【工業智慧】人工智慧技術助力流程工業發展報告

我國流程工業發展的歷程中，自動化與資訊化技術發揮了極其重要的作用，從集散控制系統（DCS）在流程企業中的普遍應用，到DCS/MES/ERP的實施，強化了管理資訊化，實現了各個生產環節的資訊管理，提升了各個生產環節的效率和質量，基本實現了流程企業的網路化製造。同時，在資訊化與工業化兩化深度融合方針的指導下，我國流程企業資訊化技術的應用與推廣也達到了一個新的高度。這些工作極大促進了我國流程工業由落後到跟隨，進而並跑的發展歷程，併為我國流程工業實現領跑奠定了基礎，從而實現我國流程工業由大變強的轉變。金準人工智慧專家分析流程工業面臨的挑戰與智慧製造的目標，

一、流程工業面臨的挑戰與智慧製造的目標

1. 流程工業面臨的挑戰

隨著我國流程工業的不斷髮展與壯大，同時也面臨著許多嚴峻的挑戰，主要體現在以下四方面。

（1）隨著礦產資源的開採，難冶資源比例增大，特別是我國有色礦產資源稟賦富礦少，以及難選和難冶礦多、共伴生礦多的特點，因此如何高效綜合利用國內的低品位共伴生礦產資源刻不容緩。

（2）隨著環保標準的不斷提高，由於流程工業整體排放體量大，環境保護的壓力也不斷增大，因此如何更好地改善環保水平，履行企業社會責任，迫在眉睫，急需加強綠色技術創新，加快流程行業綠色化發展。

（3）隨著我國流程工業的不斷髮展，流程工業主要產品單位能耗也在不斷降低，但由於體量大、能耗總量大，深度節能潛力也大，也極具挑戰性。

（4）流程工業許多崗位，人力成本急劇攀升，也就人工智慧與行業的深度融合。

上述挑戰性問題，在我國流程工業中發展不充分、不平衡的矛盾十分突出，因此急需推動新一代資訊科技與流程工業智慧製造，推動以智慧化為標誌的流程工業智慧製造，以人工智慧為抓手，助力流程工業轉型升級，突出綠色、高效生產的目標。

2. 流程工業智慧優化製造

流程工業包含著一系列的物理化學反應，其物質轉換和能量轉移過程往往難以準確數字化；過程中物料往往無法標記跟蹤，且存在物料迴圈利用與混合；生產包含多過程組合，連續生產，處理過程不可分割；特別是我國流程工業原料的多源與成分的多變，給生產過程帶來組多不確定性。由於流程工業生產過程的上述特點，使得在其智慧製造的模式上也與離散工業有著顯著的不同。

根據流程工業生產的特點，其智慧製造的核心是全流程整體優化，實現企業的智慧優化製造；是 以企業全域性及經營全過程的綠色化和高效化為目標，以智慧生產、智慧管理和全流程整體智慧優化為特徵，以知識自動化為核心的製造新模式。

全流程整體智慧優化主要包含工藝優化、執行優化、資源與能效優化。

工藝優化主要包含工藝控制與裝置使用知識模型、工藝引數優化、協同生產流程優化等。

執行優化主要包含計劃、排程知識模型、全流程生產執行優化、全企業部門運作協同優化等。

資源與能效優化主要包含自動感知、處理、分析的內外部大資料知識模式，以及優化資源利用效率和全企業能效。

二、人工智慧技術助力流程工業智慧製造的案例分析

泡沫浮選是最主要的選礦方法，廣泛應用於鋼鐵、有色金屬、煤炭、化工、環保等工業部門。我國90%以上的有色金屬是經泡沫浮現處理的，選礦水平的高低，將直接影響資源的回收率和環保。

浮選是以一定的工藝路線，在礦漿中加入浮選藥劑，產生攜帶礦粒的穩定氣泡，通過手機含礦的泡沫，提高原礦品味的過程。由於浮選過程流程長、工藝複雜；礦源頻繁波動，工況多變；各工序過程操作量眾多；精礦、尾礦及中間過程質量無法線上檢測等原因，其生產過程主要是操作人員依靠經驗對多工序多槽泡沫的視覺特徵（大小分佈、顏色、虛實等）進行綜合關聯分析，判斷浮選和工礦狀態，然後完後多槽藥劑加量、液位、流量、鼓風量等的協調操作，如圖1所示。

由於人的主觀性強，分析判斷誤差大，且很難適應原料的變化，經常會造成工礦的不穩定，生產指標波動頻繁，難以保證精礦產品質量，且帶來藥劑消耗大、資源回收率低、易產生環境汙染等。利用分佈機器視覺，同時檢測多個浮選槽泡沫工礦，可有效應對工礦和礦源條件的變化，提高資源回收率，降低藥劑消耗，降低排放，實現浮選過程的智慧化。

1. 基於分佈機器視覺進行浮選工礦智慧識別、分析 、協調優化

基於分佈機器視覺進行浮選工礦智慧識別、分析 、協調優化框圖如圖2所示。

（1）提出了反映浮選工礦的泡沫影像敏感特徵選擇方法

基於泡沫對藥劑變化的敏感性分析，根據泡沫與礦源和生產工礦的關係，確立了浮選泡沫尺寸、紋理、流動速度、顏色、穩定度和承載率等敏感特徵集，並提出特徵描述方法，為浮選工礦識別、分析與協調機制創造了條件。

（2）提出了融合分佈機器視覺影像敏感特徵、工藝機理和過程資料的生產指標預測方法

由於浮選過程金屬品位難以線上分析，並且金屬品位與泡沫特徵、過程引數間關係十分複雜，嚴重製約了生產水平的提升。我們提出了融合泡沫影像特徵、機理模型和資料的品位預測方法，如圖3所示，，實現了精礦品位、尾礦金屬含量的實時線上預測。

（3）浮選過程工礦識別是其穩定操作的基礎

金準人工智慧專家研究了不同工序機器人視覺特徵與工礦之間的關係，提出了基於機器視覺特徵的多種能夠工礦智慧識別方法，主要包括泡沫視覺特徵與工藝引數融合的浮選入礦型別識別，以及基於泡沫大小動態分佈特徵的加藥量健康狀態自學習識別、基於多尺度泡沫特徵和嵌入先驗知識聚類的病態工礦識別等。

（4）提出了基於泡沫影像敏感特徵分佈的浮選全流程協調優化控制

協調優化是基於對不同工序泡沫影像特徵的分析和工礦識別來確定每道工序最佳的泡沫影像特這，並通過工礦穩定執行在最佳狀態，從而改變人工觀察泡沫、手動調節的工作方式。具體如圖4所示。

上述這些工作已應用於多年浮選選礦企業，實現了根據泡沫影像自動識別、分析、控制工礦的智慧化操作，可有效提高精礦品位，提升浮選過程資源回收率，同時降低了排放，防止了環境汙染，取得了很好的經濟效益和社會效益。

從案例中可以看出，人工智慧技術在流程工業智慧化的程式中，是可以發揮重要作用，並能取得實際效果的。流程工業智慧製造急需智慧機器人、模式識別、智慧系統、計算機視覺、影像處理、機器學習、知識發現、人機合作等眾多人工智慧技術與具體流程工業的深度融合，形成切實可行的解決問題的技術路線，以推動流程工業智慧製造的發展。

2. 知識自動化

流程工業知識型工作。在現代流程工業企業中，許多體力勞動已經被機器所替代，企業的管理和控制的核心是知識型工作，主要依靠知識型工作者來完成，流程企業知識型工作所涉及的範圍如圖5所示。

由圖中可以看出，在管理決策層，決策者主要根據管理經驗、市場資訊和企業運營狀況進行決策；在計劃排程層，排程員將根據排程經驗協調各部門來制定生產排程計劃；在執行優化層，工程師在機器旁憑知識經驗對引數進行設定，下達各種操作指令。

但是，由上述知識型工作者完成的知識型工作面臨著以下嚴峻的挑戰。

（1）新要求。由於流程工業大型化、規模化生產，過程越來越複雜，難以建立精確模型；要求生產能敏捷地應對原料和產品市場等各種不確定性；同時，要應對環保、排放、質量、效益等方面的更新及更嚴格的要求。

（2）新環境。由於雲平臺、移動計算、網際網路、大資料等的應用，資料種類和規模迅速增加，知識型工作者面臨新的資訊環境和海量資訊往往感到無所適從。

（3）知識型工作嚴重依賴高素質知識型工作者；人工操作、決策存在主觀性和不一致性，無法實現全流程整體優化；知識的推廣、積累和傳承都十分困難，知識型工作的機制急需改變。

面對上述挑戰，金準人工智慧專家認為，知識型工作必須實現自動化，即知識自動化。

流程工業知識的特點

流程工業主要包括機理知識、經驗知識和資料知識。

（1）機理知識。反映工業生產那過程和本質規律，經過長時間研究證明正確的。它往往是以物理、化學、數學知識為基礎，以公式、方程式等數學形式表示。

（2）經驗知識。反映的是一段時間內人們對於操作和過程之間內在關聯的認知，它往往表現為難以掌握、隱蔽性和非系統性，以規則、語義網路等形式描述。

（3）資料知識。反映的是當前操作的效果，直接來自於生產現場，往往以訊號、資料等形式表示。

知識自動化的案例：生產排程過程知識自動化。

流程企業生產排程流程主要如圖所示。

從圖中可以看出，生產排程過程涉及企業的多個部門，除了整個排程流程外，每一個企業部門在流程中都是一個決策點，整個生產排程涉及到裝置管理、經營管理、原料物流、能源供應計劃排程等多方面的知識。在企業，由於生產排程涉及面廣，其過程往往需要通過排程會議來協調衝突和矛盾。由此看來，由知識型工作者來完成的人工排程決策存在的問題是低效率、時間長、動態反應不及時、易出現決策錯誤等。生產排程過程知識自動化系統，主要完成決策流程的優化與自動化，在每個決策點上實施知識驅動的自動化決策，從而實現機器完成的生產過程知識自動化。

三、流程工業智慧製造對人工智慧技術的挑戰

由上看到，人工智慧技術完全能夠助力流程功能工業智慧製造的升級。但是同時金準人工智慧專家提到，流程工業智慧製造升級的需求，也對人工智慧技術提出了新的挑戰，這主要體現在以下三個方面。

（1）複雜工礦動態感知與知識發現。它主要涉及資料與知識相結合的執行工礦的動態感知，大資料環境下生產過程的知識發現與高效獲取等。

（2）生產過程動態特性認知與知識關聯。它主要涉及多時空動態資料的深度學習、流程工業知識關聯建模與自學習方法，以及生產決策知識的融合與演化等。

（3）流程企業大資料環境下多目標優化決策。它主要涉及全流程動態效能評估與智慧調整方法，以及不確定、開放環境下的人機合作決策與自學習等。

總結

目前，我國流程工業在很多方面與世界先進水平相比，正處於從大到強的關鍵時期，迫切需要通過生產全流程的智慧化實現綠色高效生產，金準人工智慧專家認為人工智慧技術與流程工業的深度融合，可為流程工業智慧製造提供強有力的支撐；同時也可促進人工智慧技術的新一步發展，實現工業文明與生態文明的協調進步。

人工智慧賽博物理作業系統

AI-CPS OS

“人工智慧賽博物理作業系統”（新一代技術+商業作業系統“AI-CPS OS”：雲端計算+大資料+物聯網+區塊鏈+人工智慧）分支用來的今天，企業領導者必須瞭解如何將“技術”全面滲入整個公司、產品等“商業”場景中，利用AI-CPS OS形成數字化+智慧化力量，實現行業的重新佈局、企業的重新構建和自我的煥然新生。

AI-CPS OS的真正價值並不來自構成技術或功能，而是要以一種傳遞獨特競爭優勢的方式將自動化+資訊化、智造+產品+服務和資料+分析一體化，這種整合方式能夠釋放新的業務和運營模式。如果不能實現跨功能的更大規模融合，沒有顛覆現狀的意願，這些將不可能實現。

領導者無法依靠某種單一戰略方法來應對多維度的數字化變革。面對新一代技術+商業作業系統AI-CPS OS顛覆性的數字化+智慧化力量，領導者必須在行業、企業與個人這三個層面都保持領先地位：

1. 重新行業佈局：你的世界觀要怎樣改變才算足夠？你必須對行業典範進行怎樣的反思？

2. 重新構建企業：你的企業需要做出什麼樣的變化？你準備如何重新定義你的公司？

3. 重新打造自己：你需要成為怎樣的人？要重塑自己並在數字化+智慧化時代保有領先地位，你必須如何去做？

AI-CPS OS是數字化智慧化創新平臺，設計思路是將大資料、物聯網、區塊鏈和人工智慧等無縫整合在雲端，可以幫助企業將創新成果融入自身業務體系，實現各個前沿技術在雲端的優勢協同。AI-CPS OS形成的數字化+智慧化力量與行業、企業及個人三個層面的交叉，形成了領導力模式，使數字化融入到領導者所在企業與領導方式的核心位置：

1. 精細：這種力量能夠使人在更加真實、細緻的層面觀察與感知現實世界和數字化世界正在發生的一切，進而理解和更加精細地進行產品個性化控制、微觀業務場景事件和結果控制。

2. 智慧：模型隨著時間（資料）的變化而變化，整個系統就具備了智慧（自學習）的能力。

3. 高效：企業需要建立實時或者準實時的資料採集傳輸、模型預測和響應決策能力，這樣智慧就從批量性、階段性的行為變成一個可以實時觸達的行為。

4. 不確定性：數字化變更顛覆和改變了領導者曾經仰仗的思維方式、結構和實踐經驗，其結果就是形成了複合不確定性這種顛覆性力量。主要的不確定性蘊含於三個領域：技術、文化、制度。

5. 邊界模糊：數字世界與現實世界的不斷融合成CPS不僅讓人們所知行業的核心產品、經濟學定理和可能性都產生了變化，還模糊了不同行業間的界限。這種效應正在向生態系統、企業、客戶、產品快速蔓延。

AI-CPS OS形成的數字化+智慧化力量通過三個方式激發經濟增長：

1. 創造虛擬勞動力，承擔需要適應性和敏捷性的複雜任務，即“智慧自動化”，以區別於傳統的自動化解決方案；

2. 對現有勞動力和實物資產進行有利的補充和提升，提高資本效率；

3. 人工智慧的普及，將推動多行業的相關創新，開闢嶄新的經濟增長空間。

給決策制定者和商業領袖的建議：

1. 超越自動化，開啟新創新模式：利用具有自主學習和自我控制能力的動態機器智慧，為企業創造新商機；

2. 迎接新一代資訊科技，迎接人工智慧：無縫整合人類智慧與機器智慧，重新

   評估未來的知識和技能型別；

3. 制定道德規範：切實為人工智慧生態系統制定道德準則，並在智慧機器的開

   發過程中確定更加明晰的標準和最佳實踐；

4. 重視再分配效應：對人工智慧可能帶來的衝擊做好準備，制定戰略幫助面臨

   較高失業風險的人群；

5. 開發數字化+智慧化企業所需新能力：員工團隊需要積極掌握判斷、溝通及想象力和創造力等人類所特有的重要能力。對於中國企業來說，創造兼具包容性和多樣性的文化也非常重要。

子曰：“君子和而不同，小人同而不和。”  《論語·子路》雲端計算、大資料、物聯網、區塊鏈和 人工智慧，像君子一般融合，一起體現科技就是生產力。

如果說上一次哥倫布地理大發現，擴充的是人類的物理空間。那麼這一次地理大發現，擴充的就是人們的數字空間。在數學空間，建立新的商業文明，從而發現新的創富模式，為人類社會帶來新的財富空間。雲端計算，大資料、物聯網和區塊鏈，是進入這個數字空間的船，而人工智慧就是那船上的帆，哥倫布之帆！

新一代技術+商業的人工智慧賽博物理作業系統AI-CPS OS作為新一輪產業變革的核心驅動力，將進一步釋放歷次科技革命和產業變革積蓄的巨大能量，並創造新的強大引擎。重構生產、分配、交換、消費等經濟活動各環節，形成從巨集觀到微觀各領域的智慧化新需求，催生新技術、新產品、新產業、新業態、新模式。引發經濟結構重大變革，深刻改變人類生產生活方式和思維模式，實現社會生產力的整體躍升。

產業智慧官  AI-CPS

用“人工智慧賽博物理作業系統”（新一代技術+商業作業系統“AI-CPS OS”：雲端計算+大資料+物聯網+區塊鏈+人工智慧），在場景中構建狀態感知-實時分析-自主決策-精準執行-學習提升的認知計算和機器智慧；實現產業轉型升級、DT驅動業務、價值創新創造的產業互聯生態鏈。

長按上方二維碼關注微信公眾號： AI-CPS，更多資訊回覆：

新技術：“雲端計算”、“大資料”、“物聯網”、“區塊鏈”、“人工智慧”；新產業：“智慧製造”、“智慧金融”、“智慧零售”、“智慧駕駛”、“智慧城市”；新模式：“財富空間”、“工業網際網路”、“資料科學家”、“賽博物理系統CPS”、“供應鏈金融”。

官方網站：AI-CPS.NET

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