株冶是我國(guó)主要的鉛鋅生產(chǎn)和出口基地，鋅、鉛、銀三種產(chǎn)品均獲國(guó)際認(rèn)可。煉鉛采用傳統(tǒng)的燒結(jié)焙燒——鼓風(fēng)爐熔煉工藝流程，燒結(jié)機(jī)在生產(chǎn)中產(chǎn)生的低濃度二氧化硫煙氣對(duì)周邊環(huán)境空氣、農(nóng)作物等會(huì)造成嚴(yán)重的影響，2001年在國(guó)內(nèi)有色冶煉為首創(chuàng)、投資引進(jìn)了丹麥WSA制酸技術(shù)及美國(guó)孟山都動(dòng)力波氣體凈化技術(shù)和裝備用于鉛鋅煙氣混合制酸。WSA工藝是先對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌凈化，不經(jīng)干燥直接進(jìn)行濕式轉(zhuǎn)化，濕轉(zhuǎn)化氣冷凝成酸。該系統(tǒng)在工序檢測(cè)控制、總線網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)過(guò)程管理和監(jiān)控層分別采用了FF現(xiàn)場(chǎng)總線儀表（變送器）、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備和美國(guó)艾默生公司的Delta V系統(tǒng)，于2002年2月正式投運(yùn)生產(chǎn)。
由于目前煙氣凈化、預(yù)熱、冷凝系統(tǒng)均處于最大生產(chǎn)負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，原工藝參數(shù)難以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和優(yōu)化運(yùn)行的要求，而系統(tǒng)工藝和設(shè)備之間關(guān)聯(lián)度大、耦合性強(qiáng)，因此系統(tǒng)調(diào)整和優(yōu)化運(yùn)行困難，企業(yè)迫切需要一種能夠根據(jù)生產(chǎn)操作歷史記錄，分析系統(tǒng)在不同負(fù)荷工況下的操作特性進(jìn)，進(jìn)而尋找其優(yōu)化操作參數(shù)的手段。本項(xiàng)目利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，通過(guò)對(duì)相關(guān)生產(chǎn)過(guò)程的歷史、實(shí)時(shí)及正常工況數(shù)據(jù)的預(yù)處理與數(shù)據(jù)挖掘建模，開發(fā)具有指定功能的計(jì)算機(jī)用戶界面軟件，建立實(shí)現(xiàn)在線或離線的數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)，解決設(shè)備的負(fù)荷能力評(píng)價(jià)和操作參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，同時(shí)為工藝人員掌握過(guò)程的控制機(jī)理并進(jìn)一步提高生產(chǎn)管理水平提供一個(gè)良好的工作平臺(tái)。
圖1：項(xiàng)目功能結(jié)構(gòu)圖 項(xiàng)目概況
DeltaV控制系統(tǒng)提供OPC接口，項(xiàng)目過(guò)程數(shù)據(jù)采用中控軟件公司的ESP-iSYS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)實(shí)時(shí)采集。項(xiàng)目具體目標(biāo)及主要功能以下：
為動(dòng)力波洗滌器的過(guò)程變量提供可視化描述，在其關(guān)聯(lián)復(fù)雜程度有限情況下給出最高二次多項(xiàng)式的解析表達(dá)及參數(shù)估計(jì)。
提供WSA制酸系統(tǒng)的熔鹽換熱器E103基于歷史數(shù)據(jù)的換熱能力評(píng)估參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)可視化。
提供酸霧控制器的優(yōu)化操作指導(dǎo)，從而根據(jù)實(shí)時(shí)操作工況優(yōu)化冷凝效果。在穩(wěn)定工況下通過(guò)優(yōu)化操作指導(dǎo)，使用后的平均尾氣酸霧檢測(cè)指標(biāo)接近或超過(guò)近期操作的穩(wěn)態(tài)最好水平與平均水平的均值。
提供冷凝酸濃度與原料、相關(guān)過(guò)程參數(shù)的關(guān)聯(lián)分析并提供用戶界面。
本項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容包括軟件開發(fā)、算法理論兩部分，所實(shí)現(xiàn)的功能及結(jié)構(gòu)如圖1所示。
軟件架構(gòu)
軟件開發(fā)部分主要工作為數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)庫(kù)接口及操作、軟件框架及在線幫助。軟件框架包括整體的界面設(shè)計(jì)和軟件架構(gòu)。
數(shù)據(jù)可視化內(nèi)容包括二維到三維圖形的可視化呈現(xiàn)和打印、保存；可視化采用OpenGL接口的代碼實(shí)現(xiàn)或使用滿足功能要求的OCX控件。
數(shù)據(jù)庫(kù)接口內(nèi)容包括數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)與實(shí)時(shí)庫(kù)（SUPCON ESP-iSYS-A）的查詢接口、因使用處理后的內(nèi)部樣本庫(kù)而需的關(guān)系庫(kù)（使用免費(fèi)的MSDE庫(kù)或Microsoft SQL Server）查詢及操作功能；幫助文檔使用PDF方式編譯并鏈接；軟件使用Microsoft Visual C #編寫，部分功能模塊采用集成調(diào)用外部程序的方式實(shí)現(xiàn)。
算法理論部分主要工作為數(shù)據(jù)預(yù)處理、關(guān)聯(lián)規(guī)則提取、多項(xiàng)式回歸。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括時(shí)間序列的分段線性趨勢(shì)化處理、數(shù)據(jù)清理、有效樣本歸約、線性或多項(xiàng)式滑動(dòng)平滑法；關(guān)聯(lián)規(guī)則提取采用離散化和apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則提��；采用二次正交多項(xiàng)式回歸。
數(shù)據(jù)挖掘軟件體系結(jié)構(gòu)
軟件結(jié)構(gòu)框架
系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)采集，經(jīng)預(yù)處理后導(dǎo)入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)建立分析樣本集，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)針對(duì)具體對(duì)象的數(shù)據(jù)挖掘流程。
生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由DeltaV控制系統(tǒng)提供，然后通過(guò)OPC接口導(dǎo)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)�？紤]到數(shù)據(jù)查詢的效率及數(shù)據(jù)可重用的問(wèn)題，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)按對(duì)象分別經(jīng)穩(wěn)態(tài)化、離散化合并處理后存入樣本庫(kù)中，各定制的分析模塊在此基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)分析并將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。如圖2所示。
圖2：數(shù)據(jù)流程 軟件使用.net技術(shù)開發(fā)，實(shí)時(shí)庫(kù)采用中控軟件公司自行開發(fā)的ESP-iSYS-A實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)。關(guān)系庫(kù)采用MSDE 2000或Microsoft SQL Server 2000�？梢暬δ懿捎肙penGL API和Java開發(fā)集成。各內(nèi)部功能針對(duì)具體對(duì)象定制開發(fā)，軟件及各算法模塊不提供COM接口，主要的計(jì)算工作都封裝在可執(zhí)行文件內(nèi)完成，少量數(shù)據(jù)處理工作由關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)完成。所提供的可視化功能其交互性能取決于系統(tǒng)硬件顯示設(shè)備的配置；軟件采用多文檔界面，部分功能為方便操作采用了獨(dú)立窗口的外部進(jìn)程調(diào)用完成。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)
本系統(tǒng)采用浙江中控軟件公司的ESP－iSYS-A作為實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)采集和查詢平臺(tái)，通過(guò)DeltaV系統(tǒng)OPC接口完成數(shù)據(jù)采樣并使用內(nèi)部接口查詢歷史數(shù)據(jù)。ESP-iSYS-A服務(wù)器端軟件包括ESP-iMonitor-A軟件、ESP-iConfig-A軟件、ESP-iTrend-A軟件、ESP-iBrowser-A軟件。其中：
ESP-iMonitor-A軟件監(jiān)控軟件通過(guò)直觀、形象的方式反映當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)，是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的核心控制臺(tái)；
ESP-iConfig-A軟件組態(tài)軟件以方便、友好、高效的操作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)提供組態(tài)功能，包括服務(wù)器組態(tài)、源位號(hào)組態(tài)、虛位號(hào)組態(tài)等；
ESP-iTrend-A軟件趨勢(shì)圖軟件為更好地掌握生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的變化規(guī)律；
ESP-iBrowser-A軟件數(shù)據(jù)瀏覽軟件以簡(jiǎn)潔的方式瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、內(nèi)存歷史數(shù)據(jù)以及磁盤歷史數(shù)據(jù)。
關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)
MSDE數(shù)據(jù)庫(kù)(Microsoft SQL Server 2000 Desktop Engine)是建立在SQL Server的核心技術(shù)基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)引擎。通過(guò)提供針對(duì)于單/雙處理器桌面級(jí)計(jì)算機(jī)的支持，MSDE 2000為企業(yè)級(jí)應(yīng)用的桌面擴(kuò)展提供可靠的存儲(chǔ)引擎和查詢處理器，開發(fā)者可將創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用無(wú)縫地應(yīng)用于自便攜機(jī)至集群的各類平臺(tái)。
MSDE 2000是相對(duì)于Microsoft Jet的另一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理方案的選擇�？梢园袽SDE 2000視作一種C/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)方式，它區(qū)別于Microsoft Access 2002內(nèi)嵌的Microsoft Jet所
采取的文件服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)方式——將數(shù)據(jù)內(nèi)嵌于應(yīng)用程序中。MSDE 2000沒(méi)有自己的用戶界面，主要是因?yàn)樗辉O(shè)計(jì)來(lái)在后臺(tái)運(yùn)行。用戶通過(guò)應(yīng)用程序與MSDE 2000進(jìn)行交互。OSQL實(shí)用工具是MSDE 2000唯一提供的管理工具，它允許用戶輸入Transact-SQL語(yǔ)句、系統(tǒng)過(guò)程、腳本文件以維護(hù)一個(gè)MSDE 2000的數(shù)據(jù)庫(kù)。MSDE組件允許應(yīng)用程序開發(fā)人員用他們的應(yīng)用程序分發(fā)SQL Server 2000關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)引擎的復(fù)本。因?yàn)镾QL Server 2000 Desktop Engine 中的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎的功能與SQL Server各版本中的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎相似，所以Desktop Engine單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的大小不能超過(guò)2 GB。
項(xiàng)目實(shí)施主要內(nèi)容
熔鹽換熱器換熱能力評(píng)估
由于熔鹽流量無(wú)法直接測(cè)量，故只能提供離線的換熱系數(shù)估算及可視化，即：對(duì)用戶提供的冷、熱煙氣流量與出入口溫度等參數(shù)給出各種工況下的換熱系數(shù)估計(jì)，參考換熱器設(shè)計(jì)的通用圖表給出相應(yīng)的可視化呈現(xiàn)。目前按流量和估算出的總傳熱系數(shù)作平面圖，傳熱系數(shù)按等高線繪制，并按故障診斷（即換熱器管路堵塞等引起的換熱能力下降）角度作出分析。
換熱器分析樣本選擇功能是為了用戶手工處理導(dǎo)入的Excel數(shù)據(jù)，并且可以拷貝所需的典型樣本。換熱的分析樣本選擇子窗口如圖3所示，用戶可以在其中定義考查樣本的起始時(shí)間和終止時(shí)間或直接選擇全部樣本分析，然后通過(guò)設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗(yàn)提供指定同一工期內(nèi)初、中、后期的時(shí)間段，以獲得充分的數(shù)據(jù)特征值。
圖3：換熱的分析樣本選擇子窗口
圖4：計(jì)算功能子窗口
圖5：換熱效果變化圖 換熱器的典型工況計(jì)算功能子窗口如圖4，可通過(guò)拷貝先前的庫(kù)中樣本值或手工輸入要考查的典型工況（此時(shí)允許將新記錄添入樣本庫(kù)），通過(guò)基本的熱力學(xué)方程可以求出該條記錄所代表的總換熱系數(shù)；另一方面，由于生產(chǎn)過(guò)程中擾動(dòng)和系統(tǒng)所帶來(lái)的隨機(jī)性，為增強(qiáng)用戶查詢計(jì)算可信度，允許用戶定義相似度衡量和相關(guān)記錄數(shù)，獲取一定數(shù)量的相似樣本后對(duì)換熱能力做平均化處理，所得到的換熱系數(shù)樣本可以被直接指定為典型工況的評(píng)估值，并將其存入評(píng)估值列表以作為同型換熱器的參考標(biāo)準(zhǔn)。
圖5的界面是用戶所查詢的典型工況下?lián)Q熱系統(tǒng)的換熱效果隨時(shí)間的變化。即用戶只需要輸入典型工況的冷熱流體入口溫度和流量，即可通過(guò)定義最小查詢時(shí)間間隔和屬性偏差閾值，得到其整個(gè)工期按時(shí)間排列的相似工況運(yùn)行結(jié)果記錄，即通過(guò)系統(tǒng)相同輸入條件下觀察其輸出在整個(gè)工期中的變化來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的運(yùn)行水平。以初期樣本為基準(zhǔn)，可以獲得系統(tǒng)換熱系統(tǒng)在整個(gè)工期中的相對(duì)變化即相對(duì)例因子，該參數(shù)應(yīng)該可以滿足對(duì)換熱器狀態(tài)的評(píng)估。
酸霧控制器在線優(yōu)化操作指導(dǎo)
在數(shù)據(jù)趨勢(shì)化的基礎(chǔ)上，提取近穩(wěn)態(tài)樣本和單調(diào)操作趨勢(shì)存入有效樣本庫(kù)，按時(shí)間加權(quán)后進(jìn)行矛盾樣本的剔除和近重復(fù)樣本的歸約。運(yùn)行時(shí)按設(shè)定間隔時(shí)間自動(dòng)根據(jù)系統(tǒng)上游穩(wěn)定工況（如煙氣SO2含量、凈化后溫度、燒嘴燃?xì)庥昧俊⒎磻?yīng)溫度等）的當(dāng)前值，首先查詢有效樣本庫(kù)中的最近似樣本，再取出歷史記錄中最優(yōu)操作結(jié)果（在線酸霧檢測(cè)值）所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)歷史操作提供給操作人員參考。
對(duì)于系統(tǒng)的非穩(wěn)定單調(diào)工況，根據(jù)歷史操作的單調(diào)趨勢(shì)給出操作建議。操作人員可以直接查詢所給出記錄的原始數(shù)據(jù)。另因控制量較少（硅油加熱溫度和壓縮氣閥門開度），可采用局部建模在線優(yōu)化的方式給出操作趨勢(shì)性的建議。
酸霧控制穩(wěn)態(tài)樣本表的查詢：（返回值）FogSearch（始時(shí)間，終時(shí)間）；
樣本批量查詢：（返回值）FogSearch（工況位號(hào)典型值列表，相似閾值（可選），個(gè)數(shù)（可選））；
樣本相似查詢：返回值以二維數(shù)組形式（時(shí)間，位號(hào)值列表）存入內(nèi)存變量待引用。
動(dòng)力波過(guò)程數(shù)據(jù)可視化
由于過(guò)程數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，局部趨勢(shì)信息意義不大，故對(duì)過(guò)程時(shí)序數(shù)據(jù)直接從實(shí)時(shí)庫(kù)采樣并采用線性或多項(xiàng)式平滑濾去高頻噪聲后，按用戶定義的查詢時(shí)段和間隔內(nèi)給出（煙氣入口壓力、壓力損失、噴液壓力）之間的三維可視化呈現(xiàn)，并對(duì)用戶選擇區(qū)域的樣本給出二次多項(xiàng)式回歸的解析表達(dá)。
圖6：動(dòng)力波過(guò)程數(shù)據(jù)穩(wěn)態(tài)化的操作界面 采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化可能遇到的問(wèn)題是樣本點(diǎn)數(shù)過(guò)多，如果過(guò)多則需采用數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊加以離散化并合并重復(fù)樣本。圖6是動(dòng)力波過(guò)程數(shù)據(jù)穩(wěn)態(tài)化的操作界面，提供趨勢(shì)化方法選擇（目前只使用線性法），分段長(zhǎng)度防止趨勢(shì)化過(guò)程產(chǎn)生過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短的趨勢(shì)而造成穩(wěn)態(tài)樣本的失配。時(shí)序匹配允許偏差決定了在存在大時(shí)滯情況下由位號(hào)組實(shí)時(shí)趨勢(shì)按滯后時(shí)間匹配為穩(wěn)態(tài)樣本時(shí)的條件松馳度。
制酸濃度與操作工況關(guān)聯(lián)提取
采用離散化處理和APRIORI關(guān)聯(lián)規(guī)則提取，這部分內(nèi)容因相關(guān)變量與酸霧控制器大部分重合，因而采用相同的趨勢(shì)化穩(wěn)態(tài)樣本提取，然后用關(guān)聯(lián)規(guī)則提取密集項(xiàng)集。按機(jī)理分析目前制酸濃度的關(guān)鍵影響因素是凈化溫度和燃燒器使用量，因前者決定了煙氣中含飽合水量，后者決定
了燃?xì)夂髱氲纳伤�。由于目前超�?fù)荷生產(chǎn)情況下主要相關(guān)參數(shù)的調(diào)整會(huì)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)成本，因此只能得到定性的操作建議以判斷最有效的調(diào)節(jié)手段，采用關(guān)聯(lián)規(guī)則提取技術(shù)可以較好地滿足對(duì)連續(xù)、按工況集中分布的數(shù)據(jù)分析需求。加入決策樹分析功能，能輔助確定主要影響因素及優(yōu)化操作趨勢(shì)。
實(shí)施效果
在株冶和浙江中控軟件公司聯(lián)合成立的項(xiàng)目組通力合作下，歷經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和功能需求分析，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件開發(fā)，系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行與人員培訓(xùn)，軟件功能修訂，于2006年2月正式投入運(yùn)行，所有模塊使用正常，達(dá)到了預(yù)期的功能并取得了良好的結(jié)果。
軟件操作簡(jiǎn)便，人機(jī)界面友善，功能交互性能較強(qiáng)；
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊功能正常，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在不影響FCS系統(tǒng)功能及服務(wù)器正常使用情況下可采集并保存滿足分析需求的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；
動(dòng)力波數(shù)據(jù)可視化及壓降關(guān)聯(lián)變量二次多項(xiàng)式回歸模塊工作正常，顯示清晰操作方便，能夠達(dá)到輔助用戶分析設(shè)備操作特性的效果；
換熱系數(shù)計(jì)算及操作期分析功能正常，結(jié)果基本符合現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估及維護(hù)有一定指導(dǎo)意義；
制酸濃度關(guān)聯(lián)規(guī)則及決策樹分析工作正常，可視化效果良好，所提取的規(guī)則數(shù)量和質(zhì)量較好，符合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，基本達(dá)到輔助分析的效果；
酸霧控制模塊的歷史工況相似查詢結(jié)果正確，最優(yōu)操作建議的產(chǎn)生速度滿足在線指導(dǎo)的要求，依據(jù)充分，建議可靠。
結(jié)語(yǔ)
數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，對(duì)實(shí)施對(duì)象的背景分析和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求都較高。在項(xiàng)目的開發(fā)攻關(guān)和實(shí)施過(guò)程中，僅有完善的技術(shù)路線和軟件開發(fā)能力是不夠的，還需要有技術(shù)人員的通力配合，從需求分析，軟件功能設(shè)計(jì)，到軟件開發(fā)投運(yùn)，針對(duì)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具體情況是確保工業(yè)對(duì)象數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目真正服務(wù)技術(shù)人員產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。采用定制方式針對(duì)具體需求開發(fā)數(shù)據(jù)挖掘軟件在工業(yè)領(lǐng)域尚屬較先進(jìn)的軟件技術(shù)應(yīng)用，與商業(yè)領(lǐng)域針對(duì)特定數(shù)據(jù)提交分析報(bào)告的實(shí)施方式不同，用戶獲得可重用的數(shù)據(jù)挖掘工具后，可以針對(duì)不斷變化的現(xiàn)場(chǎng)情況積極主動(dòng)地實(shí)施分析流程，藉以獲得對(duì)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)特性的深入了解。但數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提取出的只能是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄使用各種數(shù)據(jù)處理分析手段得到的模式特征，從技術(shù)角度上如何解釋并應(yīng)用這些特征知識(shí)也就對(duì)生產(chǎn)技術(shù)人員的知識(shí)水平提出了更高的要求。 |
