錢鋒院士：人工智能賦能流程制造

流程制造業(yè)是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，我國石化、化工、鋼鐵、有色、建材等流程制造業(yè)的生產(chǎn)工藝、裝備和生產(chǎn)過程自動化水平都得到了大幅度提升，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和整體實力迅速增長，國際影響力顯著提高，目前已成為世界上門類最齊全、規(guī)模最龐大的流程制造工業(yè)大國。

在當前資源、能源、安全和環(huán)保的重重約束下，中國流程制造業(yè)面臨著結構性產(chǎn)能過剩、安全環(huán)境風險突出、自主創(chuàng)新能力較弱、高端產(chǎn)品不足的嚴峻局面。

亟待需要應用人工智能等現(xiàn)代信息技術，進行生產(chǎn)、管理、營銷模式的變革，重塑產(chǎn)業(yè)鏈、供應鏈和價值鏈，實現(xiàn)流程制造業(yè)的高質量發(fā)展。

然而，流程制造業(yè)的生產(chǎn)過程一般都包含復雜的物理和化學反應、氣-液-固多相共存、連續(xù)化的物質轉化過程，資源、能源、安全與環(huán)保的約束以及物質轉化過程的系統(tǒng)復雜性對優(yōu)化調控制造過程的運行效能帶來很大的挑戰(zhàn)，包括：

原料屬性頻繁變化與波動使得連續(xù)運行過程呈現(xiàn)時域/空間域的多模態(tài)，其多相多組分物質轉化過程機理表征與非平穩(wěn)過程調控存在困難；

工業(yè)裝置的大型化影響其反應/傳遞特性改變，非均一性與強耦合使得系統(tǒng)行為特性描述與調控更加困難；

物質轉化制造過程在開放環(huán)境與強約束條件下，面向安全/環(huán)保、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和可控性的多目標調控存在挑戰(zhàn)。

智能、自主、可控是未來流程制造智能化的前沿研究方向，需要通過人工智能等現(xiàn)代信息技術與流程制造業(yè)的深度融合，拓展“智能+”，研究面向復雜系統(tǒng)的多時空尺度的優(yōu)化調控方法和技術。

其前沿科學問題包括物質轉化過程行為特性表征與認知、制造過程多目標自主協(xié)同調控機制、制造系統(tǒng)跨層人機物融合智能決策3個層面。

物質轉化過程行為特性表征與認知

從物質轉化本質出發(fā)，研究典型流程制造中關鍵物料分子結構及組成與其物化特性的分子表征方法，基于全時空信息泛在感知和認知計算，實現(xiàn)微觀尺度物質轉化機理和宏觀尺度系統(tǒng)運行特性的構效關系表征；

研究融合大數(shù)據(jù)、人工智能的流程制造過程智能混合建模與全流程模擬方法，實現(xiàn)物質轉化過程動態(tài)性能與工況趨勢的認知；

基于工藝機理模型、邊緣計算、信息可視化等方法，創(chuàng)新典型物質轉化制造過程的虛擬制造技術，實現(xiàn)平行制造。

制造過程多目標自主協(xié)同調控機制

從過程性能調控出發(fā)，發(fā)展具有自適應、自學習、自動調整控制結構和控制參數(shù)的控制理論與方法，實現(xiàn)適應工業(yè)過程動態(tài)變化的自主控制；

研究數(shù)據(jù)和模型融合的工業(yè)過程故障診斷、自愈控制方法，實現(xiàn)工業(yè)過程的安全可靠運行；

研究大數(shù)據(jù)、小樣本的機器學習方法，提出工藝機理與數(shù)據(jù)驅動深度融合的制造過程多層次、多尺度、多目標協(xié)同動態(tài)優(yōu)化和控制一體化理論方法，實現(xiàn)安全、環(huán)保、質量、效益多目標控制與優(yōu)化的智能協(xié)同。

制造系統(tǒng)跨層人機物融合智能決策

從系統(tǒng)行為決策出發(fā)，通過人機物三元融合，發(fā)展基于人工智能的具有可解釋性的決策優(yōu)化方法，解決不確定條件下決策的魯棒性問題；

研究基于數(shù)據(jù)知識和專家知識、融合裝置運行特性的生產(chǎn)計劃與調度優(yōu)化方法，實現(xiàn)制造全流程資源與能源的優(yōu)化配置及加工方案的優(yōu)化，確保價值鏈最大化；

發(fā)展環(huán)境深度耦合的風險關系辨識理論與方法，研究風險傳播與裝備、人員、環(huán)境的交互關系，實現(xiàn)制造系統(tǒng)異常成因分析、風險動態(tài)智能評估與輔助決策。

人工智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個方面，一是“智能技術”產(chǎn)業(yè)化，二是產(chǎn)業(yè)“智能化”，顯然，后者所形成的經(jīng)濟效益規(guī)模遠遠大于前者。

因此，流程制造業(yè)的智能化對中國推進制造業(yè)高質量發(fā)展和實現(xiàn)制造強國意義重大。應當進一步推動科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的深度融合，開展“卡脖子”關鍵核心技術的攻關，搶占流程制造智能化的國際制高點。