第3例 许继集团有限公司 工业互联网带动电力装备制造转型升级
3.1 简介
3.1.1 企业简介
许继集团有限公司（以下简称许继集团）是国家电网公司直属产业单位，是专注于电力、自动化和智能制造的高科技现代产业集团，拥有国家级企业技术中心、国家高压直流输变电设备工程技术研究中心、世界上最先进的特高压绝缘试验中心、国家能源主动配电网技术研发中心，以及国家电工仪器仪表质量监督检验中心等科研平台，是IEC/TC85技术委员会秘书处和全国电工仪器仪表标准化技术委员会秘书处承担单位。
许继集团作为国内装备制造业的领先企业，积极履行大型国有企业的社会责任，致力于为国民经济和社会发展提供高端能源和电力技术装备，为清洁能源生产、传输、配送以及高效使用提供全面的技术和服务支撑。许继集团聚焦特高压、智能电网、新能源、电动汽车、轨道交通及工业智能化五大核心业务，拓展节能环保、智慧城市、智能制造、先进储能、军工全电化五类新兴业务，产品可广泛应用于电力系统各环节。
3.1.2 案例特点
电力行业是关系国计民生的支柱产业，能源电力装备是实现电力安全稳定供给和国民经济持续健康发展的基础。建设能源电力装备工业互联网是提高电力装备生产效率、降低生产成本、提高产品质量的有效工具，是支撑产业向“制造+平台+服务”转型升级的关键抓手，是抢占工业大数据入口主导权、提升用户黏性、构建基于平台的电力装备产业生态体系的必要手段。
许继集团所属的电力装备行业面临人工成本、生产成本、物流成本、财务成本等持续提升，竞争压力持续增大等问题，通过部署电力装备工业互联网平台，能够解决智能化生产、经营模式创新、资源优化配置等突出问题，带动电力装备产业“走出去”，实现企业高质量发展。帮助企业实现智能化生产和管理，利于企业实现生产方式和商业模式创新及高质量发展。
3.2 项目实施情况
3.2.1 项目总体规划
3.2.1.1 项目总体技术架构
许继集团能源电力装备工业互联网平台充分借鉴国内外典型工业互联网平台设计理念及实现方式，基于新一代信息通信技术（工业互联网、工业大数据、云计算、物联网等）与先进制造技术深度融合，以实现“制造+平台+服务”转型升级为目的，聚焦车间管理与生产过程优化、企业资源配置与协同优化、集团运营与决策优化等业务场景，突破多驱动多协议数据采集技术、工业大数据存储及处理技术、工业数据建模和分析技术、应用开发和微服务技术、工业互联网平台安全技术等关键技术瓶颈，以智能电表、智能充电桩、保护屏柜、预制舱变电站等产品智能化生产为数据基础和验证环境，构建覆盖智能电表、充电桩、保护屏柜、预制舱变电站、环网柜、开关柜、变压器、智能组合电器等能源电力装备生产的现代能源电力装备产业生态体系，为装备制造方、用户方、合作方、监管方提供有价值的工业微应用服务。通过该平台实现能源电力装备生产硬件资源、软件资源、业务资源、服务资源等相关生产资源的合理配置，推动河南省能源电力装备制造产业升级，带动河南省及国家能源电力装备产业发展。能源电力装备工业互联网平台总体架构如图3-1所示。
图3-1 能源电力装备工业互联网平台总体架构
平台框架采用企业框架理轮和新型服务计算两种方法论，并集成当前互联网的主流框架。框架采用“五横五纵”，纵向包括智能工厂、边缘层、云基础层、平台层、应用层，横向涵盖平台主体、安全、标准、法规和运维，平台架构设计理念先进，功能结构清晰。
1）边缘层通过大范围、深层次的数据采集，以及异构数据的协议转换与边缘处理，构建工业互联网平台的数据基础。一是通过各类通信手段接入不同设备、系统和产品，采集海量数据；二是依托协议转换技术实现多源异构数据的归一化和边缘集成；三是利用边缘计算设备实现底层数据的汇聚处理，并实现数据向云端平台的集成。
2）云基础层IaaS[1]主要实现集中管理云中所有服务器、存储、网络、数据库等资源。通过模板配置和动态调整等功能为用户快速提供整合的、高可用的、可快速部署的IT基础设施服务。
3）平台层基于通用PaaS[2]叠加大数据处理、工业数据分析、工业微服务等创新功能，构建可扩展的开放式云操作系统。工业大数据平台为各类应用提供数据接入、数据清洗、数据存储、数据整合、数据计算、数据分析、数据交换等服务，方便上层应用和服务快速利用大数据存储、计算等资源。一是提供工业数据管理能力，将数据科学与工业机理结合，帮助制造企业构建工业数据分析能力，实现数据价值挖掘；二是把技术、知识、经验等资源固化为可移植、可复用的工业微服务组件库，供开发者调用；三是构建应用开发环境，借助微服务组件和工业应用开发工具，帮助用户快速构建定制化的工业App。
4）应用层形成满足不同行业、不同场景的工业SaaS和工业App，形成工业互联网平台的最终价值。一是提供了设计、生产、管理、服务等一系列创新性业务应用。二是构建良好的工业App创新环境，使开发者基于平台数据及微服务功能实现应用创新。
平台安全管理面向云平台实现从态势感知到网络、主机、应用、数据多层纵深防护，在开发、运行和维护过程中采用一系列信息安全措施，确保整个平台安全。
3.2.1.2 项目技术路线
项目技术路线包括能源电力装备工业互联网平台关键技术研究，能源电力装备工业互联网平台开发，能源电力装备工业互联网平台应用，能源电力装备工业互联网平台运营管理四个主要部分。
1.能源电力装备工业互联网平台关键技术研究
通过对数据集成和边缘处理、工业互联网数据建模、数据分析与处理、应用开发和微服务、平台安全防护等关键技术研究，为能源电力装备工业互联网平台建设提供技术支撑。细任务说明如下：①研究数据集成和边缘处理技术，实现边缘层的数据统一解决和处理：②研究工业互联网数据建模，通过综合应用虚拟现实与仿真等技术实现制造过程全要素建模：③研究应用开发和微服务技术，为开发者提供便捷、快速的开发服务：④研究平台安全防护技术，建立完整的安全防护体系，保障平台的运行安全可靠。
2.能源电力装备工业互联网平台开发
能源电力装备工业互联网平台开发包括平台框架、平台设备及系统接入和应用功能等，主要任务分解包括以下四项：
1）平台框架研究及搭建。在平台关键技术研究的基础上，借鉴国内外工业互联网平台架构经验，研发适合许继集团电力装备业务的平台框架，搭建云基础设施、部署工业云平台。
2）平台设备及系统接入研究及开发。在搭建系统平台的基础上，研究接入智能电表、智能充电桩生产现场环境，连接设计、生产、物流等相关数据，集成ERP、PLM、MES等相关信息系统。
3）平台应用功能研究及开发，建立工业机理模型、工业微服务组建模型，开发基于关键业务场景的工业App应用，实现生产调度管理、质量全生命周期追溯等功能。
4）平台整合、测试及完善。根据平台在生产现场的验证结果，完善系统功能，优化系统性能。
3.能源电力装备工业互联网平台应用
许继集团能源电力装备工业互联网平台通过接入智能电表、智能充电桩两个智能工厂及其供应商，验证平台使用效果，实现智能电表、充电桩数字化、网络化、智能化生产，主要任务如下：
1）智能电表和智能充电桩生产线设备及相关系统接入。主要接入生产线设备、测试设备及生产管理系统、设计系统。
2）智能电表和智能充电桩生产机理研究和模型构建。根据电力装备生产实际业务需求，不断完善和丰富生产机理模型。
3）智能电表和智能充电桩智能工厂功能实现。发挥电力装备工业互联网平台连接生产、用户、供应商等环节的价值，不断提升智能电表、充电桩智能工厂建设水平。
4.能源电力装备工业互联网平台运营管理
研究能源电力装备工业互联网平台运营管理模式，保证能源电力装备工业互联网平台的运行维护及市场拓展。
3.2.2 建设内容
能源电力装备工业互联网平台主要建设内容包括：数据集成和处理、云基础设施搭建、工业互联网数据建模分析与处理、工业微服务组件模块、工业App开发、平台安全防护六个部分。
3.2.2.1 数据集成和处理
本项目数据集成范围主要包括许继集团的智能电表、智能充电桩、预制舱变电站、保护屏柜等车间生产线及自动化设备，如装配机器人、单相三相自动化生产线、智能化测试及质量监测系统、智能物流系统等。采集生产线上在制品、智能装备等工作和运行状态数据，实现对在制品、设备、物流系统等生产过程全要素的监视与控制，并对采集的数据进行分析处理。
3.2.2.2 云基础设施搭建
能源电力装备工业互联网平台，基于虚拟化、分布式存储、并行计算、负载调度等技术，实现网络、计算、存储等计算机资源的池化管理，根据需求进行弹性分配，并确保资源使用的安全与隔离，为用户提供完善的云基础设施服务。
基于云计算、大数据技术的能源电力装备工业互联网平台基础设施包括：云计算数据中心、网络（行业专网、物联网和互联网），以及连接使用单位、制造企业和能源电力装备的终端系统。云基础设施数据采集示意图如图3-2所示。
图3-2 云基础设施数据采集示意图
3.2.2.3 工业互联网数据建模分析与处理
建模分析和处理是工业互联网平台具备工业实体虚拟映射和智能数据分析能力的关键，它利用统计分析、机器学习、机理建模等多种技术并结合专家经验知识，面向电力装备生产特定工业应用场景，对海量工业数据进行深度分析和挖掘，并提供可调用的特征工程、分析建模等工具框架，建立可复用、可固化的智能应用模型。
在智能车间中，产品数据、工艺数据、设备数据、系统运行数据等制造数据之间相互影响，因此需要在海量高维数据多尺度分类方法和动态制造数据时序分析方法的基础上，设计针对不同类型制造数据的时间序列尺度归一化算法，并研究关联关系的定义、分类及描述方法，构建数据关联关系描述模型。为对车间制造数据间可能的相互影响进行全面描述，基于车间制造系统在拓扑结构上与复杂网络的相似性，建立不同类型制造数据与复杂网络节点之间的映射关系，设计数据时序变化在复杂网络模型中的数学描述方法，以及产品、工艺、装备、系统等制造数据时序变化向复杂网络节点集聚、消散、衰亡、派生等行为的映射规则，获得基于复杂网络的制造数据关系网络模型。针对车间制造数据间关联关系的直观表述需求，在分析制造数据关系网络模型中节点间的边权分布、节点集聚程度等复杂网络特性的基础上，设计Hadoop架构下基于FP-growth的关联分析算法，分析网络节点之间的同步机制，以量化车间制造数据时间序列之间的关联关系，揭示制造数据之间的相关性规律。
3.2.2.4 工业微服务组件模块
平台采用微服务架构搭建平台，为应用开发提供更好的能力支持，在提供自身平台服务的同时，着力打造繁荣的第三方应用创新生态。基于微服务的开发方式，支持多种开发工具和编程语言，并通过将通用功能进行模块化封装和复用，加快应用部署速度，降低应用维护成本。平台微服务采用开放接口标准，保证开发者对平台功能的高效调用。平台将能源电力装备制造机理的算法和模型进行封装，并集成到微服务架构中，供开发者调用。微服务包含生命周期管理、弹性伸缩、配置中心、多层体系监控、日志服务、调用链管理、依赖分析、多维数据化、分布式事务管理等功能。
3.2.2.5 工业App开发
平台为企业提供端到端的解决方案和即插即用的SaaS应用，并为应用开发者提供开发组件，方便其快速构建工业互联网应用。平台能够为企业提供质量管理、辅助决策、排产管理、协同制造等应用服务。
3.2.2.6 平台安全防护
随着工业互联网的部署和应用，大量关系国计民生的产业承载于开放网络，工厂封闭环境逐渐打破，病毒等互联网安全威胁向工业领域扩散，整体安全形势更为严峻，工业互联网的安全防护走向功能安全与信息安全的融合。本项目的方案设计中，主要从安全技术、安全管理、安全运维三个方面构建集防护、检测、响应和恢复功能于一体的能源电力装备工业互联网平台的安全防护体系。
3.2.3 实施途径
项目建设总体分为四个阶段：
第一阶段进行业务需求调研和关键技术研究，主要分析能源电力装备工业互联网平台关键业务应用场景，突破数据集成和边缘处理、工业互联网数据建模、数据分析与处理、关键业务应用场景开发、平台安全防护等关键技术瓶颈。
第二阶段进行平台框架搭建及系统功能开发，主要包括：云基础设施搭建、工业PaaS平台部署、工业机理建模及工业应用开发等内容。
第三阶段进行平台示范应用，选取自动化水平较高、信息化系统建设完善的智能电表、智能充电桩两个车间进行平台应用示范。
第四阶段进行平台运营管理和应用推广。
下一步，许继集团将在不断完善能源电力装备工业互联网平台的基础上，重点引入人工智能、大数据分析等技术，围绕工业互联网平台产品，打通研发设计、生产、物流和运维各环节，实现企业、车间、机器、产品和用户之间全流程、全方位、实时互联互通和信息共享。在工业互联网平台发展相应用户资源的基础上，打通各个电力装备生产企业之间的信息通道，形成电力装备制造信息网，为企业间协同制造和用户信息资源共享提供平台。助力电力装备行业“双创”平台发展，为更多的企业和社会组织提供帮助。
3.3 实施效果
能源电力装备工业互联网平台面向能源电力装备制造企业数字化、网络化、智能化发展进程中的主要困难，通过提升设备与系统的数据集成能力、业务与资源的生产管控能力、产业链资源整合能力、应用和服务的开放创新能力，加速企业数字化与服务化转型升级。项目总体建设成果如下：
1）填补国内能源电力装备工业互联网平台建设的空白。综观国内外工业互联网发展趋势，各行业工业互联网平台的发展仍处于起步阶段，应用局限在家电、航空、工程机械等特定领域。由于能源电力装备行业发展的特性，智能制造业务整体水平落后于其他行业，能源电力装备工业互联网平台的建设处于“空白”，因此，许继集团能源电力装备工业互联网平台建设，可加快许继集团能源电力装备产业升级，推动企业由能源电力装备制造业向“制造+平台+服务”现代产业转型，示范意义显著。
2）提高企业生产效率和产品质量，降低运营成本。许继集团工业互联网平台通过提升设备与系统的数据集成能力、业务与资源的智能管理能力、知识和经验的积累和传承能力、应用和服务的开放创新能力，帮助能源电力装备行业其他企业实现数字化、网络化、智能化升级，能够解决制造企业经营管理中的各种困难；通过对生产现场“人机料法环”各类数据的全面采集和深度分析，能够发现导致生产瓶颈与产品缺陷的深层次原因，不断提高生产效率及产品质量，降低企业运营成本，并具有极大的推广价值。
3）推动智能制造在电力装备行业的深入实施。通过试点应用进而推广能源电力装备工业互联网平台，可以高效地实现智能制造的纵向集成，消除智能工厂中的信息“孤岛”，助力推动智能制造在电工装备行业的实施与应用，提升电工装备行业生产过程可视化水平，有利于缩短电力装备行业企业研制周期，有利于电力装备行业优化资源配置，助力企业作业标准化，并形成解决电力装备行业问题的全新模式，同时引领电力装备行业低碳、节能、高效发展，社会效益明显。
3.3.1 项目标志性建设成果
许继集团能源电力装备工业互联网平台主要用于车间管理与生产过程优化企业资源配置与协同优化、集团运营管理与决策优化、电力装备产品全生命周期质量管控与服务优化。
3.3.1.1 车间管理与生产过程优化
通过制造工厂的数据采集解决方案，可以有效采集和汇聚设备运行数据、工艺参数、质量检测数据、物料配送数据和进度管理数据等生产现场数据，通过数据分析和反馈，在制造工艺、生产流程、质量管理、设备维护和能耗管理等具体场景中实现优化应用。当前，许继集团通过加快智能仪表、智能充电桩等产品生产过程优化，破解原材料涨价、人工成本高、管理成本高、生产效率低、大规模制造产品质量难以保证等企业难题，量化工业节拍，提高周转效率。
车间管理与生产过程优化在实际生产过程中，还体现在叫料管理、物料配送管理、计量设备精度监督等业务场景。叫料功能是采用精益化物料管理手段，实现物料耗用的透明化，当生产需要物料的时候，仓库就会及时提供物料，并只提供所需要数量。目前的拉动看板已经由电子看板替代了传统的卡片式看板，更加高效、直观、方便。物料配送管理是物料配送管理计划人员根据生产任务产生的生产配料单进行齐套检查，可了解下发时的缺料状况。计划人员根据实际情况对生产计划进行下发，根据同产品、同工位的配料单判定是否可以合并配料，从而提高配料效率。
平台通过整合行业的检测检验数据，给政府提供一个全面、实时的计量精度展示窗口，便于政府全面掌控计量设备的公正性、客观性及合法性，方便政府应对公众对计量精度的质疑，有效应对社会舆情。
3.3.1.2 企业资源配置与协同优化
本项目实现制造企业与外部用户需求、创新资源、生产能力的全面对接，推动设计、制造、供应和服务环节的并行组织和协同优化。打破许继集团产业单位之间和产业链上下游的信息壁垒，贯通产业单位之间横向信息流和决策流实时互动，实现集团内外资源优化整合，提高计划、质量等专业管理水平。产业单位质量管理界面示意图如图3-3所示。
图3-3 产业单位质量管理界面示意图
3.3.1.3 集团运营管理与决策优化
借助工业互联网平台可打通生产现场数据、企业管理数据和供应链数据，提升决策效率，实现更加精准与透明的企业管理，实现集团和产业单位日常生产管理信息全透明，统筹人力资源、设备资源等生产要素分配优化，提高决策精准度和决策高效性。产业单位运营周期管理界面示意图如图3-4所示。
图3-4 产业单位运营周期管理界面示意图
3.3.1.4 电力装备产品全生命周期质量管控与服务优化
电力装备产品全生命周期质量管理是对产品研发设计、生产、服务等过程的质量进行统一管理，对质量管理规范进行控制，记录生产过程中的质量要素，包括：问题反馈单管理、质量控制小组（QC）基础资料维护、抽检管理和质量追溯等功能；也对设备运行状态进行实时监控，进行预测性维护。
3.3.2 项目改善的关键指标项
本项目实施后，平台接入智能电表、充电桩两个智能工厂，实现产品一次合格率达到99.98%，生产效率提高20%以上，运营成本降低20%以上，产品交付周期缩短20%以上，产品不良率降低20%以上。
其中智能电表人均日产能由70只提升至260只，订单交付周期由50天缩短至15天；在各加工设备上存储加工方案，实现各生产线产品型号高效切换，实现了数据统计功能，能够对上线的电能表的所有数据进行记录和追溯。
3.3.3 项目社会经济效益
构建以能源电力装备工业互联网平台为核心的生态体系，平台可为制造企业、用户方、合作方、监管方提供大数据分析服务、产品增值服务、行业分析服务等系列有价值的服务。预计到2020年，直接或间接带动产业收入5亿元，并培育形成国内领先的能源电力装备智能制造和工业互联网整体解决方案能力；2025年，直接或间接带动产业收入20亿元，能源电力装备工业互联网产业实现国内领先。
能源电力装备工业互联网平台项目的实施，既能创造新的企业盈利模式及发展方向，又整体有助于提高我国能源电力装备智能制造水平，促使企业从大规模生产向个性化定制转型，从生产型制造向服务型制造转型，从要素驱动向创新驱动转型，提升能源电力装备行业的经济效益和社会效益。
3.4 总结
许继集团能源电力装备工业互联网平台通过提升设备与系统的数据集成能力、业务与资源的智能管理能力、知识和经验的积累和传承能力、应用和服务的开放创新能力，可帮助电力装备行业其他企业实现数字化、网络化、智能化升级，能够解决制造企业经营管理中各种困难，通过对生产现场“人机料法环”各类数据的全面采集和深度分析，能够发现导致生产瓶颈与产品缺陷的深层次原因，不断提高生产效率及产品质量，降低企业运营成本，具有极大的推广价值。
工业互联网平台建设应聚焦行业优势，企业应重点围绕行业业务特点，形成差异化的平台发展路径。一是具备较强行业积累的平台企业，通过将自身知识、经验与数据固化，形成可广泛复制的应用服务模式，通过在本领域精耕细作实现平台的规模化发展；二是具备特定技术优势的平台企业，应加强与制造企业合作，将其核心技术与行业特性深度结合，通过平台技术授权、二次集成、资源服务等方式实现平台的广泛部署。优秀平台可依托其核心优势实现跨行业跨领域发展，提升产业链上下游引领带动作用，形成商业模式和发展路径创新。
综观国内外工业互联网发展趋势，各行业工业互联网平台的发展仍处于起步阶段，应用局限在家电、航空、工程机械等特定领域。由于电力装备行业发展的特性，智能制造业务整体水平落后于其他行业，电力装备工业互联网平台的建设处于“空白”，因此，许继集团电力装备工业互联网平台建设，可加快电力装备制造产业升级，推动企业由能源电力装备制造业向“制造+平台+服务”现代产业转型，示范意义显著。
[1] IaaS为Infrastructure as a Service，译为基础设施即服务。
[2] PaaS为Platform as a Service，译为平台即服务。