鋼鐵行業基于工業互聯網平臺的能源智能導航系統
大部分鋼鐵企業能源管理系統EMS 建設于2013-2014年間，該EMS系統僅做到了對數據的采集和數據的展示，對于能源管理的業務支持非常有限，已經無法滿足鋼鐵企業在綠色發展和雙碳發展的戰略需求。在工業互聯網、大數據、邊緣計算等新技術逐漸引入生產環境的技術實踐趨勢下，優也以提升鋼鐵能源效率為目標，為鋼鐵企業提供能源系統資源平衡調配的智能化升級解決方案，推動企業在能源資源效率和節能降本上的顯著提升。
一、項目概況
1.項目背景
本案例的服務對象是河南省年產1000萬噸鋼鐵的鋼鐵聯合企業，2021年成為河南省工信廳行業工業互聯網平臺的培育單位，引領河南省鋼鐵行業工業互聯網平臺的建設示范。優也作為技術服務商幫助企業建設行業工業互聯網平臺，并選擇能源效率場景作為實踐應用。
鋼鐵行業屬于高能耗行業，原燃料成本占比高達60-70%；企業噸鋼能耗標準煤平均水平距離國際上最好的水平還有有30-40%的差距。在鋼鐵行業采用新一代的信息化技術工業互聯網平臺去提升企業的能源數字化運營水平以及為實現雙碳目標具有重要的意義。
本案例主要解決的行業問題如下：
（1）提高能源資源利用效率，降低噸鋼能耗
基于工業互聯網技術開發的能介智能化應用，利用專業知識和大數據技術的相關模型、算法，提供時效最優的實時調度策略，實現從粗放管理向精準管控轉型，提高資源回收利用率。
（2）提升企業基于數字驅動的決策效率
企業現有能源計量存在不完善，基礎數據不全面的情況，難以實現“數據指導生產”的管理主旨。借助此類項目的實施完善計量基礎設施，搭建能源大數據中心，為未來實現數據驅動的生產管控一體化提供夯實的數據基礎。
（3）促進能源業務協同效率提升，為管理賦能
鋼鐵企業能源運行過程中關鍵的能源生產、輸配、發生、放散等環節復雜，通過利用工業互聯網和大數據技術，消除能源系統各環節信息孤島及協同壁壘，提高協同效率。
（4）助力智能制造轉型升級，增強核心競爭力
國內鋼鐵行業數字化、智能化水平不斷提升，特別是能源系統作為鋼鐵企業管理創效的重要突破口，能源智能管控系統項目的實施，有助于提升整體數字化、信息化水平，進一步增強企業核心競爭力。；
因此，本案例項目根據該鋼鐵企業能源系統平衡調度業務運營現狀，通過搭建鋼鐵行業工業互聯網平臺，建設企業最急需的煤氣、蒸汽和壓縮空氣的智能調度系統，并實現對基礎的能源數據進行梳理和監控，為下一步拓展工業互聯網應用建立夯實的基礎。
2.項目簡介
本項目采用先進的互聯網架構、數字孿生體、工業大數據算法等新一代信息技術，基于案例企業目前能源系統（煤氣、蒸汽、壓空）痛點，植入“能效精益運營理念”及精益管理工具，通過搭建工業互聯網平臺，形成能源系統大數據，開發部署具備角色定制、全景呈現、異常分析（狀態識別-誘因分析）、數據挖掘智能尋優、輔助決策導航等功能的數字化、智能化能源運行調度軟件。通過該項目的實施，可顯著提升案例企業能介系統業務信息化、運營數字化、管控智能化水平，持續促進案例企業能源資源運營效率提升和綜合利用價值最大化。
3. 項目目標
結合公司承接河南省鋼鐵行業工業互聯網平臺以及兩化融合的戰略部署，本項目的總體目標如下：
（1）充分結合鋼鐵企業場景特點和需求，搭建滿足鋼鐵企業業務需求的工業互聯網平臺，以平臺更具通用性和良好操作性為目標，并最終形成適合鋼鐵行業的工業互聯網平臺；
（2）依托互聯網平臺采取總體設計、分階段實施的方式，設計開發滿足鋼鐵企業主要能介調度業務智能化升級的智能導航系統，該系統包括煤氣/壓縮空氣/蒸汽三個介質的智能調度子系統，未來覆蓋氧氮氬、水、電、鼓風等子系統的智能調度系統；
（3）通過本項目將連接不少于以下生產工序：焦化、燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼、動力、制氧、公輔等，并連接不少于50套設備，梳理基礎能源管理數據，并采集不少5000個數據點；
（4）開發不少于15個基于工藝機理和大數據挖掘的能源算法模型庫，包括機理模型、數學模型、邏輯模型和混合模型等。
二、項目實施概況
1. 項目總體架構和主要內容
（1）工業互聯網平臺功能架構
本案例采用基于優也Thingswise iDOS來搭建，Thingswise iDOS平臺是面向工業企業生產場景，融合云計算與大數據、機器學習與人工智能、模型和應用研發工具為一體，為實現工業運營的智能化而自主開發的數據驅動工業操作系統。
圖 Thingswise iDOS平臺功能架構Thingswise iDOS具備三個核心功能層即物聯層、數孿層和應用層，如下圖所示：
物聯層：面向生產現場實現對人、機、料、法、環等多維數據的集成，具有數據采集、數據清洗、數據存儲，并實現數據和控制的雙向流動的能力，滿足對現場設備和系統物聯，數據采集和實時控制的需求。
數孿層：通過數字孿生體梳理和整合數據、算法，對業務關注的物理實體和生產、業務過程在數字空間進行系統性描述和表征。數孿的對象既可包括物理實體，也可包括生產的組織結構，每個數孿體均包含所描述對象的屬性和狀態參數，及分析計算的算法模型。平臺提供統一的數字孿生體的定義和配置體系，在數字空間對生產現場的設備等系統建立模型，并實現一次建模，多處復用。提高研發效率、縮短研發周期。
應用層：基于數孿層提供的規范化數據和數字孿生體，開發應用系統，通過API 和數孿層的模型進行交互，構建前端交互界面。
同時，工業數據平臺提供統一管理入口可以提供對于用戶權限管理，邊緣管理，容器管理，微服務管理，多租戶管理，系統及安全管理等多個維度對平臺及其運行組件進行實時準確的監控和管理。
（2）能源智能導航系統軟件架構
在Thingswise iDOS 平臺基礎上搭建鋼鐵行業的能源管控平臺，規范化管理多元多流能源數據、構建能源大數據中心、開發能源系統的數字孿生，通過數據建模滿足業務功能，具體軟件架構如下：
圖：鋼鐵企業能源智能導航系統頂層設計架構
（3）主要建設內容
能效全景智慧監屏支持對鋼鐵企業全廠范圍內能源系統運行全貌實施數字化展現，并從公司運行成本追蹤、關鍵公輔設備運行狀態、能源運行經濟性指標（放散率、余熱余能資源回收與利用、緩沖用戶運行）、關鍵管控參數等維度，可視化反映當前能源運營管控水平。
煤氣智能平衡系統按“監測-診斷-調度”的業務管理邏輯設計整體功能框架，目前主要包括“智慧監屏”、“智能診斷”、“智能調度”三大部分,其中1）“智慧監屏”：以信息互聯互通的可視化監測為主的相關功能，支持煤氣系統實時監測和動態平衡異常揭示；2）“智能診斷”：以運行異常識別、效率診斷分析為主的相關功能，支持煤氣平衡狀況辨識、根因追溯、煤氣供需平衡趨勢預測、平衡策略調配損益測算等等；3）“智能調度”，以協同優化、策略響應、聯調聯控為主導的相關工作，支持單介質煤氣平衡優化、多介質煤氣系統協同、跨工序策略
調配、關鍵設備尋優控制。通過上述系統功能的實施，最終實現全網產用氣協同運行、生產端穩定保供、煤氣管網穩定性提升、系統放散降低、系統維持在經濟運行模式。
蒸汽智能平衡系統以鋼鐵企業蒸汽系統資源數字化、運行過程可視化為基礎，支持熱力公司圍繞蒸汽資源（余熱+鍋爐）供需平衡的最優配置實施策略化調度，并以蒸汽資源平衡為切入點圍繞“煤氣-蒸汽-發電”資源的價值最大化配置，支持用戶實施跨能介系統的策略導航及聯合調配。
“壓縮空氣智能平衡”主要以壓縮空氣介質為主要對象設計研發智能化平衡業務支持功能。支持用戶實現對安陽鋼鐵壓縮空氣系統端到端可視化、運行異常識別-誘因分析，基于角色推送“單體-集群-系統供應”運行策略，支持空壓站多機組、空壓機單體策略化經濟運行。
2. 具體應用場景和應用模式
本案例對鋼鐵企業能源平衡調度場景將帶來全新的智能化運行調度模式，具體表現如下：
（1）支持用戶自定義運行規則（煤氣運行規則進行結構化梳理和數字化定義過程），為系統自主運行建立響應機制、跟蹤機制、評價機制；
（2）在日常運行過程中，通過對能源介質關鍵運行參數的實時監控，推送全網運行平衡狀態，依托異常識別引擎由系統自動向能源調度推送識別的異常；
（3）由系統根據響應機制自主研判和生成調度策略，并向能源調度推送指令，通過能源調度實施確認/修改/忽略等人機交互操作，完成該調度指令的在線下達；
（4）在下達指令的同時，系統自動啟動跟蹤機制，對推送到指令執行情況進行全過程跟蹤包括指令下發后的響應和執行效果；
綜合上述業務操作，最終幫助用戶實現從策略形成-策略推送-策略跟蹤-策略評價的全流程的在線閉環管理，并實現從人工判斷向智能化調度轉變的應用模式：
3. 其他亮點
1、得益于Thingswise iDOS平臺的數據可視化、圖形快開、低代碼開發特點，本系統具有十分良好的擴展性。用戶在使用系統的過程中，一樣可以根據自身需求，在原有平臺和功能基礎上進行進一步擴充，從而使得本系統逐漸趨于完善和適用于自身需求。
2、上海優也是產品公司同時也是咨詢公司，在數字化產品中融入了精益和資源有效性理念，讓產品能有效減少運營浪費、充分挖掘企業增效潛力。
三、下一步實施計劃
本項目成果鋼鐵行業能源智能管控系統項目采用成熟的工業互聯網平臺架構及數字孿生技術。系統功能強調能源業務協同性和對能源波動響應前置決策，突出運營異常在線識別、根因診斷、策略推送、執行監督的閉環管理，著力于業務全景數字化呈現和策略導航，處于相對領先地位。從實際場景應用迭代，整體運行效果良好，技術先進成熟，在鋼鐵行業具有較高的復制推廣的可行性。
下一步實施計劃是向河南省地區的鋼企和全國260多家長流程鋼鐵聯合企業進行推廣。按5%節能計算，每家能源成本可節降幾千萬元，對整個行業的能源節降和減碳效果可產生巨大影響。
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
（1）分層解耦提高開發效率
構建統一的數據平臺、統一的數字孿生數字空間和統一的DevOps應用開發環境的三層結構，將數字孿生體工業應用開發過程進行解耦化、標準化、體系化，簡化了開發過程，提升了開發效率。
（2）統一數字空間靈活配置數字孿生體
獨創統一的數字空間，靈活定義和配置數字孿生體，快速構建復雜系統并很好支持機理模型與大數據模型融合，提高建模效率和質量。通過數字孿生體的靈活組合，構造出系統級、系統之系統級的數字孿生，快速實施對工序或產線數字孿生體靈活動態配置。
（3）多云適配和流式計算提高實時響應
多云適配和可邊可云的靈活部署能力，保障系統和數據的安全性和可控性，確保低時延高流量的計算需求。原生設計的流式計算工業互聯網平臺，對數據即來即算，保證實時動態響應物理實體。
（4）以策略導航方式支持用戶開展能源調度工作
具備狀態感知-異常識別-誘因分析-策略推送（策略設計與角色推送）-執行跟蹤-績效評價的閉環自主調度指令形成-上傳/下達-追蹤與評價，實現能源運行調度業務從“人工”向“信息化+智能化”升級。
（5）基于角色實現分級管控
為突出調度的層次性和管控范圍差別，通過創新性提出多層級系統策略尋優推送模式，支持用戶按系統、集群、單體三個不同層面實施不同方式的能介運行尋優調度，保障能源供應及提高整體能源資源利用效率。
（6）源于數據挖掘建模驅動業務高階分析
將業務運行規則、精益診斷工具與AI數據分析技術結合，構建場景高階能效分析模型。例如“能效根因分析”：基于對各個能源介質影響因子進行結構化梳理，按“宏觀-微觀”與“淺顯-深究”的方式，自上而下的層級分析邏輯架構的設計和邏輯建模，為企業提供能介運行異常時的智能化診斷業務支持。
2. 實施效果
（1）直接經濟效益可達5%能源節降
降低煤氣放散損失，提高煤氣回收利用價值
增加余熱回收利用，提高余熱發電價值
降低壓空運營損失，減少資源排放損失，降低空壓機綜合電耗
（2）間接經濟效益
平抑系統管網波動，穩定生產
通過對高爐/焦爐煤氣管網壓力波動的調控和優化，促進煤氣系統管網窄幅波動，穩定煤氣供應及產線生產。
優化窯爐燃燒，提升精益運行水平
通過對工業爐窯關鍵運行數據監控、分析、異常識別，支持單體智能診斷及“單體-集群-系統”控制優化。如降爐窯低排煙損失、改善加熱質量、增加熱爐時機產量等。
降碳減排
項目的實施有助于進一步降低能源放散損失、優化爐窯效率、提高能源利用率，降低碳排放量，為企業創造碳減排收益。
提升企業數字化運營水平
通過能源流、設備狀態、生產物流等信息融合和價值關聯的能源大數據構建，將業務數字化，整體提升能源管理數字化運營水平，為后續企業數字化升夯實數據基礎。
（3）社會效益
本項目屬于基于工業互聯網平臺設計研發的工業智能APP，項目涉及到的問題點，屬于行業普遍存在的共性問題，在案例企業實施后具有較好的社會推廣價值，具有解決行業共性問題的能力，為推動鋼鐵行業能源高質量可持續發展提供借鑒和參考。
由于企業對于自身能源資源的最優配置、數字化展現、智能化調度業務支持在系統管控原理和指導思想方面存在異曲同工的情況，因此本項目跨行業可推廣性較強，不僅適合鋼鐵行業，還適合于有色、石油、化工、園區等大型流程行業的能介系統智能平衡與決策。
聲明
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