創新自動化科學與技術是建設創新型陜西的核心

管曉宏

科技創新和科技新成果在陜西有效轉化是建設創新型省份的核心。趙正永書記2014年6月27日在創新型省份建設推進大會指出“要夯實創新型省份的基礎，抓科技創新成果轉化，實現技術、資本、企業有效對接，確保我省的科技創新成果有序接替、源源不斷，要抓基礎教育和新技術研發和人才隊伍建設，促進更多優秀人才脫穎而出”。婁勤儉省長強調“要建立充分激發創新活力的機制，完善各項激勵政策，促進科技成果盡快就地轉化”。

陜西雖然是資源大省，但實踐證明走過度開發利用資源直至資源枯竭再實施經濟轉型的老路將付出巨大的環境成本，損害生存條件，也并非是經濟發展的必由之路。陜西也是制造業大省，降低制造業的能耗，提高資源利用率對發展陜西經濟至關重要。陜西同樣是科技大省。發揮科技第一生產力的作用，積極轉化和應用科技新成果，充分巧妙利用資源，讓傳統制造業煥發青春，就能避免“先枯竭、再轉型”，“先污染、再治理”的工業發展老路，創出一條創新型省份的新路。

自動化新技術的應用能夠為創新型省份建設作出重要貢獻。自動化科學與技術誕生于工業制造過程中對自動化的需求，在第二次世界大戰前后受軍事科技強勁牽引，逐步發展成為專門的技術和學科，成為人類文明進步和現代化的標志。自動化不僅可以部分或全部代替人的體力或腦力勞動，而且可以完成人類依靠自身的體力和腦力勞動無法直接完成的任務。網絡使自動化技術超越了時空和地域的限制，能夠極大地提高生產效率和產品質量，減輕人類的勞動強度、降低了原材料和能源消耗，創造前所未有的社會經濟效益和社會財富，從而導致國家實力的增長、生態環境的改善和人民生活水平的普遍提高。自動化也是國防現代化的標志，具有自動導航和控制功能的無人和載人航天器、航空器、航海器，網絡化和自動化的軍事指揮和武器系統是現代高技術戰爭的基礎。

目前，第四次工業革命正在世界范圍內孕育。德國政府提出了“工業4.0”計劃，世界主要大國政府都提出了相應科技引領和創新的社會經濟發展計劃。如果說前三次工業革命源于蒸汽機、電力、信息在工業中應用，第四次工業革命將以信息網絡與物理系統深度融合為標志信息物理融合系統，包括傳感器網絡、物聯網、務聯網、智能電網、智能交通系統等等，從智能終端、智能家居、智能樓宇到智能工廠、智慧城市的各個方面實現。自動化科學與技術是信息物理融合系統的基石之一，能夠在“兩化融合”和孕育的第四次工業革命中發揮特殊作用。

我國的國民經濟發展水平決定了“工業化”與“信息化”的“兩化融合”， “以信息化帶動工業化”、以“信息化改造傳統產業”成為國策，也是相當長時期內的國家重大需求。自動化技術是“兩化融合”的重要手段。應用自動化新技術能夠大大提高傳統制造業的產品水平和效率，增強競爭力，降低能源電力工業的能耗和運行成本，減少環境污染，并推動信息技術在傳統產業的應用，拉動信息技術創新的需求。

能源與環境問題事關人類社會的生存和可持續發展。消耗燃煤、石油等化石能源為主的能耗模式已難以為繼。大面積、持續性嚴重霧霾污染已經直接關系到我國人民的生存環境。

目前我國的能源與環境問題與能源結構密切相關。下表中給出了部分大國的一次能源結構。可以看出，我國的一次能源近70%是燃煤，污染排放比較嚴重，遠高于其他大國的比例，這是我國能源結構的根本問題，也是環境問題特別突出的根本原因。

改變大國的能源結構非常困難。美國的一次能源中燃煤比例曾接近50%，近年來大力增加天然氣的使用，燃煤的使用已經減少到20%。顯然，鑒于我國能源蘊藏結構等實際情況，不可能照搬美國改變能源結構的方法。

節約能源消耗并由此減少污染排放是解決世界能源問題最有效、最無爭議的途徑之一，其重要性日益受到重視。現代信息科技與系統工程方法為解決我國能源問題和相伴的環境問題提供了新途徑，在基本不改變能源生產工藝和消耗設備的情況下，通過信息物理融合能源系統充分獲取能源生產和消耗的準確信息，優化和協調能源電力生產系統和能源使用系統的運行，就滿足能源需求并顯著減少燃煤及其他化石能源消耗，具體做法包括：提高可再生新能源的利用率、優化協調傳統能源與可再生新能源發電、能源使用端的節能優化、能源電力生產與需求的配合。

全球的風能、太陽能資源總量足以滿足人類全部的能源需求。我國建立了7個風電基地，包括地處西北的酒泉風電基地和新疆大阪城風電基地，風電裝機容量超過3-4個三峽電站的裝機容量，已經是世界第一。但風能、太陽能的產能不確定，能量的產生完全由風速、光強等自然條件決定，無法精確預測，也無法大規模經濟存儲，可再生新能源的大規模接入電網會給電網運行帶來一定困難。不僅如此，在我國電力工業現行體制下，電網運行部門充分使用和消納可再生新能源的積極性不高。因此，雖然我國風電裝機容量大，但電網的風電利用量卻處于較低水平。

電力生產的能耗與生產水平和系統運行狀態的關系復雜，優化生產調度能夠在不改變任何設備且滿足需求的情況下降低一次能源（燃煤）的消耗。風電、光電與可存儲的水電和抽水蓄能配合使用，就能夠存儲消納一部分不確定可再生能源，提高可再生新能源的利用率。西北地區的能源種類豐富，包括水電、火電、風能、太陽能，“水火風光”一應俱全。隨著西部水電能源基地的建成，“水火風光”能源的協調配合，特別是水電與可再生新能源的協調配合，能夠取得提高可再生新能源利用率、降低能耗和污染的巨大社會經濟效益。然而，水電的生產涉及水資源利用，要同時考慮防洪、輸水、灌溉、航運、環保、生態等多個目標以及流域管理約束。水電與其他能源的協調配合需要水利與電網調度運行部門的協調配合。

我國黑色冶金、有色冶金、建材、化工四大高耗能行業用電量，占全社會總用電量的近三分之一。另外，樓宇建筑能耗也非常驚人，目前占到我國總能耗的30%以上，涉及電、熱、天然氣等多種能源，具有巨大節能空間。改進生產設備和工藝節能受到極大重視。但產業界和管理部門對相互關聯的綜合能源系統的運行優化可能產生的巨大節能減排效益的認識和重視程度還不夠。例如，樓宇建筑能源系統的優化控制運行可以節能20%以上，但樓宇能源控制管理系統在樓宇投資中所占比例很小，大多數樓控系統都不能正常運行，更談不上運行優化。

由于電力等二次能源生產的一次能耗一般呈非線性特性，即不同的負載或需求水平上的單位能耗不同，因此能源供應與需求的協調優化也是能源系統節能減排的重要途徑。協調需求側電能和其他能源介質的生產、存儲和使用，調整不同時段的用能需求模式，可以使得電力能源供應系統能夠按更加節能的方式生產。優化調度有一定柔性的能源需求和電力負載（例如電解鋁、電解鋅，電動汽車充電，樓宇空調系統等），能夠使能源需求在一定程度上匹配可再生能源的生產過程，形成柔性負載追逐可再生新能源的新用能模式，促進新能源發電不確定性在需求側的有效消納，達到節能降耗目標。

根據我國能源電力系統的現狀、相關參考資料以及國內外相關對比研究，通過優化運行能源電力系統、樓宇能源系統和高耗能企業的能源系統，有可能節約總煤耗10%以上，相當于每年節約4億噸的標準煤，取得巨大的節能減排社會經濟效益。

能源電力系統的優化運行涉及能源生產和消耗的基礎數據和信息及復雜的系統優化問題，我國電力能源系統目前的運行機制、基礎數據、信息獲取和優化計算距節能減排的運行優化目標存在較大差距。

自動化科技與系統工程方法為能源供需系統運行的節能優化提供了新的途徑。信息獲取和處理技術如新型傳感器、傳感器網絡等的發展能夠保證獲取更加準確的能耗、環境、系統狀態等節能優化與控制所必須的信息。系統建模和優化方法的發展使得求解大規模復雜系統優化問題成為可能。

政府領導力強，統籌、協調能力強是我國特有的優勢。能源供需整體系統運行的節能優化是完全能夠實現的，通過系統優化實現節能減排是完全可行的。

由此可見，創新自動化科學與技術及推廣應用，對創新型省份建設至關重要。陜西科技界、教育界、工業界應該重視自動化領域的拔尖創新人才培養，新理論和新方法探索，關鍵新技術開發和推廣應用，為創新型省份建設輸送所需要的人才和技術，為實現創新型省份建設的總目標作出貢獻。

（作者系陜西省自動化學會理事長，西安交通大學長江學者特聘教授、電子與信息學院院長）