錢江晚報·小時新聞記者 王湛 通訊員 周伊晨 邱伊娜 攝影 盧紹慶
在我國，冶金、能源、石化、環保、裝備等現代工業，正面臨產業競爭、勞動力成本和節能減排等三重壓力。而新一代資訊科技的浪潮，進一步引發了“工業網際網路+安全生產”的深刻變革，迫使現代工業透過數字化、網路化、智慧化，向更高質量、更有效益、更可持續、更為安全的模式發展。
面對龐大複雜的工業體系和長期以來的國外技術壟斷，如何實現全生產過程的實時可測可控和全工藝流程的動態最佳化執行，保障全生命週期的主動安全防護？浙江大學控制科學與工程學院王文海團隊給出的答案是打造一個更加聰明的大腦。
為此，王文海帶領團隊十餘年研發應用，深度鑽研“廣域協同的高階大規模可程式設計自動化系統及應用”專案，透過協同創新與產學研合作，研製出成套的裝置與系統，建立了完全智慧財產權的技術體系，並於2020年獲得國家科學技術進步獎二等獎。
廣域協同“架構”與內生安全“盾護”
首要的問題是“架構”。
要實現自主可控就必須掌握核心技術，其中最艱鉅、最基本的任務是自動化系統的總體設計。就好比構建“大腦”的指揮體系，需從建立體系架構、建立執行機制、構建軟體平臺等三大層次入手，綜合安全是高階大規模可程式設計自動化系統的基本要求。
在體系架構上，專案設計出由感知控制層、網路資料層、最佳化服務層組成的分散式協同技術架構，配合專案提出的資料驅動、事件觸發的控制策略分散式高效並行協同執行機制，讓系統中的每一個控制節點都成為演算法執行單元，能對資料加以計算，再將結果即時反饋，幫助“大腦”作出決策反應。實現了系統時鐘的同步、運算節奏的同步、實時資料的一致性和安全表決輸出、故障檢測診斷和控制策略動態重構等。同時，團隊自主研發了系列硬體模組與廣域協同軟體平臺，並實現了系統設計、實施、執行、維護等環節的雲服務，使“大腦”的程式設計效率大幅提升。
其次的問題是“安全”。
三十年深耕工業控制和自動化系統的王文海對安全尤為看重：“工業控制系統是一種資訊空間和物理空間深度融合系統，而跨越資訊物理空間對其進行惡意攻擊所引發的安全問題不是傳統功能安全(Safety)和資訊保安(Security)的簡單物理疊加，而是一個可靠、可控、可信相互作用、資訊保安與功能安全深度融合的全新的科學領域。”
在現實的工業場景中，跨企業、跨領域生產對協作的需求不斷增加。在王文海看來，自動化系統早已不再封閉，這帶來了許多在變化中不斷適應現場的柔性需求，由此引發的安全問題是高互動的、高動態場景化的。因此，具備了指揮系統的“大腦”需擁有一個可靠可信的安全體系。這便是專案的另一大創新成果——綜合安全技術。
綜合安全是高階大規模可程式設計自動化系統的基本要求，是實現“協同”與“智慧”的安全保障。因此，專案重點解決自動化裝置的異構冗餘容錯、工程程式安全、系統執行安全等關鍵技術，保障了控制裝置與控制系統的全生命週期的內生安全，形成了主動防禦“盾護”。
感知網路最佳化與系統執行最佳化讓神經與大腦更加“聰明”
核心的問題是“智慧”。
王文海說：“安全和智慧相輔相成，智慧帶來的複雜度的增強是不可迴避的，必須在發展中解決智慧這一核心問題。”如何讓大腦變得更加“聰明”？王文海團隊先從感知網路最佳化技術入手。
感知網路好比神經系統，當軀體的結構愈加複雜、所面臨的問題愈加突發時，神經系統在傳遞、儲存、加工資訊和控制、支配行為等方面的能力就愈發需要增強。
高階大規模可程式設計自動化系統感知網路就面臨網路結構愈發複雜、通道時變不可靠、負載動態多變與突發等難題，給傳輸效能帶來了極大的挑戰。為此，團隊提出了三項關鍵技術，即通道接入協議與路由協議、節點部署策略及拓撲最佳化技術和稀疏訊號聯合採集與傳輸技術，以有效應對低負載、高負載與突發負載，全面提升能效性與收包率，既能保障快速冗餘恢復、實時性和可靠性等需求，又能顯著降低裝置部署成本。
感知網路優化了，那麼大腦的執行最佳化呢？這是王文海團隊突破的下一個難題。
針對在能源、石化、冶金等複雜的工程系統中，實現高階大規模可程式設計自動化系統執行最佳化的問題，團隊提出了系列最佳化方案，包括：針對複雜工程大規模、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式法，創造了動態最佳化新方法；針對不確定性、非完整性、非平穩性等難題，在國際上首次提出了自適應、迭代多目標粒子群動態最佳化方法，實現了智慧最佳化；針對非單調、強非線性難題，進一步提出基於非單調過濾線搜尋技術的靜態最佳化新方法，得到了國際上最高的求解成功率。
這些軟體成果成功應用於高爐鍊鐵、烯烴聚合等多種工業過程，解決了多個執行最佳化的國際性難題，特別是大型高爐效能指標和操作引數多目標智慧最佳化系統等，由此取得了突破性成果。
團隊深度協同彰顯“實戰”能力
早從國家863計劃（國家高技術研究發展計劃）開始，王文海所在的浙大團隊和上海電氣集團股份有限公司、上海寶信軟體股份有限公司、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，已成為了自主研發征程中的親密戰友。
在此專案之前，大型高爐系統因為機理異常複雜、引數嚴重耦合、多目標衝突等特徵，導致執行控制與最佳化成為國際公認的重大難題。專案基於大型高爐運算書資料深度學習並融合領域知識，在國際上首次實現了多變原燃料條件下大型高爐效能指標智慧最佳化設定，建立了基於深層神經網路和工況智慧識別的大型高爐效能動態演化模型，為大型高爐打造出“最強大腦”。在柳鋼鍊鐵廠2#高爐投入執行後，極大提高了利用係數，郵箱降低了燃料比和焦比，取得了重大經濟效益。
在九江石化公司，作為冶金、石化、煤化等工業領域重大核心裝備的大型空分裝置，破解了執行最佳化的難題，取得了驚人的節能效果，改善了執行質量和效益指標。
數十年的協同創新與產學研合作，推動專案研製出了效能技術指標達到或領先國際尖端可程式設計控制器及系統的產品，實現了產業化和大規模應用，在國家重大工程和關鍵基礎設施中提供解決方案。除大型高爐、大型石化空分裝置外，專案還在大型燃氣輪機、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等發揮作用。
目前，專案已獲授權發明專利112項，產品和技術已出口法國、俄羅斯、印度、巴基斯坦、越南等國家。經濟效益顯著。
作為專案負責人和專注高階控制系統自主化近三十年的科研人，王文海認為，專案充實了我國重大工程自動化控制系統的過程最佳化體系，豐富了我國網路安全技術體系。未來，推動國家科技進步和產業經濟安全亦然任重道遠。
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