【中鋼AI現場1：1千5百度高熱密閉生產環境如何監控？】高爐AI應用大剖析

中鋼靠間接量測高爐生產數據，一步步打開黑盒子，運用AI即時監控爐況，提早預測異常生產狀況即時應變

文/翁芊儒 | 2021-03-04發表
攝影／洪政偉

高爐之於鋼廠，是不可或缺的一環。飄洋渡海的鋼鐵原料從港口上岸後，會先由煉焦工廠製成焦炭、燒結工廠製成燒結礦與鐵礦，加入其他次要原料後，就會來到鋼鐵融煉的第一站，高爐。

高爐的作用，就是透過一連串高溫熔融反應，將鋼鐵原料煉成鐵水。雖然說起來容易，實際上，高爐卻是一個複雜的煉鐵反應器。中鋼煉鐵廠高爐二課課長許雍達解釋，每一座高爐，都集合了非常多系統於一身，包括了爐體本身冷卻系統、熱風爐、原料輸送、出鐵、爐氣處理、頂壓回收發電、噴媒等環節，每個系統互相搭配，才能維持高爐穩定運作。

這個系統中，真正煉製鐵之處，就是外觀形似巨大養樂多瓶的高爐爐身。其運作原理，是從上方加入煉鐵原料，以一層焦炭、一層燒結礦與鐵礦的方式，盡量將原料均勻散布其中，再透過周邊的熱風爐，將空氣加熱，從高爐下部的鼓風嘴鼓進高爐，來加熱、還原，將鐵礦石融煉成鐵水與爐渣。

熔煉過程中，中鋼也透過鼓風嘴噴吹粉煤，來取代部分焦炭作為還原劑，可降低煉焦爐的負荷，並有利於爐熱調節；而爐內產生的高爐氣，也能在淨化後用來發電，並作為熱風爐及廠內的燃料，來達成節能、減少碳排放的效益。最後的鐵水與爐渣，則會分開取出，各自進行下一步的加工或販售。

許雍達指出，這套高爐生產的做法，早從十多年前就持續運作至今，但在過去，高爐內部高溫、密閉且不易觀測，難以得知爐況是否符合預期，「比如原料一層一層加入之後，到底分佈均不均勻？又要如何在爐溫下降之前，提早預測來因應？」

這些問題，隨著IoT與AI技術日漸成熟，中鋼開始蒐集更多生產數據，逐步翻轉過去熟悉的高爐運行操作。

落地27項高爐智慧應用，更即時掌握高爐生產動態

中鋼約從3年前開始，致力於研發高爐AI，不只開發高爐爐況監控的相關應用，也開發周邊設備的AI應用，比如原料輸送帶的預測維修、熱風爐生產效率與耗能監控、現場人員的安全監控等，截至今年初，已經完成27項高爐智慧應用的開發，依據應用的特性與適用場域，分散部署在4座高爐中。

由於高爐本身就像是一個黑盒子，為了掌握高爐的生產狀況，中鋼在高爐上裝設了多種感測器，就是要靠各種生產數據，一步步將盒子打開。

比如說，從高爐上方布料時，雖然是均勻旋轉布料，但實際布料情況還是會依據爐內氣流變化而改變，為了監控布料狀況並適時調整，中鋼在布料槽裝設了料面溫度儀與輪廓儀，來掌握布料形狀與高溫氣體的分布情形。在爐壁上，中鋼也裝測了溫度感測器，透過爐壁溫度變化頻率，來預測爐壁冷卻元件是否受侵蝕、內部是否結塊。

不只如此，為了預測爐熱變化，中鋼量測出鐵口的鐵水溫度變化，參考操作條件、鐵渣的化性分析，開發AI預測未來爐熱；也運用爐溫爐壓分布的異常數值，找出發生管道流異常的可能性。透過更即時發現異常並自動預警，就是要讓產線人員盡早發現問題，才能提前調整生產參數來因應。

而且，針對所有開發的生產數據監控與AI應用，中鋼開發了綜合爐況評分機制，能從原料分佈、氣流狀況、目前風量、鐵水產量、爐內溫度等生產狀況，為高爐當下的運行表現評分，讓產線人員可以更直覺、快速地的了解當前高爐爐況，「中鋼自己設定的目標，是要隨時大於89分以上，」許雍達說。

克服AI落地挑戰，中鋼導入一站式生產數據監控平臺

中鋼過去開發AI應用時，是由技術人員設法取得生產數據，開發出AI模型，再由IT單位開發成應用程式，個別部署到現場中控室的單機電腦中。

許雍達指出，這個做法面臨了三大挑戰。首先，當時從生產環境蒐集到的資料，位於封閉式的生產系統中，為避免透過外部線路存取資料時，可能帶來的資安風險，「研究人員不能輕易的取得生產數據資料，分析費時費力。」

再加上，每一支開發完成的應用程式，都必須部署到中控室的單機電腦中，透過視窗介面來呈現，在應用程式分散在多臺電腦的情況下，增加了電腦、網路的維護工作。不只如此，隨著蒐集到的資料量更大，AI分析也需要更大量的硬體運算需求，原有的主機資源逐漸不敷使用。

這三大挑戰，讓中鋼在2019年底，率先在二號高爐場域，規劃建置AIoT智慧分析平臺，更找來研究部門、子公司中冠資訊共同研發，利用二號高爐在去年大修的期間，同步導入該場域。

這套AIoT平臺最主要的目的，是要將分散部署在不同電腦的AI應用，整合到同一個Ｗeb平臺中，讓員工只要以瀏覽器開啟入口網站，登入帳密，就能一站式管理高爐所有的生產資訊。

建置過程中，中鋼不只以Web介面重新設計AI應用儀表板，也將過去難以取得的生產數據整合到一個資料平臺，供技術人員更方便的分析取用資料，更建置了專屬AI應用的硬體資源，取代分散部署到電腦主機的方法。

許雍達指出，AIoT平臺上線後，中控人員不只能即時查看重要的生產資訊，當高爐發生任何異常狀況，平臺也會自動觸發告警，並顯示操作指引，讓員工可以依照指示排除異常，將異常狀況可能帶來的傷害降到最低。

比如說，當AI偵測到四號高爐的爐身發生結塊，就能利用過去一段時間的溫度變化，去推測結塊情形的演變，系統也會提供操作指引，來建議員工應使用哪一種應對模式，才不會導致結塊問題更嚴重。

處置完成後，員工也可以直接在介面中回報，將此次事故處理過程提交出去，作為歷史維運紀錄，而且，過去類似事故的處理方法與結果，也會同步附件於操作指引的介面中，提供緊急處理時參閱。

除了上線網頁版的AIoT監控平臺，中鋼也接續打造了行動裝置版本，只要安裝到手機上，具登入權限的中控人員，就能隨時隨地掌握生產即時動態，了解異常狀態資訊。

今年初，二號高爐完成大修，這套AIoT平臺已經導入二號高爐場域中。中鋼也正在規劃，要將AIoT平臺導入其他座高爐中。許雍達表示，更長久的計畫，則是要開發煉焦、燒結兩大原料加工廠的智能模組，並且整合到AIoT平臺來監控運用，「這樣一來，我們在高爐的現場就能看到原料加工廠的生產數據，如果有異況，高爐也能同步調整、配合。」

高爐AI應用大剖析

「高爐出了問題，就得降風停產，如果能見微知著，在發生狀況前預先防範，就能降低損失產量的風險。」中鋼技術部門代理副總經理鄭際昭，一句話點出高爐AI的重要性。

用AI煉鐵，導入27項高爐場域智慧應用，被中鋼視為第一個進化里程。27項應用中，中鋼不只開發高爐爐況分析監控，也開發周邊設備的AI應用，比如原料輸送帶的預測維修、熱風爐生產效率與耗能監控、現場人員的安全監控等。

其中，高爐本身的爐況監測，更是AI開發的重點任務，因為高爐就像是一個黑盒子，為了掌控高爐的生產狀況，中鋼得在高爐上裝設多種感測器，以AI監控生產數據，才能提前發現問題，並及早因應。

因此，在眾多應用中，中鋼特別介紹7項與高爐爐況分析相關的智慧應用，揭密1,500度高熱密閉的生產環境，如何靠AI監控。

1 爐內布料情形監控

技術關鍵 靠掃描感測儀器與熱像儀，偵測原料、粉塵、高溫氣體分佈狀況，並將資料視覺化

效用 監控氣流是否穩定、布料形狀是否符合預期

將原料從爐頂添加到高爐時，過去無法得知實際布料狀況，但現在，中鋼在爐頂布建掃描感測儀器，就能即時偵測原料在高爐內的分佈，同時透過爐內的熱像儀，掃描粉塵、高溫氣體的分佈，就能比對得知目前氣流是否穩定，布料形狀是否符合預期。中鋼也將量測到的數據，以視覺化的方式來呈現。

2 管道流預警AI

技術關鍵 透過AI判斷爐內壓力與溫度分布是否超過異常值，來預測管道流異常

效用 提早預測管道流異常發生可能性，調整生產參數來因應

一般來說，高爐運作的理想情況，是從下面鼓風，爐氣均勻往上傳遞，將原料還原熔融。但是，若爐氣無法穩定通過爐料，而是累積在某個區塊，就可能因為壓力蓄積過大往上竄出，造成爐頂洩壓閥排放，或造成設備損傷。「氣集中在一個地方，壓力大到一個程度就會往上衝，就好像人打嗝，不能等到衝上來，要想辦法及時拯救。」鄭際昭形容。

為了提早發現管道流的情形，中鋼在高爐爐殼上設置壓力量測與溫度量測點，分別將溫度與壓力的分佈視覺化呈現，若結合兩者數值，發現壓力差超過異常值，或是局部溫度過高，AI判斷為管道流異常可能發生，「系統會發出預警，引導操作人員先降低風壓、風量，」中鋼煉鐵廠高爐二課課長許雍達表示，越早預測出管道流異常，就能越早調整生產參數，來避免管道流發生。

3 爐壁厚度監測AI

技術關鍵 透過爐壁探鑽深度與周圍壁面溫度變化的關聯性，訓練AI靠爐壁溫度變化，判斷爐壁厚薄

效用 預測爐壁冷卻元件受損情形，安排檢修時程

高爐爐壁冷卻元件（冷卻壁）若被蝕破，就可能造成嚴重的生產危機。然而，單從高爐外觀，無法得知爐壁冷卻元件被侵蝕的程度，中鋼以往只能定期量測來推斷爐壁狀況，定期檢修，來降低意外風險。

要監測爐壁厚薄，中鋼在爐壁裝設測溫感測器，找出溫度與爐壁厚薄的關聯性。鄭際昭解釋，一般來說，爐壁變薄後，測得的爐壁溫度會升高，雖然鐵水在壁面結塊或脫落，也會造成可能造成溫度改變，但相較於正常爐壁狀況，溫度變化頻率會較為劇烈。

因此，中鋼以探鑽點位附近的歷史溫度變化，結合實際探鑽的厚度訓練AI模型，再套用到高爐其他測溫點位上，來推測爐壁不同位置的侵蝕狀況。

4 爐壁結塊預測AI

技術關鍵 透過爐壁溫度變化頻率預測結塊情形

效用 監測到爐壁溫度變化異常，提早因應避免結塊情形惡化

高爐溫度一旦降低，就可能造成鐵水冷卻結塊、附著在爐壁上，若爐壁的結塊大量滑落，導致爐氣異常溢出，就可能發生操作上的危險，「許多高爐曾經因為高爐內部結塊過大，掉落時打到鼓風嘴，導致鼓風元件受損漏氣。」許雍達說。

為了維持爐況穩定與操作安全，中鋼開發了爐壁結塊預測AI，當發現溫度變化波動越來越小，就能推測爐壁內部結塊，並提前調整高爐的生產條件，避免結塊情形更嚴重。

許雍達表示，這套AI應用目前部署在三、四號高爐，因為這兩座高爐的爐內冷卻元件形式與一、二號高爐不同，更容易發生產生爐壁結塊問題，較有應用AI的急迫性。

5 爐熱溫度預測AI

技術關鍵 量測出鐵口的鐵水溫度變化，參考操作條件、鐵渣的化性分析，學習預測未來爐熱

效用 預測未來2～4小時內的爐熱變化，提前調整生產參數來因應

對於正在生產鐵水的高爐來說，必須維持一定的爐熱，高爐才能穩地熔煉鐵水，若溫度異常大幅下降，就可能造成爐冷危機，需花費許多時間調整加熱，一旦惡化至鐵水凝固無法排出，復原工作會很困難。

「發生一次就是上億的損失，所以我們要盡可能避免走到這一步。」鄭際昭點出爐熱預測的重要性。

中鋼在建立爐熱溫度預測AI時，就是透過量測出鐵口的鐵水溫度變化，參考操作條件、鐵渣的化性分析，學習預知未來2～4小時的爐熱趨勢，藉此訓練出爐熱預測的AI，若預測到未來爐熱可能下降，就能即時調整生產參數，微調風溫、噴煤量，來維持爐熱的穩定。

6 鼓風嘴噴煤預警AI

技術關鍵 透過大量鼓風嘴噴煤影像訓練AI判斷異常

效用 自動化找出噴煤槍過短、噴煤口堵塞等異常影像，減少人力監控負擔

中鋼透過在鼓風嘴噴吹粉煤，來減少原料焦炭的使用，同時，也能透過粉煤噴吹量來調節爐熱。不過，粉煤噴吹的狀況，過去需要人工監控，透過攝影機將風口影像傳輸到中控室，來監測是否發生噴嘴阻塞、或是噴煤槍設備耗損的情形，而且，需監控的影像還不只一個，光是二號高爐就有30個風口影像需要監控。

為了減少人力的負擔，中鋼正在運用歷史監測影像，訓練影像辨識AI，來自動監診噴煤槍設備，找出噴煤槍過短、噴煤口堵塞等異狀。

7 高爐原料粒徑分析AI

技術關鍵 透過原料粒徑影像資料，訓練AI進行粒徑分析

效用 即時辨識原料粒徑大小與分布，調整入料情形來降低燃料率

將原料送入高爐時，若原料的粒徑大小符合預期、分布較平均，有助於爐況穩定、降低燃料率。中鋼甚至推算，高爐燃燒料率每減少1%，每年可以減少上億的燃料經費，因此，中鋼用AI來即時辨識原料的粒徑大小，即時計算進入到高爐原料粒徑分布，以及是否混雜到其他原料等情況，再根據分析結果來調整原料分布，有助於穩定爐況、降低燃料率。

附圖：光是二號高爐，中鋼就投資約5,700萬元來建置智慧應用，投資的金額雖大，但帶來的效益更可觀，預估每年可以降低成本3,270萬元，減少排放溫室氣體2,217噸。（攝影／洪政偉）

資料來源：https://www.ithome.com.tw/news/142938

【科普文分享】是非物理 —世上真的有窮人冷氣機嗎？／湯博士的物理空間

／／世上沒有免費午餐。很多新奇想法聽起來都很有趣，但創意歸創意，總不能無視科學事實。如果只是用了汽水空樽就能夠製造冷氣，恐怕人人都會把空樽放在風扇前面享受涼快，所有冷氣機製造商都要關門了！在這個年代，網上的美麗故事很多，有些人更會借做善事為名而賺錢。這些故事是真是假，還是必須要小心判斷。／／

【是非物理 —世上真的有窮人冷氣機嗎？】

六月中的時候有很多朋友和記者詢問我關於孟加拉一個所謂「窮人冷氣機」的原理。因為這新聞被廣泛報導，問的人實在很多，中學老師亦想利用這個例子教學。我不想在其他媒體過份簡化地討論這問題，怕斷章取義會引起公眾誤會，所以避開了所有訪問，到了現在才在這裡解釋一下。我的結論很簡單：這個所謂「窮人冷氣機」根本不合乎物理原理，是沒有可能做到的。

我在這裡會盡可能用簡單的語言，未必能滿足有數理底子的讀者，所以我之前寫了一篇涉及數學的推導的文章，詳細解釋這現象，有興趣的朋友可以在這個網址下載：
www.phy.cuhk.edu.hk/sstong/drtongsharing/cooler.pdf

新聞說在孟加拉有一間科技公司為居住在鐵皮屋的貧民設計了一個土法冷氣機，方法是把很多空汽水膠樽沿中間剪斷，然很把這些膠樽的瓶口插在一塊有很多洞的木板上，再把木板安上鐵皮屋的牆上 (圖一)。據說空氣進入室內時通過狹窄的瓶口時會降溫，產生冷氣的效果 [1]，據稱可以把室內溫度降低五度之多。

氣體膨脹為何會變冷？我看見不少朋友嘗試用中學物理的理想氣體定律解釋這問題。但須知 PV=nRT 涉及的是三個物理量，氣體膨脹時體積V 增加，但氣壓 P也有可能減少，並不能得出溫度 T 必定會改變的結論。通常氣體膨脹變冷，是因為氣體的膨脹過程很快，沒有足夠時間讓周圍環境的熱流入。氣體膨脹時推開周圍的氣體 (即「作功」)，失去能量，內能減少，如果這時外界沒有熱流入補充，溫度便會下降 [2]。

當空氣被「擠進」汽水樽的狹窄樽頸時 (圖二)，氣體流速增加。根據伯努利原理 (Bernoulli's principle) [3]，流速增加會使氣壓下降，於是氣體就膨脹了一點。如前所述，與周圍環境沒有熱交換的情況下，氣體膨脹，溫度便下降。

可惜這原理並不能用來造「窮人冷氣機」。問題出自以下幾點：(1) 絕熱膨脹的「降溫」過程只出現在空氣經過樽頸的時侯，過了樽頸，流速自然會慢下來，壓力和溫度都會回復正常，因此噴出來的氣體溫度不會有大改變，不可能是「冷氣」，(2) 除非樽頸的風速接近空氣中的聲速，否則風速變化的所造成的壓力一般遠小於大氣壓，所造成的溫度變化微乎其微，(3) 利用狹窄的樽頸的確可以增加空氣的流速，但除非在屋內有電泵或其他設施降低室內的氣壓，否則只有很少空氣會被抽進膠樽頸而被加速，所以實際上樽頸的流速不會很快，造成的溫度改變也很小。

給大家一些數字概念。如果以風速13 m/s 計算，涉及的氣壓改變只有約 100 Pa，是大氣壓力約千分之一 [4]，所造成溫度變化非常小。如果要流過樽頸的空氣溫度改變攝氏一度，樽頸中的風速需要接近 45 m/s，但這已是超越颱風級數的風速，除非屋內有電泵抽氣，否則你不可能迫使大量空氣進入狹窄的樽頸並加速至這個程度 [5]。這麼高的風速違反日常生活經驗。你總不會以為只要把膠樽放在牆上，就會有颱風級數的冷風從另一邊噴出來吧！？

宣傳這個所謂「窮人冷氣機」的影片中還出現了一個常見的物理謬誤 [1]：很多人以為，張開口「呵氣」噴出來的空氣感覺較熱，合上口吹出來的空氣就感覺較冷 (圖三)，是因為閉口吹出來的空氣經過口唇的細縫時速度提高，空氣出來以後急速向外膨脹，使溫度降低。但實際的情況是，從口中吹出來的空氣速度最多只有每秒鐘數米 [6]，所產生的氣壓改變僅相當於大氣壓的萬分之一，又怎可能導致空氣膨脹從而改變溫度？要解釋空氣吹到手上的冷熱感覺，倒不如嘗試考慮口中吹出的熱空氣如何和周圍的冷空氣混合，較快的風速是否能更有效地帶走手上的水份和吹散周圍熱空氣等問題。這些解釋可能更實際、更接近事實。

即使是讀過物理的人，也未必了解現實環境中物理量的大小，可能是因為這些了解對於讀書考試並沒有幫助。但一旦要利用物理解釋日常生活現象，種種謬誤就由此而來。在一般日常生活情況下，風只是空氣的整體運動 (bulk motion)，涉及的膨脹和溫度改變微乎其微。當然，在日常生活中也有很多例子顯示了氣體膨脹或收縮時，溫度的而且確會改變。例如用氣泵為足球打氣，最終氣壓可能是大氣壓力的兩倍，泵氣時不斷作功把氣體壓縮，泵內空氣的溫度就自然明顯提高。汽車輪胎內的氣壓是大氣壓力的數倍，爆胎時氣體湧出並大幅膨脹，冷卻效應便很明顯了。

那麼這個「窮人冷氣機」有沒有可能降低室內的溫度？比較合理的解釋是它增加了空氣的對流。鐵皮屋受到日照，溫度變得很高，而且傳熱很快，屋內被加熱後，發出的紅外線會也被金屬反彈，導致散熱很慢，產生很強的溫室效應。在這種情況下，室內的溫度會比室外的高，所以只要增加通風口，加強空氣對流，就能降低屋內溫度。

世上沒有免費午餐。很多新奇想法聽起來都很有趣，但創意歸創意，總不能無視科學事實。如果只是用了汽水空樽就能夠製造冷氣，恐怕人人都會把空樽放在風扇前面享受涼快，所有冷氣機製造商都要關門了！在這個年代，網上的美麗故事很多，有些人更會借做善事為名而賺錢。這些故事是真是假，還是必須要小心判斷。

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給進階讀者的參考

[1] 類似的報導很多，例如：
https://www.youtube.com/watch?v=i2NWr6bRKWU
[2] 氣體在膨脹過程中沒有足夠時間與周圍環境進行熱交換 (heat exchange)，這就是所謂絕熱膨脹 (adiabatic expansion)。氣體膨脹時向外作功 (do work)，失去能量，因此氣體的內能 (internal energy) 減少，如果外界沒有熱流入補充，氣體的溫度便會隨內能下降。這是熱力學第一定律的結果。
[3] 伯努利方程說在穩流 (steady flow) 中以下物理量沿流線 (streamline) 守恆：
P + ½ρv² = 常數
其中 P是流體壓強，ρ是密度，v 是流速。
[4] 我們可以利用根據伯努利方程大概估算一下風速與氣壓改變的關係：
P₁ + ½ρv₁² = P₂ + ½ρv₂²
ΔP = P₂ - P₁ = ½ρ(v₁² - v₂²)
簡單地設 v₂ = 0, v₁ =13 m/s, 空氣密度為 ρ = 1.2 kg/m³，ΔP = 101 Pa，只是大氣壓力的千分之一。注意伯努利方程兩項的比例約是P/ρ和v²，但 c² = P/ρ 大約就是空氣中聲速的平方。所以兩項的比例是 v²/c²，即除非風速接近聲速，否則氣壓的改變必遠小於大氣壓。
[5] 有數理底子的朋友可以看看我在這篇文章的推導：
www.phy.cuhk.edu.hk/sstong/drtongsharing/cooler.pdf
[6] 你可以找一個電子風速計量度一下。也有人試過利用伯努利原理，估計出一個人用力吹氣入狹窄的飲管時，風速最多也不過是25 m/s左右，從狹窄的飲管換算成開闊的空間，也就是每秒鐘數米左右。