智能过程制造SPM
——美国重返世界制造大国的战略制高点
□ 过程系统工程专业委员会副主任 杨友麒
SPM（Smart Process Manufacturing）出台的背景
美国一直是世界上第一制造大国，1970年其制造业产出占世界总量的29%。世界的制造业生态在21世纪以来变化很快，中国的制造业发展迅速，在2001年时还只有美国的1/4，但十年来以年均增长率达到11.7%的高速度增长，到2010年中国制造业产出达到1.955亿美元，在全球制造业总产值中占的比重为19.8%，超过美国（1.952亿美元，占19.4%），成为全球制造业第一大国。而美国的制造业2008金融危机以来遭遇严重的不景气，总增长率为-5.1%，2009年为-6.4%，失业率也达到新高。
为了挽救和振兴美国的制造业，美国政府和学界一直都在探讨新的出路。
鉴于紧张的全球化竞争，能源成本和供应的不确定性增高及信息技术呈指数增长，这些因素都推动制造业向着灵敏、及时（Just-in-time）和高性能制造发展，并加速推出新产品。这就需要强化先进智能系统的应用以促使新产品的加快制造，动态响应对产品的需求和实时优化生产制造和供应链网络。早在2008年就由美国科学基金会（National Science Foundation,NSF）出面组织起一个国家级“工程虚拟组织（Engineering Virtual Organization,EVO）”来开发智能过程制造(Smart Process Manufacturing,SPM) 的路线图。为了适应过程工业规划及未来发展，特邀了跨行业的工业界领袖，如杜邦、陶氏化学、埃克森美孚、BP、壳牌等公司；为了体现信息化技术的最新发展，特邀了顶级信息技术供应商，如IBM、霍尼韦尔、IMTI、AspenTech、ABB AG、爱默生等公司；为了体现技术前沿，由大学的教授牵头：如加州大学洛杉矶分校的 Jim Davis、德州大学的Tom Edgar、卡内基梅隆大学的 Ignacio Grossmann 和 Biegler、普渡大学的 Rex Reklaitis、奥克拉荷马大学的Miguel Bagajewicz等。为了更广泛地吸收学者讨论，于2009年4月召开“以模拟为基础的工程与科学”研讨会，2010年9月在华盛顿召开“实施21世纪智能制造研讨会”。
2011年６月２４日奥巴马总统在卡内基梅隆大学宣布启动“先进制造合伙计划（Advanced Manufacturing Partnership Plan,AMP）”，承诺政府拿出5亿美金来支持和提高有关建议和计划项目，促成工业企业、大学与政府合作，发展新兴技术以创造高质量制造业就业机会和提高美国的全球竞争能力，并号召那些将制造厂迁移到外国的厂商回归国内来制造，从新塑造“Made in America”。这项总统计划的负责人是陶氏化学总裁Andrew Liveris 和麻省理工学院MIT校长 Susan Hockfield。同一天智能制造领导同盟（Smart Manufacturing Leadership Coalition, SMLC）公布了“实施21世纪智能制造”报告，提出了SPM路线图。
由此可见，在中国的语境下，把SPM理解成美国版的过程工业“两化融合”路线图，大概比较合适、更便于理解。但是还应当说明的是：中国制造业在总产值上超过美国并非真的全面超过美国，从劳动生产率来看就还相差很多。美国的制造业产值是1150万从业人员创造的，而中国的制造业产值是约1亿人创造的。而且，同样产值的内涵方面，波音飞机与皮鞋、袜子又有很大差别。这就是我们常说的中国制造业“大而不强”。
什么叫“智能过程制造SPM”？
这是在信息技术充分发达的环境下，由知识支撑的人员和富于知识的工具和系统连接起来进行创新、设计、规划、建造、操作运行、维护和管理设备，以显著改善各个环节，整体地、集成地和全企业地应用模型化方法，使决策和运营模式彻底地转变，成为更加可以预测的，也就是变成具有更加灵敏、更前摄性的经济反应和事故反应能力的运营模式。
模型是最基础的，在SPM中模型是集成的而且渗透性的，模型给决策的风险和不确定性评估提供新的能力，它也是运营模式转变为前摄性的、预防性的和创新性的手段。“智能制造”致力于知识的发现与创新，知识的取得确认并快速被采用于新技术的能力，这样才能更好的将其装备来达到“零排放”和“零事故”。为此，SPM充分认识到人员是达到成功的最根本的资源，而模型的开发、管理和支撑是其经济上和表现上差异化的本质的基础建设和关键知识资产，其价值与物理设备和人力资源同等重要。
SPM可以定义为：“一种集成的、知识支撑的、富于模型的企业，在其中所有运营动作均由前摄性地应用尽可能好的信息和综合性能指标体系来决策和执行。”
要知道，下一个十年那些能够开发模型中知识的力量和通过模型挖掘知识力量的工业部门才是最具竞争力的。
所以，我们只认识SPM本身还不够，还必须认识到计算机网络基础设施（Cybelinfrastructure，CI）的重要作用。这是一个新词汇。按美国科学基金会NSF的定义，CI表述为：“软件、硬件和其他技术，并包括人类专家技能的协调集合体，以支持当前和未来的发现和集成相关的、经常是分散的资源以提供一个可用的、有用的和能支撑计算和数据的框架，并可以被广泛地存取为特征。”
如果用当前我们行业语境来表述，不妨把CI翻译成：“信息化基础设施”。
SPM的主要特征
智能过程制造具有十大主要特征：
（I）模型驱动来做出响应和行动：通过连续不断地对状态和响应后果监测，智能化地通过模型运算和优化，使性能、成本有效性和利润最大化。
（II）基于自我认知的（Self-aware）传感器高度集成化的运营系统—人员、工厂、设备、知识、模型、数据库等等都是集成化的，并对其自己的状态通过现场设施、执行器和操作设备，利用自我认知的传感器进行智能处理，传出有用信息和自己的条件，并发布某种信息以使它和其他相互操作的设施能立即采取适宜的行动。
（III）对于外界干扰（不正常事件）或运营条件变化能及时侦破并做出最佳响应：通过评估现有情况和应用不断更新的知识，智能过程能够决定对任何操作运营条件变化的最佳响应。例如一个由于供应链改变、业务变化或扰动引起的过程搅乱或原料改变，智能过程有能力和适应性来鲁棒地执行。
（IV）高度的信息化集成：智能过程能为需要信息的部门或功能提供现成的、可存取的、可理解的恰当信息。任何时间和任何地点需要的信息均应立即具备并以最有用的形式提供。
（V）实时信息采集支撑：作为前摄性的运行，智能制造结合实时数据感知，使事故消灭在发生之前。
（VI）快速先发制人的控制动作：由于许多材料性质转变发生在毫秒时间的框架之内，所以快速响应特别重要。因此要求强化的传感和先发制人（即前摄性）的控制。
（VII）全生命周期的环境可持续性：可持续制造包括产品和过程全生命周期的再利用。由于SPM被设计成检测和调整其自身使任何和所有的外部影响最小化，所以智能制造更能使环境足迹（能源、水和排放等）最小化。
（VIII）充分发挥高水平员工的作用：虽然智能自动化是SPM中的主要因素，但人力资源是最本质的：在SPM中人力资源（员工）是富有知识的、经过很好培训的、（通过信息化工具）相互连接的并能适应/改进系统的性能的。
（IX）人机协同，为发挥人员经验提供完美信息：智能系统认识到自动化的限制，它对培训好的操作员和管理者提供信息和分析，使他们用人类的经验来决定和执行需要的行动。
（X）注重整体效益：要驱动企业的战略表现还要靠培养和任用人员。智能过程环境联合了技术过硬的人员和最好的技术能力以应对动态变化不确定性和风险给出最好的响应。
SPM的技术框架
在2006年9月美国科学基金会举办的《计算网络基础设施与化工、生物过程交互作用对美国竞争力的影响研讨会》上，重要的结论是：“SPM代表着一个国家优先的、应对大挑战的课题，值得工业界、学术界和政府关注。”2008年NSF又一次举办研讨会，目标是研究SPM的路线图并提出“功能结构模型”。
在这一递阶模型框架中有三大功能支柱和三大跨功能支撑（如图1所示）。三大支柱是：
·技术管理：着重在可持续、改善制造企业运营所要求的技术资源。
·系统和设备管理：细心照料并确保工厂设备在定义好的运行包络区内执行所有的需要功能时均准备就绪。
·企业管理：对所有企业活动，包括在组织边界内和跨边界的各种功能的集成。
三大跨功能支撑是：
·人员是最重要的资产：造就一个技术熟练并可靠的劳动力要求一种战略承诺来教育和培训，并且改变思维和文化以支持这种未来观。评价有知识的劳动者的一个突出的方面就是抓住和再利用他们的知识和经验的能力。
·“绿色”、可持续性实践必须贯彻到所有运行管理领域，这是由于它们是核心业务的驱动者，指引所有的计划和操作。
·一个SPM设备不仅是成本有效的，而且是安全和健康的，因为安全是核心业务驱动者，它指引操作并决不能妥协。SPM运行视环境、健康和安全为性能表现目标，并开发迅速有效且安全对付实际的和潜在的故障的能力。
传统企业向智能过程制造的转变
全面领会SPM环境就涉及到从业务和技术两方面实现革命性的转变，见表1和表2。
要实现这六大业务转变和五大技术转变还可从技术、实践和资源等方面识别出五条“路线图通道”，“通道”概念强调，这五个不同的领域虽然是顺序相关的活动，但“通道”必须以集成的并协调的计划提出。这些通道是：
通道1 数据转化为知识：
数据将被分析和编辑成有用的信息，当这些信息被用于设计、经验、预测、法则、模型和预估时，它们才能变成知识，这样就会加速达到业务和运营的目标。
通道2 知识产生运行模型：
一个运行模型就是知识的应用表现，它描述必要的达到智能过程目标所需要的集成层次和标准化。我们能将抓取和应用知识以产生模型可视化以准确地表达一个过程中各种组元和材料，以及它们之间的相互作用和转变。知识的应用将为建立模型提供能力，以支撑实时动态管理和控制。
通道3 运行模型变成关键工厂资产：
这是一个由使用多尺度运行模型提升到一个基于知识的集成工厂应用的里程碑。嵌入了运行知识和经验的模型就象物理设备一样具有关键重要性。对此路线图通道有2个重要维度：①聚集的运行模型，用来通过提高人员、模型和设备的协调性，来提高工厂的表现；②详细模型─设备、数据、材料技术─专家、训练有素的有经验的劳动力一起构成关键的工厂资产，成为企业长期受益的宝贵资源。
通道4 模型由关键工厂资产到全局应用：
过程工业把整个世界既当成其市场，也是其生产运行场所，因此工厂资产的概念必须提升到全局应用，通过智能合作过程超越其围墙之外。领先的过程制造公司正增加模型化、智能设备和知识为基础的系统应用到其运营的集成管理和控制，以达到全企业范围的优化，实现成本和表现的新突破。
下一个合理的步骤就是将SPM的优势扩展到更广泛的、超出传统企业边界的外部关系。为此，语言、文化、法规和其他的差别必须强调，成功的全球业务关系要求公司在它们的运行系统之间通讯达成一致性，在保护知识产权和竞争优势的前提下分享信息，并生成灵活的、响应式的系统来优化它们的业务操作。这种国际关系带来的挑战大大超过多数供应链管理系统的能力。
通道5 人员、知识和模型变成复合型关键性能指标KPI：
SPM环境将高效地协调人类技能、知识（包括人类的和数字化抓取的）和模型集成系统，将这些技能、能力和知识混成一个集成环境，在其中达到制造收率和其他生产目标，安全-环保-健康要求得到确认，KPI连续地测试企业的成功。这就要求制造企业完整地利用所有现成知识和经验，以及由计算机辅助系统提供的智能模型得到的知识，在设计和制造生命周期中每个阶段进行多目标优化。
早在2007年党的十七大政治报告提出：“发展现代产业体系，大力推进信息化与工业化融合，促进工业由大变强，……”，第一次提出“两化融合” 。2012年十八大政治报告进一步提出：“坚持走中国特色新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化道路，推动信息化和工业化深度融合、…”，再次要求“两化深度融合”。但是具体怎样去融合还缺乏明确的共识，特别对一些国民经济重大行业怎样走“两化融合”道路还缺乏明确的路线图。SPM可以看成“美国版的两化融合”，其思路和我们这里提的“两化深度融合”有“异曲同工”之处。
今后十年是我国制造业实现“由大做强”的关键时期，是从“世界第一制造大国”变成“世界第一制造强国”的关键时期。只有实现这样的战略目标才能使我们在面向两个市场、利用两种资源的全球竞争中立于不败之地。也许美国的SPM计划对于我们根据中国的国情，设计自己的路线图可以提供一些启发。
表1 SPM的业务转变
从 到 结果
投资到设备 投资到知识嵌套型设备 设备和知识的投资和管理同等重要
反应式的 前摄性的（先发制人） 通过预期和决策、对或然性、风险和影响的理解
来达到经济最优化。
被动响应 主动预防 传感化、模型化和分析被用来预估发生事件并且运
行受控制以延缓影响。
依从规范 追求表现 过去是服从各种法规，而现在EH&S零事故就是
表现文化的一部分。
战术的 战略的 要求变成机遇，优化全企业的运营。
考虑局部 着眼全局 每一个决策都必须与全球性竞争环境联系到一起
来决策。
表2 SPM的技术转变
从 到 结果
孤立使用离线模型 模型集成到日常运行中 必须有模型的渗透性的、协调的、一致的
和受管理的应用
离散的智能 分布式的智能化 在正确的时间和地点将数据、信息、知识、
模型和专家经验提供到位，並被用于决
策。
非智能系统 自我感知系统 必须有自治系统，它理解自己在企业中的
角色和作用，并能采取行动来优化表现。
优先级专用系统 互操作系统 各种系统必须通过标准规范相互沟通以
分享信息、能力和最好的元件。
不能预测型工业 可预测的工业 在定义好的操作区域运行必须表现出可
预测的影响。