一、項目概況
1、項目背景
高爭建材股份作為西藏自治區(qū)規(guī)模最大的國資控股建材集團，擁有員工3000余人，2018年度，集團主業(yè)水泥生產(chǎn)已實現(xiàn)產(chǎn)值十多億元，各業(yè)務(wù)產(chǎn)值總和已突破20億元。
隨著國家“供給側(cè)改革”和“中國制造2025”戰(zhàn)略的推進，高爭建材作為水泥行業(yè)的優(yōu)秀代表，也必然要向集約型生產(chǎn)持續(xù)邁進。通過精益生產(chǎn)的方式解決“高原病”即是響應(yīng)國家“中國制造2025”的號召，也是高爭建材股份提高效能，增加產(chǎn)品供給，提升業(yè)務(wù)產(chǎn)值的現(xiàn)實需要。
“高原病”引起的產(chǎn)線老化是一種特殊的老化，關(guān)鍵設(shè)備的一些部件產(chǎn)生了急劇磨損（或非磨損的機械損傷）同時，其它結(jié)構(gòu)部件處于全新狀態(tài)。這給基于設(shè)備結(jié)構(gòu)知識進行監(jiān)測狀態(tài)推斷的方式提出了極大的挑戰(zhàn)：依據(jù)公式和信號變化的算法，報不準成為常態(tài)。
通過對全國“工業(yè)智能”相關(guān)公司的比對，高爭建材股份選擇了與思為交互科技一起應(yīng)用“伽利略智慧工廠”平臺的IAP（Industrial Assets Plan，“工業(yè)資產(chǎn)計劃”系統(tǒng)）解決方案來實現(xiàn)智慧工廠和產(chǎn)能的提升。
2、項目目標
思為交互科技為高爭建材股份設(shè)計的方案，基于“實現(xiàn)產(chǎn)線保值，維護生產(chǎn)穩(wěn)定，提升生產(chǎn)效能，控制投資成本”的原則進行，應(yīng)用思為交互科技的“伽利略智慧工廠”平臺中，基于過程型MRO的IAP解決方案實現(xiàn)。
“伽利略”是思為交互科技基于數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的行業(yè)級智慧工廠平臺。包含（1）基于過程型MRO，用于維護產(chǎn)線穩(wěn)定（維持產(chǎn)線準全新狀態(tài)）和提升生產(chǎn)效能、實現(xiàn)產(chǎn)線保值的IAP解決方案；（2）基于工藝關(guān)聯(lián)挖掘和數(shù)據(jù)關(guān)系發(fā)現(xiàn)的智能決策與BI解決方案；（3）基于異常溯源與注重快速排障的故障快速處理解決方案。
高爭建材“伽利略智慧工廠”IAP解決方案的目標設(shè)定：
| 產(chǎn)線保值 | 實施IAP解決方案，建立過程型MRO，提高產(chǎn)線穩(wěn)定性，維護產(chǎn)線達到準全新狀態(tài) |
| 降低維修維護費用 | 轉(zhuǎn)變原基于計劃性的維修保養(yǎng)，實施基于工業(yè)智能排障的常新維護，降低維修維護費用 |
| 提高生產(chǎn)效率 | 減少停產(chǎn)減產(chǎn)損失，提高稼動率。通過調(diào)優(yōu)產(chǎn)線狀態(tài)，減少非主觀因素導致的工藝段不良率，提升有效稼動率，從而實現(xiàn)提高整體生產(chǎn)效率和產(chǎn)值 |
二、項目實施
作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的資深參與者，思為交互科技已有5年以上的工業(yè)智能相關(guān)經(jīng)驗，是首批基于實際工業(yè)場景，將產(chǎn)線實際情況和人工智能技術(shù)進行深度融合的公司，也是為數(shù)不多的將互聯(lián)網(wǎng)和人工智能用于解決實際生產(chǎn)問題（而非監(jiān)測）的公司。高爭建材基于工業(yè)智能的“伽利略”IAP方案，在資產(chǎn)維護與備件計劃、提升有效稼動率，和產(chǎn)線保值上具有實際的意義。
1、場景特征
高爭建材股份高原產(chǎn)線所遇到的“高原病”有其特殊的復雜度。與通常產(chǎn)線的老化相對照，即有特殊性，也有共性：
①高原產(chǎn)線的設(shè)備損耗，與高老化產(chǎn)線中的設(shè)備磨損表現(xiàn)出一致的性狀，是同類問題。該類問題不會有一個標準的公式可遵循，是業(yè)界普遍反映，高老化產(chǎn)線預(yù)測準確率不足30%的原因所在。“伽利略”平臺通過工業(yè)人工智能，以自由向量模型，經(jīng)過機器學習后，能成功將準確率提高到99%。
②高原產(chǎn)線的設(shè)備損耗，屬于新設(shè)備的部份部件損耗，該損耗方式與高老化損耗雖然類似，可以適用相似的計算模型，但在自由向量的實現(xiàn)上，具有一致意義的參考點變少，需要通過更大范圍變量的選取并進行變換后作為輸入量，才能更好的反映這種全新設(shè)備部份損耗的情況；
③在高復雜度的情況下，廠方對投資成本可控的要求，需要采用可擴展架構(gòu)實現(xiàn)。在前期試點工程將計算集中到數(shù)據(jù)中心，避免大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)部署。在取得良好收益后，通過擴展部署，而無需任何體系架構(gòu)上的變革，即可實現(xiàn)全面覆蓋的目標。
作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智慧工廠領(lǐng)域先行者的思為交互科技，不僅具有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通用場景的應(yīng)用能力，在高老化產(chǎn)線等挑戰(zhàn)技術(shù)極限的領(lǐng)域也有著不俗的實力。雙方?jīng)Q定基于高原產(chǎn)線這一極限場景進行技術(shù)合作。
2、模式路徑
基于高爭建材高原產(chǎn)線的穩(wěn)定性、設(shè)備老化和維護難題，以及投資可控性的要求，雙方確認了“伽利略”IAP解決方案的實施路徑如下圖。
具體實施模塊包含：
①建立過程型MRO，提高產(chǎn)線穩(wěn)定性：不同于國內(nèi)平臺型MRO（實際上的維修部件大宗商品集采平臺），“伽利略IAP”的過程型MRO理念源自“工業(yè)4.0”。注重的是設(shè)備運行狀態(tài)（Operations）的監(jiān)測，以及進行早期維護和維修（Maintenance ＆ Repair）的介入。在技術(shù)選型上，“伽利略”對標美國艾默生基于工業(yè)智能的預(yù)測技術(shù)，避免了單純依據(jù)設(shè)備知識的算法化造成適應(yīng)性不足的情況（對高老化產(chǎn)線和新設(shè)備部份老化的高原產(chǎn)線基本無法預(yù)測）。基于工業(yè)智能的過程型MRO，能有效提高生產(chǎn)的精益性和集約性，達到穩(wěn)定生產(chǎn)，提高有效稼動率的目的。此外，在無法停機的情況下，過程型MRO對不良工況設(shè)備保持持續(xù)監(jiān)測，并及時的維護改善設(shè)備的運行狀態(tài)，也是提高產(chǎn)線穩(wěn)定性和避免意外停機的核心功能。
②聚焦IAP，降低維修維護資金損耗：高老化產(chǎn)線和高原產(chǎn)線共同的損耗特點，是處于不良工況的非主要設(shè)備和前序設(shè)備給核心設(shè)備帶來乘積倍增的負面影響。核心設(shè)備不規(guī)律的功率補償和偏向運轉(zhuǎn)是故障的主要誘因。傳統(tǒng)技術(shù)手段下，非核心設(shè)備的不良工況不是損壞，不能被識別，累積傳導到關(guān)鍵設(shè)備后維修費用高昂。IAP漸成主流，其核心作用體現(xiàn)在兩方面：首先是基于工業(yè)智能可準確定位問題源點（往往是一些小的輔助設(shè)備），通過源頭維護，極大降低核心設(shè)備的故障和機率，減少維護維修費用；其次，是依托MRO過程和歷史動態(tài)曲線，準確給出備品備件建議，大幅釋放備品備件占用的資金。IAP靈敏度級別越高，監(jiān)測程度就會越細致，產(chǎn)線會更穩(wěn)定維修維護費用也會更低，但同時也會消耗更多的人力。一個合適的IAP級別需要根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)情況仔細調(diào)節(jié)。
③貫徹“常新維護”（keep brand new），實現(xiàn)產(chǎn)線保值：“常新維護”是飛機制造行業(yè)應(yīng)用到工業(yè)中的理念。在飛機維護中，任何一個工況不良的末梢設(shè)備都能得到及時的維護或更換，使飛機的所有設(shè)備都運行在理想工況下，從而使整架飛機維持在接近出廠時的準全新狀態(tài)。“常新維護”意味著產(chǎn)線的維護方式，從原來基于時間估算，依賴經(jīng)驗巡檢，對設(shè)備進行強制報廢和更換的“預(yù)防性維護”，向注重處理IAP匯報的問題源點，結(jié)合關(guān)鍵工序日常維護的“預(yù)測性維護”轉(zhuǎn)變。已有成功案例證明，維護方式的轉(zhuǎn)變在保持產(chǎn)線長新，使產(chǎn)線保值的同時，也具有提升人效的作用。
④可伸縮性（Scalability）計算，實現(xiàn)投資成本的可控性：“伽利略”IAP平臺是一個基于“末敏感知、邊緣計算、工業(yè)微服務(wù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的分層人工智能構(gòu)架。
邊緣計算層：末梢傳感器和邊緣網(wǎng)關(guān)共同組成邊緣計算層。邊緣網(wǎng)關(guān)內(nèi)嵌支持常見工業(yè)協(xié)議的數(shù)據(jù)采集，采集速率可達毫秒級。除此外，IAP邊緣網(wǎng)關(guān)還是“伽利略”智慧工廠智能能力的延伸執(zhí)行裝置。對單個傳感器歷史數(shù)據(jù)進行健康監(jiān)測的智能單體監(jiān)測單元可運行在邊緣網(wǎng)關(guān)中，極大分擔私有云的計算壓力，提升云端監(jiān)測的反應(yīng)速度，減少響應(yīng)時間。此外，依托于在地網(wǎng)的邊緣服務(wù)器具有更高的傳輸穩(wěn)定性，能有效避免網(wǎng)絡(luò)抖動對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀瑢收匣蚓S護需求高速響應(yīng)，并在盡可能快的第一時間通知管理人員。
工業(yè)級微服務(wù)：“伽利略”IAP的工業(yè)微服務(wù)依托“蜂巢工業(yè)云”自動實現(xiàn)。相對于GE的Predix將工業(yè)微服務(wù)定義為可編排的，實現(xiàn)一些功能的微服務(wù)組件，“蜂巢工業(yè)云”將工業(yè)微服務(wù)定義為微服務(wù)的高可用和自我克隆。工業(yè)上對穩(wěn)定性的追求，在“蜂巢工業(yè)云”定義下的工業(yè)微服務(wù)，可通過簡單的鼠標點擊進行設(shè)置，即可實現(xiàn)微服務(wù)的多機集群，達到秒級切換，在微服務(wù)都不可用時，“蜂巢工業(yè)云”還因可迅速克隆，保障產(chǎn)線正常運轉(zhuǎn)的功能而受到好評。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：“伽利略”的計算核心采用的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可隨時添加節(jié)點增加計算能力，同時將智能單體監(jiān)測單元下發(fā)到邊緣服務(wù)器運行，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)消耗的服務(wù)器資源更少，反應(yīng)更及時。除了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)本身以外，“伽利略”依托“蜂巢工業(yè)云”的工業(yè)微服務(wù)體系還實現(xiàn)了運算能力的動態(tài)調(diào)度，在前期不部署邊緣網(wǎng)關(guān)和末敏感知設(shè)備的情況下，可將智能單體監(jiān)測單元收到服務(wù)器上集中運行，在前期監(jiān)測工藝段不多的實驗情況下能夠達到要求，很好的解決了前期計算能力有限和大規(guī)模部署之間的矛盾。在全面部署時，增加邊緣網(wǎng)關(guān)，并通過下發(fā)末敏計算單元，即可從目前的中心計算模式擴展到整個網(wǎng)絡(luò)的全產(chǎn)線覆蓋模式。
考慮到前期計算能力受限的情況，高爭建材“伽利略”IAP實驗項目的實施采取中心部署，因算力限制首先覆蓋窯頭窯尾環(huán)節(jié)，以“蜂巢工業(yè)云”實現(xiàn)可伸縮性的實現(xiàn)路徑，獲得了高爭建材的滿意。
3、技術(shù)實現(xiàn)
①功能架構(gòu)
高爭建材“伽利略”IAP基于可伸縮構(gòu)架，在末敏/邊緣層、工業(yè)微服務(wù)層、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層進行了設(shè)計，考慮到一期項目的試點性質(zhì)，末敏層采用中心部署方式，融合在工業(yè)微服務(wù)層，取消邊緣網(wǎng)關(guān)進行實現(xiàn)。
功能架構(gòu)圖示：
②功能架構(gòu)的技術(shù)解釋
(A)數(shù)據(jù)采集單元：基于硬件協(xié)議的數(shù)據(jù)采集，部署于邊緣網(wǎng)關(guān)內(nèi)，已對接modbus、profibus及ABB、西門子、羅克韋爾、施耐德等主流硬件控制協(xié)議，具有極高的采集效率（可達毫秒級別）。本項目一期工程未部署邊緣網(wǎng)關(guān)，采集功能由OPC采集服務(wù)器實現(xiàn)，并作為應(yīng)用服務(wù)器，由“蜂巢工業(yè)云”管理和保持高可用。
(B)單體監(jiān)測單元：基于單個變量的設(shè)備部件健康情況監(jiān)測單元。“伽利略”IAP是基于多層次、自由向量的智能產(chǎn)線健康監(jiān)測。單體監(jiān)測單元基于單個傳感器歷史數(shù)據(jù)，依據(jù)多個基礎(chǔ)人工智能模型進行多維度監(jiān)測。單體傳感器的前置計算極大減少神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算量，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠使用較少的節(jié)點，做到快速高效的監(jiān)測。同時，單體監(jiān)測單元在較粗的粒度上迅速發(fā)現(xiàn)問題，明顯的問題無需經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算周期就能直接通知系統(tǒng)作出反應(yīng)，是“伽利略”智能產(chǎn)線的專有技術(shù)。
數(shù)據(jù)采集單元示意圖
(C) IAP（工業(yè)資產(chǎn)計劃）系統(tǒng)：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對全產(chǎn)線設(shè)備進行監(jiān)測。通過獨有的自由向量技術(shù)，將產(chǎn)線全部數(shù)據(jù)視為多層架構(gòu)的同一整體，解決了高老化產(chǎn)線/高原產(chǎn)線單純基于設(shè)備本身數(shù)據(jù)測不準的行業(yè)難題，將高老化產(chǎn)線/高原產(chǎn)線設(shè)備損耗的發(fā)現(xiàn)的準確率從不足30%提升到99%。在準確預(yù)測的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)智能給出備品備件建議，與倉庫管理系統(tǒng)銜接后，極大釋放備品備件的資金占用率。
IAP系統(tǒng)將智能監(jiān)測結(jié)果傳遞到倉庫管理系統(tǒng)進行備品備件的智能分析
(D)巡檢維護系統(tǒng)：“伽利略”IAP的巡檢維護系統(tǒng)與普通維護系統(tǒng)的區(qū)別，在于普通維護系統(tǒng)重巡檢，通過人力的巡檢發(fā)現(xiàn)問題，才能進行維護。而“伽利略”IAP的巡檢維護系統(tǒng)是IAP的執(zhí)行系統(tǒng)，其主要工作量偏向于維護，維護需求由“伽利略”IAP發(fā)現(xiàn)并實時給出。對不需要產(chǎn)線停機的設(shè)備，IAP向巡檢系統(tǒng)給出更換建議；對需要產(chǎn)線停機的設(shè)備，IAP給出維護建議。“伽利略”IAP的巡檢維護系統(tǒng)在巡檢環(huán)節(jié)更多結(jié)合了IAP的人工智能，而主要工作量轉(zhuǎn)移到輔助設(shè)備的源頭維護上，只在必要的時候輔以人工巡檢，極大提高了維護部門的人效。當前高爭建材基于部門適應(yīng)性考慮，首期率先采用的是該維護系統(tǒng)的提示部份，通過維護派單方式，仍然達到了“30人做了接近100個人的工作”的效果。
“伽利略”IAP巡檢需求和智能巡檢APP界面示意圖
(E)常新維護：通過“伽利略”智慧工廠IAP的實施（含過程型MRO），高爭水泥產(chǎn)線輔助/末端設(shè)備維修維護量提升至280%，核心設(shè)備故障率下降至60%，考慮一期工程的實驗性質(zhì)，在無邊緣網(wǎng)關(guān)部署，IAP靈敏度級別較低的現(xiàn)實情況，可認為已很好的實現(xiàn)了“產(chǎn)線保值”和“產(chǎn)線長新”的目標。
三、價值成效
1、項目創(chuàng)新點
高爭建材股份IAP的實施，是“伽利略智慧工廠”IAP在攻克高老化產(chǎn)線的人工智能產(chǎn)線保值技術(shù)高地外，對高原產(chǎn)線獨特的損耗模型難題又一次成功的攻克。通過高爭建材IAP的實施，“伽利略智慧工廠”IAP全面建立了正常產(chǎn)線（5年以內(nèi)產(chǎn)線）、高老化產(chǎn)線（5年以上產(chǎn)線）及高原產(chǎn)線全部產(chǎn)線類型全面的覆蓋能力。本項目具有如下創(chuàng)新點：
①是國內(nèi)為少有的基于過程型MRO的工業(yè)資產(chǎn)計劃系統(tǒng)，釋放大量備品備件占用資金；
②基于自由向量的人工智能監(jiān)測模型，突破了高原產(chǎn)線設(shè)備維護的難題；
③是響應(yīng)“工業(yè)2025”精益生產(chǎn)要求，率先實現(xiàn)IAP資產(chǎn)計劃的項目，6個月減少停減產(chǎn)損失約1400萬元（按年計算2700余萬元），減少回爐損失約1700萬元（按年計算3400余萬元）；
④是國內(nèi)首批基于“常新維護”實現(xiàn)“產(chǎn)線保值”的項目。
2、應(yīng)用成效
除開前6個月準備工作，高爭建材在正式運行“伽利略智慧工廠”IAP的6個月內(nèi)，對比上年同期減少停產(chǎn)、減產(chǎn)15次，減少停產(chǎn)、減產(chǎn)損失近1400萬元，年化減少停減產(chǎn)2700余萬元。各工藝段的核心設(shè)備故障率相比上年同期減少40%以上（未部署末敏層情況下取得）；減少工藝段的回爐損失約1700萬元，年化3400萬元。
①減少停減產(chǎn)損失
四、下一步實施計劃
高爭建材股份IAP一期實驗項目已取得較好的效果，但限于覆蓋規(guī)模，“伽利略智慧工廠”IAP的完整功能并未完全得到應(yīng)用。主要仍有以下幾個方面的提升需要：
1、部署邊緣計算層，提升IAP靈敏度
考慮到一期的實驗性質(zhì)，項目在數(shù)據(jù)采集上采取基于OPC的中心采集模式。基于OPC服務(wù)器運行壓力大的原因，數(shù)據(jù)采集周期設(shè)置較長（15秒），導致大量數(shù)據(jù)細節(jié)丟失，且由于不可避免的OPC和廠區(qū)網(wǎng)絡(luò)的抖動，所采集到的數(shù)據(jù)錯誤率較高（最高的數(shù)據(jù)點單日錯誤率可達40%），所幸的是監(jiān)測范圍集中在窯頭窯尾工藝段，采集數(shù)據(jù)量尚處于可控范圍，基于以上考慮，IAP靈敏度僅設(shè)置為中低級。這也是當前故障率只控制到上一年同期水平60%的原因。
下一步在增加邊緣計算層（邊緣網(wǎng)關(guān)和必要的末敏傳感器，主要是缺失的振動傳感器）的情況下，單體監(jiān)測單元可下發(fā)到邊緣網(wǎng)關(guān)運行，不占用服務(wù)器運算能力，且邊緣網(wǎng)關(guān)依托于在地網(wǎng)直接對協(xié)議進行解釋，也避免了當前采用OPC采集方式因廠區(qū)網(wǎng)的抖動和OPC服務(wù)器能力不足所產(chǎn)生的大量壞數(shù)據(jù)問題。
在合理增加邊緣計算層的情況下，通過適當?shù)闹匦掠柧殻蓪⒑诵脑O(shè)備故障率控制在20%（與系統(tǒng)實施前相對照）以內(nèi)。
2、擴大監(jiān)測范圍
影響水泥產(chǎn)品質(zhì)量的各大工序還包括原料化驗、粉碎、生料、熟料、研磨等。一期項目雖然已經(jīng)對水泥生產(chǎn)核心的窯環(huán)節(jié)進行了完整的監(jiān)測，但除更多依托人工的化驗環(huán)節(jié)外，其它各工藝段仍未納入系統(tǒng)監(jiān)測范圍。
下一步將在增加IAP靈敏度級別的同時，增加“伽利略智慧工廠”IAP對全工藝段的覆蓋，實現(xiàn)全產(chǎn)線的“全新維護”和“產(chǎn)線保值”。將主要設(shè)備故障率控制在20%以下（與系統(tǒng)實施前相對照），將產(chǎn)線的有效稼動率和實現(xiàn)產(chǎn)值提高15%以上（與系統(tǒng)實施前相對照）。
3、實施完整的巡檢維護系統(tǒng)
“伽利略智慧工廠”IAP的巡檢維護系統(tǒng)的提示功能在高爭建材的應(yīng)用中，與傳統(tǒng)方式相比已取得良好成效，但由于銜接問題，仍存在維護不及時、信息更新不及時、漏維護、重復維護等現(xiàn)象，極大制約了IAP效用的發(fā)揮，具有完整功能的巡檢維護系統(tǒng)的實施已刻不容緩。
4、廠區(qū)無源光網(wǎng)(EPON)的雙向回路改造
當前基于OPC數(shù)據(jù)采集發(fā)生大量數(shù)據(jù)錯誤的原因，除了OPC服務(wù)器性能不足外，單向光纖網(wǎng)絡(luò)的抖動也是一個主要原因。通過協(xié)助廠方對廠區(qū)無源光網(wǎng)進行雙向改造，可在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)阻塞或部分損壞時，具有穩(wěn)定的回路可用，保障數(shù)據(jù)的傳輸，從而保障生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。
五、總結(jié)
高爭建材股份“伽利略智慧工廠”IAP項目的實施和良好的生產(chǎn)效能提升效果，標志著思為交互科技的“伽利略智慧工廠”平臺除了已適應(yīng)5年內(nèi)的正常產(chǎn)線的管理外，在5年以上的高老化產(chǎn)線和高原產(chǎn)線兩個極端領(lǐng)域也進行了完全的覆蓋。“伽利略智慧工廠”平臺通過對極限的挑戰(zhàn)，成就了工業(yè)人工智能的技術(shù)典范。