实现钢铁行业的数字化转型:采用分析和克服壁垒策略的解释结构模型

壁垒B1：高昂的前期成本和投资回报的不确定性

投资新系统或改造现有基础设施的决策是复杂的，并且受到行业短期财务指标的影响。此外，环境因素、物流跟踪和集成IDT等运营费用也增加了成本。决策者面临投资回报的不确定性，特别是在库存管理等领域，IDT可以减少工艺耗时，其初始成本较高。通过智能制造实现脱碳需要大量的前期投资，而这些投资的财务回报往往是不确定的，而且往往是延迟的。一项调查强调了这一挑战，51%的行业专业人士认为投资回报不确定是集成IDT的主要壁垒。缺乏成功的试点项目作为基准，导致这些技术的投资回报难以准确评估。此外，在其他地点复制这些技术的决定会受到预期收入、投资规模和资产搁浅风险的影响。

壁垒B2：数字增强产品的不确定经济效益

钢铁行业对IDT的整合受到有限的市场需求、最终用户观念和市场波动的影响。消费者可能会对使用这些技术制造的钢铁产品的质量、安全性或环境影响持怀疑态度。这种怀疑态度会显著影响市场，减缓先进技术的采用。一些挑战如新技术定价的波动、规则变化可能引起进展延缓以及产品REE评估标准缺乏普遍认可等，会使市场进一步复杂化。技术的不确定性也会导致市场波动。随着钢铁工业从研究和示范转向IDT的全面商业化，这些技术的经济效益存在很大的不确定性，同时，这种不确定性会严重影响经济结果。

壁垒B3：对变革的结构性抗拒

钢铁行业对采用新技术持谨慎态度。这主要受到其资本密集型性质、严格的安全协议和规避风险心态的影响。该行业表现出技术惰性，倾向于成熟、久经考验的解决方案，而不是激进的转变。管理惰性，源于缺乏全面的战略规划和强有力的领导，加剧了对变革的抵制。管理效率低导致决策过程迟缓，而规避风险的文化阻碍了工程师提出创新的解决方案。这种阻力延伸到技术人员，再加上标准化、复杂的决策协议和钢厂24h连续运营的性质，导致难以对变化进行快速响应。

壁垒B4：缺乏熟练劳动力

一个关键的挑战是缺乏受过专门技术培训的专业人员，特别是那些需要将新技术与原有系统集成的人才。IDT的迅速出现使习惯于传统方法的员工难以适应复杂的变化，而有限的培训投资和劳动力老龄化对新技术的抵制又加剧了这种情况。

壁垒B5：受约束的跨行业合作

钢铁工业IDT的努力主要是由内部管理驱动的，这表明在利用外部专业知识和协同创新方面存在重大差距。缺乏与各利益相关方的全面合作框架限制了技术创新和市场接受度，这对采用IDT至关重要。虽然有一些合作，但它往往是供应链内的垂直合作，而不是跨行业合作，从而阻碍了技术和市场的进步。专业化的小公司的参与是关键，特别是在创新的早期阶段，跨职能合作是成功创新的关键，这表明需要更广泛的行业合作来有效地共享资源和知识。

壁垒B6：不同地区政策和立法存在差异

当前不确定和不断发展的监管环境、立法模糊和合规问题，给政策制定者、行业利益相关者和投资者带来了巨大挑战。主要问题包括缺乏互操作性、数据保护和安全标准的立法明确性。激励措施薄弱和政策差距进一步成为采用注重可持续性技术的壁垒。政策制定者对自主创新技术及其碳减排潜力的理解不一致，导致政策不一致，从而错失可持续创新的机会。此外，快速发展的监管环境要求制造商需要不断监测和调整合规性。遵守复杂的法规，如欧盟的《一般数据保护条例》和《职业健康与安全条例》，对于避免经济处罚和确保合规至关重要。当纳入第三方解决方案时，知识产权合规的挑战就会加剧，特别是在法规不同的多个司法管辖区。监管方面的挑战可能造成竞争格局的分化，导致企业在采用新技术时犹豫不决。

壁垒B7：环境影响

虽然IDT能提高效率和减少浪费，但它们的生产和后续处理可能抵消制造过程中的收益。制造和处理的生态足迹是巨量的，如半导体和微处理器等数字元件，需要稀土元素和大量能源。数字元件的迅速过时加剧了电子垃圾问题，进而导致潜在的环境污染。对IDT至关重要的数据中心和计算设施消耗了全球1%至1.5%的用电量，这引发了人们对这些技术对环境净影响的质疑。此外，制造数字部件对稀土元素的依赖导致了供应链的脆弱性，因为钢铁制造中不可或缺的技术，如物联网传感器和高级分析算法，都依赖于这些稀土元素和其他稀有金属。

壁垒B8：全球市场波动

关税和制裁可能会大幅增加实施先进技术的成本，使其在经济上不可行。制裁限制了对IDT的获取或限制了市场机会，而对两用技术的出口管制延长了审批程序，增加了技术过时的风险。货币波动影响到IDT的可负担性，各区域技术标准的多样性增加了部署这些技术所需的时间和资源。政治不稳定带来了不可预测的政策变化，扰乱了正在进行的项目和采用IDT的长期战略。特定区域的政策框架、基础设施的稳健性和市场条件导致采用IDT的模式各不相同。拥有先进基础设施和支持性政策的发达地区往往比不发达地区更快地采用IDT。同时，全球环境标准也至关重要，因为一些国家较弱的法规可能会破坏全球可持续发展的努力。

壁垒B9：现有基础设施现代化的挑战

将新技术整合到现有的钢铁生产系统中是一项复杂的挑战，因为各个过程相互依赖。由于各种设备、非标准化技术和不同的数据格式，将IDT集成到钢铁行业使其面临多项挑战，这阻碍了IDT的采用，并影响了效率和碳足迹的减少。对过时的基础设施进行现代化改造，对于有效实施和维持新的数字技术至关重要。例如，旧系统符合现代环境标准的能力，包括监测和报告环境绩效的能力，往往被忽视。这种不足影响了钢铁制造的多个方面，包括物联网系统、大数据分析，甚至机器人辅助生产。过时的基础设施往往不能满足当代的安全标准，造成漏洞和安全风险。此外，场地的空间限制和现有系统的陈旧给IDT集成的现代设备带来了挑战。

壁垒B10：数字化颠覆带来的操作复杂性

将IDT整合到钢铁生产中带来了运营挑战，特别是在过渡阶段，其标志是对生产时间表和整体工厂功能的重大调整。这种调整往往带来直接的财务成本和长期的效率低下。系统停机时间有限，这对技术集成至关重要，在连续作业行业中，这增加了操作中断的风险。加速采用新技术可能会危及网络安全，而网络安全措施对于保护数字和物理运营至关重要。业务风险和生产中断往往会阻碍重大投资，并可能导致关键市场或客户的流失。挑战包括确保数据质量和可靠性，为在线监测系统设计稳健的数据处理技术，以及管理数据在数量、动态和异质性方面的多面性。有效的整合需要系统的、跨部门的协作，而这种协作的缺乏往往是由于目标不一致和规划缺失造成的。钢铁行业数字化程度的提高放大了脆弱性，对数据安全、运营保障和数据保密构成重大风险。IDT引入了复杂的数据共享网络和多种新的互连，需要使用先进的加密协议和安全的数据湖来降低潜在风险。

壁垒B11：对外部供应商的依赖风险

钢铁制造商越来越依赖外部解决方案提供商来实施先进的数字技术，这带来了多方面的挑战，特别是在法律复杂性和知识产权风险方面。这种依赖源于缺乏内部能力来开发和管理复杂的数字技术，而这是REE所必需的。正如蒂森克虏伯欧洲钢铁等公司所证明的那样，钢铁制造商通常在IDT方面的内部开发有限，而是专注于过程控制和安全，并依赖外部实体提供先进的数字解决方案。这种依赖需要强有力的合同保护以及安全协议来保护敏感信息。

步骤1：壁垒识别

研究的最初阶段涉及确定钢铁制造部门将工业技术与环保能源相结合的壁垒。这一过程源于现有文献的CLR，其中总共识别了40个与IDT应用相关的壁垒，但本文聚焦于经专家筛选验证的11个关键壁垒进行深入分析，以探讨其相互关系及影响程度。构成要素形成了ISM的基础，分析这些壁垒之间的相互关系需要进行建模，正如Kandasamy等人所建议。为了收集原始数据，于2023年11月15日举行了一次利益相关方参与的研讨会。该小组由41名成员组成，每位成员都在钢铁生产流程、钢铁行业当前存在的挑战和数字化战略等关键领域带来了宝贵的专业知识和建议。

步骤2：定义壁垒的情境关系

这一阶段侧重于定义已识别的壁垒之间的关系。它包括对每个壁垒进行详细的两两解释，并纳入专家提供的专业知识和建议。其主要目的是评估一个壁垒如何直接导致另一个壁垒的形成。这种分析有助于在壁垒之间建立相互联系，其结果见表1。

步骤3：两两比较的二元解释

必须将结构自交互矩阵转换为二进制编码的初始可达性矩阵（IRM），如表2所示。这种转换有助于将壁垒之间复杂的相互联系转换为清晰和可量化的格式，从而实现更结构化的分析。矩阵采用n×n布局，其中n为壁垒总数，本研究为11个。在这个矩阵中，指定为（i，k）的每个单元概括为壁垒i（在行中）和壁垒k（在列中）之间的相互作用。二进制编码以以下方式应用：

1）A意味着壁垒i受到壁垒k的影响，而不是相反。这反映在（i，k）位置上的0和（k，i）位置上的1。

2）V表示壁垒k受壁垒i影响的情形。这种关系用（i，k）单元中的1和（k，i）单元中的0表示。

3）X表示壁垒i和k之间的相互影响，（i，k）和（k，i）单元均记为1。

4）O表示两种壁垒之间没有任何关系，（i，k）和（k，i）单元均记为O。

步骤4：组合传递性

检查初始可达性矩阵的过程包括识别和标记传递关系，这是理解壁垒之间间接影响的关键步骤。在矩阵中，当两个壁垒之间的直接联系间接影响第三个壁垒时，就建立了传递关系。这一步将IRM转换为最终可达性矩阵（Final Reachability Matrix， FRM） （见表3），考虑所有原因（直接和间接）之间的关系。驱动力和依赖性使用后一个矩阵计算，但它们在MICMAC分析中的目的将在MICMAC分析中解释。

步骤5：层级划分

重点是将最终可达性矩阵构建为一个良好定义的层次结构。这些壁垒可分为三类：

1）可达性集：由受特定壁垒影响的壁垒组成，表明其驱动力；2）先行集：包含可以影响给定壁垒的壁垒，反映其依赖性。3）交集：由可达性集和先行集中存在的壁垒组成，表示相互影响。

该过程的第一步是识别可达性和交叉集相匹配的壁垒。这些壁垒被归类为第一级，它们的独特之处在于它们影响其他壁垒，而自身不受更高层级壁垒的影响。在确定了这些“顶级壁垒”之后，它们将被排除在可达性、先行性和交集（共同集）的进一步分析之外。这确保了对剩余壁垒的集中检查，如表4所示。

步骤6：标准矩阵的推导

标准矩阵的创建是可视化和结构化研究中确定的壁垒之间相互关系的关键步骤。按照Akenroye等人提出的方法，这一过程涉及到根据层级划分对挑战进行战略性安排。这一过程首先根据各自的层级对挑战进行调整。每个挑战都以反映其在既定层级结构中的位置的方式进行排序。属于同一级别的挑战被分组在一起，在矩阵的行和列中。然后以表格形式记录标准矩阵，简洁清晰地描述每个壁垒相对于其他壁垒的定位，显示它们的影响和依赖程度。

步骤7：ISM图的构建

ISM有向图是通过将所描述的驱动力与所概述的分级层数相结合而开发的。这种整合有助于全面理解在钢铁制造中整合IDT和REE的背景下所研究的11个变量之间的影响动态。基于ISM的模型的第一级是受限的跨行业协作（B5），其次是第二级的变革的结构性阻力（B3），数字增强产品的经济效益不确定（B2），缺乏熟练的劳动力（B4）以及由于数字中断而导致的操作复杂性（B10）。ISM模型输出的第7级是两个外部和监管因素，即全球动态波动（B8）和环境考虑（B7），这两个因素构成了影响钢铁行业采用IDT的其他壁垒的最主要壁垒。

步骤8：MICMAC分析

MICMAC分析是评估钢铁行业数字化挑战以适应REE的最后一步。根据最终可达性矩阵中计算的驱动和依赖力，该分析将壁垒分为四个象限。这些分类有助于理解系统中每个壁垒的影响和相互依赖性。MICMAC分析是分析ISM模型中驱动力和依赖关系的复杂网络的基本工具。利用交叉影响矩阵乘法，该技术提供了各种属性之间相互关系的细微对比分析。且该分析可视化展示了各壁垒的驱动与依赖特征，其中 B7、B8 为高驱动力的独立型变量。

就B1而言，需要有关新技术的长期利益和实际特征的更清楚、更容易获得的资料。就B2而言，该行业需要提供透明、可验证的环境可持续性数据，来解决这些问题。人工智能平台可以提供从采购到制造和运输的产品生命周期碳排放的实时数据，这可能有助于说服持怀疑态度的消费者。为了应对这种波动，钢铁行业必须实现投资多元化，紧跟技术趋势，建立灵活的商业模式，以适应不断变化的市场条件和消费者偏好。与学术界、研究机构和技术供应商的合作对于探索可持续的替代方案和减少资源依赖至关重要。对于B4而言，解决这一问题既需要对现有员工进行有针对性的培训和发展计划，也需要获取战略人才，吸引具有必要数字专业知识的人才。钢铁行业必须为精通数字技术的专业人士制定有吸引力的政策，平衡劳动力适应性与工作保障，并将员工转变为需要战略思维和解决问题技能的多维角色。在微认证和终身学习平台的支持下，持续学习对于跟上快速发展的技能要求至关重要。虚拟测试环境要求员工熟悉新的工具，简化全面实施的过渡阶段。通过指导和数字培训平台解决代际知识转移差距，对于在劳动力中有效传播技能也至关重要。为了解决B10问题，先进的规划、模块化集成和基于人工智能的模拟等策略对于降低这些风险至关重要，从而使升级过程中的干扰最小化。向智能制造的过渡需要智能地使用数字数据进行决策，特别是在与REE战略保持一致的情况下。为了充分发挥IDT的潜力，有必要采取包容的方式，将生态系统中的所有合作伙伴纳入其中，从而有助于解决B11问题。

通过批判性审查现有文献，确定了钢铁行业采用IDT的40个壁垒。在与具有IDT和REE核心知识的主要钢铁行业利益相关者接触后，40个壁垒中有11个被认为是关键壁垒，并被大致分为几大类：经济（例如，投资回报的不确定性）、组织结构（例如，抗拒变革、劳动力和人才缺口）、外部和监管（例如，波动的监管格局）以及运营和技术壁垒（例如将新技术与现有系统协调一致）。对专家验证的ISM进行了优先级排序策略，加深对11个壁垒之间的情境交互和相互依赖关系的理解。两个外部和监管因素，即波动的全球市场（B8）和环境影响（B7），被确定为钢铁行业采用工业增加值与净零转型之间相互作用的主要壁垒。总的来说，克服钢铁行业采用IDT的壁垒需要一种平衡的方法，以解决监管不一致、技术复杂性、组织文化和经济层面的问题。通过精心制定战略，结合有效的政策干预、技术创新、组织变革管理和高效的经济规划，钢铁行业便可以成功地走上数字化转型之路，从而提高效率、生产力和竞争力。