王子宗，高立兵，索寒生

（1 中國石油化工集團有限公司，北京 100728；2 石化盈科信息技術有限責任公司，北京 100020）

經過數(shù)十年的發(fā)展，我國石化產業(yè)的規(guī)模、產量和技術能力都有了大幅度提升，產業(yè)規(guī)模已躋身世界石化大國前列。但是，與高質量發(fā)展和建設現(xiàn)代化產業(yè)鏈的要求相比還有差距，主要面臨資源與能源利用率偏低、煉油總體產能過剩、化工產品同質化嚴重和附加值不高、高端制造水平亟待提高、安全環(huán)境壓力大等問題。在不斷加速的能源轉型、國家“雙碳”戰(zhàn)略、日益嚴格的監(jiān)管要求和不斷變化的市場需求推動下，環(huán)境、社會和治理（ESG）成為當務之急。石化工業(yè)正通過創(chuàng)新工藝技術與新一代信息通信技術深度融合，發(fā)展智能制造，推動可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經濟，加快向綠色和高質量方向發(fā)展。

發(fā)展智能制造是石化工業(yè)轉型升級的主要路徑，不僅有助于石化企業(yè)全面提高生產效率、提升效益、改善產品品質，滿足新常態(tài)下企業(yè)創(chuàng)新和升級的需求，還可帶動眾多新技術、新產品及新裝備快速發(fā)展，催生新應用、新業(yè)態(tài)和新模式，推動石化工業(yè)實現(xiàn)質量變革、效率變革和動力變革，推動我國石化工業(yè)邁向全球產業(yè)鏈中高端。

國家“十三五”規(guī)劃以來，在國家智能制造戰(zhàn)略部署下，工業(yè)和信息化部通過產業(yè)政策支持的智能制造新模式項目435 項，綜合標準化項目163項，極大推動了我國制造業(yè)轉型升級的進程。石化智能制造也進入到實質性落地階段，先后有十幾家煉化企業(yè)入選國家智能制造試點示范、示范工廠或標桿企業(yè)。以中國石化集團公司（以下簡稱中石化）為首的集團型石化企業(yè)率先進行智能油田、智能工廠、智能研究院、智能加油站建設，加快數(shù)字化轉型步伐，起到了良好的引領和示范作用。首批4家試點示范企業(yè)的生產數(shù)據自動化采集率、先進控制投用率分別提升了20%、10%，均達到了98%以上，外排污染源自動監(jiān)控率達到100%，勞動生產率提高20%以上，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

早在2012 年，中石化率先在國內提出石化智能工廠概念，按照“六統(tǒng)一”的信息化建設原則，推進智能工廠項目及相關配套信息化項目建設。隨著智能工廠試點、推廣、提升項目建設的不斷深入，石化智能工廠內涵不斷發(fā)展和豐富，形成了較為完整的石化行業(yè)智能工廠理論體系，如圖1所示。

圖1 石化智能工廠理論框架“123456”演化過程

按照規(guī)劃，試點階段為石化智能工廠1.0，提升和推廣階段為石化智能工廠2.0。目前正在進行新一代石化智能工廠（3.0）的規(guī)劃設計。本文聚焦以下三個問題：石化智能工廠建設面臨哪些挑戰(zhàn)？智能流程制造有什么發(fā)展趨勢？如何結合新一代信息通信技術與業(yè)務需求，進行未來石化智能工廠頂層設計？

1 石化智能工廠存在的問題及能力需求

1.1 存在的問題

我國石化行業(yè)的信息化建設始于20 世紀90 年代，經歷了“起步和技術引進”“分散建設”“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設”“深化應用，集中集成”和“集成共享，協(xié)同創(chuàng)新”五個階段。當前石化智能工廠建設中突出的問題表現(xiàn)如下：一是應用系統(tǒng)眾多，系統(tǒng)集成度不夠。典型煉化一體化企業(yè)的應用系統(tǒng)多達百余套，既有總部統(tǒng)建業(yè)務管理系統(tǒng)，也有企業(yè)自建專業(yè)應用系統(tǒng)，系統(tǒng)間一般是界面集成或應用集成，需要進一步加強系統(tǒng)間的數(shù)據共享和業(yè)務協(xié)同。二是建設重點聚焦在生產運營層，總體呈現(xiàn)“橄欖型”。生產控制層重視不足，智能化程度不高，生產裝置工藝流程模擬、實時優(yōu)化、智能控制技術應用有待提高廣度和深度。三是存在信息孤島，數(shù)據標準不統(tǒng)一。沒有真正實現(xiàn)“數(shù)據的自由流動”，數(shù)據資產價值有待挖掘。四是智能化味道不足。對現(xiàn)場一線員工的賦能支撐不夠，設備預測性維護、生產全流程優(yōu)化等重點環(huán)節(jié)有待突破。五是信息化復合型人才短缺。對于先進過程控制、生產計劃優(yōu)化等應用，因為后臺都有模型需要維護，對使用者提出了較高要求，不少企業(yè)因人才缺乏而沒有達到預期應用效果。

1.2 業(yè)務能力需求

通過試點、提升和推廣項目，在煉化企業(yè)初步沉淀了部分智能化業(yè)務應用標準和最佳實踐，但在智能感知、工藝機理和工業(yè)大數(shù)據的混合建模與分析、全流程協(xié)同優(yōu)化控制、知識驅動的智能化操作和智能化決策等方面都需要進一步提升。

（1）生產優(yōu)化。生產計劃優(yōu)化模型需要更加準確，要結合二次裝置的嚴格機理模型來更新規(guī)劃模型參數(shù)；裝置控制優(yōu)化不但要“卡邊”操作，更要實現(xiàn)在線閉環(huán)實時優(yōu)化，以及計劃調度與過程控制的集成；從局部優(yōu)化到全流程優(yōu)化。

（2）生產管控?，F(xiàn)場數(shù)據采集要“應采盡采”，全面提升現(xiàn)場感知水平；減少重復性工作，部分環(huán)節(jié)實現(xiàn)無人化；生產異常能夠被快速偵測、識別，結合大數(shù)據和專家經驗輔助人員操作。

（3）設備管理。實時監(jiān)測動靜電儀等設備的運行狀態(tài)，進行預警和故障診斷；量化評估潛在風險，進行輔助決策，充分利用專家知識實現(xiàn)風險可控；人員技能培訓要更加貼近實戰(zhàn)，與實操過程實現(xiàn)緊密結合。

（4）安全環(huán)保。加強專業(yè)安全管理，覆蓋工藝安全、生產安全和設備安全等；加強高風險作業(yè)、重大危險源的預測預警，實現(xiàn)事后管理向事前預測的轉變；加強環(huán)保溯源分析，重點實現(xiàn)廢氣、廢水的溯源；加強環(huán)保設施運行優(yōu)化。

（5）能源及公用工程。實現(xiàn)能源優(yōu)化由單設備優(yōu)化、單裝置優(yōu)化向全廠優(yōu)化、區(qū)域優(yōu)化延伸，提高能源利用效率及能源供應安全；加強水電氣風等公用工程數(shù)據的全過程采集，能源計量儀表智能化改造，能量利用全過程監(jiān)測和優(yōu)化；重點煉油及化工產品的碳足跡管理。

1.3 技術能力需求

（1）建模和仿真。深化建模深度，原油原料實現(xiàn)分子級建模和優(yōu)化；深化模型應用粒度，加強機理模型、數(shù)據模型的混合建模以及多尺度模型融合應用；基于三維、虛擬現(xiàn)實（VR）和數(shù)據集成的可視化模型應用。

（2）數(shù)據治理。建立數(shù)據治理體系，建立數(shù)據安全管理辦法，制定數(shù)據標準和統(tǒng)一架構，實現(xiàn)數(shù)據源的唯一性，挖掘數(shù)據資產價值。

（3）邊緣云平臺。統(tǒng)籌規(guī)劃老系統(tǒng)上云和新老系統(tǒng)融合模式，提升平臺能力，賦能企業(yè)個性化需求的應用開發(fā)。

（4）工控和網絡安全。提升網絡基礎設施風險態(tài)勢感知和主動預防能力；加強工控安全策略的統(tǒng)一規(guī)劃、實施和運維。

（5）新技術的深化應用。結合新一代信息技術、智能傳感器和智能裝備，聚焦工業(yè)級業(yè)務場景，深化跨學科、跨領域融合創(chuàng)新應用，例如AI、5G+工業(yè)互聯(lián)網、機器視覺、數(shù)字孿生等。

2 石化智能制造發(fā)展趨勢

2.1 工業(yè)軟件視角

工業(yè)軟件凝聚了先進的工業(yè)研發(fā)、設計、管理的理念、知識、方法和工具，是人類工業(yè)知識的結晶，也是推進智能制造發(fā)展的核心要素和重要支撐。“軟件定義”成為新一輪科技革命和產業(yè)變革的新特征和新標志。關于石化工業(yè)軟件的分類和自主軟件的成熟度情況、工程設計軟件、流程模擬軟件以及資產績效管理（APM）軟件等，已經有較為詳細的論述，這里僅作幾點補充。

2.1.1 機電軟一體化

2021年10月，艾默生以60億美元現(xiàn)金獲得艾斯本55%的多數(shù)股權，并將旗下OSI Inc 公司的電力軟件和地質建模軟件業(yè)務并入到艾斯本業(yè)務。至此，市場占有率靠前的流程模擬軟件全部被工業(yè)自動化頭部企業(yè)收購，如表1所示。這表明工業(yè)自動化與工業(yè)軟件結合將更加緊密，向機電軟一體化整體解決方案發(fā)展。

表1 國際工業(yè)自動化企業(yè)收購流程模擬軟件情況

2.1.2 平臺化、組件化和生態(tài)化

這里的平臺包括2層含義：一是工業(yè)軟件產品平臺化；二是工業(yè)互聯(lián)網（IIoT）。任何單一軟件工具的品牌都不再重要，平臺成為一種頂層戰(zhàn)略?，F(xiàn)在的競爭已經不是單一產品的競爭，而是平臺的競爭、產品鏈的競爭、生態(tài)圈的競爭。如表2 所示，國際工業(yè)企業(yè)都推出了自己的工業(yè)互聯(lián)網平臺戰(zhàn)略。不過，國際企業(yè)更強調的是MES/MOM、資產績效管理、運營績效管理、能源管理以及流程模擬等工業(yè)軟件的推廣應用，特別是在石化等重資產行業(yè)。

表2 自動化工業(yè)廠家推出的工業(yè)互聯(lián)網平臺

工業(yè)互聯(lián)網帶來IT 架構的變化，云邊協(xié)同新技術架構也為工業(yè)軟件的研發(fā)與應用提供了創(chuàng)新的技術路徑與商業(yè)模式。傳統(tǒng)工業(yè)軟件通過解耦與重構，向SaaS 化、移動化、IoT 化發(fā)展。數(shù)據中臺、技術中臺和業(yè)務中臺促進了知識的沉淀和復用，通過輕量化工業(yè)APP滿足個性化需求和快速迭代。IT架構從單機應用到C/S、B/S，發(fā)展到云邊端協(xié)同；部署模式從On premise（企業(yè)內部部署）向私有云、公有云以及混合云發(fā)展。

2.1.3 軟件開發(fā)低代碼化

在新一代工業(yè)軟件中，都不同程度融合了機器學習、人工智能、機器人流程自動化（RPA）、低代碼開發(fā)等技術。低代碼應用平臺（LCAPs）通過可視化軟件功能組件的裝配及模型化驅動自動生成運行代碼，無需編碼或通過少量代碼就可以快速生成應用程序，為工程師快速開發(fā)可用、好用的工業(yè)軟件提供了良好的開發(fā)環(huán)境。低代碼開發(fā)技術最直接的價值是大幅度降低了成本，并且大幅度提升了效率。其次，技術門檻降低，更懂業(yè)務的業(yè)務人員可以直接操作配置系統(tǒng)。

2.1.4 軟件銷售模式訂閱化

工具類軟件的銷售方式，正從一次性許可（License）轉向訂閱模式（Subscription），主要表現(xiàn)形態(tài)就是按年租賃付費。訂閱模式的軟件并不一定都是基于云部署，可以仍然是在企業(yè)內部安裝，但是通過訂閱定期獲得授權密碼。例如劍維公司的AVEVA Flex 就是一種全新的商業(yè)模式：消除了平臺、I/O 和客戶端計數(shù)；無限制訪問數(shù)，可視化客戶端；根據業(yè)務需求動態(tài)調整產品使用情況。

2.2 流程工業(yè)開放自動化視角

自20 世紀70 年代PLC 和DCS 進入自動化領域之來，處于ISA 95的L1和L2控制層的自動化硬件和軟件結構一直沒有變動，不同廠家產品間兼容性差，沒有互操作性。伴隨快速發(fā)展的IT 技術和滯后的OT 技術間的矛盾加劇，讓最終用戶承受著巨大的負擔。

當前，工業(yè)自動化領域正在基于IEC 61499 標準或其他開放架構，打造設備互操作、系統(tǒng)易重構、軟件可移植的開放自動化架構。國際上已經出現(xiàn)兩條明顯不同的技術路線，一條以美國開放流程自動化論壇（OPAF）為代表的面向流程工業(yè)控制系統(tǒng)的開放流程自動化架構（open process automation，OPA），目標是對ISA 95 的L1 和L2 功能標準化，采用對現(xiàn)有DCS、PLC重新定義，以及對先進控制和MES、HMI等的虛擬化技術。另一條是德國流程工業(yè)用戶組織NAMUR倡議的開放架構（namur open architecture,NOA），堅持在現(xiàn)有工業(yè)信息化、自動化金字塔結構的前提下，通過OPC UA（嵌入式過程控制統(tǒng)一架構）與OT技術深度融合，提升運行維護的優(yōu)化能力。

2.3 工廠建設模式視角

在石化智能工廠工程建設模式上有兩大發(fā)展趨勢：一是向工程設計階段延伸；二是全廠信息化的EPC模式。

2.3.1 向工程設計端延伸，數(shù)字化交付為智能工廠奠定基礎

數(shù)字化交付是指除了實體的物理工廠外，還需要移交一座依托于數(shù)據、文檔、三維模型以及它們與工廠對象關聯(lián)關系的數(shù)字化虛擬工廠。隨著國家標準《石油化工工程數(shù)字化交付標準》（GB/T 51296—2018）頒布實施，國內越來越多的石化工程新建項目采用數(shù)字化交付方式，例如目前中石化正以中科煉化一體化、中沙合資聚碳酸酯、古雷煉化一體化、海南煉化百萬噸乙烯、鎮(zhèn)海煉化的鎮(zhèn)海基地一期為代表的工程建設項目上，進行工程數(shù)字化交付探索和實踐。

工程數(shù)字化交付是提升石化企業(yè)資產全生命周期管理水平的重要內容。項目前期、設計、采購、施工等“靜態(tài)信息”構成工程數(shù)字化交付的內容，加之項目試車和生產運行等“動態(tài)信息”的積累，為運營期智能工廠的建設奠定數(shù)字化基礎。目前，在數(shù)字化交付與接收平臺和工具，交付工廠對象的可信單一工程數(shù)據源，數(shù)據的完整性、合規(guī)性和一致性，以及如何支撐生產運營需求等方面還存在標準、規(guī)范、技術、安全、知識產權等系列問題，需要進一步研究。

同時，智能工廠的設計理念向前延伸。不同于傳統(tǒng)的逆向工程，而是在工程設計階段就考慮并梳理智能工廠建設需求，提出智能工廠的設計條件，融入各專業(yè)設計，開展風險、可靠性等分析，將相關的信息感知、智能運維、生產管控、設備管理、安全環(huán)保等要求在設計過程中提前規(guī)劃，從正向設計推動智能工廠建設。

2.3.2 全廠信息化EPC模式。

伴隨大型煉廠及煉化一體化項目的新建以及對老廠的改擴建，全廠信息化的EPC 實施模式應運而生。這種模式的優(yōu)點是強調設計在整個工程建設過程中的主導作用，有利于設計、采購、施工各階段工作合理銜接，且質量責任主體明確。EPC總承包模式在工程建設領域已應用成熟，當前大型新建、改擴建煉廠的全廠信息化建設在技術復雜度、投資額度、項目管理難度等方面同樣具備采用EPC模式的條件。信息化設計與工程設計同步，實現(xiàn)智能工廠整體規(guī)劃、整體設計、整體開發(fā)、整體實施和統(tǒng)一交付。這一模式已成功運用于中科煉化、古雷石化等多家石油化工企業(yè)煉廠的建設。

3 燈塔工廠及啟示

從2018 年開始，世界經濟論壇（WEF）與麥肯錫咨詢公司聯(lián)合在世界范圍內遴選“全球燈塔工廠網絡”（global light house network，GLN），評價從價值實現(xiàn)、集成用例、賦能要素和技術平臺四大維度。截至2022年3月，全球已選出燈塔工廠103家，其中包括5 家油氣、化學品企業(yè)，即美國DCP Midstream 公司（丹佛工廠）、巴西MODEC 公司（里約熱內盧）、土耳其Petkim 公司（伊茲密爾）、沙特阿美（Khurais胡萊斯油田）以及土耳其STAR 煉油廠（伊茲密爾）。燈塔工廠正在引領第四次工業(yè)（4IR）革命技術的普及，包括數(shù)字化、自動化、高級分析、預測性分析、VR 和增強現(xiàn)實（AR）以及工業(yè)物聯(lián)網等。通過商業(yè)模式創(chuàng)新、智能技術應用，全面提高企業(yè)數(shù)字化能力，引領未來制造業(yè)的轉型。

燈塔工廠包括三大類：一是制造型燈塔工廠；二是端到端價值鏈型燈塔工廠；三是可持續(xù)性燈塔工廠。已經總結出124個用例，其中制造型燈塔工廠包括數(shù)字裝配與加工、數(shù)字設備維護、數(shù)字化績效管理、數(shù)字質量管理、數(shù)字化可持續(xù)發(fā)展等五大類業(yè)務環(huán)節(jié)的58 個用例，通過優(yōu)化生產系統(tǒng)，提高運營效率和質量指標，擴大自身競爭優(yōu)勢。

端到端價值鏈燈塔工廠包括供應網絡連接性、端到端產品開發(fā)、端到端規(guī)劃、端到端交付、客戶連接等五大類業(yè)務環(huán)節(jié)的66 個用例，通過推出新產品、新服務、高度定制化、更小的批量或者更短的生產周期等方式，改變運營經濟性。

分析燈塔工廠成功經驗，六大推動因素在先進制造用例的規(guī)?；瘮U展中功不可沒，包括：①用敏捷工作方式持續(xù)迭代，幫助企業(yè)預判技術局限，打破瓶頸；②打造敏捷數(shù)字工作室，讓業(yè)務人員、數(shù)據工程師、系統(tǒng)工程師、產品經理共同開展頭腦風暴，激發(fā)創(chuàng)意；③采用可擴展的工業(yè)物聯(lián)網/數(shù)據基礎架構；④完善技術生態(tài)系統(tǒng)并深化協(xié)同效應，合作伙伴能夠持續(xù)為項目賦能；⑤建設工業(yè)物聯(lián)網學院，通過游戲化、數(shù)字化的學習途徑，以及虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等工具，有效提升員工技能；⑥成立數(shù)字化轉型組織，分享最佳實踐，開展用例的優(yōu)先級劃分，注重成效和解決方案，推動整個企業(yè)開展變革。

4 石化智能制造基本特征、內涵及演進路徑

4.1 石化智能制造的基本特征

智能制造已成為全球工業(yè)界關注的重點和學術界研究的熱點。關于智能制造，英文有兩種專用術語廣泛使用，即smart manufacturing（SM）和intelligent manufacturing（IM）。王柏村等通過文獻計量統(tǒng)計分析研究了SM與IM的起源、定義、發(fā)展、關鍵技術以及參考架構等主題。德國工業(yè)4.0 描述了未來制造的關鍵特征，概括一個核心、兩大主題和三項集成，提出了圖2(a)中的RAMI4.0 參考模型，對智能制造的定義是：人、機器和資源將會如同在一個社交網絡里自然地相互溝通協(xié)作，生產出來的智能產品能夠理解自己被制造的細節(jié)以及將如何使用，并積極協(xié)助生產過程。美國國家標準與技術研究院（NIST）提出了圖2(b)中的SME（智能制造生態(tài)）參考模型，對智能制造的定義是：針對工廠、供應鏈和客戶需求不斷變化的要求和條件，能實時響應的一體化協(xié)同制造系統(tǒng)。中國國家標準化管理委員會（SAC）提出了圖2(c)中的IMSA參考模型。在我國制造強國戰(zhàn)略研究報告中，認為智能制造是制造技術與數(shù)字技術、智能技術及新一代信息技術的融合，是面向產品全生命周期的具有信息感知、優(yōu)化決策、執(zhí)行控制功能的制造系統(tǒng)，旨在高效、優(yōu)質、柔性、清潔、安全、敏捷地制造產品和服務用戶。在工業(yè)和信息化部2016 年發(fā)布的《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》中給出了智能制造另一個新的表述：智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等功能的新型生產方式。此外，還有美國工業(yè)互聯(lián)網參考模型IIRA[圖2(d)]、ISO/TC184自動化系統(tǒng)與集成提出的全局三維圖[圖2(e)]以及日本工業(yè)價值鏈參考模型IVRA[圖2(f)]等。

圖2 幾種主要智能制造參考模型

制造業(yè)分為流程工業(yè)和離散工業(yè)。流程制造的智能化發(fā)展面臨的問題有其自身特征和技術挑戰(zhàn)。石化屬于典型的流程工業(yè)，其生產過程不同于離散工業(yè)，也與一般的流程工業(yè)存在較大區(qū)別，主要表現(xiàn)在原料物料復雜、工藝裝備復雜、產品種類眾多、運行條件苛刻、安全環(huán)保約束嚴格等。

石化制造的本質特征表現(xiàn)為：制造流程規(guī)模龐大、結構復雜，由多個緊密聯(lián)系并相互作用的操作單元所組成，在時空上具有多尺度的層次結構和功能結構。從橫向上看，制造流程是一系列相關的、異質的物理或化學過程的非線性、動態(tài)耦合過程，如“三傳一反”，即質量傳遞、熱量傳遞、動量傳遞和反應過程；從縱向上看，又是這些過程之間的跨時空尺度嵌套—耦合體系，是由融合復雜物理輸入/輸出的物質流網絡、能量流網絡和信息流網絡“三網融合與協(xié)同”的信息物理系統(tǒng)（CPS）。王基銘、李德芳等對石化信息物理系統(tǒng)（PCPS）的定義、層級特征、計算架構等進行了研究。高立兵等將石化CPS按照自調節(jié)與自校正、自感知與自適應、自認知與自學習、自認知和自復制等能力成熟度分為4個等級。中國標準化研究院與中國信息物理系統(tǒng)發(fā)展論壇發(fā)布的《信息物理系統(tǒng)建設指南》提出了CPS 在石化行業(yè)4種應用模式，即人智、輔智、混智和機智。

4.2 石化智能制造的內涵

過程系統(tǒng)工程（PSE）是研究石化智能制造的重要理論、技術和工程方法。PSE研究內容包括化學供應鏈的創(chuàng)造和操作、過程的改進，解決許多相互沖突目標情況下化學品的發(fā)現(xiàn)、設計、制造和配送等。自20 世紀80 年代誕生以來，PSE 與時俱進，伴隨信息技術的發(fā)展，研究范圍也不斷擴大。

為了建立石化智能制造理論體系，王子宗等在參考NIST SME 參考模型和石化智能工廠三條業(yè)務主線的基礎上，提出石化智能制造“三鏈模型”，分為產品鏈、資產鏈和價值鏈這三條鏈，三鏈的交叉處是制造金字塔，如圖3所示。三鏈模型分別對應產品生命周期維度、生產系統(tǒng)周期維度和商業(yè)周期維度。對于已知分子結構的大宗基礎化學品生產，其工藝路線相對固定，生產流程連續(xù)，工藝設計與工程設計合二為一，因而常常重點關注資產鏈和價值鏈兩個維度。

圖3 石化智能制造“三鏈模型”（修改自文獻[10]）

產品鏈是石化工業(yè)價值創(chuàng)造的核心，把低價值原料轉化為高價值的產品，包括石油分子管理、產品設計、流程模擬、油品調和等。石油加工過程的本質是將結構分布范圍較寬的原油分子，通過選擇性分離及定向轉化，生產具有特定分子組成的液體燃料、潤滑油產品和精細化工品等?；诜肿蛹壉碚骱头磻獎恿W建模已成為石油化工領域的關注熱點，并由此催生了分子管理技術的研究和發(fā)展。例如，?？松梨陂_發(fā)了一套“原油指紋系統(tǒng)”，從原油開始就建立分子水平的“指紋信息”，目的是“把正確的分子，在正確的時間放到供應鏈的正確位置上”，從而使每桶不同的原料油產生最大的價值。

資產鏈是實現(xiàn)價值創(chuàng)造的橋梁，包括從工廠可行性研究、概念設計、基礎設計、詳細設計、采購施工試車、數(shù)字化交付到運營與維護的工廠全生命周期。從項目績效管理（PPM）到資產績效管理（APM），提高資本性支出（CAPEX）效益，降低運營成本（OPEX）是石化企業(yè)資產管理的重點。

價值鏈是指供應鏈管理、生產、銷售等價值創(chuàng)造活動，包含原油采購、生產計劃和調度、生產、儲運、銷售和服務等。業(yè)務流程的數(shù)字化可以促成更好的協(xié)作、提升靈活性，形成優(yōu)化的價值鏈。

制造金字塔是石化企業(yè)制造系統(tǒng)的核心，產品鏈、資產鏈、價值鏈在這里匯聚和交互。石化工廠的物理模型遵循ISA106，從下往上分為設備、裝置、單元、工廠、企業(yè)等五級。

通過分析國際工業(yè)軟件企業(yè)的產品線，可以清晰地看出沿著“三鏈”打造集成化、一體化的軟件整體解決方案這一趨勢，也是國際自動化企業(yè)收購工業(yè)軟件完善其軟件產品線的邏輯所在。

石化企業(yè)的運營管理水平和數(shù)字化水平需要綜合考察其在三鏈上的表現(xiàn)，石化智能工廠2.0 建設，已經通過數(shù)字化舉措對三條鏈分別進行優(yōu)化以改進管理運營表現(xiàn)，并取得了一定的成績。而石化智能工廠3.0 的重點將是進一步解決數(shù)據共享和交換、系統(tǒng)間集成和跨鏈協(xié)同等難題。通過新一代信息通信技術和中臺技術，可以從三鏈上在數(shù)據和業(yè)務兩方面打破各個獨立子系統(tǒng)以及數(shù)據源之間的壁壘，完成跨鏈的數(shù)據融合和業(yè)務協(xié)同，從而更有效地管理數(shù)據資產，優(yōu)化生產運營，實現(xiàn)更高的靈活性、更高的生產效率、更高的產品質量。這是石化工業(yè)數(shù)字化轉型的驅動力，也是實現(xiàn)石化工業(yè)高質量發(fā)展追求的目標。在跨越三鏈協(xié)同方面，重點是圍繞供應鏈集成、價值鏈優(yōu)化以及工程數(shù)據全生命周期管理，如圖4所示。

（1）統(tǒng)一供應鏈管理。統(tǒng)一的企業(yè)級供應鏈管理平臺，可基于云端部署，支持SaaS 服務，覆蓋各個供應鏈環(huán)節(jié)，包括原油采購、生產計劃、生產調度、一次分銷等，如圖4(a)所示。例如，劍維公司的統(tǒng)一供應鏈管理套件Spiral Suite，集成的軟件包括原油物性數(shù)據管理（Spiral Assay）、生產計劃優(yōu)化（Spiral Plan）、生產調度優(yōu)化（Spiral Schedule）、供＆銷物流網絡優(yōu)化（Spiral Network）、流程模擬（ROMeo）以及與第三方ERP集成等。

（2）基于產品價值鏈的多裝置動態(tài)優(yōu)化。目前，裝置的先進過程控制（APC）、實時優(yōu)化（RTO）、廠級計劃與調度優(yōu)化還沒能實現(xiàn)數(shù)據的縱向集成和自由流動，計劃目標與裝置實際運營情況有一定差距，問題的癥結在于計劃優(yōu)化用線性模型來表征非線性過程。國際廠商如艾斯本、劍維、KBC、霍尼韋爾等提出了面向產品價值鏈的多單元動態(tài)優(yōu)化解決方案，如圖4(b)所示。采用分子級煉化一體化價值鏈表征及多單元動態(tài)優(yōu)化技術，無縫集成嚴格機理模型、降階混合模型和計劃LP 模型，統(tǒng)一計劃和調度、優(yōu)化操作，以增加效益。基于動態(tài)實時優(yōu)化，可以將生產計劃、調度排產、操作優(yōu)化、操作控制整體貫通，真正做到優(yōu)化目標從上到下、從全局到局部的層層分解和閉環(huán)控制，實現(xiàn)基于產品價值鏈的優(yōu)化。

（3）工程數(shù)據全生命周期管理。國際廠商如?？怂箍?、劍維、西門子等公司，面向流程工業(yè)提出了“一體化工程到一體化運維”的工程數(shù)據資產全生命周期解決方案，如圖4(c)所示。徹底打通工廠生命周期的數(shù)據流，為工廠的運營維護提供準確、完整的數(shù)據支撐，從而能夠提高設計效率、降低風險，實現(xiàn)資本項目的投資回報最大化。

圖4 跨鏈協(xié)同場景示意

4.3 石化智能制造演進路徑

從中遠期看，智能制造的發(fā)展路徑是清晰、可預見的：通過工業(yè)化和信息化“兩化”深度融合，構建信息物理系統(tǒng)，實現(xiàn)從人全盤控制到人不在現(xiàn)場的完全自治運行。中國工程院周濟院士團隊提出智能制造的數(shù)字化、網絡化、智能化三范式及“HCPS 模型”，并認為目前處于HCPS1.5 和HCPS2.0 之間，如圖5(a)所示。ABB 公司提出“工業(yè)自治六階段模型”，并認為當前系統(tǒng)介于第2 級和第3 級之間，如圖5(b)所示。中石化在智能工廠建設中提出了智能工廠演進5 階段，如圖5(c)所示，目前處于2.0 和3.0 之間，即基于智能制造平臺，實現(xiàn)了局部智能應用。上述三種表述形式不同，但觀點一致，都認為智能系統(tǒng)最終目標是實現(xiàn)完全自治。

圖5 不同智能制造演進路徑模型

從近期看，在國家“十四五”規(guī)劃階段，石化智能工廠建設需要從裝備、感知、控制、操作、運營、決策等層級，以工藝、裝置為核心，重點提升全面感知、實時分析、自主決策、精準執(zhí)行和自主學習等5項核心能力，通過“數(shù)據+平臺+應用”信息化管理、建設、運維新模式，推動設計、生產、物流、銷售與服務等業(yè)務環(huán)節(jié)的數(shù)字化轉型和智能化提升，形成虛實融合，以數(shù)據和模型為驅動、以石化工業(yè)互聯(lián)網平臺為支撐的新型制造模式，實現(xiàn)降本、增效、綠色、安全、轉模式等五大核心價值。

5 未來石化智能工廠設計思考

未來石化智能工廠建設，是在繼承試點項目、推廣項目實踐成果的基礎上，立足新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念，進行創(chuàng)新發(fā)展。特別是在云邊端協(xié)同、數(shù)字資產服務、關鍵能力提升等方面。核心內涵包括如下內容：一個目標，即創(chuàng)造增長、提升價值（包括運營和財務方面）；一個平臺，即邊緣云平臺；三個支撐體系，即信息和數(shù)字化管控體系、數(shù)據治理和信息標準化體系、網絡安全體系；四方面建設內容，即經營管理、生產運營、工程建設、信息技術支撐和基礎設施（向裝置層下沉，向決策層拓展，向設計端延伸，向產業(yè)鏈擴維，向分子級深化）；五項能力，即全面感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行、自主學習；六化特征，即自動化、數(shù)字化、模型化、集成化、孿生化、自主化；60+應用場景，包括經營管理、生產一體化優(yōu)化、生產操控、供應鏈管理、設備管理、能源管控、環(huán)保管控、安全管控、工程建設等業(yè)務域；建設模式，包括“數(shù)據+平臺+應用”、多級部署、云邊端協(xié)同；實施路徑與策略，包括新老系統(tǒng)數(shù)據和應用融合模式（綠地模式、棕地模式、藍地模式）。

5.1 未來石化智能工廠應具有的核心能力和特征

5.1.1 五項核心能力

未來石化智能工廠需要發(fā)展五項核心能力（圖6）：全面感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行和自主學習。前4項能力構成的“感知-分析-決策-執(zhí)行”信息流閉環(huán)是石化CPS 的基本過程，并具有時間、空間多尺度特征。第5項“自主學習”是人工智能的發(fā)展應用，制造系統(tǒng)增加了基于新一代人工智能技術的學習認知部分，不僅具有更加強大的感知、決策與控制的能力，更具有學習能力、產生知識的能力。使石化工業(yè)知識的產生、利用、傳承和積累效率發(fā)生革命性變化，而且可大大提高處理制造系統(tǒng)不確定性、復雜性問題的能力，極大改善制造系統(tǒng)的建模與決策效果。同時，石化制造系統(tǒng)不斷突破地域、組織的界限，實現(xiàn)對人才、技術、資金、數(shù)據等資源和要素的高效配置，不斷孕育新的服務模式與新興業(yè)態(tài)。

圖6 石化智能工廠的五大核心能力

5.1.2 “六化”特征（見圖7）

圖7 石化智能工廠“六化”特征

自動化（automation）：包括過程控制自動化，如DCS、PLC、SIS，以及PID 自整定、先進控制（APC）、自動連鎖控制、自動切換、一鍵操作等；裝備自動化，如立體倉庫、軌道機器人、特種作業(yè)機器人；程序性自動化，如低代碼應用平臺（LCAPs）、機器人流程自動化（RPA）、知識自動化（KA）等。在未來智能工廠建設中需要提高智能裝備、機器人及程序自動化技術的使用，減少用工，降低勞動強度，實現(xiàn)重點環(huán)節(jié)少人化和無人化，提高精準執(zhí)行的能力。

數(shù)字化（digitalization）：數(shù)字化指對人、機、料、法、環(huán)等核心生產要素的全面感知和數(shù)據采集，既包括從MES、SCADA、DCS、PLC、LIMS等系統(tǒng)獲取數(shù)據，也包括通過物聯(lián)網、智能傳感器、移動終端、機器視覺、智能儀器儀表、在線檢測分析儀、可穿戴設備等獲取數(shù)據。通過提高全面感知能力，實現(xiàn)設備數(shù)字化、資源數(shù)字化、業(yè)務數(shù)字化、流程數(shù)字化、管理數(shù)字化，形成數(shù)字資產。數(shù)字化解決數(shù)據的有無問題，是石化“數(shù)據+平臺+應用”新模式的基礎。

模型化（modeling）：模型泛指實際系統(tǒng)或過程特性的一種表示形式，或映射成的一種結構，如機理模型、數(shù)據模型、幾何模型、業(yè)務模型、信息模型等。建模一直伴隨化工的發(fā)展，工程師依靠模型進行工程設計、研究和決策制定?；み^程具有多時空尺度特征，需要綜合利用化工過程的第一性原理與過程數(shù)據，結合人工智能算法進行混合建模，解決化工過程中的模擬、監(jiān)測、優(yōu)化和預測等問題。文獻[61]綜述了智能制造中機理模型、數(shù)據模型、混合模型建模技術及應用。文獻[64]分析了人工智能和化學工程進行混合建模存在的優(yōu)勢、限制、機遇與挑戰(zhàn)。未來石化智能工廠建設要加強與工藝結合，向裝置下沉，通過基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法，對工廠進行全方位的模型化描述，實現(xiàn)對石化工業(yè)知識的固化、沉淀和復用。

集成化（Integrated）：包含兩層含義，一是德國工業(yè)4.0 提出的縱向集成、橫向集成和端到端集成；二是綜合集成，包括數(shù)據集成、服務集成、應用集成等。無論是德國工業(yè)4.0 的三項集成，還是我國的兩化融合，盡管語言體系不一樣，本質上都是針對多個業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據的互聯(lián)、互通難題，這是所有國家、企業(yè)的共同挑戰(zhàn)。未來石化智能工廠建設，既要深化“三鏈”集成，解決數(shù)據的共享和交換問題，更要發(fā)展跨越價值鏈的業(yè)務協(xié)同。

數(shù)字孿生化（digital twinning）：為物理實體、數(shù)字實體等可以有數(shù)字模型的實體或實體組合建立數(shù)字模型的過程。石化數(shù)字孿生包括三個核心要素，即模型、數(shù)據和服務。數(shù)字孿生是解決智能制造信息物理融合難題的一項關鍵使能技術?；跀?shù)字孿生，構建信息物理系統(tǒng)，可以提升虛實互動、實時分析能力，支持全生命周期的持續(xù)優(yōu)化和異常處置。2021 年12 月，工業(yè)和信息化部聯(lián)合八部委印發(fā)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃文件將數(shù)字孿生列為智能制造關鍵核心技術，提出了“數(shù)字孿生+”智能場景的描述，這是把數(shù)字孿生放到了“通用目的技術”（GPT）的地位。文獻[68]綜述了數(shù)字孿生在流程行業(yè)應用的難點和使能技術。目前，數(shù)字孿生在石化行業(yè)的應用還處于起步階段。中石化正在開展“數(shù)字孿生的智能乙烯工廠”項目。未來，通過構建基于設備級、單元級/裝置級、工廠級、企業(yè)級數(shù)字孿生，基于“數(shù)據+算法”，提供數(shù)字化服務，實現(xiàn)描述、診斷、預測和決策等服務應用。

自主化（autonomous）：自主化是對系統(tǒng)自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等特征的總稱。自動化、數(shù)字化、模型化、集成化和數(shù)字孿生都是自主化的基礎，是從數(shù)據到信息、知識、智慧（DIKW）的轉化。自主化程度是一個持續(xù)演進、螺旋上升的過程，是工業(yè)人工智能與石化工藝技術的深度融合過程。最終目標是系統(tǒng)可以應對未知變化，人不再必須參與控制過程，形成高度自治型工廠（autonomous factory）。機器感知、情景感知、機器學習、認知智能等都是提高自主化程度的關鍵技術。

5.2 重點建設內容和建設模式

未來石化智能工廠建設內容重點圍繞經營管理、生產運營、工程建設、基礎設施支撐和信息化保障體系等4個領域展開，如圖8所示。其中，重點考慮如下幾點。

圖8 石化智能工廠重點建設內容藍圖

（1）向裝置層下沉。圍繞乙烯、聚烯烴等重要裝置，提高生產操控智能化水平，為現(xiàn)場賦能、為基層員工賦能。通過APC、RTO、智能裝備、程序自動化、機器視覺等技術，減少用工，降低勞動強度，實現(xiàn)部分環(huán)節(jié)的少人化和無人化。

（2）向決策層拓展，發(fā)展數(shù)據智能，發(fā)揮數(shù)據資產價值。支撐諸如原油市場價格預測、原油采購優(yōu)化、原油價值鏈一體化優(yōu)化、成品油物流優(yōu)化、基于知識圖譜的供應商風險管理、動設備遠程運維、工藝遠程診斷服務等應用。

（3）向工程設計延伸，推進煉化工程數(shù)字化交付平臺建設。建立以智能工廠為導向的工程設計標準、規(guī)范；建設煉化工程數(shù)字化交付平臺，以及與運營平臺（數(shù)字化接收平臺）的無縫銜接；深化數(shù)字化交付內容和廣度，由一次性交付向漸進式交付轉變，由固定資產的數(shù)字化化交付（設計、采購、施工等過程的工程數(shù)據、工程文檔、三維模型等數(shù)字化信息），向固定資產+無形資產（工藝機理模型）的數(shù)字化交付模式發(fā)展，推進數(shù)字資產和運營數(shù)據的融合，形成數(shù)字“雙底座”。

（4）數(shù)字化、網絡化“補課”，基礎設施升級改造。智能儀表升級改造，實現(xiàn)生產設備、物料、產品、環(huán)境、人員的全面感知；增加在線檢測分析、特種作業(yè)機器人；工業(yè)有線和5G 網絡升級改造，完善融合通信，形成數(shù)字化、網絡化的生產環(huán)境。

（5）數(shù)據治理，統(tǒng)一數(shù)據標準。以數(shù)據作為戰(zhàn)略資產，建設石化數(shù)據治理體系，推進數(shù)據治理制度流程、數(shù)據架構、數(shù)據組織、數(shù)據集中共享機制和信息標準化體系的建設，持續(xù)提升數(shù)據質量，形成全業(yè)務領域的數(shù)據資產。通過邊緣云平臺，推進數(shù)據能力、業(yè)務能力、技術能力的沉淀、復用和開放，構建服務化、集約化的應用開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)數(shù)據全生命周期管理和平臺數(shù)字化運營，敏捷響應數(shù)據應用需求，促進數(shù)據應用創(chuàng)新。

（6）建設模式?！皵?shù)據+平臺+應用”模式，多級部署，云邊協(xié)同?？蓴U展、先進的邊緣云平臺是未來石化智能工廠技術架構的核心，其關鍵能力包括：物聯(lián)感知和邊緣計算能力、工廠數(shù)字孿生建模能力、企業(yè)級數(shù)據資源管控能力、企業(yè)應用的集成與管控能力、工業(yè)知識運行與管控能力?？偛颗c下屬企業(yè)形成云邊端協(xié)同，促進知識的沉淀和復用，解決碎片化供給和全局優(yōu)化需求之間矛盾。構建百花齊放的工業(yè)APP 和快速迭代模式，滿足企業(yè)個性化需求，提升系統(tǒng)縱向貫通性和業(yè)務覆蓋度，促進業(yè)務協(xié)同。

（7）實施路徑和策略。對于新建工廠，可以采取綠地模式（Greenfield）：直接采用新的邊緣云平臺架構，應用APP 化，建設基于角色的崗位工作臺，例如中科煉化、古雷石化等新建工廠即是這種模式；對于老廠升級以及改擴建工程，需要結合數(shù)據治理，統(tǒng)籌考慮新老系統(tǒng)的數(shù)據融合和系統(tǒng)集成模式。棕地模式（Brownfield），即現(xiàn)有系統(tǒng)應用升級和重構，將現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據、應用按照與平臺不同等級的成熟度搬到新架構里。藍地模式（Bluefield）：按照目標架構的要求，有選擇性地、將部分數(shù)據或者功能模塊從老系統(tǒng)搬到新系統(tǒng)里。不管采取哪種模式，建立統(tǒng)一數(shù)據架構和標準都是前提條件。

5.3 應用場景

應用場景是推進智能制造落地的重要抓手，世界燈塔工廠目前總結出124個應用場景，工信部針對“5G+工業(yè)互聯(lián)網”發(fā)布了20個應用場景，工信部四部委聯(lián)合發(fā)布的《智能制造典型場景參考指引（2021年）》，總結出15個環(huán)節(jié)52個智能制造典型場景。石化智能工廠場景規(guī)劃需要考慮如下幾點。

（1）綜合石化智能工廠2.0建設內容、“5G+工業(yè)互聯(lián)網”、“工業(yè)互聯(lián)網+安全生產”等專項，以及典型企業(yè)智能工廠規(guī)劃方案，形成石化信息化場景全景，是未來石化智能工廠建設的基線。

（2）圍繞經營管理、生產一體化優(yōu)化、生產操控、供應鏈管理、設備管理、能源管理、環(huán)保管控、安全管理、工程建設等業(yè)務域，結合新技術發(fā)展和業(yè)務需求，對單一業(yè)務和跨流程業(yè)務進行應用場景規(guī)劃，形成應用場景清單全集。不同企業(yè)可以從場景清單中選擇重點建設內容，滿足個性化需求。

（3）應用場景內容包括針對業(yè)務痛點、場景描述、技術要素和預期效果等。按照業(yè)務、管理、智能點，可選項、必選項，提升、新建等維度對場景分類、分級。技術要素包括支撐智能場景的技術、支撐系統(tǒng)、數(shù)據、模型等要素。預期效果是在財務和運營指標方面的價值實現(xiàn)，包括對效益、效率、質量、安全、環(huán)保以及業(yè)務模式等方面的影響。

（4）正如國際燈塔工廠帶來的啟示，數(shù)字化的投入和收益，并不是平行線，數(shù)字化投入只有跨越某個臨界拐點后，才會呈現(xiàn)指數(shù)增長。一方面場景應用需要在數(shù)量上達到一定規(guī)模（燈塔工廠評選要求20個以上），另一方面在業(yè)務覆蓋面上要達到一定廣度，形成集成和協(xié)同優(yōu)勢。

6 展望

發(fā)展石化智能制造，標準和能力評估不可或缺。目前，按照《國家智能制造標準體系建設指南（2021版）》要求，由中石化牽頭編制的《石化行業(yè)智能制造標準體系建設指南》已經通過工業(yè)和信息化部組織專家評審，進入公開征求意見階段。下一步需要加快石化行業(yè)相關標準的規(guī)劃和制定，發(fā)揮標準在推進石化智能制造有序發(fā)展中的指導和規(guī)范作用。同時，以國家智能制造能力成熟度模型（GB/T 39116—2020）和評估方法（GB/T 39117—2020）為基礎，加快構建石化智能工廠能力成熟度評估體系，從業(yè)務、技術、組織和人才等四個方面全方位定性和定量評估，幫助石化企業(yè)確定工廠信息化現(xiàn)狀水平，明確差距和發(fā)展目標，指引智能工廠建設和發(fā)展。

突破石化核心工業(yè)軟件短板，才能牢牢掌握創(chuàng)新發(fā)展主動權。需要石化龍頭企業(yè)發(fā)揮市場主體地位，聯(lián)合高校、科研院所等構建產學研用生態(tài)體系，建立企業(yè)自主知識產權軟件培育體系，發(fā)揮國內石化市場規(guī)模巨大和場景豐富優(yōu)勢，加強技術攻關和技術成果轉化，推進石化自主技術軟件化，如實時優(yōu)化軟件、通用流程模擬軟件、專用反應器模型軟件等，解決“卡脖子”問題。2021年4月，中石化與清華大學成立綠色化工聯(lián)合研究院，是雙方構建產學研用深度融合的技術創(chuàng)新體系的務實之舉。同時，對于已有核心軟件，如石化MES，需要在軟件的設計思想、平臺架構、系統(tǒng)功能和用戶體驗方面持續(xù)改進和加快迭代。

新技術的應用應以業(yè)務需求為導向，以價值創(chuàng)造為目標。智能工廠建設不能僅僅靠技術、裝備投入，追求把技術武裝到牙齒，更要重視企業(yè)核心競爭力的培育。既需要企業(yè)戰(zhàn)略、組織機制、業(yè)務流程等方面的配合和支撐，也需要培養(yǎng)數(shù)字文化、創(chuàng)新文化，以及建設信息化人才梯隊。數(shù)字化轉型是一個長期系統(tǒng)工程，需要把技術植入企業(yè)基因，開啟一場永無止境的競爭能力進化之旅。