摘要：從 20 世紀 90 年代開始，專家系統在國外高爐得到推廣應用。同時期，我國採用多種模式開發與應用高爐專家系統，但由於操作理念、檢測數據、維護等原因，國內高爐專家系統沒有達到預期效果。在新形勢下，結合信息化技術、物聯網技術，專家系統應該向高爐集約化、可視化管理模式發展。
關鍵詞： 高爐；專家系統；集約化；可視化
隨著計算機和信息技術在工業領域應用，早期應用高爐冶煉過程機理或數理統計方法，開發與應用一些工藝計算數學模型，為高爐操作者提供計算工具和操作建議。隨著檢測技術進步和智能儀表應用，高爐專家系統或高爐人工智慧系統逐漸成為熱點，匯集高爐專家的經驗，結合計算機技術和信息技術，形成各種專家知識庫和規則庫，能夠及時準確地判斷出高爐冶煉過程爐況發展趨勢和即將可能發生的各種異常爐況，減少高爐操作人員對爐況誤判，實現高爐操作精細化和規範化，提高高爐生產效率和降低能效。
1 國外高爐專家系統
1.1 高爐
在高爐專家系統形成以前，計算機技術在高爐冶煉過程中的應用是從數學模型開始的。最早是 20 世紀50 年代初期的靜態數學模型，例如前蘇聯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模型等。20 世紀 70 年代，隨著石油危機，降低高爐焦比則成為企業重點，相繼開發與應用以降低高爐焦比為主要目的數學模型，如法國鋼鐵研究院開發的 Rist 模型、Wu 模型，比利時冶金研究中心開發的 Ec 模型， 日本住友公司開發的 Ts 模型。
20 世紀 80 年代，隨著日本鋼鐵工業的崛起，對 9 座 720～1420m3 在線生產高爐和 4 座實驗小高爐進行整體解剖調查分析，以及系統物理模型模擬實驗，了解高爐冶煉過程中發生一些現象的內在規律、現象，推進高爐數學模型快速發展，相繼開發與應用動態數學模型、一維和二維數學模型，高爐數學模型不僅種類繁多，而且覆蓋範圍廣。
20 世紀 90 年代由於「多流體理論」問世，採用多相流理論，將爐內各物質按氣相、固相、液相和粉相來描述高爐下部區域發生的現象，該階段數學模型基本上採用 CFD-DEM 相結合開發方法，數學模型從一維模型發展到二維模型和三維模型。經過 20 年發展，一些應用效果較好的數學模型融合到高爐專家系統中。
1.2 高爐專家系統
1.2.1 日本高爐專家系統
日本首先提出開發高爐專家系統，首先是集成數學模型。1986 年首次在日本鋼管公司福山高爐應用， 之後在日本大型鋼鐵公司相繼開發與應用不同的高爐專家系統，例如新日鐵大分廠SAFAIA 系統和君津高爐 ALIS 系統，用於軟融帶判斷、高爐開爐及休風恢復操作指導。京濱高爐專家系統包含無鍾爐頂布料模型、裝料制度、煤氣流分布、爐體溫度場、風量，風壓、透氣性等數學模型。日本鋼管福山廠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模型。日本住友金公司 HYBRID 系統，將數學模型和高爐專家規則相結合，用於判斷爐況、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範圍內，使用 8 個指數檢驗、評價和診斷高爐冶煉過程爐況狀態，抽取 230 個監測信息用於推理機推理， 建立 600 條專家知識規則。之後在 GO-STOP 基礎上，又開發與應用 Advanced GO-STOP，目前 GO-STOP 系統已經成為各種專家系統的基礎。
1.2.2 歐洲典型高爐專家系統
1.2.2.1 芬蘭 Rautaruuki 高爐專家系統
芬蘭 Rautaruuki 高爐專家系統主要由 4 個子系統組成：
（1）高爐熱狀態系統。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、阻力係數及 Rist 操作線等，通過 8 個指數計算，識別操作參數對爐溫影響程度，並根據計算結果提出操作建議。
（2）高爐操作爐型管理。計算冷卻壁熱負荷、計算爐體溫度場分布，監控渣皮脫落、渣皮厚度。
（3）高爐爐況診斷。判斷滑料、管道發生概率，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行評價，對煤氣利用率、總壓差、局部壓差做短周期、中周期和長周期評價，分析煤氣利用率變化原因。
（4）高爐爐缸平衡管理。高爐物料平衡計算，實時計算爐缸內渣鐵生成量和殘餘量，並與爐缸安全容鐵量進行比對，指導高爐出鐵操作，間接判斷軟融帶上下移動程度。
1.2.2.2 奧鋼聯 VAiron 高爐專家系統
1992 年的早期專家系統是諮詢式專家系統，主要功能對工藝參數進行評估和提出操作建議。1996 年升級為具有部分閉環式功能專家系統，閉環功能主要用於焦比控制、入爐鹼度控制和蒸汽噴吹量控制。系統由過程信息管理系統、過程數學模型、爐況的診斷評估系統、爐況調節和執行系統組成。
1.3 其他類型高爐專家系統
（1）德國帝森克虜伯公司高爐專家系統（THYBAS）。THYBAS 系統用於判斷軟熔帶、計算最低燃料比、預報鐵水溫度、計算爐缸內渣鐵液位高度。
（2）瑞典高爐智能報警系統。應用神經元網絡、專家系統和專家規則預測爐溫。
（3）法國高爐高級監控系統。法國的 SOLLAC 公司開發 SACHEM 高爐高級監控系統，用於異常爐況預報和實時爐況診斷。
國外最典型高爐專家系統主要有三個，分別是日本的 GO-STOP 系統、芬蘭 Rautaruuki 高爐專家系統和奧鋼聯 VAiron 高爐專家系統。目前德國西門子公司組合芬蘭 Rautaruuki 和奧鋼聯 VAiron 高爐專家系統，開發新一代高爐專家系統。
2 我國高爐專家系統
我國高爐數學模型和專家系統起步相對較晚，發展過程與國外基本類似，首先從數學模型開始，之後開展高爐專家開發與應用。
2.1 我國高爐數學模型開發過程
我國最早的數學模型是 1987 年由清華大學與鞍鋼合作開發的鐵水[Si]含量預報模型，應用在鞍鋼 9 高爐和 4 高爐，預報命中率 82%，用於輔助高爐操作人員判斷爐溫發展趨勢。20 世紀 90 年代一些企業與科研機構合作開發與應用一些數學模型。
我國高爐數學模型種類少，前期主要集中在鐵水[Si]含量預報模型，雖然後期相繼開發一些數學模型， 但應用效果均沒有達到預期目標。
2.2 我國高爐專家系統開發過程
20 世紀 90 年代以後，隨著國內高爐急速向大型化、現代化發展，許多大型高爐在基礎自動化改造中採用計算機一級和二級系統，為高爐專家系統的開發與應用奠定了基礎。國內高爐專家系統主要有三種類型。
（1）引進國外高爐專家系統。如寶鋼引進日本的 GO-STOP 系統，1996 年投入運行；武鋼、本鋼、首鋼和唐鋼引進芬蘭高爐專家系統；攀鋼、沙鋼、昆鋼、重鋼和南鋼引進奧鋼聯的高爐專家系統。
（2）在引進國外專家系統基礎上，國內企業與科研機構合作開發的高爐專家系統。例如，寶鋼在引進與消化日本「GO-STOP」系統基礎上，與復旦大學合作開發了「爐況監視和管理系統」。武鋼在引進芬蘭高爐專家系統的基礎上，與北京科技大學合作在 1 高爐開發自已的高爐專家系統。
（3）自主開發的高爐專家系統。例如首鋼與自動化院合作開發的「人工智慧高爐冶煉專家系統」，系統包括爐體熱狀態判斷系統、異常爐況判斷和爐體狀態判斷三個子系統；馬鋼與自動化院合作開發「馬鋼高爐況診斷專家系統」；南鋼與重慶大學合作開發的「南鋼高爐操作管理系統」；鞍鋼開發的「11號高爐人工智慧系統」；浙江大學開發的「高爐煉鐵優化專家系統」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際條件，利用動態規劃理論建立多目標優化數學模型，尋找冶煉參數的最佳範圍、最佳組合，從而實現爐況故障診斷、爐溫預報與高爐生產報表自動列印，對爐況進行綜合推斷，使高爐順行穩定程度提高，實現控制、管理一體化。
2.3 國內高爐專家系統存在問題
與國外企業相比，國內高爐專家系統起步晚，整體上，高爐專家系統遠沒有達到預期目標，大部分企業在嘗試應用一階段後，由於各種原因，最終還是選擇放棄。國內專家系統不成功主要原因如下：
（1）高爐操作理念差異。國內高爐操作者側重自身經驗，主要靠監控一級畫面來操作高爐，國外高爐大部分常規操作均由專家系統自動閉環控制或按高爐專家系統指導操作；
（2）化檢驗數據失真或輸入滯後，專家系統得到數據不可靠或數據時效性差，造成推理機給出錯誤的反饋信息，造成高爐操作人員對專家系統失去信任；
（3）一級自動化檢測系統不可靠，例如，大部分高爐提供的爐頂煤氣成分在線自動分析和爐身靜壓力儀表數據均不準確；
（4）高爐專家系統缺少有效維護，尤其引進的高爐專家系統，由於沒有培養自己的專業維護人員，專家系統得不到有效維護與完善，最後被迫放棄。
4 鋼鐵製造流程智能製造與智能設計的相互關係
(1) 設計是競爭的起點，是工程的元工程。任何產品的競爭雖然最終是通過產品的質量、性能、成本、服務等因素表現出來，但追溯到其根源，將會深層次地延伸到產品的設計層面，任何產品決定其競爭力的質量、性能、成本等要素都是通過產品的設計來體現，設計是產品競爭力的起點，未來的市場競爭中，設計是決定產品競爭力的根源要素。
(2) 對一個工程項目來說，項目設計的好壞在很大程度上決定著該工程的好壞和成敗。對於一個行業來說，這個行業對設計工作的整體重視程度和整體設計水平往往會成為反映和決定該行業興旺程度的關鍵指標和因素。
(3) 從更大範圍和更長遠尺度看，設計工作的「整體狀況」必然深刻影響到國家的經濟社會發展狀況乃至人類文明的進步。人們必須以踏踏實實、細心細緻的態度認識和從事設計工作，更必須以宏觀和戰略的眼光認識和從事設計工作。設計工作本身只是全部工程活動中的一個部分和一個環節，卻是一項具有全局性意義和必然影響全局的工作。
(4) 設計面向未來，設計引領未來，戰略設計引領戰略未來。實現鋼鐵製造流程智能製造，智能設計既是關鍵環節，又發揮著先導和引領作用，設計決定著工程項目原始物理系統的先進程度，沒有先進的智能設計，很難有先進的智能製造。因此，必須高度重視鋼鐵製造流程智能設計作用和意義，從一定意義說，智能設計的先進程度決定著智能製造的先進水平和未來。
4 結語
雖然我國高爐專家系統起步晚，但我國高爐數量眾多，而且基本上完成現代化改造，配置先進基礎自動化和先進計算機系統，具備開發高爐專家系統基礎條件，在國家鼓勵製造業加速向數位化、網絡化、智能化方向拓展政策引導下，鋼鐵企業根據自身高爐裝備水平、原燃料條件，開發符合自身特點、針對企業自身存在主要問題的專家系統。
具有多座高爐的企業應該將數學庫、物聯網、高爐專家系統充分融合，在新形勢下，結合信息化技術、物聯網技術，實現高爐群集約化管理模式，開發與應用高爐冶煉過程可視化集成技術，實施高爐冶煉全過程可視化管理模式，努力實現高爐生產過程的精確在線控制，達到高效、綠色、安全的生產目標。
來源：銳思鋼鐵
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