在我國，冶金、能源、石化、環(huán)保、裝備等現(xiàn)代工業(yè)，正面臨產(chǎn)業(yè)競爭、勞動(dòng)力成本和節(jié)能減排等三重壓力。而“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”的深刻變革，迫使現(xiàn)代工業(yè)通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，向更高質(zhì)量、更有效益、更可持續(xù)、更為安全的模式發(fā)展。
面對(duì)龐大復(fù)雜的工業(yè)體系和長期以來的國外技術(shù)壟斷，如何實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)可測可控和全工藝流程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化運(yùn)行，保障全生命周期的主動(dòng)安全防護(hù)？浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院王文海團(tuán)隊(duì)給出的答案是打造一個(gè)更加聰明的大腦。
為此，王文海帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)十余年研發(fā)應(yīng)用，深度鉆研“廣域協(xié)同的高端大規(guī)?？删幊套詣?dòng)化系統(tǒng)及應(yīng)用”項(xiàng)目，通過協(xié)同創(chuàng)新與產(chǎn)學(xué)研合作，研制出成套的裝置與系統(tǒng)，建立了完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系。
在日前召開的國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，這項(xiàng)成果獲得2020年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
廣域協(xié)同“架構(gòu)”與內(nèi)生安全“盾護(hù)”
首要的問題是“架構(gòu)”。
要實(shí)現(xiàn)自主可控就必須掌握核心技術(shù)，其中最艱巨、最基本的任務(wù)是自動(dòng)化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。就好比構(gòu)建“大腦”的指揮體系，需從創(chuàng)建體系架構(gòu)、建立執(zhí)行機(jī)制、構(gòu)建軟件平臺(tái)等三大層次入手，綜合安全是高端大規(guī)模可編程自動(dòng)化系統(tǒng)的基本要求。
在體系架構(gòu)上，項(xiàng)目設(shè)計(jì)出由感知控制層、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)層、優(yōu)化服務(wù)層組成的分布式協(xié)同技術(shù)架構(gòu)，配合項(xiàng)目提出的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、事件觸發(fā)的控制策略分布式高效并行協(xié)同執(zhí)行機(jī)制，讓系統(tǒng)中的每一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)都成為算法執(zhí)行單元，能對(duì)數(shù)據(jù)加以計(jì)算，再將結(jié)果即時(shí)反饋，幫助“大腦”作決策反應(yīng)。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)時(shí)鐘同步、運(yùn)算節(jié)奏同步、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)一致性和安全表決輸出、故障檢測診斷和控制策略動(dòng)態(tài)重構(gòu)等。團(tuán)隊(duì)還自主研發(fā)了系列硬件模塊與廣域協(xié)同軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行、維護(hù)等環(huán)節(jié)的云服務(wù)，使“大腦”編程效率大幅提升。
其次的問題是“安全”。
王文海對(duì)安全尤為看重：“工業(yè)控制系統(tǒng)是一種信息空間和物理空間深度融合系統(tǒng)，而跨越信息物理空間對(duì)其進(jìn)行惡意攻擊所引發(fā)的安全問題不是傳統(tǒng)功能安全(Safety)和信息安全(Security)的簡單物理疊加，而是一個(gè)可靠、可控、可信相互作用、信息安全與功能安全深度融合的全新的科學(xué)領(lǐng)域?！?/p>
現(xiàn)實(shí)工業(yè)場景中，跨企業(yè)、跨領(lǐng)域生產(chǎn)對(duì)協(xié)作的需求不斷增加。在王文?？磥?，自動(dòng)化系統(tǒng)已不再封閉，帶來了許多在變化中不斷適應(yīng)現(xiàn)場的柔性需求，由此引發(fā)的安全問題是高交互、高動(dòng)態(tài)場景化的。因此，具備了指揮系統(tǒng)的“大腦”需擁有一個(gè)可靠可信的安全體系。這便是項(xiàng)目的另一大創(chuàng)新成果——綜合安全技術(shù)。
綜合安全是高端大規(guī)模可編程自動(dòng)化系統(tǒng)的基本要求，是實(shí)現(xiàn)“協(xié)同”與“智能”的安全保障。因此，項(xiàng)目重點(diǎn)解決自動(dòng)化裝置的異構(gòu)冗余容錯(cuò)、工程程序安全、系統(tǒng)運(yùn)行安全等關(guān)鍵技術(shù)，保障了控制裝置與控制系統(tǒng)全生命周期的內(nèi)生安全，形成了主動(dòng)防御“盾護(hù)”。
感知網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化
讓神經(jīng)與大腦更加“聰明”
核心的問題是“智能”。
王文海說：“安全和智能相輔相成，智能帶來復(fù)雜度的增強(qiáng)不可回避，必須在發(fā)展中解決智能這一核心問題?！比绾巫尨竽X變得更加“聰明”？王文海團(tuán)隊(duì)先從感知網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)入手。
感知網(wǎng)路好比神經(jīng)系統(tǒng)，當(dāng)軀體結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜、問題愈加突發(fā)時(shí)，神經(jīng)系統(tǒng)在傳遞、儲(chǔ)存、加工信息和控制、支配行為等方面的能力就愈需增強(qiáng)。
高端大規(guī)?？删幊套詣?dòng)化系統(tǒng)感知網(wǎng)絡(luò)就面臨網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜、信道時(shí)變不可靠、負(fù)載動(dòng)態(tài)多變與突發(fā)等難題，給傳輸性能帶來極大挑戰(zhàn)。為此，團(tuán)隊(duì)提出三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即信道接入?yún)f(xié)議與路由協(xié)議、節(jié)點(diǎn)部署策略及拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和稀疏信號(hào)聯(lián)合采集與傳輸技術(shù)，以有效應(yīng)對(duì)低負(fù)載、高負(fù)載與突發(fā)負(fù)載，全面提升能效性與收包率，既保障快速冗余恢復(fù)、實(shí)時(shí)性和可靠性等需求，又顯著降低設(shè)備部署成本。
感知網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化了，那么大腦的運(yùn)行優(yōu)化呢？這是王文海團(tuán)隊(duì)突破的下一個(gè)難題。
如何能源、石化、冶金等復(fù)雜工程系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高端大規(guī)?？删幊套詣?dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化？團(tuán)隊(duì)提出了系列方案，包括針對(duì)復(fù)雜工程大規(guī)模、多約束的難題，在國際上首次提出了新穎的光滑化精確罰函數(shù)法，創(chuàng)造了動(dòng)態(tài)優(yōu)化新方法；針對(duì)不確定性、非完整性、非平穩(wěn)性等難題，在國際上首次提出了自適應(yīng)、迭代多目標(biāo)粒子群動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了智能優(yōu)化；針對(duì)非單調(diào)、強(qiáng)非線性難題，進(jìn)一步提出基于非單調(diào)過濾線搜索技術(shù)的靜態(tài)優(yōu)化新方法，得到了國際上最高的求解成功率。
這些軟件成果成功應(yīng)用于高爐煉鐵、烯烴聚合等多種工業(yè)過程，解決了多個(gè)運(yùn)行優(yōu)化的國際性難題，特別是大型高爐性能指標(biāo)和操作參數(shù)多目標(biāo)智能優(yōu)化系統(tǒng)等，取得了突破性成果。
團(tuán)隊(duì)深度協(xié)同彰顯“實(shí)戰(zhàn)”能力
早從國家863計(jì)劃開始，王文海所在的浙大團(tuán)隊(duì)已和上海電氣集團(tuán)股份有限公司、上海寶信軟件股份有限公司、柳州鋼鐵股份有限公司，中國石油化工股份有限公司九江分公司等，成為了自主研發(fā)征程中的親密戰(zhàn)友。
在此項(xiàng)目之前，大型高爐系統(tǒng)因?yàn)闄C(jī)理異常復(fù)雜、參數(shù)嚴(yán)重耦合、多目標(biāo)沖突等特征，導(dǎo)致運(yùn)行控制與優(yōu)化成為國際公認(rèn)的重大難題。項(xiàng)目基于大型高爐運(yùn)算書數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)并融合領(lǐng)域知識(shí)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)多變?cè)剂蠗l件下大型高爐性能指標(biāo)智能優(yōu)化設(shè)定，創(chuàng)建了基于深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和工況智能識(shí)別的大型高爐性能動(dòng)態(tài)演化模型，為大型高爐打造出“堅(jiān)強(qiáng)大腦”。在柳鋼煉鐵廠2#高爐投入運(yùn)行后，極大提高了利用系數(shù)，降低了燃料比和焦比，取得了重大經(jīng)濟(jì)效益。
在九江石化公司，作為冶金、石化、煤化等工業(yè)領(lǐng)域重大核心裝備的大型空分裝置，破解了運(yùn)行優(yōu)化的難題，取得了驚人的節(jié)能效果，改善了運(yùn)行質(zhì)量和效益指標(biāo)。
數(shù)十年的協(xié)同創(chuàng)新與產(chǎn)學(xué)研合作，推動(dòng)項(xiàng)目研制出了性能技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或領(lǐng)先國際尖端可編程控制器及系統(tǒng)的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用，在國家重大工程和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中提供解決方案。除大型高爐、大型石化空分裝置外，項(xiàng)目還在大型燃?xì)廨啓C(jī)、大型電廠脫硫脫硝裝置、烯烴聚合裝置、催化裂化裝置以及全球最大的萘系高效減水劑工程、全球最大的ACR類改性劑工程、亞太最大的污水處理工程等發(fā)揮作用。
目前，項(xiàng)目已獲授權(quán)發(fā)明專利112項(xiàng)，產(chǎn)品和技術(shù)出口法國、俄羅斯、印度、巴基斯坦、越南等國家，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和專注高端控制系統(tǒng)自主化近三十年的科研人，王文海認(rèn)為，項(xiàng)目充實(shí)了我國重大工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的過程優(yōu)化體系，豐富了我國網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)體系。未來，推動(dòng)國家科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)安全亦然任重道遠(yuǎn)。
（文字 周伊晨/ 攝影 周伊晨 劉涵/ 攝影 劉涵）
