從鋁土礦開採，到電解鋁冶煉，到鋁合金材料、零件及產品生產，直至鋁材料的回收與迴圈利用，如何實現整個鋁產業鏈的可持續發展？答案是在工業元宇宙中建立整個產業鏈的虛擬分身，通過資料驅動來實現綠色鋁業。

地球的總品質約為5.97*10^24 Kg，地球整體鋁元素的含量為1.59%，約合9.5*10^19噸；地殼（Earth Crust）的總品質約為2.4*10^22 Kg，鋁是地殼中第三大豐度（天然存在比）的元素（僅次於氧和矽），也是豐度最高的金屬，含量為8.23%，約合1.98*10^18噸。鋁可以無限回收利用，在所有人類曾經生產的鋁中，近75%至今仍在使用。

地球上的鋁都是哪些企業生產出來的？這些企業是如何思考數位化轉型的？我們經常說，工業軟體是工業與軟體的緊密結合，鋁業也是一樣。鋁業企業的數位化轉型是由鋁業工業軟體支援的，鋁業工業軟體與鋁業企業緊密結合，一方面，鋁業企業的需求不斷進化，促進鋁業工業軟體的需求也相應進化，鋁業工業軟體因此不斷更新，以滿足企業需求；另一方面，鋁業工業軟體引領鋁業行業的數位化轉型發展，也會將其他行業所獲得的先進理念和體驗融入其中，迴圈反覆運算，實現鋁業企業與鋁業工業軟體攜手並進式的演進。

在過去40年，達梭系統與全球鋁業企業共同在工業元宇宙中探索綠色鋁業。展望未來，至2040年，達梭系統與鋁業企業探討的是類似於ChatGPT文本內容生成的思維，如何學習人類所有的工業知識、鋁製品及所有產品的使用體驗，基於人工智慧演算法，創造出最具可持續性的鋁製產品，採用最具可持續性的製程，實現100%鋁材料的迴圈利用，實現鋁業的產業蝶變。

圖一 : 在工業元宇宙多尺度的視野下思考綠色鋁業（source：達梭系統）

工業元宇宙是一個涵蓋虛擬實境、增強現實、人工智慧、物聯網等技術的網際空間，將現實世界的工業生產與數位世界相融合。從宏觀到微觀，從星球、國家、城市、基礎設施、工廠、產品、材料、原子等不同的尺度規模來看，工業元宇宙對鋁業的可持續發展具有以下影響：

星球尺度：通過工業元宇宙，對地球上的鋁資源分佈進行精確勘探和評估，有助於合理規劃鋁產業的發展佈局，降低資源浪費和環境污染。

國家尺度：工業元宇宙可以為政府部門提供即時的鋁產業資料，說明制定合理的產業政策和法規。同時，工業元宇宙可以促進國際合作，實現全球鋁產業的協同發展。

城市尺度：工業元宇宙可以應用於城市規劃和設計，優化鋁資源的利用，提高城市基礎設施建設和建築等領域的鋁製品使用效率。

基礎設施尺度：工業元宇宙可以即時監測和優化基礎設施中的鋁製品使用狀況，為維修和更換提供依據，提高基礎設施的效率和可持續性。

工廠尺度：工業元宇宙可以即時模擬和優化鋁廠的生產過程，降低能源和資源消耗，減少污染排放。同時，可以為工廠設備的維護和管理提供支援，提高設備運行效率。

產品尺度：工業元宇宙可以優化鋁製品的設計、生產和銷售環節，提高產品品質和性能。同時，可以促進鋁製品的回收和再利用，實現產品全生命週期的可持續發展。

材料尺度：工業元宇宙可以應用於鋁材料的研究與發展，通過類比、優化材料的結構和性能，提高鋁材料的環境友好性和可持續性。

原子尺度：工業元宇宙可以應用於鋁原子的研究，例如研究鋁原子的化學反應特性、晶格結構等，為鋁材料的改性和優化提供理論支援。

綜上所述，工業元宇宙可以從多個尺度影響鋁業的可持續發展，為鋁業的發展和創新提供支援。然而，工業元宇宙技術的應用和發展也需要關注其對環境和隱私的影響，以實現可持續發展的目標。

從宏觀到微觀的思考，是基於縱向視角去思考鋁業的可持續發展。而從鋁業全產業鏈的角度，從鋁土礦的開採、礦石的運輸、冶煉、鋁材成型、零部件加工、組裝成產品、產品使用、維護維修到鋁材料的回收再利用，則是從橫向的視角去思考鋁業的可持續發展。

圖二 : 完整產業鏈鋁業元宇宙（source：達梭系統）

工業元宇宙能夠如何助力鋁業的全產業鏈的各個環節實現綠色可持續：

優化資源配置：工業元宇宙能夠實現各個環節的資訊共用，提高資源配置效率，降低能耗和排放。

智能監控與調度：工業元宇宙可以即時監控鋁業全產業鏈的運行狀態，進行智慧調度，提高生產效率，減少能源消耗和排放。

綠色生產技術應用：工業元宇宙可以推動鋁業全產業鏈採用綠色生產技術，如清潔能源、廢料回收利用等，實現綠色可持續發展。

虛擬模擬與優化設計：工業元宇宙可以進行鋁製品的虛擬模擬和優化設計，減少生產過程中的能源消耗和環境污染。

培訓與教育：工業元宇宙可以為鋁業全產業鏈的從業人員提供培訓和教育資源，提高其綠色生產意識和技能，促進綠色生產方式的普及。

圖三 : 覆蓋鋁土礦全生命週期的虛擬分身礦山 （source：達梭系統）

GEOVIA是達梭系統旗下的一個地球科學軟體品牌，主要為地球科學、礦產資源和環境領域提供軟體解決方案。GEOVIA可以幫助鋁土礦企業實現可持續開採，主要表現在以下幾個方面：

地質建模與勘探：說明鋁土礦企業進行地質建模、資料處理和分析，提高勘探效率，降低勘探成本。通過準確的地質模型，企業可以更加瞭解礦藏分佈和礦石品質，為礦產資源的可持續開採提供科學依據。

礦產資源管理：說明鋁土礦企業進行礦產資源管理，包括資源儲量估算、礦產資源開發規劃等。企業可以根據資源儲量和開發計畫，合理安排生產規模和開採速度，避免過度開採和資源浪費，實現可持續開採。

環境監測與評估：說明鋁土礦企業即時監測環境狀況，評估礦業活動對環境的影響。企業可以根據監測資料，採取相應的環境保護措施，降低開採過程中的環境污染和生態破壞，實現可持續開採。

安全生產與監測：說明鋁土礦企業進行安全生產管理和監測，包括地質災害預警、礦井安全監測等。企業可以通過即時監測礦井安全狀況，預防和減少生產事故，保障員工生命安全，實現可持續開採。

數位化轉型：說明鋁土礦企業實現數位化轉型，提高生產效率和經濟效益。企業可以通過數位化手段，對礦產資源開採、生產、銷售等環節優化管理，降低成本，提高競爭力，為可持續開採提供支援。

達梭系統提供的數位化平台為世界各地的鋁業公司致力於實踐可持續綠色發展，提供強有力的支援。本文將通過多個使用GEOVIA軟體的案例予以說明：

案例1

SBG Bauxites de Guinee是幾內亞的一家鋁土礦開採公司，使用GEOVIA軟體的領域，包括：1.創建礦山的3D模型：創建礦山的3D模型，這些模型被用於規劃採礦作業、優化資源使用；2.模擬採礦作業：類比採礦作業的目的在於評估採礦作業對環境的影響並識別潛在風險；優化採礦計畫：優化採礦計畫被用於最大限度地回收鋁土礦，同時最大限度地減少採礦作業對環境的影響。

GEOVIA軟體的使用說明SBG實現了可持續採礦的目標。該軟體說明該公司改善了環境績效、降低營運成本並提高生產力。並優化Fria 礦的採礦計畫，使得採礦過程中的用水量減少了10%。同時評估新採礦專案的環境影響，使得在專案開始之前就可以識別並減輕潛在的環境風險。GEOVIA軟體提高採礦作業的效率，使得生產力提高了5%，營運成本降低了10%。SBG致力於利用技術來改善其環境績效，減少對地球的不利影響。

案例2

Jamalco是牙買加的鋁土礦開採公司。GEOVIA軟體說明Jamalco改善環境績效、降低營運成本並提高生產力，實現了可持續採礦的目標。Jamalco使用GEOVIA軟體優化Ewarton礦的採礦計畫。採礦過程中的用水量減少了15%。

當前的鋁業市場不斷變化，面對激烈的競爭，較小的企業以差異化優勢獲得市場，而全球大型企業則從規模經濟中尋求利潤。無論企業規模的大小，供應鏈計畫與優化（SCP&O）都可說明鋁業客戶在嚴苛的市場環境下更好地生存與發展。

不少鋁業企業在使用Excel試算表、企業資源計畫系統（ERP）、製造執行系統 （MES）或有一定計劃功能的軟體來管理營運。然而面對當前的市場環境，這些系統已無法全面支援鋁業企業未來的發展需求。ERP系統可以告訴我們過去發生的事情。然而面對過去單一的現實，用戶沒有更多的選擇。MES系統可以告訴我們當前的情況，然而使用者也只能獲得下一步需要做什麼的指令，卻無法從無數種未來可能性中研判哪個計畫最佳。即便這些系統有額外的計畫與優化功能，其智慧化程度也不足以應對複雜的供應鏈需求。

什麼是真正的計畫與優化系統？它應該支援企業朝向未來制定出最佳計畫與決策：它可以納入全部產能約束、業務規則、行業規範與使用者偏好；它能夠100%滿足企業獨特的業務需求；它基於企業KPI實現對計畫的優化；它能夠回答「what-if」的假設性問題，一種對未來各種可能性進行設定的科學方法論，特別是與公司戰略一致的未來設定；它可以即時優化營運，迅速高效地達成業務目標。

先進的供應鏈計畫與優化系統將支援鋁業企業：分析營運現狀並預測未來需求，確定每個變化對供應鏈所產生的影響；基於需求預測、現有庫存及有限產能生成銷售與營運計畫（S&OP）；根據銷售計畫與有限產能快速回應訂單最大程度提高熱裝率與切割成品率；輕鬆應對不斷變化的業務規則與客戶需求最小化突發事件對當前營運的干擾；分析並有效縮短交付週期；分析和控制所有計劃層次的物料流向；分析不同計畫對KPI的影響，以作出最佳決策，確保業務目標的實現。

達梭系統DELMIA Quintiq（坤帝科）是全球供應鏈計畫與優化（SCP&O）軟體品牌，通過單一平台，幫助鋁業使用者實現對原料、設備、人力、倉儲等企業資源及採購、生產、銷售、物流等業務營運環節的長期、中期與短期的計畫與優化，將供應鏈由成本中心變革為強大的利潤助推器。

DELMIA Quintiq創新的供應鏈計畫與優化能夠幫助鋁業企業輕鬆應對挑戰，提升效率，並在供應鏈的每一個環節創造最大的價值。它能夠在一個統一的平台中，對人員、資源與流程實現端到端的、覆蓋所有層級的計畫與優化。這正是DELMIA Quintiq供應鏈計畫與優化軟體具有的重要價值。

案例3

ELVAL集團是VIOHALCO的鋁加工和貿易部門。ELVAL為全球最重要的鋁軋製產品生產商之一，目前是希臘唯一重點從事此行業的集團公司。ELVAL集團建有大量製造基地，其中包括位於希臘、保加利亞及英國在內的12家製造廠，這些基地生產一系列不同的鋁製產品，滿足食品、造船、汽車、建築及印刷行業的需求。ELVAL產品中85%以上出口到全球80多個國家。

ELVAL需要做出大量複雜的計畫及排程決策，每個決策都會影響企業的盈虧。這些計畫複雜的部分原因在於：大量大小不一的訂單、產品組合複雜，合金種類及尺寸規格多樣、不同生產流程（熔鑄、熱軋/冷軋、塗裝及制箔）中的多台機器設備、多項生產規則及約束條件、難以合併冷軋生產中的鋁箔卷訂單等。

複雜狀況會帶來棘手的難題，即流程一旦出現中斷，所需的計畫修訂工作十分費力。過去大部分計畫工作都由手工完成。DELMIA Quintiq於ELVAL實施的解決方案順序依次是生產流程計畫、主生產計畫、熔鑄排程計畫、熱軋計畫、冷軋計畫、以及箔片生產排程。ELVAL的銷售也一直在進行，從未間斷過。

ELVAL在採用DELMIA Quintiq軟體平台之後實現了節餘。DELMIA Quintiq軟體採用尖端的優化演算法來管理ELVAL的預算核查、物料需求計畫及有限產能計畫。這些計畫被用於指導ELVAL的日常生產排程。

DELMIA Quintiq系統能在整個生產過程中預計完工日期，以便通知ELVAL的客戶。同樣，預計交付時間也通過企業SAPERP系統向ELVAL的各個銷售代表發出通知。ELVAL現在採用DELMIA Quintiq一體化計畫解決方案套件，能夠向客戶承諾符合實際的交付日期並按照承諾日期交貨。

DELMIA Quintiq系統中整合大型生產路徑統籌資料庫，以管理標準生產路徑、生產時間、廢料退回等資訊。這些資訊會導入到SAP系統，用於成本核算。

ELVAL旗下生產鋁箔片成品的子公司SYMETAL也使用DELMIA Quintiq軟體。在熔鑄排程上線時，鑄造車間經理George Koimtzoglou觀察到生產請求的邏輯性及可行性如何有效改善。

熟悉生產排程應用的相關工作人員提到該系統如何讓他們實現「對空排程」，即為他們尚未實際開始的鋁箔卷生產進行排程。

ELVAL自實施DELMIA Quintiq系統以來收效頗豐：積壓訂單下降50%以上，且一直處於較低水準；按時全額交付率（OTIF）因積壓訂單下降得到提升；部分產品製造週期縮短約30%；交貨前的備貨時間縮短幅度高達50%；庫存狀況及在製品庫存也得到大幅改善。

圖四 : DELMIA Quintiq解決方案改變生產計劃流程（source：達梭系統）

ELVAL應用DELMIA Quintiq解決方案後並獲得一些其他效益，包括能夠輕鬆對計畫進行修訂等。產能計畫能夠實現人工干預（對生產路徑及資源調度等進行修訂），以最大限度地提高生產率並減少延遲。

DELMIA Quintiq系統使ELVAL的生產計畫人員能夠衡量自己的決策造成的影響，並評估替代方案。此外，生產計畫決策的品質由KPI衡量。該系統還能在不同的職能部門間調換生產計畫人員。大部分報告由用戶自己創建，無需IT部門干預。

供應鏈及生產計畫經理Petros Lambropoulos指出，生產排程應用已大幅度提高了與主生產計畫的相符程度，實現了更高的按時交付率以及更低的積壓訂單量等目標。DELMIA Quintiq軟體平台讓ELVAL對生產提高視覺化，其決策支持功能可迅速對環境狀況做出回應。

ELVAL是DELMIA Quintiq的鋁製品行業客戶中首批在所有水準與垂直計畫層面實施一體化計畫平台的企業之一。ELVAL繼續在更多營運中推廣DELMIA Quintiq解決方案的應用。ELVAL子公司SYMETAL每年生產約5萬噸鋁箔片，對鋁箔片退火爐進行計畫一直是一大難題。好在DELMIA Quintiq解決方案效果立竿見影，據SYSMETAL公司計畫工作負責人員Dimitris Pokas表示，該方案能立即準確地計算出產能，有助於提升訂單足量準時交付率（OTIF）。

案例4

位於德國科布倫茨的 Aleris Aluminum Koblenz GmbH 是高價值軋製鋁產品製造商，比如線圈、板材和平板。

Aleris 選擇了DELMIA Quintiq 來開發一個協作調度模型，該模型整合了各個資源的調度，以便它們有效地合併成一個單一資源。減少了工作材料，提高了機器輸送量和資源利用率，改善了材料分配。

案例5

Logan Aluminum Inc. 生產鋁板產品，包括剛性容器板、建築產品、汽車板、分配器板和食品罐。它由ARCO Aluminum和Novelis共同擁有。Logan擁有一流的製造設施，在鉸接鑄件、熱軋、冷軋和拋光的操作區域配備了現代高速設備。

Logan Aluminum實施DELMIA Quintiq供應鏈規劃和優化解決方案的具體目標是，通過提高整個供應鏈的可見性和實現自動規劃來全面優化其工廠。

通過這種方式，Logan將能夠更高效、更可靠地滿足客戶需求和最後期限，降低庫存水準和最大程度地提高產能。它還尋求解決一個更重要的規劃限制：根據合同協定分配產能。

鋁在所有元素中是迴圈利用率最高的材料之一，是100%可迴圈利用的材料，並且在整個迴圈處理過程中性能和品質方面均不會損失。甚至有人說，迄今為止，人類最早冶煉的鋁，還在使用中。以廢鋁飲料罐（Used Beverage Can）為例，鋁飲料罐的迴圈利用可以是一個閉環的迴圈過程，即材料來源是飲料罐，最終的產品仍然是飲料罐。

在鋁業元宇宙中，我們可以驗證完整的鋁迴圈經濟模式。正如達梭系統和建築師Arthur Mamou-Mani在倫敦設計博物館的Aurora專案演示的那樣，在電腦中設計出產品，用3D印表機利用迴圈材料列印出來。如果產品用舊了，就直接破碎成原材料，再送回3D印表機的材料箱。

鋁業對惰性陽極技術的追求，不亞於材料學上對常溫常壓超導材料的追求。在惰性陽極技術的實現方面，多尺度多學科建模與模擬技術功不可沒。

3DEXPERIENCE 可以通過多種方式說明實現惰性陽極鋁電解技術：

設計和優化：3DEXPERIENCE可用於設計和優化惰性陽極結構。這可以通過使用 3D 建模和模擬來研究熔融鋁的流動和陽極表面的電化學反應來完成。

材料選擇：3DEXPERIENCE BIOVIA可用於選擇惰性陽極材料。這可以通過使用3D材料建模和模擬來研究不同材料在鋁冶煉的惡劣條件下的性能來完成。

工藝模擬：3DEXPERIENCE DELMIA可用於模擬惰性陽極的熔煉過程。這可以通過使用 3D 工藝建模和模擬來研究陽極、熔融鋁和電解質之間的相互作用來完成。

圖五 : 未來鋁業：未來已來，只是分布的不均勻（source：達梭系統）

正如著名科幻作家威廉·吉布森（William Ford Gibson）所言，未來已來，只是分佈得還不太均勻。對於未來鋁業的發展，我們需要打造基於虛擬分身體驗的可持續鋁業元宇宙，並在這個元宇宙中去驗證各種可能性、優化各種方案、預演各種場景，最終將其中最具可持續性的、給消費者帶來最佳體驗的產品在現實世界中予以實現。

（本文作者馮升華為達梭系統大中華區技術總監）

**刊頭圖（source：Exponent）