一．能源管控的迫切性

能源是工業(yè)的命脈，目前，我國(guó)能源消費(fèi)還存在不少問(wèn)題。比如，我國(guó)常規(guī)能源利用率比較低，單位產(chǎn)值能耗高，我國(guó)的萬(wàn)元GDP能耗與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距；能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理，煤炭在中國(guó)能源消費(fèi)總量中占主導(dǎo)地位；能源密集型產(chǎn)業(yè)低水平過(guò)度發(fā)展，比重偏大，鋼鐵、有色、建材、化工四大高載能產(chǎn)業(yè)用能約占能源消費(fèi)總量一半；環(huán)境污染問(wèn)題嚴(yán)重。

能源是冶金、火電廠、石油化工等高耗能行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最基本的資源，是維系各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的血液。確保能源系統(tǒng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量具有十分重要的作用。作為能源消耗大戶的石油石化行業(yè)，其能源需求量隨生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大日益增加，能源成本在企業(yè)操作成本中的比例較大。因此，如何采取更加有效的措施和手段，降低企業(yè)能耗和經(jīng)營(yíng)成本、提高企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力，已成為國(guó)內(nèi)外石油石化企業(yè)關(guān)注的主要問(wèn)題之一。具體表現(xiàn)在：

• 能源的穩(wěn)定輸送是各生產(chǎn)環(huán)節(jié)穩(wěn)定高效運(yùn)行的前提。在一個(gè)復(fù)雜的能源“生產(chǎn)——消費(fèi)”管網(wǎng)系統(tǒng)中，穩(wěn)定的能源供給保障各消費(fèi)單元持續(xù)高效的運(yùn)營(yíng)，可以大大減少由于供需不平衡導(dǎo)致的能源浪費(fèi)和停工待產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失。
• 穩(wěn)定的能源品質(zhì)是生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的保障。由于能源是高耗能企業(yè)許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)的基本資源，能源品質(zhì)的好壞對(duì)許多生產(chǎn)工藝產(chǎn)生直接的影響。比如，過(guò)控企業(yè)中煤氣熱值的品質(zhì)和波動(dòng)程度直接影響到鋼材質(zhì)量的好壞。
• 粗獷的能源計(jì)量和管理往往給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。比如，國(guó)內(nèi)某年產(chǎn)值150多億的礦業(yè)公司，僅由于電量計(jì)量不準(zhǔn)以及漏計(jì)等原因，每天就與供電方計(jì)量存在上萬(wàn)度的誤差，經(jīng)濟(jì)損失巨大。
• 長(zhǎng)期居高不下的能源消耗，不僅影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且嚴(yán)重惡化環(huán)境，不利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，是長(zhǎng)期困擾冶金企業(yè)的難題之一。
• 能源計(jì)量與管控系統(tǒng)可以作為考核生產(chǎn)、管理決策和指導(dǎo)節(jié)能的技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠耗能的總體監(jiān)控，是現(xiàn)代企業(yè)能源管理的重要技術(shù)措施，也是企業(yè)提高節(jié)能效益的重大技術(shù)措施。

因此，精準(zhǔn)、高效的能源計(jì)量和管控是高耗能企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益減少污染排放的關(guān)鍵問(wèn)題。

二．目前石化行業(yè)在能源管控方面的國(guó)內(nèi)外研究狀況

國(guó)際上的能源測(cè)量及管控軟件產(chǎn)品按功能主要可分為四類，即：能耗統(tǒng)計(jì)及指標(biāo)管理類；優(yōu)化管理類；能效改進(jìn)類；總體水平監(jiān)控類。這四類產(chǎn)品分別應(yīng)用于企業(yè)能源管理的不同層面，應(yīng)用效果、深度和范圍都有所不同，但總體而言，能耗統(tǒng)計(jì)及指標(biāo)管理類和總體水平監(jiān)控類產(chǎn)品主要用于能耗指標(biāo)統(tǒng)計(jì)管理和能效改進(jìn)情況監(jiān)控，偏重管理節(jié)能；而優(yōu)化管理類和能效改進(jìn)類產(chǎn)品主要用于企業(yè)公用工程的在線優(yōu)化和工藝流程的節(jié)能技術(shù)改進(jìn)，偏重技術(shù)節(jié)能。

國(guó)外煉化企業(yè)在公用工程優(yōu)化管理系統(tǒng)建設(shè)方面起步較早，常用的軟件產(chǎn)品包括Aspen公司開(kāi)發(fā)的Aspen Utilities Planner和Aspen Utilities OnlineOptimizer, Soteica公司開(kāi)發(fā)的Visual MESA軟件以及KBC公司開(kāi)發(fā)的OptiSteam軟件。

例如，美國(guó)煉油企業(yè)Valero公司的休斯頓煉廠采用AspenUtilities Planner & Optimizer軟件搭建了全廠公用工程在線優(yōu)化系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行后減少燃料汽排放7% ,鍋爐熱效率提高0.6%、年效益約270萬(wàn)美元。

科威特MAA煉廠采用Soteica公司的Visual MESA軟件建立了全廠公用工程在線優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了年效益約440萬(wàn)美元，系統(tǒng)投用后的成本變化見(jiàn)表1。 Exxon公司在公用工程優(yōu)化管理系統(tǒng)建設(shè)方面進(jìn)展較大，部分煉廠已利用Visual MESA軟件實(shí)現(xiàn)了公用工程系統(tǒng)的閉環(huán)優(yōu)化。

表1科威特MAA煉廠公用工程在線優(yōu)化實(shí)施效果

西班牙石油公司下屬的 Gibraltar 煉廠于2003 年開(kāi)始應(yīng)用KBC 能源管理器，實(shí)現(xiàn)了鍋爐和加熱爐燃料的優(yōu)化平衡以及公用工程系統(tǒng)操作效率的提高，僅2003 年下半年就已進(jìn)行了 350 次優(yōu)化運(yùn)行，模型預(yù)測(cè)平均降低操作成本3 % 左右。 

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)煉化企業(yè)節(jié)能壓力的增加和節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，部分企業(yè)也建設(shè)了公用工程在線優(yōu)化系統(tǒng)。例如，中國(guó)石油某煉化一體化企業(yè)基于Visual MESA軟件建立了公司級(jí)、分廠級(jí)、裝置級(jí)、重點(diǎn)產(chǎn)用能設(shè)備的四級(jí)模擬模型，范圍涵蓋全公司蒸汽、電力、除鹽水、燃料和氫氣等系統(tǒng)，并通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與優(yōu)化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了公用工程在線開(kāi)環(huán)優(yōu)化和計(jì)劃優(yōu)化;并且定制開(kāi)發(fā)了企業(yè)能源管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能耗指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析、節(jié)能措施績(jī)效跟蹤、重點(diǎn)耗能設(shè)備監(jiān)測(cè)、公用工程優(yōu)化等功能。

綜上，目前能源管控產(chǎn)品主要有 Prophet (tm)、SANGEA(tm)、Monitor-Pro 5、Enterprize EM 和 Montage 等。石化行業(yè)中的能源管控系統(tǒng)多數(shù)都能夠提供涵蓋數(shù)據(jù)采集、能源監(jiān)控及分析報(bào)告等在內(nèi)的解決方案，但目前只有少數(shù)軟件具有數(shù)據(jù)回歸分析功能，而數(shù)據(jù)回歸或更深層次的數(shù)據(jù)建模才是能源測(cè)量的核心目標(biāo)。近十年隨著科技進(jìn)步的發(fā)展，尤其是計(jì)量技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、*控制技術(shù)的發(fā)展，中石化行業(yè)*可以設(shè)計(jì)一套國(guó)產(chǎn)的、更合理精確的能源計(jì)量和管控系統(tǒng)來(lái)滿足產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保的要求。

三．目前石化行業(yè)在能源管控方面存在的主要問(wèn)題

依據(jù)調(diào)研，目前能源行業(yè)特別是高耗能企業(yè)在能源計(jì)量和管控方面主要存在如下問(wèn)題：

(1). 偏重于能源測(cè)量，較少涉及能源優(yōu)化管理。

國(guó)際上的能源測(cè)量及管控軟件產(chǎn)品按功能主要可分為四類，即：能耗統(tǒng)計(jì)及指標(biāo)管理類；優(yōu)化管理類；能效改進(jìn)類；總體水平監(jiān)控類。這四類產(chǎn)品分別應(yīng)用于企業(yè)能源管理的不同層面，應(yīng)用效果、深度和范圍都有所不同，但總體而言，能耗統(tǒng)計(jì)及指標(biāo)管理類和總體水平監(jiān)控類產(chǎn)品主要用于能耗指標(biāo)統(tǒng)計(jì)管理和能效改進(jìn)情況監(jiān)控，偏重管理節(jié)能；而優(yōu)化管理類和能效改進(jìn)類產(chǎn)品主要用于企業(yè)公用工程的在線優(yōu)化和工藝流程的節(jié)能技術(shù)改進(jìn)，偏重技術(shù)節(jié)能。目前國(guó)內(nèi)能源行業(yè)的能源管控一般屬于前者，大多為軟件公司開(kāi)發(fā)，于簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和指標(biāo)管理，由于缺少控制理論與控制技術(shù)的儲(chǔ)備對(duì)于更深層次的能源優(yōu)化控制做得很少。但是，能源管控的核心是控制，測(cè)量與統(tǒng)計(jì)是為能源優(yōu)化控制服務(wù)的，只有實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制才能為企業(yè)減少污染排放并帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益。

(2). 能源計(jì)量偏重于數(shù)據(jù)記錄，較少進(jìn)行深層次分析。

根據(jù)調(diào)研，目前石化行業(yè)市場(chǎng)上的能源管控產(chǎn)品主要有 Prophet (tm)、SANGEA(tm)、Monitor-Pro 5、Enterprize EM 和 Montage 等。多數(shù)能源管控產(chǎn)品都能夠提供涵蓋數(shù)據(jù)采集、能源監(jiān)控及分析報(bào)告等在內(nèi)的解決方案，并且多數(shù)產(chǎn)品都具有基準(zhǔn)對(duì)比及指標(biāo)監(jiān)控等計(jì)算功能，即：從生產(chǎn)數(shù)據(jù)、手持設(shè)備或通過(guò)手工輸入采集相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)或開(kāi)發(fā)獲得能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，并可根據(jù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和簡(jiǎn)單分析自動(dòng)生成不同層面的能耗水平和指標(biāo)監(jiān)控報(bào)告。但目前只有少數(shù)軟件具有數(shù)據(jù)回歸分析功能，而數(shù)據(jù)回歸或更深層次的數(shù)據(jù)建模才是能源測(cè)量的核心目標(biāo)。在大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立企業(yè)能源系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)運(yùn)行過(guò)程能源變化情況實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，一方面可以為企業(yè)不同層面的能效狀況進(jìn)行監(jiān)控和評(píng)估，促進(jìn)企業(yè)設(shè)備和裝置用能水平的提高，另一方面，可以為企業(yè)深層次的能源狀況分析奠定基礎(chǔ)，通過(guò)監(jiān)控目標(biāo)值與實(shí)際消耗數(shù)值之間的差距變化發(fā)出報(bào)警信息，并提出未來(lái)的改進(jìn)方向。

三．能源管控系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)分析

目前國(guó)內(nèi)能源管控系統(tǒng)較少涉及控制的主要原因還在于能源管控系統(tǒng)存在如下技術(shù)難點(diǎn)：

• 傳統(tǒng)的控制多為基于閉環(huán)的不需要精確建模的PID控制，在許多能源行業(yè)中，很多環(huán)節(jié)的測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效反饋；
• 一般能源行業(yè)為過(guò)程控制系統(tǒng)，涉及工藝環(huán)節(jié)非常復(fù)雜，基于物理機(jī)理的建?；静豢赡軐?shí)現(xiàn)，難以建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，而只依賴PID難以實(shí)現(xiàn)精確控制；
• 各工藝環(huán)節(jié)錯(cuò)綜復(fù)雜并且深度耦合，局部控制只考慮局部指標(biāo)無(wú)法反應(yīng)企業(yè)整體的能源狀況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化；
• 不同的生產(chǎn)單元與消費(fèi)單元差異較大，難以協(xié)同配置。能源行業(yè)一般由多個(gè)生產(chǎn)單元和多個(gè)消費(fèi)單元構(gòu)成，各消費(fèi)單元與生產(chǎn)單元的在能源生產(chǎn)和消費(fèi)方面差異較大，并且當(dāng)涉及不同種類的能源介質(zhì)時(shí)，由于能源介質(zhì)種類和熱值不同，很難實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置；
• 系統(tǒng)時(shí)滯較大，且缺少有效的控制手段。能源介質(zhì)一般由多個(gè)生產(chǎn)單元輸出，然后經(jīng)過(guò)復(fù)雜的管網(wǎng)進(jìn)入不同的消費(fèi)單元，且能源介質(zhì)多為流體（各種燃料氣），從消費(fèi)單元到生產(chǎn)單元一般距離較遠(yuǎn)，因此存在較大的時(shí)間延遲，極易造成消費(fèi)和生產(chǎn)的不均衡。一方面導(dǎo)致管網(wǎng)能源波動(dòng)劇烈，造成能源輸送和品質(zhì)不穩(wěn)定，影響產(chǎn)品質(zhì)量，另一方面也會(huì)造成能源的供需不平衡導(dǎo)致能源浪費(fèi)，加劇污染排放。

為了克服上述技術(shù)難點(diǎn)，需要對(duì)整個(gè)能源系統(tǒng)建立一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，能夠反映系統(tǒng)的實(shí)時(shí)變化，并基于此模型運(yùn)用有效的優(yōu)化控制或調(diào)度方法實(shí)現(xiàn)能源在各系統(tǒng)中高效穩(wěn)定的流動(dòng)。

四．能源管控系統(tǒng)方案

針對(duì)上述能源管控系統(tǒng)中存在的主要問(wèn)題和難點(diǎn)，本項(xiàng)目在精準(zhǔn)測(cè)量的基礎(chǔ)上基于大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與控制理論實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

(1). 管線管理和精準(zhǔn)計(jì)量

能源企業(yè)一般通過(guò)龐大的管線把生產(chǎn)與消費(fèi)單元聯(lián)系在一起，能源在管網(wǎng)流動(dòng)時(shí)會(huì)造成損耗，由于各種原因損耗難以測(cè)量，這是目前計(jì)量系統(tǒng)供需計(jì)量不準(zhǔn)確的主要原因。要實(shí)現(xiàn)整個(gè)能源系統(tǒng)的預(yù)測(cè)，需要建立較為準(zhǔn)確的管網(wǎng)模型。本項(xiàng)目以大數(shù)據(jù)技術(shù)為手段，從大量管網(wǎng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)中建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)能源介質(zhì)在管網(wǎng)中的運(yùn)行狀況。并基于管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型建立較為準(zhǔn)確的能源計(jì)量系統(tǒng)，解決目前能源生產(chǎn)、消費(fèi)計(jì)量不準(zhǔn)確問(wèn)題，并為后續(xù)能源控制奠定基礎(chǔ)。

A. 反饋數(shù)據(jù)點(diǎn)的合理確定：一般能源企業(yè)工況較差，在運(yùn)行數(shù)十年后，其原裝檢測(cè)裝置會(huì)出現(xiàn)不同程度的損壞，甚至數(shù)據(jù)*失真，維修和更換的成本巨大，且需要停產(chǎn)，影響正常生產(chǎn)活動(dòng)。而且，企業(yè)生產(chǎn)線經(jīng)過(guò)若干年的改建擴(kuò)建，在計(jì)量裝置上容易形成冗余，不同的計(jì)量方案會(huì)引起10-40%的計(jì)量誤差。因此，在現(xiàn)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確定新的計(jì)量方案，主要是計(jì)量點(diǎn)的確定，可以降低成本，提高能源利用效率。

B. 計(jì)量設(shè)備的更新：在計(jì)量點(diǎn)確定后，選擇安裝方便、計(jì)量精度更高的在線式計(jì)量裝置，可以為能源管控系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

C. 在獲取大量管網(wǎng)能源數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)建立相對(duì)準(zhǔn)確的管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型。

(2). 依據(jù)大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立生產(chǎn)-消費(fèi)單元數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行能源預(yù)測(cè)與分析

在存在較大時(shí)延的情況下解決能源生產(chǎn)-消費(fèi)不平衡問(wèn)題，對(duì)能源生產(chǎn)和消費(fèi)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是關(guān)鍵。在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上才可能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)單元依據(jù)消費(fèi)單元的需求狀況提前規(guī)劃能源的供給，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能源的供需平衡。從現(xiàn)有數(shù)據(jù)報(bào)表中提取有效數(shù)據(jù)，依據(jù)特征建模與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立各生產(chǎn)單元與消費(fèi)單元的數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬生產(chǎn)和消費(fèi)過(guò)程。采用預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)各種能源的未來(lái)消費(fèi)趨勢(shì)，合理安排采購(gòu)和生產(chǎn)活動(dòng)。以燃料氣預(yù)測(cè)為例，國(guó)內(nèi)大部分的氣柜是作保安用。建立了預(yù)測(cè)模型后，可根據(jù)工作負(fù)荷變化情況，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)出燃料氣的供需狀況，指導(dǎo)對(duì)用戶的分配方案，這樣氣柜既可保安又可作緩沖，可以提高燃料氣的有效利用率，減少燃料氣放散。生產(chǎn)-消費(fèi)單元的模型建立也可為企業(yè)內(nèi)部深層次能源分析提供基礎(chǔ)，在企業(yè)總利潤(rùn)，能耗的目標(biāo)下指導(dǎo)企業(yè)改善能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

(3). 能源供需實(shí)時(shí)管控

根據(jù)初步調(diào)研，一般能源行業(yè)的能源管控系統(tǒng)基本包括如下幾方面:

①供配電系統(tǒng)；②給排水系統(tǒng)，包括輸水系統(tǒng)、排水泵站、消防系統(tǒng)等; ③動(dòng)力系統(tǒng)：包括燃料氣加壓站、燃料氣混合站、氣柜、放散塔、燃料氣管網(wǎng)系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、氧氣氮?dú)獾容斉湎到y(tǒng)。

設(shè)計(jì)能源管控系統(tǒng)的基本目標(biāo)是：

A. 實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控與全自動(dòng)化生產(chǎn)。由能源中心進(jìn)行集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)變電所、變電室等供配電區(qū)域；氣柜、燃料氣加壓站、燃料氣放散、燃料氣混合等燃料氣區(qū)域；排水泵站等水區(qū)域；空壓站等區(qū)域的全自動(dòng)化生產(chǎn)，

B. 實(shí)現(xiàn)能源供需平衡的預(yù)測(cè)和優(yōu)化控制。以保障生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，減少能源放散，進(jìn)而減少能耗和污染排放，并對(duì)異常運(yùn)行情況進(jìn)行快速處理。

C. 實(shí)現(xiàn)能源輸送和能源品質(zhì)的穩(wěn)定，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。能源品質(zhì)和輸送的穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大。以石化企業(yè)為例，現(xiàn)有的控制方式主要是人工經(jīng)驗(yàn)加PID控制，燃料氣熱值的變化對(duì)PID的控制效果影響很大，進(jìn)而影響到產(chǎn)品的品質(zhì)。如果能夠?qū)崿F(xiàn)燃料氣熱值的穩(wěn)定控制，可以使產(chǎn)品的質(zhì)量提高一個(gè)或更多檔次。

本項(xiàng)目以大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)為基礎(chǔ)，在建立的綜合管網(wǎng)模型以及生產(chǎn)-消費(fèi)單元模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行整個(gè)能源系統(tǒng)的優(yōu)化控制。工業(yè)4.0要求建立整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各要素的優(yōu)化配置取得效益的。建立“生產(chǎn)單元-能源管網(wǎng)-消費(fèi)單元”的能源輸送數(shù)學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)能源調(diào)配系統(tǒng)優(yōu)化控制的基礎(chǔ)。以此模型為依據(jù)設(shè)計(jì)基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)和特征模型的自適應(yīng)控制器控制閥門開(kāi)度等操作量，可以根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的變化有效地動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能源介質(zhì)的流量、溫度、壓力等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化，提前規(guī)劃生產(chǎn)單元的能源生產(chǎn)以實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化調(diào)度和配置，限度的滿足消費(fèi)單元的不同需要并維持管網(wǎng)能源品質(zhì)的穩(wěn)定。

五．建立基于NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)能源管控新體系

隨著全聯(lián)接時(shí)代到來(lái)，傳統(tǒng)的電力、交通、能源、化工、制造等行業(yè)都在積極探尋自身的轉(zhuǎn)型升級(jí)之路。作為由電信力量主導(dǎo)的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，NB-IoT技術(shù)在深度覆蓋、超大鏈接、超低功耗、超低成本等方面均有突出優(yōu)勢(shì)，已成為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)程的重要抓手。近日發(fā)文要求加快NB-IoT在國(guó)內(nèi)落地，到今年年底建成基站規(guī)模40萬(wàn)個(gè)，到2020年建成基站規(guī)模150萬(wàn)個(gè)。并鼓勵(lì)探索NB-IoT技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造相結(jié)合的應(yīng)用場(chǎng)景，推動(dòng)融合創(chuàng)新，利用NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程的監(jiān)控和控制。

在此大背景下，基于畢托巴公司傳感器技術(shù)，依托能源企業(yè)可以構(gòu)建基于NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)能源管控新體系。

整個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：

• 基于NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量傳感器網(wǎng)絡(luò)
• 以基站為中心的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)
• 基于NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控和基于大數(shù)據(jù)的控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目主要工作是建立和第三部分，然后與基站構(gòu)成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)能源管控體系。首先，在畢托巴公司傳感器基礎(chǔ)上研制遵循NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的計(jì)量傳感器，并在能源公司體系內(nèi)構(gòu)建計(jì)量傳感器網(wǎng)絡(luò)。然后，開(kāi)發(fā)遵循NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的監(jiān)控軟件系統(tǒng)，并依據(jù)本項(xiàng)目提出的能源管控方案，構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的能源管控系統(tǒng)。

“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+AI”的新模式必將為傳統(tǒng)的能源管控系統(tǒng)開(kāi)辟一條新道路。

六．技術(shù)基礎(chǔ)

北京控制工程研究所隸屬于航天科技集團(tuán)中國(guó)空間技術(shù)研究院，始建于1956年10月11日，前身為自動(dòng)化研究所，是中國(guó)航天工程的主要承擔(dān)者，從東方紅一號(hào)開(kāi)始，我國(guó)研制并發(fā)射的六大系列170余顆星（船）中北京控制工程研究所參與了90%以上的星（船）任務(wù)，負(fù)責(zé)航天器控制與推進(jìn)分系統(tǒng)的抓總及產(chǎn)品研制工作。在控制理論研究與工程應(yīng)用方面建立了雄厚的人才和技術(shù)基礎(chǔ)。其中，1992年吳宏鑫院士提出的基于特征模型的自適應(yīng)控制方法是典型代表。該方法是一個(gè)從建模到控制的理論體系，工程實(shí)用性很強(qiáng)，已經(jīng)成功應(yīng)用于航天工程、過(guò)程控制等類系統(tǒng)，如神州飛船的再入返回、神州飛船的交會(huì)對(duì)接、藥廠的溫度控制等。目前，以深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域引起了革命性的改變，同樣，工業(yè)生產(chǎn)存在大量數(shù)據(jù)，也為這些技術(shù)的成功應(yīng)用提供了條件，本項(xiàng)目的承擔(dān)者在機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能和控制理論等領(lǐng)域都有長(zhǎng)期的研究積累和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為項(xiàng)目的成功實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

項(xiàng)目合作單位上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)是一所高速發(fā)展的上海市屬公辦高校，具有本科和碩士培養(yǎng)資格，其培養(yǎng)目標(biāo)是產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，為企業(yè)培養(yǎng)一線工程師。因此，非常重視與企業(yè)的合作，本項(xiàng)目的承擔(dān)者曾為寶鋼煤調(diào)濕生產(chǎn)線成功設(shè)計(jì)了智能控制算法，提高了出口煤濕度的控制精度，并降低了低壓蒸汽單耗3kg/t。

七．前期實(shí)施設(shè)想

項(xiàng)目前期可考慮先從目前急需解決的計(jì)量方面問(wèn)題入手。具體實(shí)施方案如下：

• 確定數(shù)據(jù)采集方案，包括測(cè)量點(diǎn)的拓?fù)溥x擇及不同數(shù)據(jù)的采集方式（周期采集或中斷采集等）；
• 整理數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)的分類和管理權(quán)限的確定，數(shù)據(jù)分類主要有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、短時(shí)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、記錄等；管理權(quán)限主要是根據(jù)部門不同，界定可以查看到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的指導(dǎo)方案等；
• 依據(jù)大量數(shù)據(jù)建立管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)中能源狀況的預(yù)測(cè)和分析，解決能源供需的計(jì)量不準(zhǔn)確問(wèn)題；

后期可在前期工作基礎(chǔ)上進(jìn)行能源優(yōu)化控制，具體實(shí)施方案如下：

• 依據(jù)大量數(shù)據(jù)，建立生產(chǎn)-消費(fèi)單元數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)整體能源狀況的預(yù)測(cè)與深層次分析；
• 依據(jù)“生產(chǎn)單元-管網(wǎng)-消費(fèi)單元”模型，設(shè)計(jì)優(yōu)化控制方案，實(shí)現(xiàn)能源介質(zhì)的優(yōu)化調(diào)配，保障能源供需平衡和品質(zhì)穩(wěn)定，進(jìn)而提升產(chǎn)品的質(zhì)量;
• 安全性保證，主要是各種報(bào)警、故障的排除、記錄和分析等。

八．預(yù)期經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益

短期保守預(yù)期，可使能源計(jì)量管網(wǎng)損失從現(xiàn)在的40%降低到20%；提高能源的運(yùn)行管理效率，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制后，可使日常管理成本降低50%；能源實(shí)時(shí)平衡能力提高30%-80%，大大減少能源放散量。

長(zhǎng)期來(lái)看，企業(yè)對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗、能源損失、能源平衡和能源成本都將更加重視，并將通過(guò)加強(qiáng)計(jì)量設(shè)施建設(shè)、實(shí)時(shí)采集能源數(shù)據(jù)和在線優(yōu)化工藝參數(shù)、設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)模型等實(shí)現(xiàn)工廠層面的能源實(shí)時(shí)監(jiān)控和總部層面的動(dòng)態(tài)能源監(jiān)控管理。

同時(shí)，隨著溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重和《京都議定書(shū)》等的限制，各石油公司也將在溫室氣體排放量的監(jiān)控方面積極開(kāi)展工作。

總之，由于能效持續(xù)改進(jìn)項(xiàng)目能夠以較低的資金投入獲得較大的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益，因此，能效改進(jìn)工作將逐步成為主要國(guó)際大型石油公司能源管理中的重要內(nèi)容，也將是各企業(yè)未來(lái)提高能源管理水平的一項(xiàng)重要手段。可以預(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)企業(yè)除了加強(qiáng)能源監(jiān)控的信息化力度外，還將通過(guò)專業(yè)咨詢隊(duì)伍和專門能源管理軟件實(shí)現(xiàn)能源利用水平的不斷進(jìn)步。