张学民，李长新，周 平，王 键，王汝波

（1 山东钢铁集团有限公司研究院，山东 济南 271104；2 山东钢铁股份有限公司炼钢厂，山东 济南 271104）

1 前言

数字孪生（digital twin）作为一种利用模型、数据、智能并集成多学科的仿真技术，近年来在先进制造等领域引起广泛关注。基于数字孪生体，采用大数据、物联网等先进技术可实现对产品、工艺设施等的实时监控、故障诊断、健康预测乃至全生命周期的分析优化。钢铁生产流程工艺具有多变量、强耦合、非线性、时变、工作环境恶劣及随机干扰性强、更为开放的系统特征，采用三维数字孪生技术对其进行建模、解耦、嵌套，实现忠实的动态映射，在行业内尚属有益尝试。

通过转炉智能化控制技术发展进步，解决了传统自动炼钢控制过程中人为干预多、终点波动大的问题，使冶炼过程的物料摄入、能源介质消耗更加精准，冶炼钢水质量得到大幅提升，取得较好的经济和社会效益。但是随着智能化程度不断升级，全过程智能炼钢的冶炼过程、设备运行等方面可视化欠缺，二级控制平台应用展示效果差，人机互动、关键数据便捷共享等方面存在很大挑战，急需构建基于物理实体和实时数据的三维数字孪生可视化平台。

2 典型场景和研究目标确定

典型场景选择。钢铁行业三维数字孪生可视化研究过程具有很强的创新性和探索性，必须高度聚焦，以单生产工序为研究对象较为适宜。山钢集团莱钢银山型钢有限公司炼钢厂4#120 t 转炉备有副枪、烟气分析、音频化渣等检测装备，具有先进智能化控制系统，数据感知和信息采集完整全面，其控制模型解析、数理关系耦合、时序关联明确，为三维数字孪生动态映射提供了逻辑和数字化支撑，最终确定以该转炉为典型应用场景。

制定研究目标。开发设计以转炉本体为对象的部件级三维孪生体，实现数据实时动态映射和信息交互，构建基于物理实体和实时数据的三维数字孪生可视化平台，应用于实际生产并具有指导意义。

3 研究过程

在充分借鉴石化等流程行业实施应用情况的基础上，制定研究技术路线，如图1所示。

图1 转炉三维数字孪生可视化技术路线

3.1 素材准备

（1）转炉冶炼工艺视频解析。为更加准确、全面掌握转炉炼钢工艺特征、设备构造和作业流程，解析转炉炼钢工艺模拟视频、现场录制转炉冶炼过程不同阶段视频，为转炉三维数字孪生体设计研究提供指导。

（2）电子图纸及纸质图拍照归类整理。根据4#转炉电子版装备图纸，整理转炉炉体、氧枪、副枪及底吹等电子图纸，为转炉本体部件级三维孪生体设计提供素材。

（3）准备现场照片和视频。提供转炉部分辅助设备和背景设施素材，包括现场不同角度照片、视频以及相关图纸。

（4）工艺数据汇总整理。针对转炉冶炼统计数据分析，汇总整理转炉输入条件和统计数据，为驱动模型提供数据支撑。整理转炉冶炼历史数据，绘制转炉炼钢工艺流程图或工艺曲线。

（5）氧步控制模型分解。根据转炉冶炼不同控制模型，以氧步模型控制为基准将加料、供氧等工艺操作及实时数据进行解析，实现动态数据驱动。

3.2 模型搭建

三维建模的技术路线分为两种：激光扫描建模以及图纸资料建模。激光扫描建模就是利用激光扫描仪、全站仪对现场设备、环境等进行扫描，获取现场准确的点云数据，在此基础上利用建模软件进行建模；该种技术路线的特点是与现场高度一致性，设备位置、外形尺寸可以很精确获取，从而为建模与现场一致性打下基础。图纸资料建模就是依据设备的内部结构实际形状，完全按照图纸还原设备三维模型，主要用于设备内部结构等建模，建立的模型外形尺寸等于图纸尺寸。按照建模范围要求，对转炉炼钢车间从地面道轨到高位料仓上料平台进行全面扫描。

根据典型应用场景下，不同单元三维数字孪生模型精度要求差异，利用SolidWorks 搭建转炉本体、副枪、氧枪部件级孪生体，并将部件级模型导入3Ds max，实现部件级模型单元驱动和精细化拆解功能。利用3Ds max 搭建钢包、铁水包、废钢斗、钢包车、料仓等设备级模型，通过场景搭建和逼真渲染，实现全要素相关性耦合。三维模型搭建后，将UI 元素导入Unity 引擎，利用其原生UGUI 框架对UI元素排版至不同显示区域，根据不同种类数据信息对其进行填充，实现HMI 界面设计，从而构建完成基于物理实体和实际数据的三维数字孪生可视化模型。

3.3 数据驱动

3.3.1 驱动三维模型

三维模型需要数据驱动以实现与现场实体设备同步，如转炉、氧枪和副枪运动、钢包车运动等，能准确展示现场生产物理系统的“虚拟映像”。三维模型驱动效果主要包括：废钢斗、转炉、铁水包、氧枪、副枪、钢包车等几个部分。

3.3.2 驱动反应过程模型

反应过程模型是利用诸如粒子系统、Shader等技术构建，本系统中构建的反应过程模型包括炉口火焰和炉内熔池等。驱动反映过程模型可提高虚实映射的准确性，对三维数字孪生可视化系统的构建有至关重要的作用。反应过程模型种类包括：炉口火焰颜色变化、炉内泡沫高度变化、钢水碳温变化等内容。

3.3.3 一键炼钢演示

转炉三维数字孪生可视化系统是实体物理设备的虚拟展示和数据可视化展示的载体。通过与炼钢现场生产系统对接数据通信接口，获得实时炼钢指令和数值数据，实现转炉一键炼钢及炼钢全过程动作模拟和数据可视化展示，为转炉控制优化提供技术支撑。

3.4 VR场景漫游

结合动作捕捉高端交互设备及3D立体显示技术，为培训者和访问者提供一个和真实环境一致的虚拟环境，VR场景漫游包括：炉体内部反应状态呈现、各层平台设备状态观察、外围设备运行情况观察等。人员可以在具有真实沉浸感与交互性的虚拟环境中，通过人机交互设备和场景里的业务对象交互，体验实时物理反馈，进行多种实验操作。虚拟培训方式不但可以加速人员对于知识的掌握，直观学习，提高实际操作能力，锻炼人员针对事故、问题的应对技能，还可以大大降低培训、模拟成本，改善培训环境。

4 项目实施效果

通过本项技术的研究，首次在钢铁行业实现了以转炉本体为研究对象，结合电子图纸、图纸照片、现场视频、背景照片等原始素材，综合3Ds max 和SolidsWorks数字化软件设计特征，成功开发设计以转炉本体为对象的部件级三维孪生体。对转炉冶炼三维数字孪生模型体的搭建，建模语言的构建、模型开发方法、工具的使用、模型算法及基于多源数据融合的数据驱动技术等方面进行了研究，在此基础上对模型的互操作性、可扩展性、平台现有工具功能的可拓展性等进行了有益探索。

本项研究能准确同步呈现转炉操作、炉内反应状况，并具有储存、报警、统计和一定的分析功能，转炉技术、操作人员可依据系统孪生可视化效果进行转炉工艺研究和优化，是稳定过程操作、精确控制冶炼终点、降低消耗、提高钢水质量、安全生产、员工能力提升的又一重要技术手段。后续可在此系统平台基础上，利用大数据分析和人工智能等新技术，结合炼钢冶金物理化学机理和员工操作经验，开发优化转炉操作模型，对转炉冶炼过程的返干、喷溅等进行预防和规避，根据不同原料条件和冶炼目标自主选择最佳操作方案，从而实现全程动态智能化转炉冶炼模式。