郭朝暉
探討自動(dòng)化、數(shù)字化與智能化的區(qū)別與聯(lián)系，要從上世紀(jì)40年代談起。隨著人類歷史上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生，也產(chǎn)生了信息論、控制論等彪炳史冊(cè)的偉大理論。
自動(dòng)化：
本質(zhì)是感知、決策和執(zhí)行的統(tǒng)一
自動(dòng)化的理論基礎(chǔ)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)問題：機(jī)器和人（動(dòng)物）到底有什么區(qū)別？維納認(rèn)為，機(jī)器一般只能按既定的步驟和邏輯運(yùn)行，而人（動(dòng)物）則能夠通過信息感知到外部變化，并根據(jù)這些信息進(jìn)行決策、采取行動(dòng)。同樣，自動(dòng)化系統(tǒng)一般由傳感器、控制器和控制對(duì)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(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(yīng)用。強(qiáng)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(cè)得的弱電信號(hào)用來表示信息，控制器用弱電進(jìn)行計(jì)算和決策，同時(shí)，弱電又可以通過控制強(qiáng)電系統(tǒng)帶動(dòng)控制器的運(yùn)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(hào)一般是模擬信號(hào)，即連續(xù)變化的信號(hào)?？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(hào)。與模擬量相對(duì)應(yīng)的是數(shù)字量，一般是指用0、1二進(jìn)制表示的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)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(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(duì)那些能用線性常微分方程組描述的物理對(duì)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(gè)局限是，自動(dòng)控制往往只能針對(duì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行邏輯不發(fā)生變化的控制對(duì)象，如單臺(tái)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(yùn)行邏輯穩(wěn)定是一種常態(tài)；而針對(duì)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(duì)于上述問題，數(shù)字化方法具有巨大的威力。
數(shù)字化：
推進(jìn)關(guān)鍵在于計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的深入應(yīng)用
推進(jìn)數(shù)字化，其實(shí)就是要推進(jìn)計(jì)算機(jī)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(qiáng)大。利用計(jì)算機(jī)，人們有能力描述任何數(shù)學(xué)公式、物理對(duì)象以及生產(chǎn)和業(yè)務(wù)過程，工廠里的人、機(jī)、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(chǔ)、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(jì)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(dòng)，并通過這個(gè)虛擬世界管理和控制物理世界。
其次，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以幫助人類進(jìn)行決策。無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制時(shí)，一般需要人類專家（如調(diào)度人員、管理人員）進(jìn)行處理。這時(shí)，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(dāng)了一個(gè)“控制器”的角色。
制造企業(yè)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)往往是分級(jí)的。鋼鐵企業(yè)最常見的做法是分成4級(jí)——L1~L4。其中，針對(duì)閥門、設(shè)備級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行控制的L1、L2系統(tǒng)一般被稱為自動(dòng)化系統(tǒng)；針對(duì)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(jì)算機(jī)”。容易發(fā)現(xiàn)，層級(jí)低的系統(tǒng)往往反應(yīng)速度快但管控范圍小，層級(jí)高的系統(tǒng)反應(yīng)速度慢但管控范圍大。同時(shí)，低層級(jí)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的比例高，高層級(jí)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的比例低。這種現(xiàn)象表明，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來說，反應(yīng)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(duì)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(huì)涉及多個(gè)部門和工序，屬于大系統(tǒng)的問題。一個(gè)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(shí)，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(chǎng)關(guān)鍵信息的出現(xiàn)是秒級(jí)、毫秒級(jí)的，而跨工序、跨部門的協(xié)調(diào)可能會(huì)耽誤幾個(gè)小時(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)下，這類矛盾難以全面地解決，因?yàn)槿祟悓＜覠o法處理成千上萬臺(tái)設(shè)備和傳感器發(fā)出的秒級(jí)、毫秒級(jí)的信息，而機(jī)器不擅長(zhǎng)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(shí)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(gè)要素：智能的機(jī)器、高級(jí)算法和工作中的人。其中，智能機(jī)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(jí)算法可以像人的秘書一樣，從復(fù)雜的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性并不是特別強(qiáng)，故而人類有能力處理這些問題。
事實(shí)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(jì)算機(jī)代碼，讓機(jī)器按照人類的想法進(jìn)行決策，即所謂的“人智變機(jī)智”。這樣就可以進(jìn)一步減少人類處理問題的負(fù)荷、提高決策的自動(dòng)化水平——這其實(shí)就是智能化了。
對(duì)此，人們經(jīng)常存在的疑問是：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，只要是人類參與的工作，往往都會(huì)存在管理問題。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題。在某些鋼鐵企業(yè)，管理問題所導(dǎo)致的成本損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過企業(yè)的利潤。涉及到個(gè)人和部門利益時(shí)，管理會(huì)變得非常困難，因?yàn)楣芾韱栴}經(jīng)常被有意地隱藏起來；涉及到多個(gè)部門的協(xié)同和共享時(shí)，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(jī)器去做，或者在機(jī)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)的操作者來說，還可以通過數(shù)字化的手段直接認(rèn)識(shí)到操作對(duì)經(jīng)營管理的影響。比如，煤氣供應(yīng)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(xiàn)企業(yè)整體利益的最大化。
寶鋼原首任技術(shù)副廠長(zhǎng)何麟生先生說，鞍鋼憲法要求“管理者參加勞動(dòng)、工人參加管理”。在過去的技術(shù)條件下，這一點(diǎn)很難做到。然而，當(dāng)前借助數(shù)字化手段，管理者能看得見現(xiàn)場(chǎng)，工人也能理解管理者，上述要求就很容易實(shí)現(xiàn)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(tǒng)和信息系統(tǒng)的融合。從控制論的角度看，傳統(tǒng)的自動(dòng)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(dòng)化往往針對(duì)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的小系統(tǒng)，決策是自動(dòng)的；信息化往往針對(duì)實(shí)時(shí)性弱的大系統(tǒng)，決策者是人；而智能化往往是針對(duì)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的大系統(tǒng)，決策是人機(jī)的融合。換個(gè)角度講，也就是許多原來由人負(fù)責(zé)的管理和決策問題實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、半自動(dòng)化。
事實(shí)上，類似的想法很早就出現(xiàn)了。寶鋼建廠之初推動(dòng)的“數(shù)據(jù)不落地”就包含了類似的思想，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的思想也與之類似。但是，當(dāng)時(shí)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(jī)會(huì)。
此外，在推進(jìn)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(duì)物理設(shè)備和生產(chǎn)流程進(jìn)行系統(tǒng)性的優(yōu)化。從這種意義上講，自動(dòng)化往往是相對(duì)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(bào)》（2020年07月29日 04版四版）
