劉敬¹   李少英²  周偉³

（遷安首信自動化信息技術(shù)有限公司 河北省  遷安市 064400）

摘要：三維場景是指應(yīng)用三維建模工具對生產(chǎn)工藝設(shè)備進行建模，依托三維平臺的先進技術(shù)，將“實體空間”與“虛擬呈現(xiàn)“進行有效融合，實現(xiàn)物理場景的虛擬仿真。生產(chǎn)節(jié)奏預判是指依據(jù)生產(chǎn)工藝參數(shù)實時數(shù)據(jù)，依托生產(chǎn)輔助信息化系統(tǒng)，結(jié)合生產(chǎn)工程師的經(jīng)驗知識，對生產(chǎn)節(jié)奏進行預判，為生產(chǎn)工藝正常運行提供科學的指導。一種三維場景下的冶金工藝生產(chǎn)節(jié)奏預判方法，通過生產(chǎn)工藝參數(shù)數(shù)據(jù)采集、功能模型創(chuàng)建、沖突區(qū)域確定、根原因集辨識、經(jīng)驗知識庫創(chuàng)建與優(yōu)化、工藝參數(shù)平衡和生產(chǎn)運行決策優(yōu)化等功能的開發(fā)，實現(xiàn)工藝生產(chǎn)節(jié)奏的科學預判，并充分應(yīng)用三維場景虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)奏預判的三維可視化模擬。該方法的研究，將經(jīng)驗知識數(shù)字化、預判方式系統(tǒng)化、預判方法科學化、生產(chǎn)運行決策規(guī)范化、預判過程虛擬可視化，從而提高了應(yīng)急響應(yīng)能力，縮短了異常平均處理時間，提高了生產(chǎn)工藝的運行效率和穩(wěn)定性，為生產(chǎn)運行決策人員提供了理論和數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵字：三維場景；虛擬呈現(xiàn)；功能模型；沖突區(qū)域；根原因集辨識

本方法是基于冶金行業(yè)連續(xù)工藝的生產(chǎn)節(jié)奏預判方法和三維可視化虛擬展示的研究，目前在鋼鐵行業(yè)連退工藝進行試驗，具體介紹了生產(chǎn)工藝節(jié)奏預判過程中異常的推理邏輯，通過采用科學的預判方法，建立合理的功能模型，生成并不斷優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)奏控制的決策方案，從而指導冶金行業(yè)生產(chǎn)節(jié)奏控制，并提供預判過程的三維模擬仿真，以系統(tǒng)化的方式將生產(chǎn)節(jié)奏預判經(jīng)驗知識庫數(shù)字化、具體化、規(guī)范化和流程化。該方法的研究為生產(chǎn)運行決策提供科學的依據(jù)和系統(tǒng)支撐。

1  背景技術(shù)

功能模型（Functional Model）由系統(tǒng)的直接功能對象、環(huán)境中或整個系統(tǒng)中對所研究系統(tǒng)產(chǎn)生影響的其他系統(tǒng)及系統(tǒng)邊界內(nèi)的元件/子系統(tǒng)及之間的功能組成的功能網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成的。

沖突區(qū)域（Conflict Zone）是兩個元件/子系統(tǒng)相互作用的區(qū)域，由功能載體、功能對象及之間的功能構(gòu)成，功能分為標準功能、不足功能、過渡功能、有害功能。

根原因分析（Root Cause Analysis）是一項結(jié)構(gòu)化的問題處理方法，用以逐步找出問題的根本原因并加以解決， 而不是僅僅關(guān)注問題的表征。

2  方法概述

基于三維虛擬技術(shù)，充分利用生產(chǎn)工藝虛擬化場景，引入優(yōu)化根原因分析方法，融入“提出問題—分析問題—解決問題”機制，將問題產(chǎn)生的根原因和解決方案轉(zhuǎn)換成經(jīng)驗知識庫可識別的表達形式并存儲，提高應(yīng)急響應(yīng)，縮短異常平均處理時間，提高工藝機組運行的穩(wěn)定性；不斷優(yōu)化多因子平衡的歸一化算法，動態(tài)更新最優(yōu)生產(chǎn)工藝參數(shù)，三維模擬運行場景，預判生產(chǎn)工藝節(jié)奏，降低工藝機組的異常率和生產(chǎn)成本，提高工藝機組的運行效率。

3  系統(tǒng)功能

3.1  生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)采集

主要功能是預設(shè)生產(chǎn)工藝節(jié)奏預判采集點位，由PLC采集工藝參數(shù)數(shù)據(jù)并傳入工業(yè)級Insql實時數(shù)據(jù)庫中，關(guān)聯(lián)Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的生產(chǎn)節(jié)奏預判專家知識庫，通過數(shù)據(jù)處理、比對實時更新的最優(yōu)生產(chǎn)工藝參數(shù)，將運行中的工藝參數(shù)按符合生產(chǎn)條件的程度進行分類，并在三維場景中進行可視化展示。

3.2  功能模型創(chuàng)建及初始沖突區(qū)域確定

定義異常，界定生產(chǎn)工藝異常的系統(tǒng)邊界，若異常作用的終端產(chǎn)品不存在狀態(tài)變化，則直接建立改異常系統(tǒng)功能模型；若異常作用的終端產(chǎn)品存在狀態(tài)變化，則根據(jù)終端產(chǎn)品的不同狀態(tài)劃分子系統(tǒng)，分別對子系統(tǒng)建立功能模型，依據(jù)終端產(chǎn)品狀態(tài)的先后變化實現(xiàn)子系統(tǒng)功能模型的邏輯順序連接，形成以異常為中心的系統(tǒng)功能模型；在功能模型中，確定直接影響終端產(chǎn)品狀態(tài)的系統(tǒng)或執(zhí)行元件，并定義為異常的初始沖突區(qū)域。

3.3  根原因集辨識及最終沖突區(qū)域集確定

功能模型的支撐下，以初始沖突區(qū)域為基點，提出基于功能模型的根原因分析方法；導致生產(chǎn)工藝參數(shù)異常的原因與該原因直接相關(guān)的元件/系統(tǒng)或功能的屬性未沿著期望的方向發(fā)展有關(guān)，同理，未沿著期望方向發(fā)展的屬性又與直接作用于該元件/子系統(tǒng)的功能載體或功能的屬性變化不滿足要求有關(guān)。基于這種思想，利用以“三元件模型”為基礎(chǔ)建立的功能模型，通過轉(zhuǎn)換沖突區(qū)域，識別不同沖突區(qū)域內(nèi)元件/子系統(tǒng)或功能的屬性之間相互影響、相互依賴的內(nèi)在邏輯關(guān)系，經(jīng)過循環(huán)往復、逐層深入的原因剖析過程，捋順各層原因之間的關(guān)系，辨識根原因集，確定最終沖突區(qū)域集，研析最終沖突區(qū)域集內(nèi)功能載體、功能及功能對象的屬性，探尋具有針對性、系統(tǒng)性、根本性的解決方案集。

3.3.1  沖突區(qū)域轉(zhuǎn)換

基于功能模型的根原因分析方法以初始沖突區(qū)域為起點，沿著功能模型網(wǎng)絡(luò)尋根究底，從功能載體、功能對象、功能三方面的屬性分析沖突區(qū)域?qū)?yīng)異常產(chǎn)生的原因：（1）功能載體角度：明確該沖突區(qū)域的功能載體與不良結(jié)果有關(guān)的屬性，即相關(guān)屬性A，確定直接影響相關(guān)屬性A發(fā)生變化的該沖突區(qū)域邊界外的元件，即元件/子系統(tǒng)1，將沖突區(qū)域轉(zhuǎn)換成沖突區(qū)域1，在該區(qū)域里確定與相關(guān)屬性A發(fā)生不良變化有直接關(guān)聯(lián)的元件/子系統(tǒng)1的相關(guān)屬性D，并分析它們之間的相互作用關(guān)系功能1的不良相關(guān)屬性E；（2）功能對象角度：明確該沖突區(qū)域的功能對象與不良結(jié)果有關(guān)的屬性，即相關(guān)屬性B，確定直接影響相關(guān)屬性B發(fā)生變化的該沖突區(qū)域邊界外的元件，即元件/子系統(tǒng)2，將沖突區(qū)域轉(zhuǎn)換成沖突區(qū)域2，在該區(qū)域里確定與相關(guān)屬性B發(fā)生不良變化有直接關(guān)聯(lián)的元件2的相關(guān)屬性F，并分析它們之間的相互作用關(guān)系功能2的不良相關(guān)屬性G；（3）功能角度：明確該沖突區(qū)域的功能與不良結(jié)果有關(guān)的屬性，即相關(guān)屬性C，確定直接影響相關(guān)屬性C發(fā)生變化的該沖突區(qū)域邊界外的功能，即功能3，明確功能3的功能載體和功能對象，即元件/子系統(tǒng)3和元件/子系統(tǒng)4，進而將沖突區(qū)域轉(zhuǎn)換成沖突區(qū)域3。依此類推，全面尋找中間原因，精準辨識根原因集，確定最終沖突區(qū)域集

圖1 沖突區(qū)域轉(zhuǎn)換

3.4  經(jīng)驗知識庫創(chuàng)建與更新

主要功能是采用統(tǒng)一標準格式，按異常工藝參數(shù)種類將異?，F(xiàn)象、異常產(chǎn)生的根原因集和解決方案集詳細記錄，通過現(xiàn)場實踐及經(jīng)驗積累，立足于解決方案的時效性，按權(quán)重排列根原因及解決方案，構(gòu)成包含原因庫和方案庫的具有實時更新功能的經(jīng)驗知識庫。

3.5  工藝參數(shù)平衡及生產(chǎn)運行決策優(yōu)化

主要功能是記錄工藝生產(chǎn)中每次工藝參數(shù)運行的工藝狀態(tài)，定性、定量地分析生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本及設(shè)備異常率，將生產(chǎn)工藝參數(shù)進行多角度平衡的歸一化算法處理并加以求解，引入最優(yōu)保存策略，在求解過程中，始終保存所產(chǎn)生的最優(yōu)解，即當前的最優(yōu)解優(yōu)于保留的最優(yōu)解，則用當前的最優(yōu)解替代保留的最優(yōu)解，實現(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)工藝參數(shù)的實時更新，依據(jù)終端產(chǎn)品的種類及對應(yīng)的最優(yōu)決策，進行工藝機組三維場景的運行模擬和生產(chǎn)狀態(tài)預判，模擬和預判過程中顯示不符合條件的工藝參數(shù)，則反饋到“功能模型建立及初始沖突區(qū)域確定”模塊逐步進行分析并更新最優(yōu)生產(chǎn)工藝參數(shù)。

3.6  三維虛擬仿真

在三維場景系統(tǒng)中，選定已生成的生產(chǎn)決策方案，并將核心影響因素參數(shù)數(shù)據(jù)進行實時接入，進行生產(chǎn)節(jié)奏預判的仿真，所有關(guān)鍵工藝段生產(chǎn)節(jié)奏變化可進行虛擬化展示，為生產(chǎn)控制管理人員提供生產(chǎn)決策方案的可視化驗證支撐。

4  結(jié)論

綜上所述，通過本方法的研究，為冶金行業(yè)連續(xù)工藝生產(chǎn)節(jié)奏預判提供了功能模型支撐、系統(tǒng)化支撐和可視化仿真支撐，解決了在生產(chǎn)流水線上通過設(shè)置生產(chǎn)工藝參數(shù)，導致生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高、設(shè)備故障率高，無法為生產(chǎn)決策奠定基礎(chǔ)的缺陷， 并在預判理論的基礎(chǔ)，實現(xiàn)了生產(chǎn)決策方案的可視化三維仿真，從而提高了決策方案的準確率，降低工藝機組的異常率和生產(chǎn)成本，提高工藝機組的運行效率。

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