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目前鋼鐵工業(yè)面臨前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。資源、能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重；過程與產(chǎn)品穩(wěn)定性不高、一致性差，生產(chǎn)效率低；產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，高端產(chǎn)品自主生產(chǎn)能力不足；供給側(cè)為需求側(cè)服務(wù)不足等問題嚴(yán)峻。因此，構(gòu)建鋼鐵行業(yè)的以市場(chǎng)為導(dǎo)向的綠色技術(shù)創(chuàng)新體系，減少鋼鐵生產(chǎn)工藝流程的資源和能源消耗，減少污染和排放，推動(dòng)行業(yè)鋼鐵轉(zhuǎn)型發(fā)展，實(shí)現(xiàn) “工藝綠色化、裝備智能化、產(chǎn)品高質(zhì)化、供給服務(wù)化”，意義重大。

我國(guó)鋼鐵工業(yè)現(xiàn)在迫切需要攻克四座高峰，實(shí)現(xiàn)“四化”：第一是鋼鐵生產(chǎn)資源、能源消耗大，污染排放嚴(yán)重，迫切需要實(shí)現(xiàn)“工藝綠色化”；第二是生產(chǎn)裝備的穩(wěn)定性、均勻性、一致性差，生產(chǎn)效率低，“裝備智能化”的任務(wù)迫在眉睫；第三是產(chǎn)品質(zhì)量不夠高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)失衡，“產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)化”需求強(qiáng)烈；第四是供給側(cè)為需求側(cè)服務(wù)不足，急需加強(qiáng)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，與用戶融合發(fā)展，為用戶提供整體解決方案，實(shí)現(xiàn)“供給服務(wù)化”。

在此，僅就鋼鐵的智能制造與大家探討。

自1784年第一次工業(yè)革命至今，人類已經(jīng)經(jīng)歷了3次工業(yè)革命，即以機(jī)械化為核心的第一次工業(yè)革命，以電氣化為核心的第二次工業(yè)革命，以自動(dòng)化、數(shù)字化為核心的第三次工業(yè)革命。目前處于第四次工業(yè)革命階段，其核心是智能化，目標(biāo)是建立智能化、數(shù)字化工廠，實(shí)現(xiàn)智能制造。

鋼鐵行業(yè)是智能化需求最強(qiáng)的行業(yè)，也是離智能化最近的行業(yè)。為解決我國(guó)鋼鐵行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)失衡、高端產(chǎn)品供給能力不足、產(chǎn)品外形尺寸精度低以及組織性能控制穩(wěn)定性差等問題，需要實(shí)行生產(chǎn)、物流等的智能控制與優(yōu)化協(xié)同，著力開發(fā)與應(yīng)用智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息深度感知、智慧優(yōu)化決策、精準(zhǔn)協(xié)調(diào)控制、自主學(xué)習(xí)提升。信息物理系統(tǒng)（CPS）是實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，我國(guó)大多數(shù)鋼鐵企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動(dòng)化與數(shù)字化，基本達(dá)到了工業(yè)2.0的水平。經(jīng)過努力，相當(dāng)一部分鋼廠將基本達(dá)到工業(yè)3.0+的水平。但是，鋼鐵工業(yè)屬于大型復(fù)雜流程工業(yè)，我國(guó)尚未形成全流程一體化的智能化控制與全局的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

未來應(yīng)以第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)CPS為目標(biāo)，對(duì)鋼鐵行業(yè)現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行改造，拓展網(wǎng)絡(luò)功能，強(qiáng)化計(jì)算能力和感知能力，建成可靠的、實(shí)時(shí)的、安全的、協(xié)作的智能化鋼鐵生產(chǎn)信息物理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的智能化發(fā)展。

我們要綜合利用現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)、行業(yè)技術(shù)，建立信息物理系統(tǒng)，使我們的控制系統(tǒng)具有感知、記憶、思維、學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力以及行為決策能力。在這個(gè)系統(tǒng)中，鋼鐵工業(yè)將利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等最新信息技術(shù)提供的環(huán)境和手段，建立起一體化的管控平臺(tái)。它與全鏈條生產(chǎn)線互聯(lián)互通，構(gòu)成兩層式的系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)鋼鐵生產(chǎn)過程全流程實(shí)現(xiàn)扁平化、一體化、一竿子插到底的智能管控，實(shí)現(xiàn)信息采集、處理、監(jiān)控和一體化生產(chǎn)調(diào)度管理的智能、協(xié)調(diào)，做到“信息的深度感知、網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通、精準(zhǔn)協(xié)調(diào)控制、優(yōu)化智慧決策、自主學(xué)習(xí)提升”。只有這樣，鋼鐵工業(yè)這個(gè)典型的流程工業(yè)，才會(huì)克服過去的孤島式、單工序的“單打獨(dú)奏”的解決問題方式，充分利用一體化的智能制造來解決穩(wěn)定性、均勻性、一致性等方面的問題，提供全流程、一體化的解決方案，做到鋼鐵生產(chǎn)全過程的一體化控制、鋼鐵生產(chǎn)各層次的協(xié)調(diào)優(yōu)化、大規(guī)模定制下產(chǎn)品個(gè)性化與定制化以及裝備、物流、能源的智能控制與協(xié)同優(yōu)化等，大幅提高生產(chǎn)效率，提升企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率。

應(yīng)當(dāng)特別注意的是，鋼鐵工業(yè)是典型的流程工業(yè)，作為全流程主體的高爐、轉(zhuǎn)爐、精煉爐、鋼包、連鑄坯、熱軋軋件、冷軋軋件等均為“黑箱”，即我們無法獲取各個(gè)反應(yīng)器或者軋件內(nèi)部的信息。即使建立起大數(shù)據(jù)管控平臺(tái)，仍然無法精準(zhǔn)把握“黑箱”內(nèi)的物理與化學(xué)變化。當(dāng)前，欲實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的智能制造，必須利用可以采集到的大量相關(guān)信息，基于新型的數(shù)字感知技術(shù)，“逼真”地描繪出“黑箱”中的變化，建立物理世界的“虛擬映像”或“數(shù)字孿生”，并進(jìn)而進(jìn)行智能決策和控制。這是智能控制的核心環(huán)節(jié)，是鋼鐵智能制造的特點(diǎn)和難點(diǎn)，是我們?cè)趯?shí)現(xiàn)智能制造過程中必須攻克的制高點(diǎn)。

在目前由實(shí)體（物理）向數(shù)字（虛擬）的轉(zhuǎn)變與發(fā)展中，如何利用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等信息技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)中物理系統(tǒng)內(nèi)部不可測(cè)的物理參數(shù)進(jìn)行數(shù)字感知，是材料人長(zhǎng)期以來的夢(mèng)想，也是材料科學(xué)與技術(shù)發(fā)展面臨的重大問題。數(shù)字感知為我們提供了非常理想的解決方案。數(shù)字感知將虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）及人工智能（AI）結(jié)合，攻克以往無法逾越的“黑箱”障礙，從而建立起CPS的核心部分，即與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)成鏡面映射并即時(shí)互動(dòng)的虛擬系統(tǒng)。在這個(gè)具有足夠精度的虛擬系統(tǒng)上，再加上精準(zhǔn)、協(xié)調(diào)的智能控制，則鋼鐵生產(chǎn)過程的智能設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制將成為可能。

鋼鐵行業(yè)智能制造可以實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：建立跨系統(tǒng)、跨工序、跨領(lǐng)域的鋼鐵工藝質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)；材料組織、性能、表面等關(guān)鍵工藝質(zhì)量參數(shù)的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)與在線狀態(tài)感知；工藝、設(shè)備和質(zhì)量的關(guān)系分析，質(zhì)量在線綜合評(píng)判與異常原因追溯；工藝參數(shù)和制備工序流程的優(yōu)化，質(zhì)量參數(shù)精準(zhǔn)控制與多工序協(xié)調(diào)匹配；基于工藝裝備狀態(tài)的多工序動(dòng)態(tài)排程，產(chǎn)供銷全流程協(xié)同的智能決策。更重要的是，智能制造還能面向用戶進(jìn)行多規(guī)格、小批量、定制化生產(chǎn)，使上下游實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的協(xié)同發(fā)展，提高全產(chǎn)業(yè)鏈效益。正如習(xí)近平總書記在2018年兩院院士大會(huì)講話中指出：“要以智能制造為主攻方向推動(dòng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革和優(yōu)化升級(jí)，推動(dòng)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)模式和企業(yè)形態(tài)根本性轉(zhuǎn)變，以‘鼎新’帶動(dòng)‘革故’，以增量帶動(dòng)存量，促進(jìn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)邁向全球價(jià)值鏈中高端。”

（作者系中國(guó)工程院院士、河鋼東大產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院院長(zhǎng)。本報(bào)記者高長(zhǎng)安根據(jù)作者在河鋼集團(tuán)和東北大學(xué)舉辦的第二屆河鋼東大學(xué)術(shù)國(guó)際年會(huì)上所作報(bào)告整理。）

摘自《中國(guó)科學(xué)報(bào)》