目前钢铁工业面临前所未有的严峻挑战。资源、能源消耗大、环境污染严重；过程与产品稳定性不高、一致性差，生产效率低；产品同质化严重，产品结构不合理，高端产品自主生产能力不足；供给侧为需求侧服务不足等问题严峻。因此，构建钢铁行业的以市场为导向的绿色技术创新体系，减少钢铁生产工艺流程的资源和能源消耗，减少污染和排放，推动行业钢铁转型发展，实现 “工艺绿色化、装备智能化、产品高质化、供给服务化”，意义重大。

我国钢铁工业现在迫切需要攻克四座高峰，实现“四化”：第一是钢铁生产资源、能源消耗大，污染排放严重，迫切需要实现“工艺绿色化”；第二是生产装备的稳定性、均匀性、一致性差，生产效率低，“装备智能化”的任务迫在眉睫；第三是产品质量不够高，产品结构失衡，“产品优质化”需求强烈；第四是供给侧为需求侧服务不足，急需加强供给侧结构性改革，与用户融合发展，为用户提供整体解决方案，实现“供给服务化”。

在此，仅就钢铁的智能制造与大家探讨。

自1784年第一次工业革命至今，人类已经经历了3次工业革命，即以机械化为核心的第一次工业革命，以电气化为核心的第二次工业革命，以自动化、数字化为核心的第三次工业革命。目前处于第四次工业革命阶段，其核心是智能化，目标是建立智能化、数字化工厂，实现智能制造。

钢铁行业是智能化需求最强的行业，也是离智能化最近的行业。为解决我国钢铁行业产品结构失衡、高端产品供给能力不足、产品外形尺寸精度低以及组织性能控制稳定性差等问题，需要实行生产、物流等的智能控制与优化协同，着力开发与应用智能化技术，实现信息深度感知、智慧优化决策、精准协调控制、自主学习提升。信息物理系统（CPS）是实现智能化的关键技术。

目前，我国大多数钢铁企业已经实现了机械化、自动化与数字化，基本达到了工业2.0的水平。经过努力，相当一部分钢厂将基本达到工业3.0+的水平。但是，钢铁工业属于大型复杂流程工业，我国尚未形成全流程一体化的智能化控制与全局的协调优化。

未来应以第四次工业革命的核心技术CPS为目标，对钢铁行业现有的自动化系统进行改造，拓展网络功能，强化计算能力和感知能力，建成可靠的、实时的、安全的、协作的智能化钢铁生产信息物理系统，实现钢铁行业的智能化发展。

我们要综合利用现代通信与信息技术、计算机网络技术、智能控制技术、行业技术，建立信息物理系统，使我们的控制系统具有感知、记忆、思维、学习和自适应能力以及行为决策能力。在这个系统中，钢铁工业将利用物联网、大数据、云计算等最新信息技术提供的环境和手段，建立起一体化的管控平台。它与全链条生产线互联互通，构成两层式的系统架构，对钢铁生产过程全流程实现扁平化、一体化、一竿子插到底的智能管控，实现信息采集、处理、监控和一体化生产调度管理的智能、协调，做到“信息的深度感知、网络的互联互通、精准协调控制、优化智慧决策、自主学习提升”。只有这样，钢铁工业这个典型的流程工业，才会克服过去的孤岛式、单工序的“单打独奏”的解决问题方式，充分利用一体化的智能制造来解决稳定性、均匀性、一致性等方面的问题，提供全流程、一体化的解决方案，做到钢铁生产全过程的一体化控制、钢铁生产各层次的协调优化、大规模定制下产品个性化与定制化以及装备、物流、能源的智能控制与协同优化等，大幅提高生产效率，提升企业的劳动生产率。

应当特别注意的是，钢铁工业是典型的流程工业，作为全流程主体的高炉、转炉、精炼炉、钢包、连铸坯、热轧轧件、冷轧轧件等均为“黑箱”，即我们无法获取各个反应器或者轧件内部的信息。即使建立起大数据管控平台，仍然无法精准把握“黑箱”内的物理与化学变化。当前，欲实现钢铁工业的智能制造，必须利用可以采集到的大量相关信息，基于新型的数字感知技术，“逼真”地描绘出“黑箱”中的变化，建立物理世界的“虚拟映像”或“数字孪生”，并进而进行智能决策和控制。这是智能控制的核心环节，是钢铁智能制造的特点和难点，是我们在实现智能制造过程中必须攻克的制高点。

在目前由实体（物理）向数字（虚拟）的转变与发展中，如何利用大数据、互联网、云计算、人工智能等信息技术，对生产中物理系统内部不可测的物理参数进行数字感知，是材料人长期以来的梦想，也是材料科学与技术发展面临的重大问题。数字感知为我们提供了非常理想的解决方案。数字感知将虚拟现实（VR）和增强现实（AR）及人工智能（AI）结合，攻克以往无法逾越的“黑箱”障碍，从而建立起CPS的核心部分，即与现实系统成镜面映射并即时互动的虚拟系统。在这个具有足够精度的虚拟系统上，再加上精准、协调的智能控制，则钢铁生产过程的智能设计与实时精准控制将成为可能。

钢铁行业智能制造可以实现如下目标：建立跨系统、跨工序、跨领域的钢铁工艺质量大数据平台，实现数据自动流动；材料组织、性能、表面等关键工艺质量参数的精准预报与在线状态感知；工艺、设备和质量的关系分析，质量在线综合评判与异常原因追溯；工艺参数和制备工序流程的优化，质量参数精准控制与多工序协调匹配；基于工艺装备状态的多工序动态排程，产供销全流程协同的智能决策。更重要的是，智能制造还能面向用户进行多规格、小批量、定制化生产，使上下游实现高质量的协同发展，提高全产业链效益。正如习近平总书记在2018年两院院士大会讲话中指出：“要以智能制造为主攻方向推动产业技术变革和优化升级，推动制造业产业模式和企业形态根本性转变，以‘鼎新’带动‘革故’，以增量带动存量，促进我国产业迈向全球价值链中高端。”

（作者系中国工程院院士、河钢东大产业技术研究院院长。本报记者高长安根据作者在河钢集团和东北大学举办的第二届河钢东大学术国际年会上所作报告整理。）

摘自《中国科学报》