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摩登5测速:让机器“自愈化”引领新科技变革(科技名家笔谈)

标签: 发布时间: 2021年09月20日 08:36:20 次浏览
摩登5测速:让机器“自愈化”引领新科技变革(科技名家笔谈)(图1)

  作者高金吉肖像画
  本版画家 张武昌绘

摩登5测速:让机器“自愈化”引领新科技变革(科技名家笔谈)(图2)

  科学家寄语

摩登5测速:让机器“自愈化”引领新科技变革(科技名家笔谈)(图3)

  辽阳石油化纤公司试运转期间,高金吉(右)在裂解气压缩机现场向毕振德总工程师汇报商讨机组改进方案。(1979年)

摩登5测速:让机器“自愈化”引领新科技变革(科技名家笔谈)(图4)

  时任辽阳石油化纤公司副总工程师的高金吉,在压缩机房观察机组运行状态。(1988年)

  18世纪60年代,发端于英国的第一次工业革命开创了以机器代替手工劳动的时代。然而,机器是把“双刃剑”,可以为人类带来福祉,也可能造成灾害。随着高危流程工业装备和空天飞行器的发展,故障导致非计划停产和突发事故,危害巨大。20世纪60年代起,设备监测诊断技术和状态维修兴起,逐步实现了数字化、网络化智能运维,但排故检修必须靠人的状况始终没有改变。

  人类历史就是与各种疾病作斗争的历史,在各类传统医术和现代医学还没有诞生前的漫长岁月中,人类是靠自身的抵抗能力,战胜疾病而“自愈”并生息繁衍下来。从生物演变历程看,机器是生物以另一种方式的延续,活着的人和运行的机器都属于耗散结构开放系统,与机器故障和与人的疾病作斗争可遵循某些共同规律。随之而来的问题是,机器的排故检修能否不需要人去“治愈”,而能像人一样可以“自愈”呢?

  笔者的回答是肯定的。在石化企业一线工作三十多年的实践中,我认识到,除少数突发故障外,大多数故障发生均有一个渐进过程,而相互作用是故障的终极原因。如能早期发现并及时采取恰当的调控措施,在运行中抑制或抵消产生故障的原因和条件,故障完全可以防止。通过学习医学、控制论、系统论、耗散结构和仿生学等经典著作。借鉴中华传统医术“自主调理”经验,特别是疾病痊愈很大程度上是靠人体自愈机制,我深切感悟到,机器故障从“治愈”到“自愈”是现代化大工业生产发展的重大需求,也是必然趋势。2003年,笔者在国际学术会议上首次提出了过程装备故障自愈调控原理,受到学术界广泛关注。

  德国罗尔夫·艾思曼教授曾提出,现代机电系统是由控制、动力、传感及检测、操作和结构等五大功能模块组成,将其通俗地类比于人的大脑、内脏、五官、四肢和躯体,得到世界仿生学界的认可。但他忽略了对人体自愈功能的仿生。笔者由此提出了人工自愈(ASArtificialSelf-recovery)的概念,研究把自愈机制这个人和动物特有的概念赋予机器,拓展了仿生学研究领域。自愈功能可抑制故障苗头或在运行中自行消除故障,包含代偿、清洁、修复、自适应调节、应激、协同、自保护等。

  人工自愈和人工智能(AI)共同之处是“人工”,都是由人赋予机器功能。不同之处在于,人工智能是对人脑意识思维控制行为的模拟,而人工自愈是对人体无意识思维(不经过大脑)的自愈机制的模拟。人工智能仅仅对人脑进行仿生,忽略了遍布人体全身的经络—神经—内分泌—免疫网络形成的自愈功能的研究。

  维纳的控制论为生物系统与技术系统的连接架起了桥梁,提出目的性行为可以用反馈来代替,从而突破了生命与非生命的界限,把目的性行为这个生物所特有的概念赋予机器。但由于历史背景的局限,1948年发表控制论时,是从研究火炮自动打飞机的实践中研究目的性行为。显然,控制论中的目的性行为不包含自愈机制。

  工程控制论突破了动物和机器、控制工程和通信工程的界线,将动物的目的性行为赋予为机器共有的特征,概括综合形成新理论。2010年,笔者提出将动物另一个共有的特征自愈机制赋予机器,概括综合形成机器可以产生自愈功能遏制破坏力的理论——工程自愈论(EngineeringSelf-recovery)。工程自愈论是一门跨学科的学科群,是一种科学的哲学理论或从一种新的角度来观察世界的系统观点和方法,是人工自愈的理论基础,可以改变理念,指导设计制造使机器实现自愈化。

  自愈化是研究机器或装置及其健康监控系统在无人干预的情况下按设计的自愈机制自行抑制或消除故障的过程。自愈化技术大致可以分为四类:一是自修复,二是自代偿,三是自保护,四是自愈调控。2021年7月,“首届人工自愈与自主健康学术论坛”在北京化工大学举行,与会学者兴趣十足,研讨热烈。出乎意料的是,该学术论坛吸引了超过1.2万人线上关注。

  2006年,中国工程院咨询项目提出“装备故障自愈工程及其在我国推广应用的建议”。现代社会是生物—社会—机器(人造物)—赛博(Cyber)共存的时代,可称其为BASOMAC(Biology-Society-Machine-Cyber)。工业互联网和AI与AS两个轮子驱动,应用赛博赋能技术,将嵌入式技术、智能材料和工业软件与装备本体技术深度融合,可实现装备辅助康复和自主健康,以及高危流程装置本质安全化和无人化,引领新科技变革。

  2001年起,北京化工大学诊断与自愈工程研究中心开展基于因特网的装备远程监测与智能诊断研发及工程应用,并在快准溯源诊断、精稳自愈调控研究取得若干成果,如透平机械轴位移与气膜端面密封故障自愈调控、转子多频振动电磁力靶向抑制、电磁与气压液式转子自动平衡等。2012年,笔者出版了《机器故障诊治与自愈化》专著,拟于明年出版《人工自愈导论》中英文专著。

  2009年,IBM提倡的“智慧地球”和“智慧工厂”战略得到了普遍认可,但仅有“智慧”是不够的,在未来世界,装备安全与自主健康会越来越成为生产力和战斗力的最重要组成部分。人工智能会使机器更聪明,人工自愈可让机器更健康。中国具有门类齐全、世界上数量最多的工业装备和制造厂,在学习国外构建智慧工厂的同时,应在世界上最先揭开“健康工厂”乃至“健康地球”发展战略的序幕。

  今天,我们可以展望,总有一天,随着人工自愈科技的发展,人类会造出一些跟人一样自主健康的机器装备和制造系统,并有可能辅助增强人类自愈康复功能。人工自愈将助力新一轮科技革命,迈向自愈化时代。

  (作者为中国工程院院士,北京化工大学教授,主要从事设备故障网络化监测诊断、智能运维与人工自愈研究;兼任中国工业互联网研究院技术委员会主任;于2016年获世界工程资产管理协会颁发的年度唯一的先进技术领域终身成就奖。)

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