1、測試床名稱

工業互聯網大數據技術在空壓機節能上的應用

2、發起公司和主要聯系人聯系方式

深圳市匯川技術股份有限公司       謝振華          18689212809
華為技術有限公司                   殷宏              18665363625

3、合作公司

空壓機廠商：廣東艾高裝備公司
空壓機終端用戶：正元包裝公司

4、測試床目標和概述

空壓機的作用是通過壓縮空氣提供動能，其應用領域和實際用途都非常廣泛，是現代工業重要的生產設備。 據統計，目前空壓機全國存量約120+萬臺，每年增量達20+萬臺。
本測試床的項目目標是基于公有云，結合空壓機物聯網平臺的監控能力以及收集的大量數據，通過應用工業互聯網大數據分析，實現對空壓機運轉的合理控制，達到節能的目標。

5、測試床解決方案架構

5.1     測試床應用場景

空壓機能源浪費的主要場景：
1）空載運行時電能浪費嚴重
通常，空壓機系統設計或設備選型都是按照最大負荷條件進行的。但在實際使用中，用氣端負荷是變化的。有資料顯示，一般壓縮空氣系統的負荷率為60%～70%。中國空壓機設備負荷率為66%，即設備在其余34%的時間里以卸載方式運行。此時對于采用常規調節方式的螺桿空壓機而言，其功率消耗仍為滿載功率的20%～40%。卸載運行時的能耗為總能耗的9%～18%，能源浪費嚴重。

2）壓差損耗
空壓機的輸出壓力基本上是現場技術人員根據實際經驗進行設定，而且一旦設定，將較長時間不變化，直到生產設備用氣需求發生變化。一般說來，輸出壓力會大于實際使用所需的壓力。例如輸出壓力是8個大氣壓，而實際使用壓力只需輸出6個大氣壓。如果根據實際需求，將輸出壓力設定為6個大氣壓，將節省25%的電力。
3）其他能源損失情況
空壓機的效率，減少壓氣管道內的壓力損失和泄漏，節約壓氣的消耗量，提高壓縮機的工作可靠性，維持其高效運行與降低能耗具有十分重要的意義，是其主要發展方向。

5.2     測試床重點技術

應用物聯網技術，利用工業互聯網大數據分析，探索新的節能措施
通過大規模的數據采集，充分了解空壓機的運行規律，實時掌握空壓機的運行狀態，是本Testbed項目的基礎。
在獲取大量歷史數據的基礎上，對于空壓機的運行規律進行建模分析，通過統計學習發現用氣模式；對于空壓機進氣、排氣、輸氣、用氣進行全程監控，通過強化學習發現設定合理的排氣壓力以及對漏氣進行告警；對于空壓機各項運行參數（電機轉速、潤滑油溫、氣體的濕度等等）進行實時監控，通過深度學習技術發現關鍵能耗影響因素，進而根據用氣負載進行實時調整。
通過物聯網+工業互聯網大數據，對空壓機節能進行全面考察，給出系統性的解決方案，是本Testbed項目聚焦的方向。

5.3     技術先進性 

到目前為止，業界還沒有嘗試利用物聯網平臺，結合工業互聯網大數據技術，對空壓機節能技術進行全面系統的分析。本測試床項目，將在這方面做出開拓性的嘗試。除了上文提到的空載損耗和壓差損耗這兩個主要能耗因素，本項目還將探索空壓機站中多臺空壓機的協同控制以及空壓機工作參數的動態調整，以達到高效節能的目的。

5.4     測試床解決方案架構

驗證示范平臺的整體架構設計將在工業互聯網產業聯盟的指導下，由匯川技術和華為技術共同搭建完成。

解決方案架構如下圖所示：

6、預期成果

通過下面3個領域說明實施測試床的預期成果。

6.1     商業價值

空壓機節能Test bed項目的價值在于可以實現多贏：
1）  空壓機使用企業，即終端用戶：可以 減少電費支出，減少企業生產成本。
2）  空壓機生產企業：可以 提升產品競爭力，優化產品設計，主動接入空壓機物聯網。
3）  空壓機物聯網平臺（匯川）： 可以提供高價值服務，吸引更多空壓機接入，提升業務收入。
4）  公有云平臺（華為）： 可以大量消耗基礎服務資源，提供有粘性的大數據服務，增加收入。

6.2     經濟效益

項目直接經濟效益在于有效節省電費，直接降低空壓機使用企業的用氣成本。根據節能成本分析，以22kw的普通機組為例，一年運行8000小時，一年的電費是：12.76萬 = 22 * 8000 * 0.725。如果節能5%，1臺可節省約6千電費。全國按60萬臺計算，則總共可節約電費3.6億元。
項目目標是在現有節能方式的基礎上，期望通過工業互聯網大數據分析，探索5%的能效節省實現。

6.3     社會價值

空壓機能耗巨大，是出名的電老虎，我國每年有全國總耗電量的 6%用于生產壓縮空氣。在大多數工業企業中，壓縮空氣系統能耗約占企業總能耗的 10%～20%，在部分企業甚至超過 50%。
以上海市為例：對1000家年耗電量500萬kWh以上的重點工業用電企業調查，在用空壓機將近6000臺，涉及多種類型和大部分品牌。空壓機年用電達14.2億kWh，約占企業消耗總電能的12%，部分企業其至高達30%以上。
紡織行業空氣壓縮機系統的調查分析：空壓機系統五年的運行費用構成中，系統的初始設備投資及維護費用約占總費用的 23%，而電耗（電費）高達 77%。

空壓機節能技術一旦有突破性的進展，將有效的實現能源節省。

7、測試床技術可行性

項目節能方法探索思路：
1）  壓差損耗
通過強化學習，動態學習末端設備的實際運行狀態，模擬其工作過程中的實際壓力需求，從而為考慮其它前端能耗因素的前提下，動態設定空壓機的空壓值。
2）  空載損耗
通過統計學習技術，歸納空壓機負載運行的規律，當判斷空壓機將進入較長時間空轉運行的時候，主動設定空壓機進入休眠狀態，從而達到減少空載損耗的目的。
3）  單臺空壓機控制算法參數調整
通過深度學習，學習空壓機的工作效率與各種配置參數之間的關系，根據當前工作環境和用氣需求，實現參數值的動態調整。
4）  空壓機機組控制算法參數設定
利用優化技術學習不同空壓機之間的參數匹配與實際能效消耗的關系，選取最合理參數數組，優化空壓機機組之間并發工作效率。

7.1     物理平臺

本Testbed涉及的物理設備包括：
1）  傳感器組
2）  空壓機及自身控制系統
3）  IOT 網關（匯川智能硬件）
4）  數據回傳網絡（2G/3G/4G、WIFI等）
5）  運行匯川云（物聯網平臺）及華為云所需的計算服務器、存儲設備、網絡設備

7.2     軟件平臺

本Testbed涉及的軟件平臺包括：
1）匯川云：匯川技術開發的工業物聯網平臺。空壓機監控數據將接入匯川云。匯川云可以實現對空壓機的遠程控制。
2）華為云：匯川云將運行于華為云。作為公有云平臺，華為云除了提供IaaS和通用PaaS，更重要的是提供工業互聯網大數據分析平臺。以工業互聯網大數據分析服務為基礎，匯川和華為將聯合實現空壓機節能相關的數據建模和數據分析算法，對空壓機運行進行控制，完成空壓機節能的目標。

7.3     軟件開發和環境模擬

本Testbed項目的軟件開發工具將基于華為云的軟件開發云服務。環境模擬，將以匯川云收集的空壓機數據為基礎，利用華為云大數據服務實現建模和模擬。
 

8、和AII技術的關系

8.1     AII總體架構

驗證示范平臺的整體架構設計將在工業互聯網產業聯盟的指導下，由匯川技術和華為技術共同搭建完成。測試平臺將在過程框架的過程中提供反饋，以報告的形式分享經驗。

8.2     AII安全

驗證示范平臺將遵循工業互聯網產業聯盟提供的安全指導原則進行安全設計、實現和測試。將和AII安全組密切合作，邀請安全組成員參加驗證示范平臺項目評審。
本驗證示范平臺安全設計原則：
基本假設︰ 所有網絡系統會都受到內或外的攻擊。
本平臺中各系統可實現系統安全措施，以適用于存在的潛在安全風險。
1)     系統具備標準安全協議 (例如 SSL、 SSH，VPN 連接)，對系統的訪問總是進行身份驗證和，并與授權系統相關聯。
2)     設計中系統間通信包含敏感數據時通過標準安全協議確保安全
3)     系統設計原則是不留下任何未受保護或未使用的開放端口，并且在利用公有云的的防火墻規則，系統在 VPC 環境中部署。
4)     系統所有 API 執行身份驗證
5)     系統對安全憑據存儲加密
6)     各系統訪問可追溯，并進行敏感系統與多因素身份驗證。
7)     系統對敏感數據單獨加密 （包括隱私）
8)     系統對安全密鑰實施輪換政策
9)     網關采用數據加密交互。采用白名單指令設置。

8.3     詳細清單

空壓機設備自身不具備接入物聯網的能力，通過空壓機控制系統通過網關接入網絡，另外項目將考慮空壓機前端的入氣、空壓機將氣體輸送到執行機構的環境監測，涉及到傳感器的應用，需要做傳感器采集點。

8.4     安全聯系人

安全聯系人：謝振華           匯川工業互聯網產品線產品經理

8.5     與已存在AII測試床的關系

該測試床項目與之前已經審批的測試床無任何關聯。

9、交付件

測試床的交付件包括：
1）  項目計劃任務書
2）  解決方案設計書
3）  數據分析報告
4）  算法設計報告
5）  驗證報告
6）  測試床結題報告

10  測試床使用者

非發起方的平臺參與者可以使用驗證示范平臺的所有操作功能，但僅限于功能的操作使用，禁止泄露給同行業的第三方。

11  知識產權說明

項目合作過程中產生的全部開發成果及其知識產權，包括但不限于申請專利的權利、專利申請權、專利權、版權、商業秘密，均歸發起方共有；未經一方書面同意，另一方不可將本協議項目合作過程中產生的任何知識產權轉讓、許可給任何第三方。

12  部署，操作和訪問使用

空壓機節能工業互聯網大數據測試床項目組織構成如下：

參與各方的任務分工如下：
1)     匯川技術
        提供匯川云 及空壓機物聯網平臺；
        提供空壓機數據以及空壓機維護、節能的領域經驗 ；
        配合實現工業互聯網大數據建模和算法。
2)     華為技術
        華為公有云IaaS、通用PaaS以及大數據服務 ；
        提供基礎云計算環境，提供工業互聯網大數據建模和算法構建能力；
        配合算法在空壓機物聯網平臺的落地。
3)     空壓機廠商和終端用戶
        支持空壓機輸氣調節等專業經驗，例如，中間過程的合理能耗泄露比例；
        提供空壓機使用實際要求場景，例如，壓差，空載，控制算法參數調整，etc；
        確定末端設備正常運作的判斷標準，例如，末端設備壓力正常情況；
        配合實現參數數據獲取（加裝傳輸設備，etc）；
        配合工業互聯網大數據算法的實施，實現算法落地的參數數據調節。

13  資金

空壓機節能工業互聯網大數據測試床項目所需資金由參加者提供。

14  時間軸

項目周期為半年，預期的關鍵時間節點、任務和輸出件如下：