工業(yè)4.0時(shí)代下智能造紙工業(yè)的構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)

陳曉彬　李繼庚

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

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·智能造紙·

工業(yè)4.0時(shí)代下智能造紙工業(yè)的構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)

陳曉彬李繼庚*

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

摘要：結(jié)合造紙工業(yè)資金密集、技術(shù)密集、能源密集等產(chǎn)業(yè)特點(diǎn),利用“互聯(lián)網(wǎng)+”“工業(yè)4.0”理念,探討“互聯(lián)網(wǎng)+傳統(tǒng)造紙工業(yè)”即“智能造紙工業(yè)”發(fā)展新模式,旨在為探索傳統(tǒng)造紙工業(yè)新的產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策,推動(dòng)傳統(tǒng)造紙工業(yè)向智能制造、綠色制造、柔性制造轉(zhuǎn)型升級,進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)新興業(yè)態(tài)。

關(guān)鍵詞：智能造紙工業(yè)；工業(yè)4.0；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),互聯(lián)網(wǎng)+

2015年5月我國國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》[1]行動(dòng)綱領(lǐng),7月又印發(fā)《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》[2],明確了“互聯(lián)網(wǎng)+”的11個(gè)重點(diǎn)行動(dòng)領(lǐng)域?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”“工業(yè)4.0”“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等迅速成為國內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)。盡管這些仍然是演進(jìn)中的概念,但不可否認(rèn)的是,由它引發(fā)的產(chǎn)業(yè)話題已上升到國家層面,一場不同國家間的工業(yè)級別的互聯(lián)網(wǎng)競賽已然鳴槍開跑。中國制造業(yè)也因此迎來了前所未有的發(fā)展良機(jī)。

造紙工業(yè)是一個(gè)與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類文明建設(shè)息息相關(guān)的重要基礎(chǔ)原料產(chǎn)業(yè)[3]。造紙工業(yè)絕大部分產(chǎn)品是印刷、包裝、文化用品、卷煙、汽車、機(jī)械、建材、軍工、電工等產(chǎn)業(yè)部門的原材料。紙和紙板的消費(fèi)水平是衡量一個(gè)國家現(xiàn)代化水平和文明建設(shè)的重要標(biāo)志[4- 6]。據(jù)中國造紙協(xié)會(huì)調(diào)查資料,2014年全國紙和紙板生產(chǎn)企業(yè)約3000家,全國紙和紙板生產(chǎn)量10470萬t,消費(fèi)量10071萬t,人均年消費(fèi)量為74 kg(人口按13.68億計(jì)算)。2005—2014年紙和紙板生產(chǎn)量年均增長7.20%,消費(fèi)量年均增長6.06%[7]。造紙工業(yè)是資金密集型、技術(shù)密集型、能源密集型的大規(guī)模產(chǎn)業(yè),具有生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、原材料處理量大、能耗高、投資大的特點(diǎn)。改革開放以來,在國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的帶動(dòng)下,造紙工業(yè)取得了長足的發(fā)展,造紙企業(yè)信息化建設(shè)也走在了時(shí)代的前列,造紙工業(yè)已全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,有部分企業(yè)已經(jīng)擁有完整的信息系統(tǒng),即ERP(Enterprise Resource Planning,企業(yè)資源計(jì)劃)、MES(Manufacturing Execution System,制造執(zhí)行系統(tǒng))和PCS(Process Control System,過程控制系統(tǒng))。得天獨(dú)厚的基礎(chǔ)條件使得造紙工業(yè)在工業(yè)4.0時(shí)代轉(zhuǎn)型升級占得先機(jī)。

本文通過結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”“工業(yè)4.0”理念,探討“互聯(lián)網(wǎng)+傳統(tǒng)造紙工業(yè)”即“智能造紙工業(yè)”發(fā)展新模式及其關(guān)鍵技術(shù),旨在為探索傳統(tǒng)造紙工業(yè)新的產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策,推動(dòng)傳統(tǒng)造紙工業(yè)向智能制造、綠色制造轉(zhuǎn)型升級,進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)新興業(yè)態(tài)。

1相關(guān)概念介紹

1.1互聯(lián)網(wǎng)+

“互聯(lián)網(wǎng)+”簡單的說就是將互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)行業(yè)相結(jié)合,進(jìn)而帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一種模式。它代表一種新的經(jīng)濟(jì)形態(tài),即充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)要素配置中的優(yōu)化和集成作用,將互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新成果深度融合到經(jīng)濟(jì)社會(huì)領(lǐng)域中,提升實(shí)體經(jīng)濟(jì)的創(chuàng)新能力和生產(chǎn)能力,形成更廣泛的以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施和實(shí)現(xiàn)工具的經(jīng)濟(jì)發(fā)展形態(tài)。我國最早關(guān)于“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的提出是2012年11月于揚(yáng)在易觀第五屆移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)博覽會(huì)的發(fā)言[8]。他認(rèn)為“互聯(lián)網(wǎng)+”是所在行業(yè)的產(chǎn)品和服務(wù)與全網(wǎng)跨平臺(tái)用戶結(jié)合之后產(chǎn)生的一種化學(xué)反應(yīng)。在2015年的全國兩會(huì)上,馬化騰提交了《關(guān)于以“互聯(lián)網(wǎng)+”為驅(qū)動(dòng),推進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)創(chuàng)新發(fā)展的建議》[9-10]的議案,指出“互聯(lián)網(wǎng)+”是指利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、信息通信技術(shù)把互聯(lián)網(wǎng)和包括傳統(tǒng)行業(yè)在內(nèi)的各行各業(yè)結(jié)合起來,從而在新領(lǐng)域創(chuàng)造一種新生態(tài)。2015年3月5日在十二屆全國人大三次會(huì)議上,李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中首次提出“互聯(lián)網(wǎng)+”這一經(jīng)濟(jì)發(fā)展新形態(tài),并制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃,推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)合,促進(jìn)電子商務(wù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)金融健康發(fā)展,引導(dǎo)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)拓展國際市場[11]。阿里巴巴研究院也頒布了國內(nèi)第一份《“互聯(lián)網(wǎng)+”研究報(bào)告》[12],并指出“互聯(lián)網(wǎng)+”是以互聯(lián)網(wǎng)為主的一整套信息技術(shù)(包括移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)等)在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活各個(gè)部門的擴(kuò)散、應(yīng)用過程。

“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”,即傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息通信技術(shù),創(chuàng)造新的產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售方式。2014年,中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)工業(yè)應(yīng)用委員會(huì)等國家級產(chǎn)業(yè)組織宣告成立,一些互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)聯(lián)手工業(yè)企業(yè)開始了中國版“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”實(shí)踐。目前“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”擁有5個(gè)重要發(fā)展方向[13]。

(1)“移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”

借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),傳統(tǒng)制造業(yè)廠商可以在汽車、家電、配飾等工業(yè)產(chǎn)品上增加網(wǎng)絡(luò)軟硬件模塊,實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析等功能,極大改善了工業(yè)產(chǎn)品的使用體驗(yàn)。

(2)“云計(jì)算+工業(yè)”

基于云計(jì)算技術(shù),一些互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)打造了統(tǒng)一的智能產(chǎn)品軟件服務(wù)平臺(tái),為不同廠商生產(chǎn)的智能硬件設(shè)備提供統(tǒng)一的軟件服務(wù)與技術(shù)支持,優(yōu)化用戶的使用體驗(yàn),并實(shí)現(xiàn)各產(chǎn)品的互聯(lián)互通,產(chǎn)生協(xié)同價(jià)值。

(3)“物聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),工業(yè)企業(yè)可以將機(jī)器等生產(chǎn)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng),構(gòu)建信息物理融合系統(tǒng)(CPS,Cyber-PhysicalSystem),進(jìn)而使各生產(chǎn)設(shè)備能夠自動(dòng)交換信息、觸發(fā)動(dòng)作和實(shí)時(shí)控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有助于加快生產(chǎn)資源的優(yōu)化配置。

(4)“網(wǎng)絡(luò)眾包+工業(yè)”

在互聯(lián)網(wǎng)的幫助下,企業(yè)通過自建或借助現(xiàn)有的“眾包”平臺(tái),可以發(fā)布研發(fā)創(chuàng)意需求,廣泛收集客戶和外部人員的想法和智慧,大大擴(kuò)展了創(chuàng)意來源。工業(yè)信息化部信息中心搭建了“創(chuàng)客中國”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務(wù)平臺(tái),鏈接創(chuàng)客的創(chuàng)新能力與工業(yè)企業(yè)的創(chuàng)新需求,為企業(yè)開展網(wǎng)絡(luò)眾包提供了可靠的第三方平臺(tái)。

(5)“互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式+工業(yè)”

互聯(lián)網(wǎng)給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來的變革,不僅在新技術(shù)應(yīng)用,而且已經(jīng)引發(fā)商業(yè)模式的大變革。電子商務(wù)業(yè)務(wù)伴隨著我國互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)一同發(fā)展壯大,B2B(Business to Business)電子商務(wù)、B2C(Business to Customer)電子商務(wù)、O2O(Online to Offline)電子商務(wù)、出口跨境電商等多領(lǐng)域發(fā)展迅速。不僅如此,隨著工業(yè)產(chǎn)品接入互聯(lián)網(wǎng),生產(chǎn)企業(yè)可以依托產(chǎn)品提供服務(wù),企業(yè)的收入來源也將從“銷售產(chǎn)品”轉(zhuǎn)向“銷售產(chǎn)品+提供服務(wù)”,實(shí)現(xiàn)“服務(wù)型制造”,獲得持續(xù)收入。

1.2工業(yè)4.0

2011年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)(Hannover Messe)開幕式致辭中,德國人工智能研究中心的Wolf-gang Wahlster教授首次提出“工業(yè)4.0”概念。2013年“工業(yè)4.0”被列為德國“高技術(shù)戰(zhàn)略2020”十大未來項(xiàng)目之一[14]。德國“工業(yè)4.0”概念認(rèn)為：18世紀(jì)60年代至19世紀(jì)中期掀起的以水力和蒸汽機(jī)實(shí)現(xiàn)的工廠機(jī)械化是工業(yè)1.0時(shí)代；19世紀(jì)后半期至20世紀(jì)初電力的廣泛應(yīng)用是工業(yè)2.0時(shí)代；20世紀(jì)后半期出現(xiàn)的基于可編程邏輯控制器(PLC)的生產(chǎn)工藝自動(dòng)化、信息化是工業(yè)3.0時(shí)代；現(xiàn)在正進(jìn)入“工業(yè)4.0”時(shí)代,人類將迎來以信息物理融合系統(tǒng)(CPS)為基礎(chǔ),以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)器自組織為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命。事實(shí)上,德國并不是唯一一個(gè)在制造業(yè)部署物聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)服務(wù)的國家。美國于2011年6月正式啟動(dòng)包括工業(yè)機(jī)器人在內(nèi)的“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”；2012年2月,又出臺(tái)“先進(jìn)制造國家戰(zhàn)略計(jì)劃”[15],提出通過擴(kuò)大和優(yōu)化政府投資、建設(shè)“智能”制造業(yè)的國際競爭力。美國通用電氣公司(GE)提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(Industrial Internet)的概念[16],即把機(jī)器聯(lián)入網(wǎng)絡(luò),并利用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為企業(yè)服務(wù)。依靠機(jī)器間的互聯(lián)互通和分析軟件,打造智能機(jī)器,實(shí)現(xiàn)人、機(jī)器和數(shù)據(jù)的無縫協(xié)作,開創(chuàng)機(jī)器與智慧、物理世界與數(shù)字世界的融合。在中國,2011年國家工信部聯(lián)合科技部、財(cái)政部等五部委發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合的若干意見》[17],2013年發(fā)布的《信息化和工業(yè)化深度融合專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃(2013—2018年)》[18],制定了8項(xiàng)具體行動(dòng)：①“企業(yè)兩化融合管理體系”標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和推廣行動(dòng)；②企業(yè)兩化深度融合示范推廣行動(dòng)；③中小企業(yè)兩化融合能力提升行動(dòng)；④電子商務(wù)和物流信息化集成創(chuàng)新行動(dòng)；⑤重點(diǎn)領(lǐng)域智能水平提升行動(dòng)；⑥智能制造生產(chǎn)模式培育行動(dòng)；⑦互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合創(chuàng)新行動(dòng)；⑧信息產(chǎn)業(yè)支撐服務(wù)能力提升行動(dòng)。2015年,隨著《中國制造2025》[1]、《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》[2]等政策相繼出臺(tái),更是規(guī)劃了中國制造強(qiáng)國建設(shè)3個(gè)10年的“三步走”戰(zhàn)略：第一步,力爭用10年的時(shí)間,邁入制造強(qiáng)國的行列；第二步,到2035年,我國制造業(yè)整體達(dá)到世界制造強(qiáng)國陣營中等水平；第三步,新中國成立100年時(shí),制造業(yè)大國地位更加鞏固,綜合實(shí)力進(jìn)入世界制造業(yè)強(qiáng)國前列。

1.3云計(jì)算

作為新一代信息技術(shù)重要發(fā)展方向,云計(jì)算在落實(shí)“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略上具有重要作用。如果說傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展還依托于IT技術(shù)的話,那么“互聯(lián)網(wǎng)+”的背后則更多是云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的創(chuàng)新。云計(jì)算泛指云計(jì)算服務(wù)、支撐云計(jì)算服務(wù)的云計(jì)算平臺(tái)和相關(guān)云計(jì)算構(gòu)架技術(shù),是計(jì)算機(jī)科學(xué)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物,也是引領(lǐng)未來信息產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵戰(zhàn)略性技術(shù)和手段。按照部署的模式,云計(jì)算可分為公有云、私有云、社區(qū)云和混合云。云計(jì)算有3個(gè)核心角色,即使用者、提供者和建設(shè)者。使用者是指各種云計(jì)算服務(wù)的最終使用者,包括個(gè)人消費(fèi)者、政府、教育和企業(yè)客戶；提供者是指各種云計(jì)算服務(wù)的提供商,包括SaaS(Software as a Service,軟件即服務(wù))、PaaS(Platform as a Service,平臺(tái)即服務(wù))、IaaS(Infrastructure as a Service,基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù))3類提供商；建設(shè)者是為提供商提供各種基礎(chǔ)資源、解決方案和服務(wù)的供應(yīng)商,如軟硬件產(chǎn)品、信息安全、支付、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。當(dāng)前國外較為成熟的云計(jì)算公司有Amazon、Google、Microsoft、Salesforce、IBM等[19]。Amazon推出的云計(jì)算服務(wù)包括簡單存儲(chǔ)服務(wù)(Simple Storage Service)、彈性計(jì)算云(Elastic Compute Cloud)、簡單排列服務(wù)(Simple Queuing Service)。Google繼推出Google Apps后,又推出了應(yīng)用軟件引擎(Google AppEngine,GAE),可以讓外部開發(fā)者借用Google的GAE開發(fā)新的Web應(yīng)用。Salesforce的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件平臺(tái)(Salesfore.com)提供按需制定的軟件服務(wù)。Microsoft推出的Windows Azure操作系統(tǒng)為開發(fā)者提供了一個(gè)整合了以往所有軟件和數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺(tái),幫助開發(fā)相關(guān)應(yīng)用程序。IBM推出的“藍(lán)云(Blue Cloud)”使計(jì)算不僅僅局限在本地機(jī)器或遠(yuǎn)程服務(wù)器上,通過架構(gòu)一個(gè)分布的、可全球訪問的資源結(jié)構(gòu),使數(shù)據(jù)中心在類似互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下運(yùn)行計(jì)算。國內(nèi)主要IT企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都重點(diǎn)部署了云計(jì)算項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)踐[19]。華為在軟件平臺(tái)、云安全等云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)方面取得了成果。百度則側(cè)重于云計(jì)算的PaaS與SaaS服務(wù)。騰訊基于云計(jì)算技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)、集群任務(wù)調(diào)度、分布式同步、云存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)中心方面展開了研究。360則側(cè)重于云計(jì)算安全模式的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。云計(jì)算作為未來互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的重要模式已經(jīng)成為全球IT行業(yè)的共識(shí)。一些國際標(biāo)準(zhǔn)化組織,如ITU-T(國際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組織)、ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)、IEEE(美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì))、NIST(美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所)等已經(jīng)開始著手云計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的研究[20],包括云計(jì)算的定義與技術(shù)框架、業(yè)務(wù)需求與商業(yè)模式、云計(jì)算安全等。2015年1月30日,我國發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)云計(jì)算創(chuàng)新發(fā)展培育信息產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)的意見》[21],明確了云計(jì)算“十三五”的發(fā)展目標(biāo)：“到2020年,云計(jì)算應(yīng)用基本普及,云計(jì)算服務(wù)能力達(dá)到國際先進(jìn)水平,掌握云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù),形成若干具有較強(qiáng)國際競爭力的云計(jì)算骨干企業(yè)。云計(jì)算信息安全監(jiān)管體系和法規(guī)體系健全。大數(shù)據(jù)挖掘分析能力顯著提升。云計(jì)算成為我國信息化重要形態(tài)和建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國的重要支撐,推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域信息化水平大幅提高”。

1.4大數(shù)據(jù)

隨著大數(shù)據(jù)的流行,大數(shù)據(jù)的定義呈現(xiàn)多樣化趨勢,其中3種定義比較重要[22]。

(1)屬性定義(Attributive definition)

國際數(shù)據(jù)中心(IDC)是研究大數(shù)據(jù)及影響的先驅(qū),在2011年定義了大數(shù)據(jù)：大數(shù)據(jù)技術(shù)描述了一個(gè)技術(shù)和體系的新時(shí)代,被設(shè)計(jì)于從大規(guī)模多樣化的數(shù)據(jù)中通過高速捕獲、發(fā)現(xiàn)和分析技術(shù)提取數(shù)據(jù)的價(jià)值。這個(gè)定義刻畫了大數(shù)據(jù)的4個(gè)顯著特點(diǎn),即容量(volume)、多樣性(variety)、速度(velocity)和價(jià)值(value)。

(2)比較定義(Comparative definition)

2011年,McKinsey公司將大數(shù)據(jù)定義為：超過了典型數(shù)據(jù)庫軟件工具捕獲、存儲(chǔ)、管理和分析數(shù)據(jù)能力的數(shù)據(jù)集。這種定義是一種主觀的定義,沒有描述與大數(shù)據(jù)相關(guān)的任何度量機(jī)制。

(3)體系定義(Architectural definition)

美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)認(rèn)為大數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)的容量、數(shù)據(jù)的獲取速度或者數(shù)據(jù)的表示限制了使用傳統(tǒng)關(guān)系方法對數(shù)據(jù)的分析處理能力,需要使用水平擴(kuò)展的機(jī)制以提高處理效率。大數(shù)據(jù)可進(jìn)一步細(xì)分為大數(shù)據(jù)科學(xué)(Big Data Science)和大數(shù)據(jù)框架(Big Data frameworks)。大數(shù)據(jù)科學(xué)涵蓋大數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理和評估技術(shù)的研究；大數(shù)據(jù)框架則是計(jì)算單元集群間解決大數(shù)據(jù)問題的分布式處理和分析的軟件庫及算法。

大數(shù)據(jù)的發(fā)展有3個(gè)重要時(shí)期[23]。20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初是大數(shù)據(jù)的萌芽期,處于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)階段。隨著數(shù)據(jù)挖掘理論和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的逐步成熟,一批商業(yè)智能工具和知識(shí)管理技術(shù)開始被應(yīng)用,如數(shù)據(jù)倉庫、專家系統(tǒng)、知識(shí)管理系統(tǒng)等。此時(shí)對于大數(shù)據(jù)的研究主要集中于“算法”(Algorithms)、“模型”(Model)、“模式”(Patterns)、“識(shí)別”(Identification)等熱點(diǎn)關(guān)鍵詞。大數(shù)據(jù)發(fā)展的突破期是2003—2006年,處于圍繞非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)自由探索階段。以2004年Facebook創(chuàng)立為標(biāo)志,社交網(wǎng)絡(luò)的流行直接導(dǎo)致大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的涌現(xiàn),傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法難以應(yīng)對,學(xué)術(shù)界、企業(yè)界從多角度對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫架構(gòu)進(jìn)行重新思考,此時(shí)的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞是“系統(tǒng)”(System)、“網(wǎng)絡(luò)”(Networks)、“演化”(Evolution)等。2006—2009年,大數(shù)據(jù)技術(shù)形成并行運(yùn)算與分布式系統(tǒng),為大數(shù)據(jù)發(fā)展的成熟期。此時(shí)的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞聚焦“性能”(Performance)、“云計(jì)算”(Cloud Computing)、“大規(guī)模數(shù)據(jù)集并行運(yùn)算算法”(MapReduce)、“開源分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)”(Hadoop)等。2009年10月微軟發(fā)布《The fourth paradigm:data-intensive scientific discovery》[24],歸納總結(jié)出科學(xué)的第4范式：“數(shù)據(jù)密集型科學(xué)”，之前的3種科學(xué)范式分別為“實(shí)驗(yàn)科學(xué)”“理論科學(xué)”“計(jì)算科學(xué)”。第4范式的提出間接反映了數(shù)據(jù)對于科學(xué)研究的重要性,標(biāo)志著“數(shù)據(jù)思維”的到來。該書首次全面描述了快速興起的數(shù)據(jù)密集型科學(xué),并將整個(gè)科學(xué)研究分為4個(gè)部分,分別為數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)可視化。

1.5數(shù)據(jù)挖掘

隨著互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,各行各業(yè)積累的數(shù)據(jù)量越來越大,依靠人力來理解這些數(shù)據(jù)變得不可能,數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)據(jù)挖掘(DM,Data Mining)概念最早是由Usama M. Fayyad于1995年在加拿大蒙特利爾的第一屆知識(shí)發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘國際會(huì)議上提出的[25]。而從數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)知識(shí)(KDD,Knowledge Discovery in Database)首次出現(xiàn)卻早在1989年舉行的第十一屆國際聯(lián)合人工智能學(xué)術(shù)會(huì)議上[25]。數(shù)據(jù)挖掘是一門新興學(xué)科,從技術(shù)的角度上看,數(shù)據(jù)挖掘就是從大量的、復(fù)雜的、不規(guī)則的、隨機(jī)的、模糊的數(shù)據(jù)中獲取隱含的、有潛在價(jià)值的信息和知識(shí)的過程；從商業(yè)的角度來說,數(shù)據(jù)挖掘就是在海量的數(shù)據(jù)中挖掘有用的信息,將有用的信息轉(zhuǎn)化為知識(shí),知識(shí)變行動(dòng),行動(dòng)轉(zhuǎn)換價(jià)值的過程。

數(shù)據(jù)挖掘算法是數(shù)據(jù)挖掘的核心內(nèi)容,只有通過科學(xué)可靠的算法才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的挖掘,找到數(shù)據(jù)中潛在的規(guī)律[25-28]。數(shù)據(jù)挖掘經(jīng)典算法包括：回歸分析(Regression Analysis)、貝葉斯分析(Bayesian Analysis)、聚類分析(Cluster Analysis)、決策樹算法(Decision Tree Algorithm)、關(guān)聯(lián)規(guī)則算法(Association Rules Algorithm)、粗糙集理論(Rough Sets Theory)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network)、遺傳算法(Genetic Algorithm)、支持向量機(jī)(Support Vector Machine)等?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步引領(lǐng)社會(huì)不斷進(jìn)步與發(fā)展,隨著互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),大量形式各樣的復(fù)雜類型的數(shù)據(jù)不斷涌現(xiàn),傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘算法不再適用這些復(fù)雜類型數(shù)據(jù)的處理,需要一些更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),如空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)；多媒體數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)；文本挖掘技術(shù)；Web挖掘技術(shù)；數(shù)據(jù)流挖掘技術(shù)；時(shí)間序列數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)；生物序列數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等等。

數(shù)據(jù)挖掘要遵循一定的步驟才能完成。早期數(shù)據(jù)挖掘主要依據(jù)Usama M. Fayyad總結(jié)提出的KDD基本步驟[25]：數(shù)據(jù)選擇(selection)、數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理(pre-processing)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(transformation)、數(shù)據(jù)挖掘(data mining)、知識(shí)評價(jià)(interpretation/evaluation)。Fayyad數(shù)據(jù)挖掘過程模型偏技術(shù)理論,從數(shù)據(jù)入手到知識(shí)結(jié)束,在實(shí)際應(yīng)用過程中存在2個(gè)問題：①為什么選擇這些數(shù)據(jù)？Fayyad過程模型忽略了具體業(yè)務(wù)問題的確定,明確商業(yè)問題是決定模型質(zhì)量至關(guān)重要的一步。②模型怎樣使用？這點(diǎn)同樣在Fayyad過程模型中沒有體現(xiàn),數(shù)據(jù)挖掘不僅僅是“分析環(huán)境”中的一種數(shù)據(jù)分析技術(shù),挖掘出的模型要返回“操作環(huán)境”中進(jìn)行應(yīng)用,要構(gòu)成一個(gè)從“操作環(huán)境”到“分析環(huán)境”再到“操作環(huán)境”的封閉的信息流。經(jīng)過多年的發(fā)展,數(shù)據(jù)挖掘過程模型在Fayyad模型的基礎(chǔ)上不斷完善,于1999年由CRISP-DM(Cross-industry Standard Process for Data Mining,跨行業(yè)數(shù)據(jù)挖掘標(biāo)準(zhǔn)流程)協(xié)會(huì)總結(jié)提出CRISP-DM模型[29]。CRISP-DM模型從數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用的角度劃分?jǐn)?shù)據(jù)挖掘任務(wù),注重?cái)?shù)據(jù)挖掘與業(yè)務(wù)問題相結(jié)合、如何運(yùn)用挖掘出的模型等用戶最關(guān)心的問題,從商業(yè)的角度給出了對數(shù)據(jù)挖掘流程的理解。CRISP-DM模型的基本步驟包括：業(yè)務(wù)理解(business understanding)、數(shù)據(jù)理解(data understanding)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備(data preparation)、建立模型(modeling)、模型評估(evaluation)、模型部署(deployment)。圖1描述了這些步驟及其之間的關(guān)系。

圖1　CRISP-DM過程模型

2智能造紙工業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈

在全球化和知識(shí)經(jīng)濟(jì)背景下,具有較強(qiáng)生命力的企業(yè)集群現(xiàn)象引起了越來越多的地理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)、社會(huì)學(xué)等領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注。產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈概念正是在企業(yè)集群基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈是指某種產(chǎn)業(yè)在某個(gè)地域范圍內(nèi)已形成的以某主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)為核心的具有較強(qiáng)市場競爭力和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展特征的地域產(chǎn)業(yè)多維網(wǎng)絡(luò)體系[30]。這個(gè)多維體系包括：①生產(chǎn)維,在地域內(nèi)聚集眾多相互依存、相互協(xié)作的生產(chǎn)企業(yè)；②科技維,產(chǎn)業(yè)的科研、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)體系；③服務(wù)維,為產(chǎn)業(yè)提供便捷的市場和信息服務(wù)、運(yùn)銷服務(wù)等；④勞動(dòng)維,區(qū)域內(nèi)有適宜主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的勞動(dòng)力和技術(shù)人才保障；⑤相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施保障,如水、電、汽等；⑥公共維,為了維護(hù)圈內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供相關(guān)的支持政策、法規(guī)與服務(wù)。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈具有鮮明的地域特性,具有一定規(guī)模的區(qū)域(人口和面積)才能催生出某個(gè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈像自然生態(tài)圈一樣,其形成往往要經(jīng)歷漫長的時(shí)期。龍頭企業(yè)的成長和發(fā)展；相關(guān)企業(yè)群體的成長和發(fā)展；政府相關(guān)政策與法規(guī)的摸索、制定、修改和完善；其他主要維度要素的發(fā)展等,通常需要經(jīng)過十幾年、幾十年的時(shí)間?；谝陨显?我國造紙工業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展,還未能形成真正意義上的造紙工業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈,不過較大規(guī)模的造紙工業(yè)產(chǎn)業(yè)集群倒是有不少,如東莞中堂鎮(zhèn)造紙產(chǎn)業(yè)基地、銀洲湖紙業(yè)基地、大豐港造紙產(chǎn)業(yè)園、富陽造紙生態(tài)工業(yè)園等。

在中國互聯(lián)網(wǎng)過往近30年的發(fā)展歷程中,互聯(lián)網(wǎng)與廣告、零售、銀行、通信等傳統(tǒng)行業(yè)的結(jié)合,在造就百度、阿里巴巴、京東、騰訊等互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)秀企業(yè)的同時(shí),也為中國的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級提供了新路徑和寶貴的經(jīng)驗(yàn)。每一個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)都孕育著“互聯(lián)網(wǎng)+”的機(jī)會(huì)。“互聯(lián)網(wǎng)+”融合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),重新構(gòu)建過去的組織結(jié)構(gòu)、社會(huì)結(jié)構(gòu)與關(guān)系結(jié)構(gòu)?？缃缛诤稀f(xié)同創(chuàng)新、互利共生,突破地域的限制,資源充分共享,利用“互聯(lián)網(wǎng)+”理念與“互聯(lián)網(wǎng)+”新技術(shù)(移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等)去打造工業(yè)4.0時(shí)代下智能造紙工業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈將會(huì)有意想不到的神奇效果。例如,科技維的構(gòu)建,利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和“互聯(lián)網(wǎng)+”新技術(shù),科研院所新的研究成果能夠更快捷地宣傳,生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)自己的需求選擇合作或者購買的方式,智能完成權(quán)益交易,快速地將新技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)中。

基于互聯(lián)網(wǎng)工具構(gòu)建的智能造紙產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈主要由一個(gè)管理云平臺(tái)和7個(gè)組織成員組成(如圖2所示)。管理云平臺(tái)是一個(gè)為各組織成員提供資源共享、跨界融合、協(xié)同創(chuàng)新服務(wù)的公共平臺(tái),下一小節(jié)將詳細(xì)介紹其體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)框架。7個(gè)組織成員包括：①政府組織：為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供相關(guān)的支持政策、法規(guī)與服務(wù),維護(hù)良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境和秩序。②金融機(jī)構(gòu)：相關(guān)的金融、信貸服務(wù)機(jī)構(gòu)為相關(guān)產(chǎn)業(yè)組織發(fā)展提供持續(xù)動(dòng)力。③產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)：不屬于政府的管理機(jī)構(gòu)系列,是政府與造紙企業(yè)的橋梁和紐帶。產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)的主要職能有：代表造紙行業(yè)全體企業(yè)的共同利益,向政府傳達(dá)企業(yè)的共同要求,同時(shí)協(xié)助政府制定和實(shí)施行業(yè)發(fā)展規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)政策、行政法規(guī)和有關(guān)法律；制定并執(zhí)行行規(guī)行約和各類標(biāo)準(zhǔn),協(xié)調(diào)本行業(yè)企業(yè)之間的經(jīng)營行為；受政府委托,進(jìn)行資格審查、簽發(fā)證照，如市場準(zhǔn)入資格認(rèn)證等；對造紙行業(yè)的基本情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析并發(fā)布結(jié)果。④科研院所：是指從事制漿造紙學(xué)術(shù)研究的科研單位,包括研究院所,高校,國家級、省級制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、研究中心等,擁有大批高水平的技術(shù)專家,是制漿造紙科學(xué)技術(shù)研究和開發(fā)的中堅(jiān)力量。科研院所也是為造紙行業(yè)輸出高技術(shù)人才的重要組織,為造紙行業(yè)提供教育與培訓(xùn)服務(wù),組織會(huì)議,出版刊物等。⑤制漿造紙企業(yè)群：是指一大批從事制漿、造紙生產(chǎn)活動(dòng)的企業(yè),是構(gòu)成造紙工業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的主要組織。⑥上游客戶群：為制漿造紙企業(yè)提供相應(yīng)的原材料、設(shè)備、勞動(dòng)力等生產(chǎn)資料的上游客戶。⑦下游客戶群：制漿、造紙產(chǎn)品的消費(fèi)者,如印刷、包裝行業(yè),建筑行業(yè),個(gè)人等。

圖2　智能造紙工業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈示意圖

3智能造紙工業(yè)管理云平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)及技術(shù)框架

智能造紙工業(yè)管理云平臺(tái)是構(gòu)建智能造紙工業(yè)的核心部分,是一個(gè)為造紙工業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈7個(gè)主要組織提供資源共享、跨界融合、協(xié)同創(chuàng)新服務(wù)的工具,其SOA架構(gòu)如圖3所示。面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)SOA(Service Oriented Architecture)作為高層架構(gòu)模型,其最大的特點(diǎn)就是可以適應(yīng)將來未知或變化的業(yè)務(wù)需求。智能造紙工業(yè)管理云平臺(tái)運(yùn)用SOA,可以很好地構(gòu)建各種云服務(wù)。在SOA架構(gòu)中,具體的應(yīng)用功能由統(tǒng)一接口定義的服務(wù)構(gòu)成,表現(xiàn)出了松耦合性。整個(gè)架構(gòu)分為6層：①服務(wù)消費(fèi)者層,管理云平臺(tái)是為智能造紙工業(yè)生態(tài)圈的組織成員服務(wù)的,所以消費(fèi)者層由政府組織、金融機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)、科研院所、制漿造紙企業(yè)群、上游客戶群、下游客戶群構(gòu)成；②業(yè)務(wù)流程層,主要是指服務(wù)訪問流程,包括服務(wù)注冊、服務(wù)請求等過程；③服務(wù)層,指管理云平臺(tái)提供的服務(wù),包括單一服務(wù)、組合服務(wù)等；④服務(wù)組件層,是指已經(jīng)模塊化的服務(wù)構(gòu)件,包括定制組件、打包組件等；⑤虛擬化資源庫層,指將資源虛擬化注冊、存儲(chǔ),用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)查看調(diào)用這些資源,資源包括政策法規(guī)、數(shù)據(jù)、信息、技術(shù)、原材料、設(shè)備、資本、勞動(dòng)力、生產(chǎn)能力等,當(dāng)然也包括云計(jì)算需要的硬件基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)和軟件系統(tǒng)等；⑥資源提供者層,所有資源均來自智能造紙工業(yè)生態(tài)圈的組織成員,所以資源提供者為政府組織、金融機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)、科研院所、制漿造紙企業(yè)群、上游客戶群、下游客戶群。

圖3　智能造紙工業(yè)管理云平臺(tái)SOA架構(gòu)

本著資源共享、跨界融合、協(xié)同創(chuàng)新、互利共生的總體要求,智能造紙工業(yè)管理云平臺(tái)的信息資源層次分為4層(如圖4所示),自下往上依次是感知層、傳輸層、應(yīng)用支持層和云服務(wù)層。感知層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能,通過智能儀表、PLC(Programmable Logic Controller)、DCS(Distributed Control System)、QCS(Quality Control System)、現(xiàn)有信息系統(tǒng)等采集原始數(shù)據(jù)。傳輸層主要功能是通過工業(yè)以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施對來自感知層的信息進(jìn)行接入和傳輸。應(yīng)用支持層在云計(jì)算技術(shù)的支撐下,對獲取的海量信息資源進(jìn)行實(shí)時(shí)管理和監(jiān)控,包括智能信息處理、信息融合、數(shù)據(jù)挖掘,同時(shí)提供平臺(tái)內(nèi)云服務(wù)開發(fā)、運(yùn)營所需的基礎(chǔ)設(shè)施和相關(guān)軟硬件資源等。云服務(wù)層是指構(gòu)建面向?qū)嶋H應(yīng)用的管理平臺(tái),包括11種云服務(wù)系統(tǒng),分別為行業(yè)動(dòng)態(tài)與市場信息云服務(wù)、行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析云服務(wù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)管理與查詢云服務(wù)、智能ERP云服務(wù)、智能MES云服務(wù)、智能PCS云服務(wù)、智能產(chǎn)學(xué)研中心、虛擬社區(qū)服務(wù)、電子商務(wù)平臺(tái)、節(jié)能云服務(wù)、環(huán)保云服務(wù)。管理云平臺(tái)的公共體系包括標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系、安全與保障體系、運(yùn)營與管理體系。標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系包括基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用支持標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)交互接口標(biāo)準(zhǔn)、信息安全標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等。安全與保障體系是平臺(tái)正常運(yùn)行的保證條件,主要包括安全策略和安全技術(shù)兩個(gè)方面。運(yùn)營與管理體系包括國家、省、市等分級結(jié)構(gòu),隨著應(yīng)用的增加,具有可擴(kuò)展性,同時(shí)建立高效、合理的運(yùn)行維護(hù)體系。

圖4　智能造紙工業(yè)管理云平臺(tái)信息資源層次框架

4智能造紙企業(yè)ERP、MES與PCS設(shè)計(jì)

產(chǎn)業(yè)信息化使造紙工業(yè)的競爭環(huán)境、發(fā)展模式以及活動(dòng)空間等發(fā)生了巨大的變化。信息化提高了生產(chǎn)要素的信息屬性,促使造紙工業(yè)競爭模式從自然資源和人力資源的競爭轉(zhuǎn)向創(chuàng)新能力和創(chuàng)造高附加值產(chǎn)品與服務(wù)的競爭；信息化使得知識(shí)的重要性凸顯,企業(yè)管理由金字塔結(jié)構(gòu)向扁平型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,經(jīng)營思想也從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)了各種先進(jìn)的制造模式[31-33]。在全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中,以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘?yàn)樘卣鞯摹盎ヂ?lián)網(wǎng)+”與各領(lǐng)域的融合發(fā)展已成為不可阻擋的時(shí)代潮流。加快推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+傳統(tǒng)造紙工業(yè)=智能造紙工業(yè)”的發(fā)展,重塑創(chuàng)新體系,激發(fā)資源共享、跨界融合、協(xié)同創(chuàng)新、互利共生發(fā)展模式,是工業(yè)4.0時(shí)代下造紙企業(yè)提質(zhì)、增效、升級,主動(dòng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)的明智選擇。制漿造紙企業(yè)群是智能造紙工業(yè)生態(tài)圈的核心組織成員,它的改革升級是智能造紙工業(yè)建設(shè)的重要內(nèi)容。造紙工業(yè)作為典型的流程工業(yè),信息化建設(shè)一般采用3層結(jié)構(gòu)[34]：①PCS層：基礎(chǔ)自動(dòng)化層,主要內(nèi)容包括先進(jìn)控制技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)、軟測量技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)處理技術(shù)、DCS、多總線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)、基于高速以太網(wǎng)和無線技術(shù)的現(xiàn)場控制設(shè)備、傳感器技術(shù)等。②MES層：生產(chǎn)過程運(yùn)行優(yōu)化層,主要內(nèi)容包括先進(jìn)建模與流程模擬技術(shù)、先進(jìn)計(jì)劃與調(diào)度技術(shù)、生產(chǎn)實(shí)時(shí)成本跟蹤技術(shù)、故障診斷與健康維護(hù)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、動(dòng)態(tài)質(zhì)量控制與管理技術(shù)、產(chǎn)品譜系追蹤技術(shù)等。③ERP層：企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化層,主要內(nèi)容包括企業(yè)資源管理、供應(yīng)鏈管理、客戶關(guān)系管理、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、設(shè)備資源管理、企業(yè)電子商務(wù)平臺(tái)等。三層結(jié)構(gòu)在功能劃分上雖有重疊,但各有側(cè)重,以生產(chǎn)設(shè)備管理為例,PCS層注重設(shè)備運(yùn)行控制,MES層注重設(shè)備運(yùn)行效率管理、故障診斷等,ERP層則注重設(shè)備維修計(jì)劃、備品備件、設(shè)備資產(chǎn)管理等。

工業(yè)4.0時(shí)代下,智能造紙企業(yè)信息化建設(shè)依舊采用ERP、MES和PCS三層結(jié)構(gòu),但也有所差別。融合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),其總體設(shè)計(jì)如圖5所示。PCS層在實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上更注重“智能制造”,應(yīng)用傳感器技術(shù)、RFID(Radio Frequency IDentification,無線射頻識(shí)別)技術(shù),嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù),使制造過程更智能化。MES層在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程運(yùn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上更注重“綠色制造”,數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、先進(jìn)建模與流程模擬技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步使得生產(chǎn)過程能耗動(dòng)態(tài)管理、污染物控制、產(chǎn)品質(zhì)量動(dòng)態(tài)控制、故障診斷與健康維護(hù)、產(chǎn)品譜系追蹤變得簡易可行,生產(chǎn)過程資源利用效率的提高、污染物嚴(yán)格控制使得生產(chǎn)過程更綠色。ERP層在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化的基礎(chǔ)上更注重“柔性制造”,互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)促使商業(yè)模式正朝“以用戶體驗(yàn)為核心,以社會(huì)實(shí)踐為舞臺(tái)”“以人為本”的方向發(fā)展,特別是C2B、O2O等創(chuàng)新模式和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),為適應(yīng)客戶的個(gè)性化需求,ERP層運(yùn)用大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘等互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)優(yōu)化經(jīng)營促使生產(chǎn)經(jīng)營更柔性。為了適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”模式“智能制造、綠色制造、柔性制造”的需求,智能造紙企業(yè)信息化建設(shè)不僅在三層結(jié)構(gòu)的配置上都有所側(cè)重,而且總體布局也有所調(diào)整。總體布局運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù),將功能模塊庫的建設(shè)布置在云端,功能模塊的開發(fā)與維護(hù)由一批高水平的專家、技術(shù)人員完成,企業(yè)只需花費(fèi)很少的費(fèi)用就可以使用這部分服務(wù),節(jié)約了大量開發(fā)和維護(hù)成本。對于整個(gè)智能造紙工業(yè)來說,這些功能是共享的,可以避免不同造紙企業(yè)對相同的功能模塊重復(fù)開發(fā),節(jié)約了社會(huì)成本。18個(gè)功能模塊分別為：財(cái)務(wù)管理、人力資源管理、供應(yīng)鏈管理、客戶關(guān)系管理、生產(chǎn)計(jì)劃管理、生產(chǎn)成本管理、質(zhì)量管理、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)過程監(jiān)控、設(shè)備效率管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、工藝優(yōu)化控制、產(chǎn)品譜系追蹤、維護(hù)管理、能源管理、統(tǒng)計(jì)與報(bào)表、污染管理、安全管理。這些功能模塊涵蓋了ERP、MES、PCS的所有需求,不同的企業(yè)可以根據(jù)自身不同需求個(gè)性化定制。

圖5　智能造紙企業(yè)ERP、MES和PCS設(shè)計(jì)

5問題與展望

互聯(lián)網(wǎng)在我國走過了20年的歷史,給我國帶來了翻天覆地的變化。“互聯(lián)網(wǎng)+傳統(tǒng)造紙工業(yè)=智能造紙工業(yè)”的春天已然到來,互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)造紙工業(yè)融合將為我國造紙工業(yè)帶來新變革。我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)下,利用“互聯(lián)網(wǎng)+”觸發(fā)造紙工業(yè)改變價(jià)值創(chuàng)造方式,最終使得造紙工業(yè)全面實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)化。造紙工業(yè)只要抓住機(jī)遇,下一個(gè)20年將是重獲新生的黃金機(jī)會(huì)。但是,目前智能造紙工業(yè)的實(shí)施還存在如下問題：①實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集是構(gòu)建智能造紙工業(yè)前端基礎(chǔ)部分,新增固定資產(chǎn)投資使得短期成本會(huì)有增加,因此要考慮如何減少成本；②智能造紙工業(yè)的實(shí)現(xiàn),必然會(huì)帶來管理流程的改變,所以要考慮管理流程梳理和系統(tǒng)實(shí)施同步推進(jìn)；③精益生產(chǎn)管理需要監(jiān)控生產(chǎn)過程并按價(jià)值鏈進(jìn)行分析優(yōu)化,數(shù)據(jù)的有效利用,即數(shù)據(jù)挖掘至關(guān)重要,很多企業(yè)的數(shù)據(jù)很大程度上還沒有利用起來,或者數(shù)據(jù)的質(zhì)量不高,不足以進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化；④安全和保密的問題,防止數(shù)據(jù)被濫用和未經(jīng)授權(quán)的訪問。

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(責(zé)任編輯：馬忻)

Research on the Construction and Key Technologies of Intelligent Pulp and Paper Industry

CHEN Xiao-binLI Ji-geng*

(StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,GuangZhou,GuangdongProvince, 510640) (*E-mail： jigengli@scut.edu.cn)

Abstract：Considering the three characters(capital intensive, technology intensive and energy intensive) of pulp and paper industry, a new development model was discussed in this study by utilizing the concepts of “Internet+” and “Industries 4.0”, the purpose was to explorie a reasonable approach to reform and upgrade pulp and paper industry to realize producing paper intelligently, environmentally-friendly and flexibly.

Key words：intelligent pulp and paper industry; industrie 4.0; industrial internet; internet+

中圖分類號(hào)：TS7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.03.011

*通信作者：李繼庚先生,E-mail：jigengli@scut.edu.cn。

收稿日期：2015- 09-11(修改稿)

作者簡介：陳曉彬先生，在讀博士研究生；主要研究方向：制漿造紙節(jié)能與優(yōu)化技術(shù)。