柴天佑院士：工业智能重构“三流”协同 赋能制造业新质生产力

文｜赵阳

编辑｜徐青阳

在2025年腾讯科技Hi Tech Day活动现场，中国工程院院士柴天佑以《基于新一代信息技术的工业智能系统》为主题发表演讲。他从工业革命演进规律出发，深入解析了 “智变” 的核心逻辑与实践路径，为制造业智能化转型提供了参考。

“人类要生存就要把自然界中不能吃、不能用的原料， 变成能吃、能用的产品，这就是‘物质流’的变化。而物质流的转变需要‘能源流’提供动力，如何让两者精准匹配形成所需产品，则依赖‘信息流’——简单讲就是感知、决策、执行流。” 柴天佑院士说。

柴天佑院士开篇便点明工业发展的核心逻辑，他指出，三次工业革命的爆发，本质上都是“三流” 中关键环节变革后的连锁反应：第一次工业革命，能源流变革形成了以蒸汽为动力的生产设备，信息流变革为基于反馈控制的调速系统,实现了以蒸汽为动力的生产设备自动化；第二次工业革命，能源流由蒸汽变革为电，形成了以电为动力的生产设备，信息流变革为由电子器件驱动的 PID 和逻辑控制系统，实现了以电气为动力的生产装备自动化；第三次工业革命，出现了数字计算机，使信息流发生了变革，出现了计算机管控系统和工业软件，实现了生产过程自动化、生产管理信息化。目前， 出现了工业人工智能、工业互联网、工业元宇宙等新一代信息技术，必将使生产过程中的感知、决策与控制组成的信息流发生变革，引起新一轮工业革命，推动工业自动化与信息化向工业智能化发展。

谈及当下 “智变” 的核心动因，柴天佑院士强调，能源流与信息流发生了变革。“产生了以新能源为动力的产业，而大数据驱动的人工智能、工业互联网以及元宇宙技术，使生产过程的感知、决策与控制系统实现自学习自优化。”他特别提到，元宇宙技术在工业领域的应用更具可行性，“工业生产过程的感知、决策与控制系统可以被数字化，这就使在数字空间进行感知、决策与控制系统的自学习自优化成为可能。”

对于智能化转型的实现路径，柴天佑院士提出，工业智能的核心目标使生产制造过程的感知、决策与控制中人的智能行为实现自动化和优化， 实现感知、决策、控制一体化。他指出，工业互联网是工业智能化的基础设施，工业人工智能是工业智能算法的基础，工业元宇宙是实现虚拟场景下监控与在线自学习自优化真实场景下感知、决策与控制系统的基础。

他进一步指出，工业智能将企业资源计划系统、制造执行系统、装备 (过程)控制系统组成的企业信息化三层结构变革为由人机合作的管理与决策智能化系统和智能自主控制系统组成的企业智能化两层结构，实现工业具身智能。

演讲中，柴天佑院士分享了团队以生产国家战略物资电熔镁砂的典型重大耗能设备——电熔镁炉为对象研发“端-边-云”协同的电熔镁炉智能系统案例。他介绍，团队通过在200公里外的实验室构建数字孪生和参数学习大模型，通过边缘系统自学习自优化控制系统参数，实现远程智能调控。该系统不仅实现了生产现场操作无人化，而且使单炉次新增效益4291元，电熔镁砂单吨能耗降低8.82%，用实践验证了工业智能化的应用价值。

柴天佑院士强调，工业智能化需要创新机制，形成 “基础研究—技术研发—工程应用—产品化”协同机制，将技术突破转化为新质生产力。

以下柴天佑院士的演讲实录（主要部分）：

尊敬的与会企业家，与会嘉宾，大家上午好。

首先，诚挚感谢腾讯的邀请。今天活动的主题是“智”之时”，我将围绕“智 ”何以发生”以及“如何实现智””这两个核心问题展开，并以工业领域为例，分享我在工业自动化、信息化与智能化方面多年研究与实践中的一些思考。

工业生产过程是物质流、能源流和信息流交互作用的动态过程， 三流发生”革会引起工业革命。第一次工业革命中能源流首先发生”革。蒸汽机为动力的工业生产装备代替了人力在生产过程中产生能源流。蒸汽机为动力的工业生产装备应用于工业生产过程必须解决机器的调速问题。 1788年， 吉姆斯·瓦特 (James Watt) 成功地发明了离心调速器。离心调速器是一个比例反馈控制器，从此调速器成了蒸汽机不可分割的一部分。比例反馈控制技术代替了人工控制， 使生产过程的信息流发生了”革。蒸汽机与反馈控制技术的广泛应用推动了第一次工业革命。

在第二次工业革命中，电力代替了蒸汽成为工业生产过程中产生能源流的动力，使能源流发生了”革。由于比例控制会产生动态误差， 因此将积分作用引入比例反馈控制，发明了比例–积分–微分(PID) 控制技术。为了控制以电力为动力的工业生产设备启停和启停顺序，发明了逻辑控制技术。PID和逻辑控制技术广泛应用于生产过程，使信息流发生了”革， 实现了传送带的自动化。自动化的传送带在1870年首次应用于辛辛那提屠宰场，推动了基于劳动分工和以电力为动力的大规模生产。电力为动力的工业生产装备和以 PID为代表的工业控制技术广泛应用推动了第二次工业革命。

20世纪50年代末到20世纪60年代初, 数字计算机的出现和大规模工业生产的需求，计算机和通信技术与工业控制技术相结合，催生了一种专门的计算机控制系统——逻辑程序控制器 (Programmable Logic Controller, PLC)。 1969年，美国Modicon公司推出了084PLC。该控制系统可以将多个回路的传感器和执行机构通过设备网与控制系统连接起来，可以方便地进行多个回路的控制，设备的顺序控制和监控。1975年，Honeywell和 Yokogawa公司研制了可以应用于大型工业过程的分布式控制系统 (Distributed Control System, DCS)。以组态软件为基础的控制软件、过程监控软件和 PLC/DCS 应用于生产过程使信息流发生了“革命”，使生产线的自动化程度更高，推动了第三次工业革命。

工业人工智能、工业互联网、工业元宇宙等新一代信息技术的发展必将使生产过程中的感知、决策与控制组成的信息流发生“革命”, 引起新一轮工业革命，推动工业智能化发展。

复杂制造与生产全流程的决策、控制与运行管理的现状如下，由企业管理者通过ERP系统获得的企业资源信息，凭经验和知识决策企业的包括产品质量、产量、能耗、物耗、成本在内的综合生产指标的目标值范围；生产管理者通过MES系统获得的生产信息，凭经验和知识决策复杂制造与生产全流程的生产指标的目标值范围；运行管理与工艺工程师通过管控系统获得的生产工况信息和感觉、视觉、听觉、触觉获得的生产信息， 凭经验和知识决策反映制造装备或工业过程产品加工的质量、效率、消耗的运行指标目标值范围； 操作者根据运行指标目标值范围和生产实际情况凭经验和知识决策控制系统指令；控制系统控制复杂制造与生产全流程的加工装备 (过程)，使被控装备 (过程) 的输出跟踪控制指令，从而将加工产品的质量、效率、消耗的运行指标和复杂制造与生产全流程的生产指标控制在目标值范围内。

因此, 复杂制造与生产全流程的决策、控制与运行管理是人参与的信息物理系统。操作者与知识工作者根据信息系统获得的生产信息和通过感觉、视觉、听觉、触觉获得的多源异构生产信息， 利用大脑的学习认知和分析决策能力，依靠经验和知识决策企业综合生产指标、复杂制造与生产全流程的生产指标、运行指标和控制系统指令。复杂工况与关键工艺参数感知与识别、生产全流程运行决策与控制仍然依靠经验和知识人工完成，生产过程运行决策与控制系统设计与系统参数整定依靠人的经验与知识。由于人难以及时准确地感知动态”化的运行工况，难以及时准确地处理异构信息，人的决策行为制约发展。因此，资源计划（ERP）、制造执行系统（MES）、过程控制系统（PCS）三层企业信息化结构无法实现制造企业全局优化和个性定制高效化。

工业智能化发展是以推动我国制造业高端化智能化绿色化（全局优化与个性定制高效化）为目标，将操作者的知识工作实现自动化，将控制系统和加工装备(过程)变革为智能自主控制系统；将企业管理者和生产管理者的知识工作智能化；将ERP和MES变革为人机合作的管理与决策智能化系统； 将企业资源计划系统、制造执行系统、装备 (过程) 控制系统组成企业信息化三层结构变革为由人机合作的管理与决策智能化系统和智能自主控制系统组成的企业智能化两层结构发展，制造过程感知、决策、控制一体化和自学习自优化驱动集中式ERP与MES向分散式数字孪生驱动的生产要素可视化监控、预测、回溯、决策与控制一体化和自学习自优化发展。

工业互联网是工业智能化的基础设施。工业人工智能是工业智能算法的基础。虽然对工业人工智能的界定并不明确且随时间的推移不断变化，工业人工智能研究与应用的核心目标是：针对产品与工艺设计、经营管理与决策、制造流程运行管理与控制等工业生产活动中目前只能依靠人的感知、认知、分析与决策能力和经验与知识来完成的影响经济效益的知识工作，实现知识工作的自动化与智能化、实现感知、决策与控制一体化与集成优化，显著提高社会经济效益。工业元宇宙是实现虚拟场景下监控与在线自学习自优化真实场景下感知、决策与控制系统的基础。

将工业互联网、工业人工智能、工业元宇宙等新一代信息技术与工业自动化与信息化技术深度融合，研发“端-边-云”协同的工业智能系统，结合生产国家战略物资电熔镁砂的典型重大耗能设备—电熔镁炉，研发了“端-边-云”协同的电熔镁炉智能系统，取得显著经济社会效益，使电熔镁砂单吨能耗降低 8.82%，优质产品产出率提高3.65%，单炉次新增效益4291元。

工业智能化需要创新机制，形成“基础研究—技术研发—工程应用—产品化”协同机制，将技术突破转化为新质生产力。