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1    項目背景介紹

大冶特鋼460鋼管廠，始建于2007年12月份，于2009年底投產。產品規(guī)格范圍為外徑φ216~534mm、壁厚16~130mm、長度5~13m。年設計產能30萬噸，是世界上迄今為止規(guī)模最大、工藝裝備一流的中厚壁熱軋鋼管生產線。無縫鋼管作為“工業(yè)血管”廣泛應用于國防軍工、航空航天、深海工程、西氣東輸?shù)阮I域，是重要的工業(yè)基礎原材料。

長期以來，管、棒、型、輪等不同類型的特鋼領頭企業(yè)大多采用大規(guī)模、多品種、小批量的生產組織模式，在該模式下人員冗余、手動計劃、數(shù)據(jù)斷點、作業(yè)離線等問題突出，嚴重阻礙著特鋼企業(yè)實現(xiàn)高質量發(fā)展。大冶特鋼460鋼管廠通過多年的自動化、信息化系統(tǒng)升級改造，目前面臨的問題大多為高維度、復雜性問題，企業(yè)需要通過生產、質量、設備、能源、數(shù)字孿生可視化等多類業(yè)務協(xié)同實現(xiàn)精益生產，概括如下：

（1）生產組織模式依靠人工手動排程，勞動強度大；同時，生產計劃過度依賴計劃員的工作經驗，排程優(yōu)化難度大。

（2）傳統(tǒng)生產模式下，生產信息大多依靠人工線下傳遞，生產關鍵數(shù)據(jù)靠工人excel記錄、整理，數(shù)據(jù)獲取難度大，質量閉環(huán)管理缺乏有效的數(shù)據(jù)治理手段。

（3）生產線物料跟蹤依賴紙質線下流轉，信息孤島、數(shù)據(jù)斷點現(xiàn)象明顯，導致數(shù)據(jù)挖掘和利用不充分，業(yè)務優(yōu)化受到制約。

（4）缺乏全流程的過程質量跟蹤、分析和管控措施，過程質量穩(wěn)定性遇到瓶頸。

（5）生產、質量、能源等業(yè)務模塊的協(xié)同能力不足，業(yè)務壁壘、工序壁壘制約，協(xié)同難度大。

基于以上問題，460鋼管廠作為精益模范工廠和精品中厚壁無縫鋼管行業(yè)引領者，要實現(xiàn)精益生產管理模式數(shù)字化轉型，需建設新一代無縫鋼管智能工廠。

本項目于2021年立項，2023年項目驗收，在大冶特殊鋼有限公司460無縫鋼管產線基礎上，以生產和工藝需求為主體驅動，圍繞數(shù)字孿生、物料跟蹤、智能排程、質量管控、精細化能源管理等多業(yè)務協(xié)同等方面進行技術開發(fā)，自主創(chuàng)新，解決特鋼行業(yè)多品種、小批量、多規(guī)格定制化生產制造難題，成功地應用于大冶特殊鋼有限公司460無縫鋼管產線，利用智能化技術實現(xiàn)數(shù)字化轉型升級，可實現(xiàn)新產品高效設計、新工藝快速開發(fā)，生產過程可視化，設備和產品質量問題追溯透明化，保證產品質量的穩(wěn)定性，提高勞動生產效率和設備利用率，減少生產成本，保證精準交貨時間，提升精益化管理水平，支撐精品+規(guī)模+服務的公司戰(zhàn)略，提升客戶體驗，進一步提升國內外市場影響力，鞏固集團在特鋼行業(yè)的領導地位。

2    項目目標與原則

本項目總體目標是實現(xiàn)“數(shù)字化、網絡化、綠色化”的智能制造。通過構造精益數(shù)字化應用平臺，實現(xiàn)460鋼管生產線基于工業(yè)互聯(lián)的數(shù)據(jù)平臺，進行數(shù)據(jù)融合與治理，從而消除工序間的信息孤島。集成生產、質量、設備、能源、物料跟蹤、可視化應用于平臺，實現(xiàn)各生產業(yè)務數(shù)字化，生產協(xié)同高效化，不斷降低生產成本、提升效益。

基于數(shù)字化業(yè)務流程，聚焦數(shù)據(jù)感知、知識認知、優(yōu)化決策，挖掘海量數(shù)據(jù)背后隱藏的潛在價值，實現(xiàn)生產過程的優(yōu)化及運行過程中的多業(yè)務協(xié)同，打破業(yè)務之間的運營管理邊界，構建460鋼管生產線精益管控新模式。

3    項目實施與應用

3.1項目規(guī)劃

本項目進行分層規(guī)劃和建設，分別為智能支撐層、智能生產層、智能管控層、智能決策層，如下圖1所示。通過數(shù)字孿生、質量管控、設備管理、能源管理、計劃調度等智慧功能來支撐企業(yè)智能工廠建設，秉承“指標牽領、流程透明、業(yè)務協(xié)同”的理念，打破業(yè)務之間的運營管理邊界，構建企業(yè)精益管控新模式，以實現(xiàn)客戶價值和企業(yè)價值的協(xié)同為主線，聚焦數(shù)據(jù)感知、知識認知、優(yōu)化決策，挖掘海量數(shù)據(jù)背后隱藏的潛在價值，實現(xiàn)生產過程的優(yōu)化及運行過程的多業(yè)務協(xié)同。

圖1智能化建設總體分層邏輯架構

3.2實施成效及應用效果

本項目成功實施后，對于實現(xiàn)“崗位少人化，產線自動化，工廠信息化、整體智能化”方面取得重大進展，加快促進企業(yè)數(shù)字化轉型。基于數(shù)據(jù)采集與集成平臺，數(shù)據(jù)完整真實可靠，把企業(yè)成本做到最優(yōu)、效率做到最佳、經營無限貼近客戶需求和市場變化、管理無限貼近現(xiàn)場和一線員工，促進集團規(guī)模優(yōu)勢、協(xié)同效應的充分發(fā)揮，提高綜合競爭力。

（1）通過工業(yè)邊緣計算技術的數(shù)據(jù)采集，對各工序工業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通互操，消除鋼管生產工序信息數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在生產現(xiàn)場的實時采集和實時運算，解決了數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)生產脫節(jié)問題以及數(shù)據(jù)雜而亂的數(shù)據(jù)質量問題，實現(xiàn)以鋼管為唯一標識的物料信息統(tǒng)一集成與追溯。鋼管數(shù)據(jù)主題中包含各類數(shù)據(jù)主題，鋼管物料信息，實時采集數(shù)據(jù)及過程實績數(shù)據(jù)等。

技術應用后，實現(xiàn)面向460鋼管視角的數(shù)據(jù)采集、匯聚存儲及融合，并可進行動態(tài)配置，數(shù)據(jù)質量及可靠性達到99.8%以上；平臺邊緣側實時數(shù)據(jù)采集的最小周期支持50ms；100%全域系統(tǒng)服務健康度監(jiān)控，如系統(tǒng)、中間件等全部運行組件的運行狀態(tài)監(jiān)控。

（2）通過物料跟蹤技術，將產線上每一支鋼管與生產過程數(shù)據(jù)動態(tài)綁定，實現(xiàn)生產過程鋼管可視化、紙質記錄信息化，同時為上層智慧應用提供基礎數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)對產線每支鋼管位置、狀態(tài)等信息實時跟蹤及顯示。針對不同工位，結合產線實際，設計生產操控畫面，結合物料跟蹤數(shù)據(jù)為基礎，自動對生產完工信息進行記錄。

  技術應用后，完成460無縫鋼管產線全線的物料跟蹤匹配，跟蹤準確率達到99.8%以上，實現(xiàn)現(xiàn)場智能裝備（端部識別、環(huán)形識別、激光打標、自動倒棱、端面檢測、表面檢測等）數(shù)據(jù)的下發(fā)接收。同時，為上層質量管控、能耗分析等應用提供基礎，突破解決了傳統(tǒng)跟蹤粒度粗、跟蹤數(shù)據(jù)薄弱等問題，達到提升人員利用率、成材率、降低能耗的效果。

（3）融合“模型-知識-算法”的智能動態(tài)排程技術，通過最佳坯型設計及歸并提料模型進行整體優(yōu)化設計，解決過去靠人工經驗進行無縫鋼管坯型設計造成余料損失或尺寸不足造成的問題。對于計劃外坯料，系統(tǒng)采用分支界定算法進行自動優(yōu)選匹配。采用兩階段最短路徑啟發(fā)式優(yōu)化算法進行自動優(yōu)化排程，在滿足交期的前提下，使得生產外徑、壁厚、硬度跳變更加平穩(wěn)，主要工裝更換時間得到優(yōu)化。

技術應用后，月計劃排程時間從縮短為原人工排程時間的1/30；超期交付訂單數(shù)減少80%；通過計劃優(yōu)化保證均衡生產，產能瓶頸發(fā)生時間縮減60%；每日作業(yè)計劃排產時間縮短為原人工排產時間的1/40，大幅提升工作效率; 產品成材率提升1%以上； 每天至少節(jié)約40分鐘換裝時間。

（4）通過完整的事前事中事后PDCA質量管控閉環(huán)技術，與MES和產銷系統(tǒng)形成質量控制閉環(huán)，對無縫鋼管質量標準進行數(shù)字化管理，改變傳統(tǒng)質量管控模式，質量過程檢查原始記錄及質量標準由依靠人工紙質填單傳遞變?yōu)橄到y(tǒng)自動數(shù)字化管理及質量信息自動推送。通過建設全流程的過程質量跟蹤反饋、監(jiān)控判定及性能預測等，使得質量實現(xiàn)精益數(shù)字化管控，質量穩(wěn)定性和一致性持續(xù)改進。質量缺陷分析中包含質量標準及實績，質量判定，質量閉環(huán)處置及質量缺陷分析等。

     技術應用后，質量管控系統(tǒng)覆蓋產品全工序的質量管理，建立“集中一貫”的質量管理模式，質量全流程的數(shù)據(jù)使用效率提升75%以上，質量缺陷一鍵式追溯、數(shù)據(jù)獲取及分析效率提升60%以上。

（5）通過3D建模對鋼管生產設備與車間的三維空間信息進行數(shù)字化建模，采用實時生產數(shù)據(jù)，通過3D模型與生產現(xiàn)場同步，實現(xiàn)產線狀態(tài)實時映射，使生產過程狀態(tài)一目了然，同時融合生產、質量、設備等任務的報警信息，對生產進行全方位實時、主動與智能監(jiān)控。讓操作人員、技術人員與管理人員都能實時、高效掌握生產運行狀況，實現(xiàn)對運行指標、過程監(jiān)測、協(xié)同支持、生產規(guī)范設計與分析決策的監(jiān)控，建立數(shù)字孿生透明工廠。

3.3項目創(chuàng)新

（1）實現(xiàn)鋼管數(shù)據(jù)與業(yè)務在線雙重融合的行業(yè)級創(chuàng)新突破，依托數(shù)字平臺、物料跟蹤、作業(yè)信息互聯(lián)、數(shù)字孿生等先進技術，將數(shù)字化業(yè)務貫通整條生產線，實現(xiàn)標準化、規(guī)范化操作與推送式管理，達到數(shù)據(jù)、業(yè)務、操作在線統(tǒng)一，完成由完全靠人保障生產逐漸向依靠數(shù)據(jù)管理進行轉變，進一步實現(xiàn)現(xiàn)存組織模式下效率與質量的協(xié)同提升。

（2）開發(fā)基于深度學習的物料全工序多維信息在線感知技術，解決了強干擾特征提取、稀疏樣本增強和遷移、復雜模態(tài)下多目標跟蹤等難題，首次在無縫鋼管實現(xiàn)物料卡鋼、天車吊鋼、鋸切分段、表面質量、三維輪廓、端部識別、內外壁字符識別等12類物料多維信息感知，缺陷識別率≥95%，多目標視頻跟蹤準確率≥99.5%。

（3）提出以產品質量為核心的無縫鋼管多業(yè)務協(xié)同控制方法，打通計劃、規(guī)范、監(jiān)視、分析的流程壁壘，建立事前策劃、在線預判、實時監(jiān)控、異常診斷和過往追溯的生產精益管控模式，實現(xiàn)管控業(yè)務全面上線，協(xié)同完成作業(yè)計劃、質量管控、設備管理、能源管控等六項任務，保障了大規(guī)模、多品種、小批量生產過程中多業(yè)務提升，全員勞動生產率較之前提升12.8%。

4    效益分析

4.1經濟效益

本項目投資主要包括人工研發(fā)成本、硬件采購成本，總投資成本為18000000萬元。本項目技術應用后，減少軋廢量12%，提高成材率0.45%以上，質量一鍵式追溯、數(shù)據(jù)獲取及分析效率提升60%以上，相關人員工作效率提升30% 以上，產品不良率降低20% 以上，公司的全年內部質量降級率比上一年度下降26.3%，產量提升5.5%，全員勞動生產率提升10%，崗位優(yōu)化率10%，噸鋼電耗下降18.4%，噸鋼煤耗下降15.76%。初步效益測算，年化效益在4180萬元，預計全年降本增效會超過6千萬。

4.2社會效益

本方案基于工業(yè)互聯(lián)網平臺的無縫鋼管智能化工藝控制基礎理論與共性技術，進而建立具有自主知識產權的示范工程，形成信息化、智能化在無縫鋼管行業(yè)應用典范，有力拉動產業(yè)結構升級、助力供給側結構改革，促進我國材料加工業(yè)的發(fā)展。社會效益顯著：

1）實現(xiàn)無縫鋼管智能工廠應用突破：實現(xiàn)了無縫鋼管智能工廠成套技術的首創(chuàng)應用突破，對于國內大量的鋼管生產企業(yè)提供了亟需的關鍵技術。

2）引領無縫鋼管智能工廠技術發(fā)展前沿：針對全息尺寸質量缺陷、尺寸精度檢測、智能排產、逐支跟蹤實現(xiàn)多項關鍵技術的國產化應用突破，對于破除唯國外技術論，樹立國內技術自信具有積極意義。

3）提升產品質量，適應國家經濟發(fā)展需求：在智能裝備與數(shù)字化業(yè)務協(xié)同管控技術支撐下，克服制約產品質量一致性、穩(wěn)定性、定制化的瓶頸問題，提升了產品質量精度，適應國家經濟發(fā)展需求。

4）推動新生產模式變革：提高了勞動安全與職業(yè)健康保障，工作人員從惡劣工作環(huán)境與頻繁低效溝通中解放出來，培育了一批智能工廠模式下的技術人才。

本方案應用項目實施過程為傾盡全力投入到關鍵科學問題研究的一批年輕有為的技術人員提供了大量真實數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)診斷、識別、提取、分析、運用等手段不斷地解決科學問題和開發(fā)出關鍵共性技術，大大提高他們的科研能力和處理問題能力，為科研院所、高校和生產企業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)一大批無縫鋼管加工領域的青年人才，他們將成為單位可持續(xù)發(fā)展的中堅力量，為科研院所、高校、生產企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新提供持續(xù)動力。

數(shù)字孿生可視化（作業(yè)區(qū)人員用） 

集控操作臺物料跟蹤畫面（作業(yè)區(qū)人員用）

集控操作臺穿軋質量信息自動推送畫面（作業(yè)區(qū)人員用）

生產作業(yè)區(qū)加熱爐質量信息自動推送畫面（作業(yè)區(qū)人員用）

大冶460鋼管燈塔工廠精益數(shù)字化應用平臺由北京科技大學設計研究院有限公司（北科工研）面對大冶460無縫鋼管大規(guī)模、小批量、定制化生產特點，通過實施精益數(shù)字化應用平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和業(yè)務無縫貫通，攻克了特鋼生產模式下特鋼數(shù)字化轉型重大技術難題，該數(shù)智工廠亮相2023世界人工智能大會，獲得央視新聞、湖北新聞、黃石新聞，湖北日報等知名媒體的報道。該團隊打造了大冶460燈塔工廠里程碑式項目，為特鋼數(shù)智化建設提供寶貴的實踐經驗，有力促進行業(yè)整體能力提升。