工業(yè)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)建模在鋼鐵行業(yè)中的應用研究

王曉慧，田天弘，覃京燕，程光

工業(yè)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)建模在鋼鐵行業(yè)中的應用研究

王曉慧1a，田天弘1a，覃京燕1b，程光2*

（1.北京科技大學 a.機械工程學院 b.智能科學與技術學院，北京 100083；2.北京聯(lián)合大學 前沿智能技術研究院，北京 100101）

工業(yè)數(shù)字孿生技術在鋼鐵行業(yè)的應用展現(xiàn)了其顯著的潛力，成為工廠數(shù)字轉(zhuǎn)型的核心技術之一，尤其在數(shù)據(jù)建模方面。本文梳理工業(yè)數(shù)字孿生中數(shù)據(jù)建模技術在鋼鐵行業(yè)中的應用。通過梳理相關文獻，重點分析四種數(shù)據(jù)建模方法，即基于知識的方法、基于機理的方法、基于傳統(tǒng)機器學習的方法和基于深度學習的方法，詳細介紹這些方法的優(yōu)勢、局限性和具體應用案例。探索了這些方法在數(shù)字物理實體融合的工業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)構建中的潛力，以及未來模型的可擴展性設計，特別是針對大模型技術的應用。通過這一綜述，梳理鋼鐵行業(yè)現(xiàn)有工業(yè)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)建模技術，為鋼鐵行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供有價值的見解，并為未來的研究和實踐提供方向。

數(shù)字孿生；鋼鐵行業(yè)；數(shù)據(jù)建模；智能制造

在當前全球化競爭加劇和環(huán)保要求日益嚴格的背景下，以鋼鐵行業(yè)為代表的傳統(tǒng)流程制造行業(yè)面臨著資源利用效率偏低、生產(chǎn)成本高、“三廢”排放量較大等諸多挑戰(zhàn)[1]。隨著“工業(yè)4.0”的構建與推進，以及“中國制造2025”的到來，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為制造業(yè)，特別是以鋼鐵行業(yè)為代表的流程制造業(yè)的重點發(fā)展趨勢[2]。據(jù)世界鋼鐵協(xié)會發(fā)布的《世界鋼鐵統(tǒng)計數(shù)據(jù)2023》統(tǒng)計，2022年我國粗鋼產(chǎn)量10.18億噸，占世界總產(chǎn)量的54.01%[3]。按2022年二氧化碳排放強度均值，噸粗鋼產(chǎn)1.91倍碳排放計算，全年碳排放約達19.44億噸[4]。鑒于如此龐大的生產(chǎn)規(guī)模，即便是1%的能效提升，也能產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

在這一背景下，數(shù)字孿生技術，作為一種先進的數(shù)字化工具，被廣泛認為是構建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、推動行業(yè)創(chuàng)新和效率提升的核心驅(qū)動方法。2022年9月，寶鋼股份寶山基地2號連鑄機數(shù)字孿生工廠正式投運，這標志著寶鋼股份作為鋼鐵行業(yè)龍頭企業(yè)，實現(xiàn)從數(shù)字化交付到數(shù)字化運營的跨越。由此可見，推進數(shù)字孿生技術的發(fā)展成為一種必然趨勢，不僅對加快鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐至關重要，也對未來鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展具有深遠意義。

盡管工業(yè)數(shù)字孿生的概念在理論上頗具吸引力，但其在鋼鐵行業(yè)的研究和實際應用仍處于初級階段。以鋼鐵行業(yè)為代表的流程工業(yè)存在著工藝機理復雜且難以建模、不同環(huán)節(jié)相互串聯(lián)耦合且容錯率低、工業(yè)體量大且試錯成本高等挑戰(zhàn)[5]。本文旨在對工業(yè)數(shù)字孿生中的數(shù)據(jù)建模技術在鋼鐵行業(yè)的研究成果進行梳理，并對其未來發(fā)展進行展望。通過綜合分析基于知識的方法、基于機理的方法，以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法（包括機器學習和深度學習）在鋼鐵行業(yè)中的應用，探討這些方法如何在未來的工業(yè)數(shù)字孿生體系中相互融合和發(fā)展，以及它們在促進鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新方面的潛力。

1 數(shù)字孿生發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 數(shù)字孿生技術概述

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等相關技術的發(fā)展，數(shù)字孿生技術作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構建的基礎備受矚目。數(shù)字孿生的理念最初由美國密歇根大學的Michael Grieves教授在2003年提出。在他所開設的“產(chǎn)品全生命周期管理”（Product Lifecycle Management, PLM）課程中，教授以“一種與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達方式”來闡述這一概念。直到2011年，Michael Grieves在其論文中正式提出了“Digital Twin（DT）”這一術語，以指代數(shù)字孿生[6]。此后，數(shù)字孿生的概念被美國空軍研究實驗室與美國國家航空航天局（NASA）應用于航天領域以提高航天器的設計質(zhì)量和維護效率[7]。Glaessgen等于2012年給出了數(shù)字孿生的一般定義[8]：數(shù)字孿生是對復雜系統(tǒng)進行多物理場、多尺度、概率性的綜合模擬，并利用現(xiàn)有的物理模型、傳感器等來反映其相應孿生體的狀態(tài)。

由于數(shù)字孿生具備虛實融合、實時交互、可迭代優(yōu)化、全要素、全流程，以及全業(yè)務數(shù)據(jù)驅(qū)動等特點[2]，這一概念已擴展到工業(yè)領域產(chǎn)品生命周期的各個階段[9]，并隨著技術的發(fā)展和成本的降低，工業(yè)數(shù)字孿生技術不僅限于單一設備或組件，它已經(jīng)能夠模擬整個生產(chǎn)線甚至是整個工廠。

1.2 工業(yè)數(shù)字孿生研究現(xiàn)狀

如今，工業(yè)數(shù)字孿生旨在創(chuàng)建一個實體的虛擬副本，通過傳感器和其他數(shù)據(jù)收集技術實時地進行物理實體和虛擬模型之間的信息同步，為工廠監(jiān)控管理、設備維護、生產(chǎn)優(yōu)化提供了全新的解決方案。工業(yè)數(shù)字孿生的核心在于，能夠通過虛擬模型提供對物理實體的深入理解和預測，進而優(yōu)化實體的性能和效率，在實時監(jiān)控與管理、預測性維護和故障分析、質(zhì)量控制和生產(chǎn)優(yōu)化、優(yōu)化操作和改進設計等方面具備顯著優(yōu)勢。目前，國內(nèi)外學者們已對工業(yè)數(shù)字孿生領域的理論基礎和實際應用展開了大量研究。

在數(shù)字孿生的理論模型層面，陶飛等[10]在前人基礎上提出數(shù)字孿生五維模型的概念，包括：物理實體、虛擬實體、服務、孿生數(shù)據(jù)和連接，為數(shù)字孿生技術的發(fā)展應用提供了理論基礎，提出數(shù)字孿生技術在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)計劃、裝配、車間人機交互等14類領域的潛在應用[11]，探討了數(shù)字孿生技術在智能制造中的應用，提出了數(shù)字孿生模型的構建原則、理論體系，并以數(shù)字孿生車間實例展示作為操作流程[12]。

針對數(shù)字孿生的概念界定，Jones等[13]通過對過去10年中92篇數(shù)字孿生相關文章進行系統(tǒng)的文獻回顧和專題分析，給出了數(shù)字孿生的定義及其關鍵特征，強調(diào)了數(shù)字孿生在產(chǎn)品生命周期中的作用，指出了當前研究中的知識缺口和未來的研究方向。Negri等[14]對數(shù)字孿生（DT）概念的定義進行了文獻分析，系統(tǒng)地回顧了數(shù)字孿生定義的演變歷史，并給出了數(shù)字孿生在“工業(yè)4.0”中的最新解釋。Kritzinger等[15]對數(shù)字模型、數(shù)字陰影和數(shù)字孿生進行了概念界定，只有當物理對象與數(shù)字對象之間的數(shù)據(jù)流實現(xiàn)雙向完全融合的模型才能叫做數(shù)字孿生，并分析了數(shù)字孿生技術在制造業(yè)中的集成程度和成熟度。楊林瑤等[16]探討了數(shù)字孿生和平行系統(tǒng)的基本概念、技術內(nèi)涵、相關應用，并比較了兩者之間的異同，指出平行時空專注于虛擬環(huán)境中的模擬和預測，而數(shù)字孿生則更專注于通過虛擬副本進行實時映射。李彥瑞等[4]則針對流程工業(yè)中數(shù)字孿生技術的發(fā)展和應用進行了綜述，并界定了數(shù)字孿生與其他技術概念的區(qū)別，重點分析了數(shù)字孿生技術在系統(tǒng)建模和優(yōu)化中的應用，并以煉鐵生產(chǎn)線案例進行了展示。

在數(shù)字孿生的具體應用層面，Kasper等[17]基于數(shù)字孿生技術，提出了一種工業(yè)能源系統(tǒng)自適應建模和運行優(yōu)化方法，來解決鋼鐵行業(yè)中因系統(tǒng)組件暴露于惡劣的條件下而產(chǎn)生的性能降低問題。在石化行業(yè)，Min等[18]將數(shù)字孿生與機器學習、物聯(lián)網(wǎng)等概念進行融合，構建了實體工廠與虛擬數(shù)字孿生模型之間的信息交換循環(huán)流程，來解決工業(yè)生產(chǎn)控制中的高數(shù)據(jù)維度和時間滯后等問題，提高了石化行業(yè)的效率和經(jīng)濟效益。Wei等[19]構建了一個多維框架來對數(shù)字孿生技術進行分類，并應用于熱能工藝過程中。他們探討了能源數(shù)字孿生技術在工業(yè)能源管理中的應用，解決了工業(yè)能源管理的效率問題，提高了工業(yè)工藝流程中的可持續(xù)性。

在數(shù)字孿生的人機交互層面，“以人為本”的理念被視為“工業(yè)5.0”的核心價值。Wang等[20]對人類數(shù)字孿生的概念進行了研究，提出了由實體人、虛擬實體和交互系統(tǒng)組成的人類數(shù)字孿生模型。當前，數(shù)字孿生技術已進入較為成熟的應用階段，不僅涵蓋單一設備或系統(tǒng)，且逐漸整合更廣泛的數(shù)據(jù)源，包括全生命周期數(shù)據(jù)、供應鏈信息等，以實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的優(yōu)化和管理[13]。數(shù)字孿生在與鋼鐵行業(yè)進行結合的過程中，一些鋼鐵企業(yè)已率先通過數(shù)字孿生技術實現(xiàn)了煉鐵和煉鋼過程的優(yōu)化，在減少能耗的同時提高了工效和質(zhì)量，亦或采用故障預測模型來指導預防性維護，從而減少設備故障和停機時間。數(shù)字孿生技術展現(xiàn)出其在鋼鐵行業(yè)內(nèi)提升效率、降低成本，以及增強可持續(xù)性方面的巨大潛力。

2 鋼鐵行業(yè)數(shù)字孿生

2.1 鋼鐵行業(yè)智能制造現(xiàn)狀

鋼鐵材料，憑借其良好的可及性、較低的制造成本和廣泛的用途成為十分常見的工業(yè)加工材料之一。作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，它在工業(yè)制造領域扮演著至關重要的角色[21]。與此同時，鋼鐵行業(yè)作為一個資本和技術密集型行業(yè)，正面臨著成本控制、能效提升、環(huán)境保護、重復勞動等多重挑戰(zhàn)。在這種情境下，大型鋼鐵企業(yè)在過去幾十年間紛紛投入自動化、信息化改造和升級[22]。

在鋼鐵工業(yè)領域，數(shù)據(jù)的采集及管理過程復雜且困難，使得冶煉過程成為了一種典型的“黑箱”系統(tǒng)[23]。因此鋼鐵行業(yè)急需應用人工智能技術、數(shù)字孿生技術和信息物理系統(tǒng)以解決冶煉過程中的“黑箱”問題，優(yōu)化煉鐵工藝，減少對操作人員主觀經(jīng)驗和感知的依賴。這不僅是提高競爭力的必然選擇，也是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵途徑。

鋼鐵生產(chǎn)過程（如圖1所示）是一系列將鐵礦石進行冶煉、多重加工，轉(zhuǎn)化為市場所需鋼材的過程，屬于典型的大型流程工業(yè)，涵蓋了燒結、球團制作、煉鐵、煉鋼、連鑄、熱處理、熱軋、冷軋，以及帶鋼加工等環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)具有工藝流程長、工序間耦合緊密、生產(chǎn)過程控制難度大等特點[24]。鑒于此，現(xiàn)有研究往往針對具體的燒結、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼之中的某一環(huán)節(jié)展開研究。

有部分學者從數(shù)字孿生構建流程的角度，以及數(shù)字孿生在鋼鐵產(chǎn)品生命周期中應用的角度進行了綜述。許永泓等[24]梳理了95篇鋼鐵行業(yè)數(shù)字孿生的文獻，對鋼鐵行業(yè)數(shù)字孿生的構建方法和應用現(xiàn)狀進行了全流程的概述，并探討了鋼鐵行業(yè)數(shù)字孿生的現(xiàn)存不足和發(fā)展趨勢。Xiang等[25]梳理了數(shù)字孿生技術在鋼鐵產(chǎn)品生命周期中的應用，關注了鋼鐵產(chǎn)品生命周期的各個階段，包括設計、生產(chǎn)、質(zhì)量控制和維護，討論了如何通過數(shù)字孿生模型與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的融合來優(yōu)化這些過程。Zhou等[26]對中國鋼鐵工業(yè)智能制造技術進行了全面回顧，包括發(fā)展模型、關鍵技術、構建技術和智能制造在鋼鐵工業(yè)中的應用，探討了智能制造如何改進生產(chǎn)流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少勞動成本，以及智能制造在中國鋼鐵工業(yè)中的未來發(fā)展趨勢。本文則將重點放在對工業(yè)數(shù)字孿生模型構建方法，以及其在鋼鐵行業(yè)中的關鍵應用進行論述。

2.2 工業(yè)過程數(shù)據(jù)建模方法

目前，數(shù)據(jù)建模的方法主要分為三大類：基于知識的方法、基于機理的方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法[4]。在基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法中，進一步可細分為基于傳統(tǒng)機器學習和基于深度學習的方法。這些方法各有其優(yōu)勢和局限，且在應用過程中發(fā)揮著不同的作用，表1展示了四種建模方法的優(yōu)劣勢，以及其相應的適用場景。在大數(shù)據(jù)和人工智能日益發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)驅(qū)動模型在處理復雜模型場景中展現(xiàn)出了卓越的性能。然而，這類模型在構建時需要大量數(shù)據(jù)支撐且缺乏可解釋性。使得在許多情境下，機理模型依然作為一種基于先驗知識的模型被廣泛采用。另一方面，基于知識的模型由于建模效果一般，通常被用來處理特殊情況，為整體模型提供補充。

了解這些模型方法的特點、應用現(xiàn)狀，以及其在未來數(shù)字孿生體系中的融合潛力，并在實際中綜合運用不同類型的建模方法，有助于在復雜的工業(yè)環(huán)境中提供更加精準和全面的分析與預測，這對行業(yè)內(nèi)部專業(yè)人士和研究者來說至關重要。圖2對鋼鐵制造領域內(nèi)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)建模方法的應用程度及其具體用途進行了梳理。

2.2.1 基于知識的方法

基于知識的數(shù)據(jù)建模，一般指的是根據(jù)已有的知識和經(jīng)驗構建知識庫，利用專家多年的現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗或?qū)I(yè)知識進行推理和決策，定性地描述變量間的相關關系，從而實現(xiàn)過程建模，指導生產(chǎn)，例如構建知識圖譜、模糊推理、專家系統(tǒng)等?；谥R的建模往往應用于不需要建立極為準確的關系模型或難以建立準確關系模型的工業(yè)場景中[27]。對于鋼鐵行業(yè)，由于其大多數(shù)工藝環(huán)節(jié)內(nèi)部機理尚未完全明朗，采用基于知識的建模方法對部分鋼鐵生產(chǎn)場景較為適用。畢學工[28]通過實驗證明了當高爐原料礦石還原性較強時提高焦炭的反應性能夠改善高爐效率，從而確定了焦炭的抗粒度同焦炭料透氣性與透液性的關系。

表1 工業(yè)過程數(shù)據(jù)四種建模方法對比

Tab.1 Comparison of four modeling methods for industrial process data

一些國內(nèi)學者通過構建知識圖譜的方法，有效地促進了生產(chǎn)過程效率的提升。Hao等[29]運用了綜合機械、經(jīng)驗及數(shù)據(jù)的多級知識圖譜（MLKG）方法，解決了知識不完整性問題。通過局部觀察器分析每個節(jié)點狀態(tài)并結合鄰近節(jié)點信息，實現(xiàn)了工廠流程的全面監(jiān)測，提高了故障檢測和定位的準確性與可解釋性。

目前的高爐專家系統(tǒng)能夠利用工藝模型、模糊推理等技術實現(xiàn)高爐的故障診斷，對高爐的故障處理具有指導性作用，為實現(xiàn)高爐穩(wěn)定運行及提質(zhì)增效提供了一定的保障[30]。陳令坤等[31]介紹了武鋼1號高爐專家系統(tǒng)，一種結合專家規(guī)則和數(shù)學模型的混合系統(tǒng)，可實現(xiàn)高爐布料控制、爐型管理、爐溫控制等功能。國宏偉等[32]在綜合考慮了渣皮脫落等因素對爐溫影響的情況后，基于模糊推理建立了高爐爐溫預報系統(tǒng)，實現(xiàn)了對爐溫較為準確的預測。

基于知識的模型顯著促進了自動化水平的提升。但目前定性的系統(tǒng)描述和過程分析方法已不足以滿足生產(chǎn)水平進一步提高的需求，且這類方法高度依賴于特定知識庫，限制了其在不同工業(yè)建模領域的廣泛適用性。

2.2.2 基于機理的方法

基于機理的建模方法，依賴于領域?qū)＜疑詈竦膶I(yè)知識，通過分析過程對象的內(nèi)在反應機制，結合物理化學反應規(guī)律、熱力學、流體力學及能量質(zhì)量守恒定律等科學原理，來構建過程模型。此類方法在建模過程中相對復雜，但若模型被正確構建，則具有極高的準確度。此外，此類方法構建的模型具有較強的可解釋性，模型參數(shù)具有明確的物理含義。在相同或類似的應用場景中，模型的遷移性和參數(shù)的自適應調(diào)整能力表現(xiàn)優(yōu)異[33]。

國內(nèi)外一些學者基于高爐、連鑄和軋鋼工藝中的物理化學反應規(guī)律，開發(fā)了機理模型以模擬計算一些難以直接測量的工藝參數(shù)。Yang等[34]提出了一種用于連續(xù)鑄造鋼坯的高級三維數(shù)值模型，該模型集成了多相流模型、湍流模型、磁流體動力學模型、熔渣夾帶模型、傳熱模型等在內(nèi)的多個子模型，輸入鋼的熱物理屬性和不同種鑄造條件，即可輸出系列連鑄鋼參數(shù)。Rauch等[35]針對軋鋼過程構建了結合機理模型和數(shù)據(jù)分析的混合模型，并開發(fā)成軟件VirtRoll，一種專用于設計薄鋼帶最佳制造技術的混合計算機系統(tǒng)。用戶通過圖形界面自定義設備模塊序列，系統(tǒng)會模擬和分析軋制線的各類參數(shù)，以此構建一個高度逼真的軋制線數(shù)字孿生，從而幫助優(yōu)化操作和改進設計。潘冬等[36]提出了一種基于紅外熱成像技術和溫度降低機理模型的高爐熔鐵溫度測量方法，通過機器視覺與熱成像技術的結合，捕獲鐵水流的紅外熱圖像，再根據(jù)鐵水溫度分布和熱力學原理建立溫度映射模型和溫度降低模型，實現(xiàn)出鋼口鐵水溫度的實時測量，為高爐調(diào)節(jié)提供可靠的溫度數(shù)據(jù)。

在故障診斷方面，Kang等[37]基于物理原理開發(fā)了一種集成了預測和健康管理系統(tǒng)（PHM）的傳感器模塊，傳感器模塊通過采集噴嘴的沖擊力，利用智能濾波算法、信號對比和校正，以及頻率分析來診斷噴嘴的異常狀態(tài)，以提前對煉鋼工藝進行預測性維護和健康管理。

2.2.3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，無須探究模型機理和經(jīng)驗知識，只需對系統(tǒng)和數(shù)據(jù)特征有基本了解，就能依賴其大量數(shù)據(jù)的處理能力，有效地處理復雜的模式識別和預測任務。在面對復雜的現(xiàn)代工業(yè)和制造領域時，數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法展示出其有效性和通用性。伴隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造的發(fā)展，數(shù)據(jù)驅(qū)動方法正日益被采用以優(yōu)化和改善生產(chǎn)過程，在某些情況下，相較于傳統(tǒng)的基于機理的模型而言，其更具優(yōu)勢[38]。

然而需要指出的是，由于這類方法專注于過程數(shù)據(jù)的價值挖掘，而忽視了過程機理等信息，因此其建立的模型也被稱為“黑箱模型”。這導致采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法建模需滿足兩個重要前提：對象過程需要積累大量有價值的工業(yè)數(shù)據(jù)；需要根據(jù)工藝過程及數(shù)據(jù)特征，利用合理的建模方法挖掘數(shù)據(jù)價值[33]。由此可以推斷，鋼鐵工藝流程是采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的理想環(huán)境。這是因為，首先高爐冶煉、轉(zhuǎn)爐冶煉、連鑄、軋制等工藝均為“黑箱”工藝，借助大數(shù)據(jù)技術，可以快速解決這類普遍存在的“黑箱”問題。其次，鋼鐵行業(yè)擁有豐富的數(shù)據(jù)資源，數(shù)據(jù)感知和自動化控制系統(tǒng)積累了大量數(shù)據(jù)。這些歷史數(shù)據(jù)包含了生產(chǎn)過程中的重要規(guī)則。此外，鋼鐵行業(yè)還具有直接反饋所賦予材料的優(yōu)勢。如果通過實時大數(shù)據(jù)分析，將鐵、鋼、坯、軋件內(nèi)部的規(guī)律清晰地呈現(xiàn)出來，并形成閉環(huán)反饋以賦能系統(tǒng)，就能及時糾正各類干擾帶來的問題[23]。

2.2.3.1 基于傳統(tǒng)機器學習的方法

Shi等[23]系統(tǒng)地總結了基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的高爐煉鐵智能技術的當前狀態(tài)和進展。重點關注了數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升、高爐數(shù)據(jù)的特性提取、關鍵變量的有效預測、高爐狀態(tài)的科學評估，以及運行參數(shù)的多目標智能優(yōu)化。探討了如何通過結合大數(shù)據(jù)技術和工藝過程來提升數(shù)據(jù)模型在實際生產(chǎn)中的實用性，促進了智能技術在高爐煉鐵中的應用。

利用基于機器學習的聚類算法，可有效實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)流程的模擬預測和優(yōu)化。Wu等[39]提出使用生產(chǎn)聚類挖掘算法處理高爐流場和夾雜物數(shù)據(jù)，通過創(chuàng)建一個數(shù)字孿生模型，模擬高爐中的流體動力學行為和夾雜物的聚集模式，輸出爐渣的聚集區(qū)域特征參數(shù)和位置，從而優(yōu)化湍流抑制器的設計，提高煉鋼過程中爐渣的去除效率。Daniel等[40]通過分析歐洲燒結廠收集的礦石堆歷史數(shù)據(jù)，構建了基于減法聚類算法和模糊邏輯系統(tǒng)的機器學習模型，模擬實現(xiàn)燒結質(zhì)量KPI的預測，優(yōu)化鐵礦石混合物的最優(yōu)配比，有效提高燒結廠的產(chǎn)品質(zhì)量。

在工廠的運營管理和實時監(jiān)控方面，Weyer等[41]探討了在煉鐵過程中整合數(shù)字技術的重要性，包括條件監(jiān)控和智能維護、安裝智能傳感器、過程優(yōu)化和預測、數(shù)字孿生技術，以及數(shù)據(jù)可視化。強調(diào)通過調(diào)動來自各種傳感器和歷史記錄的數(shù)據(jù)以優(yōu)化高爐運作，通過集成機器學習、數(shù)字孿生技術、專家系統(tǒng)和條件監(jiān)測技術方法，以實現(xiàn)高爐的高效和智能管理，體現(xiàn)了“工業(yè)4.0”的理念。Ding等[42]提出了一種結合數(shù)字孿生技術的燒結系統(tǒng)動態(tài)模型。系統(tǒng)實時收集燒結系統(tǒng)的操作數(shù)據(jù)，采用基于支持向量回歸（SVR）的機器學習模型，結合迭代遺忘因子算法進行實時更新，保持模型輸出與物理系統(tǒng)的同步。通過輸出燒結產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵參數(shù)，實現(xiàn)實時監(jiān)控，提升燒結過程監(jiān)控的準確性和實用性。

利用數(shù)字孿生技術，部分學者實現(xiàn)了對實際生產(chǎn)過程中的風險預警。Fu 等[43]創(chuàng)建了一個數(shù)字孿生虛擬風機，通過開發(fā)的自適應振幅仿真模型，進行分類和模式識別，輸出對風機振動幅度的預測，并與實際振幅比較，幫助檢測風機的異常行為。Panagou等[44]提出了一個探索性的混合數(shù)字孿生框架，同時收集數(shù)字孿生和實體系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，利用基于 XGBoost提升算法的機器學習模型過濾和提取關鍵特征，從而構建生產(chǎn)線的數(shù)字化表示，輸出對故障檢測有益的參數(shù)，減輕預防性維護方法和過早更換設備帶來的高昂成本。

目前市面上也出現(xiàn)了一些軟件，協(xié)助操作人員對鋼鐵行業(yè)數(shù)字孿生體進行開發(fā)，Nistala等[45]開發(fā)了一款針對燒結過程的數(shù)字孿生軟件工具——Virtual Sinter，借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）、隨機森林回歸、支持向量回歸等多種方法開發(fā)虛擬燒結機，運用實時數(shù)據(jù)評估關鍵運行單元的性能、預測燒結質(zhì)量、優(yōu)化操作參數(shù)，從而模擬、監(jiān)測并優(yōu)化部分單元或整個燒結廠，協(xié)助指導日常操作。

有學者將機器學習與傳統(tǒng)搜索算法在制造流程中進行融合應用，用于解決優(yōu)化問題，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策制定。Liu等[46]提出了一個熱軋調(diào)度問題優(yōu)化算法，該算法采用非支配排序遺傳算法（NSGA-II）并結合模擬退火和多目標粒子群優(yōu)化（SA-MOPSO）的混合方法，在數(shù)字孿生驅(qū)動的模型中進行熱軋生產(chǎn)計劃的模擬調(diào)度，實現(xiàn)在技術約束條件下的熱軋調(diào)度優(yōu)化，最小化能耗，提高資源利用率。Junquera等[47]開發(fā)了一個用于線材軋機的數(shù)字孿生模擬器，系統(tǒng)會根據(jù)生產(chǎn)需求和技術限制，通過回溯算法探索所有可能的配置，來為不同訂單選擇合適的軋輥組合，從而替代人工自動做出更換輥的決策。

利用機器學習的原理輔助數(shù)學統(tǒng)計分析，特別是在處理實時數(shù)據(jù)和學習歷史數(shù)據(jù)模式方面，以建立和優(yōu)化預測模型。Szpytko等[48]針對工業(yè)環(huán)境中關鍵起重機的維護和運營問題，利用基于蒙特卡羅模擬的隨機模型和線性優(yōu)化模型構建數(shù)字孿生。該模型模擬實際操作中的維護過程，并利用歷史數(shù)據(jù)和機器學習分析來評估起重機的性能并預測潛在的維護需求，輸出維護調(diào)度解決方案，減少生產(chǎn)線的風險和停機時間。徐鋼等[49]提出了一種利用煙氣實時數(shù)據(jù)預測轉(zhuǎn)爐煉鋼終點碳含量的方法，采用了函數(shù)型數(shù)據(jù)分析（FDA）模型，實時、精確、自動地調(diào)整系數(shù)函數(shù)以適應不斷變化的工況條件，實現(xiàn)在不同工況下準確預測熔池碳含量的目標，克服傳統(tǒng)模型在復雜熱力學條件下預測準確度低的局限。

2.2.3.2 基于深度學習的方法

深度學習是機器學習更高級和復雜的形式，相較于機器學習，其在處理復雜數(shù)據(jù)預測和模式識別問題上的表現(xiàn)更為出色。劉頌等[50]對來自360 m2燒結機的大量時間序列數(shù)據(jù)進行深度學習訓練，采用結合深度神經(jīng)網(wǎng)絡（DNN）和長短期記憶網(wǎng)絡（LSTM）的方法，進行在線成分監(jiān)測和預先成分預測，克服傳統(tǒng)模型在預測燒結成分方面的高維度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)噪聲和檢測時延等限制，實現(xiàn)對燒結過程中化學成分的精準預測。Yang 等[51]采用基于轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的嵌入方法和GRU神經(jīng)網(wǎng)絡模型進行深度學習，用于基于事件日志數(shù)據(jù)創(chuàng)建的數(shù)字孿生體框架。通過輸入制造過程的海量日志數(shù)據(jù)，預測制造過程的剩余周期時間，并支持云計算架構，使得中小企業(yè)也能實現(xiàn)數(shù)字孿生技術的應用。彭功狀等[52]構建了一個基于大數(shù)據(jù)的綜合預測模型，采用上下界估計法（LUBE）構建預測區(qū)間，并使用流形可視化方法（SLISEMAP）降低可解釋性的特征維度。這種綜合方法不僅提高了預測的準確性，還提供了預測結果的不確定性估計，并增強了模型的可解釋性。

相較于機器學習，深度學習能自動從數(shù)據(jù)中提取特征，無需顯式的特征公式，可以實現(xiàn)更精準的故障分析預測。高大力等[53]提出了一種稱為深度加權聯(lián)合分布適應網(wǎng)絡（DWJDAN）的高爐煉鐵過程故障診斷方法，通過輸入異常爐況生產(chǎn)數(shù)據(jù)，訓練DWJDAN模型輸出高爐的健康狀況標簽，實現(xiàn)高爐故障的精準診斷，提高了診斷結果的準確性和魯棒性。Wu等[54]利用一種多通道動態(tài)圖卷積網(wǎng)絡（MDGCN）的方法來進行高爐故障診斷。該模型結合了工藝拓撲知識和動態(tài)權重分配以捕捉數(shù)據(jù)中的結構化信息，通過多個同構圖通道學習數(shù)據(jù)并進行不同層級表示，顯著提高了高爐煉鐵過程的故障診斷準確性。

此外，在處理高維圖像信息方面，深度學習提供了強大的自動特征學習能力。Li等[55]提出并驗證了一個基于深度學習的高爐風口圖像診斷模型，能夠通過采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）深度學習模型提取圖像特征，并用這些特征有效地從高爐風口圖像數(shù)據(jù)中學習和識別異常事件，從而為高爐運行提供實時監(jiān)測和診斷。Tang等[56]提出了一種結合三維X射線微計算斷層掃描技術（micro-CT）和基于CNN、TWS引導的深度學習方法，對micro-CT掃描得到的3D圖像進行分割，從而將鐵礦石從焦炭、熔劑和回收細粉等材料中分離出來，并能夠根據(jù)圖像特征有效識別來自不同礦山的鐵礦石顆粒，在顆粒級別上為燒結礦的成分分析提供了高精度的數(shù)字孿生模型。

利用深度學習的遷移學習和領域自適應能力，可實現(xiàn)模型的泛化和適應。Schockaert等[57]提出了MTS-CycleGAN模型，一種適用于多變量時間序列數(shù)據(jù)的領域自適應架構，其將來自不同高爐（即不同資產(chǎn)）的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能夠代表某個參考高爐（目標領域）的數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)建一個全局數(shù)據(jù)集，用于訓練領域不變的通用機器學習模型。大多時間序列建模方法要求以相同的時間間隔對所有輸入進行采樣，但在工業(yè)實際中，過程變量的采樣間隔往往各不相同。Li等[58]介紹了一種多時間尺度的“啟動-時間”網(wǎng)絡模型，其采用深度學習技術，對具有不同采樣頻率的長時間段工業(yè)數(shù)據(jù)進行建模，從而提高復雜工業(yè)過程分析的準確性和實用性。

由于深度學習模型通常更復雜，也需要更多的計算資源來進行訓練和運行，因此常考慮如何借助云端算力來進行計算。周恒等[59]基于Rancher和Harbor框架構建了高爐煉鐵的數(shù)字孿生云計算平臺，提出了基于云服務和云分發(fā)系統(tǒng)的多目標優(yōu)化框架。將煉鐵生產(chǎn)過程中的原料參數(shù)轉(zhuǎn)移到基于云關系的數(shù)據(jù)庫中，在云端利用深度學習和進化算法的混合模型進行優(yōu)化計算，實現(xiàn)了云端高爐煉鐵的數(shù)字孿生。向峰等[60]提出了一個新的基于數(shù)字孿生的端面缺陷控制（EF- DC）方法，即一種云邊協(xié)作架構，邊緣層收集運行數(shù)據(jù)，利用深度學習算法進行缺陷識別，在云層訓練算法并解決EF-DC模型問題，將運行數(shù)據(jù)與虛擬數(shù)據(jù)相融合，進行缺陷識別和缺陷原因追蹤，并基于這些信息提出缺陷控制和預防措施。

3 鋼鐵行業(yè)數(shù)字孿生展望

3.1 模型融合

隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)、通訊技術和人工智能的進步，數(shù)字孿生在鋼鐵行業(yè)已初顯成效，展現(xiàn)出廣闊應用前景。相較于單一使用基于“知識/機理/數(shù)據(jù)”驅(qū)動的模型，混合模型具有更強的優(yōu)勢。劉祥官等[61]開發(fā)了一套高爐煉鐵的智能控制專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了多模型集成策略，整合了基于機理的模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，以及專家知識模型，形成閉環(huán)互動體系，通過邏輯推理和模糊邏輯方法，系統(tǒng)能夠診斷當前的爐況，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和模式識別技術進行預測，從而優(yōu)化高爐的操作。

但在鋼鐵行業(yè)實際構建數(shù)字孿生系統(tǒng)時，模型融合問題極為復雜，既需在工序間保持順暢連接、準確映射實際流程，還需綜合不同模型結果，以提高精度。目前，在鋼鐵行業(yè)數(shù)字孿生領域，模型融合多聚焦于同維度工序連接，跨維度和跨領域融合研究不足。

為應對模型融合的復雜性，需緊密集成不同維度的模型，結合多學科知識，以全面提升系統(tǒng)效能，建議采取以下措施：（1）強化模型間的接口設計，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和協(xié)議，以確保不同模型間能夠無縫對接；（2）引入先進的機器學習算法來自動調(diào)整和優(yōu)化模型間的協(xié)同工作，減少人為干預，提高系統(tǒng)的自適應能力；（3）針對跨維度和跨領域融合的不足，鼓勵跨學科合作，融合不同領域的專業(yè)知識，開展聯(lián)合研究項目，探索新的融合方法。

3.2 標準設立

建立標準對衡量和規(guī)范事物運行至關重要，它為各類活動設定了一致的基準。但在數(shù)字孿生系統(tǒng)尤其是鋼鐵行業(yè)中，標準缺失是一個突出問題，不同工廠模型間缺乏通用性，導致模型之間的銜接存在困難，限制了數(shù)字孿生技術在制造業(yè)的應用。因此，數(shù)字孿生系統(tǒng)的標準化應從學術理念開始，延伸至模型的建立、驗證和評估，并應用于服務階段，以形成一個全面的、覆蓋整個生命周期的標準化框架。

當前，ISO等標準制定機構已經(jīng)開始采取措施，包括闡釋物理實體、虛擬表示、數(shù)據(jù)、連接、服務五個維度的定義，規(guī)范現(xiàn)行標準和從其他領域遷移的標準，以及提出制定新標準的建議[62]。但這些標準大多還處于發(fā)展和完善階段。因此，仍需學術界持續(xù)推進數(shù)字孿生標準化工作，以建立一個多層次、全面的標準體系，覆蓋數(shù)字孿生技術在鋼鐵行業(yè)中的應用全過程，包含從基礎設施建設到數(shù)據(jù)處理、模型開發(fā)、系統(tǒng)集成的各個環(huán)節(jié)。同時，鼓勵行業(yè)內(nèi)外的交流與合作，以及國內(nèi)、國際的對接和融合，共同開發(fā)行業(yè)通用標準和規(guī)范，促進不同系統(tǒng)和模型間的互操作性，提高我國鋼鐵行業(yè)數(shù)字孿生的國際競爭力，以促進該領域的規(guī)范化和有序發(fā)展。

3.3 大模型的運用

鋼鐵行業(yè)內(nèi)，數(shù)字孿生模型構建已經(jīng)集成了深度學習技術。未來隨著技術的迭代演進，大模型技術將在處理大規(guī)模和復雜數(shù)據(jù)上顯示出更大的潛力。大模型不僅提供了更細致、全面的數(shù)據(jù)處理能力，也增強了深入分析和預測的功能。通過綜合分析來自不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)的海量數(shù)據(jù)，能夠更加智能地識別生產(chǎn)過程中不顯著的模式和趨勢，實現(xiàn)更準確的預測和決策支持，并且實現(xiàn)數(shù)字孿生模型的自我維護和自我升級。

此外，通過整合自然語義理解（NPL）技術和虛擬現(xiàn)實技術可以降低系統(tǒng)操作的復雜度，進一步提高數(shù)字孿生系統(tǒng)的智能水平。同時，需要注重大模型的可解釋性、透明度，以及數(shù)據(jù)安全保護，確保模型的決策過程清晰可追溯，增強用戶對系統(tǒng)的信任，充分發(fā)揮大模型在鋼鐵行業(yè)中的潛力。

通過前沿智能技術的落地，鋼鐵行業(yè)的數(shù)字孿生系統(tǒng)將朝著更智能化和自動化的方向發(fā)展，促進行業(yè)持續(xù)改進和創(chuàng)新，向更高效、可持續(xù)的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型。

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Application of Industrial Digital Twin Data Modeling in Iron and Steel Industry

WANG Xiaohui1a, TIAN Tianhong1a, QIN Jingyan1b, CHENG Guang2*

(1.a.School of Mechanical Engineering b.School of Intelligence Science and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.Frontier Intelligent Technology Research Institute, Beijing Union University, Beijing 100101, China)

With great application potential in the iron and steel industry, the industrial digital twin technology in the iron and steel industry becomes a core technology for the digital transformation of the plant, especially in terms of data modeling. The work aims to review the application of data modeling technology in industrial digital twin in the iron and steel industry. The paper focused on analyzing four data modeling methods based on literature research: knowledge-based method, mechanism-based method, traditional machine learning method and deep learning method, and introduced the advantages, limitations and specific application cases of these methods in detail. The fusion potential of these methods in the construction of industrial digital twins was discussed. In addition, it also took into consideration the scalable design of future models, especially for the application of large model technologies. This review provides an in-depth understanding of existing industrial digital twin data modeling technologies in the iron and steel industry, valuable insights into the digital transformation, and directions for future research and practice.

digital twins; iron and steel industry; data modeling; intelligent manufacturing

TB472

A

1001-3563(2024)08-0011-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.08.002

2023-11-17

國家重點研發(fā)計劃（2021YFB1715700）；科技部創(chuàng)新方法專項（2015IM020100）；教育部社科基金規(guī)劃基金項目（23YJA760090）

通信作者