中國造紙工業智能化轉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）

隨著第四次工業革命的到來，傳統行業轉型升級勢在必行。傳統造紙工業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業集群中。文化用紙、生活用紙、包裝紙和特種紙等紙種的生產將拆分到不同的產業集群中，與可直達客戶的產業鏈聚合為新的業態，更精準、更快速地滿足客戶需求。在新的產業集群中，重塑的價值鏈將不再是造紙企業之間的競爭，而是產業集群內各方整合資源能力的競爭。共享、共生和共創能力強的企業將是整合資源能力的強者，將有機會引領產業集群為客戶提供更好的服務，形成新的穩定業態留存下來，高效發展。

造紙工業經歷了從小規模制造，到電力驅動的大規模、大批量的流水線模式生產，再到現在的全自動化模式生產的發展，在原材料、能源、工藝、裝備等生產要素的利用技術等方面已經發展到比較成熟的階段[1]。近期，我國發布了《關于深化新一代信息技術與制造業融合發展的指導意見》[2]，文件指出要加快推進新一代信息技術和制造業融合發展，順應新一輪科技革命和產業變革趨勢，以供給側結構性改革為主線，以智能制造為主攻方向，加快工業互聯網創新發展，加快制造業生產方式和企業形態根本性變革，提升制造業數字化、網絡化、智能化發展水平。產業實現轉型升級的必然選擇是與新一代信息技術的融合，進行數字化轉型重構。以5G網絡、大數據、云計算、人工智能等為核心的新一代信息技術的持續創新和高速發展，為制造業邁向萬物互聯、數據驅動、軟件定義、平臺支撐、組織重構新時代注入了新的活力[3]。新一代信息技術將助力造紙工業實現向數字化、信息化、智能化轉型升級，以實現企業的提質增效、精準服務，打破產業鏈資源優化配置空間和時間的約束，增加新的價值鏈，加速形成新業態。

造紙企業轉型升級是制造業產業轉型的有機組成部分，因此，企業在轉型升級過程中必將面臨戰略路徑的選擇和自身組織能力的變革，以更好地順應產業轉型升級大趨勢。在大變革的趨勢面前，任何不順應行業轉型升級的企業都將被無情淘汰。對于大型企業，特別是行業龍頭企業，如何制定好轉型升級的分階段戰略目標、選擇什么樣的技術路線、打造什么樣的企業文化和如何重塑組織創新能力都將是企業融入行業轉型升級面臨的挑戰。

本文介紹新一代智能化技術對造紙工業的價值所在，推演造紙企業與新一代信息技術融合的路徑，探討造紙企業智能化轉型迭代方向和造紙工業向智能化轉型升級路徑。筆者根據多年來在造紙企業數字化、網絡化、智能化方面的研究成果和在企業中的實踐案例[4-16]，用場景化方式與讀者探討造紙企業智能化轉型升級路徑。

1 新一代信息技術對造紙工業的價值

造紙工業智能化轉型升級，是建立在高度自動化基礎之上的。以數學模型為推動力的自動化技術在促進造紙工業大發展的同時，為造紙企業積累了大量的生產過程數據和生產技術知識。但是，自動化技術并不具備數據分析和數據挖掘的能力，也不具備對復雜生產過程和市場需求的快速應變和優化能力。以大數據驅動和工業軟件定義的企業智能化技術，可充分利用和挖掘大數據的資源去進一步優化企業的各類資源配置，優化生產過程，適應市場需求變化。實現企業智能化有賴于新一代信息技術，主要包括實現業務數據化的工業互聯網平臺技術、實現解決數據超高速率、超大容量以及超低時延的5G 網絡技術以及實現數據價值的大數據挖掘和工業軟件技術。

1.1 工業互聯網平臺技術

工業互聯網是實體經濟數字化智能化轉型的關鍵支撐。工業互聯網平臺是工業互聯網技術的載體，也是實現企業智能化的核心技術載體，是鏈接工業全系統、全產業鏈、全價值鏈、支撐工業智能化發展的關鍵基礎設施。圖1所示為工業互聯網平臺的基本技術組成和體系架構。

圖1 工業互聯網平臺的基本技術組成和體系架構[17]

工業互聯網的基本技術組成和體系架構由圖1 所示自左至右的網絡、數據、安全三大技術體系組成，其中“網絡”是工業數據傳輸交換和工業互聯網發展的支撐基礎，“數據”是工業智能化的核心驅動，“安全”是網絡與數據在工業中應用的重要保障。基于三大體系，工業互聯網重點構建三大優化閉環，如圖1所示，面向機器設備運行和生產過程優化的閉環①，面向生產運營決策優化的閉環②，以及面向企業協同、用戶交互與產品服務優化的全產業鏈、全價值鏈的閉環③，并進一步形成智能化生產、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸等四大應用模式。工業互聯網平臺基本的邏輯和本質是“數據+模型=服務”[17]。

1.1.1 造紙產業鏈中存在的價值缺失

造紙產業鏈涵蓋了供應商、造紙企業、銷售商和消費者等多方面。現在造紙產業鏈各環節中存在哪些主要問題及其價值缺失？

（1）造紙企業存在自身“信息孤島”和數據冗余，難以發揮全廠自動化系統的功能作用。為了提高生產效率，許多大型造紙企業搭建了各種全廠自動化系統工業軟件，例如企業資源管理系統（Enterprise Resource Planning，ERP）、能源管理系統（Energy Management System，EMS）、制造執行系統（manu‐facturing Execution System，MES）等。但是在運行中并沒有將這些子系統進行集成，各子系統所需數據需要各自多次錄入，因而增加了信息維護工作量和出錯機會，每個子系統都是一座“信息孤島”。這些子系統的功能雖然不同，但使用的數據往往存在交叉重疊。然而由于每個子系統提供的數據內容和格式不統一，造成各子系統之間不可調用，存在數據的冗余。隨著造紙生產過程數據的沉淀基數的增加，上述問題對系統的維護、運行效率都存在很大的影響[18-20]。造紙企業通過打破“信息孤島”，將能充分發揮生產大數據的資源價值。

（2）造紙企業不適應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品是否充足，提出了紙產品的多功能化，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。但是由于造紙企業的生產線是基本固定的，只能通過不斷增加每條生產線的長度和復雜度去適應消費者的需求，這樣不僅增加了生產的復雜度，而且提高了生產成本。同時隨著產品定制化的快速發展，增加生產線長度和復雜度的方式并不能跟上定制化產品更新的速度。如何利用工業互聯網技術、及時了解當前消費者的心理、最大程度地提高生產線的靈活性、縮短產品更新周期、提高效益是企業必須解決的新問題。

（3）銷售商難以適應市場的新變化。銷售商依據往年的銷售量制定進貨計劃，因此進貨較為固定。市場的實際情況是由于消費方式的不同，例如網購、網絡帶貨等方式的出現，不同產品的銷售量會有大幅波動，使供應鏈調度的難度增大。利用工業互聯網技術挖掘消費者與銷售量之間的更深層次關系，提前預測銷售量和進貨計劃，可以提高供應鏈調度速度和效益。

（4）造紙企業自身很難解決設備的運維問題。生產過程中存在頻繁的非計劃停機，大部分屬于設備故障。為了保障設備運維，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過程的效率。因此，對于設備供應商而言，提供服務型制造，保障客戶設備正常運維，既能為造紙廠帶來提高生產過程效率而產生的價值，又能為設備供應商帶來服務型制造的新價值。

1.1.2 應用工業互聯網技術助力造紙產業鏈創造價值

工業互聯網技術為打通整條產業鏈上下游的信息提供了平臺，能夠幫助解決上述問題。通過工業互聯網平臺把設備、生產線、產品和供應商與客戶緊密地連接融合起來。可以幫助制造業拉長產業鏈，形成跨設備、跨系統、跨廠區、跨地區的互聯互通，從而提高效率，推動整個制造過程和制造服務體系智能化，實現制造業和服務業之間的跨越發展。通過構建工業互聯網平臺，使制造業產業鏈和價值鏈中各種要素資源能夠高效共享，創造新的價值。迄今，工業互聯網技術能為造紙工業轉型升級和智能化提供如下主要功能：

（1）構建精準、實時、高效的數據采集互聯體系，建立統一的面向工業大數據存儲、集成、訪問、分析、管理的開發環境和應用環境。工業互聯網平臺的這種功能解決了如何采集造紙產業鏈中各環節的海量數據，把來自機器設備、業務系統、產品模型、生產過程及運行環境中的海量數據統一匯聚到平臺上，實現物理世界隱性數據的顯性化，實現數據的及時性、完整性、準確性和共享性，為解決“信息孤島”和實現企業數字化、信息化和智能化提供工業大數據基礎。工業大數據不僅是企業智能化的基礎，而且在工業大數據中隱藏著許多可創造價值的資源。

（2）構建和支撐包括工業技術、工業經驗和知識的模型化、軟件化、復用化的通用和專用的工業模型和工業軟件。工業互聯網平臺的這種功能可把已知的工業技術、知識、經驗和方法以數字化模型的形式沉淀到平臺上，形成各種軟件化的模型（機理模型、數據分析模型、大數據模型等），造紙企業基于這些數字化模型對上述采集和存儲的各種工業數據進行分析、挖掘、展現，實現“數據-信息-知識-決策”的迭代，以數據的有序自動流動，解決復雜制造系統面臨的各種不確定性。最終把正確的數據、以正確的方式、在正確的時間傳遞給正確的人和生產過程裝備，實現優化生產過程和企業管理，提高企業的各種效益，創造更多的價值。

（3）實現造紙產業鏈全生命周期的協同管理和優化，包括協同研發設計、生產管理和優化、產品質量檢測、企業運營決策、設備預測性維護，優化資源配置效率，形成資源富集、多方參與、合作共贏、協同演進的制造業生態。

1.2 5G網絡技術

實現造紙產業鏈中各環節的互聯互通是通過部署和應用現場總線、工業以太網、無線網絡、物聯網等通信技術，使企業具備將人、機、物等有機聯通的環境。互聯互通成熟度的提升是從設備間，到車間、到工廠以及企業上下游直至整條產業鏈系統之間的互聯互通，體現了對系統集成、協同制造等的支撐。企業網絡基礎和通信環境建設是企業智能化的重要基礎設施，是工業互聯網平臺的三大組成系統之一。我國在5G 網絡技術研發、產業化和商業化方面都走在世界前列，為我國制造業數字化、信息化和智能化提供了良好的通信基礎和環境。

1.2.1 當前制造業網絡通信技術環境的短板

當前制造業（包括造紙行業）的網絡通信技術的短板主要表現在4G 互聯網技術并不能做到對上億級別的數據進行采集、存儲和實時處理，也無法做到大量數學模型、智能算法同時實時計算，存在時滯問題[21-22]。造紙企業生產過程，隨著產品定制化的發展，生產過程調度的復雜性成指數性上漲，造紙生產過程各環節的通信和決策時間隨著生產智能化程度的加深要求更短，解決方案需要更快更優。當前4G 互聯網技術通信技術的容量（帶寬）和速度短板，使制造業的數據和信息通信速度、計算和決策速度、優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調度活動。

1.2.2 5G 網絡技術的應用為造紙智能化升級提供了網絡通信基礎

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

（1）突破物聯網的成本門檻

應用具有高速率、高可靠性、低時延的5G 通信技術構建物聯網（Internet of Thing，IoT），造紙企業不再需要復雜的線纜進行數據和信息的傳輸，實現“人與人，人與物，物與物”之間以及各環節各系統之間數據和信息的直接無線傳輸、無線控制。另外，高可靠性的5G 物聯網傳輸既節省了購買和維護線纜成本，又極大減少了由線纜引起的安全隱患。

隨著線纜的消失，利用高可靠性網絡的連續覆蓋，許多設備可以裝上輪子（或其他裝置）在工廠里移動，按需到達各個地點，為造紙過程靈活調整設備位置、靈活分配任務的柔性生產線創造了條件。

（2）實現實時快速準確的信息傳送

實時快速準確的信息傳送，為實現智能制造中的“軟件定義制造”“定制制造”等新的生產方式打下了可靠的通信基礎。例如，實時快速準確的信息傳送，為實現生產過程各種數據采取和存儲、分析和挖掘，為實現“數據-信息-知識-決策”的迭代，實現以數據的有序自動流動和閉環解決復雜制造系統面臨的各種不確定性奠定了堅實的網絡通信基礎。

另外，5G 網絡帶來IoT，使萬物互聯、萬物信息交互，使得造紙企業的設備維運實現突破工廠邊界。隨著更多設備、更多部件被連入5G 網絡，設備和零部件的運轉數據可實時送到供應商，通過供應商進行專業的故障預測，大大減少企業故障發生次數。即使發生了故障，設備供應商可通過5G 網絡第一時間獲取故障信息，利用虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）等指導工廠實時處理，越來越多的問題可通過在線方式解決。降低了供應商的人工成本，同時也減少了企業設備的運維成本和縮短了設備的維修時間。

1.3 工業大數據與人工智能建模技術

企業智能制造的基本驅動力是工業大數據，而工業大數據的價值應用是要通過模型和工業軟件（工業大數據+模型）去實現的，因此，工業大數據和建模與工業軟件技術是智能制造的關鍵技術。工業大數據主要作用是打通物理世界和信息世界，再通過建模和工業軟件等人工智能技術在智能化設計、智能化生產、網絡化協同制造、智能化服務、個性化定制等產品全生命周期過程中發揮作用。在智能化設計中，通過大數據+模型技術對產品數據分析，實現自動化設計和數字化仿真優化；在智能化生產過程中，工業大數據+模型技術可以實現在生產制造中人機智能交互、制造工藝的仿真優化、數字化控制、狀態監測等，提高生產故障預測準確率，綜合優化生產效率；在網絡化協同制造中，工業大數據+模型技術可以實現智能管理的應用，如產品全生命周期管理、客戶關系管理、供應鏈管理、產供銷一體等，達到過程協同與透明化；在智能化服務中，工業大數據+模型技術通過工業大數據的全流程建模，對數據源進行集成貫通，可以支撐以個性化定制為代表的典型智能制造模式。工業大數據的上述應用是要通過工業軟件去實現的[23]。

工業軟件是指為提高工業研發設計、業務管理、生產調度和過程控制水平的相關軟件與系統。工業軟件承載著工業大數據采集和處理的任務，又是工業大數據的重要產生來源。工業軟件支撐實現工業大數據的系統集成和信息貫通，實現工廠從底層到上層的信息貫通，推動工廠內“信息孤島”聚合為“信息大陸”。工業軟件承擔著對各類工業數據進行采集、集成、分析和應用的重要功能，是工業大數據技術體系中負責優化、仿真、呈現、決策等關鍵職能的主要組成部分。工業軟件中用到的許多模型，常常要應用大數據人工智能建模方法去完成。

1.3.1 我國造紙行業大數據和工業軟件技術的基礎十分薄弱

我國造紙行業大數據和工業軟件技術的基礎薄弱主要表現在：①生產過程變量和設備參數的感知能力低，工業大數據的采集范圍窄，不少過程變量和設備參數還沒有合適的傳感器去測量，或者還沒有經過合適的數字化處理，不能成為有用的數據。②現有的數據資源還沒有認真地開發利用。③從“物化知識”轉型到“軟件知識”的工作還未真正開展。在傳統的工業生產中，長期積累的工業技術/知識和經驗（knowhow）等是通過物化（書本、圖紙和人體介質）承載和表達的，用物傳人、人傳人的方式傳遞應用，稱為“物化知識”。“物化知識”受到時間和空間的巨大限制，難以適應智能制造的要求。因此實現智能制造的核心轉型工作之一是要把“物化知識”轉型升級為“軟件知識”，把“物化知識”數字化和軟件化，用軟件作為知識的最佳載體和傳遞手段。

隨著造紙企業生產系統越來越復雜，人們應對復雜系統的駕馭能力將成為制約技術進步和生產發展的瓶頸。雖然造紙過程自動化程度高，生產過程中設備和過程的操作運維等還高度依賴個人，企業所關心的訂單滿足率、及時率、產能浪費、原材料庫存等關鍵指標，還是按照個人的經驗進行排產和調度，而個人的知識經驗還處于“物化知識”階段，導致工作量大，易出錯，需要花大量時間對人員進行培訓。如果把物化知識轉化為軟件知識，成為工業軟件加入到工業互聯網平臺中，實現閉環優化，將能自動地完成上述任務，開拓存在造紙過程中的優化和效益空間。

1.3.2 大數據和工業軟件技術助力造紙企業智能化升級

工業互聯網的核心功能是基于數據驅動的數據優化閉環去實現企業智能化。數據優化閉環的構成主要包含感知控制、數字模型、決策優化三個基本層次，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 數據優化閉環

數據優化閉環的數據功能包含數據集成與管理、數據模型和工業模型構建、信息交互三類功能。其中，數據模型和工業模型構建是綜合利用大數據、人工智能等數據方法和各類工業經驗知識，對過程行為特征和因果關系進行抽象化描述，形成各類工業軟件。數據優化閉環中的決策優化層聚焦數據挖掘分析與價值轉化，形成工業數字化應用核心功能，主要包括分析、描述、診斷、預測、指導及應用開發。自下而上的信息流和自上而下的決策流形成了工業數字化應用的優化閉環，以數據分析決策為核心，實現面向不同工業場景的智能化生產、網絡化協同、個性化定制和服務化延伸等智能應用解決方案。

構建了如圖2 所示的造紙企業數據和工業軟件為核心的數據優化閉環，將為造紙企業智能化升級，提供如下功能：

（1）實現機器設備運行和生產過程的閉環優化控制，挖掘數據價值，達到生產過程的精準化、高效化，大幅度降低對人力的需求，提高生產過程中安全性和穩定性，提高生產效率。

（2）實現面向生產運營決策優化閉環和面向企業協同、用戶交互與產品服務優化的全產業鏈、全價值鏈的決策閉環優化，通過精準預測市場需求、個性化定制和服務化延伸等智能化技術，由標準化生產向柔性化生產轉變，提高生產效率，降低生產成本。

（3）實現生產過程全面監控，嚴格把控產品質量。智能檢測設備可以覆蓋產品檢測的全過程，大幅度降低生產過程中出現的次品率，對于已出現的產品問題相關數據信息進行收集并分析，利用已有的數據庫信息對殘次品進行統一批量化處理，有效保證產品的質量。

綜上所述可知，造紙企業智能化升級就是應用工業互聯網、5G 網絡通信、大數據、工業軟件和人工智能等新一代信息技術與造紙工業技術深度融合，實現生產高效協同、資源優化配置，解決整個制造產業鏈中人、設備等各個環節之間存在的各種協作優化問題，實現效率最大化。

2 造紙企業智能化轉型路徑的思考

2.1 造紙企業智能化轉型應遵循的原則

我國大多數造紙企業仍處于基礎自動化階段，傳統自動化系統解決方案仍占主流。針對造紙企業智能制造提供整體解決方案的業務尚處于發展初期。隨著我國智能制造的推進，整體解決方案的市場規模將加速增長，經過市場驗證的解決方案成熟度將進一步提升。因此，我國造紙行業的智能化轉型升級，要遵循“做好規劃，抓住重點；跨界集成，協同創新；分類指導，先易后難；效益導向，穩妥實施”的原則。

（1）做好規劃，抓住重點。行業要組織力量，做好規劃，著力研發面向造紙行業智能制造的關鍵共性技術。例如，適用于造紙行業的工業互聯網平臺，造紙行業的各種工業軟件和APP，造紙行業的智能裝置等。

（2）跨界集成，協同創新。在技術研發和應用推廣過程中，應該走跨界集成、協同創新之路，要主動與相關行業合作，閉門自守將會落后。行業要支持既懂互聯網又懂造紙工業生產的高端技術研發和服務公司的發展。

（3）分類指導，先易后難。根據我國造紙工業技術水平差異，在轉型過程中要先易后難，逐步實現。首先，要釆取有效措施提高企業自動化水平和裝備水平，走完工業3.0的路程。其次，在基礎較好的造紙企業，要主動融入工業智能化技術產業生態圈，主動推廣應用新技術。企業要積極參與“企業上云”，提高企業數字化、信息化、精細化和優化管理水平手段，在此基礎上逐步提高智能化水平。

（4）效益導向，穩妥實施。實現企業智能化是一個漸進過程。而且是在原有自動化水平的基礎上完善和發展的，要一步一個腳印，以效益為導向，穩妥實施。

以智能制造為代表的第四次工業革命，是一次技術突破和企業重構。同時，它也是一種技術思維方式的轉變：要用大系統的思維方法去思考問題；要用跨界集成、協同創新的互聯網思路去尋找解決問題的方法；要用閉環優化與智能化的技術手段去提高效益，實現預期目標。

2.2 造紙企業智能化轉型分兩步走

造紙企業的智能化轉型分為兩步走，先走初級階段，再走高級階段。初級階段是指實現企業數字化網絡化，提高數據化運營能力；高級階段是指真正實現智能化工廠。

在初級階段，造紙企業實現數字化網絡化，不斷提升企業數據化運營能力為核心，根據企業自身發展模式和發展戰略，以解決企業當前的業務痛點為切入點，逐步實現覆蓋生產全過程和連接產業鏈上下游的數字化網絡化，在此基礎上形成適應自身需求和特點的數據化運營優勢，達到提高企業運營效率的目標。

在高級階段，造紙企業以不斷提升生產過程閉環優化和智能化為目標。通過企業在實現數字化網絡化過程中沉淀下來的工業大數據和企業自身的工業技術知識，采用基于大數據和人工智能技術的建模方法，搭建企業工業軟件和智能化微平臺，進而構建企業工業互聯網平臺，實現如圖1 和圖2 所示的面向設備運行和生產過程的閉環優化，面向生產運營決策的閉環優化，以及面向企業協同、用戶交互與產品服務優化的全產業鏈、全價值鏈的閉環優化，進一步形成智能化生產、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸等四大應用模式，以達到優化企業資源配置，提高產品質量，降低生產成本，提高生產效率的目標。技術核心是如何應用“工業大數據+模型（工業軟件）+應用”技術去實現上述的三個“閉環優化”。

2.2.1 初級階段：逐步實現和完善企業數據化運營

數據化運營是通過對企業大數據的采集處理、分析挖掘，為企業（數據使用者）提供科學、準確和專業的數據解決和應用方案，利用企業大數據通過企業內、企業間的協同和各種資源的共享與集成優化，重塑企業在造紙工業產業鏈中的價值鏈，以提高企業的效益。在造紙企業實現了數字化網絡化后，將有效地解決數據的采集和“連接”問題，通過網絡將相關的人、流程和事物的行為用數字化數據形式相互連接起來，收集到海量數據，為實現企業數據化運營打下堅實的基礎。

造紙企業數據化運營平臺具有如下幾個基本功能：

（1）具有數據采集與管理功能，主要包括數據在線采集、數據處理、數據存儲以及運算功能。包括傳感器、檢測裝置、現場總線通信、異構數據的集成、邊緣計算、互聯網、云（存儲+計算）、工業安全等基礎設施的構建和集成應用。

（2）具有業務數據數字化功能，將造紙生產過程的所有信息，包括人、機、料、環、測的數據數字化。例如，對于物料數據，除了在線測量錄入外，還需建立物化性質預測模型以及物料估算模型，實現物料的數據化。利用爬蟲技術，建立數據抓取模型，實現生產環境關鍵參數（例如溫度、濕度等）的實時采集；對無法檢測的質檢數據建立軟測量裝置，實現所有質檢數據的實時采集與數字化。

（3）具有數據的在線化功能。對采集的數據按照統一的標簽進行標記，建立數據采集以及管理的統一規則，然后利用數據挖掘技術，挖掘數據之間的關聯關系，建立關聯規則，根據關聯規則進行分類存儲，實現數據的融合與協同，便于在線按需快速調用。

（4）具有數據的業務化功能。根據企業的需求，把累積大數據業務化。把包括安全生產、穩定質量、提高效率和縮短交貨周期等場景的各類數據，利用數據挖掘技術，挖掘沉淀在數據中包含的更深層次的信息，從而開展新業務。

2.2.2 高級階段：逐步實現企業智能化

如上所述（圖1～圖2），工業互聯網平臺是實現企業智能化的核心技術載體，企業在實現數據化運營過程中，通過不斷積累大數據、建立和完善工業軟件和三個優化閉環功能，開發造紙行業的工業互聯網平臺和具有企業自身特色的工業互聯網平臺， 逐步迭代完善，實現企業智能化。

圖3 所示是工業互聯網平臺關鍵技術體系[17]。技術體系由數據采集技術、PaaS 通用功能技術、軟件開發工具技術、微服務技術、建模與應用技術和信息安全技術等6項技術集成。

其中，工業微服務是工業互聯網平臺的核心，核心的要素組件是基于微服務架構的數字化模型（工業軟件）。數字化模型將大量工業技術原理知識、基礎工藝、實踐經驗等規則化、軟件化、模塊化，并封裝為可重復使用的組件。同時，面向特定工業應用場景，對海量工業數據進行深度分析和挖掘，能夠快速建立可復用、可固化的智能應用模型。另外，在工業技術、知識、經驗和方法以模型的形式沉淀為數字化模型后，海量數據加載到數字化模型中，進行反復迭代、學習、分析、計算等大數據挖掘，可以回答生產過程4 個基本問題：首先是描述（Descriptive）發生了什么？其次是診斷（Diagnostic）為什么會發生？再次是預測（Predictive）下一步會發生什么？最后是決策（Decision）該怎么辦？由此，驅動過程閉環優化和智能化。

圖3 工業互聯網平臺關鍵技術體系

例如，開發造紙工業生產工藝流程模擬系統，通過數字化還原整個生產過程，實現產品或生產線的在線設計，縮短產品的更新周期。又如，構建造紙生產過程工藝優化模型，利用數字鏡像模型模擬運行優化結果，將優化后的參數傳傳輸給實際生產系統，然后利用過程控制技術，調整生產過程，實現過程閉環優化控制。再如，開發智能調度優化模型，實現柔性化新型人機交互，工業大數據，以成本和能耗最低為目標，建立生產優化調度模型，利用模型結果在線修改排產計劃，并利用集散控制系統（Distributed Control System，DCS）、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等控制技術，實現用優化后結果閉環優化運行調度。另外，可實現供應鏈優化：基于造紙企業數據運營能力，構建產業上下游優化協同生產，實現生產決策數字化協同優化，實現生產制造企業設備云端服務，最終實現企業運營及生產能力上云協同。實現智能物流體系的構建，保證資源的精確共享，保證了訂單的準時交貨，降低生產成本。還有，可重構產業鏈，重新整合造紙工業的產業鏈，形成新的產業集群。在不同的產業集群中，各個產業鏈元素的價值鏈更加透明，相同產業鏈元素更加集中，使產業鏈分工變得高度有效，相互精準地對接，形成一個智能化的經濟體。

3 在維達紙業的實踐案例

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）與華南理工大學合作，在維達紙業進行了企業智能化轉型的探索與實踐。維達紙業基本實現了工廠數據化運營部分智能化運營，成為我國造紙智能化轉型走在前沿的大型造紙企業。下面以在維達紙業的實踐為案例，介紹數據化運營以及智能化運營在造紙企業的應用以及給企業帶來的具體價值。

3.1 博依特公司工業生產數據化運營平臺（POICLOUD 3.5）簡介

博依特公司研發的工業生產數據化運營平臺（POI-CLOUD 3.5）是為解決企業運營過程中的復雜異構系統（非線性、大滯后、多變量）的問題，其數據化運營能力涵蓋了造紙企業的點-線-面，如圖4所示。

工業生產數據化運營平臺的核心技術是數據化運營平臺微服務系統。圖5所示是博依特公司新一代智能制造數據化運營平臺微服務系統架構及其特點。

博依特公司自主研發的“工業互聯網微服務架構下的基礎材料行業生產數據化運營解決方案”被國家工信部評為2019 年工業互聯網試點示范項目，已在全國造紙、陶瓷、水泥等行業推廣應用。

3.2 數據化運營平臺在維達紙業的應用

在博依特公司POI-CLOUD3.5 的基礎上，博依特公司與維達紙業共同開發了適用于維達紙業的數據化運營平臺。維達紙業數據化運營平臺集成了在線數據采集、數據處理、數據存儲、軟測量模型以及數據實時監測和數據分析的數據化運營系統，實現了生產過程的數據化運營和部分過程的智能化。

在維達紙業運行的博依特公司工業生產數據化運營平臺（POI-CLOUD 3.5）的主要功能如圖6所示。

圖4 數據化運營能力涵蓋了造紙企業的點-線-面

圖5 博依特公司新一代智能制造數據化運營平臺微服務系統架構及其特點

圖6 數據化運營平臺（POI-CLOUD 3.5）的主要功能

圖7 維達紙業數據化運營平臺現場技術路線

圖7 所示為維達紙業數據化運營平臺現場技術路線。維達紙業企業端的數據經由數據采集服務器和邊緣計算設備等組成的復雜異構存量集成系統（POID1.0）采集和處理后，通過數據通道（POI-DC3.0）送至生產數據化運營平臺，經平臺內各類模型軟件的分析和優化計算后的信息送工業交互（POI-II2.0）和管理信息系統應用和顯示。

為了集中實現數據的在線采集，在生產過程中，對能夠實現在線測量的生產過程的關鍵參數增加了傳感器以及智能電表等數據采集裝置。為了沉淀生產過程數據，利用阿里云平臺對采集的數據進行實時處理和存儲。然后利用這些沉淀的過程參數，對于不能實現在線測量的生產過程關鍵參數建立軟測量模型。在平臺中開發了能源管理系統和設備管理系統，建立了能源在線管理、設備狀態監視、物聯管理、設備效率監測、產品質量管理、生產信息管理等子模塊。利用互聯網技術以及可視化技術，在數據管理系統上實現了生產過程的能耗、生產運行數據的實時可視監測。并且，通過數據挖掘技術，對生產過程的數據進行分析，找到生產過程的節能潛力，為生產過程的節能和運行優化提供參考。

3.3 維達紙業數據化運營平臺的應用效果

數據化運營及智能化運營平臺在維達紙業的多年應用，給企業帶來如下明顯的效果和價值。

（1）能耗智能預測

維達紙業利用數據化運營平臺采集的用電數據，通過數據挖掘技術，分析了其生產過程的用電特征，同時基于智能混合算法建立了造紙過程能耗預測模型。預測模型的預測趨勢和實際基本一致，預測模型的精準度在97%以上。圖8為能耗預測模型在維達紙業從2018 年10 月7 日到2018 年10 月8 日的預測結果與實際應用的能耗曲線。

能耗智能預測，使企業能科學合理地采購和應用能源。該平臺應用后，每條生產線每年節能約40萬元。

（2）智能用電設備調度

維達紙業利用數據化運營平臺讀取的實時數據，應用平臺內基于智能優化算法建立的多目標用電調度模型，根據模型計算的調度信息實時控制生產過程設備的運行。該模型解決了生產工段間歇性用電設備在滿足生產需求的前提下，智能（自主）地實現錯峰用電，解決了降低成本的問題。該模型已用于維達紙業（浙江）有限公司的2 條生產線上，每條生產線一年可節約大約10萬元的用電成本。圖9為設備用電智能調度結果示意圖。

（3）紙幅干燥過程運行優化節能

圖8 能耗智能預測

圖9 設備用電智能調度

紙幅干燥過程是造紙過程蒸汽能耗最大的過程，優化節能的潛力大。在維達紙業數據化運營平臺中配有基于機理+數據驅動方法建立的干燥部運行優化模型，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鍵過程參數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、氣罩排風溫度和濕度等。利用機理+數據驅動的方法建立的干燥部運行優化模型，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化問題，從而既保證了紙幅的質量指標又降低了干燥部蒸汽和電的耗用量，節約了成本。實踐應用證明，平臺的干燥部智能優化能力可為維達紙業節約9%的噸紙汽耗。圖10 為維達紙業的紙幅干燥過程運行優化節能結果示意圖。

（4）紙張物理性能指標的實時預測

紙張物理性能指標關系到紙張的合格率。但許多的紙張物理性能指標無法在線測量，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。在維達紙業數據化運營平臺中配有基于大數據和智能算法建立的紙張物理性能指標（包括松厚度、抗張強度和柔軟度等）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，解決了許多物理指標檢測需破壞性采樣且離線檢測、測試周期長、結果反饋滯后、檢測樣品人為因素影響、不具有代表性等問題，從而保證了產品質量的實時監測，為產品質量的在線運行優化提供實時快速的數據依據。平臺中建立的紙張物理指標軟測量模型的精準度均在95%以上，達到了當前軟測量方法達到的精準度要求。圖11 為紙張抗張強度的軟測量實時預測結果示意圖。

（5）智能優化排產

在維達紙業數據化運營平臺中配有基于多目標混合優化算法建立的排產優化模型。該優化模型能夠幫助維達紙業在緊急銷售訂單進來時，平臺系統可提供緊急插單管理功能，根據緊急銷售訂單重排生產計劃和排產結果，平臺可給出最合適生產的紙機的選擇和插單時間的選擇。一旦插單選擇明確，平臺系統會根據排產優化模型算出的插單結果，給出最新的排程建議。圖12為智能排產結果示意圖。與人工排產相比，排產優化模型時間縮短6.8%，成本降低4.2%。

圖10 紙幅干燥過程運行優化節能結果

圖11 紙張抗張強度實時預測結果

圖12 智能排產結果示意圖

維達紙業數據化運營平臺已在公司的廣東、浙江、湖北等8 個生產基地的80 余條生產線上應用上線，通過數據分析挖掘出88 項潛力點，累計增效2400 余萬元。投入產出回報約1～1.5 年。

4 結 論

4.1 造紙企業智能化轉型升級是造紙產業轉型的重要組成部分，是造紙產業轉型和發展的必經之路。隨著造紙業生產過程和市場變化復雜性的提高和不確定性的增加，傳統的以數學模型驅動的自動化技術已難以滿足生產發展的需求。伴隨著以5G 網絡、工業互聯網以及大數據人工智能為代表的新一代信息技術的快速發展，造紙企業智能化轉型升級成為可能。

4.2 造紙工業智能化轉型大體可以分為兩個實施階段，第一個階段（初級階段）是實現企業數據化運營，核心是要實現企業數字化網絡化及工業數據的價值化；第二個階段（高級階段）是實現企業智能化生產，核心是要實現企業的“三個閉環優化”，即面向設備運行和生產過程的閉環優化，面向生產運營決策的閉環優化，以及面向企業協同、用戶交互與產品服務優化的全產業鏈、全價值鏈的閉環優化，實現裝備智能化、生產過程智能化、供應鏈智能化以及生產鏈的智能重組以及自主決策。每個企業智能化的未來目標雖然不盡相同，但是每個企業都應根據自己的未來發展規劃，盡早進行布局，可以從企業最關心的基礎痛點問題入手，比如先用數據化手段解決操作人員的效率提升、產品配方優化和節能等問題，企業管理步入正規化后，引入數據化運營系統，在此基礎上逐步實現智能化生產。

4.3 維達紙業的應用實踐證明，被國家工信部評為2019 年工業互聯網試點示范項目的廣州博依特智能信息科技有限公司研發的“工業互聯網微服務架構下的基礎材料行業生產數據化運營解決方案”具有明顯的應用推廣價值，為造紙工業數據數字化網絡化，打通企業內部生產單元之間以及上下游各個企業間的信息壁壘，實現工廠內部的協作提供了技術支持，為大量造紙工業的生產信息數據的采集、實時處理以及存儲提供了技術支持。研發了許多適用于造紙行業大數據應用模型、優化模型和工業軟件，構建了造紙企業數據化運營平臺，為企業處理和分析工業大數據提供了技術支持，取得了較好的效果。

4.4 企業的智能化轉型升級是第四次工業革命的重要內容，既是一次技術突破和企業重構，又是一種技術思維方式的轉變，要用大系統的思維方法去思考問題，要用跨界集成、協同創新的數據互聯思路去尋找解決問題的方法，要用閉環優化的技術手段去提高企業效益，實現預期目標。因此，造紙工業智能化轉型升級的實現必然是一個較漫長的過程，每個企業都需根據自身業務需要， 遵循“做好規劃，抓住重點；跨界集成，協同創新；分類指導，先易后難；效益導向，穩妥實施”的原則，早日做出相應的努力，才能早日實現企業的智能化轉型。