流程工业智能工厂建设技术的研究
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信息化论坛 信息技术与信息化
流程工业智能工厂建设技术的研究
Research on Intelligent Plant Construction Technology of Process Industry
摘要 关键词
夏茂森 *
XIA Mao-sen
智能工厂是未来工厂的发展方向，也是信息化应用的高级阶段，更是多学科之间相互渗透、 相互支持，实现“两化”深度融合的必由之路。文章针对许多企业面对“大数据”时代的无 奈和实施工厂智能化的困惑，回顾了智能化思想的发展历程，解读了传统智能工厂的理念， 给出了现阶段智能工厂新的定义。面对众多的科学研究方法，从易工程化和技术成熟度两个 维度，对流程制造工业智能工厂体系架构和基础实施技术进行了探索，认为基于知识发现和 基于模型的两类技术应该是目前智能工厂建设的首选技术，并利用这两个方法设计了流程工 业三个层面智能化的体系架构。 CIMS 智能化 智能工厂 知识发现技术 建模技术
智能化技术是一个多学科综合技术的集大成，涉 及计算机、数字图像化、数据处理、机器学习、自动 化、系统工程、统计决策、人工智能、建模、流程模 拟等等多个领域。通过各学科之间互相融合渗透、相 辅相成，以信息“化”实现智能“化”的目的。
2 智能工厂的概念及体系架构
制造工厂是一个复杂的、动态的有机整体，其 内部技术、经济和人等三方面因素相互制约。从技术 角度看 , 市场预测、经营决策、产品设计、原料订 购与处理、生产加工、生产管理、原料产品的储运、 产品销售、研究与发展等环节彼此相互影响 , 构成 生产经营的全过程 , 各环节的集成自动化水平决定 该过程的自动化程度 , 各环节的集成智能水平影响 该系统的自组织能力。因此，智能工厂建设的核心是 “ 智能化”和“ 集成化”，集成是智能的基础 , 智 能促使进一步集成。
Abstract Intelligent plant will be leading the development of future factories. That is not only the advanced stage of the information application, but also the multi-disciplinary inter-infiltration and mutual support, which thus will be the only way to achieve deep integration of informationization and industrialization. Focusing on the helplessness caused by the era of “Big Data” and the confusions about the implementation of intelligent factory faced by many companies, this paper reviews the development of intellectualization thoughts, interprets the concept of traditional intelligent plant, and provides the new definition of an intelligent plant at the present stage. Among numerous scientific research methods, this study explores the systematic structure of an intelligent plant of process manufacturing industry and basic implementation techniques in the terms of simplified engineering and technological maturity. Finally, the paper figures out that the preferred technologies for the intelligent plant construction will be based on knowledge discovery and modeling which can be applied in the design of systematic structure for the three-level intellectualization of process industry.
中国石化股份有限公司信息系统管理部李德芳主 任从中国石化信息发展规划出发，高度概括了“智能 工厂”的五个特征：“自动化”、“可视化”、“信 息化”、“模型化”和“数字化”[2]。作者理解这 5 个特征，“信息化”是手段，其它四个“化”都是在 信息化主导下的具体表现形式。有的文献中，总结智 能工厂的运行特征为“泛在感知”、“高度集成”、 “模型驱动”、“自治能力”和“人机协同”，有异 曲同工之妙。
1989 年，D.A. Bourne 组织完成了首台智能加 工 工 作 站（IMW） 的 样 机， 促 生 了 智 能 制 造 思 想 的 形 成，1993 年 4 月 美 国 工 程 师 协 会（SME） 召 开 的 IPC‘93’ , 提出了“ 智能制造、新技术、新市场、 新动力”的口号；1990 年 6 月，日本通产省提出了“智 能制造系统”研究的 10 年计划，并从 1991 年正式实 施；1991 年，韩国提出了“高级先进技术国家计划” 用来实施“先进制造系统”的研究与开发。随着理论 研究的深入和各类应用技术探索，目前国际上，实施 智能化的不少关键技术已日臻成熟，并在部分应用中 得到了实践，取得了较好的应用效果。
然而，在现有信息化基础上怎样上一个台阶，面 对已经初具规模的信息化应用和众多的应用系统，许 多人都在困惑，“两化”深度融合之路该怎么走、深
化应用该怎么开展。一个很现实的问题是企业面对信 息系统产生的大量数据，仅仅依靠 BI 工具，简单地 生成大量的展示图报表为管理决策层提供所谓的辅助 支持（当然也可以称之为初级辅助决策系统），耗时、 费力却没有得到管理层的认可和良好应用效果。因此， 利用易工程化的前沿技术提升企业信息化建设能力， 以信息“化”为手段，融合多学科智能技术解决方案， 实现整个工厂生产经营过程的智能化、自动化和最优 化应该是现阶段信息化发展乃至“两化”深度融合的 必然选择。
智能工厂的叫法也比较多，比如“智慧工厂”、 “智能制造技术及系统”等。2005 年，英特尔公司 更形象地提出了“熄灯工厂”的建设理念。实际上， 分析这些不同名称的文献描述，殊途同归，其核心都 离不开“智能化”，其实施技术也都离不开各类学科 的前沿技术。
“智能化”是智能工厂的核心。要给智能工厂下 定义，首先得理解什么是“智能化”，“智能化”是 指工厂具有灵敏准确的感知能力、正确的思维判断能 力以及行之有效的执行方法。在实施智能工厂过程中， 信息化应该是一种为实现智能化目的，集成各学科技 术（含各学科技术内部的信息化应用）的手段，也就 是未来智能工厂是以信息化为主导的一种制造模式。 在这一模式下，通过信息化可以实现智能工厂的其它 特征，比如可实现“智慧工厂”“四化”特点中的“柔 性化”、“敏捷化”和“智能化”。
可以说，智能化思想是继 CIMS 技术之后兴起的 面向 21 世纪新的制造技术，也正是受这一思想的影 响，拉开了世界各国争夺高科技前沿的序幕。中国在 智能制造方面的大多数研究并不乐观，有些研究仍然 停留在概念研究阶段，有所建树的也只是局限在人工 智能和机器人等少数基础技术的研究方面，而对制造 企业的全面“智能化”还仅仅限于 CIMS 理念的扩展上。 近 20 多年时间内，国内大多数企业信息化的重点是 强化“专题应用”和消除“信息孤岛”。走得相对比 较远的国有大中型企业，特别是石油石化、钢铁等能 源行业，也基本上都是在基于 20 世纪 90 年代初美国 AMR 公司提出的信息化三层架构模型，开展各层面的 信息化应用，相继开展了经营管理层的 ERP 系统、生 产管理层的 MES 系统、PCS 层的 APC/RTO 应用，取得 了显著的经济效益和社会效益，也同步提升了基础设 施建设水平。
正确解读智能工厂的相关概念和体系架构，可使 智能工厂的顶层设计、规划、技术的选择和实施都有 理论和现实依据。 2.1 智能工厂的概念
目前从科学研究和工程实施两个角度对智能工厂 有两种不同的意见，前者认为一个工厂生产过程既具 有人类智能 ( 或部分地 )，又具有与人类实现其智能 相似的过程与途径，就是智能工厂； 后者认为一个 工厂生产过程只要具有（或部分具有）人类智能就称 为智能工厂，而不管实现其智能的过程与途径。我认 为技术发展到今天，上述两个观点都值得重新商榷。
信息化改变着世界，同时也带给我们很多的憧憬， 促使着人们不断地进行探索和研究来实现这些美好的 向往。仁者见仁、智者见智，不同的背景会给出不同 的答案，但都会在某些方面推动着智能工厂建设思路
得以持续优化和改进。 30 多年来，作者在炼油化工、企业管理、自动
化和信息化等方面积累了点滴经验和知识，愿与同行 一道共同探讨流程工业智能工厂的建设技术。文章通 过解读智能工厂的有关概念和体系架构，结合企业信 息化应用现状，探讨了目前国际上已经成熟的、易工 程化的基础实施技术在智能工厂建设中的可行性。并 对流程工业信息化三个建设层面中的智能化体系进行 了初步探索。
目前智能工厂还没有形成公认的、统一的定义， 从 20 世纪 90 年代初期“智能制造”思想提出至今， 也正是受上述两个观点的影响，众多智能化工程纷纷
2013 年第 6 期 47
信息化论坛 信息技术与信息化
出现，特别是一些从事自动化工程的公司，都宣称自 己拥有智能化工厂的解决方案，有些企业仅仅依靠网 络实现了部分数据的集成共享和部分流程协同，就冠 以智能工厂的头衔。
从科学研究角度，智能工厂定义如下： 生产工 厂的各个环节 , 以一种高度柔性与高度集成的方式 , 通过信息系统来模拟生产经营专家的智能活动 , 对 生产经营问题进行分析、判断、推理、构思和决策 , 取代或延伸生产经营环境中人的部分脑力劳动并对人 类专家的智能活动进行收集、存贮、完善、共享、继 承和发展。实现人类智能活动向信息系统智能活动的 转化。
Keywords CIMS Intellectualized Intelligent plant Knowledge discovery technology Modeling technology
doi: 10. 3969/j. issn. 1672 - 9528. 2013. 06 13
智能工厂是未来工厂的发展方向，也是信息化建 设与应用的高级阶段，更是“两化”深度融合的的必 经之路。2008 年，美国知名网站给出了基于信息技 术的未来 10 年制造工厂的发展预测： 一个理想的工 厂应该是一名员工一条狗，员工负责喂狗，狗确保员 工不能随便触摸任何设备。
* 中国石化齐鲁分公司 山东淄博 255400
46 2013 年第 6 期
源自文库
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1 智能化思想发展历程
20 世纪 80 年代，计算机集成制造系统（CIMS） 在欧美国家曾风靡一时，但由于理论和实际差距太大， 80 年代末，CIMS 技术在欧美等工业化国家开始降温。 然而，从 90 年代至今，CIMS 的余温却一直影响着中 国，在国家 863 计划中占得了一席之地，并催生了多 个 CIMS 技术研究中心的建立和多个 CIMS 奖项的产生。 当然不可否认，中国在这十几年 CIMS 技术的研究与 实践中，在广度和深度上都丰富和扩展了原 CIM/CIMS 的内涵，注入了新的活力，比如提出了“智能化”是 CIMS 技术未来发展的美好前景 [1]。
流程工业智能工厂建设技术的研究
Research on Intelligent Plant Construction Technology of Process Industry
摘要 关键词
夏茂森 *
XIA Mao-sen
智能工厂是未来工厂的发展方向，也是信息化应用的高级阶段，更是多学科之间相互渗透、 相互支持，实现“两化”深度融合的必由之路。文章针对许多企业面对“大数据”时代的无 奈和实施工厂智能化的困惑，回顾了智能化思想的发展历程，解读了传统智能工厂的理念， 给出了现阶段智能工厂新的定义。面对众多的科学研究方法，从易工程化和技术成熟度两个 维度，对流程制造工业智能工厂体系架构和基础实施技术进行了探索，认为基于知识发现和 基于模型的两类技术应该是目前智能工厂建设的首选技术，并利用这两个方法设计了流程工 业三个层面智能化的体系架构。 CIMS 智能化 智能工厂 知识发现技术 建模技术
智能化技术是一个多学科综合技术的集大成，涉 及计算机、数字图像化、数据处理、机器学习、自动 化、系统工程、统计决策、人工智能、建模、流程模 拟等等多个领域。通过各学科之间互相融合渗透、相 辅相成，以信息“化”实现智能“化”的目的。
2 智能工厂的概念及体系架构
制造工厂是一个复杂的、动态的有机整体，其 内部技术、经济和人等三方面因素相互制约。从技术 角度看 , 市场预测、经营决策、产品设计、原料订 购与处理、生产加工、生产管理、原料产品的储运、 产品销售、研究与发展等环节彼此相互影响 , 构成 生产经营的全过程 , 各环节的集成自动化水平决定 该过程的自动化程度 , 各环节的集成智能水平影响 该系统的自组织能力。因此，智能工厂建设的核心是 “ 智能化”和“ 集成化”，集成是智能的基础 , 智 能促使进一步集成。
Abstract Intelligent plant will be leading the development of future factories. That is not only the advanced stage of the information application, but also the multi-disciplinary inter-infiltration and mutual support, which thus will be the only way to achieve deep integration of informationization and industrialization. Focusing on the helplessness caused by the era of “Big Data” and the confusions about the implementation of intelligent factory faced by many companies, this paper reviews the development of intellectualization thoughts, interprets the concept of traditional intelligent plant, and provides the new definition of an intelligent plant at the present stage. Among numerous scientific research methods, this study explores the systematic structure of an intelligent plant of process manufacturing industry and basic implementation techniques in the terms of simplified engineering and technological maturity. Finally, the paper figures out that the preferred technologies for the intelligent plant construction will be based on knowledge discovery and modeling which can be applied in the design of systematic structure for the three-level intellectualization of process industry.
中国石化股份有限公司信息系统管理部李德芳主 任从中国石化信息发展规划出发，高度概括了“智能 工厂”的五个特征：“自动化”、“可视化”、“信 息化”、“模型化”和“数字化”[2]。作者理解这 5 个特征，“信息化”是手段，其它四个“化”都是在 信息化主导下的具体表现形式。有的文献中，总结智 能工厂的运行特征为“泛在感知”、“高度集成”、 “模型驱动”、“自治能力”和“人机协同”，有异 曲同工之妙。
1989 年，D.A. Bourne 组织完成了首台智能加 工 工 作 站（IMW） 的 样 机， 促 生 了 智 能 制 造 思 想 的 形 成，1993 年 4 月 美 国 工 程 师 协 会（SME） 召 开 的 IPC‘93’ , 提出了“ 智能制造、新技术、新市场、 新动力”的口号；1990 年 6 月，日本通产省提出了“智 能制造系统”研究的 10 年计划，并从 1991 年正式实 施；1991 年，韩国提出了“高级先进技术国家计划” 用来实施“先进制造系统”的研究与开发。随着理论 研究的深入和各类应用技术探索，目前国际上，实施 智能化的不少关键技术已日臻成熟，并在部分应用中 得到了实践，取得了较好的应用效果。
然而，在现有信息化基础上怎样上一个台阶，面 对已经初具规模的信息化应用和众多的应用系统，许 多人都在困惑，“两化”深度融合之路该怎么走、深
化应用该怎么开展。一个很现实的问题是企业面对信 息系统产生的大量数据，仅仅依靠 BI 工具，简单地 生成大量的展示图报表为管理决策层提供所谓的辅助 支持（当然也可以称之为初级辅助决策系统），耗时、 费力却没有得到管理层的认可和良好应用效果。因此， 利用易工程化的前沿技术提升企业信息化建设能力， 以信息“化”为手段，融合多学科智能技术解决方案， 实现整个工厂生产经营过程的智能化、自动化和最优 化应该是现阶段信息化发展乃至“两化”深度融合的 必然选择。
智能工厂的叫法也比较多，比如“智慧工厂”、 “智能制造技术及系统”等。2005 年，英特尔公司 更形象地提出了“熄灯工厂”的建设理念。实际上， 分析这些不同名称的文献描述，殊途同归，其核心都 离不开“智能化”，其实施技术也都离不开各类学科 的前沿技术。
“智能化”是智能工厂的核心。要给智能工厂下 定义，首先得理解什么是“智能化”，“智能化”是 指工厂具有灵敏准确的感知能力、正确的思维判断能 力以及行之有效的执行方法。在实施智能工厂过程中， 信息化应该是一种为实现智能化目的，集成各学科技 术（含各学科技术内部的信息化应用）的手段，也就 是未来智能工厂是以信息化为主导的一种制造模式。 在这一模式下，通过信息化可以实现智能工厂的其它 特征，比如可实现“智慧工厂”“四化”特点中的“柔 性化”、“敏捷化”和“智能化”。
可以说，智能化思想是继 CIMS 技术之后兴起的 面向 21 世纪新的制造技术，也正是受这一思想的影 响，拉开了世界各国争夺高科技前沿的序幕。中国在 智能制造方面的大多数研究并不乐观，有些研究仍然 停留在概念研究阶段，有所建树的也只是局限在人工 智能和机器人等少数基础技术的研究方面，而对制造 企业的全面“智能化”还仅仅限于 CIMS 理念的扩展上。 近 20 多年时间内，国内大多数企业信息化的重点是 强化“专题应用”和消除“信息孤岛”。走得相对比 较远的国有大中型企业，特别是石油石化、钢铁等能 源行业，也基本上都是在基于 20 世纪 90 年代初美国 AMR 公司提出的信息化三层架构模型，开展各层面的 信息化应用，相继开展了经营管理层的 ERP 系统、生 产管理层的 MES 系统、PCS 层的 APC/RTO 应用，取得 了显著的经济效益和社会效益，也同步提升了基础设 施建设水平。
正确解读智能工厂的相关概念和体系架构，可使 智能工厂的顶层设计、规划、技术的选择和实施都有 理论和现实依据。 2.1 智能工厂的概念
目前从科学研究和工程实施两个角度对智能工厂 有两种不同的意见，前者认为一个工厂生产过程既具 有人类智能 ( 或部分地 )，又具有与人类实现其智能 相似的过程与途径，就是智能工厂； 后者认为一个 工厂生产过程只要具有（或部分具有）人类智能就称 为智能工厂，而不管实现其智能的过程与途径。我认 为技术发展到今天，上述两个观点都值得重新商榷。
信息化改变着世界，同时也带给我们很多的憧憬， 促使着人们不断地进行探索和研究来实现这些美好的 向往。仁者见仁、智者见智，不同的背景会给出不同 的答案，但都会在某些方面推动着智能工厂建设思路
得以持续优化和改进。 30 多年来，作者在炼油化工、企业管理、自动
化和信息化等方面积累了点滴经验和知识，愿与同行 一道共同探讨流程工业智能工厂的建设技术。文章通 过解读智能工厂的有关概念和体系架构，结合企业信 息化应用现状，探讨了目前国际上已经成熟的、易工 程化的基础实施技术在智能工厂建设中的可行性。并 对流程工业信息化三个建设层面中的智能化体系进行 了初步探索。
目前智能工厂还没有形成公认的、统一的定义， 从 20 世纪 90 年代初期“智能制造”思想提出至今， 也正是受上述两个观点的影响，众多智能化工程纷纷
2013 年第 6 期 47
信息化论坛 信息技术与信息化
出现，特别是一些从事自动化工程的公司，都宣称自 己拥有智能化工厂的解决方案，有些企业仅仅依靠网 络实现了部分数据的集成共享和部分流程协同，就冠 以智能工厂的头衔。
从科学研究角度，智能工厂定义如下： 生产工 厂的各个环节 , 以一种高度柔性与高度集成的方式 , 通过信息系统来模拟生产经营专家的智能活动 , 对 生产经营问题进行分析、判断、推理、构思和决策 , 取代或延伸生产经营环境中人的部分脑力劳动并对人 类专家的智能活动进行收集、存贮、完善、共享、继 承和发展。实现人类智能活动向信息系统智能活动的 转化。
Keywords CIMS Intellectualized Intelligent plant Knowledge discovery technology Modeling technology
doi: 10. 3969/j. issn. 1672 - 9528. 2013. 06 13
智能工厂是未来工厂的发展方向，也是信息化建 设与应用的高级阶段，更是“两化”深度融合的的必 经之路。2008 年，美国知名网站给出了基于信息技 术的未来 10 年制造工厂的发展预测： 一个理想的工 厂应该是一名员工一条狗，员工负责喂狗，狗确保员 工不能随便触摸任何设备。
* 中国石化齐鲁分公司 山东淄博 255400
46 2013 年第 6 期
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1 智能化思想发展历程
20 世纪 80 年代，计算机集成制造系统（CIMS） 在欧美国家曾风靡一时，但由于理论和实际差距太大， 80 年代末，CIMS 技术在欧美等工业化国家开始降温。 然而，从 90 年代至今，CIMS 的余温却一直影响着中 国，在国家 863 计划中占得了一席之地，并催生了多 个 CIMS 技术研究中心的建立和多个 CIMS 奖项的产生。 当然不可否认，中国在这十几年 CIMS 技术的研究与 实践中，在广度和深度上都丰富和扩展了原 CIM/CIMS 的内涵，注入了新的活力，比如提出了“智能化”是 CIMS 技术未来发展的美好前景 [1]。