荀志偉，李維漢，賈 捷，楊曉英（.山西晉南鋼鐵集團有限公司，山西 臨汾 04400；.中國聯合網絡通信有限公司，北京 0076；.中國聯通研究院，北京 00048）

0 引言

“中國制造2025”和德國“工業(yè)4.0”等戰(zhàn)略舉措的發(fā)布掀起了新一輪制造業(yè)轉型升級浪潮。鋼鐵作為制造業(yè)的重要組成部分，是我國國民經濟的支柱性產業(yè)，在工業(yè)現代化進程中扮演著不可或缺的角色。而近年來，中國鋼鐵行業(yè)慢慢凸顯出一系列問題，如技術水平低、供需不平衡、追求“量”而忽視“質”等。2020 年受新冠病毒肺炎疫情影響，鋼鐵工廠與下游企業(yè)供需脫節(jié)，使鋼鐵行業(yè)不得不加快轉型升級之路，為交上“2030 年碳達峰、2060 年碳中和”滿意答卷，走出目前發(fā)展困境，鋼鐵行業(yè)需要不斷推進供給側結構性改革，圍繞生產、能源等方面積極尋求技術革新，借助5G、人工智能、工業(yè)互聯網等新技術引擎，共同推進鋼鐵行業(yè)高質量發(fā)展。

1 鋼鐵行業(yè)發(fā)展現狀及數字化趨勢

1.1 國內鋼鐵產業(yè)鏈現狀及主要特點

鋼鐵行業(yè)作為傳統(tǒng)流程行業(yè)，生產流程長、工藝復雜，同時高價值設備多，部分工藝難以優(yōu)化，整體效率亟待提高。鋼鐵產業(yè)鏈以冶煉企業(yè)為核心，前置流程為鐵礦石采選（工藝包括將原料鐵礦石分類為富礦和貧礦，進而加工為塊礦和粉礦）、燃料制備（使用焦煤經焦化制備焦炭、使用原煤制備煤粉，作為冶煉燃料）；核心流程為冶煉及加工（生鐵經轉爐煉鋼轉化為粗鋼，粗鋼經鑄鋼、軋鋼工藝加工成為螺紋鋼、線材、熱軋板卷、冷軋板卷、涂鍍板、中厚板、不銹鋼及其他鋼材等工業(yè)產品）；同時，生產過程中產生的廢鋼也通過回收再成為粗鋼，也可以通過電爐煉鋼制成前述工業(yè)產品。鋼鐵產品主要供給下游建筑、汽車等行業(yè)用鋼客戶。鋼鐵行業(yè)生產能耗、排放高，安全事故頻發(fā)，面臨較大的環(huán)保安全政策壓力以及產能結構失衡、產品市場需求與生產計劃協(xié)同優(yōu)化不足等問題。

1.2 鋼鐵行業(yè)的發(fā)展趨勢

在鋼鐵行業(yè)需要加快轉型升級步伐以及5G、工業(yè)互聯網、人工智能等技術日益成熟的大背景下，政府大力推進鋼鐵行業(yè)“兩化”融合發(fā)展，鋼鐵行業(yè)自身應積極推進信息化和工業(yè)化深度融合，主動尋求突破，抓住全球制造業(yè)分工調整和我國智能制造快速發(fā)展的戰(zhàn)略機遇期，助力“中國制造2025”戰(zhàn)略目標如期實現。

鋼鐵行業(yè)要解決生產設備智能化參差不齊、協(xié)同生產弱、人員密集型、能耗污染大、現場網絡管理能力差等問題，就要實現數字化、智能化，從單純的制造走向智能制造。全連接是工廠數字化的前提，也是實現鋼鐵產業(yè)流程各環(huán)節(jié)互聯的關鍵。工廠的連接方式正在從有線向無線過渡，由多種連接方式逐步轉為以5G+光纖的新一代連接技術為主，實現低時延、高可靠、大連接的新技術賦能產業(yè)。隨著鋼鐵行業(yè)數字化和智能化水平的提高，以及人工智能技術的進步，人工智能技術在生產中的應用場景逐漸豐富，對實現鋼鐵行業(yè)生產的高效協(xié)同、智能化乃至于無人化運行，提高鋼鐵行業(yè)信息化和智能化制造水平都具有重要的現實意義。隨著“中國制造2025”的深入，鋼鐵行業(yè)信息化需求已大量涌現，目前主要集中在生產、管理等方面。

2 創(chuàng)新技術引領行業(yè)發(fā)展

2.1 5G技術提升通信能力

鋼鐵屬于流程型生產行業(yè)，其主要特點為生產作業(yè)連續(xù)且流程較為規(guī)范，一旦作業(yè)停止，會對生產造成較大影響，因此保障聯網設備的穩(wěn)定高效運行非常重要。目前鋼鐵行業(yè)設備聯網方式有無線和有線2種，有線一般為工業(yè)線纜，其特點為時延低，但建設和維護成本高，柔性生產方式受限；無線為Wi-Fi、4G 和藍牙，此種方式部署成本較低，但速度和時延難以保證，5G 技術打破了傳統(tǒng)網絡的困境，可以承載豐富的應用。5G 的高速率打破了4G 的帶寬局限，可支持傳輸工業(yè)現場多路超高清視頻；5G的超低時延可實現實時操作設備，例如可以實時遠程操控天車、堆取料機、焦化四大機車等設備，做到和生產的無縫銜接；5G 具備高可靠性，不受鋼鐵企業(yè)惡劣環(huán)境（如粉塵、高溫）影響，能夠做到可靠、精準傳輸。

2.2 邊緣計算承載智能應用

5G 時代下，隨著鋼鐵行業(yè)設備的逐步聯網，工業(yè)數據呈現指數級增長，核心網難以滿足海量數據的低延時處理要求，此時需要將云端算力下沉至邊緣側來緩解核心網的數據處理壓力。邊緣計算（MEC）秉承去中心化的思想，將計算資源放在應用側進行實時響應，與此同時會對數據進行預處理，以減輕后續(xù)傳輸負擔。MEC 能滿足鋼鐵行業(yè)特定場景的低時延需求，邊緣側的數據預處理有效降低了數據傳輸成本和中心側的存儲成本，同時MEC 還能保護客戶私密數據不出廠，且具有云邊協(xié)同的優(yōu)勢。MEC 為工業(yè)生產制造提供了強大的云網一體能力，如鋼鐵廠的外觀缺陷監(jiān)測系統(tǒng)、鐵水車智能調度系統(tǒng)、天車調度系統(tǒng)、廢鋼智能判級系統(tǒng)等均可以部署在園區(qū)MEC 上，云端進行算法的迭代訓練，邊端側負責算法的推理執(zhí)行，算法執(zhí)行效率和表現得到大幅提升，從而提高企業(yè)產能。

2.3 5G網絡的多元化賦能

結合鋼鐵行業(yè)實際應用場景和具體需求，運營商提供5G 虛擬專網、5G 混合專網和5G 獨立專網3 種組網方式。5G 虛擬專網是指無線、核心網共享，基于公網物理網絡資源，通過網絡切片功能隔離出多個端到端的邏輯子網，能夠做到廣覆蓋，建設成本較低，數據安全和時延受限于運營商網絡安全和用戶面功能（User Plane Function，UPF）的部署位置。5G 混合專網是指無線、核心網控制面共享，核心網用戶面獨立，這種部署方式將UPF 下沉至園區(qū)，供園區(qū)專享，企業(yè)私密數據可分流至園區(qū)企業(yè)內網，公眾業(yè)務分流至互聯網，帶寬、時延和數據私密性整體優(yōu)于5G 虛擬專網。5G 獨立專網則是為客戶提供一張與公網數據完全隔離的網絡，實現公網專用，網絡自主可控，時延更低，數據私密性更高，但部署和運維成本較高。

2.4 新型智能終端

隨著5G 和邊緣計算的發(fā)展，智能終端大量涌現，其分為交互類終端（如視頻監(jiān)控設備、5G 數采設備、AR 眼鏡/頭盔等）、傳感類終端（如糾偏開關傳感器、溫度傳感器、氣體檢測器等）和控制類終端（如巡檢機器人、機械臂、無人機等）。

3 5G+工業(yè)互聯網在鋼鐵行業(yè)的應用場景

鋼鐵行業(yè)可借助5G+工業(yè)互聯網打造鋼鐵行業(yè)智慧工廠，從生產、車輛、能源、安全等方面著手，將云計算、物聯網、人臉識別、大數據分析、人工智能等技術融入園區(qū)的各個環(huán)節(jié)當中，衍生出豐富的行業(yè)應用，助力鋼鐵行業(yè)實現自動化、信息化、網絡化和智能化。

結合鋼鐵行業(yè)生產和管理流程現狀，筆者梳理出5G+工業(yè)互聯網在鋼鐵行業(yè)的應用場景，主要分為智慧生產和智慧管理兩大部分。

a）智慧生產：根據鋼鐵行業(yè)生產工藝流程，梳理出了11 個具體應用場景，針對這些場景，本文分析了現狀和痛點并給出5G+工業(yè)互聯網解決方案。

b）智慧管理：除生產外，能耗、安全管理也是鋼鐵企業(yè)的重要工作，利用5G+工業(yè)互聯網，可以打造人員、車輛、能耗、園區(qū)設備多方位智慧管理體系。

3.1 智慧生產

3.1.1 智慧料場

3.1.1.1 3D數字料場

傳統(tǒng)料場監(jiān)控存在死角，料場利用率低下，無法做到料場精準管理，且網絡能力不足，在揚塵等惡劣環(huán)境下，無線網絡易出現卡頓。

通過5G網絡改造后，無線網絡的抗干擾能力顯著增強，利用5G 網絡讀取數字料場點云數據，實時展示料場三維輪廓、堆料種類和重量以及堆取料設備的運行狀態(tài)，實現實時庫存和設備狀態(tài)管理，做到精準管理。

3.1.1.2 皮帶智能糾偏與巡檢

由于料場皮帶需要運送多種物料，在物料運送過程中皮帶可能會發(fā)生偏斜，如果沒有及時糾偏，物料很可能會從皮帶上滑落，甚至導致停機，傳統(tǒng)方式為人工糾偏，但人工糾偏難度大。除糾偏外，還需對皮帶實時狀態(tài)進行巡檢，人工巡檢實時性差，巡檢效率低，容易受到環(huán)境影響產生漏判，造成安全隱患。

無人糾偏、無人巡檢方案通過5G網絡連接高清攝像頭、糾偏開關傳感器、巡檢機器人，利用機器視覺檢測，通過5G 聯網+MEC 邊緣云化PLC，實現AI 算法與控制邏輯一體化集成，實時性強，巡檢效率大幅提高，為企業(yè)減員增效。

3.1.1.3 堆取料機無人化系統(tǒng)

目前的堆取料工作大多依賴人工，人工稱重記錄入庫物料后，司機憑借經驗手動操作堆取料機進行物料的存取，在存取過程中需要中控、司機等多方參與進行物料定位，整個過程所需人員較多，人工成本高且人工定位精度低，可靠性差，流程流轉效率低下。

堆取料機無人化控制系統(tǒng)解決了以上痛點，該系統(tǒng)主要由快速激光掃描、5G 精準定位、AI 智能識別技術組成，結合鋼鐵料場工藝控制流程，實現全天候自動化堆取料無人作業(yè)，定位精度和可靠性大幅提升，人工成本大幅降低。

3.1.2 焦化四大機車遠程控制

焦化四大機車是指裝煤車、推焦車、攔焦車和熄焦車，在焦爐連續(xù)作業(yè)過程中，四大機車完成配煤、裝煤、推焦、導焦以及熄焦工作，現場工作環(huán)境惡劣（高溫、粉塵），機車作業(yè)要求嚴格，人工駕駛機車危險性較高且不利于身體健康。

利用5G+高清攝像頭+紅外編碼檢測技術打造的焦化四大機車遠程控制系統(tǒng)，通過5G網絡將現場高清視頻實時回傳，確保中控室監(jiān)控與生產線操作保持同步，工人在中控室可以遠程控制四大機車協(xié)同工作，利用紅外編碼檢測技術進行機車的精準定位，真正做到危險場景無人化、遠程化。

3.1.3 智能配煤

目前的配煤工作依靠工人經驗，出現經驗之外的場景時，很難保證配煤質量。且人工配煤方式難以復制，學習配煤成本太高，操作危險性較大。人工配煤方式對焦炭質量無法事先準確預料，一旦焦炭不合格則需返工，降低生產效率。

智能配煤方案采用5G+人工智能等技術對配煤比例和焦炭質量進行建模分析，將企業(yè)運營、焦炭質量、原料等數據作為特征，通過算法大量的訓練、分析、推理，實現對焦炭質量的準確性預測，不斷調整優(yōu)化配煤比例，降低企業(yè)生產成本、能耗成本、用人成本，提升焦炭生產效率和質量。

3.1.4 高爐出鐵口鐵水溫度遠程監(jiān)測

高爐是鋼鐵企業(yè)的核心設備，高爐中鐵水溫度的高低對煉鋼工藝十分重要。鐵水溫度低會造成吹損大、鋼鐵量消耗高、鋼水質量無保障、爐齡下降等后果。因此實時監(jiān)測出鐵口鐵水的溫度尤為重要，高爐附近工作環(huán)境惡劣（灰塵、高溫），傳統(tǒng)有線方式建設維護困難，Wi-Fi 網絡抗干擾能力差，易受到高粉塵環(huán)境影響。

高爐出鐵口鐵水溫度遠程監(jiān)測方案采用5G+溫度傳感器/機器視覺的方式，借助5G 網絡抗干擾能力強、傳輸性能穩(wěn)定、無需布線等優(yōu)勢，有效解決網絡維護困難的問題。工人在工控室實現遠程監(jiān)測，5G 網絡實時上傳溫度數據，一旦發(fā)現溫度異常則發(fā)出警報。

3.1.5 鐵水車無人駕駛+智能調度

傳統(tǒng)鐵水運輸由人工駕駛鐵水車往返于高爐和煉鋼廠之間，鐵水車之間調度依賴人工，溝通效率低下，且人工測量鐵水包溫度不準確，駕駛要求嚴格，人工駕駛易疏忽，風險高，一旦發(fā)生突發(fā)事故后果嚴重。

5G+無人駕駛+智能調度鐵水車系統(tǒng)利用5G 網絡高效銜接各個環(huán)節(jié)，打造全天候、自動化、高可靠的作業(yè)環(huán)境。該系統(tǒng)利用無人駕駛技術替換司機，保障工人安全，降低人工成本，提升安全系數。打造鐵水車智能調度，減少鐵水車運輸時間，進一步減少鐵水的溫降，從而降低煉鋼成本。還可加裝溫度傳感器，對鐵水包溫度實時監(jiān)測，工人從“駕駛艙”轉換到“中控室”，遠程監(jiān)控現場作業(yè)。

3.1.6 智能加渣

連鑄工藝環(huán)節(jié)需要向結晶器的鋼液面中加入保護渣，從而防止鋼液的氧化，減慢鋼液的溫度流失，吸附鋼水中的雜質。目前的加渣方式有人工、重力式加渣、氣動加渣等，人工加渣均勻性較差，且工作強度大，容易發(fā)生危險，重力式和氣動加渣需要人工參與，無法實時觀察保護渣余量。

智能加渣系統(tǒng)利用高清攝像頭/傳感器實時監(jiān)測保護渣余量，當余量到達閾值時，該系統(tǒng)自動調動機械臂進行加渣操作，當加到指定高度后，停止加渣，整個過程反復循環(huán)，省去現場人工操作，且整個加渣過程遠程可視可控。

3.1.7 智慧天車

天車作為鋼鐵企業(yè)必不可少的設備，集裝卸（物料、成品）、搬運（如廢鋼、鐵水罐搬運）、配合檢修等功能于一體。目前鋼鐵廠內天車多為人工駕駛，現場工作環(huán)境較為惡劣，人員作業(yè)操作時間長，存在一定的安全隱患且出錯率高，容易誤聽、誤記、誤指揮；人工操作天車作業(yè)效率低；現場缺少高可用網絡覆蓋，數據更新不及時。

利用5G、人工智能等技術打造的無人天車解決方案可以解決以上痛點。該方案使用5G 高質量內網替換過去的有線連接方案，充分發(fā)揮5G 特性，同時改造了原有的天車控制系統(tǒng)，實現對天車的多種操作方式。

a）全自動運行方式：充分利用5G+MEC 的大帶寬、低時延特性，結合天車調度算法、路徑優(yōu)化算法，實現由集中控制室計算機自動操控天車，實現無人化、自動化、智能化。

b）人工接管：作為一種備選操作方式，可與自動運行模式無縫切換，保障天車持續(xù)、穩(wěn)定作業(yè)。

3.1.8 帶鋼表面缺陷監(jiān)測

帶鋼是鋼鐵企業(yè)的最主要產品之一，因此嚴控帶鋼質量尤為重要。目前帶鋼外觀質量檢測主要通過人工開卷抽檢等方法。帶鋼表面缺陷種類較多（劃痕、輥印、邊裂、結疤等），人工檢測容易發(fā)生錯檢、漏檢，檢測效率低下，一旦出現質量問題，企業(yè)效益和名譽度都會受到損害。

利用5G+機器視覺檢測技術，高清攝像頭可實時采集帶鋼圖像，通過5G將圖像發(fā)送至邊緣平臺與合格帶鋼圖像進行對比，自動標注缺陷種類，并將缺陷進行預警反饋。智能化手段可大幅提高質檢效率，降低質檢遺漏率，降低人工質檢成本，進一步保障帶鋼出廠質量，提升企業(yè)效益和信譽度。

3.1.9 廢鋼智能判級

廢鋼是回收價值較大的再生資源，廢鋼回收利用是鋼鐵廠有效利用資源、突破資源瓶頸的重要手段。目前鋼鐵行業(yè)廢鋼種類繁多（碳素廢鋼、合金廢鋼、輕薄料等），廢鋼級別較多，大致可分為重廢、中廢、小廢、統(tǒng)廢、薄型廢鋼等，但實際鑒別時細分種類較多且種類間相差甚微。現場需要大量人工進行廢鋼盤點，手段落后，判級效率低下。人工進行廢鋼定級工作，僅通過目測或卡尺測量，容易出現錯判、漏判。

廢鋼智能判級是利用5G+機器視覺檢測技術進行廢鋼遠程判級，建立廢鋼模型庫，結合人工智能等算法實現廢鋼的實時智能判級，大大提高識別速度、穩(wěn)定性、客觀性和精確度，大大降低了工人的勞動強度，縮減現場廢鋼判級工人數量，達到降本增效的目的。

3.1.10 鋼鐵廠環(huán)境監(jiān)測

鋼鐵廠環(huán)境相對惡劣，含有粉塵、噪聲、有害氣體等，一方面容易造成環(huán)境污染，另一方面對工人的身體健康危害較大。鋼鐵廠一般無單獨的粉塵監(jiān)控系統(tǒng)或其他環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，依靠人工經驗或部分小型傳感器進行測量，測量結果不準確。

5G 網絡能夠有效避免粉塵帶來的信號干擾問題，同時配合紅外掃描測溫系統(tǒng)、濕度信息收集系統(tǒng)、氣體及煙霧預警系統(tǒng)、粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)對料場進行全天候自動化監(jiān)測，對異常情況自動啟動對應預案，杜絕潛在事故發(fā)生。

3.1.11 AR遠程裝配、維修、培訓

鋼鐵廠的設備種類繁多，如高爐、天車、連鑄機等，這些設備的裝配、維修和培訓工作都需要專家進行指導，以往專家需要到全國各地指導，這種形式需要的專家數量和每個專家的工作量都不小，工作效率低下，企業(yè)成本驟增且容易受到外部環(huán)境影響，如新冠肺炎、極端天氣等。

AR 遠程裝配、維修、培訓方案使用5G+AR 技術打造虛擬化設備現場，通過佩戴的AR 眼鏡等智能設備將設備畫面通過5G 網絡實時推送給專家。專家可遠程對設備進行裝配、維修、培訓指導，同時技術人員還可以遠程進行設備巡檢，不受環(huán)境地點的約束，隨時隨地遠程接入，這種方式可以大大減少時間成本，提高工作和溝通效率，同時為企業(yè)降低物力和專家聘用成本。

3.2 智慧管理

3.2.1 能耗監(jiān)控與優(yōu)化

能源消耗是鋼鐵企業(yè)的難題之一，堅持節(jié)能減排是鋼鐵企業(yè)實現可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，鋼鐵企業(yè)的能源主要有水、電、氧氣、蒸汽以及煉鋼所用原材料。在這些能源消耗的關鍵設備上加裝數據采集裝置，通過5G網絡，將數據實時傳輸到能源監(jiān)控平臺進行集中監(jiān)控，工人可在中控室看到能源的實時消耗情況。工廠可使用人工智能等算法分析優(yōu)化能耗指標，對高耗能設備進行警示。對能源消耗的實時監(jiān)控、反饋，可以有效降低企業(yè)能耗水平。

3.2.2 車輛電子圍欄

企業(yè)可在園區(qū)重點范圍，如焦化四大車工作范圍、鐵水車工作范圍等，利用5G+定位技術，配置電子圍欄，設置禁行區(qū)域、違停區(qū)域等。當車輛進入/離開/滯留電子圍欄，系統(tǒng)應實時顯示車輛進入/離開/滯留電子圍欄的狀態(tài)，當無關車輛出現在電子圍欄范圍中時，系統(tǒng)應發(fā)出警告，避免危險事故的發(fā)生，電子圍欄可作為有效的安全輔助手段，助力鋼鐵企業(yè)打造安全工廠。

3.2.3 人員合規(guī)+人流檢測

該方案利用5G 網絡，結合人體/物體識別等AI 能力，打造人員合規(guī)檢測系統(tǒng)，支持檢測人員穿戴、行為，如是否佩戴安全帽，是否穿戴防護服等，對不合規(guī)范、不安全的穿戴、行為進行識別警告，防止危險發(fā)生。該方案采用5G+視頻監(jiān)控技術，實現鋼鐵園區(qū)人流檢測，實時統(tǒng)計進入/離開園區(qū)的人數，結合AI 人臉識別技術，識別可疑人員并進行告警，實現廠區(qū)人員可控、可視，提升鋼鐵企業(yè)的安全運行水平。

3.2.4 園區(qū)智能巡檢

園區(qū)智能巡檢是指在園區(qū)部署5G網絡，利用機器人、無人機等設備對鋼鐵園區(qū)進行全天候、自動化巡檢，如煤氣管道巡檢，車輛安全巡檢等，巡檢數據以人機交互界面（HMI）等方式實時顯示，對于巡檢發(fā)現的異常情況予以告警，工人可查看告警詳情并處理。智能巡檢方式可以大幅減少巡檢人員工作量，提高巡檢效率，構筑鋼鐵企業(yè)高質量發(fā)展護城河。

4 結束語

5G+工業(yè)互聯網日益成熟，其與云計算、人工智能等新技術的結合會催發(fā)出鋼鐵行業(yè)越來越多的智能化場景，助力鋼鐵行業(yè)優(yōu)化產業(yè)結構，逐步實現從“勞動密集型”到“技術密集型”的轉變，打造出降本增效、節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展模式，實現由高速發(fā)展向高質量發(fā)展的轉變。