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在數(shù)字化時代背景下，鋼鐵行業(yè)與數(shù)字技術(shù)的融合已經(jīng)變得越來越重要，數(shù)字化、智能化也成為鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手。日前，《******金屬導(dǎo)報》刊登了《王國棟：鋼鐵生產(chǎn)創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)下的工業(yè)大模型系統(tǒng)》一文，深入剖析了鋼鐵企業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施（SEII）的重要性，以及它如何推動鋼鐵產(chǎn)業(yè)的升級、融合與創(chuàng)新，展示了其在提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量方面的巨大潛力，對行業(yè)的未來發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。

引言

鋼鐵行業(yè)作為支撐國家制造業(yè)發(fā)展的重要原材料工業(yè)領(lǐng)域，在保障國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)等方面發(fā)揮著重要的作用。然而，作為復(fù)雜流程工業(yè)，各工序均為多變量、強(qiáng)耦合、非線性和大滯后的黑箱，因物料加工的實(shí)時信息極度缺乏而成為充滿不確定性的生產(chǎn)過程，***終影響了鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量和效率的進(jìn)一步提升。21世紀(jì)以來，人類社會進(jìn)入數(shù)字時代，移動互聯(lián)、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)發(fā)展正在帶動系列的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和變革。數(shù)據(jù)分析應(yīng)用于各行各業(yè)，與實(shí)體經(jīng)濟(jì)結(jié)合起來，已經(jīng)成為人類認(rèn)識與改造客觀******強(qiáng)有力的武器。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面，鋼鐵行業(yè)與其它行業(yè)相比，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。首先，鋼鐵行業(yè)具有豐富的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用場景資源。經(jīng)過長期的建設(shè)和發(fā)展，鋼鐵行業(yè)已經(jīng)具有相對先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)和研發(fā)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了******的數(shù)據(jù)采集和豐富的數(shù)據(jù)積累?？梢哉f，鋼鐵行業(yè)是離“數(shù)字化”***近的行業(yè)之一。其次，鋼鐵行業(yè)是對數(shù)字技術(shù)需求***迫切的行業(yè)，其生產(chǎn)過程全程黑箱，復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系、遺傳效應(yīng)及不確定性，為數(shù)字化的應(yīng)用提供了豐富的場景資源。如何通過對數(shù)據(jù)資源進(jìn)行處理、分析和計算，建立具有“原位分析能力”的高保真數(shù)字孿生體，從而構(gòu)建起基于數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實(shí)時分析、科學(xué)決策與精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產(chǎn)制造和服務(wù)應(yīng)用過程中的不確定性復(fù)雜問題，提高資源配置效率并降低研發(fā)成本，是未來鋼鐵行業(yè)發(fā)展的主要方向。

鋼鐵材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)設(shè)計及核心工業(yè)大模型開發(fā)

鋼鐵行業(yè)與數(shù)字技術(shù)相融合才能發(fā)揮其應(yīng)用場景與數(shù)據(jù)資源的優(yōu)勢，因此必須建設(shè)鋼鐵企業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施（SEII—Steel Enterprise Innovation Infrastructure）。它是以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動、以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)化發(fā)展，為提高鋼鐵企業(yè)的核心競爭力而打造的鋼鐵產(chǎn)業(yè)升級、融合、創(chuàng)新的基礎(chǔ)設(shè)施體系。SEII采用“1網(wǎng)3平臺”的基本架構(gòu)，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為載體、以底層的數(shù)據(jù)感知和精準(zhǔn)執(zhí)行為基礎(chǔ)、以邊緣過程設(shè)定模型數(shù)字孿生體和邊緣/底層CPS為核心、以云平臺數(shù)據(jù)驅(qū)動為支撐，服務(wù)于鋼鐵企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，如圖1所示。在整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)閉環(huán)自動流動，通過狀態(tài)感知、實(shí)時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行這四個環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。大量蘊(yùn)含在物理空間中的隱性數(shù)據(jù)經(jīng)過狀態(tài)感知被轉(zhuǎn)化為顯性數(shù)據(jù)，進(jìn)而能夠在信息空間進(jìn)行計算分析，將顯性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有價值的信息。不同系統(tǒng)的信息經(jīng)過集中處理形成對外部變化的科學(xué)決策，將信息進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為知識，通過***優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用于物理空間，形成一個閉環(huán)賦能循環(huán)系統(tǒng)，使得物理空間設(shè)備運(yùn)行更加可靠、資源調(diào)度更加合理，各環(huán)節(jié)智能協(xié)同效果更加優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)******運(yùn)營。通過SEII***終實(shí)現(xiàn)四大關(guān)鍵功能，即綠色化關(guān)鍵工藝-裝備創(chuàng)新功能、超級智能的CPS過程控制功能、******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。由此可見，SEII必將成為鋼鐵企業(yè)升級換代、創(chuàng)新崛起的數(shù)字化底座。

圖1 鋼鐵企業(yè)創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施（SEII）總體架構(gòu)

創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施的核心是建立鋼鐵材料成分、生產(chǎn)工藝以及其他經(jīng)過數(shù)字化的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表征的狀態(tài)變量與外形尺寸、組織、性能、表面與服役性能等之間的關(guān)系，即建立鋼鐵生產(chǎn)過程的高精度數(shù)字孿生模型。然而，考慮到鋼鐵生產(chǎn)諸多環(huán)節(jié)的內(nèi)部運(yùn)行狀況無法在線實(shí)時測量，傳統(tǒng)現(xiàn)場生產(chǎn)主流程運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型大多為機(jī)理和/或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｓ捎诃h(huán)境狀況和操作條件波動以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化，加之過程輸入條件、狀態(tài)變量和控制系統(tǒng)之間的關(guān)系十分復(fù)雜，這些機(jī)理和/或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯τ谌鞒毯谙涞膹?fù)雜動態(tài)過程適用性較差且精度不高，難以準(zhǔn)確透視工藝、設(shè)備、質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系，成為進(jìn)一步提高鋼材生產(chǎn)質(zhì)量的******性難題。人工智能（AI）理論與方法是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜過程數(shù)字孿生的******途徑。但是，傳統(tǒng)AI只能根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分類，很難擴(kuò)展到訓(xùn)練數(shù)據(jù)之外的應(yīng)用場景。近年來，生成式AI（Generative AI-GAI）以數(shù)據(jù)以及從數(shù)據(jù)中提取的知識作為輸入，通過機(jī)器學(xué)習(xí)建立起相關(guān)大模型（Foundation Model），進(jìn)而真實(shí)還原并生成全新、原創(chuàng)的產(chǎn)品或任務(wù)，從而帶動了人工智能領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)換。其作用堪比工業(yè)革命，將帶動各行業(yè)工作效率的極大提升。鋼鐵生產(chǎn)過程中，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)演變與界面狀態(tài)變化紛繁復(fù)雜，為此，東北大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)集成數(shù)據(jù)治理及深度挖掘、物理機(jī)制及知識學(xué)習(xí)、軋制過程“力能-組織-界面”強(qiáng)耦合機(jī)器學(xué)習(xí)、冷卻過程動態(tài)相變遺傳機(jī)器學(xué)習(xí)以及微觀組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的深度學(xué)習(xí)等模塊，建立了SEII架構(gòu)下的熱軋生成式工業(yè)大模型，如圖2所示。相較于傳統(tǒng)模型，其變量總數(shù)超過三百五十萬，比傳統(tǒng)模型多出5個數(shù)量級以上。通過全流程的信息融合并在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中不斷迭代優(yōu)化，基于數(shù)據(jù)資源不斷提升模型的可訓(xùn)練性，基于物理知識學(xué)習(xí)不斷提升模型的可解釋性和魯棒性，從而構(gòu)建起高保真熱軋過程“成分-工藝-組織-界面-載荷-性能”數(shù)字孿生，并形成通用的、可推廣的工業(yè)系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用于我國大型熱連軋及寬厚板軋機(jī)等10余條生產(chǎn)線，開發(fā)出以海洋風(fēng)電為代表的多種高性能鋼鐵材料的成分體系與***優(yōu)軋制工藝，生產(chǎn)出“內(nèi)外兼修”的高品質(zhì)熱軋鋼材并成功應(yīng)用于我國各類重大工程。

圖2 熱軋生成式工業(yè)大模型的主要系統(tǒng)架構(gòu)

SEII架構(gòu)下工業(yè)大模型系統(tǒng)賦能應(yīng)用

SEII架構(gòu)下熱軋生成式工業(yè)大模型系統(tǒng)突破了以“經(jīng)驗(yàn)試錯法”為代表的傳統(tǒng)工藝與品種開發(fā)方式所帶來的成本高、效率低等技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了熱軋工藝的快速優(yōu)化及對市場需求的快速響應(yīng)。（1）熱連軋生產(chǎn)過程的典型應(yīng)用熱軋氧化無法在線檢測，屬典型黑箱過程；穩(wěn)定、******控制表面質(zhì)量，離不開高精度的氧化模型，但國際尚無成功先例。項(xiàng)目組利用數(shù)據(jù)驅(qū)動算法解析了氧化速率、氧化鐵皮變形率與軋制工藝及化學(xué)成分的關(guān)系，并建立起熱軋全流程氧化鐵皮厚度演變模型，氧化厚度預(yù)測精度在±2.5μm，達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用級標(biāo)準(zhǔn)要求。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確了氧化狀態(tài)與界面摩擦系數(shù)的相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了軋制過程界面狀態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控。針對熱軋超高強(qiáng)免酸洗汽車用鋼在冷加工過程中存在嚴(yán)重的氧化掉粉缺陷，在大模型系統(tǒng)基礎(chǔ)上，融合多目標(biāo)優(yōu)化算法對生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出了“高溫快軋、高溫卷取”的工藝優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)免酸洗鋼批量供貨。針對2250mm熱連軋生產(chǎn)的高Ti微合金高強(qiáng)鋼薄規(guī)格產(chǎn)品因軋制力設(shè)定偏差導(dǎo)致邊浪嚴(yán)重的問題，采用所開發(fā)的熱軋生成式工業(yè)大模型，在綜合考慮組織結(jié)構(gòu)演變和界面狀態(tài)變化的前提下，軋制力預(yù)測精度較國際通用模型提高30%左右，從而大幅降低了薄規(guī)格產(chǎn)品產(chǎn)生邊浪的風(fēng)險。此外，針對不同爐次冶煉成分波動導(dǎo)致***終產(chǎn)品力學(xué)性能波動大的問題，采用熱軋大模型構(gòu)建的熱軋過程高保真的數(shù)字孿生，在過程機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了“反饋-計算-決策-控制”完整的循環(huán)的軋制工藝動態(tài)優(yōu)化，使700MPa級超高強(qiáng)鋼力學(xué)性能波動降低50%以上。（2）寬厚板生產(chǎn)過程的典型應(yīng)用寬厚板生產(chǎn)具有品種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、小批量訂單多的特點(diǎn)，大量余坯降級出售造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，而且過多的鋼種造成了煉鋼工序的復(fù)雜化，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)提高。因此，企業(yè)迫切需要一種“大規(guī)模定制”生產(chǎn)模式來既滿足用戶對產(chǎn)品低成本、高質(zhì)量、個性化的要求，又滿足企業(yè)大規(guī)模******生產(chǎn)的需求，以提高企業(yè)的競爭能力。為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用熱軋生成式大模型，通過綜合考慮細(xì)晶、析出、位錯及相變等強(qiáng)化機(jī)制的相關(guān)關(guān)系，在相同成分體系下實(shí)現(xiàn)了跨厚度和跨強(qiáng)度級別的軋制工藝柔性化設(shè)計，實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)品力學(xué)性能合格率為100%，年減少超過 60余次的小澆次出鋼，初步實(shí)現(xiàn)了以大澆次出鋼為主的“大規(guī)模定制化”生產(chǎn)。此外，通過軋制工藝柔性化設(shè)計，普通C-Mn鋼產(chǎn)品在保證性能的前提下，大幅降低加熱溫度而實(shí)現(xiàn)了直接軋制，軋制效率提升35%以上；系列高強(qiáng)管線鋼，通過細(xì)化析出相并提升細(xì)晶強(qiáng)化彌補(bǔ)高溫軋制造成的位錯強(qiáng)化降低，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/精軋之間的待溫時間縮短近25%，助力了企業(yè)高質(zhì)量、******率、低能耗生產(chǎn)。

（a）賦能熱連軋過程700MPa級別Ti微合金化高強(qiáng)鋼性能穩(wěn)定性控制

（b）賦能寬厚板生產(chǎn)高鋼級管線鋼******軋制       圖3 熱軋生成式工業(yè)大模型生產(chǎn)賦能

數(shù)字化轉(zhuǎn)型并賦能綠色化、高質(zhì)化、強(qiáng)鏈化，是鋼鐵行業(yè)有史以來******的關(guān)鍵戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。SEII作為數(shù)據(jù)時代******進(jìn)的數(shù)字化、智能化科技創(chuàng)新平臺，采用******的數(shù)字化技術(shù)架構(gòu)和模型開發(fā)方式，充分發(fā)揮鋼鐵行業(yè)豐富應(yīng)用場景優(yōu)勢，******限度地利用企業(yè)豐富的數(shù)據(jù)、先進(jìn)技術(shù)等長期積累的資源，依靠數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)科學(xué)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和放大、倍增、疊加作用，以實(shí)現(xiàn)綠色化關(guān)鍵工藝、裝備創(chuàng)新功能、超級智能CPS過程控制功能、******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，提升企業(yè)的核心競爭力，賦能鋼鐵行業(yè)升級換代、轉(zhuǎn)型發(fā)展，成為國際領(lǐng)先的產(chǎn)業(yè)集群。