陳令坤 李 佳

(1武漢鋼鐵集團公司研究院，武漢 430081)(2武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院，武漢 430081)

高爐專家系統(tǒng)的開發(fā)是個老問題，上世紀90年代起世界各國開始進行研究，經(jīng)過十多年的研究與開發(fā)，取得了很大進展，也開發(fā)了一些實用的系統(tǒng)［1-10］，但總體使用效果并未達到令人滿意的程度，許多研究人員也進行了總結(jié)，究其原因主要是由于系統(tǒng)的構(gòu)成及內(nèi)容并不能反應(yīng)高爐本身的復(fù)雜性，同時系統(tǒng)本身也難以完全模擬高爐操作人員的決策過程.國內(nèi)許多鋼廠購買了專家系統(tǒng)，為了讓該系統(tǒng)充分發(fā)揮作用，對這些系統(tǒng)的再開發(fā)就提上了日程.武鋼對相關(guān)系統(tǒng)的改進持續(xù)了10多年，取得了一定的成績，本文將對相關(guān)的開發(fā)經(jīng)驗進行總結(jié)，以推動相關(guān)研究工作的深入開展.

1 基于模式識別的自學(xué)習(xí)型高爐冶煉專家系統(tǒng)的開發(fā)

1.1 開發(fā)基于模式識別的專家系統(tǒng)的必要性

高爐本身體積巨大，現(xiàn)代大型高爐體積普遍在2000 m3以上，從控制角度講，高爐是一個多變量、大滯后、非線性的巨大系統(tǒng)，目前尚無確定的算法以實現(xiàn)類似系統(tǒng)的控制，各個高爐的操作也主要是由人工進行控制，但由于人為因素的影響，高爐失常也經(jīng)常發(fā)生，大型高爐每次失常都會造成巨大的損失，盡管經(jīng)過充分訓(xùn)練的工長可很好地操作高爐，但還存在開發(fā)高水平高爐過程控制系統(tǒng)的期望.

經(jīng)過幾十年的摸索，人們提出了很多種控制類似于高爐這樣系統(tǒng)的思想、算法，經(jīng)過多年的探索，感覺模式識別技術(shù)和人工智能相結(jié)合對于解決高爐過程控制是一條不錯的選擇.高爐操作人員對某一高爐現(xiàn)象的監(jiān)控及判斷過程如下表1所示.從表1中可以看出感覺模式識別技術(shù)和人工智能結(jié)合比較符合高爐操作人員操作高爐的思維流程.

表1 高爐操作人員對高爐現(xiàn)象的監(jiān)控及判斷過程

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于上述判斷，在實際高爐過程檢測及控制系統(tǒng)的開發(fā)過程中提出一種新結(jié)構(gòu)，如圖1所示.該系統(tǒng)的核心在于高爐現(xiàn)象的模式識別，通過借助于高爐過程的監(jiān)測信息對高爐現(xiàn)象(氣流分布、爐型變化、布料、典型參數(shù)變化特征、爐頂紅外圖像、高爐狀態(tài)等)進行模式識別，將模式識別的結(jié)果在數(shù)據(jù)庫中存放起來，專家系統(tǒng)的規(guī)則也是根據(jù)各種爐況及高爐現(xiàn)象的模式制定，在專家系統(tǒng)運行時首先獲取推理時段的高爐過程監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷控制現(xiàn)象的當前狀態(tài)(模式)，其次檢索高爐控制知識庫中的規(guī)則，判斷是否要對該現(xiàn)象進行調(diào)整(推理)，如需要進行調(diào)整就給出操作建議(調(diào)劑手段).

1)單個高爐監(jiān)測信息的模式識別

一座大型高爐有幾百、上千個信息檢測點，高爐操作人員在對爐況進行判斷時也需要借助于這些監(jiān)測信息，他們根據(jù)單個信息的不同表現(xiàn)及不同監(jiān)測信息的綜合評估可以對高爐狀態(tài)做出準確的判斷，我們只對影響高爐的典型檢測變量，如風(fēng)量、風(fēng)溫、風(fēng)壓、壓差、熔損反應(yīng)消耗的碳量、熱指數(shù)、熱負荷、爐頂煤氣中的CO2等監(jiān)測信息的變化特征進行模式識別［11］，識別過程中首先要制作樣本，樣本的制作根據(jù)各個現(xiàn)象的特征來進行，一般選擇一段時間的一串數(shù)據(jù)構(gòu)成一個樣本，通過模式識別來對各個變量的變化模式分類、評估.

2)單種高爐現(xiàn)象的模式識別

按照操作習(xí)慣，一般講高爐控制的內(nèi)容劃分為氣流控制、布料控制、爐型管理、下料控制、爐溫控制、爐缸狀態(tài)控制等環(huán)節(jié)，單個現(xiàn)象的影響因素很多，狀態(tài)也千變?nèi)f化，不同的人有不同的經(jīng)驗，經(jīng)驗豐富與否、是否揭示了現(xiàn)象變化的規(guī)律、能否靈活運用就成了不同操作人員水平高低的一個依據(jù).在基于模式識別的高爐冶煉專家系統(tǒng)的開發(fā)中主要關(guān)注了氣流控制、布料控制、爐型管理、下料控制、爐溫控制、爐缸狀態(tài)控制等現(xiàn)象的模式識別.3)自學(xué)習(xí)功能的實現(xiàn)

圖1 基于模式識別的高爐過程控制專家系統(tǒng)框圖

一個系統(tǒng)要具有活力，必須具有自學(xué)習(xí)的能力，以前的高爐冶煉專家系統(tǒng)之所以難以長久地應(yīng)用于高爐操作，一個主要的原因是系統(tǒng)本身難以及時適應(yīng)高爐狀態(tài)的變化，專家系統(tǒng)的規(guī)則、參數(shù)、門檻值難以滿足高爐實時變化的需要，本專家系統(tǒng)具備部分自學(xué)習(xí)的能力.

2 冶煉專家系統(tǒng)的開發(fā)實例

2.1 重要參數(shù)的模式識別

基于模式識別的高爐冶煉專家系統(tǒng)的開發(fā)基礎(chǔ)是重要參數(shù)的模式識別，雖然高爐的檢測內(nèi)容很多，在高爐操作過程中，高爐操作人員實時關(guān)注的變量不是太多，一般而言，主要關(guān)注風(fēng)量BV、風(fēng)溫BT、風(fēng)壓BP、壓差DP、熔損反應(yīng)消耗的碳量SLC、熱指數(shù)Tq、熱負荷STVT、爐頂煤氣CO2等監(jiān)測信息，這些變量中既有操作變量BV，BP，也有過程表征變量 CO2，STVT，Tq，SLC，只要實現(xiàn)這些變量的變化模式的識別，就能夠判斷爐況的變化特征，從而針對具體的爐況制定出合適的參數(shù)控制范圍.

要實現(xiàn)參數(shù)變化模式的識別，首先需要制作樣本，這里采用一個數(shù)據(jù)串作為模式識別的基本單元，根據(jù)爐況特點找出參數(shù)的變化所有組合狀態(tài).表2列出2010年2月至5月份高爐熱指數(shù)變化特征的模式識別結(jié)果，樣本通過1 h的數(shù)據(jù)而獲得，其他變量也可以獲得變化特征，在此不贅述.

表2 爐熱指數(shù)的變化模式

2.2 爐況模式識別

一般用表3所示的參數(shù)表征爐況變化，這些參數(shù)也是高爐專家系統(tǒng)知識庫中的重要管理對象.

表3 專家系統(tǒng)參數(shù)主要功能對比

在上述單變量的模式識別后，即可以從事多變量的模式識別，表4列出了多變量模式識別的一個計算實例，這些參數(shù)的組合表征了爐況的變化.

2.3 高爐現(xiàn)象的模式識別

2.3.1 氣流控制模式識別

利用計算機技術(shù)將各種高爐現(xiàn)象進行模式的識別［12-13］，這里簡單列出表征煤氣流分布的爐頂溫度的模式識別結(jié)果，如圖2所示.爐頂煤氣流溫度曲線反映了中心氣流和邊緣氣流的強弱、變化，在高爐操作過程中，借助于4條爐頂煤氣溫度曲線的變化，可以判斷出邊緣氣流、中心氣流的強弱、變化，可以識別出偏料，可以識別出管道、可以識別出流槽的工作狀況等.其他現(xiàn)象的模式識別可以同樣進行處理.

2.3.2 爐型變化的模式識別

為了確保高爐運行的長治久安，需要密切注意爐型管理問題，高爐內(nèi)表面的工作狀況對高爐冶煉過程的順利進行有巨大的影響，高爐內(nèi)表面的狀況處于一種不斷變化的過程中，高爐順利冶煉需要內(nèi)表面盡可能保持一種合適的內(nèi)型，內(nèi)表面既不能粘結(jié)太多的爐料阻礙爐料的順利下降，也不能使內(nèi)表面直接接觸煤氣流及下降爐料的摩擦，這就需要能夠及時識別出高爐內(nèi)型的狀況.

這里列出了武鋼在爐型變化的模式識別方面做的主要工作［14］，通過模式識別，共獲得了25類典型的爐型分布模式，這里只列出了1種代表爐型變化特征的冷卻壁溫度沿高爐縱向的分布狀況，如圖3所示.

經(jīng)過專家系統(tǒng)推理，告訴操作人員的是冷卻壁7，8，9，10段溫度高，其他溫度偏高，軟融帶位置較高，區(qū)間較寬，需要注意高爐操作的變化.

表4 主要參數(shù)相互之間變化模式統(tǒng)計表

圖2 高爐爐頂煤氣溫度變化模式的模式識別

圖3 爐型模式識別的結(jié)果

2.3.3 布料模式識別

調(diào)劑布料主要考慮滿足下列目標:調(diào)整爐型，穩(wěn)定氣流，穩(wěn)定下料，提高煤氣利用率.

高爐布料調(diào)劑過程中，需要從氣流演化的過程來判斷布料調(diào)劑與否，同時必須考慮壓差、風(fēng)量、原料等條件的變化，如果條件不具備，一般也不會輕易調(diào)劑高爐布料.高爐爐況的變化可以通過溶損反應(yīng)碳量SLC，熱指數(shù)，CO2，STVT等參數(shù)的變化顯示出來，調(diào)劑布料需關(guān)注的內(nèi)容如表5所示.

首先判斷高爐的主要矛盾，按照原料、爐型、爐況、氣流、綜合調(diào)劑、強化冶煉的順序進行判斷，通過典型參數(shù)的變化，判斷出是否需要高爐布料調(diào)劑，高爐布料計算機調(diào)劑的過程如圖4所示.該程序已經(jīng)用于高爐布料控制，取得了一定的效果.

表5 調(diào)劑布料需關(guān)注的內(nèi)容

3 基于模式識別的自學(xué)習(xí)型高爐冶煉專家系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 專家系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)秉承武鋼1號高爐專家系統(tǒng)的設(shè)計理念，采用了面向高爐工長的設(shè)計思路，專家系統(tǒng)規(guī)則庫中共包括近2000條規(guī)則.

3.2 專家系統(tǒng)的應(yīng)用

從2010年8月起， 操作平臺型專家系統(tǒng)在武鋼5號高爐正式投入運行.經(jīng)過使用培訓(xùn)，該專家系統(tǒng)已成為工長操作高爐的得力助手，對改善高爐技術(shù)經(jīng)濟起了重要作用.

借助該專家系統(tǒng)，高爐工長能更有效地操作高爐，及時掌握高爐布料、爐型、爐溫及爐底侵蝕等情況的變化，高爐順行狀況得到了改善.為了評價該專家系統(tǒng)應(yīng)用的經(jīng)濟效益，取該系統(tǒng)正式投運(2010年8月)前后各8個月5號高爐的技術(shù)經(jīng)濟指標進行對比分析，如表6所示.

從表6可以看出，2010年8月高爐專家系統(tǒng)投運后，5號高爐的技術(shù)經(jīng)濟指標比上半年有明顯改善，校正后降低焦比8.42 kg/t，節(jié)約焦炭7732.3 t； 增產(chǎn) 34142 t.

4 結(jié)語

圖4 高爐布料計算機調(diào)劑的過程

表6 5號高爐專家系統(tǒng)投運前后技術(shù)經(jīng)濟指標對比

基于模式識別的原則，武鋼5號高爐專家系統(tǒng)對高爐布料、爐型管理、爐溫預(yù)報、爐缸爐底侵蝕、高爐順行進行了研究.該系統(tǒng)可對重要參數(shù)進行了模式識別，在此基礎(chǔ)上可以及時準確地評估高爐的整體狀態(tài)，并完成高爐重要現(xiàn)象的模式識別，如實現(xiàn)了煤氣流分布的模式識別，對于分析氣流分布、調(diào)劑布料發(fā)揮了重要作用，同時利用武鋼5號新開發(fā)的高爐專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了高爐布料調(diào)劑的自動處理，通過及時的布料調(diào)劑，5號高爐獲得了較好的技術(shù)經(jīng)濟指標，確保了高爐的穩(wěn)定順行.

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