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摘要：钢铁工业发展“服务型制造”是行业革命性提质增效、提高有效供给水平的重要途径之一。长材轧线作为典型流程型行业，“服务型制造”主要有产业链下游和自身运营两方面。设计院是钢铁工业生产线设计与建设的主力军，基于钢铁工业传统产线的信息流，深度融合大数据、云计算、机器学习、互联网+等新技术，可推升全流程制造过程服务水平，推动钢铁行业步入智能化，对实现“服务型制造”起到关键作用。在国内某特钢优棒轧线工程的设计表明：采用智能化作业计划排产与理论生产工艺参数制定、工艺质量在线管控、生产过程实绩信息精细化管理、物料管理（包括原料、轧辊间和成品）以及关键设备工序健康状态实时预报与智能评估后，“服务型制造”将形成可观的综合经济效益。
关键词：钢铁行业；服务型制造升级；轧制生产线
前言
为从根本上解决我国钢铁行业产能过剩问题，工业和信息化部基于钢铁工业调整升级的现实需要，加快钢铁工业调整升级，发布了《钢铁工业调整升级规划（2016-2020年）》，确定到2020年，我国钢铁工业供给侧结构性改革取得重大进展，创新驱动能力明显增强，建成国家级行业创新平台和一批国际领先的创新领军企业，产品质量稳定性和可靠性水平大幅提高，并实现一批关键钢材品种有效供给[1～3]。
长材制备加工中的作业计划、制造实绩、工艺参数、设备状态与事故记录等数据源，以信息流形式贯穿整个炼铸轧全流程，是生产线工况的重要显性表观，但数据中所蕴藏的大量有价值信息并未得到有效利用。下游客户对钢材品种、质量和服务需求将不断升级，由单纯“产品”需求向“产品+服务”需求转变，对钢铁企业提出更高要求；同时钢铁企业自身生产运营中许多“服务”也可借助新技术、新产品、新功能提质升级，降本增效。因此《规划》中为契合实际需要，除布置去产能、去杠杆等重点任务，还提出了推动“服务型制造”的转型任务[2，3]。
1.钢铁企业服务型制造升级中的需求分析
1.1产业链下游服务型制造需求分析
钢铁行业前沿研究指出，长型材供给侧改革的核心，在于提升轧线服务运营综合能力，在于提供满足客户需求的服务过程，重点是与顾客交流、关怀，重视客户满意度的培育，满足和保留客户[4]，增进服务型制造附加值[5]。
就轧制生产线而言，下游客户与钢铁企业签下订单后，其诉求既有表观的快速提到合同范围内产品；也有潜含的当产品质量有异议时，向钢铁企业诉求解决方案；更有根据客户自身情况，就使用的产品予以定制化的隐性需求。因此钢铁企业应为下游客户提供产品的全生命周期服务，如：（1）从产品订单开始，到中间加工过程，到物流输送到客户手中，全程信息化跟踪，让客户了解整个制造、运输流程并对自身相关任务安排布置；（2）产品制造工艺与质量寿命全生命追踪，将产线上产品制造信息（成分、加工工艺参数、最终组织性能）与产品使用中的性能和寿命，进行全流程收集，构成完整元数据，为后续基于大数据的质量异议追溯、产品质量升级换代、开发更适合客户定制化使用工况环境的产品等情况，提供条件；（3）收集、记录客户对钢材在品类和量上的信息，形成客户数据库，为智能化挖掘市场奠定条件，以销定产[6，7]。
1.2自身运营服务提质升级的需求分析
为使钢铁企业保持正常、稳定、高效、持续的生产节奏，核算各类成本，对物料和物资计件计量，日常运营中须采用一定措施保证这些“自服务”的存在[8，9]。传统钢铁企业长型材轧制生产线的工艺加工流程为：连铸冷坯—加热炉均温—轧制机组（粗轧、中轧、预精轧、精轧）—水箱冷却—精整（倍尺剪切、冷床冷却、矫直、定尺、码垛、打捆、成品运出）。在该过程中，除了日常生产运营需记录大量信息，如：连铸坯来料信息、加热炉运行参数信息、轧制机组运行参数信息、轧件成型中温度与尺寸演变信息等数据，还需按订单作业计划、轧线工序段设备使用周期（或过钢量），以及对单体工序设备或整线的维护。
目前，与这些数据相关的处理、存储、使用方式等服务相对简单、孤立、粗放，亟待借助云计算与大数据的手段建立实用性强的工具集和具有显著行业特色的应用平台，提升长型材制备智能化水平[10～12]。同时，需要综合考虑长型材制造过程中的多工序成本优化、关键装备健康状态、多工序质量遗传特征等问题，开发长型材产品多等级质量关键控制技术，实现长型材产品质量窄窗口精准化控制，满足工业4.0背景下制造业向智能化转型发展的新要求。综合起来，长型材轧线自身运营服务的需求主要有：（1）生产成本和产品追踪化、工序过程计量精细化、总成本计算在线实时化，为企业降本增效提供最直接可靠保障；（2）降低生产人员数量，减少生产线操作室数量，直接降低生产线日常成本；（3）工序段关键设备运行情况、点检维护参数的数字化、远程化，为智慧（智能）工厂构建逐渐奠定基础。
2.设计院在钢铁企业服务型制造升级中的作用与实践
2.1 设计院在钢铁企业服务型制造升级中的作用
鋼铁企业生产线建设阶段有规划、设计、建造、运营等。在该过程中，设计院在运营服务阶段以前的计划立项、可研决策、初步设计、设备设计与招采、制造、施工招标、项目管理、竣工验收等阶段中处于承担者。一般，在国家发展钢铁工业的各项具体方针政策的指导下，要采用国际先进、成熟、可靠的生产技术和装备，保证生产线装备及工艺系统的适用性、可靠性、先进性，做到技术先进、工艺流程顺畅、总图及工艺布置合理、确保生产顺行，操作维护简捷方便，并对具有前瞻性的先进技术预留，保证十年左右保持行业领先[13]。
以智能制造、互联制造、绿色制造、定制制造等为代表的第三次工业革命，已使生产基础材料的钢铁工业，不得不开始适应新科技革命对材料需求的颠覆性变革，结束同质化大规模批量制造时代。上文分析中，“服务型制造”会渗透到钢铁产业链的每一个环节正是这一变革的重要体现。而这些变化和要求与传统意义上钢铁生产线上工艺、设备、电气等进步有着显著区别，由此带来的初始设计也将产生根本性颠覆[1～3]。 加强轧制生产线“自身服务”的信息化与智能化中，实现生产线双化的提升都与大数据密切相关，大数据的收集和挖掘均要以生产线为基础，在生产线上通过设备设计和改造实现信息的收集、发送、传递、处理、再加工等，随后通过以机器学习为代表的人工智能技术，才能进一步通过落实到智能化装备，形成闭环。因此，为了有效地开展在线数据收集、分析和自动化反馈的智能控制，必须要求生产线具有较高的自动化控制水平，并将先进成熟的新信息化技术纳入到设备设计、厂房整体布置。在生产线建立时就引入大数据的采集装置、分析装置以及智能控制单元，就可显著提高工程项目进行和完成的可行性和效率，节约大量成本；另一方面，轧制线生产工艺参数的数据存贮技术、轧制产品关系评价体系数据化、轧钢大数据与产品特性的相关性挖掘、数据分析，还需和基于大数据的人工智能黑箱模型挖掘、轧制模型、组织演变模型结合。这些要求在配套轧制生产线初期的二级控制中就应予以体现（或至少保留），并在整体系统构架上和整个钢铁企业的1～4级信息化系统相对接。
2.2基于服务型制造的棒材轧线设计实践
以典型的全连续中小优特钢棒材轧钢车间生产线为例，对于设计年生产能40万吨棒材生产线，规格为Φ16～Φ90mm光面圆钢，钢种一般囊括：优质碳结钢、合金结构钢、冷镦钢、弹簧钢、轴承钢等。产线来料铸坯尺寸为：Ф280×7000mm圆坯。全线轧机配置为：粗轧机组6架、中轧机组6架、预精轧机组6架、精轧机组4架、减定径机机组4架。水箱位于减定径机组前（2个）后（3个），共5组。在轧制生产线方案设计中，轧线可以生产运营“服务型制造升级”为导向，提出具体落实的四个方向：（1）智能化作业计划排产与理论生产工艺参数制定；（2）工艺质量在线管控；（3）生产过程实绩信息精细化管理；（4）物料管理（包括原料、轧辊间和成品）；（5）关键设备工序健康状态实时预报与智能评估。相较普通棒材轧线的软控需求，设计方案中以这四点为核心落实轧线生产运营“服务型制造升级”，在钢铁企业传统四个信息化体系层级也占据了重要地位。
棒材轧线正常生产主要受约于二级过程控制系统，功能是将正常生产过程时上料、加热、轧制、倍（尺）剪等工序在一级自动化基础上实现串联，完成物料、加工过程、生产结果等的信息录入和输出需求。在轧线作业排产与理论生产工艺参数方面，通常由计划员制定完成；在钢种和性能方面，普通棒线材较单一，工艺质量难度要求不高，二级过程控制较低；生产过程各类量的统计较粗广，对于单支加工中的成本和工艺质量不予计量；物料管理方面，对原料跨中的连铸冷坯、轧辊间管理、成品跨中堆垛的打捆产品管理上，信息一般通过人工纸质记录，数据手动录入，查询与搬运操作则由人和天车设备协同完成。
在加入以上5点的以轧线生产运营的“服务型制造升级”为导向的方案设计后，排产与工艺参数制定、生产实绩成本与信息精细化管理、物料管理系统构成该轧线三级，生产过程工艺控制构成轧线二级。架构上，轧线产品大纲钢种热物性及理论制造工艺参数库、一级基础自动化系统实绩制造信息数据库、原料库铸坯数据、轧辊间数据、成品库数据上组成轧线数据平台，各模块在该数据平台上存入或获取相关数据，结合各模块核心算法和模型实现模块功能，实现服务型制造升级要求。
预计相较传统优棒特钢生产线，操作室数量减少1/3，工作人员减少20%，成材率提高1%，优棒特钢品质提高等级不小于0.5，基于“服务型制造”设计理念，年综合运营成本经济效益降低1000万。
3.结论
随着结构调整，我国经济将经历一个L型发展阶段，钢铁总需求波动下降和产能过剩并存的格局将持续较长时间，产能过剩难以借助过去持续、高速的经济增长来消化。钢材市场对品种的需求趋向呈现个性化、多品种、小批量趋势，产品质量要求稳定性、可靠性、耐久性水平愈发提高。对于多品种、小批量的需求，钢铁企业若仍主要以刚性生产工艺为主，则无法适应这种柔性加工性的基于订单化式生产管理、制造优化协调。为此，要将服务型制造理念深入植入前期设计、产线运营、以及生产后的市场客户服务中，推进钢铁工业有效供给水平提高。
参考文献：
[1]李浩，纪杨建，祁国宁，顾新建，唐任仲.制造与服務融合的内涵、理论与关键技术体系[J].计算机集成制造系统，2010，16（11）：2521-2529.
[2]李孝斌，尹超. 面向生产过程云服务的制造执行系统[J]. 计算机集成制造系统，2016，22（01）：177-188.
[3]程颖，陶飞，张霖，左颖.面向服务的制造系统中制造服务供需匹配研究综述与展望[J]. 计算机集成制造系统，2015，21（07）：1930-1940.
[4]李晓华.服务型制造与中国制造业转型升级[J].当代经济管理，2017，39（12）：30-38.
[5]苗圩：把发展经济的着力点放在实体经济上[J].电气时代，2018（01）：20-22.
[6]孙林岩，高杰，朱春燕，李刚，何哲.服务型制造：新型的产品模式与制造范式[J]. 中国机械工程，2008，（21）：2600-2604+2608.
[7]李冀，莫蓉.面向全生命周期的服务制造网络建模研究[J].计算机应用研究，2012，29（04）：1349-1352.
[8]李春林，李丽华.我国制造企业向服务制造管理模式的转变问题研究[J].黑龙江工程学院学报（自然科学版），2012，26（03）：64-68.
[9]何哲，孙林岩，朱春燕. 服务型制造的概念、问题和前瞻[J].科学学研究，2010，28（01）：53-60.
[10]郭劲丹.华菱钢铁服务型制造的转型障碍和路径选择[D].中南大学，2013.
[11]熊宗慧.钢铁产业链产品协同服务系统研究[D].上海大学，2014.
[12]刘军伟.钢铁工业泛在信息匹配推送服务体系及其实现方法研究[D].武汉科技大学，2015.
[13]方实年，朱庆年.广钢中型轧钢车间改建高速线材车间设计[J].轧钢，1999，（06）：45-48.
作者简介：
蒲春雷（1987～），男，四川人，博士，工程师，主要从事“棒线型”材轧线工艺及设备工程设计及科研开发。
关键词：钢铁行业；服务型制造升级；轧制生产线
前言
为从根本上解决我国钢铁行业产能过剩问题，工业和信息化部基于钢铁工业调整升级的现实需要，加快钢铁工业调整升级，发布了《钢铁工业调整升级规划（2016-2020年）》，确定到2020年，我国钢铁工业供给侧结构性改革取得重大进展，创新驱动能力明显增强，建成国家级行业创新平台和一批国际领先的创新领军企业，产品质量稳定性和可靠性水平大幅提高，并实现一批关键钢材品种有效供给[1～3]。
长材制备加工中的作业计划、制造实绩、工艺参数、设备状态与事故记录等数据源，以信息流形式贯穿整个炼铸轧全流程，是生产线工况的重要显性表观，但数据中所蕴藏的大量有价值信息并未得到有效利用。下游客户对钢材品种、质量和服务需求将不断升级，由单纯“产品”需求向“产品+服务”需求转变，对钢铁企业提出更高要求；同时钢铁企业自身生产运营中许多“服务”也可借助新技术、新产品、新功能提质升级，降本增效。因此《规划》中为契合实际需要，除布置去产能、去杠杆等重点任务，还提出了推动“服务型制造”的转型任务[2，3]。
1.钢铁企业服务型制造升级中的需求分析
1.1产业链下游服务型制造需求分析
钢铁行业前沿研究指出，长型材供给侧改革的核心，在于提升轧线服务运营综合能力，在于提供满足客户需求的服务过程，重点是与顾客交流、关怀，重视客户满意度的培育，满足和保留客户[4]，增进服务型制造附加值[5]。
就轧制生产线而言，下游客户与钢铁企业签下订单后，其诉求既有表观的快速提到合同范围内产品；也有潜含的当产品质量有异议时，向钢铁企业诉求解决方案；更有根据客户自身情况，就使用的产品予以定制化的隐性需求。因此钢铁企业应为下游客户提供产品的全生命周期服务，如：（1）从产品订单开始，到中间加工过程，到物流输送到客户手中，全程信息化跟踪，让客户了解整个制造、运输流程并对自身相关任务安排布置；（2）产品制造工艺与质量寿命全生命追踪，将产线上产品制造信息（成分、加工工艺参数、最终组织性能）与产品使用中的性能和寿命，进行全流程收集，构成完整元数据，为后续基于大数据的质量异议追溯、产品质量升级换代、开发更适合客户定制化使用工况环境的产品等情况，提供条件；（3）收集、记录客户对钢材在品类和量上的信息，形成客户数据库，为智能化挖掘市场奠定条件，以销定产[6，7]。
1.2自身运营服务提质升级的需求分析
为使钢铁企业保持正常、稳定、高效、持续的生产节奏，核算各类成本，对物料和物资计件计量，日常运营中须采用一定措施保证这些“自服务”的存在[8，9]。传统钢铁企业长型材轧制生产线的工艺加工流程为：连铸冷坯—加热炉均温—轧制机组（粗轧、中轧、预精轧、精轧）—水箱冷却—精整（倍尺剪切、冷床冷却、矫直、定尺、码垛、打捆、成品运出）。在该过程中，除了日常生产运营需记录大量信息，如：连铸坯来料信息、加热炉运行参数信息、轧制机组运行参数信息、轧件成型中温度与尺寸演变信息等数据，还需按订单作业计划、轧线工序段设备使用周期（或过钢量），以及对单体工序设备或整线的维护。
目前，与这些数据相关的处理、存储、使用方式等服务相对简单、孤立、粗放，亟待借助云计算与大数据的手段建立实用性强的工具集和具有显著行业特色的应用平台，提升长型材制备智能化水平[10～12]。同时，需要综合考虑长型材制造过程中的多工序成本优化、关键装备健康状态、多工序质量遗传特征等问题，开发长型材产品多等级质量关键控制技术，实现长型材产品质量窄窗口精准化控制，满足工业4.0背景下制造业向智能化转型发展的新要求。综合起来，长型材轧线自身运营服务的需求主要有：（1）生产成本和产品追踪化、工序过程计量精细化、总成本计算在线实时化，为企业降本增效提供最直接可靠保障；（2）降低生产人员数量，减少生产线操作室数量，直接降低生产线日常成本；（3）工序段关键设备运行情况、点检维护参数的数字化、远程化，为智慧（智能）工厂构建逐渐奠定基础。
2.设计院在钢铁企业服务型制造升级中的作用与实践
2.1 设计院在钢铁企业服务型制造升级中的作用
鋼铁企业生产线建设阶段有规划、设计、建造、运营等。在该过程中，设计院在运营服务阶段以前的计划立项、可研决策、初步设计、设备设计与招采、制造、施工招标、项目管理、竣工验收等阶段中处于承担者。一般，在国家发展钢铁工业的各项具体方针政策的指导下，要采用国际先进、成熟、可靠的生产技术和装备，保证生产线装备及工艺系统的适用性、可靠性、先进性，做到技术先进、工艺流程顺畅、总图及工艺布置合理、确保生产顺行，操作维护简捷方便，并对具有前瞻性的先进技术预留，保证十年左右保持行业领先[13]。
以智能制造、互联制造、绿色制造、定制制造等为代表的第三次工业革命，已使生产基础材料的钢铁工业，不得不开始适应新科技革命对材料需求的颠覆性变革，结束同质化大规模批量制造时代。上文分析中，“服务型制造”会渗透到钢铁产业链的每一个环节正是这一变革的重要体现。而这些变化和要求与传统意义上钢铁生产线上工艺、设备、电气等进步有着显著区别，由此带来的初始设计也将产生根本性颠覆[1～3]。 加强轧制生产线“自身服务”的信息化与智能化中，实现生产线双化的提升都与大数据密切相关，大数据的收集和挖掘均要以生产线为基础，在生产线上通过设备设计和改造实现信息的收集、发送、传递、处理、再加工等，随后通过以机器学习为代表的人工智能技术，才能进一步通过落实到智能化装备，形成闭环。因此，为了有效地开展在线数据收集、分析和自动化反馈的智能控制，必须要求生产线具有较高的自动化控制水平，并将先进成熟的新信息化技术纳入到设备设计、厂房整体布置。在生产线建立时就引入大数据的采集装置、分析装置以及智能控制单元，就可显著提高工程项目进行和完成的可行性和效率，节约大量成本；另一方面，轧制线生产工艺参数的数据存贮技术、轧制产品关系评价体系数据化、轧钢大数据与产品特性的相关性挖掘、数据分析，还需和基于大数据的人工智能黑箱模型挖掘、轧制模型、组织演变模型结合。这些要求在配套轧制生产线初期的二级控制中就应予以体现（或至少保留），并在整体系统构架上和整个钢铁企业的1～4级信息化系统相对接。
2.2基于服务型制造的棒材轧线设计实践
以典型的全连续中小优特钢棒材轧钢车间生产线为例，对于设计年生产能40万吨棒材生产线，规格为Φ16～Φ90mm光面圆钢，钢种一般囊括：优质碳结钢、合金结构钢、冷镦钢、弹簧钢、轴承钢等。产线来料铸坯尺寸为：Ф280×7000mm圆坯。全线轧机配置为：粗轧机组6架、中轧机组6架、预精轧机组6架、精轧机组4架、减定径机机组4架。水箱位于减定径机组前（2个）后（3个），共5组。在轧制生产线方案设计中，轧线可以生产运营“服务型制造升级”为导向，提出具体落实的四个方向：（1）智能化作业计划排产与理论生产工艺参数制定；（2）工艺质量在线管控；（3）生产过程实绩信息精细化管理；（4）物料管理（包括原料、轧辊间和成品）；（5）关键设备工序健康状态实时预报与智能评估。相较普通棒材轧线的软控需求，设计方案中以这四点为核心落实轧线生产运营“服务型制造升级”，在钢铁企业传统四个信息化体系层级也占据了重要地位。
棒材轧线正常生产主要受约于二级过程控制系统，功能是将正常生产过程时上料、加热、轧制、倍（尺）剪等工序在一级自动化基础上实现串联，完成物料、加工过程、生产结果等的信息录入和输出需求。在轧线作业排产与理论生产工艺参数方面，通常由计划员制定完成；在钢种和性能方面，普通棒线材较单一，工艺质量难度要求不高，二级过程控制较低；生产过程各类量的统计较粗广，对于单支加工中的成本和工艺质量不予计量；物料管理方面，对原料跨中的连铸冷坯、轧辊间管理、成品跨中堆垛的打捆产品管理上，信息一般通过人工纸质记录，数据手动录入，查询与搬运操作则由人和天车设备协同完成。
在加入以上5点的以轧线生产运营的“服务型制造升级”为导向的方案设计后，排产与工艺参数制定、生产实绩成本与信息精细化管理、物料管理系统构成该轧线三级，生产过程工艺控制构成轧线二级。架构上，轧线产品大纲钢种热物性及理论制造工艺参数库、一级基础自动化系统实绩制造信息数据库、原料库铸坯数据、轧辊间数据、成品库数据上组成轧线数据平台，各模块在该数据平台上存入或获取相关数据，结合各模块核心算法和模型实现模块功能，实现服务型制造升级要求。
预计相较传统优棒特钢生产线，操作室数量减少1/3，工作人员减少20%，成材率提高1%，优棒特钢品质提高等级不小于0.5，基于“服务型制造”设计理念，年综合运营成本经济效益降低1000万。
3.结论
随着结构调整，我国经济将经历一个L型发展阶段，钢铁总需求波动下降和产能过剩并存的格局将持续较长时间，产能过剩难以借助过去持续、高速的经济增长来消化。钢材市场对品种的需求趋向呈现个性化、多品种、小批量趋势，产品质量要求稳定性、可靠性、耐久性水平愈发提高。对于多品种、小批量的需求，钢铁企业若仍主要以刚性生产工艺为主，则无法适应这种柔性加工性的基于订单化式生产管理、制造优化协调。为此，要将服务型制造理念深入植入前期设计、产线运营、以及生产后的市场客户服务中，推进钢铁工业有效供给水平提高。
参考文献：
[1]李浩，纪杨建，祁国宁，顾新建，唐任仲.制造与服務融合的内涵、理论与关键技术体系[J].计算机集成制造系统，2010，16（11）：2521-2529.
[2]李孝斌，尹超. 面向生产过程云服务的制造执行系统[J]. 计算机集成制造系统，2016，22（01）：177-188.
[3]程颖，陶飞，张霖，左颖.面向服务的制造系统中制造服务供需匹配研究综述与展望[J]. 计算机集成制造系统，2015，21（07）：1930-1940.
[4]李晓华.服务型制造与中国制造业转型升级[J].当代经济管理，2017，39（12）：30-38.
[5]苗圩：把发展经济的着力点放在实体经济上[J].电气时代，2018（01）：20-22.
[6]孙林岩，高杰，朱春燕，李刚，何哲.服务型制造：新型的产品模式与制造范式[J]. 中国机械工程，2008，（21）：2600-2604+2608.
[7]李冀，莫蓉.面向全生命周期的服务制造网络建模研究[J].计算机应用研究，2012，29（04）：1349-1352.
[8]李春林，李丽华.我国制造企业向服务制造管理模式的转变问题研究[J].黑龙江工程学院学报（自然科学版），2012，26（03）：64-68.
[9]何哲，孙林岩，朱春燕. 服务型制造的概念、问题和前瞻[J].科学学研究，2010，28（01）：53-60.
[10]郭劲丹.华菱钢铁服务型制造的转型障碍和路径选择[D].中南大学，2013.
[11]熊宗慧.钢铁产业链产品协同服务系统研究[D].上海大学，2014.
[12]刘军伟.钢铁工业泛在信息匹配推送服务体系及其实现方法研究[D].武汉科技大学，2015.
[13]方实年，朱庆年.广钢中型轧钢车间改建高速线材车间设计[J].轧钢，1999，（06）：45-48.
作者简介：
蒲春雷（1987～），男，四川人，博士，工程师，主要从事“棒线型”材轧线工艺及设备工程设计及科研开发。