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2024冶金科學技術獎特等獎 | 南鋼：全要素資源優化與智慧運營核心關鍵技術創新
發布時間：2024/8/24 發布者：jy 點擊次數：2520
文章來源于《中國鋼鐵工業協會》
一、項目名稱
《南鋼全要素資源優化與智慧運營核心關鍵技術創新》
二、研究的背景與問題
鋼鐵行業結構調整周期明顯，尤其在下行周期中，運用數字化技術實現鋼鐵全要素資源優化，促進鋼鐵產業鏈競爭力提升，綠色可持續發展已成為關鍵。習近平總書記強調，以中國式現代化全面推進強國建設、民族復興偉業，實現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、運營端、產業鏈端實現智能優化是企業發展方向。因而，鋼鐵企業全要素資源優化與智慧運營是實現鋼鐵強國迫切需要解決的重大問題。
在鋼鐵行業的數字化轉型中，國內外鋼鐵企業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.在數據基礎層面，鋼鐵企業流程長，數據多維高頻、非結構化、強業務性、強耦合性等特點導致數據治理難、使用難，面向全價值鏈的數據空間建設和數字孿生技術建模難，為此如何實現業務全流程的數據獲取、信息集成，并實現數據建模與應用是本項目需要解決的第一個技術難題。
2.在生產制造層面，鋼鐵生產過程控制分層架構解決自動化、信息化部分難題，但無法避免“穩態假設”，工藝復雜多變、特鋼產品定制化要求、準時交付要求、感知薄弱、邊界條件不確定等導致難以破解生產黑箱，高質量低成本生產難度大。為此如何實現精準信息感知并根據問題實現動態優化調控和一體化管控是本項目需要解決的第二個技術難題。
3.在運營管理層面，運營過程因涉及的系統多、維度廣，數據集成度不高，企業自身風險管控能力薄弱，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險點、多環節不確定性及多變需求構建敏捷運營是本項目需要解決的第三個技術難題。
4.在產業鏈層面，長期存在數據信任成本高、流通環節多、管理和技術差異大、合作協同壁壘多、平衡調度難、產業鏈協同效率低等問題。為此如何構建需求驅動的可信、協同、共贏的產業鏈，打造智慧生態圈是本項目需要解決的第四個技術難題。
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圖1 鋼鐵企業全要素資源優化與智慧運營的主要難點
針對以上難題，南京鋼鐵聯合北京科技大學、東北大學、東南大學等知名高校，江南造船、外高橋造船等行業龍頭，以及金恒科技、賽迪信息、鑫智鏈等科技公司共同開展《南鋼全要素資源優化與智慧運營核心關鍵技術創新》項目攻關。
三、技術路線與創新點
在深入分析行業共性需求和研究難點的基礎上，本課題對通過運用數字化技術對制造端、運營端、產業鏈全對象進行數字化描述，實現全業務領域、全業務對象的描述，包括一個對象的屬性，也包括具體的業務規則和操作描述等，從而能夠具備使用數字化描述形成物理世界的數字孿生，通過全場景全業務動態多維多時空尺度數字孿生模型，從而實現以虛映實、以虛方式、以虛預實和以虛控實，達到全要素資源優化與智慧化運營的極致競爭能力的打造，形成了鋼鐵企業全要素資源優化與智慧運營核心關鍵技術創新的攻關技術路線。實現橫向到邊、縱向到底的多專業、多領域高效協同、輔助決策，鏈接產業鏈上下游企業，實現企業間數據流的融會貫通，并形成主要創新如下，如圖2所示。
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圖2 項目技術路線和研究內容
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、主要創新性成果及指標
南鋼秉持“一切業務數字化、一切數字業務化”的頂層戰略，通過數智化手段將精益生產、敏捷運營、協同生態緊密鏈接，實現鋼鐵企業全要素資源優化與智慧運營，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整體應用，生產制造運營全流程崗位優化12%以上，噸鋼質量成本從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·魔都號”整船應用，實現國內大型郵輪建造領域零的突破，攜手客戶摘取造船業“皇冠上最后一顆明珠”。運用多項關鍵技術，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首家沙特阿美供貨資質，作為國內唯一穩定供貨商，已累計供貨35萬噸。
本項目是南鋼十三五至十四五中期數字化成果的體現，助力南鋼在整體經營績效方面抵御全行業寒冬，實現逆勢盈利，本項目可每年增益6~7億元。2024年1~5月份，在全行業虧損面超50%的情況下，南鋼運用多項數字化成果，保持每月利潤2億元。
本項目核心技術研發以及實施過程中，共申請國家發明專利41件，已獲得授權發明專利31件，PCT國際專利申請2件，發表的相關論文18篇，共申請軟件著作權25項，主持和參與制定國家標準、行業標準、團體標準7項。
五、推廣情況與效果
南鋼全要素資源優化與智慧運營核心關鍵技術創新，通過建設強化生產、運營與生態的鏈接，協同生態相關方以數字技術為支撐共同創造價值增量，實現供應商、客戶、伙伴、南鋼的多方共贏，激發整個產業鏈的活力。
本項目從設計開始，以問題驅動為導向，針對鋼鐵企業在生產、運營、產業鏈方面長期存在的運營成本高、生產效率低、產品不良率高、能源利用率低、產業鏈協同不足等突出問題，通過工業互聯網與數字治理雙輪驅動，借助精準感知、工藝模型、智能算法、智能應用等手段，突破多項核心技術，項目的成功實施給國內眾多鋼鐵企業進行整體智能化升級提供了借鑒思路，引領行業智能化進程。
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。
上一條：熱軋板帶輕薄化趨勢明顯
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