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1    項目背景介紹

大冶特鋼460鋼管廠，始建于2007年12月份，于2009年底投產(chǎn)。產(chǎn)品規(guī)格范圍為外徑φ216~534mm、壁厚16~130mm、長度5~13m。年設(shè)計產(chǎn)能30萬噸，是世界上迄今為止規(guī)模最大、工藝裝備一流的中厚壁熱軋鋼管生產(chǎn)線。無縫鋼管作為“工業(yè)血管”廣泛應(yīng)用于國防軍工、航空航天、深海工程、西氣東輸?shù)阮I(lǐng)域，是重要的工業(yè)基礎(chǔ)原材料。

長期以來，管、棒、型、輪等不同類型的特鋼領(lǐng)頭企業(yè)大多采用大規(guī)模、多品種、小批量的生產(chǎn)組織模式，在該模式下人員冗余、手動計劃、數(shù)據(jù)斷點、作業(yè)離線等問題突出，嚴(yán)重阻礙著特鋼企業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。大冶特鋼460鋼管廠通過多年的自動化、信息化系統(tǒng)升級改造，目前面臨的問題大多為高維度、復(fù)雜性問題，企業(yè)需要通過生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備、能源、數(shù)字孿生可視化等多類業(yè)務(wù)協(xié)同實現(xiàn)精益生產(chǎn)，概括如下：

（1）生產(chǎn)組織模式依靠人工手動排程，勞動強(qiáng)度大；同時，生產(chǎn)計劃過度依賴計劃員的工作經(jīng)驗，排程優(yōu)化難度大。

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

（3）生產(chǎn)線物料跟蹤依賴紙質(zhì)線下流轉(zhuǎn)，信息孤島、數(shù)據(jù)斷點現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致數(shù)據(jù)挖掘和利用不充分，業(yè)務(wù)優(yōu)化受到制約。

（4）缺乏全流程的過程質(zhì)量跟蹤、分析和管控措施，過程質(zhì)量穩(wěn)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。

基于以上問題，460鋼管廠作為精益模范工廠和精品中厚壁無縫鋼管行業(yè)引領(lǐng)者，要實現(xiàn)精益生產(chǎn)管理模式數(shù)字化轉(zhuǎn)型，需建設(shè)新一代無縫鋼管智能工廠。

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無縫鋼管產(chǎn)線基礎(chǔ)上，以生產(chǎn)和工藝需求為主體驅(qū)動，圍繞數(shù)字孿生、物料跟蹤、智能排程、質(zhì)量管控、精細(xì)化能源管理等多業(yè)務(wù)協(xié)同等方面進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，自主創(chuàng)新，解決特鋼行業(yè)多品種、小批量、多規(guī)格定制化生產(chǎn)制造難題，成功地應(yīng)用于大冶特殊鋼有限公司460無縫鋼管產(chǎn)線，利用智能化技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，可實現(xiàn)新產(chǎn)品高效設(shè)計、新工藝快速開發(fā)，生產(chǎn)過程可視化，設(shè)備和產(chǎn)品質(zhì)量問題追溯透明化，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高勞動生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率，減少生產(chǎn)成本，保證精準(zhǔn)交貨時間，提升精益化管理水平，支撐精品+規(guī)模+服務(wù)的公司戰(zhàn)略，提升客戶體驗，進(jìn)一步提升國內(nèi)外市場影響力，鞏固集團(tuán)在特鋼行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位。

2    項目目標(biāo)與原則

本項目總體目標(biāo)是實現(xiàn)“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、綠色化”的智能制造。通過構(gòu)造精益數(shù)字化應(yīng)用平臺，實現(xiàn)460鋼管生產(chǎn)線基于工業(yè)互聯(lián)的數(shù)據(jù)平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shè)備、能源、物料跟蹤、可視化應(yīng)用于平臺，實現(xiàn)各生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)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(shù)字化業(yè)務(wù)流程，聚焦數(shù)據(jù)感知、知識認(rèn)知、優(yōu)化決策，挖掘海量數(shù)據(jù)背后隱藏的潛在價值，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化及運(yùn)行過程中的多業(yè)務(wù)協(xié)同，打破業(yè)務(wù)之間的運(yùn)營管理邊界，構(gòu)建460鋼管生產(chǎn)線精益管控新模式。

3    項目實施與應(yīng)用

3.1項目規(guī)劃

本項目進(jìn)行分層規(guī)劃和建設(shè)，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。通過數(shù)字孿生、質(zhì)量管控、設(shè)備管理、能源管理、計劃調(diào)度等智慧功能來支撐企業(yè)智能工廠建設(shè)，秉承“指標(biāo)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(yùn)營管理邊界，構(gòu)建企業(yè)精益管控新模式，以實現(xiàn)客戶價值和企業(yè)價值的協(xié)同為主線，聚焦數(shù)據(jù)感知、知識認(rèn)知、優(yōu)化決策，挖掘海量數(shù)據(jù)背后隱藏的潛在價值，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化及運(yùn)行過程的多業(yè)務(wù)協(xié)同。

圖1智能化建設(shè)總體分層邏輯架構(gòu)

3.2實施成效及應(yīng)用效果

本項目成功實施后，對于實現(xiàn)“崗位少人化，產(chǎn)線自動化，工廠信息化、整體智能化”方面取得重大進(jìn)展，加快促進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型?；跀?shù)據(jù)采集與集成平臺，數(shù)據(jù)完整真實可靠，把企業(yè)成本做到最優(yōu)、效率做到最佳、經(jīng)營無限貼近客戶需求和市場變化、管理無限貼近現(xiàn)場和一線員工，促進(jìn)集團(tuán)規(guī)模優(yōu)勢、協(xié)同效應(yīng)的充分發(fā)揮，提高綜合競爭力。

（1）通過工業(yè)邊緣計算技術(shù)的數(shù)據(jù)采集，對各工序工業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通互操，消除鋼管生產(chǎn)工序信息數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在生產(chǎn)現(xiàn)場的實時采集和實時運(yùn)算，解決了數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)生產(chǎn)脫節(jié)問題以及數(shù)據(jù)雜而亂的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，實現(xiàn)以鋼管為唯一標(biāo)識的物料信息統(tǒng)一集成與追溯。鋼管數(shù)據(jù)主題中包含各類數(shù)據(jù)主題，鋼管物料信息，實時采集數(shù)據(jù)及過程實績數(shù)據(jù)等。

技術(shù)應(yīng)用后，實現(xiàn)面向460鋼管視角的數(shù)據(jù)采集、匯聚存儲及融合，并可進(jìn)行動態(tài)配置，數(shù)據(jù)質(zhì)量及可靠性達(dá)到99.8%以上；平臺邊緣側(cè)實時數(shù)據(jù)采集的最小周期支持50ms；100%全域系統(tǒng)服務(wù)健康度監(jiān)控，如系統(tǒng)、中間件等全部運(yùn)行組件的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

（2）通過物料跟蹤技術(shù)，將產(chǎn)線上每一支鋼管與生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)動態(tài)綁定，實現(xiàn)生產(chǎn)過程鋼管可視化、紙質(zhì)記錄信息化，同時為上層智慧應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)對產(chǎn)線每支鋼管位置、狀態(tài)等信息實時跟蹤及顯示。針對不同工位，結(jié)合產(chǎn)線實際，設(shè)計生產(chǎn)操控畫面，結(jié)合物料跟蹤數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，自動對生產(chǎn)完工信息進(jìn)行記錄。

  技術(shù)應(yīng)用后，完成460無縫鋼管產(chǎn)線全線的物料跟蹤匹配，跟蹤準(zhǔn)確率達(dá)到99.8%以上，實現(xiàn)現(xiàn)場智能裝備（端部識別、環(huán)形識別、激光打標(biāo)、自動倒棱、端面檢測、表面檢測等）數(shù)據(jù)的下發(fā)接收。同時，為上層質(zhì)量管控、能耗分析等應(yīng)用提供基礎(chǔ)，突破解決了傳統(tǒng)跟蹤粒度粗、跟蹤數(shù)據(jù)薄弱等問題，達(dá)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”的智能動態(tài)排程技術(shù)，通過最佳坯型設(shè)計及歸并提料模型進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計，解決過去靠人工經(jīng)驗進(jìn)行無縫鋼管坯型設(shè)計造成余料損失或尺寸不足造成的問題。對于計劃外坯料，系統(tǒng)采用分支界定算法進(jìn)行自動優(yōu)選匹配。采用兩階段最短路徑啟發(fā)式優(yōu)化算法進(jìn)行自動優(yōu)化排程，在滿足交期的前提下，使得生產(chǎn)外徑、壁厚、硬度跳變更加平穩(wěn)，主要工裝更換時間得到優(yōu)化。

技術(shù)應(yīng)用后，月計劃排程時間從縮短為原人工排程時間的1/30；超期交付訂單數(shù)減少80%；通過計劃優(yōu)化保證均衡生產(chǎn)，產(chǎn)能瓶頸發(fā)生時間縮減60%；每日作業(yè)計劃排產(chǎn)時間縮短為原人工排產(chǎn)時間的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(jié)約40分鐘換裝時間。

（4）通過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)銷系統(tǒng)形成質(zhì)量控制閉環(huán)，對無縫鋼管質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化管理，改變傳統(tǒng)質(zhì)量管控模式，質(zhì)量過程檢查原始記錄及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)由依靠人工紙質(zhì)填單傳遞變?yōu)橄到y(tǒng)自動數(shù)字化管理及質(zhì)量信息自動推送。通過建設(shè)全流程的過程質(zhì)量跟蹤反饋、監(jiān)控判定及性能預(yù)測等，使得質(zhì)量實現(xiàn)精益數(shù)字化管控，質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性持續(xù)改進(jìn)。質(zhì)量缺陷分析中包含質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及實績，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(yīng)用后，質(zhì)量管控系統(tǒng)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(shù)據(jù)使用效率提升75%以上，質(zhì)量缺陷一鍵式追溯、數(shù)據(jù)獲取及分析效率提升60%以上。

（5）通過3D建模對鋼管生產(chǎn)設(shè)備與車間的三維空間信息進(jìn)行數(shù)字化建模，采用實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過3D模型與生產(chǎn)現(xiàn)場同步，實現(xiàn)產(chǎn)線狀態(tài)實時映射，使生產(chǎn)過程狀態(tài)一目了然，同時融合生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備等任務(wù)的報警信息，對生產(chǎn)進(jìn)行全方位實時、主動與智能監(jiān)控。讓操作人員、技術(shù)人員與管理人員都能實時、高效掌握生產(chǎn)運(yùn)行狀況，實現(xiàn)對運(yùn)行指標(biāo)、過程監(jiān)測、協(xié)同支持、生產(chǎn)規(guī)范設(shè)計與分析決策的監(jiān)控，建立數(shù)字孿生透明工廠。

3.3項目創(chuàng)新

（1）實現(xiàn)鋼管數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)在線雙重融合的行業(yè)級創(chuàng)新突破，依托數(shù)字平臺、物料跟蹤、作業(yè)信息互聯(lián)、數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)，將數(shù)字化業(yè)務(wù)貫通整條生產(chǎn)線，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化操作與推送式管理，達(dá)到數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、操作在線統(tǒng)一，完成由完全靠人保障生產(chǎn)逐漸向依靠數(shù)據(jù)管理進(jìn)行轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步實現(xiàn)現(xiàn)存組織模式下效率與質(zhì)量的協(xié)同提升。

（2）開發(fā)基于深度學(xué)習(xí)的物料全工序多維信息在線感知技術(shù)，解決了強(qiáng)干擾特征提取、稀疏樣本增強(qiáng)和遷移、復(fù)雜模態(tài)下多目標(biāo)跟蹤等難題，首次在無縫鋼管實現(xiàn)物料卡鋼、天車吊鋼、鋸切分段、表面質(zhì)量、三維輪廓、端部識別、內(nèi)外壁字符識別等12類物料多維信息感知，缺陷識別率≥95%，多目標(biāo)視頻跟蹤準(zhǔn)確率≥99.5%。

（3）提出以產(chǎn)品質(zhì)量為核心的無縫鋼管多業(yè)務(wù)協(xié)同控制方法，打通計劃、規(guī)范、監(jiān)視、分析的流程壁壘，建立事前策劃、在線預(yù)判、實時監(jiān)控、異常診斷和過往追溯的生產(chǎn)精益管控模式，實現(xiàn)管控業(yè)務(wù)全面上線，協(xié)同完成作業(yè)計劃、質(zhì)量管控、設(shè)備管理、能源管控等六項任務(wù)，保障了大規(guī)模、多品種、小批量生產(chǎn)過程中多業(yè)務(wù)提升，全員勞動生產(chǎn)率較之前提升12.8%。

4    效益分析

4.1經(jīng)濟(jì)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18000000萬元。本項目技術(shù)應(yīng)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(shù)據(jù)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(nèi)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4180萬元，預(yù)計全年降本增效會超過6千萬。

4.2社會效益

本方案基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的無縫鋼管智能化工藝控制基礎(chǔ)理論與共性技術(shù)，進(jìn)而建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的示范工程，形成信息化、智能化在無縫鋼管行業(yè)應(yīng)用典范，有力拉動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、助力供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革，促進(jìn)我國材料加工業(yè)的發(fā)展。社會效益顯著：

1）實現(xiàn)無縫鋼管智能工廠應(yīng)用突破：實現(xiàn)了無縫鋼管智能工廠成套技術(shù)的首創(chuàng)應(yīng)用突破，對于國內(nèi)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)無縫鋼管智能工廠技術(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)、逐支跟蹤實現(xiàn)多項關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化應(yīng)用突破，對于破除唯國外技術(shù)論，樹立國內(nèi)技術(shù)自信具有積極意義。

3）提升產(chǎn)品質(zhì)量，適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求：在智能裝備與數(shù)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(wěn)定性、定制化的瓶頸問題，提升了產(chǎn)品質(zhì)量精度，適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。

4）推動新生產(chǎn)模式變革：提高了勞動安全與職業(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，培育了一批智能工廠模式下的技術(shù)人才。

本方案應(yīng)用項目實施過程為傾盡全力投入到關(guān)鍵科學(xué)問題研究的一批年輕有為的技術(shù)人員提供了大量真實數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)診斷、識別、提取、分析、運(yùn)用等手段不斷地解決科學(xué)問題和開發(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題能力，為科研院所、高校和生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)一大批無縫鋼管加工領(lǐng)域的青年人才，他們將成為單位可持續(xù)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(xù)動力。

數(shù)字孿生可視化（作業(yè)區(qū)人員用） 

集控操作臺物料跟蹤畫面（作業(yè)區(qū)人員用）

集控操作臺穿軋質(zhì)量信息自動推送畫面（作業(yè)區(qū)人員用）

生產(chǎn)作業(yè)區(qū)加熱爐質(zhì)量信息自動推送畫面（作業(yè)區(qū)人員用）

大冶460鋼管燈塔工廠精益數(shù)字化應(yīng)用平臺由北京科技大學(xué)設(shè)計研究院有限公司（北科工研）面對大冶460無縫鋼管大規(guī)模、小批量、定制化生產(chǎn)特點，通過實施精益數(shù)字化應(yīng)用平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)無縫貫通，攻克了特鋼生產(chǎn)模式下特鋼數(shù)字化轉(zhuǎn)型重大技術(shù)難題，該數(shù)智工廠亮相2023世界人工智能大會，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(tuán)隊打造了大冶460燈塔工廠里程碑式項目，為特鋼數(shù)智化建設(shè)提供寶貴的實踐經(jīng)驗，有力促進(jìn)行業(yè)整體能力提升。