智能化钢厂“结构”优化

　　流程结构是指工序功能集合、工序关系集合的适应(协调)性，系统运行的动态可调性，结构优化包括流程工序功能集解析-优化、工序关系集协调-优化、流程系统工序集重构-优化多个层次。

　　流程模型化是流程优化的前提。先基于流程机理建立物理系统模型，对流程进行结构化(形成合理的流程网络)、概念化(对多因子物质流运行性质的描述)理解基础上，进行的整体物理描述(包括“程序”描述)。进而，基于物理模型建立数字化模型，包括工序数学模型、平面布置图 GIS(地理信息系统)、工序关联语义网络和运行“程序”数字化。

　　信息是动态调控流程中各个功能因素的纽带，是制造流程集成优化的重要基础之一。流程中各个工序的输入集(I)，在经过流程中各个工序(X)作用后形成相应的输出集(O)，从输入集到输出集的转变受工序功能集(F)和工序关系集(R)控制的，并经过控制策略集(C)的调控，在这个过程的各个层面形成对应的信息子系统，进而集成到决策中心并形成制造流程信息系统。

　　智能化钢厂“结构”优化为智能钢厂“程序”优化奠定了基础，是智能化的必要条件，智能化钢厂“程序”优化是智能化的充分条件，两者有机结合，相互促进。智能化钢厂“程序”优化侧重全局性集成优化，通过物质流、能量流、信息流“三网”协同运行，实现多目标优化，使得过程耗散“小化”。主要优化内容包括全流程产品质量管控、一体化计划调度、物质能量协同、多工序协调优化等。

　　全流程产品质量管控

　　全流程产品质量管控的目的是联通产品开发、工艺设计、生产制造、用户使用多个环节，打破信息孤岛，形成图3所示产品质量管控的多回路PDCA闭环。

　　以扁平材为例，其全流程生产制造环节需研究开发的主要技术内容包括：全制造周期集成质量信息平台、全流程产品质量在线监控、质量在线综合评判诊断、全流程产品质量的溯源分析和质量优化(图4)。

　　一体化计划调度

　　一体化计划调度从内容上包括从销售订单、资源计划、生产计划、作业计划到过程控制的纵向集成，从原料、炼铁、炼钢、轧钢到产品的横向集成，其目标是实现准时交货、在制品减少、工序均衡、运行效率、能源优化等指标的多目标优化(图 5)。将以前分别部署在企业ERP、各分厂 MES、各工序 PCS的计划-执行-控制系统进行有机协同、动态管控。

　　要实现一体化计划调度，需要研究开发以下关键共性技术：

　　1)生产路径与规程语义网络表达。

　　2)基于多智能体(Agents)流程仿真。

　　3)多层次迭代启发式计划优化。

　　4)不确定因素(设备故障、质量下降)影响的预测。

　　5)不确定因素的启发式调度策略(图6)。

　　物质流能量流协同

　　物质流能量流协同是将钢铁企业生产优化的制造执行系统MES和能源优化的能源管理系统EMS进行协同，实现能源的综合智能调控(图7)。物质流能量流协同关注与物质流耦合紧密的能源流的产生-转换-缓冲-使用-回收等能量流网络各个环节，通过能源转化、适当缓冲能力、减少能流网络损耗等途径，实现能量流网络动态平衡、能质匹配。

　　要实现物质流能量流协同，需要研究开发以下关键共性技术：

　　1)全流程物质流-能量流耦合的能量流网络模型;

　　2)基于能量流网络模型的动态仿真;

　　3)多尺度多视角能效评估;

　　4)多场景能源计划和多介质能源优化;

　　5)生产预测与能源反馈结合的能源动态闭环控制(图8)。

　　多工序协调优化

　　多工序协调优化是从全流程角度，基于界面技术，将各工序生产管理和过程控制系统进行协同起来进行系统优化，实现全流程连续紧凑、动态有序生产。多工序协调优化与一体化计划调度都强调全流程横向集成，只不过前者更关注生产流程“耗散”，后者更关注订单的完成。