三維可視化鐵—鋼界面智能調(diào)優(yōu)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

吳明國

(中國中鋼集團(tuán)有限公司董事會(huì)辦公室)

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

鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)流程極其復(fù)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(nèi)鋼鐵企業(yè)鐵—鋼界面鐵水運(yùn)輸過程中，車輛的跟蹤定位和具體的調(diào)度工作主要由人工完成，鐵水調(diào)度作業(yè)對(duì)調(diào)度員的經(jīng)驗(yàn)依賴較大，且存在信息傳遞滯后、準(zhǔn)確性差等問題。鋼鐵生產(chǎn)流程的進(jìn)步，實(shí)質(zhì)上是對(duì)“界面”技術(shù)的不斷改進(jìn)。先進(jìn)的信息化智能制造技術(shù)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(shù)與方法提供了可能。文章重點(diǎn)對(duì)鐵—鋼界面工序鐵水調(diào)度與運(yùn)輸過程中常出現(xiàn)的問題進(jìn)行診斷分析，針對(duì)當(dāng)前與人工跟蹤定位和人工調(diào)度方式之間的突出矛盾，將先進(jìn)的射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等應(yīng)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(zhuǎn)爐的界面模式，提出了鐵—鋼界面智能調(diào)優(yōu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)思路，以期通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)鐵—鋼界面鐵水調(diào)度與運(yùn)輸由粗放“人工經(jīng)驗(yàn)”調(diào)度模式向基于信息技術(shù)的“精細(xì)化”調(diào)度模式的轉(zhuǎn)變，為后期類似軟件系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 傳統(tǒng)“經(jīng)驗(yàn)式”鐵—鋼界面運(yùn)行模式分析

鐵—鋼界面鐵水運(yùn)輸是鋼鐵企業(yè)長流程生產(chǎn)運(yùn)營中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，對(duì)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(nèi)大型鋼鐵企業(yè)中，鐵水運(yùn)輸大多利用魚雷罐或鐵水罐通過鐵路運(yùn)輸方式實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過多年的歷史演變，如忽略鐵水預(yù)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(zhuǎn)爐鐵水罐→轉(zhuǎn)爐；②高爐→魚雷罐車→轉(zhuǎn)爐鐵水罐→轉(zhuǎn)爐；③高爐→高爐鐵水罐→轉(zhuǎn)爐鐵水罐→轉(zhuǎn)爐；④高爐→鐵水罐→轉(zhuǎn)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(gè)流程需要倒罐兩次，鐵水降溫高達(dá)50～60 ℃，但鐵水溫度、成分相對(duì)比較穩(wěn)定，利于轉(zhuǎn)爐冶煉。

對(duì)于上述任何一種鐵—鋼界面模式，鐵水供應(yīng)調(diào)度都是整個(gè)工藝技術(shù)的核心部分。我國鋼鐵企業(yè)鐵水運(yùn)輸大多以人工調(diào)度為主，調(diào)度人員采用“邊走邊看”的調(diào)度模式,該模式下鐵路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)、高爐與轉(zhuǎn)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(diào)度人員最關(guān)心的，然而這些關(guān)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(gè)過程可以形象地概括為：“計(jì)劃排程靠沙盤，生產(chǎn)調(diào)度靠電話”，難以實(shí)現(xiàn)鐵水調(diào)度全流程智能跟蹤、全流程狀態(tài)管理。

鐵水人工調(diào)度作業(yè)在調(diào)度能力與信息不對(duì)稱方面，具有突出的問題與矛盾：①由于生產(chǎn)信息相對(duì)不透明，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理，高爐、煉鋼、運(yùn)輸之間信息不互通，形成“信息孤島”；②鐵水調(diào)度過程各單元、各要素?zé)o法實(shí)時(shí)跟蹤，采用人工方式跟蹤機(jī)車和罐車位置，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)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(diào)度人員及時(shí)調(diào)度與決策；③調(diào)度人員的水平及經(jīng)驗(yàn)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(diào)度作業(yè)缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差，增加人員溝通成本和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，影響生產(chǎn)效率；⑤調(diào)度響應(yīng)較慢，面對(duì)緊急生產(chǎn)情況，較難快速及時(shí)做出動(dòng)態(tài)響應(yīng)，生產(chǎn)協(xié)同效率差；⑥調(diào)度作業(yè)人員需高強(qiáng)度工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大。基于人工經(jīng)驗(yàn)式的鐵—鋼界面鐵水調(diào)度作業(yè)運(yùn)行模式存在的關(guān)鍵問題可總結(jié)為：過程監(jiān)控不實(shí)時(shí)，數(shù)據(jù)交互不及時(shí)，調(diào)度管控不智能。

2 關(guān)鍵信息化技術(shù)的研究與應(yīng)用

基于上述對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)式鐵—鋼界面鐵水調(diào)度作業(yè)運(yùn)行模式中存在的重要問題的分析，同時(shí)結(jié)合當(dāng)前鋼鐵企業(yè)鐵—鋼界面鐵水調(diào)度與管控需要，筆者擬在應(yīng)用射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)、GPS定位技術(shù)、傾斜攝影及3D仿真建模、GIS技術(shù)等智能化手段的基礎(chǔ)上，通過對(duì)鋼鐵企業(yè)開展必要的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)改造和信息化平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)與鐵水計(jì)量、鋼渣計(jì)量、鐵水測(cè)溫、質(zhì)檢化驗(yàn)等煉鋼信息平臺(tái)的互聯(lián)互通，打破信息孤島，建設(shè)三維可視化鐵—鋼界面智能調(diào)優(yōu)系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)鐵水罐調(diào)度模式，實(shí)現(xiàn)調(diào)度過程可視化、管理定量化的系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，為煉鋼企業(yè)鐵水優(yōu)化調(diào)度和績效考核提供管理平臺(tái)，減少鐵水周轉(zhuǎn)時(shí)長，減少鐵水溫降，從而提升鐵—鋼界面的協(xié)同運(yùn)行效率。

2.1 射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)

射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，可以在遠(yuǎn)距離環(huán)境下完成信息獲取的技術(shù)，具有儲(chǔ)存數(shù)據(jù)信息量大、使用時(shí)間長、安全性能高、可循環(huán)使用的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于鋼鐵企業(yè)，在煉鐵車間、煉鋼車間、渣場(chǎng)、修包庫及關(guān)鍵鐵水調(diào)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(diào)度過程中鐵水罐、火車在煉鐵、煉鋼等車間的關(guān)鍵入廠、離廠動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)鐵水調(diào)度信息監(jiān)控；另一方面利用火車、鐵水罐RFID信號(hào)數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)火車與鐵水罐的自動(dòng)組體，為實(shí)現(xiàn)鐵水調(diào)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(chǔ)的高精度無線電導(dǎo)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(zhǔn)確的地理位置、車行速度及精確的時(shí)間信息。針對(duì)鋼鐵企業(yè)鐵水調(diào)度作業(yè)時(shí)采用人工跟蹤機(jī)車和罐車位置存在的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較差的問題，采用GPS實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車和罐車位置的實(shí)時(shí)定位跟蹤，在機(jī)車安裝GPS信標(biāo)，實(shí)現(xiàn)全廠區(qū)內(nèi)機(jī)車的連續(xù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位，同時(shí)車罐組合體實(shí)時(shí)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(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，應(yīng)用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)車罐組合體實(shí)時(shí)位置的3D可視化顯示，可以實(shí)時(shí)地為鐵水調(diào)度作業(yè)提供詳盡的空間信息和可視化的調(diào)度決策依據(jù)。

2.3 傾斜攝影及3D仿真建模技術(shù)

國內(nèi)較多鋼鐵企業(yè)已建設(shè)諸多與鐵水運(yùn)輸調(diào)度和監(jiān)控管理相關(guān)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(jì)為主，雖然可為鐵水調(diào)度人員提供相對(duì)及時(shí)的數(shù)據(jù)信息，但無法實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵水運(yùn)輸調(diào)度全過程中各要素的可視化監(jiān)控，基于此，應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)及3D仿真建模技術(shù)對(duì)鐵水調(diào)度過程涉及的建筑物、構(gòu)筑物、火車、鐵水罐等進(jìn)行1∶1高仿真建模，構(gòu)建鐵水調(diào)度的3D廠區(qū)地圖，實(shí)現(xiàn)鐵水調(diào)度過程的可視化，形成鐵—鋼界面鐵水調(diào)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(diào)優(yōu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)初步探討

由于不同鋼鐵企業(yè)的鐵—鋼界面模式以及調(diào)度作業(yè)方式存在一定程度的差異性，應(yīng)根據(jù)鋼鐵企業(yè)需求進(jìn)行具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)人工鐵水調(diào)度作業(yè)的特點(diǎn)及文章提及的關(guān)鍵信息化技術(shù)，僅對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些共性問題進(jìn)行探討。

3.1 系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)

為應(yīng)對(duì)“采用人工跟蹤定位和人工調(diào)度方式”所存在的一系列突出的問題，系統(tǒng)應(yīng)緊緊圍繞“實(shí)現(xiàn)鐵水調(diào)度作業(yè)機(jī)車、鐵水罐等要素全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)跟蹤”的主線開展功能設(shè)計(jì)，為調(diào)度人員提供一個(gè)高效、便捷、可視化的智能調(diào)優(yōu)系統(tǒng)。筆者認(rèn)為，系統(tǒng)應(yīng)包含但不限于以下核心功能：

(1)監(jiān)控預(yù)警：實(shí)現(xiàn)煉鐵、煉鋼、鐵鋼界面運(yùn)行狀態(tài)可視化3D監(jiān)控及設(shè)備、重要調(diào)度動(dòng)作的實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警；

(2)調(diào)度指令：實(shí)現(xiàn)煉鐵、煉鋼、鐵—鋼界面鐵水調(diào)度指揮；

(3)生產(chǎn)實(shí)績：實(shí)現(xiàn)鐵水調(diào)度績效指標(biāo)、生產(chǎn)報(bào)表統(tǒng)計(jì)、查詢、導(dǎo)出；

(4)生產(chǎn)計(jì)劃：實(shí)現(xiàn)煉鐵、煉鋼、鐵—鋼界面生產(chǎn)計(jì)劃及績效指標(biāo)制定等；

(5)數(shù)據(jù)分析：實(shí)現(xiàn)煉鐵、煉鋼、鐵—鋼界面生產(chǎn)實(shí)績績效指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析及生產(chǎn)實(shí)績與生產(chǎn)計(jì)劃的對(duì)比分析。

3.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)功能元素之間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)及業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，遵照總體思路，系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)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(yàn)系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)，根據(jù)企業(yè)實(shí)際，需對(duì)企業(yè)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男畔⒒c基礎(chǔ)硬件改造升級(jí)(鐵水調(diào)度中機(jī)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(shè)備)，開發(fā)統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集平臺(tái)是有必要的，系統(tǒng)需具備ETL功能，支持對(duì)底層設(shè)備通訊協(xié)議解析，以及對(duì)已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)清洗等功能，為上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

時(shí)序數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)中將儲(chǔ)存大量的鐵—鋼界面時(shí)間數(shù)據(jù)，時(shí)間數(shù)據(jù)具有產(chǎn)生頻率快、嚴(yán)重依賴于采集時(shí)間、測(cè)點(diǎn)多信息量大的特點(diǎn)，因此建議使用時(shí)序庫Timescale作數(shù)據(jù)集群，存放數(shù)采平臺(tái)采集的時(shí)序數(shù)據(jù)；

關(guān)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(chǎng)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(wù)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)配置數(shù)據(jù)；

內(nèi)存數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)對(duì)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(nèi)存數(shù)據(jù)庫Redis做數(shù)據(jù)集群，存放業(yè)務(wù)緩存數(shù)據(jù)，減輕關(guān)系數(shù)據(jù)庫壓力，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

(4)系統(tǒng)服務(wù)

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

(5)網(wǎng)關(guān)鑒權(quán)

該層主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)、鑒權(quán)、流量控制、負(fù)載均衡等主要功能。通過使用Gateway作為API網(wǎng)關(guān)，用來保護(hù)、增強(qiáng)和控制對(duì)于 API 服務(wù)的訪問；使用Nginx作為軟負(fù)載均衡，以此保證服務(wù)器集群中的每個(gè)服務(wù)器壓力趨于平衡，分擔(dān)了服務(wù)器壓力，避免了服務(wù)器崩潰；使用OAuth2作為API權(quán)限驗(yàn)證框架，保證API調(diào)用者的合法性，從而保障API服務(wù)的安全性。

(6)可視化

在可視化層面，應(yīng)考慮展示的多樣性，支持安卓、ISO、PC等外部第三方應(yīng)用。建議采用基于Vue + ElementUI漸進(jìn)式 JavaScript 框架實(shí)現(xiàn)可視化展示，該框架具有輕量級(jí)、支持雙向數(shù)據(jù)綁定、支持組件化、視圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分離、運(yùn)行速度快、HTML5自適應(yīng)、對(duì)操作用戶友好等眾多優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

基于多項(xiàng)信息化技術(shù)改造方案所設(shè)計(jì)的鐵—鋼界面智能調(diào)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(yàn)式鐵—鋼界面鐵水調(diào)度作業(yè)模式下“動(dòng)態(tài)監(jiān)控不實(shí)時(shí)，數(shù)據(jù)交互不及時(shí)，調(diào)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(zhuǎn)型升級(jí)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鐵—鋼界面技術(shù)及鐵水調(diào)度整體優(yōu)化等方面具有一定的指導(dǎo)作意義。系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

(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(yùn)輸作業(yè)全過程，實(shí)現(xiàn)了鐵水罐罐號(hào)、機(jī)車號(hào)自動(dòng)識(shí)別，位置自動(dòng)跟蹤、到位自動(dòng)確認(rèn)，任務(wù)自動(dòng)閉環(huán)、位置信息動(dòng)態(tài)展示，打破了高爐、煉鋼、運(yùn)輸之間“信息孤島”，有效支撐調(diào)度人員及時(shí)調(diào)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(diào)優(yōu)系統(tǒng)，從頁面中可以直觀看到鐵水調(diào)度三維場(chǎng)景，方便鐵水調(diào)度人員全面直觀地查看載鐵水機(jī)車、鐵水罐(魚雷罐)運(yùn)行情況以及各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)；實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵水生產(chǎn)及運(yùn)輸信息集中管理、可視化展示，生產(chǎn)實(shí)績信息自動(dòng)生成；實(shí)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(dāng)然文章提出的技術(shù)方案具有一定的局限性。首先，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境對(duì)信息化技術(shù)手段提出了更高的要求，例如在高爐出鐵、鐵水運(yùn)輸及煉鋼廠內(nèi)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(hào)識(shí)別手段的準(zhǔn)確度和使用壽命都難以得到保障，選擇識(shí)別準(zhǔn)確度高的全新智能識(shí)別技術(shù)是企業(yè)的必然選擇；其次，文章提出的鐵—鋼界面智能調(diào)優(yōu)系統(tǒng)依然是面向人工經(jīng)驗(yàn)式的鐵—鋼界面鐵水調(diào)度模式，僅對(duì)鐵水調(diào)度過程的輔助功能進(jìn)行了智能化，可見，不斷改進(jìn)前后工序或裝備之間的鐵—鋼界面技術(shù)，才是實(shí)現(xiàn)煉鐵到煉鋼短流程、低能耗、低環(huán)境負(fù)荷的根本方式。因此，該系統(tǒng)應(yīng)在鐵鋼平衡、鐵水智能分配、機(jī)車任務(wù)自動(dòng)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(yīng)用效果。