朱衛(wèi)列在2022全球數(shù)字價值峰會

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9月17日，在2022數(shù)字價值峰會（北京站）重點(diǎn)行業(yè)智能制造與集團(tuán)數(shù)字化管控高峰論壇上，中國計算機(jī)用戶協(xié)會工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)應(yīng)用分會理事長朱衛(wèi)列以《新一代智能制造（CPS）應(yīng)用研究》為題，分享了他近期對于新一代智能系統(tǒng)CPS的應(yīng)用研究。

業(yè)界早年就提出了CPS概念，近幾年中國工程院又提出了HCPS的論述，并指出HCPS是“新一代智能制造”的核心技術(shù)。朱衛(wèi)列認(rèn)為，CPS的本質(zhì)是通過采集工業(yè)大數(shù)據(jù)、實(shí)時計算、建立信息物理模型，以實(shí)現(xiàn)對工業(yè)系統(tǒng)及外部環(huán)境的自感知、自適應(yīng)，再回到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)系統(tǒng)的動態(tài)、精準(zhǔn)執(zhí)行，解決生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中節(jié)能、綠色環(huán)保及安全問題。CPS的目的就是要取代人，幫助人類優(yōu)化智能制造過程，所以他認(rèn)為CPS才是未來，而不是HCPS。

朱衛(wèi)列在演講中分析了工業(yè)3.0時代核心技術(shù)之一的自控系統(tǒng)的功能不足，分享了發(fā)電廠利用CPS技術(shù)，建立煤粉溫度場等一系列復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的信息物理模型的經(jīng)驗(yàn)，提出了CPS與DCS的架構(gòu)關(guān)系，對比了工業(yè)3.0時代的DCS、PLC產(chǎn)品與工業(yè)4.0時代的CPS產(chǎn)品形態(tài)和核心技術(shù)差異。

以下為朱衛(wèi)列演講全文，略經(jīng)鈦媒體App編輯：

我的發(fā)言主題是《新一代智能制造（CPS）應(yīng)用研究》。

CPS與信息物理模型的意義

分四個方面來講。首先來看下CPS、HCPS的概念及產(chǎn)生的淵源。

2017年，中國工程院提出了新一代智能制造技術(shù)HCPS（人-信息-物理系統(tǒng)）概念，隨后在HCPS主課題之外，發(fā)布了《流程工業(yè)智能優(yōu)化制造分課題研究報告》，對流程型工業(yè)智能制造存在的技術(shù)難點(diǎn)以及HCPS架構(gòu)等問題進(jìn)行了闡釋；2022年4月，中國工程院又提出“新一代智能制造”的概念，并且提出了兩個觀點(diǎn)：

1. “新一代智能制造”是新一代工業(yè)革命的核心技術(shù)；

2. “新一代智能制造”的技術(shù)機(jī)理是“人- 信息- 物理系統(tǒng)（HCPS）”。

由此，我們可以看出，中國工程院的觀點(diǎn)是：HCPS 將是從工業(yè)3.0邁向新一代工業(yè)革命，即工業(yè)4.0的核心技術(shù)。

HCPS如何來的？顯然是借用了CPS概念。CPS最早是1992年被NASA（美國國家航空航天局）提出來的。它的本質(zhì)構(gòu)建一套信息（Cyber）空間與物理（Physical）空間之間基于數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實(shí)時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產(chǎn)制造、應(yīng)用服務(wù)過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化。

我本人更支持CPS的概念，認(rèn)為CPS才是工業(yè)4.0的未來，而不是HCPS。HCPS是在CPS之上加了H，就是人去輔助決策，或者通過人進(jìn)行輔助控制， 這一方面是對工業(yè)了解得不夠深，沒有看到工業(yè)的復(fù)雜性，并高估了人對復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)的計算和分析能力；另一方面是對工業(yè)數(shù)據(jù)的采集、計算、反饋“頻率”的重要性、一致性缺乏理解，早在 HCPS概念提出之前，工業(yè)領(lǐng)域便開發(fā)過許多類似于HCPS的“專家輔助決策系統(tǒng)”，專家輔助決策系統(tǒng)出發(fā)點(diǎn)上是好的，但實(shí)際應(yīng)用成功的案例非常少，系統(tǒng)驗(yàn)收后不久便會成為擺設(shè)，因?yàn)閷＜易鳛镠不可能“實(shí)時在線”地進(jìn)行輔助決策。因此， HCPS作為新一代智能制造的技術(shù)方向和核心技術(shù)該受到質(zhì)疑的，HCPS應(yīng)是走向CPS技術(shù)體系的過渡性技術(shù)方案，未來會逐步發(fā)展稱為CPS。

反之，CPS的目的就是要取代人，新一代工業(yè)革命的目的是盡可能通過CPS等工業(yè)智能技術(shù)取代人的決策，用機(jī)器智能取代人的智能，所以說工業(yè)4.0的未來是CPS。

我后面的講解將以CPS概念進(jìn)行論述。

談到工業(yè)4.0我們不得不回顧一下工業(yè)3.0的核心代表技術(shù)之一DCS，DCS稱為分散控制系統(tǒng)，在流程型工業(yè)中，特別是在電力、冶金、石化行業(yè)應(yīng)用極其廣泛，可以說DCS代表了工業(yè)3.0時代的技術(shù)水平，它把工業(yè)制造水平由過去的機(jī)械化、電氣化帶到了自動化。然而，在邁向工業(yè)4.0的過程中，我們重新審視以DCS為代表的工業(yè)控制系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)它存在以下問題：

首先，控制系統(tǒng)的控制參數(shù)不能隨著控制對象（工業(yè)系統(tǒng)）的變化而變化，也就是說不具有自適應(yīng)功能。盡管科技界有許多關(guān)于自適應(yīng)控制的研究，也有許多成果應(yīng)用，但大型流程工業(yè)中沒有自適應(yīng)控制功能的系統(tǒng)還占主流。我們知道控制系統(tǒng)的設(shè)計是需要通過控制系統(tǒng)（控制器）去控制工業(yè)系統(tǒng)，然而我們的工業(yè)系統(tǒng)（由一系列工業(yè)設(shè)備組成）并不是一成不變的，在長期的運(yùn)行過程中會出現(xiàn)磨損、老化，我們常常稱為性能“劣化”，有些工業(yè)設(shè)備及執(zhí)行機(jī)構(gòu)甚至?xí)霈F(xiàn)卡澀、拒動等等現(xiàn)象。但是，對于工業(yè)系統(tǒng)的劣化，控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置并不會隨之調(diào)整：大多數(shù)情況下控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置是在工業(yè)系統(tǒng)投產(chǎn)前的調(diào)試階段或工業(yè)系統(tǒng)大修之后調(diào)試設(shè)置好的，這樣就造成了控制系統(tǒng)與工業(yè)系統(tǒng)之間的“脫節(jié)”，工業(yè)對象在逐步劣化，而控制參數(shù)不變，工業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行一段時間后，便會偏離最佳效率區(qū)域運(yùn)行。

第二，無法有效感知工業(yè)系統(tǒng)外部環(huán)境變化，對外部環(huán)境變化缺乏適應(yīng)性。工業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)行往往與外部環(huán)境密不可分，外部環(huán)境的微小變化，對系統(tǒng)的運(yùn)行影響決不能忽視。然而傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)很難感知到這種變化，無法進(jìn)行有針對性的控制調(diào)整。比如燃煤電廠燒的煤，煤種成分經(jīng)常性發(fā)生變化，對燃燒效率及機(jī)組運(yùn)行效率均會產(chǎn)生影響，目前的控制系統(tǒng)很難感知并適應(yīng)這種細(xì)微變化。

第三，控制系統(tǒng)在低工況運(yùn)行時問題更多，使得工業(yè)系統(tǒng)在低工況運(yùn)行時更加遠(yuǎn)離該工況下的最佳效率點(diǎn)。行業(yè)中往往給予了滿負(fù)荷附近的工作點(diǎn)以更大的關(guān)注，控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整做的比較精細(xì)、認(rèn)真，而對于遠(yuǎn)離滿負(fù)荷工作點(diǎn)，調(diào)試往往不夠到位。近年來由于需要優(yōu)先調(diào)用清潔能源的原因，燃煤發(fā)電機(jī)組需要更多時間進(jìn)行深度調(diào)峰，工業(yè)系統(tǒng)調(diào)試的不夠精細(xì)，帶來的經(jīng)濟(jì)損失很大。

最后，自動控制系統(tǒng)本身的局限性：自動化控制需要一個變量（操作變量）去影響另一個目標(biāo)變量（被控變量）。這里內(nèi)涵一個根本性假設(shè)：變量之間存在“因果”關(guān)系。只有具有因果關(guān)系的變量集合，才能形成“控制回路”并構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。但工業(yè)系統(tǒng)中存在著大量復(fù)雜系統(tǒng)，往往是變量很多，關(guān)系復(fù)雜，互相之間的因果關(guān)系不明顯，給設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計帶來了極大的難度，很多微量的影響因素很難在控制系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)。

然而，各個物理量之間關(guān)系復(fù)雜、或關(guān)系不明顯并非表示他們之間沒有關(guān)聯(lián)和邏輯關(guān)系，經(jīng)過多年的探索與實(shí)踐我們發(fā)現(xiàn)：有了工業(yè)大數(shù)據(jù)以后，我們可以通過數(shù)據(jù)去建立這些物理量之間的“信息物理模型”，形成多個物理量之間的數(shù)據(jù)及邏輯關(guān)系，而這正是CPS的意義所在。

今天我們設(shè)計CPS新一代智能制造的目的就是要有效解決工業(yè)3.0中工業(yè)控制系統(tǒng)存在的問題，要讓控制系統(tǒng)的參數(shù)能夠伴隨設(shè)備的劣化而調(diào)整、變化，要讓CPS感知外部環(huán)境輸入量的微小變化而可以進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，并控制工業(yè)系統(tǒng)在全工況下持續(xù)運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)上，也就是說賦予我們的工業(yè)系統(tǒng)具有自感知、自適應(yīng)的智能化功能，最重要的是要利用好工業(yè)大數(shù)據(jù)，基于工業(yè)大數(shù)據(jù)建立起一個個工業(yè)系統(tǒng)的信息系統(tǒng)模型，由此帶動工業(yè)走向智能化之路。

讓我們回到現(xiàn)實(shí)中來，分析一下自動化程度非常高的發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)、控制過程。在所有的燃煤發(fā)電廠里，工業(yè)系統(tǒng)主要是鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)以及相關(guān)的輔機(jī)，如閥門、泵、電動機(jī)等等一起組成的互相連接的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過控制指令控制這些工業(yè)系統(tǒng)的開度、轉(zhuǎn)速、流量、壓力等等，然而，無論我們的DCS有多么的先進(jìn)，發(fā)電廠中依然還有人工操作盤，運(yùn)行人員需要經(jīng)常性的進(jìn)行手工操作，輔助控制整個機(jī)組運(yùn)行。我們知道發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行極為重要，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行就需要尋找在不同負(fù)荷下的最低煤耗點(diǎn)，然而擺在運(yùn)行人員面前可供他們進(jìn)行手動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵量有十多個，這就意味著我們的運(yùn)行人員需要在自身腦海中構(gòu)建一個“多維復(fù)雜系統(tǒng)模型”，然后進(jìn)行精準(zhǔn)的操作才能完成任務(wù)，顯然這不是簡單的事情。

很多發(fā)電廠在推行“小指標(biāo)考核”，試圖通過考核、評比的辦法促進(jìn)運(yùn)行人員關(guān)注每一個微小的節(jié)能指標(biāo)，摸索出規(guī)律、然后再實(shí)時微調(diào)，這種管理方法起到了一定的效果，但客觀地說超過10個以上的參數(shù)調(diào)整、優(yōu)化已經(jīng)超出了運(yùn)行人員的思維極限和知識結(jié)構(gòu)。

我們再來看看真實(shí)的數(shù)據(jù)，許多燃煤發(fā)電機(jī)組煤耗如下圖：同樣負(fù)荷下的煤耗差竟然達(dá)20%以上，如此高的離散度顯然不是單一原因造成的，我們前面提到設(shè)備劣化、燃煤成分變化等等因素都會影響煤耗，與此同時，不同的運(yùn)行人員對工業(yè)系統(tǒng)的理解存在差異，并由此帶來不同的操作，這些均是煤耗離散度大的原因。

其實(shí)，也就在幾年前，我們的一些科技工作者還試圖通過統(tǒng)計學(xué)的方法擬合出機(jī)組“功率與煤耗曲線”，并嘗試?yán)迷撉€進(jìn)行不同機(jī)組之間的負(fù)荷分配，當(dāng)時我對此建議還持肯定態(tài)度，后期當(dāng)我看到數(shù)據(jù)離散度如此之大時，我認(rèn)為這一方案是有問題的。

這就是工業(yè)的現(xiàn)狀！在工業(yè)3.0時代，我們建立了強(qiáng)大的DCS系統(tǒng)，它支撐了我們工業(yè)的發(fā)展、進(jìn)步，但它不完善。我們不能將工業(yè)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)簡單的交給現(xiàn)場的運(yùn)行人員，讓他們?nèi)找岳^夜去摸索、去積累經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)界、工程界應(yīng)該努力通過系統(tǒng)性的方法解決復(fù)雜系統(tǒng)問題，這是我們的使命和職責(zé)。

如今我們終于發(fā)現(xiàn)：我們可以利用工業(yè)大數(shù)據(jù)構(gòu)建起工業(yè)系統(tǒng)的“信息物理模型”，讓這些模型取代運(yùn)行人員腦子中的經(jīng)驗(yàn)及自以為是，讓機(jī)器智能取代人腦智能的局限性，這項(xiàng)技術(shù)就是CPS！

CPS在煤電廠的應(yīng)用

我們知道流程型工業(yè)一直致力于：高效、綠色、安全可靠，這三個目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)均與CPS有關(guān)，也就是與信息物理模型有關(guān)。“高效”涉及的領(lǐng)域較寬，也是最難的，原因是我們前面提到的系統(tǒng)復(fù)雜，波動性大，因此也屬于世界難題。

我們的做法首先是獲取工業(yè)大數(shù)據(jù)，選擇與“高效”性能相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)。所謂工業(yè)大數(shù)據(jù)均是從生產(chǎn)控制系統(tǒng)DCS那里獲取的生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)，不是互聯(lián)網(wǎng)或一些大數(shù)據(jù)公司常提的Hadoop、Spark。

其次，分析物理過程，這需要我們對發(fā)電鍋爐燃燒的過程、熱交換等物理過程進(jìn)行逐一分析、建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

再次，就是計算，通過計算構(gòu)建與能耗有關(guān)的信息物理模型。

需要特別指出的是：經(jīng)過多年的實(shí)踐我們發(fā)現(xiàn)：過去人們研究燃燒過程中，往往將關(guān)注點(diǎn)放在火焰中心點(diǎn)溫度上，現(xiàn)在我們終于意識到更為關(guān)鍵技術(shù)卻應(yīng)是煤粉燃燒溫度場模型，且溫度場模型應(yīng)該圍繞著煤粉燃燒的軌跡去建立，讓煤粉在爐膛中持續(xù)保持較高的溫度。上圖中的煤粉行程軌跡中，一方面要控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)量等等參數(shù)，使得煤粉燃燒有較高的溫度，另一方面還要使得煤粉行程拋物線（煤粉溫度場曲線）持續(xù)保持高溫下燃燒，讓煤粉燃燒不斷釋放熱能。這里的煤粉燃燒溫度場就是我們前面提到的關(guān)鍵技術(shù)：信息物理模型。

煤粉燃燒過程是復(fù)雜非線性系統(tǒng)，我們采用了N個線性時變動態(tài)方程進(jìn)行求解。這中間的技術(shù)當(dāng)然比較復(fù)雜，需要引入狀態(tài)量、特征指標(biāo)以及向量空間等等概念，由于技術(shù)太過復(fù)雜，細(xì)節(jié)這里不再講述。

電力行業(yè)通常每發(fā)一千瓦時的電能夠降低一克煤的消耗都是很困難的事情，但經(jīng)過幾千次的調(diào)整操作、近百次對比試驗(yàn)，我們的燃煤電廠CPS技術(shù)方案可以降低幾克煤、或近十克煤，對此許多人是不信的，但可以告訴大家的是，實(shí)際現(xiàn)場的技術(shù)效果遠(yuǎn)比我們對外宣傳的要大的多，道理很簡單：對于幾十個變量，人的計算能力怎么能夠超過計算機(jī)？這就是智能化的力量！事實(shí)是：越是傳統(tǒng)的領(lǐng)域，智能化的作用越大。下圖是某發(fā)電廠的案例：

如今，這項(xiàng)CPS技術(shù)已經(jīng)開始推廣到幾個發(fā)電集團(tuán)，并在7臺燃煤發(fā)電機(jī)組上做過試驗(yàn)，其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下圖：

借此機(jī)會，再提一下低碳、深度調(diào)峰問題。綠色低碳也是未來工業(yè)的重要指標(biāo)，在CPS應(yīng)用中可以作為單獨(dú)的目標(biāo)進(jìn)行求解。在燃煤發(fā)電廠的生產(chǎn)運(yùn)行中，節(jié)能與綠色低碳有著高度正相關(guān)，因?yàn)榻档土税l(fā)電煤耗，每發(fā)一千瓦時的電少燃燒了煤，直接減少了CO2的排放。深度調(diào)峰屬于低負(fù)荷運(yùn)行，這也與CPS在低負(fù)荷下的信息物理模型建立有關(guān)，只要我們在模型訓(xùn)練時有低負(fù)荷的運(yùn)行數(shù)據(jù)，后面的問題即可解決，包括低負(fù)荷下的節(jié)能問題也是一樣。

最后，我們說鍋爐優(yōu)化燃燒只是我們CPS研究的其中一個實(shí)戰(zhàn)案例，其他的案例我們不再逐一介紹了。

CPS功能架構(gòu)

我從三方面總結(jié)一下CPS功能與架構(gòu)。

第一，關(guān)于CPS的智能化屬性問題。CPS首先能夠感知工業(yè)系統(tǒng)本身的劣化，這種感知依靠的是工業(yè)數(shù)據(jù)的反饋，因?yàn)槲覀儾杉墓I(yè)系統(tǒng)（對象）的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)反映了工業(yè)系統(tǒng)的劣化的過程；其次，CPS也能感知到外部環(huán)境的變化，煤種熱值、含水量等等成分變化均在燃燒過程中通過其他數(shù)據(jù)得以反映，CPS通過系統(tǒng)辨識計算后可以自適應(yīng)、調(diào)整控制參數(shù)，獲得更佳的熱效率。最后，由于無論是在大數(shù)據(jù)訓(xùn)練階段還是實(shí)戰(zhàn)階段，機(jī)組經(jīng)歷了各種工況運(yùn)行，信息物理模型建立在絕大多數(shù)工況的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，我們所計算的最佳工作點(diǎn)是各個工況下的集合，這確保了我們能夠在各個運(yùn)行工況下的經(jīng)濟(jì)尋優(yōu)。

第二，CPS應(yīng)用架構(gòu)應(yīng)包含“狀態(tài)感知、動態(tài)分析和優(yōu)化決策”3個功能，具體如上圖。但CPS的具體應(yīng)用需要根據(jù)工業(yè)需求進(jìn)行補(bǔ)充完善。針對優(yōu)化運(yùn)行等節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用，在建立信息物理模型之后，CPS還需要進(jìn)行性能優(yōu)化的效率對比計算，以便找到不同內(nèi)、外部條件下的最低能源消耗點(diǎn)的集合。之后，還必須計算通向能耗最低點(diǎn)的途徑或路徑，找路徑很像在野外登山時尋找最佳路線：我們看到3維的山巒表面景象（3維物理模型）之后，我們很快可以在此3維曲面上找到達(dá)到頂峰的最佳的途徑。多維系統(tǒng)也一樣，建立了信息物理模型之后，我們再計算找到通向最佳點(diǎn)的途徑，這樣，我們便可以通過控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在最低能耗點(diǎn)工作的目標(biāo)。

第三，CPS與工業(yè)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的架構(gòu)關(guān)系。對于大多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)，CPS可采用單獨(dú)設(shè)計、訓(xùn)練后，再嫁接、并行到原有的控制系統(tǒng)中，CPS修訂原有控制系統(tǒng)的一些參數(shù)，使之能夠智能適應(yīng)內(nèi)、外部環(huán)境的變化。上圖是CPS與原有DCS一并工作的示意圖，加一個智能盒子后，通過在控制系統(tǒng)里加偏差實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化功能。原來這種偏差靠人調(diào)整，現(xiàn)在是靠智能系統(tǒng)了。

思考與

總結(jié)

我們常常思考：我們將從工業(yè)3.0邁向工業(yè)4.0，由自動化走向智能化，那么自動化時代有代表性產(chǎn)品，如：PLC、DCS等等，而到了智能化時代，智能化產(chǎn)品形態(tài)是什么？在智能化時代，有沒有一個類似于DCS的產(chǎn)品？這樣的產(chǎn)品應(yīng)具有一定的普適性，能夠得以廣泛應(yīng)用。另外，自動化時代成就了一批控制系統(tǒng)公司，如西門子、ABB、羅克韋爾等，那步入智能化時代，實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化的主體是哪類公司？這些公司該具有哪些基本技術(shù)與能力？

上述問題我今天還不能完全、準(zhǔn)確回答，唯有結(jié)合本文開頭中國工程院的結(jié)論以及我們多年的探索、實(shí)踐，我們認(rèn)為：工業(yè)3.0是自控系統(tǒng)的天下，產(chǎn)品是PLC、DCS，核心技術(shù)是過程控制、邏輯控制等等；那么到工業(yè)4.0時代將是“新一代智能系統(tǒng)”的天下，其產(chǎn)品是CPS，其核心技術(shù)是基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的信息物理模型。

未來CPS將具有極大的普適性。

謝謝大家的聆聽，有不對的地方歡迎指正。我們協(xié)會也會組織有志于從事CPS研究的企業(yè)、機(jī)構(gòu)、學(xué)者和工程師共同探討這項(xiàng)技術(shù)。

關(guān)鍵詞： hcps