郭朝暉
探討自動(dòng)化、數字化與智能化的區別與聯(lián)系，要從上世紀40年代談起。隨著(zhù)人類(lèi)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(dòng)化：
本質(zhì)是感知、決策和執行的統一
自動(dòng)化的理論基礎是控制論?？刂普撜Q生時(shí)，控制論之父維納思考了這樣一個(gè)問(wèn)題：機器和人（動(dòng)物）到底有什么區別？維納認為，機器一般只能按既定的步驟和邏輯運行，而人（動(dòng)物）則能夠通過(guò)信息感知到外部變化，并根據這些信息進(jìn)行決策、采取行動(dòng)。同樣，自動(dòng)化系統一般由傳感器、控制器和控制對象構成，分別用于獲得信息、決策和執行。因而，“感知、決策和執行的統一”可以看作是自動(dòng)化的本質(zhì)。
控制論的產(chǎn)生有個(gè)重要的技術(shù)背景，即弱電技術(shù)的產(chǎn)生和應用。強電一般是用來(lái)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(lái)表示信息，控制器用弱電進(jìn)行計算和決策，同時(shí)，弱電又可以通過(guò)控制強電系統帶動(dòng)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行統一起來(lái)，可以解決一般性的控制問(wèn)題。
傳感器獲得的信號一般是模擬信號，即連續變化的信號?？刂评碚摦a(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。與模擬量相對應的是數字量，一般是指用0、1二進(jìn)制表示的數據，計算機存儲和處理的數據、互聯(lián)網(wǎng)傳輸的數據便屬于此類(lèi)。通過(guò)數模、模數轉化，數字化信息和模擬信息可以相互轉化。
傳統自動(dòng)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(xiàn)性常微分方程組描述的物理對象，而許多物理系統不能用這類(lèi)數學(xué)模型描述。另外一個(gè)局限是，自動(dòng)控制往往只能針對結構和運行邏輯不發(fā)生變化的控制對象，如單臺設備、閥門(mén)這樣的小系統，這類(lèi)其系統的結構和運行邏輯穩定是一種常態(tài)；而針對工廠(chǎng)這樣的大系統，卻難免出現某些設備故障、生產(chǎn)異常。對于上述問(wèn)題，數字化方法具有巨大的威力。
數字化：
推進(jìn)關(guān)鍵在于計算機和互聯(lián)網(wǎng)的深入應用
推進(jìn)數字化，其實(shí)就是要推進(jìn)計算機和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛、深入應用。
首先，數字化建模能力強大。利用計算機，人們有能力描述任何數學(xué)公式、物理對象以及生產(chǎn)和業(yè)務(wù)過(guò)程，工廠(chǎng)里的人、機、料等所有要素，都可以在數字化空間中加以描述。過(guò)去，受存儲、處理能力的限制，這種能力無(wú)法充分釋放。隨著(zhù)摩爾定律的延續，互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據等技術(shù)的產(chǎn)生，人們有能力在數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(dòng)，并通過(guò)這個(gè)虛擬世界管理和控制物理世界。
其次，計算機和網(wǎng)絡(luò )系統可以幫助人類(lèi)進(jìn)行決策。無(wú)法實(shí)現自動(dòng)控制時(shí)，一般需要人類(lèi)專(zhuān)家（如調度人員、管理人員）進(jìn)行處理。這時(shí)，這些系統能夠幫助管理者獲得信息、分析問(wèn)題并傳送指令，讓人類(lèi)能夠更好地決策。從控制論的角度看，人類(lèi)專(zhuān)家本質(zhì)上是充當了一個(gè)“控制器”的角色。
制造企業(yè)的計算機系統往往是分級的。鋼鐵企業(yè)最常見(jiàn)的做法是分成4級——L1~L4。其中，針對閥門(mén)、設備級系統進(jìn)行控制的L1、L2系統一般被稱(chēng)為自動(dòng)化系統；針對車(chē)間和工廠(chǎng)的L3、L4系統一般被稱(chēng)為“信息化系統”或者“管理計算機”。容易發(fā)現，層級低的系統往往反應速度快但管控范圍小，層級高的系統反應速度慢但管控范圍大。同時(shí)，低層級的計算機自動(dòng)控制的比例高，高層級計算機自動(dòng)控制的比例低。這種現象表明，對計算機系統來(lái)說(shuō)，反應速度快、自動(dòng)化程度高與管理范圍大是矛盾的。
這種矛盾，對鋼廠(chǎng)的管控是不利的。在鋼廠(chǎng)里，能源、環(huán)保、質(zhì)量、生產(chǎn)組織往往都會(huì )涉及多個(gè)部門(mén)和工序，屬于大系統的問(wèn)題。一個(gè)環(huán)節出現問(wèn)題，往往需要大家協(xié)調解決。殷瑞鈺院士經(jīng)常說(shuō)：“鋼鐵企業(yè)是典型的耗散系統?！比绻麊?wèn)題處理得不及時(shí)，就可能導致能耗的增加、質(zhì)量和生產(chǎn)效率的下降。然而，生產(chǎn)現場(chǎng)關(guān)鍵信息的出現是秒級、毫秒級的，而跨工序、跨部門(mén)的協(xié)調可能會(huì )耽誤幾個(gè)小時(shí)乃至幾天。比如，連鑄過(guò)程瞬間發(fā)生的問(wèn)題，可能在幾天后引發(fā)冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷。
在傳統的計算機系統架構下，這類(lèi)矛盾難以全面地解決，因為人類(lèi)專(zhuān)家無(wú)法處理成千上萬(wàn)臺設備和傳感器發(fā)出的秒級、毫秒級的信息，而機器不擅長(cháng)靈活處理跨工序、跨部門(mén)的大系統協(xié)同問(wèn)題。這樣的問(wèn)題，需要在智能化時(shí)代，用數字化方法加以解決。
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(shū)指出，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有3個(gè)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字化指令并發(fā)送相關(guān)狀態(tài)的設備或者傳感器，是數據的源頭?？梢栽O想，在鋼廠(chǎng)這樣的大企業(yè)中，傳感器的數據成千上萬(wàn)，人類(lèi)是處理不過(guò)來(lái)的。為此，高級算法可以像人的秘書(shū)一樣，從復雜的實(shí)時(shí)數據中，找出那些需要人類(lèi)關(guān)注和處理的問(wèn)題，再交給“工作中的人”來(lái)處理。這樣，需要人類(lèi)處理的問(wèn)題是經(jīng)過(guò)挑選的，實(shí)時(shí)性并不是特別強，故而人類(lèi)有能力處理這些問(wèn)題。
事實(shí)上，如果工廠(chǎng)發(fā)生的問(wèn)題是常見(jiàn)的，還可以把人類(lèi)專(zhuān)家處理問(wèn)題的邏輯和方法變成計算機代碼，讓機器按照人類(lèi)的想法進(jìn)行決策，即所謂的“人智變機智”。這樣就可以進(jìn)一步減少人類(lèi)處理問(wèn)題的負荷、提高決策的自動(dòng)化水平——這其實(shí)就是智能化了。
對此，人們經(jīng)常存在的疑問(wèn)是：這種做法的價(jià)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(lèi)參與的工作，往往都會(huì )存在管理問(wèn)題。在我國，所謂“技術(shù)水平低”，實(shí)質(zhì)上往往是管理或者人員操作的問(wèn)題。在某些鋼鐵企業(yè)，管理問(wèn)題所導致的成本損失遠遠超過(guò)企業(yè)的利潤。涉及到個(gè)人和部門(mén)利益時(shí)，管理會(huì )變得非常困難，因為管理問(wèn)題經(jīng)常被有意地隱藏起來(lái)；涉及到多個(gè)部門(mén)的協(xié)同和共享時(shí)，傳統的管理方法往往又難以迅速解決問(wèn)題。
然而，利用上述數字化、網(wǎng)絡(luò )化的手段，很多人類(lèi)的決策工作可以交給機器去做，或者在機器的幫助和“監督”下去做。從這種意義上講，傳感器的信息不僅可以用來(lái)描述設備狀態(tài)、工藝情況，還可以用來(lái)反映人的工作狀態(tài)，它們就像管理者在生產(chǎn)過(guò)程中的“眼睛”，能為管理者賦能；對現場(chǎng)的操作者來(lái)說(shuō)，還可以通過(guò)數字化的手段直接認識到操作對經(jīng)營(yíng)管理的影響。比如，煤氣供應不足時(shí)，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(shí)現企業(yè)整體利益的最大化。
寶鋼原首任技術(shù)副廠(chǎng)長(cháng)何麟生先生說(shuō)，鞍鋼憲法要求“管理者參加勞動(dòng)、工人參加管理”。在過(guò)去的技術(shù)條件下，這一點(diǎn)很難做到。然而，當前借助數字化手段，管理者能看得見(jiàn)現場(chǎng)，工人也能理解管理者，上述要求就很容易實(shí)現了。
從某種意義上講，智能化是管理和控制的融合、自動(dòng)化系統和信息系統的融合。從控制論的角度看，傳統的自動(dòng)化、信息化和智能化，都是“感知、決策和執行”的統一。但是，自動(dòng)化往往針對實(shí)時(shí)性強的小系統，決策是自動(dòng)的；信息化往往針對實(shí)時(shí)性弱的大系統，決策者是人；而智能化往往是針對實(shí)時(shí)性強的大系統，決策是人機的融合。換個(gè)角度講，也就是許多原來(lái)由人負責的管理和決策問(wèn)題實(shí)現了自動(dòng)化、半自動(dòng)化。
事實(shí)上，類(lèi)似的想法很早就出現了。寶鋼建廠(chǎng)之初推動(dòng)的“數據不落地”就包含了類(lèi)似的思想，計算機集成制造系統（CIMS）的思想也與之類(lèi)似。但是，當時(shí)的技術(shù)條件讓這些想法很難落地。摩爾定律的延續，才造就了今天的機會(huì )。
此外，在推進(jìn)智能化的過(guò)程中，往往還涉及到組織流程的重構、商業(yè)模式的創(chuàng )新，甚至還需要對物理設備和生產(chǎn)流程進(jìn)行系統性的優(yōu)化。從這種意義上講，自動(dòng)化往往是相對單純的技術(shù)問(wèn)題，而智能化的關(guān)鍵卻可能是管理問(wèn)題甚至戰略決策問(wèn)題。
《中國冶金報》（2020年07月29日 04版四版）
