人工自愈赋能装备系统
自主健康创建新质生产力
—访中国工程院院士、设备诊断与自愈工程专家高金吉
文/本刊记者 唐大麟 郑金国
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记者：高院士您好！您在今年中国石油企业协会主办的石油石化智能制造技术创新交流大会上交流的“以人工自愈引领石油石化智能制造创新发展”观点，十分新颖，引起了大家极大的兴趣和关注。为什么要在石油石化智能制造中引入“人工自愈”这个概念？
高金吉：大家知道石油石化向智能化发展是必然的。1988年，美国纽约大学怀特教授和卡内基梅隆大学布恩首本专著《制造智能》提出智能制造的概念。智能制造的初衷其实就是“人工智能+自动化”， 通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制，来对制造技工们的技能和专家知识进行建模，以使智能机器能够在没有人工干预的情况下进行小批量生产。智能工厂的概念是IBM在2018年最早提出来的。我国在这方面做了大量工作，有很大的发展。后来通过加强数字化、网络化，使人工智能与装备工程系统与本体技术深度融合，重新构建人和机器的关系。再到后来智能工厂通过工业互联网能够把数据与工程结合起来，利用人工智能将包括供应、加工、储存、销售等的整个运营管理来进行智能控制、优化运行、智能运维等。这大体上就是智能工厂所涵盖的内容。
但智能制造对石油石化行业来讲是远远不够的，比如“安全生产”问题，光靠运营管理和智能控制就无法实现，石油石化的生产运行属于“高危流程制造业”范畴，与那些“离散型制造业”比如做机床、做汽车的工厂有很大的不同，怎么能做到生产运行既能智能化又能安全无事故，这对智能制造提出了更高的要求，即逐步实现本质安全化和无人化，所以我们针对高危流程工业提出了“人工自愈”和创建“健康工厂”的概念。
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记者：可不可以这样理解，人工自愈是更高一级的人工智能？
高金吉：人工智能的原理是模仿人脑的有意识思维控制行为，理论是控制论，目标是智能化，使机器更聪明，可以说是“人工智能+自动化=智能制造”。而人工自愈，是模仿人的无意识思维自愈机制来调控健康，理论基础是工程自愈论，目标是自愈化使机器更健康，可以说是“智能制造+人工自愈=智能安健制造”。人工智能使智能机器更聪明，不能解决石油化工无人工厂问题，可能制造零部件可以用智能机器或机器人代替人工，但石化生产高度自动化，如何保证安全长周期运行不出事，光靠机器人是不行的，所以新质生产力既需要智能制造，又需要安健制造。
德国科学家从仿生角度，提出过“五功能论”，拿人和机电系统对比，控制功能相当于人的大脑，动力功能相当于内脏，传感器功能相当于五官，操作功能相当于四肢，结构功能相当于人的躯体。模仿人的有意识思维，人工智能目标是保持和优化工作功能。“五功能论”忽略了人体有自愈功能、自愈系统，有免疫力，这就是无意识思维的自愈机制，模仿这一机制，将其赋予机器就是人工自愈。
所以人工自愈和人工智能一样，都是效仿人和动物的功能，只是人类的认知有先有后，先认识人工智能，后认识人工自愈。从数字孪生来讲，有物理实体和数字虚体。如果把人的有意识思维和物理实体、虚体结合起来，这就是人工智能；如果和无意识思维自愈机制与两体结合起来，就是人工自愈。
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记者：人的身体有自愈功能，机器也可以有吗？人工自愈是如何实现的？
高金吉：中国传统医学认为，保持健康的根本点不在于那种宏观的稳定状态，而在于调节控制那些建立和保持这种状态的具体机制。人有病了，可能吃药能好，许多病不吃药也能好，身体有个自愈机制，包括免疫、防御、代偿、自修复和自适应。
机器能不能这样？大家看到现在人心脏有毛病，可以用起搏器电子设备；机器能不能装个东西，它有了毛病也可以调整。所以工程上也应借鉴移植现代医学的“自主调理”原理，研究自愈调控系统，实现机器的故障自愈化。
这是因为机械有物质、能量输入和输出，同时有干扰，机器在运行过程中会发出振动、声音等信号。我们经过监测进行数据处理和特征提取，进行溯源诊断，找出故障的原因和条件，然后自愈调控，通过反作用来抵消故障产生的原因和条件，让它保持有序稳定状态，从而使机器在不停车无人检修的情况下，就能恢复和保持正常的工作状态。2003年，我在国际会议上首次提出上述装备“自愈原理”，工业互联网加上人工智能和人工自愈，对机器故障快速溯源诊断，实时精稳自愈调控，是人类根本无法完成的任务。人的时间精力不够，但人可以赋予机器这个机制来解决这个问题。
我们提出人工自愈，它可以自主消除已有的故障，自修复、代偿、自愈调控，也可以自主抑制未发生的故障，防止故障的发生，自防护、自愈调控，这也遵循我们老祖宗的医学。我国古代著名医书《素问》说“是故圣人不治已病，治未病；不治已乱，治未乱，此之谓也。”我们让它不发生故障，或者有了故障以后我们让它自我调节，把这个问题解决掉。我们自愈化技术有很多，如自修复、代偿、自保护、自愈调控等，这里就不展开说了。
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记者：人工自愈为石油石化的智能制造开辟了一条新途径，如果真的实现，必将会产生颠覆性的影响。目前我们在这方面的研究进展到了什么程度？
高金吉：大家都知道AIphaGo战胜围棋冠军，人工智能非常厉害，但如果让人工智能去解决压缩机故障诊断的问题却很难。因为压缩机结构复杂、工况变化多端，另外它是多源激励、响应也非常复杂，而且不会总出故障，没有大量故障案例。光从数字统计分析无法准确找出故障原因，故障诊断须数字分析与理论研究、模拟计算、实验研究相结合，光靠人工智能的数据分析是不够的，所以还需要在这个基础上做大量的工作。下棋为什么能行？因为案例特别多，另外棋盘固定，下棋规则也非常明确，所以计算机靠海量案例和它的快速计算能力，就能战胜人。如果现在让人工智能编个软件，除非搞这方面专业的人采用数字分析与理论研究、模拟计算、实验研究相结合的方法，一直干下去，编制的软件是可以战胜人的，但现在光靠IT人员采用人工智能的数据分析方法是做不到的。
我们团队从2000年开始积累，主要利用自主开发的装备工业互联网远程监测诊断平台，到2023年已积累25000多个故障案例，从工程统计结果看，诊断的准确率可达90%。通过故障诊断大数据分析不断完善知识规则发挥重要作用。现在有关部门在奖励跨行业、跨地区的“双跨”工业互联网平台，我觉得更应该鼓励发展同行业同类型装备工业互联网大数据平台，后者可以“落地”，真正取得实效。
工程技术人员和IT人员结合，把故障机理和数据驱动结合起来，编制出自动诊断系统，快速溯源诊断，找出故障原因、产生条件，在这个基础上才能够进行快速精准诊断，可为开发自愈化技术奠定基础。从2003年开始，我们团队已在动力机械故障自愈调控、装备及管道振动靶向抑制、动力机械自动平衡等领域取得重要研究成果，并在石油石化、航空航天及舰船动力装备等领域应用，成效显著。
工业互联网与人工自愈重构了人和机器的关系，在大力推广人工智能和自动化技术，自主开发国产工控系统的同时，应研发应用基于人工智能自愈的故障自愈调控和非正常工况自愈调控系统，创新设计制造安全可靠、自主健康的设备和流程系统。众所周知，装备是生产力要素之一，装备技术进步是生产力提高的重要标志。人工自愈赋能装备系统自主健康，为各行业特别是石油石化等高危流程工业创建新质生产力。
中国具有门类齐全、世界上数量最多的制造装备，我们应该勇于自主创新，在世界上率先开发人工自愈理论和装备自主健康技术，创建智能健康工厂，实现智能安健流程制造，这是发展的必然趋势。中国应对世界作出较大的贡献，不要等外国人提出来再去弯道超车。
来源：《中国石油企业》2024年第8期
素材来源：石油化工设备维护与检修网整理
