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东华水泥工业大脑:“AI师傅”的大本领

igoseo.net   2021年10月11日

编者按:

  在绿色环保生产的大环境下,水泥行业面临压减产能的政策管控,节能减排要求不断提高,这些都会影响水泥的生产,对水泥价格造成影响。东华水泥主动出击,提出了一个大胆的设想:能否通过大数据,建设“水泥工业大脑”来解决熟料生产全过程降能耗,提高产品质量,从而实现降本增效的目的。

  “AI师傅”和老师傅从同场竞技到互相协作,阿里云和东华水泥为水泥行业的转型开辟了新的路径。

导语

  传统行业在进行数字化变革时,最难的是迈出第一步。原因是它们和天生根植于数字的互联网企业有所不同,面对的环境变化节奏没有那么快速而多变,因而大多数时候更追求运行的稳定性而非灵活性,更加倚重和习惯于生产工艺或业务流程的渐进式改良,更倾向于排斥那些“不可预期”的改变。

  在东华水泥的产线改造过程中,我们能清晰地看到,传统思维和大数据思维的碰撞几乎无处不在。但幸运的是,在所有可能导致项目停顿的沟沟坎坎面前,东华水泥没有选择放弃。这看上去并不是一场“非赢不可”的战斗,但东华水泥的坚持,让它赢得了数字化时代的入场券。

01

东华水泥的困境破题

  2016年,山东东华水泥有限公司(以下简称“东华水泥”)的领导班子在严峻的现实面前,产生了深深的危机感。

  这种危机感一方面来自短期市场的反馈。2015年,在宏观经济处于调整期的背景下,我国水泥需求出现24年来的首次大幅负增长,全年水泥产量约23.5亿吨,比2014年减少1.3亿吨,全年需求同比下滑超过5%。由于产能过剩,全行业产能利用率仅在67%左右。

  另一方面,则来自长期趋势的不容乐观。新经济的崛起吸引了越来越多的年轻人,水泥行业招工难已成常态。而国家对环保的日趋重视,也意味着水泥行业未来在生产效率和节能减排上将面临更大压力。

  因此,东华水提出了走“四化”的战略发展方向,即xpj化,绿色化,专业化,工厂化。说得更直白一点,绿色化解决环保问题,专业化和工厂化解决产能结构升级的问题,而xpj化,一方面可以应对从业人员的趋势性减少,另一方面也是促使其他“三化”落地的底层基础。

  但在调研了很多方案之后,xpj化变革应该怎样推进,是否真的能够起效果,谁都说不出个所以然来,尤其是在现有设备不做大的改动的情况下,如何实现xpj化,在行业内尚无先例。

  直到2018年,在股东单位淄博矿业集团有限责任公司(以下简称“淄矿集团”)组织的一场数字化转型对接会上,东华水泥的与会代表被阿里云的方案吸引,主动争取到了做试点项目的机会。

  双方通过前期摸底和沟通,明确将该项目定义为“水泥工业大脑”。这个“大脑”要实现两个目标:第一个目标是能耗优化,预期要将产线上的煤耗,电耗水平降低2%,这一方面能够节省成本,另一方面也能减少排放;第二个目标是稳定质量,因为水泥熟料的强度波动越小,越有助于下游水泥粉磨企业的成本控制,因此,项目预期要将熟料3天强度的标准差降低5%。

  2018年7月,双方正式完成签约,东华水泥与阿里云共同组建“山东东华xpj制造研究院”,用大数据技术,为传统行业培育新动能探路试水。

水泥厂示意图

02

传统思维与数字化思维的碰撞

  几乎所有的新闻通稿都将双方的合作过程说得云淡风轻,但事实上,传统思维与数字化思维的碰撞几乎无处不在。

  上马之前的“大决裂”

  最早的碰撞甚至发生在双方签约之前。就在阿里云完成初步调研,形成方案之后,东华水泥的领导班子,就到底要不要上马“水泥工业大脑”,发生了一次“大分裂”。当时,一位领导因公出差在外,剩下的班子成员一共8人,在总经理和党委书记首先表态同意上马的情况下,依然有4位班子成员投出了反对票。反对的原因,当然是怀疑像阿里云这样的数据技术公司,“连工艺都不懂,怎么可能改进工艺呢”?

  好在公司一把手的态度十分坚定,再加上股东淄矿集团也十分支持,专门组织培训力量,给东华水泥的领导班子讲大数据的原理和应用,这才成功推动了项目的最终签约。

  然而,对天堑的跨越并没有就此完成。从阿里云工程师进场的那一天开始,怀疑的声音就围绕着他们。

  “他们的产线工人大部分是持怀疑态度,因为他觉得你压根就不懂我的生产工艺,靠什么来改造产线。”参加项目的阿里云架构师回忆道。水泥制造看似“傻大笨粗”,其实涉及上百个工艺参数,在高温煅烧环节,窑内温度可以高达1400-1500℃,对生产过程和结果的判断都是经验性的,没有人精确地知道里面发生了什么,更没有办法精确地了解参数之间的匹配关系。

  三个模型,让年轻人走近老师傅

  但阿里云的工程师们,有着越过工艺而直接理解数据的“独门秘技”。为了建成“水泥工业大脑”,他们设计了三个模型:预测模型,优化模型和反控模型。具体地说,预测模型是把所有的历史数据“喂”给机器,利用大数据分析的技术,自行找到参数之间的匹配关系,从而能够预测给定条件下的能耗数据;预测模型一旦成功,就意味着可以逆向破解最优能耗所需要的生产条件,给出优化操作的建议,这就是优化模型;如果优化模型在产线上被证明是可靠的,就可以用机器直接替代人工进行操作,这就是反控模型。

“水泥工业大脑”背后的原理与模型

  阿里云的工程师们进场以后,就在东华水泥的工艺专家,工控员们怀疑的目光中,大量采集数据,并建模进行分析。一两个月后,这些完全“不懂工艺”的年轻人,已经可以和东华水泥四五十岁的资深工艺专家,就产线优化的方案侃侃而谈,这下,水泥工业的老工艺员们开始有点佩服阿里云的数据技术了。

  数据和人抉择

  但考验还在后面。在预测模型获得成功后,阿里云据此开发出优化模型,并切入产线中。这个优化模型会根据实时数据,为工控员提供操作建议,包括喂料量,喷水量,阀门控制等。然而,出人意料的是,运行一段时间后,人们发现优化模型的效果并不好。

  经过仔细观察,效果不好的原因是工控员不愿意听大数据的指挥。习惯性按照自己的经验来,而不是往大数据的推荐值上努力。

  因此管理层决定直接上反控模型,以消除人为因素的干扰。在反控模型上线前的会上,又发生了激烈的争执。

  会上提到其中一个参数,是原料磨循环风机的阀门。按照阿里云算法工程师的说法,这个阀门的调整,对提高产量,降低电耗是有帮助的。但是工艺工程师一下子就跳起来了,说:“这个阀门你不要给我乱动,动坏了怎么办?再一个,你说调这个阀门有效,你的理论依据是什么?”阿里云的算法工程师也不知道为什么,这是大数据算出来的,没有理论依据可讲。

  最后,项目负责人确认这个阀门如果来回动,并没有安全问题,但是动得频繁容易损坏设备。决定如果没有安全性的问题,那就试一试。

  试一试的结果,完全让东华水泥的一线员工们大开眼界。一名一线工控员在试用反控系统后,写下了自己的观察:“(反控系统)最大的不同就在于循环风阀门的调整,以前我们人工调整时循环风阀门的开度基本一个班甚至几个班都不变动,(但)反控系统调整得却非常频繁。”“同样的设备,同样的物料,人工调整台产460t(吨)就不错了,而反控(系统)的台产平均在470t以上,最高可以到480t。”他在文中由衷地感叹道:“短短几个小时就让我感受到了xpj系统的强大。”

03

“AI师傅”的实战成绩

  事实胜于雄辩。用大数据武装起来的“水泥工业大脑”渐渐征服了东华水泥上到领导层,下到一线员工的全体人员。大家都意识到,水泥产线上老师傅带新徒弟,代代相传的传统模式,未来一定会转变为“AI师傅”自主实践,人工予以辅助的模式。如今,在东华水泥的产线上,AI系统的上线率已经超过了90%,最高的时候达到99%,除偶发的异常工况需要人为干预之外,“AI师傅”已经可以自主应对绝大部分的生产环境了。

  那么,“AI师傅”的实战成绩如何呢?一系列数据可以说明一切。

  节能减排

  首先是在节能减排方面,水泥工业大脑上线后,能耗不断降低,连续刷新纪录。2019年全年,企业节约标煤1.86万吨,节电663万度,

  减排二氧化碳8715吨,氮氧化物202吨,二氧化硫214吨,当年因节能减排产生的综合效益达到4200万元。2020年生产292万吨熟料,同比节约标准煤1.54万吨,节电242.3万度,减排二氧化碳7187.5吨,氮氧化物166.6吨,二氧化硫179.5吨,当年因节能减排实现综合增效2314万元。

“水泥工业大脑”推动节能减排

  稳定质量

  其次是在稳定质量方面。由于水泥工业大脑“耳听八路,手控四方”,而且不会像人那样存在波动和差异,因此生产条件的稳定性控制要显著优于人工。此外,水泥工业大脑还通过大数据手段,建立起自学模型,找出熟料强度与配方的关系,对饱和比,硅率,铝率等参数进行xpj化控制。两种因素叠加,使得在AI自动驾驶工况下,水泥熟料的3天强度标准差降低了28.48%。

结语

  可以说,水泥工业大脑的开发结果是远超预期的,是大获成功的。但是,这并不是水泥行业数字化转型的结束,相反,这仅仅是一个开始。

  下一步,东华水泥会向全行业推广成功经验;另一方面,东华水泥也坚定了数字化转型的方向,正在考虑第二期项目的方案。

  我国水泥行业的转型空间还非常大。这种空间在用人效率上表现得非常明显。同样规模的一条生产线,国外可能只需要十几个人,而国内还要上百人,差距以数倍计。究其原因,一方面是产线的自动化程度还有提升的空间,但更重要的因素在于,产业链上下游的整体标准化程度,数据丰富度都不够,所以很多问题不得不用人工的手段来解决。

  在“十四五”期间,随着国家科技战略的推进,随着各类传感器,机械装备的升级,行业上下游的数据肯定会趋于完善。基于全行业数字化转型的趋势,东华水泥也正在准备做一套水泥行业数字化转型的数据标准,来促成全行业的数据互联。

  可以想见,在不远的未来,由于全行业数据互通,整个水泥行业就可以在一张大的工业互联网平台上运转,让所有供应商,服务商,制造商的能力实现网络化协同,让全行业的效率得到大幅度的提升。到那时,“AI师傅”的能力将远远超越产线的局限,而为全社会贡献福祉。

  文章来源:《云上的中国——激荡的数智化未来》

  作者:阿里云 x 吴晓波

标签:人工xpj 我要反馈 
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