本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)爐煉鋼，特別是指一種數(shù)據(jù)與機(jī)理聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼耗氧量計(jì)算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、轉(zhuǎn)爐煉鋼是當(dāng)今鋼鐵生產(chǎn)中最主要的煉鋼方式，其核心任務(wù)在于通過(guò)向鐵水中吹入氧氣來(lái)降低鐵水中碳及其他雜質(zhì)元素的含量，并提高鋼水溫度。在這一過(guò)程中，氧氣與鐵水中的碳、硅、錳、磷等元素發(fā)生氧化反應(yīng)，將這些雜質(zhì)元素轉(zhuǎn)化為氣體或爐渣排出，最終獲得成分和溫度均合格的鋼水。因此，精確控制氧氣的輸入量對(duì)實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的煉鋼生產(chǎn)至關(guān)重要。氧氣吹入過(guò)多或過(guò)少都會(huì)造成不當(dāng)影響，若吹入氧氣不足則導(dǎo)致鐵水中殘留過(guò)多的碳和其他雜質(zhì)元素，使得鋼水達(dá)不到預(yù)期的化學(xué)成分要求，進(jìn)而影響鋼材性能；若吹入氧氣過(guò)多則導(dǎo)致能源浪費(fèi)和生產(chǎn)成本增加，甚至可能引起操作過(guò)程中的安全問(wèn)題。此外，過(guò)量的氧氣還會(huì)導(dǎo)致鋼水中氧含量升高，形成氧化物夾雜，嚴(yán)重影響鋼水質(zhì)量和鋼材性能。因此，實(shí)際轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)并控制吹入氧氣量是確保鋼水質(zhì)量的關(guān)鍵。

2、當(dāng)前，主要有兩類方法來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程耗氧量的預(yù)測(cè)，分別為：基于機(jī)理計(jì)算的方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法?；跈C(jī)理計(jì)算的方法依賴于冶金領(lǐng)域的物理和化學(xué)反應(yīng)原理，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)描述各個(gè)元素的氧化行為及其需要的耗氧量。這種方法具有很好的可解釋性，但機(jī)理計(jì)算過(guò)程涉及一些不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)，如渣比、氧氣利用率等，這些參數(shù)隨每爐的爐況會(huì)動(dòng)態(tài)變化，且無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定一個(gè)固定值，不能適應(yīng)爐況的動(dòng)態(tài)變化?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法挖掘數(shù)據(jù)間的復(fù)雜隱含關(guān)聯(lián)關(guān)系來(lái)進(jìn)行耗氧量預(yù)測(cè)。該方法可克服機(jī)理計(jì)算中參數(shù)難以實(shí)時(shí)測(cè)量的問(wèn)題，但由于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法高度依賴數(shù)據(jù)質(zhì)量，且缺乏機(jī)理約束，預(yù)測(cè)精度和魯棒性不高且方法缺乏可解釋性。

3、綜上可知，現(xiàn)有技術(shù)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中的耗氧量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種數(shù)據(jù)與機(jī)理聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼耗氧量計(jì)算方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中的耗氧量的技術(shù)問(wèn)題。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

3、一方面，本發(fā)明提供了一種數(shù)據(jù)與機(jī)理聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼耗氧量計(jì)算方法，所述數(shù)據(jù)與機(jī)理聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼耗氧量計(jì)算方法包括：

4、獲取轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù)；

5、將轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù)劃分為現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)量數(shù)據(jù)和不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)；其中，不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)包括關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)和非關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)；

6、將現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)量數(shù)據(jù)輸入預(yù)設(shè)的參數(shù)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)所述參數(shù)預(yù)測(cè)模型輸出關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)的預(yù)測(cè)值以及耗氧量的預(yù)測(cè)值；

7、采用預(yù)設(shè)的耗氧量機(jī)理計(jì)算模型，根據(jù)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算耗氧量；其中，轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)量數(shù)據(jù)采用實(shí)測(cè)值，非關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)采用人工設(shè)置的經(jīng)驗(yàn)值，關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)采用參數(shù)預(yù)測(cè)模型輸出的預(yù)測(cè)值；

8、將所述參數(shù)預(yù)測(cè)模型輸出的耗氧量的預(yù)測(cè)值與所述耗氧量機(jī)理計(jì)算模型計(jì)算出的耗氧量進(jìn)行加權(quán)，得到轉(zhuǎn)爐煉鋼耗氧量計(jì)算結(jié)果。

9、進(jìn)一步地，所述現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)量數(shù)據(jù)包括：鐵水元素含量、終點(diǎn)鋼水元素含量、鋼水重量、鐵水重量、廢鋼重量、生鐵重量、出鋼溫度、煤氣回收量、生石灰重量、輕燒白云石用量以及鎂球用量。

10、進(jìn)一步地，所述非關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)包括：爐襯侵蝕占鐵水量的比例、煙塵比例、渣中含鐵量以及氧氣純度。

11、進(jìn)一步地，所述關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)包括：碳的不完全燃燒率、爐渣比例、廢鋼碳含量以及氧氣利用率。

12、進(jìn)一步地，所述參數(shù)預(yù)測(cè)模型為多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

13、進(jìn)一步地，所述參數(shù)預(yù)測(cè)模型的訓(xùn)練過(guò)程包括：

14、收集轉(zhuǎn)爐煉鋼歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)和歷史耗氧量，并對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用預(yù)處理后的轉(zhuǎn)爐煉鋼歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)和歷史耗氧量構(gòu)建樣本數(shù)據(jù)集；

15、利用所述樣本數(shù)據(jù)集對(duì)參數(shù)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練；其中，所述參數(shù)預(yù)測(cè)模型的輸入為現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)量數(shù)據(jù)，輸出為關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)和耗氧量。

16、進(jìn)一步地，所述對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括：

17、采用箱型圖方法來(lái)識(shí)別并去除數(shù)據(jù)中的離群數(shù)據(jù)點(diǎn)。

18、進(jìn)一步地，參數(shù)預(yù)測(cè)模型的損失函數(shù)為機(jī)理?yè)p失和數(shù)據(jù)損失之和，表示為：

19、loss＝lossm+lossd

20、其中，loss為參數(shù)預(yù)測(cè)模型的損失函數(shù)；lossm為機(jī)理?yè)p失；lossd為數(shù)據(jù)損失；

21、數(shù)據(jù)損失lossd的計(jì)算公式為：

22、

23、其中，n為訓(xùn)練數(shù)據(jù)總數(shù)；oprei為基于第i個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)出的耗氧量；oi為對(duì)應(yīng)第i個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的采集的耗氧量真實(shí)數(shù)據(jù)；

24、機(jī)理?yè)p失lossm的計(jì)算公式為：

25、

26、其中，ocali為將所述參數(shù)預(yù)測(cè)模型基于第i個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)出的關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)代入所述耗氧量機(jī)理計(jì)算模型后所計(jì)算出的耗氧量。

27、進(jìn)一步地，所述耗氧量機(jī)理計(jì)算模型的表達(dá)式為：

28、

29、其中，m表示計(jì)算出的耗氧量；o2_ratio表示氧氣利用率；

30、

31、

32、其中，wiron表示鐵水重量；whc、whsi、whmn、whp、whs分別表示鐵水中c、si、mn、p、s元素含量；wscrap表示廢鋼重量；wsc、wssi、wsmn、wsp、wss分別表示廢鋼內(nèi)c、si、mn、p、s元素含量；wpig_iron表示生鐵的重量；wpc、wpsi、wpmn、wpp、wps分別表示生鐵中c、si、mn、p、s元素含量；wsteel表示產(chǎn)出鋼水重量，wtc、wtsi、wtmn、wtp、wts分別表示鋼水內(nèi)c、si、mn、p、s元素含量；per_c表示生成一氧化碳比例；per_s表示硫元素氧化為二氧化硫的比例；slag_ratio表示渣比；slag_tfe表示渣中含鐵量；dust_ratio表示煙塵占鐵水量比例；dust_feo表示生成feo占比；dust_fe2o3表示生成fe2o3占比；per_lnr表示爐襯侵蝕占鐵水量的比例；lnr_c表示爐襯中的碳含量。

33、另一方面，本發(fā)明還提供了一種數(shù)據(jù)與機(jī)理聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼耗氧量計(jì)算系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)與機(jī)理聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼耗氧量計(jì)算系統(tǒng)包括：

34、數(shù)據(jù)采集模塊，用于：

35、獲取轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù)；

36、將轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù)劃分為現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)量數(shù)據(jù)和不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)；其中，不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)包括關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)和非關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)；

37、數(shù)據(jù)處理模塊，用于：

38、將現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)量數(shù)據(jù)輸入預(yù)設(shè)的參數(shù)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)所述參數(shù)預(yù)測(cè)模型輸出關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)的預(yù)測(cè)值以及耗氧量的預(yù)測(cè)值；

39、采用預(yù)設(shè)的耗氧量機(jī)理計(jì)算模型，根據(jù)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算耗氧量；其中，轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)量數(shù)據(jù)采用實(shí)測(cè)值，非關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)采用人工設(shè)置的經(jīng)驗(yàn)值，關(guān)鍵不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)采用參數(shù)預(yù)測(cè)模型輸出的預(yù)測(cè)值；

40、結(jié)果輸出模塊，用于將所述參數(shù)預(yù)測(cè)模型輸出的耗氧量的預(yù)測(cè)值與所述耗氧量機(jī)理計(jì)算模型計(jì)算出的耗氧量進(jìn)行加權(quán)，得到轉(zhuǎn)爐煉鋼耗氧量計(jì)算結(jié)果。

41、再一方面，本發(fā)明還提供了一種電子設(shè)備，其包括處理器和存儲(chǔ)器；其中，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有至少一條指令，所述指令由處理器加載并執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)上述方法。

42、又一方面，本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有至少一條指令，所述指令由處理器加載并執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)上述方法。

43、本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果至少包括：

44、本發(fā)明通過(guò)將機(jī)理方程融入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)耗氧計(jì)算過(guò)程中不可實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)的動(dòng)態(tài)辨識(shí)。本方法結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與機(jī)理模型的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中耗氧量的預(yù)測(cè)，在提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和魯棒性的同時(shí)，使模型具有更好的可解釋性，有助于深入理解轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中的耗氧機(jī)理，為實(shí)際工業(yè)應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支持。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與單一的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)或機(jī)理模型相比，本方法使用的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模型在精度和魯棒性上均有顯著提升。特別是在數(shù)據(jù)中加入噪聲的情況下，本模型表現(xiàn)出更強(qiáng)的穩(wěn)定性，證明了其優(yōu)越的魯棒性。

45、從計(jì)算角度來(lái)看，將物理知識(shí)融入機(jī)器學(xué)習(xí)框架，以增強(qiáng)泛化能力是一個(gè)成功的嘗試，這顯示了利用領(lǐng)域知識(shí)來(lái)提取更有信息量的特征，并增強(qiáng)模型解釋性的潛力。對(duì)于復(fù)雜的冶煉場(chǎng)景而言，這種具備強(qiáng)泛化能力且具有機(jī)理監(jiān)督的模型能夠幫助發(fā)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的映射關(guān)系，提供更穩(wěn)健的預(yù)測(cè)性能。