计算在玻璃生产中的运用

　　摘要玻璃企业的自动化、信息化、智能化进程都离不开核心的计算内容。阐述了计算的概念及思维，同时以运用为触点，围绕企业人员、工作内容、具体场景介绍计算在玻璃生产中发挥的作用和展望。

　　关键词计算玻璃生产VBAmathematica

　　0引言

　　在玻璃生产中，有许多内嵌计算的设备、工具、软件等，如窑炉、行列机的设计;配料、燃烧、成型的控制;原料化验、成品检测、产品抽样;产品研发、工艺优化、成本控制等都凝结着计算。这些用到的力、声、热、电、光等物理仪器、设备和燃烧、熔化、测试等化学反应虽然表象并不相同，但是都可以在计算的层面得到统一、融通，以及进一步开发延展。尤其在日用玻璃激烈竞争的当下，玻璃企业有必要认识计算的价值和核心作用，充分挖掘计算在技术、管理中的运用。

　　1计算与计算思维

　　计算，本质上是用一系列的运算即映射，是建立从未知量到已知量、从输入到输出的映射关系。计算思维是一种问题解决的方式，这种思维将实际问题分解转化为计算问题，并且利用所掌握的计算知识找出解决问题的办法。计算思维可以划分为四个主要组成部分：①解构，即把实际问题进行拆分简化，同时理清各个部分的属性，抽象为数学语言;②模式识别，即找出拆分后问题各部分之间的异同进行映射，建立数学模型;③算法设计，即针对相似问题提供计算程序逐步解决的方案;④模式匹配规则替换，自动化的方式探寻规律、关系形成的计算结论，并对实际问题进行解释预测。

　　计算思维逻辑表达：计算思维=数理思维∩工程思维。计算思维是数理思维和工程思维交合的一个子集，它是数理思维加以工程实际限制所得到的。数理思维属于认识论，实证论和方法论的综合思维形式，其最大特征是：概念化，抽象化，模式化。工程思维是在实际项目中应用某些数学与科学的知识、体系，最终以最少的资源，解决最多现实问题的一种思考方式。

　　2计算在玻璃生产中的应用

　　计算已经运用到玻璃企业的方方面面，如生产方面(原料、成品的抽样、检验，熔化液面、窑压、温度的控制、行列机配时、退火温度计算)、管理方面(生产安排、组织分工、数据分析、决策制定)等，而且随着信息化、自动化的加剧会运用的越来越宽广。

　　2.1颜色计算

　　玻璃生产中会涉及颜色的表达或计算，比如说生产普通颜色玻璃瓶，一般客户只目测对比颜色的深浅色差，或者简单测个透过率指标。生产光学、电子玻璃时就可能要深入了解颜色学，掌握基于物理学、生物学、心理学和材料学综合计算建立起来的颜色空间体系。具体步骤是首先通过测量T-550nm和T-650nm透过率，计算比率后查图1对应曲线，点坐标在曲线以上的数据结果判为合格，曲线以下为不合格。以上需要人工瞄点、观察判断，非常繁琐、低效。若引入计算的方法，则可以把图1中的曲线通过采样计算拟合出函数公式，再编一个判断语句嵌入到Excel表格中，最终只需要测量员输入两个透过率数据，即可完成所有工作。

　　在计算的帮助下工作效率和准确性都得到了提高(快速拟合计算公式使用JMP软件的曲线拟合计算工具)。从颜色属性场景的计算运用可以扩展到检验、测试、分析等环节和人员。肉眼观察可以判断出色差，却无法进一步量化提供有价值的信息。运用计算工具简单操作就能判断照片中的玻璃瓶颜色分布及差值。

　　在mathematica软件中敲入相应代码就可以实现远程照片快速的分析并比较数值差异。操作是在mathematica软件中粘贴需要分析的照片，使用chromaticcityplot命令选取相同区域的色块进行对比，就直接输出ICE色度图和取样对应的数值，非常方便初期的快速分析和工艺调整。计算的广泛运用可以进一步了解已有的颜色玻璃等知识和计算类软件工具对工作的高效支持。

　　2.2料方计算

　　玻璃行业通常说的料方设计是一个大类，一般称为混料设计。因成分比例总和为1，所以试验设计单独归为一类进行系统性研究，玻璃的料方设计只是其中一种。玻璃混料设计是研究玻璃组成(C)、性质(P)的计算方法，主要应用在一定的适用条件下，探索需要的性质所对应的成分比例或相同成分下的成本最优化问题，当然可以加入过程变量进行更全面地深入设计、分析、验证。日本电器玻璃株式会社、美国康宁公司和中科院上海光机所等都用此法系统地研究并在实践中运用。

　　混料设计计算除了常用的经验法之外，还有以下计算方法：①最优设计。使用定制设计器生成最优混料设计，用最少的试验次数达到预期的目的;②单纯形重心设计。生成纯混料的设计，混合因子最多到指定程度。在纯混料中，一个成分为100%。所有其他成分为0%;③单纯形格点设计。生成纯混料的设计，在试验的空间填充三角形网格中混合;④极端顶点设计。根据约束因子空间的顶点和顶点组合生成设计。当对一个或多个因子进行线性约束或指定受限制的上限和下限时，可使用该设计;⑤ABCD设计。

　　生成Snee(1975)提出的混料筛选设计;⑥空间填充。生成适用于线性约束的空间填充设计。最优设计、极端顶点设计和空间填充设计可以纳入成分的线性约束和限制。使用JMP软件的最优设计方法图解玻璃料方设计优化玻璃膨胀系数计算，简单说明计算在料方设计中的部分过程。只需要掌握计算的操作过程和判别准则就可以得到较好的效果，也可以进一步了解计算的算法细节和更多的信息。

　　操作过程为打开JMP软件，点击试验设计-经典-混料设计菜单，输入需要优化的膨胀系数响应变量名称、目标，设置初步规划的氧化物成分种类和相应的范围，可以根据实际情况加入一定的约束条件满足公司的特殊要求。设置响应因子后，选择混料设计类型中的最优设计，可在模型中输入特定成分的交互作用或高次项。最后选择实验次数，生成随便设计表，按照实验顺序获取膨胀系数数据，进入下一阶段的分析、建模。料方计算是计算性质(P)、组成(C)之间的关系。

　　除工艺制备外，玻璃材料一般由其组成(C)、结构(S)、性质(P)之间的作用、关联决定。组成、结构、性质三者之间派生出组成-结构、组成-性质、结构-性质、组成-结构-性质4种关系模型。其定量研究包含计算思维和具体算法，主要用数学、统计建模计算的方法展开研究。

　　由于可以形成玻璃的元素众多，加上限制条件比较宽泛，能形成很多种类和特性的玻璃，时间、空间的复杂度都很大，导致很长时间难以形成统一有效的玻璃机理假设，目前的理论都是在某一方面的某一成分范围内对玻璃的一些现象、特性解释的比较好，在整体上仍属于黑箱或者灰箱状态。当前大多使用数据库和数学统计计算的试验设计突破黑障区域来探索高性能、高质量的玻璃。康宁公司的JohnC.Mauro等人在以类似人体基因组解码的计算方式研究玻璃，已取得不错的成果。

　　2.3玻璃生产报表计算自动化

　　有的玻璃公司不同人员每天会手动录入生产数据存放于Excel工作薄中，再手动汇总为日、周、月总表以了解生产全貌，这就需要建立以各报表为基础的综合报表。Excel软件自带VBA环境可以实现自动计算的功能，引入计算的方法后，除原始的输入外，其他的公式、函数、复制、粘贴、插入、删除等工作都可以植入计算程序自动实现。图4为玻璃生产综合报表自动计算界面。引入计算思维与方法，可以把重复或者有规律的事情交给计算机自动实现，从根本上简化或改变工作流程，提高效率。在数据收集、报表制作等生产数据管理集成方面都有很好的扩展。

　　2.4Autocad计算自动化

　　为减轻画图或设计的重复劳动，使用Autocad自带的编辑器写入计算算法和代码，封装为简洁高效的工具快速地迭代升级，更好地完成画图或设计工作，实现参数画图、目标计算、数据库利用三大功能。开发计算第一步是目标规划、流程梳理，第二步是界面构建、意图表达，第三步是填入计算代码和信息提示。开发完成后，求解过程大概为10s左右，比非计算编程方法提升百倍效率。加入计算核心可以解决设计方面的关联模型问题，从底层上演化规则提升效率。玻璃企业开发设计中计算内容是需要植入的关键内容。

　　3结语

　　通过对计算的介绍和其在玻璃生产过程中的运用报告，可以把计算看作是企业生产中的一个核心节点，发散关联到工作流程、具体事务、相关人员等，编织成密集技术、管理综合性的计算网。积极探索计算的应用场景，使计算在玻璃企业的经营生产中发挥更佳的作用。

　　相关论文投稿刊物阅读：《玻璃与搪瓷》主要反映我们日用玻璃、搪瓷以及相关的熔窑、成型机械、模具、耐火材料、自动控制技术与设备、计算机应用等方面的研究成果，无机非金属材料及其交叉学科的科研水平，国家对玻搪行业的政策导向。以推动我国日用玻璃与搪瓷科学持续发展为宗旨。