从经验主导到数据驱动，AI如何帮助水泥行业转型升级？
水泥 中国水泥网信息中心 2019-12-12
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工业4.0时代，水泥行业面临着节能降耗、优产减排等诸多挑战，当经验主导的工艺优化方式存在无法避免的天花板，以数字化、智能化手段来推动绿色高效发展，成为水泥行业转型升级的新契机。12月9日，阿里云在杭州举办“2019水泥智能化创新研讨会”，围绕大数据、人工智能、云计算在水泥行业的应用做深入探讨。中材国际、南方水泥、西南水泥、金隅冀东、红狮水泥、台湾水泥、山水水泥、亚东水泥、中国水泥网、中材邦业、赤霄科技、西南科技大学、上海交通大学等业内百余家单位代表出席。
（▲图1：2019水泥智能化创新研讨会在阿里巴巴西溪园区召开）
研讨会上，阿里云分享了工业大脑聚焦数据的工艺优化和自动驾驶方案，目前已经在东华水泥等多家水泥厂应用，为企业带来可观的经济效益。
当前，制造业普遍面临着人工成本上涨、能源成本上涨、环保重任艰巨等挑战。水泥行业作为能源消耗大户，也面临着相同的问题。结合过去一年走访国内近百条水泥产线的经历，不难发现，当前水泥生产面临的两大核心痛点：
1） 煤和电的成本占水泥成本的40%~70%，节能降耗、减少污染排放是重要课题；
2） 由于原料、燃料、工况波动大，水泥行业始终无法实现高度自动化和智能化生产，生产质量和能耗水平严重依赖于人工经验。
因此，整个水泥行业转型升级的最大诉求在于：在保质保量的前提下，通过稳定的自动化生产控制来实现节能降耗。
水泥产线的核心工艺高度相似，生料磨、回转窑和水泥磨组成的“两磨一烧”环节是每条产线的标配，也是能耗最大、最依赖人工操作的环节。聚焦“两磨一烧”的工艺优化和自动控制，或许是解决水泥行业之痛的有效路径。
不同于以往经验主导的优化方式，阿里云工业大脑提出了数据驱动的解题思路。无论是磨主电机、窑主电机，还是子环节涉及的各类风机，在生产过程中都会产生大量运转数据，基于历史的运转数据与效果数据进行深度挖掘分析，利用人工智能技术实现参数自动寻优，再嵌入到产线设备中，让机器帮助人类实现复杂工序下的实时最优决策与控制，在生产保持平稳的情况下降低能耗。
阿里云工业大脑通过与东华水泥、中材邦业、南方水泥等行业企业深度合作，摸索出一条AI与水泥“两磨一烧”工艺深度结合的数字化创新之路，整个过程主要分为以下几步：
1、数据沉淀
结合工艺专家经验，沉淀反映和影响水泥生料/熟料质量及能耗的数据，包括质检数据、DCS数据、环境数据等。以生料磨工艺为例，磨机压差、出入磨风温、磨机料层厚度、斗提电流和精确至每半分钟的生产电耗数据，都是后续分析的基础数据。
2、识别关键因子，构建数据字典
“两磨一烧”环节有上万个维度的数据，通过分析不同数据维度对品质和能耗的影响权重，对这些因子做重要性排序，经过与产线工艺专家探讨，识别出关键影响因子，作为后续算法模型的标准输入。
3、优化算法建模
当确认了所需的数据输入后，即可进行算法模型的开发，分为三个方向，
1） 经典的工业控制算法，如PID，MPC等；
2） 对工业过程的强化学习，将工艺经验融入算法中；
3） 通过能耗模型来预测生产能耗并从中寻找最优的控制参数。
最终将这三类独立的算法组集成，融合成为阿里云工业大脑的智能水泥引擎。采用云端优化+边缘端控制的方式，实现最优参数自动下发、自动控制，同时实现产线节能降耗。
4、产线多工段协同
虽说“两磨一烧”是一整条连续的生产过程，但其中的三个子环节是相对独立的。因此，我们的产品也将生料磨、回转窑、水泥粉磨分开来做，先按不同工段来做局部优化，最后实现整体的优化。这样也能满足不同水泥厂的个性化需求，根据具体情况自由组合不同模块。
阿里云工业大脑的“两磨一烧”智能引擎聚焦生产优化和自动控制两层问题，利用生产数据进行模型训练，实现生产参数的自动寻优和自动控制，提升生产效率和平稳率，同时降低煤耗和电耗。
（▲图2：阿里云工业大脑水泥“两磨一烧”智能引擎）
东华水泥是第一个与阿里云工业大脑合作的水泥企业。通过对DCS数据、质检数据、能耗数据进行一系列清洗、加工和转换，东华水泥基于产线数据建立能耗优化模型，并融合工艺专家的一线经验，获得凝结数理与行业机理调优算法，运用在产线控制中。凭借超强的学习能力，工业大脑帮助东华水泥不断降低能耗排放，最新成果已实现单产标准煤耗下降至100千克/吨，电耗突破50度/吨，大幅降低生产成本。
与此同时，阿里云工业大脑牵手中材邦业，采用云端优化+边缘端控制方案，实时优化水泥烧成生产线的温度、压力、给煤量、冷却等参数，帮助水泥厂实现生产过程自动驾驶，投产率达95%以上，投运效果相当于中等操作人员水平。
今后，阿里云将会在生产管理、能源管理、设备管理、安全管理、物流管理等更多的场景，运用数据分析、云计算等技术，赋能水泥产业，帮助水泥企业实现单点智能、局部智能，最终走向全局智能。
正如中材国际副总裁徐培涛在研讨会上所言，随着经济发展与社会进步，未来我们真正需要的水泥产线有两条，一条是稳定的产线，另一条是精细的产线，两者都需要通过智能化、自动化的技术手段实现。在新兴技术的加持下，水泥这个庞大、传统的行业，也必然迎来高质量发展的新动力。
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