1    项目背景介绍

大冶特钢460钢管厂，始建于2007年12月份，于2009年底投产。产品规格范围为外径φ216~534mm、壁厚16~130mm、长度5~13m。年设计产能30万吨，是世界上迄今为止规模最大、工艺装备一流的中厚壁热轧钢管生产线。无缝钢管作为“工业血管”广泛应用于国防军工、航空航天、深海工程、西气东输等领域，是重要的工业基础原材料。

长期以来，管、棒、型、轮等不同类型的特钢领头企业大多采用大规模、多品种、小批量的生产组织模式，在该模式下人员冗余、手动计划、数据断点、作业离线等问题突出，严重阻碍着特钢企业实现高质量发展。大冶特钢460钢管厂通过多年的自动化、信息化系统升级改造，目前面临的问题大多为高维度、复杂性问题，企业需要通过生产、质量、设备、能源、数字孪生可视化等多类业务协同实现精益生产，概括如下：

（1）生产组织模式依靠人工手动排程，劳动强度大；同时，生产计划过度依赖计划员的工作经验，排程优化难度大。

（2）传统生产模式下，生产信息大多依靠人工线下传递，生产关键数据靠工人excel记录、整理，数据获取难度大，质量闭环管理缺乏有效的数据治理手段。

（3）生产线物料跟踪依赖纸质线下流转，信息孤岛、数据断点现象明显，导致数据挖掘和利用不充分，业务优化受到制约。

（4）缺乏全流程的过程质量跟踪、分析和管控措施，过程质量稳定性遇到瓶颈。

（5）生产、质量、能源等业务模块的协同能力不足，业务壁垒、工序壁垒制约，协同难度大。

基于以上问题，460钢管厂作为精益模范工厂和精品中厚壁无缝钢管行业引领者，要实现精益生产管理模式数字化转型，需建设新一代无缝钢管智能工厂。

本项目于2021年立项，2023年项目验收，在大冶特殊钢有限公司460无缝钢管产线基础上，以生产和工艺需求为主体驱动，围绕数字孪生、物料跟踪、智能排程、质量管控、精细化能源管理等多业务协同等方面进行技术开发，自主创新，解决特钢行业多品种、小批量、多规格定制化生产制造难题，成功地应用于大冶特殊钢有限公司460无缝钢管产线，利用智能化技术实现数字化转型升级，可实现新产品高效设计、新工艺快速开发，生产过程可视化，设备和产品质量问题追溯透明化，保证产品质量的稳定性，提高劳动生产效率和设备利用率，减少生产成本，保证精准交货时间，提升精益化管理水平，支撑精品+规模+服务的公司战略，提升客户体验，进一步提升国内外市场影响力，巩固集团在特钢行业的领导地位。

2    项目目标与原则

本项目总体目标是实现“数字化、网络化、绿色化”的智能制造。通过构造精益数字化应用平台，实现460钢管生产线基于工业互联的数据平台，进行数据融合与治理，从而消除工序间的信息孤岛。集成生产、质量、设备、能源、物料跟踪、可视化应用于平台，实现各生产业务数字化，生产协同高效化，不断降低生产成本、提升效益。

基于数字化业务流程，聚焦数据感知、知识认知、优化决策，挖掘海量数据背后隐藏的潜在价值，实现生产过程的优化及运行过程中的多业务协同，打破业务之间的运营管理边界，构建460钢管生产线精益管控新模式。

3    项目实施与应用

3.1项目规划

本项目进行分层规划和建设，分别为智能支撑层、智能生产层、智能管控层、智能决策层，如下图1所示。通过数字孪生、质量管控、设备管理、能源管理、计划调度等智慧功能来支撑企业智能工厂建设，秉承“指标牵领、流程透明、业务协同”的理念，打破业务之间的运营管理边界，构建企业精益管控新模式，以实现客户价值和企业价值的协同为主线，聚焦数据感知、知识认知、优化决策，挖掘海量数据背后隐藏的潜在价值，实现生产过程的优化及运行过程的多业务协同。

图1智能化建设总体分层逻辑架构

3.2实施成效及应用效果

本项目成功实施后，对于实现“岗位少人化，产线自动化，工厂信息化、整体智能化”方面取得重大进展，加快促进企业数字化转型。基于数据采集与集成平台，数据完整真实可靠，把企业成本做到最优、效率做到最佳、经营无限贴近客户需求和市场变化、管理无限贴近现场和一线员工，促进集团规模优势、协同效应的充分发挥，提高综合竞争力。

（1）通过工业边缘计算技术的数据采集，对各工序工业数据互联互通互操，消除钢管生产工序信息数据孤岛，实现数据在生产现场的实时采集和实时运算，解决了数据管理与数据生产脱节问题以及数据杂而乱的数据质量问题，实现以钢管为唯一标识的物料信息统一集成与追溯。钢管数据主题中包含各类数据主题，钢管物料信息，实时采集数据及过程实绩数据等。

技术应用后，实现面向460钢管视角的数据采集、汇聚存储及融合，并可进行动态配置，数据质量及可靠性达到99.8%以上；平台边缘侧实时数据采集的最小周期支持50ms；100%全域系统服务健康度监控，如系统、中间件等全部运行组件的运行状态监控。

（2）通过物料跟踪技术，将产线上每一支钢管与生产过程数据动态绑定，实现生产过程钢管可视化、纸质记录信息化，同时为上层智慧应用提供基础数据支撑，实现对产线每支钢管位置、状态等信息实时跟踪及显示。针对不同工位，结合产线实际，设计生产操控画面，结合物料跟踪数据为基础，自动对生产完工信息进行记录。

  技术应用后，完成460无缝钢管产线全线的物料跟踪匹配，跟踪准确率达到99.8%以上，实现现场智能装备（端部识别、环形识别、激光打标、自动倒棱、端面检测、表面检测等）数据的下发接收。同时，为上层质量管控、能耗分析等应用提供基础，突破解决了传统跟踪粒度粗、跟踪数据薄弱等问题，达到提升人员利用率、成材率、降低能耗的效果。

（3）融合“模型-知识-算法”的智能动态排程技术，通过最佳坯型设计及归并提料模型进行整体优化设计，解决过去靠人工经验进行无缝钢管坯型设计造成余料损失或尺寸不足造成的问题。对于计划外坯料，系统采用分支界定算法进行自动优选匹配。采用两阶段最短路径启发式优化算法进行自动优化排程，在满足交期的前提下，使得生产外径、壁厚、硬度跳变更加平稳，主要工装更换时间得到优化。

技术应用后，月计划排程时间从缩短为原人工排程时间的1/30；超期交付订单数减少80%；通过计划优化保证均衡生产，产能瓶颈发生时间缩减60%；每日作业计划排产时间缩短为原人工排产时间的1/40，大幅提升工作效率; 产品成材率提升1%以上； 每天至少节约40分钟换装时间。

（4）通过完整的事前事中事后PDCA质量管控闭环技术，与MES和产销系统形成质量控制闭环，对无缝钢管质量标准进行数字化管理，改变传统质量管控模式，质量过程检查原始记录及质量标准由依靠人工纸质填单传递变为系统自动数字化管理及质量信息自动推送。通过建设全流程的过程质量跟踪反馈、监控判定及性能预测等，使得质量实现精益数字化管控，质量稳定性和一致性持续改进。质量缺陷分析中包含质量标准及实绩，质量判定，质量闭环处置及质量缺陷分析等。

     技术应用后，质量管控系统覆盖产品全工序的质量管理，建立“集中一贯”的质量管理模式，质量全流程的数据使用效率提升75%以上，质量缺陷一键式追溯、数据获取及分析效率提升60%以上。

（5）通过3D建模对钢管生产设备与车间的三维空间信息进行数字化建模，采用实时生产数据，通过3D模型与生产现场同步，实现产线状态实时映射，使生产过程状态一目了然，同时融合生产、质量、设备等任务的报警信息，对生产进行全方位实时、主动与智能监控。让操作人员、技术人员与管理人员都能实时、高效掌握生产运行状况，实现对运行指标、过程监测、协同支持、生产规范设计与分析决策的监控，建立数字孪生透明工厂。

3.3项目创新

（1）实现钢管数据与业务在线双重融合的行业级创新突破，依托数字平台、物料跟踪、作业信息互联、数字孪生等先进技术，将数字化业务贯通整条生产线，实现标准化、规范化操作与推送式管理，达到数据、业务、操作在线统一，完成由完全靠人保障生产逐渐向依靠数据管理进行转变，进一步实现现存组织模式下效率与质量的协同提升。

（2）开发基于深度学习的物料全工序多维信息在线感知技术，解决了强干扰特征提取、稀疏样本增强和迁移、复杂模态下多目标跟踪等难题，首次在无缝钢管实现物料卡钢、天车吊钢、锯切分段、表面质量、三维轮廓、端部识别、内外壁字符识别等12类物料多维信息感知，缺陷识别率≥95%，多目标视频跟踪准确率≥99.5%。

（3）提出以产品质量为核心的无缝钢管多业务协同控制方法，打通计划、规范、监视、分析的流程壁垒，建立事前策划、在线预判、实时监控、异常诊断和过往追溯的生产精益管控模式，实现管控业务全面上线，协同完成作业计划、质量管控、设备管理、能源管控等六项任务，保障了大规模、多品种、小批量生产过程中多业务提升，全员劳动生产率较之前提升12.8%。

4    效益分析

4.1经济效益

本项目投资主要包括人工研发成本、硬件采购成本，总投资成本为18000000万元。本项目技术应用后，减少轧废量12%，提高成材率0.45%以上，质量一键式追溯、数据获取及分析效率提升60%以上，相关人员工作效率提升30% 以上，产品不良率降低20% 以上，公司的全年内部质量降级率比上一年度下降26.3%，产量提升5.5%，全员劳动生产率提升10%，岗位优化率10%，吨钢电耗下降18.4%，吨钢煤耗下降15.76%。初步效益测算，年化效益在4180万元，预计全年降本增效会超过6千万。

4.2社会效益

本方案基于工业互联网平台的无缝钢管智能化工艺控制基础理论与共性技术，进而建立具有自主知识产权的示范工程，形成信息化、智能化在无缝钢管行业应用典范，有力拉动产业结构升级、助力供给侧结构改革，促进我国材料加工业的发展。社会效益显著：

1）实现无缝钢管智能工厂应用突破：实现了无缝钢管智能工厂成套技术的首创应用突破，对于国内大量的钢管生产企业提供了亟需的关键技术。

2）引领无缝钢管智能工厂技术发展前沿：针对全息尺寸质量缺陷、尺寸精度检测、智能排产、逐支跟踪实现多项关键技术的国产化应用突破，对于破除唯国外技术论，树立国内技术自信具有积极意义。

3）提升产品质量，适应国家经济发展需求：在智能装备与数字化业务协同管控技术支撑下，克服制约产品质量一致性、稳定性、定制化的瓶颈问题，提升了产品质量精度，适应国家经济发展需求。

4）推动新生产模式变革：提高了劳动安全与职业健康保障，工作人员从恶劣工作环境与频繁低效沟通中解放出来，培育了一批智能工厂模式下的技术人才。

本方案应用项目实施过程为倾尽全力投入到关键科学问题研究的一批年轻有为的技术人员提供了大量真实数据，通过数据诊断、识别、提取、分析、运用等手段不断地解决科学问题和开发出关键共性技术，大大提高他们的科研能力和处理问题能力，为科研院所、高校和生产企业的发展培养一大批无缝钢管加工领域的青年人才，他们将成为单位可持续发展的中坚力量，为科研院所、高校、生产企业协同创新提供持续动力。

数字孪生可视化（作业区人员用） 

集控操作台物料跟踪画面（作业区人员用）

集控操作台穿轧质量信息自动推送画面（作业区人员用）

生产作业区加热炉质量信息自动推送画面（作业区人员用）

大冶460钢管灯塔工厂精益数字化应用平台由北京科技大学设计研究院有限公司（北科工研）面对大冶460无缝钢管大规模、小批量、定制化生产特点，通过实施精益数字化应用平台，实现数据和业务无缝贯通，攻克了特钢生产模式下特钢数字化转型重大技术难题，该数智工厂亮相2023世界人工智能大会，获得央视新闻、湖北新闻、黄石新闻，湖北日报等知名媒体的报道。该团队打造了大冶460灯塔工厂里程碑式项目，为特钢数智化建设提供宝贵的实践经验，有力促进行业整体能力提升。