郭朝暉
探討自動化、數(shù)字化與智能化的區(qū)別與聯(lián)系，要從上世紀40年代談起。隨著人類歷史上第一臺電子計算機誕生，也產(chǎn)生了信息論、控制論等彪炳史冊的偉大理論。
自動化：
本質(zhì)是感知、決策和執(zhí)行的統(tǒng)一
自動化的理論基礎(chǔ)是控制論。控制論誕生時，控制論之父維納思考了這樣一個問題：機器和人（動物）到底有什么區(qū)別？維納認為，機器一般只能按既定的步驟和邏輯運行，而人（動物）則能夠通過信息感知到外部變化，并根據(jù)這些信息進行決策、采取行動。同樣，自動化系統(tǒng)一般由傳感器、控制器和控制對象構(gòu)成，分別用于獲得信息、決策和執(zhí)行。因而，“感知、決策和執(zhí)行的統(tǒng)一”可以看作是自動化的本質(zhì)。
控制論的產(chǎn)生有個重要的技術(shù)背景，即弱電技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用。強電一般是用來提供能量的，弱電則與信息技術(shù)有關(guān)。傳感器測得的弱電信號用來表示信息，控制器用弱電進行計算和決策，同時，弱電又可以通過控制強電系統(tǒng)帶動控制器的運行。這樣，利用“電”這一技術(shù)手段，打通信息和物理世界，把信息世界的感知、決策和物理世界的執(zhí)行統(tǒng)一起來，可以解決一般性的控制問題。
傳感器獲得的信號一般是模擬信號，即連續(xù)變化的信號。控制理論產(chǎn)生之初，控制器主要由電阻、電感、電容等電子元件搭建而成，可以直接處理模擬信號。與模擬量相對應(yīng)的是數(shù)字量，一般是指用0、1二進制表示的數(shù)據(jù)，計算機存儲和處理的數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)便屬于此類。通過數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)化，數(shù)字化信息和模擬信息可以相互轉(zhuǎn)化。
傳統(tǒng)自動化技術(shù)取得了巨大的成功，但也有其局限性。比如，經(jīng)典控制理論往往只是針對那些能用線性常微分方程組描述的物理對象，而許多物理系統(tǒng)不能用這類數(shù)學(xué)模型描述。另外一個局限是，自動控制往往只能針對結(jié)構(gòu)和運行邏輯不發(fā)生變化的控制對象，如單臺設(shè)備、閥門這樣的小系統(tǒng)，這類其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行邏輯穩(wěn)定是一種常態(tài)；而針對工廠這樣的大系統(tǒng)，卻難免出現(xiàn)某些設(shè)備故障、生產(chǎn)異常。對于上述問題，數(shù)字化方法具有巨大的威力。
數(shù)字化：
推進關(guān)鍵在于計算機和互聯(lián)網(wǎng)的深入應(yīng)用
推進數(shù)字化，其實就是要推進計算機和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛、深入應(yīng)用。
首先，數(shù)字化建模能力強大。利用計算機，人們有能力描述任何數(shù)學(xué)公式、物理對象以及生產(chǎn)和業(yè)務(wù)過程，工廠里的人、機、料等所有要素，都可以在數(shù)字化空間中加以描述。過去，受存儲、處理能力的限制，這種能力無法充分釋放。隨著摩爾定律的延續(xù)，互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的產(chǎn)生，人們有能力在數(shù)字化的虛擬世界中完整描述制造企業(yè)的各種業(yè)務(wù)活動，并通過這個虛擬世界管理和控制物理世界。
其次，計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以幫助人類進行決策。無法實現(xiàn)自動控制時，一般需要人類專家（如調(diào)度人員、管理人員）進行處理。這時，這些系統(tǒng)能夠幫助管理者獲得信息、分析問題并傳送指令，讓人類能夠更好地決策。從控制論的角度看，人類專家本質(zhì)上是充當了一個“控制器”的角色。
制造企業(yè)的計算機系統(tǒng)往往是分級的。鋼鐵企業(yè)最常見的做法是分成4級——L1~L4。其中，針對閥門、設(shè)備級系統(tǒng)進行控制的L1、L2系統(tǒng)一般被稱為自動化系統(tǒng)；針對車間和工廠的L3、L4系統(tǒng)一般被稱為“信息化系統(tǒng)”或者“管理計算機”。容易發(fā)現(xiàn)，層級低的系統(tǒng)往往反應(yīng)速度快但管控范圍小，層級高的系統(tǒng)反應(yīng)速度慢但管控范圍大。同時，低層級的計算機自動控制的比例高，高層級計算機自動控制的比例低。這種現(xiàn)象表明，對計算機系統(tǒng)來說，反應(yīng)速度快、自動化程度高與管理范圍大是矛盾的。
這種矛盾，對鋼廠的管控是不利的。在鋼廠里，能源、環(huán)保、質(zhì)量、生產(chǎn)組織往往都會涉及多個部門和工序，屬于大系統(tǒng)的問題。一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，往往需要大家協(xié)調(diào)解決。殷瑞鈺院士經(jīng)常說：“鋼鐵企業(yè)是典型的耗散系統(tǒng)。”如果問題處理得不及時，就可能導(dǎo)致能耗的增加、質(zhì)量和生產(chǎn)效率的下降。然而，生產(chǎn)現(xiàn)場關(guān)鍵信息的出現(xiàn)是秒級、毫秒級的，而跨工序、跨部門的協(xié)調(diào)可能會耽誤幾個小時乃至幾天。比如，連鑄過程瞬間發(fā)生的問題，可能在幾天后引發(fā)冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷。
在傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)架構(gòu)下，這類矛盾難以全面地解決，因為人類專家無法處理成千上萬臺設(shè)備和傳感器發(fā)出的秒級、毫秒級的信息，而機器不擅長靈活處理跨工序、跨部門的大系統(tǒng)協(xié)同問題。這樣的問題，需要在智能化時代，用數(shù)字化方法加以解決。
智能化：
管理與控制的深度融合
GE（通用電氣公司）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)白皮書指出，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有3個要素：智能的機器、高級算法和工作中的人。其中，智能機器就是能夠接收數(shù)字化指令并發(fā)送相關(guān)狀態(tài)的設(shè)備或者傳感器，是數(shù)據(jù)的源頭。可以設(shè)想，在鋼廠這樣的大企業(yè)中，傳感器的數(shù)據(jù)成千上萬，人類是處理不過來的。為此，高級算法可以像人的秘書一樣，從復(fù)雜的實時數(shù)據(jù)中，找出那些需要人類關(guān)注和處理的問題，再交給“工作中的人”來處理。這樣，需要人類處理的問題是經(jīng)過挑選的，實時性并不是特別強，故而人類有能力處理這些問題。
事實上，如果工廠發(fā)生的問題是常見的，還可以把人類專家處理問題的邏輯和方法變成計算機代碼，讓機器按照人類的想法進行決策，即所謂的“人智變機智”。這樣就可以進一步減少人類處理問題的負荷、提高決策的自動化水平——這其實就是智能化了。
對此，人們經(jīng)常存在的疑問是：這種做法的價值何在？這種做法的重要意義，在于提高企業(yè)的管理水平。我們知道，只要是人類參與的工作，往往都會存在管理問題。在我國，所謂“技術(shù)水平低”，實質(zhì)上往往是管理或者人員操作的問題。在某些鋼鐵企業(yè)，管理問題所導(dǎo)致的成本損失遠遠超過企業(yè)的利潤。涉及到個人和部門利益時，管理會變得非常困難，因為管理問題經(jīng)常被有意地隱藏起來；涉及到多個部門的協(xié)同和共享時，傳統(tǒng)的管理方法往往又難以迅速解決問題。
然而，利用上述數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的手段，很多人類的決策工作可以交給機器去做，或者在機器的幫助和“監(jiān)督”下去做。從這種意義上講，傳感器的信息不僅可以用來描述設(shè)備狀態(tài)、工藝情況，還可以用來反映人的工作狀態(tài)，它們就像管理者在生產(chǎn)過程中的“眼睛”，能為管理者賦能；對現(xiàn)場的操作者來說，還可以通過數(shù)字化的手段直接認識到操作對經(jīng)營管理的影響。比如，煤氣供應(yīng)不足時，次要工序的生產(chǎn)可能不利于企業(yè)的整體利益。這些辦法都有助于實現(xiàn)企業(yè)整體利益的最大化。
寶鋼原首任技術(shù)副廠長何麟生先生說，鞍鋼憲法要求“管理者參加勞動、工人參加管理”。在過去的技術(shù)條件下，這一點很難做到。然而，當前借助數(shù)字化手段，管理者能看得見現(xiàn)場，工人也能理解管理者，上述要求就很容易實現(xiàn)了。
從某種意義上講，智能化是管理和控制的融合、自動化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的融合。從控制論的角度看，傳統(tǒng)的自動化、信息化和智能化，都是“感知、決策和執(zhí)行”的統(tǒng)一。但是，自動化往往針對實時性強的小系統(tǒng)，決策是自動的；信息化往往針對實時性弱的大系統(tǒng)，決策者是人；而智能化往往是針對實時性強的大系統(tǒng)，決策是人機的融合。換個角度講，也就是許多原來由人負責(zé)的管理和決策問題實現(xiàn)了自動化、半自動化。
事實上，類似的想法很早就出現(xiàn)了。寶鋼建廠之初推動的“數(shù)據(jù)不落地”就包含了類似的思想，計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的思想也與之類似。但是，當時的技術(shù)條件讓這些想法很難落地。摩爾定律的延續(xù)，才造就了今天的機會。
此外，在推進智能化的過程中，往往還涉及到組織流程的重構(gòu)、商業(yè)模式的創(chuàng)新，甚至還需要對物理設(shè)備和生產(chǎn)流程進行系統(tǒng)性的優(yōu)化。從這種意義上講，自動化往往是相對單純的技術(shù)問題，而智能化的關(guān)鍵卻可能是管理問題甚至戰(zhàn)略決策問題。
《中國冶金報》（2020年07月29日 04版四版）
