主标题：烟草行业基于工业互联网平台的精准控能智能管控系统
　　副标题：打造智能化能源管控标杆企业

　　引言：

　　上海优也信息科技有限公司成立于2016年，核心团队成员来自于龙头工业企业团队和卓越软件团队，公司致力于提升基础工业的精益运营转型、数字化转型，利用自身卓越的运营管理实践、深厚的工业底蕴，将先进的工业互联网技术与产业进行深度融合，为客户提供能效提升、节能降碳的一体化解决方案。优也愿景：通过工业知识软件化使管理经验沉淀、复用、推广，为中国节能增效1%GDP。

　　本案例所服务的卷烟厂动能设施各子系统在保障能源供给工艺参数方面、节能控制方面基本上达到了自动化管理水平，但在节能减排精细化工作方面存在明显的挑战，主要表现在：在生产环境发生变化，系统性的分析工具与方法欠缺，管理靠经验，较为粗放。各动力集控子系统之间、以及动力集控系统与生产自动化系统、MES等系统之间缺乏智能联动，未能有效消除信息孤岛，数据价值无法有效挖掘，智能判断和智能预测无法有效落地，从而能源利用水平上有显著的提升空间。

　　本项目的任务就是将精益能效理念与大数据技术、工业互联网技术有机集合起来，充分采用数字孪生技术，建设智能化的能源精控一体化平台，打造烟草行业智能化能源管控标杆企业。

　　一、项目概况

　　通过生产关联的能源数孪模型的研究，动能管控与工艺指标历史数据的分析，运用大数据技术和人工智能理论，优化能源调度策略，完成设备的智能联控，最终实现基于能源需求侧驱动的精准控能系统。

　　1、项目背景

　　某卷烟企业动能设施各子系统在保障能源供给工艺参数方面、节能控制方面基本上达到了自动化管理水平，但在节能减排精细化工作方面存在明显的挑战，主要表现在：在生产环境发生变化，系统性的分析工具与方法欠缺，管理靠经验，较为粗放。各动力集控子系统之间、以及动力集控系统与生产自动化系统、MES等系统之间缺乏智能联动，未能有效消除信息孤岛，数据价值无法有效挖掘，智能判断和智能预测无法有效落地，从而能源利用水平上有显著的提升空间。

　　本项目的任务就是将精益能效理念与大数据技术、工业互联网技术有机集合起来，充分采用数字孪生技术，建设智能化的能源精控一体化平台，通过接收能源参数、能源负荷、能源消耗的仿真预测，实现系统预测控制与现场工业自控系统反馈控制的深度融合、建立各工序能源消耗基准值和多层级能效评价指标、设备故障和能效预警机制等功能，实现设备启停、生产排产、工艺质量需求、环保运行和能源管理体系的深层次的广泛协同，达到动能系统按能源消耗侧的需求进行精准供能、精准控能的目标。努力将本项目建设成为烟草行业“两化融合”的示范工程和智能制造具有推广价值的典型示范工程。

　　2. 项目简介

　　该项目将云计算与微服务、大数据、机器学习与人工智能、模型和应用研发工具引入生产现场，并以数字孪生框架为基础，系统性地在数字空间映射生产现场的产品、设备和过程的状态和行为，简化工业知识的模型化和软件化过程，以及智能应用的开发，排除了现有的架构瓶颈和应用开发瓶颈，形成了具有卷烟能源特点的专业知识模型以及智能化的应用，实现快速的复用并创造价值。

　　该项目是精准控制项目，是一个闭环能源管控优化系统，从整体管理与执行实施的两个方面：结合精益管理的经验与理念，实现产用能的规范化、标准化；通过智能化的分析决策手段，实现能源效率的最优控制。最终通过平台化、数字化的手段达到能源精准管理控制的目的。

　　图1- 1 精益能源管控的数字化和智能化

　　3、项目目标

　　通过生产关联的能源数孪模型的研究，动能管控与工艺指标历史数据的分析，运用大数据技术和人工智能理论，优化能源调度策略，完成设备的智能联控，最终实现能源需求侧驱动的智能化能源管控系统。

　　打造基于微服务、数孪技术的企业工业互联网平台应用的标杆。建立一套能源生产、供应、消耗基准及管理标准。形成一种按需、智能、精准的供能模式。形成能源网格化预警管理，实现合理用能行为监管全覆盖。应用投运后，实现单位产品综合能耗较实施前下降5%。

　　二、项目实施概况

　　本节重点详尽描述，技术与业务结合，工业互联网技术如何助力业务提升与创新，如何解决企业痛点和难点，其核心价值体现在哪些方面。此处可以有几句统领性描述。

　　1. 项目总体架构和主要内容

　　平台严格按照工业互联网平台四层架构来搭建，采用优也Thingswise iDOS来构建，它是为工业场景特制的完全基于云原生技术的工业数据操作系统（工业互联网平台）。系统以典型云计算PaaS层技术对外提供支持能力，以工业数据为基础和驱动力，以数字孪生框架技术核心，以工业模型和算法为载体，以实时流式计算引擎为特色，以配置文件及低代码开发为工具，实现面向工业场景多源异构数据采集、流式数据即来即算，模型及算法高效复用，及应用快速动态反应等的功能特点。

　　图3- 1 优也Thingswise iDOS 功能架构

　　优也Thingswise iDOS系统提供三个核心功能层：物联层，数孪层和应用层，以数孪层为核心、承托于物联层并支撑应用层，系统架构图如图3-1所示：

　　物联层：面向现场实现对设备的连接、数据采集、数据清洗、数据存储，并实现数据和控制的双向流动，满足对现场设备物联，数据采集和实时控制的需求。

　　物联层从边缘端汇聚和预处理设备和生产、业务过程数据，统一解决数据聚合，处理和存储的问题，为企业一统多源异构数据，构建单源单版主数据，实现对数据的统一管控。同时，提供对物联网网关进行远程注册、配置和监控的功能，降低数采实现和管理工作量、提高数采的稳定性。

　　数孪层：通过数字孪生体梳理和整合数据、算法，对业务关注的物理实体和生产、业务过程在数字空间进行系统性描述和表征。数孪的对象既可包括物理实体如物料、制品、产品、生产装备中的组件、设备、机组、产线、管网等，也可包括生产的组织结构，如班组、工段、车间、工厂等。每个数孪体均包含所描述对象的属性和状态参数，及分析计算的算法模型。平台提供统一的数字孪生体的定义和配置体系，在数字空间对生产现场的设备等系统建立模型，并实现一次建模，多处复用。

　　数孪层提供提供四个关键功能：

　　数孪设定：

　　以图形化工具设定生产环境中设备、产品和生产组织的数孪体之间的，以及这些数孪体之间的隶属或其它关联关系。在设定数孪体的过程中，梳理设备和产品的数据，配备算法模型。数据对齐：自动将边缘端汇聚和预处理设备和生产、业务过程数据与数孪体的数据映射和对齐，把采集的数据分发到相应的数孪体中，触发各数孪体算法模型的运算。

　　模型运算：

　　为各种算法模型提供统一的开发模式，可对设备和生产、业务数据进行分析计算也可以插件的方式支持多个机理模型和数据算法模型的计算，以获得对设备运行、业务状况和设备运行过程获取深度洞察。

　　数孪接口：

　　为应用层提供标准的API接口，用于调用数孪系统的结构、数据和算法模型的计算结果，简化应用开发过程。

　　应用层：

　　为工业应用的开发和运行提供便利可靠的环境。不同应用通过对数孪体API的调用，可快速获得跨设备、甚至跨组织的数孪体数据以及洞察，并根据业务逻辑把这些洞察转换成可执行的决策，反馈回到生产、经营过程中，实现生产、经营过程的优化。作为统一的开发运维环境，支撑多个工业APP的运行，将洞察转换为可执行的行动，获取最佳决策，按角色推送，优化生产过程。

　　这里提供三个层面的功能：

　　数据可视化工具：

　　可以查看数采和数孪的运行情况，其中指标中可以看曲线，不用任何编程和配置，可以直接查看数据以及趋势图。

　　应用快开设计台：

　　利用已经集成了的曲线、图表等数据呈现模板，只要进行简单的配置，就可以定制出用户自己需要的人机界面。

　　有代码开发SDK：

　　可以采用多种编程语言，利用平台的接口，开发出更加贴合用户需求、业务逻辑复杂的应用，给用户更好的使用体验。另外，应用层提供微服务框架，支持CI/CD、资源编排、自动路由、身份认证、权限管理等功能，支持应用的敏捷DevOps等功能。

　　2、安全互联架构

　　平台将以动力能源系统、生产过程产生的时序数据挖掘、分析、仿真预测建模为核心技术的应用软件开发，数据源的质量直接影响仿真预测模型的可靠性和预测精度。以数据采集、数据清洗、数据建模、数据质量分析为基础，确保能源预测参数与底层节能控制系统融合过程中的可靠性。

　　本项目将动力设备和系统的能耗预测、运行故障、能效分析作为仿真模型的主要应用之一，提供动力设备和系统运行的预防性故障预警、故障报警等不同级别报警和事件报告；管理平台设置交互式人机对话、审批流功能模块，对于涉及存有安全事故隐患的操作需人工确认后方可投入运行；遵循现有能源管控系统在工业防火墙、日志审计系统、工业漏洞扫描系统等方面配置的网络安全设施规程，符合网络安全等保2.0标准的要求。

　　系统将按照等级保护2.0及以上的标准进行安全设计。包括但不限于以下的设计：

　　1）要求方案充分考虑网络、安全、备份等系统情况，提出合理的系统安全方案，确保系统本身无重大安全漏洞。

　　2）本项目安全设计方案需包括网络安全、数据安全、程序安全、管理安全机制等内容。

　　3）支持管理用户的角色分配权限，实现管理用户的权限分离；

　　4）能够在系统中的用户行为事件的日期和时间、用户、IP地址、事件类型（例如用户登录、退出、增加、修改、删除关键数据等操作）等信息进行审计日志记录。还要应对审计记录进行保护，避免受到未预期的删除、修改或覆盖等。

　　平台将遵循《烟草行业信息安全保障体系建设指南》的要求进行设计，充分考虑系统用户安全认证、日志安全、容灾要求、系统安全等要求，具备系统上线前的相关安全评测方案。

　　（1）系统安全与防护

　　优也Thingswise iDOS平台提供多个层次的安全管理机制保障系统安全。

　　表3- 2系统安全性说明

　　（2）身份验证和授权管理

　　作为系统性的模块身份验证和授权管理层为系统提供统一和规范性的身份验证和使用授权管理，不管个人或系统性的用户访问系统的任何资源，包括数据、服务、应用和系统，都由此管理层提供，提高系统的安全性，也同时降低了系统内所其它资源（包括应用在内）开发和管理的复杂度。

　　图3- 35 优也Thingswise iDOS身份验证和授权服务配置页面

　　身份认证授权系统：iDOS支持利用LDAP/AD、OAuth和OpenID等协议与外部的身份管理服务（Identity Provider Service）对接，获的身份验证和使用授权的信息。iDOS将从身份管理服务中验证用户，如有必要并获得用户对应的角色和对系统/应用的角色进行映射，进而根据用户的本地角色进行授权。平台也可以提供内置的身份管理服务。通过统一的系统保障安全性，并可灵活与多种身份管理服务对接。

　　（3）系统日志安全管理

　　优也Thingswise iDOS系统提供包括对系统服务和应用程序生成的日志实现编制索引和实时查询的能力。

　　1）.系统日志管理采用主流的分布式日志收集服务，而且提供一个分布式多用户能力的全文搜索引擎。包括对系统服务和应用程序生成的日志实现编制索引和实时查询的能力。

　　2）.系统应具备日志收集工具以统一收集系统内部运行的日志。

　　3）.系统提供一个的分析与可视化日志平台。

　　4）.系统支持日志代理和日志聚合

　　（4）容灾方案设计
　　
　　系统容灾要求

　　系统的容灾主要包括硬件基础架构、系统资源、数据和和应用几个方面容灾要求。由于甲方提供硬件基础架构和系统资，所以这部分容灾要求依赖于甲方的容灾策略和要求。针对精准控能系统的容灾要求主要从数据和应用层面进行应对。

　　数据容灾

　　采用数据备份和数据复制技术，针对系统实际生产环境在甲方环境中构建一套同等的测试环境，原则上构建一个异地的数据系统，该系统是实际生产系统应用数据的一个可用复制。在生产环境数据及应用系统出现灾难时，系统至少在测试环境保存有一份可用的关键业务的数据。该数据可以是与生产数据的完全实时复制，也可以比本地数据略微落后，但一定是可用的。

　　应用容灾

　　在数据容灾的基础上，在测试环境建立一套完整的与生产系统相当的备份应用系统。建立这样一个系统是相对比较复杂的，不仅需要一份可用的数据复制，还要有包括网络、主机、应用、甚至IP等资源，以及各资源之间的良好协调。主要的技术包括负载均衡、集群技术。这些内容需要甲方进行提供。

　　3. 具体应用场景和应用模式

　　对应用系统功能进行了总体划分，从业务流程的角度划分为计划、执行、统计三大部分，从软件功能角度划分为支持、模型、应用三个层次。如下图所示：

　　图5 功能规划

　　全景视图以直观形象的方式展示水、电、汽、气的供需情况，针对每一种动能供应都有清晰的流向以及供需数据，视图具备丰富的图表为展示多样化信息提供全面支持，实现对动能供应运行状况的总体把握。

　　全景视图分为两类：主全景视图和分全景视图。主全景视图从全厂角度展示能源供需总体情况，分全景视图从各能介或各动力系统角度展示供需情况。

　　本项目的核心在于精准控能分析与优化模型的构建，这些模型是基于企业能源运营管理模式以及运营数据进行构建。基于实际运行数据，对能源消耗相关联的特征参数进行分析，通过对能耗历史数据的统计分析，采用多元线性回归和机器学习等技术手段，对各种能耗系统的性能特性和物理特征进行建模和数据拟合，输入原始数据、训练样本数据、专家提供的学习实例，进行训练和学习，通过能源流平衡和系统运行模式分析，以及时间维度的横向对比以及多层次维度的纵向对比，建立能源消耗模型，结合外部气象预报数据，采用多因素相关性分析、挖掘技术等，应用可视化分析工具，生成各系统优化控制策略，根据控制策略优化控制方式，并对优化前后能耗数据进行比对，确认优化效果，实现对设备管控的优化控制。

• 基于历史数据并结合实际项目经验制定系列能耗故障诊断规则
• 使用诊断规则通过诊断模型得出诊断结果
• 结合能源消耗模型和环境因素通过科学手段建立优化策略模型，并根据模型生成优化控制策略
• 执行优化策略，执行方法分为自控优化和人工干预跟踪优化策略执行情况，不断深度优化策略模型
• 分析多维度的能耗基准值
• 异常情况实时告警
• 根据现有数据预测未来可能出现的预警

　　通过可视化的流程布局，组合各种数据源、组件、算法、模型及评估模块，为用户提供从数据预处理、模型训练、到模型评估的全流程数据可视化展示。相关模型的预测精度和预测时效性以满足生产需求为衡量标准。

　　为了高效、安全的执行优化策略，对策略进行了分类并设定规范化的路径，见下图。

　　利用实时监控数据和历史数据，通过对比精准控能系统应用前后的能耗统计，开展多维度的分析与全面评价，从供需平衡率、能效提升率、能效利用率、基准改善率、CPK等多角度展现精准控能成果。可从能源、车间、系统、机房、产线、区域、批次、产品、班次、班组等多个维度进行能耗统计与分析。

　　系统将对动力能源利用统计分析模块，通过集成能源管理系统、MES系统和实时数据库数据，绘制全厂可视化能流桑基图、供配电系统电能流向图，对能源购入、转换、输送、使用、回收再利用过程中各个环节的能源种类、实时能耗数据、当时累计能耗、能源转化效率、能效指标等进行实时显示，分品牌分批次能耗预测与分析、动力供应计划能源绩效对比分析、能耗消耗异常分析和能效分析。

　　建立重点耗能设备（空调机组、制冷机、空压机、锅炉等）的能效基准值、能耗基准值，通过实时值与基准值的对比分析，辅助管理人员和操作人员找出改善能源工作绩效的关键，加强能源管理工作，减少能源消耗。

　　动力主要耗能设备能效指标的建立：通过对主要耗能设备，如锅炉、空压机、制冷机、真空泵、工艺性空调的一次能源消耗量以及产出量进行计算，通过本项目建立的动力主要耗能设备模型，通过模型自动计算主要能耗设备的能效指标，如：锅炉气汽比、空压机气电比、制冷机能效比、真空泵单位负载、空调单位负载，作为设备运行效率的监测与评价依据。

　　4. 安全及可靠性

　　本项目将动力设备和系统的能耗预测、运行故障、能效分析作为仿真模型的主要应用之一，提供动力设备和系统运行的预防性故障预警、故障报警等不同级别报警和事件报告；管理平台设置交互式人机对话、审批流功能模块，对于涉及存有安全事故隐患的操作需人工确认后方可投入运行；遵循现有能源管控系统在工业防火墙、日志审计系统、工业漏洞扫描系统等方面配置的网络安全设施规程，符合网络安全等保2.0标准的要求。

　　系统将按照等级保护2.0及以上的标准进行安全设计。包括但不限于以下的设计：

　　1）充分考虑网络、安全、备份等系统情况，提出合理的系统安全方案，确保系统本身无重大安全漏洞。

　　2）项目安全设计方案包括网络安全、数据安全、程序安全、管理安全机制等内容。

　　3）支持管理用户的角色分配权限，实现管理用户的权限分离；

　　4）能够在系统中的用户行为事件的日期和时间、用户、IP地址、事件类型（例如用户登录、退出、增加、修改、删除关键数据等操作）等信息进行审计日志记录。还要应对审计记录进行保护，避免受到未预期的删除、修改或覆盖等。

　　平台将遵循《烟草行业信息安全保障体系建设指南》的要求进行设计，充分考虑系统用户安全认证、日志安全、容灾要求、系统安全等要求，具备系统上线前的相关安全评测方案。

　　为保证精准控能系统系统可靠性，系统应充分考虑服务器、数据库等软硬件的冗余设计。

　　系统从数据高可用的角度考虑系统的冗余设计。由于平台底层IaaS层依托于甲方的基础设施方案，建议服务器采取冗余配置，通过超融合方案组成统一的虚拟化资源池对外服务，主干数据汇集交换机采用堆叠设计，提高系统的可用性。对接服务器网卡接口建议采用基于LACP的网卡绑定Bond配置方案，从底册硬件方面做到系统的冗余设计。

　　系统提供的各种数据库都支持分布式部署，在数据存储方面通过集群中多节点的分布式存储方式实现数据的多节点保存和恢复机制，从而进一步保障数据安全和高可用性。针对现场数据采集的实时数据库，以动力车间为例，针对现有的Wonderware实时数据库采用硬件冗余备份设计，即通过双系统提高实时数据库系统的可用性。

　　三、下一步实施计划

　　1. 实施所有动力系统的网格优化能耗基准的精准管理功能

　　项目采取总体设计分步实施方式，第一阶段着力实现所有动力系统的网格优化能耗基准的精准管理功能。

　　2. 实施动力供应和生产能源需求的实时协同优化

　　通过软件部署运行后，持续推进能源运行数据的收集整合，通过大数据挖掘建模，能源调度规则的数据驱动

　　3. 协同策划烟草行业精准控能的整体数字化升级

　　根据用户能源数字化升级需求，以工业互联网平台为基础，以为企业打造企业级智慧能源管控平台为宗旨，通过提供行业最佳实践、优秀管控理念、管理方法等，协助用户实施能源基础业务的数字化升级方案的设计与规划。

　　四、项目创新点和实施效果

　　1. 项目先进性及创新点

　　基于Thingswise的精准能源管控平台是将工业互联网平台的云计算与微服务、大数据、机器学习与人工智能、模型和应用研发工具引入生产现场，并以数字孪生框架为基础，系统性地在数字空间映射生产现场的产品、设备和过程的状态和行为，简化工业知识的模型化和软件化过程，以及智能应用的开发，排除了现有的架构瓶颈和应用开发瓶颈，形成了具有卷烟能源特点的专业知识模型以及智能化的应用，实现快速的复用并创造价值，在卷烟行业以及其它类似的制造业行具有广泛推广的潜力。

　　2. 实施效果

　　项目实施完成后与去年同期情况对比，全年综合能耗同比下降至少7.6%。