劉敬1 李少英2 周偉3
（遷安首信自動化信息技術有限公司 河北省 遷安市 064400）
摘要：三維場景是指應用三維建模工具對生產工藝設備進行建模，依托三維平臺的先進技術，將“實體空間”與“虛擬呈現“進行有效融合，實現物理場景的虛擬仿真。生產節奏預判是指依據生產工藝參數實時數據，依托生產輔助信息化系統，結合生產工程師的經驗知識，對生產節奏進行預判，為生產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節奏預判方法，通過生產工藝參數數據采集、功能模型創建、沖突區域確定、根原因集辨識、經驗知識庫創建與優化、工藝參數平衡和生產運行決策優化等功能的開發，實現工藝生產節奏的科學預判，并充分應用三維場景虛擬化技術，實現生產節奏預判的三維可視化模擬。該方法的研究，將經驗知識數字化、預判方式系統化、預判方法科學化、生產運行決策規范化、預判過程虛擬可視化，從而提高了應急響應能力，縮短了異常平均處理時間，提高了生產工藝的運行效率和穩定性，為生產運行決策人員提供了理論和數據支撐。
關鍵字：三維場景；虛擬呈現；功能模型；沖突區域；根原因集辨識
本方法是基于冶金行業連續工藝的生產節奏預判方法和三維可視化虛擬展示的研究，目前在鋼鐵行業連退工藝進行試驗，具體介紹了生產工藝節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，生成并不斷優化生產節奏控制的決策方案，從而指導冶金行業生產節奏控制，并提供預判過程的三維模擬仿真，以系統化的方式將生產節奏預判經驗知識庫數字化、具體化、規范化和流程化。該方法的研究為生產運行決策提供科學的依據和系統支撐。
1 背景技術
功能模型（Functional Model）由系統的直接功能對象、環境中或整個系統中對所研究系統產生影響的其他系統及系統邊界內的元件/子系統及之間的功能組成的功能網絡共同構成的。
沖突區域（Conflict Zone）是兩個元件/子系統相互作用的區域，由功能載體、功能對象及之間的功能構成，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）是一項結構化的問題處理方法，用以逐步找出問題的根本原因并加以解決， 而不是僅僅關注問題的表征。
2 方法概述
基于三維虛擬技術，充分利用生產工藝虛擬化場景，引入優化根原因分析方法，融入“提出問題—分析問題—解決問題”機制，將問題產生的根原因和解決方案轉換成經驗知識庫可識別的表達形式并存儲，提高應急響應，縮短異常平均處理時間，提高工藝機組運行的穩定性；不斷優化多因子平衡的歸一化算法，動態更新最優生產工藝參數，三維模擬運行場景，預判生產工藝節奏，降低工藝機組的異常率和生產成本，提高工藝機組的運行效率。
3 系統功能
3.1 生產工藝數據采集
主要功能是預設生產工藝節奏預判采集點位，由PLC采集工藝參數數據并傳入工業級Insql實時數據庫中，關聯Oracle關系數據庫中的生產節奏預判專家知識庫，通過數據處理、比對實時更新的最優生產工藝參數，將運行中的工藝參數按符合生產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 功能模型創建及初始沖突區域確定
定義異常，界定生產工藝異常的系統邊界，若異常作用的終端產品不存在狀態變化，則直接建立改異常系統功能模型；若異常作用的終端產品存在狀態變化，則根據終端產品的不同狀態劃分子系統，分別對子系統建立功能模型，依據終端產品狀態的先后變化實現子系統功能模型的邏輯順序連接，形成以異常為中心的系統功能模型；在功能模型中，確定直接影響終端產品狀態的系統或執行元件，并定義為異常的初始沖突區域。
3.3 根原因集辨識及最終沖突區域集確定
功能模型的支撐下，以初始沖突區域為基點，提出基于功能模型的根原因分析方法；導致生產工藝參數異常的原因與該原因直接相關的元件/系統或功能的屬性未沿著期望的方向發展有關，同理，未沿著期望方向發展的屬性又與直接作用于該元件/子系統的功能載體或功能的屬性變化不滿足要求有關。基于這種思想，利用以“三元件模型”為基礎建立的功能模型，通過轉換沖突區域，識別不同沖突區域內元件/子系統或功能的屬性之間相互影響、相互依賴的內在邏輯關系，經過循環往復、逐層深入的原因剖析過程，捋順各層原因之間的關系，辨識根原因集，確定最終沖突區域集，研析最終沖突區域集內功能載體、功能及功能對象的屬性，探尋具有針對性、系統性、根本性的解決方案集。
3.3.1 沖突區域轉換
基于功能模型的根原因分析方法以初始沖突區域為起點，沿著功能模型網絡尋根究底，從功能載體、功能對象、功能三方面的屬性分析沖突區域對應異常產生的原因：（1）功能載體角度：明確該沖突區域的功能載體與不良結果有關的屬性，即相關屬性A，確定直接影響相關屬性A發生變化的該沖突區域邊界外的元件，即元件/子系統1，將沖突區域轉換成沖突區域1，在該區域里確定與相關屬性A發生不良變化有直接關聯的元件/子系統1的相關屬性D，并分析它們之間的相互作用關系功能1的不良相關屬性E；（2）功能對象角度：明確該沖突區域的功能對象與不良結果有關的屬性，即相關屬性B，確定直接影響相關屬性B發生變化的該沖突區域邊界外的元件，即元件/子系統2，將沖突區域轉換成沖突區域2，在該區域里確定與相關屬性B發生不良變化有直接關聯的元件2的相關屬性F，并分析它們之間的相互作用關系功能2的不良相關屬性G；（3）功能角度：明確該沖突區域的功能與不良結果有關的屬性，即相關屬性C，確定直接影響相關屬性C發生變化的該沖突區域邊界外的功能，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3和元件/子系統4，進而將沖突區域轉換成沖突區域3。依此類推，全面尋找中間原因，精準辨識根原因集，確定最終沖突區域集
圖1 沖突區域轉換
3.4 經驗知識庫創建與更新
主要功能是采用統一標準格式，按異常工藝參數種類將異常現象、異常產生的根原因集和解決方案集詳細記錄，通過現場實踐及經驗積累，立足于解決方案的時效性，按權重排列根原因及解決方案，構成包含原因庫和方案庫的具有實時更新功能的經驗知識庫。
3.5 工藝參數平衡及生產運行決策優化
主要功能是記錄工藝生產中每次工藝參數運行的工藝狀態，定性、定量地分析生產效率、生產成本及設備異常率，將生產工藝參數進行多角度平衡的歸一化算法處理并加以求解，引入最優保存策略，在求解過程中，始終保存所產生的最優解，即當前的最優解優于保留的最優解，則用當前的最優解替代保留的最優解，實現最優生產工藝參數的實時更新，依據終端產品的種類及對應的最優決策，進行工藝機組三維場景的運行模擬和生產狀態預判，模擬和預判過程中顯示不符合條件的工藝參數，則反饋到“功能模型建立及初始沖突區域確定”模塊逐步進行分析并更新最優生產工藝參數。
3.6 三維虛擬仿真
在三維場景系統中，選定已生成的生產決策方案，并將核心影響因素參數數據進行實時接入，進行生產節奏預判的仿真，所有關鍵工藝段生產節奏變化可進行虛擬化展示，為生產控制管理人員提供生產決策方案的可視化驗證支撐。
4 結論
綜上所述，通過本方法的研究，為冶金行業連續工藝生產節奏預判提供了功能模型支撐、系統化支撐和可視化仿真支撐，解決了在生產流水線上通過設置生產工藝參數，導致生產效率低、生產成本高、設備故障率高，無法為生產決策奠定基礎的缺陷， 并在預判理論的基礎，實現了生產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成本，提高工藝機組的運行效率。
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