編者按：
在綠色環(huán)保生產(chǎn)的大環(huán)境下，水泥行業(yè)面臨壓減產(chǎn)能的政策管控，節(jié)能減排要求不斷提高，這些都會影響水泥的生產(chǎn)，對水泥價格造成影響。東華水泥主動出擊，提出了一個大膽的設(shè)想：能否通過大數(shù)據(jù)，建設(shè)“水泥工業(yè)大腦”來解決熟料生產(chǎn)全過程降能耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而實現(xiàn)降本增效的目的。
“AI師傅”和老師傅從同場競技到互相協(xié)作，阿里云和東華水泥為水泥行業(yè)的轉(zhuǎn)型開辟了新的路徑。
導(dǎo)語
傳統(tǒng)行業(yè)在進行數(shù)字化變革時，最難的是邁出第一步。原因是它們和天生根植于數(shù)字的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)有所不同，面對的環(huán)境變化節(jié)奏沒有那么快速而多變，因而大多數(shù)時候更追求運行的穩(wěn)定性而非靈活性，更加倚重和習(xí)慣于生產(chǎn)工藝或業(yè)務(wù)流程的漸進式改良，更傾向于排斥那些“不可預(yù)期”的改變。
在東華水泥的產(chǎn)線改造過程中，我們能清晰地看到，傳統(tǒng)思維和大數(shù)據(jù)思維的碰撞幾乎無處不在。但幸運的是，在所有可能導(dǎo)致項目停頓的溝溝坎坎面前，東華水泥沒有選擇放棄。這看上去并不是一場“非贏不可”的戰(zhàn)斗，但東華水泥的堅持，讓它贏得了數(shù)字化時代的入場券。
01
東華水泥的困境破題
2016年，山東東華水泥有限公司(以下簡稱“東華水泥”)的領(lǐng)導(dǎo)班子在嚴(yán)峻的現(xiàn)實面前，產(chǎn)生了深深的危機感。
這種危機感一方面來自短期市場的反饋。2015年，在宏觀經(jīng)濟處于調(diào)整期的背景下，我國水泥需求出現(xiàn)24年來的首次大幅負(fù)增長，全年水泥產(chǎn)量約23.5億噸，比2014年減少1.3億噸，全年需求同比下滑超過5%。由于產(chǎn)能過剩，全行業(yè)產(chǎn)能利用率僅在67%左右。
另一方面，則來自長期趨勢的不容樂觀。新經(jīng)濟的崛起吸引了越來越多的年輕人，水泥行業(yè)招工難已成常態(tài)。而國家對環(huán)保的日趨重視，也意味著水泥行業(yè)未來在生產(chǎn)效率和節(jié)能減排上將面臨更大壓力。
因此，東華水提出了走“四化”的戰(zhàn)略發(fā)展方向，即智能化、綠色化、專業(yè)化、工廠化。說得更直白一點，綠色化解決環(huán)保問題，專業(yè)化和工廠化解決產(chǎn)能結(jié)構(gòu)升級的問題，而智能化，一方面可以應(yīng)對從業(yè)人員的趨勢性減少，另一方面也是促使其他“三化”落地的底層基礎(chǔ)。
但在調(diào)研了很多方案之后，智能化變革應(yīng)該怎樣推進，是否真的能夠起效果，誰都說不出個所以然來，尤其是在現(xiàn)有設(shè)備不做大的改動的情況下，如何實現(xiàn)智能化，在行業(yè)內(nèi)尚無先例。
直到2018年，在股東單位淄博礦業(yè)集團有限責(zé)任公司(以下簡稱“淄礦集團”)組織的一場數(shù)字化轉(zhuǎn)型對接會上，東華水泥的與會代表被阿里云的方案吸引，主動爭取到了做試點項目的機會。
雙方通過前期摸底和溝通，明確將該項目定義為“水泥工業(yè)大腦”。這個“大腦”要實現(xiàn)兩個目標(biāo)：第一個目標(biāo)是能耗優(yōu)化，預(yù)期要將產(chǎn)線上的煤耗、電耗水平降低2%，這一方面能夠節(jié)省成本，另一方面也能減少排放;第二個目標(biāo)是穩(wěn)定質(zhì)量，因為水泥熟料的強度波動越小，越有助于下游水泥粉磨企業(yè)的成本控制，因此，項目預(yù)期要將熟料3天強度的標(biāo)準(zhǔn)差降低5%。
2018年7月，雙方正式完成簽約，東華水泥與阿里云共同組建“山東東華智能制造研究院”，用大數(shù)據(jù)技術(shù)，為傳統(tǒng)行業(yè)培育新動能探路試水。
水泥廠示意圖
02
傳統(tǒng)思維與數(shù)字化思維的碰撞
幾乎所有的新聞通稿都將雙方的合作過程說得云淡風(fēng)輕，但事實上，傳統(tǒng)思維與數(shù)字化思維的碰撞幾乎無處不在。
上馬之前的“大決裂”
最早的碰撞甚至發(fā)生在雙方簽約之前。就在阿里云完成初步調(diào)研、形成方案之后，東華水泥的領(lǐng)導(dǎo)班子，就到底要不要上馬“水泥工業(yè)大腦”，發(fā)生了一次“大分裂”。當(dāng)時，一位領(lǐng)導(dǎo)因公出差在外，剩下的班子成員一共8人，在總經(jīng)理和黨委書記首先表態(tài)同意上馬的情況下，依然有4位班子成員投出了反對票。反對的原因，當(dāng)然是懷疑像阿里云這樣的數(shù)據(jù)技術(shù)公司，“連工藝都不懂，怎么可能改進工藝呢”?
好在公司一把手的態(tài)度十分堅定，再加上股東淄礦集團也十分支持，專門組織培訓(xùn)力量，給東華水泥的領(lǐng)導(dǎo)班子講大數(shù)據(jù)的原理和應(yīng)用，這才成功推動了項目的最終簽約。
然而，對天塹的跨越并沒有就此完成。從阿里云工程師進場的那一天開始，懷疑的聲音就圍繞著他們。
“他們的產(chǎn)線工人大部分是持懷疑態(tài)度，因為他覺得你壓根就不懂我的生產(chǎn)工藝，靠什么來改造產(chǎn)線。”參加項目的阿里云架構(gòu)師回憶道。水泥制造看似“傻大笨粗”，其實涉及上百個工藝參數(shù)，在高溫煅燒環(huán)節(jié)，窯內(nèi)溫度可以高達1400-1500℃，對生產(chǎn)過程和結(jié)果的判斷都是經(jīng)驗性的，沒有人精確地知道里面發(fā)生了什么，更沒有辦法精確地了解參數(shù)之間的匹配關(guān)系。
三個模型，讓年輕人走近老師傅
但阿里云的工程師們，有著越過工藝而直接理解數(shù)據(jù)的“獨門秘技”。為了建成“水泥工業(yè)大腦”，他們設(shè)計了三個模型：預(yù)測模型、優(yōu)化模型和反控模型。具體地說，預(yù)測模型是把所有的歷史數(shù)據(jù)“喂”給機器，利用大數(shù)據(jù)分析的技術(shù)，自行找到參數(shù)之間的匹配關(guān)系，從而能夠預(yù)測給定條件下的能耗數(shù)據(jù);預(yù)測模型一旦成功，就意味著可以逆向破解最優(yōu)能耗所需要的生產(chǎn)條件，給出優(yōu)化操作的建議，這就是優(yōu)化模型;如果優(yōu)化模型在產(chǎn)線上被證明是可靠的，就可以用機器直接替代人工進行操作，這就是反控模型。
“水泥工業(yè)大腦”背后的原理與模型
阿里云的工程師們進場以后，就在東華水泥的工藝專家、工控員們懷疑的目光中，大量采集數(shù)據(jù)，并建模進行分析。一兩個月后，這些完全“不懂工藝”的年輕人，已經(jīng)可以和東華水泥四五十歲的資深工藝專家，就產(chǎn)線優(yōu)化的方案侃侃而談，這下，水泥工業(yè)的老工藝員們開始有點佩服阿里云的數(shù)據(jù)技術(shù)了。
數(shù)據(jù)和人抉擇
但考驗還在后面。在預(yù)測模型獲得成功后，阿里云據(jù)此開發(fā)出優(yōu)化模型，并切入產(chǎn)線中。這個優(yōu)化模型會根據(jù)實時數(shù)據(jù)，為工控員提供操作建議，包括喂料量、噴水量、閥門控制等。然而，出人意料的是，運行一段時間后，人們發(fā)現(xiàn)優(yōu)化模型的效果并不好。
經(jīng)過仔細(xì)觀察，效果不好的原因是工控員不愿意聽大數(shù)據(jù)的指揮。習(xí)慣性按照自己的經(jīng)驗來，而不是往大數(shù)據(jù)的推薦值上努力。
因此管理層決定直接上反控模型，以消除人為因素的干擾。在反控模型上線前的會上，又發(fā)生了激烈的爭執(zhí)。
會上提到其中一個參數(shù)，是原料磨循環(huán)風(fēng)機的閥門。按照阿里云算法工程師的說法，這個閥門的調(diào)整，對提高產(chǎn)量、降低電耗是有幫助的。但是工藝工程師一下子就跳起來了，說：“這個閥門你不要給我亂動，動壞了怎么辦?再一個，你說調(diào)這個閥門有效，你的理論依據(jù)是什么?”阿里云的算法工程師也不知道為什么，這是大數(shù)據(jù)算出來的，沒有理論依據(jù)可講。
最后，項目負(fù)責(zé)人確認(rèn)這個閥門如果來回動，并沒有安全問題，但是動得頻繁容易損壞設(shè)備。決定如果沒有安全性的問題，那就試一試。
試一試的結(jié)果，完全讓東華水泥的一線員工們大開眼界。一名一線工控員在試用反控系統(tǒng)后，寫下了自己的觀察：“(反控系統(tǒng))最大的不同就在于循環(huán)風(fēng)閥門的調(diào)整，以前我們?nèi)斯ふ{(diào)整時循環(huán)風(fēng)閥門的開度基本一個班甚至幾個班都不變動，(但)反控系統(tǒng)調(diào)整得卻非常頻繁……”“同樣的設(shè)備，同樣的物料，人工調(diào)整臺產(chǎn)460t(噸)就不錯了，而反控(系統(tǒng))的臺產(chǎn)平均在470t以上，最高可以到480t?！彼谖闹杏芍缘馗袊@道：“短短幾個小時就讓我感受到了智能系統(tǒng)的強大?！?/FONT>
03
“AI師傅”的實戰(zhàn)成績
事實勝于雄辯。用大數(shù)據(jù)武裝起來的“水泥工業(yè)大腦”漸漸征服了東華水泥上到領(lǐng)導(dǎo)層、下到一線員工的全體人員。大家都意識到，水泥產(chǎn)線上老師傅帶新徒弟、代代相傳的傳統(tǒng)模式，未來一定會轉(zhuǎn)變?yōu)椤癆I師傅”自主實踐、人工予以輔助的模式。如今，在東華水泥的產(chǎn)線上，AI系統(tǒng)的上線率已經(jīng)超過了90%，最高的時候達到99%，除偶發(fā)的異常工況需要人為干預(yù)之外，“AI師傅”已經(jīng)可以自主應(yīng)對絕大部分的生產(chǎn)環(huán)境了。
那么，“AI師傅”的實戰(zhàn)成績?nèi)绾文?一系列數(shù)據(jù)可以說明一切。
節(jié)能減排
首先是在節(jié)能減排方面，水泥工業(yè)大腦上線后，能耗不斷降低，連續(xù)刷新紀(jì)錄。2019年全年，企業(yè)節(jié)約標(biāo)煤1.86萬噸，節(jié)電663萬度，
減排二氧化碳8715噸、氮氧化物202噸、二氧化硫214噸，當(dāng)年因節(jié)能減排產(chǎn)生的綜合效益達到4200萬元。2020年生產(chǎn)292萬噸熟料，同比節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1.54萬噸，節(jié)電242.3萬度，減排二氧化碳7187.5噸、氮氧化物166.6噸、二氧化硫179.5噸，當(dāng)年因節(jié)能減排實現(xiàn)綜合增效2314萬元。
“水泥工業(yè)大腦”推動節(jié)能減排
穩(wěn)定質(zhì)量
其次是在穩(wěn)定質(zhì)量方面。由于水泥工業(yè)大腦“耳聽八路，手控四方”，而且不會像人那樣存在波動和差異，因此生產(chǎn)條件的穩(wěn)定性控制要顯著優(yōu)于人工。此外，水泥工業(yè)大腦還通過大數(shù)據(jù)手段，建立起自學(xué)模型，找出熟料強度與配方的關(guān)系，對飽和比、硅率、鋁率等參數(shù)進行智能化控制。兩種因素疊加，使得在AI自動駕駛工況下，水泥熟料的3天強度標(biāo)準(zhǔn)差降低了28.48%。
結(jié)語
可以說，水泥工業(yè)大腦的開發(fā)結(jié)果是遠(yuǎn)超預(yù)期的，是大獲成功的。但是，這并不是水泥行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的結(jié)束，相反，這僅僅是一個開始。
下一步，東華水泥會向全行業(yè)推廣成功經(jīng)驗;另一方面，東華水泥也堅定了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的方向，正在考慮第二期項目的方案。
我國水泥行業(yè)的轉(zhuǎn)型空間還非常大。這種空間在用人效率上表現(xiàn)得非常明顯。同樣規(guī)模的一條生產(chǎn)線，國外可能只需要十幾個人，而國內(nèi)還要上百人，差距以數(shù)倍計。究其原因，一方面是產(chǎn)線的自動化程度還有提升的空間，但更重要的因素在于，產(chǎn)業(yè)鏈上下游的整體標(biāo)準(zhǔn)化程度、數(shù)據(jù)豐富度都不夠，所以很多問題不得不用人工的手段來解決。
在“十四五”期間，隨著國家科技戰(zhàn)略的推進，隨著各類傳感器、機械裝備的升級，行業(yè)上下游的數(shù)據(jù)肯定會趨于完善。基于全行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的趨勢，東華水泥也正在準(zhǔn)備做一套水泥行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，來促成全行業(yè)的數(shù)據(jù)互聯(lián)。
可以想見，在不遠(yuǎn)的未來，由于全行業(yè)數(shù)據(jù)互通，整個水泥行業(yè)就可以在一張大的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上運轉(zhuǎn)，讓所有供應(yīng)商、服務(wù)商、制造商的能力實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同，讓全行業(yè)的效率得到大幅度的提升。到那時，“AI師傅”的能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越產(chǎn)線的局限，而為全社會貢獻福祉。
文章來源：《云上的中國——激蕩的數(shù)智化未來》
作者：阿里云 x 吳曉波
（轉(zhuǎn)載）
