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文章來源于《中國鋼鐵工業協會》

 

一、項目名稱

《南鋼全要素資源優(you)化與智(zhi)慧(hui)運營(ying)核心(xin)關鍵技術(shu)創新》

二、研究(jiu)的(de)背景與(yu)問題(ti)

鋼鐵(tie)行業結(jie)構(gou)調整(zheng)周期明顯，尤其在下行周期中，運(yun)用數字化技術實現(xian)(xian)(xian)鋼鐵(tie)全要素(su)資源優(you)化，促進(jin)鋼鐵(tie)產(chan)業鏈競爭力(li)提升，綠(lv)色可持續發展已成為關鍵。習近平總書記強(qiang)調，以(yi)中國式現(xian)(xian)(xian)代化全面推進(jin)強(qiang)國建設、民(min)族復興偉業，實現(xian)(xian)(xian)新型工業化是關鍵任務。國家部委也多次發文，明確在制造端、運(yun)營(ying)端、產(chan)業鏈端實現(xian)(xian)(xian)智(zhi)能優(you)化是企(qi)業發展方(fang)向(xiang)。因而，鋼鐵(tie)企(qi)業全要素(su)資源優(you)化與(yu)智(zhi)慧運(yun)營(ying)是實現(xian)(xian)(xian)鋼鐵(tie)強(qiang)國迫切(qie)需要解(jie)決的重大問題。

在鋼鐵行(xing)業(ye)的(de)數字化轉型中，國內(nei)外鋼鐵企業(ye)做了(le)大(da)量的(de)開拓性工作，但仍然存在如(ru)下共性難題，如(ru)圖1所(suo)示(shi)。

1.在數據(ju)(ju)基礎層面，鋼鐵企業(ye)流程(cheng)(cheng)長，數據(ju)(ju)多維高頻、非(fei)結構化、強業(ye)務性(xing)、強耦合(he)性(xing)等特點(dian)導致(zhi)數據(ju)(ju)治理難(nan)、使用(yong)難(nan)，面向全價值(zhi)鏈(lian)的(de)數據(ju)(ju)空間(jian)建設和數字孿生技術建模(mo)難(nan)，為此(ci)如何實現(xian)業(ye)務全流程(cheng)(cheng)的(de)數據(ju)(ju)獲取、信(xin)息集成，并(bing)實現(xian)數據(ju)(ju)建模(mo)與應用(yong)是(shi)本項目需(xu)要解(jie)決的(de)第一(yi)個技術難(nan)題。

2.在生產(chan)制(zhi)造層(ceng)面，鋼鐵(tie)生產(chan)過程(cheng)控制(zhi)分層(ceng)架構解決(jue)(jue)自(zi)動(dong)化(hua)、信息(xi)化(hua)部(bu)分難題，但無法避(bi)免“穩(wen)態(tai)假設(she)”，工藝復雜多變、特鋼產(chan)品(pin)定制(zhi)化(hua)要(yao)求、準時(shi)交付要(yao)求、感(gan)知薄弱、邊界條件不(bu)確定等導致(zhi)難以破解生產(chan)黑(hei)箱，高質量低成本(ben)生產(chan)難度大。為此如何實現(xian)精準信息(xi)感(gan)知并根據問題實現(xian)動(dong)態(tai)優化(hua)調控和一體化(hua)管(guan)控是本(ben)項目需要(yao)解決(jue)(jue)的第二個技術(shu)難題。

3.在運(yun)(yun)營管理層面，運(yun)(yun)營過程因涉及(ji)的系統(tong)多(duo)(duo)、維度廣(guang)，數據集成度不(bu)高，企業自身風險(xian)管控能力(li)薄弱，同時流程計劃(hua)的不(bu)確(que)定性、原料采購價格和(he)市場多(duo)(duo)變需(xu)求給運(yun)(yun)營管理帶來決策難題(ti)。為此如何針(zhen)對多(duo)(duo)維度風險(xian)點、多(duo)(duo)環節不(bu)確(que)定性及(ji)多(duo)(duo)變需(xu)求構建敏(min)捷運(yun)(yun)營是本(ben)項(xiang)目(mu)需(xu)要(yao)解決的第三個技術難題(ti)。

4.在產(chan)業(ye)鏈層(ceng)面(mian)，長期存在數據信任成(cheng)本高、流通環節多、管理和技術差異(yi)大、合(he)作協(xie)同(tong)壁壘多、平(ping)衡調度難、產(chan)業(ye)鏈協(xie)同(tong)效率低(di)等(deng)問題(ti)(ti)。為(wei)此(ci)如何(he)構建需求驅(qu)動的(de)可信、協(xie)同(tong)、共贏的(de)產(chan)業(ye)鏈，打造智慧生態圈(quan)是本項(xiang)目需要解決的(de)第四個技術難題(ti)(ti)。

圖1 鋼鐵企業(ye)全要素資源優化與智慧運(yun)營的主要難(nan)點

針(zhen)對以上難(nan)題，南京鋼鐵聯合北京科(ke)技(ji)大學、東(dong)北大學、東(dong)南大學等(deng)知(zhi)名(ming)高(gao)校，江(jiang)南造船、外高(gao)橋造船等(deng)行業龍(long)頭(tou)，以及金恒科(ke)技(ji)、賽迪信息(xi)、鑫智(zhi)(zhi)鏈等(deng)科(ke)技(ji)公司共同開展《南鋼全(quan)要(yao)素資(zi)源優化與智(zhi)(zhi)慧運(yun)營核心關(guan)鍵技(ji)術創新》項目(mu)攻關(guan)。

三(san)、技術路線與創新點

在深入(ru)分(fen)析行業(ye)(ye)(ye)共性(xing)需求(qiu)和研究(jiu)難點的(de)(de)基礎上(shang)，本課題對(dui)(dui)通過(guo)運用(yong)(yong)數(shu)(shu)(shu)字(zi)化(hua)(hua)技術(shu)對(dui)(dui)制造端、運營端、產業(ye)(ye)(ye)鏈全(quan)(quan)對(dui)(dui)象(xiang)進行數(shu)(shu)(shu)字(zi)化(hua)(hua)描(miao)述(shu)，實(shi)現(xian)全(quan)(quan)業(ye)(ye)(ye)務(wu)領域、全(quan)(quan)業(ye)(ye)(ye)務(wu)對(dui)(dui)象(xiang)的(de)(de)描(miao)述(shu)，包括一個(ge)對(dui)(dui)象(xiang)的(de)(de)屬性(xing)，也(ye)包括具體的(de)(de)業(ye)(ye)(ye)務(wu)規則和操作描(miao)述(shu)等，從(cong)而能(neng)夠具備使用(yong)(yong)數(shu)(shu)(shu)字(zi)化(hua)(hua)描(miao)述(shu)形成物(wu)理(li)世界的(de)(de)數(shu)(shu)(shu)字(zi)孿生，通過(guo)全(quan)(quan)場景(jing)全(quan)(quan)業(ye)(ye)(ye)務(wu)動(dong)態(tai)多(duo)維多(duo)時空(kong)尺度(du)數(shu)(shu)(shu)字(zi)孿生模型，從(cong)而實(shi)現(xian)以(yi)虛映(ying)實(shi)、以(yi)虛方式、以(yi)虛預實(shi)和以(yi)虛控實(shi)，達到全(quan)(quan)要(yao)(yao)素資源(yuan)優化(hua)(hua)與智(zhi)慧化(hua)(hua)運營的(de)(de)極(ji)致(zhi)競爭能(neng)力的(de)(de)打造，形成了鋼(gang)鐵企業(ye)(ye)(ye)全(quan)(quan)要(yao)(yao)素資源(yuan)優化(hua)(hua)與智(zhi)慧運營核心關鍵技術(shu)創新(xin)(xin)的(de)(de)攻關技術(shu)路線。實(shi)現(xian)橫向到邊、縱(zong)向到底的(de)(de)多(duo)專(zhuan)業(ye)(ye)(ye)、多(duo)領域高(gao)效(xiao)協同、輔助(zhu)決策，鏈接產業(ye)(ye)(ye)鏈上(shang)下(xia)游企業(ye)(ye)(ye)，實(shi)現(xian)企業(ye)(ye)(ye)間數(shu)(shu)(shu)據流的(de)(de)融會貫通，并形成主要(yao)(yao)創新(xin)(xin)如下(xia)，如圖2所示。

圖2 項目技術路線和研(yan)究(jiu)內容(rong)

1.項目提出基于“感聯知控”工業互聯體系架構+數據集成與治理+數字孿生的技術思路，實現數據采得全、看的透、用的準、管的好。形成了基于工業互聯網平臺的鋼鐵企業全域數據集成、面向鋼鐵企業全價值鏈的數據管理體系與數據治理、面向實時交互和預演機制的全業務數字孿生構建三項關鍵技術。項目基于BASIC2工業互聯網體系架構，開發了云端融合的FSI2-IoT平臺，通過構建工廠服務引擎，將分散在各級控制系統、多業務系統中的數據按照訂單要求、各工序段的工藝軋制標準、過程控制數據、自動化控制數據、檢化驗數據等進行融合組織，建立多模態數據模型，提供高質量全景數據空間；基于行業首創中厚板全流程鋼板跟蹤技術，結合批流一體的湖倉一體化技術實現全流程數據匯聚、將鋼鐵制造全域全價值鏈數據打通，實現全域價值鏈的數據治理和工藝、操控專家知識數字化；構建了行業首個覆蓋業務最廣“智造+經營+生態”集群式一體化智慧運營中心，形成全要素優化的一體化管控與智慧運營能力，在行業里首次開發全場景全業務動態多維多時空尺度數字孿生技術，特別是在生產、能源、設備、環境、安全、經營、產業鏈生態等領域全覆蓋，形成了原料集群、鐵鋼集群、軋鋼集群、成品集群、生態集群等8大集群，項目構建了行業首個基于云渲染技術、跨多種瀏覽設備和渲染計算資源共享的數字孿生平臺，實現平均幀率≥35幀，延時小于200ms。

2.項目提出基于復雜工況動態感知+一體化集群管控+關鍵生產過程推優技術的技術思路，實現高效、高質量生產，破解過程黑箱，提升生產過程穩定性與一致性。形成了生產全過程復雜狀態下全場景動態感知、基于數字孿生的多制造單元一體化集群管控、柔性制造下全流程關鍵生產過程推優三項關鍵技術。開發全場景過程狀態感知技術，破解檢測、設備、運行三大領域感知難題，實現智能金相、相控陣無損探傷等多項技術行業首發。基于全面感知和多工序智能化模型，實現鐵-鋼-軋多制造單元一體化集群管控技術和關鍵過程推優，通過數字孿生技術與關鍵過程推優技術融合，實現基于機理和數據混合驅動的多制造單元一體化集群管控技術突破，在重點工序突破過程黑箱，改變了現有的數字孿生技術多以監控和預警為主，決策靠人工經驗的問題。本項目在高爐，轉爐，軋線等重點工序、重點設備，形成了以數據為驅動，實體建模、虛擬建模，實時映射和動態推演為技術支撐的多區域交換與預演。如：高爐數字孿生系統，可實現高爐身鏡像，動態跟布料變化預測，為高爐布料調整提供實時動態建議；軋制過程數字孿生技術，可實現軋制強耦合黑箱現象的高保真高時效呈現，完成鋼材屈服強度、性能的組織變化孿生推演等，形成數字孿生推演16類。實現煉鐵年平均燃料比下降7.3%，鐵水產量預測誤差小于2.1%，減少敞口罐運輸過程溫降20.3℃，降低冶煉周期平均3.3分鐘/爐，首次實現中厚板一鍵輥期、余坯余材自動替代，滿足船板、鎳系鋼等多品種小批量生產，在滿足客戶訂單多元化的個性需求的前提下，成材率提升0.5%。

3.項目提出基于外部市場預測+內部風險識別+研產銷協同機制的技術思路，將內外部的風險進行準確的識別和預判，實現企業敏捷高質量運營。運用標識解析技術、區塊鏈技術、深度學習技術等，與外部100余個市場相關數據源融合，實現了采購風險識別及市場精準預測與動態管控、審計/風控精準預測與動態管控、客戶需求為導向的研發流程管理與研產銷協同三項關鍵技術突破。基于上述技術破解市場環境不確定性、內部多維風險、客戶需求多變給企業經營帶來的決策難題。確立確立6大品種的市場研判體系，梳理影響因子超過1500余項，建立采購、庫存方面70余個風險控制點，價格預測準確率螺紋鋼88.1%、中厚板89.4%。開發招標、銷售、工藝、工程監督模型201個，行業內首次實現“事前、事中、事后”為一體的智慧大監督體系，充分發揮監督管理的建設性和預防性作用。打造研產銷一體化的研發協同管控平臺，貫通研發、質量、生產、銷售之間的數據鏈和價值鏈，構建涵蓋“組織性能預報”“工藝仿真”的數字化研發系統，基于知識圖譜技術的研發知識管理系統。實現研發流程線上管控100%，一次性能合格率提升0.5%~1.0%，9Ni鋼的迭代產品、止裂鋼等研發周期縮短50%以上，每種重點品種降低實驗成本與試制損失約200萬元以上。

4.項目提出基于鏈上可信+“JIT+C2M”服務+產業互聯平臺的技術思路，打造面向協同制造的全過程產業鏈智能決策技術，以提升整體產業鏈效能。形成了基于區塊鏈的產業鏈可信運行、面向JIT+C2M的智能制造新模式、C端生態建設與產業互聯平臺構建三項關鍵技術，研發了訂單與計劃協同、生產與質量協同、倉儲與發運協同、物流與服務協同系統，實現了產業鏈相關數據要素的融合協同，從要素驅動向創新驅動的根本轉變，推動效率革命持續提升。實現招投標項目智能無人招標占比85.3%；上鏈客戶產品驗收復檢及抽檢頻次降低，直至免檢，客戶鋼材質量檢驗成本減少30.5%；實現產業鏈互信及客戶精確需求、精確制造、精確配送的定制服務模式，平均交付周期縮短30%以上，合同兌現率提升至94.9%，客戶滿意度從82.8%提升至91.2%，C端客戶減少常備庫存86%。

四、主要創新性(xing)成(cheng)果及指標

南(nan)鋼秉持“一切(qie)業(ye)務數(shu)(shu)字(zi)化、一切(qie)數(shu)(shu)字(zi)業(ye)務化”的頂(ding)層(ceng)戰(zhan)略，通過數(shu)(shu)智(zhi)化手段將精益生(sheng)產、敏捷運(yun)營、協同生(sheng)態緊(jin)密(mi)鏈接，實(shi)現(xian)鋼鐵企業(ye)全要素(su)資源優化與智(zhi)慧運(yun)營，如圖3所示。

圖3 南鋼智慧運(yun)營中心

項(xiang)(xiang)目(mu)成(cheng)果(guo)在南(nan)(nan)鋼(gang)(gang)實(shi)現整體(ti)應(ying)(ying)用，生產制(zhi)造運營全流程崗位優化12%以(yi)上，噸鋼(gang)(gang)質(zhi)量成(cheng)本從27.2元下降至(zhi)14.5元，大宗原燃料采購年降本1.5%。項(xiang)(xiang)目(mu)支撐了南(nan)(nan)鋼(gang)(gang)船板在“愛達(da)·魔都(dou)號”整船應(ying)(ying)用，實(shi)現國內大型郵輪建造領域零的突(tu)破，攜手(shou)客戶摘取(qu)(qu)造船業“皇冠上最后一顆明珠”。運用多(duo)項(xiang)(xiang)關鍵技術，解決鎳系鋼(gang)(gang)在冶煉、軋(ya)制(zhi)、成(cheng)本控(kong)制(zhi)上的難點。截至(zhi)2023年，累(lei)計交付超(chao)過(guo)30萬噸，用于全球最大的27萬m3的LNG儲罐(guan)和9.9萬m3的乙烷船等(deng)建造。南(nan)(nan)鋼(gang)(gang)抗酸(suan)管線鋼(gang)(gang)取(qu)(qu)得國內首家(jia)沙(sha)特阿美供貨資(zi)質(zhi)，作(zuo)為國內唯一穩定供貨商，已累(lei)計供貨35萬噸。

本項(xiang)目是南(nan)鋼十(shi)(shi)三五至十(shi)(shi)四五中(zhong)期數(shu)字(zi)化成果(guo)的體(ti)(ti)現(xian)，助力南(nan)鋼在整(zheng)體(ti)(ti)經營績效(xiao)方面抵御全行業寒冬，實現(xian)逆勢盈利(li)，本項(xiang)目可每年增益(yi)6~7億元。2024年1~5月(yue)份，在全行業虧損面超(chao)50%的情況下，南(nan)鋼運(yun)用(yong)多項(xiang)數(shu)字(zi)化成果(guo)，保持每月(yue)利(li)潤2億元。

本(ben)項目核心(xin)技術研發(fa)以及實施過程中(zhong)，共申(shen)請(qing)國家發(fa)明專(zhuan)利41件(jian)(jian)，已(yi)獲(huo)得授權發(fa)明專(zhuan)利31件(jian)(jian)，PCT國際(ji)專(zhuan)利申(shen)請(qing)2件(jian)(jian)，發(fa)表的(de)相關論文18篇，共申(shen)請(qing)軟(ruan)件(jian)(jian)著作(zuo)權25項，主(zhu)持(chi)和參與制定國家標準(zhun)(zhun)、行業標準(zhun)(zhun)、團體標準(zhun)(zhun)7項。

五(wu)、推廣情況與效果

南鋼全要素(su)資源優(you)化(hua)與智慧運(yun)營核心關鍵技(ji)(ji)術(shu)(shu)創新(xin)，通過建(jian)設(she)強化(hua)生(sheng)產、運(yun)營與生(sheng)態(tai)的鏈(lian)(lian)接，協同(tong)生(sheng)態(tai)相關方以數字技(ji)(ji)術(shu)(shu)為(wei)支撐共同(tong)創造價值增量，實現供應商、客戶、伙伴(ban)、南鋼的多方共贏，激發(fa)整個產業鏈(lian)(lian)的活力。

本項(xiang)目從設計開始，以(yi)問題驅動為導向(xiang)，針對(dui)鋼(gang)鐵(tie)企業(ye)在生(sheng)產(chan)(chan)、運營、產(chan)(chan)業(ye)鏈方面長(chang)期(qi)存在的運營成本高、生(sheng)產(chan)(chan)效率(lv)低(di)、產(chan)(chan)品不良率(lv)高、能源利用(yong)率(lv)低(di)、產(chan)(chan)業(ye)鏈協同不足等突(tu)出問題，通過(guo)工業(ye)互聯網(wang)與數字治理雙(shuang)輪驅動，借助(zhu)精準感知、工藝模型、智(zhi)能算(suan)法、智(zhi)能應用(yong)等手段(duan)，突(tu)破多項(xiang)核心技術，項(xiang)目的成功實施給國內眾(zhong)多鋼(gang)鐵(tie)企業(ye)進行整體智(zhi)能化升(sheng)級(ji)提供了借鑒(jian)思(si)路，引(yin)領行業(ye)智(zhi)能化進程。

1.在行業推廣：本項目相關的研發成果已向新余鋼鐵、凌源鋼鐵、浙江元立等9家企業進行推廣實施。不僅幫助其他企業提升了數字化、智能化水平，還顯著優化了運營效率，降低了生產成本并確保了生產進程的實時跟蹤與關鍵安全風險的動態預警。

2.示范效果顯著：本項目相關成果已累計接待了超過2200+批次的參訪交流團，這些團隊來自客戶、高校、同行及供應鏈伙伴等，這些深度交流活動成為了知識與技術流通的催化劑，有力加速了整個行業的數字化步伐，樹立了南鋼數字化轉型新樣本。

3.服務于社會：南鋼積極響應省工信廳號召，目前已組織相關培訓活動達2361人/次，為行業培養了大量具備數字化轉型意識和技能的人才，成為行業乃至跨行業企業發展新質生產力的樣板示范。此外，南鋼還為江蘇乃至全國200余家中小企業提供免費的“智改數轉網聯”專業咨詢與診斷服務，助力其轉型升級。在此基礎上，也為江蘇省工信廳提供《“十五五”時期江蘇新型工業化路徑研究》子課題《人工智能賦能新型工業化研究》咨詢服務，并深度參與《江蘇省鋼鐵企業智能化改造和數字化轉型實施指南》、《工業電子商務白皮書》等12項重要文件的編制工作，為政策制定與行業規范貢獻智慧。