流程工業(yè)數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)探討

來源：專知

流程工業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分, 是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ), 主要包括化工、冶金、石化等行業(yè), 其安全高效的生產(chǎn)對國家而言具有重要的戰(zhàn)略意義. 然而, 流程工業(yè)物理化學(xué)變化反應(yīng)復(fù)雜、流程間能質(zhì)流嚴(yán)重耦合、多目標(biāo)沖突、在線實(shí)驗風(fēng)險大, 給生產(chǎn)流程系統(tǒng)建模與高效協(xié)同優(yōu)化帶來極大困難, 嚴(yán)重制約了生產(chǎn)質(zhì)量和資源利用率的進(jìn)一步提升. 隨著信息技術(shù)與人工智能的發(fā)展, 建立虛實(shí)結(jié)合、協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行的流程工業(yè)數(shù)字孿生生產(chǎn)線所需技術(shù)逐漸成熟, 其在流程工業(yè)的應(yīng)用價值與潛力日益凸顯. 本文首先闡述數(shù)字孿生在流程工業(yè)應(yīng)用的必要性與重要性, 并通過邊界定義法將數(shù)字孿生與信息物理系統(tǒng)(Cyber-physical system, CPS)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等概念進(jìn)行對比分析,從而明確數(shù)字孿生的基本內(nèi)涵與功能邊界. 其次描述流程工業(yè)抽象模型和數(shù)字孿生理論模型間的映射關(guān)系, 并分析了如何用數(shù)字孿生技術(shù)解決流程工業(yè)系統(tǒng)建模與高效協(xié)同優(yōu)化的瓶頸問題. 最后, 從數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建的角度探討數(shù)字孿生發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù), 并以一條煉鐵生產(chǎn)線為例, 展示數(shù)字孿生技術(shù)在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用解決方案.

流程工業(yè)主要包括化工、冶金、石化、造紙、電力等行業(yè), 其生產(chǎn)過程中, 原料通過化學(xué)、物理、相變等反應(yīng)或變化, 經(jīng)連續(xù)加工生成新的物質(zhì). 流程行業(yè)不僅為機(jī)械、軍工等領(lǐng)域提供原材料與電力能源支持,也是國民經(jīng)濟(jì)與人民生活的重要保障. 因此, 流程工業(yè)生產(chǎn)不僅對企業(yè)至關(guān)重要, 也是我國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè), 在保障國家重大工程建設(shè)和帶動國民經(jīng)濟(jì)增長等方面起著不可替代的作用[1].

相比于離散制造工業(yè), 流程工業(yè)具有以下幾個特點(diǎn):

1)原料物化屬性復(fù)雜且難以測量, 涉及眾多工藝, 每一個工藝的設(shè)備特征、工藝配方、原料屬性和操作參數(shù)都與生產(chǎn)性能指標(biāo)有著密切聯(lián)系, 且加工工藝多為復(fù)雜的物理過程和化學(xué)反應(yīng), 導(dǎo)致生產(chǎn)過程難以建模.

2)對流程工業(yè)而言, 為了制造某一產(chǎn)品, 原料必須通過由不同功能工序串聯(lián)起來的制造流程, 在整體協(xié)同下組織生產(chǎn), 其整體運(yùn)行的全局最優(yōu)是一個多流程耦合關(guān)聯(lián)、多目標(biāo)沖突的復(fù)雜動態(tài)優(yōu)化命題.

3)不同于離散工業(yè)在質(zhì)量缺陷時可以通過更換零件解決, 流程工業(yè)體量大, 容錯率低, 一旦發(fā)生異?；蚬收蠈⑹挂慌a(chǎn)品無效, 造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失, 嚴(yán)重時可能造成人員傷亡與生態(tài)環(huán)境破壞, 因此亟需經(jīng)營決策優(yōu)化的自感知、自計算、自組織和自維護(hù)功能.

傳統(tǒng)的流程工業(yè)生產(chǎn)往往依靠工人經(jīng)驗, 關(guān)鍵工藝質(zhì)量預(yù)測與操作決策依賴工作人員的知識儲備和認(rèn)知水平, 嚴(yán)重制約了生產(chǎn)過程的安全高效運(yùn)行. 經(jīng)過幾十年的發(fā)展, 通過信息化、數(shù)字化等手段, 我國流程工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化, 關(guān)鍵技術(shù)不斷取得突破, 對許多生產(chǎn)工序有了較完善的模型與控制系統(tǒng). 然而流程工業(yè)物理化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜, 工序間能質(zhì)流嚴(yán)重耦合, 性能指標(biāo)影響因素眾多, 生產(chǎn)異常和故障后果嚴(yán)重, 因此, 對物質(zhì)流、能量流和信息流的集成和高效調(diào)控成了現(xiàn)有制造模式亟待解決的難題.

正是由于以上問題, 現(xiàn)階段我國流程工業(yè)面臨資源利用效率偏低、能耗物耗較高、產(chǎn)品質(zhì)量較差、生產(chǎn)成本高、“三廢”排放量較大和環(huán)境污染較嚴(yán)重等問題[2-3]. 近年來流程工業(yè)生產(chǎn)事故時有發(fā)生, 不僅使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益受損, 而且污染環(huán)境, 危及人民生命財產(chǎn)安全. 構(gòu)建流程行業(yè)的數(shù)字孿生系統(tǒng), 通過數(shù)字孿生體與工業(yè)實(shí)體的平行運(yùn)行、實(shí)時交互與迭代優(yōu)化, 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程精準(zhǔn)預(yù)測與控制、生產(chǎn)自組織優(yōu)化調(diào)度、設(shè)備全生命周期管理、產(chǎn)品質(zhì)量追溯與管控等功能, 可以大幅提升流程行業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效益, 促進(jìn)流程行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[4].

針對流程工業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用, 本文第1節(jié)介紹數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展概況, 并通過邊界定義法, 闡述數(shù)字孿生與一系列相關(guān)概念的異同, 使讀者對數(shù)字孿生的定義有更清晰的理解; 第2節(jié)將流程工業(yè)抽象概括為數(shù)學(xué)模型, 并闡述與數(shù)字孿生體映射關(guān)系, 分析如何通過數(shù)字孿生理論方法來解決流程工業(yè)復(fù)雜耦合問題, 同時通過全流程的迭代優(yōu)化提高數(shù)字孿生體的建模效果; 第3節(jié)介紹了流程工業(yè)數(shù)字孿生的主要關(guān)鍵技術(shù); 第4節(jié)以一條數(shù)字孿生煉鐵生產(chǎn)線為例, 展示了數(shù)字孿生技術(shù)在流程行業(yè)中的應(yīng)用解決方案.

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c200147