一、研究的背景與問題
隨著鋼鐵企業(yè)原料場規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)粗放的露天堆置儲料方式造成的污染問題日益凸顯。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)生揚塵，并在堆、取作業(yè)過程中產(chǎn)生二次揚塵，對環(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，容易對排水溝造成堵塞，也容易對周圍的地面環(huán)境造成污染，并帶來大量的物料損耗。露天料場帶來的安全隱患、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)定性較為突出的問題。2013年9月10日，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知》（國發(fā)〔2013〕37號），推動鋼鐵企業(yè)對露天儲料結(jié)構(gòu)進行全封閉改造。實現(xiàn)原料全封閉式管理，不僅可以消除堆場對周邊環(huán)境的影響，實現(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營成本。鋼鐵企業(yè)原料場封閉結(jié)構(gòu)在當(dāng)前建造過程中，面臨智能化水平低下的問題：設(shè)計階段的參數(shù)化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化程度不足，難以得到最優(yōu)設(shè)計方案；設(shè)計、加工和安裝階段存在信息孤島現(xiàn)象，易導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳遞過程中出現(xiàn)丟失和錯誤，阻礙了建造質(zhì)量與效率的提升。為解決上述問題，同時順應(yīng)國家在《“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)基本實現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型”政策，對鋼鐵企業(yè)原料場封閉結(jié)構(gòu)智能建造過程中的關(guān)鍵技術(shù)開展研究勢在必行。
盡管國內(nèi)外在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、構(gòu)件加工以及安裝等方面開展了大量研究，并取得了不少成果；但現(xiàn)有研究大多局限于單一過程，缺乏系統(tǒng)性和綜合性。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面，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程中的實際需求；構(gòu)件加工方面，研究重點在于提升數(shù)控機床自身的加工精度和效率，忽視了與設(shè)計和安裝環(huán)節(jié)的協(xié)同；安裝方面，研究主要關(guān)注施工現(xiàn)場的施工質(zhì)量和進度管理，對設(shè)計和加工環(huán)節(jié)的反饋不足。因此，目前尚無一套完善的智能建造方法體系能夠有效應(yīng)用于實際工程，無法滿足鋼鐵企業(yè)原料場封閉結(jié)構(gòu)建設(shè)的需求。
綜上所述，開展鋼鐵企業(yè)原料場封閉結(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)國家對鋼鐵行業(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)核心競爭力，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。
二、解決問題的思路與技術(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，并達到降本增效的目的，本項目圍繞原料場封閉結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造、安裝及全生命周期管理，展開了全面且深入的關(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)與儲存技術(shù)研究：（1）針對鋼鐵企業(yè)ECIA-B/C/D型原料場封閉結(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)保智能原料儲存技術(shù)，整合先進的自動化控制系統(tǒng)、智能監(jiān)測設(shè)備和環(huán)保措施，實現(xiàn)儲存、配料、混勻的一體化操作，解決堆場污染和物料損耗問題。
2.結(jié)構(gòu)智慧優(yōu)化設(shè)計方法研究：（1）提出工藝-幾何-力學(xué)協(xié)同驅(qū)動的參數(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）提出針對原料場結(jié)構(gòu)設(shè)計的高效單參數(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)同精細化設(shè)計體系。
3.設(shè)計制造安裝一體化技術(shù)研究：（1）提出設(shè)計-制造一體化融合技術(shù)，解決從設(shè)計到加工無紙化數(shù)據(jù)交付問題；（2）實現(xiàn)桿件與節(jié)點深化設(shè)計與數(shù)控加工一體化；（2）研發(fā)并創(chuàng)建原料場結(jié)構(gòu)構(gòu)件智能制造生產(chǎn)線；（3）提出原料場結(jié)構(gòu)安裝施工方案自動分區(qū)分段驗算與優(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-制造-安裝全流程自主知識產(chǎn)權(quán)軟件，解決工業(yè)軟件制約性問題；（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驗算與控制方法；（5）提出設(shè)計-制造-安裝全生命周期碳排放計算方法。
三、主要創(chuàng)新性成果
1.針對新型環(huán)保智能原料儲存技術(shù)，構(gòu)建了與鋼鐵企業(yè)原料場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。
為滿足冶金行業(yè)原料特性復(fù)雜、品種多、貯量大、儲存需求多樣等儲存需求，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、運營成本優(yōu)化等方面具有顯著優(yōu)勢，獲得了中國、日本美國、巴西、歐盟發(fā)明專利授權(quán)以及中國專利優(yōu)秀獎、冶金科學(xué)技術(shù)獎等獎項。該技術(shù)采用了更緊湊的布局，更順暢的原料物流系統(tǒng)，更高的投資性價比，更高的自動化、智能化水平，是業(yè)內(nèi)唯一能同時實現(xiàn)多品種、高貯量環(huán)保高效儲存，且儲存、配科、混勻一體化，智能化控制的環(huán)保料場技術(shù)，也是鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗、綠色環(huán)保改造升級的重點推廣技術(shù)，并納入國家環(huán)?？萍汲晒浲茝V。
圖2鋼鐵企業(yè)ECIA-B/C/D/E型原料場封閉結(jié)構(gòu)
圖3鋼鐵企業(yè)ECIA-M型原料場封閉結(jié)構(gòu)
2.構(gòu)建了鋼鐵企業(yè)原料場封閉結(jié)構(gòu)工藝-幾何-力學(xué)協(xié)同驅(qū)動的高效參數(shù)化建模及智慧設(shè)計優(yōu)化方法；研發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的料場封閉結(jié)構(gòu)智慧設(shè)計軟件。
系統(tǒng)性地定義了數(shù)十種原料場封閉結(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)律進行動態(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到最優(yōu)平衡。提出了基于設(shè)備包絡(luò)線自動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、計算過程有效融合。通過結(jié)構(gòu)找形的自動調(diào)整及實時反饋，確保建模過程與工藝優(yōu)化的高度協(xié)同，實現(xiàn)工藝與結(jié)構(gòu)的一體化建模優(yōu)化。提出了一種基于機器學(xué)習(xí)的原料場結(jié)構(gòu)AI代理模型，開創(chuàng)性地將人工智能技術(shù)引入到原料場結(jié)構(gòu)設(shè)計中，替代了計算復(fù)雜且耗時的傳統(tǒng)有限元分析過程，實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)性能的高效預(yù)測。在如圖5所示的三心圓桁架結(jié)構(gòu)示例中，原料場封閉結(jié)構(gòu)智慧設(shè)計軟件可在短時間內(nèi)生成成千上萬個模型并自動進行方案對比優(yōu)化，較傳統(tǒng)設(shè)計方法節(jié)省用鋼量超過10%。
圖4原料場封閉結(jié)構(gòu)工藝-幾何-力學(xué)協(xié)同驅(qū)動的參數(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)點精細設(shè)計，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)，建成了國內(nèi)唯一的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)桿件全自動智能加工生產(chǎn)線，實現(xiàn)了智慧設(shè)計與智能加工全流程無紙化數(shù)據(jù)交付和一模到底。
提出了變切削面螺栓球節(jié)點精細化設(shè)計方法，實現(xiàn)了自動生成加工代碼傳輸至控制數(shù)控機床加工，突破了傳統(tǒng)手工加工只能采用等切削面設(shè)計的局限，大幅提高了螺栓球加工效率與精度。通過精確計算切削量，顯著提升了材料利用效率，在保證節(jié)點力學(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)計與制造流程中的耗時長、易出錯、原料利用率低等問題。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)，搭建了無線連通和在線監(jiān)視系統(tǒng)，提升了螺栓球數(shù)控機床的加工效率，降低了加工車間的人力成本。研發(fā)了國內(nèi)首套鋼鐵企業(yè)原料場封閉結(jié)構(gòu)桿件智能制造生產(chǎn)線，實現(xiàn)了桿件的自動套料、自動下料、自動組裝、智能視覺尋跡焊接、自動拋丸、自動噴漆烘干、自動噴碼包裝和碼垛，提升了桿件加工的自動化程度。研發(fā)了帶有視覺識別系統(tǒng)的智能焊接機器人，改變了傳統(tǒng)半自動焊接工藝，實現(xiàn)了網(wǎng)架桿件的自動化柔性焊接，一次探傷合格率100%，提高了焊接質(zhì)量。
圖6螺栓球節(jié)點傳統(tǒng)等切削面設(shè)計與變切削面精細設(shè)計
圖7螺栓球節(jié)點傳統(tǒng)人工加工與精細化數(shù)控加工
圖8國內(nèi)首條螺栓球網(wǎng)架全自動智能制造生產(chǎn)線
4.建立了工藝-設(shè)計-加工-運輸-安裝-運維-碳排放計算的料場封閉結(jié)構(gòu)智能建造系統(tǒng)架構(gòu)，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的料場封閉結(jié)構(gòu)全生命周期智能建造軟硬件協(xié)同平臺。
實現(xiàn)了國內(nèi)首套鋼鐵企業(yè)原料場封閉結(jié)構(gòu)工廠智能制造中控系統(tǒng)。運用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，綜合運用多種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，構(gòu)建了鋼鐵企業(yè)原料場封閉結(jié)構(gòu)智能中控系統(tǒng)。真正實現(xiàn)了鋼鐵企業(yè)原料場封閉結(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)過程安全隱患。通過實時量化采集設(shè)備運行能耗數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計算生產(chǎn)線的能源消耗水平和碳排放指標(biāo)，促進了鋼鐵企業(yè)原料場封閉結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造過程低碳化。
圖9原料場封閉結(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)濟效益方面，自項目成果投入應(yīng)用以來，已在80多個工程項目中得到廣泛使用，總造價高達96億。在社會效益方面，本項目成果顯著。設(shè)計效率較常規(guī)方法提高可達90%，主體結(jié)構(gòu)工程造價降低可達8%；構(gòu)件加工、安裝的效率和精度均有明顯提升；實現(xiàn)工業(yè)軟件的純國產(chǎn)自主替代，對保護環(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)團隊獲得專利授權(quán)61件(其中發(fā)明專利16件)，在審查發(fā)明專利3件，主編國家規(guī)范1部，軟著19部，省部級工法3項，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)會組織專家鑒定，評為達到“國際領(lǐng)先”水平。
信息來源：中冶賽迪集團有限公司
