На Череповецком металлургическом комбинате запущено решение на базе машинного обучения для оптимизации работы Агрегата непрерывного горячего цинкования №4 (АНГЦ-4). Решение, получившее название «Ангелина», позволило уйти от человеческого фактора и за время эксплуатации уже принесло экономический эффект более 100 млн руб. О построении решения рассказывает Светлана Потапова, директор ООО «Северсталь Диджитал» и номинант на премию Data Award.
— В прошлом году «Северсталь» стала лауреатом Data Award за оптимизацию работы листопрокатного стана 5000. Каковы итоги того проекта? Насколько были достигнуты планы?
Решение продолжает работать на стане 5000 в полном объеме. В прошлом году загрузка агрегата была в целом стабильной, и наше решение отработало в соответствии с ожиданиями – производительность выросла до 6,5% относительно года внедрения. Мы ведем дальнейшую работу по цифровизации линии стана 5000 в направлении технологии, а также по автоматическому вызову слябов из печей от моделей для сокращения пауз между прокатными группами.
— Как выбираются цели для построения очередных моделей?
Ранее для нас приоритетными были решения, которые приносят значительный экономический эффект, оцифровывают работу на конкретном важном участке производства и окупают затраты на их разработку. Сейчас они составляют не менее 50% портфеля проектов. Остальные 50% – проекты в области улучшения качества технологического процесса, а также в области повышения уровня безопасности, где денежный фактор отходит на второй план, так как безопасное производство – наша базовая ценность.
— Исходя из чего был выбран АНГЦ-4?
Агрегат непрерывного горячего цинкования №4 расположен в производстве плоского проката, которое является одним из флагманов цифровизации на ЧерМК. Там скоростью непрерывно-травильного агрегата №3 уже успешно управляет наше решение на основе искусственного интеллекта, на двух других агрегатах цинкования модели способствуют улучшению качества нанесения цинкового покрытия и экономии цинка. Поэтому этот проект – логичное продолжение начатого ранее перехода на цифровое управление ключевыми агрегатами. Они достаточно автоматизированы, что позволяет нам собирать нужный объем данных для анализа и осуществлять прямое управление от моделей. Также при принятии решения о старте разработки мы преследовали актуальную на тот момент бизнес-цель по увеличению производительности агрегата.
— В чем принципиальное отличие этого проекта, например, от прокатного стана 5000? В чем его сложность?
Прежде всего отличие состоит в самом технологическом процессе и применении концепции Data Fusion для решения задачи. Сам по себе агрегат является непрерывным, что означает необходимость оценки большого количества параметров в реальном времени, сопоставления разнородной информации и учета ограничений для принятия решения системой об оптимальном управлении агрегатом в текущий момент времени.
— Судя по всему, каждое из создаваемых решений является уникальным. Их каждый раз приходится создавать с нуля или есть какие-то общие наработки, позволяющие ускорить создание моделей?
Уникальность решений и максимизация эффектов, действительно, зависят от возможности кастомизации, учета особенностей агрегата и технологического процесса. Однако при проектировании архитектуры решения и в разработке мы активно используем типовые для нас компоненты и накопленные наработки. К примеру, в быстром запуске цифровых решений нам помогает библиотека собственной разработки Typed Blocks, которую мы выложили в открытый доступ на GitHub. В основе библиотеки лежит event-driven подход, благодаря чему решения удобно дополнять и масштабировать в зависимости от целей проекта и можно собрать приложение, как конструктор.
— В чем заключались проблемы АНГЦ-4, какие задачи требовалось решить?
Агрегат непрерывного горячего цинкования предназначен для непрерывной термохимической обработки стальной полосы для защиты от коррозии. Ранее оператор вручную управлял скоростью полосы и параметрами печи термохимического отжига. При этом для верного определения скорости оператору было необходимо контролировать несколько десятков параметров. Более того, ему приходилось прогнозировать их состояния в будущем, что довольно сложно, учитывая значительную инерционность некоторых параметров. Для повышения эффективности процесса был необходим переход от ручного к автоматическому режиму управления скоростью агрегата в технологической части и к автоматическому управлению нагревом полосы в печи термохимического отжига.
— Какие технологии использовали?
Решение построено на нашем озере данных. Сбор данных с источников осуществляется с помощью NiFi и сервисов собственной разработки на Java. В качестве шины данных используется Kafka, для долгосрочного хранения данных – Hadoop. Решение написано на языке Рython и обернуто в docker-контейнер, оркестрация организована в Kubernetes.
— Что собой представляет созданное решение, каковы его возможности?
Решение, получившее название «Ангелина», сочетает в себе модели на основе правил технологии, физического моделирования, машинного обучения, а также модели регулирования с обратной связью.
Подход к управлению скоростью основан на представлении технологического процесса как системы ограничений, которые проверяет модель перед выработкой команды управления скоростью средней части агрегата (СЧА). Посредством анализа данных было выделено более 50 параметров технологического процесса, которые учитываются в работе модели. Среди них – текущая скорость СЧА, толщина и ширина металла, марка стали, толщина цинкового покрытия, температуры атмосферы и футеровки в зонах печи, загрузка печи, содержание различных газов в атмосфере печи, температура полосы в нескольких точках агрегата, точка росы и другие показатели.
Если все показатели находятся в допустимых значениях, модель отдает команду на увеличение скорости СЧА. Шаг увеличения скорости зависит от оценки общего потенциала ускорения. Также проработаны защитные механизмы, когда модель снижает скорость полосы с целью недопущения производства несоответствующей продукции по причине выхода температуры полосы ниже минимальных значений.
— Какие сложности возникали?
При переходе на автоматическое управление скоростью мы выявили ряд недостатков в существующей системе управления нагревом, приводящих к потерям производительности. Поэтому приняли решение дополнительно разработать модель управления нагревом для поддержания заданной температуры полосы и стабильности процесса. Для этого была реализована модель управления нагревом в камере безокислительного нагрева печи термохимического обжига. Управление мощностью камеры реализовано на основе физической модели тепловых процессов, подхода Model Predictive Control (MPC) для расчета управления и подхода Moving Horizon Estimation (MHE) для идентификации параметров физической модели.
Отдельной сложной задачей была автоматизация переходов между различными сортаментами металла с разными физическими свойствами и технологическими ограничениями, а также с учетом большой инерционности печи термохимического отжига. Модель планирует оптимальные переходы и управляет переходами в соответствии с планом и учетом текущего состояния агрегата. Для планирования переходов также использовалась физическая модель тепловых процессов и модель машинного обучения на основе градиентного бустинга.
— Насколько хорошо решение воспринял персонал?
В цифровых решениях одним из важнейших шагов после внедрения является обеспечение их приживаемости. В этом процессе ключевой является обратная связь от всех операторов, использующих решение – она ускоряет адаптацию и дает возможность оперативно скорректировать нюансы, возникающие при работе с моделью. Также для диагностики работы моделей управления скоростью, нагревом и переходами используется инструмент визуализации данных Grafana. Инструмент позволил настроить дашборды под разные потребности: спидометры для отслеживания времени работы агрегата в автоматическом режиме, контроля поступления данных, визуализировать технические и бизнес-метрики, а также другие значимые параметры.
— Часто компании очеловечивают искусственный интеллект, чтобы было проще воспринимать его рекомендации, и дают решениям человеческие имена. Систему назвали «Ангелина» из-за этого?
Эта традиция пошла от «Евы» – нашей первой нейросети для классификации дефектов металлопроката, названной так с отсылкой к библейскому персонажу. Некоторые последующие модели тоже получили свои имена. Например, модель «Аделина», которая задает скорость управления НТА-3, названа так в честь математика Ады Лавлейс, известной тем, что создала описание вычислительной машины и составила первую в мире программу для этой машины. «Ангелина» так названа из-за созвучия с аббревиатурой агрегата АНГЦ-4. Количество решений неизменно растет, дать имена всем будет непросто, но некоторые приживаются и используются.
— Какие результаты достигнуты и ожидаются?
Производительность АНГЦ-4 за три месяца увеличилась на 3,4%. Ввиду сложных экономических условий в первой половине 2022 года загрузка агрегата несколько снижалась, но это не сказалось на качестве работы модели и частоте ее использования операторами. Даже с учетом сниженной загрузки экономический эффект за время эксплуатации решения составил более 100 млн руб. Автоматизированная система не только существенно ускоряет производительность агрегата, но и повышает комфорт работы операторов, передавая часть рутинных операций цифровым инструментам.
— В чем роль этого проекта для бизнеса?
Реализация подобной комплексной системы отражает передовой опыт «Северстали» в переходе от классических систем управления производством к более усовершенствованным (Advanced Process Control) с использованием инструментов искусственного интеллекта. Повышение производительности агрегата без привлечения капитальных инвестиций позволяет гибко реагировать на запросы клиентов и удовлетворить их потребности в объеме металлопроката. Нам удалось перейти на качественно новый способ управления агрегатом, гарантирующий полное соблюдение технологии производства, и в то же время избежать влияния человеческого фактора.
— А что дальше? Каковы ближайшие планы?
Мы делаем акцент на разработке комплексных цифровых систем для стабилизации технологических процессов и улучшения производственных показателей. В частности, это создание цифровых двойников, также нас интересует обучение моделей компьютерного зрения на малом объеме данных и синтетически сгенерированных данных для решения более широкого спектра задач.
