摘要：回顾了工厂智能化思想的发展历程，分析了传统智能工厂的理念，给出了当前阶段智能工厂的新定义，为现今许多企业面对大数据云计算时代的困惑和无奈提供了参考;其次对流程制造工业智能工厂的体系结构和基础实施技术进行了探索和研究，并利用其方法设计了流程工业智能化的结构体系，这将对流程工业自动化理论应用研究起到重要作用。
关键词：流程工业，智能工厂，功能模块，应用研究
1 智能工厂的概念及体系架构
1.1 智能工厂概念目前， 最早有关智能工厂的描述源于美国智能制造领导同盟提出的智能过程制造(SPM)，它主要是指：将人员、系统连接起 来，实 现 规 划、运 行、维护以及管理设备，而应用模型化的方法，使得决策和运行模式变得更加可靠，增加了事件的预测性，提升了事故反应能力。 继美国之后，德国政府也高度重视，提出了 “工业 4.0” 路线。 “工业 4.0” 即虚拟网络-实体 物 理 系 统(CPS)， 主要是通过将物理设备连接到互联网上， 使其具有计算、通信、远程控制、相互协调的功能，最终实现虚拟网络世界和现实世界的融合，即所谓的人机一体化智能系统，智能制造无疑是总规划的重点。 2015 年李克强总理在《政府工作报告》中提到了“中国制造 2025”，指出：要实现中国制造，就需要坚持创新驱动、智能转型、强化基础。 某种意义上而言，要实现中国制造就需要加快智能转型，发展智能制造业[1]。建设智能工厂，首先要说数字化工厂。 数字化工厂是对整个工厂生产过程进行仿真模拟、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。 数字化工厂的本质就是实现信息的集成， 通过对企业全部流程进行数据采集， 建立数据库，将物理工厂变成数字化工厂。智能工厂正是建立在数字化工厂的基础上， 利用物联网技术和监控技术加强信息管理服务， 最终达到最优生产、 无人干预、效益最佳、动态平衡的目标。笔者认为，对于智能工厂从不同角度看是有着不同理解的：从工程实践的方面来看，以信息化为基础，结合相关专业学科，使工厂能精确地感知和判断发生的状况，为企业合理运作、管理提供服务的智能系统即称作智能工厂;另一方面，以科学分析的方式定义：通过集成的生产方式，对生产加工过程的各个阶段以及经营运行等做出分析、判断和解决，并对人类的相关活动进行搜集加以运用，最终达到向智能信息化的转变就是智能工厂。
1.2 整体思路对于怎样建设智能化工厂的问题一直被专业人士不断讨论，笔者认为应当用正确的方法将理论运用于实践，可参考如下步骤加快建设智能化工厂：首先，应该明确建设的目标，企业将运用此技术到达什么样的目的，怎样的效益;接着规划好实施的路线，因为智能工厂的建设并不是一个小问题，这其中涉及到许多方面，规划好步骤有利于一步步用于实践;再次，需要制定好有效的建设策略，不同时期建设不同的重点，而这也是智能化建设的关键点之一。
1.3 系统架构智能工厂的系统结构由操作智能化、运营智能化、商业智能化组成， 同时这三种层次和企业信息化模型中的三个层次是相对应的： 操作管理智能化对应 PCS 层， 生产管理智能化对应 MES 层，商业智能对应 ERP 层。正是基于这样的理论，现代工厂信息化才能得以继承发展和创新。 长久以来，国内企业一直坚持信息化建设与专题信息化应用的联合研发， 并为此做出了巨大努力， 例如加快控制技术的研究和实践、 不断优化生产管理模式、大力提高系统深度运用等工作内容[2]。其实智能工厂并无什么特别之处， 也能够在实际生产中实现。 多年来，许多国家积极探索和寻求智能工厂实现路径，图 1 为智能工厂的基本架构与框架。
2 智能工厂建设功能模块与工作进展
2.1 智能工厂功能模块
(1)过程模型库建设一个拥有过程模型库能够作为理论研究以及实践的基本平台，也是创新的必要条件。 这个模型库需要多个模型共同组成，如生产、工艺、产品、产品供需、材料物理等，这些模块相辅相成共同组成了流程工业的过程模型。 这些模型主要包括：①生产模型：主要用于展示生产过程中的设备的生产情况、运行状态等，作为能为系统生产给予合理可行的方式，是过程模型库是必不可少的组成部分;②工艺模型：能够对制造能力有影响的属性和工艺参数结合;③产品模型：主要功能是可以不断地分析在制作加工过程中产品特性的变化，便于各个生产过程的结合;④产品供需模型：主要用于描绘出生产需求与市场销售情况的关系;⑤材料物理模型： 在制作加工过程中材料的产品属性会发生改变，尤其是物理特性，而该模型即为改变数据全程记录与还原[3]。 StaticModel PCSUnit： 该类模型描述 PCS 层生产设备的静 态 信 息，它包括装置名称、装 置 区 域、装 置 类 型、装 置 生 产 上限、装置生产下限、装置平均损耗等属性。 动态输入信息库与动态输出信息库是相辅相成的。 它们重点描述仿真过程中需要仿真的装置行为，例如流量变化、罐存变化等。 DynamicInput Model SimPCSTankInput： 该类 模 型 描 述 PCS 层罐的动态输入属性，它包括了罐名称、时间标签、罐初始罐存等属性。 DynamicOutput Model SimPCSStreamOutput：该类 模 型描述了 PCS 层物料流股的动态输出属性，它包括了物料流股名称、时间标签、物料流股上游仿真流量等属性。
(2)算法库算法库也是智能工厂建设初步试验系统的组成部分之一，其中包括：①仿真算法库：主要用于模式产品实际运作过程，判断生产操作过程中不同运行方式的合理性;②过程控制算法库：通过此算法库试验系统能够分析产品生产过程中控制方案对其的影响程度;③过程优化算法库：通过此算法库能够对产品生产过程的各个阶段进行设计、工艺、流程的优化;④辅助算法库：主要用于为工厂系统提供必要的计算方法;⑤专家知识库：指通过知识工程方法对曾经拥有的工程及管理方面的经验合理整合与利用。一般常用的实时仿真算法： 1)亚当斯-莫尔顿隐式算法(Adams-Moulton)(AM) AM 1 阶法=向后欧拉法：xn+1=xn+hfn+1 AM 2 阶法：xn+1=xn+ 1 2 h(fn+1+fn ) AM 3 阶法：xn+1=xn+ 1 2 h(5fn+1+8fn-fn-1 )一般常用的过程优化算法：模拟 退 火(SimulatedAnnealing，SA)算法是近年来特别引人注目的一种适用于解大型组合优化问题的技术， 算法的核心在于模仿热力学中液体的冻结与结晶或金属熔液的冷却与退火过程。 SA 是一种通用、高效、健壮、可行的拟物型随机近似算法，并且可以较容易地并行实现以进一步提高运行效率， 适合求解大规模组合优化问题特别是 NP 完全问题。遗传算法(Genetic Algorithm，GA)是一种新的全局优化搜索算法，因其简单通用、鲁棒性强、适于并行处理，在过去 20 年中己广泛应用于计算机科学、优化调度、运输问题、组合优化、复杂函数系统优化、机器学习、系统识别、神经网络设计等领域[4]。
2.2 智能工厂建设进展在当前的信息化时代，工业领域面临严峻的环境、资源危机以及市场、产业转型的挑战，人们也越来越重视信息化与工业化的融合，智能工厂建设将势在必行。 2015 年 3 月，李克强在政府工作报告中指出，要实施中国制造，坚持智能转型、创新驱动，接着在 2015 年 5 月国务院正式发布《中国制造 2025》报告，这无疑表现出我国对智能工业发展的重视程度与支持力度， 相信我国将很快会在此领域取得重大进展。
3 智能工厂建设技术的实际应用案例
笔者从事建设的某石化企业自 2011 年开始编制规划方案， 2012 年启动科研工作，2013 年 7 月完成智能工厂的总体设计，仅一年后，我们看到了智能工厂的明显效果。 在 2015 年已经基本建成智能工厂的初步框架， 它将智能工厂的五化特征融入于实践之中，形成了计划调度、装置操作、安全环保、能源管理、IT 管控的智能模式体系。对于该石化企业的智能工厂建设，笔者归纳如下核心技术： ①生产管控中心的建成投用，该中心集经营优化、生产指挥、工艺操作、运行管理、专业支持、应急保障六位一体，实现了生产的完整化、集成化、统一化;②集中集成和标准化取得进展，ODS系统集成了 13 个系统， 为工厂内诸多生产系统提供数据支撑，并实现了生产物料等 40 个标准化模板及 36 类主数据标准化构建;③三维数字工厂初步形成，可进行多个采样点和实时数据展示，实现了全方位管理;④全流程联动优化平台首次在炼化企业中运用;⑤实现 HSE 管理、应急指挥实时化、可视化;⑥一系列国产先进信息化技术在炼化企业首次使用。
4 结束语
智能工厂是多学科多专业多技术的深度结合， 也是今后工厂发展的必由之路。 当前阶段，智能化工厂的建设最需要考虑的是如何依托于传统模式基础上进行集成化改造。 过去的观念已经跟不上时代的潮流，我们需要从过去的旧观念向在线、全自动的思路转变。 未来的工厂，人与系统的完美结合会更大发挥人的作用， 实现企业效益增加。 然而创新的道路注定充满艰辛和挑战，智能化工厂的建设任重而道远。
参考文献
[1]夏茂森.流程工业智能工厂建设技术的研究[J].信息技术与信息化， 2013(6)：46-52
[2]方红飞，荣冈，冯毅萍.动态模拟在流程工业智能工厂实验系统中的应用[J].信息与控制，2006(3)：362-367
《流程工业智能工厂建设技术应用探究》来源：《工业控制计算机》，作者：马孟模。
