第1章我国原材料工业智能优化制造的需求与战略目标
1.1我国原材料工业的制造现状
原材料工业主要包括石油、化工、钢铁、有色、建材等高耗能行业，是我国国民经济的支柱产业和实体经济发展的根基，也是制造业供给侧结构性改革的先行领域和绿色发展的主战场。经过数十年发展，我国已成为世界上门类最齐全、规模最庞大的原材料工业制造大国。钢铁、有色、水泥等行业的产能均居世界**；十种有色金属总产量连续十多年居世界**；石油加工能力、乙烯产量位居世界第二。目前我国原材料制造工业部分工艺、设备国际先进，总体情况并不落后，但行业总体效能与国际先进有一定的差距。我国是原材料工业制造大国，但非制造强国。我国原材料工业的发展正面临资源紧缺、能源消耗大、安全环保压力大、高端制造不足等问题。原材料工业是高耗能、高污染行业，石油、化工、钢铁、有色、建材等工业的能源消耗、CO2排放量以及SO2排放量巨大；原料的对外依存度不断上升，资源和能源利用率与国外先进水平相比有一定的差距；同时，我国石化、钢铁、有色、建材等行业的高端产品严重依赖进口，“卡脖子”现象严重。为解决资源、能源与环保等问题，我国原材料工业正从局部、粗放的生产模式向全流程、精细化的生产模式发展，取得了显著的阶段性成果。但是转型发展还不够充分，必须深度融合现代信息技术，通过智能优化制造实现我国原材料工业的高效化和绿色化高质量发展。高效化和绿色化生产是指在市场和原料变化的情况下，通过优化资源配置，增强工业生产全流程的安全性和可靠性，提高产品性能、品质和附加值，实现能源与资源高效利用和污染物大幅减排。
原材料工业属于流程工业，与离散工业存在显著区别。离散工业为物理加工过程，产品可单件计数，制造过程易数字化，强调个性化需求和柔性制造。原材料工业过程的原料组成复杂，运行过程往往伴随复杂的物理化学变化，耦合性强，难以建立完备的数学模型、难以数字化；加工过程包含多个工序组成的不可拆分的物理化学过程，物质流和能量流相互耦合，某一工序出现问题，会影响整个流程的生产效能。原材料工业智能优化制造要在企业内外部环境变化情况下自适应地转化生产模式，达到生产经营全过程的高效化与绿色化。因此，以“工业4.0”为代表的离散工业智能制造模式不适用于原材料工业，为实现原材料工业高效化和绿色化，必须自主创新适合我国原材料工业的智能制造模式。
从全球产业发展趋势来看，发达国家正利用在信息技术领域的领先优势，加快制造工业智能化的进程。为响应国家加快实施“制造强国” “新一代人工智能发展规划”等重大战略，以“创新、协调、绿色、开放、共享”发展理念为指导，我国原材料工业正处在推进供给侧结构性改革并实施“智能制造、绿色制造和高端制造”的关键时期。针对原材料工业在资源、能源和环境约束下结构性产能过剩、自主创新能力较弱、高端产品不足（卡脖子）等问题，必须以加强供给侧结构性改革为出发点，以转型升级、提质增效、节能环保为主线，着力提高自主创新能力，重塑产业链、供应链、价值链，改造提升传统动能，使之焕发新的生机与活力，提升原材料工业及下游产品的国际化经营能力和水平，构建竞争新优势。
下面以典型原材料工业为例阐述其制造现状。
1.1.1我国石化行业的制造现状
1.石化行业总体运行情况
石油是重要的能源和原材料，石油和化学工业是重要的基础性产业，其发展程度已经成为衡量一个国家工业化和现代化水平的重要标志。石油和化学工业可为农业、能源、交通、机械、电子、纺织、轻工、建筑等工农业和人民日常生活提供燃料、肥料、药品和合成材料，在国民经济中占有举足轻重的地位，是我国国民经济和社会发展的支柱产业，也是我国制造业供给侧结构性改革的先行领域和绿色发展的主战场。
近年来，在世界范围内以石油、天然气、煤炭为主的能源消费量不断增长，其中，我国主要以煤炭和石油为主，石油排在*位。进入21世纪，我国石油石化工业有了很大的发展，成功实现了从石化弱国到石化大国的历史性转变，在市场规模和历史增速上都位居世界前列，石化市场以总额近2万亿美元居全球*位（是北美地区2倍以上），年均增长速度近10%，整体工业化水平已经跻身世界前列。《2019中国能源化工产业发展报告》统计数据显示，2018年我国一次能源消费总量为32.76亿吨油当量，增速为3.8%，其中石油、天然气、煤炭等化石能源的消费占比为86.45%，石油对外依存度高达约70%；2018年国内石油消费超过6亿吨，成品油表观消费量为3.22亿吨，其中千万吨级炼油生产基地二十多个，原油加工能力占全国总加工能力（8.13亿吨）的70%以上，全国年均增长率达到6.3%，原油加工量、乙烯产量居世界第二位，化学品产量位居世界**；全国石油和化学工业规模以上企业主营业务收入达到12.4万亿元，利润总额8393.8亿元，分别占全国规模以上工业主营收入和利润总额的12.1%和12.7%，其中甲醇、化肥、农药、烧碱、纯碱、电石、合成树脂、合成橡胶等产品产量稳居世界**［1］。
中国石油和化学工业联合会发布的《2018年中国石油和化学工业经济运行报告》（下称《报告》）显示，2017年全行业规模以上企业（年主营收入在2000万元及以上企业）减少1494家，利润总额为8393.8亿元，进出口总额达7543.4亿美元，利润总额同比增长32%，大幅领先于全国规模工业利润平均增速（10.3%）。《报告》显示，2017年全国主要化学品总产量增速仅2.3%，为历史*低增幅之一。此外，2017年全行业投资增速只有6%，低于6.5％的全国工业投资平均增幅，行业投资回升动力明显不足。
从产业结构来看，国内石油和化学工业主要以基础和大宗原料生产为主，处于产业链中低端。在2018年全行业主营业务收入中，高端制造业和战略性新兴产业所占比例不足10%；从产业发展效率来看，2018年全行业销售收入利润率仅6.8%，百元销售成本高达81.3%，行业人均利润不到10万元；从创新能力来看，我国已拥有自主开发的催化裂化、加氢裂化等六大炼油核心技术，以及百万吨级乙烯和芳烃生产等五大成套技术，但石化产业总体效能与产品质量与国际先进水平有一定的差距，总资产平均回报率不足2%，远低于国际化工巨头巴斯夫、埃克森美孚、杜邦等（均高于5%），产业一体化、智能化水平偏低，资源、能源和环境约束下的创新水平不高。石油和化学工业主要面临以下问题：产业布局不尽合理，资金密集产业资源对外依存度高，产品同质化、结构性过剩依然严重，原油加工产能利用率不到70%；能耗、物耗高，安全环保压力大，“三废”问题突出；高端制造（装备、工艺、产品）创新能力不足，清洁油品、高端聚烯烃等国产化技术仍有待进一步提升，部分产品供给存在结构性短缺，在高性能分离膜材料、高性能纤维、工程塑料和特种工程塑料、特种涂料、新型特种黏胶剂、超纯电子化学品等领域仍存在较多技术空白，对位芳纶、聚苯醚、高端碳纤维等一批国防**、航空航天用材料几乎全部依赖进口，“无材可用、有材不好用、好材不敢用”现象十分突出，电子、航空航天、国防用高端材料卡脖子现象严重，供应产业价值链缺乏协同优化。
当下是我国石油和化学工业转型升级，迈入世界石油化工制造强国的关键时期，为解决资源、能源与环保的问题，提高生产制造水平和效能，由“制造大国”向“智造强国”转变，我国石油和化学工业必须从局部、粗放的生产与管理模式向全流程、精细化生产与管理模式发展，强化主导产业链关键领域创新，提高石化生产制造水平和效能，推动系列新技术、新产业、新业态加快成长，不仅要重点强化炼化一体化和高端材料创新制造，发展精细化工品及有机化工新材料，推广先进石油清洁生产技术，更要实现石油和化学工业过程与装备的智能化，实现制造流程、操作模式、供应链管理的自适应智能优化，依托优势创新培育新材料领域新兴产业，开发化学和化工新作用，携手可持续发展势在必行。
2.石化行业发展存在的问题
石油和化学工业是典型原材料工业，涉及原料复杂，存在高温、高压、腐蚀、污染等安全环保问题；生产过程存在多相态等复杂物理化学过程，耦合性强，难以实现准确的模型化和数字化；石化企业底层感知、全流程控制优化以及顶层的智慧决策技术存在不足；国际化经营水平低，抗风险能力弱，特别是在当前以技术为核心的安全、绿色等贸易壁垒下，国内企业处于竞争劣势［2］。国际知名咨询机构科睿唯安*近评出的2018—2019年度全球创新百强企业，其中有15家化工企业，全部是日本、美国、德国、法国等发达国家的企业，国内没有一家企业入选。
目前，我国石油和化学工业的产业结构主要集中在技术低端的三个层次［3］，即石油、天然气和化学矿产开采业占我国石油和化学工业结构的28.3%；基础化学品制造业占19.3%；一般化工产品加工业（包括化肥、合成材料、专用化学品、橡胶等）占46.4%。高端制造和战略新兴产业两个高端层次的产业几乎都是空白。尽管近几年我国石油和化学工业在高端化工产品技术上也取得一些突破，如在现代煤化工技术（煤制烯烃、煤制芳烃等）、新材料技术（聚氨酯、异戊橡胶等）领域都产生了一些领先世界的技术，但从石油和化学工业的整体结构来看，我国产业结构还都是低端的、落后的。我国石化工业目前还是大而不强、大而不优，产业一体化水平偏低，总体效能与国际先进有一定的差距，资源、能源和环境约束下的创新水平不高，具体如表1-1所示。
1）产品结构性矛盾较为突出
2018年，我国原油消费量超过6亿吨，对外依存度达70%左右，产能利用率约70%，过剩严重。同样，电石、烧碱、聚氯乙烯、磷肥、氮肥等传统产品普遍存在产能过剩问题，行业规模以上企业的亏损面达14%，亏损额超过1700亿元，其中大型企业的亏损额超过1000亿元，约占全行业亏损总额的60%。下游的石油基高分子材料总体面临产品同质化、产能严重过剩、企业盈利能力不高、产品竞争力不强等诸多难题。在三大合成材料中，合成纤维的产能过剩已使我国相关产业亏损多年；合成橡胶全行业开工率低于60%，全行业亏损，然而进口量持续增长，已超200万吨，且主要是高端产品；国内乙烯聚合工艺中通用料占95%以上，多牌号切换能力差，合成树脂中聚氯乙烯、聚甲醛和聚乙烯醇等行业已严重亏损，聚乙烯和聚丙烯产能已超过4000万吨，但每年仍需进口约1000万吨的高性能聚烯烃材料，且以通用料为主。
在成品油、基础化学品等大宗石化产品过剩的同时，高端石化产品短缺的矛盾仍十分突出。高技术含量的化工新材料、高端专用化学品，如高端聚烯烃、工程塑料、聚氨酯、高性能橡胶、高性能纤维、功能性膜材料等自给率仍然不足，部分产品未实现大规模工业化生产，卡脖子现象严重。尤其是在电子化学品领域，光刻胶、硅晶体、高纯磷烷特气、化学机械抛光（chemical mechanical polishing）材料等关键材料完全依赖进口。尽快补齐产业结构的短板，是石油和化学工业产业结构优化调整的*要任务。
2）行业创新能力不足
石油和化学工业的高端制造（装备、工艺、产品）能力不足，前瞻性原始创新能力不强，缺乏前瞻性技术创新储备，达到****水平的核心技术较少；核心工艺包开发、关键工程问题解决能力不强；新一代信息技术的应用尚处于起步阶段，数字化、智能化水平较低；科技成果转化率较低，科技创新对产业发展的支撑较弱。其原因主要在于：行业科技投入整体偏低，原始创新驱动力不足，科技成果转化不顺畅，需政府政策面支持推动；公众谈“化”色变，石化行业人才供给遇冷、人才库见底，人才短缺的问题已成为限制石化行业创新的突出因素；自动化控制系统与信息管理系统在石化行业中已普遍配置，但在涉及装置运行与生产管理核心技术的智能化方面仍与国外先进水平存在差距，未能充分发掘智能化对于提升石化行业价值链的优势作用。