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科技自立自强之院士说|高金吉:人工自愈拓展高危流程工业智能制造、安健发展新途径

2024-04-15 16:18:43来源:新华网 编辑:佚名 点击量:523598

新华网北京4月15日电(赵秋玥)近日,工业和信息化部、国家发展改革委、财政部等七部门联合印发《推动工业领域设备更新实施方案》,其中提到推动石化化工老旧装置安全改造,妥善化解动设备故障率高等安全风险。

拥有32年一线工厂从业经验的中国工程院院士高金吉在接受新华网专访时表示,对于高危流程工业而言,确保安全可靠长周期运行至关重要。

他认为,真正的创新源于工程实践。“从人工智能到人工自愈,从自动化到自愈化,这是未来发展的必然。我国拥有世界上最全的工业门类以及数量最多的装备,应率先开展这方面的探索,为世界做出贡献。”

新华网:聚焦制造业高质量发展,您认为当前我们推进智能制造的过程中还有哪些薄弱点?

高金吉:美国纽约大学怀特(P.K.Wright)教授和卡内基梅隆大学布恩(D.A.Bourne)教授合作了一本书叫做《制造智能》,讲的是智能机器在没有人操作情况下能够生产出小批量的产品。我认为,智能机器实际上就是人工智能,没人监管、没人操作就意味着自动化,所以智能制造的初衷就是人工智能+自动化。我觉得,智能制造对离散制造行业能够实现优化自动生产,比如德国提出的工业4.0,应用于机器制造业、汽车行业,都是非常好的。

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图为中国工程院院士高金吉(新华网 朱家齐摄)

不过,石化冶金、煤化工等长周期、连续生产且易燃易爆、高负荷的高危流程工业,在安全可靠、长周期运行方面仍是薄弱环节,如果生产中断将造成较大损失。人工智能技术对生产装备能够起到监测诊断作用,如果机器振动等超标能够智能维修,可以提前预警,就能减少造成重大损失。我认为,对于高危流程工业而言,应该在流程智能制造的基础上,考虑到流程工业的安全可靠,因此我提出装备能够“自主健康”是新的发展方向。

新华网:针对您提出“高危流程工业要高质量发展,必须实现安全可靠长周期运行”的观点,您认为智能制造应朝着什么方向发展?如何实现人工自愈赋能装备自主健康?

高金吉:如何保证高危流程工业长周期安全运行,我在工厂工作32年,对此深有体会。机器在运行过程中除突发故障外,出现其他故障都会有一个过程,

如果能够在过程的早期发现并查找故障产生的原因,采取对应的措施,就可以避免故障发生。

依照国际标准,包括智能设备在内,超标停车,人来检修的做法一直延续至今。我回到北京化工大学任教后开始这方面研究,中医讲“自主调控是治疗学的第一原理”,人体的自愈机制令我受到启发。从瓦特发明蒸汽机到现在两三百年的时间里,机器出了问题都是靠着人检修,有没有可能实现机器做到自我修复、不依靠人?人工智能会使机器更聪明,人工自愈可让机器更健康,我觉得这是未来的发展方向。

2003年,我在国际会议上首先提出过程装备自愈的原理;2010年我在日本召开的国际学术研讨会上提出工程自愈论的概念;2018年我在《机械工程学报》发表文章,提出人工自愈、自愈调控和装备自主健康。对于机器而言,看输出是否满足要求,没满足就调输入,这是自动控制;自愈调控是诊断机器产生异常、产生故障的原因和条件,然后想办法能够抵消掉,这样机器就可以既不报警又不停车,实现长周期运转,这对未来装备高质量发展非常有用,所以我在智能化的基础上提出自愈化。

自愈化包括自修复、代偿、故障防止、自愈调控等几方面。人工自愈是在人工智能的基础上溯源诊断,把问题弄清楚,然后自行采取措施。特别注意的是,这个采取措施并不是人为停机采取措施,而是赋予机器的自愈机制。

以发达国家提出的非正常工况管理为例,指的是计算机智能监测发现异常,提醒操作者进行调整。但如果赋予机器自愈机制,让机器去自动识别异常工况,自适应调整,那就不会出现问题,从这个角度讲,人工自愈是在人工智能基础上发展起来的。

从人工智能到人工自愈,从自动化到自愈化,这是未来发展的必然。我认为,在我们在装备设计的时候就应考虑到这个问题,在整个工艺过程中考虑到非正常工况的自愈调控,就能够保证装备的安全、过程的长周期运行以及保证高危流程工业高质量发展起来。

新华网:工业互联网被视为第四次工业革命重要基石。在您看来,这些年我国工业互联网取得了哪些方面的成果?

高金吉:2012年,工业互联网的概念由美国GE公司首先提出,他们要把工业互联网技术应用到工业上,用于400万台旋转机械,后来又推出GE Predix平台。我们团队在讨论时我说到,GE公司做的是航空发动机,团队大部分是IT人员,掌握了3000多万条数据,但他们对民用工业机器并不了解,光有数据还不够,还应该了解机器的故障机理。

1997年,MIT和斯坦福大学组织召开研讨会,讨论因特网如何对机器进行远程监测。同样在1997年,我在广州中设协组织的国际工程设备工程大会上主旨演讲,代表中石化和辽阳石油化纤公司(以下简称辽化)介绍如何应用因特网对装备远程监测。从学术角度,我们的企业与美国名校基本是同步的。

当年,在辽化试车过程中,很多机组出现振动问题,我们半夜到达现场,观察等待几个小时,发现机组不振了。没想到我们刚回到家,被告知机组又出现振动。当时我就在想,能不能用计算机将数字记录下来,我们来进一步分析,实际上这就是数字化的开始。

1987年,我们研究所斥资17万美元购置M6000监测系统,没想到在1988年1月就派上用场。半夜11点,机器出现同频振动,监测系统显示四个同频振动都振起来了。我们判断原因是掉叶片,必须开盖检查。当时的情况是,如果开盖检查,将损失3天的生产时间;但如果不打开盖,我判断有可能会出大问题。经过激烈讨论,终于在第二天凌晨6点打开盖,证实了确实由于掉叶片导致机组振动。通过这件事,避免了重大事故,验证了监测系统起到很大的作用。后来上第二期工程的时候,我建议关键机组也要上监测系统,来保证预警和安全,维修也能做到有的放矢。

1991年,当时国际市场上还没有数字监测系统,作为公司的副总工程师,我就组织仪表厂、机械研究所、信息中心一起研发局域网的监测系统,并在1995年二期工程实现应用,在预知维修、确保安全运行方面发挥了很大作用。

2002年,我在北京化工大学组织团队和中石油合作,开发关键机组基于因特网的远程监测诊断系统,把辽化和大庆的装备监测系统放到一个平台上,能够诊断、预警、减少故障。至今已积累故障案例超过2万个。正是这些案例,让我深切地领悟到,要诊断好设备,必须将设备机理与大数据分析有效结合,才能溯源诊断机组出现问题的根本原因,分析产生的条件和原因。据用户反馈信息统计,实现诊断准确率超过90%。

我国高危流程工业开展智能诊断工作较早。早先辽化从法国引进的关键机组运行中经常出现振动问题,应用便携仪器检测和从国外引进的M6000实时监测系统,1985年我们自主开发了监测诊断维修决策系统,通过建立数据库,分析故障原因,提出状态维修建议书,指导对症下药有的放矢去维修,并要求各厂执行后要反馈结果,以完善我们的诊断知识规则。

正是基于监测诊断系统,辽化当时13台关键技术、400多台重要设备,十年间故障停车台次减少90%,同时延长了运转周期,从全公司一年一大修,变成三年两修,再到后来三年一修,走在行业前列。监控诊断系统的作用是能够把问题搞清楚,在此基础上我们才可以考虑如何让装备自愈,不再发生故障。

新华网:工业互联网与人工智能、人工自愈对于推进智能安健制造、新型工业化起到哪些助推作用?

高金吉:人工自愈可以赋予装备自主健康。流程工业企业分为资源规划系统ERP、生产执行系统MES和控制系统PCS三个层次,但实际上对高危流程工业还不够,因为在安全方面只是采用国际标准。这意味着如果超标了,机器就得停下来检修导致生产中断,如果处理不及时还有可能产生其他问题,造成更大损失。因此我提出应该加上第四层,即故障自愈和异常工况自愈调控系统。

与前三次工业革命相比,我觉得第四次工业革命应加上人工自愈和装备自主健康,并应用故障自愈调控系统和非正常工况自愈调控系统,才能保证流程工业安全可靠、自主健康长周期运行,又能提高效益,这一点我觉得意义非常重大。

目前,智能制造中还没有提到这个问题。我国拥有世界上所有的工业门类和数量最多的装备,应率先开展这方面的科技发展战略,在保证机器能够长周期安全运行、无人值守、智能安健制造方面走在前面。

新华网:如何推进智能安健制造促进制造业高质量发展?您建议应采取哪些政策措施?

高金吉:首先,我们国家应该鼓励原创,这点我觉得非常重要。应该鼓励我们工厂的工程技术员、科技人员在实践一线提出的原理和方法。实话说,我国石化工业互联网研究和应用是走在靠前的,应该总结我们自己的经验。

其次,我们现在考核的一流学科都是延续下来的传统学科,这些学科的设置是否最合理并没有经过严格科学论证。真正的创新不是靠单一学科,而是靠特色和交叉学科,人工智能、智能制造都是交叉学科,所以要鼓励学科交叉融合。我们团队从2001年开始建设诊断与自愈工程研究中心,在发展过程中做了很多交叉学科创新的事。我觉得应该在鼓励一流学科建设的同时,更应该鼓励特色和创新交叉学科,这点非常重要。

第三,企业数字化升级改造除了搞智能化外,也应该搞自愈化,特别是现在提出来要设备更新。我们原来是想朝着智能化方向发展,同时也应该把自愈化技术加进来,让它保证安全长周期运行,或实现无人值守本质安全化。

装备更新不能只图短平快,得经过测试分析,找出设备上的问题。如果设备和过程不和谐,大马拉小车,那应该测试分析然后重新节能设计,在原来基础上改进;同时把健康监测、抑制振动、自动平衡、故障防止等先进技术用到装备上,这才能够实现真正的升级。不是说限期把之前旧的换成新机器就行了,新的必须得比原来的好,真正实现数字化、智能化、自愈化升级在役再制造。

最后,我们国家装备门类齐全,数量最多,如何在装备上率先发展新的科技发展战略,用人工自愈和自主健康技术来实现新的科技变革,我们要走在前列。同时鼓励原创、鼓励工程应用,把我国装备制造和高危流程行业搞得更好,对国际上也是贡献。



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责任编辑:王洛锡

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