工業(yè)智能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)共性關(guān)鍵技術(shù)

趙付青，劉 歡，2，朱 波，劉岳寶

（1.蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅蘭州 730050；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃、日本科技工業(yè)聯(lián)盟、英國(guó)工業(yè)2050 戰(zhàn)略及“中國(guó)制造2025”［1］表明，各國(guó)均將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型作為國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)［2-3］。通過(guò)信息化實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全自動(dòng)化、個(gè)性化、柔性及系統(tǒng)優(yōu)化，提高生產(chǎn)資源利用率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)分布式、柔性、定制化的生產(chǎn)制造模式［4］。作為“中國(guó)制造2025”中五大工程之一，智能制造工程將關(guān)鍵工序智能化、生產(chǎn)過(guò)程智能優(yōu)化控制、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代等作為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，這也是中國(guó)智能制造戰(zhàn)略卡脖子的核心技術(shù)之一［5］。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能的基礎(chǔ)支撐，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、管理等環(huán)節(jié)進(jìn)行高效、精準(zhǔn)決策、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化、敏捷靈活響應(yīng)。所謂工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，并非互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)制造領(lǐng)域的簡(jiǎn)單融合，而是在技術(shù)、內(nèi)涵層面進(jìn)行深度外延。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)既是實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，也是云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的應(yīng)用模式，更是一種新業(yè)態(tài)，將重塑企業(yè)形態(tài)、供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈［6-7］。

工業(yè)智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)進(jìn)行新興裂變和升級(jí)演化，推進(jìn)核心硬件、基礎(chǔ)軟件、機(jī)理分析與算法等基礎(chǔ)技術(shù)融合發(fā)展，逐步構(gòu)建工業(yè)智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系［8］，如圖1所示。

Fig.1 Technology industry system of industrial intelligence and industrial Internet圖1 工業(yè)智能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系

由圖1 可見，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)制造業(yè)已形成平臺(tái)化體系設(shè)計(jì)、智能化生產(chǎn)制造、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同控制、個(gè)性化定制服務(wù)、服務(wù)化業(yè)務(wù)延伸、數(shù)字化管理決策等新模式，新一代信息技術(shù)提升產(chǎn)業(yè)增值作用不斷顯現(xiàn)，促進(jìn)實(shí)體經(jīng)濟(jì)提質(zhì)、增效、降本、綠色、安全發(fā)展［9-10］。例如，物聯(lián)網(wǎng)及人工智能技術(shù)應(yīng)用于制造系統(tǒng)，為實(shí)時(shí)采集車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)提供技術(shù)支撐，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示影響生產(chǎn)計(jì)劃的干擾事件，為生產(chǎn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)自適應(yīng)重調(diào)度提供決策依據(jù)［11］。

本文以工業(yè)4.0 及“中國(guó)制造2025”為背景，研究工業(yè)智能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心關(guān)鍵技術(shù)，介紹關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)動(dòng)向，為從業(yè)者及研究人員提供參考。

1 相關(guān)工作

工業(yè)智能是人工智能技術(shù)與工業(yè)融合發(fā)展形成的產(chǎn)物，要求在工業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)智能感知與分析的技術(shù)、方法、產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)［12-13］。工業(yè)智能的本質(zhì)是人工智能通用技術(shù)與工業(yè)場(chǎng)景、機(jī)理、知識(shí)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式、生產(chǎn)決策、資源優(yōu)化等智能應(yīng)用［14］，需要具備自感知、自決策、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自執(zhí)行等能力，適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的工業(yè)環(huán)境，完成定制化工業(yè)任務(wù)，達(dá)到提升企業(yè)洞察力、提高工業(yè)生產(chǎn)效率或產(chǎn)品性能等目的。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）是新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)產(chǎn)業(yè)融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用模式和工業(yè)生態(tài)，通過(guò)連接人、機(jī)、物、系統(tǒng)等，構(gòu)建覆蓋產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)、服務(wù)系統(tǒng)，為工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展提供現(xiàn)實(shí)途徑，是第四次工業(yè)革命的重要基石［15］。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵是工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能決策技術(shù)［16］，發(fā)展初期就將工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為核心，將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)優(yōu)化控制作為實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)融合的關(guān)鍵。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)1.0 中，明確提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)是基于全面互聯(lián)而形成的智能化，即通過(guò)數(shù)據(jù)采集、集成處理、機(jī)理分析、優(yōu)化決策與控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器設(shè)備、運(yùn)營(yíng)管理到商業(yè)活動(dòng)的智能與優(yōu)化。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)2.0 則進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)閉環(huán)作用，明確工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基于感知控制、數(shù)字模型、決策優(yōu)化3 個(gè)基本層次，由自下而上的信息流和自上而下的控制流構(gòu)成工業(yè)數(shù)字化應(yīng)用優(yōu)化閉環(huán)實(shí)現(xiàn)核心功能。

工業(yè)智能是實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)優(yōu)化閉環(huán)的關(guān)鍵。在智能感知、泛在連接、深度集成和高效處理基礎(chǔ)上，基于工業(yè)智能計(jì)算與算法將以人為主的決策和反饋轉(zhuǎn)變?yōu)榛跈C(jī)器或系統(tǒng)自主建模、決策、反饋，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)決策和動(dòng)態(tài)優(yōu)化提供可能［17］。實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)到信息、知識(shí)、決策的轉(zhuǎn)化，擺脫傳統(tǒng)認(rèn)知和知識(shí)邊界限制，為智能優(yōu)化與決策提供可靠的量化依據(jù)，最大化發(fā)揮工業(yè)數(shù)據(jù)的隱含價(jià)值。

2 工業(yè)智能核心技術(shù)

工業(yè)智能的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化、信息化、智能化。其中，工業(yè)自動(dòng)化指產(chǎn)品全生命周期（產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品服務(wù)）制造活動(dòng)中操作工作自動(dòng)化；工業(yè)信息化指產(chǎn)品全生命周期制造活動(dòng)中生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息化；工業(yè)智能化指產(chǎn)品全生命周期制造活動(dòng)中生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和人機(jī)互動(dòng)與協(xié)作智能化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期制造全流程優(yōu)化［18］。

如圖2 所示，工業(yè)自動(dòng)化與信息化技術(shù)在工業(yè)革命中具有重要作用［13］。其中，第一次工業(yè)革命，通過(guò)蒸汽機(jī)調(diào)速反饋控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；第二次工業(yè)革命，PID 與邏輯控制實(shí)現(xiàn)傳送帶自動(dòng)化；第三次工業(yè)革命，回路控制、邏輯控制與監(jiān)控和運(yùn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。

Fig.2 Evolution of the four industrial revolutions圖2 四次工業(yè)革命的演化進(jìn)程

隨后，ERP 與MES 實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理與決策的知識(shí)工作信息化、操作工作自動(dòng)化、管理與決策知識(shí)工作信息化，推動(dòng)了第四次工業(yè)革命，利用新一代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)—信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System）相結(jié)合的手段實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0，如圖3所示。

由圖3 可見，工業(yè)4.0 包含智能工廠、智能生產(chǎn)和智能物流三大主題。其中，智能工廠主要研究工廠生產(chǎn)過(guò)程及系統(tǒng)智能化；智能生產(chǎn)主要涉及整個(gè)工廠生產(chǎn)物流過(guò)程管理；智能物流通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)整合物流資源，平衡物流雙方的供需。

Fig.3 Specific contents of Industry 4.0圖3 工業(yè)4.0具體內(nèi)容

德國(guó)工業(yè)4.0 戰(zhàn)略及美國(guó)的CPS 計(jì)劃都將信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical Systems，CPS）作為工業(yè)智能實(shí)施的核心技術(shù)。CPS 是一個(gè)工業(yè)智能技術(shù)體系，具有清晰的技術(shù)框架和使用流程，能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集、融合、解析、分析、預(yù)測(cè)、優(yōu)化、決策、控制，從而實(shí)時(shí)分析工業(yè)數(shù)據(jù)，并在分析過(guò)程中充分考慮機(jī)理邏輯、流程關(guān)系、活動(dòng)目標(biāo)、商業(yè)活動(dòng)等特征要求。因此，CPS 是通過(guò)大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)分析、構(gòu)建工業(yè)智能化體系的核心。如圖4 所示，CPS 包含智能感知層、智能分析層、網(wǎng)絡(luò)層、智能認(rèn)知層、智能決策與執(zhí)行層［19］。

Fig.4 5C architecture of CPS圖4 CPS的5C架構(gòu)體系

由圖4 可見，新一代人工智能技術(shù)正積極推動(dòng)產(chǎn)業(yè)智能化進(jìn)程，助力中國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。以深度學(xué)習(xí)、知識(shí)圖譜為代表的工業(yè)智能技術(shù)及新理論、新方法相互融合，從根本上提高系統(tǒng)建模、處理復(fù)雜性、不確定性、常識(shí)性等問(wèn)題的能力。在工業(yè)智能系統(tǒng)中，需要借助自動(dòng)化機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)工業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。針對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)小樣本特性，需要研究新的建模方法，使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流提煉數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而優(yōu)化模型。同時(shí)，將新一代人工智能技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，利用單個(gè)生產(chǎn)實(shí)體運(yùn)行數(shù)據(jù)完成生產(chǎn)過(guò)程的知識(shí)表示，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控與決策［20］。

此外，通過(guò)不同生產(chǎn)實(shí)體間構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，完成整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)體系的統(tǒng)籌決策，提升工業(yè)生產(chǎn)工藝效率［21］。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)

3.1 制造企業(yè)智能化現(xiàn)狀與發(fā)展方向

中國(guó)制造企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主體基于PLC/DCS 的計(jì)算機(jī)管理與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。其中，硬件平臺(tái)由PLC/DCS 控制系統(tǒng)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和管理計(jì)算機(jī)等構(gòu)成；軟件平臺(tái)包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、組態(tài)軟件、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、ERP 和MES；工業(yè)網(wǎng)絡(luò)包含控制網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)）、管理以太網(wǎng)。

Fig.5 Computer management and control system structure based on PLC/DCS圖5 基于PLC/DCS的計(jì)算機(jī)管理與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展存在以下不足：①企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備智能化程度、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)水平參差不齊，發(fā)展不均衡；②工業(yè)設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)各異，統(tǒng)一管理難度較大；③工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展基礎(chǔ)與期望間差距較大，平臺(tái)綜合能力較差；④部分生產(chǎn)企業(yè)雖然實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)流程局部智能化，但缺乏工業(yè)與智能的真正融合。

如圖6 所示，多數(shù)工業(yè)智能化水平較高的企業(yè)仍然采用人工參與的信息物理系統(tǒng)［6］，無(wú)法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程全局優(yōu)化和個(gè)性定制高效化。

發(fā)展工業(yè)智能的目標(biāo)是使企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程智能化、高端化、綠色化，提升生產(chǎn)效率和資源利用率。如圖7 所示，將企業(yè)原有的ERP、MES 的融合系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿藱C(jī)合作的智能管理決策系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)ERP/MES/DCS（PCS）三層結(jié)構(gòu)向兩層結(jié)構(gòu)的決策與控制一體化系統(tǒng)發(fā)展［19］。

制造流程全局優(yōu)化和個(gè)性化定制高效化，將驅(qū)動(dòng)人工觀察向大數(shù)據(jù)AI 檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展、人工操作向人工輔助AI決策系統(tǒng)發(fā)展、人工控制系統(tǒng)向智能自主決策控制系統(tǒng)發(fā)展、單一生產(chǎn)結(jié)構(gòu)自動(dòng)化系統(tǒng)向全流程多工序協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng)發(fā)展、本地監(jiān)控系統(tǒng)向遠(yuǎn)程移動(dòng)可視化監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展。

工業(yè)人工智能研究及應(yīng)用的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)工作自動(dòng)化和智能化，顯著提升經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益［22］，包括生產(chǎn)和過(guò)程設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理和決策，制造和運(yùn)營(yíng)管理控制［23］。在企業(yè)級(jí)CPS 系統(tǒng)中，將工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄茏灾骺刂葡到y(tǒng)，使工業(yè)生產(chǎn)知識(shí)管理工作智能化，如圖8所示。

3.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)智能實(shí)施的基礎(chǔ)，目標(biāo)是建立人、機(jī)、物在內(nèi)智能實(shí)體之間知識(shí)層次的互聯(lián)互通，是一種直接面向工業(yè)智能的復(fù)雜協(xié)同自動(dòng)化感知與決策系統(tǒng)。美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)不僅要實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物、系統(tǒng)連接，還要獲取工業(yè)大數(shù)據(jù)，產(chǎn)生有價(jià)值的信息，為企業(yè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)管理和制造過(guò)程創(chuàng)造附加價(jià)值。德國(guó)工業(yè)4.0 利用信息與通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器和工業(yè)過(guò)程的智能互聯(lián)，將新一代信息和通信技術(shù)融合至傳統(tǒng)高科技戰(zhàn)略中，成為工業(yè)智能技術(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)者［24］。中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新一代智能信息技術(shù)與工業(yè)相結(jié)合的技術(shù)系統(tǒng)，在生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)感知與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制方面解決了復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)管控問(wèn)題，但在系統(tǒng)資源利用率、自適應(yīng)性、自組織性、安全性等方面缺乏有效的融合系統(tǒng)工程技術(shù)。

3.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展機(jī)遇

當(dāng)前，全球新一輪工業(yè)技術(shù)革命加速發(fā)展，工業(yè)智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷突破，為各國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展注入新動(dòng)力，也為促進(jìn)全球工業(yè)融合發(fā)展提供新機(jī)遇。隨著中國(guó)新一代信息技術(shù)不斷發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新，推動(dòng)工業(yè)信息化、智能化在更廣范圍、更深程度、更高水平上實(shí)現(xiàn)融合發(fā)展。同時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展也面臨巨大挑戰(zhàn)。結(jié)合中國(guó)工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求及工業(yè)智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)，需要解決以下問(wèn)題：①針對(duì)因果關(guān)系不清的復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模技術(shù)；②不同尺度、多沖突目標(biāo)復(fù)雜工業(yè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化決策與控制技術(shù)；③基于人工智能技術(shù)與優(yōu)化策略結(jié)合的人機(jī)協(xié)同目標(biāo)優(yōu)化決策技術(shù)；④基于新一代信息技術(shù)與工業(yè)大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的工業(yè)智能運(yùn)行特性、決策知識(shí)挖掘技術(shù)。

Fig.6 Structure of CPS with human participation圖6 人參與的信息物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.7 Integrated decision and control system圖7 決策與控制一體化系統(tǒng)

因此，以下關(guān)鍵技術(shù)亟待解決：①工業(yè)智能算法；②復(fù)雜工業(yè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)字孿生；③復(fù)雜運(yùn)行工況智能感知與識(shí)別；④生產(chǎn)要素預(yù)測(cè)與回溯；⑤生產(chǎn)全流程協(xié)同優(yōu)化控制；⑥自優(yōu)化、高性能控制技術(shù)；⑦人機(jī)互動(dòng)與協(xié)作的智能決策；⑧智能優(yōu)化決策與控制一體化；⑨智能化管控系統(tǒng)。

4 工業(yè)智能應(yīng)用案例

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展可提供完整的互聯(lián)網(wǎng)+人工智能+工業(yè)制造解決方案。從企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行管理與決策中亟待解決的問(wèn)題為例，采用工業(yè)大數(shù)據(jù)和端邊云架構(gòu)，建立生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字孿生系統(tǒng)［25-26］，利用大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人工智能技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化與信息化和工業(yè)領(lǐng)域知識(shí)深度融合與協(xié)同，研發(fā)工業(yè)智能系統(tǒng)，通過(guò)研究單位—高技術(shù)公司—制造企業(yè)多方合作，形成基礎(chǔ)研究—技術(shù)研發(fā)—工程應(yīng)用長(zhǎng)期穩(wěn)定合作研究機(jī)制和研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

4.1 有色冶金產(chǎn)業(yè)

甘肅省為有色冶金產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)域，為了研究制造全流程數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)感知技術(shù)和突出資源循環(huán)利用的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)企業(yè)智能決策技術(shù)。

Fig.8 CPS of the enterprise level圖8 企業(yè)級(jí)信息物理系統(tǒng)

本文提出有色冶金企業(yè)群內(nèi)共生耦合工藝跨域優(yōu)化方法。該方法基于端—邊—云架構(gòu)研發(fā)智能協(xié)同選礦（鎳）、智能鎳成品協(xié)同管控、關(guān)鍵設(shè)備故障診斷與健康評(píng)價(jià)、資源循環(huán)智能決策等有色冶金網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈、營(yíng)銷鏈和服務(wù)鏈企業(yè)群間的協(xié)同制造，如圖9所示。

由圖9 所示，基于全流程數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)感知技術(shù)，通過(guò)5G+有線混合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的連接和數(shù)據(jù)匯集，根據(jù)生產(chǎn)管理需求開發(fā)多個(gè)智能邊緣系統(tǒng)，全面采集底層生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，為協(xié)同制造平臺(tái)的建設(shè)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。基于工藝跨域優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行具有工藝流程優(yōu)化、動(dòng)態(tài)排產(chǎn)、能耗管理等功能的智能選礦系統(tǒng)應(yīng)用。融合智能制造技術(shù)進(jìn)行具有實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度、智能能源管控、智能產(chǎn)品質(zhì)量溯源、數(shù)字孿生等功能的智能鎳成品協(xié)同管理系統(tǒng)應(yīng)用。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的企業(yè)智能決策集成技術(shù)，自動(dòng)對(duì)球磨機(jī)、濃密機(jī)與壓縮機(jī)進(jìn)行故障診斷與健康評(píng)測(cè)。

結(jié)合金川集團(tuán)信息化建設(shè)實(shí)際，基于已有信息化系統(tǒng)和改造后的基礎(chǔ)設(shè)施，完成有色冶金產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造集成平臺(tái)的驗(yàn)證與示范，最終達(dá)到產(chǎn)業(yè)鏈級(jí)全局優(yōu)化，智能自主決策分析、協(xié)同分工智能制造集成的目的。

4.1 電解鋁行業(yè)

針對(duì)甘肅省電解鋁行業(yè)，研究設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及生產(chǎn)環(huán)境/工藝參數(shù)感知及預(yù)測(cè)、跨工序/裝置能質(zhì)耦合機(jī)制、生產(chǎn)過(guò)程智能調(diào)度等技術(shù)，研發(fā)質(zhì)量管控、設(shè)備全流程精準(zhǔn)管控、區(qū)域聚集跨企業(yè)生產(chǎn)協(xié)同調(diào)度及供應(yīng)鏈管理應(yīng)用系統(tǒng)，突破區(qū)域集聚多企業(yè)短流程鋁液協(xié)同調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管控一體化，支持供應(yīng)鏈協(xié)同，如圖10所示。

Fig.9 Demonstration application of the collaborative manufacturing integrated platform圖9 協(xié)同制造集成平臺(tái)示范應(yīng)用示意

由圖10 可見，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)，針對(duì)電解鋁集聚區(qū)域短流程協(xié)同制造特點(diǎn)，研發(fā)協(xié)同制造應(yīng)用系統(tǒng)主要包括：

（1）區(qū)域集聚跨企業(yè)生產(chǎn)協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)。通過(guò)智能出鋁排產(chǎn)、精準(zhǔn)出鋁及配鋁優(yōu)化調(diào)度，解決多企業(yè)區(qū)域協(xié)同生產(chǎn)模式電解鋁配鋁計(jì)劃和調(diào)度優(yōu)化的關(guān)鍵問(wèn)題，產(chǎn)生合理的協(xié)同配鋁方案和動(dòng)態(tài)調(diào)度策略，推動(dòng)協(xié)同生產(chǎn)模式應(yīng)用。

（2）供應(yīng)鏈管理。實(shí)現(xiàn)電解鋁企業(yè)采購(gòu)、銷售、倉(cāng)儲(chǔ)及物流的高效聯(lián)動(dòng)、智能可視、全局統(tǒng)籌、精準(zhǔn)追溯、高效協(xié)同。

（3）設(shè)備全流程精準(zhǔn)管理。以備件超市為核心，全生命周期監(jiān)管備件，減少資金占用率，實(shí)現(xiàn)備件采購(gòu)與供應(yīng)商供給協(xié)同。

（4）質(zhì)量管理。通過(guò)質(zhì)量預(yù)測(cè)與優(yōu)化控制提升產(chǎn)品質(zhì)量，基于質(zhì)量一貫性管理及質(zhì)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上下游企業(yè)質(zhì)量追溯。

基于甘肅酒鋼集團(tuán)東興鋁業(yè)有限公司、蘭州鋁業(yè)有限公司已有的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)和資源，進(jìn)一步研究電解鋁短流程全工藝流程協(xié)同模式，開展跨企業(yè)協(xié)同制造應(yīng)用系統(tǒng)的部署，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管控一體化、跨企業(yè)鋁液協(xié)同優(yōu)化調(diào)度和供應(yīng)鏈協(xié)同。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)工業(yè)智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)梳理，總結(jié)中國(guó)工業(yè)智能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀與現(xiàn)存問(wèn)題。并且，結(jié)合甘肅省有色冶金行業(yè)區(qū)域集聚發(fā)展，提出工業(yè)智能技術(shù)落地的應(yīng)用方案，以期為企業(yè)工業(yè)智能發(fā)展提供參考。

“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略以制造業(yè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展為基本目標(biāo)，以工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型為主要方向。中國(guó)工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的本質(zhì)就是為工業(yè)提供智能助力，將人工智能等新一代智能技術(shù)融入工業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，達(dá)到閉環(huán)自治的智能化效果。

Fig.10 Application system of regional agglomeration electrolytic aluminum multi-enterprise short process collaborative manufacturing圖10 面向區(qū)域集聚電解鋁多企業(yè)短流程協(xié)同制造應(yīng)用系統(tǒng)