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作者簡介：郭雨春，首鋼自動化信息技術有限公司研究所總工程師，計算機與自動化控制高級工程師，長期從事冶金企業的自動化、信息化工作，主持并參加了多項大型冶金自動化、信息化項目，并獲得北京市及冶金系統的科技進步獎，多篇專業學術文章在國內大型專業刊物上發表，并擔任中國計算機用戶協會常委理事等職務。
其他作者：陳志，首鋼自動化信息技術有限公司副總經理兼副總工程師，計算機應用高級工程師。
摘 要：本文結合我國冶金自動化及作者所在單位——首鋼的自動化現狀，對我國冶金自動化的發展做了客觀的評價與探討，特別對構成自動化核心的數學模型的發展現狀及趨勢進行了更進一步的研究。
關鍵詞：冶金；自動化；數學模型
Abstract：In this paper,we appraise and discusse impersonally the development of the domestic metallurgical automation combined with the status quo of metallurgical automation in our country and our company——Shou Gang.Especially we conduct further research on the development and trend of mathematical model which is the core of automation.
Key words：metallurgy；automation；mathematical model
中國冶金自動化產業伴隨著現代化鋼鐵工業的發展而發展。就首鋼而言，從1919年成立至今已經九十年了，前四十年受歷史時代的影響，首鋼冶金自動化工作幾乎沒有發展，從1959年算起，水銀整流器、直流調速裝置等開始應用于鋼鐵生產，這也標志著首鋼自動化應用開始走入人們的視野。
1 首鋼自動化應用的歷史與現狀
首鋼自動化發展的春天，是從我國改革開發算起，燦爛的改革開發之花，結出了豐碩的經濟之果。
1982年首鋼率先在全國將自動化技術應用于高爐、燒結及煉鋼等主要生產工藝環節。在高爐自動化技術改造中，結合新工藝的采用，實現了高爐上料、噴煤、熱風爐和高爐主體的全過程計算機控制，實現了高爐爐內均勻布料，自動化調整風溫、自動噴煤等先進的技術目標。可以隨時檢測高爐冶煉過程和各種工藝參數，各項工藝技術指標創造了歷史的最好水平！達到了世界先進水平。在高爐自動化改造的同時利用大修時機，將集散型控制系統成功應用于燒結生產，實現了對3500多個輸入輸出點的控制。在線800多套設備也全部實現了自動控制，特別值得一提的是將環保系統也實現了計算機控制。使得多年沒有解決的設備排塵問題得到了基本解決。排塵量大大低于當時的國家標準。燒結礦一級品率大大提高，取得的經濟效益得到了大家的一致公認。在煉鋼方面，采用微型機對轉爐生產過程進行監測，為加強管理和穩定操作，提供了準確的數據。
多年的努力，一批具有行業特色的自動化產品與技術相繼問世，并投入生產，如中子水分子儀，γ閃爍料位計，氧化鋯殘氧分析儀等，在鋼鐵生產中都發揮了重要作用。
進入21世紀以來，首鋼自動化應用與開發工作再上新臺階，并產生了質的飛躍，所有設計都實現了三級CAD設計，徹底甩掉了圖紙，以具有21世紀先進水平的首鋼京唐鋼鐵公司的投產，標志著又迎來了一個首鋼自動化應用與開發的春天。目前在首鋼冶金自動化已經成為冶金工藝的一個重要組成部分。換句話說，沒有自動化就無法煉鋼、軋鋼，這已經成為首鋼冶金工藝一條新的準則與條件。冶金自動化也正是靠著本身的實力與優勢，不斷提升在生產中的地位與作用。
2 新型工業化道路為首鋼自動化產業的發展指明了方向
“走新型工業化道路”實現兩化的融合，首先我們要在工業化方面取得重大突破。而衡量一個國家是否實現工業化，主要看其工業自動化水平。在當代，自動化是工業化的重要標志。我國鋼鐵工業經過幾十年的發展主體工藝設備不比國外的差，但鋼鐵工業的整體水平和國外相比，差距仍然較大，差在哪里，一是管理水平，二就是工藝軟件上，而這兩者我們可以分別看成是在信息化與自動化方面的差距。
信息化與自動化不是兩個獨立的概念，某種意義上講，信息化是自動化發展的一個新階段。如果我們把傳統自動化稱為基礎自動化或過程自動化的話，那么信息化就是將管理的內容與自動化有機地結合成一個整體，我們也可以稱為“集成式自動化”，所以我們常把企業信息化建設分成四級或者五級。如圖1所示。
圖1 企業信息化架構
所以，我們也可以說，由于我們在“集成自動化”方面存在著差距，所以影響了我國鋼鐵工業的進一步發展。成為制約我國鋼鐵工業發展的瓶頸。
進入新世紀以來，首鋼總公司結合整體發展戰略，具體描繪出了首鋼走新型工業化道路的三步走戰略。
第一階段是在目前首鋼產線基礎之上通過雙高產品，拳頭產品的戰略在現有的產線和基本工裝條件下通過技術進步提升經濟效益，積累技術儲備，培養人才團隊，構建企業管理信息化平臺，使得信息化作為兩個轉變的載體理念和作用基本形成。第二階段是在第一階段的基礎上，通過首鋼在鋼鐵高端產品的新產線的建設過程中進一步消化吸收國內國際先進技術、管理經驗，通過開放合作的技術路線，進一步系統固化、優化首鋼在鋼鐵工業高端產品方面的技術、管理基礎，企業管理信息化達到國內先進水平，充分發揮信息化作為兩個轉變的載體的作用，首鋼技術管理團隊對于首鋼四級自動化結構達到全面的把握；第三階段是在前兩個階段之上，發揮后發優勢，自主集成，通過曹妃甸鋼鐵基地的建設，以信息化作為全面創新的載體，全面達到當代鋼鐵工業的制高點，構建中國鋼鐵工業21世紀的概念工廠，以信息化引領競爭優勢的構建。目前首鋼是在第三階段上進行著拼搏，東方的地平線上已經露出勝利的曙光。
同時我們高興的看到，國內許多冶金企業的自動化水平也都發展到了較高水平，一些具有代表性的技術與項目，如全自動煉鋼、CSP軋鋼自動化等都開始在國內推廣，并收到良好的社會效益和經濟效益。但是我們也應該清醒的看到，在一些高端自動化技術與產品方面，我們還處于劣勢，為什么？因為許多核心技術我們還沒有掌握，為此，開發高端自動化技術與產品是我們遇到的一個不容回避的問題，也是一個需要解決的問題。為此首鋼在二級過程控制數學模型上另辟蹊徑，劍走偏鋒，通過過程控制模型的研發與應用，搶占自動化高端產品與技術的制高點。
（1）數學模型是冶金自動化中的核心技術。牽牛要牽牛鼻子，如果我們掌握了數學模型的這項技術，就掌握了自動化的主動權、話語權。
（2）核心技術是買不來的。我們要生產國家急需的鋼鐵產品，就要有相應的高端自動化技術來做支撐，國外廠商出于自身利益，他不會轉讓這類高端自動化技術與產品，他們所能轉讓的技術都是有條件限制的技術或已經過時的產品與技術。
（3）警惕新的文化與技術的“侵略”。就拿數學模型這類技術而言，有些新的品種鋼的冶煉技術，他們利用了我們的環境與條件，以及我們的原料以及人力資源，攻關開發成功后，他們會無償的拿走，再賣給新的用戶，而我們還要付給他們錢，這不是“以強欺弱”的“侵略”又是什么？
（4）引進技術的“水土不服”，過去我們引進了一些數學模型，但這些引進模型的應用都是有一定的邊界條件限制的，他們把許多條件都理想化，用國外的標準來衡量，而我國國內許多條件都很難滿足這些需求。所以出現了“水土不服”的問題，使用效果大打折扣，甚至夭折。
（5）開展高端冶金自動化領域數學模型的自主創新條件基本成熟。我們有著廣闊的市場需求，我國的冶金自動化水平已經發展到了一定的水平，一支技術創新的團隊已經基本形成，而且，許多冶金企業都有著豐富的實踐經驗，這些都為開展二級數學模型的自主創新創造了極為有利的條件。
3 數學模型是冶金自動化技術的核心
過程控制數學模型是冶金工業自動化與信息化的核心技術，從目前我國冶金工業數學模型的應用與研發方面，無論是從方法論還是從實際應用的角度來看，都有了很大的跨越和進步。同時數學模型應用與研發的水平，也是檢驗我國冶金企業創新動力的一個重要標志。數學模型是控制對象的表征，是對象可執行的表述，正是由于它與信息技術、自動控制技術、工藝能力的有效結合，發揮了重要的指揮與優化作用，所以我們才把數學模型稱之為自動化與信息化的核心技術。
3.1 數學模型的概念
由于數學模型涉及范圍較廣，大家會從各個角度對數學模型進行描述，盡管版本不同，長短不一，但其內容基本都是在一個范圍內，如果把數學模型理解為“對過程要素的數學描述”，既簡潔也能說明問題。當然要把這種數學描述用計算機語言準確地表述起來才可以發揮作用。
建立高可用性，高精度的數學模型是我國鋼鐵工業開發和生產出滿足國民經濟發展需要的鋼材品種。提高產品質量、節約能源、降低成本，從而實現可持續發展，提升核心競爭力的技術基礎。
3.2 模型分類
數學模型分類的方式很多，如果依照建模方法來劃分，可分為：
（1）機理模型：這類數學模型的建立，首先要對控制對象的物理化學過程進行深入細致的研究和理論探討，找到影響過程各因素之間的關系，應用數學表達式，圖形或算法表示出來。得到數學模型后，再用實際數據進行驗證，完善，增加修訂內容或確定權重系數，或決定采用分段處理的方式等。
（2）統計控制模型：這類數學模型建模時與工藝理論關系較少，而是通過現場采集到的大量與過程控制因素有關的數據，以自動控制原理和現代數學理論為基礎，應用回歸方式建立起數學表達式或圖形，這是一種隨機性模型，當工藝條件（被描述對象）發生重大變化時，則需要進行重大的修正或完善。
（3）人工智能模型：它是一種將上述兩種模型進行結合和優化而生成新的模型，它是隨著自動控制理論與現代數學理論的發展而出現的一種新的建模方式。這是一種基于規則的模型，其主要的依據是工藝的控制經驗和相關的專家知識及理論。
當然，也有按照模型功能劃分類別的，如設定模型、控制模型、自適應模型等。
3.3 建模過程
不同行業不同區域的建模過程都有所不同。我們根據首鋼的具體實踐情況，大致分成以下幾個階段：
（1）建模準備：明確建模的目的，對要控制的對象過程經過分析，搜索必要的信息，特征提取，通過要素分析，對建模方式進行選擇，形成實質性的建模框架。
（2）數學描述：根據對象的特征和建模目的，經過相關物理化學定律的應用以及約束條件的確認，抓住問題的本質，做出必要的合理的簡化和假設，用數學語言，數學方法表達出所控對象的內在規律，建立包括常量和變量在內的數學模型。
（3）模型調試：通過對數學模型的求解，達到模型的可執行并通過測試。
（4）模型優化：通過對結果進行必要的分析，對模型進行進一步的優化和完善。
（5）模型檢驗：用實際生產數據，來檢驗模型的正確性，這樣反復進行多次循環，直至最終達到滿意的效果。
（6）模型應用：將檢驗合格的數學模型與現場的控制系統、檢測系統以及數據采集系統等相關系統組成一個系統，在現場最終完成線程調試并開始試運行。
3.4 國內數學模型開發與應用
從我國鋼鐵企業當前的實際情況來看，主要工藝過程都使用了數學模型，如鐵前系統就有焦化數學模型、燒結數學模型和高爐數學模型；煉鋼系統中如轉爐煉鋼數學模型、RH真空精煉數學模型，LF爐精煉數學模型以及連鑄數學模型等；軋鋼工序是應用過程控制數學模型技術最廣泛最成熟的領域，如冷熱連軋生產線、中厚板生產線，涂鍍生產線、熱處理系統等，在線生產控制都使用了數學模型。
但在這成績面前，我們還要看到，內部仍然存在著更深層次的問題。
（1）在過程控制數學模型的應用中，重復引進的現象比較嚴重，而且對核心技術的封鎖也是十分嚴重的。由于種種原因，我們不能有效地對引進的數學模型進行維護和二次開發，以致出現“水土不服”和不能充分發揮作用等問題。
（2）在我們內部的企業之間互相保密，有些企業認為我們自己花的錢引進的技術，就要作為自己本企業的秘密，而加以保護，以致影響到對引進技術的消化、吸收、再創新工作的進一步開展。這種保密的結果，是替外商保了密，苦了我們自己，幫助外商占領國內市場，我們倒起了一定的作用。
審視整個鋼鐵工業自動化信息化的發展趨勢，過程控制數學模型是鋼鐵工業自動化信息化最直接最有效的領域，也是最核心的技術，沒有或者不掌握這種技術，鋼鐵工業的自動化信息化就難免流于形式，難以收到理想的效果。
4 首鋼數學模型的研究與應用的現狀
首鋼自從上個世紀七十年代以來，就開始了控制系統數學模型的研發與應用工作，研究成果于上個世紀八十年代獲得國家科技進步獎。本世紀初，特別是2005年以來，首鋼集中了全公司的自動化信息化力量，組建了首鋼自動化信息技術有限公司，控制系統數學模型的研發與應用工作又揭開了嶄新的一頁。
4.1 高爐專家系統的研究與應用
高爐煉鐵控制是一項復雜的過程控制系統，爐況順行是高爐控制的主要目的。目前高爐專家系統多是從保順行入手開發研究與應用。而首鋼就是在總結了國內外高爐專家系統研究與應用的成功經驗與失敗的教訓基礎之上，換一個思路，在一般爐況順行的基礎上，從異常爐況判斷入手，提出了“提高高爐異常爐況判斷準確性就是保高爐順行”的新思想，通過主動出擊，積極防御，針對各種異常爐況的判斷與分析，對原有異常爐況處理的經驗進行總結、優化，找出其內在規律性，并用新技術手段加以科學再現，保證高爐生產不受波動或少受波動，從而達到保證高爐順行的目的。
通過人工智能領域的專家系統技術、神經元網絡算法、遺傳算法等新興學科技術，將高爐專家知識和經驗進行量化，用智能推理技術將量化結果進行綜合分析來預報和處理爐況，尤其對異常爐況的征兆進行詳細的分析和預報，并提出相應的處理措施。通過神經元網絡來預報鐵水溫度。通過有限差分和遺傳算法來構建爐缸侵蝕模型，通過運動軌道方程，應用土坡塌陷及堆積原理來構建爐料分布模型，并采用三段法來分析爐內徑向負荷分布，最終通過模型的協同來綜合治理高爐，以達到高爐順行的目的。
圖2 高爐專家系統結構圖
經過兩年的探索、開發與實踐，首鋼高爐專家系統終于研制成功并應用于高爐生產領域，在原料多變的狀態下，通過對異常爐況判斷和原料質量模塊的開發應用，預報命中率又得到了進一步提升。爐況判斷準確全面實時，模型整體的技術性能達到了國際先進水平。
4.2 首鋼燒結智能化控制系統
燒結是鋼鐵生產工藝過程中的一個重要環節，就是將精礦粉與其它粉狀原料、回收的冶金工業粉塵，按一定比例混合，并燒制成塊狀的原料，供高爐生產使用。
首鋼燒結智能化控制系統是首鋼自動化信息技術公司自行設計，開發完成的具有完全自主知識產權的控制模型軟件，該系統從配料開始到燒結全過程，針對各個關鍵控制點建立模型，并有機的組成一個整體，進行智能控制，整個模型智能化控制系統包括了優化配料模型、動態配料模型、成分預報模型、點火模型、燃料模型、BTP（燒結終點）控制模型、BTP偏差控制模型等數10個子模型，實現了首鋼燒結生產智能化控制，達到了節能降耗，綠色生產、提高產品與質量等新的目標，各項技術經濟指標也在上一個新臺階。
其中BRP（溫度上升點）斜率判斷法，利用燃燒速度一致性指數改善布料，消除終點偏差等技術內容，都是首次提出并應用于生產實際。使用效果良好，達到國內領先水平。
4.3 首鋼高品質鋼一體化冶煉智能化集成系統
首鋼高品質鋼一體化冶煉智能化集成系統是首鋼自動化信息技術公司經過多年研究，全部自行設計，自主開發完成的具有完全自主知識產權的轉爐煉鋼冶煉自動化模型軟件。
這套系統是以動靜態冶煉模型為核心，以冶煉全過程（包括精煉）科學管理為基礎，以數據挖掘技術為支撐的現代化轉爐冶煉全過程的自動控制技術。系統開發了自動化煉鋼靜態模型和動態模型，部分功能可以根據現場實際進行定制設計開發。
這套模型結合機理模型和統計模型的特點，是通過主進程模型協調各分數學模型計算進程的開始和結束，將煙氣分析與副槍技術有效地結合在一起，并將轉爐煉鋼與RH爐精煉、LF爐的自動控制與判斷做為一個系統中的三個要素有機地進行統一分析，判斷及處理，實現了協同職能化煉鋼。特別是對鋼水、爐渣和合金為研究體系，利用機理模型分析影響鋼水溫度的主要因素，在此基礎上，通過數據挖掘，基于熱平衡理論建立溫度預報模型，利用質量守恒定律和線性規劃方法，建立成分預報模型和控制模型，充分利用轉爐、LF爐冶煉工藝操作的經驗，優化工藝參數，提高鋼水溫度和成分預報的準確性。該系統同時還具有強大的自學習功能，進一步提高了系統的穩定性和使用效果。系統穩定運行率超過99?8%，鋼水終點溫度和成分預報命中率雙雙達到90%以上。以年產量500萬噸鋼設計，使用該系統創造的經濟效益要比未使用前高達1400萬元，整體達到了國內領先水平。
5 過程控制數學模型的未來發展
過程控制數學模型在國內鋼鐵行業的應用與發展，目前還剛剛起步，方興未艾，隨著需求的發展，未來的數學模型還有著極大的發展空間。從現在起，形成社會的關注，這對數學模型的未來發展，是會起到一定的積極作用的。
5.1 繼續做好過程控制數學模型的應用工作
我國冶金行業數學模型的應用還不算十分廣泛，在軋鋼方面應用的較好，但其他工藝環節相對薄弱，所以，要充分利用現有的自動化資源，做好數學模型的應用工作。
（1）打破數學模型的神秘感。相信自己的力量，鼓足自己的信心，不等不靠，模型應用從低級向高級逐步發展，不斷積累技術，不斷培養人才，踏下心來，抓上幾個項目，就一定能搞出名堂來，收到明顯的經濟效益與社會效益。
（2）選準數學模型應用的切入點，萬事開頭難，也最招人矚目，所以，根據本單位的實際情況，選準自己模型應用的切入點，至關重要。
（3）不要怕失敗。企業搞研發，由于資金投入的主體是企業自己，所以對投資回報比較關注，這也就客觀造成了科研開發工作只許成功，不許失敗的尷尬境界。所以，在數學模型應用過程中，要允許失敗，不要怕失敗，解除束縛科技人員發展的條件限制，才能激發科技人員更大的工作熱情。
（4）積極開展對外合作。通過對外合作交流，擴大視野，可以縮短數學模型應用開發的時間，培養出自己的隊伍。特別是和兄弟企業的合作交流，和科研院所的合作交流，效果會更明顯。
5.2 開發自主的數學模型研發平臺和相關技術
以數學模型開發平臺為原創型技術開發的突破口，對現有的二級數學模型的開發模式進行新的變革與調整，將現有的手工開發模式，改造成自動化工廠式開發生產。即將現有命題式開發的組織方式改造成“系統架構→模型設計→算法設計→軟件開發→應用服務”這樣一個全新的模型開發模式。同時建設好兩個平臺，一個是使用平臺，在這個平臺上保證滿足用戶的各種需求，一個是開發平臺，將所有的模型開發都置于這個平臺管理之中。
5.3 提升與數學模型相關技術與產品的質量與水平
數學模型和與之相配套的產品與技術，構成了一個系統的產業鏈，或稱之為一個完整的產業群。根據“木桶效應”的原理，如果與數學模型相關的產品與技術水平相對較低，那么也會影響數學模型水平的發揮。比如數學模型的計算精度為1%，而執行機構的精度為5%，那么整體的精度則就為5%。所以要把短板加長，保證數學模型正常水平的發揮，在這個問題上，我們要有“愚公移山”的精神，舊的短板解決了，新的短板問題又會出現。所以我們要用“愚公移山”的精神，不斷解決新出現的短板問題。也就在這個不斷解決短板的過程中，數學模型的研發與應用水平才會不斷得到新的提高。
5.4 加強數學模型研發與應用的組織工作
目前我國數學模型的研發與應用工作，處于各自為戰的分散狀態，缺乏組織領導。所以，一些搞的比較好的冶金企業與相關的科研院所應當組成戰略聯盟，聯合攻關、搞出具有中國特色的數學模型的源代碼。技術平臺及相關的產品與技術，打破外國壟斷的一統天下，為我國鋼鐵工業的發展提供堅實的技術支持與保證。
發展以數學模型為核心的自動化技術，是落實“科技創造未來”的具體體現，也是我國鋼鐵工業實現新的騰飛的助推器。我們在過程控制數學模型的研發與應用上，實現重點突破，開發出有中國特色的數學模型產品與技術，走出一條“研制一批，儲備一批，生產一批”以科研促生產、以生產出產品、以產品保應用的新的可持續發展之路來。
——轉自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號