第3例 許繼集團有限公司 工業互聯網帶動電力裝備制造轉型升級
3.1 簡介
3.1.1 企業簡介
許繼集團有限公司（以下簡稱許繼集團）是國家電網公司直屬產業單位，是專注于電力、自動化和智能制造的高科技現代產業集團，擁有國家級企業技術中心、國家高壓直流輸變電設備工程技術研究中心、世界上最先進的特高壓絕緣試驗中心、國家能源主動配電網技術研發中心，以及國家電工儀器儀表質量監督檢驗中心等科研平臺，是IEC/TC85技術委員會秘書處和全國電工儀器儀表標準化技術委員會秘書處承擔單位。
許繼集團作為國內裝備制造業的領先企業，積極履行大型國有企業的社會責任，致力于為國民經濟和社會發展提供高端能源和電力技術裝備，為清潔能源生產、傳輸、配送以及高效使用提供全面的技術和服務支撐。許繼集團聚焦特高壓、智能電網、新能源、電動汽車、軌道交通及工業智能化五大核心業務，拓展節能環保、智慧城市、智能制造、先進儲能、軍工全電化五類新興業務，產品可廣泛應用于電力系統各環節。
3.1.2 案例特點
電力行業是關系國計民生的支柱產業，能源電力裝備是實現電力安全穩定供給和國民經濟持續健康發展的基礎。建設能源電力裝備工業互聯網是提高電力裝備生產效率、降低生產成本、提高產品質量的有效工具，是支撐產業向“制造+平臺+服務”轉型升級的關鍵抓手，是搶占工業大數據入口主導權、提升用戶黏性、構建基于平臺的電力裝備產業生態體系的必要手段。
許繼集團所屬的電力裝備行業面臨人工成本、生產成本、物流成本、財務成本等持續提升，競爭壓力持續增大等問題，通過部署電力裝備工業互聯網平臺，能夠解決智能化生產、經營模式創新、資源優化配置等突出問題，帶動電力裝備產業“走出去”，實現企業高質量發展。幫助企業實現智能化生產和管理，利于企業實現生產方式和商業模式創新及高質量發展。
3.2 項目實施情況
3.2.1 項目總體規劃
3.2.1.1 項目總體技術架構
許繼集團能源電力裝備工業互聯網平臺充分借鑒國內外典型工業互聯網平臺設計理念及實現方式，基于新一代信息通信技術（工業互聯網、工業大數據、云計算、物聯網等）與先進制造技術深度融合，以實現“制造+平臺+服務”轉型升級為目的，聚焦車間管理與生產過程優化、企業資源配置與協同優化、集團運營與決策優化等業務場景，突破多驅動多協議數據采集技術、工業大數據存儲及處理技術、工業數據建模和分析技術、應用開發和微服務技術、工業互聯網平臺安全技術等關鍵技術瓶頸，以智能電表、智能充電樁、保護屏柜、預制艙變電站等產品智能化生產為數據基礎和驗證環境，構建覆蓋智能電表、充電樁、保護屏柜、預制艙變電站、環網柜、開關柜、變壓器、智能組合電器等能源電力裝備生產的現代能源電力裝備產業生態體系，為裝備制造方、用戶方、合作方、監管方提供有價值的工業微應用服務。通過該平臺實現能源電力裝備生產硬件資源、軟件資源、業務資源、服務資源等相關生產資源的合理配置，推動河南省能源電力裝備制造產業升級，帶動河南省及國家能源電力裝備產業發展。能源電力裝備工業互聯網平臺總體架構如圖3-1所示。
圖3-1 能源電力裝備工業互聯網平臺總體架構
平臺框架采用企業框架理輪和新型服務計算兩種方法論，并集成當前互聯網的主流框架。框架采用“五橫五縱”，縱向包括智能工廠、邊緣層、云基礎層、平臺層、應用層，橫向涵蓋平臺主體、安全、標準、法規和運維，平臺架構設計理念先進，功能結構清晰。
1）邊緣層通過大范圍、深層次的數據采集，以及異構數據的協議轉換與邊緣處理，構建工業互聯網平臺的數據基礎。一是通過各類通信手段接入不同設備、系統和產品，采集海量數據；二是依托協議轉換技術實現多源異構數據的歸一化和邊緣集成；三是利用邊緣計算設備實現底層數據的匯聚處理，并實現數據向云端平臺的集成。
2）云基礎層IaaS[1]主要實現集中管理云中所有服務器、存儲、網絡、數據庫等資源。通過模板配置和動態調整等功能為用戶快速提供整合的、高可用的、可快速部署的IT基礎設施服務。
3）平臺層基于通用PaaS[2]疊加大數據處理、工業數據分析、工業微服務等創新功能，構建可擴展的開放式云操作系統。工業大數據平臺為各類應用提供數據接入、數據清洗、數據存儲、數據整合、數據計算、數據分析、數據交換等服務，方便上層應用和服務快速利用大數據存儲、計算等資源。一是提供工業數據管理能力，將數據科學與工業機理結合，幫助制造企業構建工業數據分析能力，實現數據價值挖掘；二是把技術、知識、經驗等資源固化為可移植、可復用的工業微服務組件庫，供開發者調用；三是構建應用開發環境，借助微服務組件和工業應用開發工具，幫助用戶快速構建定制化的工業App。
4）應用層形成滿足不同行業、不同場景的工業SaaS和工業App，形成工業互聯網平臺的最終價值。一是提供了設計、生產、管理、服務等一系列創新性業務應用。二是構建良好的工業App創新環境，使開發者基于平臺數據及微服務功能實現應用創新。
平臺安全管理面向云平臺實現從態勢感知到網絡、主機、應用、數據多層縱深防護，在開發、運行和維護過程中采用一系列信息安全措施，確保整個平臺安全。
3.2.1.2 項目技術路線
項目技術路線包括能源電力裝備工業互聯網平臺關鍵技術研究，能源電力裝備工業互聯網平臺開發，能源電力裝備工業互聯網平臺應用，能源電力裝備工業互聯網平臺運營管理四個主要部分。
1.能源電力裝備工業互聯網平臺關鍵技術研究
通過對數據集成和邊緣處理、工業互聯網數據建模、數據分析與處理、應用開發和微服務、平臺安全防護等關鍵技術研究，為能源電力裝備工業互聯網平臺建設提供技術支撐。細任務說明如下：①研究數據集成和邊緣處理技術，實現邊緣層的數據統一解決和處理：②研究工業互聯網數據建模，通過綜合應用虛擬現實與仿真等技術實現制造過程全要素建模：③研究應用開發和微服務技術，為開發者提供便捷、快速的開發服務：④研究平臺安全防護技術，建立完整的安全防護體系，保障平臺的運行安全可靠。
2.能源電力裝備工業互聯網平臺開發
能源電力裝備工業互聯網平臺開發包括平臺框架、平臺設備及系統接入和應用功能等，主要任務分解包括以下四項：
1）平臺框架研究及搭建。在平臺關鍵技術研究的基礎上，借鑒國內外工業互聯網平臺架構經驗，研發適合許繼集團電力裝備業務的平臺框架，搭建云基礎設施、部署工業云平臺。
2）平臺設備及系統接入研究及開發。在搭建系統平臺的基礎上，研究接入智能電表、智能充電樁生產現場環境，連接設計、生產、物流等相關數據，集成ERP、PLM、MES等相關信息系統。
3）平臺應用功能研究及開發，建立工業機理模型、工業微服務組建模型，開發基于關鍵業務場景的工業App應用，實現生產調度管理、質量全生命周期追溯等功能。
4）平臺整合、測試及完善。根據平臺在生產現場的驗證結果，完善系統功能，優化系統性能。
3.能源電力裝備工業互聯網平臺應用
許繼集團能源電力裝備工業互聯網平臺通過接入智能電表、智能充電樁兩個智能工廠及其供應商，驗證平臺使用效果，實現智能電表、充電樁數字化、網絡化、智能化生產，主要任務如下：
1）智能電表和智能充電樁生產線設備及相關系統接入。主要接入生產線設備、測試設備及生產管理系統、設計系統。
2）智能電表和智能充電樁生產機理研究和模型構建。根據電力裝備生產實際業務需求，不斷完善和豐富生產機理模型。
3）智能電表和智能充電樁智能工廠功能實現。發揮電力裝備工業互聯網平臺連接生產、用戶、供應商等環節的價值，不斷提升智能電表、充電樁智能工廠建設水平。
4.能源電力裝備工業互聯網平臺運營管理
研究能源電力裝備工業互聯網平臺運營管理模式，保證能源電力裝備工業互聯網平臺的運行維護及市場拓展。
3.2.2 建設內容
能源電力裝備工業互聯網平臺主要建設內容包括：數據集成和處理、云基礎設施搭建、工業互聯網數據建模分析與處理、工業微服務組件模塊、工業App開發、平臺安全防護六個部分。
3.2.2.1 數據集成和處理
本項目數據集成范圍主要包括許繼集團的智能電表、智能充電樁、預制艙變電站、保護屏柜等車間生產線及自動化設備，如裝配機器人、單相三相自動化生產線、智能化測試及質量監測系統、智能物流系統等。采集生產線上在制品、智能裝備等工作和運行狀態數據，實現對在制品、設備、物流系統等生產過程全要素的監視與控制，并對采集的數據進行分析處理。
3.2.2.2 云基礎設施搭建
能源電力裝備工業互聯網平臺，基于虛擬化、分布式存儲、并行計算、負載調度等技術，實現網絡、計算、存儲等計算機資源的池化管理，根據需求進行彈性分配，并確保資源使用的安全與隔離，為用戶提供完善的云基礎設施服務。
基于云計算、大數據技術的能源電力裝備工業互聯網平臺基礎設施包括：云計算數據中心、網絡（行業專網、物聯網和互聯網），以及連接使用單位、制造企業和能源電力裝備的終端系統。云基礎設施數據采集示意圖如圖3-2所示。
圖3-2 云基礎設施數據采集示意圖
3.2.2.3 工業互聯網數據建模分析與處理
建模分析和處理是工業互聯網平臺具備工業實體虛擬映射和智能數據分析能力的關鍵，它利用統計分析、機器學習、機理建模等多種技術并結合專家經驗知識，面向電力裝備生產特定工業應用場景，對海量工業數據進行深度分析和挖掘，并提供可調用的特征工程、分析建模等工具框架，建立可復用、可固化的智能應用模型。
在智能車間中，產品數據、工藝數據、設備數據、系統運行數據等制造數據之間相互影響，因此需要在海量高維數據多尺度分類方法和動態制造數據時序分析方法的基礎上，設計針對不同類型制造數據的時間序列尺度歸一化算法，并研究關聯關系的定義、分類及描述方法，構建數據關聯關系描述模型。為對車間制造數據間可能的相互影響進行全面描述，基于車間制造系統在拓撲結構上與復雜網絡的相似性，建立不同類型制造數據與復雜網絡節點之間的映射關系，設計數據時序變化在復雜網絡模型中的數學描述方法，以及產品、工藝、裝備、系統等制造數據時序變化向復雜網絡節點集聚、消散、衰亡、派生等行為的映射規則，獲得基于復雜網絡的制造數據關系網絡模型。針對車間制造數據間關聯關系的直觀表述需求，在分析制造數據關系網絡模型中節點間的邊權分布、節點集聚程度等復雜網絡特性的基礎上，設計Hadoop架構下基于FP-growth的關聯分析算法，分析網絡節點之間的同步機制，以量化車間制造數據時間序列之間的關聯關系，揭示制造數據之間的相關性規律。
3.2.2.4 工業微服務組件模塊
平臺采用微服務架構搭建平臺，為應用開發提供更好的能力支持，在提供自身平臺服務的同時，著力打造繁榮的第三方應用創新生態。基于微服務的開發方式，支持多種開發工具和編程語言，并通過將通用功能進行模塊化封裝和復用，加快應用部署速度，降低應用維護成本。平臺微服務采用開放接口標準，保證開發者對平臺功能的高效調用。平臺將能源電力裝備制造機理的算法和模型進行封裝，并集成到微服務架構中，供開發者調用。微服務包含生命周期管理、彈性伸縮、配置中心、多層體系監控、日志服務、調用鏈管理、依賴分析、多維數據化、分布式事務管理等功能。
3.2.2.5 工業App開發
平臺為企業提供端到端的解決方案和即插即用的SaaS應用，并為應用開發者提供開發組件，方便其快速構建工業互聯網應用。平臺能夠為企業提供質量管理、輔助決策、排產管理、協同制造等應用服務。
3.2.2.6 平臺安全防護
隨著工業互聯網的部署和應用，大量關系國計民生的產業承載于開放網絡，工廠封閉環境逐漸打破，病毒等互聯網安全威脅向工業領域擴散，整體安全形勢更為嚴峻，工業互聯網的安全防護走向功能安全與信息安全的融合。本項目的方案設計中，主要從安全技術、安全管理、安全運維三個方面構建集防護、檢測、響應和恢復功能于一體的能源電力裝備工業互聯網平臺的安全防護體系。
3.2.3 實施途徑
項目建設總體分為四個階段：
第一階段進行業務需求調研和關鍵技術研究，主要分析能源電力裝備工業互聯網平臺關鍵業務應用場景，突破數據集成和邊緣處理、工業互聯網數據建模、數據分析與處理、關鍵業務應用場景開發、平臺安全防護等關鍵技術瓶頸。
第二階段進行平臺框架搭建及系統功能開發，主要包括：云基礎設施搭建、工業PaaS平臺部署、工業機理建模及工業應用開發等內容。
第三階段進行平臺示范應用，選取自動化水平較高、信息化系統建設完善的智能電表、智能充電樁兩個車間進行平臺應用示范。
第四階段進行平臺運營管理和應用推廣。
下一步，許繼集團將在不斷完善能源電力裝備工業互聯網平臺的基礎上，重點引入人工智能、大數據分析等技術，圍繞工業互聯網平臺產品，打通研發設計、生產、物流和運維各環節，實現企業、車間、機器、產品和用戶之間全流程、全方位、實時互聯互通和信息共享。在工業互聯網平臺發展相應用戶資源的基礎上，打通各個電力裝備生產企業之間的信息通道，形成電力裝備制造信息網，為企業間協同制造和用戶信息資源共享提供平臺。助力電力裝備行業“雙創”平臺發展，為更多的企業和社會組織提供幫助。
3.3 實施效果
能源電力裝備工業互聯網平臺面向能源電力裝備制造企業數字化、網絡化、智能化發展進程中的主要困難，通過提升設備與系統的數據集成能力、業務與資源的生產管控能力、產業鏈資源整合能力、應用和服務的開放創新能力，加速企業數字化與服務化轉型升級。項目總體建設成果如下：
1）填補國內能源電力裝備工業互聯網平臺建設的空白。綜觀國內外工業互聯網發展趨勢，各行業工業互聯網平臺的發展仍處于起步階段，應用局限在家電、航空、工程機械等特定領域。由于能源電力裝備行業發展的特性，智能制造業務整體水平落后于其他行業，能源電力裝備工業互聯網平臺的建設處于“空白”，因此，許繼集團能源電力裝備工業互聯網平臺建設，可加快許繼集團能源電力裝備產業升級，推動企業由能源電力裝備制造業向“制造+平臺+服務”現代產業轉型，示范意義顯著。
2）提高企業生產效率和產品質量，降低運營成本。許繼集團工業互聯網平臺通過提升設備與系統的數據集成能力、業務與資源的智能管理能力、知識和經驗的積累和傳承能力、應用和服務的開放創新能力，幫助能源電力裝備行業其他企業實現數字化、網絡化、智能化升級，能夠解決制造企業經營管理中的各種困難；通過對生產現場“人機料法環”各類數據的全面采集和深度分析，能夠發現導致生產瓶頸與產品缺陷的深層次原因，不斷提高生產效率及產品質量，降低企業運營成本，并具有極大的推廣價值。
3）推動智能制造在電力裝備行業的深入實施。通過試點應用進而推廣能源電力裝備工業互聯網平臺，可以高效地實現智能制造的縱向集成，消除智能工廠中的信息“孤島”，助力推動智能制造在電工裝備行業的實施與應用，提升電工裝備行業生產過程可視化水平，有利于縮短電力裝備行業企業研制周期，有利于電力裝備行業優化資源配置，助力企業作業標準化，并形成解決電力裝備行業問題的全新模式，同時引領電力裝備行業低碳、節能、高效發展，社會效益明顯。
3.3.1 項目標志性建設成果
許繼集團能源電力裝備工業互聯網平臺主要用于車間管理與生產過程優化企業資源配置與協同優化、集團運營管理與決策優化、電力裝備產品全生命周期質量管控與服務優化。
3.3.1.1 車間管理與生產過程優化
通過制造工廠的數據采集解決方案，可以有效采集和匯聚設備運行數據、工藝參數、質量檢測數據、物料配送數據和進度管理數據等生產現場數據，通過數據分析和反饋，在制造工藝、生產流程、質量管理、設備維護和能耗管理等具體場景中實現優化應用。當前，許繼集團通過加快智能儀表、智能充電樁等產品生產過程優化，破解原材料漲價、人工成本高、管理成本高、生產效率低、大規模制造產品質量難以保證等企業難題，量化工業節拍，提高周轉效率。
車間管理與生產過程優化在實際生產過程中，還體現在叫料管理、物料配送管理、計量設備精度監督等業務場景。叫料功能是采用精益化物料管理手段，實現物料耗用的透明化，當生產需要物料的時候，倉庫就會及時提供物料，并只提供所需要數量。目前的拉動看板已經由電子看板替代了傳統的卡片式看板，更加高效、直觀、方便。物料配送管理是物料配送管理計劃人員根據生產任務產生的生產配料單進行齊套檢查，可了解下發時的缺料狀況。計劃人員根據實際情況對生產計劃進行下發，根據同產品、同工位的配料單判定是否可以合并配料，從而提高配料效率。
平臺通過整合行業的檢測檢驗數據，給政府提供一個全面、實時的計量精度展示窗口，便于政府全面掌控計量設備的公正性、客觀性及合法性，方便政府應對公眾對計量精度的質疑，有效應對社會輿情。
3.3.1.2 企業資源配置與協同優化
本項目實現制造企業與外部用戶需求、創新資源、生產能力的全面對接，推動設計、制造、供應和服務環節的并行組織和協同優化。打破許繼集團產業單位之間和產業鏈上下游的信息壁壘，貫通產業單位之間橫向信息流和決策流實時互動，實現集團內外資源優化整合，提高計劃、質量等專業管理水平。產業單位質量管理界面示意圖如圖3-3所示。
圖3-3 產業單位質量管理界面示意圖
3.3.1.3 集團運營管理與決策優化
借助工業互聯網平臺可打通生產現場數據、企業管理數據和供應鏈數據，提升決策效率，實現更加精準與透明的企業管理，實現集團和產業單位日常生產管理信息全透明，統籌人力資源、設備資源等生產要素分配優化，提高決策精準度和決策高效性。產業單位運營周期管理界面示意圖如圖3-4所示。
圖3-4 產業單位運營周期管理界面示意圖
3.3.1.4 電力裝備產品全生命周期質量管控與服務優化
電力裝備產品全生命周期質量管理是對產品研發設計、生產、服務等過程的質量進行統一管理，對質量管理規范進行控制，記錄生產過程中的質量要素，包括：問題反饋單管理、質量控制小組（QC）基礎資料維護、抽檢管理和質量追溯等功能；也對設備運行狀態進行實時監控，進行預測性維護。
3.3.2 項目改善的關鍵指標項
本項目實施后，平臺接入智能電表、充電樁兩個智能工廠，實現產品一次合格率達到99.98%，生產效率提高20%以上，運營成本降低20%以上，產品交付周期縮短20%以上，產品不良率降低20%以上。
其中智能電表人均日產能由70只提升至260只，訂單交付周期由50天縮短至15天；在各加工設備上存儲加工方案，實現各生產線產品型號高效切換，實現了數據統計功能，能夠對上線的電能表的所有數據進行記錄和追溯。
3.3.3 項目社會經濟效益
構建以能源電力裝備工業互聯網平臺為核心的生態體系，平臺可為制造企業、用戶方、合作方、監管方提供大數據分析服務、產品增值服務、行業分析服務等系列有價值的服務。預計到2020年，直接或間接帶動產業收入5億元，并培育形成國內領先的能源電力裝備智能制造和工業互聯網整體解決方案能力；2025年，直接或間接帶動產業收入20億元，能源電力裝備工業互聯網產業實現國內領先。
能源電力裝備工業互聯網平臺項目的實施，既能創造新的企業盈利模式及發展方向，又整體有助于提高我國能源電力裝備智能制造水平，促使企業從大規模生產向個性化定制轉型，從生產型制造向服務型制造轉型，從要素驅動向創新驅動轉型，提升能源電力裝備行業的經濟效益和社會效益。
3.4 總結
許繼集團能源電力裝備工業互聯網平臺通過提升設備與系統的數據集成能力、業務與資源的智能管理能力、知識和經驗的積累和傳承能力、應用和服務的開放創新能力，可幫助電力裝備行業其他企業實現數字化、網絡化、智能化升級，能夠解決制造企業經營管理中各種困難，通過對生產現場“人機料法環”各類數據的全面采集和深度分析，能夠發現導致生產瓶頸與產品缺陷的深層次原因，不斷提高生產效率及產品質量，降低企業運營成本，具有極大的推廣價值。
工業互聯網平臺建設應聚焦行業優勢，企業應重點圍繞行業業務特點，形成差異化的平臺發展路徑。一是具備較強行業積累的平臺企業，通過將自身知識、經驗與數據固化，形成可廣泛復制的應用服務模式，通過在本領域精耕細作實現平臺的規模化發展；二是具備特定技術優勢的平臺企業，應加強與制造企業合作，將其核心技術與行業特性深度結合，通過平臺技術授權、二次集成、資源服務等方式實現平臺的廣泛部署。優秀平臺可依托其核心優勢實現跨行業跨領域發展，提升產業鏈上下游引領帶動作用，形成商業模式和發展路徑創新。
綜觀國內外工業互聯網發展趨勢，各行業工業互聯網平臺的發展仍處于起步階段，應用局限在家電、航空、工程機械等特定領域。由于電力裝備行業發展的特性，智能制造業務整體水平落后于其他行業，電力裝備工業互聯網平臺的建設處于“空白”，因此，許繼集團電力裝備工業互聯網平臺建設，可加快電力裝備制造產業升級，推動企業由能源電力裝備制造業向“制造+平臺+服務”現代產業轉型，示范意義顯著。
[1] IaaS為Infrastructure as a Service，譯為基礎設施即服務。
[2] PaaS為Platform as a Service，譯為平臺即服務。