一、研究的背景與問(wèn)題
唐鋼新區(qū)是貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記“堅(jiān)決去、主動(dòng)調(diào)、加快轉(zhuǎn)”重要指示精神的重點(diǎn)工程，是河鋼也是行業(yè)探索鋼廠數(shù)字化、綠色化、品牌化轉(zhuǎn)型的重要工程。習(xí)近平總書(shū)記要求河北“堅(jiān)決去、主動(dòng)調(diào)、加快轉(zhuǎn)”，“在改革創(chuàng)新、開(kāi)放合作中加快實(shí)現(xiàn)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換”。河鋼集團(tuán)地處京津冀特殊地理位置，也是大型國(guó)有企業(yè)，更要主動(dòng)作為，牢固樹(shù)立和踐行新發(fā)展理念，堅(jiān)定不移化解過(guò)剩產(chǎn)能，全力推動(dòng)鋼鐵行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展、綠色發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展。
智能化、綠色化是鋼鐵行業(yè)的發(fā)展方向，而數(shù)字化是智能化的重要基礎(chǔ)，在鋼鐵工程建設(shè)特別是新型鋼廠建設(shè)過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)全流程全方位的數(shù)字化和綠色化，還需要解決以下四個(gè)核心問(wèn)題。
1.解決新一代信息技術(shù)與鋼鐵全流程深入融合的問(wèn)題。一是解決信息感知與數(shù)據(jù)不全的問(wèn)題；二是挖掘數(shù)據(jù)的深層次價(jià)值，解決大部分?jǐn)?shù)據(jù)仍在沉睡的問(wèn)題；三是提高數(shù)據(jù)孿生效率，解決產(chǎn)線各系統(tǒng)之間彼此孤立、信息孤島，數(shù)據(jù)資產(chǎn)和價(jià)值有待進(jìn)一步挖掘的問(wèn)題。
2.解決綠色技術(shù)與工程設(shè)計(jì)的融合與協(xié)同問(wèn)題。我國(guó)鋼鐵行業(yè)執(zhí)行全球最嚴(yán)行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，河鋼集團(tuán)所在的河北省排放限值又高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。另外，鋼鐵行業(yè)存在工藝流程長(zhǎng)、工序多、污染物種類(lèi)多的特點(diǎn)，增加了污染物協(xié)同治理的難度。以產(chǎn)品為主導(dǎo)的傳統(tǒng)鋼廠設(shè)計(jì)模式，生產(chǎn)制造與綠色技術(shù)協(xié)同性不夠，導(dǎo)致全流程綠色技術(shù)與總體設(shè)計(jì)融合難。
3.解決新一代流程鋼廠各工序高效銜接的問(wèn)題。依據(jù)冶金流程學(xué)理論，鋼廠工序流轉(zhuǎn)應(yīng)遵循“流轉(zhuǎn)時(shí)間最小化、空間路徑最小化、過(guò)程排放最小化”的總體設(shè)計(jì)理念，但如何實(shí)現(xiàn)“最小化”，在實(shí)際操作時(shí)難以量化和及時(shí)調(diào)整。需要通過(guò)數(shù)字化手段，搭建流程優(yōu)化和智能化運(yùn)行總平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各工序間的高效銜接。
4.解決鋼鐵工程項(xiàng)目管理手段不統(tǒng)一的問(wèn)題。鋼鐵工程由于規(guī)模大、系統(tǒng)復(fù)雜，面臨工程難以協(xié)同管理的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備管理、現(xiàn)場(chǎng)施工等資源集中管控平臺(tái)缺失、技術(shù)體系無(wú)法共享、信息溝通效率低等方面，嚴(yán)重影響和制約了工程建設(shè)效率。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
針對(duì)數(shù)字化、綠色化鋼廠建設(shè)工程面臨的鋼廠全流程數(shù)字孿生創(chuàng)新、行業(yè)排放限值要求高、多污染物協(xié)同治理難、生產(chǎn)環(huán)保深度耦合難、綠色技術(shù)工程集成難等諸多難題，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在唐鋼新區(qū)建設(shè)過(guò)程中，以“綠色化、智能化、品牌化”為建設(shè)目標(biāo)，以物質(zhì)流、能源流、信息流的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為方向，運(yùn)用最新的鋼廠動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、集成理論和流程界面技術(shù)，通過(guò)數(shù)字虛擬工廠與現(xiàn)實(shí)工廠協(xié)同架構(gòu)、綠色技術(shù)與工程設(shè)計(jì)協(xié)同模式以及全要素資源動(dòng)態(tài)協(xié)同的過(guò)程管控模式等“四個(gè)協(xié)同”的工程管理方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化綠色化新型鋼廠建造?？傮w思路如圖1所示。
圖1 數(shù)字化綠色化新型鋼廠工程管理思路
1.構(gòu)建數(shù)字虛擬工廠與現(xiàn)實(shí)工廠協(xié)同架構(gòu)。在建造階段，將設(shè)備、施工等信息持續(xù)向虛擬工廠匯聚，實(shí)現(xiàn)實(shí)體工廠與虛擬工廠同步設(shè)計(jì)、同步建造，并為數(shù)字化、智能化綠色工廠的構(gòu)建與運(yùn)維提供堅(jiān)實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
2.建立綠色技術(shù)與工程設(shè)計(jì)協(xié)同模式。提高鋼鐵制造各工序綠色指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化水平，建立鋼鐵綠色工藝技術(shù)庫(kù)，對(duì)鋼鐵綠色新技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)研究，開(kāi)發(fā)前瞻性綠色技術(shù)；建成符合當(dāng)前時(shí)代背景和要求的綠色鋼廠指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系，將指標(biāo)體系植入鋼鐵項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)，通過(guò)指標(biāo)分解將綠色設(shè)計(jì)定量要求于每個(gè)工序，再通過(guò)建立綠色評(píng)價(jià)系統(tǒng)，評(píng)價(jià)包括工程投資、運(yùn)維、排放在內(nèi)的綠色指標(biāo)，再將先進(jìn)的綠色指標(biāo)反饋于技術(shù)和設(shè)計(jì)。
3.建立全要素資源動(dòng)態(tài)協(xié)同的過(guò)程管控模式。通過(guò)建立全過(guò)程工程管理平臺(tái)，科學(xué)規(guī)劃和實(shí)時(shí)控制復(fù)雜項(xiàng)目組合，將工程建設(shè)供應(yīng)鏈管理、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、工程施工等資源進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和科學(xué)調(diào)度。執(zhí)行最佳的資源分配和進(jìn)度計(jì)劃，基于實(shí)時(shí)KPI做出最優(yōu)項(xiàng)目決策，來(lái)實(shí)現(xiàn)工程管理全過(guò)程全要素資源的集中調(diào)配與高效協(xié)同。通過(guò)實(shí)時(shí)BIM先進(jìn)管理工具的使用，統(tǒng)一項(xiàng)目狀態(tài)模型、秩序構(gòu)建和資源管理，實(shí)現(xiàn)多種建設(shè)模式的高效協(xié)同，打通項(xiàng)目管理堵點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目業(yè)務(wù)管理各環(huán)節(jié)的一體化綜合管理。
4.引入基于模塊化的工程建設(shè)協(xié)同體系。將傳統(tǒng)鋼廠建設(shè)過(guò)程進(jìn)行模塊化集成，建立標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化預(yù)制、模塊化施工、信息化管理的協(xié)同機(jī)制。由線上搭建轉(zhuǎn)變?yōu)榫€下模塊、線上集成，順序作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫凶鳂I(yè)，實(shí)現(xiàn)了安全、質(zhì)量、成本、進(jìn)度四位一體的有效管控。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
本項(xiàng)目依托唐鋼新區(qū)建設(shè)，形成了數(shù)字化綠色化新型鋼廠的建造方法，獲得授權(quán)專利32項(xiàng)（其中發(fā)明專利5項(xiàng)）、軟著24件、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)、著作3部。并運(yùn)用這一工程建設(shè)方法將唐鋼新區(qū)打造成國(guó)際領(lǐng)先的新一代流程鋼廠。本項(xiàng)目主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
1.研究構(gòu)建出基于設(shè)計(jì)、交付、運(yùn)維全生命周期和全要素?cái)?shù)據(jù)的數(shù)字孿生虛擬與現(xiàn)實(shí)協(xié)同智能化集成技術(shù)平臺(tái)，建立了工程數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、工程數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建了統(tǒng)一編碼及統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實(shí)協(xié)同的全流程、全生命周期數(shù)字化建造。
建立了鋼鐵行業(yè)首個(gè)虛擬與現(xiàn)實(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生工廠，融合包含燒結(jié)、球團(tuán)、高爐、煉鋼、軋鋼等全工序流程，覆蓋從設(shè)計(jì)到交付再到運(yùn)營(yíng)、維護(hù)的全生命周期，涵蓋工廠生產(chǎn)、質(zhì)量、物流、能源、運(yùn)維、安環(huán)等全要素的多維數(shù)據(jù)，解決了多學(xué)科、多維度、跨專業(yè)復(fù)雜的虛擬與實(shí)體工廠同步設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維，如圖2所示。
圖2 現(xiàn)實(shí)工廠與數(shù)字工廠協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)路線圖
2.建立了貫穿于鋼鐵企業(yè)設(shè)計(jì)-施工-生產(chǎn)-運(yùn)營(yíng)全生命周期的綠色技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)建了基于綠色技術(shù)與工程設(shè)計(jì)協(xié)同的減量化、再利用、再循環(huán)綠色工廠，解決了鋼鐵企業(yè)工序多、污染物種類(lèi)多、污染物協(xié)同治理難的問(wèn)題。
依托標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化的鋼鐵制造各工序綠色指標(biāo)，形成符合鋼鐵企業(yè)特征的綠色鋼廠指標(biāo)體系，并以此建立鋼鐵綠色工藝技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，將技術(shù)體系融入鋼鐵項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)中。通過(guò)指標(biāo)分解和評(píng)價(jià)方法將綠色技術(shù)應(yīng)用于每個(gè)工序，打造全生命周期、全流程的綠色化工廠。通過(guò)建立綠色技術(shù)與工程設(shè)計(jì)協(xié)同模式，以流轉(zhuǎn)時(shí)間最小化、空間路徑最小化、過(guò)程排放最小化為目標(biāo)，通過(guò)CAE仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)、物流仿真平臺(tái)、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)平臺(tái)、BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)階段綠色技術(shù)體系與工程設(shè)計(jì)體系的深度融合，如圖3所示。
圖3 綠色技術(shù)與工程設(shè)計(jì)的協(xié)同路線圖
3.建立全過(guò)程與全要素資源動(dòng)態(tài)協(xié)同的過(guò)程管理方法。通過(guò)結(jié)構(gòu)化WBS和實(shí)時(shí)KPI方法，把投資、工期、采購(gòu)需求、設(shè)備監(jiān)制、工程施工、項(xiàng)目結(jié)算、竣工轉(zhuǎn)資等要素進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和科學(xué)調(diào)度，解決項(xiàng)目管理過(guò)程中多部門(mén)、多流程、跨專業(yè)、分階段統(tǒng)一管理的難題，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程全要素資源的集中調(diào)配與高效協(xié)同管理，降低同口徑噸鋼投資費(fèi)用21%。
利用先進(jìn)的實(shí)施方法論和技術(shù)，通過(guò)管控組織與作業(yè)區(qū)域及配套相結(jié)合、作業(yè)區(qū)域及配套與費(fèi)用類(lèi)型相結(jié)合的結(jié)構(gòu)化WBS架構(gòu)，將投資計(jì)劃、采購(gòu)需求、采購(gòu)合同、工期進(jìn)度、項(xiàng)目成本、結(jié)算規(guī)則、組織人員、過(guò)程資料等全資源要素進(jìn)行統(tǒng)一管理，提高了設(shè)計(jì)、需求、采購(gòu)、合同實(shí)施間的協(xié)同融合管理效率；增強(qiáng)了跨專業(yè)、跨部門(mén)、跨工程建設(shè)階段的精細(xì)化資源調(diào)配與監(jiān)控能力；實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目建設(shè)全過(guò)程的數(shù)字化信息共享。整體路線如圖4所示。
圖4 項(xiàng)目全要素資源協(xié)同管控技術(shù)路線圖
4.研究開(kāi)發(fā)出基于工程數(shù)字與模塊建造協(xié)同管理的可視化、信息化、高效化建造體系，解決了建造過(guò)程集成化程度低、資源占用多、施工效率低，質(zhì)量、安全和投資管控難，信息化程度低的難題，實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)工期30個(gè)月，比原計(jì)劃縮短6個(gè)月。
在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段就把“BIM和模塊建造協(xié)同”方法貫穿項(xiàng)目建設(shè)的全生命周期。利用BIM三維技術(shù)，直觀展示設(shè)計(jì)方案成果和全過(guò)程的可視化設(shè)計(jì)，同時(shí)，通過(guò)BIM數(shù)字化平臺(tái)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，及時(shí)解決各專業(yè)設(shè)計(jì)成果錯(cuò)漏和碰撞沖突，精準(zhǔn)計(jì)算工程量，設(shè)計(jì)優(yōu)化，有效減少設(shè)計(jì)失誤造成的返工。在施工階段，一是運(yùn)用BIM三維數(shù)字模擬技術(shù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)、安全技術(shù)等交底和方案討論工作，使得工程質(zhì)量、安全管控直觀可視化。二是將3D與時(shí)間維度相結(jié)合，形成4D動(dòng)態(tài)管理，管控施工進(jìn)度，對(duì)施工資源和場(chǎng)地布置等進(jìn)行優(yōu)化。三是利用BIM技術(shù)和模塊化建造協(xié)同融合，使得項(xiàng)目施工質(zhì)量可控，安全管理可靠，實(shí)現(xiàn)數(shù)字建筑的成本精益和高效管理。技術(shù)路線圖如圖5所示。
圖5 BIM和模塊建造協(xié)同路線圖
四、應(yīng)用情況與效果
該工程管理成果，在成功建設(shè)“綠色化、智能化、品牌化”的唐鋼新區(qū)工程后，還應(yīng)用到河鋼石鋼短流程典范工廠、河鋼邯鋼老區(qū)搬遷等鋼廠建設(shè)工程中，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以唐鋼新區(qū)為例。
1.工程建設(shè)效率顯著提升
唐鋼新區(qū)項(xiàng)目年產(chǎn)鐵水732萬(wàn)噸、鋼水747萬(wàn)噸，全流程應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)和交付，與國(guó)內(nèi)外同規(guī)模沿海鋼鐵企業(yè)、“十三五”期間同期建設(shè)項(xiàng)目相比，均具有先進(jìn)性。噸鋼投資（到熱軋工序）在同類(lèi)沿海鋼鐵廠中最低，且比同地區(qū)鋼鐵新建企業(yè)降低21%。項(xiàng)目建設(shè)周期僅用30個(gè)月，比同類(lèi)型降低6-13個(gè)月，比原計(jì)劃36個(gè)月縮短6個(gè)月。
2.唐鋼新區(qū)廠內(nèi)運(yùn)行流程緊湊
唐鋼新區(qū)在總圖布置中運(yùn)用新一代聯(lián)合鋼鐵企業(yè)總體設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)總圖布局的緊湊、生產(chǎn)流程的順暢、功能分區(qū)的明確，做到人流與貨流分開(kāi)，特種物流與普通物流分開(kāi)，有污染的生產(chǎn)區(qū)與清潔生產(chǎn)區(qū)分開(kāi)，噸鋼占地面積0.53m2，在國(guó)內(nèi)外相同規(guī)模企業(yè)中占地最小，流程最為緊湊，物流成本最低。
3.唐鋼新區(qū)綠色制造能力達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平
唐鋼新區(qū)項(xiàng)目研發(fā)和應(yīng)用230余項(xiàng)新工藝、新技術(shù)，實(shí)施130多項(xiàng)國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的綠色環(huán)保生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)單元煙氣全凈化和污染物高效處理。項(xiàng)目噸鋼綜合能耗為539.75kgce，企業(yè)自發(fā)電比例達(dá)到80%以上，噸鋼SO2排放量0.06kg，噸鋼NOx排放量0.20kg，噸鋼煙粉塵排放量0.10kg，二次能源回收利用率100%。物料實(shí)現(xiàn)全封閉運(yùn)輸和實(shí)時(shí)監(jiān)控，成品運(yùn)輸火車(chē)集港、非公路運(yùn)輸率達(dá)到98%以上。噸礦污染物排放總量比行業(yè)超低排放水平再降36%，與常規(guī)長(zhǎng)流程鋼鐵企業(yè)相比減少碳排放20%。2022年1月6日，唐鋼新區(qū)被河北省生態(tài)環(huán)境廳評(píng)為環(huán)保A級(jí)績(jī)效企業(yè)。
4.唐鋼新區(qū)數(shù)字化水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先
唐鋼新區(qū)構(gòu)建了全流程一體化的智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)，集成生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量、銷(xiāo)售、市場(chǎng)、物流、能源、環(huán)保、安全等與生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)相關(guān)的全方位信息數(shù)據(jù)，覆蓋整個(gè)工序鏈條，實(shí)現(xiàn)全流程生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的大數(shù)據(jù)匯聚、智能分析和智能決策。搭建了流程優(yōu)化和智能化運(yùn)行的總體設(shè)計(jì)和協(xié)同平臺(tái)，從全流程角度，提出鐵鋼界面、鋼軋界面、鑄軋界面動(dòng)態(tài)有序運(yùn)行的協(xié)同規(guī)則，系統(tǒng)自動(dòng)匹配各工序作業(yè)用時(shí)的優(yōu)化與工序間高效銜接，使得“流轉(zhuǎn)時(shí)間最小化、空間路徑最小化、過(guò)程排放最小化”理念得以量化和實(shí)現(xiàn)。建成了國(guó)內(nèi)最智能的“無(wú)人化”料場(chǎng)，以及高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐一鍵煉鋼、一鍵自動(dòng)出鋼、設(shè)備在線診斷、廠區(qū)智慧物流及機(jī)器人應(yīng)用等智能裝備，顯著提高唐鋼新區(qū)運(yùn)行效率和柔性制造能力。
