目前鋼鐵工業(yè)面臨前所未有的嚴峻挑戰。資源、能源消耗大、環(huán)境污染嚴重；過(guò)程與產(chǎn)品穩定性不高、一致性差，生產(chǎn)效率低；產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重，產(chǎn)品結構不合理，高端產(chǎn)品自主生產(chǎn)能力不足；供給側為需求側服務(wù)不足等問(wèn)題嚴峻。因此，構建鋼鐵行業(yè)的以市場(chǎng)為導向的綠色技術(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)鋼鐵轉型發(fā)展，實(shí)現 “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。

我國鋼鐵工業(yè)現在迫切需要攻克四座高峰，實(shí)現“四化”：第一是鋼鐵生產(chǎn)資源、能源消耗大，污染排放嚴重，迫切需要實(shí)現“工藝綠色化”；第二是生產(chǎn)裝備的穩定性、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)品結構失衡，“產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)化”需求強烈；第四是供給側為需求側服務(wù)不足，急需加強供給側結構性改革，與用戶(hù)融合發(fā)展，為用戶(hù)提供整體解決方案，實(shí)現“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(lèi)已經(jīng)經(jīng)歷了3次工業(yè)革命，即以機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，目標是建立智能化、數字化工廠(chǎng)，實(shí)現智能制造。

鋼鐵行業(yè)是智能化需求最強的行業(yè)，也是離智能化最近的行業(yè)。為解決我國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)品結構失衡、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定性差等問(wèn)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(zhù)力開(kāi)發(fā)與應用智能化技術(shù)，實(shí)現信息深度感知、智慧優(yōu)化決策、精準協(xié)調控制、自主學(xué)習提升。信息物理系統（CPS）是實(shí)現智能化的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，我國大多數鋼鐵企業(yè)已經(jīng)實(shí)現了機械化、自動(dòng)化與數字化，基本達到了工業(yè)2.0的水平。經(jīng)過(guò)努力，相當一部分鋼廠(chǎng)將基本達到工業(yè)3.0+的水平。但是，鋼鐵工業(yè)屬于大型復雜流程工業(yè)，我國尚未形成全流程一體化的智能化控制與全局的協(xié)調優(yōu)化。

未來(lái)應以第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)CPS為目標，對鋼鐵行業(yè)現有的自動(dòng)化系統進(jìn)行改造，拓展網(wǎng)絡(luò )功能，強化計算能力和感知能力，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，實(shí)現鋼鐵行業(yè)的智能化發(fā)展。

我們要綜合利用現代通信與信息技術(shù)、計算機網(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，使我們的控制系統具有感知、記憶、思維、學(xué)習和自適應能力以及行為決策能力。在這個(gè)系統中，鋼鐵工業(yè)將利用物聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算等最新信息技術(shù)提供的環(huán)境和手段，建立起一體化的管控平臺。它與全鏈條生產(chǎn)線(xiàn)互聯(lián)互通，構成兩層式的系統架構，對鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程全流程實(shí)現扁平化、一體化、一竿子插到底的智能管控，實(shí)現信息采集、處理、監控和一體化生產(chǎn)調度管理的智能、協(xié)調，做到“信息的深度感知、網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)互通、精準協(xié)調控制、優(yōu)化智慧決策、自主學(xué)習提升”。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(guò)去的孤島式、單工序的“單打獨奏”的解決問(wèn)題方式，充分利用一體化的智能制造來(lái)解決穩定性、均勻性、一致性等方面的問(wèn)題，提供全流程、一體化的解決方案，做到鋼鐵生產(chǎn)全過(guò)程的一體化控制、鋼鐵生產(chǎn)各層次的協(xié)調優(yōu)化、大規模定制下產(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。

應當特別注意的是，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(wú)法獲取各個(gè)反應器或者軋件內部的信息。即使建立起大數據管控平臺，仍然無(wú)法精準把握“黑箱”內的物理與化學(xué)變化。當前，欲實(shí)現鋼鐵工業(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，是鋼鐵智能制造的特點(diǎn)和難點(diǎn)，是我們在實(shí)現智能制造過(guò)程中必須攻克的制高點(diǎn)。

在目前由實(shí)體（物理）向數字（虛擬）的轉變與發(fā)展中，如何利用大數據、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等信息技術(shù)，對生產(chǎn)中物理系統內部不可測的物理參數進(jìn)行數字感知，是材料人長(cháng)期以來(lái)的夢(mèng)想，也是材料科學(xué)與技術(shù)發(fā)展面臨的重大問(wèn)題。數字感知為我們提供了非常理想的解決方案。數字感知將虛擬現實(shí)（VR）和增強現實(shí)（AR）及人工智能（AI）結合，攻克以往無(wú)法逾越的“黑箱”障礙，從而建立起CPS的核心部分，即與現實(shí)系統成鏡面映射并即時(shí)互動(dòng)的虛擬系統。在這個(gè)具有足夠精度的虛擬系統上，再加上精準、協(xié)調的智能控制，則鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的智能設計與實(shí)時(shí)精準控制將成為可能。

鋼鐵行業(yè)智能制造可以實(shí)現如下目標：建立跨系統、跨工序、跨領(lǐng)域的鋼鐵工藝質(zhì)量大數據平臺，實(shí)現數據自動(dòng)流動(dòng)；材料組織、性能、表面等關(guān)鍵工藝質(zhì)量參數的精準預報與在線(xiàn)狀態(tài)感知；工藝、設備和質(zhì)量的關(guān)系分析，質(zhì)量在線(xiàn)綜合評判與異常原因追溯；工藝參數和制備工序流程的優(yōu)化，質(zhì)量參數精準控制與多工序協(xié)調匹配；基于工藝裝備狀態(tài)的多工序動(dòng)態(tài)排程，產(chǎn)供銷(xiāo)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(hù)進(jìn)行多規格、小批量、定制化生產(chǎn)，使上下游實(shí)現高質(zhì)量的協(xié)同發(fā)展，提高全產(chǎn)業(yè)鏈效益。正如習近平總書(shū)記在2018年兩院院士大會(huì )講話(huà)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，推動(dòng)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)模式和企業(yè)形態(tài)根本性轉變，以‘鼎新’帶動(dòng)‘革故’，以增量帶動(dòng)存量，促進(jìn)我國產(chǎn)業(yè)邁向全球價(jià)值鏈中高端?！?/p>

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

摘自《中國科學(xué)報》