中國工程院院士、東北大學(xué)教授王國棟認(rèn)為，鋼鐵全流程各工序均為“黑箱”，實(shí)時(shí)信息極度缺乏；物理與化學(xué)過程十分復(fù)雜，多相共存，多變量、強(qiáng)耦合、非線性和大滯后；鋼鐵工業(yè)各單元為孤島式控制，尚未做到單元間界面無縫精準(zhǔn)銜接……“作為大型復(fù)雜流程工業(yè)，巨大的不確定性是鋼鐵生產(chǎn)過程面臨的重大挑戰(zhàn)。”他說。

“在數(shù)字時(shí)代，鋼鐵行業(yè)最大的受益點(diǎn)就在于數(shù)字技術(shù)對(duì)“黑箱”問題的破解上。數(shù)據(jù)科學(xué)和數(shù)字技術(shù)將支撐鋼鐵行業(yè)解決‘黑箱’問題，鋼鐵行業(yè)利用數(shù)字驅(qū)動(dòng)恰到好處、恰逢其時(shí)。”4月18日，第二屆中國軋鋼與軋輥新技術(shù)推進(jìn)大會(huì)召開，王國棟出席會(huì)議并做主旨演講。王國棟表示，鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求極為強(qiáng)烈，特別是豐富的應(yīng)用場(chǎng)景是鋼鐵行業(yè)數(shù)字化崛起的重要機(jī)遇。在報(bào)告中，他還介紹了鋼鐵產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)的路徑，同時(shí)，針對(duì)鋼鐵行業(yè)、制造業(yè)共同面對(duì)的“黑箱”問題做了深入分析。

數(shù)字時(shí)代來臨，鋼鐵行業(yè)怎么辦？

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)快速發(fā)展和應(yīng)用，正式宣告了數(shù)字時(shí)代的來臨。”王國棟介紹，作為數(shù)字時(shí)代構(gòu)建數(shù)字生產(chǎn)力、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新型生產(chǎn)要素，數(shù)據(jù)成為數(shù)字時(shí)代社會(huì)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力，甚至成為全球新一輪產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭的制高點(diǎn)。

在此背景下，鋼鐵行業(yè)如何用好數(shù)字技術(shù)？王國棟認(rèn)為，鋼鐵行業(yè)擁有數(shù)據(jù)資源優(yōu)勢(shì)，發(fā)達(dá)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)和研發(fā)設(shè)施，可以積累并提供海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含企業(yè)生產(chǎn)過程的全部規(guī)律。“這是最寶貴的資源，是關(guān)鍵生產(chǎn)要素。”他說。

通過分享美國材料基因組計(jì)劃、韓國浦項(xiàng)高爐運(yùn)行五大狀態(tài)變量數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)、日本JFE智能鋼廠建設(shè)、美國大河鋼廠等案例，王國棟提出，數(shù)字技術(shù)將為鋼鐵行業(yè)帶來超級(jí)智能的邊緣計(jì)算機(jī)、綠色化工藝與裝備研發(fā)創(chuàng)新、高效率及低成本產(chǎn)品創(chuàng)新、5G下全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)管理優(yōu)化運(yùn)行等幾大功能。

通過比較制造業(yè)與材料行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑的不同，王國棟提出，材料行業(yè)要發(fā)揮場(chǎng)景、數(shù)據(jù)資源、反饋循環(huán)對(duì)物料賦能的優(yōu)勢(shì)，走特色道路，采用數(shù)據(jù)/機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)分析方法，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，破解全流程“黑箱”難題，實(shí)現(xiàn)全流程信息物理系統(tǒng)化。

如何解決工業(yè)實(shí)踐中的“黑箱”問題？

王國棟介紹，在工業(yè)時(shí)代，由于“黑箱”問題的嚴(yán)重不確定性，只能借助模擬仿真系統(tǒng)CAE/CAD系統(tǒng)，采用理論或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算，模擬解決。其間，雖然人們不斷探尋各種方法解決“黑箱”問題，但均以失敗告終。

“這表明，除了數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)/機(jī)器學(xué)習(xí)方法，任何其他時(shí)代的方法都對(duì)‘黑箱’問題束手無策。”王國棟強(qiáng)調(diào)。

那么，數(shù)字時(shí)代如何解決工業(yè)實(shí)踐中的“黑箱”問題？王國棟提供了一種思路——數(shù)字孿生，即“黑箱”的高保真度建模。他解釋道，數(shù)字孿生是一系列描述輸入（操作變量、材料成分）與輸出（組織、性能）之間關(guān)系的預(yù)測(cè)性模型，高保真度數(shù)字孿生建模是材料科學(xué)與技術(shù)研究的關(guān)鍵核心。利用數(shù)據(jù)/機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)“黑箱”問題進(jìn)行高保真度建模，將有力提升鋼鐵行業(yè)的核心競(jìng)爭力。

“此外，鋼鐵企業(yè)還可以構(gòu)建創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施。”他說道。何謂創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施？即基于創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享發(fā)展理念，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)、以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展，為提高產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭力而打造的產(chǎn)業(yè)升級(jí)、融合、創(chuàng)新的基礎(chǔ)設(shè)施體系。

對(duì)于鋼鐵企業(yè)而言，創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施主要包括“一網(wǎng)”（5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）、“三大平臺(tái)”（底層實(shí)體設(shè)備平臺(tái)、邊緣數(shù)字化核心平臺(tái)、資源配置與管理云平臺(tái)、“四大功能”（綠色化轉(zhuǎn)型、數(shù)字化轉(zhuǎn)型、高質(zhì)化發(fā)展、強(qiáng)鏈化運(yùn)行）。

制造業(yè)解決“黑箱”問題的方法較落后

通過分析軋輥制造技術(shù)、高鐵車輪與輪箍的生產(chǎn)工藝過程、齒輪制造過程、軸承制造工藝、全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同一體式汽車結(jié)構(gòu)件熱沖壓技術(shù)等案例，王國棟提出，制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，使得用鋼產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率都得到了顯著提升，為金屬加工行業(yè)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

基于此，王國棟提出，鋼鐵行業(yè)和制造業(yè)要攜手并進(jìn)，破解共同面對(duì)的“黑箱”問題。從制造業(yè)使用金屬材料的工藝過程來看，“白箱”決定了產(chǎn)品外形尺寸精度，而“黑箱”決定了材料的組織和性能。“黑箱”與“白箱”有不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但都很重要。在制造業(yè)使用金屬材料過程中，“白箱”與“黑箱”必然并存。

分別來看，“白箱”在制造業(yè)使用材料過程中，通常為冷機(jī)械加工（車、銑、刨、鉆、鏜、磨）外形、尺寸高精度加工。“白箱”問題并不引起內(nèi)部材料組織與性能的變化。而“黑箱”通常為鑄鍛焊、成形加工、熱處理等，不僅涉及材料的外形、尺寸的變化，還涉及材料內(nèi)部組織和性能的變化。

王國棟強(qiáng)調(diào)，“黑箱”問題直接影響著產(chǎn)品內(nèi)部的組織和性能，即與產(chǎn)品制造的最終質(zhì)量、效率、成本、環(huán)境及后續(xù)使用性能等密切相關(guān)。目前，制造業(yè)“黑箱”問題的解決方法是通過工業(yè)時(shí)代的理論分析（計(jì)算機(jī)模擬）或經(jīng)驗(yàn)，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代。

“面向數(shù)字時(shí)代，我們必須把注意力轉(zhuǎn)向‘黑箱’，把制造業(yè)實(shí)體經(jīng)濟(jì)與數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字技術(shù)結(jié)合起來。鋼鐵行業(yè)與制造業(yè)要攜手并進(jìn)、協(xié)同創(chuàng)新，共同攻克‘黑箱’問題，攜手走向高質(zhì)量發(fā)展。”王國棟說。

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