人工智能為材料工業(yè)發(fā)展賦能

王興艷

2012年以來，隨著數(shù)據(jù)量的急劇上漲、運(yùn)算力的大幅提升以及機(jī)器學(xué)習(xí)新算法（深度學(xué)習(xí)）的出現(xiàn)，人工智能得以快速發(fā)展。作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動力，人工智能正在對全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類社會的生活與技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生巨大影響。與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)的材料領(lǐng)域，也正經(jīng)歷著人工智能所帶來的巨大變化。

1 助力新材料實(shí)現(xiàn)快速研發(fā)

1.1 產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要解決研發(fā)耗時、耗力、耗資金問題

從材料發(fā)展歷史來看，一種新材料的出現(xiàn)往往要經(jīng)歷無數(shù)次的分析試驗，這一過程平均要經(jīng)歷10年，而從新材料誕生再到商業(yè)化應(yīng)用往往再用10年的時間，這一漫長而充滿無數(shù)不確定性的過程，往往需要投入大量的研發(fā)人員，耗費(fèi)大量的時間和金錢。長期以來，“三耗”問題一直制約著材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使得材料研發(fā)難以有效滿足各領(lǐng)域的材料需求。為了解決這一問題，加快材料研發(fā)，降低研發(fā)成本，全球科研人員一直在努力尋求突破。美國福特汽車公司曾開發(fā)了一套虛擬鋁壓鑄設(shè)計制造系統(tǒng)并用于實(shí)踐，大大縮短了產(chǎn)品從設(shè)計到制造再到測試的周期時間，提升了研發(fā)制造效率，節(jié)約了開發(fā)成本。2011年，美國還啟動了“材料基因組計劃”，提出“將新材料研發(fā)周期縮短一半、成本降低到現(xiàn)有的幾分之一”的目標(biāo)，將減少材料研發(fā)周期和研發(fā)成本上升為國家戰(zhàn)略地位。與此同時，我國中科院也積極將計算模擬引入材料研發(fā)設(shè)計中，以期實(shí)現(xiàn)縮減研發(fā)周期和研發(fā)成本的目標(biāo)。

1.2 人工智能可助力材料快速發(fā)現(xiàn)與改進(jìn)

2018年美國一個科學(xué)小組報告稱找到了發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)金屬玻璃的捷徑，僅用較少時間和成本就能發(fā)現(xiàn)新材料。該小組由美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗室、國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和西北大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)，他們所說的捷徑就是通過利用斯坦福同步輻射光源中一個結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)的新系統(tǒng)，對數(shù)百種樣品材料進(jìn)行快速篩選，最終以比以往快200倍的速度發(fā)現(xiàn)了3種新混合物制成的金屬玻璃。

該系統(tǒng)是基于一個材料科學(xué)數(shù)據(jù)平臺，數(shù)據(jù)平臺的電子表格和實(shí)驗室筆記中的數(shù)據(jù)以統(tǒng)一格式存儲，可用來供人工智能系統(tǒng)學(xué)習(xí)使用?？蒲腥藛T對平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗的快速驗證和預(yù)測，并將結(jié)果循環(huán)到下一輪機(jī)器學(xué)習(xí)和實(shí)驗中。通過不斷的迭代學(xué)習(xí)，不斷地快速驗證和預(yù)測，最終實(shí)現(xiàn)新材料的快速發(fā)現(xiàn)。

這個新系統(tǒng)的應(yīng)用就是人工智能助力新材料發(fā)現(xiàn)的一個最好例證。借助人工智能，不僅新材料的研發(fā)和應(yīng)用周期將大大縮短，還能夠節(jié)省大量的人力和資金。

1.3 人工智能將為材料研發(fā)帶來更多可能

如今，已有越來越多的材料研發(fā)人員借助人工智能技術(shù)開展材料研發(fā)與設(shè)計工作。通常晶體材料在受到及其微小的應(yīng)變時，其結(jié)構(gòu)中原子的排列就會發(fā)生變化，并導(dǎo)致諸如導(dǎo)電性、透光性及導(dǎo)熱性等變化。一個由麻省理工學(xué)院、俄羅斯以及新加坡共同組建的研究小組，借助人工智能幫助對這種微小的應(yīng)變進(jìn)行預(yù)測和管理，以期能獲得具有不同性質(zhì)的晶體材料，開辟出一種開發(fā)不同類型器件的新途徑。

隨著深度學(xué)習(xí)的不斷發(fā)展，人工智能在材料研發(fā)和設(shè)計方面將發(fā)揮更大作用?；蛟S在不久的將來，人工智能就能幫助科學(xué)家獲得機(jī)器學(xué)習(xí)模型中的直接反饋結(jié)果，快速評估出有毒、昂貴或著易碎等性質(zhì)的材料，并在下一個小時就準(zhǔn)備好另一套待評估的樣本。

2 推動材料工業(yè)實(shí)現(xiàn)更加安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效和智能化生產(chǎn)

如今，人工智能在鋼鐵、石化、有色金屬、建材等材料生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，使得材料工業(yè)生產(chǎn)過程更加安全，更加高效、環(huán)保，也更加智能化，其產(chǎn)品的生產(chǎn)成本也大大降低，產(chǎn)品質(zhì)量也更加穩(wěn)定且優(yōu)良，智能化水平也得以進(jìn)一步提升，推進(jìn)材料工業(yè)轉(zhuǎn)型升級繼續(xù)深化。

2.1 鋼鐵領(lǐng)域

在鋼鐵領(lǐng)域，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能機(jī)器人、智能優(yōu)化等人工智能技術(shù)的已經(jīng)深入生產(chǎn)過程的各個方面。如鐵前環(huán)節(jié)的燒結(jié)配料優(yōu)化、煉焦配煤優(yōu)化，煉鐵過程中的爐料結(jié)構(gòu)測算優(yōu)化、高爐專家控制系統(tǒng)及鐵水成分預(yù)測，鐵水從煉鐵車間到煉鋼車間的鐵鋼界面優(yōu)化，煉鋼環(huán)節(jié)的設(shè)備故障診斷，連鑄過程的煉鋼—連鑄動態(tài)調(diào)整、板坯質(zhì)量識別系統(tǒng)以及生產(chǎn)計劃，軋制過程中的軋制模型及軋制參數(shù)優(yōu)化等，均是人工智能助力鋼鐵生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用。為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級，各鋼鐵企業(yè)積極推進(jìn)智能制造改造項目，提升企業(yè)信息化、智能化水平。

2019年寶山鋼鐵股份有限公司（以下簡稱“寶鋼”）就啟動了112個智能制造改造項目，取得“一鍵煉鋼”“無人重載框架車控制及調(diào)度技術(shù)”等一系列智能制造成果，減少了83個操作室，使1 084人從繁重的體力勞動中解脫出來，大大提高了生產(chǎn)效率。另外，內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司（以下簡稱“包鋼”）、北京首鋼股份有限公司（以下簡稱“首鋼”）、鞍鋼股份有限公司（以下簡稱“鞍鋼”）、江蘇沙鋼股份有限公司（以下簡稱“沙鋼”）和福建三鋼閩光股份有限公司（以下簡稱“三鋼”）等企業(yè)也積極推進(jìn)智能化升級改造，詳見表1。

2.2 石化領(lǐng)域

如今，人工智能巡檢系統(tǒng)、數(shù)字化工廠、無人機(jī)及智能專家系統(tǒng)等人工智在石化領(lǐng)域能得以廣泛應(yīng)用。借助無人機(jī)搭配高清攝影設(shè)備及小型監(jiān)測設(shè)備，對石化重點(diǎn)部位泄露情況進(jìn)行監(jiān)控；利用無人機(jī)對煉化企業(yè)的晾水塔、反應(yīng)塔等有一定高度的設(shè)備進(jìn)行巡檢，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患；又或者通過智能專家系統(tǒng)對化工企業(yè)的核心設(shè)備大型機(jī)組及關(guān)鍵生產(chǎn)過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，以提前預(yù)測設(shè)備問題等。

中國石化集團(tuán)（以下簡稱“中國石化”）積極推進(jìn)智能工廠建設(shè)，將人工智能、機(jī)器人、傳感器、三維、工業(yè)4G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、生產(chǎn)優(yōu)化技術(shù)等數(shù)字化、智能化技術(shù)應(yīng)用于石化工業(yè)，實(shí)現(xiàn)智能化技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用的突破，形成了基于“四定”（定時、定量、定質(zhì)、定位）的現(xiàn)場施工作業(yè)管控、計劃生產(chǎn)協(xié)同優(yōu)化、調(diào)度指揮與MES系統(tǒng)和進(jìn)出廠物流協(xié)同、基于三維可視化和數(shù)字化的生產(chǎn)車間等一系列石化領(lǐng)域典型的智能化應(yīng)用場景。恒逸石化股份有限公司（以下簡稱“恒逸石化”）采用全流程智能物流系統(tǒng)，通過智能傳感技術(shù)及遍布全廠的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，可對生產(chǎn)過程中的環(huán)境、能源、設(shè)備等信息進(jìn)行實(shí)時采集，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、設(shè)備的互聯(lián)和集成，促進(jìn)生產(chǎn)工藝優(yōu)化，提升產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)智能工廠的精益制造協(xié)同。此外，江蘇高科石化股份有限公司（以下簡稱“高科石化”）、唐山三友化工股份有限公司（以下簡稱“三友化工”）、沈陽化工股份有限公司（以下簡稱“沈陽化工”）、滄州大化股份有限公司（以下簡稱“滄州大化”）也積極推進(jìn)人工智能技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用，詳見表2。

2.3 有色金屬領(lǐng)域

在有色金屬領(lǐng)域，人工智能技術(shù)在行業(yè)綠色化、高效化和智能化發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用。機(jī)器視覺作為人工智能的一個重要分支，比人工視覺具有更強(qiáng)的感知能力和更精確的識別能力，可以代替人進(jìn)行感知和認(rèn)知，且處理速度快、精度高，適用于高危和大批量重復(fù)生產(chǎn)活動中。在有色金屬進(jìn)行泡沫浮選法選礦過程中，利用分布機(jī)器視覺對金屬品位進(jìn)行實(shí)時預(yù)測、工況識別、協(xié)調(diào)優(yōu)化控制浮選流程藥劑添加量，從而及時有效應(yīng)對礦源條件的不斷變化，提高資源回收率，降低藥劑消耗，減少污染物排放，提升浮選過程的智能化水平。

內(nèi)蒙古錦溪科技有限公司（以下簡稱“錦溪科技”）推出鋁用智能打殼下料系統(tǒng)，通過特種傳感器陣列、專家控制策略、按需打殼下料，專業(yè)化系統(tǒng)定制產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了槽上部檢修工作量降低70%以上、電解槽巡視工作量降低50%以上、節(jié)氣量達(dá)50%以上以及產(chǎn)品壽命延長6倍的效果，助推鋁工業(yè)降本增效。此外，寧波金田銅業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司（以下簡稱“金田銅業(yè)”）、廣亞鋁業(yè)集團(tuán)（以下簡稱“廣亞鋁業(yè)”）、中鋁薩帕特種鋁材（重慶）有限公司（以下簡稱“中鋁薩帕”）、中鎢高新材料股份有限公司（以下簡稱“中鎢高新”）等企業(yè)也積極采用智能化設(shè)備，進(jìn)行智能車間或智能產(chǎn)線建設(shè)，詳見表3。

2.4 建材領(lǐng)域

在建材領(lǐng)域，基于工業(yè)大數(shù)據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用于水泥熟料生產(chǎn)過程，可以使企業(yè)的生產(chǎn)線更加平穩(wěn)，調(diào)整更加高效，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率進(jìn)一步提高；通過智能監(jiān)測對污染物排放進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測管理，保證生產(chǎn)安全，實(shí)現(xiàn)綠色化生產(chǎn)。

北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司（以下簡稱 “東方雨虹”）采用國際最先進(jìn)的生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)包括卷材、涂料、砂漿等在內(nèi)的全流程自動化生產(chǎn)，并應(yīng)用智能化機(jī)器手臂對產(chǎn)品進(jìn)行碼垛，打造“智能車間”，大大提高了生產(chǎn)效率和安全性。新疆天山水泥股份有限公司（以下簡稱“天山水泥”）在主要污染物排放口進(jìn)行污染源在線監(jiān)測和智能監(jiān)控雙系統(tǒng)監(jiān)督管理，生產(chǎn)過程更加環(huán)保、更加安全。另外，瑞泰科技股份有限公司（以下簡稱“瑞泰科技”）積極推進(jìn)智能產(chǎn)線建設(shè)，山東東華水泥有限公司（以下簡稱“東華水泥”）、四川雙馬水泥股份有限公司（以下簡稱“雙馬水泥”）等企業(yè)也積極推進(jìn)智能工廠建設(shè)，詳見表4。

3 助推材料倉儲與物流更加智慧化

在材料工業(yè)中，物流伴隨企業(yè)從購買原料到產(chǎn)品生產(chǎn)再到產(chǎn)品銷售的全過程，而倉儲是連接產(chǎn)品生產(chǎn)、原燃料供應(yīng)、產(chǎn)品銷售的中轉(zhuǎn)站，二者為企業(yè)生產(chǎn)提供重要保障。

如今，隨著人工智能被廣泛用于倉儲和物流，越來越多的材料企業(yè)開始推進(jìn)智慧倉儲和智慧物流的建設(shè)。如雙馬水泥物流發(fā)運(yùn)自動化系統(tǒng)已成功上線，物流發(fā)運(yùn)的效率得到提升，物流發(fā)運(yùn)環(huán)節(jié)的內(nèi)部控制也得到進(jìn)一步加強(qiáng)；金田銅業(yè)智能倉庫已建成使用，入庫自動掃碼系統(tǒng)可實(shí)時檢測、采集貨物入庫信息，并可根據(jù)貨物高度自動匹配不同貨架；恒逸石化開發(fā)的智能倉儲系統(tǒng)也已投入使用，并在行業(yè)內(nèi)首推全流程智能物流系統(tǒng)。另外，三鋼在泉州的智能倉儲中心也建成投用。

智慧倉儲和智慧物流的快速發(fā)展，為材料工業(yè)的生產(chǎn)提供了更好的服務(wù)，使得企業(yè)從原料采購到產(chǎn)品生產(chǎn)的各個工藝環(huán)節(jié)，再到產(chǎn)品的最終銷售及運(yùn)輸都銜接的更為緊密，資源利用更加高效，庫存、運(yùn)輸?shù)瘸杀敬蟠蠼档?，進(jìn)而提升企業(yè)的競爭力。

4 結(jié)語

如上所述，人工智能技術(shù)正與材料工業(yè)加速融合，從材料研發(fā)到產(chǎn)品生產(chǎn)，從智慧倉儲到智慧物流，人工智能技術(shù)正給材料工業(yè)帶來多個方面的改變，比如研發(fā)模式的改變、生產(chǎn)組織方式的改變以及對人員要求的改變等。這些變化將推動著材料工業(yè)生產(chǎn)工藝不斷優(yōu)化、生產(chǎn)效率不斷提高、產(chǎn)品質(zhì)量不斷改進(jìn)?？傊斯ぶ悄軐⒅Σ牧瞎I(yè)持續(xù)升級。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.013