魏志江

（河鋼宣鋼教授級高級工程師）

摘要：鋼鐵行業(yè)作為全球碳排放量最大的制造業(yè)領(lǐng)域，其設(shè)備智能化與節(jié)能技術(shù)革新是實現(xiàn)"雙碳"目標(biāo)的關(guān)鍵路徑。本文通過分析智能運(yùn)維系統(tǒng)在設(shè)備能效優(yōu)化中的作用，結(jié)合余熱回收、氫基冶煉等低碳技術(shù)應(yīng)用，提出基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的全流程節(jié)能方案。通過案例分析顯示，智能運(yùn)維可使設(shè)備故障率降低、能耗下降，且低碳技術(shù)改造可減少碳排放，為鋼鐵工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型提供系統(tǒng)性參考。

1.0鋼鐵行業(yè)碳排放現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

（1）全球占比：2023年中國粗鋼產(chǎn)量占全球54%（10.19億噸/18.88億噸），行業(yè)碳排放占全國總量15%。

（2）能效痛點：傳統(tǒng)高爐工序能耗占比超70%，設(shè)備非計劃停機(jī)導(dǎo)致能耗增加20%。

（3）政策驅(qū)動：《2024-2025節(jié)能降碳行動方案》要求鋼鐵行業(yè)2024-2025年減排二氧化碳5300萬噸。

2.0智能運(yùn)維技術(shù)體系與應(yīng)用

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖和設(shè)備故障預(yù)測算法流程圖如圖1和圖2。

圖1. 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

特別說明：4G DTU模塊升級版并不是5G DTU模塊‌。盡管它們都屬于DTU（Data Transfer Unit）設(shè)備，但4G DTU和5G DTU在技術(shù)規(guī)格和應(yīng)用場景上有顯著區(qū)別。

一是技術(shù)規(guī)格差異：硬件架構(gòu)‌：5G DTU采用多核處理器（如ARM Cortex-A72）與獨立基帶芯片，相比4G DTU的單核MCU，算力提升5倍以上，支持更復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)加密‌1；二是網(wǎng)絡(luò)連接‌：5G DTU支持5G網(wǎng)絡(luò)，具有低延時、高速度的特點，適合于需要高速數(shù)據(jù)傳輸和低延遲的應(yīng)用場景‌2。而4G DTU則使用4G網(wǎng)絡(luò)，適用于一般的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用；三是應(yīng)用場景差異：5G DTU‌：適用于需要高速度、低延遲的場景，如自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能制造等‌2。5G DTU的硬件升級使其能夠處理更復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸需求；4G DTU‌：廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域，適合一般的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如傳感器數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控等‌3。4G DTU的性價比更高，適合預(yù)算有限的用戶。

圖2. 設(shè)備故障預(yù)測算法流程圖

圖1之中的4G DTU是一種廣泛用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端設(shè)備，各類傳感器串口原始數(shù)據(jù)通過RS485/232傳輸?shù)紻TU轉(zhuǎn)4G網(wǎng)絡(luò)，雙向透明傳輸，支持Modbus RTU轉(zhuǎn)TCP/MQTT。廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程電力監(jiān)控、水文水資源監(jiān)測、山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、環(huán)保污染監(jiān)測、氣象數(shù)據(jù)采集、森林防火監(jiān)控等領(lǐng)域。

圖2之中的KPCA即核主成分分析（Kernel Principal Component Analysis），是一種用于數(shù)據(jù)降維的非線性主元分析方法，以下從其定義、主要思想、與PCA的對比、計算過程、應(yīng)用領(lǐng)域等方面的定義。

（1）KPCA定義

KPCA是一種非線性主元分析方法，用于解決非線性數(shù)據(jù)的降維問題，通過非線性映射和PCA在高維空間進(jìn)行數(shù)據(jù)降維。其輸出通常是一系列降維后的數(shù)據(jù)點，這些點可在二維或三維空間中可視化，以便直觀觀察數(shù)據(jù)的分布和潛在結(jié)構(gòu)???。

（2）KPCA的主要思想：通過某種事先選擇的非線性映射函數(shù)Ф將輸入矢量X映射到一個高維線性特征空間F之中，然后在空間F中使用PCA方法計算主元成分。核主成分分析最主要的是非線性映射函數(shù)Ф的選取?。

（3）KPCA與PCA的對比：PCA算法是一種線性投影技術(shù)，僅考慮了數(shù)據(jù)的二階統(tǒng)計信息，利用降維后使數(shù)據(jù)的方差最大原則保留盡可能多的信息，但沒有利用高階統(tǒng)計信息，忽略了數(shù)據(jù)的非線性相關(guān)性。而KPCA通過非線性變換將數(shù)據(jù)映射到高維空間，在高維空間中進(jìn)行特征提取，能獲得更好的特征提取性能?。

（4）KPCA計算過程步驟概述：一是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理：去除平均值，進(jìn)行中心化??；二是求核矩陣K：使用核函數(shù)將原始數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)空間映射到特征空間。常采用徑向基核函數(shù)等，例如高斯徑向核函數(shù)，先選定其中的參數(shù)，計算核矩陣K，修正核矩陣得到KL??；三是中心化核矩陣：得到中心化后的核矩陣KC?；四是計算矩陣KC的特征值和特征向量：運(yùn)用雅可比迭代方法計算KL特征值與特征向量??；五是特征向量排序與選?。簩⑻卣飨蛄堪磳?yīng)特征值大小從上到下按行排列成矩陣，取前k行組成矩陣P??；六是降維后數(shù)據(jù)輸出：P即為降維到k維后的數(shù)據(jù)?。

（5）KPCA應(yīng)用領(lǐng)域

KPCA是解決非線性數(shù)據(jù)降維問題的有效工具，廣泛應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識別、圖像處理等領(lǐng)域。在實際應(yīng)用中，它不僅可用于數(shù)據(jù)降維，還能用于分類、聚類、特征提取等多個任務(wù)，與支持向量機(jī)（SVM）等其他機(jī)器學(xué)習(xí)方法結(jié)合，能提升模型的預(yù)測能力???。

總的來說，掌握KPCA不僅有助于理解和處理復(fù)雜數(shù)據(jù)，還能提高模型的性能和解釋性。

2.1核心架構(gòu)

（1）感知層：部署振動傳感器（精度±0.1μm）、紅外熱像儀（測溫范圍-20℃~1500℃）

（2）分析層：基于LSTM的故障預(yù)測模型（準(zhǔn)確率>92%）?

（3）執(zhí)行層：自適應(yīng)控制策略（節(jié)電率18%）

2.2典型案例

（1）包鋼鋅鋁鎂生產(chǎn)線：通過設(shè)備升級與余熱回收，工序能耗降低2.78%，年節(jié)約標(biāo)煤40萬噸?

（2）永鋼集團(tuán)循環(huán)經(jīng)濟(jì)園：鋼渣3D打印技術(shù)使固廢利用率達(dá)98%，物流電動化減少柴油消耗115萬升/年?

3.0節(jié)能低碳關(guān)鍵技術(shù)對比分析

表1.節(jié)能低碳關(guān)鍵技術(shù)對比分析表

4.0技術(shù)經(jīng)濟(jì)性驗證

（1）包鋼案例：150兆瓦綠電項目年發(fā)電2.1億度，替代化石能源比例達(dá)32%?。

（2）行業(yè)數(shù)據(jù)：極致能效工程使58家企業(yè)高爐工序能耗降低4.3%，轉(zhuǎn)爐工序降耗7.1%?。

（3）華北平臺歐帆公司的“高爐機(jī)器人”半自動化更換風(fēng)口及其相關(guān)裝置”降低了更換時間和降低了高爐休風(fēng)率、焦化爐門檢修AGVAI機(jī)器人等受到了上海寶鋼焦化、馬鋼焦化、安鋼周口鋼鐵公司等領(lǐng)導(dǎo)及師傅們、使用的高度評價。

（4）重慶科技大學(xué)施金良教授檢化驗技術(shù)團(tuán)隊的“冶金企業(yè)在線檢測設(shè)備”的光譜、中子、激光等檢測技術(shù)，快速準(zhǔn)確的檢測出冶金企業(yè)從礦山采礦，到選礦、原料場、燒結(jié)、球團(tuán)、焦化、高爐煉鐵、煉鋼、軋鋼、產(chǎn)品銷售的各個環(huán)節(jié)的各種成分的準(zhǔn)確報驗，即降低了人工成本，又保證了安全、準(zhǔn)確性、及時性，從而降低了冶煉成本。

（5）成本分析：智能運(yùn)維初期投資約80元/噸鋼，但通過降低故障損失可年增收1200萬元（10萬噸產(chǎn)能線）。

5.0結(jié)語與展望

（1）技術(shù)融合：數(shù)字孿生+AI優(yōu)化算法將提升能效預(yù)測精度至95%以上。

（2）氫能突破：綠氫成本降至20元/kg時，氫基冶煉可替代30%高爐產(chǎn)能。?

（3）標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)：需建立覆蓋設(shè)備能效、碳足跡追蹤的智能標(biāo)準(zhǔn)體系。

（4）政策建議：設(shè)立國家鋼鐵低碳技術(shù)創(chuàng)新中心，重點支持八大前沿技術(shù)（如：富氫碳循環(huán)高爐（HyCARBF）、近零碳電爐煉鋼（Near-Zero Carbon EAF）、氫基直接還原鐵（H?-DRI）、碳捕集利用與封存（CCUS）、高效智能數(shù)字化煉鋼、鋼化聯(lián)產(chǎn)（Steel-Chemical Integration）、高性能低碳材料研發(fā)、綠電+儲能系統(tǒng)集成）。

參考文獻(xiàn)

[1]  中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng). 鋼鐵行業(yè)駛上"綠色航道". 2024

[2]  中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng). 鋼鐵業(yè)發(fā)展聚焦節(jié)能降碳. 2024

[3]  廣東獅昂智能. 鋼鐵企業(yè)電氣設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng). 2022