1    項目背景介紹

大冶特鋼460鋼管廠(chǎng)，始建于2007年12月份，于2009年底投產(chǎn)。產(chǎn)品規格范圍為外徑φ216~534mm、壁厚16~130mm、長(cháng)度5~13m。年設計產(chǎn)能30萬(wàn)噸，是世界上迄今為止規模最大、工藝裝備一流的中厚壁熱軋鋼管生產(chǎn)線(xiàn)。無(wú)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、西氣東輸等領(lǐng)域，是重要的工業(yè)基礎原材料。

長(cháng)期以來(lái)，管、棒、型、輪等不同類(lèi)型的特鋼領(lǐng)頭企業(yè)大多采用大規模、多品種、小批量的生產(chǎn)組織模式，在該模式下人員冗余、手動(dòng)計劃、數據斷點(diǎn)、作業(yè)離線(xiàn)等問(wèn)題突出，嚴重阻礙著(zhù)特鋼企業(yè)實(shí)現高質(zhì)量發(fā)展。大冶特鋼460鋼管廠(chǎng)通過(guò)多年的自動(dòng)化、信息化系統升級改造，目前面臨的問(wèn)題大多為高維度、復雜性問(wèn)題，企業(yè)需要通過(guò)生產(chǎn)、質(zhì)量、設備、能源、數字孿生可視化等多類(lèi)業(yè)務(wù)協(xié)同實(shí)現精益生產(chǎn)，概括如下：

（1）生產(chǎn)組織模式依靠人工手動(dòng)排程，勞動(dòng)強度大；同時(shí)，生產(chǎn)計劃過(guò)度依賴(lài)計劃員的工作經(jīng)驗，排程優(yōu)化難度大。

（2）傳統生產(chǎn)模式下，生產(chǎn)信息大多依靠人工線(xiàn)下傳遞，生產(chǎn)關(guān)鍵數據靠工人excel記錄、整理，數據獲取難度大，質(zhì)量閉環(huán)管理缺乏有效的數據治理手段。

（3）生產(chǎn)線(xiàn)物料跟蹤依賴(lài)紙質(zhì)線(xiàn)下流轉，信息孤島、數據斷點(diǎn)現象明顯，導致數據挖掘和利用不充分，業(yè)務(wù)優(yōu)化受到制約。

（4）缺乏全流程的過(guò)程質(zhì)量跟蹤、分析和管控措施，過(guò)程質(zhì)量穩定性遇到瓶頸。

（5）生產(chǎn)、質(zhì)量、能源等業(yè)務(wù)模塊的協(xié)同能力不足，業(yè)務(wù)壁壘、工序壁壘制約，協(xié)同難度大。

基于以上問(wèn)題，460鋼管廠(chǎng)作為精益模范工廠(chǎng)和精品中厚壁無(wú)縫鋼管行業(yè)引領(lǐng)者，要實(shí)現精益生產(chǎn)管理模式數字化轉型，需建設新一代無(wú)縫鋼管智能工廠(chǎng)。

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(wú)縫鋼管產(chǎn)線(xiàn)基礎上，以生產(chǎn)和工藝需求為主體驅動(dòng)，圍繞數字孿生、物料跟蹤、智能排程、質(zhì)量管控、精細化能源管理等多業(yè)務(wù)協(xié)同等方面進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)，自主創(chuàng )新，解決特鋼行業(yè)多品種、小批量、多規格定制化生產(chǎn)制造難題，成功地應用于大冶特殊鋼有限公司460無(wú)縫鋼管產(chǎn)線(xiàn)，利用智能化技術(shù)實(shí)現數字化轉型升級，可實(shí)現新產(chǎn)品高效設計、新工藝快速開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)過(guò)程可視化，設備和產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題追溯透明化，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩定性，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和設備利用率，減少生產(chǎn)成本，保證精準交貨時(shí)間，提升精益化管理水平，支撐精品+規模+服務(wù)的公司戰略，提升客戶(hù)體驗，進(jìn)一步提升國內外市場(chǎng)影響力，鞏固集團在特鋼行業(yè)的領(lǐng)導地位。

2    項目目標與原則

本項目總體目標是實(shí)現“數字化、網(wǎng)絡(luò )化、綠色化”的智能制造。通過(guò)構造精益數字化應用平臺，實(shí)現460鋼管生產(chǎn)線(xiàn)基于工業(yè)互聯(lián)的數據平臺，進(jìn)行數據融合與治理，從而消除工序間的信息孤島。集成生產(chǎn)、質(zhì)量、設備、能源、物料跟蹤、可視化應用于平臺，實(shí)現各生產(chǎn)業(yè)務(wù)數字化，生產(chǎn)協(xié)同高效化，不斷降低生產(chǎn)成本、提升效益。

基于數字化業(yè)務(wù)流程，聚焦數據感知、知識認知、優(yōu)化決策，挖掘海量數據背后隱藏的潛在價(jià)值，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化及運行過(guò)程中的多業(yè)務(wù)協(xié)同，打破業(yè)務(wù)之間的運營(yíng)管理邊界，構建460鋼管生產(chǎn)線(xiàn)精益管控新模式。

3    項目實(shí)施與應用

3.1項目規劃

本項目進(jìn)行分層規劃和建設，分別為智能支撐層、智能生產(chǎn)層、智能管控層、智能決策層，如下圖1所示。通過(guò)數字孿生、質(zhì)量管控、設備管理、能源管理、計劃調度等智慧功能來(lái)支撐企業(yè)智能工廠(chǎng)建設，秉承“指標牽領(lǐng)、流程透明、業(yè)務(wù)協(xié)同”的理念，打破業(yè)務(wù)之間的運營(yíng)管理邊界，構建企業(yè)精益管控新模式，以實(shí)現客戶(hù)價(jià)值和企業(yè)價(jià)值的協(xié)同為主線(xiàn)，聚焦數據感知、知識認知、優(yōu)化決策，挖掘海量數據背后隱藏的潛在價(jià)值，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化及運行過(guò)程的多業(yè)務(wù)協(xié)同。

圖1智能化建設總體分層邏輯架構

3.2實(shí)施成效及應用效果

本項目成功實(shí)施后，對于實(shí)現“崗位少人化，產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化，工廠(chǎng)信息化、整體智能化”方面取得重大進(jìn)展，加快促進(jìn)企業(yè)數字化轉型?；跀祿杉c集成平臺，數據完整真實(shí)可靠，把企業(yè)成本做到最優(yōu)、效率做到最佳、經(jīng)營(yíng)無(wú)限貼近客戶(hù)需求和市場(chǎng)變化、管理無(wú)限貼近現場(chǎng)和一線(xiàn)員工，促進(jìn)集團規模優(yōu)勢、協(xié)同效應的充分發(fā)揮，提高綜合競爭力。

（1）通過(guò)工業(yè)邊緣計算技術(shù)的數據采集，對各工序工業(yè)數據互聯(lián)互通互操，消除鋼管生產(chǎn)工序信息數據孤島，實(shí)現數據在生產(chǎn)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)運算，解決了數據管理與數據生產(chǎn)脫節問(wèn)題以及數據雜而亂的數據質(zhì)量問(wèn)題，實(shí)現以鋼管為唯一標識的物料信息統一集成與追溯。鋼管數據主題中包含各類(lèi)數據主題，鋼管物料信息，實(shí)時(shí)采集數據及過(guò)程實(shí)績(jì)數據等。

技術(shù)應用后，實(shí)現面向460鋼管視角的數據采集、匯聚存儲及融合，并可進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，數據質(zhì)量及可靠性達到99.8%以上；平臺邊緣側實(shí)時(shí)數據采集的最小周期支持50ms；100%全域系統服務(wù)健康度監控，如系統、中間件等全部運行組件的運行狀態(tài)監控。

（2）通過(guò)物料跟蹤技術(shù)，將產(chǎn)線(xiàn)上每一支鋼管與生產(chǎn)過(guò)程數據動(dòng)態(tài)綁定，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程鋼管可視化、紙質(zhì)記錄信息化，同時(shí)為上層智慧應用提供基礎數據支撐，實(shí)現對產(chǎn)線(xiàn)每支鋼管位置、狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)跟蹤及顯示。針對不同工位，結合產(chǎn)線(xiàn)實(shí)際，設計生產(chǎn)操控畫(huà)面，結合物料跟蹤數據為基礎，自動(dòng)對生產(chǎn)完工信息進(jìn)行記錄。

  技術(shù)應用后，完成460無(wú)縫鋼管產(chǎn)線(xiàn)全線(xiàn)的物料跟蹤匹配，跟蹤準確率達到99.8%以上，實(shí)現現場(chǎng)智能裝備（端部識別、環(huán)形識別、激光打標、自動(dòng)倒棱、端面檢測、表面檢測等）數據的下發(fā)接收。同時(shí)，為上層質(zhì)量管控、能耗分析等應用提供基礎，突破解決了傳統跟蹤粒度粗、跟蹤數據薄弱等問(wèn)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(dòng)態(tài)排程技術(shù)，通過(guò)最佳坯型設計及歸并提料模型進(jìn)行整體優(yōu)化設計，解決過(guò)去靠人工經(jīng)驗進(jìn)行無(wú)縫鋼管坯型設計造成余料損失或尺寸不足造成的問(wèn)題。對于計劃外坯料，系統采用分支界定算法進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)選匹配。采用兩階段最短路徑啟發(fā)式優(yōu)化算法進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化排程，在滿(mǎn)足交期的前提下，使得生產(chǎn)外徑、壁厚、硬度跳變更加平穩，主要工裝更換時(shí)間得到優(yōu)化。

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

（4）通過(guò)完整的事前事中事后PDCA質(zhì)量管控閉環(huán)技術(shù)，與MES和產(chǎn)銷(xiāo)系統形成質(zhì)量控制閉環(huán)，對無(wú)縫鋼管質(zhì)量標準進(jìn)行數字化管理，改變傳統質(zhì)量管控模式，質(zhì)量過(guò)程檢查原始記錄及質(zhì)量標準由依靠人工紙質(zhì)填單傳遞變?yōu)橄到y自動(dòng)數字化管理及質(zhì)量信息自動(dòng)推送。通過(guò)建設全流程的過(guò)程質(zhì)量跟蹤反饋、監控判定及性能預測等，使得質(zhì)量實(shí)現精益數字化管控，質(zhì)量穩定性和一致性持續改進(jìn)。質(zhì)量缺陷分析中包含質(zhì)量標準及實(shí)績(jì)，質(zhì)量判定，質(zhì)量閉環(huán)處置及質(zhì)量缺陷分析等。

     技術(shù)應用后，質(zhì)量管控系統覆蓋產(chǎn)品全工序的質(zhì)量管理，建立“集中一貫”的質(zhì)量管理模式，質(zhì)量全流程的數據使用效率提升75%以上，質(zhì)量缺陷一鍵式追溯、數據獲取及分析效率提升60%以上。

（5）通過(guò)3D建模對鋼管生產(chǎn)設備與車(chē)間的三維空間信息進(jìn)行數字化建模，采用實(shí)時(shí)生產(chǎn)數據，通過(guò)3D模型與生產(chǎn)現場(chǎng)同步，實(shí)現產(chǎn)線(xiàn)狀態(tài)實(shí)時(shí)映射，使生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)一目了然，同時(shí)融合生產(chǎn)、質(zhì)量、設備等任務(wù)的報警信息，對生產(chǎn)進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)、主動(dòng)與智能監控。讓操作人員、技術(shù)人員與管理人員都能實(shí)時(shí)、高效掌握生產(chǎn)運行狀況，實(shí)現對運行指標、過(guò)程監測、協(xié)同支持、生產(chǎn)規范設計與分析決策的監控，建立數字孿生透明工廠(chǎng)。

3.3項目創(chuàng )新

（1）實(shí)現鋼管數據與業(yè)務(wù)在線(xiàn)雙重融合的行業(yè)級創(chuàng )新突破，依托數字平臺、物料跟蹤、作業(yè)信息互聯(lián)、數字孿生等先進(jìn)技術(shù)，將數字化業(yè)務(wù)貫通整條生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現標準化、規范化操作與推送式管理，達到數據、業(yè)務(wù)、操作在線(xiàn)統一，完成由完全靠人保障生產(chǎn)逐漸向依靠數據管理進(jìn)行轉變，進(jìn)一步實(shí)現現存組織模式下效率與質(zhì)量的協(xié)同提升。

（2）開(kāi)發(fā)基于深度學(xué)習的物料全工序多維信息在線(xiàn)感知技術(shù)，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(wú)縫鋼管實(shí)現物料卡鋼、天車(chē)吊鋼、鋸切分段、表面質(zhì)量、三維輪廓、端部識別、內外壁字符識別等12類(lèi)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(chǎn)品質(zhì)量為核心的無(wú)縫鋼管多業(yè)務(wù)協(xié)同控制方法，打通計劃、規范、監視、分析的流程壁壘，建立事前策劃、在線(xiàn)預判、實(shí)時(shí)監控、異常診斷和過(guò)往追溯的生產(chǎn)精益管控模式，實(shí)現管控業(yè)務(wù)全面上線(xiàn)，協(xié)同完成作業(yè)計劃、質(zhì)量管控、設備管理、能源管控等六項任務(wù)，保障了大規模、多品種、小批量生產(chǎn)過(guò)程中多業(yè)務(wù)提升，全員勞動(dòng)生產(chǎn)率較之前提升12.8%。

4    效益分析

4.1經(jīng)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(wàn)元。本項目技術(shù)應用后，減少軋廢量12%，提高成材率0.45%以上，質(zhì)量一鍵式追溯、數據獲取及分析效率提升60%以上，相關(guān)人員工作效率提升30% 以上，產(chǎn)品不良率降低20% 以上，公司的全年內部質(zhì)量降級率比上一年度下降26.3%，產(chǎn)量提升5.5%，全員勞動(dòng)生產(chǎn)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(wàn)元，預計全年降本增效會(huì )超過(guò)6千萬(wàn)。

4.2社會(huì )效益

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

1）實(shí)現無(wú)縫鋼管智能工廠(chǎng)應用突破：實(shí)現了無(wú)縫鋼管智能工廠(chǎng)成套技術(shù)的首創(chuàng )應用突破，對于國內大量的鋼管生產(chǎn)企業(yè)提供了亟需的關(guān)鍵技術(shù)。

2）引領(lǐng)無(wú)縫鋼管智能工廠(chǎng)技術(shù)發(fā)展前沿：針對全息尺寸質(zhì)量缺陷、尺寸精度檢測、智能排產(chǎn)、逐支跟蹤實(shí)現多項關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化應用突破，對于破除唯國外技術(shù)論，樹(shù)立國內技術(shù)自信具有積極意義。

3）提升產(chǎn)品質(zhì)量，適應國家經(jīng)濟發(fā)展需求：在智能裝備與數字化業(yè)務(wù)協(xié)同管控技術(shù)支撐下，克服制約產(chǎn)品質(zhì)量一致性、穩定性、定制化的瓶頸問(wèn)題，提升了產(chǎn)品質(zhì)量精度，適應國家經(jīng)濟發(fā)展需求。

4）推動(dòng)新生產(chǎn)模式變革：提高了勞動(dòng)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(lái)，培育了一批智能工廠(chǎng)模式下的技術(shù)人才。

本方案應用項目實(shí)施過(guò)程為傾盡全力投入到關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究的一批年輕有為的技術(shù)人員提供了大量真實(shí)數據，通過(guò)數據診斷、識別、提取、分析、運用等手段不斷地解決科學(xué)問(wèn)題和開(kāi)發(fā)出關(guān)鍵共性技術(shù)，大大提高他們的科研能力和處理問(wèn)題能力，為科研院所、高校和生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展培養一大批無(wú)縫鋼管加工領(lǐng)域的青年人才，他們將成為單位可持續發(fā)展的中堅力量，為科研院所、高校、生產(chǎn)企業(yè)協(xié)同創(chuàng )新提供持續動(dòng)力。

數字孿生可視化（作業(yè)區人員用） 

集控操作臺物料跟蹤畫(huà)面（作業(yè)區人員用）

集控操作臺穿軋質(zhì)量信息自動(dòng)推送畫(huà)面（作業(yè)區人員用）

生產(chǎn)作業(yè)區加熱爐質(zhì)量信息自動(dòng)推送畫(huà)面（作業(yè)區人員用）

大冶460鋼管燈塔工廠(chǎng)精益數字化應用平臺由北京科技大學(xué)設計研究院有限公司（北科工研）面對大冶460無(wú)縫鋼管大規模、小批量、定制化生產(chǎn)特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)施精益數字化應用平臺，實(shí)現數據和業(yè)務(wù)無(wú)縫貫通，攻克了特鋼生產(chǎn)模式下特鋼數字化轉型重大技術(shù)難題，該數智工廠(chǎng)亮相2023世界人工智能大會(huì )，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(chǎng)里程碑式項目，為特鋼數智化建設提供寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗，有力促進(jìn)行業(yè)整體能力提升。