吳明國

(中國中鋼集團有限公司董事會辦公室)

鐵—鋼界面是指存在于煉鐵和煉鋼這兩個相對剛性工序間的一段相對柔性界面，是介于高爐煉鐵與轉爐煉鋼流程中承上啟下的關鍵環(huán)節(jié)，涵蓋生產(chǎn)組織、調度管理、作業(yè)工藝、生產(chǎn)裝備、運輸線路等，鐵—鋼界面鐵水調度及運輸是鐵—鋼生產(chǎn)的生命線?！盁掕F”、“煉鋼”兩個系統(tǒng)獨立運行，卻又彼此聯(lián)系，因此如何實現(xiàn)兩個工序之間的平穩(wěn)、高效銜接，在高爐與轉爐生產(chǎn)中尋找鐵水運輸最佳運輸節(jié)奏，解決鐵—鋼界面中鐵水溫降、鐵鋼生產(chǎn)計劃不匹配等問題，一直是鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)降本增效的重點研究內容。

鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)流程極其復雜、繁瑣，易出現(xiàn)信息傳遞不到位、能耗過高等諸多問題。目前，國內鋼鐵企業(yè)鐵—鋼界面鐵水運輸過程中，車輛的跟蹤定位和具體的調度工作主要由人工完成，鐵水調度作業(yè)對調度員的經(jīng)驗依賴較大，且存在信息傳遞滯后、準確性差等問題。鋼鐵生產(chǎn)流程的進步，實質上是對“界面”技術的不斷改進。先進的信息化智能制造技術為鋼鐵企業(yè)完善生產(chǎn)管理、提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化“界面”管理技術與方法提供了可能。文章重點對鐵—鋼界面工序鐵水調度與運輸過程中常出現(xiàn)的問題進行診斷分析，針對當前與人工跟蹤定位和人工調度方式之間的突出矛盾，將先進的射頻識別技術、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等應用于高爐出鐵→受鐵罐→火車輸送(等待)→混鐵爐出鐵→鐵水包→天車輸送→轉爐的界面模式，提出了鐵—鋼界面智能調優(yōu)系統(tǒng)的設計與開發(fā)思路，以期通過該系統(tǒng)實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)鐵—鋼界面鐵水調度與運輸由粗放“人工經(jīng)驗”調度模式向基于信息技術的“精細化”調度模式的轉變，為后期類似軟件系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應用提供參考。

1 傳統(tǒng)“經(jīng)驗式”鐵—鋼界面運行模式分析

鐵—鋼界面鐵水運輸是鋼鐵企業(yè)長流程生產(chǎn)運營中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，對煉鐵、煉鋼甚至全廠的生產(chǎn)環(huán)節(jié)都起著決定性的作用。目前，國內大型鋼鐵企業(yè)中，鐵水運輸大多利用魚雷罐或鐵水罐通過鐵路運輸方式實現(xiàn)。經(jīng)過多年的歷史演變，如忽略鐵水預處理環(huán)節(jié)，鐵—鋼界面模式可以歸納為以下四種：①高爐→高爐鐵水罐→混鐵爐→轉爐鐵水罐→轉爐；②高爐→魚雷罐車→轉爐鐵水罐→轉爐；③高爐→高爐鐵水罐→轉爐鐵水罐→轉爐；④高爐→鐵水罐→轉爐。整體來講，上述四種鐵—鋼界面模式各有利弊。以模式①為例，工藝流程最長，整個流程需要倒罐兩次，鐵水降溫高達50～60 ℃，但鐵水溫度、成分相對比較穩(wěn)定，利于轉爐冶煉。

對于上述任何一種鐵—鋼界面模式，鐵水供應調度都是整個工藝技術的核心部分。我國鋼鐵企業(yè)鐵水運輸大多以人工調度為主，調度人員采用“邊走邊看”的調度模式,該模式下鐵路網(wǎng)絡運行狀態(tài)、高爐與轉爐(包括混鐵爐等)鐵水平衡以及鐵水罐(魚雷罐)的位置信息都是調度人員最關心的，然而這些關鍵數(shù)據(jù)卻要靠人工離線采集，不同的單元之間容易形成“信息孤島”，整個過程可以形象地概括為：“計劃排程靠沙盤，生產(chǎn)調度靠電話”，難以實現(xiàn)鐵水調度全流程智能跟蹤、全流程狀態(tài)管理。

鐵水人工調度作業(yè)在調度能力與信息不對稱方面，具有突出的問題與矛盾：①由于生產(chǎn)信息相對不透明，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理，高爐、煉鋼、運輸之間信息不互通，形成“信息孤島”；②鐵水調度過程各單元、各要素無法實時跟蹤，采用人工方式跟蹤機車和罐車位置，數(shù)據(jù)實時性和準確性較差，核心數(shù)據(jù)匯總與決策之間存在信息滯后，難以支撐調度人員及時調度與決策；③調度人員的水平及經(jīng)驗直接影響生產(chǎn)效率；④生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過手工錄入，存在數(shù)據(jù)偏差及延遲，調度作業(yè)缺乏基礎數(shù)據(jù)支撐，數(shù)據(jù)實時性差，增加人員溝通成本和作業(yè)風險，影響生產(chǎn)效率；⑤調度響應較慢，面對緊急生產(chǎn)情況，較難快速及時做出動態(tài)響應，生產(chǎn)協(xié)同效率差；⑥調度作業(yè)人員需高強度工作，勞動強度大。基于人工經(jīng)驗式的鐵—鋼界面鐵水調度作業(yè)運行模式存在的關鍵問題可總結為：過程監(jiān)控不實時，數(shù)據(jù)交互不及時，調度管控不智能。

2 關鍵信息化技術的研究與應用

基于上述對人工經(jīng)驗式鐵—鋼界面鐵水調度作業(yè)運行模式中存在的重要問題的分析，同時結合當前鋼鐵企業(yè)鐵—鋼界面鐵水調度與管控需要，筆者擬在應用射頻識別技術(RFID)、GPS定位技術、傾斜攝影及3D仿真建模、GIS技術等智能化手段的基礎上，通過對鋼鐵企業(yè)開展必要的工業(yè)網(wǎng)絡改造和信息化平臺建設，實現(xiàn)與鐵水計量、鋼渣計量、鐵水測溫、質檢化驗等煉鋼信息平臺的互聯(lián)互通，打破信息孤島，建設三維可視化鐵—鋼界面智能調優(yōu)系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)鐵水罐調度模式，實現(xiàn)調度過程可視化、管理定量化的系統(tǒng)建設目標，為煉鋼企業(yè)鐵水優(yōu)化調度和績效考核提供管理平臺，減少鐵水周轉時長，減少鐵水溫降，從而提升鐵—鋼界面的協(xié)同運行效率。

2.1 射頻識別技術(RFID)

射頻識別技術(RFID)是通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，可以在遠距離環(huán)境下完成信息獲取的技術，具有儲存數(shù)據(jù)信息量大、使用時間長、安全性能高、可循環(huán)使用的優(yōu)點。對于鋼鐵企業(yè)，在煉鐵車間、煉鋼車間、渣場、修包庫及關鍵鐵水調度路徑上安裝RFID工作站，在火車車體、鐵水罐安裝RFID射頻卡，一方面可捕獲鐵水調度過程中鐵水罐、火車在煉鐵、煉鋼等車間的關鍵入廠、離廠動作，實現(xiàn)鐵水調度信息監(jiān)控；另一方面利用火車、鐵水罐RFID信號數(shù)據(jù)邏輯關系，實現(xiàn)火車與鐵水罐的自動組體，為實現(xiàn)鐵水調度3D可視化提供底層數(shù)據(jù)支持。

2.2 全球定位系統(tǒng)(GPS)及地理信息系統(tǒng)(GIS)

全球定位系統(tǒng)(GPS)是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎的高精度無線電導航的定位系統(tǒng)，在全球任何地方以及近地空間都能夠提供準確的地理位置、車行速度及精確的時間信息。針對鋼鐵企業(yè)鐵水調度作業(yè)時采用人工跟蹤機車和罐車位置存在的數(shù)據(jù)實時性和準確性較差的問題，采用GPS實現(xiàn)對機車和罐車位置的實時定位跟蹤，在機車安裝GPS信標，實現(xiàn)全廠區(qū)內機車的連續(xù)實時動態(tài)定位，同時車罐組合體實時位置參數(shù)(經(jīng)度、緯度、高度、方向值等)通過物聯(lián)網(wǎng)回傳至內網(wǎng)服務器，應用GIS技術實現(xiàn)車罐組合體實時位置的3D可視化顯示，可以實時地為鐵水調度作業(yè)提供詳盡的空間信息和可視化的調度決策依據(jù)。

2.3 傾斜攝影及3D仿真建模技術

國內較多鋼鐵企業(yè)已建設諸多與鐵水運輸調度和監(jiān)控管理相關的信息化系統(tǒng)，但總體來看大部分系統(tǒng)主要功能還是以鐵水信息處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計為主，雖然可為鐵水調度人員提供相對及時的數(shù)據(jù)信息，但無法實現(xiàn)對鐵水運輸調度全過程中各要素的可視化監(jiān)控，基于此，應用無人機傾斜攝影技術及3D仿真建模技術對鐵水調度過程涉及的建筑物、構筑物、火車、鐵水罐等進行1∶1高仿真建模，構建鐵水調度的3D廠區(qū)地圖，實現(xiàn)鐵水調度過程的可視化，形成鐵—鋼界面鐵水調度作業(yè)管控一體化“一張圖”。

3 三維可視化鐵—鋼界面智能調優(yōu)系統(tǒng)設計初步探討

由于不同鋼鐵企業(yè)的鐵—鋼界面模式以及調度作業(yè)方式存在一定程度的差異性，應根據(jù)鋼鐵企業(yè)需求進行具體的系統(tǒng)設計。根據(jù)人工鐵水調度作業(yè)的特點及文章提及的關鍵信息化技術，僅對系統(tǒng)設計中的一些共性問題進行探討。

3.1 系統(tǒng)功能的設計

為應對“采用人工跟蹤定位和人工調度方式”所存在的一系列突出的問題，系統(tǒng)應緊緊圍繞“實現(xiàn)鐵水調度作業(yè)機車、鐵水罐等要素全面實時監(jiān)測與動態(tài)跟蹤”的主線開展功能設計，為調度人員提供一個高效、便捷、可視化的智能調優(yōu)系統(tǒng)。筆者認為，系統(tǒng)應包含但不限于以下核心功能：

(1)監(jiān)控預警：實現(xiàn)煉鐵、煉鋼、鐵鋼界面運行狀態(tài)可視化3D監(jiān)控及設備、重要調度動作的實時監(jiān)控預警；

(2)調度指令：實現(xiàn)煉鐵、煉鋼、鐵—鋼界面鐵水調度指揮；

(3)生產(chǎn)實績：實現(xiàn)鐵水調度績效指標、生產(chǎn)報表統(tǒng)計、查詢、導出；

(4)生產(chǎn)計劃：實現(xiàn)煉鐵、煉鋼、鐵—鋼界面生產(chǎn)計劃及績效指標制定等；

(5)數(shù)據(jù)分析：實現(xiàn)煉鐵、煉鋼、鐵—鋼界面生產(chǎn)實績績效指標的統(tǒng)計分析及生產(chǎn)實績與生產(chǎn)計劃的對比分析。

3.2 系統(tǒng)技術架構

根據(jù)系統(tǒng)功能元素之間的數(shù)據(jù)流轉及業(yè)務邏輯關系，遵照總體思路，系統(tǒng)技術架構包括以下幾方面。

(1)數(shù)據(jù)來源

系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)主要來源于鋼鐵企業(yè)已有的物流執(zhí)行系統(tǒng)、檢/化驗系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)，根據(jù)企業(yè)實際，需對企業(yè)進行適當?shù)男畔⒒c基礎硬件改造升級(鐵水調度中機車、鐵水罐等加裝RFID系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng))，以支撐系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)需求。

(2)數(shù)據(jù)采集

考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源多樣性(既有信息化系統(tǒng)又有底層設備)，開發(fā)統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集平臺是有必要的，系統(tǒng)需具備ETL功能，支持對底層設備通訊協(xié)議解析，以及對已有業(yè)務系統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)清洗等功能，為上層業(yè)務系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

(3)數(shù)據(jù)存儲

時序數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)中將儲存大量的鐵—鋼界面時間數(shù)據(jù)，時間數(shù)據(jù)具有產(chǎn)生頻率快、嚴重依賴于采集時間、測點多信息量大的特點，因此建議使用時序庫Timescale作數(shù)據(jù)集群，存放數(shù)采平臺采集的時序數(shù)據(jù)；

關系數(shù)據(jù)庫：一般情況下，MySQL數(shù)據(jù)庫是備選的第一方案，基本上有 80% ～ 90% 的場景都是基于MySQL 數(shù)據(jù)庫的，因此，建議使用MySQL做數(shù)據(jù)集群，存放系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)、基礎配置數(shù)據(jù)；

內存數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)對數(shù)據(jù)有高頻次的查詢需求，為提高系統(tǒng)查詢性能，建議使用內存數(shù)據(jù)庫Redis做數(shù)據(jù)集群，存放業(yè)務緩存數(shù)據(jù)，減輕關系數(shù)據(jù)庫壓力，提高系統(tǒng)運行效率。

(4)系統(tǒng)服務

可采用目前流行的spring cloud、spring boot微服務框架，使用zookeeper服務注冊，hystrix服務熔斷，feign服務軟負載均衡來滿足系統(tǒng)高并發(fā)、高可用性。

(5)網(wǎng)關鑒權

該層主要實現(xiàn)網(wǎng)關、鑒權、流量控制、負載均衡等主要功能。通過使用Gateway作為API網(wǎng)關，用來保護、增強和控制對于 API 服務的訪問；使用Nginx作為軟負載均衡，以此保證服務器集群中的每個服務器壓力趨于平衡，分擔了服務器壓力，避免了服務器崩潰；使用OAuth2作為API權限驗證框架，保證API調用者的合法性，從而保障API服務的安全性。

(6)可視化

在可視化層面，應考慮展示的多樣性，支持安卓、ISO、PC等外部第三方應用。建議采用基于Vue + ElementUI漸進式 JavaScript 框架實現(xiàn)可視化展示，該框架具有輕量級、支持雙向數(shù)據(jù)綁定、支持組件化、視圖數(shù)據(jù)結構分離、運行速度快、HTML5自適應、對操作用戶友好等眾多優(yōu)勢。

4 結論

基于多項信息化技術改造方案所設計的鐵—鋼界面智能調優(yōu)系統(tǒng)，提出了鐵—鋼界面智慧管控全新模式，解決了人工經(jīng)驗式鐵—鋼界面鐵水調度作業(yè)模式下“動態(tài)監(jiān)控不實時，數(shù)據(jù)交互不及時，調度管控不智能”的問題；在鋼鐵企業(yè)加快數(shù)字化、智能化轉型升級，進一步實現(xiàn)鐵—鋼界面技術及鐵水調度整體優(yōu)化等方面具有一定的指導作意義。系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

(1)全流程智能狀態(tài)管理。系統(tǒng)覆蓋從高爐到煉鋼車間運輸作業(yè)全過程，實現(xiàn)了鐵水罐罐號、機車號自動識別，位置自動跟蹤、到位自動確認，任務自動閉環(huán)、位置信息動態(tài)展示，打破了高爐、煉鋼、運輸之間“信息孤島”，有效支撐調度人員及時調度與決策；

(2)綜合信息集中管理。三維可視化的鐵—鋼界面智能調優(yōu)系統(tǒng)，從頁面中可以直觀看到鐵水調度三維場景，方便鐵水調度人員全面直觀地查看載鐵水機車、鐵水罐(魚雷罐)運行情況以及各設備運行參數(shù)；實現(xiàn)了對鐵水生產(chǎn)及運輸信息集中管理、可視化展示，生產(chǎn)實績信息自動生成；實現(xiàn)了生產(chǎn)信息人工離線采集到全流程狀態(tài)信息的集中管理。

當然文章提出的技術方案具有一定的局限性。首先，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境對信息化技術手段提出了更高的要求，例如在高爐出鐵、鐵水運輸及煉鋼廠內作業(yè)過程中，鐵水罐長期處于高溫、粉塵、鐵水噴濺等惡劣環(huán)境，傳統(tǒng)罐號識別手段的準確度和使用壽命都難以得到保障，選擇識別準確度高的全新智能識別技術是企業(yè)的必然選擇；其次，文章提出的鐵—鋼界面智能調優(yōu)系統(tǒng)依然是面向人工經(jīng)驗式的鐵—鋼界面鐵水調度模式，僅對鐵水調度過程的輔助功能進行了智能化，可見，不斷改進前后工序或裝備之間的鐵—鋼界面技術，才是實現(xiàn)煉鐵到煉鋼短流程、低能耗、低環(huán)境負荷的根本方式。因此，該系統(tǒng)應在鐵鋼平衡、鐵水智能分配、機車任務自動編制及下發(fā)執(zhí)行等方面融合更多智能化功能，以提高系統(tǒng)的整體應用效果。