化學(xué)工業(yè)多尺度融合的智能制造模式
——互聯(lián)化工

吉旭，黨亞固，周利，戴一陽

（1四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都610065；2四川大學(xué)互聯(lián)化工研究中心，四川成都610207）

1915 年提出的“單元操作”概念奠定了現(xiàn)代化工的技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)，20 世紀(jì)50 年代的“三傳一反”理論則激發(fā)了化工以能量集成和優(yōu)化為特征的第二次大發(fā)展。當(dāng)前，化工過程越來越大型化和復(fù)雜化，構(gòu)成了由設(shè)備層、監(jiān)控層、調(diào)度層、運(yùn)管層和決策層構(gòu)成的金字塔型結(jié)構(gòu)，受技術(shù)水平限制，各層級間存在明顯的信息阻隔，導(dǎo)致從工藝控制到管理決策的綜合性和系統(tǒng)性優(yōu)化水平較低，尤其是隨著行業(yè)的深入發(fā)展，化工安全方面的挑戰(zhàn)越來越大，甚至產(chǎn)生了嚴(yán)重的安全與環(huán)保問題。因此，對化工過程多相性、非線性、非平衡、多尺度和多時(shí)空域特性的認(rèn)識(shí)成為影響化學(xué)工業(yè)發(fā)展的重要因素[1-3]?，F(xiàn)代信息技術(shù)提供的感知、通信、計(jì)算和控制能力提升了人們對化工行業(yè)多尺度、多時(shí)空域的認(rèn)知和管控能力[4]，同時(shí)產(chǎn)生了面向全產(chǎn)業(yè)鏈整合的新要求、新趨勢，甚至新的制造模式[5]?？蒲蓄I(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域都在對此做出積極響應(yīng)，中國石油化工集團(tuán)公司（簡稱中國石化、中國石油天然氣集團(tuán)公司（簡稱中國石油）、陶氏、殼牌、霍尼韋爾等企業(yè)就此進(jìn)行了卓有成效的實(shí)踐，提出了化工行業(yè)發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及智能制造的技術(shù)架構(gòu)和建設(shè)路徑[6-9]。中國石化九江石化、鎮(zhèn)海煉化的智能制造項(xiàng)目已成為行業(yè)樣本[10-11]，并開始從企業(yè)級向園區(qū)級發(fā)展，例如中國魯西集團(tuán)和新加坡的智慧工業(yè)園區(qū)等[12]。

盡管如此，化工行業(yè)智能化模式在從單元、過程、園區(qū)到產(chǎn)業(yè)鏈跨層級的信息融合與協(xié)同方面還應(yīng)有更重要的進(jìn)展，應(yīng)對企業(yè)多尺度互聯(lián)條件下的經(jīng)濟(jì)性、高效性、安全以及綠色發(fā)展等方面的挑戰(zhàn)?；诖耍拇ù髮W(xué)基于行業(yè)特點(diǎn)，提出了化工行業(yè)面向多尺度融合的智能制造模式——互聯(lián)化工。

1 互聯(lián)化工的概念與模型

化工過程通過物質(zhì)和能量的可控轉(zhuǎn)化和傳遞來實(shí)現(xiàn)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，涉及從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組織到產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同的寬廣領(lǐng)域，多尺度性是化工區(qū)別于其他制造業(yè)的典型特點(diǎn)，對它的認(rèn)識(shí)和利用是科學(xué)研究及創(chuàng)新的重要方向之一[13]。圖1所示是化工多尺度模型，包括了分子尺度、單元尺度、過程尺度、工廠尺度、園區(qū)尺度、產(chǎn)業(yè)鏈尺度。這一多尺度系統(tǒng)具有非線性和非平衡特性，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定和均衡，還需要依賴外部更多的輸入因素，如信息和能量。多尺度系統(tǒng)往往有多種結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化的機(jī)制共存，跨尺度影響甚至耦合，對這一特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)并實(shí)現(xiàn)多尺度的均衡是化工未來發(fā)展的突破點(diǎn)[14]。

由于化工系統(tǒng)的多尺度多維度融合特性，化工智能制造與其他制造業(yè)相比有更復(fù)雜的任務(wù)，需要解決多尺度互聯(lián)體系下多相界面間、設(shè)備、企業(yè)以及產(chǎn)業(yè)鏈整體的物資和能量轉(zhuǎn)換的協(xié)同性與高效性，因此提出了化學(xué)工業(yè)面向多尺度融合的智能制造模式——互聯(lián)化工。

圖1 化學(xué)工業(yè)的多尺度、多維模型

互聯(lián)化工是一種面向多尺度、多時(shí)空域的，構(gòu)筑在以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)、5G 通信和人工智能為代表的新技術(shù)體系上的工業(yè)智能化架構(gòu)。它以化學(xué)工業(yè)實(shí)現(xiàn)安全可靠、綠色低碳、資源高效利用、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同為目標(biāo)，在全生命周期里將泛在感知、廣泛互聯(lián)、智慧決策、精準(zhǔn)控制和自我學(xué)習(xí)等計(jì)算技術(shù)與化工領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行深度融合，推動(dòng)產(chǎn)品與服務(wù)、工藝與設(shè)備、業(yè)務(wù)與商業(yè)模式的創(chuàng)新?；ヂ?lián)化工是一種先進(jìn)技術(shù)架構(gòu)、智能化系統(tǒng)以及新型制造模式的總稱，本文構(gòu)建如圖2所示的“互聯(lián)化工”技術(shù)架構(gòu)體系。

互聯(lián)化工具有互聯(lián)、綜合、協(xié)同、智慧特點(diǎn)。

（1）“互聯(lián)化工”是多尺度的互聯(lián) 1996 年Villermaux[15]提出化工過程包含有同時(shí)發(fā)生在很寬時(shí)尺度和空尺度上的現(xiàn)象，比如從分子振動(dòng)的納秒尺度到污染物消失所需長達(dá)世紀(jì)的時(shí)尺度，因而提出了化工的多尺度問題?；げ粌H僅要在單一尺度上對物質(zhì)、能量、資金和信息等進(jìn)行多維度的精確描述，還需要解決多尺度間的耦合關(guān)系以及物質(zhì)/能量/信息跨尺度的傳遞與互通機(jī)制問題。當(dāng)下，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能為代表的最新信息技術(shù)為化學(xué)工業(yè)多尺度間的互聯(lián)互通提供了新的技術(shù)平臺(tái)，成為化工發(fā)展的新機(jī)遇。比如結(jié)構(gòu)和組分的精準(zhǔn)匹配影響著功能材料的宏觀性能，微流控將物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、性能與流動(dòng)態(tài)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)微加工和微控制，是非常有前景的微尺度、介尺度與宏尺度融合的科學(xué)研究領(lǐng)域[16]。多尺度間的互聯(lián)、耦合與傳遞機(jī)制正成為科學(xué)研究與工程技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)，也構(gòu)成了互聯(lián)化工的基本特性。

（2）“互聯(lián)化工”面向全產(chǎn)業(yè)鏈的綜合 “互聯(lián)網(wǎng)+”催生了新的經(jīng)濟(jì)模式，面向全產(chǎn)業(yè)鏈的整合成為新經(jīng)濟(jì)模式的典型特征和要求。“互聯(lián)化工”通過跨尺度的物料、能量、資金和信息流的綜合和集成，可在廣闊的時(shí)空域范圍內(nèi)強(qiáng)化能質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率；同時(shí)企業(yè)將供應(yīng)鏈系統(tǒng)與市場的多樣化和個(gè)性化需求進(jìn)行綜合，深化產(chǎn)品工程與工業(yè)工程的融合，創(chuàng)造新的價(jià)值領(lǐng)域，這將推動(dòng)化工從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)控制、業(yè)務(wù)流程與管理決策的變革。

四川大學(xué)將CO2捕集及利用技術(shù)融入產(chǎn)業(yè)鏈[17]，氯化鎂礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鹽酸和碳酸鎂，磷石膏固廢物礦化CO2聯(lián)產(chǎn)硫基復(fù)合肥，既實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的循環(huán)利用，又減少溫室氣體排放，這是從原子尺度到產(chǎn)業(yè)鏈尺度互聯(lián)與綜合的典型案例。

圖2 互聯(lián)化工的技術(shù)架構(gòu)

（3）“互聯(lián)化工”的多尺度協(xié)同性 互聯(lián)化工的協(xié)同性是面向化學(xué)工業(yè)多尺度和多層次的，突破傳統(tǒng)的時(shí)空約束性，實(shí)現(xiàn)包括工藝的協(xié)同、生產(chǎn)過程的協(xié)同、資源配置的協(xié)同和過程安全的協(xié)同。互聯(lián)化工的協(xié)同有多種尺度下的具體形式，云制造是面向供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈尺度上的實(shí)踐，微流控和微化工則強(qiáng)調(diào)微單元尺度上的協(xié)同性[18]。應(yīng)該講，互聯(lián)化工各尺度間的協(xié)同是互為目標(biāo)和互為條件的，構(gòu)成了產(chǎn)業(yè)鏈上不同主體耦合共生的基礎(chǔ)，從而最終貫通智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)線、智能工廠、智慧園區(qū)到智慧產(chǎn)業(yè)鏈。

（4）“互聯(lián)化工”基于現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的智慧化 實(shí)現(xiàn)化工過程的互聯(lián)、綜合與協(xié)同，只有通過多學(xué)科知識(shí)的交叉與融合，才能快速并精細(xì)化處理各種實(shí)際問題，滿足多目標(biāo)、多準(zhǔn)則以及多尺度融合的優(yōu)化要求。無疑，以數(shù)據(jù)+算法+算力為關(guān)鍵要素的智能化是最終實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)化工”的必要條件。

總之，物聯(lián)網(wǎng)和可靠通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)化工多尺度復(fù)雜系統(tǒng)的泛在感知和廣泛互聯(lián)，這為面向全尺度、全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期的綜合奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，人工智能技術(shù)則大大增強(qiáng)了人們對于復(fù)雜體系的認(rèn)識(shí)和控制的能力，以實(shí)現(xiàn)多尺度條件下的協(xié)同性。智能化對于互聯(lián)化工而言非常重要，但它不是目標(biāo)，而是互聯(lián)化工的技術(shù)特征，是推動(dòng)化學(xué)工業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的工具與路徑。

2 互聯(lián)化工的關(guān)鍵技術(shù)

化工生產(chǎn)過程包含復(fù)雜的物理化學(xué)變化，工序和企業(yè)間的互聯(lián)存在耦合性、多維性和多層次性，人們需要洞察分子尺度下顆粒的細(xì)微擾動(dòng)直至產(chǎn)業(yè)鏈的動(dòng)態(tài)性變化，以追求生產(chǎn)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。因此，化學(xué)工業(yè)需要基于其多尺度特點(diǎn)構(gòu)建其數(shù)字化技術(shù)體系。

2.1 工業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能

工業(yè)大數(shù)據(jù)是指企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營過程中所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，涵蓋包括市場、設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)和循環(huán)利用等全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有多源性、關(guān)聯(lián)性、低容錯(cuò)性、時(shí)效性和專業(yè)性特點(diǎn)。在化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域，人工智能技術(shù)基于過程機(jī)理與工業(yè)大數(shù)據(jù)，圍繞著市場、產(chǎn)品、資源、生產(chǎn)及安全等問題，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘和深度學(xué)習(xí)等智能算法，建立機(jī)理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的混合知識(shí)模型，提升化工系統(tǒng)的智能水平，圖3為工業(yè)大數(shù)據(jù)價(jià)值流。

化學(xué)工業(yè)人工智能技術(shù)的應(yīng)用是問題導(dǎo)向的，具體包括：

①面向市場個(gè)性化需求，基于智能技術(shù)的產(chǎn)品工程新方法論；

②過程機(jī)理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的混合模型理論，智能軟測量技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)；

③邊緣計(jì)算、云計(jì)算與信息物理系統(tǒng)的融合；

④復(fù)合尺度下的能質(zhì)網(wǎng)絡(luò)集成與優(yōu)化運(yùn)行的方法和技術(shù)，跨尺度協(xié)同的云制造技術(shù)；

⑤異常工況識(shí)別、故障診斷，安全評價(jià)與工藝優(yōu)化的一體化技術(shù)，智能控制技術(shù)；

⑥化工過程的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，基于區(qū)塊鏈的工業(yè)安全技術(shù)，設(shè)備可靠性與健康管理；

⑦資源與環(huán)境足跡，工業(yè)代謝平衡；

⑧多尺度、多維度的異構(gòu)數(shù)據(jù)源的融合技術(shù)，機(jī)理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)混合的人工智能技術(shù)。

圖3 工業(yè)大數(shù)據(jù)價(jià)值流

2.2 多層級融合的信息物理系統(tǒng)

信息物理系統(tǒng)（cyber physical systems，CPS）最早由美國提出，2007 年將其列為重點(diǎn)發(fā)展的八大關(guān)鍵信息技術(shù)的第一位，是德國工業(yè)4.0 的核心技術(shù)[19]。CPS 通過集成感知、計(jì)算、通信、控制等信息技術(shù)，構(gòu)建物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射和適時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代及動(dòng)態(tài)優(yōu)化[20]。

基于化學(xué)工業(yè)的多尺度特點(diǎn)，化學(xué)工業(yè)的信息物理系統(tǒng)分為單元（裝置）級、企業(yè)（過程級）和系統(tǒng)（供應(yīng)鏈）級，它們相互貫通并協(xié)同，實(shí)現(xiàn)跨尺度間資金流、物質(zhì)流、能量流和信息流的四流合一，圖4所示為互聯(lián)化工信息物理系統(tǒng)的層級結(jié)構(gòu)。

（1）單元級CPS 系統(tǒng)是面向單元操作和過程的，將現(xiàn)場傳感器、控制系統(tǒng)、嵌入式計(jì)算設(shè)施以及信息終端集成為智慧化單元，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）、裝置異常處置等單元級功能。單元級CPS與傳統(tǒng)先進(jìn)控制的不同是CPS裝置與上下游工藝裝置互連互通，具有一定的自治能力，如自主通信、自主優(yōu)化、自主控制和自主學(xué)習(xí)。

（2）過程級CPS是企業(yè)或工藝系統(tǒng)規(guī)模的，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上貫通工藝系統(tǒng)中所有的單元級CPS，形成面向全流程的物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)映射交互的綜合體，以提升裝置間的工藝協(xié)同性，實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。同時(shí)，生產(chǎn)管控、能源、設(shè)備、安全和環(huán)保等過程級CPS 功能集成，是構(gòu)建智能工廠的基礎(chǔ)。

（3）系統(tǒng)級CPS是企業(yè)面向供應(yīng)鏈集成并優(yōu)化的智能化系統(tǒng)平臺(tái)，感知市場供需關(guān)系的變化，及時(shí)調(diào)整銷售計(jì)劃、采購計(jì)劃、生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈協(xié)同下的資源配置和生產(chǎn)組織。系統(tǒng)級CPS面對多樣化的異構(gòu)數(shù)據(jù)，需解決數(shù)據(jù)的一致性和完整性，并通過時(shí)間序列控制、穩(wěn)態(tài)檢測等技術(shù)提高系統(tǒng)級CPS、過程級CPS和裝置級CPS的協(xié)同性，云制造是系統(tǒng)級CPS的典型應(yīng)用模式。

化學(xué)工業(yè)CPS的多源、多場景和多目標(biāo)的應(yīng)用架構(gòu)是由化工多尺度多層級的業(yè)務(wù)模式?jīng)Q定的，其信息架構(gòu)是如圖5 所示的一種全融合的結(jié)構(gòu)體系，這將對企業(yè)的業(yè)務(wù)模式及知識(shí)機(jī)制產(chǎn)生重大影響。

2.3 云制造模式

圖4 互聯(lián)化工信息物理系統(tǒng)的層級結(jié)構(gòu)

圖5 互聯(lián)化工的信息融合結(jié)構(gòu)

以中國石化（Sinopec Group）為例，主營業(yè)務(wù)涵蓋石油天然氣的勘探開采與煉制、石油天然氣化工、煤化工、新能源、工程承包和勞務(wù)輸出等多個(gè)業(yè)務(wù)板塊，是一個(gè)非常復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈體系，如何在各業(yè)務(wù)板塊間整合供應(yīng)鏈、優(yōu)化資源配置，以開放性和協(xié)同性強(qiáng)化全產(chǎn)業(yè)鏈的集成優(yōu)勢，是企業(yè)的關(guān)鍵任務(wù)[11]，為此需要構(gòu)建統(tǒng)一的知識(shí)系統(tǒng)[21]，建立多產(chǎn)業(yè)協(xié)同的智慧化運(yùn)營模式，云制造模式提供了一個(gè)新方向[22]。

云制造是指將網(wǎng)絡(luò)化制造和服務(wù)技術(shù)同工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和云安全等技術(shù)相融合，對制造裝備、知識(shí)體系、產(chǎn)能、管理能力、制度與文化等制造資源進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)格化和共享化，實(shí)現(xiàn)制造資源和制造能力的統(tǒng)一管理、按需定制與部署，使之能自動(dòng)和自適應(yīng)地實(shí)現(xiàn)資源及服務(wù)的最優(yōu)化分發(fā)和應(yīng)用，為制造單元提供全生命周期的、按需的、安全可靠的、質(zhì)優(yōu)并經(jīng)濟(jì)的制造資源與服務(wù)[23]。制造資源按其形態(tài)分為硬制造資源和軟制造資源兩類。硬制造資源包括機(jī)械、設(shè)備、物資、人員等有確定物理形態(tài)的資源，軟制造資源包括各種制造模型、企業(yè)組織架構(gòu)、知識(shí)庫、數(shù)據(jù)信息及軟件系統(tǒng)等沒有物理形態(tài)的資源類型[24]，如圖6所示是云制造的資源類型及其融合機(jī)構(gòu)。

云制造可以被認(rèn)為是一種資源集成并分享的平臺(tái)，也可以被認(rèn)為是一種制造模式[25]。實(shí)現(xiàn)云制造的基本條件是所有與制造相關(guān)的組織均能夠通過物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)彼此的感知、互聯(lián)及相互作用，因此其技術(shù)應(yīng)用和資源整合的范圍比單一企業(yè)的智能制造和智能工廠更廣泛，涵蓋資源和服務(wù)供給與需求的各個(gè)方面，所以云制造是智能制造面向產(chǎn)業(yè)鏈集成的高級形式，體現(xiàn)化學(xué)工業(yè)未來的互聯(lián)化、協(xié)同化、柔性化和服務(wù)化的特征。本文提出圖7所示的化學(xué)工業(yè)云制造架構(gòu)。

化工云制造架構(gòu)由用戶、制造商和云制造平臺(tái)構(gòu)成。用戶是根據(jù)自身需求提出制造資源和能力請求的一方，是制造服務(wù)的需求方和接收方。制造商是為用戶提供制造資源和服務(wù)的一方，其制造資源和制造能力以數(shù)字化形式封裝到云制造平臺(tái)的制造資源池中。云制造平臺(tái)是承擔(dān)制造資源管理、分發(fā)和計(jì)量的第三方。云制造平臺(tái)接收用戶發(fā)出的制造服務(wù)請求，對其進(jìn)行評估、分解、匹配和調(diào)度，既滿足用戶需求，又實(shí)現(xiàn)制造資源配置效率最大化，調(diào)度結(jié)果發(fā)布給制造商和用戶，制造商收到服務(wù)任務(wù)后，通過線上或線下的形式向用戶進(jìn)行資源或服務(wù)交付。

云制造的核心技術(shù)包括：①制造資源和制造服務(wù)的多維匹配、服務(wù)組合和優(yōu)化調(diào)度的模型與算法；②服務(wù)過程及狀態(tài)的在線監(jiān)控、動(dòng)態(tài)部署和遷移技術(shù)[26]；③多準(zhǔn)則下的服務(wù)質(zhì)量及性能的評價(jià)與預(yù)測模型及其算法。同時(shí)，廣域環(huán)境下的信息安全也是云制造模式能夠可靠運(yùn)行的關(guān)鍵[27]。

2.4 互聯(lián)化工全生命周期的化工過程安全技術(shù)

安全可靠是化工行業(yè)智能制造的核心價(jià)值領(lǐng)域，也是互聯(lián)化工的關(guān)鍵目標(biāo)?；ヂ?lián)化工的安全技術(shù)包括：①全生命周期的化工過程安全管理；②多尺度互聯(lián)機(jī)制下的安全監(jiān)控與動(dòng)態(tài)決策機(jī)制；③互聯(lián)平臺(tái)下的數(shù)字安全技術(shù)。

圖6 云制造的資源類型及其融合結(jié)構(gòu)

圖7 化工行業(yè)云制造架構(gòu)

2.4.1 全生命周期的安全管理

圖8展示了化工全生命周期內(nèi)主要的過程安全技術(shù)，所有的安全信息在全過程中傳遞和共享，并不斷豐富與完善，工業(yè)大數(shù)據(jù)和高性能計(jì)算技術(shù)為此提供了更強(qiáng)大的效率保證。在產(chǎn)品研發(fā)階段即利用海量化學(xué)品數(shù)據(jù)庫和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，對化學(xué)品的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析預(yù)測，以設(shè)計(jì)符合安全標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)產(chǎn)品，同時(shí)化學(xué)品的安全風(fēng)險(xiǎn)信息作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，可幫助設(shè)計(jì)人員使用更加穩(wěn)定和可控的工藝方案，以達(dá)成本質(zhì)安全的目標(biāo)[28]。安全設(shè)計(jì)信息還進(jìn)一步應(yīng)用于各類工藝危害分析（process hazard analysis，PHA），進(jìn)行動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估，提升智能報(bào)警與異常診斷的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性[29]。

2.4.2 多尺度耦合互鎖機(jī)制下的安全監(jiān)控與動(dòng)態(tài)決策

化工生產(chǎn)中，原料、設(shè)備、工藝等都不可避免會(huì)發(fā)生變更，每一次變更都伴隨著安全信息的變化，因此完善的變更管理機(jī)制是實(shí)現(xiàn)安全水平持續(xù)提升的重要保障[30]。為克服傳統(tǒng)安全管理的不足，本文提出如圖9所示的互聯(lián)化工多尺度互聯(lián)耦合機(jī)制下的安全監(jiān)控與動(dòng)態(tài)決策模式。這是一種在安全、環(huán)保、質(zhì)量、交期、效益等多準(zhǔn)則、多目標(biāo)下的安全評價(jià)與控制決策融合的一體化模型。

圖8 化工流程全生命周期過程安全技術(shù)

圖9 多尺度耦合互鎖機(jī)制下的動(dòng)態(tài)安全監(jiān)控與決策

互聯(lián)化工的安全邊界由分子尺度的化學(xué)品特性、單元尺度的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、過程尺度的生產(chǎn)工藝條件和企業(yè)尺度上的安全體系與過程管理水平?jīng)Q定，各尺度相互耦合，有弱中心化、聯(lián)鎖互動(dòng)、安全自適應(yīng)特點(diǎn)，當(dāng)安全風(fēng)險(xiǎn)逼近邊界時(shí)，決策機(jī)制可從多尺度進(jìn)行分析，以提供相應(yīng)層級的解決方案，甚至實(shí)現(xiàn)安全管理與控制優(yōu)化的一體化。

2.4.3 基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全技術(shù)

傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)是以企業(yè)為核心的中心化系統(tǒng)，而互聯(lián)化工面向產(chǎn)業(yè)鏈集成，具有廣泛的互聯(lián)性，同時(shí)企業(yè)主體在產(chǎn)業(yè)鏈尺度上呈現(xiàn)為松耦合狀態(tài)，是去中心化的，這對工業(yè)安全體系提出了更高的挑戰(zhàn)與要求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，除了工藝安全以外，還要防范外來的網(wǎng)絡(luò)惡意攻擊，保證網(wǎng)絡(luò)傳輸內(nèi)容的有效性和合法性，所有的知識(shí)內(nèi)容、服務(wù)任務(wù)和控制指令均需經(jīng)過嚴(yán)格的合法性和安全性審查。

區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化特性和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)使其在數(shù)據(jù)安全性、隱私性、完整性等方面?zhèn)涫荜P(guān)注，展示出廣闊的應(yīng)用前景[31-33]。本文結(jié)合互聯(lián)化工以及區(qū)塊鏈技術(shù)特性，提出由廣域區(qū)塊鏈（外區(qū)塊鏈）和局域區(qū)塊鏈（內(nèi)區(qū)塊鏈）構(gòu)成的互聯(lián)化工雙層區(qū)塊鏈安全架構(gòu)模型，如圖10所示。

圖10 互聯(lián)化工的雙層區(qū)塊鏈安全架構(gòu)模型

圖11 多層級的區(qū)塊鏈安全驗(yàn)證的數(shù)據(jù)流

廣域區(qū)塊鏈服務(wù)于系統(tǒng)級CPS平臺(tái)，解決系統(tǒng)層級的安全問題，為用戶與制造商之間的通信、交易及賬單提供安全保障。局域區(qū)塊鏈則部署在過程級和裝置級CPS：一是解決跨層級平臺(tái)數(shù)據(jù)交互的安全性；二是解決裝置級CPS 點(diǎn)對點(diǎn)通信的安全性，以滿足化工現(xiàn)場生產(chǎn)控制的安全、高效和低時(shí)延要求。

化工過程的區(qū)塊鏈涉及多層級間的數(shù)據(jù)交互，直至控制層，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要在安全強(qiáng)度與計(jì)算效率間進(jìn)行平衡，在保證安全的同時(shí)高效率地完成數(shù)據(jù)交易。圖11 是多層級的區(qū)塊鏈安全驗(yàn)證的數(shù)據(jù)流圖。

3 結(jié)語

信息物理系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)被應(yīng)用于流程制造業(yè)，支持了生產(chǎn)要素諸元間的信息共享，推動(dòng)新一輪技術(shù)和管理創(chuàng)新，如何擴(kuò)大信息技術(shù)應(yīng)用的廣度與深度，提升企業(yè)面向全生命周期進(jìn)行要素整合與優(yōu)化的能力，這將成為行業(yè)競爭的制高點(diǎn)?；诖?，本文提出了化學(xué)工業(yè)面向多尺度融合的智能制造模式——互聯(lián)化工。給出了互聯(lián)化工的定義、技術(shù)架構(gòu)和特點(diǎn)，并探討了互聯(lián)化工的關(guān)鍵技術(shù)，包括工業(yè)大數(shù)據(jù)、多層級融合的信息物理系統(tǒng)、云制造以及安全技術(shù)。介紹了互聯(lián)化工多尺度互聯(lián)機(jī)制下的安全監(jiān)控與動(dòng)態(tài)決策機(jī)制，以及基于區(qū)塊鏈的數(shù)字安全技術(shù)。對于互聯(lián)化工的建設(shè)途徑，大型化工企業(yè)與中小型化工企業(yè)是不同的。中小型化工企業(yè)首先應(yīng)做好自動(dòng)化和信息化的規(guī)劃與建設(shè)，加強(qiáng)由單一尺度到多尺度的數(shù)據(jù)融合，逐步從自動(dòng)化邁向智能化。大型化工企業(yè)如中國石化、中國石油、中國海洋石油集團(tuán)有限公司等，他們大多已開展了智能制造的探索與建設(shè)，進(jìn)行了相關(guān)智能化技術(shù)的研究和應(yīng)用，代表了當(dāng)前化工智能制造的最高水平。作為發(fā)展，大型化工企業(yè)應(yīng)充分利用其基礎(chǔ)條件好和海量數(shù)據(jù)資源的優(yōu)勢，建設(shè)跨尺度的知識(shí)融合和知識(shí)自動(dòng)化機(jī)制，特別是探索適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求的云制造模式，優(yōu)化多尺度間的互聯(lián)與融合，創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)模式，這是互聯(lián)化工最終應(yīng)達(dá)成的目標(biāo)。