高炉冶炼专家系统的研究现状与发展趋势
摘要：从 20 世纪 90 年代开始，专家系统在国外高炉得到推广应用。同时期，我国采用多种模式开发与应用高炉专家系统，但由于操作理念、检测数据、维护等原因，国内高炉专家系统没有达到预期效果。在新形势下，结合信息化技术、物联网技术，专家系统应该向高炉集约化、可视化管理模式发展。
关键词： 高炉；专家系统；集约化；可视化
随着计算机和信息技术在工业领域应用，早期应用高炉冶炼过程机理或数理统计方法，开发与应用一些工艺计算数学模型，为高炉操作者提供计算工具和操作建议。随着检测技术进步和智能仪表应用，高炉专家系统或高炉人工智能系统逐渐成为热点，汇集高炉专家的经验，结合计算机技术和信息技术，形成各种专家知识库和规则库，能够及时准确地判断出高炉冶炼过程炉况发展趋势和即将可能发生的各种异常炉况，减少高炉操作人员对炉况误判，实现高炉操作精细化和规范化，提高高炉生产效率和降低能效。
1 国外高炉专家系统
1.1 高炉
在高炉专家系统形成以前，计算机技术在高炉冶炼过程中的应用是从数学模型开始的。最早是 20 世纪50 年代初期的静态数学模型，例如前苏联的拉姆配料计算模型，美国内陆钢铁公司的物料平衡计算数学模型等。20 世纪 70 年代，随着石油危机，降低高炉焦比则成为企业重点，相继开发与应用以降低高炉焦比为主要目的数学模型，如法国钢铁研究院开发的 Rist 模型、Wu 模型，比利时冶金研究中心开发的 Ec 模型， 日本住友公司开发的 Ts 模型。
20 世纪 80 年代，随着日本钢铁工业的崛起，对 9 座 720～1420m3 在线生产高炉和 4 座实验小高炉进行整体解剖调查分析，以及系统物理模型模拟实验，了解高炉冶炼过程中发生一些现象的内在规律、现象，推进高炉数学模型快速发展，相继开发与应用动态数学模型、一维和二维数学模型，高炉数学模型不仅种类繁多，而且覆盖范围广。
20 世纪 90 年代由于“多流体理论”问世，采用多相流理论，将炉内各物质按气相、固相、液相和粉相来描述高炉下部区域发生的现象，该阶段数学模型基本上采用 CFD-DEM 相结合开发方法，数学模型从一维模型发展到二维模型和三维模型。经过 20 年发展，一些应用效果较好的数学模型融合到高炉专家系统中。
1.2 高炉专家系统
1.2.1 日本高炉专家系统
日本首先提出开发高炉专家系统，首先是集成数学模型。1986 年首次在日本钢管公司福山高炉应用， 之后在日本大型钢铁公司相继开发与应用不同的高炉专家系统，例如新日铁大分厂SAFAIA 系统和君津高炉 ALIS 系统，用于软融带判断、高炉开炉及休风恢复操作指导。京滨高炉专家系统包含无钟炉顶布料模型、装料制度、煤气流分布、炉体温度场、风量，风压、透气性等数学模型。日本钢管福山厂BAISYS 系统， 包含炉况检测诊断与控制、异常炉况预报与控制、布料控制和炉温预报等数学模型。日本住友金公司 HYBRID 系统，将数学模型和高炉专家规则相结合，用于判断炉况、计算炉热指数 TS、铁水[Si]含量与铁水温度的预报和高炉操作指导。
日本川崎 GO-STOP 系统由 8 种指数计算模型构成，对高炉操作因素做定量分析，将各种因素控制在最佳范围内，使用 8 个指数检验、评价和诊断高炉冶炼过程炉况状态，抽取 230 个监测信息用于推理机推理， 建立 600 条专家知识规则。之后在 GO-STOP 基础上，又开发与应用 Advanced GO-STOP，目前 GO-STOP 系统已经成为各种专家系统的基础。
1.2.2 欧洲典型高炉专家系统
1.2.2.1 芬兰 Rautaruuki 高炉专家系统
芬兰 Rautaruuki 高炉专家系统主要由 4 个子系统组成：
（1）高炉热状态系统。计算高炉热指数、下料指数、直接还原度指数及碳素熔损指数、煤气成分指数、渣皮脱落指数、透气性指数、阻力系数及 Rist 操作线等，通过 8 个指数计算，识别操作参数对炉温影响程度，并根据计算结果提出操作建议。
（2）高炉操作炉型管理。计算冷却壁热负荷、计算炉体温度场分布，监控渣皮脱落、渣皮厚度。
（3）高炉炉况诊断。判断滑料、管道发生概率，计算炉顶压力、炉顶温度及变化幅度、计算料速。对每班及全天煤气流分布进行评价，对煤气利用率、总压差、局部压差做短周期、中周期和长周期评价，分析煤气利用率变化原因。
（4）高炉炉缸平衡管理。高炉物料平衡计算，实时计算炉缸内渣铁生成量和残余量，并与炉缸安全容铁量进行比对，指导高炉出铁操作，间接判断软融带上下移动程度。
1.2.2.2 奥钢联 VAiron 高炉专家系统
1992 年的早期专家系统是咨询式专家系统，主要功能对工艺参数进行评估和提出操作建议。1996 年升级为具有部分闭环式功能专家系统，闭环功能主要用于焦比控制、入炉碱度控制和蒸汽喷吹量控制。系统由过程信息管理系统、过程数学模型、炉况的诊断评估系统、炉况调节和执行系统组成。
1.3 其他类型高炉专家系统
（1）德国帝森克虏伯公司高炉专家系统（THYBAS）。THYBAS 系统用于判断软熔带、计算最低燃料比、预报铁水温度、计算炉缸内渣铁液位高度。
（2）瑞典高炉智能报警系统。应用神经元网络、专家系统和专家规则预测炉温。
（3）法国高炉高级监控系统。法国的 SOLLAC 公司开发 SACHEM 高炉高级监控系统，用于异常炉况预报和实时炉况诊断。
国外最典型高炉专家系统主要有三个，分别是日本的 GO-STOP 系统、芬兰 Rautaruuki 高炉专家系统和奥钢联 VAiron 高炉专家系统。目前德国西门子公司组合芬兰 Rautaruuki 和奥钢联 VAiron 高炉专家系统，开发新一代高炉专家系统。
2 我国高炉专家系统
我国高炉数学模型和专家系统起步相对较晚，发展过程与国外基本类似，首先从数学模型开始，之后开展高炉专家开发与应用。
2.1 我国高炉数学模型开发过程
我国最早的数学模型是 1987 年由清华大学与鞍钢合作开发的铁水[Si]含量预报模型，应用在鞍钢 9 高炉和 4 高炉，预报命中率 82%，用于辅助高炉操作人员判断炉温发展趋势。20 世纪 90 年代一些企业与科研机构合作开发与应用一些数学模型。
我国高炉数学模型种类少，前期主要集中在铁水[Si]含量预报模型，虽然后期相继开发一些数学模型， 但应用效果均没有达到预期目标。
2.2 我国高炉专家系统开发过程
20 世纪 90 年代以后，随着国内高炉急速向大型化、现代化发展，许多大型高炉在基础自动化改造中采用计算机一级和二级系统，为高炉专家系统的开发与应用奠定了基础。国内高炉专家系统主要有三种类型。
（1）引进国外高炉专家系统。如宝钢引进日本的 GO-STOP 系统，1996 年投入运行；武钢、本钢、首钢和唐钢引进芬兰高炉专家系统；攀钢、沙钢、昆钢、重钢和南钢引进奥钢联的高炉专家系统。
（2）在引进国外专家系统基础上，国内企业与科研机构合作开发的高炉专家系统。例如，宝钢在引进与消化日本“GO-STOP”系统基础上，与复旦大学合作开发了“炉况监视和管理系统”。武钢在引进芬兰高炉专家系统的基础上，与北京科技大学合作在 1 高炉开发自已的高炉专家系统。
（3）自主开发的高炉专家系统。例如首钢与自动化院合作开发的“人工智能高炉冶炼专家系统”，系统包括炉体热状态判断系统、异常炉况判断和炉体状态判断三个子系统；马钢与自动化院合作开发“马钢高炉况诊断专家系统”；南钢与重庆大学合作开发的“南钢高炉操作管理系统”；鞍钢开发的“11 高炉人工智能系统”；浙江大学开发的“高炉炼铁优化专家系统”分别在杭钢、新临钢铁、莱钢、济钢和邯钢高炉得到推广与应用，该系统针对国内高炉实际条件，利用动态规划理论建立多目标优化数学模型，寻找冶炼参数的最佳范围、最佳组合，从而实现炉况故障诊断、炉温预报与高炉生产报表自动打印，对炉况进行综合推断，使高炉顺行稳定程度提高，实现控制、管理一体化。
2.3 国内高炉专家系统存在问题
与国外企业相比，国内高炉专家系统起步晚，整体上，高炉专家系统远没有达到预期目标，大部分企业在尝试应用一阶段后，由于各种原因，最终还是选择放弃。国内专家系统不成功主要原因如下：
（1）高炉操作理念差异。国内高炉操作者侧重自身经验，主要靠监控一级画面来操作高炉，国外高炉大部分常规操作均由专家系统自动闭环控制或按高炉专家系统指导操作；
（2）化检验数据失真或输入滞后，专家系统得到数据不可靠或数据时效性差，造成推理机给出错误的反馈信息，造成高炉操作人员对专家系统失去信任；
（3）一级自动化检测系统不可靠，例如，大部分高炉提供的炉顶煤气成分在线自动分析和炉身静压力仪表数据均不准确；
（4）高炉专家系统缺少有效维护，尤其引进的高炉专家系统，由于没有培养自己的专业维护人员，专家系统得不到有效维护与完善，最后被迫放弃。
4 钢铁制造流程智能制造与智能设计的相互关系
(1) 设计是竞争的起点，是工程的元工程。任何产品的竞争虽然最终是通过产品的质量、性能、成本、服务等因素表现出来，但追溯到其根源，将会深层次地延伸到产品的设计层面，任何产品决定其竞争力的质量、性能、成本等要素都是通过产品的设计来体现，设计是产品竞争力的起点，未来的市场竞争中，设计是决定产品竞争力的根源要素。
(2) 对一个工程项目来说，项目设计的好坏在很大程度上决定着该工程的好坏和成败。对于一个行业来说，这个行业对设计工作的整体重视程度和整体设计水平往往会成为反映和决定该行业兴旺程度的关键指标和因素。
(3) 从更大范围和更长远尺度看，设计工作的“整体状况”必然深刻影响到国家的经济社会发展状况乃至人类文明的进步。人们必须以踏踏实实、细心细致的态度认识和从事设计工作，更必须以宏观和战略的眼光认识和从事设计工作。设计工作本身只是全部工程活动中的一个部分和一个环节，却是一项具有全局性意义和必然影响全局的工作。
(4) 设计面向未来，设计引领未来，战略设计引领战略未来。实现钢铁制造流程智能制造，智能设计既是关键环节，又发挥着先导和引领作用，设计决定着工程项目原始物理系统的先进程度，没有先进的智能设计，很难有先进的智能制造。因此，必须高度重视钢铁制造流程智能设计作用和意义，从一定意义说，智能设计的先进程度决定着智能制造的先进水平和未来。
4 结语
虽然我国高炉专家系统起步晚，但我国高炉数量众多，而且基本上完成现代化改造，配置先进基础自动化和先进计算机系统，具备开发高炉专家系统基础条件，在国家鼓励制造业加速向数字化、网络化、智能化方向拓展政策引导下，钢铁企业根据自身高炉装备水平、原燃料条件，开发符合自身特点、针对企业自身存在主要问题的专家系统。
具有多座高炉的企业应该将数学库、物联网、高炉专家系统充分融合，在新形势下，结合信息化技术、物联网技术，实现高炉群集约化管理模式，开发与应用高炉冶炼过程可视化集成技术，实施高炉冶炼全过程可视化管理模式，努力实现高炉生产过程的精确在线控制，达到高效、绿色、安全的生产目标。
来源：锐思钢铁