基于“双碳”目标的甘肃省有色冶金产业网络协同制造模式分析＊

张雪梅，曹璐琪，赵付青，唐建新

（兰州理工大学，甘肃 兰州 730050）

进入新时代以来，在“双碳”目标及经济高质量发展要求下，充分利用现代信息技术、实现传统产业转型升级是企业发展面临的严峻挑战。《甘肃省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》提出要加快形成有色冶金产业绿色化、智能化发展，推动产业链优化升级，构建新兴产业发展格局。为了快速响应国家及省内相关政策要求，探索新型制造模式与高效生产方式成为有色冶金产业的重点任务。

1 网络协同制造与“双碳”目标

1.1 网络协同制造助力“双碳”目标实现

网络协同制造是一种基于工业互联网技术的资源整合新模式，应用现代信息技术将共生企业间的传统串行工作方式转变为并行工作方式，推进企业在产品研发、制造、业务流程等方面的协同生产，以降低产品研发与制造成本，缩短生产周期[1]。网络协同制造可以跟踪整个生产流程，精准捕捉二氧化碳的排放路径及废弃物的流转通道。此外，新型互联网技术的运用有助于提升企业的创新能力，减少不必要的资源浪费与能源损耗。由此可见，网络协同制造有助于推动“双碳”目标实现，符合当下经济高质量发展的内在要求，也是新时期制造业健康发展的必经之路[2]。

1.2 “双碳”目标推动网络协同制造模式应用

随着经济发展与生态环境的矛盾日益凸显，我国提出要采取有效的行动方案，使得二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和。在“双碳”目标的战略指引下，技术优化升级成为我国减少碳排放、改善环境质量的关键举措。加快推动工业互联网、大数据、5G等新兴技术与低碳工艺革新的深度融合，将为国内有色冶金等行业持续健康发展奠定基础[3]。同时，在“双碳”目标约束下，企业主动承担环境责任，进行数字化建设与改造，逐渐应用新型网络协同制造模式[4]。

2 甘肃省有色冶金产业发展现状及问题分析

2.1 发展现状

甘肃省矿产资源相对丰富，集中分布于北山地区、祁连山地区、西秦岭地区及陇东地区。截至2020年底，全省已发现各类矿产180种（含亚矿种，下同），其中，已查明资源储量的矿产114种，占全省已发现矿种的63%，未查明资源储量的66种，占全省已发现矿种的37%。列入《甘肃省矿产资源储量表》的矿产地1 477处（含共伴生矿产，下同），其中有色冶金矿产地312处，贵重金属矿产地433处[5]。2010—2018年，甘肃省十种有色金属产量呈递增趋势，并于2018年首次突破400万t，但2019年省内十种有色金属产量减少，2020年再次呈现上升趋势，具体数值如图1所示；此外，铜、铅、锌、铝在省内十种有色金属中占据很大比重，2019年铜、铅、锌、铝产量高达314.3万t，占甘肃省十种有色金属总产量的95.54%，2020年占比95.66%。

图1 2010—2020年甘肃省十种有色金属产量（万t）

目前，甘肃省有色冶金产业的龙头企业主要有金川集团、酒钢集团、白银有色集团和中国铝业在甘企业等。这些优势企业满足了工业发展的战略需求，带动有色冶金产业成为甘肃省传统优势产业和支柱产业。2010—2020年，甘肃省有色冶金产业总产值从804.45亿元增至3 153.88亿元，11年内增长近4倍；有色冶金产业对甘肃省整体经济的贡献度也呈现上升趋势，从2010年的19.53%上升至2020年的34.98%，如表1所示。总体来看，甘肃省有色冶金产业发展态势向好，对省内经济发展贡献度不断提升。

表1 2010—2020年甘肃省有色冶金产业总产值及贡献度

2.2 主要问题

经过几十年的发展积淀，甘肃省有色冶金产业体系日趋完善，在国际市场上具有一定竞争力。然而，随着我国经济发展阶段的转变及科学技术的迅猛提升，甘肃省有色冶金产业发展中的主要问题也凸显出来。

（1）矿产资源储量日益减少。同全国情况一样，甘肃省大部分矿产地面临着矿产资源逐渐枯竭的困境。“铜城”白银曾是我国最大的有色冶金产业基地和甘肃省最重要的能源基地，然而，目前白银的铜资源已接近枯竭，80%以上的原材料均需外购；金川镍矿作为世界著名的多金属共生特大型硫化铜镍矿床，但从目前开采情况来看，无法保证50年的开采期。省内矿产资源储量日益减少，开采成本不断提升、难度加大，成为制约甘肃省有色冶金产业可持续发展的最大难题。

（2）产业能耗居高不下。有色冶金产业在助推省内经济发展的同时，还产生了大量能耗及二氧化碳排放。据《甘肃省统计年鉴》数据显示，甘肃省有色冶金产业能源消费总量从2010年的847.51万t标准煤，增加至2020年的1 491.86万t标准煤，二氧化碳排放总量也从2010年的2 542.43万t增加至2020年的4 236.62万t。可见，传统生产模式难以满足现阶段产业高质量发展的需求，创新技术、改变生产模式成为有色冶金产业可持续发展的必经之路[6]。

（3）企业循环产业链共生耦合发展水平低。有色冶金是典型的流程工业，具有种类多、工艺流程复杂、设备工况环境苛刻等特点，需要整个产业链的资源协调配合，才能高效完成有色冶金生产。然而，当前省内有色冶金产业集群内龙头企业与中小企业协作关系不强，要素共享、信息互通等仍存在瓶颈，专业化分工未成体系，资源综合循环利用效率不高。

（4）工艺流程组织协调度不高。随着生产规模不断扩大，企业生产制造过程中因业务复杂交互造成的生产组织协调困难、生产成本高等问题屡见不鲜；不同车间及工区未形成统一管理，技术指标相差较大，不良竞争愈演愈烈；交叉作业等待时间较长，浪费现象普遍存在；生产工艺与控制技术融合度不高，难以实现生产工艺的稳定和高效运行，严重影响企业效率提升。

（5）创新能力发展不平衡。省内大型龙头企业凭借其雄厚资金、优秀人才，形成了完整的技术创新体系，为企业长期发展提供了全方位的技术支持。然而中小型企业科技投入严重不足、优秀拔尖和领军人才匮乏，创新能力欠缺。大型企业与中小型企业间的技术交流与信息共享滞后，很难发挥龙头企业的带头作用，甘肃省有色冶金产业技术创新能力发展极不平衡。

因此，针对上述主要问题，应用网络协同制造模式将推动有色冶金产业向集群化、智慧化、绿色化、高端化转型升级，提升产业整体生产水平和经济贡献度。根据甘肃省有色冶金产业特征和企业优势，一方面，以金川集团为核心，构建资源循环产业链企业群共生耦合的网络协同制造模式；另一方面，以铝加工生产为代表的有色冶金行业在短流程跨企业共生耦合网络协同制造模式下重塑铝生产生态圈。

3 基于“双碳”目标的资源循环产业链企业群共生耦合网络协同制造模式构建

以镍、钴、铜为代表的有色金属生产过程中，产生了大量工业废弃物，然而这些废弃物并没有得到高效回收利用。面向有色冶金产业集聚区域，以金川集团为核心构建资源循环产业链企业群共生耦合的网络协同制造模式，通过全产业链的高效协作，减少能耗与碳排放，提升废弃物回收处理与资源循环利用效率。

3.1 模式架构

有色冶金业务覆盖整体上中下游产业链，其主导产业的生产不仅需要为其提供原材料的行业企业，同时针对生产过程中产生的尾矿废石、废渣、烟气及废水等工业副产品，还需要辅助行业企业消化吸收。从而形成主导和辅助产业间、大型与中小企业间共生耦合的发展形态，奠定了新型网络协同制造模式的应用机理，其形成路径如图2所示。

图2 甘肃省有色冶金生态产业链共生耦合形成路径

同时，将新一代信息技术与现代制造业进行深度融合，构建基于第三方服务平台的智慧产业链是实现企业群共生耦合发展的重要途径。通过整合汇集企业间的物质流、信息流、能量流信息，转变现存商业、运营、生产及设备运维与资产管理模式，形成资源循环产业链企业群共生耦合的网络协同制造新模式，如图3所示。

图3 资源循环产业链企业群共生耦合的网络协同制造模式架构

3.2 关键要素

在面向有色冶金集聚区域产业链企业群共生耦合的协同制造发展模式中，跨域工艺优化、智能决策控制、生产调度计划、物料平衡计划、安环设备运维、产品质量控制、能源降耗管控等关键要素的高效运行是开展集聚区域产业链企业群协同制造的重要内容。

（1）跨域工艺优化。有色冶金工艺复杂、流程长、工序间相互关联度极高，工艺优化与产业链企业的生产、安全、质量、环保均有密切联系。通过跨域工艺优化，简化生产流程、减少能源损耗，促进产业链企业间的协同高效生产。

（2）智能决策控制。确保有色冶金连续生产、提高效率及工艺稳定性，必须降低关键工艺参数的标准偏差。但是，现有设备控制依赖人机结合方式，在线检测与故障诊断水平较低，难以实现与其他控制系统的协同，甚至还会出现异常。为了保证设备控制的稳定和实时性，需进行智能化检测控制，动态优化更多工序、装置之间的控制参数[7]。

（3）生产调度计划。以生产作业计划为依据，结合生产流程的实际情况合理调配物料能源，高效配合完成生产计划。通过实时掌握生产动态，对生产过程中发现的问题进行综合分析并及时解决，确保生产稳定、安全进行。

（4）物料平衡计划。有色冶金生产所需物料均处于动态变化当中，采用物料平衡的智能化建设实时跟踪物料状态，及时调度资源实现物料充足供给，促进工艺系统稳定运行，提高设备利用率和企业生产效率。实时化掌握物料还能为生产提供科学的决策依据，降低非必要的物料损耗，提升企业的盈利能力。

（5）安环设备运维。设备安全可靠运行是企业生产的重要内容与基础保障，利用数字化技术进行设备运维管理，获取更加直观、丰富和详尽的仿真数据。通过采集物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多维度的仿真技术，实现虚拟空间映射。

（6）产品质量控制。流程行业质量控制的关键环节是对生产过程的控制，而加强生产过程控制的有效手段就是提升质量检验的时效性和准确性。质量检测智能化可以采集实时测量数据，追溯监测数据形成的每一个关键环节和过程，使得监测数据更加透明公正，监测过程更加高效规范[8]；同时避免主客观因素带来的影响，提升检测工作效率，保证产品质量。

（7）能源降耗管控。能源管理的智能化应用，提升能耗使用的透明度，预测和监控系统耗能异常情况，降低安全及环保事故的发生率。为安全、稳定、可靠、经济、高效运行的能源管理系统提供保障，降低企业生产成本、减少能源损耗与碳排放。

4 基于“双碳”目标的短流程跨企业共生耦合网络协同制造模式构建

以铝加工为代表的有色冶金行业应不断加深传统生产模式与现代信息技术的高度融合，促进从铝业制造到铝业服务，从工艺现场到交易市场的相互渗透，实现全产业链协同高效发展，减少生产过程中的能源消耗与废弃物排放，符合“双碳”目标的新要求。

4.1 模式架构

电解铝属于按照库存生产模式，产能扩增导致销售价格长期在成本线上下浮动。为了节省成本、提高生产利润，上下游生产企业协作抛除生产过程中的重熔环节，形成了区域集聚短流程多企业网络协同制造新模式，如图4所示。在新模式中，电解铝企业直接为下游厂商提供专业化需求的高温铝液，缩短了产品生命周期，节省物流运输成本，同时促使下游铝加工企业逐步完成产能向资源富集、消费集中地区进行转移，形成电解铝产业的集聚区域。

图4 电解铝集聚区域的协同生产新模式

4.2 关键要素

（1）电解铝液直销。短流程网络协同制造模式省去了铸轧铝加工生产工艺的重熔工序，通过直销电解铝液满足客户的个性化需求，降低运输和储存成本，节约能源并减少二次烧损；同时形成以产业链为基本单位的智能化网络系统，将企业的产业链信息向外部供应商、经销商、用户延伸，创造出新的价值链和增值方式。

（2）生产调度精细化。“铝液直轧”工艺减少了铝锭铸造的设备、人力和水电消耗，降低废气对环境的污染，是一种短流程、高效能、节能环保的生产工艺。研发并应用电解铝短流程多企业协同调度优化技术，利用“直销铝液”补齐传统生产调度模式中的物流短板；在上下游生产调度中，通过不同的配料比，实现电解铝液的精细化和多元化生产，满足产业链下游企业的个性化需求。

（3）设备运维精准化。设备的精准管控对于实现整个企业群共生耦合的制造模式至关重要，运用冶金生产上下游全流程数据感知与运行监测技术，将生产和监测设备接入5G网络，实时监控设备的性能和状态，并结合历史数据实现设备运行趋势的提前预判。形成面向冶金企业设备点检、设备备件等全生命周期的设备管理系统，确保生产安全高效、低碳环保[9]。

（4）供应链管理优化。开发短流程网络协同制造模式下的新型供应链管理系统，对企业的产品需求和供应商信息进行界定，形成企业与供应商之间的双向互动关系。从生产过程看，平台化组织方式有利于促进机器运行、车间配送、企业生产、市场需求之间的实时信息交互，促进上游冶金企业专业化分工，铝原材料供应、铝液配比等变得更加精准高效；通过大数据分析，全面创建新型采购模式，将下游企业的“为库存而采购”转变为“为订单而采购”。

（5）质量管控智能化。根据短流程企业群之间的协同生产关系，对生产环节中的质量进行监控、追溯，实现上游生产部门、下游销售部门以及客户间质量管控全域集成。同时，采用5G、云平台等新一代信息技术构建智能协同管控子系统，保证上下游全流程实现质量实时监管。短流程网络协同制造模式下，以生产销售电解铝液为核心的质量管控应注重下游企业对铝液质量的检测和反馈，设计面向下游企业的质量管理系统。

5 政策建议

网络协同制造模式符合当前绿色发展理念，是推动传统产业转型升级，实现“双碳”目标的重要抓手。甘肃省应系统梳理有色冶金与信息技术领域的国家战略政策，科学制定能够充分发挥政策集成效应的目标及任务，为有色冶金产业发展提供战略支撑；深化创新市场机制体制改革，促进有色冶金市场高效运行[10]；加大科研投入与人才培养力度，突破有色冶金产业网络协同智能集成平台关键技术，形成具有突出优势的技术服务体系；推动网络协同制造发展模式建设与示范应用，引导企业加快改造升级；以产业集群龙头企业为核心，形成有色冶金产业协同创新联盟，促进上、中、下游全产业链精细化合作[11]；建立多元化、多渠道、多层次的投融资体制，探索政府资金引导社会资本投入有色冶金产业协同创新平台的建设与发展。