动态运行系统。包括智能化设计、智能化制造、智能化经营、智能化服务等内涵。
在钢厂中，“物质流是制造过程中被加工的主体，是主要物质产品的加工实现过程；能量流是制造加工过程中驱动力、化学反应介质、热介质等角色扮演者；信息流则是物质流行为、能量流行为和外界环境信息的反映以及人为调控信息的总和。”[1-2]可见，现代钢厂智能化是整个生产流程整体性的智能化，应该实时地控制、协调整个企业活动（不是局部工序的数字化或自动化，例如“一键式炼钢”等），预测预报可能遇到的“前景”，并及时作出应有的对策。当然，这必须建立在合理的硬件体系（即所谓的 “物理系统”）的基础上。这就如一个鸡蛋必须有蛋黄与蛋白，在钢厂里，作为物理体系的“硬件”——钢铁制造流程就如“蛋黄”，作为“软件”的数字化系统（包括互联网等）就如“蛋白”，两者必须相互融合，才能达到理想的效果。因此，钢铁制造流程的智能化有赖于铁素物质流、能量流和信息流的集成优化以及它们相应的流程网络和运行程序的协同优化。这样，通过作为硬件的“物理系统”（蛋黄）与作为软件的数字化系统（包括物联网等）相互嵌入并融合，才能易于实现钢厂的智能化。所以，钢厂智能化必须是在跨学科、跨领域的专家们通力合作下来实施的。
钢厂智能化不等于基础自动化加通讯，也不是仅靠ERP所能解决的。智能化的重要基础首先要解决企业活动（包括生产活动、经营活动等）过程中信息参数的及时地、全面地获得（例如：各类在线精确称重参数，在线温度测量，在线的质量测试与调控等），并在此基础上，加以合理分析、推理和全面网络化贯通。这就是要通过智能化工程设计（包括可视化设计），构建起以合理的物质流及物质流网络、能量流及能量流网络为标志的物理硬件系统，以此为基础使信息流易于顺利进入并贯通于全流程，形成完整的、有效的信息流网络及其运行程序，以促进提高外界输入的信息流指令对物理硬件系统产生的他组织效率。
3 信息物理融合系统（CPS）VS.互联网+
3. 1 关于信息物理融合系统
信息物理融合系统这个概念首先在美国被提出[3]。2006年年底，美国国家科学基金会（NSF）宣布该系统为国家科研核心课题。
信息物理融合系统被定义为具备物理输入输出且可相互作用的“元件”组成的网络。它不同于未联网的独立设备，也不同于没有物理输入输出的单纯信息网络。
信息物理融合系统这个概念和新系统的本质有关，特别是新系统的物理结构和物理本质有关，因而也可以更大胆地称为“智能技术系统”。然而，所有技术系统，包括那些最复杂的都只是人类智能的结果。它所能做的事都是人类已经设计和发明出来的。从这个意义上讲，那些最先进的技术系统也谈不上是完全智能的。
尽管如此，这个概念仍有其一定的合理性。由于各种技术系统的网络化，尤其是通过它们在无人介入的情况下自主执行某些功能的特性，常会令人产生它们已具备某些智能的感受……新的物理系统通过卓越的网络化建构和优秀的程序化控制，能独立地对外界条件作出反应，也能做到“自适应”——即在一定程度上优化自己的行为。
从钢铁制造流程动态运行的物理本质中可以看出，流程运行过程有三个要素，即“流”、“流程网络”和“运行程序”[1-2]。这三个“要素”与美国国家科学基金会（NSF）对CPS的概念是惊人的一致。即：钢铁制造流程是由融合着复杂的物理输入/输出的物质流网络、能量流网络和信息流网络所组成的数字物理系统，钢厂智能化不只是数字信息系统，不能仅从数字化一侧来推动钢厂智能化，而是必须高度重视物理系统的研究，必须是“三网协同”的信息物理系统：
（1）“流”包括了物质流、能量流和信息流，含有输入、输出的涵义，含有“矢量”的涵义。
（2）“流程网络”包括了物质流网络、能量流网络和信息流网络；三者应该关联、协同、融合。对于流程制造业而言，其中物质流网络是根源。
（3）“运行程序”包括了物质流运行程序、能量流运行程序和信息流运行程序。
这些都体现了钢铁制造流程信息物理系统的动态输入/输出本质和网络化关联行为。
3. 2 互联网+
互联网+，从词义上看是互联网与某一、某些事物相加，甚至也可以理解为互联网的升级版。其中突出强调以互联网为主导，也就是从发展信息技术出发，推动信息技术在各方面的应用，而客观事物则是处于被加的地位，其物理系统（硬件）不一定有根本性的进步……，甚至也有可能发生互联网与落后的事物相加，其效果就不理想了。
信息物理融合系统强调的是物理系统（例如工业制造流程系统等）的创新优化（这是智能化的基础性关键），与之相应、相关的信息系统的提升与融合（信息化、数字化、网络化、云计算等手段的有效融入是关键性手段）。
这是信息物理融合系统的集成、构建与高效、智能运行。信息物理融合系统不同于互联网+。
当然，互联网+的推进，必将有助于被加事物的信息化水平提高，但未必一定是以智能化为目标的。而信息物理融合系统则是以物理系统的优化、创新为基础，谋求在数字化、网络化、物联网等信息手段支持、调控下实现该物理系统的全局性、整体性、高层次的智能化。例如智能化工厂设计、智能化工厂的生产运行、智能化管理、智能化供应链和智能化服务体系等。
3. 3 智能化制造的本质
智能化制造的特点是：不是互联网自己“玩”，而是要和实体产业一起“玩”，只有蛋白孵不出“小鸡”，只有通过“蛋黄”与“蛋白”相互作用，协同融合，才能推动实物制造业的升级、创新，创造出不同于曾经理解的发展模式、业务模式和产品形态、产业群。
也许可以用太极图来表示物理系统和数字信息系统的关系，两者不是各占一半“平分秋色”的关系，而是相互作用、相互耦合、相互制约的关系（图1）。
其中，企业是本体，是物理内核，是阳鱼。数字化、网络化、信息化是发展活力提供者是阴鱼。阳鱼之眼（物理系统的追求）是动态有序、协同连续和耗散优化。阴鱼之眼（数字信息系统的能力）是自感知、自决策、自执行和自适应。
自感知、自决策、自执行和自适应包括：
（1）工序/装置内部信息、状态、参数的自感知、自决策、自执行。
（2）工序/装置之间以及车间之间状态、参数，特别是相互关系的自感知、自执行和自适应。
（3）全流程动态-协同运行状态的自感知、自执行与预测。
（4）钢厂生产（流程）运行受外部状态、参数影响的感知、预测与决策、自适应。
负阴抱阳，数字信息化与物理系统相互作用，紧密融合，不断进化，产生新的制造系统，新的企业功能、新的商业模式、新的业态。
4 推进钢厂智能化的思路
钢铁厂是典型的流程制造业，其竞争力、可持续发展力的根本性来源是整个制造流程运行、管理的智能化。
4. 1 钢厂智能化的内涵
智能化钢厂应该包括智能化的工厂设计、智能化工厂的生产运行、智能化管理、智能化供应链、智能化服务体系等高层次及全局性智能化问题（图2）。
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