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王国栋:用好数据科学和数字技术攻克“黑箱”问题
加入时间:2024-04-22        来源:中国冶金报


  中国工程院院士、东北大学教授王国栋认为,钢铁全流程各工序均为“黑箱”,实时信息极度缺乏;物理与化学过程十分复杂,多相共存,多变量、强耦合、非线性和大滞后;钢铁工业各单元为孤岛式控制,尚未做到单元间界面无缝精准衔接……“作为大型复杂流程工业,巨大的不确定性是钢铁生产过程面临的重大挑战。”他说。 
  
  “在数字时代,钢铁行业最大的受益点就在于数字技术对“黑箱”问题的破解上。数据科学和数字技术将支撑钢铁行业解决‘黑箱’问题,钢铁行业利用数字驱动恰到好处、恰逢其时。”4月18日,第二届中国轧钢与轧辊新技术推进大会召开,王国栋出席会议并做主旨演讲。王国栋表示,钢铁行业数字化转型的需求极为强烈,特别是丰富的应用场景是钢铁行业数字化崛起的重要机遇。在报告中,他还介绍了钢铁产业优化升级的路径,同时,针对钢铁行业、制造业共同面对的“黑箱”问题做了深入分析。
  
  数字时代来临,
  
  钢铁行业怎么办?

  
  “工业互联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术快速发展和应用,正式宣告了数字时代的来临。”王国栋介绍,作为数字时代构建数字生产力、推动经济发展的新型生产要素,数据成为数字时代社会发展的重要驱动力,甚至成为全球新一轮产业竞争的制高点。
  
  在此背景下,钢铁行业如何用好数字技术?王国栋认为,钢铁行业拥有数据资源优势,发达的自动化控制系统和研发设施,可以积累并提供海量实验数据,这些数据中蕴含企业生产过程的全部规律。“这是最宝贵的资源,是关键生产要素。”他说。
  
  通过分享美国材料基因组计划、韩国浦项高炉运行五大状态变量数据深度学习、日本JFE智能钢厂建设、美国大河钢厂等案例,王国栋提出,数字技术将为钢铁行业带来超级智能的边缘计算机、绿色化工艺与装备研发创新、高效率及低成本产品创新、5G下全产业链协调管理优化运行等几大功能。
  
  通过比较制造业与材料行业数字化转型路径的不同,王国栋提出,材料行业要发挥场景、数据资源、反馈循环对物料赋能的优势,走特色道路,采用数据/机器学习等数据分析方法,数据驱动,破解全流程“黑箱”难题,实现全流程信息物理系统化。
  
  如何解决工业实践中的
  
  “黑箱”问题?
  

  王国栋介绍,在工业时代,由于“黑箱”问题的严重不确定性,只能借助模拟仿真系统CAE/CAD系统,采用理论或经验模型计算,模拟解决。其间,虽然人们不断探寻各种方法解决“黑箱”问题,但均以失败告终。
  
  “这表明,除了数据时代的数据/机器学习方法,任何其他时代的方法都对‘黑箱’问题束手无策。”王国栋强调。
  
  那么,数字时代如何解决工业实践中的“黑箱”问题?王国栋提供了一种思路——数字孪生,即“黑箱”的高保真度建模。他解释道,数字孪生是一系列描述输入(操作变量、材料成分)与输出(组织、性能)之间关系的预测性模型,高保真度数字孪生建模是材料科学与技术研究的关键核心。利用数据/机器学习对“黑箱”问题进行高保真度建模,将有力提升钢铁行业的核心竞争力。
  
  “此外,钢铁企业还可以构建创新基础设施。”他说道。何谓创新基础设施?即基于创新、协调、绿色、开放、共享发展理念,以技术创新为驱动、以信息网络为基础,面向高质量发展,为提高产业核心竞争力而打造的产业升级、融合、创新的基础设施体系。
  
  对于钢铁企业而言,创新基础设施主要包括“一网”(5G工业互联网)、“三大平台”(底层实体设备平台、边缘数字化核心平台、资源配置与管理云平台、“四大功能”(绿色化转型、数字化转型、高质化发展、强链化运行)。
  
  制造业解决“黑箱”问题
  
  的方法较落后

  
  通过分析轧辊制造技术、高铁车轮与轮箍的生产工艺过程、齿轮制造过程、轴承制造工艺、全产业链协同一体式汽车结构件热冲压技术等案例,王国栋提出,制造技术的不断创新和进步,使得用钢产品的质量和生产效率都得到了显著提升,为金属加工行业发展做出了重要贡献。
  
  基于此,王国栋提出,钢铁行业和制造业要携手并进,破解共同面对的“黑箱”问题。从制造业使用金属材料的工艺过程来看,“白箱”决定了产品外形尺寸精度,而“黑箱”决定了材料的组织和性能。“黑箱”与“白箱”有不同的评价标准,但都很重要。在制造业使用金属材料过程中,“白箱”与“黑箱”必然并存。
  
  分别来看,“白箱”在制造业使用材料过程中,通常为冷机械加工(车、铣、刨、钻、镗、磨)外形、尺寸高精度加工。“白箱”问题并不引起内部材料组织与性能的变化。而“黑箱”通常为铸锻焊、成形加工、热处理等,不仅涉及材料的外形、尺寸的变化,还涉及材料内部组织和性能的变化。
  
  王国栋强调,“黑箱”问题直接影响着产品内部的组织和性能,即与产品制造的最终质量、效率、成本、环境及后续使用性能等密切相关。目前,制造业“黑箱”问题的解决方法是通过工业时代的理论分析(计算机模拟)或经验,但这远远落后于时代。
  
  “面向数字时代,我们必须把注意力转向‘黑箱’,把制造业实体经济与数字经济、数字技术结合起来。钢铁行业与制造业要携手并进、协同创新,共同攻克‘黑箱’问题,携手走向高质量发展。”王国栋说。


(责任编辑:李婷)
 
 
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