两会话题之智能制造：

      根据《政府工作报告》，未来几年我国将努力改进产品和供给服务，实施一批智能制造项目。加快制造业升级是中国经济转型过程中维持中高速增长的重要一环。2016年是“十三五”开局之年，也是“中国制造2025”战略实施的第一年，智能制造有望迎来高速增长。

我国化工智能制造的发展现状和问题

■ 过程系统工程专业委员会副主任   杨友麒

我国制造业大而不强

    本世纪初以来，我国制造业以每年10%以上的增速持续快速发展，到2010年中国制造业产出超过美国，成为全球制造业第一大国。我国2015年制造业产值占GDP的40.5%。但“制造大国”并不等于“制造强国”，我国与发达国家相比还有较大差距。

 　　“大而不强”首先表现在盈利能力差。2014年《财富》杂志评定《世界企业500强》，其中美国占128家，中国仅次于美国，占100家。但美国的128家企业共盈利7987亿美元，而中国100家企业盈利3110亿美元。就石油化工行业来看，排名世界第二位的中石化盈利为52亿美元，而排名第5的美国埃克森美孚公司盈利为325亿美元。

  　　能源和资源利用效率差是另一个“大而不强”的表现。2012年中国的GDP占世界的11.6%，但能耗却占了世界的21.3%。中国单位产值能耗为世界平均水平的1.8倍，是美国的2.9倍，欧盟的3.4倍，日本的4.5倍。

  　　此外，我国制造业自主创新能力不足，核心技术/元件许多依赖进口。石油化工行业，除炼油厂和新型煤化工外，大部分大型石油化工装置的技术都依赖进口。

  　　信息化基础建设水平偏低，而且持续在国际排名中下滑。我国的网络就绪度指数NRI（Network Readiness Index)，在2009年还排在46位（当时丹麦第1位，瑞典第2，美国第3），到2012年已下滑到51位，2013年进一步降至58位。在工业化和信息化深度融合的时代，信息化的弱国当然成不了制造业的强国。

  　　在此背景下，去年5月国务院提出《中国制造2025》，部署全面推进实施由制造大国转变为制造强国的战略。

炼油化工智能制造的进展

    “智能制造”是2010年前后才提出来的新概念，这是由于信息技术迅猛发展，特别是信息互联网、物联网、云计算、大数据、移动智能终端、虚拟现实等新信息技术的推广应用，将工业化和信息化深度融合推到一个新的高度，为新一代的工业制造出现奠定了基础。正是在这样的背景下，为了利用新技术革命提高自己的竞争力，美国率先提出了“智能过程制造SPM”,紧接著德国提出了“工业4.0”（详见链接）。不管哪一种策略都必须以必要的物理环境为基础，这种相当高的信息化基础环境称为虚拟-物理系统CPS（Cyber-Physical System），它包括整个信息化基础设施：信息互联网、高度数字化、物联网、服务联网、云存储云计算、乃至机器自组织技术等软件、硬件和其他技术，并包括人类专家技能的协调集合体。

    我国的信息化基础建设较薄弱，但从整个制造业来看，炼油化工行业相对比较领先，自动化程度较高。早在“十五”计划期间，各大炼油化工企业就着手建设三层次信息化基础架构：以DCS为核心的基础控制系统─以生产计划/调度为核心的制造运行系统MES─以企业资产计划ERP为核心的企业经营管理系统。经过两个五年计划的实施，到去年“十二五”计划结束，这种三层次的信息化基础建设已基本建成，为进一步实现化工智能制造打下物质基础。

  　　炼化行业智能制造从“十二五”计划的后半期开始启动。可以说世界企业100强中排行第二的中石化的智能制造情况代表了中国炼化行业智能化的水平。他们从2012年启动了智能工厂总体规划，提出了智能工厂的目标和愿景；2014年完成了智能工厂系统设计，制定了包含技术、数据和应用的标准化体系，并全面启动燕山石化、镇海炼化、茂名石化、九江石化四个试点的建设工作。2015年5月九江石化入选工信部全国第一批46家智能制造试点示范单位。

    中石化认为，化工智能制造是面向石化生产的全产业链环节，将新一代信息技术与现有石化生产过程的工艺和设备运行技术以及人进行深度融合，提升四项关键能力：即实时感知能力（基础）、机理分析能力（关键）、模型预测能力（手段）、优化协同能力（目的），以更加精细和动态的方式提升工厂运营管理水平，并推动形成新的制造和商业模式创新。智能制造应具有“五化特征”，即自动化、数字化、可视化、模型化和集成化。

    九江石化、金陵石化围绕“效益最大化”建成了炼化一体化全流程优化平台，实现了采购、计划、调度、操作的全过程优化，形成了自上而下、由下到上的协同生产新模式。 

    从图1可看到，这个协同优化平台的核心是三大块：用全流程模拟来支撑生产计划优化和调度优化。生产计划优化根据装置情况和生产任务，按原油评价系统提供的信息，通过线性规划优化计算最佳原料油品的选取，这一环节往往比人工采购原油增效上亿元。然后按照选购好的原油来计算最佳加工方案，这就需要用全流程模拟软件（桌面炼油厂）来计算不同加工方案的效益，优选利润最大化的加工方案。有了全流程加工方案和年度生产计划，就可以将此信息传给“调度优化”，将其分解到各个装置每周、每天的生产调度计划。

    燕山石化基于大数据进行报警分析，形成了涵盖工艺、设备、操作等三个方面共13个报警分析模型，使报警更加聚焦。

  　　总体来说，我国的化工智能制造还处于完善CPS基础，应用新一代云计算、大数据以及服务互联网、虚拟现实等新技术的起始阶段。

范围经济——

 化工转型升级的另一种选择

    在工业化的过程中一直存在规模经济和范围经济两种模式的基本矛盾，见图2。规模经济指的是品种少、规模越大成本越低的经济，它以装备规模大型化为基础，认为“只有做大才可能强”；而范围经济是指企业(或园区）规模达到一定阶段，利用现有设备、渠道共享，增加产品种类。因为可以在一定范围内共享资源，从而降低产品平均成本。这是企业进行业务相关多元化的理论基础，日本7-11便利店既卖食品饮料，也卖盒饭快餐、充值卡、雨伞等，这就是典型的范围经济案例。与传统的规模经济企业关注大众市场不同，范围经济主要关注小众市场，通过将大量小众需求聚集在一起实现盈利。这一理论的前提是接近于零的渠道、流通和营销成本，这也就是为什么只有网络经济才能发挥范围经济优势的原因。

　　  长期以来规模经济都处于主导地位，这是因为在蒸汽机/电力革命的时代，主导的生产力是以分工和专业化为取向的，尚不存在以协调为取向的信息技术革命，多品种个性化生产是不符合成本原则的。但随着信息革命时代来临，改变了游戏规则，将范围经济逐步上升至主导地位。

    互联网经济为范围经济发展奠定了社会物质基础，其可将新增一种产品的配送、营销等成本降至很低，云存储/云计算为范围经济提供了信息资源共享的方便条件。云计算可提供SaaS(软件即服务），PaaS(平台即服务）,BPaaS（商务云计算平台即服务），使多种化工产品共享化工应用软件（如流程模拟、分子模拟）、应用平台服务和商务管理服务。

    对于化学工业来说，这种范围经济也就是精细化工。图3将化工产品分成四大类，我国所说的精细化工则包括了功能化学品和特种化学品，在化学工业的价值链中处于后端位置，具有专用性强、功能性强、技术密集、附加价值高、经济效益好的特点。而且与特种化学品的用户越接近，其价值就越高，科研开发费用也越高，技术密集程度提高。

    从图3可看出，精细化工生产模式往往多为间歇过程，这就属于工件加工型工厂，其智能制造模式和连续过程有很大不同，应参照德国工业4.0的架构来考虑，即要求此类智能制造具有高度灵活性，能根据市场需求尽快地开发出符合需求的化学品，而且快速投放市场。另外，此类生产科研开发费用高，但因批量小，所以装置投资费用低，入门门槛低，正是“大众创业，万众创新”的好题目。

    与此同时，长期以来我国化工制造业的转型升级，并没有解决精细化工发展问题，与国内实力最强的“三桶油”只把自己定位于“能源化工公司”有关。这些公司两眼只盯住能源制造，国际油价大跌时就陷入亏损。与此同时，国内所需高端石油化工品牌产品却需大量进口。以高密度聚乙烯HDPE为例，国内产能已达855万吨，但品牌少，产能重复建设，开工率只有60%，高端产品对外依存度高。高压电缆用的HDPE全部依赖进口，高强度棚用膜料80%进口。2014年国内消费量为950万吨，其中进口量为410万吨，占43.2%。这就是一方面“产能过剩”，一方面还要“大量进口”的“奇观”

    因此，行业在转型升级时需要将往年扩能增产的热情，改变成扩大产品品种数量。大型石化公司更应该发挥范围经济的优势，将供应侧改革向供应链后端延伸，大力开发新品种。

未来亟待解决的问题

    1.信息化投入并未和产能同步增长。化学工业的信息化建设资金投入严重不足，是“大而不强”的重要原因。世界排名前50的大型跨国公司每年均要从总销售收入中拿出1.5%～2.5%来作为信息化建设费用。而国内有些企业的领导人却认为只有能增加效益、降低成本的投资才算有效投资，而信息化的投资效果往往难以直观看到，所以总是削减投资的首先对象，这样下去，我国在未来制造业革命中的前景实在堪忧。2015年世界财富排名中，位列第二的中石化每年投入信息化建设费用仅占其销售额的千分之五左右；而紧随其后的壳牌公司（排名第三）信息化费用在其总销售额中占比高达4%。

     2.服务型制造业发展有待提速。服务型制造商有两种形成模式：一是制造商主业（核心竞争力）的拓展；二是制造商将原有生产服务部门“裂变”出来。我国虽然网购和电子商务很发达，但制造业和IT产业还是“两张皮”，还没有看到有这样气魄和理念的制造商，把自己转化成制造服务商。我国的特大型石油化工公司虽然自己内部有相当强的IT队伍，如中石化的石化盈科、中石油的瑞飞信息技术、大庆石化金桥信息（信息中心）等，但其母公司均没有想“裂变”即将其彻底进行体制改造，打造成面向行业提供社会化、专业化服务的公司，而是希望将他们留在“体制内”，为自己服务。这样很难落实中央决策，也没有实力开发出国产化工智能制造软件产品。 

　　3. IT公司需与制造业无缝对接。当前我国炼油化工信息化各个环节中所用的软件大部分都是采用外国的软件，有独立自主知识产权的国产软件远不能满足需要。而目前还看不到中国自己的、有实力、有品牌的软件公司来开发化工行业应用软件。而国际上的软件/互联网等IT公司跨界延伸服务已经深入到实体制造业中，如微软公司启动了Chem RA（Chemical Reference Architecture) 基于云计算的化工制造智能化平台。我们期待更多的国内软件/互联网等IT公司也能深入化工制造业，实现与制造业企业的无缝对接，共同打造中国化工智能制造。

链接：

德国工业4.0 or 美国SPM

     由于信息和通讯技术ICT（Information and Communication Technology)的迅猛发展,特别是互联网在全球的发展，信息化和工业化的融合引发的新一代工业革命从上世纪末、本世纪初就席卷全球，各工业发达国家都做出部署，抓住这次新一轮工业革命的机遇，尽可能占领战略制高点，以引领潮流之先。

    美国制造业自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。2010年制造业让中国超越，又失去了第一制造大国地位。奥巴马总统提出“再工业化”的概念，要求制造业公司将制造厂搬回美国，以全新姿态重振制造业，这也是解决就业率低的一个重要措施。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，有20个大学和20家跨行业企业参与。在此基础上又成立了智能制造领导联盟（Smart Manufacture Leadership Coalition，SMLC)，有26个大学、25家全球性制造商、8个制造联合体、1个国家试验室和4个计算中心参与。2011年６月奥巴马总统宣布启动“先进制造合伙计划（Advanced Manufacturing Partnership Plan，AMP）”，承诺政府拿出5亿美元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工作和提高美国的全球竞争能力，并提名时任陶氏化学公司（DOW Chemical）总裁Andrew Liveris和麻省理工学院MIT校长Susan Hockfield为这项总统计划的负责人。

    2013年德国联邦科学教育部和经济技术部提出《德国工业4.0》，投入2亿欧元，作为德国政府的高科技战略计划。他们认为人类从19世纪第一次以机械化为中心的工业革命以来，经过以机械化+电器化为中心的第二次革命，到上世纪70年代进入机械化+电器化+信息技术（自动化）为中心的第三次工业革命，到21世纪正进入机械化+电器化+信息技术（IT）+互联网为主的第四次革命。这里的互联网并非传统的Internet,而是Internet of Things and Service,可以译为“物事和服务互联网”，或“物联网（IoT)”和“服务互联网（IoS）。这意味着将资源、信息、物事、人员和对这一切的服务实现全球互联，这无疑将使制造业发生彻底变化。

    这两种战略构思有其共同之处，也有区别之处。其共同之处是都认为虚拟-物理系统CPS（Cyber-Physical System）是基础。它包括整个信息化基础设施：信息互联网、高度数字化、物联网、服务联网、云存储、云计算、乃至机器自组织技术等软件、硬件和其他技术，并包括人类专家技能的协调集合体。二者差别见表1。

    在制造业两化融合发展优先度方面，德国明确提出，由于化工、航天等工业自动化信息化程度已经较高，所以优先度低，而工件加工行业成为智能制造的核心。相反，美国认为化工、石化在国民经济中地位重要，而且本来优势高，所以应优先发展。

　　这样一来，德国形成的核心思想是以生产设备的智能化为核心，尽量形成自律分散型的智能工厂，他们不希望看到信息技术不断融入制造业所形成的支配地位趋势。而SPM则着重厘清如何从大数据变成信息，由信息转变成知识，由知识转变成模型，而模型+有自我感知能力的控制系统将成为工厂的核心资产，从而实现智能制造。而且这种智能制造还是用户需求驱动的、延伸到整个供应链的智能系统。

　　　　　　　　表1  德国和美国的智能制造战略比较

  比较项目          德国工业4.0                美国SPM

来源            德国联邦科学教育部和    美国智能制造领导联盟

                经济技术部              总统科学委员会先进制

                                        造合伙计划

时间                 2013年                 2009～2014年

制造业占国民经        22%                       12%

济总产出比重   

经济结构背景    工件型制造业（Job Shop) 流程制造业（Flow Shop)

                发达（特别是机械制造业  相对发达； 

                发达）；                 服务业和虚拟经济世界

                中小型专门工件制造世界  领先

                领先   

信息化基础设施  世界第20名（得分5.19） 世界第3名（得分5.49）

（以网络就绪指标   

Network Readiness

Index 2009年为

参照）     

核心思想    以生产设备智能化为核心，    以承载知识的模型和有

            使工厂成为自律分散型智      自我感知能力的系统为

            能工厂；防止云计算接管      核心，延伸到整个供应

            形成集中控制的工厂          链的智能化

生产模式    不再是大规模生产，而是      以10个方面行动计划使

            形成定制化小批量生产模      智能技术融入主流生产

            式。甚至个性化生产。        部门，从而形成各自的

            智能生产模式。