摘 要：從20 世紀90 年代開(kāi)始，專(zhuān)家系統在國外高爐得到推廣應用。同時(shí)期，我國采用多種模式開(kāi)發(fā)與應用高爐專(zhuān)家系統，但由于操作理念、檢測數據、維護等原因，國內高爐專(zhuān)家系統沒(méi)有達到預期效果。在新形勢下，結合信息化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，專(zhuān)家系統應該向高爐集約化、可視化管理模式發(fā)展。
國外高爐專(zhuān)家系統
高爐數學(xué)模型:
在高爐專(zhuān)家系統形成以前，計算機技術(shù)在高爐冶煉過(guò)程中的應用是從數學(xué)模型開(kāi)始的。最早是20 世紀50 年代初期的靜態(tài)數學(xué)模型，例如前蘇聯(lián)的拉姆配料計算模型、美國內陸鋼鐵公司的物料平衡計算數學(xué)模型等。20 世紀70 年代，由于石油危機，降低高爐焦比成為企業(yè)重點(diǎn)，以降低高爐焦比為主要目的數學(xué)模型相繼被開(kāi)發(fā)與應用出來(lái)，如法國鋼鐵研究院開(kāi)發(fā)的Rist 模型、Wu 模型，比利時(shí)冶金研究中心開(kāi)發(fā)的Ec 模型，日本住友公司開(kāi)發(fā)的Ts 模型。
20 世紀80 年代，日本鋼鐵工業(yè)開(kāi)始崛起，對9 座720m3～1420m3 在線(xiàn)生產(chǎn)高爐和4 座實(shí)驗小高爐進(jìn)行整體解剖調查分析，以及對系統物理模型模擬實(shí)驗，了解高爐冶煉過(guò)程中發(fā)生一些現象的內在規律、現象，推進(jìn)高爐數學(xué)模型快速發(fā)展，相繼開(kāi)發(fā)與應用動(dòng)態(tài)數學(xué)模型、一維和二維數學(xué)模型，高爐數學(xué)模型不僅種類(lèi)繁多，而且覆蓋范圍廣，具體見(jiàn)表1。
20 世紀90 年代由于“多流體理論”問(wèn)世，該理論將爐內各物質(zhì)分成氣相、固相、液相和粉相，并被用來(lái)描述高爐下部區域反應的結構。該階段數學(xué)模型基本上采用CFD-DEM 相結合開(kāi)發(fā)方法，數學(xué)模型從一維模型發(fā)展到二維模型和三維模型。經(jīng)過(guò)20 年發(fā)展，一些應用效果較好的數學(xué)模型融合到高爐專(zhuān)家系統中。
日本高爐專(zhuān)家系統：
日本首先提出開(kāi)發(fā)高爐專(zhuān)家系統，首先是集成數學(xué)模型。1986 年，該模型首次在日本鋼管公司福山高爐應用，之后日本大型鋼鐵公司相繼開(kāi)發(fā)與應用不同的高爐專(zhuān)家系統，例如新日鐵大分廠(chǎng)SAFAIA 系統和君津高爐ALIS 系統，用于軟融帶判斷、高爐開(kāi)爐及休風(fēng)恢復操作指導。京濱高爐專(zhuān)家系統包含無(wú)鐘爐頂布料模型、裝料制度、煤氣流分布、爐體溫度場(chǎng)、風(fēng)量、風(fēng)壓、透氣性等數學(xué)模型。日本鋼管福山廠(chǎng)BAISYS 系統，包含爐況檢測診斷與控制、異常爐況預報與控制、布料控制和爐溫預報等數學(xué)模型。日本住友金公司HYBRID系統，將數學(xué)模型和高爐專(zhuān)家規則相結合，用于判斷爐況、計算爐熱指數TS、鐵水[Si]含量與鐵水溫度的預報和高爐操作指導。
日本川崎GO-STOP 系統由8 種指數計算模型構成，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(gè)指數檢驗、評價(jià)和診斷高爐冶煉過(guò)程爐況狀態(tài)，抽取230 個(gè)監測信息用于推理機推理，建立600 條專(zhuān)家知識規則。日本川崎之后在GO-STOP 基礎上，又開(kāi)發(fā)與應用Advanced GO-STOP，目前GO-STOP系統已經(jīng)成為各種專(zhuān)家系統的基礎。
芬蘭Rautaruuki 高爐專(zhuān)家系統：
芬蘭Rautaruuki 高爐專(zhuān)家系統主要由4 個(gè)子系統組成：
高爐熱狀態(tài)系統。計算高爐熱指數、下料指數、直接還原度指數及碳素熔損指數、煤氣成分指數、渣皮脫落指數、透氣性指數、阻力系數及Rist 操作線(xiàn)等，通過(guò)8 個(gè)指數計算，識別操作參數對爐溫影響程度，并根據計算結果提出操作建議。
高爐操作爐型管理。計算冷卻壁熱負荷、計算爐體溫度場(chǎng)分布，監控渣皮脫落、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(jià)，對煤氣利用率、總壓差、局部壓差做短周期、中周期和長(cháng)周期評價(jià)，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(shí)時(shí)計算爐缸內渣鐵生成量和殘余量，并與爐缸安全容鐵量進(jìn)行比對，指導高爐出鐵操作，間接判斷軟融帶上下移動(dòng)程度。
奧鋼聯(lián)VAiron 高爐專(zhuān)家系統：
1992 年的早期專(zhuān)家系統是咨詢(xún)式專(zhuān)家系統，主要功能是對工藝參數進(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(zhuān)家系統，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。系統由過(guò)程信息管理系統、過(guò)程數學(xué)模型、爐況的診斷評估系統、爐況調節和執行系統組成。
其他類(lèi)型高爐專(zhuān)家系統：
德國帝森克虜伯公司高爐專(zhuān)家系統（THYBAS）。THYBAS 系統用于判斷軟熔帶、計算最低燃料比、預報鐵水溫度、計算爐缸內渣鐵液位高度。
瑞典高爐智能報警系統。應用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )、專(zhuān)家系統和專(zhuān)家規則預測爐溫。
法國高爐高級監控系統。法國的SOLLAC 公司開(kāi)發(fā)SACHEM 高爐高級監控系統，用于異常爐況預報和實(shí)時(shí)爐況診斷。
國外最典型高爐專(zhuān)家系統主要有3個(gè)，分別是日本的GO-STOP 系統、芬蘭Rautaruuki 高爐專(zhuān)家系統和奧鋼聯(lián)VAiron 高爐專(zhuān)家系統。目前，德國西門(mén)子公司組合芬蘭Rautaruuki 和奧鋼聯(lián)VAiron 高爐專(zhuān)家系統，開(kāi)發(fā)新一代高爐專(zhuān)家系統。
我國高爐專(zhuān)家系統
我國高爐數學(xué)模型和專(zhuān)家系統起步相對較晚，發(fā)展過(guò)程與國外基本類(lèi)似，首先從數學(xué)模型開(kāi)始，之后開(kāi)展高爐專(zhuān)家開(kāi)發(fā)與應用。
我國高爐數學(xué)模型開(kāi)發(fā)過(guò)程：
我國最早的高爐數學(xué)模型是1987 年由清華大學(xué)與鞍鋼合作開(kāi)發(fā)的鐵水[Si]含量預報模型，應用在鞍鋼9號高爐和4 號高爐，預報命中率82%，用于輔助高爐操作人員判斷爐溫發(fā)展趨勢。20 世紀90 年代，一些企業(yè)與科研機構合作開(kāi)發(fā)與應用一些數學(xué)模型，見(jiàn)表2。
我國高爐數學(xué)模型種類(lèi)少，前期主要集中在鐵水[Si]含量預報模型，雖然后期相繼開(kāi)發(fā)一些數學(xué)模型，但應用效果均沒(méi)有達到預期目標。
我國高爐專(zhuān)家系統開(kāi)發(fā)過(guò)程：
20 世紀90 年代以后，隨著(zhù)國內高爐急速向大型化、現代化發(fā)展，許多大型高爐在基礎自動(dòng)化改造中采用計算機一級和二級系統，為高爐專(zhuān)家系統的開(kāi)發(fā)與應用奠定了基礎。國內高爐專(zhuān)家系統主要有三種類(lèi)型。
引進(jìn)國外高爐專(zhuān)家系統。如寶鋼引進(jìn)日本的GO-STOP 系統，1996 年投入運行；武鋼、本鋼、首鋼和唐鋼引進(jìn)芬蘭高爐專(zhuān)家系統；攀鋼、沙鋼、昆鋼、重鋼和南鋼引進(jìn)奧鋼聯(lián)的高爐專(zhuān)家系統。
在引進(jìn)國外專(zhuān)家系統基礎上，國內企業(yè)與科研機構合作開(kāi)發(fā)的高爐專(zhuān)家系統。例如，寶鋼在引進(jìn)與消化日本“GO-STOP”系統基礎上，與復旦大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了“爐況監視和管理系統”。武鋼在引進(jìn)芬蘭高爐專(zhuān)家系統的基礎上，與北京科技大學(xué)合作在1 號高爐開(kāi)發(fā)自己的高爐專(zhuān)家系統。
自主開(kāi)發(fā)的高爐專(zhuān)家系統。例如首鋼與原冶金部自動(dòng)化研究院合作開(kāi)發(fā)的“人工智能高爐冶煉專(zhuān)家系統”，系統包括爐體熱狀態(tài)判斷系統、異常爐況判斷和爐體狀態(tài)判斷3個(gè)子系統；馬鋼與原冶金部自動(dòng)化研究院合作開(kāi)發(fā)“馬鋼高爐爐況診斷專(zhuān)家系統”；南鋼與重慶大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的“南鋼高爐操作管理系統”；鞍鋼開(kāi)發(fā)的“11 號高爐人工智能系統”；浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)的“高爐煉鐵優(yōu)化專(zhuān)家系統”分別在杭鋼、新臨鋼鐵、萊鋼、濟鋼和邯鋼高爐得到推廣與應用。該系統針對國內高爐實(shí)際條件，利用動(dòng)態(tài)規劃理論建立多目標優(yōu)化數學(xué)模型，尋找冶煉參數的最佳范圍、最佳組合，從而實(shí)現爐況故障診斷、爐溫預報與高爐生產(chǎn)報表自動(dòng)打印，對爐況進(jìn)行綜合推斷，使高爐順行穩定程度提高，實(shí)現控制、管理一體化。
國內高爐專(zhuān)家系統存在問(wèn)題：
與國外企業(yè)相比，國內高爐專(zhuān)家系統起步晚，整體上高爐專(zhuān)家系統遠沒(méi)有達到預期目標，大部分企業(yè)在嘗試應用一段時(shí)間后，由于各種原因，最終還是選擇放棄。國內專(zhuān)家系統不成功主要原因如下：
高爐操作理念差異。國內高爐操作者側重自身經(jīng)驗，主要靠監控一級畫(huà)面來(lái)操作高爐，國外高爐大部分常規操作均由專(zhuān)家系統自動(dòng)閉環(huán)控制或按高爐專(zhuān)家系統指導操作；
化檢驗數據失真或輸入滯后，專(zhuān)家系統得到數據不可靠或數據時(shí)效性差，造成推理機給出錯誤的反饋信息，造成高爐操作人員對專(zhuān)家系統失去信任；
一級自動(dòng)化檢測系統不可靠，例如，大部分高爐提供的爐頂煤氣成分在線(xiàn)自動(dòng)分析和爐身靜壓力儀表數據均不準確；
高爐專(zhuān)家系統缺少有效維護，尤其引進(jìn)的高爐專(zhuān)家系統，由于沒(méi)有培養自己的專(zhuān)業(yè)維護人員，專(zhuān)家系統得不到有效維護與完善，最后被迫放棄。
高爐專(zhuān)家系統發(fā)展方向
在新形勢下，我國經(jīng)濟已由高速增長(cháng)階段轉向高質(zhì)量發(fā)展階段，《鋼鐵“十三五”規劃》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(chǎng)，尤其是支持鋼鐵生產(chǎn)關(guān)鍵工序的大數據中心平臺建設。因此，結合信息化技術(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(dòng)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、現代化改造，高爐裝備水平達到世界領(lǐng)先，要結合先進(jìn)信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高爐上應用，實(shí)現高爐大數據云平臺、大數據挖掘與智能分析，實(shí)現智慧化、集約化管理模式。
建立以高爐為核心覆蓋其他煉鐵工序數據源和大數據處理中心的信息系統，打破信息“孤島”，建立集團公司級煉鐵大數據智能網(wǎng)絡(luò )平臺，為高爐群實(shí)現集約化管理模式奠定基礎；
建立高爐機理模型與數字化模擬相融合系統。建立“數字化高爐”仿真平臺，深度解析高爐冶煉機理以及高爐多元、多相、多場(chǎng)強烈耦合的內部現象，將高爐冶煉機理與數據分析融合，修正與重構高爐數學(xué)模型。
高爐大數據全流程挖掘與云計算。將歷史數據與當前操作關(guān)聯(lián)，實(shí)現高爐生產(chǎn)過(guò)程多種操作參數優(yōu)化，推算最佳高爐工藝路線(xiàn)。
建立高爐操作指導系統。匯集全方位數據，對數據溯源分析，對特征數據提取、整合、結果推送，推送變更操作影響因素和上一班次操作參數爐況評價(jià)和運行趨勢分析結論。
推動(dòng)高爐冶煉過(guò)程向可視化技術(shù)發(fā)展
將虛擬現實(shí)技術(shù)（VR）應用于高爐冶煉生產(chǎn)過(guò)程，構建多源信息融合交互性的高爐冶煉環(huán)境，充分發(fā)揮大數據的價(jià)值，實(shí)現高爐大數據云平臺交互，高爐冶煉全過(guò)程可視化管理，實(shí)現“黑盒子”向“白盒子”的突破性進(jìn)步。
開(kāi)發(fā)爐頂料面三維可視化監控系統。采用多項高爐可視化監控和仿真技術(shù)，使用爐頂攝影圖像和激光料面掃描檢測儀表，通過(guò)圖像識別技術(shù)建立料面形狀分布參數，指導高爐布料操作。
開(kāi)發(fā)高爐操作爐型三維可視化監控系統。建立高爐爐內不同區域爐墻內型變化和爐內氣流分布判斷模型，實(shí)現對爐體的內襯厚度、渣皮厚度、操作爐型的在線(xiàn)監測和圖像重建，對爐墻結瘤、渣皮頻繁脫落、操作爐型不合理等異常情況進(jìn)行診斷。
開(kāi)發(fā)高爐風(fēng)口回旋區三維可視化監控系統。應用多視角的高爐風(fēng)口CCD 圖像，利用圖像識別技術(shù)建立高爐風(fēng)口回旋區模型，可視化地反映回旋區分布情況，監控風(fēng)口區域焦炭運動(dòng)、噴吹煤粉流股大小，及時(shí)發(fā)現風(fēng)口區域生降等，判斷高爐爐缸工作狀態(tài)。
開(kāi)發(fā)三維數字化爐缸內襯侵蝕可視化診斷系統。有效實(shí)現復雜條件和不充分條件下的爐缸內襯侵蝕三維可視化監控，實(shí)現各個(gè)服役階段爐缸的侵蝕診斷和安全評估，科學(xué)確定爐缸內襯的安全厚度和安全預警線(xiàn)，科學(xué)制定目標爐缸安全維護技術(shù)，保證高爐安全受控。
結語(yǔ)
雖然我國高爐專(zhuān)家系統起步晚，但我國高爐數量眾多，而且基本上完成現代化改造，配置先進(jìn)基礎自動(dòng)化和先進(jìn)計算機系統，具備開(kāi)發(fā)高爐專(zhuān)家系統基礎條件。在國家鼓勵制造業(yè)加速向數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化方向拓展政策引導下，鋼鐵企業(yè)應根據自身高爐裝備水平、原燃料條件，開(kāi)發(fā)符合自身特點(diǎn)、針對企業(yè)自身存在主要問(wèn)題的專(zhuān)家系統。
具有多座高爐的企業(yè)應該將數據庫、物聯(lián)網(wǎng)、高爐專(zhuān)家系統充分融合，在新形勢下，結合信息化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現高爐群集約化管理模式，開(kāi)發(fā)與應用高爐冶煉過(guò)程可視化集成技術(shù)，實(shí)施高爐冶煉全過(guò)程可視化管理模式，努力實(shí)現高爐生產(chǎn)過(guò)程的精確在線(xiàn)控制，達到高效、綠色、安全的生產(chǎn)目標。
作者：車(chē)玉滿(mǎn) 郭天永 孫鵬 姜喆 姚碩 費靜 劉炳南
