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1背景

本案例以河南省最大的钢铁企业安阳钢铁（以下简称安钢）为场景，以构建钢铁行业工业互联网平台为契机，先行对包括煤气/蒸汽/压空等介质进行数字化监控与智能化调度升级改造，开发满足安钢场景的能源资源智能化平衡调配相关应用功能，从而推动安钢在能源资源运营有效性方面得到显著提升。

2案例实施与应用

2.1总体概况

图1安钢智慧能源管控平台分布实施规划

结合安钢智能制造升级规划，本案例是立足于“钢铁工业互联网平台搭建”为契机，以能源资源配置优化、能源运行管控能力提升为宗旨，设计开发基于精益运营规则、源于大数据建模驱动、采取自主策略推送的智能化运行调度管理系统，即“能源智能导航系统”作为“安钢智慧能源管控平台”第一阶段实施目标。

2.2实现目标

（1）构建钢铁行业特质工业互联网平台：以安钢场景工业互联网平台搭建作为实践对象，形成可满足钢铁企业业务需求的工业互联网平台；

（2）研发基于平台3个智能平衡子系统：研发满足安钢能源运行调度业务智能化升级的智能导航系统，第一阶段包括煤气/压缩空气/蒸汽智能平衡子系统，未来可移植其他能介；

（3）连接>50套设备+采集>5000个数据：对安钢场景包括焦化、烧结、高炉等机组设备实施包括能源、设备状态、关键工艺参数等数据采集与信息共享；

（4）设计>50个适用钢铁场景工业模型：运用AI分析方法和大数据挖掘等技术，建立能源算法模型库，设计支持能源运行智能导航的各类工业模型。

2.3应用技术

能源智能导航系统是以工业互联网架构、新IOT、数孪定义、三维漫游、AI模型等新技术为基础设计研发的，具体如下：工业互联网架构技术、多元多流信息采集技术、平台数据重构技术、场景实例数孪定义技术、数孪三维漫游技术、异常感知规则引擎技术、动态根因分析技术、大数据挖掘技术、基于状态感知的预测技术、干预与应急双重响应技术、过程运营精益分析技术、跨介质/工序协同与联动技术、策略自主推送信息导航技术、运营执行追踪引擎技术。上述部分技术是以业务规则精益化梳理+运营数据挖掘相结合的高阶运营分析，既体现了依托互联网技术强大的信息互联与共享能力，同时凸显了源于业务知识高度提炼后的模型化设计及数据实时驱动的新设计理念。

2.4总体架构

项目采用工业互联网架构技术，搭建安阳钢铁能源智能导航系统所需要的开发环境与相关智能应用的运行环境，具体软件架构如图2所示。

图2智慧能源管控平台顶层架构设计

基于安钢能源数字化升级整体规划，本例涉及的能源智能导航系统主要功能如图3所示（橘色背景）。

图3 系统主要功能模块

2.5应用设计

（1）以重构的业务管控流程设计功能支持为高度数字化呈现能源运行调度业务，同时最大化以软件信息能力+算力算法替代人工的智能化操作为目标，对安钢的运行调度流程实施管控模式和执行流程上的梳理与重构，即以“信息收集-->状态感知-->异常识别-->诱因分析-->策略推送（策略设计-->角色推送）-->执行跟踪-->统计分析”的运行管控闭环流程，设计调度指令从产生到下达全过程信息化、数字化、智能化的功能支持。

图4智能化调度业务流程图

（2）基于角色设计定制功能及系统运行逻辑

·结合安钢组织架构和业务从属关系，按运行调度管理职责和角色，设计从能源运行调度到机组主操的自上而下的业务逻辑与信息流，即服务于公司全员的“企业全景导航”->服务于能源运行/调度为主的“单介质全网监控”->服务于生产厂部调度为主的“全厂能效监控”->服务于设备主操为主的“单体设施智慧监屏”，如图5所示。

图5系统功能框架及运行示意图

·按角色和业务管理需要，实施功能定制化和通用性设计，如图6所示。

所有角色-企业能效导航大屏

厂部调度-XX厂级运行智慧监屏

煤气调度-煤气全网监控

气柜主操-煤气柜运行智慧监屏 

图6分角色定制化设计功能画面

（3）植入精益理念和运营工具的能效高阶分析

·设计动态异常感知+诱因分析的根因分析引起以精益运营视角审视安钢能源系统运行场景，提炼挖掘系统异常影响因素，构建根因逻辑分析架构，实施从“系统状态跟踪”“产供用平衡分析”“工序主因分析”“影响根本因素分析”等层次和维度，向用户推送异常诱因分析。

·支持策略执行有效性统计分析，分介质/分周期统计策略推送条数、执行条数、未执行条数，支持明细查询与追溯等。

3应用创新性、重点与难点问题及解决思路

3.1应用创新性

（1）植入精益理念与运营工具的应用加持以精益运营视角审视安钢能源资源调度配置运营的有效性（如图7所示），洞察业务管理中的价值洼地和快赢机会，推动调度管控机制完善、执行流程优化。并在建模和应用研发中紧密结合精益运营方法和辅助工具，使软件功能充分释放和诠释精益运营管控要求，极致帮助企业在能源资源的损失洞见、运营高效、改善持续获得应用服务加持。

图7融合精益理念与工具的软件设计

（2）采用先进的互联网架构搭载工业应用采用互联网架构实施数据采集、处理、模型设计、应用前后端开发，从下向上分为物联数采层，数据层、模型层、数字孪生层和应用层，如图8所示。

图8工业互联网平台架构图

（3）可通用定制的行业数字孪生体结构以安钢场景为构建对象，把场景中各个能源系统从产出-消亡的生命周期、端到端业务流程、单体-多体-跨工序-跨系统的运行管理涉及的产线、机组、设备设施及其他管理要素，进行物理世界与数字空间的虚实映射和数字化描述，形成可重用复用的数孪体（数字底座）。

图9 钢铁能效场景数孪定义

（4）以“策略推送+信息导航”方式实施能源运行与资源调度

结合场景组织关系、管理流程，设计“状态感知-异常识别-诱因分析-策略设计-策略推送-执行跟踪-统计分析”的能源运行智能调度的管控流程。从而实现能源运行调度业务从“人工”向“信息化+智能化”升级，从“经验“向“规则建模+数据挖掘“转变。

（5）建模驱动自主异常识别与根因分析设计规则引擎，自上而下按“系统异常识别->平衡归因分析->工序归因分析->设备归因分析->关键诱因分析”的层级，梳理设计异常表象与根本原因的从属、因果等逻辑关系，形成各能源介质的根因分析逻辑分析架构。

（6）采用基于预测的前馈干预+实时判断的后馈响应的双重模式实施动态寻优。

3.2重点与难点问题

（1）能源系统供需平衡矛盾普遍突出。尤其在煤气/蒸汽/氧气/压空等介质系统，产用失均衡、供需欠耦合，造成的资源损失千万规模；

（2）对能源数据的利用停留在展示为主，确保采集数据质量的平衡校验、供需平衡趋势跟踪分析、产用存动态预测基本都没有，尤其缺少生产线关键设施的运行状况、跨介质间联动信息及运行异常的自主感知与分析，上述信息对于能源运行调度极为重要，是确保能介高质量生产供应的必要前提；

（3）能源资源缺乏标准化的时效最优配置和柔性调度能力。现有能源系统无法支持专业人员持续、准确地实施能源资源最优配置，尤其是运行中缺乏实时辅助决策类信息，引发包括响应调节延迟、运行操控随意、调节精度偏差大、甚至出现资源配置错位等系列系统运行问题。

3.3解决思路

为解决安钢现有无法全网可视化、全流程信息断链、系统供需平衡失耦、跨工序协同效率低、资源配置不合理等问题，需要对现有能源调度的业务流程、管控模式、运行机制、功能支持等方面予以改善和解决，具体设计思路如下：

（1）梳理企业能源计量配置现状，结合未来业务蓝图补充完善能源计量表具，确保能源计量数据达到软件所需要求。

（2）以安钢场景能效运行管控所涉及的对象包括产线、机组、设备等为对象，进行数字孪生体设计，形成可重用、复用的数孪框架（实例、参数等），以支持软件研发。

（3）开展多元多态数据采集，按“能源流、价值流、物质流、设备状态”等维度对数据进行分类采集和清洗处理，并逐步形成具有场景特质的能源大数据。

（4）对能介运行与平衡规则进行精益化梳理，及通过访谈和观察方式获取现场技术人员的经验知识和操作习惯（准确的），形成支持应用软件运行的异常识别/触发引擎、根因分析逻辑、策略规则配置等标准文件。

（5）引用新技术、融合新理念、采用新模式实施企业能源运行调度。

以自动策略推送替代人工经验指令的能源运行调度管控新模式，并按“信息获取-状态感知-异常识别-诱因分析-策略推送-执行跟踪-统计分析”管控模式设计智能化调度功能框架，将原有过度依赖人工经验判断和操作的业务予以替代，达到能介系统运行的过程可监视、异常可识别、原因可分析、寻优策略化、结果可评价的管控效果，如图10所示。

图10现有与未来调度业务对比

（6）植入精益思想设计应用功能

·采用以“产用存预测”为前提的前馈干预，及“实时异常”为依据的应激响应，实施双重异常判断+寻优推送，以保证系统异常时的预防性优化及应激式补救；

·梳理提炼并行形成跨工序/跨介质间的联动机理、协同关系，包括：（转煤）煤气回收-柜容-使用三联动、（锅炉）煤气-蒸汽-发电三联动、热风炉/加热炉工艺变化与缓冲的联动、余热回收-供热-发电三联动，促进系统资源总体优化；

·关注焦炉、热风炉、转炉、加热炉等关键设备的生产工艺变化，确保状态可追踪、可理论预判，为能源预测、平衡判断、能效分析提供关键信息支持；

·追踪评估包括热风炉/转炉工艺节拍均衡性，在全景可视化的基础上，构建集群优化模型支持多机组联调群控，挖掘热风炉/转炉工艺变化时能源使用特点及对煤气管网、转煤/蒸汽回收等影响，为分析、预测及策略设计提供信息支持；

·按时效利润最优理念对能介资源配置的合理性、价值化进行动态分析，确保能源向高附加值业务链流动、高质高用品级对等、减少能源转换损失。

（7）基于角色设计分级管控机制与功能对企业能源业务涉及的角色、岗位、管理要素、控制要求，进行结构化剖析和合理性辨识，以此设计基于岗位角色的定制化业务功能推送，策略自上而下推送分解、措施自下而上实施叠加，如图11所示。

图11 基于角色设计分级管控机制

（8）系统具备较强的静态可配置性和业务可扩展性。考虑到能源系统随业务和工艺系统不断扩展或改变的特点，支持用户通过静态参数、配置文件实现能源业务的升级和扩展。

4实现效益

4.1直接经济效益

（1）降低高/焦煤气趋于“零”放散，提高转炉煤气回收量2～3m3/t；

（2）增加余热回收，提高余热发电量8～10%；

（3）减少资源排放损失，降低空压机综合电耗3～5kWh/km3；

（4）立足单体能效提升与集群组合最优，支持窑炉数字运营，撬动炉窑节能降本>10%；

（5）实现能源运行管理模式创新，管控效率提升5%以上。

4.2间接经济效益

（1）收窄管网波动10%～15%，改善能介供应品质，促进产线提质增产；

（2）均衡转炉冶炼节拍，优化转炉冶炼节奏，提高转炉产量；

（3）源于节能降碳，促进碳资产增值。

4.3隐性管理价值

（1）能源大数据构建，形成同标准的能源流与设备状态、工艺参数、生产物流等数据汇集，为后续企业数字化升夯实数据基础。

（2）全景数孪定义可复用，采用数字孪生技术，定义的场景数孪体可实现未来工业场景应用开发的重用复用，提高便捷性。

（3）经验知识传承，基于运行规则梳理，能源管理知识、操控经验、专家知识提炼形成模型化功能，有助于知识传承与持续改进。

（4）跨部门协同效率提升，促进多部门协同控制目标一致、措施同轴、效果同向及响应及时，提升能源管理整体效率。

（5）调度角色一岗多专，系统将运行规则、经验、知识等模型化，依据推送策略组织能源调度，降低了调度人员从业的专业门槛和领域壁垒。

5案例意义

（1）案例通过对企业能效精益运营改善和工业能效APP赋能运营的深度结合，采取“共性提炼+特质定制”的落地路线，对基础工业的适用性和复用性极强；

（2）本案例涉及到的问题点，属于钢铁行业普遍共性问题，因此在安钢实施后具有较好的社会推广价值；

（3）鉴于能源管控原理和指导思想方面存在异曲同工的情况，因此本项目具备跨行业推广性。即不仅适合钢铁行业，还适合于有色、石油、化工、园区等大型流程行业的能介系统智能平衡调配。A

摘自《自动化博览》2022年8月刊