株冶是我國主要的鉛鋅生產和出口基地，鋅、鉛、銀三種產品均獲國際認可。煉鉛采用傳統的燒結焙燒——鼓風爐熔煉工藝流程，燒結機在生產中產生的低濃度二氧化硫煙氣對周邊環境空氣、農作物等會造成嚴重的影響，2001年在國內有色冶煉為首創、投資引進了丹麥WSA制酸技術及美國孟山都動力波氣體凈化技術和裝備用于鉛鋅煙氣混合制酸。WSA工藝是先對煙氣進行洗滌凈化，不經干燥直接進行濕式轉化，濕轉化氣冷凝成酸。該系統在工序檢測控制、總線網絡與生產過程管理和監控層分別采用了FF現場總線儀表（變送器）、Profibus現場總線設備和美國艾默生公司的Delta V系統，于2002年2月正式投運生產。
由于目前煙氣凈化、預熱、冷凝系統均處于最大生產負荷甚至超負荷運轉，原工藝參數難以滿足系統穩定和優化運行的要求，而系統工藝和設備之間關聯度大、耦合性強，因此系統調整和優化運行困難，企業迫切需要一種能夠根據生產操作歷史記錄，分析系統在不同負荷工況下的操作特性進，進而尋找其優化操作參數的手段。本項目利用數據挖掘技術，通過對相關生產過程的歷史、實時及正常工況數據的預處理與數據挖掘建模，開發具有指定功能的計算機用戶界面軟件，建立實現在線或離線的數據分析處理平臺，解決設備的負荷能力評價和操作參數優化問題，同時為工藝人員掌握過程的控制機理并進一步提高生產管理水平提供一個良好的工作平臺。
圖1：項目功能結構圖 項目概況
DeltaV控制系統提供OPC接口，項目過程數據采用中控軟件公司的ESP-iSYS實時數據庫自動實時采集。項目具體目標及主要功能以下：
為動力波洗滌器的過程變量提供可視化描述，在其關聯復雜程度有限情況下給出最高二次多項式的解析表達及參數估計。
提供WSA制酸系統的熔鹽換熱器E103基于歷史數據的換熱能力評估參數，并實現可視化。
提供酸霧控制器的優化操作指導，從而根據實時操作工況優化冷凝效果。在穩定工況下通過優化操作指導，使用后的平均尾氣酸霧檢測指標接近或超過近期操作的穩態最好水平與平均水平的均值。
提供冷凝酸濃度與原料、相關過程參數的關聯分析并提供用戶界面。
本項目實施內容包括軟件開發、算法理論兩部分，所實現的功能及結構如圖1所示。
軟件架構
軟件開發部分主要工作為數據可視化、數據庫接口及操作、軟件框架及在線幫助。軟件框架包括整體的界面設計和軟件架構。
數據可視化內容包括二維到三維圖形的可視化呈現和打印、保存；可視化采用OpenGL接口的代碼實現或使用滿足功能要求的OCX控件。
數據庫接口內容包括數據挖掘系統與實時庫（SUPCON ESP-iSYS-A）的查詢接口、因使用處理后的內部樣本庫而需的關系庫（使用免費的MSDE庫或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用外部程序的方式實現。
算法理論部分主要工作為數據預處理、關聯規則提取、多項式回歸。數據預處理包括時間序列的分段線性趨勢化處理、數據清理、有效樣本歸約、線性或多項式滑動平滑法；關聯規則提取采用離散化和apriori關聯規則提�。徊捎枚握欢囗検交貧w。
數據挖掘軟件體系結構
軟件結構框架
系統通過實時數據庫平臺進行歷史數據采集，經預處理后導入關系數據庫建立分析樣本集，在此基礎上實現針對具體對象的數據挖掘流程。
生產實時數據由DeltaV控制系統提供，然后通過OPC接口導入實時數據庫。考慮到數據查詢的效率及數據可重用的問題，將實時數據庫中的歷史數據按對象分別經穩態化、離散化合并處理后存入樣本庫中，各定制的分析模塊在此基礎上完成數據分析并將結果呈現給用戶。如圖2所示。
圖2：數據流程 軟件使用.net技術開發，實時庫采用中控軟件公司自行開發的ESP-iSYS-A實時數據平臺。關系庫采用MSDE 2000或Microsoft SQL Server 2000�？梢暬δ懿捎肙penGL API和Java開發集成。各內部功能針對具體對象定制開發，軟件及各算法模塊不提供COM接口，主要的計算工作都封裝在可執行文件內完成，少量數據處理工作由關系數據庫完成。所提供的可視化功能其交互性能取決于系統硬件顯示設備的配置；軟件采用多文檔界面，部分功能為方便操作采用了獨立窗口的外部進程調用完成。
實時數據庫
本系統采用浙江中控軟件公司的ESP－iSYS-A作為實時歷史數據采集和查詢平臺，通過DeltaV系統OPC接口完成數據采樣并使用內部接口查詢歷史數據。ESP-iSYS-A服務器端軟件包括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軟件監控軟件通過直觀、形象的方式反映當前實時數據庫的運行狀態，是實時數據庫的核心控制臺；
ESP-iConfig-A軟件組態軟件以方便、友好、高效的操作為實時數據庫提供組態功能，包括服務器組態、源位號組態、虛位號組態等；
ESP-iTrend-A軟件趨勢圖軟件為更好地掌握生產過程數據的變化規律；
ESP-iBrowser-A軟件數據瀏覽軟件以簡潔的方式瀏覽實時數據、內存歷史數據以及磁盤歷史數據。
關系數據庫
MSDE數據庫(Microsoft SQL Server 2000 Desktop Engine)是建立在SQL Server的核心技術基礎上的數據引擎。通過提供針對于單/雙處理器桌面級計算機的支持，MSDE 2000為企業級應用的桌面擴展提供可靠的存儲引擎和查詢處理器，開發者可將創建的數據庫應用無縫地應用于自便攜機至集群的各類平臺。
MSDE 2000是相對于Microsoft Jet的另一種數據存儲與管理方案的選擇�？梢园袽SDE 2000視作一種C/S架構的數據庫訪問方式，它區別于Microsoft Access 2002內嵌的Microsoft Jet所
采取的文件服務器數據庫方式——將數據內嵌于應用程序中。MSDE 2000沒有自己的用戶界面，主要是因為它被設計來在后臺運行。用戶通過應用程序與MSDE 2000進行交互。OSQL實用工具是MSDE 2000唯一提供的管理工具，它允許用戶輸入Transact-SQL語句、系統過程、腳本文件以維護一個MSDE 2000的數據庫。MSDE組件允許應用程序開發人員用他們的應用程序分發SQL Server 2000關系數據庫引擎的復本。因為SQL Server 2000 Desktop Engine 中的數據庫引擎的功能與SQL Server各版本中的數據庫引擎相似，所以Desktop Engine單個數據庫的大小不能超過2 GB。
項目實施主要內容
熔鹽換熱器換熱能力評估
由于熔鹽流量無法直接測量，故只能提供離線的換熱系數估算及可視化，即：對用戶提供的冷、熱煙氣流量與出入口溫度等參數給出各種工況下的換熱系數估計，參考換熱器設計的通用圖表給出相應的可視化呈現。目前按流量和估算出的總傳熱系數作平面圖，傳熱系數按等高線繪制，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入的Excel數據，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間和終止時間或直接選擇全部樣本分析，然后通過設備維護經驗提供指定同一工期內初、中、后期的時間段，以獲得充分的數據特征值。
圖3：換熱的分析樣本選擇子窗口
圖4：計算功能子窗口
圖5：換熱效果變化圖 換熱器的典型工況計算功能子窗口如圖4，可通過拷貝先前的庫中樣本值或手工輸入要考查的典型工況（此時允許將新記錄添入樣本庫），通過基本的熱力學方程可以求出該條記錄所代表的總換熱系數；另一方面，由于生產過程中擾動和系統所帶來的隨機性，為增強用戶查詢計算可信度，允許用戶定義相似度衡量和相關記錄數，獲取一定數量的相似樣本后對換熱能力做平均化處理，所得到的換熱系數樣本可以被直接指定為典型工況的評估值，并將其存入評估值列表以作為同型換熱器的參考標準。
圖5的界面是用戶所查詢的典型工況下換熱系統的換熱效果隨時間的變化。即用戶只需要輸入典型工況的冷熱流體入口溫度和流量，即可通過定義最小查詢時間間隔和屬性偏差閾值，得到其整個工期按時間排列的相似工況運行結果記錄，即通過系統相同輸入條件下觀察其輸出在整個工期中的變化來評價系統的運行水平。以初期樣本為基準，可以獲得系統換熱系統在整個工期中的相對變化即相對例因子，該參數應該可以滿足對換熱器狀態的評估。
酸霧控制器在線優化操作指導
在數據趨勢化的基礎上，提取近穩態樣本和單調操作趨勢存入有效樣本庫，按時間加權后進行矛盾樣本的剔除和近重復樣本的歸約。運行時按設定間隔時間自動根據系統上游穩定工況（如煙氣SO2含量、凈化后溫度、燒嘴燃氣用量、反應溫度等）的當前值，首先查詢有效樣本庫中的最近似樣本，再取出歷史記錄中最優操作結果（在線酸霧檢測值）所對應的最優歷史操作提供給操作人員參考。
對于系統的非穩定單調工況，根據歷史操作的單調趨勢給出操作建議。操作人員可以直接查詢所給出記錄的原始數據。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化的方式給出操作趨勢性的建議。
酸霧控制穩態樣本表的查詢：（返回值）FogSearch（始時間，終時間）；
樣本批量查詢：（返回值）FogSearch（工況位號典型值列表，相似閾值（可選），個數（可選））；
樣本相似查詢：返回值以二維數組形式（時間，位號值列表）存入內存變量待引用。
動力波過程數據可視化
由于過程數據波動較大，局部趨勢信息意義不大，故對過程時序數據直接從實時庫采樣并采用線性或多項式平滑濾去高頻噪聲后，按用戶定義的查詢時段和間隔內給出（煙氣入口壓力、壓力損失、噴液壓力）之間的三維可視化呈現，并對用戶選擇區域的樣本給出二次多項式回歸的解析表達。
圖6：動力波過程數據穩態化的操作界面 采用實時數據可視化可能遇到的問題是樣本點數過多，如果過多則需采用數據預處理模塊加以離散化并合并重復樣本。圖6是動力波過程數據穩態化的操作界面，提供趨勢化方法選擇（目前只使用線性法），分段長度防止趨勢化過程產生過長或過短的趨勢而造成穩態樣本的失配。時序匹配允許偏差決定了在存在大時滯情況下由位號組實時趨勢按滯后時間匹配為穩態樣本時的條件松馳度。
制酸濃度與操作工況關聯提取
采用離散化處理和APRIORI關聯規則提取，這部分內容因相關變量與酸霧控制器大部分重合，因而采用相同的趨勢化穩態樣本提取，然后用關聯規則提取密集項集。按機理分析目前制酸濃度的關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
了燃氣后帶入的生成水量。由于目前超負荷生產情況下主要相關參數的調整會帶來較大的經濟成本，因此只能得到定性的操作建議以判斷最有效的調節手段，采用關聯規則提取技術可以較好地滿足對連續、按工況集中分布的數據分析需求。加入決策樹分析功能，能輔助確定主要影響因素及優化操作趨勢。
實施效果
在株冶和浙江中控軟件公司聯合成立的項目組通力合作下，歷經現場調研和功能需求分析，系統方案設計，系統軟件開發，系統現場試運行與人員培訓，軟件功能修訂，于2006年2月正式投入運行，所有模塊使用正常，達到了預期的功能并取得了良好的結果。
軟件操作簡便，人機界面友善，功能交互性能較強；
實時數據采集模塊功能正常，運行穩定可靠，在不影響FCS系統功能及服務器正常使用情況下可采集并保存滿足分析需求的實時數據；
動力波數據可視化及壓降關聯變量二次多項式回歸模塊工作正常，顯示清晰操作方便，能夠達到輔助用戶分析設備操作特性的效果；
換熱系數計算及操作期分析功能正常，結果基本符合現場情況，對設備狀態評估及維護有一定指導意義；
制酸濃度關聯規則及決策樹分析工作正常，可視化效果良好，所提取的規則數量和質量較好，符合現場經驗，基本達到輔助分析的效果；
酸霧控制模塊的歷史工況相似查詢結果正確，最優操作建議的產生速度滿足在線指導的要求，依據充分，建議可靠。
結語
數據挖掘技術在工業領域應用，對實施對象的背景分析和基礎數據要求都較高。在項目的開發攻關和實施過程中，僅有完善的技術路線和軟件開發能力是不夠的，還需要有技術人員的通力配合，從需求分析，軟件功能設計，到軟件開發投運，針對企業現場具體情況是確保工業對象數據挖掘項目真正服務技術人員產生經濟效益的關鍵。采用定制方式針對具體需求開發數據挖掘軟件在工業領域尚屬較先進的軟件技術應用，與商業領域針對特定數據提交分析報告的實施方式不同，用戶獲得可重用的數據挖掘工具后，可以針對不斷變化的現場情況積極主動地實施分析流程，藉以獲得對現場系統特性的深入了解。但數據挖掘技術提取出的只能是根據現場記錄使用各種數據處理分析手段得到的模式特征，從技術角度上如何解釋并應用這些特征知識也就對生產技術人員的知識水平提出了更高的要求。 |
