摘 要：從20 世紀(jì)90 年代開始，專家系統(tǒng)在國外高爐得到推廣應(yīng)用。同時期，我國采用多種模式開發(fā)與應(yīng)用高爐專家系統(tǒng)，但由于操作理念、檢測數(shù)據(jù)、維護(hù)等原因，國內(nèi)高爐專家系統(tǒng)沒有達(dá)到預(yù)期效果。在新形勢下，結(jié)合信息化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，專家系統(tǒng)應(yīng)該向高爐集約化、可視化管理模式發(fā)展。
國外高爐專家系統(tǒng)
高爐數(shù)學(xué)模型:
在高爐專家系統(tǒng)形成以前，計算機(jī)技術(shù)在高爐冶煉過程中的應(yīng)用是從數(shù)學(xué)模型開始的。最早是20 世紀(jì)50 年代初期的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，例如前蘇聯(lián)的拉姆配料計算模型、美國內(nèi)陸鋼鐵公司的物料平衡計算數(shù)學(xué)模型等。20 世紀(jì)70 年代，由于石油危機(jī)，降低高爐焦比成為企業(yè)重點，以降低高爐焦比為主要目的數(shù)學(xué)模型相繼被開發(fā)與應(yīng)用出來，如法國鋼鐵研究院開發(fā)的Rist 模型、Wu 模型，比利時冶金研究中心開發(fā)的Ec 模型，日本住友公司開發(fā)的Ts 模型。
20 世紀(jì)80 年代，日本鋼鐵工業(yè)開始崛起，對9 座720m3～1420m3 在線生產(chǎn)高爐和4 座實驗小高爐進(jìn)行整體解剖調(diào)查分析，以及對系統(tǒng)物理模型模擬實驗，了解高爐冶煉過程中發(fā)生一些現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律、現(xiàn)象，推進(jìn)高爐數(shù)學(xué)模型快速發(fā)展，相繼開發(fā)與應(yīng)用動態(tài)數(shù)學(xué)模型、一維和二維數(shù)學(xué)模型，高爐數(shù)學(xué)模型不僅種類繁多，而且覆蓋范圍廣，具體見表1。
20 世紀(jì)90 年代由于“多流體理論”問世，該理論將爐內(nèi)各物質(zhì)分成氣相、固相、液相和粉相，并被用來描述高爐下部區(qū)域反應(yīng)的結(jié)構(gòu)。該階段數(shù)學(xué)模型基本上采用CFD-DEM 相結(jié)合開發(fā)方法，數(shù)學(xué)模型從一維模型發(fā)展到二維模型和三維模型。經(jīng)過20 年發(fā)展，一些應(yīng)用效果較好的數(shù)學(xué)模型融合到高爐專家系統(tǒng)中。
日本高爐專家系統(tǒng)：
日本首先提出開發(fā)高爐專家系統(tǒng)，首先是集成數(shù)學(xué)模型。1986 年，該模型首次在日本鋼管公司福山高爐應(yīng)用，之后日本大型鋼鐵公司相繼開發(fā)與應(yīng)用不同的高爐專家系統(tǒng)，例如新日鐵大分廠SAFAIA 系統(tǒng)和君津高爐ALIS 系統(tǒng)，用于軟融帶判斷、高爐開爐及休風(fēng)恢復(fù)操作指導(dǎo)。京濱高爐專家系統(tǒng)包含無鐘爐頂布料模型、裝料制度、煤氣流分布、爐體溫度場、風(fēng)量、風(fēng)壓、透氣性等數(shù)學(xué)模型。日本鋼管福山廠BAISYS 系統(tǒng)，包含爐況檢測診斷與控制、異常爐況預(yù)報與控制、布料控制和爐溫預(yù)報等數(shù)學(xué)模型。日本住友金公司HYBRID系統(tǒng)，將數(shù)學(xué)模型和高爐專家規(guī)則相結(jié)合，用于判斷爐況、計算爐熱指數(shù)TS、鐵水[Si]含量與鐵水溫度的預(yù)報和高爐操作指導(dǎo)。
日本川崎GO-STOP 系統(tǒng)由8 種指數(shù)計算模型構(gòu)成，對高爐操作因素做定量分析，將各種因素控制在最佳范圍內(nèi)，使用8 個指數(shù)檢驗、評價和診斷高爐冶煉過程爐況狀態(tài)，抽取230 個監(jiān)測信息用于推理機(jī)推理，建立600 條專家知識規(guī)則。日本川崎之后在GO-STOP 基礎(chǔ)上，又開發(fā)與應(yīng)用Advanced GO-STOP，目前GO-STOP系統(tǒng)已經(jīng)成為各種專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
芬蘭Rautaruuki 高爐專家系統(tǒng)：
芬蘭Rautaruuki 高爐專家系統(tǒng)主要由4 個子系統(tǒng)組成：
高爐熱狀態(tài)系統(tǒng)。計算高爐熱指數(shù)、下料指數(shù)、直接還原度指數(shù)及碳素熔損指數(shù)、煤氣成分指數(shù)、渣皮脫落指數(shù)、透氣性指數(shù)、阻力系數(shù)及Rist 操作線等，通過8 個指數(shù)計算，識別操作參數(shù)對爐溫影響程度，并根據(jù)計算結(jié)果提出操作建議。
高爐操作爐型管理。計算冷卻壁熱負(fù)荷、計算爐體溫度場分布，監(jiān)控渣皮脫落、渣皮厚度。
高爐爐況診斷。判斷滑料、管道發(fā)生概率，計算爐頂壓力、爐頂溫度及變化幅度、計算料速。對每班及全天煤氣流分布進(jìn)行評價，對煤氣利用率、總壓差、局部壓差做短周期、中周期和長周期評價，分析煤氣利用率變化原因。
高爐爐缸平衡管理。高爐物料平衡計算，實時計算爐缸內(nèi)渣鐵生成量和殘余量，并與爐缸安全容鐵量進(jìn)行比對，指導(dǎo)高爐出鐵操作，間接判斷軟融帶上下移動程度。
奧鋼聯(lián)VAiron 高爐專家系統(tǒng)：
1992 年的早期專家系統(tǒng)是咨詢式專家系統(tǒng)，主要功能是對工藝參數(shù)進(jìn)行評估和提出操作建議，1996 年升級為具有部分閉環(huán)式功能專家系統(tǒng)，閉環(huán)功能主要用于焦比控制、入爐堿度控制和蒸汽噴吹量控制。系統(tǒng)由過程信息管理系統(tǒng)、過程數(shù)學(xué)模型、爐況的診斷評估系統(tǒng)、爐況調(diào)節(jié)和執(zhí)行系統(tǒng)組成。
其他類型高爐專家系統(tǒng)：
德國帝森克虜伯公司高爐專家系統(tǒng)（THYBAS）。THYBAS 系統(tǒng)用于判斷軟熔帶、計算最低燃料比、預(yù)報鐵水溫度、計算爐缸內(nèi)渣鐵液位高度。
瑞典高爐智能報警系統(tǒng)。應(yīng)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和專家規(guī)則預(yù)測爐溫。
法國高爐高級監(jiān)控系統(tǒng)。法國的SOLLAC 公司開發(fā)SACHEM 高爐高級監(jiān)控系統(tǒng)，用于異常爐況預(yù)報和實時爐況診斷。
國外最典型高爐專家系統(tǒng)主要有3個，分別是日本的GO-STOP 系統(tǒng)、芬蘭Rautaruuki 高爐專家系統(tǒng)和奧鋼聯(lián)VAiron 高爐專家系統(tǒng)。目前，德國西門子公司組合芬蘭Rautaruuki 和奧鋼聯(lián)VAiron 高爐專家系統(tǒng)，開發(fā)新一代高爐專家系統(tǒng)。
我國高爐專家系統(tǒng)
我國高爐數(shù)學(xué)模型和專家系統(tǒng)起步相對較晚，發(fā)展過程與國外基本類似，首先從數(shù)學(xué)模型開始，之后開展高爐專家開發(fā)與應(yīng)用。
我國高爐數(shù)學(xué)模型開發(fā)過程：
我國最早的高爐數(shù)學(xué)模型是1987 年由清華大學(xué)與鞍鋼合作開發(fā)的鐵水[Si]含量預(yù)報模型，應(yīng)用在鞍鋼9號高爐和4 號高爐，預(yù)報命中率82%，用于輔助高爐操作人員判斷爐溫發(fā)展趨勢。20 世紀(jì)90 年代，一些企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)合作開發(fā)與應(yīng)用一些數(shù)學(xué)模型，見表2。
我國高爐數(shù)學(xué)模型種類少，前期主要集中在鐵水[Si]含量預(yù)報模型，雖然后期相繼開發(fā)一些數(shù)學(xué)模型，但應(yīng)用效果均沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
我國高爐專家系統(tǒng)開發(fā)過程：
20 世紀(jì)90 年代以后，隨著國內(nèi)高爐急速向大型化、現(xiàn)代化發(fā)展，許多大型高爐在基礎(chǔ)自動化改造中采用計算機(jī)一級和二級系統(tǒng)，為高爐專家系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)高爐專家系統(tǒng)主要有三種類型。
引進(jìn)國外高爐專家系統(tǒng)。如寶鋼引進(jìn)日本的GO-STOP 系統(tǒng)，1996 年投入運行；武鋼、本鋼、首鋼和唐鋼引進(jìn)芬蘭高爐專家系統(tǒng)；攀鋼、沙鋼、昆鋼、重鋼和南鋼引進(jìn)奧鋼聯(lián)的高爐專家系統(tǒng)。
在引進(jìn)國外專家系統(tǒng)基礎(chǔ)上，國內(nèi)企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)合作開發(fā)的高爐專家系統(tǒng)。例如，寶鋼在引進(jìn)與消化日本“GO-STOP”系統(tǒng)基礎(chǔ)上，與復(fù)旦大學(xué)合作開發(fā)了“爐況監(jiān)視和管理系統(tǒng)”。武鋼在引進(jìn)芬蘭高爐專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，與北京科技大學(xué)合作在1 號高爐開發(fā)自己的高爐專家系統(tǒng)。
自主開發(fā)的高爐專家系統(tǒng)。例如首鋼與原冶金部自動化研究院合作開發(fā)的“人工智能高爐冶煉專家系統(tǒng)”，系統(tǒng)包括爐體熱狀態(tài)判斷系統(tǒng)、異常爐況判斷和爐體狀態(tài)判斷3個子系統(tǒng)；馬鋼與原冶金部自動化研究院合作開發(fā)“馬鋼高爐爐況診斷專家系統(tǒng)”；南鋼與重慶大學(xué)合作開發(fā)的“南鋼高爐操作管理系統(tǒng)”；鞍鋼開發(fā)的“11 號高爐人工智能系統(tǒng)”；浙江大學(xué)開發(fā)的“高爐煉鐵優(yōu)化專家系統(tǒng)”分別在杭鋼、新臨鋼鐵、萊鋼、濟(jì)鋼和邯鋼高爐得到推廣與應(yīng)用。該系統(tǒng)針對國內(nèi)高爐實際條件，利用動態(tài)規(guī)劃理論建立多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，尋找冶煉參數(shù)的最佳范圍、最佳組合，從而實現(xiàn)爐況故障診斷、爐溫預(yù)報與高爐生產(chǎn)報表自動打印，對爐況進(jìn)行綜合推斷，使高爐順行穩(wěn)定程度提高，實現(xiàn)控制、管理一體化。
國內(nèi)高爐專家系統(tǒng)存在問題：
與國外企業(yè)相比，國內(nèi)高爐專家系統(tǒng)起步晚，整體上高爐專家系統(tǒng)遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，大部分企業(yè)在嘗試應(yīng)用一段時間后，由于各種原因，最終還是選擇放棄。國內(nèi)專家系統(tǒng)不成功主要原因如下：
高爐操作理念差異。國內(nèi)高爐操作者側(cè)重自身經(jīng)驗，主要靠監(jiān)控一級畫面來操作高爐，國外高爐大部分常規(guī)操作均由專家系統(tǒng)自動閉環(huán)控制或按高爐專家系統(tǒng)指導(dǎo)操作；
化檢驗數(shù)據(jù)失真或輸入滯后，專家系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)不可靠或數(shù)據(jù)時效性差，造成推理機(jī)給出錯誤的反饋信息，造成高爐操作人員對專家系統(tǒng)失去信任；
一級自動化檢測系統(tǒng)不可靠，例如，大部分高爐提供的爐頂煤氣成分在線自動分析和爐身靜壓力儀表數(shù)據(jù)均不準(zhǔn)確；
高爐專家系統(tǒng)缺少有效維護(hù)，尤其引進(jìn)的高爐專家系統(tǒng)，由于沒有培養(yǎng)自己的專業(yè)維護(hù)人員，專家系統(tǒng)得不到有效維護(hù)與完善，最后被迫放棄。
高爐專家系統(tǒng)發(fā)展方向
在新形勢下，我國經(jīng)濟(jì)已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，《鋼鐵“十三五”規(guī)劃》和《鋼鐵行業(yè)投資指南》中明確提出培育形成一批鋼鐵智能制造工廠，尤其是支持鋼鐵生產(chǎn)關(guān)鍵工序的大數(shù)據(jù)中心平臺建設(shè)。因此，結(jié)合信息化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，鋼鐵聯(lián)合企業(yè)高爐生產(chǎn)智慧化和集約化，將成為新的發(fā)展方向。
推動高爐生產(chǎn)向智慧化和集約化發(fā)展
目前我國高爐基本上完成大型化、現(xiàn)代化改造，高爐裝備水平達(dá)到世界領(lǐng)先，要結(jié)合先進(jìn)信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高爐上應(yīng)用，實現(xiàn)高爐大數(shù)據(jù)云平臺、大數(shù)據(jù)挖掘與智能分析，實現(xiàn)智慧化、集約化管理模式。
建立以高爐為核心覆蓋其他煉鐵工序數(shù)據(jù)源和大數(shù)據(jù)處理中心的信息系統(tǒng)，打破信息“孤島”，建立集團(tuán)公司級煉鐵大數(shù)據(jù)智能網(wǎng)絡(luò)平臺，為高爐群實現(xiàn)集約化管理模式奠定基礎(chǔ)；
建立高爐機(jī)理模型與數(shù)字化模擬相融合系統(tǒng)。建立“數(shù)字化高爐”仿真平臺，深度解析高爐冶煉機(jī)理以及高爐多元、多相、多場強(qiáng)烈耦合的內(nèi)部現(xiàn)象，將高爐冶煉機(jī)理與數(shù)據(jù)分析融合，修正與重構(gòu)高爐數(shù)學(xué)模型。
高爐大數(shù)據(jù)全流程挖掘與云計算。將歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前操作關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)高爐生產(chǎn)過程多種操作參數(shù)優(yōu)化，推算最佳高爐工藝路線。
建立高爐操作指導(dǎo)系統(tǒng)。匯集全方位數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)溯源分析，對特征數(shù)據(jù)提取、整合、結(jié)果推送，推送變更操作影響因素和上一班次操作參數(shù)爐況評價和運行趨勢分析結(jié)論。
推動高爐冶煉過程向可視化技術(shù)發(fā)展
將虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）應(yīng)用于高爐冶煉生產(chǎn)過程，構(gòu)建多源信息融合交互性的高爐冶煉環(huán)境，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)的價值，實現(xiàn)高爐大數(shù)據(jù)云平臺交互，高爐冶煉全過程可視化管理，實現(xiàn)“黑盒子”向“白盒子”的突破性進(jìn)步。
開發(fā)爐頂料面三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。采用多項高爐可視化監(jiān)控和仿真技術(shù)，使用爐頂攝影圖像和激光料面掃描檢測儀表，通過圖像識別技術(shù)建立料面形狀分布參數(shù)，指導(dǎo)高爐布料操作。
開發(fā)高爐操作爐型三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。建立高爐爐內(nèi)不同區(qū)域爐墻內(nèi)型變化和爐內(nèi)氣流分布判斷模型，實現(xiàn)對爐體的內(nèi)襯厚度、渣皮厚度、操作爐型的在線監(jiān)測和圖像重建，對爐墻結(jié)瘤、渣皮頻繁脫落、操作爐型不合理等異常情況進(jìn)行診斷。
開發(fā)高爐風(fēng)口回旋區(qū)三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。應(yīng)用多視角的高爐風(fēng)口CCD 圖像，利用圖像識別技術(shù)建立高爐風(fēng)口回旋區(qū)模型，可視化地反映回旋區(qū)分布情況，監(jiān)控風(fēng)口區(qū)域焦炭運動、噴吹煤粉流股大小，及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)口區(qū)域生降等，判斷高爐爐缸工作狀態(tài)。
開發(fā)三維數(shù)字化爐缸內(nèi)襯侵蝕可視化診斷系統(tǒng)。有效實現(xiàn)復(fù)雜條件和不充分條件下的爐缸內(nèi)襯侵蝕三維可視化監(jiān)控，實現(xiàn)各個服役階段爐缸的侵蝕診斷和安全評估，科學(xué)確定爐缸內(nèi)襯的安全厚度和安全預(yù)警線，科學(xué)制定目標(biāo)爐缸安全維護(hù)技術(shù)，保證高爐安全受控。
結(jié)語
雖然我國高爐專家系統(tǒng)起步晚，但我國高爐數(shù)量眾多，而且基本上完成現(xiàn)代化改造，配置先進(jìn)基礎(chǔ)自動化和先進(jìn)計算機(jī)系統(tǒng)，具備開發(fā)高爐專家系統(tǒng)基礎(chǔ)條件。在國家鼓勵制造業(yè)加速向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向拓展政策引導(dǎo)下，鋼鐵企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身高爐裝備水平、原燃料條件，開發(fā)符合自身特點、針對企業(yè)自身存在主要問題的專家系統(tǒng)。
具有多座高爐的企業(yè)應(yīng)該將數(shù)據(jù)庫、物聯(lián)網(wǎng)、高爐專家系統(tǒng)充分融合，在新形勢下，結(jié)合信息化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)高爐群集約化管理模式，開發(fā)與應(yīng)用高爐冶煉過程可視化集成技術(shù)，實施高爐冶煉全過程可視化管理模式，努力實現(xiàn)高爐生產(chǎn)過程的精確在線控制，達(dá)到高效、綠色、安全的生產(chǎn)目標(biāo)。
作者：車玉滿 郭天永 孫鵬 姜喆 姚碩 費靜 劉炳南
