劉敬¹   李少英²  周偉³

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

摘要：三維場(chǎng)景是指應(yīng)用三維建模工具對(duì)生產(chǎn)工藝設(shè)備進(jìn)行建模，依托三維平臺(tái)的先進(jìn)技術(shù)，將“實(shí)體空間”與“虛擬呈現(xiàn)“進(jìn)行有效融合，實(shí)現(xiàn)物理場(chǎng)景的虛擬仿真。生產(chǎn)節(jié)奏預(yù)判是指依據(jù)生產(chǎn)工藝參數(shù)實(shí)時(shí)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(yàn)知識(shí)，對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏進(jìn)行預(yù)判，為生產(chǎn)工藝正常運(yùn)行提供科學(xué)的指導(dǎo)。一種三維場(chǎng)景下的冶金工藝生產(chǎn)節(jié)奏預(yù)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(shí)、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)創(chuàng)建與優(yōu)化、工藝參數(shù)平衡和生產(chǎn)運(yùn)行決策優(yōu)化等功能的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)節(jié)奏的科學(xué)預(yù)判，并充分應(yīng)用三維場(chǎng)景虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)奏預(yù)判的三維可視化模擬。該方法的研究，將經(jīng)驗(yàn)知識(shí)數(shù)字化、預(yù)判方式系統(tǒng)化、預(yù)判方法科學(xué)化、生產(chǎn)運(yùn)行決策規(guī)范化、預(yù)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(shí)間，提高了生產(chǎn)工藝的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，為生產(chǎn)運(yùn)行決策人員提供了理論和數(shù)據(jù)支撐。

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

本方法是基于冶金行業(yè)連續(xù)工藝的生產(chǎn)節(jié)奏預(yù)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(jìn)行試驗(yàn)，具體介紹了生產(chǎn)工藝節(jié)奏預(yù)判過程中異常的推理邏輯，通過采用科學(xué)的預(yù)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(dǎo)冶金行業(yè)生產(chǎn)節(jié)奏控制，并提供預(yù)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(yù)判經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)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(yùn)行決策提供科學(xué)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(duì)象、環(huán)境中或整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)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(gè)元件/子系統(tǒng)相互作用的區(qū)域，由功能載體、功能對(duì)象及之間的功能構(gòu)成，功能分為標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)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(chǎng)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(jī)制，將問題產(chǎn)生的根原因和解決方案轉(zhuǎn)換成經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)可識(shí)別的表達(dá)形式并存儲(chǔ)，提高應(yīng)急響應(yīng)，縮短異常平均處理時(shí)間，提高工藝機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性；不斷優(yōu)化多因子平衡的歸一化算法，動(dòng)態(tài)更新最優(yōu)生產(chǎn)工藝參數(shù)，三維模擬運(yùn)行場(chǎng)景，預(yù)判生產(chǎn)工藝節(jié)奏，降低工藝機(jī)組的異常率和生產(chǎn)成本，提高工藝機(jī)組的運(yùn)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(yù)設(shè)生產(chǎn)工藝節(jié)奏預(yù)判采集點(diǎn)位，由PLC采集工藝參數(shù)數(shù)據(jù)并傳入工業(yè)級(jí)Insql實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，關(guān)聯(lián)Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的生產(chǎn)節(jié)奏預(yù)判專家知識(shí)庫(kù)，通過數(shù)據(jù)處理、比對(duì)實(shí)時(shí)更新的最優(yōu)生產(chǎn)工藝參數(shù)，將運(yùn)行中的工藝參數(shù)按符合生產(chǎn)條件的程度進(jìn)行分類，并在三維場(chǎng)景中進(jìn)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(duì)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(shí)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(shí)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?yàn)榛c(diǎn)，提出基于功能模型的根原因分析方法；導(dǎo)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(shí)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(fù)、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(shí)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(duì)象的屬性，探尋具有針對(duì)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?yàn)槠瘘c(diǎn)，沿著功能模型網(wǎng)絡(luò)尋根究底，從功能載體、功能對(duì)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(duì)象角度：明確該沖突區(qū)域的功能對(duì)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(duì)象，即元件/子系統(tǒng)3和元件/子系統(tǒng)4，進(jìn)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(zhǔn)辨識(shí)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(yàn)知識(shí)庫(kù)創(chuàng)建與更新

主要功能是采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)格式，按異常工藝參數(shù)種類將異常現(xiàn)象、異常產(chǎn)生的根原因集和解決方案集詳細(xì)記錄，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)積累，立足于解決方案的時(shí)效性，按權(quán)重排列根原因及解決方案，構(gòu)成包含原因庫(kù)和方案庫(kù)的具有實(shí)時(shí)更新功能的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)。

3.5  工藝參數(shù)平衡及生產(chǎn)運(yùn)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(yùn)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(jìn)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(dāng)前的最優(yōu)解優(yōu)于保留的最優(yōu)解，則用當(dāng)前的最優(yōu)解替代保留的最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)更新，依據(jù)終端產(chǎn)品的種類及對(duì)應(yīng)的最優(yōu)決策，進(jìn)行工藝機(jī)組三維場(chǎng)景的運(yùn)行模擬和生產(chǎn)狀態(tài)預(yù)判，模擬和預(yù)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(jìn)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(chǎng)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(jìn)行實(shí)時(shí)接入，進(jìn)行生產(chǎn)節(jié)奏預(yù)判的仿真，所有關(guān)鍵工藝段生產(chǎn)節(jié)奏變化可進(jìn)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(yàn)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(yù)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(dǎo)致生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高、設(shè)備故障率高，無(wú)法為生產(chǎn)決策奠定基礎(chǔ)的缺陷， 并在預(yù)判理論的基礎(chǔ)，實(shí)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(zhǔn)確率，降低工藝機(jī)組的異常率和生產(chǎn)成本，提高工藝機(jī)組的運(yùn)行效率。

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