开发配煤专家系统 实现配煤管理的飞跃_配煤专家系统

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开发配煤专家系统 实现配煤管理的飞跃

作者： 冒建军

一、前言

随着生产规模的不断扩大，宝钢煤炭的年使用总量已经达到了1300万吨以上的水平，而且全国的煤炭供应已从由国家统一调拨分配资源走向按照市场配置资源。这就要求宝钢把高炉、焦炉、电厂生产与煤炭市场资源配置紧密的结合起来，实现宝钢安全、稳定、低成本的用煤，确保高炉、电厂生产的安全顺行。在此环境下，宝钢从98年开始开发《宝钢配煤专家系统》，并于2000年投入运行，并在使用过程中随着市场变化和厂内生产的变化对系统不断完善，逐步实现了宝钢用煤从资源--进厂--使用--效果跟踪全方位的管理，率先将人工智能技术应用于配煤管理，将我国的配煤技术和配煤管理推进到新的阶段。

二、开发的背景

宝钢自从85.9投产以来，宝钢炼铁生产规模和炼铁生产技术发生了巨大变化。铁产量由投产初期1座高炉年产325万吨上升到3座高炉年产1000万吨以上的生铁，高炉冶炼技术由喷油冶炼发展到高炉富氧喷吹煤粉的冶炼。现在宝钢高炉喷煤量稳定在200Kg/T.Fe的水平，其中1高炉的喷煤量在230Kg/T.Fe，高炉的主要经济技术指标已经达到世界一流水平。高炉生产所取得的这些成绩，与宝钢能生产优质、稳定、高强度的焦炭密切相关。

而此时国家煤矿开始组建煤炭集团，煤炭的供应发生了巨大变化，宝钢用煤已从计划经济条件下由国家统一调拨分配资源走向按照市场配置资源。这就要求宝钢把高炉、焦炉生产与煤炭市场资源配置紧密的结合起来。在此环境下，它要求把市场、科研、生产有机结合起来，实现宝钢购、产、研一体化的目标。因此，宝钢开始着手开发炼焦配煤专家系统，利用计算机科学和宝钢专家所积累的经验和知识及他们在配煤研究中成果的结晶，总结多年来的配煤和炼焦生产实践，建立适合自己特点的焦炭质量预测模型、生产管理和智能控制系统模型。由此能帮助管理人员顺利选择煤源，保证和稳定大容积高炉在大喷煤的条件下的焦炭质量，并寻求配煤最合理、成本最低，以取得最佳经济效益和最稳定的生产，以提高宝钢炼焦配煤管理水平。

同时随着生产规模的不断扩大，宝钢股份公司全年用煤量达到1300万吨，炼焦煤、喷吹煤、电煤品种逐步增多，如何利用煤种各自优势、取长补短实施配煤，有效降低生产成本成为一个新的课题。而且宝钢一、二、三期煤场共分9条，储存数量在80万吨左右，进厂煤按品名、性质、批号、生产所需有序堆放。而堆放场地的安排，包括标高、起始地址以及场地库存量基本上都是人工计算管理。由于煤的品种繁多、管理任务繁杂，极大地增加了工作量。因此，在专家系统仅包含炼焦煤的基础上，将喷吹煤、发电煤和料场管理纳入专家系统中，实现了宝钢的配煤专家系统在资源、料场、炼焦、喷吹、发电、使用跟踪一体化的全方位的动态实时科学管理。

三、专家系统开发的技术和方法

1、基于模拟进化算法的配比生成和用煤计划优化算法

配煤专家系统的核心问题为：根据专家知识和预测模型预测不同配煤条件下的配合煤和焦炭性质以及相关的其他生产指标；并且在指定的生产指标和焦炭性质要求下进行配比的生成和用煤计划优化。其中预测技术是所有工作的前提和基础，而反演计算则是获得最优配比和最佳用煤计划并最终实现质量控制和降低成本的关键。本系统在专家知识和经验的支持下，利用最新的数学和计算机科学研究成果，选择了以模拟进化算法为基础，结合宝钢生产配煤实际，设计宝钢配煤专用模拟进化算法的技术路线。

2、煤源总览和垂直门户网站开发技术

煤源总览作为中长期用煤计划参考资料，既有全球地质资料相对稳定的一面，也有各国各地生产实际和市场环境变化莫测的一面，所以煤源总览从功能上要求同时具有相对稳定和及时跟踪两个方面的能力。由于煤源资料来源广泛，信息量繁杂，所以同时还要求煤源总览具备容纳多媒体信息的能力。

本系统中引入了 “煤炭资源门户网站”工作中的最新技术。所谓垂直门户网站指的是专门用于某个特定专业领域的网络信息中心。它的特点是在专业化的基础上，利用网络技术的最新发展，提供整体领域的分析报告和行业发展的最新动态和历史数据。

3、数据库管理和Borland数据库引擎

利用Borland数据库引擎（BDE），可以实现数据库显示部分和数据库管理部分的隔离，并且实现程序代码部分和数据库配置部分的隔离。从而使得数据库系统的开发具有更强的适应能力和可伸缩性。这种隔离使得当数据库系统得到扩充以后，系统程序只需要通过BDE对数据库进行有关的修正，而无须对其他部分作进一步的修改。对于宝钢配煤专家系统来说，这个特点可以保证专家系统和管理机系统的顺利连接。

4、Delphi和微软Excel协同工作

宝钢配煤专家系统利用多任务多进程的协调工作能力达到了将数据库应用程序的结果即时传输到Excel的能力，从而为利用Excel本身固有的数据处理和数据处理能力进行用户自定义数据处理提供了可能的渠道。

四、专家系统的特点

1、宝钢开发的配煤专家系统，是国内外首次在钢铁联合企业按照物质流（煤、焦）和信息流（数据等）的流向，把煤源－煤场－配煤－炼焦（电厂）－焦炭（配煤）－高炉（机组）集成在一个系统，实现工艺过程的智能化管理和资源的优化配制与运用。这样的系统只有在宝钢已经具备的设备高度自动化、管理高度信息化、人员高素质的条件下才能实现。

2、开发的数据库系统所具备的各项功能使生产管理者能够从大量纷繁复杂、浩如烟海的数据中迅速获得指导生产的规律、信息、候选方案、参数等。

3、按照“垂直门户网站”思路建立的煤源总览系统，利用最新的网络技术提供多样化的资料、专家对最新资料的分析报告、以及最新的动态网上信息，使宝钢利用互联网对国内外的煤源信息的了解始终处于领先位置，为合理组织煤炭采购提供技术保证。

4、提出了的基于模拟进化算法的反演计算算法，可以对离散变量和连续变量进行较大规模优化计算，应用于生产配比生成、年度和阶段用煤计划的优化；实现了以成本优化为目标进行年用煤计划的优化，或以质量和用煤稳定为目标进行季度和月份用煤计划的优化。该方法是首次在配煤生产工艺过程中应用，即获得了满意的效果。

5、预测模型和专家知识在本系统设计的数学表达格式下面达到了统一，具有易于存储、理解、修正和计算机处理的优点，与模拟算法和反演算法相结合，使宝钢专家们多年积累的知识与宝贵经验得到继承与发展。

6、数学模型具备在生产实绩和推定数据对照的基础上进行自学习的能力，使系统的自我完善功能得到加强。

7、数据库管理系统具备良好的可伸缩性，可以方便地与老管理机系统以及在建的管理机数据进行对接，以保证信息流顺畅。

8、Excel与数据库应用软件协同工作便于充分利用不同软件的特点，达到用户自定义数据处理的目的，使管理者更方便使用。

五、专家系统的八大功能

1、煤炭资源管理和煤炭市场分析功能

该部分包含了（1）世界煤资源、中国煤资源和宝钢用煤资源的总体背景资料和分析预测资料；（2）世界和中国主要煤资源产地的动态分析报告；（3）主要煤炭市场的主要煤价的历史和当前价格情况报告；（4）世界上主要用煤国家和钢铁企业的用煤情况报告。

本系统已可以与因特网联网，通过中国煤炭信息网、美国地理协会、澳大利亚政府网站以及浦项、美钢联等政府部门、世界性行业协会、主要对手的网站访问，可以动态地得到关于世界和国内最新的煤炭资源变化情况。

2、煤炭使用计划的制定功能

该功能是在模型管理和计算模块的支持下，可以对煤炭使用计划的优化和合理管理提供数值依据。煤炭使用计划系统功能包含：煤炭使用年计划的优化计算、年采购计划的校验计算、季度和月计划以及库存的合理配置与校验计算。

3、煤场管理功能

煤场管理功能是对进厂煤炭的料场管理，主要功能包括：（1）根据最新的料场数据绘制当前料场图；（2）查询、统计当前料场的情况，为煤场管理提供依据；（3）根据配煤比和当前料场预测使用天数；（4）根据来煤、用煤跟踪管理煤堆的物料平衡；（5）进行指定时间区域的物料平衡统计计算。

煤场管理是配煤专家系统重要组成部分，煤场管理功能系统，从计算机软件本身来看，可以相对独立于配煤专家系统；但从专业管理的角度来看，却从直接影响着专家系统的使用情况。目前煤场的布置和状况、近来煤场变化的趋势和方向，都会对其他操作尤其是配比的设计和使用产生影响。

煤场管理的数据来源于宝钢生产管理系统，主要的数据跟踪管理功能包括：煤堆数据跟踪管理、煤堆数据和来煤数据的跟踪管理、煤堆数据和用煤记录的跟踪管理、煤堆数据和后续工序的相关数据跟踪管理，主要的煤场管理功能包括：来煤品种统计管理；历史用煤统计管理；煤场和配煤比的统计管理、盘库管理等；主要的预测管理功能包括：根据配煤比计算得到的使用天数预测等；其他直观数据管理功能包括：料场图生成管理、基于料场图的各种直观提示。

煤场管理与配煤专家系统是有机结合，料场的管理实现了实时跟踪料场状况，了解到煤炭的堆存时间，配合煤的质量，为稳定煤炭的质量和日常配煤比的制定提高依据，提高了宝钢料场的管理水平，稳定了焦炭、高炉、电厂用煤的质量。

4、日常配煤比制定功能

该功能系统包括了配比管理、配合煤数据管理、焦炭数据管理，并综合了生产配比生成、生产配比预测、推定数据与历史实绩数据对照等管理功能。可以独立地完成日常配比的生成、预测和有关的数据管理工作。推定数据和历史实绩数据对照管理模块是在配合煤数据管理和焦炭数据管理模块以及配比预测模块基础上完成的。在配煤专家系统数据库的支持下，有关数据可以按照配比号进行关联查询和使用。因此可以得到历年来所有的有关配煤的配比组成和比例、推定配合煤、推定焦炭、配合煤实绩、焦炭实际等有关数据的对照情况。在数据分析的基础上，可以为专家系统和模型的进一步优化提供数值依据。这个功能主要是用于稳定焦炭、高炉喷煤、电厂燃煤质量的管理，和实现用煤成本的不断下降。

5、焦炭、喷煤、电煤在高炉、电厂机组中使用状态跟踪功能

该功能该系统一方面包含了以高炉生产为中心的有关高炉本身、矿石、喷煤和焦炭等有关数据。另一方面包含了以电厂机组为中心的有关机组负荷和配合煤质量。在数据的支持下，可以独立地分析高炉、机组的生产状况，并对不同因素对于高炉、电厂机组生产状况的影响进行基本的分析，并为进一步的理论分析和生产管理提供数据依据，在配煤专家系统中，高炉、电厂机组数据管理系统功能在配煤和为高炉、电厂机组生产服务之间提供了基于数据分析的联系通道。

高炉数据管理功能系统包括：高炉生产数据模块、矿石数据模块、喷煤模块、焦炭数据模块；以及相应的分析统计和制表输出功能模块等。

电煤管理系统包括：电煤数据模块和机组数据模块。

6、煤炭计价功能

为了公正、客观、科学地评价宝钢所用煤炭的质量、价格，做好“以质定价”和煤炭贸易工作，在多年工作积累的基础上，研究提出宝钢用煤(炼焦煤、发电煤、高炉喷吹煤)的功能计价体系，用于进一步降低宝钢原燃料的采购成本。

煤炭计价功能的开发主要是根据煤炭的各项质量指标和煤种在焦炭形成对焦炭质量、喷煤配合质量和电煤配合质量的贡献大小，对其进行科学计价。实践证明，宝钢这套煤炭计价功能系统的成功开发，为股份公司创造了巨大的经济效益。

7、煤炭质量跟踪管理功能 该功能根据在线数据分析，自动判定煤炭质量合格与否及其质量变化趋势，同时能对85.9投产以来宝钢已使用过的所有煤种质量进行统计、分析、跟踪管理。该功能系统包括了已有数据和新数据收集、数据修改、数据浏览查询、数据统计分析以及单种煤煤质评价等功能。

8、配煤数学模型校验功能

模型管理和校验子系统主要包括：现有模型的管理、模型的校验、模型的修正等功能。

模型的校验模块在配煤与焦炭数据库中关于推定数据和实绩数据的历史记录进行校验整理，并且按照指定的模式（线性、多项式等等）进行校验计算，一旦进行校验计算将提出校验计算得到的修正公式，假如数据指标表明修正公式可以明显地提高预测精度，则建议用户对模型进行修正。当修正被确认以后系统自动对分布在不同子系统下的计算模块进行修正操作。

六、实施效果

1、预测模型准确率高

专家系统中配煤预测模型自2000年投入运行以来，模型预测准确率在95%以上。

2、确保一流质量、保证生产稳定 1）焦炭质量保持一流

宝钢焦炭质量在最近几年煤炭资源持续紧张、煤炭质量下降、优质煤减少等不利情况下，依靠专家系统的支撑仍然保持了一流水平，满足大高炉、大喷吹、高利用系数用焦的需要。下表为2000年至2004年宝钢焦炭质量实绩。

2）维持高炉高喷煤量

宝钢三座高炉喷煤量持续保持在高水平，并通过充分发挥专家系统的使用状态的跟踪作用，合理调整喷吹煤比，降低高炉的燃料比，实现经济效益最大化（04年由于焦炭和喷吹煤灰分上升，导致燃料比上升）。下表是宝钢高炉喷煤量和燃料比实绩。

3、降低生产成本

宝钢开发的单种煤功能计价系统公正、客观、科学地评价宝钢所用煤炭的质量、价格，做到“以质定价”，用于进一步降低宝钢原燃料的采购成本。通过对单种煤的真实性、单一性、波动性和价格分析，能更好地控制来煤质量，确保焦炭质量的稳定。计价结果表明宝钢目前用煤的采购价格，大多数与其功能相适应，部分煤种仍具有降价空间。该研究结果在国内外未见报道。单种煤功能计价系统是宝钢配煤专家系统的核心内容之一。

另一方面采用包括遗传算法、进化规划、进化策略在内的模拟进化算法等先进技术，开发建立出的功能齐全、实用性强的配煤专家系统还能通过反演计算获得最优配比和最佳用煤计划，最终实现焦炭质量控制和降低成本目的。

配煤专家系统2000年投入试运行当年就创造经济效益2200万元，2002-2003年煤炭市场资源日趋紧张，宝钢依托配煤专家系统的支撑，大量开发新煤种，保证了资源的稳定供应；在煤炭质量变差，优质资源减少的情况下，充分发挥专家系统的研究成果，合理使用、精心计算，确保焦炭质量、喷吹配煤质量、发电用煤质量的稳定，保证了高炉、发电机组的安全稳定顺行，2004年宝钢炼焦、高炉、发电各单元均取得了优异的成绩，而且配煤成本下降了2872万元。

4、促进技术进步

1）配煤专家系统根据宝钢的特点，涵盖了炼焦煤、电煤、喷吹煤全部进厂煤炭，同时实现宝钢用煤从资源--进厂--使用--效果跟踪全方位一体化管理。贯彻了宝钢集中一贯管理的思想，体现了当今先进管理的理念。

2）系统总结了宝钢自开工以来分散的各种配煤相关资料，经数学处理后，找到其内在关系，成为专家系统的经验公式。经多次、多方收集的配煤专家经验，经数学处理后，融合在专家系统中。成为系统的核心内容之一。

3）开发过程中还研究了影响焦炭强度的主要因素。分析了焦炭性质与煤的变质程度、矿物质催化指数、焦炭光学组织有密切关系。深化了宝钢配煤理论。并在宝钢的配煤实践中得到验证。

4）对焦炭矿物质催化指数进行了超前研究。同时研究了配入特定煤种对宝钢焦炭质量的影响，以及特定煤种和其它煤种的配伍性，为宝钢配用特定煤种提高焦炭质量提供了科学依据。通过金属氧化物配入煤中炼焦和吸附在焦炭表面的方法，进行了12种金属氧化物对焦炭热性质的影响，构造了灰成分催化指数，并用于20Kg焦炉焦炭预测，得到了比较理想的效果。属国内外首创。

七、结论

配煤专家系统是利用计算机科学和宝钢优秀配煤专家所积累的经验和知识及他们在配煤研究中的成果，总结多年来的配煤和生产实践，建立适合自己特点的焦炭质量预测模型、生产管理和智能控制系统模型。将煤炭市场和高炉、焦炉、电厂生产及煤焦最新科研成果紧密结合起来，真正地实现了宝钢煤炭采购、使用一体化，充分体现出整个系统运行效益最大化和宝钢煤炭管理水平的提高。

配煤专家系统帮助管理人员提高煤炭管理和配煤技术水平，取得了极佳经济效益和稳定生产的效果。

宝钢配煤专家系统的开发，率先应用了人工智能技术，将我国的炼焦配煤技术推进到新的阶段。