車玉滿 ，郭天永 ，姜喆 ，費靜 ，邵思維

（1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

智慧高爐核心是以高爐生產(chǎn)工藝為主導，以大數(shù)據(jù)互聯(lián)互通平臺為基礎，大數(shù)據(jù)平臺有效整合高爐主體及各工序數(shù)據(jù)，打破信息孤島，充分利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、云存儲、云計算等技術，對大數(shù)據(jù)深度挖掘和多維綜合計算分析，提高對高爐冶煉過程規(guī)律的認識和一些特殊現(xiàn)象的解析能力，對高爐冶煉全過程鐵素流、碳素流、能源流進行監(jiān)測和智能優(yōu)化。高爐實現(xiàn)高效、低耗和安全長壽，同時實現(xiàn)智能化、數(shù)字化、智慧化生產(chǎn)和管理模式。

1 智慧高爐發(fā)展背景

1.1 智慧高爐起源

世界上主要工業(yè)發(fā)達國家正在大力推廣和應用智能制造技術，《中國制造2025》發(fā)展規(guī)劃明確要求傳統(tǒng)的制造業(yè)要向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化、綠色化發(fā)展，支持傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，尤其是鋼鐵行業(yè)依靠信息化、智能化技術，把傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)轉型成智能制造企業(yè)。在鋼鐵工業(yè)中高爐的生產(chǎn)成本、能源消耗、CO2排放量均占70%以上，是制約鋼鐵行業(yè)競爭力的瓶頸［1］。由于高爐及其附屬工序設備工藝多樣復雜性、生產(chǎn)過程復雜性和不確定性，以及所有變化過程均發(fā)生在大封閉性的高爐內部，難以直接檢測，屬于典型“黑箱”問題。到目前為止，高爐操作依然是以高爐操作者經(jīng)驗知識為主［2］，由于高爐操作者的經(jīng)驗知識具有差異性，必然導致高爐主要技術經(jīng)濟指標存在較大差異，難以做到高爐長期高效低耗和長期爐況穩(wěn)定順行。從20世紀80年代開始，國內外鋼鐵企業(yè)和科研機構開發(fā)了大量數(shù)學模型和高爐專家系統(tǒng)，用于描述和解決高爐生產(chǎn)過程中一些特殊現(xiàn)象和問題，然而在高爐生產(chǎn)流程中物理、化學過程十分復雜，多相共存，連續(xù)變化，外界隨機干涉因素多，過程變量類型混雜、維數(shù)高、規(guī)模大，變量之間存在著多重相關性，具有多變量、強耦合、非線性和大滯后等特點，難以用數(shù)學關系準確描述，各種參數(shù)存在強耦合性，一個參數(shù)變化會導致一個或多個參數(shù)的聯(lián)動，大時滯性參數(shù)的調節(jié)需要一段時間才能得到響應，同時高爐所涉及附屬工序復雜，一些附屬工序的檢測信息互通性差，容易形成信息孤島，難以有效整合成以高爐工序為核心的大數(shù)據(jù)平臺，這是高爐向智慧化發(fā)展的限制環(huán)節(jié)［3-5］。

打造基于大數(shù)據(jù)平臺，應用信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、云計算等技術解決高爐生產(chǎn)多變量、強耦合、非線性和大滯后特殊問題，發(fā)現(xiàn)和解析高爐生產(chǎn)規(guī)律和特殊爐況，提高高爐高效、低耗和長期穩(wěn)定順行能力，是高爐實現(xiàn)智慧化生產(chǎn)和管理模式的根本需求。

1.2 新形勢下智慧高爐基本構架

目前，我國高爐已經(jīng)基本完成大型化改造，新建高爐或經(jīng)過大修的高爐，基本具備完整的基礎自動化系統(tǒng)，配置基礎自動化PLC系統(tǒng)（L1）、過程控制系統(tǒng)（L2）、MES 系統(tǒng)（L3）、ERP 系統(tǒng)（L4）。 一些大型企業(yè)建設了以高爐為核心兼顧其他工序的數(shù)據(jù)中心，通過高爐大數(shù)據(jù)智能互聯(lián)平臺的建設，構成以高爐工序為核心的覆蓋其他附屬工序的大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，具備在數(shù)據(jù)平臺基礎上二次開發(fā)工藝機理、大數(shù)據(jù)、機器學習、專家系統(tǒng)的基礎，具備改變高爐傳統(tǒng)的依靠操作者經(jīng)驗判斷為主的生產(chǎn)和管理模式，可以實現(xiàn)高爐生產(chǎn)智能化和智慧化模式的轉變［5］。

智慧高爐首先需要配置先進且齊全的自動化檢測儀表，結合物聯(lián)網(wǎng)建設、數(shù)據(jù)采集、通訊、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)分類、存儲等建立數(shù)據(jù)平臺和大數(shù)據(jù)處理中心，為基于數(shù)據(jù)平臺開發(fā)工藝機理和統(tǒng)計數(shù)學模型、大數(shù)據(jù)分析與挖掘、機器學習、專家系統(tǒng)等提供保障。

2 智慧高爐現(xiàn)狀

2.1 高爐數(shù)學模型和專家系統(tǒng)

在智慧高爐概念之前，信息技術在高爐冶煉過程中的應用是從數(shù)學模型開始的，最早是20世紀50年代到80年代高爐數(shù)學模型，主要針對高爐冶煉過程中某一具體問題或特殊現(xiàn)象。早期數(shù)學模型主要是機理模型和數(shù)理統(tǒng)計模型，例如高爐冶煉過程工藝計算模型、高爐爐溫預報模型等。隨著計算方法和開發(fā)工具的進步，例如神經(jīng)元網(wǎng)絡方法、多流體理論在數(shù)學模型中應用，一些企業(yè)和科研機構開發(fā)了大量模擬計算高爐內各物質固相、粉相、液相和氣相相互轉換數(shù)學模型，解析高爐內部發(fā)生的現(xiàn)象，數(shù)學模型從一維模型發(fā)展到二維模型和三維模型。經(jīng)過30年發(fā)展，一些應用效果較好的數(shù)學模型融合到高爐專家系統(tǒng)中。從1986年開始，日本大型鋼鐵公司相繼開發(fā)與應用不同的高爐專家系統(tǒng)，內容覆蓋軟融帶判斷、高爐開爐及休風恢復操作指導、無鐘爐頂布料模型、裝料制度、煤氣流分布、爐體溫度場、爐況檢測診斷與控制、異常爐況預報與控制、爐溫預報等，其中應用最廣泛的是日本川崎公司開發(fā)的GO-STOP系統(tǒng)。GO-STOP系統(tǒng)由8種指數(shù)計算模型構成，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，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)。從20世紀90年代開始，芬蘭Rautaruuki和奧鋼聯(lián)公司相繼開發(fā)出高爐專家系統(tǒng)，其中芬蘭Rautaruuki公司的高爐專家系統(tǒng)主要包括高爐熱狀態(tài)系統(tǒng)、高爐操作爐型管理、高爐爐況診斷、高爐爐缸平衡管理。奧鋼聯(lián)公司的高爐專家系統(tǒng)由過程信息管理系統(tǒng)、過程數(shù)學模型、爐況的診斷評估系統(tǒng)、爐況調節(jié)和執(zhí)行系統(tǒng)組成，主要功能是對工藝參數(shù)進行評估和提出操作建議［6-8］。

我國高爐數(shù)學模型和專家系統(tǒng)起步相對較晚，發(fā)展過程與國外基本類似，首先從數(shù)學模型開始，之后開展高爐專家系統(tǒng)的開發(fā)與應用。由國內企業(yè)或者科研機構自行開發(fā)的高爐專家系統(tǒng)較少，大部分是引進國外專家系統(tǒng)，例如引進日本的GO-STOP系統(tǒng)、引進芬蘭Rautaruuki高爐專家系統(tǒng)和引進奧鋼聯(lián)的高爐專家系統(tǒng)。整體上，國內高爐專家系統(tǒng)由于一級自動化檢測數(shù)據(jù)不完整，一些附屬工序數(shù)據(jù)存在信息孤島、化檢驗數(shù)據(jù)滯后問題，專家系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)時效性差，國內高爐專家系統(tǒng)遠沒有達到預期目標［6-8］。

2.2 智慧高爐現(xiàn)狀

當前，基于高爐大數(shù)據(jù)平臺的智慧高爐在國內外尚未有成熟的應用案例，但是一些先進企業(yè)已大大增強了高爐智能化裝備水平，并且已經(jīng)完成高爐大數(shù)據(jù)中心建設，高爐群已經(jīng)實現(xiàn)集約化操控，例如酒鋼已經(jīng)建立煉鐵數(shù)字孿生平臺，韶鋼建設全球首例鋼鐵一體化智能管控平臺，寶武湛江建設國內首套智能原料場、首套智能鐵水運輸系統(tǒng)全流程集中管控系統(tǒng)，寶鋼正在開發(fā)基于大數(shù)據(jù)的高爐穩(wěn)定性智能評價系統(tǒng)［9］。

韓國浦項鋼鐵公司最早從2015年開始引入大數(shù)據(jù)等新技術，自主創(chuàng)建了智能工廠平臺PosFrame，對鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進行管理，通過有效分析，提高生產(chǎn)效率、預測產(chǎn)品質量、預防設備故障。通過深度學習、人工智能對數(shù)據(jù)進行運算和處理并進行預測和控制［10］，主要包括以下內容：

（1）大數(shù)據(jù)分析；

（2）原燃料和高爐操作條件的自評；

（3）預測高爐狀態(tài)；

（4）自動反饋高爐操作；

（5）給出最小偏差的最優(yōu)結果。

日本JFE鋼鐵公司很早就開始著眼于鋼鐵領域的數(shù)據(jù)科學應用，開發(fā)出業(yè)內首個使用數(shù)據(jù)科學技術檢測鋼廠設備異常跡象的系統(tǒng)；通過在高爐中部署大量傳感器，采集內部超過10 000個點數(shù)據(jù)，使用人工智能進行分析并根據(jù)數(shù)據(jù)進行操作，從而可了解無法看到的設備內部狀態(tài)及對未來狀態(tài)的預測，在千葉等8座高爐全部實現(xiàn)了智能化；同時，在2019年成立CPS（Cyber Physical System）研發(fā)部，加強跨部門合作與技術應用，計劃從2021年開始從單元CPS到集成CPS，爭取在2025年實現(xiàn)全流程整體CPS，建立自學習并獨立作業(yè)的智能鋼廠［11］。JFE鋼鐵公司CPS規(guī)劃見圖1。

圖1 JFE鋼鐵公司CPS規(guī)劃Fig.1 CPS Planning by JFE Steel Company

目前，智慧高爐研究與開發(fā)已經(jīng)成為煉鐵領域的熱點，將信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、云計算等手段有效地與高爐工藝相融合，從生產(chǎn)、操作、技術、管理、培訓等全方位提升高爐的數(shù)字化、科學化、智能化、標準化水平。

3 智慧高爐解析

目前，高爐及附屬工序的物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)之間耦合度較低，高爐生產(chǎn)過程大量數(shù)據(jù)缺乏深入分析挖掘，難以形成強有機整體。因此，智慧高爐不是簡單的信息化、智能化技術升級。

3.1 關鍵技術

高爐必須具備完整的B-S和C-S架構的硬件環(huán)境，安裝豐富檢測手段和智能化儀表，能夠提供海量數(shù)據(jù),已經(jīng)或計劃建立以高爐工序為核心同時兼顧其他工序的大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，建設具有包括數(shù)據(jù)采集與通訊、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)分類、存儲等功能的大數(shù)據(jù)處理中心?；诖髷?shù)據(jù)平臺，開發(fā)大量數(shù)學模型、大數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘、高爐專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)孿生，實現(xiàn)對高爐工作狀態(tài)實時監(jiān)測和診斷，提升高爐生產(chǎn)與管理智慧化水平。其中信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、云計算等手段是關鍵，“物、大、云、智、移”是技術核心［12］。

“物”就是要求高爐及附屬工序配置豐富工業(yè)傳感器和具備物聯(lián)網(wǎng)條件；“大”即大數(shù)據(jù)，檢化驗、監(jiān)測、生產(chǎn)等方面的基礎源數(shù)據(jù)都具備采集和通訊能力；“云”即具備將大數(shù)據(jù)分析和深度挖掘與機器學習技術應用于高爐生產(chǎn)實際的研發(fā)人員和團隊；“智”即開發(fā)出高爐智能模型，可視化地解析高爐“黑箱”本質反應及狀態(tài)，為高爐操作和調整提供準確定量的依據(jù)；“移”即移動互聯(lián)，通過建立大數(shù)據(jù)平臺，開發(fā)煉鐵移動工廠APP，實現(xiàn)移動互聯(lián)、遠程工況診斷和“云服務”［12］。

3.2 主要內容

應用信息技術和物聯(lián)網(wǎng)技術構建高爐及其附屬工序大數(shù)據(jù)處理中心，同時整合MES和ERP系統(tǒng)數(shù)據(jù)，打破信息“孤島”，所有數(shù)據(jù)實現(xiàn)同步采集與預處理，建立高爐大數(shù)據(jù)云平臺，為高爐實現(xiàn)智慧化生產(chǎn)和管理模式奠定基礎。高爐大數(shù)據(jù)中心平臺基本構架見圖2。

圖2 高爐大數(shù)據(jù)中心平臺基本構架Fig.2 Basic Framework for BF Big Data Center Platform

3.2.1 建立以數(shù)據(jù)為驅動的大數(shù)據(jù)處理平臺

（1）智慧高爐大數(shù)據(jù)平臺設計

把高爐、附屬工序、ERP、MES系統(tǒng)海量工業(yè)數(shù)據(jù)匯聚到大數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)共享，建立以數(shù)據(jù)為驅動的大數(shù)據(jù)平臺。大數(shù)據(jù)平臺符合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺行業(yè)標準，必須包含數(shù)據(jù)采集與通訊、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、邊緣計算、API、數(shù)學模型。

數(shù)據(jù)采集與通訊通過OPC或串口通訊協(xié)議讀取工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)向上傳至云端，數(shù)據(jù)在云端經(jīng)過處理和分類后，分散發(fā)送到邊緣端、API和數(shù)學模型［13-14］。

（2）大數(shù)據(jù)預處理技術研究和數(shù)據(jù)平臺建設

由于從PLC儀表自動采集數(shù)據(jù)時，受高爐工作環(huán)境、噪聲、干擾信號等因素影響，以及在計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通訊過程中，難免發(fā)生數(shù)據(jù)疊加誤差和某一個采樣周期部分數(shù)據(jù)丟失等問題，導致如果直接使用數(shù)據(jù)會產(chǎn)生錯誤結論。同時，一些儀表數(shù)據(jù)數(shù)量級存在較大差異，直接使用不利于數(shù)據(jù)分析，也容易導致錯誤的結論。因此，需要進行數(shù)據(jù)的預處理，經(jīng)過處理后數(shù)據(jù)才能準確地作為大數(shù)據(jù)平臺基礎數(shù)據(jù)。構建數(shù)據(jù)轉換平臺，用于支撐外部數(shù)據(jù)采集、內部數(shù)據(jù)整合與處理以及為智慧高爐應用提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務［13-14］。

3.2.2 開發(fā)與應用高爐工藝計算模型

（1）在大數(shù)據(jù)中心邊緣端開發(fā)與應用高爐工藝計算模型，作為輔助管理工具，提高高爐生產(chǎn)管理水平。

（2）在大數(shù)據(jù)中心邊緣端開發(fā)與應用高爐爐缸侵蝕模型，用于監(jiān)控爐缸內襯侵蝕狀態(tài)、計算炭磚剩余厚度，保證高爐安全受控，采用三維可視化技術提升高爐智慧化水平。

（3）在大數(shù)據(jù)中心邊緣端開發(fā)高爐操作爐型管理模型，監(jiān)控大型高爐操作爐型變化，爐型控制得好，將會有利于實現(xiàn)爐況的長期穩(wěn)定順行，是實現(xiàn)低燃料比生產(chǎn)和提高利用系數(shù)的有效措施。

（4）在大數(shù)據(jù)中心邊緣端開發(fā)高爐爐缸平衡管理模型，出鐵操作是高爐重要操作制度之一，良好出鐵操作可保證每次出凈渣鐵，保證爐料下降順暢，有利于高爐穩(wěn)定順行。

3.2.3 開發(fā)與應用設備遠程監(jiān)控模型

基于集中管控云平臺開發(fā)與應用高爐主要設備遠程監(jiān)控模型。設備穩(wěn)定性是影響高爐生產(chǎn)的主要要素之一，由于各種設備數(shù)量龐大、種類眾多，而且分布區(qū)域很廣，僅僅依靠人力對這些設備進行維護，幾乎是不可能的事情，由于沒有及時發(fā)現(xiàn)而導致設備故障，影響生產(chǎn)順利運行的事故時有發(fā)生。利用大數(shù)據(jù)進行全系統(tǒng)的設備工作狀態(tài)監(jiān)測、診斷和管理，實現(xiàn)遠程無人化點檢。

3.2.4 智慧化高爐核心內容

（1）基于集中管控云平臺智慧高爐評價系統(tǒng)，從大數(shù)據(jù)中心一些日常操作控制參數(shù)中合理選用重要參數(shù)以及參數(shù)組合指數(shù)，作為高爐順行指數(shù)的判別依據(jù)，從大數(shù)據(jù)中心提取不同的高爐對應的控制界限，對所選擇指數(shù)進行評估，然后開展綜合評價和實時評價，根據(jù)評價結果指導高爐進行及時調整操作參數(shù)，提高爐況穩(wěn)定性。

（2）基于云計算方法實現(xiàn)高爐生產(chǎn)全流程數(shù)據(jù)關聯(lián)分析與數(shù)據(jù)挖掘。在數(shù)據(jù)平臺基礎上，高爐數(shù)據(jù)分析與挖掘系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)關聯(lián)分析和挖掘方法分析高爐煉鐵全流程數(shù)據(jù)，挖掘影響高爐生產(chǎn)和操作的主因、隱因以及高爐操作關聯(lián)，實現(xiàn)操作經(jīng)驗等隱形數(shù)據(jù)顯性化和隱性知識顯性化，為高爐機理建模提供修正參數(shù)，優(yōu)化高爐操作參數(shù)和操作制度，達到高爐高效低耗的目的［15-16］?！霸啤奔夹g基本模式見圖3。

圖3 “云”技術基本模式Fig.3 Basic Mode for CLOUD Technology

（3）建立高爐機理模型與數(shù)字化模擬相融合系統(tǒng)，高爐機理建模與數(shù)字化仿真系統(tǒng)融合機理的全高爐綜合數(shù)學模型，可實現(xiàn)全高爐仿真和工作狀態(tài)精確解析，提供高爐爐況預測結果和匹配操作的推送、完成高爐操作變更影響因素的推送、完成高爐運行趨勢分析結果的推送和歷史數(shù)據(jù)溯源結果的推送［4］，具體流程見圖 4。

圖4 機理模型與數(shù)字化模擬相融合Fig.4 Mechanism Model Syncretized with Digital Simulation

（4）高爐數(shù)據(jù)孿生。建立高爐操作多目標優(yōu)化決策和建議反饋系統(tǒng)，應用深度學習和集成學習對高爐爐況健康狀態(tài)進行精準預測和科學溯因，實現(xiàn)高爐虛擬操作，實現(xiàn)對高爐運行狀態(tài)的全方位掌控。以高爐關鍵變量和爐況健康狀態(tài)為目標，利用高爐專家知識和規(guī)則，反饋最小偏差操作參數(shù)，實現(xiàn)高爐實時動態(tài)爐況的多目標優(yōu)化決策建議反饋，實現(xiàn)高爐操作自適應、自感知優(yōu)化控制［17-18］。高爐孿生系統(tǒng)構成框架見圖5。

圖5 高爐孿生系統(tǒng)構成框架Fig.5 Construction of Framework for BF Twin System

4 結語與展望

基于大數(shù)據(jù)智能互聯(lián)平臺實施“物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能模型、云計算”等新技術，充分利用大數(shù)據(jù)平臺，開發(fā)基于冶煉機理的智能模型以及基于大數(shù)據(jù)分析和挖掘、機器學習技術的智能平臺，實現(xiàn)對高爐及附屬工序實時工作狀態(tài)、趨勢預測和目標優(yōu)化控制的智慧生產(chǎn)和管理模式。

智慧高爐最終目的是基于高爐煉鐵工作過程的深度解析和高爐歷史數(shù)據(jù)全流程挖掘，給出異常爐況智能化預測方法，實現(xiàn)高爐長期穩(wěn)定順行，提高高爐煉鐵的智能化水平和標準化水平，高爐操作實現(xiàn)智能化，高爐管理實現(xiàn)科學化，高爐冶煉過程實現(xiàn)可視化。

智慧高爐發(fā)展遠景是將虛擬現(xiàn)實技術深度應用于高爐冶煉生產(chǎn)過程，構建多源信息融合的具有沉浸性、交互性的高爐冶煉環(huán)境，開發(fā)高爐APP功能，實現(xiàn)移動互聯(lián)、遠程診斷和“云服務”。