人工智能在过程工业绿色制造中的机遇与挑战.docx

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1、一、引言过程工业是原材料工业的一个分支，对国民经济具有重要意义。经过数十年的发展，中国的过程工业取得了长足的进步，中国成为世界上最大的制造业国家之一。然而，与发达国家相比，中国的过程工业急需智能管理和营销技术来提高原材料的利用率，同时建立更加实用的环境和安全管理体系。这一问题引起了学术界的广泛关注，并在相关研究领域取得了很大进展。近年来，新一代信息技术的迅猛发展，促使一些国家寻求新的产业革命战略（图1）。美国推出智能流程制造，旨在产业升级和转型。德国提出了工业4.0的战略构想，重点是将信息技术融入制造业。英国、法国和日本分别宣布了英国工业2050战略、法国新工业计划和日本社会5.0战略。在此背

2、景下，中国政府为实现“新工业革命，提出了新一代人工智能发展规划。新一代人工智能发展规划战略以“创新、协调、绿色、开放、共享为核心，推动智能制造发展。Industry4.0NewIndustrialFranceSociety5.0strategy图1.各国为应对新工业革命提出的政府计划。在国家应对新工业革命的战略背景下，智能制造是当前过程工业的发展趋势，绿色制造是其不可或缺的组成部分之一。绿色制造注重高效和安全，这反映了更严格的环境政策和更好的事故预防的需要。实现绿色制造需牢记三个主要目标：降低能源消耗和减少污染物排放；生命周期过程安全监测和风险控制；以及环境足迹监测和评估。到目前为止，还没有很

3、好理解的方法来实现这些目标。人工智能（AI）是一项综合性前沿技术，因其在AlPhaG。中的出色表现而受到全世界的广泛关注。今天，人工智能被认为是世界上最先进的三大技术之一，并对计算机视觉、自然语言处理和机器人技术等多个领域产生了显著的影响。此外，人们普遍认为人工智能对智能制造至关重要。文章详细讨论了绿色制造在过程工业中所面临的挑战。人工智能通过对材料和能源的智能利用，在改善过程安全管理和提高效率方面发挥着重要作用；介绍了将人工智能融合到过程工业中现存的技术挑战。文章的主要贡献如下：（1）总结了中国石化行业过程安全的现状,指出了过程工业实现绿色制造的主要问题；为绿色制造提供了重要的指导方针。（2

4、）针对中国石化行业的现状和主要问题，提出如下观点：人工智能是实现绿色制造的核心技术。为了实现绿色制造，有几种技术可以解决这些主要问题，包括知识图、贝叶斯网络和深度学习。（3）考虑到过程工业与过程工业特点之间复杂的安全关系，提出了将知识图应用到过程工业的若干技术挑战。这些挑战可能会引起未来研究人员的兴趣。二、绿色制造的现状与问题（一）绿色制造人们普遍认为，制造业已经经历了三次工业革命，现在正在经历第四次工业革命（图2）。前三次革命都极大地促进了生产力和经济发展。因此，人们普遍认为，被称为“智能制造的第四次革命也将做出这样的贡献。图2.四次工业革命。石油和化学制品是过程工业的重要组成部分。根据中华

5、人民共和国国家统计局的数据，石油化工业己成为中国国民经济的支柱产业之一，20”年占工业总产出的12%。石油化工行业在为中国国民经济发展做出巨大贡献的同时，由于长期的污染影响和频发的事故，也给公众健康和环境安全带来了负面影响。在信息时代，工业事故通过各种新闻渠道和社交媒体被报道和传播到世界各地，使公众知情并关注。这促使政府制定更严格的行业标准和法规,从而增加了绿色制造的需求。最近的重大事故，如响水“321化工厂爆炸事故、天津港“&12火灾和爆炸事故，和青岛“112原油泄漏和爆炸事故，不仅造成了严重的人员伤亡、巨大的经济损失、严重的环境影响，也对石油化工产业的发展产生了负面效应。江苏省政府计划到2

6、022年关闭一半以上的现有化工企业。除了过程安全之外，石化行业的环境影响一一包括短期影响和长期影响一一也值得关注。与离散制造相比，中国的过程工业具有材料和能源效率低、污染严重的特点：鉴于中国的过程工业在国民经济中所占的规模，在环保要求日益严格的情况下，迫切需要降低能源消耗和过程排放。绿色制造被认为是实现过程安全、能源消耗和减排的解决方案。它旨在通过集成智能监控、智能预警、智能决策和基于优化的污染降低技术，在整个过程生命周期中跟踪与安全相关的方面。绿色制造可以显著提高过程工业的安全性和效率，并有可能成为高水平经济发展的必然要求。(一)现状和主要问题中国石化行业的过程安全与环保能力现状可以通过以下

7、三个方面进行阐述(图3)。CurrentstatusMassproductionNon-uniformdistributionofchemicalindustriesHighersafetyandenvironmentalrequirementsMorethan70000commonchemicals;3962hazardouschemicals;Morethan300000hazardouschemicalenterprises; 17000manufacturingenterprises 265000managemententerprises 5500storageenterprises

8、11000transportationenterprises10millionemployees;120000kmofpipelinesProduction,storage,transportation,use,wasteandotherprocessesoccurindifferentprovinces,cities,districts,andunties.Alistofprovinces(thenumberofmanufacturingenterprisesexceeds1500)1. Shandong2. Jiangsu3. Guangdong4. Zhejiang74hazardche

9、micalsunderkeyregulation图3.我国石化行业安全生产和环境保护能力现状的三方面。（1）大规模生产。应急管理部化学品登记中心发布的统计报告显示，20”年，中国生产和消费的普通化学品超过7x104种，其中危险化学品3962种。危险化学品是一种对人类或动物的健康、环境或财产有潜在危害的化学品。经过几十年的发展，中国已成为最大的化学品生产国和消费国之一。国家安全生产监督管理总局报告称，我国危险化学品相关企业超过3x105家，从业人员超过IXIO7人。管道长度超过1.2x105km。这些化学品一一尤其是危险化学品一一的巨大经济价值不仅使国内生产总值迅速发展，而且导致环境保护和公共安

10、全相关问题日益严重。（2）化工行业分布不均。鉴于中国东西方向上的人口分布和经济差异，石油和化工相关企业大多位于东部沿海地区（图4）。然而，对于特定的化学品，其生产过程生命周期、存储、运输、使用和损耗通常发生在不同的工厂、县、市、甚至省。因此，过程安全与环境保护应在更大的时空尺度上加以考虑；然而，由于不同阶段的更杂性，这并不是一项容易的任务。为了解决这些问题，需要在信息集成和数据分析方面付出更多的努力，而这可以通过人工智能和云计算来实现。DistributionofchemicalindustriesProvinceQuantityProvinceQuantityXinjiang276Shand

11、ong2718Ningxia236Jiangsu2644Gansu195Zhejiang1695Qinghai52Guangdong1608Tibet5Henan1003WesterninlandareasEasterncoastalareas图4.化工企业在中国的分布。（3）更高的安全性和环境要求。经济发展提高了中国的总体生活水平，而环境恶化使追求更高生活质量的居民难以接受。环境问题越来越受到政府和社会的关注。公众意识的转变促使政府放弃粗放的经济发展模式，追求可持续发展。此外，“十三五”规划要求到2020年重大事故数量减少20%,相关死亡人数减少20%,从而增加了石化行业对智能过程监控和风险

12、管理系统的需求。除了石化工业以外，过程工业的现状与上面所讨论的也很相似。这里列出了阻碍过程工业绿色制造的主要问题。（1）多领域间的信息隔离。在过程工业中，生产、储存、运输、使用和消耗各个阶段是相互关联的。但是，每个阶段都侧重于其特定的领域，并且有自己的信息和数据库系统。在现实中，生命周期中的过程是物理连接的；然而，从信息处理的角度来看，它们通常是孤立的。不同流程之间不恰当的信息交换阻碍了过程生命周期数据的全面分析。例如，如果在动态风险评估过程中能够考虑有关材料的信息和危险化学品运输的实时位置，那么就可以通过动态例程和应急准备来评估潜在事故的可能性并更好地管理风险。事故的可能性可以降低到一个可接

13、受的水平，重大事故能够得以避免。因此，整合丰富的信息，建立知识基础，是过程工业实施绿色制造首先要解决的挑战性任务。（2）信息类型多样，数据类型不同。从生命周期的角度来看，不同的阶段，如制造、储存和道路运输，都有各自的特性和专门的知识。这些差异在空间和时间维度上都存在。例如，温度、压力、水准等值很重要，因为它们包含了有关异常情况和其他质量相关问题的信息。在交通方面，路线、企业、实时位置、车辆状态、驾驶员状态是交通安全的关键。但是，这些信息属于不同的系统，很难进行通信或集成，更不用说数据采样率、数据格式和数据收集方法上的差异。这些问题对将与安全相关的信息集成到过程生命周期中造成了困难。此外，在不同

14、的生命周期过程中收集的数据背后有不同的规程，将事实数据和知识集成到一致的系统中是另一个具有挑战性的任务。（3）缺乏以过程安全为导向的决策体系。对于过程工业中的大规模生产一一特别是石化工业一一几何放大是降低成本和获得规模效益的最佳途径。大规模生产会导致复杂的供应链和标识系统。产业从一个城市、一个省向外延伸，最终在全国形成一个巨大的网络。在产业链中，不同时空区域的生产和需求需要国家运输和仓储网络，覆盖人口密集地区和各种自然环境。危险化学品的大量储存可能对当地社区构成重大风险。扩大生产的过程需要功能齐全的控制系统、正确的人工操作及高水平的机械完整性。如果不及时正确处理，任何微小的错误或故障都可能引发

15、严重的事故。换句话说，关于风险，太多的因素是相互关联的，它们之间的相互作用通常不是直观的。在现代石化工厂的设计中，通过整合多种实用的危险识别和管理技术，将风险管理纳入考虑范围，如危害和可操作性分析（HAZOP）防护层分析（LOPA）和系统完整性等级（SlL）.然而，这些分析有些静态，相关的文档超出了现场操作人员的能力，他们需要充分了解情况及其行动的潜在后果。操作员的行为高度依赖于培训和管理。近日，德国巴斯夫化工公司发生事故，造成了人员伤亡和经济损失。事故的原因与工作人员的操作失误密切相关。该案例反映了建立决策系统的必要性，这对安全操作具有重要意义。因此，需要一种能够利用现有文档中嵌入的静态知识来动态地分析情况并提供安全相关建议的智能系统。这样的系统可以在紧急情况下，比一名工人考虑更多的安全相关因素，从而改善安全管理。安全实践的另一个关键方面是本质上更安全的设计，其概念是永久减少或消除过程中与材料和操作相关的危险，该概念在过程设计的早期阶段、正常操作和变更中得到广泛应用，直到设施的使用寿命结束。从安全的角度来看，化学过程具有结构相似性。在某一化学过程设施中应用本质上更安全的设计将为其他设施树立一个先例。为了在更广阔的视野中支持安全导向的决策，必须提取和集成本质上更安全的设计的基本规则和概念,以及从几个成功案例中获得的经验。最后，建立过程安全决策系统的一