□ 宗 涵 蔣朝哲 徐 芳 范新庫 吳文凱

一、引言

中國是世界第一大鋼鐵生產(chǎn)國，據(jù)統(tǒng)計，每生產(chǎn)1 t鋼材，需要6 t貨物運輸配套[1]，因此研究鋼廠“物質(zhì)流”具有重要的意義。鋼廠物質(zhì)流主要研究鋼鐵企業(yè)內(nèi)部、車間與車間的鐵路、道路、膠帶機等的物質(zhì)運動和轉(zhuǎn)化。其實際是一種由起點、終點、起止點時間及一些其他屬性構(gòu)成的起止點OD數(shù)據(jù)。近十幾年來，OD數(shù)據(jù)的可視化有了很大的發(fā)展：一是在空間屬性方面，多種空間屬性的新表現(xiàn)方式陸續(xù)出現(xiàn)，如Yang等人就研究并比較了平面地圖、三維球體空間屬性可視化表現(xiàn)方式[2]；二是在時間屬性方面，多尺度的時間屬性編碼被考慮其中，如Proulx等人用第三維度顯示時間變化，另外2個維度用于顯示每個特定時刻的具體位置坐標，形成時空立方體[3]；三是在用戶交互層面，更多交互手段對OD數(shù)據(jù)進行分析挖掘，如Zeng等人提出途徑限制的OD數(shù)據(jù)可視化方法[4]。但目前OD數(shù)據(jù)的可視分析與應用領域結(jié)合度并不高，亟需集成一種特定應用領域的自動可視分析方法[5]。在物質(zhì)流應用領域上，殷瑞鈺在《冶金流程工程學》一書中[6]，首次提出了“流程網(wǎng)絡”的概念，對物質(zhì)流集成優(yōu)化進行了闡述；趙業(yè)清等[7]利用網(wǎng)絡問題的圖論方法對高爐、轉(zhuǎn)爐、連鑄、軋鋼過程進行了建模；蔡九菊等[8]繪制了鐵礦石到鋼鐵產(chǎn)成品生產(chǎn)過程的物質(zhì)流圖，建立了含鐵物料流動過程的鐵流模型。這些研究重心在于物質(zhì)流模型的建立，對模型的可視化關注較少。而對鋼廠進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，許多鋼廠都有對物質(zhì)流的導航和可視化需求，希望通過高效、直觀地展示物質(zhì)流數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中多個維度之間的關系，進而發(fā)現(xiàn)并診斷優(yōu)化鋼廠內(nèi)部物流系統(tǒng)問題，對鋼廠運輸方案優(yōu)化提供建議?；诖?，本文利用GIS技術(shù)，分析了鋼廠物質(zhì)流特征，按鋼廠物質(zhì)流的流動形式將鋼廠物質(zhì)流劃分為2種形式，即固定路徑物質(zhì)流和可變路徑物質(zhì)流；研究了2種物質(zhì)流的時空模式、路徑導航需求；提出了2種物質(zhì)流的可視化表征方式，并用某個鋼廠的應用實例進行了介紹；最后對物質(zhì)流可視分析的應用和發(fā)展做出展望。冶金工業(yè)是典型的流程制造業(yè)，可視化技術(shù)、交通工程理論與冶金學的交叉融合，將直接推動鋼鐵制造流程功能的拓展，并對其他各類流程制造業(yè)具有重要的參考和借鑒意義。

二、鋼廠物質(zhì)流劃分

鋼鐵制造流程的工程本質(zhì)是物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變、物質(zhì)性質(zhì)控制、在時間和空間與溫度等參數(shù)多維度的融合、貫通、協(xié)調(diào)和控制；是為了適應在開放的流程系統(tǒng)中將“資源流”“節(jié)點”“連接器”整合在一起的物質(zhì)-能量-時間-空間結(jié)構(gòu)[6]。按鋼廠“連接器”的類型（即鋼廠物質(zhì)流運輸方式）有鐵路、道路、管道、膠帶機和輥道5種形式，其中鐵路、管道、膠帶機和輥道運輸一般在鋼廠規(guī)劃之初就確定了所承載的物料和物流路徑，較難更改路徑，屬于固定路徑物質(zhì)流；而道路運輸，除固廢等特殊物料要求固定路徑運輸外，其他物料的運輸一般是要求在滿足生產(chǎn)的前提下，走最短的路程、經(jīng)最少的環(huán)節(jié)、花最低的費用、耗最少的時間完成廠內(nèi)物流運輸作業(yè)，其運輸路徑機動靈活需動態(tài)調(diào)整，屬于可變路徑物質(zhì)流。

2種物質(zhì)流數(shù)據(jù)形式實際都是一種由起點、終點、起止點時間及一些其他屬性構(gòu)成的起止點OD數(shù)據(jù)。OD數(shù)據(jù)可以被看作是一個時間和空間位置的函數(shù)，可移動記錄R的發(fā)生，可用式（1）表示：

其中(xo，yo)表示起始點O的空間位置，to表示物質(zhì)流運輸起始時間，(xd，yd)表示終止點D的空間位置；td表示物質(zhì)流運輸終止時間，m表示此條物質(zhì)流所運輸?shù)奈锪蠈傩?，即物料類型、重量、標準車量、體積等；a表示此條物質(zhì)流的其他屬性，如對運輸路徑的特殊要求等?？梢奜D數(shù)據(jù)本身帶有時空特性，使用可視化方法可以高效直觀地展示數(shù)據(jù)，通過OD矩陣的計算和挖掘算法，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中多個維度之間的關系，探索數(shù)據(jù)背后的時空規(guī)律。

三、固定路徑物質(zhì)流

鐵路、管道、膠帶機和輥道運輸一般在鋼廠規(guī)劃之初就確定了所承載的物料和物流路徑，較難更改路徑，屬于固定路徑物質(zhì)流。對鋼廠進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)對此類物質(zhì)流鋼廠導航需求如表1所示。

表1 固定路徑物質(zhì)流鋼廠導航需求

對固定路徑物質(zhì)流導航需求一般不需要記錄移動的具體路徑，也無需了解起訖點在地理上的具體位置，只需描述一對起始點、終止點之間移動，可用?；鶊D來表示，樣式如圖1所示。其中?；鶊D節(jié)點表示物質(zhì)流中的起點和終點，不同來源的流量可以在節(jié)點進行外聚、分離，從而體現(xiàn)流量的轉(zhuǎn)移；節(jié)點之間的位置通過物質(zhì)流流轉(zhuǎn)時間布局，體現(xiàn)物質(zhì)流發(fā)生的先后順序；節(jié)點的高度表示匯聚到此節(jié)點的物質(zhì)流量大小。使用邊寬度展示物質(zhì)流流量大小，邊顏色表示物質(zhì)流的類型或類別，一個節(jié)點若有多條邊，就表示有多個不同方向的進入流量和多個不同方向的出口流量；從而有效描述物質(zhì)流流量分布和節(jié)點之間的流轉(zhuǎn)關系。

圖1 某鋼廠物質(zhì)流?；鶊D示例

對一些特殊需求，如需了解起訖點地理位置，可使用交通規(guī)劃中常采用的OD圖進行表示（見圖2）。OD線可將物料起訖點連起來，線的寬度表示物料物質(zhì)流流量大小。

圖2 某鋼廠某物質(zhì)流OD圖示例

四、可變路徑物質(zhì)流

鋼廠道路運輸一般是在滿足生產(chǎn)要求的前提下，走最短的路程、經(jīng)最少的環(huán)節(jié)、花最低的費用、耗最少的時間完成廠內(nèi)物流運輸作業(yè)，其運輸路徑機動靈活、可動態(tài)調(diào)整，屬于可變路徑物質(zhì)流。對此類物質(zhì)流，鋼廠導航在固定路徑物質(zhì)流需求基礎上還包括以下2點需求，如表2所示。

表2 某鋼廠某物質(zhì)流OD圖示例

按陸鋒（2001）對最短路徑算法的分類和對比[9]，以及結(jié)合鋼廠物質(zhì)流最優(yōu)路徑選擇需要和道路特征，可采用改進的Dijkstra算法對鋼廠最優(yōu)路徑進行選擇。即在傳統(tǒng)的Dijkstra算法中，考慮鋼廠實際應用中需要考慮的運行時間、距離等問題，對路徑權(quán)重賦值，使得Dijkstra最短路徑算法推薦的最優(yōu)路徑更加貼合可變路徑物質(zhì)流實際。其算法思想是給每一個物質(zhì)流節(jié)點賦予P、Q兩類編號，P是已知源點到其他節(jié)點的最短路徑的節(jié)點集合，Q是未知最短路徑的節(jié)點集合。算法步驟如下：

步驟（1）：初始化，集合P中只包含有起始點i=1，其余各點均在Q上編號，D(i)表示當前已找到起始點通往i點的最短路徑，起始D(1)=0，未與起始點i=1相連接的距離為無窮，d(i,j)表示為i節(jié)點與j節(jié)點的權(quán)重值（有別于傳統(tǒng)Dijkstra算法，此權(quán)重值可以是路面狀況、車道寬度、通行時間等因素的疊加）；

步驟（2）：檢驗所有Q集合中的點到P集合中節(jié)點的距離，并更新最短路徑，選取距離最短的節(jié)點從Q集合中移動到P集合中；

步驟（3）：設i為中間點，D(i)+d(i,j)

步驟（4）：重復n-1次步驟（2）和步驟（3），直到將Q集合中所有節(jié)點放入P集合中。

此工作可以在ArcGIS、TransCAD、Cube中實現(xiàn)，如在ArcGIS將鋼廠道路、節(jié)點等建立網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集，并將連通性、拐彎模型、權(quán)重等一系列屬性賦值在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集中。最終可通過軟件的最短路徑分析實現(xiàn)導航功能，展示結(jié)果示例如圖3所示。

圖3 某鋼廠物質(zhì)流物質(zhì)流導航示例

五、總結(jié)與展望

本文針對鋼廠對物質(zhì)流導航及可視化需求，將OD數(shù)據(jù)可視化、GIS技術(shù)和鋼廠物質(zhì)流結(jié)合起來，研究了2種類型物質(zhì)流的時空模式、路徑導航需求和可視化表征方式，實現(xiàn)了圖、模、數(shù)一體化，其成果可以應用于鋼廠生產(chǎn)實踐：一是通過物質(zhì)流數(shù)據(jù)，對比數(shù)據(jù)中多個維度之間的關系，進而優(yōu)化鋼廠物質(zhì)流運輸方案，調(diào)整運輸路徑；二是為鋼廠員工提供最優(yōu)路徑規(guī)劃、最優(yōu)設施點推薦等服務。

但本研究對可變路徑物質(zhì)流導航僅針對單物質(zhì)，后續(xù)可以結(jié)合交通分配方法，將多種物質(zhì)流疊加在路網(wǎng)上，進一步對物質(zhì)流流量分布均衡程度、主要物料運輸路徑順暢程度及物質(zhì)流系統(tǒng)進行評價，尋找現(xiàn)狀或新建（改造）方案存在的問題，為制定改善方案奠定基礎。