一、研究的背景与问题
钢铁行业结构调整周期明显，尤其在下行周期中，运用数字化技术实现钢铁全要素资源优化，促进钢铁产业链竞争力提升，绿色可持续发展已成为关键。习近平总书记强调，以中国式现代化全面推进强国建设、民族复兴伟业，实现新型工业化是关键任务。国家部委也多次发文，明确在制造端、运营端、产业链端实现智能优化是企业发展方向。因而，钢铁企业全要素资源优化与智慧运营是实现钢铁强国迫切需要解决的重大问题。
在钢铁行业的数字化转型中，国内外钢铁企业做了大量的开拓性工作，但仍然存在如下共性难题，如图1所示。
图1 钢铁企业全要素资源优化与智慧运营的主要难点
1.在数据基础层面，钢铁企业流程长，数据多维高频、非结构化、强业务性、强耦合性等特点导致数据治理难、使用难，面向全价值链的数据空间建设和数字孪生技术建模难，为此如何实现业务全流程的数据获取、信息集成，并实现数据建模与应用是本项目需要解决的第一个技术难题。
2.在生产制造层面，钢铁生产过程控制分层架构解决自动化、信息化部分难题，但无法避免“稳态假设”，工艺复杂多变、特钢产品定制化要求、准时交付要求、感知薄弱、边界条件不确定等导致难以破解生产黑箱，高质量低成本生产难度大。为此如何实现精准信息感知并根据问题实现动态优化调控和一体化管控是本项目需要解决的第二个技术难题。
3.在运营管理层面，运营过程因涉及的系统多、维度广，数据集成度不高，企业自身风险管控能力薄弱，同时流程计划的不确定性、原料采购价格和市场多变需求给运营管理带来决策难题。为此如何针对多维度风险点、多环节不确定性及多变需求构建敏捷运营是本项目需要解决的第三个技术难题。
4.在产业链层面，长期存在数据信任成本高、流通环节多、管理和技术差异大、合作协同壁垒多、平衡调度难、产业链协同效率低等问题。为此如何构建需求驱动的可信、协同、共赢的产业链，打造智慧生态圈是本项目需要解决的第四个技术难题。
针对以上难题，南京钢铁联合北京科技大学、东北大学、东南大学等知名高校，江南造船、外高桥造船等行业龙头，以及金恒科技、赛迪信息、鑫智链等科技公司共同开展《南钢全要素资源优化与智慧运营核心关键技术创新》项目攻关。
二、解决的问题的思路与技术方案
在深入分析行业共性需求和研究难点的基础上，本课题对通过运用数字化技术对制造端、运营端、产业链全对象进行数字化描述，实现全业务领域、全业务对象的描述，包括一个对象的属性，也包括具体的业务规则和操作描述等，从而能够具备使用数字化描述形成物理世界的数字孪生，通过全场景全业务动态多维多时空尺度数字孪生模型，从而实现以虚映实、以虚方式、以虚预实和以虚控实，达到全要素资源优化与智慧化运营的极致竞争能力的打造，形成了钢铁企业全要素资源优化与智慧运营核心关键技术创新的攻关技术路线。实现横向到边、纵向到底的多专业、多领域高效协同、辅助决策，链接产业链上下游企业，实现企业间数据流的融会贯通，并形成主要创新如下，如图2所示。
图2 项目技术路线和研究内容
三、主要创新性成果
1.项目提出基于“感联知控”工业互联体系架构+数据集成与治理+数字孪生的技术思路，实现数据采得全、看的透、用的准、管的好。形成了基于工业互联网平台的钢铁企业全域数据集成、面向钢铁企业全价值链的数据管理体系与数据治理、面向实时交互和预演机制的全业务数字孪生构建三项关键技术。
项目基于BASIC2工业互联网体系架构，开发了云端融合的FSI2-IoT平台，通过构建工厂服务引擎，将分散在各级控制系统、多业务系统中的数据按照订单要求、各工序段的工艺轧制标准、过程控制数据、自动化控制数据、检化验数据等进行融合组织，建立多模态数据模型，提供高质量全景数据空间；基于行业首创中厚板全流程钢板跟踪技术，结合批流一体的湖仓一体化技术实现全流程数据汇聚、将钢铁制造全域全价值链数据打通，实现全域价值链的数据治理和工艺、操控专家知识数字化；构建了行业首个覆盖业务最广“智造+经营+生态”集群式一体化智慧运营中心，形成全要素优化的一体化管控与智慧运营能力，在行业里首次开发全场景全业务动态多维多时空尺度数字孪生技术，特别是在生产、能源、设备、环境、安全、经营、产业链生态等领域全覆盖，形成了原料集群、铁钢集群、轧钢集群、成品集群、生态集群等8大集群，项目构建了行业首个基于云渲染技术、跨多种浏览设备和渲染计算资源共享的数字孪生平台，实现平均帧率≥35帧，延时小于200ms。
2.项目提出基于复杂工况动态感知+一体化集群管控+关键生产过程推优技术的技术思路，实现高效、高质量生产，破解过程黑箱，提升生产过程稳定性与一致性。形成了生产全过程复杂状态下全场景动态感知、基于数字孪生的多制造单元一体化集群管控、柔性制造下全流程关键生产过程推优三项关键技术。
开发全场景过程状态感知技术，破解检测、设备、运行三大领域感知难题，实现智能金相、相控阵无损探伤等多项技术行业首发。基于全面感知和多工序智能化模型，实现铁-钢-轧多制造单元一体化集群管控技术和关键过程推优，通过数字孪生技术与关键过程推优技术融合，实现基于机理和数据混合驱动的多制造单元一体化集群管控技术突破，在重点工序突破过程黑箱，改变了现有的数字孪生技术多以监控和预警为主，决策靠人工经验的问题。本项目在高炉，转炉，轧线等重点工序、重点设备，形成了以数据为驱动，实体建模、虚拟建模，实时映射和动态推演为技术支撑的多区域交换与预演。如：高炉数字孪生系统，可实现高炉身镜像，动态跟布料变化预测，为高炉布料调整提供实时动态建议；轧制过程数字孪生技术，可实现轧制强耦合黑箱现象的高保真高时效呈现，完成钢材屈服强度、性能的组织变化孪生推演等，形成数字孪生推演16类。实现炼铁年平均燃料比下降7.3%，铁水产量预测误差小于2.1%，减少敞口罐运输过程温降20.3℃，降低冶炼周期平均3.3分钟/炉，首次实现中厚板一键辊期、余坯余材自动替代，满足船板、镍系钢等多品种小批量生产，在满足客户订单多元化的个性需求的前提下，成材率提升0.5%。
3.项目提出基于外部市场预测+内部风险识别+研产销协同机制的技术思路，将内外部的风险进行准确的识别和预判，实现企业敏捷高质量运营。运用标识解析技术、区块链技术、深度学习技术等，与外部100余个市场相关数据源融合，实现了采购风险识别及市场精准预测与动态管控、审计/风控精准预测与动态管控、客户需求为导向的研发流程管理与研产销协同三项关键技术突破。
基于上述技术破解市场环境不确定性、内部多维风险、客户需求多变给企业经营带来的决策难题。确立确立6大品种的市场研判体系，梳理影响因子超过1500余项，建立采购、库存方面70余个风险控制点，价格预测准确率螺纹钢88.1%、中厚板89.4%。开发招标、销售、工艺、工程监督模型201个，行业内首次实现“事前、事中、事后”为一体的智慧大监督体系，充分发挥监督管理的建设性和预防性作用。打造研产销一体化的研发协同管控平台，贯通研发、质量、生产、销售之间的数据链和价值链，构建涵盖“组织性能预报”“工艺仿真”的数字化研发系统，基于知识图谱技术的研发知识管理系统。实现研发流程线上管控100%，一次性能合格率提升0.5%~1.0%，9Ni钢的迭代产品、止裂钢等研发周期缩短50%以上，每种重点品种降低实验成本与试制损失约200万元以上。
4.项目提出基于链上可信+“JIT+C2M”服务+产业互联平台的技术思路，打造面向协同制造的全过程产业链智能决策技术，以提升整体产业链效能。形成了基于区块链的产业链可信运行、面向JIT+C2M的智能制造新模式、C端生态建设与产业互联平台构建三项关键技术。
研发了订单与计划协同、生产与质量协同、仓储与发运协同、物流与服务协同系统，实现了产业链相关数据要素的融合协同，从要素驱动向创新驱动的根本转变，推动效率革命持续提升。实现招投标项目智能无人招标占比85.3%；上链客户产品验收复检及抽检频次降低，直至免检，客户钢材质量检验成本减少30.5%；实现产业链互信及客户精确需求、精确制造、精确配送的定制服务模式，平均交付周期缩短30%以上，合同兑现率提升至94.9%，客户满意度从82.8%提升至91.2%，C端客户减少常备库存86%。
四、应用情况与效果
南钢秉持“一切业务数字化、一切数字业务化”的顶层战略，通过数智化手段将精益生产、敏捷运营、协同生态紧密链接，实现钢铁企业全要素资源优化与智慧运营，如图3所示。
图3 南钢智慧运营中心
本项目从设计开始，以问题驱动为导向，针对钢铁企业在生产、运营、产业链方面长期存在的运营成本高、生产效率低、产品不良率高、能源利用率低、产业链协同不足等突出问题，通过工业互联网与数字治理双轮驱动，借助精准感知、工艺模型、智能算法、智能应用等手段，突破多项核心技术，项目的成功实施给国内众多钢铁企业进行整体智能化升级提供了借鉴思路，引领行业智能化进程。
项目成果在南钢实现整体应用，生产制造运营全流程岗位优化12%以上，吨钢质量成本从27.2元下降至14.5元，大宗原燃料采购年降本1.5%。项目支撑了南钢船板在“爱达·魔都号”整船应用，实现国内大型邮轮建造领域零的突破，携手客户摘取造船业“皇冠上最后一颗明珠”。运用多项关键技术，解决镍系钢在冶炼、轧制、成本控制上的难点。截至2023年，累计交付超过30万吨，用于全球最大的27万m3的LNG储罐和9.9万m3的乙烷船等建造。南钢抗酸管线钢取得国内首家沙特阿美供货资质，作为国内唯一稳定供货商，已累计供货35万吨。
本项目是南钢十三五至十四五中期数字化成果的体现，助力南钢在整体经营绩效方面抵御全行业寒冬，实现逆势盈利，本项目可每年增益6亿~7亿元。2024年1~5月份，在全行业亏损面超50%的情况下，南钢运用多项数字化成果，保持每月利润2亿元。
本项目核心技术研发以及实施过程中，共申请国家发明专利41件，已获得授权发明专利31件，PCT国际专利申请2件，发表的相关论文18篇，共申请软件著作权25项，主持和参与制定国家标准、行业标准、团体标准7项。
本项目相关的研发成果已向新余钢铁、凌源钢铁、浙江元立等9家企业进行推广实施。不仅帮助其他企业提升了数字化、智能化水平，还显著优化了运营效率，降低了生产成本并确保了生产进程的实时跟踪与关键安全风险的动态预警。同时，南钢积极响应省工信厅号召，目前已组织相关培训活动达2361人/次，为行业培养了大量具备数字化转型意识和技能的人才，成为行业乃至跨行业企业发展新质生产力的样板示范。此外，南钢还为江苏乃至全国200余家中小企业提供免费的“智改数转网联”专业咨询与诊断服务，助力其转型升级。在此基础上，也为江苏省工信厅提供《“十五五”时期江苏新型工业化路径研究》子课题《人工智能赋能新型工业化研究》咨询服务，并深度参与《江苏省钢铁企业智能化改造和数字化转型实施指南》、《工业电子商务白皮书》等12项重要文件的编制工作，为政策制定与行业规范贡献智慧。
来源：南京钢铁股份有限公司
