中国造纸工业智能化转型升级路径的探讨与实践

随着第四次工业革命的到来，传统行业转型升级 势在必行。传统造纸工业的未来将走向分化和聚合， 将加入到多个以客户为中心的新型产业集群中。文化 用纸、生活用纸、包装纸和特种纸等纸种的生产将拆 分到不同的产业集群中，与可直达客户的产业链聚合 为新的业态，更精准、更快速地满足客户需求。在新 的产业集群中，重塑的价值链将不再是造纸企业之间 的竞争，而是产业集群内各方整合资源能力的竞争。 共享、共生和共创能力强的企业将是整合资源能力的 强者，将有机会引领产业集群为客户提供更好的服 务，形成新的稳定业态留存下来，高效发展。 造纸工业经历了从小规模制造，到电力驱动的大 规模、大批量的流水线模式生产，再到现在的全自动化模式生产的发展，在原材料、能源、工艺、装备等 生产要素的利用技术等方面已经发展到比较成熟的阶 段[1] 。近期，我国发布了 《关于深化新一代信息技术 与制造业融合发展的指导意见》[2] ，文件指出要加快 推进新一代信息技术和制造业融合发展，顺应新一轮 科技革命和产业变革趋势，以供给侧结构性改革为主 线，以智能制造为主攻方向，加快工业互联网创新发 展，加快制造业生产方式和企业形态根本性变革，提 升制造业数字化、网络化、智能化发展水平。产业实 现转型升级的必然选择是与新一代信息技术的融合， 进行数字化转型重构。以5G网络、大数据、云计算、 人工智能等为核心的新一代信息技术的持续创新和高 速发展，为制造业迈向万物互联、数据驱动、软件定 义、平台支撑、组织重构新时代注入了新的活力[3] 。 新一代信息技术将助力造纸工业实现向数字化、信息 化、智能化转型升级，以实现企业的提质增效、精准 服务，打破产业链资源优化配置空间和时间的约束， 增加新的价值链，加速形成新业态。 造纸企业转型升级是制造业产业转型的有机组成 部分，因此，企业在转型升级过程中必将面临战略路 径的选择和自身组织能力的变革，以更好地顺应产业 转型升级大趋势。在大变革的趋势面前，任何不顺应 行业转型升级的企业都将被无情淘汰。对于大型企 业，特别是行业龙头企业，如何制定好转型升级的分 阶段战略目标、选择什么样的技术路线、打造什么样 的企业文化和如何重塑组织创新能力都将是企业融入 行业转型升级面临的挑战。 本文介绍新一代智能化技术对造纸工业的价值所 在，推演造纸企业与新一代信息技术融合的路径，探 讨造纸企业智能化转型迭代方向和造纸工业向智能化 转型升级路径。笔者根据多年来在造纸企业数字化、 网络化、智能化方面的研究成果和在企业中的实践案 例[4-16] ，用场景化方式与读者探讨造纸企业智能化转 型升级路径。 1 新一代信息技术对造纸工业的价值 造纸工业智能化转型升级，是建立在高度自动化 基础之上的。以数学模型为推动力的自动化技术在促 进造纸工业大发展的同时，为造纸企业积累了大量的 生产过程数据和生产技术知识。但是，自动化技术并 不具备数据分析和数据挖掘的能力，也不具备对复杂 生产过程和市场需求的快速应变和优化能力。以大数 据驱动和工业软件定义的企业智能化技术，可充分利 用和挖掘大数据的资源去进一步优化企业的各类资源 配置，优化生产过程，适应市场需求变化。实现企业 智能化有赖于新一代信息技术，主要包括实现业务数 据化的工业互联网平台技术、实现解决数据超高速 率、超大容量以及超低时延的 5G 网络技术以及实现 数据价值的大数据挖掘和工业软件技术。 1. 1 工业互联网平台技术 工业互联网是实体经济数字化智能化转型的关键 支撑。工业互联网平台是工业互联网技术的载体，也 是实现企业智能化的核心技术载体，是链接工业全系 统、全产业链、全价值链、支撑工业智能化发展的关 键基础设施。图1所示为工业互联网平台的基本技术 组成和体系架构。 工业互联网的基本技术组成和体系架构由图1所 示自左至右的网络、数据、安全三大技术体系组成， 其中“网络”是工业数据传输交换和工业互联网发展 的支撑基础，“数据”是工业智能化的核心驱动，“安 全”是网络与数据在工业中应用的重要保障。基于三 大体系，工业互联网重点构建三大优化闭环，如图1 所示，面向机器设备运行和生产过程优化的闭环①， 面向生产运营决策优化的闭环②，以及面向企业协 同、用户交互与产品服务优化的全产业链、全价值链 的闭环③，并进一步形成智能化生产、网络化协同、 个性化定制、服务化延伸等四大应用模式。工业互联 网平台基本的逻辑和本质是“数据+模型=服务”[17] 。 图1 工业互联网平台的基本技术组成和体系架构[17] ·2· 造纸工业智能化 《中国造纸》2020 年第 39 卷 第 8 期 1. 1. 1 造纸产业链中存在的价值缺失 造纸产业链涵盖了供应商、造纸企业、销售商和 消费者等多方面。现在造纸产业链各环节中存在哪些 主要问题及其价值缺失？ （1） 造纸企业存在自身“信息孤岛”和数据冗 余，难以发挥全厂自动化系统的功能作用。为了提高 生产效率，许多大型造纸企业搭建了各种全厂自动化 系统工业软件，例如企业资源管理系统 （Enterprise Resource Planning， ERP）、 能 源 管 理 系 统 （Energy Management System，EMS）、制造执行系统 （manu⁃ facturing Execution System，MES） 等。但是在运行中 并没有将这些子系统进行集成，各子系统所需数据需 要各自多次录入，因而增加了信息维护工作量和出错 机会，每个子系统都是一座“信息孤岛”。这些子系 统的功能虽然不同，但使用的数据往往存在交叉重 叠。然而由于每个子系统提供的数据内容和格式不统 一，造成各子系统之间不可调用，存在数据的冗余。随 着造纸生产过程数据的沉淀基数的增加，上述问题对系 统的维护、运行效率都存在很大的影响[18-20] 。造纸企业 通过打破“信息孤岛”，将能充分发挥生产大数据的资 源价值。 （2） 造纸企业不适应消费者对纸品多样化和定制 化的需求。随着消费水平的提高和消费观念的变化， 消费者不再满足于纸产品是否充足，提出了纸产品的 多功能化，例如湿纸巾、餐巾纸、厨房用纸、包装纸 等；提出了纸产品样式的多样化的新要求，例如小包 纸、卷纸、抽纸、印花纸、香味纸等。但是由于造纸 企业的生产线是基本固定的，只能通过不断增加每条 生产线的长度和复杂度去适应消费者的需求，这样不 仅增加了生产的复杂度，而且提高了生产成本。同时 随着产品定制化的快速发展，增加生产线长度和复杂 度的方式并不能跟上定制化产品更新的速度。如何利 用工业互联网技术、及时了解当前消费者的心理、最 大程度地提高生产线的灵活性、缩短产品更新周期、 提高效益是企业必须解决的新问题。 （3） 销售商难以适应市场的新变化。销售商依据 往年的销售量制定进货计划，因此进货较为固定。市 场的实际情况是由于消费方式的不同，例如网购、网 络带货等方式的出现，不同产品的销售量会有大幅波 动，使供应链调度的难度增大。利用工业互联网技术 挖掘消费者与销售量之间的更深层次关系，提前预测 销售量和进货计划，可以提高供应链调度速度和效益。 （4） 造纸企业自身很难解决设备的运维问题。生 产过程中存在频繁的非计划停机，大部分属于设备故 障。为了保障设备运维，工厂不得不花费巨大的人力 成本。另外，自身运维的时滞性也降低了造纸生产过 程的效率。因此，对于设备供应商而言，提供服务型 制造，保障客户设备正常运维，既能为造纸厂带来提 高生产过程效率而产生的价值，又能为设备供应商带 来服务型制造的新价值。 1. 1. 2 应用工业互联网技术助力造纸产业链创造 价值 工业互联网技术为打通整条产业链上下游的信息 提供了平台，能够帮助解决上述问题。通过工业互联 网平台把设备、生产线、产品和供应商与客户紧密地 连接融合起来。可以帮助制造业拉长产业链，形成跨 设备、跨系统、跨厂区、跨地区的互联互通，从而提 高效率，推动整个制造过程和制造服务体系智能化， 实现制造业和服务业之间的跨越发展。通过构建工业 互联网平台，使制造业产业链和价值链中各种要素资 源能够高效共享，创造新的价值。迄今，工业互联网 技术能为造纸工业转型升级和智能化提供如下主要 功能： （1） 构建精准、实时、高效的数据采集互联体 系，建立统一的面向工业大数据存储、集成、访问、 分析、管理的开发环境和应用环境。工业互联网平台 的这种功能解决了如何采集造纸产业链中各环节的海 量数据，把来自机器设备、业务系统、产品模型、生 产过程及运行环境中的海量数据统一汇聚到平台上， 实现物理世界隐性数据的显性化，实现数据的及时 性、完整性、准确性和共享性，为解决“信息孤岛” 和实现企业数字化、信息化和智能化提供工业大数据 基础。工业大数据不仅是企业智能化的基础，而且在 工业大数据中隐藏着许多可创造价值的资源。 （2） 构建和支撑包括工业技术、工业经验和知识 的模型化、软件化、复用化的通用和专用的工业模型 和工业软件。工业互联网平台的这种功能可把已知的 工业技术、知识、经验和方法以数字化模型的形式沉 淀到平台上，形成各种软件化的模型 （机理模型、数 据分析模型、大数据模型等），造纸企业基于这些数 字化模型对上述采集和存储的各种工业数据进行分 析、挖掘、展现，实现“数据-信息-知识-决策”的迭 代，以数据的有序自动流动，解决复杂制造系统面临 的各种不确定性。最终把正确的数据、以正确的方 式、在正确的时间传递给正确的人和生产过程装备， 实现优化生产过程和企业管理，提高企业的各种效 益，创造更多的价值。 （3） 实现造纸产业链全生命周期的协同管理和优 ·3· China Pulp & Paper Vol. 39，No. 8，2020 造纸工业智能化 化，包括协同研发设计、生产管理和优化、产品质量 检测、企业运营决策、设备预测性维护，优化资源配 置效率，形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同 演进的制造业生态。 1. 2 5G网络技术 实现造纸产业链中各环节的互联互通是通过部署 和应用现场总线、工业以太网、无线网络、物联网等 通信技术，使企业具备将人、机、物等有机联通的环 境。互联互通成熟度的提升是从设备间，到车间、到 工厂以及企业上下游直至整条产业链系统之间的互联 互通，体现了对系统集成、协同制造等的支撑。企业 网络基础和通信环境建设是企业智能化的重要基础设 施，是工业互联网平台的三大组成系统之一。我国在 5G 网络技术研发、产业化和商业化方面都走在世界 前列，为我国制造业数字化、信息化和智能化提供了 良好的通信基础和环境。 1. 2. 1 当前制造业网络通信技术环境的短板 当前制造业 （包括造纸行业） 的网络通信技术的 短板主要表现在 4G 互联网技术并不能做到对上亿级 别的数据进行采集、存储和实时处理，也无法做到大 量数学模型、智能算法同时实时计算，存在时滞问 题[21-22] 。造纸企业生产过程，随着产品定制化的发展， 生产过程调度的复杂性成指数性上涨，造纸生产过程 各环节的通信和决策时间随着生产智能化程度的加深 要求更短，解决方案需要更快更优。当前 4G 互联网 技术通信技术的容量 （带宽） 和速度短板，使制造业 的数据和信息通信速度、计算和决策速度、优化和控 制速度都不能与智能制造的要求相匹配，不能灵活配 合完成高难度的生产调度活动。 1. 2. 2 5G网络技术的应用为造纸智能化升级提供了 网络通信基础 5G 网络技术的商用化，为上述问题提供了解决 方案，可实现“人与人，人与物，物与物”之间实时 的万物移动互联。因为 5G 技术具有超高速率、超大 容量以及超低时延的优势，5G 技术能够为造纸智能 升级提供以下帮助： （1） 突破物联网的成本门槛 应用具有高速率、高可靠性、低时延的 5G 通信 技术构建物联网 （Internet of Thing，IoT），造纸企业 不再需要复杂的线缆进行数据和信息的传输，实现 “人与人，人与物，物与物”之间以及各环节各系统 之间数据和信息的直接无线传输、无线控制。另外， 高可靠性的 5G 物联网传输既节省了购买和维护线缆 成本，又极大减少了由线缆引起的安全隐患。 随着线缆的消失，利用高可靠性网络的连续覆 盖，许多设备可以装上轮子 （或其他装置） 在工厂里 移动，按需到达各个地点，为造纸过程灵活调整设备 位置、灵活分配任务的柔性生产线创造了条件。 （2） 实现实时快速准确的信息传送 实时快速准确的信息传送，为实现智能制造中的 “软件定义制造”“定制制造”等新的生产方式打下了 可靠的通信基础。例如，实时快速准确的信息传送， 为实现生产过程各种数据采取和存储、分析和挖掘， 为实现“数据-信息-知识-决策”的迭代，实现以数据 的有序自动流动和闭环解决复杂制造系统面临的各种 不确定性奠定了坚实的网络通信基础。 另外，5G网络带来IoT，使万物互联、万物信息 交互，使得造纸企业的设备维运实现突破工厂边界。 随着更多设备、更多部件被连入 5G 网络，设备和零 部件的运转数据可实时送到供应商，通过供应商进行 专业的故障预测，大大减少企业故障发生次数。即使 发生了故障，设备供应商可通过 5G 网络第一时间获 取故障信息，利用虚拟现实技术 （Virtual Reality， VR） 等指导工厂实时处理，越来越多的问题可通过 在线方式解决。降低了供应商的人工成本，同时也减 少了企业设备的运维成本和缩短了设备的维修时间。 1. 3 工业大数据与人工智能建模技术 企业智能制造的基本驱动力是工业大数据，而工 业大数据的价值应用是要通过模型和工业软件 （工业 大数据+模型） 去实现的，因此，工业大数据和建模 与工业软件技术是智能制造的关键技术。工业大数据 主要作用是打通物理世界和信息世界，再通过建模和 工业软件等人工智能技术在智能化设计、智能化生 产、网络化协同制造、智能化服务、个性化定制等产 品全生命周期过程中发挥作用。在智能化设计中，通 过大数据+模型技术对产品数据分析，实现自动化设 计和数字化仿真优化；在智能化生产过程中，工业大 数据+模型技术可以实现在生产制造中人机智能交 互、制造工艺的仿真优化、数字化控制、状态监测 等，提高生产故障预测准确率，综合优化生产效率； 在网络化协同制造中，工业大数据+模型技术可以实 现智能管理的应用，如产品全生命周期管理、客户关 系管理、供应链管理、产供销一体等，达到过程协同 与透明化；在智能化服务中，工业大数据+模型技术 通过工业大数据的全流程建模，对数据源进行集成贯 通，可以支撑以个性化定制为代表的典型智能制造模 式。工业大数据的上述应用是要通过工业软件去实 现的[23] 。 ·4· 造纸工业智能化 《中国造纸》2020 年第 39 卷 第 8 期 工业软件是指为提高工业研发设计、业务管理、 生产调度和过程控制水平的相关软件与系统。工业软 件承载着工业大数据采集和处理的任务，又是工业大 数据的重要产生来源。工业软件支撑实现工业大数据 的系统集成和信息贯通，实现工厂从底层到上层的信 息贯通，推动工厂内“信息孤岛”聚合为“信息大 陆”。工业软件承担着对各类工业数据进行采集、集 成、分析和应用的重要功能，是工业大数据技术体系 中负责优化、仿真、呈现、决策等关键职能的主要组 成部分。工业软件中用到的许多模型，常常要应用大 数据人工智能建模方法去完成。 1. 3. 1 我国造纸行业大数据和工业软件技术的基础 十分薄弱 我国造纸行业大数据和工业软件技术的基础薄弱 主要表现在：①生产过程变量和设备参数的感知能力 低，工业大数据的采集范围窄，不少过程变量和设备 参数还没有合适的传感器去测量，或者还没有经过合 适的数字化处理，不能成为有用的数据。②现有的数 据资源还没有认真地开发利用。③从“物化知识”转 型到“软件知识”的工作还未真正开展。在传统的工 业生产中，长期积累的工业技术/知识和经验 （knowhow） 等是通过物化 （书本、图纸和人体介质） 承载 和表达的，用物传人、人传人的方式传递应用，称为 “物化知识”。“物化知识”受到时间和空间的巨大限 制，难以适应智能制造的要求。因此实现智能制造的 核心转型工作之一是要把“物化知识”转型升级为 “软件知识”，把“物化知识”数字化和软件化，用软 件作为知识的最佳载体和传递手段。 随着造纸企业生产系统越来越复杂，人们应对复 杂系统的驾驭能力将成为制约技术进步和生产发展的 瓶颈。虽然造纸过程自动化程度高，生产过程中设备 和过程的操作运维等还高度依赖个人，企业所关心的 订单满足率、及时率、产能浪费、原材料库存等关键 指标，还是按照个人的经验进行排产和调度，而个人 的知识经验还处于“物化知识”阶段，导致工作量 大，易出错，需要花大量时间对人员进行培训。如果 把物化知识转化为软件知识，成为工业软件加入到工 业互联网平台中，实现闭环优化，将能自动地完成上 述任务，开拓存在造纸过程中的优化和效益空间。 1. 3. 2 大数据和工业软件技术助力造纸企业智能化 升级 工业互联网的核心功能是基于数据驱动的数据优 化闭环去实现企业智能化。数据优化闭环的构成主要 包含感知控制、数字模型、决策优化三个基本层次， 以及自下而上的信息流和自上而下的决策流，如图2 所示[17] 。 数据优化闭环的数据功能包含数据集成与管理、 数据模型和工业模型构建、信息交互三类功能。其 中，数据模型和工业模型构建是综合利用大数据、人 工智能等数据方法和各类工业经验知识，对过程行为 特征和因果关系进行抽象化描述，形成各类工业软 件。数据优化闭环中的决策优化层聚焦数据挖掘分析 与价值转化，形成工业数字化应用核心功能，主要包 括分析、描述、诊断、预测、指导及应用开发。自下 而上的信息流和自上而下的决策流形成了工业数字化 应用的优化闭环，以数据分析决策为核心，实现面向 不同工业场景的智能化生产、网络化协同、个性化定 制和服务化延伸等智能应用解决方案。 构建了如图2所示的造纸企业数据和工业软件为 核心的数据优化闭环，将为造纸企业智能化升级，提 供如下功能： （1） 实现机器设备运行和生产过程的闭环优化控 制，挖掘数据价值，达到生产过程的精准化、高效 化，大幅度降低对人力的需求，提高生产过程中安全 性和稳定性，提高生产效率。 （2） 实现面向生产运营决策优化闭环和面向企业 协同、用户交互与产品服务优化的全产业链、全价值 链的决策闭环优化，通过精准预测市场需求、个性化 定制和服务化延伸等智能化技术，由标准化生产向柔 图2 数据优化闭环 ·5· China Pulp & Paper Vol. 39，No. 8，2020 造纸工业智能化 性化生产转变，提高生产效率，降低生产成本。 （3） 实现生产过程全面监控，严格把控产品质 量。智能检测设备可以覆盖产品检测的全过程，大幅 度降低生产过程中出现的次品率，对于已出现的产品 问题相关数据信息进行收集并分析，利用已有的数据 库信息对残次品进行统一批量化处理，有效保证产品 的质量。 综上所述可知，造纸企业智能化升级就是应用工 业互联网、5G 网络通信、大数据、工业软件和人工 智能等新一代信息技术与造纸工业技术深度融合，实 现生产高效协同、资源优化配置，解决整个制造产业 链中人、设备等各个环节之间存在的各种协作优化问 题，实现效率最大化。 2 造纸企业智能化转型路径的思考 2. 1 造纸企业智能化转型应遵循的原则 我国大多数造纸企业仍处于基础自动化阶段，传 统自动化系统解决方案仍占主流。针对造纸企业智能 制造提供整体解决方案的业务尚处于发展初期。随着 我国智能制造的推进，整体解决方案的市场规模将加 速增长，经过市场验证的解决方案成熟度将进一步提 升。因此，我国造纸行业的智能化转型升级，要遵循 “做好规划，抓住重点；跨界集成，协同创新；分类 指导，先易后难；效益导向，稳妥实施”的原则。 （1） 做好规划，抓住重点。行业要组织力量，做 好规划，着力研发面向造纸行业智能制造的关键共性 技术。例如，适用于造纸行业的工业互联网平台，造 纸行业的各种工业软件和 APP，造纸行业的智能装 置等。 （2） 跨界集成，协同创新。在技术研发和应用推 广过程中，应该走跨界集成、协同创新之路，要主动 与相关行业合作，闭门自守将会落后。行业要支持既 懂互联网又懂造纸工业生产的高端技术研发和服务公 司的发展。 （3） 分类指导，先易后难。根据我国造纸工业技 术水平差异，在转型过程中要先易后难，逐步实现。 首先，要釆取有效措施提高企业自动化水平和装备水 平，走完工业3. 0的路程。其次，在基础较好的造纸 企业，要主动融入工业智能化技术产业生态圈，主动 推广应用新技术。企业要积极参与“企业上云”，提 高企业数字化、信息化、精细化和优化管理水平手 段，在此基础上逐步提高智能化水平。 （4） 效益导向，稳妥实施。实现企业智能化是一 个渐进过程。而且是在原有自动化水平的基础上完善 和发展的，要一步一个脚印，以效益为导向，稳妥 实施。 以智能制造为代表的第四次工业革命，是一次技 术突破和企业重构。同时，它也是一种技术思维方式 的转变：要用大系统的思维方法去思考问题；要用跨 界集成、协同创新的互联网思路去寻找解决问题的方 法；要用闭环优化与智能化的技术手段去提高效益， 实现预期目标。 2. 2 造纸企业智能化转型分两步走 造纸企业的智能化转型分为两步走，先走初级阶 段，再走高级阶段。初级阶段是指实现企业数字化网 络化，提高数据化运营能力；高级阶段是指真正实现 智能化工厂。 在初级阶段，造纸企业实现数字化网络化，不断 提升企业数据化运营能力为核心，根据企业自身发展 模式和发展战略，以解决企业当前的业务痛点为切入 点，逐步实现覆盖生产全过程和连接产业链上下游的 数字化网络化，在此基础上形成适应自身需求和特点 的数据化运营优势，达到提高企业运营效率的目标。 在高级阶段，造纸企业以不断提升生产过程闭环 优化和智能化为目标。通过企业在实现数字化网络化 过程中沉淀下来的工业大数据和企业自身的工业技术 知识，采用基于大数据和人工智能技术的建模方法， 搭建企业工业软件和智能化微平台，进而构建企业工 业互联网平台，实现如图 1和图 2所示的面向设备运 行和生产过程的闭环优化，面向生产运营决策的闭环 优化，以及面向企业协同、用户交互与产品服务优化 的全产业链、全价值链的闭环优化，进一步形成智能 化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸等四 大应用模式，以达到优化企业资源配置，提高产品质 量，降低生产成本，提高生产效率的目标。技术核心 是如何应用“工业大数据+模型 （工业软件） +应用” 技术去实现上述的三个“闭环优化”。 2. 2. 1 初级阶段：逐步实现和完善企业数据化运营 数据化运营是通过对企业大数据的采集处理、分 析挖掘，为企业 （数据使用者） 提供科学、准确和专 业的数据解决和应用方案，利用企业大数据通过企业 内、企业间的协同和各种资源的共享与集成优化，重 塑企业在造纸工业产业链中的价值链，以提高企业的 效益。在造纸企业实现了数字化网络化后，将有效地 解决数据的采集和“连接”问题，通过网络将相关的 人、流程和事物的行为用数字化数据形式相互连接起 来，收集到海量数据，为实现企业数据化运营打下坚 实的基础。 ·6· 造纸工业智能化 《中国造纸》2020 年第 39 卷 第 8 期 造纸企业数据化运营平台具有如下几个基本功能： （1） 具有数据采集与管理功能，主要包括数据在 线采集、数据处理、数据存储以及运算功能。包括传 感器、检测装置、现场总线通信、异构数据的集成、 边缘计算、互联网、云 （存储+计算）、工业安全等 基础设施的构建和集成应用。 （2） 具有业务数据数字化功能，将造纸生产过程 的所有信息，包括人、机、料、环、测的数据数字 化。例如，对于物料数据，除了在线测量录入外，还 需建立物化性质预测模型以及物料估算模型，实现物 料的数据化。利用爬虫技术，建立数据抓取模型，实 现生产环境关键参数 （例如温度、湿度等） 的实时采 集；对无法检测的质检数据建立软测量装置，实现所 有质检数据的实时采集与数字化。 （3） 具有数据的在线化功能。对采集的数据按 照统一的标签进行标记，建立数据采集以及管理的 统一规则，然后利用数据挖掘技术，挖掘数据之间 的关联关系，建立关联规则，根据关联规则进行分 类存储，实现数据的融合与协同，便于在线按需快 速调用。 （4） 具有数据的业务化功能。根据企业的需求， 把累积大数据业务化。把包括安全生产、稳定质量、 提高效率和缩短交货周期等场景的各类数据，利用数 据挖掘技术，挖掘沉淀在数据中包含的更深层次的信 息，从而开展新业务。 2. 2. 2 高级阶段：逐步实现企业智能化 如上所述 （图 1~图 2），工业互联网平台是实现 企业智能化的核心技术载体，企业在实现数据化运营 过程中，通过不断积累大数据、建立和完善工业软件 和三个优化闭环功能，开发造纸行业的工业互联网平 台和具有企业自身特色的工业互联网平台， 逐步迭 代完善，实现企业智能化。 图 3 所示是工业互联网平台关键技术体系[17] 。技 术体系由数据采集技术、PaaS 通用功能技术、软件 开发工具技术、微服务技术、建模与应用技术和信息 安全技术等6项技术集成。 其中，工业微服务是工业互联网平台的核心，核 心的要素组件是基于微服务架构的数字化模型 （工业 软件）。数字化模型将大量工业技术原理知识、基础 工艺、实践经验等规则化、软件化、模块化，并封装 为可重复使用的组件。同时，面向特定工业应用场 景，对海量工业数据进行深度分析和挖掘，能够快速 建立可复用、可固化的智能应用模型。另外，在工业 技术、知识、经验和方法以模型的形式沉淀为数字化 模型后，海量数据加载到数字化模型中，进行反复迭 代、学习、分析、计算等大数据挖掘，可以回答生产 过程 4 个基本问题：首先是描述 （Descriptive） 发生 了什么？其次是诊断 （Diagnostic） 为什么会发生？ 再次是预测 （Predictive） 下一步会发生什么？最后是 决策 （Decision） 该怎么办？由此，驱动过程闭环优 图3 工业互联网平台关键技术体系 ·7· China Pulp & Paper Vol. 39，No. 8，2020 造纸工业智能化 化和智能化。 例如，开发造纸工业生产工艺流程模拟系统，通 过数字化还原整个生产过程，实现产品或生产线的在 线设计，缩短产品的更新周期。又如，构建造纸生产 过程工艺优化模型，利用数字镜像模型模拟运行优化 结果，将优化后的参数传传输给实际生产系统，然后 利用过程控制技术，调整生产过程，实现过程闭环优 化控制。再如，开发智能调度优化模型，实现柔性化 新型人机交互，工业大数据，以成本和能耗最低为目 标，建立生产优化调度模型，利用模型结果在线修改 排产计划，并利用集散控制系统 （Distributed Control System，DCS）、可编程逻辑控制器 （Programmable Logic Controller，PLC） 等控制技术，实现用优化后 结果闭环优化运行调度。另外，可实现供应链优化： 基于造纸企业数据运营能力，构建产业上下游优化协 同生产，实现生产决策数字化协同优化，实现生产制 造企业设备云端服务，最终实现企业运营及生产能力 上云协同。实现智能物流体系的构建，保证资源的精 确共享，保证了订单的准时交货，降低生产成本。还 有，可重构产业链，重新整合造纸工业的产业链，形 成新的产业集群。在不同的产业集群中，各个产业链 元素的价值链更加透明，相同产业链元素更加集中， 使产业链分工变得高度有效，相互精准地对接，形成 一个智能化的经济体。 3 在维达纸业的实践案例 近几年来，广州博依特智能信息科技有限公司 （以下简称博依特公司） 与华南理工大学合作，在维 达纸业进行了企业智能化转型的探索与实践。维达纸 业基本实现了工厂数据化运营部分智能化运营，成为 我国造纸智能化转型走在前沿的大型造纸企业。下面 以在维达纸业的实践为案例，介绍数据化运营以及智 能化运营在造纸企业的应用以及给企业带来的具体 价值。 3. 1 博依特公司工业生产数据化运营平台 （POICLOUD 3.5） 简介 博依特公司研发的工业生产数据化运营平台 （POI-CLOUD 3.5） 是为解决企业运营过程中的复杂 异构系统 （非线性、大滞后、多变量） 的问题，其数 据化运营能力涵盖了造纸企业的点-线-面，如图 4 所示。 工业生产数据化运营平台的核心技术是数据化运 营平台微服务系统。图5所示是博依特公司新一代智 能制造数据化运营平台微服务系统架构及其特点。 博依特公司自主研发的“工业互联网微服务架构 下的基础材料行业生产数据化运营解决方案”被国家 工信部评为 2019 年工业互联网试点示范项目，已在 全国造纸、陶瓷、水泥等行业推广应用。 3. 2 数据化运营平台在维达纸业的应用 在博依特公司POI-CLOUD3. 5的基础上，博依特 公司与维达纸业共同开发了适用于维达纸业的数据化 运营平台。维达纸业数据化运营平台集成了在线数据 采集、数据处理、数据存储、软测量模型以及数据实 时监测和数据分析的数据化运营系统，实现了生产过 程的数据化运营和部分过程的智能化。 在维达纸业运行的博依特公司工业生产数据化运 营平台 （POI-CLOUD 3. 5） 的主要功能如图6所示。 图7所示为维达纸业数据化运营平台现场技术路 图4 数据化运营能力涵盖了造纸企业的点-线-面 ·8· 造纸工业智能化 《中国造纸》2020 年第 39 卷 第 8 期 图5 博依特公司新一代智能制造数据化运营平台微服务系统架构及其特点 图6 数据化运营平台（POI-CLOUD 3.5）的主要功能 图7 维达纸业数据化运营平台现场技术路线 ·9· China Pulp & Paper Vol. 39，No. 8，2020 造纸工业智能化 线。维达纸业企业端的数据经由数据采集服务器和边 缘计算设备等组成的复杂异构存量集成系统 （POID1.0） 采集和处理后，通过数据通道 （POI-DC3.0） 送至生产数据化运营平台，经平台内各类模型软件的 分析和优化计算后的信息送工业交互 （POI-II2. 0） 和管理信息系统应用和显示。 为了集中实现数据的在线采集，在生产过程中， 对能够实现在线测量的生产过程的关键参数增加了传 感器以及智能电表等数据采集装置。为了沉淀生产过 程数据，利用阿里云平台对采集的数据进行实时处理 和存储。然后利用这些沉淀的过程参数，对于不能实 现在线测量的生产过程关键参数建立软测量模型。在 平台中开发了能源管理系统和设备管理系统，建立了 能源在线管理、设备状态监视、物联管理、设备效率 监测、产品质量管理、生产信息管理等子模块。利用 互联网技术以及可视化技术，在数据管理系统上实现 了生产过程的能耗、生产运行数据的实时可视监测。 并且，通过数据挖掘技术，对生产过程的数据进行分 析，找到生产过程的节能潜力，为生产过程的节能和 运行优化提供参考。 3. 3 维达纸业数据化运营平台的应用效果 数据化运营及智能化运营平台在维达纸业的多年 应用，给企业带来如下明显的效果和价值。 （1） 能耗智能预测 维达纸业利用数据化运营平台采集的用电数据， 通过数据挖掘技术，分析了其生产过程的用电特征， 同时基于智能混合算法建立了造纸过程能耗预测模 型。预测模型的预测趋势和实际基本一致，预测模型 的精准度在97%以上。图8为能耗预测模型在维达纸 业从 2018年 10月 7日到 2018年 10月 8日的预测结果 与实际应用的能耗曲线。 能耗智能预测，使企业能科学合理地采购和应用 能源。该平台应用后，每条生产线每年节能约40万元。 （2） 智能用电设备调度 维达纸业利用数据化运营平台读取的实时数据， 应用平台内基于智能优化算法建立的多目标用电调度 模型，根据模型计算的调度信息实时控制生产过程设 备的运行。该模型解决了生产工段间歇性用电设备在 满足生产需求的前提下，智能 （自主） 地实现错峰用 电，解决了降低成本的问题。该模型已用于维达纸业 （浙江） 有限公司的 2 条生产线上，每条生产线一年 可节约大约10万元的用电成本。图9为设备用电智能 调度结果示意图。 （3） 纸幅干燥过程运行优化节能 纸幅干燥过程是造纸过程蒸汽能耗最大的过程， 优化节能的潜力大。在维达纸业数据化运营平台中配 图8 能耗智能预测 图9 设备用电智能调度 ·10· 造纸工业智能化 《中国造纸》2020 年第 39 卷 第 8 期 有基于机理+数据驱动方法建立的干燥部运行优化模 型，其中有基于智能方法建立的软测量模型，用于解 决纸幅干燥过程中关键过程参数无法直接测量的问 题，包括烘缸表面温度、横幅温度、横幅湿度、气罩 排风温度和湿度等。利用机理+数据驱动的方法建立 的干燥部运行优化模型，可智能地解决纸幅存在的过 干燥和干燥不足的问题，解决纸幅干燥过程在线实时 运行优化问题，从而既保证了纸幅的质量指标又降低 了干燥部蒸汽和电的耗用量，节约了成本。实践应用 证明，平台的干燥部智能优化能力可为维达纸业节约 9%的吨纸汽耗。图10为维达纸业的纸幅干燥过程运 行优化节能结果示意图。 （4） 纸张物理性能指标的实时预测 纸张物理性能指标关系到纸张的合格率。但许多 的纸张物理性能指标无法在线测量，或者要采用破坏 性的取样离线测量，既影响纸张的成品率，又难以实 时快速的测量。在维达纸业数据化运营平台中配有基 于大数据和智能算法建立的纸张物理性能指标 （包括 松厚度、抗张强度和柔软度等） 的软测量模型。该软 测量模型能够在线直接测量出纸张的物理性指标，解 决了许多物理指标检测需破坏性采样且离线检测、测 试周期长、结果反馈滞后、检测样品人为因素影响、 不具有代表性等问题，从而保证了产品质量的实时监 测，为产品质量的在线运行优化提供实时快速的数据 依据。平台中建立的纸张物理指标软测量模型的精准 度均在 95% 以上，达到了当前软测量方法达到的精 准度要求。图 11 为纸张抗张强度的软测量实时预测 结果示意图。 （5） 智能优化排产 在维达纸业数据化运营平台中配有基于多目标混 合优化算法建立的排产优化模型。该优化模型能够帮 助维达纸业在紧急销售订单进来时，平台系统可提供 紧急插单管理功能，根据紧急销售订单重排生产计划 和排产结果，平台可给出最合适生产的纸机的选择和 插单时间的选择。一旦插单选择明确，平台系统会根 据排产优化模型算出的插单结果，给出最新的排程建 议。图12为智能排产结果示意图。与人工排产相比， 排产优化模型时间缩短6.8%，成本降低4.2%。 图10 纸幅干燥过程运行优化节能结果 图11 纸张抗张强度实时预测结果 ·11· China Pulp & Paper Vol. 39，No. 8，2020 造纸工业智能化 维达纸业数据化运营平台已在公司的广东、浙 江、湖北等 8 个生产基地的 80 余条生产线上应用上 线，通过数据分析挖掘出 88 项潜力点，累计增效 2400余万元。投入产出回报约 1~1.5年。 4 结 论 4. 1 造纸企业智能化转型升级是造纸产业转型的重 要组成部分，是造纸产业转型和发展的必经之路。随 着造纸业生产过程和市场变化复杂性的提高和不确定 性的增加，传统的以数学模型驱动的自动化技术已难 以满足生产发展的需求。伴随着以 5G 网络、工业互 联网以及大数据人工智能为代表的新一代信息技术的 快速发展，造纸企业智能化转型升级成为可能。 4. 2 造纸工业智能化转型大体可以分为两个实施阶段， 第一个阶段（初级阶段）是实现企业数据化运营，核心 是要实现企业数字化网络化及工业数据的价值化；第二 个阶段（高级阶段）是实现企业智能化生产，核心是要 实现企业的“三个闭环优化”，即面向设备运行和生产 过程的闭环优化，面向生产运营决策的闭环优化，以及 面向企业协同、用户交互与产品服务优化的全产业链、 全价值链的闭环优化，实现装备智能化、生产过程智能 化、供应链智能化以及生产链的智能重组以及自主决 策。每个企业智能化的未来目标虽然不尽相同，但是每 个企业都应根据自己的未来发展规划，尽早进行布局， 可以从企业最关心的基础痛点问题入手，比如先用数据 化手段解决操作人员的效率提升、产品配方优化和节能 等问题，企业管理步入正规化后，引入数据化运营系 统，在此基础上逐步实现智能化生产。 4. 3 维达纸业的应用实践证明，被国家工信部评为 2019 年工业互联网试点示范项目的广州博依特智能 信息科技有限公司研发的“工业互联网微服务架构下 的基础材料行业生产数据化运营解决方案”具有明显 的应用推广价值，为造纸工业数据数字化网络化，打 通企业内部生产单元之间以及上下游各个企业间的信 息壁垒，实现工厂内部的协作提供了技术支持，为大 量造纸工业的生产信息数据的采集、实时处理以及存 储提供了技术支持。研发了许多适用于造纸行业大数 据应用模型、优化模型和工业软件，构建了造纸企业 数据化运营平台，为企业处理和分析工业大数据提供 了技术支持，取得了较好的效果。 4. 4 企业的智能化转型升级是第四次工业革命的重 要内容，既是一次技术突破和企业重构，又是一种技 术思维方式的转变，要用大系统的思维方法去思考问 题，要用跨界集成、协同创新的数据互联思路去寻找 解决问题的方法，要用闭环优化的技术手段去提高企 业效益，实现预期目标。因此，造纸工业智能化转型 升级的实现必然是一个较漫长的过程，每个企业都需 根据自身业务需要， 遵循“做好规划，抓住重点； 跨界集成，协同创新；分类指导，先易后难；效益导 向，稳妥实施”的原则，早日做出相应的努力，才能 早日实现企业的智能化转型。 参 考 文 献 ［1］ China Paper Association，China Technical Association of Paper Industry. 图12 智能排产结果示意图 ·12· 造纸工业智能化 《中国造纸》2020 年第 39 卷 第 8 期 White paper on sustainable development of China's paper industry［R］. 2019. http：//www. chinappi. org/reps/20190226104141217819. html. 中国造纸协会，中国造纸学会. 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