Задача
Фактический состав металла не выводится из паспортного состава сырья. На результат влияют угар элементов, температура, длительность обработки, состояние агрегата, последовательность добавок и предыдущие операции. Технолог, который опирается только на табличный материальный баланс, регулярно оказывается в одной из двух неприятных ситуаций: недолегирование, за которым следует ещё одна проба и ещё одна доводка, либо дорогое перелегирование, когда в плавку уже ушли лишние килограммы ферросплавов и вернуть их нельзя.
Цена ошибки складывается сразу из нескольких статей: стоимость избыточного материала, время занятого агрегата, энергия на повторную обработку, дополнительные лабораторные пробы и риск не попасть в спецификацию марки. Задача системы формулировалась соответственно: попасть в целевые диапазоны по всем контролируемым элементам с минимальной стоимостью корректировки и меньшим числом итераций.
Решение
Сбор и сверка данных. В расчёт шли марка стали и допустимые диапазоны состава; масса и паспортный состав шихты, лома, чугуна, флюсов и легирующих материалов; температура, активность кислорода, время обработки, расход газов и энергии; режим оборудования и последовательность уже выполненных операций; лабораторные анализы по углероду, кремнию, марганцу, фосфору, сере, хрому, никелю и другим элементам конкретной марки; фактические добавки, выход годного, повторные пробы и итоговый состав прошлых плавок; стоимость, наличие и технологические ограничения по материалам. Всё синхронизировалось по идентификатору плавки и времени, а проверки качества отлавливали пропуски, физически невозможные значения, запоздавшие пробы и расхождения между лабораторией и потоком датчиков — иначе модель училась бы на артефактах.
Два слоя расчёта. Физико-химический слой выполнял материальный баланс: оценивал, как заданное количество материала должно изменить концентрацию элементов. ML-слой корректировал этот идеальный расчёт по истории производства — учитывал фактическое усвоение элементов, угар и влияние режима конкретного агрегата. Прогноз конечного состава строила ансамблевая модель по каждому контролируемому элементу: на вход шли текущий состав, параметры процесса и предполагаемые добавки, на выходе — ожидаемое значение вместе с диапазоном неопределённости.
Оптимизатор с ограничениями. Поверх прогноза работал ограниченный оптимизатор. Его переменными были типы и массы добавок, а целевая функция одновременно взвешивала пять вещей: отклонение от целевого состава, стоимость материалов, риск выхода за пределы марки с учётом неопределённости прогноза, дополнительные затраты времени и энергии, число последующих корректирующих операций. Жёсткие ограничения отсекали физически или технологически недопустимые решения — наличие материала на складе, максимальная разовая добавка, вместимость агрегата, допустимый этап внесения, совместимость материалов между собой.
Отдельная сложность — многокомпонентность. Добавка, которая выводит один элемент в середину диапазона, может одновременно подтолкнуть другой к верхней границе марки. Поэтому оптимизатор не искал одну «правильную» дозировку, а формировал несколько допустимых сценариев и объяснял разницу между ними: минимальная стоимость, максимальный запас по качеству или минимальное время доводки.
Работа технолога. Получив лабораторную пробу, оператор видел текущий состав, целевые диапазоны и прогноз при бездействии — что будет, если ничего не добавлять. Рядом отображалась рекомендация: какой материал, в каком количестве и на каком этапе внести, как изменится каждый элемент и насколько модель уверена в результате. Оператор мог принять вариант, изменить количество или выбрать другой сценарий; решение сохранялось вместе с причиной. Следующая проба замыкала цикл: фактический результат уходил в контроль качества модели и последующее переобучение.
Контроль модели. Точность отслеживалась не одной общей цифрой, а отдельно по маркам стали, агрегатам и диапазонам технологических режимов. Система сравнивала прогноз с лабораторным результатом и замечала дрейф. За пределами изученной области автоматическая рекомендация не выдавалась вовсе: для новых режимов интерфейс переходил в консультативный режим с повышенным запасом безопасности. Исторические плавки можно было воспроизвести и посмотреть, какую рекомендацию дала бы новая версия модели и чем она отличалась бы от фактического решения оператора.
Результат
Технолог получил инструмент, который опирается на всю историю производства, а не только на справочную формулу. Система помогала стабильнее попадать в спецификацию марки, избегать избыточного расхода дорогих легирующих материалов и уменьшать число повторных проб и доводок.
Рекомендация при этом осталась объяснимой: оператор видел прогнозируемое изменение по каждому элементу, стоимость и риск каждого варианта — и принимал решение сам. А связка «рекомендация — действие — новая лабораторная проба — итог плавки» превращала каждую плавку в размеченный пример для следующей версии модели.
