王國(guó)棟 劉振宇 張殿華 儲(chǔ)滿生

0 引言

根據(jù)2020年4月20日國(guó)家發(fā)改委新聞發(fā)布會(huì)正式明確的新型基礎(chǔ)設(shè)施定義，鋼鐵企業(yè)創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施（SEII—Steel Enterprise Innovation Infrastructure）可以確定為：基于創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享的發(fā)展理念，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)、以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展，為提高鋼鐵企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力需要而打造的鋼鐵產(chǎn)業(yè)升級(jí)、融合、創(chuàng)新的基礎(chǔ)設(shè)施體系。本文提出了SEII的基本架構(gòu)，分析了SEII的4個(gè)基本功能，即綠色化關(guān)鍵工藝-裝備創(chuàng)新功能、超級(jí)智能的CPS（Cyber-Physical System）過(guò)程控制功能、高效率低成本的產(chǎn)品創(chuàng)新功能、全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)管理優(yōu)化運(yùn)行功能。建設(shè)和發(fā)展SEII將解決鋼鐵全流程“黑箱”、“不確定性”問(wèn)題，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展、轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)“綠色化、數(shù)字化、高質(zhì)化、強(qiáng)鏈化”，提高企業(yè)持續(xù)發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)中國(guó)鋼鐵行業(yè)成為國(guó)際領(lǐng)先的行業(yè)集群。本文總結(jié)了目前SEII建設(shè)已經(jīng)取得的重要進(jìn)展，并展望了在SEII支持下鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的美好前景。

1 SEII是企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力，SEII建設(shè)勢(shì)在必行

1.1 數(shù)字時(shí)代鋼鐵行業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人類社會(huì)進(jìn)入了數(shù)字時(shí)代，數(shù)據(jù)指數(shù)級(jí)爆發(fā)式增長(zhǎng)，數(shù)量越來(lái)越大、種類越來(lái)越多、速度越來(lái)越快、價(jià)值越來(lái)越高。數(shù)據(jù)已經(jīng)成為全球新一輪產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)、改變國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)格局的新變量。鋼鐵工業(yè)作為一個(gè)生產(chǎn)鋼鐵原材料的大型流程工業(yè)行業(yè)，面臨巨大的挑戰(zhàn)和前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

1.1.1 鋼鐵行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略：綠色化、數(shù)字化、高質(zhì)化、強(qiáng)鏈化

鋼鐵行業(yè)是國(guó)家的支柱行業(yè)，它必須以高效率、低成本、節(jié)能降耗、環(huán)境友好的生產(chǎn)過(guò)程，向制造業(yè)提供質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉、綠色鋼鐵材料，以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防安全、人民生活的需要。因此，鋼鐵行業(yè)必須要執(zhí)行綠色化、數(shù)字化、高質(zhì)化、強(qiáng)鏈化戰(zhàn)略，建設(shè)具有綠色化關(guān)鍵工藝-裝備創(chuàng)新功能、超級(jí)智能的CPS過(guò)程控制功能、高效率低成本的產(chǎn)品創(chuàng)新功能、全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)管理優(yōu)化運(yùn)行功能的SEII，踐行“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”發(fā)展理念，確保鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)進(jìn)步，高質(zhì)量發(fā)展，為中國(guó)式現(xiàn)代化做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

1.1.2 數(shù)字時(shí)代鋼鐵工業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

鋼鐵工業(yè)為大型復(fù)雜流程工業(yè)，全流程各工序均為“黑箱”，實(shí)時(shí)信息極度缺乏，屬于嚴(yán)重的“不確定性”生產(chǎn)過(guò)程。主流程“黑箱”事關(guān)鋼鐵行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、效率、穩(wěn)定性、成本、生態(tài)等最關(guān)鍵問(wèn)題，是鋼鐵工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的核心。鋼鐵工業(yè)最重要的關(guān)鍵共性任務(wù)，就是破解全流程“黑箱”，變“黑箱”為“透明”，掌握“黑箱”中的規(guī)律，指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程的綠色化改造、數(shù)字化智能化控制、鋼鐵產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)化、全鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈的強(qiáng)鏈化。解決“黑箱”問(wèn)題唯一也是最好的方法，就是數(shù)據(jù)科學(xué)/數(shù)字技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合、解決“不確定性”問(wèn)題的數(shù)據(jù)分析方法。

1.1.3 數(shù)字時(shí)代是鋼鐵工業(yè)騰飛崛起的機(jī)遇

鋼鐵行業(yè)全流程、全產(chǎn)業(yè)鏈的“黑箱”為數(shù)據(jù)科學(xué)與數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用提供了豐富的應(yīng)用場(chǎng)景資源，而鋼鐵行業(yè)在自動(dòng)化、信息化方面長(zhǎng)期積累的良好基礎(chǔ)，又為數(shù)據(jù)科學(xué)與數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用提供了無(wú)比豐富的數(shù)據(jù)資源，這2點(diǎn)是鋼鐵行業(yè)數(shù)字化崛起的重要機(jī)遇。與制造業(yè)相比，鋼鐵行業(yè)還在數(shù)字技術(shù)應(yīng)用方面具有特殊的優(yōu)勢(shì)，即在鋼鐵全部主流程上，經(jīng)過(guò)信息采集、數(shù)據(jù)分析之后，系統(tǒng)做出智慧決策，可以直接反饋賦能于物料，構(gòu)成閉環(huán)賦能的信息物理系統(tǒng)CPS。材料行業(yè)要充分利用這一優(yōu)勢(shì)，努力建設(shè)以CPS為核心的鋼鐵企業(yè)創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施SEII，將鋼鐵全流程的“黑箱”變“透明”，真正搞清楚“黑箱”中的規(guī)律，解決鋼鐵行業(yè)面臨的綠色化、數(shù)字化、高質(zhì)化、強(qiáng)鏈化方面的重大問(wèn)題。

1.2 SEII的架構(gòu)與主要功能

1.2.1 SEII的概念

為了發(fā)揮鋼鐵行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景和數(shù)據(jù)資源的優(yōu)勢(shì)、加速建設(shè)數(shù)字鋼鐵、實(shí)現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)/數(shù)字技術(shù)與鋼鐵行業(yè)實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合，軋制技術(shù)與連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（RAL）提出了圖1所示的SEII基本架構(gòu)，并介紹了國(guó)際上材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展情況。SEII是以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為載體、以底層生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)感知和精準(zhǔn)執(zhí)行為基礎(chǔ)、以邊緣過(guò)程設(shè)定模型的數(shù)字孿生化和邊緣-底層CPS化為核心、以數(shù)字驅(qū)動(dòng)的云平臺(tái)為支撐的服務(wù)于鋼鐵企業(yè)的數(shù)字化創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施。

1.2.2 SEII的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在將產(chǎn)線與實(shí)驗(yàn)室儀器、中試裝備一起作為SEII底層的一部分時(shí)，對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行管控的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一并進(jìn)入SEII。

中國(guó)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)線的傳統(tǒng)管控系統(tǒng)是采用國(guó)際上通用的5層架構(gòu)，即基礎(chǔ)自動(dòng)化（BA）-過(guò)程控制系統(tǒng)（PCC，邊緣）-制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）-企業(yè)管理系統(tǒng)（ERP）-商務(wù)智能（BI）。云平臺(tái)之上是“云端智能層”，行使低實(shí)時(shí)性的MES、ERP和BI功能，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、效率、設(shè)備能力、成本、資源等多個(gè)目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)。云平臺(tái)下是“本地決策層”，行使高實(shí)時(shí)性PCC、BA和傳感器等功能，輔以人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，強(qiáng)化計(jì)算能力，提高實(shí)時(shí)性等。“云端智能層”與“本地決策層”兩層級(jí)之間在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，靈活協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、效率提升。

當(dāng)前，為了適應(yīng)鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的要求，鋼鐵行業(yè)正在由傳統(tǒng)的機(jī)理、模型驅(qū)動(dòng)的多層控制系統(tǒng)架構(gòu)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的扁平化雙層架構(gòu)過(guò)渡。這種雙層架構(gòu)的底層是數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而上層在邊緣和云平臺(tái)分別配置數(shù)據(jù)中心/機(jī)器學(xué)習(xí)單元。借此，在邊緣和底層之間構(gòu)成CPS，實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)低延遲的快速、實(shí)時(shí)控制功能；而在云平臺(tái)和邊緣、底層之間，實(shí)現(xiàn)低實(shí)時(shí)、多目標(biāo)的綜合管理功能，支撐邊緣與底層構(gòu)成的CPS系統(tǒng)的運(yùn)行。這是搭建SEII架構(gòu)的重要考慮因素。

1.3 SEII：鋼鐵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的數(shù)字化創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施

1.3.1 SEII：綠色化關(guān)鍵工藝-裝備創(chuàng)新功能

SEII的底層是其實(shí)體部分，它既為SEII上層的數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)資源，又接受并執(zhí)行上層決策的指令，控制生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化運(yùn)行。SEII底層包含3類實(shí)驗(yàn)設(shè)備，即原理性實(shí)驗(yàn)儀器、過(guò)渡性的中試裝備、企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)線（LPPL，Lab-Pilot-Production Line）。它們都是向系統(tǒng)（包括邊緣和云中的數(shù)據(jù)/機(jī)器學(xué)習(xí)單元）提供數(shù)據(jù)的工具。

第一類實(shí)驗(yàn)設(shè)備是原理性的實(shí)驗(yàn)室研究設(shè)施，即各類模擬研究系統(tǒng)（全流程、全場(chǎng)景）和檢驗(yàn)、分析系統(tǒng)等。

第二類實(shí)驗(yàn)設(shè)備是各工序過(guò)渡性中試設(shè)備（Pilot Facilities），即按比例縮小的生產(chǎn)線原型系統(tǒng)。軋制及熱處理的中試研究設(shè)備可以在學(xué)校、研究單位、企業(yè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建設(shè)；但前部冶金工序的中試設(shè)備應(yīng)滿足環(huán)境、公輔介質(zhì)、能源電力配套設(shè)施等方面的高要求，需要在企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境中建設(shè)。

第三類是生產(chǎn)線的設(shè)備，既包括生產(chǎn)線的主體設(shè)備，也包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下主體設(shè)備的管理、控制系統(tǒng)和各類公輔設(shè)施。由于實(shí)際生產(chǎn)線也包含在內(nèi)，所以底層設(shè)備上安裝的執(zhí)行機(jī)構(gòu)將接收邊緣部分發(fā)出的指令，調(diào)整設(shè)備操作設(shè)定值，控制設(shè)備智能、優(yōu)化運(yùn)行。

上述三部分統(tǒng)一在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)下，成為一個(gè)整體，它既是向系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)工具，又通過(guò)自己不斷更新與進(jìn)步而成為企業(yè)綠色化工藝與裝備“智能制造”的研發(fā)創(chuàng)新平臺(tái)。為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的綠色化轉(zhuǎn)型，需要從原理到中試再到生產(chǎn)線，對(duì)工藝、裝備進(jìn)行改進(jìn)或升級(jí)，依次進(jìn)行新原理實(shí)驗(yàn)室儀器和相應(yīng)的中試裝備的開(kāi)發(fā)研究，提供數(shù)據(jù)以開(kāi)發(fā)新的綠色化工藝與裝備的原型設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造、安裝、調(diào)試生產(chǎn)線的新工藝、新裝備，利用在線運(yùn)行數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)新工藝、新裝備的調(diào)試和優(yōu)化運(yùn)行，創(chuàng)造價(jià)值。這是一系列工藝-裝備-產(chǎn)品-服務(wù)一體化的創(chuàng)新過(guò)程，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色化發(fā)展必不可少的基礎(chǔ)手段。

中國(guó)改革開(kāi)放后，生產(chǎn)線工藝、設(shè)備以及產(chǎn)品技術(shù)主要靠引進(jìn)，實(shí)驗(yàn)室儀器、中試裝備等創(chuàng)新手段基本處于空白，更談不上自主創(chuàng)新綠色化工藝與裝備的能力。國(guó)外當(dāng)時(shí)雖然有少量研究?jī)x器和設(shè)備，但是他們不肯將這些核心技術(shù)出售。即使為了拿到項(xiàng)目他們勉強(qiáng)出售幾件，使用效果也不好，例如某公司引進(jìn)的電工鋼研究設(shè)備，從購(gòu)入就從未好用過(guò)。因此，當(dāng)時(shí)中國(guó)僅有的少數(shù)產(chǎn)品技術(shù)研究均以實(shí)際生產(chǎn)線上的大生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)為主，例如使用200～300 t/爐的轉(zhuǎn)爐鋼水和每塊30～50 t重的鋼坯，研究開(kāi)發(fā)成本奇高，效率極差，根本無(wú)法完成研究?jī)?yōu)化的目標(biāo)。到1998年，寶鋼首先提出了對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器和中試裝備的需求，推動(dòng)了中國(guó)有關(guān)院校實(shí)驗(yàn)室儀器和中試裝備的研發(fā)。經(jīng)過(guò)近20余年的持續(xù)不斷努力，中國(guó)鋼鐵企業(yè)不但逐漸具有了底層工藝、裝備、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的研究手段和原始創(chuàng)新能力，而且具有了設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、應(yīng)用創(chuàng)新工業(yè)產(chǎn)線設(shè)備的能力。這些發(fā)展企業(yè)的思路和措施，保證了中國(guó)綠色化工藝、裝備的自主研發(fā)和創(chuàng)新。

正是SEII底層的各類實(shí)驗(yàn)設(shè)備為大家提供了這種能力。它們可以通過(guò)改革創(chuàng)新底層實(shí)驗(yàn)儀器、中試裝備乃至生產(chǎn)線的工藝與裝備，進(jìn)行原有生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化創(chuàng)新，打通生產(chǎn)流程中的“痛點(diǎn)”“堵點(diǎn)”“難點(diǎn)”，化解“短板”，解決生產(chǎn)過(guò)程面臨的環(huán)境、資源、排放等綠色化問(wèn)題，促進(jìn)企業(yè)的綠色化發(fā)展。

因此，可以說(shuō)SEII具有綠色化關(guān)鍵工藝-裝備創(chuàng)新能力。

1.3.2 SEII：超級(jí)智能的CPS過(guò)程控制功能

鋼鐵行業(yè)的邊緣部分緊挨著生產(chǎn)線。位于邊緣的過(guò)程控制系統(tǒng)承擔(dān)生產(chǎn)線操作規(guī)程預(yù)設(shè)定（有些情況下還有動(dòng)態(tài)設(shè)定）的任務(wù)，設(shè)定模型的精度和水平直接與產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、過(guò)程穩(wěn)定性密切相關(guān)，這是鋼鐵企業(yè)的核心創(chuàng)新能力所在。

引進(jìn)的邊緣系統(tǒng)時(shí)至今日仍然是模型或經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的，精度水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)迫在眉睫，刻不容緩。SEII提供破解“黑箱”的數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等科學(xué)方法，可以用來(lái)分析底層信息感知獲得的數(shù)據(jù)，從而形成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行科學(xué)分析的原位分析系統(tǒng)，建立起描述生產(chǎn)過(guò)程中材料形狀、組織、表面各要素演變規(guī)律的數(shù)字孿生?；跀?shù)據(jù)分析獲得的數(shù)字孿生模型和實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)，可以利用多目標(biāo)優(yōu)化的方法做出科學(xué)決策（即系統(tǒng)設(shè)定），并回饋到生產(chǎn)線由執(zhí)行機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)執(zhí)行，從而形成“信息感知、數(shù)據(jù)分析、科學(xué)決策、回饋賦能”的閉路賦能循環(huán)。底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)/執(zhí)行機(jī)構(gòu)與上層邊緣數(shù)據(jù)中心/機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)成雙層架構(gòu)，實(shí)時(shí)交互，回饋賦能，將企業(yè)實(shí)時(shí)控制過(guò)程由模型和機(jī)理驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，構(gòu)成全流程、全場(chǎng)景的自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)、高度自治的智能化控制系統(tǒng)，即CPS系統(tǒng)。

這是數(shù)字驅(qū)動(dòng)、軟件定義、高度自治的數(shù)字化、信息化、智能化控制系統(tǒng)，是世界上最先進(jìn)的現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程智能控制系統(tǒng)的精髓與核心。

因此，可以說(shuō)SEII具有超級(jí)智能的CPS過(guò)程控制功能。

1.3.3 SEII：高效率、低成本的產(chǎn)品創(chuàng)新功能

長(zhǎng)期以來(lái)，人們長(zhǎng)期依靠第一性原理等基礎(chǔ)研究理論，從原子-分子的層面開(kāi)始，經(jīng)過(guò)微觀-介觀-宏觀的大量理論研究和分析模擬，企圖實(shí)現(xiàn)材料開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新。但是，由于這種材料開(kāi)發(fā)過(guò)程巨大的工作量和諸多的“不確定性”，以及宏觀材料內(nèi)部組成和邊界條件的極端復(fù)雜性，這種方法嚴(yán)重延滯了材料開(kāi)發(fā)過(guò)程，推高了研發(fā)成本，影響材料業(yè)向制造業(yè)提供急需材料的進(jìn)度，以至于制約了制造業(yè)的快速發(fā)展。在這種情況下，作為高質(zhì)化核心的生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化與創(chuàng)新以及顛覆性、原創(chuàng)性、引領(lǐng)性新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，必然改變思路，繞過(guò)機(jī)理與經(jīng)驗(yàn)主導(dǎo)的建模方法，代之以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的、以數(shù)據(jù)/機(jī)器學(xué)習(xí)為主要認(rèn)知方式的數(shù)據(jù)科學(xué)方法，即數(shù)據(jù)分析方法，建立描述生產(chǎn)過(guò)程中組織演變規(guī)律的數(shù)字孿生，與底層一起構(gòu)成CPS，進(jìn)而利用生產(chǎn)線的大數(shù)據(jù)信息解決新材料開(kāi)發(fā)過(guò)程中的各種“不確定性”問(wèn)題，進(jìn)行材料設(shè)計(jì)、規(guī)程設(shè)定、實(shí)時(shí)控制，大幅提高新產(chǎn)品的研發(fā)效率，降低新產(chǎn)品的研發(fā)成本，發(fā)揮數(shù)據(jù)科學(xué)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)結(jié)合的“放大、倍增、疊加”作用，高效率、低成本滿足制造業(yè)對(duì)鋼鐵原料的需求，解決長(zhǎng)期存在的材料“卡脖子”問(wèn)題。

當(dāng)然，在高質(zhì)量、低成本快速完成材料的研發(fā)之后，研究者可以依據(jù)實(shí)際研發(fā)結(jié)果，進(jìn)行深入的理論分析，找到解決問(wèn)題的核心和關(guān)鍵，借此倒逼理論研究水平快速提升，發(fā)現(xiàn)新的原理和機(jī)制，從而推動(dòng)新一代材料科學(xué)的發(fā)展。

所以，SEII具有高效率低成本的產(chǎn)品創(chuàng)新功能。

1.3.4 SEII：全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)管理優(yōu)化運(yùn)行功能

1）企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的全流程資源配置與管理功能。

云中原有的MES、ERP管控系統(tǒng)依照模型與機(jī)理驅(qū)動(dòng)的設(shè)定系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程計(jì)劃與管理，在生產(chǎn)過(guò)程中依照操作時(shí)序啟動(dòng)相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的自動(dòng)化控制。所以，這是一個(gè)模型驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化系統(tǒng)。但是，在經(jīng)過(guò)徹底數(shù)字化改造的SEII體系中，云中的資源配置與管理系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中隨時(shí)接收來(lái)自數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的邊緣信息物理系統(tǒng)的設(shè)定計(jì)算指令，進(jìn)行生產(chǎn)、質(zhì)量、計(jì)劃、物流、能源、排放、成本、原料、市場(chǎng)、人力資源、標(biāo)識(shí)、安全等資源的配置與優(yōu)化，由邊緣指揮底層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，向生產(chǎn)線提供物質(zhì)和能量，支持邊緣CPS循環(huán)賦能過(guò)程完美實(shí)現(xiàn)。與底層-邊緣之間的信息物理系統(tǒng)不同，這是一個(gè)十分復(fù)雜、范圍廣泛的信息傳遞過(guò)程。

與此同時(shí)，云中部分還不斷地接收來(lái)自底層信息采集系統(tǒng)的大量設(shè)備、物流、能源等方面的運(yùn)行數(shù)據(jù)狀態(tài)信息，利用云中的數(shù)據(jù)/機(jī)器學(xué)習(xí)單元（Ⅱ）對(duì)設(shè)備、物流、能源、排放等過(guò)程進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)分析，評(píng)估運(yùn)行過(guò)程的健康性，以及對(duì)運(yùn)行和維修等過(guò)程進(jìn)行操作指導(dǎo)，從而保證邊緣與底層構(gòu)成的信息物理系統(tǒng)健康、正常運(yùn)行。

2）SEII具有全產(chǎn)業(yè)鏈一體化協(xié)調(diào)、優(yōu)化運(yùn)行的數(shù)字化管理功能。

對(duì)企業(yè)所處的全產(chǎn)業(yè)鏈而言，SEII具有全產(chǎn)業(yè)鏈一體化協(xié)調(diào)、優(yōu)化管理運(yùn)行功能。企業(yè)SEII云中的系統(tǒng)還通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與鋼鐵原料行業(yè)，即鐵礦采選、煤炭、能源行業(yè)等緊密相連，在原料與能源供應(yīng)、質(zhì)量控制、物流平衡等方面協(xié)同合作。鋼鐵行業(yè)的銷售部門，還要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與下游的各行業(yè)用戶融通，在市場(chǎng)分析、產(chǎn)品銷售、質(zhì)量保證、后續(xù)制造技術(shù)交底服務(wù)、物流平衡與管理等方面進(jìn)行戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)方面的協(xié)調(diào)與配合。云中系統(tǒng)與上下游的協(xié)調(diào)式連接，助力形成完整的、強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)鏈。

未來(lái)，隨著在鋼鐵企業(yè)逐步建立起SEII，國(guó)家將通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)建立起國(guó)家統(tǒng)一管理的全國(guó)、地方、企業(yè)多層級(jí)的大型SEII管理系統(tǒng)，用以管理和指導(dǎo)各行業(yè)、各級(jí)SEII系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行、改進(jìn)與發(fā)展，形成一個(gè)強(qiáng)大、完整、安全的全產(chǎn)業(yè)鏈一體化協(xié)調(diào)、優(yōu)化運(yùn)行的數(shù)字化管理系統(tǒng)。

產(chǎn)業(yè)鏈安全是企業(yè)的生命線。SEII連接產(chǎn)業(yè)鏈的上下游、貫穿鋼鐵材料全生命周期，利用數(shù)字技術(shù)協(xié)調(diào)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈的一體化運(yùn)行，強(qiáng)鏈補(bǔ)鏈，實(shí)現(xiàn)對(duì)上下游以及全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期的優(yōu)化服務(wù)和安全運(yùn)行。鋼鐵生產(chǎn)者不但要承擔(dān)起生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)資源和環(huán)境的責(zé)任，而且要承擔(dān)起鋼鐵產(chǎn)品設(shè)計(jì)、流通消費(fèi)、回收利用、廢物處置等全生命周期的資源與環(huán)境責(zé)任，保護(hù)環(huán)境，造福社會(huì)，惠及子孫萬(wàn)代。

所以，SEII具有全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)、優(yōu)化、管理運(yùn)行功能。

1.3.5 鋼鐵創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施的總體功能

SEII是數(shù)據(jù)時(shí)代鋼鐵工業(yè)最先進(jìn)的數(shù)字化、智能化科技創(chuàng)新系統(tǒng)。它具有4個(gè)重要功能，即綠色化關(guān)鍵工藝-裝備創(chuàng)新功能（綠色化）、超級(jí)智能的CPS過(guò)程控制功能（數(shù)字化）、高效率低成本的產(chǎn)品創(chuàng)新功能（高質(zhì)化）、全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)管理優(yōu)化運(yùn)行功能（強(qiáng)鏈化）。根據(jù)“圍繞產(chǎn)業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈，圍繞創(chuàng)新鏈布局產(chǎn)業(yè)鏈”的原則，可以確定這4個(gè)功能之間的邏輯關(guān)系。其中“綠色化”“高質(zhì)化”“強(qiáng)鏈化”的實(shí)現(xiàn)，最終需要高新技術(shù)的支撐。對(duì)材料行業(yè)來(lái)講，這種支撐來(lái)自“數(shù)字化”功能，“綠色化”“高質(zhì)化”“強(qiáng)鏈化”最終歸結(jié)為“產(chǎn)業(yè)數(shù)字化”，歸結(jié)為將實(shí)體經(jīng)濟(jì)與數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字技術(shù)的深度融合。所以，“鋼鐵產(chǎn)業(yè)數(shù)字化”是實(shí)現(xiàn)鋼鐵“四化”的可靠抓手。而數(shù)字化的核心是超級(jí)智能的CPS，它的建設(shè)和發(fā)展將破解鋼鐵行業(yè)全流程“黑箱”，使其變“透明”，建立鋼鐵行業(yè)的智慧“大腦”，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)“綠色化”“高質(zhì)化”“強(qiáng)鏈化”，創(chuàng)新發(fā)展、轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)“綠色化、數(shù)字化、高質(zhì)化、強(qiáng)鏈化”的宏偉目標(biāo)，提高企業(yè)持續(xù)發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)中國(guó)鋼鐵行業(yè)成為國(guó)際領(lǐng)先的行業(yè)集群。

所以，建設(shè)SEII是鋼鐵企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的強(qiáng)烈需求，必建不可。而建設(shè)SEII最核心、最關(guān)鍵的任務(wù)就是建立鋼鐵行業(yè)的“大腦”，建立鋼鐵行業(yè)的指揮中心，建立可以自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織、高度自治的管理、控制系統(tǒng)——信息物理系統(tǒng)。

拼盡全力，加速建設(shè)“數(shù)字鋼鐵”，實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，是大家必須承擔(dān)的光榮而艱巨的戰(zhàn)略任務(wù)！

當(dāng)然，隨著社會(huì)的發(fā)展，又會(huì)提出新的問(wèn)題、新的需求，因而需要開(kāi)發(fā)新的工藝和裝備、研究制造前所未有的產(chǎn)品，SEII必須推陳創(chuàng)新、不斷進(jìn)步，與時(shí)俱進(jìn)，持續(xù)發(fā)展。SEII的發(fā)展和創(chuàng)新沒(méi)有盡頭，歷久彌新，永遠(yuǎn)在路上。

因此，高校、研究機(jī)構(gòu)的科研人員，必須與企業(yè)深度融合，同心協(xié)力，艱苦奮斗，全力建設(shè)SEII。不僅與企業(yè)一起開(kāi)發(fā)、建設(shè)SEII，形成企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，支撐企業(yè)在SEII的基礎(chǔ)上優(yōu)化運(yùn)行、生產(chǎn)、創(chuàng)造價(jià)值，而且能夠與企業(yè)一起持續(xù)不斷的創(chuàng)新，不斷發(fā)展SEII，以綠色化、數(shù)字化、高質(zhì)化、強(qiáng)鏈化的創(chuàng)新成果，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防安全、人民生活不斷提出的新需求。

2 SEII的進(jìn)展

2.1 SEII進(jìn)展之一：支撐鋼鐵行業(yè)綠色化轉(zhuǎn)型

2.1.1 基于SEII底層的鋼鐵行業(yè)綠色化轉(zhuǎn)型

20世紀(jì)90年代開(kāi)始，鋼鐵行業(yè)即已開(kāi)始SEII底層的自主開(kāi)發(fā)、建設(shè)與應(yīng)用，以解決企業(yè)面臨的綠色化問(wèn)題。

國(guó)外鋼鐵企業(yè)也沒(méi)有系統(tǒng)的SEII底層研究與開(kāi)發(fā)的經(jīng)歷。20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)正處于“引進(jìn)”“跟跑”階段，還談不上自主開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新。雖然也曾經(jīng)利用生產(chǎn)設(shè)備開(kāi)發(fā)新鋼種，但昂貴的研究成本和極低的綠色化實(shí)效使企業(yè)難以承受。

實(shí)行工藝-裝備-產(chǎn)品一體化的開(kāi)發(fā)，必須經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)、中試裝備開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)線設(shè)備開(kāi)發(fā)3個(gè)階段，這些儀器和裝備用以提供一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)高校與研究機(jī)構(gòu)圍繞企業(yè)對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器、中試裝備的需求，持續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬、檢驗(yàn)、分析設(shè)備與冶金加工中試設(shè)備的開(kāi)發(fā)，協(xié)助企業(yè)技術(shù)中心、研究院建設(shè)完善的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。截至目前，高校與研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)為寶武、鞍鋼、太鋼、沙鋼、包鋼、河鋼等大型企業(yè)提供了與各自產(chǎn)品特色相匹配的實(shí)驗(yàn)室模擬分析設(shè)備，例如熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)、連續(xù)退火模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)、取向與無(wú)取向硅鋼熱處理模擬分析裝備、不銹鋼熱處理模擬裝備等。為這些公司的技術(shù)中心、研究院等研究開(kāi)發(fā)平臺(tái)建設(shè)了小型連鑄實(shí)驗(yàn)機(jī)和熱軋實(shí)驗(yàn)軋機(jī)、溫軋實(shí)驗(yàn)軋機(jī)、冷軋實(shí)驗(yàn)軋機(jī)等軋制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，協(xié)助他們將小高爐、小轉(zhuǎn)爐、電渣爐等改造成為中試設(shè)備。目前，中國(guó)鋼鐵行業(yè)采用的研究與中試裝備完全自主供給，還有一些研究?jī)x器和設(shè)備逆向輸出到發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)。高校與研究機(jī)構(gòu)的科研人員變“授之以魚(yú)”為“授之以漁”，使企業(yè)具有了自主創(chuàng)新能力。企業(yè)認(rèn)為，這是“為企業(yè)插上騰飛的翅膀，裝上永不停歇的發(fā)動(dòng)機(jī)”。高校、研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)合作完成的項(xiàng)目“現(xiàn)代軋制技術(shù)、裝備和產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新平臺(tái)”，2012年獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

以實(shí)驗(yàn)室與中試實(shí)驗(yàn)設(shè)備為基礎(chǔ)，高校與研究機(jī)構(gòu)進(jìn)一步與鋼鐵企業(yè)合作，與一重、二重、營(yíng)口流體、太重、常熟重機(jī)等機(jī)械制造企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，進(jìn)行生產(chǎn)線上重要工藝與裝備技術(shù)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)中厚板軋機(jī)、熱軋后超快冷系統(tǒng)、熱處理生產(chǎn)線輥式淬火機(jī)等綠色化重型裝備及控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化和自主化，從而實(shí)現(xiàn)了SEII底層裝備的全面系列自主創(chuàng)新，項(xiàng)目“首鋼3 500 mm中厚板軋機(jī)核心軋制技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備研制”“國(guó)產(chǎn)1 450熱連軋關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備研究與應(yīng)用”“熱軋板帶鋼新一代控軋控冷技術(shù)及應(yīng)用”“高等級(jí)中厚鋼板連續(xù)輥式淬火關(guān)鍵技術(shù)、裝備及應(yīng)用”等先后獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)“中國(guó)制造”的設(shè)備掀開(kāi)了國(guó)家創(chuàng)新歷史新的一頁(yè)，對(duì)中國(guó)鋼鐵業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。

2.1.2 2011協(xié)同創(chuàng)新中心產(chǎn)學(xué)研深度融合，工藝-裝備-產(chǎn)品一體化協(xié)同創(chuàng)新，促進(jìn)鋼鐵行業(yè)綠色化轉(zhuǎn)型

2014年，國(guó)家批準(zhǔn)建立2011鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，中心與企業(yè)協(xié)同，進(jìn)行了一大批工藝裝備研究平臺(tái)的合作開(kāi)發(fā)與建設(shè)。

鋼鐵協(xié)同創(chuàng)新中心按照既定的綠色化目標(biāo)，積極組織研究力量，面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，面向經(jīng)濟(jì)社會(huì)主戰(zhàn)場(chǎng)，面向世界科技發(fā)展前沿，面向人民的生命健康，形成了涵蓋選礦、煉鐵、煉鋼、連鑄、熱軋、冷軋及短流程工藝在內(nèi)的鋼鐵生產(chǎn)全流程工藝與裝備技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

針對(duì)鋼鐵流程中“痛點(diǎn)”“難點(diǎn)”“堵點(diǎn)”“短板”，團(tuán)隊(duì)加強(qiáng)SEII底層的建設(shè)，進(jìn)行鋼鐵全流程、工藝-裝備-產(chǎn)品一體化協(xié)同創(chuàng)新，節(jié)能減排，提質(zhì)增效，解決鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)的資源與環(huán)境問(wèn)題，努力實(shí)現(xiàn)全流程綠色化生產(chǎn)。

鋼鐵協(xié)同創(chuàng)新中心工藝與裝備創(chuàng)新平臺(tái)凝練出“先進(jìn)冶煉、連鑄工藝與裝備技術(shù)”“先進(jìn)常規(guī)流程熱軋工藝與裝備技術(shù)”“先進(jìn)短流程熱軋工藝與裝備技術(shù)”“先進(jìn)冷軋、熱處理和涂鍍工藝與裝備技術(shù)”“綠色資源開(kāi)發(fā)利用”等5個(gè)工藝裝備研發(fā)的綠色化方向。同時(shí)又圍繞上述方向凝練出重要的數(shù)字化方向“鋼鐵行業(yè)與有色行業(yè)智能制造”，對(duì)前面5個(gè)研究方向?qū)嵤┊a(chǎn)業(yè)數(shù)字化的支撐。協(xié)同創(chuàng)新中心沿著這些研究方向，與20余家鋼鐵企業(yè)、50余條生產(chǎn)線開(kāi)展協(xié)同創(chuàng)新，共同開(kāi)發(fā)了15項(xiàng)綠色化、數(shù)字化關(guān)鍵共性技術(shù)，涵蓋鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的全流程、全場(chǎng)景。這些工作為鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展、實(shí)現(xiàn)“綠色化、數(shù)字化、高質(zhì)化、強(qiáng)鏈化”發(fā)揮了不可替代的重要作用，得到行業(yè)的認(rèn)可和企業(yè)的高度評(píng)價(jià)。

在此期間，中心牽頭承擔(dān)國(guó)家“十三五”項(xiàng)目7項(xiàng)，參加“十三五”項(xiàng)目63項(xiàng)，承擔(dān)企業(yè)重大科研項(xiàng)目（合同額超過(guò)500萬(wàn)元）103項(xiàng)。中心還承擔(dān)NSFC重大項(xiàng)目2項(xiàng)，重點(diǎn)項(xiàng)目28項(xiàng)，面上項(xiàng)目42項(xiàng)，各級(jí)、各類縱向科研經(jīng)費(fèi)近5億元。

中心運(yùn)行以來(lái)，牽頭項(xiàng)目“高品質(zhì)特殊鋼綠色高效電渣重熔關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用”獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、項(xiàng)目“鋼材熱軋過(guò)程氧化行為控制技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用”“連鑄凝固末端重壓下技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”“貧雜鐵礦石資源化利用關(guān)鍵技術(shù)集成與工業(yè)示范”等5項(xiàng)成果獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，此外還獲得省部級(jí)一等獎(jiǎng)32項(xiàng)、二等獎(jiǎng)31項(xiàng)，冶金科技特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、一等獎(jiǎng)12項(xiàng)、二等獎(jiǎng)11項(xiàng)。

在國(guó)家出版基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，總結(jié)在鋼鐵關(guān)鍵共性技術(shù)方面的實(shí)踐創(chuàng)新，由冶金工業(yè)出版社出版《鋼鐵工業(yè)協(xié)同創(chuàng)新關(guān)鍵共性技術(shù)叢書(shū)》，共23部，總計(jì)1 060余萬(wàn)字。該叢書(shū)應(yīng)Springer Nature公司的建議，正在翻譯出版，走向世界。該書(shū)的續(xù)集《鋼鐵工業(yè)協(xié)同創(chuàng)新關(guān)鍵共性技術(shù)叢書(shū)（續(xù)）》正在撰寫中。此外，還出版各類專著、教材、研究報(bào)告等76部。

為了總結(jié)建設(shè)期間協(xié)同創(chuàng)新的重要理論成果，2019年2月在《鋼鐵研究學(xué)報(bào)》以“協(xié)同創(chuàng)新，高質(zhì)量發(fā)展，建設(shè)世界先進(jìn)鋼鐵工業(yè)集群”為題的專輯發(fā)表了鋼鐵關(guān)鍵共性技術(shù)研究論文22篇。

2.1.3 近年全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，著手解決鋼鐵產(chǎn)品全生命周期帶來(lái)的資源與環(huán)境問(wèn)題

自2010年以來(lái)，中國(guó)鋼鐵行業(yè)開(kāi)始了延續(xù)20～30年的井噴式發(fā)展，年產(chǎn)鋼量約占世界年產(chǎn)鋼量的一半。這個(gè)高產(chǎn)周期必然導(dǎo)致未來(lái)出現(xiàn)一個(gè)高廢鋼周期，廢鋼增長(zhǎng)曲線與下降的鋼產(chǎn)量曲線將在30～50年后相交。此時(shí)廢鋼量將超過(guò)鋼鐵需求量，這意味著那時(shí)中國(guó)將進(jìn)入“全廢鋼”時(shí)代。富含鐵素的廢鋼資源將取代鐵礦石，成為“黃金礦產(chǎn)”資源。如果在今后30～50年的時(shí)間內(nèi)能夠很好地解決廢鋼資源的質(zhì)量問(wèn)題，則中國(guó)借此將大部分解決鋼鐵冶金生產(chǎn)帶來(lái)的“雙碳”問(wèn)題以及中國(guó)固有的鐵礦資源匱乏問(wèn)題。子孫萬(wàn)代將通過(guò)循環(huán)利用這些可再生資源而無(wú)鋼鐵后顧之憂。這是一個(gè)中國(guó)特色的問(wèn)題。

世紀(jì)之交，為應(yīng)對(duì)環(huán)境和資源方面的問(wèn)題，國(guó)際上提出了生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度（EPR）。2016年中國(guó)國(guó)務(wù)院出臺(tái)文件，推行EPR。文件指出：生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度是指將生產(chǎn)者對(duì)其產(chǎn)品承擔(dān)的資源環(huán)境責(zé)任從生產(chǎn)環(huán)節(jié)延伸到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、流通消費(fèi)、回收利用、廢物處置等全生命周期的制度。實(shí)施生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度，是加快生態(tài)文明建設(shè)和綠色循環(huán)低碳發(fā)展的內(nèi)在要求，對(duì)推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有積極意義。

因此，協(xié)同創(chuàng)新中心以EPR文件為指針，提出實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)廢鋼有效利用的“四全”和“四化”，即必須針對(duì)未來(lái)的全廢鋼時(shí)代，從鋼鐵材料全生命周期、全生產(chǎn)流程、全產(chǎn)業(yè)鏈（“四全”）協(xié)同，實(shí)現(xiàn)廢鋼資源的管理、循環(huán)和利用，加強(qiáng)全流程生產(chǎn)管理的數(shù)字化、信息化、標(biāo)識(shí)化以及優(yōu)質(zhì)廢鋼拆解回收機(jī)器人化（“四化”），進(jìn)行產(chǎn)業(yè)重構(gòu)和經(jīng)營(yíng)模式創(chuàng)新，以解決中國(guó)鋼鐵行業(yè)與制造業(yè)共同面臨的資源、能源、環(huán)境等重大問(wèn)題。廢鋼問(wèn)題必須立即從現(xiàn)在做起。

這項(xiàng)研究工作將解決鋼鐵產(chǎn)品全生命周期帶來(lái)的資源與環(huán)境問(wèn)題，徹底擺脫對(duì)高爐等鐵前系統(tǒng)的依賴，用高品質(zhì)廢鋼代替中國(guó)十分匱乏的鐵礦石，從根本上解決雙碳達(dá)標(biāo)和鐵礦資源匱乏兩大難題，實(shí)現(xiàn)中國(guó)鋼鐵行業(yè)的永續(xù)發(fā)展，為子孫萬(wàn)代造福，意義十分重大。

2.2 SEII進(jìn)展之二：加速鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型

2.2.1 數(shù)字化轉(zhuǎn)型創(chuàng)新之路

1）第一階段（1988—2014年），以熱軋鋼材組織性能預(yù)測(cè)技術(shù)和人工智能技術(shù)在軋制中的應(yīng)用為主進(jìn)行研究，并開(kāi)發(fā)熱軋板帶集約化生產(chǎn)技術(shù)。

中國(guó)關(guān)于鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的研究可以追溯到20世紀(jì)80年代。1988年，東北大學(xué)金屬加工系根據(jù)國(guó)際發(fā)展情況，開(kāi)始組織教師與研究生進(jìn)行熱軋鋼材組織性能預(yù)測(cè)技術(shù)的研究，為后來(lái)的數(shù)字孿生建模奠定了理論基礎(chǔ)。所以，本文就以1988年作為RAL從事數(shù)字化轉(zhuǎn)型研究的起始年份。這一階段的研究，在理論解析、實(shí)驗(yàn)研究、實(shí)際應(yīng)用等方面均取得了重要進(jìn)展。國(guó)際上首次發(fā)表了劉振宇等關(guān)于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于材料研究的論文。系列研究及應(yīng)用成果1999年獲得遼寧省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

2005年，上海梅鋼與東北大學(xué)RAL承擔(dān)國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃，針對(duì)梅鋼1 422熱連軋機(jī)，基于熱軋鋼材組織性能預(yù)測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)了智能化鋼種歸并技術(shù)，推行熱軋帶鋼集約化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了熱軋生產(chǎn)“一鋼多能”的目標(biāo)。這項(xiàng)技術(shù)簡(jiǎn)化了煉鋼和連鑄工藝，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成材率，縮短了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)了對(duì)市場(chǎng)需求的快速響應(yīng)，在生產(chǎn)中應(yīng)用高效穩(wěn)定，降低了合同余材。本項(xiàng)研究獲得冶金科技獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。

在此階段，RAL的自動(dòng)化團(tuán)隊(duì)圍繞鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，與冶金自動(dòng)化院、冶金企業(yè)的信息公司合作，建設(shè)了一批軋鋼廠自動(dòng)化系統(tǒng)，并初步應(yīng)用數(shù)字化、智能化技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新。其中，產(chǎn)學(xué)研合作完成的“首鋼3 500 mm中厚板軋機(jī)核心軋制技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備研制”“國(guó)產(chǎn)1 450熱連軋關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備研究與應(yīng)用”“冷軋板形控制核心技術(shù)自主研發(fā)與工業(yè)應(yīng)用”分別于2005年、2006年、2011年獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。熱連軋、冷連軋、中厚板廠的信息化、自動(dòng)化系統(tǒng)是這3個(gè)項(xiàng)目的重要內(nèi)容。

在此期間，RAL還乘當(dāng)時(shí)智能技術(shù)發(fā)展的機(jī)會(huì)，開(kāi)展軋制過(guò)程智能技術(shù)應(yīng)用研究，并在本鋼、寶鋼等工業(yè)產(chǎn)線應(yīng)用，提高了企業(yè)數(shù)字化、智能化的水平。RAL總結(jié)此階段智能化技術(shù)的研究成果，在冶金工業(yè)出版社出版專著《金屬軋制過(guò)程的人工智能優(yōu)化》，2001年金屬軋制過(guò)程的人工智能優(yōu)化項(xiàng)目獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

2）第二階段（2014—2017年），大數(shù)據(jù)背景下建立高保真度材料組織性能預(yù)測(cè)模型的研究。

2014年8月22日在東北大學(xué)RAL召開(kāi)了“基于大數(shù)據(jù)的煉鋼-連鑄-軋鋼-熱處理一體化鋼鐵材料組織性能控制研討會(huì)”。會(huì)議分析了大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息通信技術(shù)為提高組織性能預(yù)測(cè)精度所帶來(lái)的機(jī)遇，確立了基于大數(shù)據(jù)的一體化鋼鐵材料組織性能控制的任務(wù)與目標(biāo)。2015年，基于大數(shù)據(jù)的智能化熱軋工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作啟動(dòng)，先后與鞍鋼、寶鋼梅鋼、河鋼承鋼合作，以工業(yè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，利用大數(shù)據(jù)處理與挖掘技術(shù)，進(jìn)行材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)，獲得高保真度的預(yù)測(cè)模型，即數(shù)字孿生，為鋼材性能的高精度智能化控制奠定了基礎(chǔ)。

3）第三階段（2017—2019年），信息物理系統(tǒng)和數(shù)字孿生的研究。

RAL承擔(dān)了“十三五”原材料領(lǐng)域關(guān)于智能制造的3項(xiàng)重點(diǎn)專項(xiàng)。借此契機(jī)，東北大學(xué)與各合作單位協(xié)同努力，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為載體，利用大數(shù)據(jù)/AI對(duì)數(shù)學(xué)模型優(yōu)化，建立高精度的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)孿生，形成CPS系統(tǒng)的核心，部分技術(shù)應(yīng)用于鞍鋼、河鋼承鋼等鋼鐵企業(yè)熱軋過(guò)程。

4）第四階段（2019年至今），與河鋼邯鋼、撫順新鋼鐵、鞍鋼等單位合作，SEII建設(shè)由探索階段逐步進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段。

該階段的研究?jī)?nèi)容包括SEII的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、底層的組成與建設(shè)、數(shù)據(jù)科技求解邊緣“黑箱”系統(tǒng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的信息物理系統(tǒng)、云中資源配置與管理系統(tǒng)、軟件定義下的系統(tǒng)改造、建設(shè)路徑、關(guān)鍵技術(shù)、鋼鐵數(shù)字化轉(zhuǎn)型的成本和工期、數(shù)字化隊(duì)伍技術(shù)建設(shè)、創(chuàng)新生態(tài)等。目前，這些問(wèn)題的路數(shù)基本清楚，多數(shù)在鋼鐵生產(chǎn)流程中進(jìn)行研究和付諸實(shí)施。通過(guò)產(chǎn)學(xué)研的協(xié)同創(chuàng)新，目前鐵前、軋鋼、轉(zhuǎn)爐煉鋼的SEII試點(diǎn)建設(shè)取得重要進(jìn)展，連鑄也在不斷探索、前進(jìn)、取得進(jìn)展中。

經(jīng)過(guò)30余年產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，在基礎(chǔ)研究和工業(yè)實(shí)踐上均取得突破，以CPS為核心的鋼鐵工業(yè)“大腦”統(tǒng)領(lǐng)鋼鐵生產(chǎn)大踏步前進(jìn)，迎來(lái)鋼鐵生產(chǎn)全流程數(shù)字化轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展的大好局面。

2.2.2 鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化轉(zhuǎn)型取得突破性進(jìn)展

1）產(chǎn)學(xué)研深度融合，高爐數(shù)字化轉(zhuǎn)型成果斐然。

鐵前團(tuán)隊(duì)在撫順新鋼鐵700 m3高爐進(jìn)行“數(shù)字煉鐵”、高爐數(shù)字化轉(zhuǎn)型的研究，完成“數(shù)據(jù)和機(jī)理雙驅(qū)動(dòng)的智能化煉鐵關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目。2021年底通過(guò)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)鑒定。專家認(rèn)為，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，局部國(guó)際領(lǐng)先。

與撫順新鋼鐵合作，承擔(dān)發(fā)改委國(guó)家重大低碳項(xiàng)目“高爐大數(shù)據(jù)智能降碳關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”。

承擔(dān)中國(guó)寶武“鋼鐵工業(yè)大腦”戰(zhàn)略項(xiàng)目，研究寶鋼4號(hào)高爐基于數(shù)據(jù)信息與機(jī)器學(xué)習(xí)方法分析渣皮脫落對(duì)爐溫的影響，并承擔(dān)寶鋼4號(hào)高爐三維操作爐型在線監(jiān)控模型的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用專題。

承擔(dān)中國(guó)寶武低碳基金基于工業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能的高爐智能化煉鐵基礎(chǔ)研究。

此外，還承擔(dān)本鋼、昆鋼、河鋼邯鋼的企業(yè)合作項(xiàng)目，分別對(duì)高爐爐缸活躍性、智能配礦系統(tǒng)、爐熱等問(wèn)題進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)高爐的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2022年以來(lái)開(kāi)始的一批企業(yè)合作的數(shù)字化煉鐵項(xiàng)目聚焦于高爐整體運(yùn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型以及數(shù)字化配礦、燒結(jié)、球團(tuán)、焦化等技術(shù)的協(xié)同開(kāi)發(fā)。

2）產(chǎn)學(xué)研深度融合，軋鋼廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型加速推進(jìn)。

與山鋼等企業(yè)合作，在山鋼4 300中厚板等生產(chǎn)線完成項(xiàng)目“基于機(jī)器視覺(jué)的寬厚板輪廓及板形CPS智能制造技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”“高端精品帶鋼高效冷軋數(shù)智化生產(chǎn)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)與產(chǎn)業(yè)化”“高精度冷連軋數(shù)字孿生模型與CPS系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用”等3項(xiàng)科研項(xiàng)目，分別獲得2022年冶金科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2022年機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、2023年遼寧省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

2022年與寶鋼、鞍鋼、河鋼、山鋼等單位共同承擔(dān)科技部“十四五”重點(diǎn)專項(xiàng)“鋼鐵軋制全流程工藝優(yōu)化與管控軟件開(kāi)發(fā)”，已經(jīng)啟動(dòng)執(zhí)行。

2022年承擔(dān)遼寧省科技廳重大項(xiàng)目，“遼寧-鞍鋼-東大高品質(zhì)鋼鐵材料制備及應(yīng)用中試基地項(xiàng)目”。含鞍鋼3個(gè)軋鋼廠，均為建設(shè)原位分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，項(xiàng)目在進(jìn)行中。

2.2.3 2022年10月：《數(shù)字鋼鐵白皮書(shū)》發(fā)布

為加快建設(shè)“數(shù)字中國(guó)”，實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動(dòng)數(shù)字鋼鐵建設(shè)，張殿華教授領(lǐng)導(dǎo)的東北大學(xué)數(shù)字鋼鐵團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家總結(jié)協(xié)同創(chuàng)新隊(duì)伍在產(chǎn)業(yè)數(shù)字化攻關(guān)中的成果，撰寫了《數(shù)字鋼鐵白皮書(shū)》。2021年11月23日，由中國(guó)金屬學(xué)會(huì)、冶金工業(yè)出版社主辦，東北大學(xué)、軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室協(xié)辦的《數(shù)字鋼鐵白皮書(shū)》首發(fā)暨鋼鐵工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型座談會(huì)，作為第13屆中國(guó)鋼鐵年會(huì)的分會(huì)場(chǎng)以線上線下結(jié)合的方式召開(kāi)。

冶金工業(yè)出版社蘇長(zhǎng)永社長(zhǎng)、中國(guó)工程院原副院長(zhǎng)干勇院士、中國(guó)工程院錢鋒院士、中國(guó)金屬學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)張曉剛、中國(guó)金屬學(xué)會(huì)常務(wù)副理事長(zhǎng)田志凌等在致辭中指出，《數(shù)字鋼鐵白皮書(shū)》觀點(diǎn)清晰、案例翔實(shí)，必將凝聚行業(yè)共識(shí)，加快推動(dòng)鋼鐵工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型；《數(shù)字鋼鐵白皮書(shū)》的發(fā)布，為鋼鐵行業(yè)優(yōu)化升級(jí)，開(kāi)辟新領(lǐng)域、新賽道指明了方向；將開(kāi)啟中國(guó)鋼鐵數(shù)字化轉(zhuǎn)型新的里程碑。

數(shù)字鋼鐵團(tuán)隊(duì)正在撰寫的《數(shù)字鋼鐵關(guān)鍵技術(shù)叢書(shū)》，已經(jīng)與冶金工業(yè)出版社簽訂合同，并入選2023年國(guó)家新聞出版署審定的重點(diǎn)出版圖書(shū)項(xiàng)目。這套叢書(shū)重點(diǎn)闡述在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G通訊網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代數(shù)字化、信息化技術(shù)支撐下的鋼鐵行業(yè)產(chǎn)學(xué)研深度融合，在選礦、煉鐵、煉鋼、連鑄、熱軋、冷軋、熱處理等各個(gè)工序數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中攻克關(guān)鍵技術(shù)，為中國(guó)和世界鋼鐵工業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

2.3 SEII進(jìn)展之三：推動(dòng)鋼鐵產(chǎn)品走向世界前列

聚焦顛覆性的工藝和裝備技術(shù)，不斷開(kāi)發(fā)“第一”或“唯一”產(chǎn)品?！皼](méi)有最好，只有更好”。以“四個(gè)面向”為導(dǎo)向，聚焦綠色、高端、優(yōu)質(zhì)鋼鐵產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，將成果用到大國(guó)重器上，用到尖端武器上，用到人民的生活中。

由于數(shù)字化技術(shù)在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品具有“放大、倍增、疊加”作用，應(yīng)當(dāng)加速建設(shè)SEII，發(fā)揮其高效率、低成本產(chǎn)品創(chuàng)新功能的作用，提高新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率，降低新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本，利用數(shù)字化促進(jìn)鋼鐵產(chǎn)品向高質(zhì)化、高端化發(fā)展。

2.3.1 利用SEII底層提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離線建模分析，開(kāi)發(fā)高新產(chǎn)品

前已述及，利用SEII底層具備的UFC等在線組織調(diào)控設(shè)備和輥式淬火機(jī)等離線熱處理裝備，可以進(jìn)行熱軋鋼材組織性能調(diào)控。故在目前生產(chǎn)線完整地完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型之前，利用SEII底層實(shí)驗(yàn)室儀器、中試裝備、生產(chǎn)線裝備（LPPL）逐級(jí)實(shí)驗(yàn)，提供數(shù)據(jù)供離線建模和分析。近年來(lái)，利用開(kāi)發(fā)的在線和離線熱處理工藝與裝備進(jìn)行了多項(xiàng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，均已經(jīng)取得重要進(jìn)展，應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、人民生活的各領(lǐng)域，滿足了國(guó)家的重大需求。例如大型集裝箱船必需的高止裂性船板、豪華郵輪用大寬厚比薄中板、工程機(jī)械用超薄規(guī)格（厚度為2～5 mm）高強(qiáng)鋼板、耐磨板、海洋平臺(tái)齒條用超厚鋼板等。

鎳系低溫鋼是建造LNG超低溫儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施最重要的結(jié)構(gòu)材料，支撐能源、化工產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)清潔、高效發(fā)展，是發(fā)展清潔能源“卡脖子”的原材料。南鋼、鞍鋼、太鋼等單位與高校、研究單位產(chǎn)學(xué)研合作，在國(guó)家項(xiàng)目的支撐下，協(xié)同創(chuàng)新，積極進(jìn)行9Ni鋼、低鎳LNG鋼、高錳LNG船儲(chǔ)罐用鋼冶煉、連鑄、熱軋、熱處理、精整等全套生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)，取得了國(guó)際領(lǐng)先的創(chuàng)新成果，并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

高校師生與本鋼、北汽新能源、馬鋼、鞍鋼等企業(yè)合作，采用釩微合金化技術(shù)，世界首發(fā)2 000 MPa級(jí)熱沖壓鋼裸板在新車型上應(yīng)用。接著，又開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的薄鋁硅鍍層熱沖壓鋼及其激光拼焊一體式熱沖壓成形門環(huán)等技術(shù)。這一系列創(chuàng)新工作，打破了國(guó)外巨頭的壟斷，提高了產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，并已經(jīng)批量生產(chǎn)與應(yīng)用。

高校與南鋼、漣鋼等鋼鐵企業(yè)及三一重工、徐工等工程機(jī)械企業(yè)聯(lián)合，創(chuàng)新產(chǎn)銷研用深度融合模式，開(kāi)發(fā)出系列的熱處理裝備，生產(chǎn)不同厚度規(guī)格的Q890、Q960、Q1100、Q1300系列超高強(qiáng)鋼板。漣鋼的薄規(guī)格（最小厚度為2 mm）高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼和耐磨鋼國(guó)際領(lǐng)先，目前，已經(jīng)成為世界最大的薄規(guī)格熱處理高強(qiáng)板生產(chǎn)基地，具備年產(chǎn)能力120萬(wàn)t以上，成為生產(chǎn)薄規(guī)格高強(qiáng)鋼板的單項(xiàng)世界冠軍。

南鋼、山鋼等單位，在爐卷軋機(jī)上開(kāi)發(fā)厚度、板形等寬薄板穩(wěn)定化生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)最薄為3.5 mm的寬幅板材，實(shí)現(xiàn)了郵輪用寬薄板的穩(wěn)定生產(chǎn)，供貨中國(guó)豪華郵輪建造。

河鋼舞鋼與東北大學(xué)等高校深入合作，率先立項(xiàng)建設(shè)目前國(guó)內(nèi)唯一、斷面尺寸世界最大的大型板坯電渣爐，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于模具、發(fā)電、大飛機(jī)工程等特大重點(diǎn)工程。舞鋼與高校合作自主研制世界首套300 mm特厚板輥式淬火機(jī)等關(guān)鍵裝備，為大單重、大斷面、特殊用途厚板熱處理產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用奠定裝備技術(shù)基礎(chǔ)，180～210 mm厚度齒條鋼滿足了海洋工程的急需。河鋼舞鋼成為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)超厚熱處理鋼板的“單打世界冠軍”。

鞍鋼、南鋼、高校等單位合作，利用新一代控軋控冷技術(shù)與裝備開(kāi)發(fā)集裝箱船用高止裂性用鋼，國(guó)內(nèi)率先研發(fā)出厚度為100 mm的EH47、EH40止裂鋼板，實(shí)現(xiàn)了100 mm厚止裂鋼全球唯一供貨，應(yīng)用于多艘巨型24 000 TEU集裝箱船。

寶鋼與高校合作，自主創(chuàng)新，國(guó)際首創(chuàng)熱軋無(wú)縫鋼管在線組織性能調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)、裝備開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，引領(lǐng)鋼管生產(chǎn)技術(shù)更新?lián)Q代，開(kāi)發(fā)出高等級(jí)套管、管線管、結(jié)構(gòu)管等熱軋無(wú)縫鋼管的全新成分體系及工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了3大類品種、全規(guī)格系列化生產(chǎn)。

高校與企業(yè)合作開(kāi)發(fā)出復(fù)雜斷面型鋼的新一代TMCP系列裝備及控制技術(shù)，根據(jù)H型鋼的規(guī)格、產(chǎn)線特點(diǎn)及軋制工藝，分別開(kāi)發(fā)出型鋼軋后超快速冷卻及軋后淬火-回火系列成套裝備、控制系統(tǒng)及冷卻數(shù)學(xué)模型，成功應(yīng)用于馬鋼大型廠、津西鋼鐵、日照鋼鐵、河北天柱鋼鐵及馬鋼重型線等產(chǎn)線，解決了型材控軋控冷、提質(zhì)升級(jí)問(wèn)題。

高校研究鋼材熱軋氧化行為控制這一世界性難題，開(kāi)發(fā)出跟蹤熱軋過(guò)程氧化行為的智能控制系統(tǒng)，形成了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熱軋氧化鐵皮成套控制技術(shù)，不僅解決了普遍存在的典型表面缺陷問(wèn)題，而且使氧化皮因具有免酸洗、易酸洗或耐腐蝕等特殊功效而“變廢為寶”。目前該技術(shù)已經(jīng)推廣應(yīng)用于一大批鋼鐵企業(yè)，產(chǎn)品滿足了工程機(jī)械等下游合資企業(yè)對(duì)表面質(zhì)量的嚴(yán)格要求。目前該技術(shù)已經(jīng)輸出至韓國(guó)浦項(xiàng)制鐵、現(xiàn)代制鐵等企業(yè)生產(chǎn)線。

同時(shí)提升強(qiáng)度和塑性，是鋼鐵材料領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)存在的重大難題。面對(duì)上述挑戰(zhàn)，RAL袁國(guó)教授研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)在SEII底層的持續(xù)創(chuàng)新，提出“馬氏體拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)+亞穩(wěn)相調(diào)控”協(xié)同增塑新機(jī)制，成功制備出系列低成本C-Mn系新型超高強(qiáng)鋼，打破了超高強(qiáng)鋼對(duì)復(fù)雜制備工藝和昂貴合金成分的依賴，突破了現(xiàn)有2 000 MPa級(jí)馬氏體高強(qiáng)鋼抗拉強(qiáng)度-均勻伸長(zhǎng)率的性能邊界。實(shí)現(xiàn)了1 600～1 900 MPa屈服強(qiáng)度、2 000～2 400 MPa抗拉強(qiáng)度和18%～25%均勻伸長(zhǎng)率的極致性能。論文發(fā)表在2023年1月12日刊出的《Science》。目前，研究團(tuán)隊(duì)正在與企業(yè)合作，將該技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。

自21世紀(jì)以來(lái)，RAL完成的項(xiàng)目“寶鋼高等級(jí)汽車板品種、生產(chǎn)及使用技術(shù)的研究”“低碳鐵素體/珠光體鋼的超細(xì)晶強(qiáng)韌化與控制技術(shù)”分別獲得2004年、2005年國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，“提高C-Mn鋼綜合性能的微觀組織控制與制造技術(shù)“獲得2007年國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)”，“高釩高耐磨合金及復(fù)合技術(shù)的工程化應(yīng)用”獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

2.3.2 高效率、低成本的數(shù)據(jù)/機(jī)器學(xué)習(xí)方法研究取得重要進(jìn)展

RAL徐偉教授團(tuán)隊(duì)以材料基因工程理念為核心，展開(kāi)了“物理信息協(xié)同的多模態(tài)鋼鐵材料數(shù)據(jù)挖掘以及機(jī)理逆向揭示”的研究，針對(duì)鋼鐵材料體系數(shù)據(jù)所具有的多尺度長(zhǎng)鏈條、多來(lái)源多模態(tài)、高質(zhì)量數(shù)據(jù)不足等特點(diǎn)，通過(guò)多種數(shù)據(jù)挖掘策略的開(kāi)發(fā)，建立“先預(yù)測(cè)，再反向深化解析機(jī)制”的可解釋性人工智能建模思路，使人工智能算法反哺材料學(xué)的機(jī)制深化。具體而言，其創(chuàng)新性構(gòu)建了增維式卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多模態(tài)回歸網(wǎng)絡(luò)、損失累積式遷移學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)等適用于鋼鐵材料體系數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性新算法構(gòu)架，從而實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室小樣本條件下從固態(tài)相變普適性計(jì)算與相變機(jī)制反向深化，到復(fù)雜性能預(yù)測(cè)，乃至原型合金綜合設(shè)計(jì)的深化式數(shù)據(jù)挖掘與分析，并進(jìn)一步推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室小樣本數(shù)據(jù)與工業(yè)大數(shù)據(jù)的融合遷移，指導(dǎo)工業(yè)產(chǎn)品優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)室研發(fā)合金向工程化應(yīng)用的高效率轉(zhuǎn)化。該方法體系補(bǔ)足了純信息學(xué)方法在可解釋性方面的不足，提升了材料學(xué)方向?qū)?shù)據(jù)與復(fù)雜機(jī)制的解析深度，通過(guò)2個(gè)學(xué)科方法的深度有機(jī)結(jié)合，打破了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與物理冶金知識(shí)體系深入融合的學(xué)科壁壘，從而實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)挖掘的材料基因工程在鋼鐵材料領(lǐng)域的成功應(yīng)用。迄今，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在ACTA等材料頂級(jí)刊物上發(fā)表多篇有影響力的相關(guān)論文。

2.3.3 利用ML全局解析，解決金屬成形研究的難題

熱軋過(guò)程集成化程度極高、工序復(fù)雜，是鋼鐵生產(chǎn)的核心工序。生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)品組織演變、形狀尺寸和表面狀態(tài)三者強(qiáng)耦合、密切相關(guān)，且同處于一個(gè)典型的“黑箱”之中。自20世紀(jì)30年代以來(lái)，盡管進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，但是傳統(tǒng)建模方法研究均為形狀尺寸、組織性能和表面質(zhì)量彼此獨(dú)立進(jìn)行，沒(méi)能針對(duì)這些密切相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行全局分析，因而降低了各相關(guān)參數(shù)的預(yù)測(cè)精度，產(chǎn)品質(zhì)量控制無(wú)從談起。信息物理系統(tǒng)以高保真數(shù)字孿生為基礎(chǔ)，可實(shí)時(shí)優(yōu)化并精準(zhǔn)控制制造過(guò)程的全局，是擺脫上述難題困擾的全新技術(shù)途徑。為此，RAL劉振宇教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)工業(yè)大數(shù)據(jù)理論和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，利用軋件軋制力、組織演變與界面摩擦狀態(tài)在熱軋過(guò)程中的耦合關(guān)系，建立了高保真全局化動(dòng)態(tài)數(shù)字孿生模型，獲得了力能、變形、軋制、表面的高精度預(yù)測(cè)模型，大幅度提高了產(chǎn)品的控制精度與生產(chǎn)效率。

針對(duì)2 250 mm熱連軋生產(chǎn)鈦微合金高強(qiáng)鋼，通過(guò)耦合機(jī)器學(xué)習(xí)使熱軋過(guò)程全面“黑箱變白”，軋制力預(yù)測(cè)精度由國(guó)際TMIEC模型的±25%提升至±10%以內(nèi)，大幅降低了薄規(guī)格產(chǎn)品產(chǎn)生邊浪的風(fēng)險(xiǎn)；采用高保真組織演變數(shù)字孿生優(yōu)化了700 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼生產(chǎn)工藝，性能波動(dòng)降低50%以上且產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了免酸洗。4 300 mm產(chǎn)線生產(chǎn)高強(qiáng)管線鋼寬厚板，采用耦合機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)了高效軋制工藝，實(shí)現(xiàn)了奧氏體晶粒和析出相尺寸細(xì)化，在力學(xué)性能和道次軋制負(fù)荷保持不變的基礎(chǔ)上，使粗軋/精軋之間的待溫時(shí)間縮短近25%。

2.4 SEII進(jìn)展之四：強(qiáng)鏈補(bǔ)鏈，構(gòu)筑完整、和諧、協(xié)調(diào)、堅(jiān)韌的產(chǎn)業(yè)鏈

當(dāng)前，國(guó)際形勢(shì)錯(cuò)綜復(fù)雜，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革風(fēng)起云涌，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)更趨激烈。在這種情況下，盡管中國(guó)已擁有全球最完整的制造體系，但仍存在部分核心環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)受制于人、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力與高端產(chǎn)品供給能力有待提升等問(wèn)題。大家必須提高風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，既要鍛造產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈長(zhǎng)板，又要盡快補(bǔ)齊產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈短板，在關(guān)系國(guó)家安全的領(lǐng)域和節(jié)點(diǎn)下力氣攻關(guān)，構(gòu)建自主可控、安全可靠的自主供應(yīng)體系。

鋼鐵行業(yè)一定要強(qiáng)鏈補(bǔ)鏈，建設(shè)完整、和諧、協(xié)調(diào)、堅(jiān)韌的產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈，服務(wù)于社會(huì)發(fā)展和人民生活、服務(wù)于千秋萬(wàn)代的資源和環(huán)境，造福人民和社會(huì)，子孫萬(wàn)代幸福綿長(zhǎng)。產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)沁_(dá)到上述目標(biāo)的生命線、當(dāng)前“強(qiáng)鏈補(bǔ)鏈”是第一要?jiǎng)?wù)。

2.4.1 對(duì)接合作、協(xié)同創(chuàng)新、強(qiáng)鏈補(bǔ)鏈

圍繞產(chǎn)業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈，圍繞創(chuàng)新鏈布局產(chǎn)業(yè)鏈。在2011協(xié)同創(chuàng)新中心組建運(yùn)行過(guò)程中，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研深度融合，協(xié)同創(chuàng)新。通過(guò)產(chǎn)學(xué)研的“對(duì)接”、聯(lián)合成立各類研究機(jī)構(gòu)，針對(duì)鋼鐵全流程各工藝環(huán)節(jié)的問(wèn)題，組成創(chuàng)新鏈；針對(duì)創(chuàng)新鏈欲解決的問(wèn)題，再建立高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，特別是信息化、數(shù)字化技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，以高新技術(shù)治“痛點(diǎn)”，破“難點(diǎn)”，補(bǔ)“短板”，強(qiáng)鏈補(bǔ)鏈，建成強(qiáng)大的數(shù)字化產(chǎn)業(yè)鏈。

在協(xié)同創(chuàng)新中心第一、第二運(yùn)行周期已經(jīng)解決一批關(guān)鍵共性技術(shù)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，2023年開(kāi)始的第3期協(xié)同創(chuàng)新運(yùn)行周期通過(guò)產(chǎn)學(xué)研融合、融通、對(duì)接，又在全流程9個(gè)研究方向上確立一批具有重大戰(zhàn)略意義的新課題，可望繼續(xù)取得一批有重要意義的原創(chuàng)性、顛覆性、引領(lǐng)性綠色化創(chuàng)新成果，增強(qiáng)中國(guó)鋼鐵工業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，為中國(guó)鋼鐵工業(yè)中國(guó)式現(xiàn)代化、高質(zhì)量發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。

2.4.2 全產(chǎn)業(yè)鏈互相融通融合協(xié)同合作，承擔(dān)全生命周期生產(chǎn)者責(zé)任

利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將鋼鐵工業(yè)與上游的冶金原燃料供應(yīng)端、下游的鋼鐵產(chǎn)品使用端連接起來(lái)，促進(jìn)鋼鐵行業(yè)與各相關(guān)行業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，承擔(dān)生產(chǎn)者的責(zé)任，互相融通、融合、協(xié)同、合作，進(jìn)行資源的優(yōu)化配置與管理，在實(shí)現(xiàn)效益最大化的同時(shí)，促進(jìn)面臨的資源、環(huán)境問(wèn)題徹底解決。

例如，鋼鐵全生命周期的數(shù)字化、標(biāo)識(shí)化管理，實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)與下游制造業(yè)、建筑業(yè)、交通業(yè)、能源業(yè)等融通、合作，解決鋼鐵材料的循環(huán)、科學(xué)、高效利用，這一項(xiàng)目正在實(shí)施中。

3 SEII未來(lái)發(fā)展前景

3.1 發(fā)展總體目標(biāo)

未來(lái)，隨著中國(guó)鋼鐵企業(yè)逐步建立起SEII，有望達(dá)到綠色化、數(shù)字化、高質(zhì)化、強(qiáng)鏈化的高級(jí)境界，鋼鐵企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力將不斷增強(qiáng)。在這種情況下，在發(fā)達(dá)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)下，可以建立起國(guó)家統(tǒng)一管理的全國(guó)、地方、企業(yè)多層級(jí)的大型SEII管理系統(tǒng)，管理、指導(dǎo)各級(jí)、各行業(yè)SEII系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行、改進(jìn)、創(chuàng)新與發(fā)展，形成一個(gè)強(qiáng)大、完整、安全的全產(chǎn)業(yè)鏈一體化協(xié)調(diào)、優(yōu)化運(yùn)行的數(shù)字化管理平臺(tái)。

3.2 未來(lái)5年發(fā)展目標(biāo)（2023—2027年）

1）完成SEII建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的制定，指導(dǎo)、規(guī)范SEII的建設(shè)與運(yùn)行。

2）建成10～15條企業(yè)樣板線的創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施，局部地區(qū)建成區(qū)域政府部門指導(dǎo)的企業(yè)創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)，樹(shù)立鋼鐵行業(yè)綠色化數(shù)字化轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展的標(biāo)桿。

3）研發(fā)成功一批創(chuàng)新的綠色化工藝裝備與技術(shù)，如優(yōu)質(zhì)廢鋼循環(huán)利用技術(shù)（第1階段，廢鋼比例30%）；氫冶金-零碳鋼鐵冶金短流程中試線；薄板坯連鑄（鋁合金、鈦合金）；薄帶連鑄制造超級(jí)電工鋼技術(shù)；溫軋技術(shù)（高強(qiáng)鋼、鈦合金、鋁合金等）；噴射軋制（銅-鐵合金等）；薄鍍層熱沖壓鋼激光拼焊熱沖壓一體化制造技術(shù)；免鍍層熱沖壓技術(shù)等。

4）開(kāi)發(fā)一批國(guó)家迫切需求的前沿、引領(lǐng)性創(chuàng)新產(chǎn)品，如系列超級(jí)電工鋼；超高強(qiáng)、高韌鋼（應(yīng)用于坦克、深水潛艇、汽車零件）；新能源汽車電池包用高強(qiáng)鋼；超低溫壓力容器用鋼（人造太陽(yáng)Iter超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)用材）；高氮航空軸承鋼；高溫合金；耐蝕合金；高速磁懸浮列車軌道用軟磁材料厚板；精密合金等。

3.3 未來(lái)15年發(fā)展目標(biāo)（至2037年）

1）創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)建設(shè)。重要產(chǎn)鋼地區(qū)建成區(qū)域政府部門管理的企業(yè)創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)，初步形成國(guó)家級(jí)鋼鐵企業(yè)創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)，鋼鐵行業(yè)基本完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2）研發(fā)成功若干項(xiàng)新一代綠色化工藝裝備與技術(shù)，如優(yōu)質(zhì)廢鋼循環(huán)利用技術(shù)；氫冶金-零碳鋼鐵冶金短流程生產(chǎn)線；高廢鋼比、全廢鋼冶煉技術(shù)（第2階段，廢鋼比例超過(guò)50%）；寄生于SEII的FDP平臺(tái)全部發(fā)揮作用，助力節(jié)能減排、綠色發(fā)展等。

3）開(kāi)發(fā)若干國(guó)家迫切需求的創(chuàng)新型、引領(lǐng)型新一代產(chǎn)品，如乘用車白車身均一化材料設(shè)計(jì)；能源材料，包括電池、儲(chǔ)電池電極、包殼、催化劑；非晶材料；高熵材料；3D打印產(chǎn)品等。

4 結(jié)語(yǔ)

SEII作為數(shù)據(jù)時(shí)代最先進(jìn)的數(shù)字化、智能化科技創(chuàng)新平臺(tái)，具有4個(gè)基本功能，即綠色化關(guān)鍵工藝-裝備創(chuàng)新功能、超級(jí)智能CPS過(guò)程控制功能、高效率低成本產(chǎn)品創(chuàng)新功能、全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)管理優(yōu)化運(yùn)行功能。SEII的建設(shè)和發(fā)展將促進(jìn)鋼鐵行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，全流程“黑箱”變“透明”，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)“綠色化、數(shù)字化、高質(zhì)化、強(qiáng)鏈化”，提高企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)中國(guó)鋼鐵行業(yè)成為國(guó)際領(lǐng)先的行業(yè)集群。

中國(guó)的鋼鐵行業(yè)一定能夠走到世界鋼鐵科技發(fā)展的前沿，到達(dá)國(guó)際鋼鐵業(yè)發(fā)展的前列，成為國(guó)際領(lǐng)先的工業(yè)集群。相信經(jīng)過(guò)10～20年的努力，這個(gè)目標(biāo)一定可以達(dá)到！一定能夠達(dá)到！

本文摘自《鋼鐵》2023年第9期