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高金吉:人工自愈驱动装备自主健康

更新时间:2020-06-16 15:08:56
作者: 高金吉  

   中国工程院院士高金吉出席2019全球工业智能峰会开幕式,并发表了主题为“人工自愈驱动装备自主健康”的演讲。以下为演讲全文:

   各位嘉宾,女士们、先生们,上午好! 我报告的题目是《人工自愈驱动装备自主健康》,讲五个问题:

   第一、工业互联网与人工智能变革维修方式。机器是制造业的根本,机器人是双刃剑,它既能给人类带来福址,也能带来灾害,由于机器故障或者人为误操作有可能导致机器和生产系统爆炸着火,机毁人亡。

   国际上,美国、加拿大、欧洲曾经对石化生产事故进行统计,机器事故可达40%,人为失误达40%,工艺失误达20%,即装备和人为失误是石化生产事故最主要的原因,人为失误也会造成设备的损害。因此,如何保证设备安全运转是非常重要的问题。

   一些大机组,如石化企业、冶金企业,在生产线上,它是高温高压、易燃易爆的,如果出现了问题,则容易机毁人亡。国际上,与故障做斗争用的是什么办法呢?用的是紧急停车系统(Emergency Shutdown System ,简称ESD)。

   我在石化企业工作32年。从1979年开始,我开展状态监测故障诊断工作,1987年引入美国监测系统,1991年开始自己开发。2000年开始,我到了学校,研发监测诊断系统,原来研究石化应用,后来研究电力、钻井平台,还有燃气轮机、柴油机、航空发动机应用。

   1987年,最早从美国引进一台监测系统,当时还是模拟量,美国也没有数字量。从1991年开始,我们团队研发国内第一套局域网监测系统,当时是100M,我们是用数字量,电路板还是引进国外的。

   2001年,我到了学校,团队开始把局域网的监测系统通过互联网连到北京,通过专线连到我们学校的实验室,对机器进行监测和远程诊断。

   2005年以后,我们开始自主研发电路板,这个电路板可以高速宽频带各种参数同步的数据采集,采集高质量的数据,便于进行分析。另外,我们研究样机,在国家“973计划”(即国家重点基础研究发展计划)支持下,后来在航空发动机也进行了数据采集的监测系统。我们到现在为止可以远程监测70家企业,2700多台关键机组。另外,对于远程监测在便携式监测或者无线也可以连到系统当中。

   我们这个平台可以在线、离线、无线一体化监测,工业互联网把他们连到一起。我们与企业开发的远程监测诊断中心,现在已经建成了10多个,正在建的8个。这是三个例子,一个是中油(音)的远程监测,中石油管道远程监测,还有四川石化。

   四川石化一开始建厂的时候,我们就去和他合作,现在监测80多台机组,另外还有两三千台设备,2012年到现在,预测了500多个故障都被排除掉了,所以到现在没有出现大的设备事故。

   从1995年开始,我们承担国家经贸委的项目——振动诊断工程软件包,我们对10类56种机械故障进行了诊断,当时还是人机对话,还不能制动,但已经在20多个国企推广应用。

   后来学校团队又开始研究故障的机理,同时建立了一个模型,找因果关系。另外,通过互联网、大数据找关联的关系,进行综合的诊断,多参数的判断故障,早期预警,同时找出故障的原因制造维修,这是我们开发的故障自动诊断系统,当时有离心泵,旋转机械、柴油机、燃气轮机等等。

   我们除了对单台设备进行深入研究,开发出监测诊断系统,建立自动诊断系统。同时,我们对机群的数据也进行总结和研究,不断地完善专家系统的支持规则,提高专家系统诊断的准确率。

   从2000年以来,我们统计各个案例,关键机组、透明压缩机组有2700多个案例。另外,离线的监测系统有1万多个案例。总共统计1.2万多个案例。用户统计反馈回来的结果,故障诊断准确率达到了90%,这是经过长期漫长的过程一点点提高的。

   在这个基础上,因为准确率较高,国际上通用的紧急停车系统,它是单值超标停车,如温度超标,振动超标马上停下来。后来我们觉得把这个原因快速诊断出来是什么原因,比如说振动,如果不平衡,振动大一点影响不大,但如果掉叶片,这个时候就容易出现大的事故。确定风险有的是停车,有的是报警,这样就可以减少停车的次数取得长周期安全运转的效果。

   这是我们研究的智能联锁系统,与国际上通用的对比,我们进行实验制造故障,现在我们已经产业化了,在重庆油气管网上已经开始试用了,将来需要全面推广,这是利用人工智能减少故障停车的次数。

   总之,智能运维有赛博系统、虚拟系统,还有实体系统。它们通过监测诊断给人提供决策依据,人去执行,排除故障或者检修,这是智能运维的方法。

   能不能减少人的工作,少忙一点,能够维护机器的健康?提出这个问题,我们数据获取、信息认知、科学决策,最后精准执行,都要靠人执行,人工智能帮助判断最后还要人去执行,工业互联网促进了诊断的准确性。

   智能运维在这个基础上能不能再前进一步?我们提出人对自然和技术系统的认识程度,最好体现我们控制它的能力,我们能不能控制它而不靠人去维修。

   第二,大工业机器崛起促生仿生人工自愈。机器监测判断,然后停下车来检修,我们能不能通过自愈调控让它不发生故障。

   这个方面我们研究了,与疾病作斗争和与故障作斗争是有共同性的,人是自然制造的,有300万的历史,人在没有医药之前人能够繁衍下来靠的是自愈能力。机器到现在只有200多年的历史,机器都是人去诊断,有了智能以后自动诊断,但最后还要停下车检修。

   机器能不能像人一样自愈?医学上讲,所谓保持健康的根本点不在于宏观的稳定状态,而在于调节控制和建立保持这种状态的机制,疾病的全愈还得依靠人体的自愈能力,包括免疫、防御、代偿、自修复和自适应等等。

   国际上对仿生提出了“五块论”(德国RolfIsermann教授提出机电一体化系统,如下图),控制系统相当于人的大脑,动力功能相当于内脏,传感功能相当于五官,操作功能相当于四肢,结构功能相当于躯体。大家都知道仿照人的大脑提高机器的智能,那就是人工智能。

   另外,人有自愈功能,自愈系统能不能人工自愈,让机器有这个功能。人工智能是1956年提出的,让计算机像人一样思考,计算机模拟人的头脑,仿生机械学对人的智能研究大大增强了仿生人脑的能力,但是忽略了人和动物自身健康的自愈系统和自愈功能。

   因此,我们提出人工自愈和人工智能都是研究人到物的科学,人工自愈是赋予机器自发作用的维持健康状态的能力,让机器自主健康,人工智能让机器更聪明。

   我们都知道有十几个躯体,两体模型,如果人的大脑介入就是人工自愈,如果人的无意识思维,自愈功能介入就变成人工自愈,即从实体、虚体两元空间到实体、虚体、人体三元空间。

   第三,从自动化、智能化到自愈化。瓦特1978年发明蒸汽机,自动化是1936年提出来的,所以理论是落后实践的。自愈是1916年就有的,但是理论还没有开始研究。维纳提出反馈原理,创造了控制论,把目的性行为、生物特性赋予机器。自动化是有意识思维保持工作能力的,智能化就是人工智能驱动智能化。人体是无意识思维,目标是保持健康状态,实现自愈。

   从历史来看,自动化、控制论、人工智能,原来有自愈的技术,2003年才开始提出自愈化。人工智能、仿生自愈系统包括什么呢?自修复、代偿、自保护和故障防止,下面简单讲一下自愈调控。自动控制是反馈原理,工况和指标比较纠正偏差,利用反馈这样的原理。

   自愈调控是测试工况,有异常的时候诊断故障,找出故障的原因,通过反作用抵消故障产生的条件和原因,所以它与反馈原理还不是完全一样的。

   我们团队2018年做了好多这方面的研究工作。轴位移,原来一波动轴就必须停车,现在通过调节平衡活塞的压差来保证平衡力,让它不停车,我也可以用电磁力。振动,也可以用多频振动来靶向抑制,从而抑制故障。平衡盘,原来只是密封,现在加电磁也可以控制,这个是实验的结果。

   另外,动平衡在这方面做了很多工作,现在航空发动机也做整机的自动平衡,这个是制动平衡。我们有国际专利,螺旋桨的制动平衡。

   人工自愈的意义,高危装置本质安全化、装备维修方式变革、空天飞行器自诊断、自恢复。刚才讲人工智能,如果加上人工自愈就变成了人工自愈和智能运维和自主健康系统。

   “五化”是基础,最终的目标是自愈健康。结论是大工业机器崛起催生人工自愈,人工自愈拓展了仿生学、控制论和人工智能的研究领域。人工自愈将会促进装备的智能化由可控化、自动化真正实现具有自愈功能的高级智能阶段。

   人工智能使设备更聪明,人工自愈让装备自主健康。人工自愈是装备自主健康和智能制造的基础,是工业智能发展的重要方向。人工自愈改变传统理论、创新设计,让未来的机器装备和制造系统,乃至所有的人造物系统自主健康,助力于下一轮工业革命,迈进自愈化时代。

   人工自愈与人工智能一样是新兴交叉学科,应列入基础学科发展行列,应该重视自愈化和自主健康装备的开发应用。

   谢谢大家!

   (作者系中国工程院院士,设备诊断专家)

本文责编:yangjiaxin
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文章来源:2019全球工业智能峰会开幕式演讲稿整理
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