張宗旺，伯飛虎，周 凡，李慶洋

（北京科技大學(xué)，北京 100083）

燒結(jié)終點(diǎn)是指料床被燒透的位置，一般是采用所對應(yīng)的風(fēng)箱號來表示。燒結(jié)終點(diǎn)位置不僅決定了有效燒結(jié)面積的利用情況，而且對燒結(jié)操作及燒結(jié)礦質(zhì)量也有一定的影響，燒結(jié)終點(diǎn)控制是燒結(jié)操作的重要任務(wù)[1]。由于燒結(jié)過程的復(fù)雜性、流程長、終點(diǎn)影響因素眾多，使得穩(wěn)定終點(diǎn)的控制極其困難。有鑒于此，人們的研究更傾向于探索終點(diǎn)預(yù)測的方法，以期提前獲知燒結(jié)終點(diǎn)，提前進(jìn)行調(diào)控，將終點(diǎn)位置穩(wěn)定在較少的波動區(qū)間內(nèi)。

長期以來，人們持續(xù)開展著相關(guān)模型的研究工作，日本川崎鋼鐵公司水島廠開發(fā)了診斷型燒結(jié)操作控制專家系統(tǒng)，它具有燒結(jié)終點(diǎn)控制、設(shè)備保護(hù)、生產(chǎn)率控制及質(zhì)量控制等功能[2]；美國的Corn Richard C提出在靠近燒結(jié)機(jī)中部的風(fēng)箱上安裝幾個(gè)（通常是3個(gè)）熱電偶，以監(jiān)視廢氣溫度開始上升點(diǎn)[3,4]。其實(shí)質(zhì)也是根據(jù)廢氣溫度開始上升處來預(yù)報(bào)燒結(jié)終點(diǎn)；韓國的Cho B.K.等人認(rèn)為，與采用在最高溫度區(qū)域得到的數(shù)據(jù)相比，采用在拐點(diǎn)前區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)作為分道閘板控制參數(shù)，可使滯后時(shí)間大大縮短[5]。中南大學(xué)在進(jìn)行燒結(jié)過程控制系統(tǒng)的研究中也發(fā)現(xiàn)。目前存在的數(shù)學(xué)模型要么太復(fù)雜，要么效果不好[6,7]。

針對前人的研究工作，本文提出了基于時(shí)間序列的終點(diǎn)自適應(yīng)預(yù)報(bào)方法，目標(biāo)是在保證準(zhǔn)確預(yù)測的基礎(chǔ)上，探索能夠?qū)崿F(xiàn)的提前時(shí)間量，為及時(shí)調(diào)控創(chuàng)造良好的條件。

1 模型的建立

1.1 確定終點(diǎn)的影響因素

由于直接測量燒結(jié)終點(diǎn)很困難，所以人們對判斷和分析燒結(jié)終點(diǎn)的方法作了許多研究。概括起來有燒結(jié)廢氣溫度判斷法、燒結(jié)廢氣成分判斷法和燒結(jié)料層負(fù)壓法三種方法[8]。

要實(shí)施燒結(jié)終點(diǎn)位置的準(zhǔn)確預(yù)測，首先必須弄清哪些可獲得的配料和工藝過程參數(shù)在影響著燒結(jié)終點(diǎn)位置。從燒結(jié)工藝角度分析出發(fā)，并結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)的情況，選取配碳、配水、溫度上升點(diǎn)(BRP)、溫度上升點(diǎn)溫度()、廢氣溫度曲線蓄熱指數(shù)S、燒結(jié)機(jī)運(yùn)行速度、煙道抽風(fēng)負(fù)壓、料層厚度等操作工藝及過程參數(shù)作為考察目標(biāo)，采用單因素分析的方法，以確定生產(chǎn)過程中對燒結(jié)終點(diǎn)位置有實(shí)際影響的主要因素。

圖1 廢氣溫度上升點(diǎn)位置(BRP)與終點(diǎn)位置(BTP)間的關(guān)系

圖1為不同溫度上升點(diǎn)位置(BRP)下，燒結(jié)終點(diǎn)位置(BTP)的分布狀態(tài)。圖中顯示：廢氣溫度上升點(diǎn)位置(BRP)與燒結(jié)終點(diǎn)位置(BTP)存在一定的相關(guān)關(guān)系，即：燒結(jié)終點(diǎn)位置(BTP)隨廢氣溫度上升點(diǎn)位置(BRP)的變小而前移，隨廢氣溫度上升點(diǎn)位置(BRP)的變大而滯后。

圖2為不同蓄熱指數(shù)S下，燒結(jié)終點(diǎn)位置(BTP)的分布狀態(tài)。圖中表明，廢氣溫度擬合曲線與坐標(biāo)間包裹的蓄熱指數(shù)S與燒結(jié)終點(diǎn)位置也存在一定的影響關(guān)系，其基本趨勢為：隨著蓄熱指數(shù)S增大，燒結(jié)終點(diǎn)位置(BTP)前移；而隨著蓄熱指數(shù)S的減小，燒結(jié)終點(diǎn)位置(BTP)則后移。

圖2 蓄熱指數(shù)S與終點(diǎn)位置(BTP)間的關(guān)系

利用上述方法分析燒結(jié)終點(diǎn)位置與配碳、配水、溫度上升點(diǎn)溫度(Tbrp)、燒結(jié)機(jī)運(yùn)行速度、煙道抽風(fēng)負(fù)壓、料層厚度等工藝參數(shù)間的關(guān)系，縱橫坐標(biāo)變量間關(guān)系似乎不明顯。而從燒結(jié)理論可知，燒結(jié)機(jī)運(yùn)行速度、抽風(fēng)負(fù)壓、配碳量、配水量和料層厚度五個(gè)因素對終點(diǎn)位置都存在較大的影響，并為生產(chǎn)實(shí)際所證實(shí)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)闊Y(jié)是一個(gè)復(fù)雜的、多因素交互影響的過程，而寶鋼燒結(jié)生產(chǎn)相對較穩(wěn)定，在樣本的采集時(shí)間段內(nèi)，上述四個(gè)參數(shù)變化很?。欢疑a(chǎn)過程中某個(gè)參數(shù)變化后，其它工藝參數(shù)也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，從而掩蓋了機(jī)速、負(fù)壓、配碳量、配水量和料層高度的作用。所以，這五個(gè)參數(shù)也不應(yīng)該被忽略。

從上述的單因素分析和工藝分析結(jié)果來看，廢氣溫度上升點(diǎn)位置(BRP)、蓄熱指數(shù)S、機(jī)速、負(fù)壓、配碳量、配水量、以及料層厚度均可作為燒結(jié)終點(diǎn)位置(BTP)的影響因素。

1.2 建立基于時(shí)間序列的終點(diǎn)預(yù)報(bào)模型

燒結(jié)終點(diǎn)位置是燒結(jié)過程各種工藝參數(shù)綜合作用的結(jié)果，要實(shí)施燒結(jié)終點(diǎn)位置的準(zhǔn)確預(yù)測，首先必須弄清哪些可獲得的配料和工藝過程參數(shù)在影響著燒結(jié)終點(diǎn)位置。從現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析和工藝分析結(jié)果來看，廢氣溫度上升點(diǎn)位置(BRP)、蓄熱指數(shù)S(燒結(jié)廢氣溫度曲線與風(fēng)箱號橫坐標(biāo)在BRP和燒結(jié)終點(diǎn)間的積分面積)、機(jī)速、負(fù)壓、配碳量、配水量、以及料層厚度對燒結(jié)終點(diǎn)位置(BTP)均有明顯的影響[8]。

燒結(jié)生產(chǎn)是一連續(xù)的過程，料批運(yùn)動過程相應(yīng)位置上工藝參數(shù)施予的影響只有達(dá)到終點(diǎn)時(shí)才會表現(xiàn)出來，欲通過調(diào)節(jié)水分以穩(wěn)定終點(diǎn)，提前獲知――預(yù)測燒結(jié)終點(diǎn)及其變化趨勢至關(guān)重要。本文采用時(shí)序分析的方法，在考慮上述因素變化取向的基礎(chǔ)上，實(shí)施燒結(jié)終點(diǎn)的預(yù)報(bào)，并將預(yù)測終點(diǎn)作為配水調(diào)節(jié)模型的輸入因子[8]。

燒結(jié)終點(diǎn)的預(yù)報(bào)就是在k時(shí)刻根據(jù)已知的燒結(jié)終點(diǎn)的實(shí)際判斷值y(k ) , … ,y (k + ( 1 -n)·l )及ui(k )，…，ui( k - mi-d+1)來估計(jì)未來k + d ·l時(shí)刻的輸出值，稱作超前d步預(yù)報(bào)。未來時(shí)刻的預(yù)報(bào)值y?(k +d·l)應(yīng)當(dāng)是已知數(shù)據(jù)的函數(shù)，則預(yù)報(bào)模型可以表示：

式中：d ——提前預(yù)報(bào)的步數(shù)，正整數(shù)；l——時(shí)間步長，如3min；n,mi——模型的階數(shù)；k + d ·l時(shí)刻的系統(tǒng)輸出值，即k + d ·l時(shí)刻終點(diǎn)預(yù)測值；y(k ) , … ,y (k + ( 1 -n)·l )——k , … ,k + ( 1 -n)·l 時(shí)刻終點(diǎn)的實(shí)際判斷值 ；ui(k ) ,… ui( k - mi- d +1)——燒結(jié)終點(diǎn)影響因子的時(shí)間序列。

1.3 運(yùn)用自適應(yīng)方法對模型的修正

為了使燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)器適應(yīng)實(shí)際燒結(jié)生產(chǎn)過程的動態(tài)變化，不斷的更新燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)器，提出了一種適用于動態(tài)過程的在線自適應(yīng)方法——定時(shí)新信息自適應(yīng)學(xué)習(xí)法。

對于穩(wěn)定的、時(shí)不變系統(tǒng)，經(jīng)過前述建立的基于時(shí)間序列的燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)模型就可以用于實(shí)時(shí)在線預(yù)報(bào)終點(diǎn)位置，但由于燒結(jié)過程是處在不斷變化之中，尤其會有原料條件改變、料層厚度較大幅度調(diào)整等情況，建立在以前生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的預(yù)測模型往往不能滿足新條件下的預(yù)測要求。因此，基于時(shí)間序列的燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)模型是需要在使用的過程中隨著燒結(jié)過程的變化而自適應(yīng)更新的。最常用的自適應(yīng)方法是等維新息法，就是用最新的數(shù)據(jù)加入訓(xùn)練樣本集，去掉最舊的樣本，始終維持樣本數(shù)量不變。要使模型具有良好的泛化能力，樣本集必須覆蓋問題的整個(gè)論域，通俗地講，就是用于訓(xùn)練的樣本必須足夠多而且涵蓋可能出現(xiàn)的各種情況，模型的輸出才能更接近期望值[8]。

因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該用適當(dāng)?shù)男滦畔颖緛磉M(jìn)行模型的自適應(yīng)學(xué)習(xí)。但是，研究過程中發(fā)現(xiàn)，初始建立的模型用小的樣本集訓(xùn)練，其預(yù)報(bào)精度反而降低。原因在于，少量的樣本其典型性不足，有些可能的情況沒有包含在樣本集中。可見，模型的在線訓(xùn)練存在訓(xùn)練實(shí)時(shí)性與樣本典型性的矛盾。針對這一矛盾，經(jīng)過該模型在現(xiàn)場的反復(fù)試驗(yàn)，提出了一種新的模型在線自適應(yīng)方法——定時(shí)新信息自適應(yīng)學(xué)習(xí)法。

根據(jù)燒結(jié)工藝過程的特點(diǎn)，燒結(jié)終點(diǎn)每隔3min預(yù)報(bào)一次，如果模型在1小時(shí)內(nèi)對20組樣本的預(yù)報(bào)值與燒結(jié)終點(diǎn)實(shí)際判斷結(jié)果絕對誤差的平均值小于0.06，則說明模型對該小時(shí)內(nèi)樣本預(yù)報(bào)效果較好，模型將以8小時(shí)為一個(gè)周期進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)；否則，如果模型在1小時(shí)內(nèi)對20組樣本的預(yù)報(bào)值與燒結(jié)終點(diǎn)實(shí)際判斷結(jié)果絕對誤差的平均值大于0.06，則說明當(dāng)前模型對該小時(shí)內(nèi)樣本預(yù)報(bào)效果較差，系統(tǒng)立即啟動模型自適應(yīng)學(xué)習(xí)模塊，重構(gòu)模型。

2 結(jié)果與討論

為了檢驗(yàn)該模型的有效性及預(yù)測結(jié)果的可靠性，取采集到的3＃燒結(jié)機(jī)2006年5月25日～26日正常生產(chǎn)條件下，存入系統(tǒng)初期知識庫數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)，并將其分成兩組：一組為模型訓(xùn)練樣本――訓(xùn)練樣本集(300條記錄)，一組為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測性能的樣本――模型檢驗(yàn)樣本集(200余條記錄)。

利用訓(xùn)練樣本集中的記錄，將包含時(shí)間序列項(xiàng)的模型訓(xùn)練后，再利用模型檢驗(yàn)樣本集中的記錄進(jìn)行燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)測(預(yù)測的超前時(shí)間為15min)，并與終點(diǎn)判斷結(jié)果進(jìn)行比較。終點(diǎn)位置判斷值與預(yù)測終點(diǎn)的變化趨勢如圖4所示，二者的絕對誤差分布如圖5所示。

圖3 基于時(shí)間序列的終點(diǎn)自適應(yīng)預(yù)報(bào)模型現(xiàn)場應(yīng)用效果

圖4 預(yù)測終點(diǎn)與判斷終點(diǎn)的趨勢圖

圖5 預(yù)測終點(diǎn)與判斷終點(diǎn)比較的相對誤差分布圖

由圖4可知，預(yù)報(bào)終點(diǎn)與判斷終點(diǎn)的數(shù)值基本吻合，該而且模型預(yù)測結(jié)果可以反映出終點(diǎn)的變化趨勢：當(dāng)終點(diǎn)位置下降（上升）時(shí)，模型能夠提前15min給出BTP下降（上升）的預(yù)報(bào)，從而能在一定終點(diǎn)預(yù)報(bào)精度前提下一定程度上解決了燒結(jié)工藝工程的大滯后性。而從圖7－24預(yù)測終點(diǎn)與判斷終點(diǎn)的相對誤差來看，其相對誤差絕對值低于1.0%的命中率為91.05%，其相對誤差絕對值低于2.0%的命中率為98.88%。其絕對誤差絕對值低于0.1個(gè)臺車的命中率為74.25%，其絕對誤差絕對值低于0.2個(gè)臺車的命中率為86.94%。

離線建模及檢驗(yàn)結(jié)果表明：引入本文所確定的影響因素，采用時(shí)間序列分析預(yù)測燒結(jié)終點(diǎn)方法，不但能較準(zhǔn)確地提前預(yù)測出燒結(jié)終點(diǎn)隨燒結(jié)進(jìn)程的變化趨勢，而且能實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的定量預(yù)報(bào)結(jié)果。即：本研究所采用的燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)測方法是可行的。

3 結(jié)論

本文以寶鋼3號燒結(jié)機(jī)為研究對象，從數(shù)學(xué)和工藝分析燒結(jié)終點(diǎn)的影響因素，在此基礎(chǔ)上利用基于時(shí)間序列的方法建立自適應(yīng)預(yù)報(bào)模型，并討論模型在實(shí)驗(yàn)室離線調(diào)試和現(xiàn)場運(yùn)行的預(yù)報(bào)效果。得到如下結(jié)論：

（1）通過在燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱底部增加廢氣溫度檢測點(diǎn)，形成溫度檢測點(diǎn)的陣列，從而模擬平面溫度場[8]；

（2）從數(shù)學(xué)和工藝分析結(jié)果來看，廢氣溫度上升點(diǎn)位置(BRP)、蓄熱指數(shù)S、機(jī)速、負(fù)壓、配碳量、配水量、以及料層厚度均可作為燒結(jié)終點(diǎn)位置(BTP)的影響因素；

（3）建立步長為3min，朝前5步的預(yù)報(bào)模型，提出了一種定時(shí)新信息自適應(yīng)學(xué)習(xí)法使模型自適應(yīng)學(xué)習(xí)，該模型實(shí)驗(yàn)室離線檢驗(yàn)證明是可行的；

（4）模型現(xiàn)場運(yùn)行顯示，模型預(yù)測結(jié)果可以反映出終點(diǎn)的變化趨勢：當(dāng)終點(diǎn)位置下降（上升）時(shí)，模型能夠提前15min給出BTP下降（上升）的預(yù)報(bào)，從而能在一定終點(diǎn)預(yù)報(bào)精度前提下一定程度上解決了燒結(jié)工藝工程的大滯后性。