能效大數(shù)據(jù)科學及能源管理人工智能前瞻

摘要：本文第一部分重點講述上汽通用汽車金橋動力廠在能源數(shù)據(jù)缺失情況下，以粗獷的能源管理方式無法滿足公司“綠動未來”戰(zhàn)略為契機，建立能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)過程，并開展能效大數(shù)據(jù)科學分析體系，實現(xiàn)了能源效率大幅提高；第二部分則前瞻性地描繪出能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)如何實現(xiàn)智能性地指導生產(chǎn)運行，進一步優(yōu)化能源利用效率，并隨著生產(chǎn)線設(shè)備的自動化提高，最終實現(xiàn)能源管理人工智能化、自動化。

關(guān)鍵詞：能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、產(chǎn)品單臺能耗、非生產(chǎn)時間能耗比例、復費率、能源效率。

Abstract：The first part of this paper focuses on JQ powertrain plant energy in case of missing data，rough energy management methods cannot meet the company "green future" strategy as an opportunity to establish energy big data management system，and carry out the analysis of system efficiency of big data science，to achieve energy efficiency is greatly improved；the second part prospective to figure out how to realize the intelligent energy data management system to guide the production operation，and further optimize the energy efficiency，and with automatic production line equipment improved，finally realize the energy management of artificial intelligence and automation.

Key words：energy efficiency big data management system，real-time monitoring data，unit energy consumption per unit，non-production day energy consumption ratio，complex rate， energy efficiency.

引言

能源計量的不完善，使能源管理工作舉步維艱。2014年，金橋動力總成廠提出2年奠定能效大數(shù)據(jù)管理基礎(chǔ)，5年初步實現(xiàn)能源管理人工智能化建設(shè)。經(jīng)過3年多的探索，金橋動力總成建立起適合金橋動力總成廠實際情況的能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并邁出了能源管理人工智能的第一步。

一.能效大數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)背景

上汽通用汽車PT工廠，有金橋、東岳、北盛和武漢四個工廠。由于區(qū)域不同、生產(chǎn)情況不盡相同等原因，產(chǎn)品單臺能耗差異很大。公司管理層要求通過產(chǎn)品能耗對標，找到有效的節(jié)能降本機會。金橋PT經(jīng)過20年發(fā)展，供電母線分布和生產(chǎn)線設(shè)備布局已經(jīng)不一致，導致產(chǎn)品能耗無法準確區(qū)分計量，并由此產(chǎn)生了能耗異常無法跟蹤分析、能源利用率無法優(yōu)化提高、節(jié)能項目節(jié)能量無法量化、新項目設(shè)備設(shè)計沒有節(jié)能數(shù)據(jù)考量等問題。所以，《能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)》項目于2014年10月啟動。能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建設(shè)包括兩部分：1.能源計量柔性化（硬件）；2.能效大數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用（軟件）。

二.能源計量柔性化需求

針對供電母線布局和設(shè)備布局不一致情況，金橋PT能源管理人員和公司工程部門充分展開討論，對二種方案進行可行性確認。第一種方案，在進行新生產(chǎn)線設(shè)備布局規(guī)劃時，嚴格按照供電母線的布局進行設(shè)備同向布局設(shè)計，并且同一生產(chǎn)線務(wù)必由指定的供電母線供電，如果出現(xiàn)個別設(shè)備離開規(guī)定供電母線較遠，也必須加長電纜連接。但是這種方案存在三大問題：1.由于車間布局空間問題，設(shè)備和供電母線間的連接電纜會出現(xiàn)很長情況，并且這么長的電纜一定會和其他設(shè)備的連接電纜發(fā)生交叉，安裝施工難度大，并且以后也難于管理；2.會出現(xiàn)母線容量使用不足，繼而產(chǎn)生資源浪費和無功增大等情況；3.這樣硬連接方式，給以后的改造升級埋下了硬傷。第二種方案，就是對每臺生產(chǎn)線設(shè)備進行智能電表安裝，并通過局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)采集，這樣，不管生產(chǎn)線怎么布局，各種資源都可以最大效率地使用，而且可以實現(xiàn)柔性計量。

三.系統(tǒng)功能與組成構(gòu)架

能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，通過Modbus數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)設(shè)置導入引擎、歷史數(shù)據(jù)引擎和實時數(shù)據(jù)引擎組成。在設(shè)置與管理功能方面，考慮到能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是屬于實時數(shù)據(jù)庫解決系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)分析方面要求高性能、橫向分布式擴展等需求，所以采用基于MemSQL實時內(nèi)存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行開發(fā)，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)源管理、能耗分類與分項管理、能源費率管理、產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、用戶權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫管理、軟件授權(quán)管理等功能塊。

四.能效大數(shù)據(jù)分析

能效大數(shù)據(jù)分析，主要是以上汽通用汽車在能源管理方面的KPI指標進行展開，形成以用能單位為X軸，時間跨度為Y軸，能效模塊分析為Z軸的多維度分析模型（如圖），共涵蓋7大分析模塊：

1.實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及歷史跟蹤

2.設(shè)備設(shè)施能耗構(gòu)成分析

3.設(shè)備狀態(tài)能耗數(shù)據(jù)分析

4.產(chǎn)品能耗構(gòu)成分析

5.非生產(chǎn)時間能耗分析

6.復費率---成本優(yōu)化指導

7.移動端數(shù)據(jù)異常報警

1.實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及歷史跟蹤模塊

能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，采用西門子PAC3200智能電表讀取，以Modbus TCP協(xié)議方式，通過局域網(wǎng)進行傳輸。該型號電表可采集參數(shù)達數(shù)百項，考慮到存儲數(shù)據(jù)量及提高運行速度，目前能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對每個電表的三相電流、有功功率、功率因數(shù)、電流不平衡度、電壓不平衡度等基本參數(shù)進行采集及跟蹤分析。

2.設(shè)備設(shè)施能耗構(gòu)成模塊

1）查詢條件的設(shè)定，包括起始日期，結(jié)束日期，查詢時間單位，這些都設(shè)定好后，點擊查詢鍵就可以得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)和圖表；

2）各載體能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，載體包括設(shè)備、車間風機、冷凍站、辦公生活、倉儲和實驗測量、公共分攤，這些載體統(tǒng)計的數(shù)據(jù)主要包括各區(qū)域的總能耗、對應(yīng)的能耗占比、查詢時間段內(nèi)能耗均值及查詢時間段內(nèi)每單位時間的實際能耗；

3）對應(yīng)于上面表格數(shù)據(jù)的餅圖和柱狀圖，餅圖是整個工廠的能耗構(gòu)成比例圖，清晰顯示出整個工廠能耗在設(shè)備、空調(diào)、辦公生活及公共分攤等各個區(qū)域的能耗占比。

3.設(shè)備狀態(tài)能耗數(shù)據(jù)分析模塊

1）查詢條件的設(shè)定，包括時間段設(shè)定和具體設(shè)備選擇設(shè)定；

2）在查詢時間段內(nèi)選定設(shè)備的實時能耗狀態(tài)，整個狀態(tài)根據(jù)設(shè)備運行狀況，分為正常加工運行狀態(tài)、空運轉(zhuǎn)狀態(tài)、待機狀態(tài)和關(guān)機狀態(tài)四種，并對這四種狀態(tài)的時間和實際能耗進行統(tǒng)計分析；

3）對應(yīng)于上面表格數(shù)據(jù)的餅圖和柱狀圖，餅圖分二部分，選定設(shè)備的不同狀態(tài)的能耗占比圖、選定設(shè)備的不同狀態(tài)的時間占比圖。

4.產(chǎn)品單臺能耗分析模塊

1）產(chǎn)品在查詢時間段內(nèi)的單臺能耗、產(chǎn)量及設(shè)定查詢單位內(nèi)實際能耗值，這里的產(chǎn)品單臺能耗在統(tǒng)計計算時包含產(chǎn)品生產(chǎn)用的設(shè)備能耗以及風機、冷凍站、辦公等能耗的分攤；

2）對應(yīng)于上面表格數(shù)據(jù)的餅圖和柱狀圖，餅圖是產(chǎn)品單臺能耗中設(shè)備能耗、各分攤能耗的構(gòu)成比例圖，柱狀圖是每查詢時間單位內(nèi)的實際能耗，隨著鼠標點擊的行不同，顯示不同的圖表；

5.非生產(chǎn)時間能耗比例模塊

1）在查詢時間段內(nèi)的各產(chǎn)品設(shè)備、風機、冷凍站及辦公等區(qū)域在生產(chǎn)日和非生產(chǎn)日的平均日能耗，以及相應(yīng)的非生產(chǎn)日能耗占比；

2）對應(yīng)于上面表格數(shù)據(jù)的餅圖和柱狀圖，包括生產(chǎn)日和非生產(chǎn)日平均能耗絕對值、生產(chǎn)日均值和非生產(chǎn)日均值能耗的構(gòu)成進行比例細化。

6.復費率----花最少的成本，用等量的能源

1）查詢條件的設(shè)定，包括時間段設(shè)定和生產(chǎn)線選擇設(shè)定；

2）在查詢時間段內(nèi)，以半小時為單位，進行該生產(chǎn)線的能耗使用顯示，同時不同顏色曲線顯示各個時間段的電費價格，以指導生產(chǎn)線明確自己班次用能優(yōu)化機會；

3）對應(yīng)于峰平谷時間段內(nèi)的能耗，進行統(tǒng)計分析，計算出峰平谷時間內(nèi)的能耗值及比率，計算出整個班次的時間用電價格；

7移動端數(shù)據(jù)異常報警

1）對于設(shè)備異常關(guān)停，數(shù)據(jù)采集中斷的報警；

2）對于數(shù)據(jù)分析輸出超出設(shè)定指標，導致能耗浪費的報警；

五、能源管理人工智能前瞻

目前，我們已經(jīng)建立起能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，但是，一個完整的能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，應(yīng)該涵蓋三大里程碑。

第一階段，數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)階段。計量覆蓋率100%，數(shù)據(jù)采集不受生產(chǎn)空間限制，實現(xiàn)能源計量柔性化。能源數(shù)據(jù)采集完善，結(jié)果分析科學有效，支持管理人員進行工作開展，大幅提高了能源使用效率。這個階段的特點是，有明確的分析數(shù)據(jù)支持能源管理人員有效開展工作；但是，這個階段的能源管理工作是單向的，是管理人員得到數(shù)據(jù)后，再組織人員，制定改進計劃，最終安排人員執(zhí)行落實的一個過程，這個過程沒有標準的流程，沒有固定的執(zhí)行模式，執(zhí)行人員的主觀意識和執(zhí)行力決定了管理的有效性，最致命的缺點是，根據(jù)分析數(shù)據(jù)所做的改進，沒有有效反饋到系統(tǒng)中，系統(tǒng)只是一個靜態(tài)的指令工具，而不是一個智能的閉環(huán)系統(tǒng)。

第二階段，系統(tǒng)學習階段和思考階段。在實現(xiàn)第一階段功能后，如果我們沒有把數(shù)據(jù)后面的原因、執(zhí)行方法、改進有效性等信息反饋給系統(tǒng)，這個系統(tǒng)始終是靜態(tài)的指令工具，而不是一個智能的能效系統(tǒng)。從指令工具，到智能系統(tǒng)，我們需要模擬人的思維，開發(fā)出一個開放的能源信息反饋輸入，建立一個能源異常原因分析、改進方法、改進結(jié)果、能源趨勢模擬計算等內(nèi)容的信息庫，并在運行一定的時間后，信息庫數(shù)據(jù)的積累達到了有效分析的數(shù)據(jù)容量，系統(tǒng)項目負責人會對第一階段能源管理執(zhí)行優(yōu)秀的區(qū)域，進行仿真性流程制定，仿真性算法制定，仿真性異常原因分析，繼而實現(xiàn)能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)輸出一個概率最高的優(yōu)化方案，來供區(qū)域管理者使用，這個階段的能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，已經(jīng)開始主動性地給能源管理工作提出建議。

第三階段，系統(tǒng)智能執(zhí)行階段。隨著生產(chǎn)設(shè)備自動化程度的不斷提高，工藝的不斷完善，能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)分析的結(jié)果可以和設(shè)備數(shù)據(jù)庫自動連接，當數(shù)據(jù)發(fā)生波動時，系統(tǒng)會和大數(shù)據(jù)信息庫中的標準進行比較，如果達到執(zhí)行標準時，會自動執(zhí)行能源使用優(yōu)化工作。那時的能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，是主動性的能源管理介入，是真正的人工智能能源管理。這里做一個前瞻性的舉例。未來新項目設(shè)備設(shè)計時，我們可以在系統(tǒng)中輸入所有耗能電機的參數(shù)，輸入該加工設(shè)備在一個加工周期內(nèi)的工藝步驟、加工節(jié)拍等信息，系統(tǒng)完全可以仿真出這臺設(shè)備最優(yōu)的能耗水平，并幫助設(shè)備制定出最優(yōu)的生產(chǎn)節(jié)能模式。而我們?nèi)绻麑δ承╇姍C參數(shù)或工藝步驟進行調(diào)整，系統(tǒng)就會計算出另外一種優(yōu)化能耗結(jié)果，這樣把單機推廣到條線、車間，就會得出這個區(qū)域最優(yōu)化的能源管理方案，這個是我們前瞻性的能源管理自動化。

結(jié)論

能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，經(jīng)過3年多的應(yīng)用，已經(jīng)使金橋動力總成在非生產(chǎn)日能耗比例方面有了大幅的下降，從系統(tǒng)應(yīng)用前的非生產(chǎn)日日均99000KWH，降低到系統(tǒng)應(yīng)用后的日均17000KWH，年節(jié)約成本約295萬；同時，能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，也以數(shù)據(jù)分析結(jié)論為依據(jù)，對設(shè)備能耗參數(shù)優(yōu)化方面的工作有了更多的支持，年間接節(jié)約能源費用約260萬。

能效大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，2016、2017連續(xù)2年獲得上汽通用汽車創(chuàng)新孵化項目支持，并獲得2016大制造創(chuàng)變獎二等獎、2017年獲得浦東金橋技術(shù)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)綠色奧斯卡一等獎、上海市企業(yè)管理現(xiàn)代化創(chuàng)新成果三等獎、2018年獲得中華人民共和國國家版權(quán)局發(fā)布的計算機軟件著作權(quán)。

參考文獻

[1]GB/T23331-2012 能源管理體系

[2]李斌 郭炳慶 大數(shù)據(jù)時代的企業(yè)能源管理 化學工業(yè)出版社

[3]Stuart Russell人工智能（一種現(xiàn)代的方法）清華大學出版社

作者簡介：施桃洪、男、本科、1997年畢業(yè)于中國紡織大學機電一體化專業(yè)、高級能源管理師、現(xiàn)任上汽通用汽車有限公司金橋動力總成廠能源工程師崗位。

（作者單位：上汽通用汽車有限公司金橋動力總成技術(shù)支持）