创新自动化科学与技术是建设创新型陕西的核心

管晓宏

科技创新和科技新成果在陕西有效转化是建设创新型省份的核心。赵正永书记2014年6月27日在创新型省份建设推进大会指出“要夯实创新型省份的基础，抓科技创新成果转化，实现技术、资本、企业有效对接，确保我省的科技创新成果有序接替、源源不断，要抓基础教育和新技术研发和人才队伍建设，促进更多优秀人才脱颖而出”。娄勤俭省长强调“要建立充分激发创新活力的机制，完善各项激励政策，促进科技成果尽快就地转化”。

陕西虽然是资源大省，但实践证明走过度开发利用资源直至资源枯竭再实施经济转型的老路将付出巨大的环境成本，损害生存条件，也并非是经济发展的必由之路。陕西也是制造业大省，降低制造业的能耗，提高资源利用率对发展陕西经济至关重要。陕西同样是科技大省。发挥科技第一生产力的作用，积极转化和应用科技新成果，充分巧妙利用资源，让传统制造业焕发青春，就能避免“先枯竭、再转型”，“先污染、再治理”的工业发展老路，创出一条创新型省份的新路。

自动化新技术的应用能够为创新型省份建设作出重要贡献。自动化科学与技术诞生于工业制造过程中对自动化的需求，在第二次世界大战前后受军事科技强劲牵引，逐步发展成为专门的技术和学科，成为人类文明进步和现代化的标志。自动化不仅可以部分或全部代替人的体力或脑力劳动，而且可以完成人类依靠自身的体力和脑力劳动无法直接完成的任务。网络使自动化技术超越了时空和地域的限制，能够极大地提高生产效率和产品质量，减轻人类的劳动强度、降低了原材料和能源消耗，创造前所未有的社会经济效益和社会财富，从而导致国家实力的增长、生态环境的改善和人民生活水平的普遍提高。自动化也是国防现代化的标志，具有自动导航和控制功能的无人和载人航天器、航空器、航海器，网络化和自动化的军事指挥和武器系统是现代高技术战争的基础。

目前，第四次工业革命正在世界范围内孕育。德国政府提出了“工业4.0”计划，世界主要大国政府都提出了相应科技引领和创新的社会经济发展计划。如果说前三次工业革命源于蒸汽机、电力、信息在工业中应用，第四次工业革命将以信息网络与物理系统深度融合为标志信息物理融合系统，包括传感器网络、物联网、务联网、智能电网、智能交通系统等等，从智能终端、智能家居、智能楼宇到智能工厂、智慧城市的各个方面实现。自动化科学与技术是信息物理融合系统的基石之一，能够在“两化融合”和孕育的第四次工业革命中发挥特殊作用。

我国的国民经济发展水平决定了“工业化”与“信息化”的“两化融合”， “以信息化带动工业化”、以“信息化改造传统产业”成为国策，也是相当长时期内的国家重大需求。自动化技术是“两化融合”的重要手段。应用自动化新技术能够大大提高传统制造业的产品水平和效率，增强竞争力，降低能源电力工业的能耗和运行成本，减少环境污染，并推动信息技术在传统产业的应用，拉动信息技术创新的需求。

能源与环境问题事关人类社会的生存和可持续发展。消耗燃煤、石油等化石能源为主的能耗模式已难以为继。大面积、持续性严重雾霾污染已经直接关系到我国人民的生存环境。

目前我国的能源与环境问题与能源结构密切相关。下表中给出了部分大国的一次能源结构。可以看出，我国的一次能源近70%是燃煤，污染排放比较严重，远高于其他大国的比例，这是我国能源结构的根本问题，也是环境问题特别突出的根本原因。

改变大国的能源结构非常困难。美国的一次能源中燃煤比例曾接近50%，近年来大力增加天然气的使用，燃煤的使用已经减少到20%。显然，鉴于我国能源蕴藏结构等实际情况，不可能照搬美国改变能源结构的方法。

节约能源消耗并由此减少污染排放是解决世界能源问题最有效、最无争议的途径之一，其重要性日益受到重视。现代信息科技与系统工程方法为解决我国能源问题和相伴的环境问题提供了新途径，在基本不改变能源生产工艺和消耗设备的情况下，通过信息物理融合能源系统充分获取能源生产和消耗的准确信息，优化和协调能源电力生产系统和能源使用系统的运行，就满足能源需求并显著减少燃煤及其他化石能源消耗，具体做法包括：提高可再生新能源的利用率、优化协调传统能源与可再生新能源发电、能源使用端的节能优化、能源电力生产与需求的配合。

全球的风能、太阳能资源总量足以满足人类全部的能源需求。我国建立了7个风电基地，包括地处西北的酒泉风电基地和新疆大阪城风电基地，风电装机容量超过3-4个三峡电站的装机容量，已经是世界第一。但风能、太阳能的产能不确定，能量的产生完全由风速、光强等自然条件决定，无法精确预测，也无法大规模经济存储，可再生新能源的大规模接入电网会给电网运行带来一定困难。不仅如此，在我国电力工业现行体制下，电网运行部门充分使用和消纳可再生新能源的积极性不高。因此，虽然我国风电装机容量大，但电网的风电利用量却处于较低水平。

电力生产的能耗与生产水平和系统运行状态的关系复杂，优化生产调度能够在不改变任何设备且满足需求的情况下降低一次能源（燃煤）的消耗。风电、光电与可存储的水电和抽水蓄能配合使用，就能够存储消纳一部分不确定可再生能源，提高可再生新能源的利用率。西北地区的能源种类丰富，包括水电、火电、风能、太阳能，“水火风光”一应俱全。随着西部水电能源基地的建成，“水火风光”能源的协调配合，特别是水电与可再生新能源的协调配合，能够取得提高可再生新能源利用率、降低能耗和污染的巨大社会经济效益。然而，水电的生产涉及水资源利用，要同时考虑防洪、输水、灌溉、航运、环保、生态等多个目标以及流域管理约束。水电与其他能源的协调配合需要水利与电网调度运行部门的协调配合。

我国黑色冶金、有色冶金、建材、化工四大高耗能行业用电量，占全社会总用电量的近三分之一。另外，楼宇建筑能耗也非常惊人，目前占到我国总能耗的30%以上，涉及电、热、天然气等多种能源，具有巨大节能空间。改进生产设备和工艺节能受到极大重视。但产业界和管理部门对相互关联的综合能源系统的运行优化可能产生的巨大节能减排效益的认识和重视程度还不够。例如，楼宇建筑能源系统的优化控制运行可以节能20%以上，但楼宇能源控制管理系统在楼宇投资中所占比例很小，大多数楼控系统都不能正常运行，更谈不上运行优化。

由于电力等二次能源生产的一次能耗一般呈非线性特性，即不同的负载或需求水平上的单位能耗不同，因此能源供应与需求的协调优化也是能源系统节能减排的重要途径。协调需求侧电能和其他能源介质的生产、存储和使用，调整不同时段的用能需求模式，可以使得电力能源供应系统能够按更加节能的方式生产。优化调度有一定柔性的能源需求和电力负载（例如电解铝、电解锌，电动汽车充电，楼宇空调系统等），能够使能源需求在一定程度上匹配可再生能源的生产过程，形成柔性负载追逐可再生新能源的新用能模式，促进新能源发电不确定性在需求侧的有效消纳，达到节能降耗目标。

根据我国能源电力系统的现状、相关参考资料以及国内外相关对比研究，通过优化运行能源电力系统、楼宇能源系统和高耗能企业的能源系统，有可能节约总煤耗10%以上，相当于每年节约4亿吨的标准煤，取得巨大的节能减排社会经济效益。

能源电力系统的优化运行涉及能源生产和消耗的基础数据和信息及复杂的系统优化问题，我国电力能源系统目前的运行机制、基础数据、信息获取和优化计算距节能减排的运行优化目标存在较大差距。

自动化科技与系统工程方法为能源供需系统运行的节能优化提供了新的途径。信息获取和处理技术如新型传感器、传感器网络等的发展能够保证获取更加准确的能耗、环境、系统状态等节能优化与控制所必须的信息。系统建模和优化方法的发展使得求解大规模复杂系统优化问题成为可能。

政府领导力强，统筹、协调能力强是我国特有的优势。能源供需整体系统运行的节能优化是完全能够实现的，通过系统优化实现节能减排是完全可行的。

由此可见，创新自动化科学与技术及推广应用，对创新型省份建设至关重要。陕西科技界、教育界、工业界应该重视自动化领域的拔尖创新人才培养，新理论和新方法探索，关键新技术开发和推广应用，为创新型省份建设输送所需要的人才和技术，为实现创新型省份建设的总目标作出贡献。

（作者系陕西省自动化学会理事长，西安交通大学长江学者特聘教授、电子与信息学院院长）