一、研究的背景與問(wèn)題
隨著鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)粗放的露天堆置儲(chǔ)料方式造成的污染問(wèn)題日益凸顯。設(shè)備露天作業(yè)，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕速度快，存在較大安全隱患，影響生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性；受風(fēng)力影響，料堆表面的物料易產(chǎn)生揚(yáng)塵，并在堆、取作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生二次揚(yáng)塵，對(duì)環(huán)境易產(chǎn)生粉塵污染；受雨水影響，暴雨季節(jié)料堆易塌方，物料將覆蓋在道床上，影響設(shè)備作業(yè)，料堆表面的物料在大雨沖刷下順雨水流入料堆兩側(cè)的排水溝，容易對(duì)排水溝造成堵塞，也容易對(duì)周?chē)牡孛姝h(huán)境造成污染，并帶來(lái)大量的物料損耗。露天料場(chǎng)帶來(lái)的安全隱患、環(huán)境污染、物料損耗已成為影響鋼鐵企業(yè)原料區(qū)域生產(chǎn)安全性和穩(wěn)定性較為突出的問(wèn)題。2013年9月10日，國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃的通知》（國(guó)發(fā)〔2013〕37號(hào)），推動(dòng)鋼鐵企業(yè)對(duì)露天儲(chǔ)料結(jié)構(gòu)進(jìn)行全封閉改造。實(shí)現(xiàn)原料全封閉式管理，不僅可以消除堆場(chǎng)對(duì)周邊環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)向“花園式工廠”轉(zhuǎn)變，更是可以顯著降低物料損耗，顯著降低原料單元的噸礦運(yùn)營(yíng)成本。鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)在當(dāng)前建造過(guò)程中，面臨智能化水平低下的問(wèn)題：設(shè)計(jì)階段的參數(shù)化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化程度不足，難以得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；設(shè)計(jì)、加工和安裝階段存在信息孤島現(xiàn)象，易導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中出現(xiàn)丟失和錯(cuò)誤，阻礙了建造質(zhì)量與效率的提升。為解決上述問(wèn)題，同時(shí)順應(yīng)國(guó)家在《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》提出的“到2035年，規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)將全面普及數(shù)字化，骨干企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型”政策，對(duì)鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)智能建造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究勢(shì)在必行。
盡管?chē)?guó)內(nèi)外在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、構(gòu)件加工以及安裝等方面開(kāi)展了大量研究，并取得了不少成果；但現(xiàn)有研究大多局限于單一過(guò)程，缺乏系統(tǒng)性和綜合性。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，研究主要聚焦于結(jié)構(gòu)的受力性能和用鋼量，未能充分考慮加工和安裝過(guò)程中的實(shí)際需求；構(gòu)件加工方面，研究重點(diǎn)在于提升數(shù)控機(jī)床自身的加工精度和效率，忽視了與設(shè)計(jì)和安裝環(huán)節(jié)的協(xié)同；安裝方面，研究主要關(guān)注施工現(xiàn)場(chǎng)的施工質(zhì)量和進(jìn)度管理，對(duì)設(shè)計(jì)和加工環(huán)節(jié)的反饋不足。因此，目前尚無(wú)一套完善的智能建造方法體系能夠有效應(yīng)用于實(shí)際工程，無(wú)法滿(mǎn)足鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)建設(shè)的需求。
綜上所述，開(kāi)展鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)智能建造關(guān)鍵技術(shù)研究迫在眉睫。這不僅是響應(yīng)國(guó)家對(duì)鋼鐵行業(yè)環(huán)保和智能化發(fā)展的政策要求，更是提升鋼鐵企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
為從根本上提升鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)建造的數(shù)字化與智能化，有效提升建造質(zhì)量，并達(dá)到降本增效的目的，本項(xiàng)目圍繞原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造、安裝及全生命周期管理，展開(kāi)了全面且深入的關(guān)鍵技術(shù)研究，具體技術(shù)方案如下圖所示：
圖1原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)智能建造關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用研究路線圖
1.新型結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)存技術(shù)研究：（1）針對(duì)鋼鐵企業(yè)ECIA-B/C/D型原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)，研發(fā)高矢跨比柱面網(wǎng)殼、坡形屋架和多列支承柱面網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)體系；（2）研發(fā)新一代環(huán)保智能原料儲(chǔ)存技術(shù)，整合先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)、智能監(jiān)測(cè)設(shè)備和環(huán)保措施，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存、配料、混勻的一體化操作，解決堆場(chǎng)污染和物料損耗問(wèn)題。
2.結(jié)構(gòu)智慧優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究：（1）提出工藝-幾何-力學(xué)協(xié)同驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化建模與智慧優(yōu)化方法；（2）提出“等效彎矩”理論，揭示結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與結(jié)構(gòu)內(nèi)力之間的關(guān)系；（3）提出針對(duì)原料場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高效單參數(shù)優(yōu)化與多參數(shù)耦合優(yōu)化方法；（4）提出主鋼結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-檁條協(xié)同精細(xì)化設(shè)計(jì)體系。
3.設(shè)計(jì)制造安裝一體化技術(shù)研究：（1）提出設(shè)計(jì)-制造一體化融合技術(shù)，解決從設(shè)計(jì)到加工無(wú)紙化數(shù)據(jù)交付問(wèn)題；（2）實(shí)現(xiàn)桿件與節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)與數(shù)控加工一體化；（2）研發(fā)并創(chuàng)建原料場(chǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件智能制造生產(chǎn)線；（3）提出原料場(chǎng)結(jié)構(gòu)安裝施工方案自動(dòng)分區(qū)分段驗(yàn)算與優(yōu)化方法。
4.智能建造系統(tǒng)構(gòu)建：（1）以全生命周期為導(dǎo)向，提出智能建造系統(tǒng)架構(gòu)；（2）自主研發(fā)設(shè)計(jì)-制造-安裝全流程自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟件，解決工業(yè)軟件制約性問(wèn)題；（3）研發(fā)生產(chǎn)線智能中控系統(tǒng)和云服務(wù)；（4）提出施工安裝誤差自動(dòng)驗(yàn)算與控制方法；（5）提出設(shè)計(jì)-制造-安裝全生命周期碳排放計(jì)算方法。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1.針對(duì)新型環(huán)保智能原料儲(chǔ)存技術(shù)，構(gòu)建了與鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)工藝深度融合的高矢跨比柱面網(wǎng)殼、坡形屋架和多列支承柱面網(wǎng)殼等多種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系。
為滿(mǎn)足冶金行業(yè)原料特性復(fù)雜、品種多、貯量大、儲(chǔ)存需求多樣等儲(chǔ)存需求，中冶賽迪自主研發(fā)了B、C、D、E、M等ECIA系列環(huán)保原料技術(shù)，在用地、投資、數(shù)字化智能化管理、運(yùn)營(yíng)成本優(yōu)化等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，獲得了中國(guó)、日本美國(guó)、巴西、歐盟發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)以及中國(guó)專(zhuān)利優(yōu)秀獎(jiǎng)、冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。該技術(shù)采用了更緊湊的布局，更順暢的原料物流系統(tǒng)，更高的投資性?xún)r(jià)比，更高的自動(dòng)化、智能化水平，是業(yè)內(nèi)唯一能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多品種、高貯量環(huán)保高效儲(chǔ)存，且儲(chǔ)存、配科、混勻一體化，智能化控制的環(huán)保料場(chǎng)技術(shù)，也是鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗、綠色環(huán)保改造升級(jí)的重點(diǎn)推廣技術(shù)，并納入國(guó)家環(huán)?？萍汲晒浲茝V。
圖2鋼鐵企業(yè)ECIA-B/C/D/E型原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)
圖3鋼鐵企業(yè)ECIA-M型原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)
2.構(gòu)建了鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)工藝-幾何-力學(xué)協(xié)同驅(qū)動(dòng)的高效參數(shù)化建模及智慧設(shè)計(jì)優(yōu)化方法；研發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)智慧設(shè)計(jì)軟件。
系統(tǒng)性地定義了數(shù)十種原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵幾何參數(shù)，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了明確的方向和依據(jù)。創(chuàng)新性地提出了“等效彎矩”理論，揭示了結(jié)構(gòu)性能與幾何形態(tài)之間的相互關(guān)系。實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)厚度或網(wǎng)格尺寸分布能夠基于彎矩及內(nèi)力的變化規(guī)律進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能和材料利用率之間達(dá)到最優(yōu)平衡。提出了基于設(shè)備包絡(luò)線自動(dòng)判別工藝要求的方法，取代了傳統(tǒng)人工放樣反復(fù)調(diào)整的低效方式，將工藝需求與結(jié)構(gòu)找形、計(jì)算過(guò)程有效融合。通過(guò)結(jié)構(gòu)找形的自動(dòng)調(diào)整及實(shí)時(shí)反饋，確保建模過(guò)程與工藝優(yōu)化的高度協(xié)同，實(shí)現(xiàn)工藝與結(jié)構(gòu)的一體化建模優(yōu)化。提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的原料場(chǎng)結(jié)構(gòu)AI代理模型，開(kāi)創(chuàng)性地將人工智能技術(shù)引入到原料場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，替代了計(jì)算復(fù)雜且耗時(shí)的傳統(tǒng)有限元分析過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)性能的高效預(yù)測(cè)。在如圖5所示的三心圓桁架結(jié)構(gòu)示例中，原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)智慧設(shè)計(jì)軟件可在短時(shí)間內(nèi)生成成千上萬(wàn)個(gè)模型并自動(dòng)進(jìn)行方案對(duì)比優(yōu)化，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法節(jié)省用鋼量超過(guò)10%。
圖4原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)工藝-幾何-力學(xué)協(xié)同驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化建模與智慧優(yōu)化方法
圖5三心圓桁架結(jié)構(gòu)多參數(shù)耦合智慧優(yōu)化
3.基于變切削面的螺栓球節(jié)點(diǎn)精細(xì)設(shè)計(jì)，首創(chuàng)了數(shù)控加工設(shè)備自身誤差消除的智能加工融合技術(shù)，建成了國(guó)內(nèi)唯一的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)桿件全自動(dòng)智能加工生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了智慧設(shè)計(jì)與智能加工全流程無(wú)紙化數(shù)據(jù)交付和一模到底。
提出了變切削面螺栓球節(jié)點(diǎn)精細(xì)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)生成加工代碼傳輸至控制數(shù)控機(jī)床加工，突破了傳統(tǒng)手工加工只能采用等切削面設(shè)計(jì)的局限，大幅提高了螺栓球加工效率與精度。通過(guò)精確計(jì)算切削量，顯著提升了材料利用效率，在保證節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，可大幅降低螺栓球用鋼量，為綠色制造提供了技術(shù)支撐。提出桿件套料優(yōu)化與數(shù)控加工一體化方法，有效解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造流程中的耗時(shí)長(zhǎng)、易出錯(cuò)、原料利用率低等問(wèn)題。構(gòu)建了螺栓球新型智能化加工系統(tǒng)，研發(fā)了新型鉆銑刀與倒角技術(shù)，搭建了無(wú)線連通和在線監(jiān)視系統(tǒng)，提升了螺栓球數(shù)控機(jī)床的加工效率，降低了加工車(chē)間的人力成本。研發(fā)了國(guó)內(nèi)首套鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)桿件智能制造生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了桿件的自動(dòng)套料、自動(dòng)下料、自動(dòng)組裝、智能視覺(jué)尋跡焊接、自動(dòng)拋丸、自動(dòng)噴漆烘干、自動(dòng)噴碼包裝和碼垛，提升了桿件加工的自動(dòng)化程度。研發(fā)了帶有視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的智能焊接機(jī)器人，改變了傳統(tǒng)半自動(dòng)焊接工藝，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)架桿件的自動(dòng)化柔性焊接，一次探傷合格率100%，提高了焊接質(zhì)量。
圖6螺栓球節(jié)點(diǎn)傳統(tǒng)等切削面設(shè)計(jì)與變切削面精細(xì)設(shè)計(jì)
圖7螺栓球節(jié)點(diǎn)傳統(tǒng)人工加工與精細(xì)化數(shù)控加工
圖8國(guó)內(nèi)首條螺栓球網(wǎng)架全自動(dòng)智能制造生產(chǎn)線
4.建立了工藝-設(shè)計(jì)-加工-運(yùn)輸-安裝-運(yùn)維-碳排放計(jì)算的料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)智能建造系統(tǒng)架構(gòu)，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)全生命周期智能建造軟硬件協(xié)同平臺(tái)。
實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首套鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)工廠智能制造中控系統(tǒng)。運(yùn)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，綜合運(yùn)用多種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，構(gòu)建了鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)智能中控系統(tǒng)。真正實(shí)現(xiàn)了鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)的全流程智能制造，提高了鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)制造加工的效率和質(zhì)量，減少了人工成本，降低了生產(chǎn)過(guò)程安全隱患。通過(guò)實(shí)時(shí)量化采集設(shè)備運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算生產(chǎn)線的能源消耗水平和碳排放指標(biāo)，促進(jìn)了鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造過(guò)程低碳化。
圖9原料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)智能制造系統(tǒng)部分界面展示
四、應(yīng)用情況與效果
在經(jīng)濟(jì)效益方面，自項(xiàng)目成果投入應(yīng)用以來(lái)，已在80多個(gè)工程項(xiàng)目中得到廣泛使用，總造價(jià)高達(dá)96億。在社會(huì)效益方面，本項(xiàng)目成果顯著。設(shè)計(jì)效率較常規(guī)方法提高可達(dá)90%，主體結(jié)構(gòu)工程造價(jià)降低可達(dá)8%；構(gòu)件加工、安裝的效率和精度均有明顯提升；實(shí)現(xiàn)工業(yè)軟件的純國(guó)產(chǎn)自主替代，對(duì)保護(hù)環(huán)境、減少碳排量意義重大，降低了資源消耗和環(huán)境影響，推動(dòng)鋼鐵企業(yè)向綠色化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。
主要研發(fā)團(tuán)隊(duì)獲得專(zhuān)利授權(quán)61件(其中發(fā)明專(zhuān)利16件)，在審查發(fā)明專(zhuān)利3件，主編國(guó)家規(guī)范1部，軟著19部，省部級(jí)工法3項(xiàng)，發(fā)表論文33篇(其中SCI論文6篇)。該成果由上海市土木工程學(xué)會(huì)組織專(zhuān)家鑒定，評(píng)為達(dá)到“國(guó)際領(lǐng)先”水平。
信息來(lái)源：中冶賽迪集團(tuán)有限公司
