一、研究的背景與問題

特殊鋼是工業化的基礎材料，廣泛應用于國防、能源、汽車、航空、船舶、鐵路等行業的高端、特種裝備制造領域。目前我國特鋼產量占世界比例大約為15-20%，特殊鋼的產品研發、自主創新及高端自給方面得到了較好的發展。雖然特殊鋼在我國各高端領域需求較大，但是目前我國與發達國家仍存在技術差距導致部分中高端特鋼需求不能滿足，因此，在各領域和各工序不斷創新高品質特殊鋼的生產和應用技術是行業重大技術需求，特別是在全球信息化高速發展的大背景下，特鋼企業面臨的不僅是質量、性能的挑戰，而且是成本、質量、性能、環保等多目標群的挑戰。

目前，國內在高品質特殊鋼的生產流程再造方面取得了一定進展，但在產品潔凈度、穩定性、均勻度及全流程智能化等方面仍面臨共性難題。特鋼熱加工具有流程長、工序多、離散程度高等特點，受限于物料跟蹤的難點及大量的業務斷點，同時多品種、小批量的生產組織模式給特鋼生產企業帶來的諸多共性難題，長期困擾企業，也尚未見到整體解決方案，特別是在熱處理工序往后及鍛造類產線問題尤為突出，嚴重阻礙了特鋼產品在熱加工環節的質量穩定性與生產成本控制。

本項目通過面向特鋼熱加工過程的高效智能化生產關鍵技術創新，系統性解決企業面臨的如上痛點難題，包括物料跟蹤、爐溫控制、生產排程和質量管控等方面的問題。項目的實施顯著提高了特鋼產品的質量穩定性與生產效率，降低生產成本，并推動特殊鋼行業的綠色化、智能化轉型，滿足國家重大工程和高端裝備對高性能材料的需求。同時，通過突破多品種、小批量生產模式下的共性難題，項目成果將為國內特鋼企業實現全工序智能化提供重要參考，助力行業邁向高質量發展新階段。

二、解決問題的思路與技術方案

1.總體思路

面對特鋼熱加工生產的共性難題，形成本項目的技術路線圖如圖。面向基礎支撐，打通物料跟蹤的“視頻流和邏輯流”，解決復雜邊界條件下感知融合、自修復和異常容錯難題；面向過程控制，開發高精度溫度控制模型，解決了多爐型溫度預報、節奏預測、能效評估難題；面向生產執行，建立提料配料排程關聯機制，解決全工序、多類型高維耦合的排程難題；面向產品管理，強化多品種和多場景的質量預測和分析能力，解決了多約束、多目標、小樣本下質量決策難題。

項目技術路線

2.項目關鍵技術

（1）特鋼熱加工過程復雜邊界條件下的物料精準跟蹤技術

針對特鋼工藝路徑復雜、物料密集多變、工序感知薄弱、工況異常多發、數據多源異構等難點，傳統的邏輯跟蹤或者視覺識別已難以滿足從計劃序列、空間位置到時間尺度的三位一體信息匹配要求，為此如何實現復雜邊界條件下物料的過程可視跟蹤、邏輯交叉驗證與業務異常容錯是本項目需要解決的第一個技術難題。

全視場AI的物料軌跡動態跟蹤技術路線及典型效果圖

基于全視場AI的物料軌跡動態跟蹤技術為了應對特鋼復雜場景中的多目標密集、品規多樣性、特征不明確等識別挑戰，通過引入先進的多目標檢測、多目標跟蹤以及跨鏡頭跟蹤技術，實現產品從坯料上線到成品入庫的全流程實時跟蹤。

基于復合邏輯判定的多場景分布式跟蹤技術針對特鋼產線工藝復雜多樣、連續與離散場景并存等問題，結合裝備標識、視頻AI和邏輯互鎖技術構建微跟蹤模型，實現雙向核驗，顯著提升智能決策能力和跟蹤精度。

面向特鋼產線異常事件的系統容錯技術針對鋸切工序中的吊出吊入、回轉空撥及棒材生產中的卡支、丟支等問題，結合工業環境挑戰，提出兼容邏輯、業務、數據三層異常的解決方案，實現邏輯隊列修正

（2）特鋼熱加工過程多爐型溫度控制技術

加熱、熱處理和淬火工序是熱加工核心工序，由于系統自身多變量耦合、大慣性大滯后特性及表面高溫精準檢測手段缺乏等導致難以破解加熱過程黑箱，現有溫度控制更無法適應復雜工況、規格多變的生產模式，高性能高效率低成本難度極大。為此如何實現多品種小批量生產下的多爐型溫度精準預測與智能控制是需要解決的第二個技術難題。

融合爐況和工況的溫度預報流程及效果圖

復雜工況下加熱和淬火溫度的動態預測技術針對加熱和熱處理控制依賴人工、難以動態適應爐況和工況的問題，開發了溫度動態預報和優化技術，解決了特鋼動態適應爐況和生產工況波動中的精準溫度預報難題。

規格多變下傳輸節奏的自適應控制技術針對多品種、小批量、定制化的生產模式下熱處理爐的傳輸節奏難以控制問題，開發規格多變下傳輸節奏的自適應控制技術，實時調整爐內溫度和傳輸速度，保證物料加熱質量。

多變量耦合下加熱能效的智能管理技術針對能效優化中目標函數復雜、約束條件多樣及多目標間沖突等難點，開發多變量耦合下加熱能效智能管理技術。

（3）面向成本和效率最優的特鋼熱加工多區域智能排程技術

特鋼因成分復雜、性能要求高，熱加工工藝復雜且工序繁多。特鋼制造采用多品種、小批量模式，合同原料產品的對應關系復雜，提料和配料優化匹配難度大；在熱軋、熱處理等工序中存在余料損失、設備切換和生產效率等多目標約束，導致排程難度增加。為此，如何打通計劃庫區流程異常完工等多業務信息壁壘建立多區域一體化智能排程模型實現成本和效率最優是本項目需要解決的第三個技術難題。

最佳坯型設計及自動提料模型、智能配料系統流程設計圖

熱加工多類坯型設計與自動提料及智能配料技術。為優化資源利用、降低浪費和提升成材率，開發了多類坯型設計與自動提料及智能配料技術，破解特鋼一對多、多對多的配料難題，實現一鍵選配、動態優化和智能決策。

面向多目標優化的熱軋作業計劃智能排程技術，基于熱軋工藝中的外徑、壁厚及工序平衡等原則，構建車輛路徑問題模型，優化熱軋單元噸位，減少坯料間溫度、外徑、壁厚及硬度跳躍；采用先進算法獲取帕累托最優解集，并結合模糊隸屬度選擇最佳方案。

機組協同的熱處理多工序作業計劃智能排程技術，針對熱處理坯料來源多、多產線工藝復雜等難點，提出了熱處理多工序計劃智能排程技術，解決了多目標、多約束下的復雜熱處理排程問題。

（4）雙重融合下特鋼熱加工全過程質量智能管控技術

特鋼熱加工質量要求極高，而當前全工序質量管控存在管理模式分散、監控預警不足、數據追溯能力弱等問題，同時考慮數據樣本不均衡、稀疏、擾動性等特點，致使質量性能預測難、質量問題分析難、風險評估難。為此，如何融合流程特點、數據方法與冶金機理構建適合特鋼生產過程數據特性的質量預測分析風險評估模型是本項目需要解決的第四個技術難題。

多類不平衡數據集的剪裁與自訓練技術路線圖

生產多類不平衡數據集的剪裁與自訓練技術特鋼熱加工過程生產數據中存在大量與質量無關或弱相關的信息，增加了運算負擔并可能導致模型過擬合，為此以樣本均衡為目標，提出不平衡數據的裁剪方法和基于半監督學習的不平衡數據自訓練擴容技術。

動態擾動條件下特鋼熱加工質量預測方法，針對特鋼熱加工質量預測中的數據不平衡和時變性問題，建立基于即時學習的在線力學性能預測模型和預測結果的不確定評估方法，提升模型預測精度與泛化能力。

多粒度質量缺陷因子風險評估與異常診斷。建立質量缺陷風險評估與異常診斷離散型曲線型兩類因子模型，并結合知識圖譜與貝葉斯推理實現根因分析。

三、主要創新性成果

項目聚焦特鋼企業熱加工過程數字化轉型中遇到的環境復雜與異常頻發導致的跟蹤難、感知薄弱與工況多變導致的控制難、信息壁壘與多維耦合導致的建模難、工序離散與樣本稀疏導致的管控難等問題，以大冶特鋼460（無縫管）和馬鋼交材（車輪）兩條具有典型特點特鋼熱加工產線為典型依托，研究面向特鋼熱加工過程的高效智能化生產關鍵技術創新，主要研究內容和創新性如下：

）基于感知融合和業務容錯的熱加工物料動態跟蹤機制。首創基于感知融合和業務容錯的特鋼熱加工物料動態跟蹤機制，集成微跟蹤、機器視覺、機器學習等先進技術，解決了復雜環境下多目標檢測、邏輯與視覺交叉驗證、隊列自調整和業務自修復難題，實現了多區域全軌跡物料動態精準跟蹤，異常跟丟降低34.1%，實現全線跟蹤準確率99.98%

）數據和知識融合驅動的熱加工過程多爐型智能溫控方法。研發了數據和知識聯合驅動的熱加工過程多爐型智能溫控方法，采用深度學習算法首次實現爐況和工況的精準動態感知，解決了復雜邊界條件下溫度預報精度、傳輸節奏預測、能效智能評估難題，實現了多區多爐型高精度集約化生產，溫度預報精度提升8.24%，在爐時間平均優化12.2%，能耗平均下降4%

）多擾動下面向多目標的生產質量一體化在線管控方法。研發了多擾動下面向多目標的生產質量一體化在線管控方法，采用數據裁剪技術、自訓練算法、非支配排序遺傳算法等技術，解決了多約束、多目標、小樣本下生產和質量決策完全靠人的難題，首次實現特鋼熱加工全工序自動提料、自動配料、一鍵排程和質量一貫制管理，提升產量5%以上，熱處理噸鋼能耗平均下降6.2%，性能、探傷等多場景分析準確率92%以上。

四、應用情況與效果

2018年開始，歷經年，北京科技大學工程技術研究院（北科工研）聯合中信泰富特鋼大冶特殊鋼有限公司、馬鋼軌交材料科技有限公司、撫順特殊鋼股份有限公司、江陰興澄特種鋼鐵有限公司等企業，一起探索特鋼熱加工過程的數字化轉型之路，相關技術也在多個企業的類似流程上得到應用推廣，廣受企業好評，也取得了很多經驗和顯著成果。項目應用成功后，國內各特鋼企業均表現出了極大的興趣，想通過數字化推動特鋼熱加工的技術升級與生產技術變革，也破除熱加工工序一直以來不敢轉、不會轉的困境，僅僅2024年一年，就為家特鋼企業得熱加工工序和家企業的熱處理工序制定數字化轉型的整體解決方案，調研產線超過20余家，意向推廣前景十分顯著。此外，一些非特鋼生產企業，在生產板材、無縫管材、棒線材過程中面臨著同樣的問題和技術需求，將特鋼生產過程的智能化經驗做了同樣的技術輸出，取得了明顯的效果。

大冶460無縫鋼管數字化工廠

大冶熱處理線數字工廠數字孿生界面

馬鋼交材車輪產線及箍環線數字工廠

近三年，項目的精準物料跟蹤、爐溫智能控制、生產計劃排程、全過程質量管控等成果獲得了人民日報、人民網、央視新聞、央視財經、新華社、中國冶金報等多家國家級主流媒體和省部級媒體宣傳報道100余次，為企業帶來巨大的經濟效益和社會效益。

國家級主流媒體宣傳報道

項目申請國家發明專利30項，已獲得授權10項，發表科技論文19篇，登記軟件著作權25項，主持和參與制定團體標準4項。成果在大冶特鋼、馬鋼交材整體應用，并在撫順特鋼、淮鋼特鋼、東北特鋼、新興鑄管、靖江特鋼等15家單位推廣應用，全面助推大冶特鋼獲批國家級智能制造示范工廠、馬鋼軌交入選全國制造業單項冠軍企業，支撐在中國塔里木“深地一號”珠峰鉆井、福清“華龍一號”核電用鋼、長征系列航天用管、“高鐵跑鞋”復興號整列裝用項目，大力推動中國制造工業軟件高端自主可控。經鋼鐵工業協會組織的成果評價認為：“項目整體技術達到國際領先水平”。

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