人工智能在冶金中的應(yīng)用

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人工智能在冶金中的應(yīng)用

摘要

冶金過(guò)程繁雜而且很難控制，隨著科技的發(fā)展人工智能技術(shù)在冶金中的應(yīng)用也逐漸廣泛起來(lái)，人工智能雖然在近些年的發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，但只是集中表達(dá)在機(jī)器人和一些模式識(shí)別的方面，若要真正的實(shí)現(xiàn)人類的智能，還有很長(zhǎng)的路要走。在當(dāng)今這個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代，人工智能重在研究生物智能，網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)科學(xué)和物理學(xué)等多個(gè)交織學(xué)科之間的人工智能技術(shù)，然而在使人工技能不斷革新的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，自然語(yǔ)言的智能化是人工智能技術(shù)中的關(guān)鍵所在，我們要對(duì)其建立一個(gè)能夠量化的模型鋼鐵企業(yè)在原料、能量、設(shè)備歸還和勞動(dòng)力費(fèi)用方面都受到很大壓力，而對(duì)如此嚴(yán)酷要求，必需找出有效的對(duì)策解決。為了鋼鐵工業(yè)的現(xiàn)代化，正在經(jīng)歷著種種變革。這些變革必需實(shí)行自動(dòng)化，或至少以自動(dòng)化為前提的計(jì)算機(jī)控制。本文從人工智能的發(fā)展簡(jiǎn)史和人工智能在冶金中的應(yīng)用的方面來(lái)論述，并為大家介紹了人工智能的發(fā)展前景。關(guān)鍵字

人工智能，高爐，計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)，冶金

目錄

引言????????????????????????????????1一．人工智能的發(fā)展史????????????????????????2二．人工智能的研究與應(yīng)用??????????????????????3

2.1機(jī)器的學(xué)習(xí)2.2專家系統(tǒng)2.3模式識(shí)別

2.4人工神經(jīng)系統(tǒng)2.5決策支持系統(tǒng)

2.6自然語(yǔ)言的分析和理解以及自動(dòng)程序的設(shè)計(jì).

三．人工智能控制在高爐中的應(yīng)用???????????????????53.1專家系統(tǒng)

3.2爐熱監(jiān)測(cè)和控制專家系統(tǒng)3.3爐料下降異常預(yù)報(bào)和控制

四．計(jì)算機(jī)在高爐冶煉過(guò)程中的應(yīng)用?????74.1冶金過(guò)程計(jì)算機(jī)控制的必要性

4.2.計(jì)算機(jī)在高爐冶煉中的功能

五．高爐自動(dòng)化?????????????????8

六．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軋鋼加熱爐模式識(shí)別與智能控制中的應(yīng)用????96.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

6.2多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軋鋼加熱爐模式識(shí)別中的應(yīng)用6.3自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軋鋼加熱爐模式識(shí)別中的應(yīng)用

七．結(jié)語(yǔ)?????????????????????????10八．

3.1專家系統(tǒng)

人工智能技術(shù)是模擬人類的思維方式和可觀的世界進(jìn)行認(rèn)識(shí)和改造的一門先進(jìn)的科學(xué)。人工智能的一個(gè)重要而且最成功的分支稱為專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)并不神秘，它不過(guò)是利用某一特定領(lǐng)域人類專家的知識(shí)，模擬人類的推理方式，具有決策制定能力的繁雜計(jì)算機(jī)程序。典型的專家系統(tǒng)包括大量規(guī)則的知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)組成。有些專家系統(tǒng)還包括幫助建立知識(shí)庫(kù)、向用戶解釋推理過(guò)程、更新知識(shí)庫(kù)等方面的子系統(tǒng)。

專家系統(tǒng)開發(fā)的基本問題：開發(fā)一個(gè)實(shí)用的專家系統(tǒng)，需要根據(jù)所需解決的問題和知識(shí)的表達(dá)方式、推理方式、人工智能語(yǔ)言等做出正確的選擇，還要解決和現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)通訊及人-機(jī)接口的設(shè)計(jì)問題。

（1）知識(shí)的表達(dá)方式好的知識(shí)表達(dá)方式應(yīng)具備以下特點(diǎn)：a有表達(dá)某

個(gè)專門領(lǐng)域所需要的知識(shí)能力，并保證庫(kù)中的知識(shí)是相容的；b具有從已知知識(shí)推導(dǎo)新知識(shí)的能力，簡(jiǎn)單建立表達(dá)新知識(shí)所需要的新結(jié)構(gòu)；c便于獲取新的知識(shí)，最簡(jiǎn)單的狀況是能夠由人將知識(shí)直接插入到知識(shí)庫(kù)中；d便于將啟發(fā)性知識(shí)附加到知識(shí)結(jié)構(gòu)中去，以便把推理集中到最有希望的方向上。

（2）推理方式基本的推理方式有兩大類：a前向推理即從子目標(biāo)或前

提條件出發(fā)朝向主要目標(biāo)推理的工作方式；b后向推理在問題的求解過(guò)程中首先做出幾種假設(shè)，然后根據(jù)其中的一種假設(shè)進(jìn)行推理，假使結(jié)果不能接受，則退回出發(fā)點(diǎn)，對(duì)另一種假設(shè)進(jìn)行推理。

專家系統(tǒng)包括解決的問題、知識(shí)表達(dá)方式、推理方式、人工智能語(yǔ)言、聯(lián)網(wǎng)方式和人-機(jī)接口（數(shù)據(jù)采集、處理）。

開發(fā)和應(yīng)用高爐專家系統(tǒng)的主要目的是實(shí)行對(duì)高爐的短期控制，即早期發(fā)現(xiàn)爐況惡化，盡快做出相應(yīng)處理，使高爐穩(wěn)定操作。

·高爐爐況異常，出鐵出渣不良和爐涼等重大異常爐況的診斷與處理；·爐熱水平的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和控制

·崩料、管道、難行和懸料等爐料下降異常的預(yù)報(bào)和控制。3.2爐熱監(jiān)測(cè)和控制專家系統(tǒng)

爐熱監(jiān)測(cè)和控制專家系統(tǒng)的決策過(guò)程由當(dāng)前爐熱水平判斷、爐熱變化趨勢(shì)和措施決策3個(gè)階段所組成。

a當(dāng)前爐熱水平的判斷

當(dāng)前爐熱水平判斷所采取的指數(shù)一般是鐵水溫度，但應(yīng)當(dāng)注意，鐵水的溫度實(shí)測(cè)值受到大量因素的影響：

·測(cè)溫地點(diǎn)和測(cè)量時(shí)間

·是否兩個(gè)鐵口同時(shí)出鐵·是否長(zhǎng)時(shí)間休風(fēng)后的首次出鐵·是否兩個(gè)鐵口同時(shí)重疊出鐵b爐熱變化趨勢(shì)預(yù)報(bào)c調(diào)整爐熱的措施決策

決策調(diào)整爐熱的過(guò)程一般分為兩個(gè)階段，第一是根據(jù)當(dāng)前爐熱水平和爐熱變化趨勢(shì)確定初步措施；其次是根據(jù)以往已經(jīng)采取的措施來(lái)決定最終的措施。3.3爐料下降異常預(yù)報(bào)和控制

爐料下降異常包括崩料、管道、難行和懸料等。爐料下降異常的預(yù)報(bào)及控制主要是針對(duì)崩料進(jìn)行的，崩料的預(yù)報(bào)包括崩料的嚴(yán)重程度和發(fā)生的可能性大小兩方面，推理過(guò)程分為以下三步：

a對(duì)各個(gè)診斷項(xiàng)目，例如爐熱狀態(tài).透氣性等指數(shù)，單獨(dú)進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出相應(yīng)的操作措施;

b綜合考慮不正常爐況的嚴(yán)重程度和過(guò)去已經(jīng)采取的措施，對(duì)第一步確定的各個(gè)操作措施項(xiàng)目及調(diào)整量重新進(jìn)行評(píng)價(jià)；

c選擇其次步確定的調(diào)整量最大的操作措施作為最終的決定，并在CRT上顯示供工長(zhǎng)參考。

四．計(jì)算機(jī)在高爐冶煉中的應(yīng)用

4.1冶金過(guò)程計(jì)算機(jī)控制的必要性

為什么冶金生產(chǎn)過(guò)程要實(shí)行計(jì)算機(jī)控制，或者說(shuō)計(jì)算機(jī)控制的效果表現(xiàn)在哪里？為了說(shuō)明這個(gè)問題，下面介紹鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的性質(zhì)和特點(diǎn)。

鋼鐵生產(chǎn)的性質(zhì)可概括為以下三點(diǎn)：是大型裝置工業(yè)；需要繁雜的生產(chǎn)過(guò)程；是訂貨生產(chǎn)方式。

這些性質(zhì)具體表現(xiàn)為如下特點(diǎn)。

①設(shè)備方面的特點(diǎn)是：?jiǎn)螜C(jī)設(shè)備大；多半不是連續(xù)過(guò)程，而是間歇過(guò)程；人工操作仍相當(dāng)多。

②生產(chǎn)過(guò)程中物流的特點(diǎn)是：原料使用量大；要使用大量的能量和水；物流相當(dāng)繁雜；原料和成品的運(yùn)輸量大。

③生產(chǎn)過(guò)程狀況的特點(diǎn)是：生產(chǎn)過(guò)程中物流多種多樣；高溫下作業(yè)。

④按訂貨進(jìn)行生產(chǎn)的特點(diǎn)是：生產(chǎn)管理需要大量的信息；信息流和生產(chǎn)管理都很繁雜。

⑤從勞動(dòng)條件方面看的特點(diǎn)是：要求熟練工的作業(yè)多；多為高溫、重體力勞動(dòng)。另外，從現(xiàn)實(shí)看還沒有考慮到價(jià)格的升高。這些特點(diǎn)，無(wú)論拿哪一項(xiàng)作為企業(yè)條件都是不簡(jiǎn)單的。以這種過(guò)程進(jìn)行生產(chǎn)，從企業(yè)來(lái)講要降低產(chǎn)品成本是相當(dāng)困難的。然而正相反，對(duì)鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量和價(jià)格的要求卻越來(lái)越苛刻了，這更加重了困難程度。也就是說(shuō)，鋼鐵企業(yè)在原料、能量、設(shè)備歸還和勞動(dòng)力費(fèi)用方面都受到很大壓力，而對(duì)如此嚴(yán)酷要求，必需找出有效的對(duì)策解決。計(jì)算機(jī)控制就是措施之一，鑒于鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的繁雜性，只憑在其他工業(yè)的連續(xù)性生產(chǎn)發(fā)展起來(lái)的閉環(huán)反饋控制為基礎(chǔ)的一系列控制技術(shù)是很難解決問題的。而且

今后鋼鐵工業(yè)的趨勢(shì)將是更困難、更繁雜。鋼鐵工業(yè)的現(xiàn)代化正在經(jīng)歷著種種變革。這些變革必需實(shí)行自動(dòng)化，或?qū)崿F(xiàn)至少以自動(dòng)化為前提的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。冶金工業(yè)自動(dòng)化的目的在于提高大型設(shè)備的生產(chǎn)效率，加強(qiáng)質(zhì)量管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理合理化以及省力化、無(wú)人化。

4.2.計(jì)算機(jī)在高爐冶煉中的功能

高爐冶煉過(guò)程是一系列繁雜的物質(zhì)化學(xué)過(guò)程的總和。有爐料的發(fā)揮與分解，鐵氧化物的還原，生鐵與爐渣的形成，燃料燃燒，熱交換和爐料與煤氣運(yùn)動(dòng)等，這些過(guò)程不是單獨(dú)進(jìn)行的，而是相互制約下數(shù)個(gè)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行的，從控制論的角度看，高爐過(guò)程是一種時(shí)間常數(shù)大的非線性系統(tǒng)。這就決定了高爐過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必需具有長(zhǎng)期，中期和短期3個(gè)水平的控制功能。

高爐過(guò)程計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)冶煉的全過(guò)程管理，主要功能包括過(guò)程監(jiān)視，系統(tǒng)控制，數(shù)據(jù)處理，設(shè)備管理及數(shù)學(xué)模型運(yùn)算等，主要作用是向操作指導(dǎo)，判斷信息，管理信息和作業(yè)信息，從而減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

高爐計(jì)算機(jī)首先對(duì)原料，燃料進(jìn)行作業(yè)數(shù)據(jù)處理，對(duì)原燃料，燃料裝入數(shù)據(jù)處理，為了了解大型高爐爐璧和爐底各部分的侵蝕狀況，就要對(duì)高爐爐體進(jìn)行溫度監(jiān)視，同樣由于熱風(fēng)爐爐殼各部分周期性工作，爐殼溫度也周期性變化，簡(jiǎn)單發(fā)生爐殼鐵皮變形與龜裂，為此要建立對(duì)爐殼溫度周期巡回栓測(cè)，當(dāng)各點(diǎn)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)打印出越限信息。計(jì)算接受有關(guān)渣，鐵數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)高爐和藝參數(shù)的處理。高爐計(jì)算機(jī)還有熱風(fēng)爐然爐燃燒控制，技術(shù)計(jì)算，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示，通信等功能。

高爐是一個(gè)繁雜的氣固相流反應(yīng)器。為了理解，控制和設(shè)進(jìn)高爐煉過(guò)程，更多的努力被用與開發(fā)數(shù)學(xué)模型。高爐數(shù)學(xué)模型的出發(fā)點(diǎn)是把高爐過(guò)程和熱風(fēng)和熱

風(fēng)爐狀態(tài)以工藝或控制理論描述，算出操作，算出操作一進(jìn)行在線控制或操作指導(dǎo)。

五．高爐自動(dòng)化

高爐控制系統(tǒng)主要包含高爐本體控制、給料和配料控制、熱風(fēng)爐控制，以及除塵系統(tǒng)控制等。高爐煉鐵自動(dòng)化控制系統(tǒng)就是保證煉鐵生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性和實(shí)時(shí)監(jiān)控性，進(jìn)而保證高爐操作的四個(gè)主要問題：正確配料并以一定的順序及時(shí)裝入爐內(nèi)、控制爐料均勻下降、調(diào)理爐料分布及保持其與熱煤氣流的良好接觸、保持高爐整體有適合的熱狀態(tài)。高爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有組成設(shè)備多、位置分散、設(shè)備間聯(lián)鎖關(guān)系強(qiáng)、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣、安全性可靠性要求高等方面特點(diǎn)，基于和利時(shí)公司HOLLiASLK系列PLC的高爐控制系統(tǒng)，在考慮高爐煉鐵系統(tǒng)特點(diǎn)和要求的基礎(chǔ)上，充分利用了LKPLC可靠性高、性能優(yōu)異、功能豐富、擴(kuò)展性好、易于使用等方面的優(yōu)勢(shì)1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高爐控制是集機(jī)械、電氣控制和計(jì)算機(jī)應(yīng)用為一體的技術(shù)，采用以和利時(shí)公司HOLLiASLK系列PLC為核心的，集中與分散相結(jié)合的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由1個(gè)中央控制室和上料系統(tǒng)、高爐本體、熱風(fēng)爐、除塵等四個(gè)控制站組成，通過(guò)高速100Mbps光纖工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信2、系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)是一個(gè)集順序控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、工況監(jiān)視、數(shù)據(jù)管理為一體的計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)。對(duì)電動(dòng)機(jī)、閥門等以及成套機(jī)電設(shè)備的開關(guān)量控制，包括分組聯(lián)鎖起動(dòng)、分組聯(lián)鎖關(guān)機(jī)、組內(nèi)自動(dòng)聯(lián)鎖控制、組內(nèi)單步聯(lián)鎖控制、系統(tǒng)單步調(diào)試；過(guò)程控制數(shù)據(jù)的采集和處理（包括開關(guān)量和模擬量）；完善的報(bào)警功能。開關(guān)量和模擬量報(bào)警的顯示、確認(rèn)、記錄和打?。粍?dòng)態(tài)顯示工藝流程圖畫面，各畫面之間可以自由切換；歷史曲線圖、實(shí)時(shí)曲線圖、電氣儀表圖和棒形圖顯示和打印。

六．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軋鋼加熱爐模式識(shí)別與智能控制中的應(yīng)用

在冶金行業(yè)中,軋鋼加熱爐是軋鋼生產(chǎn)過(guò)程中的重要設(shè)備之一,在實(shí)際操作過(guò)程中，操作人員依靠傳感器的信息，判斷爐況，進(jìn)行操作。有些判斷難以用簡(jiǎn)單的“IFATHENB〞這樣的規(guī)則表達(dá)，而是根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，將爐況分成幾種

模式，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別目前爐況屬于那種模式，對(duì)其進(jìn)行操作進(jìn)行指導(dǎo)，或作為專家系統(tǒng)的補(bǔ)充，有較大的作用。6.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬生物的神經(jīng)系統(tǒng)（特別是腦）功能的網(wǎng)絡(luò)。人腦約由150億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞組成，每個(gè)細(xì)胞同數(shù)千、數(shù)萬(wàn)個(gè)神經(jīng)細(xì)胞相聯(lián)系，形成網(wǎng)絡(luò)。這樣，神經(jīng)細(xì)胞模型可以看作是n輸入單輸出的信息處理單元。某個(gè)輸入Xi對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的影響以影響度表示，稱為細(xì)胞的結(jié)合權(quán)重或效率Wi，這個(gè)細(xì)包模型如圖1所示。

圖1細(xì)胞模型

細(xì)胞的輸入有強(qiáng)有弱，當(dāng)其總合超過(guò)某一閥值，則細(xì)胞進(jìn)入興奮狀態(tài)，產(chǎn)生輸出;當(dāng)其總合低于閾值時(shí)，細(xì)胞進(jìn)入抑制狀態(tài)，沒有輸出。神經(jīng)細(xì)胞之間可以有不同的連接方式，目前已經(jīng)提出了大量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，由于神經(jīng)細(xì)胞的計(jì)算的并行性，其總體計(jì)算效率很高。生物的一個(gè)重要特征是有自學(xué)習(xí)功能，改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中細(xì)胞（或節(jié)點(diǎn)）輸入端的權(quán)重或者細(xì)胞興奮的閥值，控制細(xì)胞的興奮狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)生物系統(tǒng)所具有的靈活的判斷和自學(xué)習(xí)功能。6.2多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軋鋼加熱爐模式識(shí)別中的應(yīng)用

采用多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為軋鋼加熱爐爐溫控制和熱風(fēng)量控制專家系統(tǒng)的一部分。以軋鋼加熱爐爐溫預(yù)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，采用如圖4所示的三層網(wǎng)絡(luò)。以鋼坯加熱狀況，煤氣成分，爐中部熱平衡計(jì)算求得的計(jì)算值指數(shù)、爐體熱損失量過(guò)程數(shù)據(jù)作為輸入層的輸入。

.6.3自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軋鋼加熱爐模式識(shí)別中的應(yīng)用

以爐膛溫度來(lái)說(shuō)，在爐膛沿上方向和左右方向共設(shè)置一些測(cè)溫點(diǎn)，溫度數(shù)據(jù)是二維的分布模式，依靠操作人員觀測(cè)對(duì)模式進(jìn)行分類是很困難的，因此不能預(yù)先給出指導(dǎo)模式，而是用自組織網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)抽取數(shù)據(jù)特征，進(jìn)行分類。自組織網(wǎng)絡(luò)采用多個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，多個(gè)輸出陣列，用一段時(shí)間的日平均測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，用自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類，得到軋鋼加熱爐高溫、稍高溫、低溫等幾種爐膛溫度模式，模式特征在鄰近節(jié)點(diǎn)間平滑變化。使用自組織后的網(wǎng)絡(luò)，可以用來(lái)識(shí)別日平均爐膛溫度數(shù)據(jù)與哪一溫度分布模式最為接近，用這一識(shí)別可以定量分析與其它爐況數(shù)據(jù)的關(guān)系。七．結(jié)語(yǔ)

人工智能技術(shù)在冶金反應(yīng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為了提高冶金生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)冶金過(guò)程向自動(dòng)化，規(guī)?；?，高效的方向發(fā)展，更好的利用人工智能技術(shù)是冶金發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是表達(dá)冶金技術(shù)進(jìn)步的具體表現(xiàn)。冶金過(guò)程中的冶煉、精煉、連鑄、軋制等過(guò)程中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等數(shù)據(jù)都需要監(jiān)測(cè)，以及金屬組織性能的控制，金屬制造