基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析平臺 鋼結(jié)構(gòu)制造全過程成本分析與工藝優(yōu)化
引言：中建鋼構(gòu)廣東有限公司是國家高新技術(shù)企業(yè)，是中國最大的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)集團——中建鋼構(gòu)有限公司的隸屬子公司，年加工鋼結(jié)構(gòu)能力20萬噸，是國內(nèi)制造特級的大型鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)，是國內(nèi)首批取得國內(nèi)外雙認證（歐標、美標）的鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)。中建鋼構(gòu)具有行業(yè)領(lǐng)先的建筑信息化、智能化產(chǎn)品，自主研發(fā)了國際領(lǐng)先的鋼結(jié)構(gòu)全生命周期管理平臺，開發(fā)了ERP、設(shè)備能像管理系統(tǒng)、庫存管理系統(tǒng)等信息系統(tǒng)，搭建了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析管理平臺。同時，公司正實施建設(shè)全球首條鋼結(jié)構(gòu)智能制造生產(chǎn)線，實現(xiàn)涵蓋切割、分揀、搬運、焊接、倉儲、物流、信息化的智能化生產(chǎn)。該產(chǎn)線獲批成為2017年國家工信部智能制造新模式應(yīng)用項目，并被科技部立項作為國家“十三五”重點課題。中建鋼構(gòu)廣東有限公司率先踐行“中國制造2025”，成為國內(nèi)裝配式建筑領(lǐng)域首個智能化工廠，并獲得2018年廣東省工程技術(shù)研發(fā)中心、2018年廣東省兩化融合試點企業(yè)； 2018年廣東省級企業(yè)技術(shù)中心；2017年廣東省智能制造試點示范項目； 2017年廣東省制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合試點示范。
一、 項目概況
目前中建鋼構(gòu)遇到的問題最重要的原因是產(chǎn)線、設(shè)備的數(shù)據(jù)缺失、以及業(yè)務(wù)系統(tǒng)各自獨立。因此我們采用新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)來分四步解決這個問題，第一步采集與可靠傳輸產(chǎn)線設(shè)備的實時數(shù)據(jù)解決機臺間的信息孤島與網(wǎng)絡(luò)傳輸問題；第二步利用工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺匯聚現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，解決系統(tǒng)間的信息孤島問題；第三步利用系統(tǒng)與設(shè)備數(shù)據(jù)根據(jù)需求做相應(yīng)的功能應(yīng)用與可視化呈現(xiàn)解決各部門間信息不一致與工廠透明化的問題；第四步依靠大數(shù)據(jù)平臺能力實現(xiàn)成本維度的大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用解決生產(chǎn)成本缺乏精細化管理的問題。
1. 項目背景
作為鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的切入點，我們希望通過本次基于智能產(chǎn)線上的試點項目，以降本增效為目的，為生產(chǎn)、商務(wù)、財務(wù)等相關(guān)的業(yè)務(wù)部門提供實際的決策支撐作用。上層系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)相打通，實現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)動，達到產(chǎn)線級的IT/ OT系統(tǒng)融合。并且通過多種形式的展示，完成對產(chǎn)線數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)，以及圍繞成本這一重要維度的大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，推動成本與工藝優(yōu)化從而實現(xiàn)降本增效的目的。
2. 項目簡介
根據(jù)“數(shù)字化、信息化、智能化”的設(shè)計理念，充分利用工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)、智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺等先進技術(shù)，構(gòu)建基于云架構(gòu)的大數(shù)據(jù)分析平臺。通過建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析平臺，通過數(shù)據(jù)采集、分析、決策，優(yōu)化提升可制造性和可服務(wù)性，形成企業(yè)智能管控閉環(huán)，提供生產(chǎn)效率，降低運營成本。
1、 設(shè)備數(shù)據(jù)采集：通過智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)清洗、邊緣計算以及數(shù)據(jù)上傳等功能，把中建鋼構(gòu)廣東有限公司二期（簡稱“工廠”）中試點示范產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備中運行狀態(tài)、工藝參數(shù)及加工信息等數(shù)據(jù)采集上來。
2、 工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與建設(shè)：完成工廠內(nèi)無源光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、通過使用工業(yè)PON通訊方式，把數(shù)采設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，建立云平臺和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊管道。
3、 網(wǎng)關(guān)管理平臺：建設(shè)部署智能網(wǎng)關(guān)管理平臺，對負責數(shù)據(jù)采集的智能網(wǎng)關(guān)、工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及所接入的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，提供包括網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層在內(nèi)的端到端監(jiān)控和管理的服務(wù)。
4、 工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)：在中建鋼構(gòu)部署工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，用來匯聚集成設(shè)備采集的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)（BIM系統(tǒng)、業(yè)財系統(tǒng)、能像系統(tǒng)、下料集成系統(tǒng)），對數(shù)據(jù)進行建模、存儲、計算。為數(shù)據(jù)的分析、應(yīng)用開發(fā)以及可視化展示提供對應(yīng)支撐能力。
5、 功能應(yīng)用開發(fā)：根據(jù)客戶需求、基于工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺完成產(chǎn)線看板、作業(yè)中心、設(shè)備詳情、產(chǎn)品追溯、能耗管理、告警管理、權(quán)限管理等功能的應(yīng)用開發(fā)工作。
6、 可視化展現(xiàn)：形象化的展示工廠整體生產(chǎn)運行情況，在有效地整合IT與OT的數(shù)據(jù)源后，可以從經(jīng)典的制造管理視角，將數(shù)據(jù)以清晰的結(jié)構(gòu)和層次呈現(xiàn)給管理和使用者，如訂單執(zhí)行進度、生產(chǎn)工序執(zhí)行情況、生產(chǎn)設(shè)備運行情況以及多角度的統(tǒng)計分析圖表等。
7、 大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用：通過已采集的設(shè)備數(shù)據(jù)、BIM系統(tǒng)、業(yè)財系統(tǒng)、能像系統(tǒng)、下料集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，充分利用機器學習、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，針對生產(chǎn)運營中所需要的應(yīng)用，建立數(shù)學模型，幫助工廠提升運營效益。
3. 項目目標
通過本次項目的實施，工廠實現(xiàn)“三個優(yōu)化與一個管理”的目標，項目執(zhí)行團隊具備“六種能力”。
1、 三個優(yōu)化：制造項目成本優(yōu)化、產(chǎn)線成本優(yōu)化、工藝參數(shù)優(yōu)化。
2、 一個管理：易耗件預(yù)測性維護與成本管理。
3、 六種能力：采集技術(shù)及能力、傳輸技術(shù)及能力、云端平臺技術(shù)及能力、基于平臺的應(yīng)用能力、可視化展現(xiàn)能力、大數(shù)據(jù)分析能力。
二、項目實施概況
本次項目將從設(shè)備折舊、生產(chǎn)能耗、備品備件等數(shù)據(jù)源中，利用線性回歸、聚類分析等大數(shù)據(jù)分析模型，按照項目批次、生產(chǎn)構(gòu)件等維度精細化分析生產(chǎn)成本，從而實現(xiàn)精細化報價、優(yōu)化生產(chǎn)排程以及提供管理決策的數(shù)據(jù)依據(jù)。
1. 項目總體架構(gòu)和主要內(nèi)容
1) 總體功能架構(gòu)
中建鋼構(gòu)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是由中建鋼構(gòu)廣東有限公司與中國電信上海理想集團共同聯(lián)合打造的。該平臺一方面通過智能網(wǎng)關(guān)獲取產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，另一方面對接了中建鋼構(gòu)BIM、能像、業(yè)財、下料集成等多個相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了產(chǎn)線級IT/OT的聯(lián)動和設(shè)備數(shù)據(jù)的萃取、分析、同時采用大數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)進行多維度的展示。如圖1所示。
圖1 總體功能架構(gòu)
平臺充分應(yīng)用工業(yè)大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)，圍繞著成本精細化管理、產(chǎn)線成本優(yōu)化分析、設(shè)備工藝參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備易損件管理等四個維度進行深度數(shù)據(jù)分析。
2) 建設(shè)內(nèi)容詳細介紹
1、 設(shè)備數(shù)據(jù)采集
本次項目中我們采用霍尼韋爾提供的智能網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)清洗、邊緣計算以及數(shù)據(jù)上傳等必要功能。通過智能網(wǎng)關(guān)幫助用戶打通工業(yè)信息孤島，實現(xiàn)設(shè)備、工藝互聯(lián)；實時在現(xiàn)場級掌握所需的關(guān)鍵決策輔助性信息；合理規(guī)劃現(xiàn)場應(yīng)用與上級應(yīng)用的混合部署；同時又確保了數(shù)據(jù)安全。
采集對象：智能產(chǎn)線的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備
設(shè)備名稱 | 設(shè)備數(shù)量 | 設(shè)備商 |
牛腿機器人焊接工作站 | 2 | 唐山開元 |
臥式埋弧焊接生產(chǎn)線 | 1 | 唐山開元 |
采集內(nèi)容：對應(yīng)設(shè)備的常規(guī)參數(shù)與工藝參數(shù)
設(shè)備名稱 | 常規(guī)參數(shù) | 需采集數(shù)據(jù)項（工藝參數(shù)） |
牛腿機器人焊接工作站 | 狀態(tài)、PLC計數(shù)、故障信息 | 備品備ID，更換日期，備品備件名稱，備品備件編碼，機器人id，開機時間，關(guān)機時間，再生狀態(tài)，再生時間，電弧發(fā)生累計時間，電弧發(fā)生率，電弧ON累計時間 電弧ON率，暫時停止累計時間，再生主程序號，再生程序號，再生步驟，再生位置，再生主層數(shù)，再生主層數(shù)，設(shè)定焊接電流，實際焊接電流，設(shè)定焊接電壓，實際焊接電壓，設(shè)定焊接速度，實際焊接速度，實際移動速度，設(shè)定送絲速度，實際送絲速度，送絲負荷，工件焊接開始時間，工件焊接結(jié)束時間，焊接時間，焊絲消耗，錯誤時間，錯誤編號，錯誤等級，故障信息 |
臥式埋弧焊接生產(chǎn)線 | 狀態(tài)、PLC計數(shù)、故障信息 | 焊接參數(shù)的起弧規(guī)范（起弧電流，起弧電壓，起弧時間） 焊接參數(shù)的收弧規(guī)范（起弧電流，起弧電壓，起弧時間） 焊接參數(shù)的焊接規(guī)范（焊接電流,焊接電壓,回燒時間，焊接速度） 焊接時的實時電流,實時電壓 焊接時的焊接速度 規(guī)范微調(diào)數(shù)據(jù)：槍電流，槍電壓，槍電流，槍電壓，焊接速度 焊接時的跟蹤控制器狀態(tài) 跟蹤速度數(shù)據(jù), Y軸偏移量，Z軸偏移量 Y軸橫軸實際位置，跟蹤目標位置，起點目標位置 Z軸縱軸實際位置，跟蹤目標位置，起點目標位置 X軸臺車實際位置，起點目標位置，終點目標位置 X軸起始偏移量，X軸結(jié)束偏移量，Y軸偏移量，Z軸便宜量，X軸角度，Y軸角度 上料1區(qū)，上料2區(qū)，下料區(qū)，RGV車，翻轉(zhuǎn)區(qū)的報警信息、限位信號、焊接狀態(tài) |
采集方式：西門子PLCS7-200/S7-1200、歐姆龍PLC CP1H控制設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，如圖2。
圖2 西門子、歐姆龍參數(shù)采集
2、 工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與建設(shè)
根據(jù)與用戶的溝通和實際情況的勘察，工廠對網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性要求比較高，擬選用工業(yè)PON的組網(wǎng)方式來滿足需求。PON采用“一到多”結(jié)構(gòu)，無源光纖傳輸方式，在以太網(wǎng)上提供多種業(yè)務(wù)并可集成無線覆蓋，PON組網(wǎng)可實現(xiàn)冗余切換，保證了網(wǎng)絡(luò)的高可用性和設(shè)備的健碩性。基于對工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)升級需要，要求對中建鋼構(gòu)陽光廠二期（車間）原有的網(wǎng)絡(luò)進行線纜的擴容及升級改造。本次工廠的信息點需求分布如下：
車間號 | 區(qū)域 | ONU數(shù)量 | 備注 |
1號車間 | 部件加工中心 | 2 | FD3、FD13 |
智能下料中心 | 3 | FD1、FD2、FD14 | |
2號車間A區(qū) | 自動銑磨中心 | 1 | FD4 |
自動組焊矯中心 | 2 | FD5、FD11 | |
鋸鉆鎖中心 | 2 | FD6、FD12 | |
機器人焊裝中心 | 1 | FD7 | |
4號車間 | 拋丸噴涂中心 | 3 | FD8、FD9、FD10 |
合計 | 14 |
考慮到流水線工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)工作的穩(wěn)定、可靠、可擴展性及性價比，本次組網(wǎng)采用華為設(shè)備，組網(wǎng)方式采用保護方式，如下圖3所示。
圖3 工業(yè)PON組網(wǎng)方式
工廠施工已完成如下圖4所示。
圖4 工業(yè)PON實施部署圖
3、 網(wǎng)關(guān)管理平臺
在本次項目中部署了中國電信工業(yè)版“網(wǎng)管專家平臺”，是利用中國電信統(tǒng)一建立的基于SNMP技術(shù)的平臺，對包括數(shù)據(jù)采集的智能網(wǎng)關(guān)、工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在內(nèi)的客戶廣域網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)接入提供包括網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層在內(nèi)的端到端監(jiān)控和管理的業(yè)務(wù)。
圖5 網(wǎng)管專家平臺
設(shè)備通斷檢測：實時監(jiān)測設(shè)備通斷情況
a) 設(shè)備性能監(jiān)測及告警：可監(jiān)測設(shè)備的CPU利用率、剩余可用內(nèi)存、設(shè)備可達性和在線時長等性能指標
b) 流量利用率監(jiān)測及告警：通信流量、包、利用率等監(jiān)測與閾值告警
c) 故障告警及時處理和通知：主動發(fā)現(xiàn)電路和設(shè)備的告警和故障情況，及時處理并以短信或Email等方式將故障及時主動的通知客戶，整個故障處理過程客戶可以通過WEB方式實時了解和跟蹤
d) 監(jiān)測報告（月度、半年度） ：以Email或Web方式定期提供客戶PON網(wǎng)絡(luò)/服務(wù)器監(jiān)測運行報告
e) 運行報告（月度、季度、半年度）： 在監(jiān)測報告基礎(chǔ)上，結(jié)合故障處理情況，專業(yè)工程師對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和故障分析，給出優(yōu)化建議。
該平臺由四部分構(gòu)成：數(shù)采網(wǎng)關(guān)設(shè)備、工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)接入部分、業(yè)務(wù)處理部分和業(yè)務(wù)展現(xiàn)部分。其中業(yè)務(wù)處理部分由數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、故障跟蹤處理系統(tǒng)組成；業(yè)務(wù)展現(xiàn)部分由故障告警展現(xiàn)系統(tǒng)和客戶服務(wù)信息系統(tǒng)組成。
4、 工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)
a) 功能架構(gòu)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)體系，主要有數(shù)據(jù)采集與交換、數(shù)據(jù)集成與處理、數(shù)據(jù)建模與分析和數(shù)據(jù)驅(qū)動下的決策與控制應(yīng)用四個層次組成。
圖6 工業(yè)大數(shù)據(jù)功能架構(gòu)
圖7 工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)架構(gòu)
采集交換層：主要完成數(shù)據(jù)從傳感器、SCADA、MES、ERP等內(nèi)部系統(tǒng)，以及企業(yè)外部數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)的功能，并實現(xiàn)在不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的交換。
集成處理層：從功能上，主要將物理系統(tǒng)實體的抽象和虛擬化，建立產(chǎn)品、產(chǎn)線、供應(yīng)鏈等各種主題數(shù)據(jù)庫，將清洗轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與虛擬制造中的產(chǎn)品、設(shè)備、產(chǎn)線等實體相互關(guān)聯(lián)起來。從技術(shù)上，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的清洗轉(zhuǎn)換和存儲管理，提供計算引擎服務(wù)，完成海量數(shù)據(jù)的交互查詢、批量計算、流式計算和機器學習等計算任務(wù)，并對上層建模工具提供數(shù)據(jù)訪問和計算接口。
建模分析層：功能上主要是在虛擬化的實體之上構(gòu)建仿真測試、流程分析、運營分析等分析模型，用于在原始數(shù)據(jù)中提取特定的模式和知識，為各類決策的產(chǎn)生提供支持。從技術(shù)上，主要提供數(shù)據(jù)報表、可視化、知識庫、機器學習、統(tǒng)計分析和規(guī)則引擎等數(shù)據(jù)分析工具。
決策控制層：基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果，生成描述、診斷、預(yù)測、決策、控制等不同應(yīng)用，形成優(yōu)化決策建議或產(chǎn)生直接控制指令，從而對工業(yè)系統(tǒng)施加影響，實現(xiàn)個性化定制、智能化生產(chǎn)、協(xié)同化組織和服務(wù)化制造等創(chuàng)新模式，最終構(gòu)成從數(shù)據(jù)采集到設(shè)備、生產(chǎn)現(xiàn)場及企業(yè)運營管理優(yōu)化的閉環(huán)。
b) 數(shù)據(jù)采集與交換
將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中各組件、各層級的數(shù)據(jù)匯聚在一起，是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的前提。要實現(xiàn)數(shù)據(jù)從底層向上層的匯集，以及在同層不同系統(tǒng)見傳遞，需要完善的數(shù)據(jù)采集交換技術(shù)支持。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是一個分布式系統(tǒng)，有眾多不同的組件組成，為了避免在不同系統(tǒng)間建立連接導致的N平方復(fù)雜性，一般采取消息中間件（Message-oriented middleware）技術(shù)來實現(xiàn)。消息中間件的主要功能是實現(xiàn)消息傳輸管理、隊列管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。
工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺從工業(yè)網(wǎng)關(guān)、傳感器、機器設(shè)備中采集相應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，能夠方便的配置新的采集源、采集作業(yè)，完成對采集作業(yè)的調(diào)度、監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集到后上送至存儲平臺中用于后續(xù)的數(shù)據(jù)建模和分析展示。目前平臺支持MQTT、kafka消息隊列方式。
同時，平臺提供了開發(fā)式的RestAPI/Socket接口，用于滿足一些特殊協(xié)議的設(shè)備或者傳感器的數(shù)據(jù)采集，Rest API/Socket接口的主要功能如下：
建立和管理與工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺的連接。包括SSL加密、用戶認證、項目認證和連接維護。在網(wǎng)絡(luò)斷開又恢復(fù)的情況下，重新連接服務(wù)器。
實現(xiàn)智能設(shè)備和平臺設(shè)備模型的屬性、事件和服務(wù)的對接，當服務(wù)器向設(shè)備下發(fā)請求時，實現(xiàn)設(shè)備函數(shù)和方法的調(diào)用，以更新設(shè)備的屬性、參數(shù)或服務(wù)。
c) 數(shù)據(jù)集成與處理
工業(yè)大數(shù)據(jù)集成處理層，涉及數(shù)據(jù)的清洗轉(zhuǎn)換加載（ETL）技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲管理技術(shù)、數(shù)據(jù)查詢與計算技術(shù)，以及響應(yīng)的數(shù)據(jù)安全管理和數(shù)據(jù)質(zhì)量管理等支撐技術(shù)。
平臺通過數(shù)據(jù)采集適配器對數(shù)據(jù)源進行管理，對添加的數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)進行增刪改查的操作。適配器使用了實時采集、批量采集兩種采集方式，通過不同的采集技術(shù)來實現(xiàn)相應(yīng)的需求，保證數(shù)據(jù)采集的效率。
平臺通過Kakfa消息隊列、Storm流式處理以及Spark-Streaming實時計算方式，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集；通過Flume實現(xiàn)批量數(shù)據(jù)采集。由于不同采集技術(shù)對不同的采集方式都具備良好的可靠性及擴展性，考慮數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場景的多樣性，平臺支持各種采集方式，滿足不同采集方式的要求。通過工具針對的特征，保證其采集的效率。
d) 數(shù)據(jù)建模與分析
工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺支持可視化方式建立數(shù)據(jù)資產(chǎn)模型。工業(yè)數(shù)據(jù)資產(chǎn)分為以下幾類：
設(shè)備域：跟具體工業(yè)設(shè)備中的信息相關(guān)的數(shù)據(jù)，如型號、廠商等；
人域：與具體人員或者組織相關(guān)的數(shù)據(jù)信息；
傳輸域：跟物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、嗅探等傳輸相關(guān)的數(shù)據(jù)；
環(huán)境域：跟天氣、噪音等相關(guān)的數(shù)據(jù)；
狀態(tài)域：跟設(shè)備運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)相關(guān)的，包括轉(zhuǎn)速、能耗、振動頻次；
服務(wù)域：來自信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
把來自各種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)按照類別劃分，并記錄數(shù)據(jù)源實際存放的地址，便于用戶在使用時系統(tǒng)能夠關(guān)系到實際的數(shù)據(jù)。
平臺集成多種數(shù)據(jù)分析算法和引擎，主要使用以下幾種數(shù)據(jù)分析算法：
? 流數(shù)據(jù)分析引擎 – Spark
? 流數(shù)據(jù)處理引擎 – Storm
? 離線批量分析處理引擎 – MapReduce
? 分布式計算引擎 – Hive
通過建模和分析算法整理完成的設(shè)備、系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過使用可視化開發(fā)工具在電腦、移動終端、大屏等界面上展示出來。分析平臺提供可視化的報表定義工具、綜合查詢統(tǒng)計、大屏展示開發(fā)工具等，通過這些工具的使用，配合Java、Javascript、Node.js等界面開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)符合H5頁面規(guī)范的應(yīng)用頁面。
e) 決策與控制應(yīng)用
根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果產(chǎn)生決策，從而指導工業(yè)系統(tǒng)采取行動，是工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的最終目的。工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用可以分為以下5大類：
描述類（descriptive）應(yīng)用：主要利用報表、可視化等技術(shù)，匯總展現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各個子系統(tǒng)的狀態(tài)，使得操作管理人員可以在一個儀表盤（dashboard）上總覽全局狀態(tài)。此類應(yīng)用一般不給出明確的決策建議，完全依靠人來做出決策。
診斷類（diagnostic)應(yīng)用：主要利用規(guī)則引擎、歸因分析等，對工業(yè)系統(tǒng)中的故障給出告警并提示故障可能的原因，輔助人工決策。
預(yù)測類（predictive）應(yīng)用：主要是利用邏輯回歸、決策樹等，預(yù)測未來系統(tǒng)狀態(tài)，并給出建議。
決策類（deceive）應(yīng)用：主要是利用隨機森林、決策樹等方法，提出經(jīng)營管理方面的決策建議。
控制類（control）應(yīng)用：根據(jù)高度確定的規(guī)則，直接通過數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生行動指令，控制生產(chǎn)系統(tǒng)采取行動。
基于大數(shù)據(jù)的工業(yè)決策控制技術(shù)的框架如下圖8所示。
圖8 工業(yè)大數(shù)據(jù)決策與控制應(yīng)用技術(shù)
在本項目中，以描述類、診斷類應(yīng)用為主。后續(xù)按實際需要逐步推進預(yù)測類、決策類的應(yīng)用能力。
5、 功能應(yīng)用開發(fā)
基于平臺實現(xiàn)如下功能模塊：
功能 | 子模塊 | 描述 |
產(chǎn)線看板 | 整體狀態(tài) | 實現(xiàn)生產(chǎn)線上所有設(shè)備的統(tǒng)計信息， 如在線/離線/維修/故障設(shè)備數(shù)量 |
實現(xiàn)生產(chǎn)相關(guān)統(tǒng)計信息，當前生產(chǎn)的構(gòu)建型號，對應(yīng)訂單， | ||
當日產(chǎn)量 | ||
在產(chǎn)構(gòu)建/訂單 | ||
作業(yè)中心 | 實現(xiàn)各作業(yè)中心在生產(chǎn)線中的上下游關(guān)系 | |
各作業(yè)中心狀態(tài)統(tǒng)計信息，可下鉆到設(shè)備信息查看 | ||
能耗總覽 | 產(chǎn)線整體能耗（當日） | |
產(chǎn)線分時能耗，實現(xiàn)所選擇時段（以小時為單位）的能耗 | ||
產(chǎn)線分日能耗，實現(xiàn)所選中日期當天的能耗 | ||
下鉆跳轉(zhuǎn)至作業(yè)中心/設(shè)備能耗 | ||
作業(yè)中心 | 作業(yè)中心設(shè)備信息 | 實現(xiàn)所選中的作業(yè)中心相關(guān)信息，如所包含設(shè)備，在產(chǎn)構(gòu)建，當日能耗等 |
作業(yè)中心產(chǎn)量 | 實現(xiàn)所選中的作業(yè)中心產(chǎn)量（當日） | |
作業(yè)中心能耗 | 實現(xiàn)所選中的作業(yè)中心能耗（當日） | |
在產(chǎn)構(gòu)件信息 | 實現(xiàn)所選中的作業(yè)中心在產(chǎn)構(gòu)件，點擊可查看構(gòu)件詳細信息 | |
生產(chǎn)歷史查詢 | 查詢該作業(yè)中心的歷史生產(chǎn)記錄，以天為單位 | |
設(shè)備詳情 | 設(shè)備詳情 | 實現(xiàn)設(shè)備的詳細信息，包括型號，所在作業(yè)中心，維保信息等 |
設(shè)備告警 | 實現(xiàn)該設(shè)備上報的告警信息 | |
實時狀態(tài)數(shù)據(jù) | 實現(xiàn)設(shè)備運行時的實時狀態(tài)信息，包括采集到的電壓/電流/轉(zhuǎn)速等 | |
設(shè)備產(chǎn)量 | 實現(xiàn)所選中的設(shè)備產(chǎn)量（當日） | |
設(shè)備能耗 | 實現(xiàn)所選中的設(shè)備能耗（當日） | |
在產(chǎn)構(gòu)件信息 | 實現(xiàn)所選中的設(shè)備在產(chǎn)構(gòu)件，點擊可查看構(gòu)件詳細信息 | |
生產(chǎn)歷史查詢 | 查詢該設(shè)備的歷史生產(chǎn)記錄，以天為單位 | |
產(chǎn)品追溯 | 按構(gòu)件編號 | 根據(jù)構(gòu)件編號查詢所有的工藝流程的具體信息 |
按構(gòu)件類型 | 查詢單個設(shè)備在一段時間內(nèi)生產(chǎn)的某種類型的構(gòu)件的信息（包括類型，編號，時間）列表和數(shù)量 | |
按生產(chǎn)設(shè)備 | ||
按生產(chǎn)時間 | ||
按生產(chǎn)訂單 | 查詢某個訂單的所有構(gòu)件的具體信息（包括類型，編號，時間） | |
能耗管理 | 總體能耗實現(xiàn) | 按照時間（例如當日，近3天，本周，本月，本年）查詢能耗總量 |
按作業(yè)中心 | 查詢單個作業(yè)中心的所有設(shè)備能耗 | |
按設(shè)備 | 查詢單個設(shè)備的能耗 | |
按構(gòu)建 | 查詢單個構(gòu)件所有工藝的設(shè)備生產(chǎn)時的能耗 | |
按時間 | 實現(xiàn)能耗隨時間的變化圖標 | |
告警管理 | 實時告警信息實現(xiàn) | 實時告警的高亮顯示 |
歷史告警信息列表 | 歷史告警列表信息 | |
告警信息詳情 | 單個告警的具體信息（發(fā)生時間，級別，詳情） | |
平臺基礎(chǔ)功能 | 用戶登錄/退出 | 登錄界面和退出按鈕 |
用戶創(chuàng)建 | 增加用戶 | |
用戶管理 | 用戶列表 | |
權(quán)限管理 | 修改單個權(quán)限的用戶列表（增加或刪除） | |
用戶信息 | 查看和修改用戶信息并保存 |
6、 可視化展現(xiàn)
生產(chǎn)線狀態(tài)可視化展示，將整個產(chǎn)線級的生產(chǎn)狀態(tài)作總體呈現(xiàn)，其中包含產(chǎn)線設(shè)備加工過程模擬、設(shè)備告警信息的高亮顯示、當日產(chǎn)量與訂單信息和能耗總覽。總體看板也是其他分支功能模塊的總?cè)肟冢梢酝ㄟ^點擊各信息進行不同維度的下鉆。主要內(nèi)容包含：
? 產(chǎn)線級別、整體生產(chǎn)狀態(tài)總覽
? 告警信息高亮提示
? 產(chǎn)線工藝流程模型
? 當日產(chǎn)量與產(chǎn)品/訂單信息
? 能耗總覽
作業(yè)中心信息展示，是整體可視化平臺以設(shè)備管理為維度的功能下鉆。作業(yè)中心模塊分為產(chǎn)線實況、設(shè)備列表和生產(chǎn)歷史三大展示功能。產(chǎn)線實況可以查看產(chǎn)線總體的生產(chǎn)情況，并可以下鉆到加工中心或設(shè)備維度查看實時產(chǎn)量、生產(chǎn)參數(shù)和能耗情況。主要內(nèi)容包含：
? 作業(yè)中心生產(chǎn)信息總覽
? 設(shè)備維度詳情
? 整合構(gòu)建、設(shè)備、產(chǎn)量等主要生產(chǎn)信息
產(chǎn)品管理信息展示，是產(chǎn)線所生產(chǎn)的產(chǎn)品信息的綜合呈現(xiàn)，可從構(gòu)件和訂單兩個維度查看實時和歷史信息。其中，構(gòu)件列表功能提供了所有已記錄構(gòu)件信息的生產(chǎn)情況。在同一構(gòu)件下，可以向不同實例信息下層展開查看具體細節(jié)，包含當前生產(chǎn)進度以及在整個工藝流程中智能生產(chǎn)設(shè)備的利用率，評估智能產(chǎn)線整體利用效率。主要內(nèi)容包含：
? 以產(chǎn)線生產(chǎn)產(chǎn)品維度整合信息
? 訂單顯示維度
? 構(gòu)件/工包顯示維度
? 工件生產(chǎn)工藝流程追溯
告警功能信息展示，將提供設(shè)備異常告警信息的高亮顯示，通過顯示告警詳情故障代碼，提示相應(yīng)操作員和運維人員進行及時處理和維保服務(wù)，并在處理報警信息時記錄處理時間供后續(xù)進行歷史信息檢索。對歷史告警信息的檢索頁可以通過設(shè)備、時間等多個維度進行。主要內(nèi)容包含：
? 告警信息通知整合
? 告警詳情查看
? 處理時間記錄
? 歷史告警信息檢索
能耗管理信息展示，可以提供以設(shè)備和時間為維度的實時和歷史能耗數(shù)據(jù)的查看，并以這兩個維度來進行相應(yīng)的檢索與橫向?qū)Ρ龋页龈吣芎脑O(shè)備和高能耗時間段，從而發(fā)現(xiàn)能耗異常并告警。主要內(nèi)容包含：
? 多維度能耗信息整合
? 產(chǎn)線能耗總覽
? 作業(yè)中心/設(shè)備維度能耗詳情
? 構(gòu)件/產(chǎn)品維度能耗詳情
? 高能耗報警提示
用戶管理信息展示，包括基本的用戶登錄界面、用戶添加和刪減，以及不同用戶的權(quán)限管理功能。
7、 大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用
通過已采集的設(shè)備數(shù)據(jù)、BIM系統(tǒng)數(shù)據(jù)、業(yè)財系統(tǒng)數(shù)據(jù)、能像系統(tǒng)數(shù)據(jù)、下料集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，從設(shè)備折舊、生產(chǎn)能耗、備品備件、生產(chǎn)工藝等角度，按照項目成本精細化管理、產(chǎn)線成本優(yōu)化分析、設(shè)備工藝參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備易損件管理等四個維度進行工業(yè)大數(shù)據(jù)的試點應(yīng)用。這四個部分通過數(shù)理統(tǒng)計、機器學習、人工智能AI算法等方法，將成本在智能產(chǎn)線中的不同維度清晰地呈現(xiàn)出來，并給出具體的優(yōu)化管理方法。
? 以項目為維度剖析成本結(jié)構(gòu)管理
按成本類型（能耗、耗材、折舊）、設(shè)備種類、加工時間分析成本結(jié)構(gòu)；
輔助項目精細化報價，找到高成本瓶頸設(shè)備、瓶頸耗材；
? 產(chǎn)線成本優(yōu)化分析
分別以構(gòu)件、設(shè)備為維度進行成本消耗分析，找到高成本設(shè)備與高成本構(gòu)件；
通過同等生產(chǎn)條件橫向?qū)Ρ龋页龈叱杀締栴}工位、問題設(shè)備；
? 設(shè)備工藝參數(shù)優(yōu)化（埋弧焊機試點）
保證焊接質(zhì)量的前提下給出最小能耗智能焊接參數(shù)；
焊接成本智能預(yù)測；
? 設(shè)備易損件管理（數(shù)控鉆床鉆頭試點）
鉆頭刀具壽命預(yù)測；
鉆頭優(yōu)化使用智能加工參數(shù)推薦。
三、下一步實施計劃
1. 平臺覆蓋范圍擴大與共享應(yīng)用細化
項目整體實施計劃分為兩步：一期產(chǎn)線可視化管理平臺搭建、二期共享應(yīng)用層開發(fā)。
目前已完成一期范圍內(nèi)主要功能開發(fā)與測試工作，各功能模塊基本完成并開展試運行工作，數(shù)據(jù)采集、整合、分析、驗證工作穩(wěn)步推進。
后續(xù)計劃：
1、擴大系統(tǒng)覆蓋范圍，將工廠內(nèi)所有產(chǎn)線、設(shè)備全部納入系統(tǒng)服務(wù)范圍，全面覆蓋工廠所有制造過程數(shù)據(jù)；
2、細化共享應(yīng)用功能，在全面覆蓋工廠產(chǎn)線、設(shè)備、制造過程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，圍繞成本計算，深入發(fā)掘業(yè)務(wù)功能需求，推動一線工位操作模式升級；深入挖掘數(shù)據(jù)潛藏價值，推動上層業(yè)務(wù)管控模式升級與效能提升。
2. 項目經(jīng)驗總結(jié)與成果轉(zhuǎn)化
全面總結(jié)項目實施全過程的經(jīng)驗，優(yōu)化、完善項目實施方案。優(yōu)先在集團內(nèi)部其余四個制造廠推廣應(yīng)用，促進其產(chǎn)線升級增效。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)集團制造板塊業(yè)務(wù)全面平臺化，實現(xiàn)跨區(qū)域的制造板塊工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化，進一步推動集團內(nèi)制造任務(wù)協(xié)調(diào)優(yōu)化，資源配置均衡高效。強化集團制造板塊整體過程管控能力用戶效率。
本次項目實施經(jīng)驗，已向中昆建和智能工廠、雄安新區(qū)鋼結(jié)構(gòu)智慧工廠進行試點推廣。項目組將持續(xù)跟進相關(guān)事宜，針對推廣過程中出現(xiàn)的問題進行及時指導并據(jù)此對整體方案予以完善，增強整體方案的適用性與可復(fù)制性。
四、項目創(chuàng)新點和實施效果
1. 項目先進性及創(chuàng)新點
形成了包含設(shè)備數(shù)采解決方案、信息端點部署方案、數(shù)據(jù)集成分析方案在內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體解決方案，并在此基礎(chǔ)上初步建立起鋼結(jié)構(gòu)智能制造標準體系。本項目中涵蓋的H型鋼智能產(chǎn)線獲批成為2017年國家工信部智能制造新模式應(yīng)用項目，獲批2017年廣東省智能制造試點示范項目。
設(shè)備數(shù)采解決方案，針對不同信息化程度的設(shè)備，通過增加標準化的邊緣智能網(wǎng)關(guān)及必要的傳感器，提取、計算設(shè)備各項狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的監(jiān)測。
信息端點部署方案，針對不同車間場景，統(tǒng)籌規(guī)劃信息點位，合理設(shè)計信息交互方式與流程，確保制造過程數(shù)據(jù)的實時歸集與上報、確保上層管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)直達對應(yīng)生產(chǎn)工位。
數(shù)據(jù)集成分析方案，全面梳理企業(yè)信息數(shù)據(jù)情況，整合、串聯(lián)分散在不同信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)項，形成完整、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流，編織覆蓋縱向數(shù)據(jù)（從管理層到工位）與橫向數(shù)據(jù)（聯(lián)動設(shè)計、生產(chǎn)、設(shè)備、庫存、車間等各相關(guān)方）的數(shù)據(jù)網(wǎng)，深入分析數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，充分挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)在價值。
2. 實施效果
1）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺第一期初步試運行，由中建鋼構(gòu)與中國電信聯(lián)合研發(fā)，全面集成了業(yè)財、BIM、能像、設(shè)備數(shù)據(jù)。
2）在統(tǒng)一的平臺上建立針對不同業(yè)務(wù)人員的業(yè)務(wù)看板。
生產(chǎn)線狀態(tài)看板：
作業(yè)中心管理界面：
產(chǎn)品管理功能界面：
告警功能管理界面：
能耗管理界面：
3）成本管理之項目成本精細化管理
? 以項目為維度剖析成本結(jié)構(gòu)管理
? 按成本類型（能耗、耗材、折舊）、設(shè)備種類、加工時間分析成本結(jié)構(gòu)
? 輔助項目精細化報價，找到高成本瓶頸設(shè)備、瓶頸耗材
4）成本管理之產(chǎn)線成本優(yōu)化分析
? 分別以構(gòu)件、設(shè)備為維度進行成本消耗分析，找到高成本設(shè)備與高成本構(gòu)件
? 通過同等生產(chǎn)條件橫向?qū)Ρ龋页龈叱杀締栴}工位、問題設(shè)備
5）成本管理之設(shè)備工藝參數(shù)優(yōu)化
? 以臥式埋弧焊機為分析試點
? 保證焊接質(zhì)量的前提下給出最小能耗智能焊接參數(shù)
? 焊接成本智能預(yù)測
6）成本管理之易損件成本管理
? 以數(shù)控鉆床鉆頭為分析試點
? 鉆頭刀具壽命預(yù)測
? 鉆頭優(yōu)化使用智能加工參數(shù)推薦
聲明
本報告所載的材料和信息，包括但不限于文本、圖片、數(shù)據(jù)、觀點、建議，不構(gòu)成法律建議，也不應(yīng)替代律師意見。本報告所有材料或內(nèi)容的知識產(chǎn)權(quán)歸工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟所有（注明是引自其他方的內(nèi)容除外），并受法律保護。如需轉(zhuǎn)載，需聯(lián)系本聯(lián)盟并獲得授權(quán)許可。未經(jīng)授權(quán)許可，任何人不得將報告的全部或部分內(nèi)容以發(fā)布、轉(zhuǎn)載、匯編、轉(zhuǎn)讓、出售等方式使用，不得將報告的全部或部分內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)方式傳播，不得在任何公開場合使用報告內(nèi)相關(guān)描述及相關(guān)數(shù)據(jù)圖表。違反上述聲明者，本聯(lián)盟將追究其相關(guān)法律責任。
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