基于工业互联网的安全生产监控方法及系统与流程

本发明涉及冶金安全生产监控，尤其涉及基于工业互联网的安全生产监控方法及系统。

背景技术：

1、钢铁冶金行业中，铁水包、钢包吊运与倾转浇铸是熔融金属重特大事故的最高发环节，包内壁非均匀结壳的生长、界面松动与突发脱落是事故的核心根源。结壳不仅会随机改变包内质量分布，导致包体实际重心与理论值显著偏差、倾覆临界边界全程动态不可控；其突发脱落更直接引发流道堵流突释、熔融金属大规模喷溅、包体重心阶跃式倾覆、耐火衬里刮损穿钢等致命安全事故，是行业重点管控的重大事故隐患。

2、现有技术中，天车plc、倾转机构、包体测温等监控系统相互独立、数据割裂，存在三大核心缺陷：其一，仅能实现单点参数的事后超限报警，无法通过温度与振动特征的耦合反演包内结壳的空间分布与界面附着状态，对结壳松动前兆无识别能力；其二，仅能做静态参数监测，无法结合熔体液面扫掠轨迹、倾转动态工况，对结壳脱落风险做超前预判与时空窗口标定；其三，无法区分结壳脱落的发生概率与后果危害程度，易出现非高危区域误报警、核心高危区域漏报警的问题。现场操作人员仅能依靠经验做静态判断，对结壳松动前兆无任何超前感知手段。因此，亟需一种能够融合多源异构数据对包衬结壳附着状态进行动态反演、对结壳脱落风险实现超前预判的监控方法，以提升冶金包浇铸过程的本质安全水平。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供基于工业互联网的安全生产监控方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了基于工业互联网的安全生产监控方法，包括下述步骤：

4、s1、通过工业互联网平台同步获取目标冶金包的包壁温度场数据、吊具振动特征数据、倾转角与角速度数据及双耳轴分载数据；并建立随包体服役周期动态更新的热物性基准模型；

5、s2、以熔体温度与包衬服役状态为修正参数，从包壁温度场数据中提取界面分离特征，以熔体密度与包体结构状态为修正参数，从吊具振动数据中提取微动力学特征；并将界面分离特征与微动力学特征进行时空关联判定，提取结壳松动测点的结壳松动指数；结合熔体液面扫掠轨迹与结壳松动测点分布，标定结壳脱落风险时空窗口；

6、s3、以结壳松动指数为基础，引入由结壳脱落风险时空窗口触发的受力切换因子、与熔体倾转状态关联的冲刷因子，合成结壳脱落风险系数；并基于目标冶金包包体固有参数与倾转工况量化结壳脱落危害等级；

7、s4、基于结壳脱落风险系数与结壳脱落危害等级，生成目标冶金包的分级监控与预警策略。

8、根据上述技术方案，所述通过工业互联网平台同步获取目标冶金包的包壁温度场数据、吊具振动特征数据、倾转角与角速度数据及双耳轴分载数据；并建立随包体服役周期动态更新的热物性基准模型的步骤包括：

9、s110、通过工业互联网平台同步获取目标冶金包的吊具振动特征数据、倾转角与角速度数据、双耳轴分载数据，以及由沿包体周向与轴向布置测点采集的包壁温度场数据，具体包括：

10、包壁温度场数据由沿目标冶金包包体周向与轴向预设的测点连续采集，记录各测点温度值随时间变化的时序序列。吊具振动特征数据由安装于目标冶金包配套天车吊具横梁处的加速度传感器采集，以振动加速度时序波形作为原始振动特征数据。倾转机构实时倾角与角速度数据由安装于目标冶金包倾转机构回转副处的角度编码器实时测量，记录目标冶金包倾转角度与倾转角速度的时序变化。双耳轴分载数据由分别安装于目标冶金包左、右耳轴销轴处的载荷传感器独立采集，记录两侧耳轴各自承载载荷的时序变化。上述四类数据均为目标冶金包的同步时序数据，经工业互联网平台汇聚后完成统一时空对齐。

11、s120、同步录入目标冶金包的包体累计服役炉次、包衬耐火材料类型、本次熔体材质牌号及包体几何参数，具体包括：

12、包体累计服役炉次指目标冶金包自投入使用以来所经历的总出铁或出钢次数，由钢厂生产管理系统获取；包衬耐火材料类型按目标冶金包包衬实际使用的材料材质录入；本次熔体材质牌号由钢厂生产管理系统获取，用于确定目标冶金包本次盛装熔体的密度、液相线温度及热力学基准参数；包体几何参数包括目标冶金包包壁内表面形状、倾转支点坐标以及预警倾角增量，由设备基础信息库调取。

13、s130、根据目标冶金包的包体累计服役炉次与包衬耐火材料类型，建立包衬导热系数随服役炉次增加呈指数衰减的热物性基准模型，结合本次熔体材质牌号对应的液相线温度与比热容参数生成温度信号校正系数并对包壁温度场数据进行校正，并根据包衬导热系数当前值与初始值的比值生成热衰退权重系数，具体包括：

14、热物性基准模型根据目标冶金包包体累计服役炉次与包衬耐火材料类型，确定目标冶金包包衬所处的热物性衰退阶段，调用对应的包衬导热系数基准值。热物性基准模型以目标冶金包包衬导热系数基准值为核心参数，结合本次熔体材质牌号对应的液相线温度与热容参数，计算温度信号校正系数，并对目标冶金包的包壁温度场数据进行归一化校正处理，得到校正后的包壁温度场数据。同时，热物性基准模型根据目标冶金包包衬导热系数基准值的衰减程度，计算与当前服役炉次阶段对应的热衰退权重系数。热衰退权重系数与校正后的目标冶金包包壁温度场数据一并输出。

15、根据上述技术方案，所述以熔体温度与包衬服役状态为修正参数，从包壁温度场数据中提取界面分离特征，以熔体密度与包体结构状态为修正参数，从吊具振动数据中提取微动力学特征；并将界面分离特征与微动力学特征进行时空关联判定，提取结壳松动测点的结壳松动指数；结合熔体液面扫掠轨迹与结壳松动测点分布，标定结壳脱落风险时空窗口的步骤包括：

16、s210、当校正后的包壁温度场数据中连续温度下降量超过温度阶跃判定阈值时，判定发生非平稳阶跃下降事件并提取对应的温度下降幅值作为界面分离特征值，温度阶跃判定阈值随熔体液相线温度升高而上调、随包体累计服役炉次增加而下调，具体包括：

17、对校正后的目标冶金包壁温度场数据中各测点温度时序计算相邻采样时刻的温度变化量，得到温度变化量序列；当温度变化量序列中连续多个采样时刻的温度下降量超过温度阶跃判定阈值时，判定该测点发生一次非平稳阶跃下降事件，将非平稳阶跃下降事件的温度下降幅值作为该测点的界面分离特征，并记录测点在目标冶金包上的空间位置及事件发生的时间窗口。

18、温度阶跃判定阈值由本次熔体材质牌号与目标冶金包包体累计服役炉次联合修正确定：熔体液相线温度越高，包壁内外传热温差越大，温度阶跃判定阈值相应上调；包体累计服役炉次越多，包衬导热系数衰减越严重，温度信号响应越迟钝，温度阶跃判定阈值相应下调。

19、s220、当吊具振动特征数据的高频能量值持续超过能量触发阈值时，判定发生瞬时高频能量突增事件并提取对应的能量峰值作为微动力学特征值，能量触发阈值随包衬耐火材料气孔率升高而上调，具体包括：

20、对目标冶金包吊具振动特征数据中的振动加速度时序波形进行带通滤波处理，带通滤波的下限截止频率与上限截止频率根据目标冶金包本次熔体材质牌号对应的熔体密度确定。

21、滤波后按滑动时间窗计算振动信号的高频能量值，当高频能量值超过能量触发阈值且持续时间达到预设宽度时，判定发生瞬时高频能量突增事件，将该瞬时高频能量突增事件的能量峰值作为微动力学特征，根据吊具与包体的刚性振动传导路径标定该瞬时高频能量突增事件对应的冲击源空间方位，与包壁对应方位的测点进行空间匹配绑定，并记录瞬时高频能量突增事件发生的时间窗口。

22、能量触发阈值根据目标冶金包包衬耐火材料类型对应的表面气孔率动态调整：耐火材料气孔率越高，包衬内部微裂纹引发的本底振动噪声越强，能量触发阈值相应上调以抑制误触发。

23、s230、当同一测点在同一时间窗口内发生非平稳阶跃下降事件与瞬时高频能量突增事件时，判定该测点为结壳松动测点，将界面分离特征值与微动力学特征值归一化后按热衰退权重系数加权合成结壳松动指数；当仅发生单一事件时，判定为观察测点并输出观察级结壳松动指数，具体包括：

24、遍历目标冶金包的非平稳阶跃下降事件记录与瞬时高频能量突增事件记录，以事件发生在目标冶金包上的空间位置为空间索引、以事件发生的时间窗口为时间索引，检索在目标冶金包上同一空间位置上时间窗口重叠度超过预设重合比例的非平稳阶跃下降事件与瞬时高频能量突增事件（即双域特征事件对）。

25、当检索到满足时空重叠条件的双域特征事件对时，判定该空间位置在对应重叠时间窗口内为目标冶金包的结壳松动测点。对于每个判定为结壳松动测点的双域特征事件对，提取非平稳阶跃下降事件记录对应的界面分离特征与瞬时高频能量突增事件对应的微动力学特征进行加权融合生成结壳松动指数，

26、融合权重由热衰退权重系数动态分配：热衰退权重系数由目标冶金包热物性基准模型输出，表征目标冶金包包衬导热系数衰减对温度信号可靠性的影响程度；热衰退权重系数越低，表明目标冶金包包衬导热衰减越严重，温度特征可靠性越低，相应降低温度特征权重、提高振动特征权重。

27、当目标冶金包上某一空间位置仅存在单一域特征（即仅存在非平稳阶跃下降事件或仅存在瞬时高频能量突增事件其中一类特征）时，判定该空间位置为目标冶金包的观察测点，将该单一域特征值乘以预设的低权重系数后，输出观察级结壳松动指数。

28、s240、根据目标冶金包的实时倾角与包体几何参数确定熔体液面扫掠轨迹，将结壳松动测点空间位置与熔体液面扫掠轨迹进行空间比对，当结壳松动测点位于当前倾角对应的扫掠区域内或即将扫掠区域内时，标定为结壳脱落风险时空窗口，具体包括：

29、根据目标冶金包的倾转机构实时倾角数据，结合目标冶金包包体几何参数中包壁内表面形状与倾转支点坐标，计算实时倾角下目标冶金包内熔体液面平面与包壁内表面的交线位置。随着倾转角度的连续变化，该交线沿目标冶金包包壁表面移动形成熔体液面扫掠轨迹，扫掠轨迹所经过的空间位置依次经历从受熔体静压力压紧到仅靠附着力自持的受力状态切换。

30、将目标冶金包结壳松动测点空间位置与熔体液面扫掠轨迹进行空间叠加比对：若结壳松动测点的空间位置位于当前倾角对应的液面扫掠轨迹经过区域内，或位于当前倾角叠加预设预警倾角增量后液面即将扫掠的区域内，则将该结壳松动测点所在的空间区域标定为高危区域，并将该高危区域对应的当前倾角至扫掠完成倾角之间的倾角区间标定为目标冶金包的预警倾角区间。高危区域的空间位置与预警倾角区间共同构成目标冶金包的结壳脱落风险时空窗口。

31、根据上述技术方案，所述以结壳松动指数为基础，引入由结壳脱落风险时空窗口触发的受力切换因子、与熔体倾转状态关联的冲刷因子，合成结壳脱落风险系数；并基于目标冶金包包体固有参数与倾转工况量化结壳脱落危害等级的步骤包括：

32、s310、当结壳松动测点存在观察级结壳松动指数时，对结壳松动指数施加与观察级结壳松动指数成正比的修正增量；当结壳松动测点所处位置的横向偏载程度增大时，对结壳松动指数施加与横向偏载程度成正比的修正增量，具体包括：

33、针对结壳松动测点，调取对应时间窗口内的基础结壳松动指数、时序前后区间内的观察级结壳松动指数，以及同步采集的双耳轴分载数据；若测点存在观察级结壳松动指数且数值超出预设辅助阈值，则向基础结壳松动指数叠加观察级修正增量，观察级修正增量由观察级修正强度系数与观察级结壳松动指数相乘得到；不满足条件则该修正增量置零。

34、结合双耳轴实时载荷数据计算横向偏载系数，当横向偏载系数超出预设偏载阈值，且结壳松动测点空间位置处于偏载作用侧时，对经观察级修正后的结壳松动指数继续叠加偏载修正增量，偏载修正增量由偏载修正强度系数与横向偏载系数超出预设偏载阈值的偏差量相乘得到；不满足条件则该修正增量置零。

35、依次叠加两类修正增量，得到最终修正后的结壳松动指数，修正后的数值越大，结壳与包壁附着结合状态越弱，脱落风险越高。

36、s320、针对脱落风险时空窗口内的高危区域，调取对应测点修正后的结壳松动指数，乘以受力切换因子与冲刷因子得到结壳脱落风险系数；受力切换因子与目标冶金包实时倾角在预警倾角区间内的相对位置正相关，冲刷因子与目标冶金包倾转角速度和熔体密度的乘积正相关，具体包括：

37、针对脱落风险时空窗口内的每个高危区域，调取该高危区域内各测点在当前时间窗口内经修正后的结壳松动指数作为计算基础值。

38、根据该高危区域对应的预警倾角区间与实时倾角数据计算受力切换因子：当实时倾角进入预警倾角区间时，受力切换因子取大于基准值的激活值，且实时倾角越接近预警倾角区间上限，受力切换因子取值越高；当实时倾角未进入预警倾角区间时，受力切换因子取基准值。

39、根据目标冶金包的倾转机构实时倾转角速度数据、本次熔体材质牌号对应的熔体密度计算冲刷因子：倾转角速度越大、熔体密度越高，熔体对包壁结壳的剪切冲刷作用越强，冲刷因子取值越高。

40、将修正后的结壳松动指数与受力切换因子、冲刷因子加权合成，得到该高危区域在当前时间窗口的结壳脱落风险系数，数值越大表示该区域结壳在后续倾转过程中发生脱落的概率越高。

41、s330、以包衬耐火材料气孔率为基础确定结壳脱落危害指数基准值，将结壳脱落危害指数基准值依次乘以空间维度修正系数与时序维度修正系数后得到结壳脱落危害指数，空间维度修正系数随测点靠近熔体主流道核心区而增大，时序维度修正系数随液面扫掠触发倾角靠近核心浇铸倾角区间而增大，具体包括：

42、以s120录入的目标冶金包包衬耐火材料类型对应的气孔率为基础维度，确定结壳脱落危害指数：气孔率越高，结壳脱落倾向于碎块剥落，结壳脱落危害指数越低；气孔率越低，结壳脱落倾向于整块剥离，结壳脱落危害指数越高。

43、结合测点在目标冶金包包壁上的固有空间位置，对结壳脱落危害指数进行空间维度修正：基于包体固有结构、浇口位置与倾转方向，预标定包内熔体主流道区域；测点越靠近浇口上游的熔体主流道区域，结壳脱落后随熔体流动引发流道堵塞、熔体喷溅的固有风险越高，结壳脱落危害指数相应上调；测点越远离熔体主流道区域的包体死区，结壳脱落危害指数相应下调。

44、结合测点对应倾转浇铸过程的固有触发时序，对结壳脱落危害指数进行时序维度修正：测点对应的液面扫掠触发倾角越靠近预设核心浇铸倾角区间，结壳脱落后对浇铸过程的干扰越大、次生事故风险越高，结壳脱落危害指数相应上调。基于修正后的结壳脱落危害指数，生成对应测点的结壳脱落危害等级，以离散等级或连续系数的形式输出，供后续预警策略生成时调用。

45、根据上述技术方案，所述基于结壳脱落风险系数与结壳脱落危害等级，生成目标冶金包的分级监控与预警策略的步骤包括：

46、s410、基于结壳脱落风险系数与结壳脱落危害等级构建分级预警判定规则，具体包括：

47、以目标冶金包各高危区域的结壳脱落风险系数、对应空间位置的结壳脱落危害等级为双判定维度，结壳脱落风险系数表征结壳脱落的实时发生概率，结壳脱落危害等级表征结壳脱落后的后果严重度；将两个维度分别划分为对应数值区间与等级，组合对应两级预警等级，分别为预警级、紧急级。

48、s420、基于分级预警判定规则触发对应预警与控制指令，具体包括：

49、实时监测目标冶金包各高危区域的双维度参数，当双维度参数组合满足对应预警等级的触发条件时，生成匹配等级的安全预警信号与控制指令。预警信号包含预警等级、高危区域空间位置及对应倾角区间，经工业互联网云平台同步推送至监控终端；其中紧急级预警同步经工业互联网云平台向目标冶金包配套的倾转控制系统输出锁止控制指令。

50、第二方面，本技术提供基于工业互联网的安全生产监控系统，包括：

51、数据采集模块，用于通过工业互联网平台同步获取目标冶金包的包壁温度场数据、吊具振动特征数据、倾转角与角速度数据及双耳轴分载数据；并建立随包体服役周期动态更新的热物性基准模型；

52、状态解析模块，用于以熔体温度与包衬服役状态为修正参数，从包壁温度场数据中提取界面分离特征，以熔体密度与包体结构状态为修正参数，从吊具振动数据中提取微动力学特征；并将界面分离特征与微动力学特征进行时空关联判定，提取结壳松动测点的结壳松动指数；结合熔体液面扫掠轨迹与结壳松动测点分布，标定结壳脱落风险时空窗口；

53、风险评估模块，用于以结壳松动指数为基础，引入由结壳脱落风险时空窗口触发的受力切换因子、与熔体倾转状态关联的冲刷因子，合成结壳脱落风险系数；并基于目标冶金包包体固有参数与倾转工况量化结壳脱落危害等级；

54、智能预警模块，用于基于结壳脱落风险系数与结壳脱落危害等级，生成目标冶金包的分级监控与预警策略。

55、第三方面，本技术提供一种电子设备，包括：处理器和存储器，其中，所述存储器中存储有可供处理器调用的计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的计算机程序，执行基于工业互联网的安全生产监控方法。

56、第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行基于工业互联网的安全生产监控。

57、本技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

58、本技术通过温度特征与振动特征在同一时空窗口内的双域互验确认结壳松动状态，以温度定位、以振动确认，突破单一信号误判与无法定位的固有局限；结合液面扫掠轨迹与松动区域的动态空间叠加，实现风险预警与倾转工况的动态匹配。基于随服役周期更新的热物性基准模型，对温度信号进行工况校正并动态调整融合权重，输出结壳脱落风险系数与危害等级。依据双维度风险参数生成分级预警与联动控制策略，形成采集、量化、预警的完整闭环，提升冶金包浇铸过程的本质安全水平与预警处置效率。