(1. 华北理工大学冶金与能源学院， 河北 唐山 063210；2. 唐山学院人工智能学院， 河北 唐山 063000)
现阶段，国内炼铁流程仍以“高炉-转炉”流程为主，且面临着高能耗、高污染及自动化程度不强等问题。随着双碳目标和“十四五”规划等政策的推出，高炉冶炼智能化升级转型得到更广泛的关注。由于高炉生产涉及的调控参数众多且数据体量庞大，加上数据具有非线性、非高斯和滞后性等特点，使得大数据和人工智能技术在高炉智能化转型过程中拥有较大的发展空间和应用前景。首先从高炉智能预测、智能监测、智能评价和大数据平台4个方面详细阐述了高炉智能化的发展现状，并就各方面作了详细的探讨。其次，针对高炉智能化发展中存在的数据孤岛问题、数据噪声问题、模型鲁棒性问题和黑箱问题，提出了初步的处理方法。最后，结合新一代人工智能技术和钢铁生产技术，从高炉炼铁流程的数据共享、信息物理系统、一体化经营管理系统和移动工厂几个角度进一步展望了智能化转变发展方式与经济转型的未来发展。
随着工业互联网与人工智能技术在全球逐步普及，传统制造业向智能化发展已成为一种共识与趋势。近年来，中国发布的《中华人民共和国国民经济与社会持续健康发展第十四个五年规划和2035年远大目标纲要》等诸多文件，都旨在加速传统制造业向数字化发展，利用数字赋能发展新经济，营造新生态环境。
钢铁制造作为国民经济的基础工业，是决定国家发展水平的基本要素之一。中国钢铁工业于21世纪初期迅猛发展，钢产量长期保持在世界第一。然而，快速地发展的背后存在高能耗、高污染、劳动力密集和自动化程度不高等问题，为进一步契合国家新的发展趋势和“30·60”目标，智能化转变发展方式与经济转型成为钢铁行业的重要出路。就目前来看，中国钢铁行业以高炉-转炉长流程为主，高炉能耗和排放量占比巨大，远超炼钢、轧钢等工序(图1)。虽然近年来中国大力探究发展非高炉炼铁，但是高炉炼铁在很长时间内都会占据主导地位，因此，提高高炉炼铁流程的智能化水平以达到节能减排的目标迫在眉睫。
高炉作为一种“黑箱”模型，工作人员在生产冶炼中并不能及时了解其内部状态，加上从原料入炉到铁水出炉整个冶炼过程受到上千种不同调控参数的影响，且数据之间耦合性明显，任何一个生产环节都可能会影响高炉顺行，最终影响铁水质量。面对这种特殊情况，实现高炉智能化就显得很重要。结合当前形势来看，如何使用大数据技术分析挖掘海量生产数据内在的线性、非线性关系和潜藏规律，通过人工智能的感知、预测和可视化等技术开发智能化系统，实现动态预测、实时监测的功能已成为学者和企业关注的热点话题。鉴于高炉自身条件与大数据技术的优势形成强烈的互补态势，因此实现高炉智能化将有利于打破数据孤岛壁垒，通过预测和感知功能为高炉操作提供指导，保证高炉各工序之间协同生产，实现高炉长期稳定顺行，这对完成节能减排目标具有重要意义。
随着政府在工业智能化转型和节能减排方面不断出台新的支持政策，结合新一代计算机技术的快速发展，钢铁工业可以集成大数据和人工智能技术，开发从炼铁、炼钢、连铸、轧钢到成品的全流程智能冶金生产线，提高钢铁企业智能制造、智能管控、智能服务等方面的能力，促进钢铁行业完成智能化转型升级。高炉生产是钢铁长流程的能量与物质转换核心，在长期运行过程中积累了大量生产数据，利用大数据等智能技术为高炉生产提供有效的预测和指导，对高炉稳定顺行具有重要意义。未来可以通过交叉学科前沿技术的集成与实际应用，从以下几个方面对高炉炼铁流程进行智能化升级。
(1)充分实现数据共享。高炉炼铁工艺是由烧结、球团、高炉等多工序匹配集成的制造流程系统，烧结是高炉的原料供给站，高炉是物质流与能量流的转换中心，各工序之间紧密衔接又相对独立，甚至同一产线的不同单元之间数据也因分散而难以共享。而在高炉炼铁海量数据基础上，利用大数据技术建立高炉大数据存储平台，打破信息孤岛，为高炉炼铁各工序间建立联系，对炼铁流程解析与集成，以数据驱动的智能方式达到高炉炼铁各工序间的数据共享，以便协同生产。
(2)构建信息物理系统。高炉炼铁智能化设计不仅是单元工序和设备的设计，还要在整个炼铁流程的层次上研究系统设计；不仅要重视物质流和能量流的网络结构设计，也要重视信息流网络的结构设计。新一代高炉冶炼流程的智能化必须重视信息流的输入、调控和耦合运行，构建与静态物理流程结构具有相互映射关系的“数字孪生”系统，形成“三网协同”“三流耦合”交互融合的流程整体和完整的信息物理系统(CPS)。现代高炉信息物理系统将实现高炉炼铁系统的信息感知、实时协同、动态调控和信息集成，使系统更加可靠、高效、精准，对高炉智能化升级具有重要而广泛的应用前景。
(3)开发一体化经营管理系统。未来高炉炼铁智能化是冶炼流程的智能化，更应该包括原料场、控制中心、管理系统和销售物流等系统的智能升级，为了能使各环节间协同生产，构建一体化经营管理系统显得特别的重要。一体化经营管理系统包括过程控制层、制造执行层、智能适应层、制造管理层和经营管理层。在数据共享和信息物理系统的基础上一体化经营管理系统将完善和提升现有的MES和ERP，实现产销一体化，加快发展现代产业体系，推动经济体系优化升级。
(4)打造高炉炼铁“移动工厂”。随着移动网络和物联网进一步融合成移动物联网，以及5G无线通信技术的普及，新一代智能技术在移动物联网的加持下可以为炼铁厂提供光纤般的接入速度、毫秒级的端到端时延、高可靠性、超高流量密度和移动性等多个场景的服务。在以上前提下打造高炉炼铁“移动工厂”，突破地域和单一工序限制，构建从设计到消费的全新的生产模式，未来将带动炼铁冶炼结构升级，为钢铁制造业开辟一片新蓝海。
基于以上高炉冶炼智能化升级支撑钢铁企业绿色、健康、高水平质量的发展，未来将打造高效化、协同化、智能化、绿色化的高炉炼铁工艺，最终建设不以人为主要是依靠的智能钢铁工厂，信息化与自动化高度融合的智能化钢铁企业，改善钢铁工业资源利用效率，减少污染排放，提升公司经济效益。
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