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石化行业数字孪生应用探索

责任编辑:cres |来源:企业网D1Net  2021-10-22 11:27:53 原创文章 企业网D1Net

10月22日,由企业网D1Net、中国企业数字化联盟、信众智CIO智力输出及社交平台共同主办的2021全国工业互联网CIO大会暨《2021工业互联网白皮书》发布会在浙江 • 嘉兴举办。本次大会以“工业互联网落地实践”为主题,汇集约200家制造业CIO和IT主管,以及多家一线工业互联网领域的解决方案提供商,共同探讨工业互联网在企业应用实践中的突出问题,寻求破解之道。《2021工业互联网白皮书》同期在会上重磅发布,为我国工业互联网的发展再添助力,为广大制造业企业的数字化创新实践提供参考依据。
 
以下是现场速记。



某大型石化企业CIO 余斌
 
余斌:各位领导、各位专家,上午好!我给大家汇报的题目是“石化行业数字孪生应用探索”。
 
我们会有一个案例,这个案例是由像清华大学、北京航空航天大学、北京化工大学还有华东理工大学,所以说我今天做的这个报告,其实代表整个项目组,因为我是整个项目组的负责人。首先做这个声明。
 
我汇报的内容主要分为三部分:
 
第一.对数字孪生应用相关概念的理解。
 
第二.数字孪生应用案例分享。就是我刚才说的由产学研用大概11家单位共同建设的案例。
 
第三.对石化行业数字孪生应用展望。
 
讲到相关的概念,跟数字孪生应用相关的概念非常多。大家在网上或者在各种媒体上会看到各种各样概念的解读,我来自企业,我个人认为现在基本上流行一个概念,这个概念就是一个框,什么都往里头装。这样的话,对于我们这些企业的人来说,它给你一个概念,恨不得把所有的东西都塞进去,各种技术都放进去。这样的结果就是让我们最后被这个概念所迷惑。
 
我个人的理解对于这些概念来说,我们是企业,我们是应用,哪些东西对我有用留下就可以了,剩下的那些东西,你感觉他说的绕来绕去讲也讲不清楚的,需要用一本书来讲解清楚的东西,那就请学者去研究就可以了。所以我一直崇尚的是,如果你对这个概念如果你能够理解它的话,那你就有本事用一句话把它说清楚,如果理解更深刻的话,可能用几个字就能把它讲清楚。你可能说几个字讲明白的但是不全面,但是它全面不全面跟你没关系,你能用到的东西就是有用的,我们说的学以致用。
 
我们做数字孪生时会有些概念,我需要把它澄清,或者我需要怎么把它理解。
 
我们在做信息化的时候我们做的是信息化管理,做信息化管理更多的可能是对企业来说是效率的提升,这个提升核心就是流程,基本上我们所谓的通过流程再造,做企业信息化的管理。而我们现在提的数字化,大家可以看到我们叫做数字化转型,它这个核心的关键词是模式和创新,也就是说如果你没有什么模式方面的创新,你就老老实实做你的信息化的管理。
 
我遇到的CIO跟我讲说,我做了十几年的信息化,突然有一天他们都说现在叫数字化了不叫信息化了,说这个东西什么区别?我也没觉得它有什么区别?
 
原来在线下可能一天就能办成的事情,放在线上可能需要五天才能把它做成,包括政府的信息化,包括所谓网上办公大厅之类的政务服务都是这样,反而效率变低了。为什么?那是因为它只是把线下搬到了线上,它没有对流程进行再造。
 
还有一个核心的关键点,我们需要智能化来解决问题。我看今天来参会的有一家是做流程机器人的,这个就是智能化的体现。所以说我们从信息化到智能化它的核心词是助手和效益,在数字化转型这一块也是一样的,我们今天来的行业也有做设备在线监测的,最早我们在信息化时,我就是做一个设备的巡检系统,拿着一个设备到现场去。
 
我通过工业互联网平台把它变成紧耦合的关系,这是它的两个发展方向。
 
再有我们说的智能制造的三个阶段,这三个阶段,前面刚才有专家做了分享,我就不讲了,我主要讲这三个阶段的典型的应用。
 
第一个阶段,我们数字化制造的阶段。我认为这个阶段的典型应用,就是数字孪生应用,数字卵生应用它的核心词汇是“模型”,我们有人在网上看到这种说法,就是数据+模型等于工业互联网,或者说数据+模型等于服务。再有一个就是在我们数字化、网络化制造阶段我们认为是服务+产业链协同应用,第三个就是AI+工业智能应用,我们很多企业第一阶段就没有实现,自动化基础不行,数据没有拿上来,不可能去做数字孪生,这是一个基本的工业基础。
 
这些理念我们老说专家,专家任务就是把理论讲的一般人听不懂,一般人听不懂才显得我是专家,开玩笑了。但是实际真正的专家我认为你要把这些复杂的理论,还是要用应用的语言把它讲出来。对我们企业来说,对于我们制造企业来说,就是一套智能制造的这么一个系统的一套软件+硬件,比如对我们来说,可能就是一套控制系统,可能就是一套PRC系统,或者说我们经常坐地铁,可以看到地铁有一个倒闸,一刷卡,倒闸打开,然后你过去,你看看它是不是感知+计算+联网+控制,这种系统我们认为软件+硬件结合的系统,或者嵌入式软件,智能嵌入式软件的硬件系统,我们认为它就是CPS系统。我们把CPS理解了,我们就知道数字孪生系统如何跟它进行互动。
 
所以总结一句话,CPS是数字孪生物理实体的基础单元,数字孪生需要通过CPS系统来实现虚实闭环。数字孪生更简单,就是一个物理实体,它可以是台设备,可以是生产线,也可以是一个工厂,也可以说是我们管理方面的流程,我们把它再拓展。这些东西我建立一个一切数字虚体,我建好以后拿过来干什么用?我就是基于数字虚体去研究它,在研究的基础上我实现一个优化,我怎么优化,一定是一个闭环的过程,这个闭环过程一定反馈回物理实体,一定要有一个CPS作为它的数据单元,嵌入软件+硬件的系统,这是对CPS和数字孪生概念的一个理解。你可能说你这个理解不太理解,我听过航天的人讲,数字孪生最早概念来自于航天,我听过航天专家讲不是这么讲的,所有的概念一定要结合你的行业,结合你的企业,你留下有用的那一部分,能给你解决问题的那一部分,我觉得这个概念对你有用,否则那是别人的概念,跟你没有关系。
 
我们对数字孪生应用观点就是两个:一个是通过对数字虚体的了解和分析,实现对物理实体的优化。二个是数字孪生系统是智能制造战略落地的一个真正抓手,很多企业说实现数字工厂,如果没有实现数字孪生你就是假的智能工厂,它是我们数字化阶段一个标志性的系统,如果你没有做到,我觉得你还没有达到智能工厂的这么一个程度。
 
这个基础理论来自于北京航空航天大学,国外有很多相关的图,这些图我也都研究过,我研究完了以后,我发现还是国产的概念,北航的陶教授这张图跟我们现场比较贴近,它就是一个所谓的五维概念,包括物理实体、虚拟模型、完成数据、以及连接等等。数字孪生技术体系一个是基础技术,一个是核心技术。很多人讲什么数字孪生,不就是仿真吗?仿真不就是数字孪生吗?其实它只是其中一项技术,整个技术体系里面的基础技术。我们认为核心技术有三个,一个是模型修正技术,通过数字虚体研究,反过来优化我的物理实体,这个时候一定涉及到要建模,有模型,但是这个模型大家在工厂里工作,尤其是在流程行业里面工作都会很清楚,尤其是化工行业,温度、压力、环境各方面一变化,这个模型、原料一变化,用着它就不准了。不准了怎么办?我定期就要派专家过去把它重新校订。现在我们通过智能化的技术,它能够通过机器学习自动来进行修正,所以说这个模型修正技术是非常关键的一项技术。时间关系我不展开讲。
 
我还是回到应用,我们实现了数字孪生,数字孪生的应用我个人认为有三个层次,我完全是从应用角度出发。我用三个字来概括:
 
第一是“镜”,也就是说,我们首先要实现物理实体,建一个数字虚体,这个数字虚体我们也看到做成了数字孪生,但是我们看到这些数字孪生的数字虚体达不到照镜子的程度,为什么这么讲呢?它可能做的是一个照片,它要不动的话它是个照片,它要动的话,它是个动画片。核心的问题是,我要把我的运行数据实时同步到我的数字虚体里头去。你照镜子的时候,你怎么动,它就怎么动。你为什么要照镜子?你想看我的头发是不是乱了,我脸上是不是有脏东西,这是你照镜子的目的。我们也一样,我们为什么要去照镜子?有人说我花这么多钱,我把我的物理工厂建一个三维的数字虚体,花那么多钱到底有什么用?我看三维的数字虚体我还不如到现场看,现场看的还更真实,我干吗要做这么一件事情?这就是我刚才说的照镜子,因为你通过这个数字虚体可以看到你看物理实体看不到的东西。刚才有前面领导也在讲,说可视化,什么可视化?我到现场看的比你电脑上还好,我为什么还要去做它?可视化是要把我看不到的东西可视化。比如说我到现场去看,这个管线是什么管材我不知道,地下有很多管道,我能看到我现在站的位置有什么管道吗?我看不到,我拿出一个ipad,通过数字孪生,我一定位,从ipad马上能看到我现在站的位置下面有什么管道,跑的是什么流体,什么介质,这是我们要照镜子的一个目的,这个镜子可能也是一个魔镜。
 
第二个应用层次是一个字“警”。这个警是预测预警,也就是说我拿到这么多运行数据,放在这里面我光看一看吗?有什么作用?很核心作用就是模型,拿到数据以后要建模对它进行分析,实现预测预警。比如说质量的预测预警。通过我采到的一些相关的化验,相关的质量数据,我可以告诉你一个小时之后这个产品就不合格了,你现在必须要做什么样的调整,才有可能保证后面的产品是合格的。我们认为这是第二个应用层次。
 
第三个应用层次是“精”,不光有运行数据的实时同步到数字虚体里头,同时要通过我的工艺模型、机理模型进行模拟,模拟之后我会把我的优化控制数据传送回去,这个时候我们就会看到我在我的虚拟装置+孪生优化系统,这边我需要实体装置和我的自动控制系统,这个自动控制系统就是我前面讲的所谓的CPS系统,我们对CPS系统具像到石油化工里头,我认为它就是一个自动控制系统。这个自动控制系统我能够接收你的优化控制数据,来直接调整我的实际的生产,这样的话,达到我说的第三个字就是“精”,就是精益生产。
 
所以我们认为应用层次是这三个层次。我们可能看到很多介绍我们在哪儿实现了数字孪生,这个数字孪生你到底实现到了什么程度?我们也曾经受工信部领导的介绍去了一家卷烟厂,我去看它的数字孪生,说这个数字孪生做的非常好,我们不远千里去参观了一下。实际我看到的情况,它只做到了第一个层次,也就是我们说的照镜子的“镜”,第二和第三个层次都没有做到。
 
二、我们接下来要分享的案例,我们是把这三个层次都给做到了。这个应用案例我前面讲了,是11家单位联合做的项目。
 
我们要做数字孪生,刚才我讲的是工业基础,因为它是一个新建的石化企业,它的自控率接近100%,就是我第一张图自控率这一部分接近100%。再有就是信息化的IT基础设施,还有大数据中心相关的这些机房,还有网络设施等等。它是基于工业互联网平台进行建设的,这是自主知识产权的工业互联网平台。从需求的角度出发,也就是它的建设背景角度出发,政策背景、行业背景我就不讲了,企业需求很简单,就是实现企业生产的“安、稳、长、满、优”。安就是安全,稳就是稳定,长就是长周期,因为设备运行一年或者两连要停工下来检修,每停一次工、一检修两三个月或者一两个月,它的损失都非常大,我尽量长周期运转。“满”就是满负荷,设计2000万吨,只炼1800万吨这个损失是很大的。“优”就是优化。为了实现这个,我们就要把生产过程中的“人、机、料、法、环、测”实时控制。
 
项目建设目标,一是控制误差,就是所谓的误报率,我们要小于1%。二是要有一个模型,这个模型要实现1000个以上的模型,我们现在说数据是核心,数据是基础,但是真正要在企业里头发挥作用,模型是最关键的,你没有模型,这一堆数据就像散落的珍珠,但是我如果把它串成项链它就变成模型了,我刚才讲的“镜、警、精”要达到这样一个要求。
 
我们做数字孪生里头总共选了三套试点装置,这三套装置比较有代表性。一是常减压装置,二是聚丙烯装置,三是PTA装置。不是我们这个行业里头的,常减压、聚丙烯、PTA都搞不清楚。我举一个例子,有一种应用的聚丙烯,就是我们做口罩的原料。选了三个试点装置,定了六个解决方案,分别是物料配方优化、工艺参数设施与仿真,生产过程建模与优化控制,质量管理、设备故障诊断与远程运维,腐蚀管理,这也是几个应用场景。这个项目我们按照科学的管理,这个就不讲了。
 
数字孪生总体架构可以看到,一是物理空间,通过边缘层把数据采集上来,通过映射层来进行建模,并通过机器学习对模型进行修正和优化,在我们的模型层主要是两个,一个是物理空间实体模型层,二是虚拟空间多维模型层。最终基于这些数据和模型,我们实现6个解决方案,也就是6个应用。
 
跟我们传统的这些系统建设不一样方式,我们基于工业互联网平台进行建设,前面有领导介绍分为边缘层、IAAS层、PAAS层、SAAS层,IAAS层就是工业互联网平台层,系统和应用在不同层面搭相应的内容。我们通过一系列核心技术,通过我们相关的数字卵生模型,以及模型自进化的相关方法,最后我们实现和验证的就是我们刚才说的这几个解决方案,核心就是我们实现产品质量的一个预测,这个预测精度不少于90%,包括优化控制的实现。
 
在动设备运转的过程中,而且设备量非常大,我们怎么提前判断它别突然爆轴,突然出问题了,怎么通过我的传感器去采集数据,怎么定义设备相关的特征,怎么进行分析,这个我们基本上实现关键部件故障预警提前一小时以上。整个项目,在今年4月30号已经验收了,报工信部验收,产生的经济效益,我只说一个累计效益大概1.2亿,多的就不说了。我想抓紧时间给大家看一下这个视频。
 
时间关系,我只截取了3分钟,实际就是想给大家一个直观的概念,讲了半天数字孪生,到底数字孪生是什么样的。在座的有的朋友可能根本没去过化工厂或者炼油厂,你可能压根就没有这方面的概念,所以通过刚才这个展示让大家能够更好的理解数字孪生。
 
三、最后做一个简单的展望
 
我们认为数字孪生的发展跟我们人工智能的技术密切相关,人工智能分为弱人工智能、强人工智能、超人工智能。弱人工智能比如阿尔法狗下围棋,它就是一个专项的人工智能技术。强人工智能是一个综合性的,超人工智能已经超过人脑可以去解决这些问题,我们要动用更多的计算资源来支撑它。
 
数字孪生我们要想实现这个优化,我们做的数字孪生我可能是一个设备级的,设备级相对来说比较简单。我要是做到产线级或者装置级,我要做到工厂级,这个时候就需要我们人工智能的能力要更加强大,才能够去支撑。还有一个就是我们刚才谈到的优化,个体最优不等于整体最优,我们会发现很多优化,我说我把这个设备,其中某一个设备优化到最佳,这就跟我们锻炼身体一样,我就把我的右腿练的特别粗壮,那你走路都不平衡。实际在我们生产中也是一样的,我们需要做一个整体最优,也就是整体优化,因为我们一般个体最优都是通过优化方式去实现的,但是实际这里面会造成大量的设备损耗。
 
我们很多在做无人工厂,就是所谓的机器换人,但是我们认为基于数字孪生技术是可以去实现这种无人工厂的,但是核心的我们需要自动化+自主化向自进化发展。我前面举的设备在线监测管理的例子,我们之前需要把这个数据传到云端,远端有专家要定期给你看这些报表,看相关的统计数据,然后给你一个建议。现在我们要是能够实现这种模型的自学习、自进化,我就不需要专家了,我已经把专家相关的工业知识直接固化到我的系统里头去。所以说整个数字孪生应用的发展方向,我认为就是三个方向:一是要向超人工智能方向发展,二是要向整体最优方向发展,三是向自进化方向发展。
 
我的汇报就这么多,谢谢各位。

关键字:工业互联网

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