刘敬1 李少英2 周伟3
（迁安首信自动化信息技术有限公司 河北省 迁安市 064400）
摘要：三维场景是指应用三维建模工具对生产工艺设备进行建模，依托三维平台的先进技术，将“实体空间”与“虚拟呈现“进行有效融合，实现物理场景的虚拟仿真。生产节奏预判是指依据生产工艺参数实时数据，依托生产辅助信息化系统，结合生产工程师的经验知识，对生产节奏进行预判，为生产工艺正常运行提供科学的指导。一种三维场景下的冶金工艺生产节奏预判方法，通过生产工艺参数数据采集、功能模型创建、冲突区域确定、根原因集辨识、经验知识库创建与优化、工艺参数平衡和生产运行决策优化等功能的开发，实现工艺生产节奏的科学预判，并充分应用三维场景虚拟化技术，实现生产节奏预判的三维可视化模拟。该方法的研究，将经验知识数字化、预判方式系统化、预判方法科学化、生产运行决策规范化、预判过程虚拟可视化，从而提高了应急响应能力，缩短了异常平均处理时间，提高了生产工艺的运行效率和稳定性，为生产运行决策人员提供了理论和数据支撑。
关键字：三维场景；虚拟呈现；功能模型；冲突区域；根原因集辨识
本方法是基于冶金行业连续工艺的生产节奏预判方法和三维可视化虚拟展示的研究，目前在钢铁行业连退工艺进行试验，具体介绍了生产工艺节奏预判过程中异常的推理逻辑，通过采用科学的预判方法，建立合理的功能模型，生成并不断优化生产节奏控制的决策方案，从而指导冶金行业生产节奏控制，并提供预判过程的三维模拟仿真，以系统化的方式将生产节奏预判经验知识库数字化、具体化、规范化和流程化。该方法的研究为生产运行决策提供科学的依据和系统支撑。
1 背景技术
功能模型（Functional Model）由系统的直接功能对象、环境中或整个系统中对所研究系统产生影响的其他系统及系统边界内的元件/子系统及之间的功能组成的功能网络共同构成的。
冲突区域（Conflict Zone）是两个元件/子系统相互作用的区域，由功能载体、功能对象及之间的功能构成，功能分为标准功能、不足功能、过渡功能、有害功能。
根原因分析（Root Cause Analysis）是一项结构化的问题处理方法，用以逐步找出问题的根本原因并加以解决， 而不是仅仅关注问题的表征。
2 方法概述
基于三维虚拟技术，充分利用生产工艺虚拟化场景，引入优化根原因分析方法，融入“提出问题—分析问题—解决问题”机制，将问题产生的根原因和解决方案转换成经验知识库可识别的表达形式并存储，提高应急响应，缩短异常平均处理时间，提高工艺机组运行的稳定性；不断优化多因子平衡的归一化算法，动态更新最优生产工艺参数，三维模拟运行场景，预判生产工艺节奏，降低工艺机组的异常率和生产成本，提高工艺机组的运行效率。
3 系统功能
3.1 生产工艺数据采集
主要功能是预设生产工艺节奏预判采集点位，由PLC采集工艺参数数据并传入工业级Insql实时数据库中，关联Oracle关系数据库中的生产节奏预判专家知识库，通过数据处理、比对实时更新的最优生产工艺参数，将运行中的工艺参数按符合生产条件的程度进行分类，并在三维场景中进行可视化展示。
3.2 功能模型创建及初始冲突区域确定
定义异常，界定生产工艺异常的系统边界，若异常作用的终端产品不存在状态变化，则直接建立改异常系统功能模型；若异常作用的终端产品存在状态变化，则根据终端产品的不同状态划分子系统，分别对子系统建立功能模型，依据终端产品状态的先后变化实现子系统功能模型的逻辑顺序连接，形成以异常为中心的系统功能模型；在功能模型中，确定直接影响终端产品状态的系统或执行元件，并定义为异常的初始冲突区域。
3.3 根原因集辨识及最终冲突区域集确定
功能模型的支撑下，以初始冲突区域为基点，提出基于功能模型的根原因分析方法；导致生产工艺参数异常的原因与该原因直接相关的元件/系统或功能的属性未沿着期望的方向发展有关，同理，未沿着期望方向发展的属性又与直接作用于该元件/子系统的功能载体或功能的属性变化不满足要求有关。基于这种思想，利用以“三元件模型”为基础建立的功能模型，通过转换冲突区域，识别不同冲突区域内元件/子系统或功能的属性之间相互影响、相互依赖的内在逻辑关系，经过循环往复、逐层深入的原因剖析过程，捋顺各层原因之间的关系，辨识根原因集，确定最终冲突区域集，研析最终冲突区域集内功能载体、功能及功能对象的属性，探寻具有针对性、系统性、根本性的解决方案集。
3.3.1 冲突区域转换
基于功能模型的根原因分析方法以初始冲突区域为起点，沿着功能模型网络寻根究底，从功能载体、功能对象、功能三方面的属性分析冲突区域对应异常产生的原因：（1）功能载体角度：明确该冲突区域的功能载体与不良结果有关的属性，即相关属性A，确定直接影响相关属性A发生变化的该冲突区域边界外的元件，即元件/子系统1，将冲突区域转换成冲突区域1，在该区域里确定与相关属性A发生不良变化有直接关联的元件/子系统1的相关属性D，并分析它们之间的相互作用关系功能1的不良相关属性E；（2）功能对象角度：明确该冲突区域的功能对象与不良结果有关的属性，即相关属性B，确定直接影响相关属性B发生变化的该冲突区域边界外的元件，即元件/子系统2，将冲突区域转换成冲突区域2，在该区域里确定与相关属性B发生不良变化有直接关联的元件2的相关属性F，并分析它们之间的相互作用关系功能2的不良相关属性G；（3）功能角度：明确该冲突区域的功能与不良结果有关的属性，即相关属性C，确定直接影响相关属性C发生变化的该冲突区域边界外的功能，即功能3，明确功能3的功能载体和功能对象，即元件/子系统3和元件/子系统4，进而将冲突区域转换成冲突区域3。依此类推，全面寻找中间原因，精准辨识根原因集，确定最终冲突区域集
图1 冲突区域转换
3.4 经验知识库创建与更新
主要功能是采用统一标准格式，按异常工艺参数种类将异常现象、异常产生的根原因集和解决方案集详细记录，通过现场实践及经验积累，立足于解决方案的时效性，按权重排列根原因及解决方案，构成包含原因库和方案库的具有实时更新功能的经验知识库。
3.5 工艺参数平衡及生产运行决策优化
主要功能是记录工艺生产中每次工艺参数运行的工艺状态，定性、定量地分析生产效率、生产成本及设备异常率，将生产工艺参数进行多角度平衡的归一化算法处理并加以求解，引入最优保存策略，在求解过程中，始终保存所产生的最优解，即当前的最优解优于保留的最优解，则用当前的最优解替代保留的最优解，实现最优生产工艺参数的实时更新，依据终端产品的种类及对应的最优决策，进行工艺机组三维场景的运行模拟和生产状态预判，模拟和预判过程中显示不符合条件的工艺参数，则反馈到“功能模型建立及初始冲突区域确定”模块逐步进行分析并更新最优生产工艺参数。
3.6 三维虚拟仿真
在三维场景系统中，选定已生成的生产决策方案，并将核心影响因素参数数据进行实时接入，进行生产节奏预判的仿真，所有关键工艺段生产节奏变化可进行虚拟化展示，为生产控制管理人员提供生产决策方案的可视化验证支撑。
4 结论
综上所述，通过本方法的研究，为冶金行业连续工艺生产节奏预判提供了功能模型支撑、系统化支撑和可视化仿真支撑，解决了在生产流水线上通过设置生产工艺参数，导致生产效率低、生产成本高、设备故障率高，无法为生产决策奠定基础的缺陷， 并在预判理论的基础，实现了生产决策方案的可视化三维仿真，从而提高了决策方案的准确率，降低工艺机组的异常率和生产成本，提高工艺机组的运行效率。
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