張學(xué)民，李長(zhǎng)新，周 平，王 鍵，王汝波

（1 山東鋼鐵集團(tuán)有限公司研究院，山東 濟(jì)南 271104；2 山東鋼鐵股份有限公司煉鋼廠，山東 濟(jì)南 271104）

1 前言

數(shù)字孿生（digital twin）作為一種利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的仿真技術(shù)，近年來(lái)在先進(jìn)制造等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注?；跀?shù)字孿生體，采用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品、工藝設(shè)施等的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障診斷、健康預(yù)測(cè)乃至全生命周期的分析優(yōu)化。鋼鐵生產(chǎn)流程工藝具有多變量、強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性、時(shí)變、工作環(huán)境惡劣及隨機(jī)干擾性強(qiáng)、更為開(kāi)放的系統(tǒng)特征，采用三維數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)其進(jìn)行建模、解耦、嵌套，實(shí)現(xiàn)忠實(shí)的動(dòng)態(tài)映射，在行業(yè)內(nèi)尚屬有益嘗試。

通過(guò)轉(zhuǎn)爐智能化控制技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，解決了傳統(tǒng)自動(dòng)煉鋼控制過(guò)程中人為干預(yù)多、終點(diǎn)波動(dòng)大的問(wèn)題，使冶煉過(guò)程的物料攝入、能源介質(zhì)消耗更加精準(zhǔn)，冶煉鋼水質(zhì)量得到大幅提升，取得較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但是隨著智能化程度不斷升級(jí)，全過(guò)程智能煉鋼的冶煉過(guò)程、設(shè)備運(yùn)行等方面可視化欠缺，二級(jí)控制平臺(tái)應(yīng)用展示效果差，人機(jī)互動(dòng)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)便捷共享等方面存在很大挑戰(zhàn)，急需構(gòu)建基于物理實(shí)體和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的三維數(shù)字孿生可視化平臺(tái)。

2 典型場(chǎng)景和研究目標(biāo)確定

典型場(chǎng)景選擇。鋼鐵行業(yè)三維數(shù)字孿生可視化研究過(guò)程具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性和探索性，必須高度聚焦，以單生產(chǎn)工序?yàn)檠芯繉?duì)象較為適宜。山鋼集團(tuán)萊鋼銀山型鋼有限公司煉鋼廠4#120 t 轉(zhuǎn)爐備有副槍、煙氣分析、音頻化渣等檢測(cè)裝備，具有先進(jìn)智能化控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)感知和信息采集完整全面，其控制模型解析、數(shù)理關(guān)系耦合、時(shí)序關(guān)聯(lián)明確，為三維數(shù)字孿生動(dòng)態(tài)映射提供了邏輯和數(shù)字化支撐，最終確定以該轉(zhuǎn)爐為典型應(yīng)用場(chǎng)景。

制定研究目標(biāo)。開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)以轉(zhuǎn)爐本體為對(duì)象的部件級(jí)三維孿生體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)映射和信息交互，構(gòu)建基于物理實(shí)體和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的三維數(shù)字孿生可視化平臺(tái)，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)并具有指導(dǎo)意義。

3 研究過(guò)程

在充分借鑒石化等流程行業(yè)實(shí)施應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，制定研究技術(shù)路線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐三維數(shù)字孿生可視化技術(shù)路線(xiàn)

3.1 素材準(zhǔn)備

（1）轉(zhuǎn)爐冶煉工藝視頻解析。為更加準(zhǔn)確、全面掌握轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝特征、設(shè)備構(gòu)造和作業(yè)流程，解析轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝模擬視頻、現(xiàn)場(chǎng)錄制轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程不同階段視頻，為轉(zhuǎn)爐三維數(shù)字孿生體設(shè)計(jì)研究提供指導(dǎo)。

（2）電子圖紙及紙質(zhì)圖拍照歸類(lèi)整理。根據(jù)4#轉(zhuǎn)爐電子版裝備圖紙，整理轉(zhuǎn)爐爐體、氧槍、副槍及底吹等電子圖紙，為轉(zhuǎn)爐本體部件級(jí)三維孿生體設(shè)計(jì)提供素材。

（3）準(zhǔn)備現(xiàn)場(chǎng)照片和視頻。提供轉(zhuǎn)爐部分輔助設(shè)備和背景設(shè)施素材，包括現(xiàn)場(chǎng)不同角度照片、視頻以及相關(guān)圖紙。

（4）工藝數(shù)據(jù)匯總整理。針對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，匯總整理轉(zhuǎn)爐輸入條件和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為驅(qū)動(dòng)模型提供數(shù)據(jù)支撐。整理轉(zhuǎn)爐冶煉歷史數(shù)據(jù)，繪制轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝流程圖或工藝曲線(xiàn)。

（5）氧步控制模型分解。根據(jù)轉(zhuǎn)爐冶煉不同控制模型，以氧步模型控制為基準(zhǔn)將加料、供氧等工藝操作及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。

3.2 模型搭建

三維建模的技術(shù)路線(xiàn)分為兩種：激光掃描建模以及圖紙資料建模。激光掃描建模就是利用激光掃描儀、全站儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、環(huán)境等進(jìn)行掃描，獲取現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上利用建模軟件進(jìn)行建模；該種技術(shù)路線(xiàn)的特點(diǎn)是與現(xiàn)場(chǎng)高度一致性，設(shè)備位置、外形尺寸可以很精確獲取，從而為建模與現(xiàn)場(chǎng)一致性打下基礎(chǔ)。圖紙資料建模就是依據(jù)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)際形狀，完全按照?qǐng)D紙還原設(shè)備三維模型，主要用于設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)等建模，建立的模型外形尺寸等于圖紙尺寸。按照建模范圍要求，對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼車(chē)間從地面道軌到高位料倉(cāng)上料平臺(tái)進(jìn)行全面掃描。

根據(jù)典型應(yīng)用場(chǎng)景下，不同單元三維數(shù)字孿生模型精度要求差異，利用SolidWorks 搭建轉(zhuǎn)爐本體、副槍、氧槍部件級(jí)孿生體，并將部件級(jí)模型導(dǎo)入3Ds max，實(shí)現(xiàn)部件級(jí)模型單元驅(qū)動(dòng)和精細(xì)化拆解功能。利用3Ds max 搭建鋼包、鐵水包、廢鋼斗、鋼包車(chē)、料倉(cāng)等設(shè)備級(jí)模型，通過(guò)場(chǎng)景搭建和逼真渲染，實(shí)現(xiàn)全要素相關(guān)性耦合。三維模型搭建后，將UI 元素導(dǎo)入U(xiǎn)nity 引擎，利用其原生UGUI 框架對(duì)UI元素排版至不同顯示區(qū)域，根據(jù)不同種類(lèi)數(shù)據(jù)信息對(duì)其進(jìn)行填充，實(shí)現(xiàn)HMI 界面設(shè)計(jì)，從而構(gòu)建完成基于物理實(shí)體和實(shí)際數(shù)據(jù)的三維數(shù)字孿生可視化模型。

3.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

3.3.1 驅(qū)動(dòng)三維模型

三維模型需要數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體設(shè)備同步，如轉(zhuǎn)爐、氧槍和副槍運(yùn)動(dòng)、鋼包車(chē)運(yùn)動(dòng)等，能準(zhǔn)確展示現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)物理系統(tǒng)的“虛擬映像”。三維模型驅(qū)動(dòng)效果主要包括：廢鋼斗、轉(zhuǎn)爐、鐵水包、氧槍、副槍、鋼包車(chē)等幾個(gè)部分。

3.3.2 驅(qū)動(dòng)反應(yīng)過(guò)程模型

反應(yīng)過(guò)程模型是利用諸如粒子系統(tǒng)、Shader等技術(shù)構(gòu)建，本系統(tǒng)中構(gòu)建的反應(yīng)過(guò)程模型包括爐口火焰和爐內(nèi)熔池等。驅(qū)動(dòng)反映過(guò)程模型可提高虛實(shí)映射的準(zhǔn)確性，對(duì)三維數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)的構(gòu)建有至關(guān)重要的作用。反應(yīng)過(guò)程模型種類(lèi)包括：爐口火焰顏色變化、爐內(nèi)泡沫高度變化、鋼水碳溫變化等內(nèi)容。

3.3.3 一鍵煉鋼演示

轉(zhuǎn)爐三維數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)是實(shí)體物理設(shè)備的虛擬展示和數(shù)據(jù)可視化展示的載體。通過(guò)與煉鋼現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)接數(shù)據(jù)通信接口，獲得實(shí)時(shí)煉鋼指令和數(shù)值數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐一鍵煉鋼及煉鋼全過(guò)程動(dòng)作模擬和數(shù)據(jù)可視化展示，為轉(zhuǎn)爐控制優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

3.4 VR場(chǎng)景漫游

結(jié)合動(dòng)作捕捉高端交互設(shè)備及3D立體顯示技術(shù)，為培訓(xùn)者和訪(fǎng)問(wèn)者提供一個(gè)和真實(shí)環(huán)境一致的虛擬環(huán)境，VR場(chǎng)景漫游包括：爐體內(nèi)部反應(yīng)狀態(tài)呈現(xiàn)、各層平臺(tái)設(shè)備狀態(tài)觀察、外圍設(shè)備運(yùn)行情況觀察等。人員可以在具有真實(shí)沉浸感與交互性的虛擬環(huán)境中，通過(guò)人機(jī)交互設(shè)備和場(chǎng)景里的業(yè)務(wù)對(duì)象交互，體驗(yàn)實(shí)時(shí)物理反饋，進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)操作。虛擬培訓(xùn)方式不但可以加速人員對(duì)于知識(shí)的掌握，直觀學(xué)習(xí)，提高實(shí)際操作能力，鍛煉人員針對(duì)事故、問(wèn)題的應(yīng)對(duì)技能，還可以大大降低培訓(xùn)、模擬成本，改善培訓(xùn)環(huán)境。

4 項(xiàng)目實(shí)施效果

通過(guò)本項(xiàng)技術(shù)的研究，首次在鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)了以轉(zhuǎn)爐本體為研究對(duì)象，結(jié)合電子圖紙、圖紙照片、現(xiàn)場(chǎng)視頻、背景照片等原始素材，綜合3Ds max 和SolidsWorks數(shù)字化軟件設(shè)計(jì)特征，成功開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)以轉(zhuǎn)爐本體為對(duì)象的部件級(jí)三維孿生體。對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉三維數(shù)字孿生模型體的搭建，建模語(yǔ)言的構(gòu)建、模型開(kāi)發(fā)方法、工具的使用、模型算法及基于多源數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等方面進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)模型的互操作性、可擴(kuò)展性、平臺(tái)現(xiàn)有工具功能的可拓展性等進(jìn)行了有益探索。

本項(xiàng)研究能準(zhǔn)確同步呈現(xiàn)轉(zhuǎn)爐操作、爐內(nèi)反應(yīng)狀況，并具有儲(chǔ)存、報(bào)警、統(tǒng)計(jì)和一定的分析功能，轉(zhuǎn)爐技術(shù)、操作人員可依據(jù)系統(tǒng)孿生可視化效果進(jìn)行轉(zhuǎn)爐工藝研究和優(yōu)化，是穩(wěn)定過(guò)程操作、精確控制冶煉終點(diǎn)、降低消耗、提高鋼水質(zhì)量、安全生產(chǎn)、員工能力提升的又一重要技術(shù)手段。后續(xù)可在此系統(tǒng)平臺(tái)基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能等新技術(shù)，結(jié)合煉鋼冶金物理化學(xué)機(jī)理和員工操作經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)優(yōu)化轉(zhuǎn)爐操作模型，對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程的返干、噴濺等進(jìn)行預(yù)防和規(guī)避，根據(jù)不同原料條件和冶煉目標(biāo)自主選擇最佳操作方案，從而實(shí)現(xiàn)全程動(dòng)態(tài)智能化轉(zhuǎn)爐冶煉模式。