專利名稱：用于監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法、裝置和程序的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高爐操作狀態(tài)的監(jiān)視方法、裝置和程序，所述方法、裝置和程序能在操作期間通過連續(xù)地估計和可視化高爐內軟熔帶的根部監(jiān)視高爐的操作狀態(tài)并預報高爐內操作故障的情況。
背景技術：
現有技術用于監(jiān)視高爐操作狀態(tài)及預報故障狀態(tài)的方法包括在日本未經審查的專利公報NO.05-156328和11-140520中所公開的那些方法。這些監(jiān)視和預報方法在不反映與各傳感器在高爐設備上安裝位置有關的信息情況下收集從各傳感器測得的數據，并且是通過將收集的數據與預先設定值或從簡單物理模型所推導出的閾值進行比較來監(jiān)視操作狀態(tài)和預報操作故障的情況。
然而，本發(fā)明所針對的高爐過程是一個應作為具有動態(tài)特性的分布的恒定系統(tǒng)過程的對象。因此，從分布在高爐設備上各位置處的各傳感器所測得的數據不應相互獨立地收集和評價，而應是通過使數據與各傳感器在高爐設備上的安裝位置相關聯地進行收集和評價。
現有技術的方法不是通過使數據與傳感器的安裝位置相關聯地收集和評價測得的數據，因此有一個問題是高爐操作狀態(tài)的監(jiān)視和預報的準確度很低。
本發(fā)明是考慮到上述情況而創(chuàng)造出來的，并且本發(fā)明進行高爐中軟熔帶根部的估計和可視化，目的在于解決上述問題，并因而達到監(jiān)視高爐的操作狀態(tài)和預報操作故障的目的。
發(fā)明的公開內容在按照本發(fā)明所述用于監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法中，把從安裝在高爐中的多個傳感器所接收的測量目標量的測得數據設置在一個二維平面上或一個三維立體上，上述二維平面具有其中反映的各個傳感器安裝位置，而上述三維立體通過將數個二維平面拼湊在一起構成，各個測得數據的分布狀態(tài)和動態(tài)變化以由它們形成的幾何圖形或幾何圖形的特征信息形式表示，并且通過評價它們而監(jiān)視高爐的操作狀態(tài)，所述方法其特征在于用于說明二維平面或三維立體上一規(guī)定點的坐標軸事先設定，對其是一種期望量的壓力數據計算每個坐標軸方向上的空間梯度(空間變化率、空間變化量)，計算具有將這種計算出的空間梯度作為一個分量的空間梯度向量的范數或向量與爐高方向所成的角，并且在由二維平面或三維立體上的等值線所形成的輪廓圖形中，把由預先規(guī)定的上限管理值和下限管理值所限定的輪廓圖形作為相應于軟熔帶根部的位置進行估計。
按照本發(fā)明所述用于監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的另一種方法其特征在于通過壓力數據的空間梯度向量而估計的相應于軟熔帶根部的位置可視化為二維平面上或三維立體上的幾何圖形形式。
在按照本發(fā)明所述用于監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的另一種方法中，把從安裝在高爐中的多個傳感器接收的測量目標量的測得數據設置在一個二維平面上或者一個三維立體上，上述二維平面具有其中所反映的各個傳感器的安裝位置，而上述三維立體通過把數個二維平面拼湊在一起構成，各個測得數據的分布狀態(tài)和時間變化以由它們形成的幾何圖形或幾何圖形的特征信息形式表示，并且通過評價它們而監(jiān)視高爐的操作狀態(tài)，所述方法其特征在于用于說明二維平面或三維立體上的一規(guī)定點的坐標軸事先設定，對其是一種期望量的溫度計算一時間梯度(時間變化率、時間變化量)，并且在由二維平面上或三維立體的表面上的等值線所形成的輪廓圖形中，把由預先規(guī)定的上限管理值和下限管理值所限定的輪廓圖形作為相應于軟熔帶根部的位置進行估計。
按照本發(fā)明所述用于監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的還有另一種方法其特征在于利用溫度數據的時間梯度估計的相應于軟熔帶根部的位置可視化為二維平面上或三維立體表面上的幾何圖形形式。
按照本發(fā)明所述用于監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的另一種方法其特征在于相應于軟熔帶根部的位置用下述兩種信息估計，所述兩種信息是表示用壓力數據的空間梯度向量估計的相應于軟熔帶根部的位置的信息和表示用溫度數據時間梯度估計的相應于軟熔帶根部的位置的信息。
按照本發(fā)明所述用于監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的另一種方法其特征在于表示利用壓力數據的空間梯度向量估計的相應于軟熔帶根部的位置的信息和表示用溫度數據時間梯度估計的相應于軟熔帶根部的位置的信息二者按照各個測得數據的時間變化更新，因而連續(xù)地估計相應于軟熔帶根部的位置。
按照本發(fā)明所述用于監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的另一種方法其特征在于表示相應于軟熔帶根部的位置的信息連續(xù)地可視化為一種幾何圖形的形式，上述信息按照各個測得數據的時間變化連續(xù)地估計，而上述幾何圖形在二維平面上或在三維立體上連續(xù)地更新。
附圖簡介圖1是示出按照第一發(fā)明所述高爐操作監(jiān)視裝置構形的示意圖；圖2是示出按照第二發(fā)明所述高爐操作監(jiān)視裝置構形的示意圖；圖3是示出由等值線形成的輪廓圖形的示意圖；圖4是用于說明一種等值線搜索方法的示意圖；圖5是用于說明一種計算溫度數據空間梯度的方法的示意圖；圖6-9是用于說明從穩(wěn)定操作轉向異常操作的過程的示意圖；圖10是用于說明操作預報方法的示意圖；圖11是用于說明一種計算壓力數據空間梯度的方法的示意圖；圖12是用于說明壓力和壓力的空間梯度向量之間關系的示意圖；圖13是用于說明一種計算溫度數據的時間梯度的方法的示意圖；圖14是用于說明計算溫度數據空間梯度的時間梯度的方法的示意圖；
圖15是用于說明軟熔帶根部的示意圖；圖16是根據壓力數據空間梯度向量范數的等值線示出相應于軟熔帶根部的位置的示意圖；圖17是根據壓力數據空間梯度向量角的等值線示出相應于軟熔帶根部的位置的示意圖；圖18是根據溫度數據的時間梯度的等值線示出相應于軟熔帶根部的位置的示意圖；及圖19是示出相應于軟熔帶根部的位置的示意圖。
實施本發(fā)明的最佳方式下面將參照


按照本發(fā)明所述監(jiān)視高爐操作的方法的多個實施例。
圖1是示出按照第一發(fā)明所述的監(jiān)視高爐操作的設備構形方框圖；如圖所示，在高爐設備1上安裝了多個傳感器用于測量冷卻壁溫度、爐膛壁溫度和爐身壓力。
在圖1中，把多個冷卻壁溫度傳感器、爐膛壁溫度傳感器和爐身壓力傳感器顯示成以等間距安裝在高爐設備的外表面上，但這些傳感器也可以用不等間距安裝在高爐設備上。
下面將根據圖1所示監(jiān)視操作的設備的構形說明本發(fā)明的一個實施例。(1.高爐設備和2.各種安裝在高爐設備上的傳感器)一些物理量如溫度、壓力、流速、粒徑、密度和成份等，用安裝在高爐設備1上的各種傳感器2測量。下面說明如圖1所示多個溫度傳感器和壓力傳感器圍繞高爐外表面安裝的情況。
首先，采用溫度數據作為例子進行說明。對壓力數據可進行同樣的處理，正如稍后將要說明的那樣。
圍繞高爐外表面設置的多個傳感器其中每個傳感器的安裝位置是根據三維空間坐標(X(i)，Y(i)，Z(i))進行，此處I＝1，2，3，......，N(N代表溫度傳器個數)。(3.數據收集裝置)在數據收集裝置3中，從設置在高爐設備上的多個溫度傳感器測得的數據輸出通過以預定的取樣時間間隔Δt對這些數據取樣進行收集。取樣時間間隔Δt可以根據數據收集裝置3的處理容量、數據處理裝置4的處理容量、及用于操作監(jiān)視和操作預報所需的時間間隔而設定到等于或大于幾毫秒的任何所希望的時間間隔。由數據收集裝置3所收集的溫度數據實時傳送到數據處理裝置4。
從數據收集裝置3到數據處理裝置4的數據傳輸不限于任何特定的方法或模式，但可以用下列方法的其中之一實現。
.數據作為一種模擬電壓或模擬電流信號傳輸。
.數據通過數據收集裝置3轉變或數字信號傳輸。
.數據通過數據收集裝置3轉變成數字信號，然后將所述數字信號壓縮并以壓縮的形式傳輸到數據處理裝置4，在所述處理裝置4處恢復成原始數據。
.通過一個局域網(LAN)或互聯網(Internet)將數字信號或壓縮的數字信號從數據收集裝置3傳輸到安裝在遠端的數據處理裝置4。(4.數據處理裝置)(5.等值線計算部分)等值線計算部分5將從數據收集裝置3所接收的溫度數據設置在一個二維平面上或一個三維立體的表面上，上述二維平面由反映其中涉及各個傳感器在高爐設備上的安裝位置的信息形成，而上述三維立體通過將數個二維平面拼湊在一起構成，所述等值線計算部分5計算一任意的溫度數據具有相同值的等值線，并產生一個由這種等值線所形成的幾何圖形。
下面將說明在等值線計算部分5中所應用的等值線計算方法的一個示例。圖3是一種在等值線計算部分5中用沿著高爐圓周方向的r軸和沿著高爐高度方向的h軸限定一個二維平面的示意圖，并示出由二維平面上等值線形成的一些輪廓圖形示例。在圖3中，圍繞高爐外表面設置的多個溫度傳感器的安裝位置用標記·表示，在圖3中，這些標記·通過變換它們的三維空間坐標(X(i)，Y(i)，Z(i))繪出。
圖3中的坐標變換通過用一種幾何方法完成，例如，通過計算從高爐高度、爐膛壁高度、風口直徑、爐腰直徑、爐底直徑、爐身角、爐腹角等在二維平面上的投影完成。
本發(fā)明中所限定的二維平面不限于如圖3所示的方形平面，但二維平面可按照爐身角或爐腹角規(guī)定為一種部分是扇狀的平面。
另外，盡管圖3通過繪制沿著r軸的高爐圓周和沿著h軸的高爐高度示出了兩維平面用于簡化說明，但也可以利用一種三維立體，所述三維立體通過將數個二維平面拼湊在一起并通過將各溫度傳感器按它們的三維空間坐標設置在三維空間中構成。
當從各個溫度傳感器測得的數據在圖3的二維平面中由點·所表示的對應位置處標出時，可以說明在一規(guī)定的時間t的溫度數據分布。在這種情況下，在后面所說明的等值線搜索方法中，各個點·不必以等間距設置，而是可以設置成不等間距。
根據在各個點·處所標出的溫度數據，當搜索一等值線時，在各個點·之間的空間中立體地插入溫度數據。此處等值線是通過將立體分布的溫度數據中相等數值的那些點連接起來得到。
在立體上不等距分布的溫度數據中搜索等值線的一種可靠方法是利用通過連接溫度傳感器安裝位置所形成的三角形要素，但當在空間中構成這些三角形要素時，有極大數目的自由度用于組合。另外，當測量的點數相對于空間很小時，產生的一個問題是所得到的等值線形狀隨三角要素的選擇而有所不同。
由于這個原因，將把“用四角形要素的4個頂點的平均值為它們共用頂點的三角形要素的等值線搜索法”作為減少要素選擇的自由度數目的方法的其中一個示例說明，該方法有助于選擇，而同時減少了由于要素選擇而引起的等值線形狀上的誤差。
這種方法將參照圖4進行說明。對所有在圖3中二維平面上用點·表示的溫度傳感器安裝位置來說，各個點都預先關聯形成四角形要素，所述四角形其中任一個內角都不超過180°。在用于四角形要素的要素選擇條件情況下，要素選擇的自由度總數減少，因而使要素選擇更容易。在高爐設備情況下，因為每個傳感器的位置坐標已知，關聯只需進行一次，或者關聯可以通過用自動搜索算法作為一種組合問題自動進行。
圖4示出一個示例，其中溫度傳感器在4個點P1、P2、P3和P4-亦即一種其任何一個內角都不超過180°的任意四角形要素的頂點處測得的數據分別是T1、T2、T3和T4。在圖3中用O表示的點pm-亦即四角形要素的對角線交點pm處的溫度用Tm表示。Tm是由T1、T2、T3和T4計算出的平均值并定義為例如算術平均值。
Tm＝(T1+T2+T3+T4)÷4 ...... (1)接著，將在對角線交點處具有共用頂點的四個三角形要素限定在四角形要素內；這里，在每個三角形要素規(guī)定一邊上的溫度數據都是通過在那一邊兩端頂點處插入溫度數據得到。任何合適的方法如線性插入法都可以用于插入。
這里假定待搜索的等值線數值是T，并且T和四角形要素4個頂點處的溫度數據之間下列關系成立。
T1＜T＜T4 ...... (2)T1＜T＜T2 ...... (3)在圖4的示例中，從關系式(2)的條件，T存在于連接P1和P4的直線上及存在于連接P1和Pm的直線上，并且也存在于連接Pm和P4的直線上。
此處，如果T1＜T＜Tm ...... (4)則T的溫度數據點存在于連接P1和Pm的直線上。T的這些溫度數據點用Δ表示。
同樣，從關系式(3)的條件，T作為一個插入的溫度數據點存在于連接P1和P2的直線上。這個數據點用Δ表示。當將這樣得到的溫度T各點用直線連接時，可以發(fā)現在所感興趣的四角形要素內溫度T的等值線。
代替關系式(4)，若考慮到下述情況即Tm＜T＜T4...... (5)則在下述情況下即T2＜T＜T3...... (6)各溫度數據點用□表示，并且用直線連接這些點的等值線可以如虛線所表示的示出。
通過對空間內所有四角形要素重復上述處理，完成在所述空間內搜索和繪出等值線。如圖3所示，用這樣得到的一些等值線，溫度數據在二維平面內形成某些幾何圖形。尤其是，一種形成閉合曲線的等值線形成一有特征的幾何圖形。在圖3中，規(guī)定溫度T的等值線用實線表示，而用閉合曲線封閉的輪廓圖形用影線表示。虛線表示其它溫度的等值線。
如上所述，對空間上不等距分布的數據，選定一種其任一內角不超過180°的四角形要素，并且在4個頂點處數據的平均值取自兩個對角線的交點處，同時采用那個交點處具有共用頂點的三角形要素，找到并繪出等值線；因為采用三角形要素，所述三角形要素用四角形要素各頂點的平均值作為它們的共用頂點，所以這個方法與只用三角形要素搜索等值線的方法相比，不僅通過減少要素選擇的自由度總數有助于要素選擇，而且還用于有效地減少取決于要素選擇的等值線搜索誤差。因為三角形要素在搜索的最后階段中使用，所以在搜索過程中沒有等值線與別的等值線交叉或半途中斷開的可能性。
上述搜索方法在應用上不限于二維平面，而且所述方法也可有效地應用于三維立體表面上的四角形平面要素，所述三維立體通過將數個二維平面拼湊在一起構成。
在本發(fā)明中，等值線搜索法不必限于任何特定的方法，但等值線可以用另外方法或三角形要素法繪制在一個二維平面上或繪制在一個三維立體的表面上。
如上所述，在等值線計算部分5中，等值線可以通過將從數據收集裝置3所接收的溫度數據設置在一個二維平面上或設置在一個三維空間中繪出，所述二維平面通過反映其中涉及各個傳感器在高爐設備上安裝位置的信息形成，而所述三維空間由四角形平面要素構成。
還能夠計算在二維平面上或三維立體表面上任意點處的溫度數據。
圖5是一個示意圖，它限定一個二維平面，所述二維平面具有一個沿著高爐圓周方向所描繪的r軸和一個沿著高爐高度方向所描繪的h軸，并且圖5示出屏幕上每個像素的溫度T(i，j，k)，所述溫度T通過空間上插入時間t時的溫度等值線得到，所述溫度等值線利用等值線計算部分5計算得出。這里，i＝1，2，3，......Nr(Nr代表在高爐圓周方向上的像素數)，j＝1，2，3，......Nh(Nh代表高爐高度方向上的像素數)，k＝0，1，2，......，(k是離散化時間)，Δh是高爐高度方向上的像素長度，及Δr是在高爐圓周方向上的像素長度。(6.幾何特征信息計算部分)幾何特征信息計算部分6在通過等值線計算部分5計算得的幾何圖形上進行圖像處理，并計算幾何圖形和幾何圖形的特征信息，也就是說，計算幾何圖形數目、面積大小、重心和幾何圖形的縱橫比，及幾何圖形內的最大值或最小值、平均值和方差。(7.操作監(jiān)視部分)操作監(jiān)視部分7通過將由幾何特征信息計算部分6所計算得到的幾何圖形和幾何圖形的特征信息和預先設定的幾何圖形和幾何圖形的特征信息進行比較，使它能夠監(jiān)視高爐的操作。
參見圖6-9，將通過采用溫度數據作為一個示例說明監(jiān)視高爐操作的方法。
圖6-9是示出用幾何特征信息計算部分6中圖像處理所得到的幾何特征信息計算結果如何隨時間推移而變化的示意圖?？坷锩娴牡戎稻€表示較高的溫度。
在圖6-9中，每個由一規(guī)定的溫度的等值線所形成的幾何圖形都是通過圖像處理計算，并且?guī)缀螆D形用一條線封閉并加有標記。
圖6示出當由高冷卻壁溫度等值線所形成的幾何圖形沿著高爐下部整個爐圓周廣泛分布時，高爐的操作穩(wěn)定的狀態(tài)。
圖7示出從圖6的狀態(tài)經過了一定時間之后時的狀態(tài)；如圖7所示，由于操作中的外部擾動，高冷卻壁溫度等值線所形成的幾何圖形在高爐高度方向上在沿著高爐圓周的某些點處擴張。
圖8示出圖6的狀態(tài)經過了更多時間時的狀態(tài)；如圖8所示，由高冷卻壁溫度等值線所形成的幾何圖形面積在沿著高爐圓周的某些點處進一步擴張，同時高度向上延伸，并達到沿著高爐設備高度方向中間的一點處。
圖9示出從圖8的狀態(tài)經過了更多時間時的狀態(tài)；如圖9所示，由某一溫度等值線所形成的幾何圖形的大部分已經移入高爐設備的頂部，而其余的幾何圖形在高爐高度的中間或沿著高爐圓周的約3/4的位置聚集，同時表示一種異常操作狀態(tài)，所述異常操作狀態(tài)不能恢復到圖6所示的穩(wěn)定操作狀態(tài)。
圖8和9示出異常操作狀態(tài)，該現象通稱之為吹出，其中由高冷卻壁溫度等值線所形成的幾何圖形正移入高爐設備的頂部。
也就是說，在操作監(jiān)視部分7中，可以通過將幾何特征信息計算部分6所計算得的幾何圖形和幾何圖形特征信息與預先設定的幾何圖形和幾何圖形特征信息進行比較來監(jiān)視操作。(8.幾何特征信息時間變化計算部分)幾何特征信息時間變化計算部分8計算通過幾何特征信息計算部分6所計算的幾何圖形和幾何圖形特征信息的時間變化。(9.操作預報部分)操作預報部分9通過將由幾何特征信息時間變化計算部分8所計算得的幾何圖形和幾何圖形特征信息的時間變化與預定的用于幾何圖形和幾何圖形特征信息的時間變化條件進行比較，來預報操作狀態(tài)。
下面將參照圖10說明利用溫度數據的操作預報方法。
圖10示出由圖6-9所示規(guī)定溫度等值線所形成的幾何圖形的重心位置在圖6-9所示的過程中變化的過程；這里，重心位置沿著垂直軸而時間沿著水平軸繪制出。
為了預報操作狀態(tài)，將用于重心位置的上限管理值預貯存在操作預報部分9中。在圖6所示的穩(wěn)定操作狀態(tài)中，目標幾何圖形的重心位置G(t)在數值上小于預先設定的上限管理值Gu。從重心位置G(t)及其時間變化率dG(t)，把規(guī)定時間Δt之后的操作狀態(tài)，亦即在Δt之后的重心位置G(t+Δt)預報成G(t+Δt)＝G(t)+dG(t)·Δt......(7)并且，如果G(t+Δt)＜Gu ......(8)則可以預報在Δt之后穩(wěn)定的操作狀態(tài)將繼續(xù)。
另一方面，在圖7所示的操作波動的狀態(tài)中，目標幾何圖形的重心位置G(t)在數值上小于預先設定的上限管理值Gu，但當按照方程式(7)預報在規(guī)定時間Δt之后的操作狀態(tài)，亦即在Δt之后的重心位置G(t+Δt)時，如果G(t+Δt)＞Gu ......(9)則它可以預報操作故障例如吹出將在Δt之后的操作狀態(tài)中發(fā)生。
圖10已經示出，操作故障可以根據由一規(guī)定溫度等值線所形成的幾何圖形的特征信息進行預報，亦即可以根據由圖像處理所得到的幾何圖形重心位置值G(t)及其時間變化率dG(t)預報，但應理解，其它方法也可以有效地使用，上述其它方法包括不僅評價重心位置，而且還評價用圖像處理得到的幾何圖形的特征信息及其時間變化率的方法；一種通過將幾何圖形不同特征信息項目結合進行評價的方法；一種除了上限管理值之外還設置下限管理值的方法；一種通過將上限管理值和下限管理值結合進行評價的方法；及一種將不同的向量特征信息項目如目標幾何圖形區(qū)內的一個向量或各向量分量之和、最大值、最小值、平均值或方差等結合起來進行評價的方法。(10.記錄部分)記錄部分10以文本文件等的形式記錄來自幾何特征信息時間變化計算部分8的計算結果，并構成一個數據庫。當記錄幾何圖形和幾何圖形特征信息的時間變化時，計算結果也可以作為一種移動圖像文件以多媒體文件格式(AVI)或類似格式記錄。在這種情況下，通過在實施本發(fā)明的監(jiān)視高爐操作方法時除去冗余的移動圖像信息，可以有效地完成記錄和數據庫的建立。在本發(fā)明中，數據壓縮的方法不必限于任何特定的方法。
記錄部分10所記錄的信息可以貯存在一個文件中，以便可以離線評價高爐的操作狀態(tài)。
在本發(fā)明中，計算結果從幾何特征信息時間變化計算部分8傳輸到記錄部分10不必限于任何特定的方法或模式；例如，計算結果可以在幾何特征信息時間變化計算部分8中進行數字化，并且可以把所產生的數字信號傳輸到記錄部分10。另外，可以通過在傳輸之前壓縮數據來減少數據傳輸量，并可以用局域網或互聯網作為傳輸介質。(11.輸出部分)輸出部分11把幾何圖形和幾何圖形特征信息的時間變化、操作監(jiān)視結果、操作預報結果輸出到一監(jiān)視屏幕或類似物上。
在本發(fā)明中，計算結果從幾何特征信息時間變化計算部分8傳輸到輸出部分11不必限于任何特定的方法或模式；例如，計算結果可以在幾何特征信息時間變化計算部分8中進行數字化，并且可以把所產生的數字化信號傳輸到輸出部分11。另外，可以通過在傳輸之前壓縮數據來減少數據傳輸量，并且可以用局域網或互聯網作為傳輸介質。
圖2是示出按照第二發(fā)明所述操作監(jiān)視裝置構形的示意圖，除了下列不同之外，第二發(fā)明的操作監(jiān)視裝置構形與第一發(fā)明的操作狀態(tài)監(jiān)視裝置構形基本上相同·等值線計算部分5之后設置一個梯度計算部分12。
·幾何特征信息計算部分6被一幾何圖形和向量特征信息計算部分13代替，所述幾何圖形和向量特征信息計算部分13不僅根據等值線計算部分5的輸出計算幾何特征信息，而且還根據梯度計算部分12的輸出計算向量特征信息。
·幾何特征信息時間變化計算部分8被一幾何圖形和向量特征信息時間變化計算部分14代替，所述幾何圖形和向量特征信息時間變化計算部分14根據幾何圖形和向量特征信息計算部分13不僅計算幾何特征信息的時間變化，而且還計算向量特征信息的時間變化。
下面將只說明只有第二發(fā)明的操作監(jiān)視裝置才有的各要素。(12.梯度計算部分)梯度計算部分12對二維平面上或一個三維立體的表面上指定點處測得的數據計算空間梯度(空間變化率、空間變化量)、時間梯度(時間變化率、時間變化量)，或空間梯度的時間梯度(空間變化率的時間變化率、空間變化量的時間變化量)，上述二維平面由等值線計算部分5計算而得到，而上述三維立體表面通過將數個二維平面拼湊在一起構成。
首先，將說明計算壓力數據的空間梯度的方法。
在等值線計算部分5中對溫度數據進行的處理也可用于壓力數據；也就是說，在等值線計算部分5中，各等值線可以通過將從數據收集裝置3接收的壓力數據設置在一個二維平面上或一個三維空間中繪出，上述二維平面通過反映其中有關各個傳感器在高爐設備上安裝位置的信息形成，而上述三維空間由多個四角形平面要素構成。
也可以計算在二維平面上或三維立體的表面上任意點處的壓力數據，所述三維立體由數個二維平面拼湊在一起構成。
圖11是一個示意圖，它限定一個具有沿著高爐圓周方向的r軸和沿著高爐高度方向的h軸的二維平面，并示出對于屏幕上每個像素的壓力P(i，j，k)，所述壓力P(i，j，k)通過在時間t時從壓力數據等值線立體地插入壓力數據得到，所述壓力數據通過等值線計算部分5計算得到。此處，i＝1，2，3，......，Nr(Nr代表高爐圓周方向上的像素數)，j＝1，2，3，......，Nh(Nh代表高爐高度方向上的像素數)，k＝0，1，2，......，(k是在時間t時的離散化時間)，Δh是高爐高度方向上的像素長度，及Δr是在高爐圓周方向上的像素長度。
在圖11中，在時間k時于像素位置(i，j)處，壓力P(i，j，k)在高爐高度方向上的空間梯度ΔPh(i，j，k)是通過將高爐高度方向上的壓力差除以高爐高度方向上的像素長度進行計算，亦即，ΔPh(i，j，k)＝{P(i，j+1，k)-P(i，j，k)}÷Δh......(10)同樣，在高爐圓周方向上壓力P(i，j，k)的空間梯度ΔPr(i，j，k)通過將高爐圓周方向上的壓力差除以高爐圓周方向上的像素長度進行計算，亦即，ΔPr(i，j，k)＝{P(i，j+1，k)-P(i，j，k)}÷Δr......(11)在這種情況下，在高爐圓周方向上，在二維平面的一條邊界線上壓力的空間梯度以這種方式計算，以保持空間梯度的連續(xù)性。
另一方面，在高爐高度方向上，梯度是根據物理邊界條件設定。
例如，在圖11所示壓力數據的情況下，在分別表示爐頂位置和風口位置的上端邊界線和下端邊界線上，梯度是通過在相應邊界線附近從爐壓在高爐高度方向上的梯度外插而設定。
另外，方程式(10)和(11)每個都是根據Taylor展開以一階差分方程的形式表示，但可以采用下面表示的另一種差分方程如中心差分方程。
ΔPh(i，j，k)＝{P(i，j+1，k)-P(i，j-1，k)}÷(2Δh)......(12)ΔPr(i，j，k)＝{P(i+1，j，k)-P(i-1，j，k)}÷(2Δr)......(13)圖12示出壓力P(i，j，k)和壓力的空間梯度向量 之間的關系，所述壓力P(i，j，k)是一種期望量亦即標量，而所述空間梯度量 是一種向量量。
此處，壓力的空間梯度向量 被定義為一種向量，所述向量將壓力在高爐圓周方向上的空間梯度Pr(i，j，k)和壓力在高爐高度方向上的空間梯度Ph(i，j，k)作為它的分量，如下面方程式(14)所示。∂P→(i,j,k)={∂Pr(i,j,k),∂Ph(i,j,k)}]]>={Δr→lim0+ΔP(i,j,k)Δr,Δh→0+limΔP(i,j,k)Δh}={∂P(h,r,t)∂r,∂P(h,r,t)∂h}---(14)]]>這時，壓力的空間梯度向量 的范數亦即大小是||∂P→(i,j,k)||={∂Pr(i,j,k)2+∂Ph(i,j,k)2}1/2---(15)]]>及壓力梯度向量 的角度是∂P→(i,j,k)=tan-1(∂Pr(i,j,k)∂Ph(i,j,k))]]>當取繞高爐高度方向的軸線(h軸)的順時針方向為正時，式中 上述方程式(14)-(16)是經設置在二維平面上的壓力數據的空間梯度向量 公式化的示例，所述二維平面由高爐圓周方向(i)和高爐高度方向(j)限定，如圖11所示，但應該意識到，同樣的公式化技術和本發(fā)明的高爐操作監(jiān)視方法也可應用于在三維立體表面上展開的三維空間中壓力的空間梯度向量，所述三維立體通過將數個二維平面拼湊在一起構成。
接下來，將說明在梯度計算部分12中計算溫度數據的空間梯度的方法。
在圖5中，在時間k時像素位置(i，j)處溫度T(i，j，k)在高爐高度方向上的空間梯度ΔTh(i，j，k)是通過將高爐高度方向上的溫度差除以高爐高度方向上的像素長度計算，如下面方程式(17)所示。
ΔTh(i，j，k)＝{T(i，j+1，k)-T(i，j，k)}÷Δh...... (17)同樣，溫度T(i，j，k)在高爐圓周方向上的空間梯度ΔTr(i，j，k)通過將高爐圓周方向上的溫度差除以高爐圓周方向上的像素長度計算，如下面方程式(18)所示。
ΔTr(i，j，k)＝{T(i，j+1，k)-T(i，j，k)}÷Δr...... (18)在這種情況下，在高爐圓周方向上，溫度在二維平面一條邊界線上的空間梯度以這種方式計算，以便保持空間梯度的連續(xù)性。另一方面，在高爐高度方向上，梯度是根據物理邊界條件設定。
例如，在圖5所示溫度數據情況下，在可以假定隔熱條件的一條邊界線上，將溫度的空間梯度設定為零。
另外，方程式(17)和(18)每個都是根據Taylor展開以一階差分方程的形式示出，但可以采用其它差分方程如中心差分方程，如下面方程式(19)和(20)所示。
ΔTh(i，j，k)＝[T(i，j+1，k)-T(i，j-1，k)]÷(2Δh) ...... (19)ΔTr(i，j，k)＝[T(i+1，j，k)-T(i-1，j，k)]÷(2Δr) ...... (20)接下來，將說明在梯度計算部分6中計算溫度數據的時間梯度的方法。
圖13示出在像素位置(i，j)處溫度數據的時間變化；此處，時間t是離散化的，而在離散時間k時像素位置(i，j)處溫度T(i，j，k)處時間梯度ΔTt(i，j，k)(溫度的時間變化率、溫度的時間變化量)是通過從當前溫度數據中減去一個時間變化基準量，并將所得差值除以基準時間(m×Δt)進行計算，亦即， 此處，n和m是設定參數，n代表時間變化參考評價數據項數，m代表時間梯度參考時間數。另外，Δt是取樣時間周期。另一方面，ω(i，j，k-m×1)是計算時間變化參考量時考慮過去的溫度數據影響程度的加權系數，并可以任意設定。
下面將說明利用這些設定參數的示例。
例如，當n＝1、m＝1和ω(i，j，k-1×1)＝1時，則方程式(21)簡化成ΔTt(i，j，k)＝{T(i，j，k)-T(i，j，k-1)}÷Δt...... (22)并且在當前溫度數據和Δt時間之前的溫度數據之間的時間梯度可以這樣計算。
另外，當例如ω(i，j，k-m×1)＝1(＝常數)時，在方程式(21)右邊方括號[]內第二項中計算得的時間變化參考量代表在時間區(qū)間(n×m×Δt)內所取溫度數據的算術平均值，因此在當前溫度數據和在時間區(qū)間(n×m×Δt)內所取的溫度數據的算術平均值之間的時間梯度可以由方程式(21)計算。
另一方面，當ω(i，j，k-m×1)＝ρ(k-m×1)時，此處ρ＞1，則方程式(21)是ΔTt(i,j,k)=[T(i,j,k)-{Σl=1nρ(k-m×l)×(i,j,k-m×l)}Σl=1nρ(k-m×l)]+(m×Δt)---(23)]]>并且在方程式(23)右邊方括號[]內第二項中計算得的時間變化參考量代表在時間區(qū)間(n×m×Δt)內所取的溫度數據的忽略系數加權平均，這意味著方程式(23)計算當溫度數據和在時間區(qū)間(n×m×Δt)內所取的溫度數據的忽略系數加權平均之間的時間梯度。此處ρ是一種限定忽略強度的參數亦即忽略系數，并可以任意設定。
計算溫度的時間梯度(時間變化率、時間變化量)的方法已經通過以三個方程式(21)、(22)和(23)作為例子進行了說明，但在本發(fā)明中，加權系數和時間梯度可以用上述方式之外的其它方式規(guī)定或限定。
接下來，將通過示例說明在梯度計算部分12中計算空間梯度的時間梯度的方法。圖14示出在像素位置(i，j)處溫度在高爐高度方向上的空間梯度ΔTh(i，j，k)的時間變化。在圖14中，時間t是離散化的，并且在離散時間k時在像素位置(i，j)處溫度在高爐高度方向上的空間梯度的時間梯度ΔTht(i，j，k)通過從高爐高度方向上當前溫度的空間梯度減去時間變化參考量，并將所得差值除以時間(m×Δt)，如下面方程式(24)所示。 這里，n和m是設定參數，n代表時間變化參考評價數據的項數，和m代表時間梯度參考時間數。另外，Δt是取樣時間周期Δt。另一方面，ω(i，j，k-m×1)是當計算時間變化參考量時考慮到過去的溫度數據的影響程度的加權系數，并可以任意設定。
下面將說明利用這些設定參數的示例。例如，當n＝1、m＝1和ω(i，j，k-1×1)＝1時，則方程式(24)簡化為下面所示的方程式(25)，并且當前溫度在高度方向上的空間梯度和Δt時間之前溫度在高爐高度方向上的空間梯度之間的時間梯度可以這樣計算。
ΔTht(i，j，k)＝{ΔTh(i，j，k)-ΔTh(i，j，k-1)}÷Δt...... (25)另外，當例如ω(i，j，k-m×1)＝1(＝常數)時，在方程式(24)右邊方括號[]內第二項中計算得的時間變化參考量代表在時間區(qū)間(n×m×Δt)內所取高爐高度方向上空間梯度的算術平均值，因此在當前溫度在高爐高度方向上的空間梯度與在時間區(qū)間(n×m×Δt)內所取溫度在高爐高度方向上的空間梯度的算術平均值之間的時間梯度可以由方程式(24)計算。
另一方面，當ω(i，j，k-m×1)＝ρ(k-m×1)時此處ρ＞1，方程式(24)由下面所示方程式(26)規(guī)定；這里，在方程式(24)右邊方括號[]內第二項中計算得的時間變化參考量代表在時間區(qū)間(n×m×Δt)內所取的溫度在高爐高度方向上空間梯度的忽略系數加權平均值，因此在當前溫度在高爐高度方向上的空間梯度與在時間區(qū)間(n×m×Δt)內所取的溫度在高爐高度方向上空間梯度的忽略系數加權平均值之間的時間梯度可以由方程式(26)計算。ΔTht(i,j,k)=[ΔTh(i,j,k)-{Σl=1nρ(k-m×l)×ΔTh(i,j,k-m×l)}Σl=1nρ(k-m×l)]+(m×Δt)---(26)]]>這里，ρ是限定忽略強度的一個參數亦即忽略系數，并可以任意設定。在高爐高度方向上計算溫度空間梯度的時間梯度的方法上面已通過三個方程式(24)、(25)及(26)作為示例，但在本發(fā)明中，加權系數ω(i，j，k-m×1)和時間梯度可以用上述方式之外的其它方式規(guī)定或限定。
盡管圖14已經用溫度在高爐高度方向上空間梯度的時間變化作為一個示例進行了說明，但應該意識到，上述說明也可應用于其它坐標軸如在高爐圓周方向上的空間梯度和其它可能的量如壓力。(13.幾何圖形和向量特征信息計算部分)及(14.幾何圖形和向量特征信息時間變化計算部分)幾何圖形和向量特征信息計算部分13把圖像處理應用到由等值線計算部分5所計算得的輪廓圖形上，或者把數學運算應用到由梯度計算部分12所計算得的向量上，并作為幾何圖形和向量特征信息分別計算壓力空間梯度向量 的范數 和角 及溫度時間梯度ΔTt(i，j，k)，上述范數 和角 分別由方程式(15)和(16)限定，而溫度時間梯度由方程式(23)限定；然后，相應于高爐中軟熔帶根部的位置可以通過用下述方式評價輪廓圖形或它的特征信息來進行估計和可視化，所述輪廓圖形或它的特征信息由二維平面或三維立體表面上的計算結果的等值線形成，上述三維立體的表面通過將數個二維表面拼湊在一起構成。
圖15是示出在高爐操作期間爐壁附近軟熔帶根部狀態(tài)的示意圖；在兩個部分(a)和(b)中，水平軸線代表高爐與起點處的爐壁在徑向方向上的距離，而垂直軸代表高爐的高度。
首先，將說明高爐操作概況及與爐壁附近軟熔帶根部的關系。
高爐是一種移動床反應器，用于通過還原和熔化鐵礦石中所含的氧化鐵生產碳含量較高的生鐵。作為原料的鐵礦石和作為主燃料的焦炭交替地從爐頂裝入，這樣在高爐內形成多個料層。
在高爐下部的爐壁沿著高爐圓周方向設置數十個稱作風口的噴嘴，通過所述風口加入鼓風和輔助燃料。在風口的前方處，形成一個循環(huán)區(qū)，在該循環(huán)區(qū)處各料層被高壓和高速下吹入的鼓風移除，并且在焦炭顆粒內部循環(huán)的同時而燃燒的情況下，將熱量和一氧化碳送入高爐中。一氧化碳是用于還原氧化鐵的主要還原劑，和所產生的燃燒熱被在高爐中流通的還原氣體朝高爐上部輸送，并提供一種用于加熱、還原和熔化鐵礦石的熱源。
爐料在高爐中流動的區(qū)域按照爐料的狀態(tài)從高爐的頂部到底部可以粗略地分成三個帶，亦即，1.塊狀帶、2.軟熔帶，和3.滴下帶。
在高爐上部的塊狀帶1中，從爐頂加入的鐵礦石隨著高爐中燃料消耗而向下流動，并且在那段時間里進行加熱和通過還原氣的還原。
在高爐中部的爐腰中，達到熔點的鐵礦石顆粒經歷變軟和軟熔，同時形成軟熔帶2，在所述軟熔帶2處形成熔化的鐵和熔化的爐渣。在軟熔帶的鐵礦石層中(在圖15中用影線表示)，軟化的鐵礦石顆粒粘合，填充它們之間的空隙并因此形成很少能透過還原劑的區(qū)域。
因而，軟熔帶剖面顯示在具有低還原劑透過性的鐵礦石層和具有高還原氣透過性的焦炭層(焦炭縫隙，圖15中未填充的部分)之間交替的結構，如圖15所示；這種結構的存在已經通過以前拆卸高爐所得到的調查結果，通過爐腰探測器和芯探測器所得到的觀察結果等所證實。
在軟熔帶2下面的滴下帶3中，軟熔帶中所形成的液體向下流過焦炭料層，和將液態(tài)的鐵水收集在爐缸中并通過高爐底部的出鐵口流到高爐外部。
這里，軟熔帶2具有分配從滴下帶流通到塊狀帶的還原氣體的功能，并已知對“鐵礦石可還原性”和“透氣性”具有很大影響，上述“鐵礦石可還原性”和“透氣性”是高爐操作中的重要特性；因此，在監(jiān)視操作過程中，重要的是估計和可視化它的形成特性(形狀、形成位置、透氣性)，尤其是在爐壁附近軟熔帶根部的形成特性(形狀、形成位置、透氣性)。
從探測器等的觀察結果已知，軟熔帶中的層結構根據操作狀態(tài)在焦炭縫隙厚度、空洞長度及每一層的傾角等方面都有很大變化。而且，根部的位置及其厚度隨操作狀態(tài)不同而變化，如圖15中白底箭頭所示。
圖15的部分(a)示出其中爐芯溫度低的形成所謂w形軟熔帶的狀態(tài)，而部分(b)示出其中爐芯溫度高的形成所謂倒V形軟熔帶的狀態(tài)。
圖15(a)中的低爐芯溫度部分是由于軟熔帶的“下垂”部分接近循環(huán)區(qū)的里面部分，干擾加入的鼓風從風口朝爐芯方向流動，并造成部分鼓風分流和沿著爐壁上升(如圖中箭頭①所示)，因而造成相應于軟熔帶根部的位置朝高爐上部升起。
這時，從爐芯部分穿過軟熔帶中焦炭縫隙朝爐壁流通的還原氣體(氣體流動用圖中的箭頭②表示)由于焦炭縫隙的不良形狀而被防止平穩(wěn)地流過這些焦炭縫隙，并且氣流匯合和沖擊爐壁，產生一個沿著爐壁向上升起的氣流(如圖中箭頭③所示)。這時，一部分沖擊爐壁的氣流沿著爐壁向下朝高爐下部流動(如圖中箭頭④所示)。
因此，如圖15(a)中所示，氣體流速(用圖中箭頭③表示)在軟熔帶根部的上面部分比它周圍的區(qū)域增加，因為還原氣體從爐芯部分穿過軟熔帶中焦炭縫隙朝爐壁方向流通的流動(用圖中的箭頭②表示)匯合在上面部分中；因此，當用方程式(15)限定的壓力空間梯度向量 的范數 進行評價時，可以把其值大于預先規(guī)定的設定值的等值線所選定的輪廓圖區(qū)域估計為相應于軟熔帶上面部分的位置，所述范數具有一預定的與氣體流速相對應的值。
另一方面，在軟熔帶根部的下面部分中，如圖15(a)中所示，一部分從爐芯部分穿過的軟熔帶中的焦炭縫隙朝爐壁流通的還原氣體(用圖中的箭頭②表示)沖擊爐壁并沿著爐壁向下朝高爐的下部流動(如圖中箭頭④所示)，并且，當這個氣流以相反的方式與從高爐下部沿著爐壁向上升起的氣流(用圖中的箭頭①表示)匯合時，匯合之后有效的氣體流速比周圍區(qū)域降低；因此，當用由方程式(15)限定的壓力空間梯度向量 的范數 進行評價時，可以把其值小于另一個預先規(guī)定的設定值的等值線所選定的輪廓圖區(qū)域估計為對應于軟熔帶下面部分的位置，上述方程式(15)具有一預定的與氣體流速相對應的值。
另外，在軟熔帶根部的下面部分中，如圖15(a)中所示，一部分從爐芯部分穿過軟熔帶中的焦炭縫隙朝爐壁流通的還原氣體(用圖中的箭頭②表示)沖擊爐壁并沿著爐壁向下朝高爐的下部流動(如圖中箭頭④所示)，但是，由于這個氣流與從高爐下部沿著爐壁向上升起的氣流(用圖中的箭頭①表示)不總是以正好相反的方式匯合，匯合的氣流的方向可能朝高爐的圓周方向傾斜；因此，當用由方程式(16)所限定的壓力空間梯度向量 的角 的絕對值 進行評價時，可以把其值大于預先規(guī)定的設定值的等值線所選定的輪廓圖區(qū)域估計為對應于軟熔帶下面部位的位置，所述角的絕對值具有一個與朝高爐圓周方向傾斜的氣流的幅值相對應的值，將繞高爐高度方向的軸線(h軸)的順時針方向限定為正。
另一方面，圖15(b)示出其中爐芯溫度高和軟熔帶的“下垂部”與循環(huán)區(qū)充分分開的狀態(tài)，其結果是通過風口加入的鼓風主要是流入爐芯部分(如圖中箭頭⑤所示)。
這時，從爐芯部分穿過軟熔帶中焦炭縫隙朝爐壁流通的還原氣體(如圖中箭頭⑥所示)平穩(wěn)地流過焦炭縫隙并因此有效地達到它的目的，實現比圖15(a)的情況更合適的氣體分配，并且還原氣體在沖擊爐壁之后主要是沿著爐壁向上朝高爐的上部流動(如圖中箭頭⑦所示)。
隨著從爐芯部分穿過軟熔帶中焦炭縫隙朝爐壁流通的還原氣體(如圖中箭頭⑥所示)平穩(wěn)地流過焦炭縫隙并因此有效地達到它的目的，還原氣體合適地分布，并且較大量還原氣體匯合在軟熔帶根部的上面部分中，而在其下面部分中匯合較少量的還原氣體；結果，在軟熔帶上面部分中的有效氣體流速大于其下面部分中有效氣體流速。
因此，在圖15(b)情況下，像圖15(a)的情況那樣，氣體流速(在圖中用箭頭⑦表示)與軟熔帶根部的下面部分(用圖中箭頭⑧表示)相比在根部的上面部分中增加，因為從爐芯部分穿過軟熔帶中的焦炭縫隙朝爐壁流通的還原氣體流(用圖中箭頭⑥表示)匯入上面部分中。
當用具有一預定的與氣體流速對應值的壓力空間梯度向量 的范數 進行評價時，可以把其值大于一預先規(guī)定的設定值的等值線所選定的輪廓圖區(qū)域估計為相應于軟熔帶上面部分的位置，同樣，可以把其值小于另一個預先規(guī)定的設定值的等值線所選的輪廓圖區(qū)域估計為相應于軟熔帶下面部分的位置。
參見圖15(a)和15(b)示出在高爐操作期間在爐壁附近軟熔帶根部狀態(tài)的典型示例，說明了對應于高爐中軟熔帶根部上面部分和下面部分的位置如何可以通過計算壓力空間梯度向量 的范數 和角 及溫度時間梯度ΔTt(i，j，k)，以及通過把計算結果顯示成輪廓圖形或它的特征信息來進行估計，上述范數 和角 分別由方程式(15)和(16)限定，溫度時間梯度ΔTt(i，j，k)由方程式(23)限定，而上述輪廓圖形由二維平面上或三維立體表面上的等值線形成，所述三維立體的表面通過數個二維平面拼湊在一起構成。
下面，將說明一種方法，所述方法通過將用上述方法得到的各輪廓圖形或它們的特征信息結合進行計算，并利用由計算結果得到的幾何特征信息估計和可視化相應于軟熔帶根部位置的上端位置和下端位置。
圖16示出一個示意圖，其中相應于軟熔帶根部上面部分的位置通過由方程式(15)限定的壓力空間梯度向量 的范數 評價，及估計為由其值大于一預先規(guī)定的設定值(例如0.004)的等值線所選定的輪廓圖形區(qū)域，并且這個輪廓圖形區(qū)域用斜剖面影線示出并設置在一個二維平面上，所述二維平面具有沿著水平軸的高爐圓周方向和沿著垂直方向的高爐高度方向。
另外，在圖16中，相應于軟熔帶根部下面部分的位置通過由方程式(15)限定的壓力空間梯度向量 的范數 進行評價，及估計為由其值小于預先規(guī)定的設定值(例如0.0005)的等值線所選定的輪廓圖形區(qū)域，并且這個輪廓圖形區(qū)域用水平和垂直交叉影線示出。
此處所用的預先規(guī)定的設定值是規(guī)范化到某一數值的數值，并且單位是無量綱的。
在圖16中，相應于軟熔帶根部上面部分位置的多個斜交叉影線區(qū)域的特征信息，亦即在高爐高度方向上斜交叉影線區(qū)域上面的等值線U1可以可視化為相應于軟熔帶根部的位置的上端位置.
另外，在圖16中，相應于軟熔帶根部下面部分位置的多個水平和垂直交叉影線區(qū)域的特征信息，亦即在高爐高度方向上位于水平和垂直交叉影線下面的等值線L1，可以可視化為相應于軟熔帶根部的位置的下端位置。
圖17示出一個示例，其中相應于軟熔帶根部下面部分的位置通過由方程式(16)限定的壓力空間梯度向量 的角 的絕對值 評價，及估計為由其值大于一預先規(guī)定的設定值(例如，120°)的等值線所選定的輪廓圖形區(qū)域，并且這種輪廓圖形區(qū)域用斜交叉影線示出和設置在一個二維平面上，所述二維平面具有沿著水平軸所取的高爐圓周方向和沿著垂直方向的高爐高度方向。
在圖17中，對應于軟熔帶根部下面部分位置的多個斜交叉影線區(qū)域的特征信息，亦即在高爐高度方向上位于影線區(qū)域上面的等值線，可以估計并可視化為對應于軟熔帶根部的位置的上端位置U2。
另外，在圖17中，對應于軟熔帶根部下面部分位置的多個斜交叉影線區(qū)域的特征信息，亦即在高爐高度方向上位于影線區(qū)域下面的等值線，可以估計并可視化為相應于軟熔帶根部的位置的下端位置L2。
在圖16中所示的用于對應于軟熔帶根部的位置的上端位置估計曲線U1和下端位置估計曲線L1也在圖17中用虛線示出。
圖18示出一個示例，其中相應于軟熔帶根部下面部分的位置通過由方程式(23)限定的溫度時間梯度ΔTt(i，j，k)的絕對值|ΔTt(i，j，k)|評價，并作為由其值大于一預先規(guī)定的設定值(例如，2.0)的等值線所選定的輪廓圖形區(qū)域進行估計，及把形成的輪廓圖形區(qū)域中ΔTt(i，j，k)＞0的區(qū)域和ΔTt(i，j，k)＜0的區(qū)域分別設置在一個二維平面上，上述ΔTt(i，j，k)＞0區(qū)域以斜交叉影線區(qū)域表示，而ΔTt(i，j，k)＜0區(qū)域以水平和垂直交叉影線區(qū)域表示，上述二維平面具有沿水平軸所取的高爐圓周方向和沿垂直方向的高爐高度方向。
在圖18中，多個相應于軟熔帶根部下面部分位置的斜交叉影線區(qū)域的特征信息，亦即在高爐高度方向上位于斜交叉影線區(qū)域上面的等值線和位于斜交叉影線區(qū)域下面的等值線，通過用每個斜交叉影線區(qū)域的重心和面積作為加權系數取平均值進行計算，并且可以將通過各斜交叉影線區(qū)域與水平和垂直交叉影線區(qū)域之間的所形成的實曲線L3估計和可視化為相應于軟熔帶根部的位置的下端位置。
在圖18中，圖16中所示用于相應于軟熔帶根部位置的上端位置估計曲線U1和下端位置估計曲線L1用短虛線示出，而在圖17中所示的用于相應于軟熔帶根部的位置的上端位置估計曲線U2和下端位置估計曲線L2用長虛線示出。
下面，參見圖19，將說明一種方法，所述方法計算分別由方程式(15)和(16)限定的壓力空間梯度向量 的范數 和角 及由方程式(23)限定的溫度時間梯度ΔTt(i，j，k)，并通過利用幾何圖形或它的特征信息估計和可視化相應于軟熔帶根部位置的上端位置和下端位置，上述幾何圖形通過將計算結果設置在二維平面上或三維立體的表面上形成，所述三維立體的表面通過將數個二維平面拼湊在一起構成。
在圖19中，圖16中所示用于相應于軟熔帶根部的位置的上端位置U1和下端位置L1用短虛線示出，所述上端位置U1和下端位置L1由方程式(15)所限定的壓力空間梯度向量 的范數 的等值線所形成的輪廓圖形區(qū)域估計，和在圖17中所示用于相應于軟熔帶根部的位置的上端位置U2和下端位置L2用長虛線示出，所述上端位置U2和下端位置L2由方程式(16)所限定的壓力空間梯度向量 的角 等值線所形成的輪廓圖形區(qū)域估計，而在圖18中所示用于相應于軟熔帶根部的位置的下端位置L3用半虛線示出，所述下端位置L3由方程式(23)所限定的溫度時間梯度ΔTt(i，j，k)的絕對值|ΔTt(i，j，k)|的等值線所形成的輪廓圖形區(qū)域估計。
在圖19中，在高爐高度方向上相應于軟熔帶根部的位置的上端位置U1和U2之間的平均值用一粗實曲線示出作為相應于軟熔帶根部的位置的上端位置U4，而在高爐高度方向上相應于軟熔帶根部的位置的下端位置L1、L2和L3之間的平均值用一粗實線曲線示出作為相應于軟熔帶根部的位置的下端位置L4。
在此處所示的示例中，相應于軟熔帶根部的位置的上端位置U4和下端位置L4分別都只是取相應曲線的高爐高度位置信息的算術平均值，但應該理解，其它的平均計算方法如下面方程式(27)和(28)所示的加權平均計算也可以使用。hU(4,i,k)={Σl=12pU(1,i,k)×hU(1,i,k)}Σl=12pU(1,i,k)---(27)]]>hL(4,i,k)={Σl=13pL(1,i,k)×hL(1,i,k)}Σl=13pL(1,i,k)---(28)]]>這里，pU(1，i，k)和pL(1，i，k)是在離散時間(k)時于相應于圖19中軟熔帶根部的位置的上端位置U1和下端位置L1的高爐圓周方向離散坐標(i)處的加權系數，及hU(4，i，k)和hL(4，i，k)分別代表相應于軟熔帶根部位置的上端位置U4和下端位置L4的高爐高度方向離散坐標，它們分別通過加權平均計算法得到。
本發(fā)明中迄今為止所說明的用于估計和可視化軟熔帶根部的方法，可以按照各個測量數據的時間變化連續(xù)進行，因此相應于軟熔帶根部的位置可以按照各個測量數據的時間變化進行估計和可視化。
在上述實施例中，本發(fā)明的方法已經通過冷卻壁溫度數據和爐身壓力數據作為示例作了說明，但應該理解，本發(fā)明的方法不必限于冷卻壁溫度數據和爐身壓力數據，而且本發(fā)明也可應用于其它測量數據及使用這些測量數據組合的方法。
在上述實施例中，數據處理裝置4包括一個計算機中央處理單元(CPU)或微處理機(MPU)、隨機存取存儲器(RAM)、ROM等，并且可以通過運行記錄在RAM或ROM中的程序實施。因此，所述裝置可以通過在一存儲介質上記錄一個用于使計算機完成上述功能的程序或通過將程序調入計算機中實施。CD-ROM、DVD、軟盤、硬盤、磁帶、磁光盤、非易失性存儲卡或類似物都可用作存儲介質。
另外，不僅上述實施例各功能可以通過計算機執(zhí)行調入其中的程序實施，而且上述實施例各功能也可以通過與在計算機上運行的操作系統(tǒng)(OS)或其它應用軟件或類似物協(xié)作的程序代碼實施；在這種情況下，這種程序代碼也包括在本發(fā)明的實施例中。
按照上面詳細說明的本發(fā)明的方法，來自多個安裝在高爐上的傳感器輸出的各個目標量的測得數據，都可以通過將測得數據設置在一個二維平面上或三維立體的表面上，及通過以幾何圖形或幾何圖形特征信息形式說明各個測得數據的空間分布和時間變化來進行評價，上述二維平面由反映其中各個傳感器的安裝位置形成，而上述三維立體的表面通過把數個二維平面拼湊在一起構成。
而且，高爐的操作狀態(tài)監(jiān)視及操作故障的預報，都可以通過用輪廓圖形區(qū)域及其特征信息估計和可視化軟熔帶根部而正確地完成，上述輪廓圖形區(qū)域及其特征信息通過二維平面上或三維立體表面上的壓力空間梯度向量范數和角的等值線和溫度時間梯度形成，所述三維立體的表面通過將數個二維表面拼湊在一起構成。
盡管上述實施例已通過以高爐作為待監(jiān)視的對象進行了說明，但本發(fā)明也可應用于一種其內部狀態(tài)量不能直接檢測的反應器(如用于啤酒等的釀造槽，油脂精煉塔，核反應堆，熱交換器等)。
權利要求
1.一種監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，包括一個用傳感器測量高爐中狀態(tài)量的狀態(tài)量測量步驟；一個用于從狀態(tài)量測量步驟中測得的狀態(tài)量計算等值線的等值線計算步驟；在一個二維平面或三維空間上繪制等值線計算步驟中計算得的等值線的一個繪圖步驟；及一個評價在繪圖步驟中所繪幾何圖形或幾何圖形特征信息的評價步驟。
2.一種按照權利要求1所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，其中評價步驟根據至少一個參數評價幾何圖形，上述至少一個參數從一組參數中選定，所述一組參數由在繪圖步驟中所繪的幾何圖形的數量、幾何圖形的位置、面積大小、重心或縱橫比組成，并且評價步驟根據至少一個參數評價幾何圖形的特征信息，所述至少一個參數從一組參數中選定，所述一組參數由幾何圖形中所含狀態(tài)量的最大值、最小值、平均值及方差組成。
3.一種按照權利要求1所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，還包括一個監(jiān)視繪圖步驟中所繪出的幾何圖形時間變化或幾何圖形特征信息時間變化的時間變化監(jiān)視步驟。
4.一種按照權利要求2所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，其中時間變化監(jiān)視步驟根據至少一個參數的時間變化評價幾何圖形的時間變化，所述至少一個參數從一組參數中選定，所述一組參數由繪圖步驟中所繪幾何圖形的數量及幾何圖形的位置、面積大小、重心或縱橫比組成，并且時間變化監(jiān)視步驟根據至少一個參數的時間變化評價幾何圖形特征信息的時間變化，所述至少一個參數從一組參數中選定，所述一組參數由在幾何圖形中所含狀態(tài)量的最大值、最小值、平均值及方差組成。
5.一種監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，包括一個用傳感器測量高爐中狀態(tài)量的狀態(tài)量測量步驟；一個從狀態(tài)量測量步驟中測得的狀態(tài)量計算等值線的等值線計算步驟；一個根據等值線計算步驟中計算得的等值線計算狀態(tài)量的空間梯度的梯度計算步驟；及一個在二維平面上或三維空間中繪制等值線計算步驟中計算得的等值線或者繪制在梯度計算步驟中計算得的狀態(tài)量空間梯度的等值線或向量的繪圖步驟。
6.一種監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，包括一個用多個安裝在高爐中的傳感器測量高爐中狀態(tài)量的狀態(tài)量測量步驟；一個從狀態(tài)量測量步驟中測得的狀態(tài)量計算等值線的等值線計算步驟；一個根據等值線計算步驟中計算得的等值線計算狀態(tài)量時間梯度的梯度計算步驟；及在一個二維平面上或一個三維空間中繪制等值線計算步驟中計算得的等值線或者繪制在梯度計算步驟中計算得的狀態(tài)量時間梯度的等值線或向量的一個繪圖步驟。
7.一種監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，包括一個利用傳感器測量高爐中狀態(tài)量的狀態(tài)量測量步驟；一個從狀態(tài)量測量步驟中測得的狀態(tài)量計算等值線的等值線計算步驟；一個根據等值線計算步驟中計算得的等值線計算狀態(tài)量空間梯度，及另外計算空間梯度的時間梯度的梯度計算步驟；及在一個二維平面上或一個三維空間中繪制等值計算步驟中計算得的等值線或者繪制在梯度計算步驟中計算得的狀態(tài)量時間-空間梯度的等值線或向量的一個繪圖步驟。
8.一種按照求權利要5-7其中之一所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，還包括一個評價步驟，所述評價步驟評價由狀態(tài)量的空間梯度、時間梯度、空間-時間梯度的等值線所繪制的幾何圖形或幾何圖形的特征信息，或者評價幾何圖形或在一個包括幾何圖形的區(qū)域內測得數據的向量信息。
9.一種按照權利要求5-7其中之一所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，還包括一個時間變化監(jiān)視步驟，所述時間變化監(jiān)視步驟監(jiān)視由在評價步驟中所評價的狀態(tài)量空間梯度、時間梯度、或空間-時間梯度的等值線所繪制的幾何圖形或幾何圖形特征信息的時間變化，或者幾何圖形的或在一個包括幾何圖形的區(qū)域內狀態(tài)量的向量信息的時間變化。
10.一種按照權利要求5-7其中之一所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，其中評價步驟根據至少一個參數進行評價，所述至少一個參數從在由狀態(tài)量的空間梯度、時間梯度、或空間-時間梯度的等值線繪制的幾何圖形數量，及幾何圖形的位置、面積大小、重心或縱橫比組成的組中選定，或是從由幾何圖形中所包括的狀態(tài)量的最大值、最小值、平均值及方差組成的組中選定。
11.一種按照權利要求10所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，還包括一個監(jiān)視至少一個參數時間變化的時間監(jiān)視步驟，所述至少一個參數從由在評價步驟中評價的狀態(tài)量的空間梯度、時間梯度或空間-時間梯度的等值線所繪制的幾何圖形數量，及幾何圖形的位置、面積大小、重心或縱橫比組成的一組參數中選定，或是從由幾何圖形中所包含的狀態(tài)量的最大值、最小值、平均值及方差組成的一組參數中選定。
12.一種按照權利要求5-7其中之一所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，其中評價步驟評價至少一個參數，所述至少一個參數從一組參數中選定，所述一組參數由包括狀態(tài)量的空間梯度向量、時間梯度、空間梯度的時間梯度向量，這些向量分量或梯度之和、最大值或最小值、平均值及方差組成。
13.一種按照權利要求5-7其中之一所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，還包括一個監(jiān)視至少一個參數量變化的時間變化監(jiān)視步驟，所述至少一個參數從一組參數中選定并在評價步驟中被評價，所述一組參數由狀態(tài)量的空間梯度向量、時間梯度、空間梯度的時間梯度向量、這些向量分量或梯度之和、最大值或最小值、平均值和方差組成。
14.一種監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，包括一個利用壓力傳感器測量高爐內部壓力的壓力測量步驟；一個從壓力測量步驟中測得的壓力計算壓力等值線的等值線計算步驟；一個計算在等值線步驟中計算得的壓力等值線的空間梯度向量的梯度計算步驟；及一個評價步驟，所述評價步驟評價至少是在梯度計算步驟中計算得的壓力等值線的空間梯度向量的一個范數或一個角的等值線中的一個區(qū)域，所述區(qū)域被一由預先設定的上限值和下限值所限定的等值線包圍，該區(qū)域代表相應于軟熔帶根部的一個位置。
15.一種按照權利要求14所述的監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，還包括一個顯示步驟，所述顯示步驟以一種幾何圖形的形式，將在評價步驟中評價的相應于軟熔帶根部的位置顯示在一個二維平面上或一個三維立體的表面上。
16.一種監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，包括一個用溫度傳感器測量高爐內部溫度的溫度測量步驟；一個從溫度測量步驟中測得的溫度計算溫度等值線的等值線計算步驟；一個計算在等值線計算步驟中計算得的溫度時間梯度的梯度計算步驟；及一個評價步驟，所述評價步驟評價在梯度計算步驟中計算得的溫度時間梯度的多個等值線中一個等值線，所述一個等值線由預先設定的上限值和下限值限定而成，代表相應于軟熔帶根部的一個位置。
17.一種按照權利要求16所述的監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，還包括一個顯示步驟，所述顯示步驟把在評價步驟中評價的相應于軟熔帶根部的位置以幾何圖形形式顯示在一個二維平面或一個三維立體的表面上。
18.一種監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，包括一個通過用壓力傳感器和溫度傳感器測量高爐內部壓力和溫度的壓力-溫度測量步驟；一個從壓力-溫度測量步驟中測得的壓力和溫度計算壓力等值線和溫度等值線的等值線計算步驟；一個計算在等值線計算步驟中計算得的壓力空間梯度向量和溫度時間梯度的梯步計算步驟；及一個根據在梯度計算步驟中計算得的壓力空間梯度向量的范數或角至少其中之一的等值線和在梯度計算步驟中計算得的溫度時間梯度等值線，評價相應于軟熔帶根部的一個位置的評價步驟。
19.一種按照權利要求14、16或18所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，還包括一個監(jiān)視在相應于軟熔帶根部的位置中時間變化的時間變化監(jiān)視步驟。
20.一種按照權利要求19所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，還包括一個顯示位置時間變化的顯示步驟，上述位置相應于在時間變化監(jiān)視步驟中所監(jiān)視的軟熔帶根部。
21.按照權利要求14、16或18所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，其中評價步驟評價幾何形狀、幾何形狀的特征信息、或幾何形狀內狀態(tài)量的向量信息，上述幾何代形狀表相應于軟熔帶部的位置。
22.一種按照權利要求14、16或18所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，還包括一個時間變化監(jiān)視步驟，所述時間變化監(jiān)視步驟用于監(jiān)視在代表相應于軟熔帶根部的位置的幾何形狀、幾何形狀的特征信息、或幾何形狀內狀態(tài)量的向量信息的時間變化。
23.一種按照權利要求14、16或18所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，其中評價步驟評價至少一個參數，所述至少一個參數從由代表相應于軟熔帶根部的位置的幾何圖形數量及其位置、重心、或縱橫比組成的一組參數中選定，或是從由幾何圖形內狀態(tài)量的最大值、最小值、平均值和方差組成的一組參數中選定。
24.一種按照權利要求19所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，其中時間變化監(jiān)視步驟監(jiān)視至少一個參數的時間變化，所述至少一個參數從由代表相應于軟熔帶根部位置的幾何圖形數目、及其位置、重心、或縱橫比組成的一組參數中選定，或是從由幾何圖形內狀態(tài)量的最大值、最小值、平均值、及方差組成的一組參數中選定。
25.一種按照權利要求14、16或18所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，其中評價步驟評價至少一個參數，所述至少一個參數從由代表相應于軟熔帶根部位置的幾何圖形內一個向量或各向量分量之和、最大值、最小值、平均值、及方差組成的一組參數中選定。
26.一種按照權利要求19所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，其中時間變化監(jiān)視步驟監(jiān)視至少一個參數的時間變化，所述至少一個參數從由代表相應于軟熔帶根部的位置的幾何圖形內的一個向量或各向量分量之和、最大值、最小值、平均值、及方差組成的一組參數中選定。
27.一種按照權利要求1-26其中之一所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的方法，其中等值線計算步驟包括一個選擇一個四角形的選擇步驟，所述四角形由四個相鄰傳感器的連線形成，并且四角形的任一內角都不超過180°；一個交點狀態(tài)量值設定步驟，所述交點狀態(tài)量值設定步驟將在選擇步驟中所選定的四角形各頂點處所取的各狀態(tài)量值的平均值設定為在對角線交點處的狀態(tài)量；及一個等值線搜索步驟，所述步驟根據在交點狀態(tài)量值設定步驟中所設定的交點狀態(tài)量值搜索一個等值線。
28.一種用于監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的裝置，包括一個數據收集裝置，所述數據收集裝置通過用一個傳感器用于收集高爐中測得的狀態(tài)量數據；一個等值線計算裝置，所述等值線計算裝置用于從由數據收集裝置收集的測得數據計算等值線；一個梯度計算裝置，所述梯度計算裝置用于根據由等值線計算裝置所計算的等值線，計算狀態(tài)量的空間梯度和時間梯度及空間梯度的時間梯度；一個信息計算裝置，所述信息計算裝置用于計算由等值線計算裝置計算得的等值線所形成的幾何圖形，或幾何圖形的特征信息，及基于由梯度計算裝置所計算的梯度的向量特征信息；及一個操作狀態(tài)監(jiān)視裝置，所述操作狀態(tài)監(jiān)視裝置用于監(jiān)視由信息計算裝置計算得的幾何圖形、幾何形圖的特征信息、或向量特征信息。
29.一種按照權利要求28所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的裝置，還包括一個時間變化監(jiān)視裝置，所述時間變化監(jiān)視裝置用于監(jiān)視由操作狀態(tài)監(jiān)視裝置所監(jiān)視的幾何圖形、幾何圖形的特征信息、或向量特征信息等之中的時間變化。
30.一種按照權利要求28或29所述用于監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的裝置，其中等值線計算裝置包括一個選擇裝置，所述選擇裝置用于選擇一個四邊形，所述四角形由四個相鄰的傳感器的連線形成，并且其任何一個內角都不超過180°；一個交點狀態(tài)量值設定裝置，所述交點狀態(tài)量設定裝置用于將在由選擇裝置所選定的四角形各頂點處所取狀態(tài)量值的平均值設定為在對角線交點處的狀態(tài)量值；及一個等值線搜索裝置，所述等值線搜索裝置用于根據由交點狀態(tài)量值設定裝置所設定的交點狀態(tài)量值搜索一個等值線。
31.一種按照權利要求28-30其中之一所述用于監(jiān)視高爐操作狀態(tài)的裝置，還包括一個可視化裝置，所述可視化裝置用于可視化由時間變化監(jiān)視裝置所監(jiān)視的幾何形狀、幾何形狀的特征信息、或向量特征信息的時間變化。
32.一種程序，用于使計算機執(zhí)行按照權利要求1-27其中之一所述監(jiān)視高爐操作狀態(tài)方法的處理順序。
33.一種程序，用于使計算機象按照權利要求28-31其中之一所述操作監(jiān)視裝置那樣操作。
全文摘要
在用于監(jiān)視按照本發(fā)明所述高爐操作狀態(tài)的方法中，把用多個安裝在高爐中的傳感器所測得的狀態(tài)量設置在一個二維平面上或一個三維立體的表面上，上述二維平面具有在其中反映的各個傳感器安裝位置，而所述三維立體的表面通過把數個二維表面拼湊在一起構成，狀態(tài)量的分布狀態(tài)和動態(tài)變化以幾何圖形或幾何圖形特征信息的形式表示，并且高爐的操作狀態(tài)通過評價它們進行監(jiān)視。計算各種可能的量、壓力或溫度的至少其中一個的空間梯度或時間梯度，并計算以所算得的梯度作為分量的向量范數或角，并且在由范數或角的等值線所形成的輪廓圖形中，把由預先規(guī)定的上限和下限管理值所限定的輪廓圖形作為相應于軟熔帶根部的位置估計。
文檔編號C21B5/00GK1483087SQ01821488
公開日2004年3月17日 申請日期2001年12月28日 優(yōu)先權日2000年12月28日
發(fā)明者伊藤雅浩, 松崎真六, 六 申請人:新日本制鐵株式會社