轉爐三維數字孿生可視化技術研究與實踐

張學民，李長新，周 平，王 鍵，王汝波

（1 山東鋼鐵集團有限公司研究院，山東 濟南 271104；2 山東鋼鐵股份有限公司煉鋼廠，山東 濟南 271104）

1 前言

數字孿生（digital twin）作為一種利用模型、數據、智能并集成多學科的仿真技術，近年來在先進制造等領域引起廣泛關注。基于數字孿生體，采用大數據、物聯網等先進技術可實現對產品、工藝設施等的實時監控、故障診斷、健康預測乃至全生命周期的分析優化。鋼鐵生產流程工藝具有多變量、強耦合、非線性、時變、工作環境惡劣及隨機干擾性強、更為開放的系統特征，采用三維數字孿生技術對其進行建模、解耦、嵌套，實現忠實的動態映射，在行業內尚屬有益嘗試。

通過轉爐智能化控制技術發展進步，解決了傳統自動煉鋼控制過程中人為干預多、終點波動大的問題，使冶煉過程的物料攝入、能源介質消耗更加精準，冶煉鋼水質量得到大幅提升，取得較好的經濟和社會效益。但是隨著智能化程度不斷升級，全過程智能煉鋼的冶煉過程、設備運行等方面可視化欠缺，二級控制平臺應用展示效果差，人機互動、關鍵數據便捷共享等方面存在很大挑戰，急需構建基于物理實體和實時數據的三維數字孿生可視化平臺。

2 典型場景和研究目標確定

典型場景選擇。鋼鐵行業三維數字孿生可視化研究過程具有很強的創新性和探索性，必須高度聚焦，以單生產工序為研究對象較為適宜。山鋼集團萊鋼銀山型鋼有限公司煉鋼廠4#120 t 轉爐備有副槍、煙氣分析、音頻化渣等檢測裝備，具有先進智能化控制系統，數據感知和信息采集完整全面，其控制模型解析、數理關系耦合、時序關聯明確，為三維數字孿生動態映射提供了邏輯和數字化支撐，最終確定以該轉爐為典型應用場景。

制定研究目標。開發設計以轉爐本體為對象的部件級三維孿生體，實現數據實時動態映射和信息交互，構建基于物理實體和實時數據的三維數字孿生可視化平臺，應用于實際生產并具有指導意義。

3 研究過程

在充分借鑒石化等流程行業實施應用情況的基礎上，制定研究技術路線，如圖1所示。

圖1 轉爐三維數字孿生可視化技術路線

3.1 素材準備

（1）轉爐冶煉工藝視頻解析。為更加準確、全面掌握轉爐煉鋼工藝特征、設備構造和作業流程，解析轉爐煉鋼工藝模擬視頻、現場錄制轉爐冶煉過程不同階段視頻，為轉爐三維數字孿生體設計研究提供指導。

（2）電子圖紙及紙質圖拍照歸類整理。根據4#轉爐電子版裝備圖紙，整理轉爐爐體、氧槍、副槍及底吹等電子圖紙，為轉爐本體部件級三維孿生體設計提供素材。

（3）準備現場照片和視頻。提供轉爐部分輔助設備和背景設施素材，包括現場不同角度照片、視頻以及相關圖紙。

（4）工藝數據匯總整理。針對轉爐冶煉統計數據分析，匯總整理轉爐輸入條件和統計數據，為驅動模型提供數據支撐。整理轉爐冶煉歷史數據，繪制轉爐煉鋼工藝流程圖或工藝曲線。

（5）氧步控制模型分解。根據轉爐冶煉不同控制模型，以氧步模型控制為基準將加料、供氧等工藝操作及實時數據進行解析，實現動態數據驅動。

3.2 模型搭建

三維建模的技術路線分為兩種：激光掃描建模以及圖紙資料建模。激光掃描建模就是利用激光掃描儀、全站儀對現場設備、環境等進行掃描，獲取現場準確的點云數據，在此基礎上利用建模軟件進行建模；該種技術路線的特點是與現場高度一致性，設備位置、外形尺寸可以很精確獲取，從而為建模與現場一致性打下基礎。圖紙資料建模就是依據設備的內部結構實際形狀，完全按照圖紙還原設備三維模型，主要用于設備內部結構等建模，建立的模型外形尺寸等于圖紙尺寸。按照建模范圍要求，對轉爐煉鋼車間從地面道軌到高位料倉上料平臺進行全面掃描。

根據典型應用場景下，不同單元三維數字孿生模型精度要求差異，利用SolidWorks 搭建轉爐本體、副槍、氧槍部件級孿生體，并將部件級模型導入3Ds max，實現部件級模型單元驅動和精細化拆解功能。利用3Ds max 搭建鋼包、鐵水包、廢鋼斗、鋼包車、料倉等設備級模型，通過場景搭建和逼真渲染，實現全要素相關性耦合。三維模型搭建后，將UI 元素導入Unity 引擎，利用其原生UGUI 框架對UI元素排版至不同顯示區域，根據不同種類數據信息對其進行填充，實現HMI 界面設計，從而構建完成基于物理實體和實際數據的三維數字孿生可視化模型。

3.3 數據驅動

3.3.1 驅動三維模型

三維模型需要數據驅動以實現與現場實體設備同步，如轉爐、氧槍和副槍運動、鋼包車運動等，能準確展示現場生產物理系統的“虛擬映像”。三維模型驅動效果主要包括：廢鋼斗、轉爐、鐵水包、氧槍、副槍、鋼包車等幾個部分。

3.3.2 驅動反應過程模型

反應過程模型是利用諸如粒子系統、Shader等技術構建，本系統中構建的反應過程模型包括爐口火焰和爐內熔池等。驅動反映過程模型可提高虛實映射的準確性，對三維數字孿生可視化系統的構建有至關重要的作用。反應過程模型種類包括：爐口火焰顏色變化、爐內泡沫高度變化、鋼水碳溫變化等內容。

3.3.3 一鍵煉鋼演示

轉爐三維數字孿生可視化系統是實體物理設備的虛擬展示和數據可視化展示的載體。通過與煉鋼現場生產系統對接數據通信接口，獲得實時煉鋼指令和數值數據，實現轉爐一鍵煉鋼及煉鋼全過程動作模擬和數據可視化展示，為轉爐控制優化提供技術支撐。

3.4 VR場景漫游

結合動作捕捉高端交互設備及3D立體顯示技術，為培訓者和訪問者提供一個和真實環境一致的虛擬環境，VR場景漫游包括：爐體內部反應狀態呈現、各層平臺設備狀態觀察、外圍設備運行情況觀察等。人員可以在具有真實沉浸感與交互性的虛擬環境中，通過人機交互設備和場景里的業務對象交互，體驗實時物理反饋，進行多種實驗操作。虛擬培訓方式不但可以加速人員對于知識的掌握，直觀學習，提高實際操作能力，鍛煉人員針對事故、問題的應對技能，還可以大大降低培訓、模擬成本，改善培訓環境。

4 項目實施效果

通過本項技術的研究，首次在鋼鐵行業實現了以轉爐本體為研究對象，結合電子圖紙、圖紙照片、現場視頻、背景照片等原始素材，綜合3Ds max 和SolidsWorks數字化軟件設計特征，成功開發設計以轉爐本體為對象的部件級三維孿生體。對轉爐冶煉三維數字孿生模型體的搭建，建模語言的構建、模型開發方法、工具的使用、模型算法及基于多源數據融合的數據驅動技術等方面進行了研究，在此基礎上對模型的互操作性、可擴展性、平臺現有工具功能的可拓展性等進行了有益探索。

本項研究能準確同步呈現轉爐操作、爐內反應狀況，并具有儲存、報警、統計和一定的分析功能，轉爐技術、操作人員可依據系統孿生可視化效果進行轉爐工藝研究和優化，是穩定過程操作、精確控制冶煉終點、降低消耗、提高鋼水質量、安全生產、員工能力提升的又一重要技術手段。后續可在此系統平臺基礎上，利用大數據分析和人工智能等新技術，結合煉鋼冶金物理化學機理和員工操作經驗，開發優化轉爐操作模型，對轉爐冶煉過程的返干、噴濺等進行預防和規避，根據不同原料條件和冶煉目標自主選擇最佳操作方案，從而實現全程動態智能化轉爐冶煉模式。