三维可视化铁—钢界面智能调优系统研究与设计

吴明国

(中国中钢集团有限公司董事会办公室)

铁—钢界面是指存在于炼铁和炼钢这两个相对刚性工序间的一段相对柔性界面，是介于高炉炼铁与转炉炼钢流程中承上启下的关键环节，涵盖生产组织、调度管理、作业工艺、生产装备、运输线路等，铁—钢界面铁水调度及运输是铁—钢生产的生命线。“炼铁”、“炼钢”两个系统独立运行，却又彼此联系，因此如何实现两个工序之间的平稳、高效衔接，在高炉与转炉生产中寻找铁水运输最佳运输节奏，解决铁—钢界面中铁水温降、铁钢生产计划不匹配等问题，一直是钢铁企业实现降本增效的重点研究内容。

钢铁行业生产流程极其复杂、繁琐，易出现信息传递不到位、能耗过高等诸多问题。目前，国内钢铁企业铁—钢界面铁水运输过程中，车辆的跟踪定位和具体的调度工作主要由人工完成，铁水调度作业对调度员的经验依赖较大，且存在信息传递滞后、准确性差等问题。钢铁生产流程的进步，实质上是对“界面”技术的不断改进。先进的信息化智能制造技术为钢铁企业完善生产管理、提高生产效率、优化“界面”管理技术与方法提供了可能。文章重点对铁—钢界面工序铁水调度与运输过程中常出现的问题进行诊断分析，针对当前与人工跟踪定位和人工调度方式之间的突出矛盾，将先进的射频识别技术、全球定位系统、地理信息系统等应用于高炉出铁→受铁罐→火车输送(等待)→混铁炉出铁→铁水包→天车输送→转炉的界面模式，提出了铁—钢界面智能调优系统的设计与开发思路，以期通过该系统实现钢铁企业铁—钢界面铁水调度与运输由粗放“人工经验”调度模式向基于信息技术的“精细化”调度模式的转变，为后期类似软件系统的产业化应用提供参考。

1 传统“经验式”铁—钢界面运行模式分析

铁—钢界面铁水运输是钢铁企业长流程生产运营中的一个非常重要的环节，对炼铁、炼钢甚至全厂的生产环节都起着决定性的作用。目前，国内大型钢铁企业中，铁水运输大多利用鱼雷罐或铁水罐通过铁路运输方式实现。经过多年的历史演变，如忽略铁水预处理环节，铁—钢界面模式可以归纳为以下四种：①高炉→高炉铁水罐→混铁炉→转炉铁水罐→转炉；②高炉→鱼雷罐车→转炉铁水罐→转炉；③高炉→高炉铁水罐→转炉铁水罐→转炉；④高炉→铁水罐→转炉。整体来讲，上述四种铁—钢界面模式各有利弊。以模式①为例，工艺流程最长，整个流程需要倒罐两次，铁水降温高达50～60 ℃，但铁水温度、成分相对比较稳定，利于转炉冶炼。

对于上述任何一种铁—钢界面模式，铁水供应调度都是整个工艺技术的核心部分。我国钢铁企业铁水运输大多以人工调度为主，调度人员采用“边走边看”的调度模式,该模式下铁路网络运行状态、高炉与转炉(包括混铁炉等)铁水平衡以及铁水罐(鱼雷罐)的位置信息都是调度人员最关心的，然而这些关键数据却要靠人工离线采集，不同的单元之间容易形成“信息孤岛”，整个过程可以形象地概括为：“计划排程靠沙盘，生产调度靠电话”，难以实现铁水调度全流程智能跟踪、全流程状态管理。

铁水人工调度作业在调度能力与信息不对称方面，具有突出的问题与矛盾：①由于生产信息相对不透明，缺乏统一的数据管理，高炉、炼钢、运输之间信息不互通，形成“信息孤岛”；②铁水调度过程各单元、各要素无法实时跟踪，采用人工方式跟踪机车和罐车位置，数据实时性和准确性较差，核心数据汇总与决策之间存在信息滞后，难以支撑调度人员及时调度与决策；③调度人员的水平及经验直接影响生产效率；④生产数据通过手工录入，存在数据偏差及延迟，调度作业缺乏基础数据支撑，数据实时性差，增加人员沟通成本和作业风险，影响生产效率；⑤调度响应较慢，面对紧急生产情况，较难快速及时做出动态响应，生产协同效率差；⑥调度作业人员需高强度工作，劳动强度大。基于人工经验式的铁—钢界面铁水调度作业运行模式存在的关键问题可总结为：过程监控不实时，数据交互不及时，调度管控不智能。

2 关键信息化技术的研究与应用

基于上述对人工经验式铁—钢界面铁水调度作业运行模式中存在的重要问题的分析，同时结合当前钢铁企业铁—钢界面铁水调度与管控需要，笔者拟在应用射频识别技术(RFID)、GPS定位技术、倾斜摄影及3D仿真建模、GIS技术等智能化手段的基础上，通过对钢铁企业开展必要的工业网络改造和信息化平台建设，实现与铁水计量、钢渣计量、铁水测温、质检化验等炼钢信息平台的互联互通，打破信息孤岛，建设三维可视化铁—钢界面智能调优系统，改变传统铁水罐调度模式，实现调度过程可视化、管理定量化的系统建设目标，为炼钢企业铁水优化调度和绩效考核提供管理平台，减少铁水周转时长，减少铁水温降，从而提升铁—钢界面的协同运行效率。

2.1 射频识别技术(RFID)

射频识别技术(RFID)是通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，可以在远距离环境下完成信息获取的技术，具有储存数据信息量大、使用时间长、安全性能高、可循环使用的优点。对于钢铁企业，在炼铁车间、炼钢车间、渣场、修包库及关键铁水调度路径上安装RFID工作站，在火车车体、铁水罐安装RFID射频卡，一方面可捕获铁水调度过程中铁水罐、火车在炼铁、炼钢等车间的关键入厂、离厂动作，实现铁水调度信息监控；另一方面利用火车、铁水罐RFID信号数据逻辑关系，实现火车与铁水罐的自动组体，为实现铁水调度3D可视化提供底层数据支持。

2.2 全球定位系统(GPS)及地理信息系统(GIS)

全球定位系统(GPS)是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。针对钢铁企业铁水调度作业时采用人工跟踪机车和罐车位置存在的数据实时性和准确性较差的问题，采用GPS实现对机车和罐车位置的实时定位跟踪，在机车安装GPS信标，实现全厂区内机车的连续实时动态定位，同时车罐组合体实时位置参数(经度、纬度、高度、方向值等)通过物联网回传至内网服务器，应用GIS技术实现车罐组合体实时位置的3D可视化显示，可以实时地为铁水调度作业提供详尽的空间信息和可视化的调度决策依据。

2.3 倾斜摄影及3D仿真建模技术

国内较多钢铁企业已建设诸多与铁水运输调度和监控管理相关的信息化系统，但总体来看大部分系统主要功能还是以铁水信息处理、数据统计为主，虽然可为铁水调度人员提供相对及时的数据信息，但无法实现对铁水运输调度全过程中各要素的可视化监控，基于此，应用无人机倾斜摄影技术及3D仿真建模技术对铁水调度过程涉及的建筑物、构筑物、火车、铁水罐等进行1∶1高仿真建模，构建铁水调度的3D厂区地图，实现铁水调度过程的可视化，形成铁—钢界面铁水调度作业管控一体化“一张图”。

3 三维可视化铁—钢界面智能调优系统设计初步探讨

由于不同钢铁企业的铁—钢界面模式以及调度作业方式存在一定程度的差异性，应根据钢铁企业需求进行具体的系统设计。根据人工铁水调度作业的特点及文章提及的关键信息化技术，仅对系统设计中的一些共性问题进行探讨。

3.1 系统功能的设计

为应对“采用人工跟踪定位和人工调度方式”所存在的一系列突出的问题，系统应紧紧围绕“实现铁水调度作业机车、铁水罐等要素全面实时监测与动态跟踪”的主线开展功能设计，为调度人员提供一个高效、便捷、可视化的智能调优系统。笔者认为，系统应包含但不限于以下核心功能：

(1)监控预警：实现炼铁、炼钢、铁钢界面运行状态可视化3D监控及设备、重要调度动作的实时监控预警；

(2)调度指令：实现炼铁、炼钢、铁—钢界面铁水调度指挥；

(3)生产实绩：实现铁水调度绩效指标、生产报表统计、查询、导出；

(4)生产计划：实现炼铁、炼钢、铁—钢界面生产计划及绩效指标制定等；

(5)数据分析：实现炼铁、炼钢、铁—钢界面生产实绩绩效指标的统计分析及生产实绩与生产计划的对比分析。

3.2 系统技术架构

根据系统功能元素之间的数据流转及业务逻辑关系，遵照总体思路，系统技术架构包括以下几方面。

(1)数据来源

系统所需数据主要来源于钢铁企业已有的物流执行系统、检/化验系统、测温系统等信息化系统，根据企业实际，需对企业进行适当的信息化与基础硬件改造升级(铁水调度中机车、铁水罐等加装RFID系统、GPS定位系统)，以支撑系统的底层数据需求。

(2)数据采集

考虑到系统数据来源多样性(既有信息化系统又有底层设备)，开发统一数据采集平台是有必要的，系统需具备ETL功能，支持对底层设备通讯协议解析，以及对已有业务系统的关系数据库数据抽取、数据转换、数据清洗等功能，为上层业务系统提供数据支撑。

(3)数据存储

时序数据库：系统中将储存大量的铁—钢界面时间数据，时间数据具有产生频率快、严重依赖于采集时间、测点多信息量大的特点，因此建议使用时序库Timescale作数据集群，存放数采平台采集的时序数据；

关系数据库：一般情况下，MySQL数据库是备选的第一方案，基本上有 80% ～ 90% 的场景都是基于MySQL 数据库的，因此，建议使用MySQL做数据集群，存放系统业务数据、基础配置数据；

内存数据库：系统对数据有高频次的查询需求，为提高系统查询性能，建议使用内存数据库Redis做数据集群，存放业务缓存数据，减轻关系数据库压力，提高系统运行效率。

(4)系统服务

可采用目前流行的spring cloud、spring boot微服务框架，使用zookeeper服务注册，hystrix服务熔断，feign服务软负载均衡来满足系统高并发、高可用性。

(5)网关鉴权

该层主要实现网关、鉴权、流量控制、负载均衡等主要功能。通过使用Gateway作为API网关，用来保护、增强和控制对于 API 服务的访问；使用Nginx作为软负载均衡，以此保证服务器集群中的每个服务器压力趋于平衡，分担了服务器压力，避免了服务器崩溃；使用OAuth2作为API权限验证框架，保证API调用者的合法性，从而保障API服务的安全性。

(6)可视化

在可视化层面，应考虑展示的多样性，支持安卓、ISO、PC等外部第三方应用。建议采用基于Vue + ElementUI渐进式 JavaScript 框架实现可视化展示，该框架具有轻量级、支持双向数据绑定、支持组件化、视图数据结构分离、运行速度快、HTML5自适应、对操作用户友好等众多优势。

4 结论

基于多项信息化技术改造方案所设计的铁—钢界面智能调优系统，提出了铁—钢界面智慧管控全新模式，解决了人工经验式铁—钢界面铁水调度作业模式下“动态监控不实时，数据交互不及时，调度管控不智能”的问题；在钢铁企业加快数字化、智能化转型升级，进一步实现铁—钢界面技术及铁水调度整体优化等方面具有一定的指导作意义。系统具有以下优势：

(1)全流程智能状态管理。系统覆盖从高炉到炼钢车间运输作业全过程，实现了铁水罐罐号、机车号自动识别，位置自动跟踪、到位自动确认，任务自动闭环、位置信息动态展示，打破了高炉、炼钢、运输之间“信息孤岛”，有效支撑调度人员及时调度与决策；

(2)综合信息集中管理。三维可视化的铁—钢界面智能调优系统，从页面中可以直观看到铁水调度三维场景，方便铁水调度人员全面直观地查看载铁水机车、铁水罐(鱼雷罐)运行情况以及各设备运行参数；实现了对铁水生产及运输信息集中管理、可视化展示，生产实绩信息自动生成；实现了生产信息人工离线采集到全流程状态信息的集中管理。

当然文章提出的技术方案具有一定的局限性。首先，钢铁企业生产环境对信息化技术手段提出了更高的要求，例如在高炉出铁、铁水运输及炼钢厂内作业过程中，铁水罐长期处于高温、粉尘、铁水喷溅等恶劣环境，传统罐号识别手段的准确度和使用寿命都难以得到保障，选择识别准确度高的全新智能识别技术是企业的必然选择；其次，文章提出的铁—钢界面智能调优系统依然是面向人工经验式的铁—钢界面铁水调度模式，仅对铁水调度过程的辅助功能进行了智能化，可见，不断改进前后工序或装备之间的铁—钢界面技术，才是实现炼铁到炼钢短流程、低能耗、低环境负荷的根本方式。因此，该系统应在铁钢平衡、铁水智能分配、机车任务自动编制及下发执行等方面融合更多智能化功能，以提高系统的整体应用效果。