中國造紙工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級路徑的探討與實踐

李繼庚 劉煥彬 洪蒙納 滿 奕

（1.華南理工大學(xué)制漿造紙國家重點實驗室，廣東廣州，510640；2.廣州博依特智能信息科技有限公司，廣東廣州，510670）

隨著第四次工業(yè)革命的到來，傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級勢在必行。傳統(tǒng)造紙工業(yè)的未來將走向分化和聚合，將加入到多個以客戶為中心的新型產(chǎn)業(yè)集群中。文化用紙、生活用紙、包裝紙和特種紙等紙種的生產(chǎn)將拆分到不同的產(chǎn)業(yè)集群中，與可直達(dá)客戶的產(chǎn)業(yè)鏈聚合為新的業(yè)態(tài)，更精準(zhǔn)、更快速地滿足客戶需求。在新的產(chǎn)業(yè)集群中，重塑的價值鏈將不再是造紙企業(yè)之間的競爭，而是產(chǎn)業(yè)集群內(nèi)各方整合資源能力的競爭。共享、共生和共創(chuàng)能力強(qiáng)的企業(yè)將是整合資源能力的強(qiáng)者，將有機(jī)會引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)集群為客戶提供更好的服務(wù)，形成新的穩(wěn)定業(yè)態(tài)留存下來，高效發(fā)展。

造紙工業(yè)經(jīng)歷了從小規(guī)模制造，到電力驅(qū)動的大規(guī)模、大批量的流水線模式生產(chǎn)，再到現(xiàn)在的全自動化模式生產(chǎn)的發(fā)展，在原材料、能源、工藝、裝備等生產(chǎn)要素的利用技術(shù)等方面已經(jīng)發(fā)展到比較成熟的階段[1]。近期，我國發(fā)布了《關(guān)于深化新一代信息技術(shù)與制造業(yè)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》[2]，文件指出要加快推進(jìn)新一代信息技術(shù)和制造業(yè)融合發(fā)展，順應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革趨勢，以供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線，以智能制造為主攻方向，加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展，加快制造業(yè)生產(chǎn)方式和企業(yè)形態(tài)根本性變革，提升制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展水平。產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇是與新一代信息技術(shù)的融合，進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型重構(gòu)。以5G網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等為核心的新一代信息技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新和高速發(fā)展，為制造業(yè)邁向萬物互聯(lián)、數(shù)據(jù)驅(qū)動、軟件定義、平臺支撐、組織重構(gòu)新時代注入了新的活力[3]。新一代信息技術(shù)將助力造紙工業(yè)實現(xiàn)向數(shù)字化、信息化、智能化轉(zhuǎn)型升級，以實現(xiàn)企業(yè)的提質(zhì)增效、精準(zhǔn)服務(wù)，打破產(chǎn)業(yè)鏈資源優(yōu)化配置空間和時間的約束，增加新的價值鏈，加速形成新業(yè)態(tài)。

造紙企業(yè)轉(zhuǎn)型升級是制造業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的有機(jī)組成部分，因此，企業(yè)在轉(zhuǎn)型升級過程中必將面臨戰(zhàn)略路徑的選擇和自身組織能力的變革，以更好地順應(yīng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級大趨勢。在大變革的趨勢面前，任何不順應(yīng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的企業(yè)都將被無情淘汰。對于大型企業(yè)，特別是行業(yè)龍頭企業(yè)，如何制定好轉(zhuǎn)型升級的分階段戰(zhàn)略目標(biāo)、選擇什么樣的技術(shù)路線、打造什么樣的企業(yè)文化和如何重塑組織創(chuàng)新能力都將是企業(yè)融入行業(yè)轉(zhuǎn)型升級面臨的挑戰(zhàn)。

本文介紹新一代智能化技術(shù)對造紙工業(yè)的價值所在，推演造紙企業(yè)與新一代信息技術(shù)融合的路徑，探討造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型迭代方向和造紙工業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型升級路徑。筆者根據(jù)多年來在造紙企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方面的研究成果和在企業(yè)中的實踐案例[4-16]，用場景化方式與讀者探討造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級路徑。

1 新一代信息技術(shù)對造紙工業(yè)的價值

造紙工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級，是建立在高度自動化基礎(chǔ)之上的。以數(shù)學(xué)模型為推動力的自動化技術(shù)在促進(jìn)造紙工業(yè)大發(fā)展的同時，為造紙企業(yè)積累了大量的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和生產(chǎn)技術(shù)知識。但是，自動化技術(shù)并不具備數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘的能力，也不具備對復(fù)雜生產(chǎn)過程和市場需求的快速應(yīng)變和優(yōu)化能力。以大數(shù)據(jù)驅(qū)動和工業(yè)軟件定義的企業(yè)智能化技術(shù)，可充分利用和挖掘大數(shù)據(jù)的資源去進(jìn)一步優(yōu)化企業(yè)的各類資源配置，優(yōu)化生產(chǎn)過程，適應(yīng)市場需求變化。實現(xiàn)企業(yè)智能化有賴于新一代信息技術(shù)，主要包括實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)、實現(xiàn)解決數(shù)據(jù)超高速率、超大容量以及超低時延的5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值的大數(shù)據(jù)挖掘和工業(yè)軟件技術(shù)。

1.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實體經(jīng)濟(jì)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支撐。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的載體，也是實現(xiàn)企業(yè)智能化的核心技術(shù)載體，是鏈接工業(yè)全系統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈、支撐工業(yè)智能化發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。圖1所示為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的基本技術(shù)組成和體系架構(gòu)。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的基本技術(shù)組成和體系架構(gòu)[17]

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基本技術(shù)組成和體系架構(gòu)由圖1 所示自左至右的網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、安全三大技術(shù)體系組成，其中“網(wǎng)絡(luò)”是工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸交換和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的支撐基礎(chǔ)，“數(shù)據(jù)”是工業(yè)智能化的核心驅(qū)動，“安全”是網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)在工業(yè)中應(yīng)用的重要保障?；谌篌w系，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重點構(gòu)建三大優(yōu)化閉環(huán)，如圖1所示，面向機(jī)器設(shè)備運行和生產(chǎn)過程優(yōu)化的閉環(huán)①，面向生產(chǎn)運營決策優(yōu)化的閉環(huán)②，以及面向企業(yè)協(xié)同、用戶交互與產(chǎn)品服務(wù)優(yōu)化的全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的閉環(huán)③，并進(jìn)一步形成智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個性化定制、服務(wù)化延伸等四大應(yīng)用模式。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺基本的邏輯和本質(zhì)是“數(shù)據(jù)+模型=服務(wù)”[17]。

1.1.1 造紙產(chǎn)業(yè)鏈中存在的價值缺失

造紙產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋了供應(yīng)商、造紙企業(yè)、銷售商和消費者等多方面?，F(xiàn)在造紙產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)中存在哪些主要問題及其價值缺失？

（1）造紙企業(yè)存在自身“信息孤島”和數(shù)據(jù)冗余，難以發(fā)揮全廠自動化系統(tǒng)的功能作用。為了提高生產(chǎn)效率，許多大型造紙企業(yè)搭建了各種全廠自動化系統(tǒng)工業(yè)軟件，例如企業(yè)資源管理系統(tǒng)（Enterprise Resource Planning，ERP）、能源管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（manu‐facturing Execution System，MES）等。但是在運行中并沒有將這些子系統(tǒng)進(jìn)行集成，各子系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)需要各自多次錄入，因而增加了信息維護(hù)工作量和出錯機(jī)會，每個子系統(tǒng)都是一座“信息孤島”。這些子系統(tǒng)的功能雖然不同，但使用的數(shù)據(jù)往往存在交叉重疊。然而由于每個子系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式不統(tǒng)一，造成各子系統(tǒng)之間不可調(diào)用，存在數(shù)據(jù)的冗余。隨著造紙生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的沉淀基數(shù)的增加，上述問題對系統(tǒng)的維護(hù)、運行效率都存在很大的影響[18-20]。造紙企業(yè)通過打破“信息孤島”，將能充分發(fā)揮生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的資源價值。

（2）造紙企業(yè)不適應(yīng)消費者對紙品多樣化和定制化的需求。隨著消費水平的提高和消費觀念的變化，消費者不再滿足于紙產(chǎn)品是否充足，提出了紙產(chǎn)品的多功能化，例如濕紙巾、餐巾紙、廚房用紙、包裝紙等；提出了紙產(chǎn)品樣式的多樣化的新要求，例如小包紙、卷紙、抽紙、印花紙、香味紙等。但是由于造紙企業(yè)的生產(chǎn)線是基本固定的，只能通過不斷增加每條生產(chǎn)線的長度和復(fù)雜度去適應(yīng)消費者的需求，這樣不僅增加了生產(chǎn)的復(fù)雜度，而且提高了生產(chǎn)成本。同時隨著產(chǎn)品定制化的快速發(fā)展，增加生產(chǎn)線長度和復(fù)雜度的方式并不能跟上定制化產(chǎn)品更新的速度。如何利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、及時了解當(dāng)前消費者的心理、最大程度地提高生產(chǎn)線的靈活性、縮短產(chǎn)品更新周期、提高效益是企業(yè)必須解決的新問題。

（3）銷售商難以適應(yīng)市場的新變化。銷售商依據(jù)往年的銷售量制定進(jìn)貨計劃，因此進(jìn)貨較為固定。市場的實際情況是由于消費方式的不同，例如網(wǎng)購、網(wǎng)絡(luò)帶貨等方式的出現(xiàn)，不同產(chǎn)品的銷售量會有大幅波動，使供應(yīng)鏈調(diào)度的難度增大。利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)挖掘消費者與銷售量之間的更深層次關(guān)系，提前預(yù)測銷售量和進(jìn)貨計劃，可以提高供應(yīng)鏈調(diào)度速度和效益。

（4）造紙企業(yè)自身很難解決設(shè)備的運維問題。生產(chǎn)過程中存在頻繁的非計劃停機(jī)，大部分屬于設(shè)備故障。為了保障設(shè)備運維，工廠不得不花費巨大的人力成本。另外，自身運維的時滯性也降低了造紙生產(chǎn)過程的效率。因此，對于設(shè)備供應(yīng)商而言，提供服務(wù)型制造，保障客戶設(shè)備正常運維，既能為造紙廠帶來提高生產(chǎn)過程效率而產(chǎn)生的價值，又能為設(shè)備供應(yīng)商帶來服務(wù)型制造的新價值。

1.1.2 應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助力造紙產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)造價值

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為打通整條產(chǎn)業(yè)鏈上下游的信息提供了平臺，能夠幫助解決上述問題。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺把設(shè)備、生產(chǎn)線、產(chǎn)品和供應(yīng)商與客戶緊密地連接融合起來?？梢詭椭圃鞓I(yè)拉長產(chǎn)業(yè)鏈，形成跨設(shè)備、跨系統(tǒng)、跨廠區(qū)、跨地區(qū)的互聯(lián)互通，從而提高效率，推動整個制造過程和制造服務(wù)體系智能化，實現(xiàn)制造業(yè)和服務(wù)業(yè)之間的跨越發(fā)展。通過構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，使制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈中各種要素資源能夠高效共享，創(chuàng)造新的價值。迄今，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能為造紙工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和智能化提供如下主要功能：

（1）構(gòu)建精準(zhǔn)、實時、高效的數(shù)據(jù)采集互聯(lián)體系，建立統(tǒng)一的面向工業(yè)大數(shù)據(jù)存儲、集成、訪問、分析、管理的開發(fā)環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的這種功能解決了如何采集造紙產(chǎn)業(yè)鏈中各環(huán)節(jié)的海量數(shù)據(jù)，把來自機(jī)器設(shè)備、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、產(chǎn)品模型、生產(chǎn)過程及運行環(huán)境中的海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚到平臺上，實現(xiàn)物理世界隱性數(shù)據(jù)的顯性化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時性、完整性、準(zhǔn)確性和共享性，為解決“信息孤島”和實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化、信息化和智能化提供工業(yè)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。工業(yè)大數(shù)據(jù)不僅是企業(yè)智能化的基礎(chǔ)，而且在工業(yè)大數(shù)據(jù)中隱藏著許多可創(chuàng)造價值的資源。

（2）構(gòu)建和支撐包括工業(yè)技術(shù)、工業(yè)經(jīng)驗和知識的模型化、軟件化、復(fù)用化的通用和專用的工業(yè)模型和工業(yè)軟件。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的這種功能可把已知的工業(yè)技術(shù)、知識、經(jīng)驗和方法以數(shù)字化模型的形式沉淀到平臺上，形成各種軟件化的模型（機(jī)理模型、數(shù)據(jù)分析模型、大數(shù)據(jù)模型等），造紙企業(yè)基于這些數(shù)字化模型對上述采集和存儲的各種工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、挖掘、展現(xiàn)，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)-信息-知識-決策”的迭代，以數(shù)據(jù)的有序自動流動，解決復(fù)雜制造系統(tǒng)面臨的各種不確定性。最終把正確的數(shù)據(jù)、以正確的方式、在正確的時間傳遞給正確的人和生產(chǎn)過程裝備，實現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)過程和企業(yè)管理，提高企業(yè)的各種效益，創(chuàng)造更多的價值。

（3）實現(xiàn)造紙產(chǎn)業(yè)鏈全生命周期的協(xié)同管理和優(yōu)化，包括協(xié)同研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)管理和優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量檢測、企業(yè)運營決策、設(shè)備預(yù)測性維護(hù)，優(yōu)化資源配置效率，形成資源富集、多方參與、合作共贏、協(xié)同演進(jìn)的制造業(yè)生態(tài)。

1.2 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

實現(xiàn)造紙產(chǎn)業(yè)鏈中各環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通是通過部署和應(yīng)用現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)，使企業(yè)具備將人、機(jī)、物等有機(jī)聯(lián)通的環(huán)境。互聯(lián)互通成熟度的提升是從設(shè)備間，到車間、到工廠以及企業(yè)上下游直至整條產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，體現(xiàn)了對系統(tǒng)集成、協(xié)同制造等的支撐。企業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和通信環(huán)境建設(shè)是企業(yè)智能化的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的三大組成系統(tǒng)之一。我國在5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化方面都走在世界前列，為我國制造業(yè)數(shù)字化、信息化和智能化提供了良好的通信基礎(chǔ)和環(huán)境。

1.2.1 當(dāng)前制造業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)環(huán)境的短板

當(dāng)前制造業(yè)（包括造紙行業(yè)）的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的短板主要表現(xiàn)在4G 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并不能做到對上億級別的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和實時處理，也無法做到大量數(shù)學(xué)模型、智能算法同時實時計算，存在時滯問題[21-22]。造紙企業(yè)生產(chǎn)過程，隨著產(chǎn)品定制化的發(fā)展，生產(chǎn)過程調(diào)度的復(fù)雜性成指數(shù)性上漲，造紙生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)的通信和決策時間隨著生產(chǎn)智能化程度的加深要求更短，解決方案需要更快更優(yōu)。當(dāng)前4G 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通信技術(shù)的容量（帶寬）和速度短板，使制造業(yè)的數(shù)據(jù)和信息通信速度、計算和決策速度、優(yōu)化和控制速度都不能與智能制造的要求相匹配，不能靈活配合完成高難度的生產(chǎn)調(diào)度活動。

1.2.2 5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用為造紙智能化升級提供了網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)

5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的商用化，為上述問題提供了解決方案，可實現(xiàn)“人與人，人與物，物與物”之間實時的萬物移動互聯(lián)。因為5G 技術(shù)具有超高速率、超大容量以及超低時延的優(yōu)勢，5G 技術(shù)能夠為造紙智能升級提供以下幫助：

（1）突破物聯(lián)網(wǎng)的成本門檻

應(yīng)用具有高速率、高可靠性、低時延的5G 通信技術(shù)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thing，IoT），造紙企業(yè)不再需要復(fù)雜的線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的傳輸，實現(xiàn)“人與人，人與物，物與物”之間以及各環(huán)節(jié)各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和信息的直接無線傳輸、無線控制。另外，高可靠性的5G 物聯(lián)網(wǎng)傳輸既節(jié)省了購買和維護(hù)線纜成本，又極大減少了由線纜引起的安全隱患。

隨著線纜的消失，利用高可靠性網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋，許多設(shè)備可以裝上輪子（或其他裝置）在工廠里移動，按需到達(dá)各個地點，為造紙過程靈活調(diào)整設(shè)備位置、靈活分配任務(wù)的柔性生產(chǎn)線創(chuàng)造了條件。

（2）實現(xiàn)實時快速準(zhǔn)確的信息傳送

實時快速準(zhǔn)確的信息傳送，為實現(xiàn)智能制造中的“軟件定義制造”“定制制造”等新的生產(chǎn)方式打下了可靠的通信基礎(chǔ)。例如，實時快速準(zhǔn)確的信息傳送，為實現(xiàn)生產(chǎn)過程各種數(shù)據(jù)采取和存儲、分析和挖掘，為實現(xiàn)“數(shù)據(jù)-信息-知識-決策”的迭代，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)的有序自動流動和閉環(huán)解決復(fù)雜制造系統(tǒng)面臨的各種不確定性奠定了堅實的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)。

另外，5G 網(wǎng)絡(luò)帶來IoT，使萬物互聯(lián)、萬物信息交互，使得造紙企業(yè)的設(shè)備維運實現(xiàn)突破工廠邊界。隨著更多設(shè)備、更多部件被連入5G 網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備和零部件的運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)可實時送到供應(yīng)商，通過供應(yīng)商進(jìn)行專業(yè)的故障預(yù)測，大大減少企業(yè)故障發(fā)生次數(shù)。即使發(fā)生了故障，設(shè)備供應(yīng)商可通過5G 網(wǎng)絡(luò)第一時間獲取故障信息，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）等指導(dǎo)工廠實時處理，越來越多的問題可通過在線方式解決。降低了供應(yīng)商的人工成本，同時也減少了企業(yè)設(shè)備的運維成本和縮短了設(shè)備的維修時間。

1.3 工業(yè)大數(shù)據(jù)與人工智能建模技術(shù)

企業(yè)智能制造的基本驅(qū)動力是工業(yè)大數(shù)據(jù)，而工業(yè)大數(shù)據(jù)的價值應(yīng)用是要通過模型和工業(yè)軟件（工業(yè)大數(shù)據(jù)+模型）去實現(xiàn)的，因此，工業(yè)大數(shù)據(jù)和建模與工業(yè)軟件技術(shù)是智能制造的關(guān)鍵技術(shù)。工業(yè)大數(shù)據(jù)主要作用是打通物理世界和信息世界，再通過建模和工業(yè)軟件等人工智能技術(shù)在智能化設(shè)計、智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造、智能化服務(wù)、個性化定制等產(chǎn)品全生命周期過程中發(fā)揮作用。在智能化設(shè)計中，通過大數(shù)據(jù)+模型技術(shù)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)自動化設(shè)計和數(shù)字化仿真優(yōu)化；在智能化生產(chǎn)過程中，工業(yè)大數(shù)據(jù)+模型技術(shù)可以實現(xiàn)在生產(chǎn)制造中人機(jī)智能交互、制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)監(jiān)測等，提高生產(chǎn)故障預(yù)測準(zhǔn)確率，綜合優(yōu)化生產(chǎn)效率；在網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造中，工業(yè)大數(shù)據(jù)+模型技術(shù)可以實現(xiàn)智能管理的應(yīng)用，如產(chǎn)品全生命周期管理、客戶關(guān)系管理、供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)供銷一體等，達(dá)到過程協(xié)同與透明化；在智能化服務(wù)中，工業(yè)大數(shù)據(jù)+模型技術(shù)通過工業(yè)大數(shù)據(jù)的全流程建模，對數(shù)據(jù)源進(jìn)行集成貫通，可以支撐以個性化定制為代表的典型智能制造模式。工業(yè)大數(shù)據(jù)的上述應(yīng)用是要通過工業(yè)軟件去實現(xiàn)的[23]。

工業(yè)軟件是指為提高工業(yè)研發(fā)設(shè)計、業(yè)務(wù)管理、生產(chǎn)調(diào)度和過程控制水平的相關(guān)軟件與系統(tǒng)。工業(yè)軟件承載著工業(yè)大數(shù)據(jù)采集和處理的任務(wù)，又是工業(yè)大數(shù)據(jù)的重要產(chǎn)生來源。工業(yè)軟件支撐實現(xiàn)工業(yè)大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)集成和信息貫通，實現(xiàn)工廠從底層到上層的信息貫通，推動工廠內(nèi)“信息孤島”聚合為“信息大陸”。工業(yè)軟件承擔(dān)著對各類工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、集成、分析和應(yīng)用的重要功能，是工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)體系中負(fù)責(zé)優(yōu)化、仿真、呈現(xiàn)、決策等關(guān)鍵職能的主要組成部分。工業(yè)軟件中用到的許多模型，常常要應(yīng)用大數(shù)據(jù)人工智能建模方法去完成。

1.3.1 我國造紙行業(yè)大數(shù)據(jù)和工業(yè)軟件技術(shù)的基礎(chǔ)十分薄弱

我國造紙行業(yè)大數(shù)據(jù)和工業(yè)軟件技術(shù)的基礎(chǔ)薄弱主要表現(xiàn)在：①生產(chǎn)過程變量和設(shè)備參數(shù)的感知能力低，工業(yè)大數(shù)據(jù)的采集范圍窄，不少過程變量和設(shè)備參數(shù)還沒有合適的傳感器去測量，或者還沒有經(jīng)過合適的數(shù)字化處理，不能成為有用的數(shù)據(jù)。②現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源還沒有認(rèn)真地開發(fā)利用。③從“物化知識”轉(zhuǎn)型到“軟件知識”的工作還未真正開展。在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)中，長期積累的工業(yè)技術(shù)/知識和經(jīng)驗（knowhow）等是通過物化（書本、圖紙和人體介質(zhì)）承載和表達(dá)的，用物傳人、人傳人的方式傳遞應(yīng)用，稱為“物化知識”?！拔锘R”受到時間和空間的巨大限制，難以適應(yīng)智能制造的要求。因此實現(xiàn)智能制造的核心轉(zhuǎn)型工作之一是要把“物化知識”轉(zhuǎn)型升級為“軟件知識”，把“物化知識”數(shù)字化和軟件化，用軟件作為知識的最佳載體和傳遞手段。

隨著造紙企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，人們應(yīng)對復(fù)雜系統(tǒng)的駕馭能力將成為制約技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸。雖然造紙過程自動化程度高，生產(chǎn)過程中設(shè)備和過程的操作運維等還高度依賴個人，企業(yè)所關(guān)心的訂單滿足率、及時率、產(chǎn)能浪費、原材料庫存等關(guān)鍵指標(biāo)，還是按照個人的經(jīng)驗進(jìn)行排產(chǎn)和調(diào)度，而個人的知識經(jīng)驗還處于“物化知識”階段，導(dǎo)致工作量大，易出錯，需要花大量時間對人員進(jìn)行培訓(xùn)。如果把物化知識轉(zhuǎn)化為軟件知識，成為工業(yè)軟件加入到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中，實現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化，將能自動地完成上述任務(wù)，開拓存在造紙過程中的優(yōu)化和效益空間。

1.3.2 大數(shù)據(jù)和工業(yè)軟件技術(shù)助力造紙企業(yè)智能化升級

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心功能是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)優(yōu)化閉環(huán)去實現(xiàn)企業(yè)智能化。數(shù)據(jù)優(yōu)化閉環(huán)的構(gòu)成主要包含感知控制、數(shù)字模型、決策優(yōu)化三個基本層次，以及自下而上的信息流和自上而下的決策流，如圖2所示[17]。

圖2 數(shù)據(jù)優(yōu)化閉環(huán)

數(shù)據(jù)優(yōu)化閉環(huán)的數(shù)據(jù)功能包含數(shù)據(jù)集成與管理、數(shù)據(jù)模型和工業(yè)模型構(gòu)建、信息交互三類功能。其中，數(shù)據(jù)模型和工業(yè)模型構(gòu)建是綜合利用大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)據(jù)方法和各類工業(yè)經(jīng)驗知識，對過程行為特征和因果關(guān)系進(jìn)行抽象化描述，形成各類工業(yè)軟件。數(shù)據(jù)優(yōu)化閉環(huán)中的決策優(yōu)化層聚焦數(shù)據(jù)挖掘分析與價值轉(zhuǎn)化，形成工業(yè)數(shù)字化應(yīng)用核心功能，主要包括分析、描述、診斷、預(yù)測、指導(dǎo)及應(yīng)用開發(fā)。自下而上的信息流和自上而下的決策流形成了工業(yè)數(shù)字化應(yīng)用的優(yōu)化閉環(huán)，以數(shù)據(jù)分析決策為核心，實現(xiàn)面向不同工業(yè)場景的智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個性化定制和服務(wù)化延伸等智能應(yīng)用解決方案。

構(gòu)建了如圖2 所示的造紙企業(yè)數(shù)據(jù)和工業(yè)軟件為核心的數(shù)據(jù)優(yōu)化閉環(huán)，將為造紙企業(yè)智能化升級，提供如下功能：

（1）實現(xiàn)機(jī)器設(shè)備運行和生產(chǎn)過程的閉環(huán)優(yōu)化控制，挖掘數(shù)據(jù)價值，達(dá)到生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)化、高效化，大幅度降低對人力的需求，提高生產(chǎn)過程中安全性和穩(wěn)定性，提高生產(chǎn)效率。

（2）實現(xiàn)面向生產(chǎn)運營決策優(yōu)化閉環(huán)和面向企業(yè)協(xié)同、用戶交互與產(chǎn)品服務(wù)優(yōu)化的全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的決策閉環(huán)優(yōu)化，通過精準(zhǔn)預(yù)測市場需求、個性化定制和服務(wù)化延伸等智能化技術(shù)，由標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)向柔性化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

（3）實現(xiàn)生產(chǎn)過程全面監(jiān)控，嚴(yán)格把控產(chǎn)品質(zhì)量。智能檢測設(shè)備可以覆蓋產(chǎn)品檢測的全過程，大幅度降低生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的次品率，對于已出現(xiàn)的產(chǎn)品問題相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集并分析，利用已有的數(shù)據(jù)庫信息對殘次品進(jìn)行統(tǒng)一批量化處理，有效保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

綜上所述可知，造紙企業(yè)智能化升級就是應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G 網(wǎng)絡(luò)通信、大數(shù)據(jù)、工業(yè)軟件和人工智能等新一代信息技術(shù)與造紙工業(yè)技術(shù)深度融合，實現(xiàn)生產(chǎn)高效協(xié)同、資源優(yōu)化配置，解決整個制造產(chǎn)業(yè)鏈中人、設(shè)備等各個環(huán)節(jié)之間存在的各種協(xié)作優(yōu)化問題，實現(xiàn)效率最大化。

2 造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型路徑的思考

2.1 造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型應(yīng)遵循的原則

我國大多數(shù)造紙企業(yè)仍處于基礎(chǔ)自動化階段，傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)解決方案仍占主流。針對造紙企業(yè)智能制造提供整體解決方案的業(yè)務(wù)尚處于發(fā)展初期。隨著我國智能制造的推進(jìn)，整體解決方案的市場規(guī)模將加速增長，經(jīng)過市場驗證的解決方案成熟度將進(jìn)一步提升。因此，我國造紙行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級，要遵循“做好規(guī)劃，抓住重點；跨界集成，協(xié)同創(chuàng)新；分類指導(dǎo)，先易后難；效益導(dǎo)向，穩(wěn)妥實施”的原則。

（1）做好規(guī)劃，抓住重點。行業(yè)要組織力量，做好規(guī)劃，著力研發(fā)面向造紙行業(yè)智能制造的關(guān)鍵共性技術(shù)。例如，適用于造紙行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，造紙行業(yè)的各種工業(yè)軟件和APP，造紙行業(yè)的智能裝置等。

（2）跨界集成，協(xié)同創(chuàng)新。在技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣過程中，應(yīng)該走跨界集成、協(xié)同創(chuàng)新之路，要主動與相關(guān)行業(yè)合作，閉門自守將會落后。行業(yè)要支持既懂互聯(lián)網(wǎng)又懂造紙工業(yè)生產(chǎn)的高端技術(shù)研發(fā)和服務(wù)公司的發(fā)展。

（3）分類指導(dǎo)，先易后難。根據(jù)我國造紙工業(yè)技術(shù)水平差異，在轉(zhuǎn)型過程中要先易后難，逐步實現(xiàn)。首先，要釆取有效措施提高企業(yè)自動化水平和裝備水平，走完工業(yè)3.0的路程。其次，在基礎(chǔ)較好的造紙企業(yè)，要主動融入工業(yè)智能化技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，主動推廣應(yīng)用新技術(shù)。企業(yè)要積極參與“企業(yè)上云”，提高企業(yè)數(shù)字化、信息化、精細(xì)化和優(yōu)化管理水平手段，在此基礎(chǔ)上逐步提高智能化水平。

（4）效益導(dǎo)向，穩(wěn)妥實施。實現(xiàn)企業(yè)智能化是一個漸進(jìn)過程。而且是在原有自動化水平的基礎(chǔ)上完善和發(fā)展的，要一步一個腳印，以效益為導(dǎo)向，穩(wěn)妥實施。

以智能制造為代表的第四次工業(yè)革命，是一次技術(shù)突破和企業(yè)重構(gòu)。同時，它也是一種技術(shù)思維方式的轉(zhuǎn)變：要用大系統(tǒng)的思維方法去思考問題；要用跨界集成、協(xié)同創(chuàng)新的互聯(lián)網(wǎng)思路去尋找解決問題的方法；要用閉環(huán)優(yōu)化與智能化的技術(shù)手段去提高效益，實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

2.2 造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型分兩步走

造紙企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型分為兩步走，先走初級階段，再走高級階段。初級階段是指實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化，提高數(shù)據(jù)化運營能力；高級階段是指真正實現(xiàn)智能化工廠。

在初級階段，造紙企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化，不斷提升企業(yè)數(shù)據(jù)化運營能力為核心，根據(jù)企業(yè)自身發(fā)展模式和發(fā)展戰(zhàn)略，以解決企業(yè)當(dāng)前的業(yè)務(wù)痛點為切入點，逐步實現(xiàn)覆蓋生產(chǎn)全過程和連接產(chǎn)業(yè)鏈上下游的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化，在此基礎(chǔ)上形成適應(yīng)自身需求和特點的數(shù)據(jù)化運營優(yōu)勢，達(dá)到提高企業(yè)運營效率的目標(biāo)。

在高級階段，造紙企業(yè)以不斷提升生產(chǎn)過程閉環(huán)優(yōu)化和智能化為目標(biāo)。通過企業(yè)在實現(xiàn)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化過程中沉淀下來的工業(yè)大數(shù)據(jù)和企業(yè)自身的工業(yè)技術(shù)知識，采用基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的建模方法，搭建企業(yè)工業(yè)軟件和智能化微平臺，進(jìn)而構(gòu)建企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)如圖1 和圖2 所示的面向設(shè)備運行和生產(chǎn)過程的閉環(huán)優(yōu)化，面向生產(chǎn)運營決策的閉環(huán)優(yōu)化，以及面向企業(yè)協(xié)同、用戶交互與產(chǎn)品服務(wù)優(yōu)化的全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的閉環(huán)優(yōu)化，進(jìn)一步形成智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個性化定制、服務(wù)化延伸等四大應(yīng)用模式，以達(dá)到優(yōu)化企業(yè)資源配置，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率的目標(biāo)。技術(shù)核心是如何應(yīng)用“工業(yè)大數(shù)據(jù)+模型（工業(yè)軟件）+應(yīng)用”技術(shù)去實現(xiàn)上述的三個“閉環(huán)優(yōu)化”。

2.2.1 初級階段：逐步實現(xiàn)和完善企業(yè)數(shù)據(jù)化運營

數(shù)據(jù)化運營是通過對企業(yè)大數(shù)據(jù)的采集處理、分析挖掘，為企業(yè)（數(shù)據(jù)使用者）提供科學(xué)、準(zhǔn)確和專業(yè)的數(shù)據(jù)解決和應(yīng)用方案，利用企業(yè)大數(shù)據(jù)通過企業(yè)內(nèi)、企業(yè)間的協(xié)同和各種資源的共享與集成優(yōu)化，重塑企業(yè)在造紙工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中的價值鏈，以提高企業(yè)的效益。在造紙企業(yè)實現(xiàn)了數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化后，將有效地解決數(shù)據(jù)的采集和“連接”問題，通過網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)的人、流程和事物的行為用數(shù)字化數(shù)據(jù)形式相互連接起來，收集到海量數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)化運營打下堅實的基礎(chǔ)。

造紙企業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺具有如下幾個基本功能：

（1）具有數(shù)據(jù)采集與管理功能，主要包括數(shù)據(jù)在線采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲以及運算功能。包括傳感器、檢測裝置、現(xiàn)場總線通信、異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成、邊緣計算、互聯(lián)網(wǎng)、云（存儲+計算）、工業(yè)安全等基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建和集成應(yīng)用。

（2）具有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)數(shù)字化功能，將造紙生產(chǎn)過程的所有信息，包括人、機(jī)、料、環(huán)、測的數(shù)據(jù)數(shù)字化。例如，對于物料數(shù)據(jù)，除了在線測量錄入外，還需建立物化性質(zhì)預(yù)測模型以及物料估算模型，實現(xiàn)物料的數(shù)據(jù)化。利用爬蟲技術(shù)，建立數(shù)據(jù)抓取模型，實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)（例如溫度、濕度等）的實時采集；對無法檢測的質(zhì)檢數(shù)據(jù)建立軟測量裝置，實現(xiàn)所有質(zhì)檢數(shù)據(jù)的實時采集與數(shù)字化。

（3）具有數(shù)據(jù)的在線化功能。對采集的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)記，建立數(shù)據(jù)采集以及管理的統(tǒng)一規(guī)則，然后利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，挖掘數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立關(guān)聯(lián)規(guī)則，根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行分類存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合與協(xié)同，便于在線按需快速調(diào)用。

（4）具有數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)化功能。根據(jù)企業(yè)的需求，把累積大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化。把包括安全生產(chǎn)、穩(wěn)定質(zhì)量、提高效率和縮短交貨周期等場景的各類數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，挖掘沉淀在數(shù)據(jù)中包含的更深層次的信息，從而開展新業(yè)務(wù)。

2.2.2 高級階段：逐步實現(xiàn)企業(yè)智能化

如上所述（圖1～圖2），工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是實現(xiàn)企業(yè)智能化的核心技術(shù)載體，企業(yè)在實現(xiàn)數(shù)據(jù)化運營過程中，通過不斷積累大數(shù)據(jù)、建立和完善工業(yè)軟件和三個優(yōu)化閉環(huán)功能，開發(fā)造紙行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和具有企業(yè)自身特色的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺， 逐步迭代完善，實現(xiàn)企業(yè)智能化。

圖3 所示是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺關(guān)鍵技術(shù)體系[17]。技術(shù)體系由數(shù)據(jù)采集技術(shù)、PaaS 通用功能技術(shù)、軟件開發(fā)工具技術(shù)、微服務(wù)技術(shù)、建模與應(yīng)用技術(shù)和信息安全技術(shù)等6項技術(shù)集成。

其中，工業(yè)微服務(wù)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的核心，核心的要素組件是基于微服務(wù)架構(gòu)的數(shù)字化模型（工業(yè)軟件）。數(shù)字化模型將大量工業(yè)技術(shù)原理知識、基礎(chǔ)工藝、實踐經(jīng)驗等規(guī)則化、軟件化、模塊化，并封裝為可重復(fù)使用的組件。同時，面向特定工業(yè)應(yīng)用場景，對海量工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析和挖掘，能夠快速建立可復(fù)用、可固化的智能應(yīng)用模型。另外，在工業(yè)技術(shù)、知識、經(jīng)驗和方法以模型的形式沉淀為數(shù)字化模型后，海量數(shù)據(jù)加載到數(shù)字化模型中，進(jìn)行反復(fù)迭代、學(xué)習(xí)、分析、計算等大數(shù)據(jù)挖掘，可以回答生產(chǎn)過程4 個基本問題：首先是描述（Descriptive）發(fā)生了什么？其次是診斷（Diagnostic）為什么會發(fā)生？再次是預(yù)測（Predictive）下一步會發(fā)生什么？最后是決策（Decision）該怎么辦？由此，驅(qū)動過程閉環(huán)優(yōu)化和智能化。

圖3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺關(guān)鍵技術(shù)體系

例如，開發(fā)造紙工業(yè)生產(chǎn)工藝流程模擬系統(tǒng)，通過數(shù)字化還原整個生產(chǎn)過程，實現(xiàn)產(chǎn)品或生產(chǎn)線的在線設(shè)計，縮短產(chǎn)品的更新周期。又如，構(gòu)建造紙生產(chǎn)過程工藝優(yōu)化模型，利用數(shù)字鏡像模型模擬運行優(yōu)化結(jié)果，將優(yōu)化后的參數(shù)傳傳輸給實際生產(chǎn)系統(tǒng)，然后利用過程控制技術(shù)，調(diào)整生產(chǎn)過程，實現(xiàn)過程閉環(huán)優(yōu)化控制。再如，開發(fā)智能調(diào)度優(yōu)化模型，實現(xiàn)柔性化新型人機(jī)交互，工業(yè)大數(shù)據(jù)，以成本和能耗最低為目標(biāo)，建立生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度模型，利用模型結(jié)果在線修改排產(chǎn)計劃，并利用集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等控制技術(shù)，實現(xiàn)用優(yōu)化后結(jié)果閉環(huán)優(yōu)化運行調(diào)度。另外，可實現(xiàn)供應(yīng)鏈優(yōu)化：基于造紙企業(yè)數(shù)據(jù)運營能力，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)上下游優(yōu)化協(xié)同生產(chǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)決策數(shù)字化協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)生產(chǎn)制造企業(yè)設(shè)備云端服務(wù)，最終實現(xiàn)企業(yè)運營及生產(chǎn)能力上云協(xié)同。實現(xiàn)智能物流體系的構(gòu)建，保證資源的精確共享，保證了訂單的準(zhǔn)時交貨，降低生產(chǎn)成本。還有，可重構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈，重新整合造紙工業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈，形成新的產(chǎn)業(yè)集群。在不同的產(chǎn)業(yè)集群中，各個產(chǎn)業(yè)鏈元素的價值鏈更加透明，相同產(chǎn)業(yè)鏈元素更加集中，使產(chǎn)業(yè)鏈分工變得高度有效，相互精準(zhǔn)地對接，形成一個智能化的經(jīng)濟(jì)體。

3 在維達(dá)紙業(yè)的實踐案例

近幾年來，廣州博依特智能信息科技有限公司（以下簡稱博依特公司）與華南理工大學(xué)合作，在維達(dá)紙業(yè)進(jìn)行了企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的探索與實踐。維達(dá)紙業(yè)基本實現(xiàn)了工廠數(shù)據(jù)化運營部分智能化運營，成為我國造紙智能化轉(zhuǎn)型走在前沿的大型造紙企業(yè)。下面以在維達(dá)紙業(yè)的實踐為案例，介紹數(shù)據(jù)化運營以及智能化運營在造紙企業(yè)的應(yīng)用以及給企業(yè)帶來的具體價值。

3.1 博依特公司工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運營平臺（POICLOUD 3.5）簡介

博依特公司研發(fā)的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運營平臺（POI-CLOUD 3.5）是為解決企業(yè)運營過程中的復(fù)雜異構(gòu)系統(tǒng)（非線性、大滯后、多變量）的問題，其數(shù)據(jù)化運營能力涵蓋了造紙企業(yè)的點-線-面，如圖4所示。

工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運營平臺的核心技術(shù)是數(shù)據(jù)化運營平臺微服務(wù)系統(tǒng)。圖5所示是博依特公司新一代智能制造數(shù)據(jù)化運營平臺微服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)及其特點。

博依特公司自主研發(fā)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)微服務(wù)架構(gòu)下的基礎(chǔ)材料行業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運營解決方案”被國家工信部評為2019 年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)試點示范項目，已在全國造紙、陶瓷、水泥等行業(yè)推廣應(yīng)用。

3.2 數(shù)據(jù)化運營平臺在維達(dá)紙業(yè)的應(yīng)用

在博依特公司POI-CLOUD3.5 的基礎(chǔ)上，博依特公司與維達(dá)紙業(yè)共同開發(fā)了適用于維達(dá)紙業(yè)的數(shù)據(jù)化運營平臺。維達(dá)紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺集成了在線數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、軟測量模型以及數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)化運營系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)化運營和部分過程的智能化。

在維達(dá)紙業(yè)運行的博依特公司工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運營平臺（POI-CLOUD 3.5）的主要功能如圖6所示。

圖4 數(shù)據(jù)化運營能力涵蓋了造紙企業(yè)的點-線-面

圖5 博依特公司新一代智能制造數(shù)據(jù)化運營平臺微服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)及其特點

圖6 數(shù)據(jù)化運營平臺（POI-CLOUD 3.5）的主要功能

圖7 維達(dá)紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺現(xiàn)場技術(shù)路線

圖7 所示為維達(dá)紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺現(xiàn)場技術(shù)路線。維達(dá)紙業(yè)企業(yè)端的數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和邊緣計算設(shè)備等組成的復(fù)雜異構(gòu)存量集成系統(tǒng)（POID1.0）采集和處理后，通過數(shù)據(jù)通道（POI-DC3.0）送至生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運營平臺，經(jīng)平臺內(nèi)各類模型軟件的分析和優(yōu)化計算后的信息送工業(yè)交互（POI-II2.0）和管理信息系統(tǒng)應(yīng)用和顯示。

為了集中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線采集，在生產(chǎn)過程中，對能夠?qū)崿F(xiàn)在線測量的生產(chǎn)過程的關(guān)鍵參數(shù)增加了傳感器以及智能電表等數(shù)據(jù)采集裝置。為了沉淀生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，利用阿里云平臺對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理和存儲。然后利用這些沉淀的過程參數(shù)，對于不能實現(xiàn)在線測量的生產(chǎn)過程關(guān)鍵參數(shù)建立軟測量模型。在平臺中開發(fā)了能源管理系統(tǒng)和設(shè)備管理系統(tǒng)，建立了能源在線管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、物聯(lián)管理、設(shè)備效率監(jiān)測、產(chǎn)品質(zhì)量管理、生產(chǎn)信息管理等子模塊。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及可視化技術(shù)，在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)上實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的能耗、生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)的實時可視監(jiān)測。并且，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找到生產(chǎn)過程的節(jié)能潛力，為生產(chǎn)過程的節(jié)能和運行優(yōu)化提供參考。

3.3 維達(dá)紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺的應(yīng)用效果

數(shù)據(jù)化運營及智能化運營平臺在維達(dá)紙業(yè)的多年應(yīng)用，給企業(yè)帶來如下明顯的效果和價值。

（1）能耗智能預(yù)測

維達(dá)紙業(yè)利用數(shù)據(jù)化運營平臺采集的用電數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，分析了其生產(chǎn)過程的用電特征，同時基于智能混合算法建立了造紙過程能耗預(yù)測模型。預(yù)測模型的預(yù)測趨勢和實際基本一致，預(yù)測模型的精準(zhǔn)度在97%以上。圖8為能耗預(yù)測模型在維達(dá)紙業(yè)從2018 年10 月7 日到2018 年10 月8 日的預(yù)測結(jié)果與實際應(yīng)用的能耗曲線。

能耗智能預(yù)測，使企業(yè)能科學(xué)合理地采購和應(yīng)用能源。該平臺應(yīng)用后，每條生產(chǎn)線每年節(jié)能約40萬元。

（2）智能用電設(shè)備調(diào)度

維達(dá)紙業(yè)利用數(shù)據(jù)化運營平臺讀取的實時數(shù)據(jù)，應(yīng)用平臺內(nèi)基于智能優(yōu)化算法建立的多目標(biāo)用電調(diào)度模型，根據(jù)模型計算的調(diào)度信息實時控制生產(chǎn)過程設(shè)備的運行。該模型解決了生產(chǎn)工段間歇性用電設(shè)備在滿足生產(chǎn)需求的前提下，智能（自主）地實現(xiàn)錯峰用電，解決了降低成本的問題。該模型已用于維達(dá)紙業(yè)（浙江）有限公司的2 條生產(chǎn)線上，每條生產(chǎn)線一年可節(jié)約大約10萬元的用電成本。圖9為設(shè)備用電智能調(diào)度結(jié)果示意圖。

（3）紙幅干燥過程運行優(yōu)化節(jié)能

圖8 能耗智能預(yù)測

圖9 設(shè)備用電智能調(diào)度

紙幅干燥過程是造紙過程蒸汽能耗最大的過程，優(yōu)化節(jié)能的潛力大。在維達(dá)紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺中配有基于機(jī)理+數(shù)據(jù)驅(qū)動方法建立的干燥部運行優(yōu)化模型，其中有基于智能方法建立的軟測量模型，用于解決紙幅干燥過程中關(guān)鍵過程參數(shù)無法直接測量的問題，包括烘缸表面溫度、橫幅溫度、橫幅濕度、氣罩排風(fēng)溫度和濕度等。利用機(jī)理+數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法建立的干燥部運行優(yōu)化模型，可智能地解決紙幅存在的過干燥和干燥不足的問題，解決紙幅干燥過程在線實時運行優(yōu)化問題，從而既保證了紙幅的質(zhì)量指標(biāo)又降低了干燥部蒸汽和電的耗用量，節(jié)約了成本。實踐應(yīng)用證明，平臺的干燥部智能優(yōu)化能力可為維達(dá)紙業(yè)節(jié)約9%的噸紙汽耗。圖10 為維達(dá)紙業(yè)的紙幅干燥過程運行優(yōu)化節(jié)能結(jié)果示意圖。

（4）紙張物理性能指標(biāo)的實時預(yù)測

紙張物理性能指標(biāo)關(guān)系到紙張的合格率。但許多的紙張物理性能指標(biāo)無法在線測量，或者要采用破壞性的取樣離線測量，既影響紙張的成品率，又難以實時快速的測量。在維達(dá)紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺中配有基于大數(shù)據(jù)和智能算法建立的紙張物理性能指標(biāo)（包括松厚度、抗張強(qiáng)度和柔軟度等）的軟測量模型。該軟測量模型能夠在線直接測量出紙張的物理性指標(biāo)，解決了許多物理指標(biāo)檢測需破壞性采樣且離線檢測、測試周期長、結(jié)果反饋滯后、檢測樣品人為因素影響、不具有代表性等問題，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量的實時監(jiān)測，為產(chǎn)品質(zhì)量的在線運行優(yōu)化提供實時快速的數(shù)據(jù)依據(jù)。平臺中建立的紙張物理指標(biāo)軟測量模型的精準(zhǔn)度均在95%以上，達(dá)到了當(dāng)前軟測量方法達(dá)到的精準(zhǔn)度要求。圖11 為紙張抗張強(qiáng)度的軟測量實時預(yù)測結(jié)果示意圖。

（5）智能優(yōu)化排產(chǎn)

在維達(dá)紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺中配有基于多目標(biāo)混合優(yōu)化算法建立的排產(chǎn)優(yōu)化模型。該優(yōu)化模型能夠幫助維達(dá)紙業(yè)在緊急銷售訂單進(jìn)來時，平臺系統(tǒng)可提供緊急插單管理功能，根據(jù)緊急銷售訂單重排生產(chǎn)計劃和排產(chǎn)結(jié)果，平臺可給出最合適生產(chǎn)的紙機(jī)的選擇和插單時間的選擇。一旦插單選擇明確，平臺系統(tǒng)會根據(jù)排產(chǎn)優(yōu)化模型算出的插單結(jié)果，給出最新的排程建議。圖12為智能排產(chǎn)結(jié)果示意圖。與人工排產(chǎn)相比，排產(chǎn)優(yōu)化模型時間縮短6.8%，成本降低4.2%。

圖10 紙幅干燥過程運行優(yōu)化節(jié)能結(jié)果

圖11 紙張抗張強(qiáng)度實時預(yù)測結(jié)果

圖12 智能排產(chǎn)結(jié)果示意圖

維達(dá)紙業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺已在公司的廣東、浙江、湖北等8 個生產(chǎn)基地的80 余條生產(chǎn)線上應(yīng)用上線，通過數(shù)據(jù)分析挖掘出88 項潛力點，累計增效2400 余萬元。投入產(chǎn)出回報約1～1.5 年。

4 結(jié) 論

4.1 造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級是造紙產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要組成部分，是造紙產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和發(fā)展的必經(jīng)之路。隨著造紙業(yè)生產(chǎn)過程和市場變化復(fù)雜性的提高和不確定性的增加，傳統(tǒng)的以數(shù)學(xué)模型驅(qū)動的自動化技術(shù)已難以滿足生產(chǎn)發(fā)展的需求。伴隨著以5G 網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)人工智能為代表的新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，造紙企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級成為可能。

4.2 造紙工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型大體可以分為兩個實施階段，第一個階段（初級階段）是實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)化運營，核心是要實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化及工業(yè)數(shù)據(jù)的價值化；第二個階段（高級階段）是實現(xiàn)企業(yè)智能化生產(chǎn)，核心是要實現(xiàn)企業(yè)的“三個閉環(huán)優(yōu)化”，即面向設(shè)備運行和生產(chǎn)過程的閉環(huán)優(yōu)化，面向生產(chǎn)運營決策的閉環(huán)優(yōu)化，以及面向企業(yè)協(xié)同、用戶交互與產(chǎn)品服務(wù)優(yōu)化的全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的閉環(huán)優(yōu)化，實現(xiàn)裝備智能化、生產(chǎn)過程智能化、供應(yīng)鏈智能化以及生產(chǎn)鏈的智能重組以及自主決策。每個企業(yè)智能化的未來目標(biāo)雖然不盡相同，但是每個企業(yè)都應(yīng)根據(jù)自己的未來發(fā)展規(guī)劃，盡早進(jìn)行布局，可以從企業(yè)最關(guān)心的基礎(chǔ)痛點問題入手，比如先用數(shù)據(jù)化手段解決操作人員的效率提升、產(chǎn)品配方優(yōu)化和節(jié)能等問題，企業(yè)管理步入正規(guī)化后，引入數(shù)據(jù)化運營系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上逐步實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

4.3 維達(dá)紙業(yè)的應(yīng)用實踐證明，被國家工信部評為2019 年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)試點示范項目的廣州博依特智能信息科技有限公司研發(fā)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)微服務(wù)架構(gòu)下的基礎(chǔ)材料行業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化運營解決方案”具有明顯的應(yīng)用推廣價值，為造紙工業(yè)數(shù)據(jù)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化，打通企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)單元之間以及上下游各個企業(yè)間的信息壁壘，實現(xiàn)工廠內(nèi)部的協(xié)作提供了技術(shù)支持，為大量造紙工業(yè)的生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)的采集、實時處理以及存儲提供了技術(shù)支持。研發(fā)了許多適用于造紙行業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用模型、優(yōu)化模型和工業(yè)軟件，構(gòu)建了造紙企業(yè)數(shù)據(jù)化運營平臺，為企業(yè)處理和分析工業(yè)大數(shù)據(jù)提供了技術(shù)支持，取得了較好的效果。

4.4 企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級是第四次工業(yè)革命的重要內(nèi)容，既是一次技術(shù)突破和企業(yè)重構(gòu)，又是一種技術(shù)思維方式的轉(zhuǎn)變，要用大系統(tǒng)的思維方法去思考問題，要用跨界集成、協(xié)同創(chuàng)新的數(shù)據(jù)互聯(lián)思路去尋找解決問題的方法，要用閉環(huán)優(yōu)化的技術(shù)手段去提高企業(yè)效益，實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。因此，造紙工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級的實現(xiàn)必然是一個較漫長的過程，每個企業(yè)都需根據(jù)自身業(yè)務(wù)需要， 遵循“做好規(guī)劃，抓住重點；跨界集成，協(xié)同創(chuàng)新；分類指導(dǎo)，先易后難；效益導(dǎo)向，穩(wěn)妥實施”的原則，早日做出相應(yīng)的努力，才能早日實現(xiàn)企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型。