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2024冶金科學(xué)技術(shù)獎特等獎 | 南鋼：全要素資源優(yōu)化與智慧運營核心關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新
發(fā)布時間：2024/8/24 發(fā)布者：jy 點擊次數(shù)：1355
文章來源于《中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會》
一、項目名稱
《南鋼全要素資源優(yōu)化與智慧運營核心關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新》
二、研究的背景與問題
鋼鐵行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整周期明顯，尤其在下行周期中，運用數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)鋼鐵全要素資源優(yōu)化，促進(jìn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈競爭力提升，綠色可持續(xù)發(fā)展已成為關(guān)鍵。習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，以中國式現(xiàn)代化全面推進(jìn)強(qiáng)國建設(shè)、民族復(fù)興偉業(yè)，實現(xiàn)新型工業(yè)化是關(guān)鍵任務(wù)。國家部委也多次發(fā)文，明確在制造端、運營端、產(chǎn)業(yè)鏈端實現(xiàn)智能優(yōu)化是企業(yè)發(fā)展方向。因而，鋼鐵企業(yè)全要素資源優(yōu)化與智慧運營是實現(xiàn)鋼鐵強(qiáng)國迫切需要解決的重大問題。
在鋼鐵行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型中，國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)做了大量的開拓性工作，但仍然存在如下共性難題，如圖1所示。
1.在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)層面，鋼鐵企業(yè)流程長，數(shù)據(jù)多維高頻、非結(jié)構(gòu)化、強(qiáng)業(yè)務(wù)性、強(qiáng)耦合性等特點導(dǎo)致數(shù)據(jù)治理難、使用難，面向全價值鏈的數(shù)據(jù)空間建設(shè)和數(shù)字孿生技術(shù)建模難，為此如何實現(xiàn)業(yè)務(wù)全流程的數(shù)據(jù)獲取、信息集成，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)建模與應(yīng)用是本項目需要解決的第一個技術(shù)難題。
2.在生產(chǎn)制造層面，鋼鐵生產(chǎn)過程控制分層架構(gòu)解決自動化、信息化部分難題，但無法避免“穩(wěn)態(tài)假設(shè)”，工藝復(fù)雜多變、特鋼產(chǎn)品定制化要求、準(zhǔn)時交付要求、感知薄弱、邊界條件不確定等導(dǎo)致難以破解生產(chǎn)黑箱，高質(zhì)量低成本生產(chǎn)難度大。為此如何實現(xiàn)精準(zhǔn)信息感知并根據(jù)問題實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化調(diào)控和一體化管控是本項目需要解決的第二個技術(shù)難題。
3.在運營管理層面，運營過程因涉及的系統(tǒng)多、維度廣，數(shù)據(jù)集成度不高，企業(yè)自身風(fēng)險管控能力薄弱，同時流程計劃的不確定性、原料采購價格和市場多變需求給運營管理帶來決策難題。為此如何針對多維度風(fēng)險點、多環(huán)節(jié)不確定性及多變需求構(gòu)建敏捷運營是本項目需要解決的第三個技術(shù)難題。
4.在產(chǎn)業(yè)鏈層面，長期存在數(shù)據(jù)信任成本高、流通環(huán)節(jié)多、管理和技術(shù)差異大、合作協(xié)同壁壘多、平衡調(diào)度難、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同效率低等問題。為此如何構(gòu)建需求驅(qū)動的可信、協(xié)同、共贏的產(chǎn)業(yè)鏈，打造智慧生態(tài)圈是本項目需要解決的第四個技術(shù)難題。
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圖1 鋼鐵企業(yè)全要素資源優(yōu)化與智慧運營的主要難點
針對以上難題，南京鋼鐵聯(lián)合北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、東南大學(xué)等知名高校，江南造船、外高橋造船等行業(yè)龍頭，以及金恒科技、賽迪信息、鑫智鏈等科技公司共同開展《南鋼全要素資源優(yōu)化與智慧運營核心關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新》項目攻關(guān)。
三、技術(shù)路線與創(chuàng)新點
在深入分析行業(yè)共性需求和研究難點的基礎(chǔ)上，本課題對通過運用數(shù)字化技術(shù)對制造端、運營端、產(chǎn)業(yè)鏈全對象進(jìn)行數(shù)字化描述，實現(xiàn)全業(yè)務(wù)領(lǐng)域、全業(yè)務(wù)對象的描述，包括一個對象的屬性，也包括具體的業(yè)務(wù)規(guī)則和操作描述等，從而能夠具備使用數(shù)字化描述形成物理世界的數(shù)字孿生，通過全場景全業(yè)務(wù)動態(tài)多維多時空尺度數(shù)字孿生模型，從而實現(xiàn)以虛映實、以虛方式、以虛預(yù)實和以虛控實，達(dá)到全要素資源優(yōu)化與智慧化運營的極致競爭能力的打造，形成了鋼鐵企業(yè)全要素資源優(yōu)化與智慧運營核心關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新的攻關(guān)技術(shù)路線。實現(xiàn)橫向到邊、縱向到底的多專業(yè)、多領(lǐng)域高效協(xié)同、輔助決策，鏈接產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)，實現(xiàn)企業(yè)間數(shù)據(jù)流的融會貫通，并形成主要創(chuàng)新如下，如圖2所示。
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圖2 項目技術(shù)路線和研究內(nèi)容
1.項目提出基于“感聯(lián)知控”工業(yè)互聯(lián)體系架構(gòu)+數(shù)據(jù)集成與治理+數(shù)字孿生的技術(shù)思路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采得全、看的透、用的準(zhǔn)、管的好。形成了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的鋼鐵企業(yè)全域數(shù)據(jù)集成、面向鋼鐵企業(yè)全價值鏈的數(shù)據(jù)管理體系與數(shù)據(jù)治理、面向?qū)崟r交互和預(yù)演機(jī)制的全業(yè)務(wù)數(shù)字孿生構(gòu)建三項關(guān)鍵技術(shù)。項目基于BASIC2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，開發(fā)了云端融合的FSI2-IoT平臺，通過構(gòu)建工廠服務(wù)引擎，將分散在各級控制系統(tǒng)、多業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)按照訂單要求、各工序段的工藝軋制標(biāo)準(zhǔn)、過程控制數(shù)據(jù)、自動化控制數(shù)據(jù)、檢化驗數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合組織，建立多模態(tài)數(shù)據(jù)模型，提供高質(zhì)量全景數(shù)據(jù)空間；基于行業(yè)首創(chuàng)中厚板全流程鋼板跟蹤技術(shù)，結(jié)合批流一體的湖倉一體化技術(shù)實現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)匯聚、將鋼鐵制造全域全價值鏈數(shù)據(jù)打通，實現(xiàn)全域價值鏈的數(shù)據(jù)治理和工藝、操控專家知識數(shù)字化；構(gòu)建了行業(yè)首個覆蓋業(yè)務(wù)最廣“智造+經(jīng)營+生態(tài)”集群式一體化智慧運營中心，形成全要素優(yōu)化的一體化管控與智慧運營能力，在行業(yè)里首次開發(fā)全場景全業(yè)務(wù)動態(tài)多維多時空尺度數(shù)字孿生技術(shù)，特別是在生產(chǎn)、能源、設(shè)備、環(huán)境、安全、經(jīng)營、產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)等領(lǐng)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(tài)集群等8大集群，項目構(gòu)建了行業(yè)首個基于云渲染技術(shù)、跨多種瀏覽設(shè)備和渲染計算資源共享的數(shù)字孿生平臺，實現(xiàn)平均幀率≥35幀，延時小于200ms。
2.項目提出基于復(fù)雜工況動態(tài)感知+一體化集群管控+關(guān)鍵生產(chǎn)過程推優(yōu)技術(shù)的技術(shù)思路，實現(xiàn)高效、高質(zhì)量生產(chǎn)，破解過程黑箱，提升生產(chǎn)過程穩(wěn)定性與一致性。形成了生產(chǎn)全過程復(fù)雜狀態(tài)下全場景動態(tài)感知、基于數(shù)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(guān)鍵生產(chǎn)過程推優(yōu)三項關(guān)鍵技術(shù)。開發(fā)全場景過程狀態(tài)感知技術(shù)，破解檢測、設(shè)備、運行三大領(lǐng)域感知難題，實現(xiàn)智能金相、相控陣無損探傷等多項技術(shù)行業(yè)首發(fā)?；谌娓兄投喙ば蛑悄芑Ｐ?，實現(xiàn)鐵-鋼-軋多制造單元一體化集群管控技術(shù)和關(guān)鍵過程推優(yōu)，通過數(shù)字孿生技術(shù)與關(guān)鍵過程推優(yōu)技術(shù)融合，實現(xiàn)基于機(jī)理和數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的多制造單元一體化集群管控技術(shù)突破，在重點工序突破過程黑箱，改變了現(xiàn)有的數(shù)字孿生技術(shù)多以監(jiān)控和預(yù)警為主，決策靠人工經(jīng)驗的問題。本項目在高爐，轉(zhuǎn)爐，軋線等重點工序、重點設(shè)備，形成了以數(shù)據(jù)為驅(qū)動，實體建模、虛擬建模，實時映射和動態(tài)推演為技術(shù)支撐的多區(qū)域交換與預(yù)演。如：高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)，可實現(xiàn)高爐身鏡像，動態(tài)跟布料變化預(yù)測，為高爐布料調(diào)整提供實時動態(tài)建議；軋制過程數(shù)字孿生技術(shù)，可實現(xiàn)軋制強(qiáng)耦合黑箱現(xiàn)象的高保真高時效呈現(xiàn)，完成鋼材屈服強(qiáng)度、性能的組織變化孿生推演等，形成數(shù)字孿生推演16類。實現(xiàn)煉鐵年平均燃料比下降7.3%，鐵水產(chǎn)量預(yù)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(xiàn)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(chǎn)，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(yù)測+內(nèi)部風(fēng)險識別+研產(chǎn)銷協(xié)同機(jī)制的技術(shù)思路，將內(nèi)外部的風(fēng)險進(jìn)行準(zhǔn)確的識別和預(yù)判，實現(xiàn)企業(yè)敏捷高質(zhì)量運營。運用標(biāo)識解析技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)等，與外部100余個市場相關(guān)數(shù)據(jù)源融合，實現(xiàn)了采購風(fēng)險識別及市場精準(zhǔn)預(yù)測與動態(tài)管控、審計/風(fēng)控精準(zhǔn)預(yù)測與動態(tài)管控、客戶需求為導(dǎo)向的研發(fā)流程管理與研產(chǎn)銷協(xié)同三項關(guān)鍵技術(shù)突破。基于上述技術(shù)破解市場環(huán)境不確定性、內(nèi)部多維風(fēng)險、客戶需求多變給企業(yè)經(jīng)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(fēng)險控制點，價格預(yù)測準(zhǔn)確率螺紋鋼88.1%、中厚板89.4%。開發(fā)招標(biāo)、銷售、工藝、工程監(jiān)督模型201個，行業(yè)內(nèi)首次實現(xiàn)“事前、事中、事后”為一體的智慧大監(jiān)督體系，充分發(fā)揮監(jiān)督管理的建設(shè)性和預(yù)防性作用。打造研產(chǎn)銷一體化的研發(fā)協(xié)同管控平臺，貫通研發(fā)、質(zhì)量、生產(chǎn)、銷售之間的數(shù)據(jù)鏈和價值鏈，構(gòu)建涵蓋“組織性能預(yù)報”“工藝仿真”的數(shù)字化研發(fā)系統(tǒng)，基于知識圖譜技術(shù)的研發(fā)知識管理系統(tǒng)。實現(xiàn)研發(fā)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(chǎn)品、止裂鋼等研發(fā)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(wù)+產(chǎn)業(yè)互聯(lián)平臺的技術(shù)思路，打造面向協(xié)同制造的全過程產(chǎn)業(yè)鏈智能決策技術(shù)，以提升整體產(chǎn)業(yè)鏈效能。形成了基于區(qū)塊鏈的產(chǎn)業(yè)鏈可信運行、面向JIT+C2M的智能制造新模式、C端生態(tài)建設(shè)與產(chǎn)業(yè)互聯(lián)平臺構(gòu)建三項關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了訂單與計劃協(xié)同、生產(chǎn)與質(zhì)量協(xié)同、倉儲與發(fā)運協(xié)同、物流與服務(wù)協(xié)同系統(tǒng)，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)數(shù)據(jù)要素的融合協(xié)同，從要素驅(qū)動向創(chuàng)新驅(qū)動的根本轉(zhuǎn)變，推動效率革命持續(xù)提升。實現(xiàn)招投標(biāo)項目智能無人招標(biāo)占比85.3%；上鏈客戶產(chǎn)品驗收復(fù)檢及抽檢頻次降低，直至免檢，客戶鋼材質(zhì)量檢驗成本減少30.5%；實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈互信及客戶精確需求、精確制造、精確配送的定制服務(wù)模式，平均交付周期縮短30%以上，合同兌現(xiàn)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(chuàng)新性成果及指標(biāo)
南鋼秉持“一切業(yè)務(wù)數(shù)字化、一切數(shù)字業(yè)務(wù)化”的頂層戰(zhàn)略，通過數(shù)智化手段將精益生產(chǎn)、敏捷運營、協(xié)同生態(tài)緊密鏈接，實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)全要素資源優(yōu)化與智慧運營，如圖3所示。
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圖3 南鋼智慧運營中心
項目成果在南鋼實現(xiàn)整體應(yīng)用，生產(chǎn)制造運營全流程崗位優(yōu)化12%以上，噸鋼質(zhì)量成本從27.2元下降至14.5元，大宗原燃料采購年降本1.5%。項目支撐了南鋼船板在“愛達(dá)·魔都號”整船應(yīng)用，實現(xiàn)國內(nèi)大型郵輪建造領(lǐng)域零的突破，攜手客戶摘取造船業(yè)“皇冠上最后一顆明珠”。運用多項關(guān)鍵技術(shù)，解決鎳系鋼在冶煉、軋制、成本控制上的難點。截至2023年，累計交付超過30萬噸，用于全球最大的27萬m3的LNG儲罐和9.9萬m3的乙烷船等建造。南鋼抗酸管線鋼取得國內(nèi)首家沙特阿美供貨資質(zhì)，作為國內(nèi)唯一穩(wěn)定供貨商，已累計供貨35萬噸。
本項目是南鋼十三五至十四五中期數(shù)字化成果的體現(xiàn)，助力南鋼在整體經(jīng)營績效方面抵御全行業(yè)寒冬，實現(xiàn)逆勢盈利，本項目可每年增益6~7億元。2024年1~5月份，在全行業(yè)虧損面超50%的情況下，南鋼運用多項數(shù)字化成果，保持每月利潤2億元。
本項目核心技術(shù)研發(fā)以及實施過程中，共申請國家發(fā)明專利41件，已獲得授權(quán)發(fā)明專利31件，PCT國際專利申請2件，發(fā)表的相關(guān)論文18篇，共申請軟件著作權(quán)25項，主持和參與制定國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)7項。
五、推廣情況與效果
南鋼全要素資源優(yōu)化與智慧運營核心關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，通過建設(shè)強(qiáng)化生產(chǎn)、運營與生態(tài)的鏈接，協(xié)同生態(tài)相關(guān)方以數(shù)字技術(shù)為支撐共同創(chuàng)造價值增量，實現(xiàn)供應(yīng)商、客戶、伙伴、南鋼的多方共贏，激發(fā)整個產(chǎn)業(yè)鏈的活力。
本項目從設(shè)計開始，以問題驅(qū)動為導(dǎo)向，針對鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)、運營、產(chǎn)業(yè)鏈方面長期存在的運營成本高、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品不良率高、能源利用率低、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同不足等突出問題，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字治理雙輪驅(qū)動，借助精準(zhǔn)感知、工藝模型、智能算法、智能應(yīng)用等手段，突破多項核心技術(shù)，項目的成功實施給國內(nèi)眾多鋼鐵企業(yè)進(jìn)行整體智能化升級提供了借鑒思路，引領(lǐng)行業(yè)智能化進(jìn)程。
1.在行業(yè)推廣：本項目相關(guān)的研發(fā)成果已向新余鋼鐵、凌源鋼鐵、浙江元立等9家企業(yè)進(jìn)行推廣實施。不僅幫助其他企業(yè)提升了數(shù)字化、智能化水平，還顯著優(yōu)化了運營效率，降低了生產(chǎn)成本并確保了生產(chǎn)進(jìn)程的實時跟蹤與關(guān)鍵安全風(fēng)險的動態(tài)預(yù)警。
2.示范效果顯著：本項目相關(guān)成果已累計接待了超過2200+批次的參訪交流團(tuán)，這些團(tuán)隊來自客戶、高校、同行及供應(yīng)鏈伙伴等，這些深度交流活動成為了知識與技術(shù)流通的催化劑，有力加速了整個行業(yè)的數(shù)字化步伐，樹立了南鋼數(shù)字化轉(zhuǎn)型新樣本。
3.服務(wù)于社會：南鋼積極響應(yīng)省工信廳號召，目前已組織相關(guān)培訓(xùn)活動達(dá)2361人/次，為行業(yè)培養(yǎng)了大量具備數(shù)字化轉(zhuǎn)型意識和技能的人才，成為行業(yè)乃至跨行業(yè)企業(yè)發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)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(yè)提供免費的“智改數(shù)轉(zhuǎn)網(wǎng)聯(lián)”專業(yè)咨詢與診斷服務(wù)，助力其轉(zhuǎn)型升級。在此基礎(chǔ)上，也為江蘇省工信廳提供《“十五五”時期江蘇新型工業(yè)化路徑研究》子課題《人工智能賦能新型工業(yè)化研究》咨詢服務(wù)，并深度參與《江蘇省鋼鐵企業(yè)智能化改造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型實施指南》、《工業(yè)電子商務(wù)白皮書》等12項重要文件的編制工作，為政策制定與行業(yè)規(guī)范貢獻(xiàn)智慧。