橡胶密炼过程实时数据压缩技术的应用研究

第35卷增刊中国科学技术大学学报V。I35SUPP2005年11月JOLMNALOFUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINANOV2005文章编号025327782005增025708橡胶密炼过程实时数据压缩技术的应用研究。赵标，王海清，李平浙江大学工业控箭技术研究所，工业控制技术国家重点实验室，浙江杭州310027摘要以橡胶密炼过程为研究对象，提出一种基于DB2小波变换的在线工业过程数据压缩算法，提取密炼过程的特征信息，剔除冗余信息，速到压缩数据的目的并通过对反映门尼黏度的转子瞬时功率数据的压缩实验，验证了算法的可行性及有效性相对于传统的数据压缩算法，该算法可以同时兼顾数据的时、频域特征信息关键词密炼；特子瞬时功率；最佳黏度；小波变换；数据压缩中图分类号TQ330，TI315文献标识码A0引言工业生产过程的测量数据庞大，应用过程数据压缩技术，主要目的一方面是保证工业过程对数据精度的要求，节省存储空间；另一方面则是适应信息化的需要，方便数据通过网络传输，避免网络堵塞当前在过程数据压缩技术领域，主要有三类方法，即分段线性法、矢量量化法和信号变换法其中，分段线性法算法简单，执行速度快，已经在工业生产中得到应用，但是其压缩比和失真度不如信号变换法；矢量量化法计算复杂且不具有通用性，所以不适合过程数据在线压缩口“另外这些传统的过程数据压缩方法，主要以数据的时域贡献存储数据，数据的频域贡献没有得到充分体现，然而频域特性在数据处理过程中至关重要目前基于小波变换的过程数据压缩方法是研究的热点，应用小波变换具有以下优点根据时一频域贡献存储数据；相同信号保真度的情况下，提供更大的压缩比；信号显著特征失真最小口因此小波变换也被认为是最优前途的过程数据压缩方法1“本文针对橡胶密炼过程的技术特点和数据特征，提出一种基于DB2小波的过程数据实时压缩算法，并实现对橡胶密炼过程数据的有效压缩1密炼过程数据特点密炼过程属于流程工业中典型快速间歇生产过程，一般只有24分钟啪；且密炼是目前主要的混炼加工工艺之一，是制造碳黑混炼胶的最理想的方法，特别适用于大规模、自动化生产O密炼可分为湿润、分散及捏炼三个阶段为了满足湿润、分散两个阶段的顺利进行，要求塑炼胶处于“最佳黏度”状态，因为只有最佳黏度状态，消耗的能量最小，需要的时间最短，填料粒子分散的状态最好，湿润容易，分散也不困难密炼过程中混炼胶门尼黏度是其基盒项目；国家自然科学基金20206028和德国洪堡基金会资助项目作者简介赵标，1977年生，硕士研究生研究方向外波理论在工业数据分析与处理方面的应用中国科学技术大学学报第35卷最重要的质量指标之一，如何提高其均一性和稳定性已成为目前国内外橡胶界迫切需要解决的问题嘲密炼过程中，为了使胶料达到最佳黏度状态，必须对混炼操作采取可靠的科学控制手段，以防胶料黏度波动过大根据密炼机流变理论，密炼室中物料的黏度和密炼机转子功率成正比口，据此文献783提出了瞬时功率控制法，瞬时功率控制实质就是控制混炼黏度；文献4，9则致力于全面质量控制，建立了混炼专家系统实际生产应用过程中，相对于时控、温控、能控等传统的简单控制方法，瞬时功率控制可以减小混炼过程中一些因素的不利影响，降低胶料黏度的波动啪；混炼专家系统旨在解决由于原料、环境等诸多方面的波动对混炼质量的不利影响，提供智能化、网络化、透明化的混炼质量管理与控制的解决方案4基于DB2小波的实时数据压缩方法，从实现密炼过程有效控制的实际出发，对密炼机转子瞬时功率的在线预处理，剔除冗余信息，提取转子瞬时功率的主要特征，节约存储空间，降低网络传输负荷，为进一步实施智能密炼及远程监测服务提供技术支持试验证明，应用该算法压缩的功率数据符合实际混炼应用的保真度要求2混炼功率数据实时压缩算法21过程数据压缩的特点及评价指标的提出过程数据压缩是对数据进行预处理，剔除原始数据中存在的大量冗余和不相关信息，保留相关有意义的信息对数据压缩问题的一般描述，以信号变换法为例，对于信号，FL2R，可以表示成基函数BF嚣一的线性组合，TF。0FF1I式1可以理解为，向基函数的投影，如果CI很小，则对信号，的范数贡献很小这样根据一定的逼近精度，确定阀值，删减低于阀值T的系数“，以实现对过程数据的压缩数据压缩比CR由下式定义厘缝夔堡曲墅罄2编码后的比特流数过程数据压缩不仅要求节约存储空间，而且要求重构后的数据能够为各种数据驱动的过程自动化技术服务，如系统辨识、过程建模、故障检测与诊断等“”因此需要综合“时域指标”和“频域指标”全面的衡量重构数据在时域、频域中对原始数据的的逼真度本文在时域中提出采用平方误差PSE、均值偏差与标准差的之比PDM、能量保留PER、重构数据方差和原始数据方差的比值RVC、误差的方差和原始数据方差的比值RVE等量化指标辅助重构曲线来衡量重构数据和采样数据的逼近程度，定义如下PSE日一IL2S1003I0I20PDM盟1004吒1N1PER霹AXLOON5RVC递霹，RVE砰砖6增刊橡胶密炼过程实时数据压缩技术的应用研究259其中J为S的估计，砖为的方差，ESZ一JI为了满足工程需要，对于上述指标，要求PSE、PDM趋于O，PER趋于LOO，这样才能保证工程应用的精度，一般情况下PSE、PDM允许的最大限取L，PER允许的最低限取98；RVCRVE趋于1，说明重构误差是压缩数据的正交补，即重构误差E和序列JF是不相关的，如果RVCRVE偏离1，则说明删除的信息和压缩信息是相关的，即表明噩缩过程中丢失了一些有用的信号特征信息，而保存了一些不需要的信息根据工程需要，要求RVC十RVC在1土002之间此外在频域中提出采用传函的TFE指标来衡量，定义如下TFE,一20LG蹦7其中，R曲为S和F的互功率谱，只M为S的自功率谱，TFE接近于0说明在频域中该频率处没有丢失信息，偏离0越大说明丢失信息越多22小波变换压缩理论小波变换理论是以多尺度分析为基础的，设绝对可积空间L2R可以分解成多尺度下嵌套的闭子空间，即有Y1CVFYJZ8其中，U表示在尺度J下的子空间记子空间的正交补V为W，在多尺度框架下，一和WF_1的关系可以表示为一VO矸一9其中。表示“直和”等式9的意义在于空间上的任意函数NJT都可以表示成一1和W一上的某个函数之和，即OJTOHIPLF10其中4P1F一1和BJ一1W一1，可以分解为AJ1CDI。声H，。11虹1_D；1，。舡1。12Q“。和DIL,为广义小波系数，前者称为轮廓系数，后者称为细节系数根据MALLAT算法嘲，对于DB2小波，尺度J一1下的系数Q“西“T与尺度J下的系数旬。的有如下关系三CJ,，LHMC1啄I_13三DJ_1，HHIMCJL啊14宴姑H3C卜掣1H冲1C，I冀“HI麓I“HT窀LQM1HI3D卜1，卜L1谚卜1，其中、H1称为DB2小波滤波器系数，并有04829630836516，0224144，T0129410，HL0129410，0224144，一O836516，0482963对于KO的情况，依据二进小波滤波器系数的性质，可以近似的取；Q，O01CJ1O216中国科学技术走学学报第35卷小波变换的另一个特性，对于信号S，随着尺度J的增加，其轮廓系数。在时一频域都越来越逼近原始信号SO11因此当J足够大，完全可以将原始信号采样数据看作为信号经小波变换后尺度，下的轮廓系数直接将采样数据作为尺度J下的轮廓系数经行处理，完全符合工程应用的要求，同时也使实现真正意义下的在线数据压缩成为可能23多尺度在线过程数据压缩算法利用小波变换对过程数据实现压缩，主要依靠建立多尺度树来实现根据小波变换的特性，轮廓系数主要包含低频高幅成分，体现信号的主要基本特征，而细节系数主要包含高频低幅成分过程数据压缩属于有损压缩，主要剔除那些不至于影响信号基本特征的小波系数，以实现对信号的压缩口“13本文所描述的算法只剔除细节系数，这一方面由于轮廓系数一般都是高幅系数，只剔除细节系数对压缩比影响不大；另一方面只对细节系数做剔除处理，可以降低计算复杂度，提高运行速度，以满足在线压缩的实时性要求，而且只需保存多尺度树中最后一个需要保存的轮廓系数所对应的尺度、时间信息，即可根据算法推知其他系数的相关尺度、时间信息，这样可以大大的提高压缩比且不影响数据的蘑构针对密炼机转子瞬时功率特性，选取DB2小波，确定最高尺度J及不同尺度J下的阀值THRJC一，B一BR，B分别存储反应变量主要特性的小波系数及必要的尺度时间信息，具体步骤如下；I压缩及存储ITM始化设一OJO，1，J，131，1，JJIF读取转子瞬时功率的采样数据CCQ，B一J，KJ|II建树如果岛一1大于2且能被2整除，根据式14计算尺度J一1下的细节系数DS“K，；如果I面“。I0，其中“表示L面建立该多尺度树所使用的瞬时功率总采样数II读取存储数据，并根据压缩算法的存储规律，计算相应的，、K的值，根据式15、16从存储的最低尺度系数逐层递推至尺度J，只至计算出全部N个瞬时功率值增刊橡胶密炼过程实时数据压缩技术的应用研究2613实验研究本文以2003年11月份采集于华东地区某大型轮胎厂的炼胶分厂3机台转子瞬时功率数据为研究对象共81车数据，应用上述提出的压缩算法对采样进行处理图1A为其中第67车功率曲线，采样周期为1S，混炼时问为194S取最高尺度J8，图1B为采样在尺度8下的轮廓系数CS，图1C为C8对采样数据的传函图1B及表1中对应于CS的相应时域指标值，表示时域中如偏离采样很小，图LC表示CS对采样的传函在50HZ以内偏离0最大处也不超过01分贝，由此可见，CS在时一频域中的都非常逼近采样数据，同时验证了用采样代替高尺度下的轮廓系数是可行的，这使利用小波变换达到在线压缩过程数据的目的成为可能图1密炼过程功率曲线度其小波系数的时频域特性F蟹1CHARACTERISTICOFTHEPOWEL“C82“VEFORRABHERHBU吲NGPROCESSANDITSWAVELETCOEFFICLEATSINTIMEFREQUENLYDOMAIN裹1轮廓系数厦不同压螭啦下重构数格的时城招标TAB1INDEXESTOAPPROXIMATIONCOEFICIENTSANDRECOUSTRUCTEDDATAWITHDIFFERENTCOMPRESSIONRATIONINTIMEDOMAIN试验结果如图2、图3、表1所示，通过图2重构功率曲线原始功率曲线及表】列出的262中国科学技术走学学报第35卷相应评价指标，比较不同压缩比下的重构数据对原始采样数据在时域中的逼近程度，通过图3中传函TFE，比较不同压缩比下的重构数据对原始采样数据在频域中的逼近程度151050204050801001201401601802001510502040608010012014016018020015奎1、0502040608010012014016018020015L05020406080100120140160180200】，51050ZO406080100120140160180200FS圉2时域中不同压缩比下的重构数据和采样数据的比较赡2RAWDATAVSRECONSTRUCTEDDATAWITHDIFFERENTCOMPRESSIONRATIOINTIMEDOMAIN密炼机转子功率曲线的波动情况可以清楚的反应密炼过程中湿润、分散及捏炼三个阶段，在27S第一次达到峰值，然后逐渐降低，大约80S时降到最低值，标志着湿润过程完成，分散过程开始，功率曲线回升，在119S出现第二次峰值，说明分散过程基本完成，继续混炼，即捏炼过程，进一步增进胶料均匀程序，胶料黏度降低，功率曲线缓慢下降，180S开始排胶图2中的重构功率曲线非常准确清楚的反应了转子功率曲线的这些主要特征表1列出的指标值，PSE最大值为019253，PDM最大值为064284，均低于要求的上限值1；PER最小值为98975，高于下限值98；RVCRVE最大值为10077，最小值为098517均在其上下限11002之间这表明在一定压缩比内，用重构数据代替采样数据来对密炼过程进行质量控制是有效、可行的图3列出了不同压缩比下的传函曲线，这些曲线有一共同特征频率低于50HZ时，传函曲线比较逼近于O，波动也比较小；比较而言，随着频率的增加，曲线波动也增大，即值偏离0较多，特别是频率高于60HZ以后这表明，数据压缩过程中。低频段丢失的信息比较少，而高频段丢失的信息比较多，这主要是由压缩过程中剔除反应高频信息的小波细节系数引起的这个符合数据压缩对混炼功率数据预处理的目的，因为采样信号中的冗余不相关信增刊橡胶密炼过程实时教据压缩技术的应用研究263息，如噪声等，多是高频低幅值的”砷00加，用2图3不同压缩比下重构数据对采样数据的传函TFE聪3TRANSFORFUNCTIONESTIMATETFEVSDIFFERENTCOMPRESSIONRATIONFORTHEDATASET实验结果显示，随着压缩比的增加，重构数据对采样数据的逼近程度下降表1中，PSE、PDM、RVCR一1都有随着压缩比增加而增大的趋势，PER有随压缩比增加而减小的趋势，图3中，传函曲线也有随压缩比增大而波动增加的趋势，表明时一频域中，重构数据对采样数据的逼近程度随压缩比增加而降低由于压缩比增大，重构数据丢失信息增加，保真度降低，因此数据压缩过程一定要选择合适的压缩比，既要做到对采样数据预处理，剔除冗余，节约存储空间，又要保证重构数据达到一定的保真度，以满足橡胶密炼生产过程质量控制对数据保真度的要求根据试验，对于转子瞬时功率数据，采用335的压缩比比较合适4结束语通过对密炼机转子瞬时功率数据实时在线压缩的实验研究，验证了本文提出的基于DB2小波变换的过程数据压缩方法的有效性试验结果显示，重构数据不仅能很好的反应采样的时域特征，也能很好的反应采样的频域特征，能够满足当前工业过程质量控制的需要这也是使用小波变换进行数据压缩相对于传统方法的主要优点之一由于小波的种类繁多，进一步的研究可以考虑如何选择合适的小波，并通过引入其他能够反映过程可操作性和优化方面的标准，提高算法的自适应性，从而提高数据压缩的综合品质，更好的满足生产过程质量控制的需要中国科学技水大学学报第35巷参考文献1MAT也WJWATSON，ANTONIOSLIAKOPOULOS，和瞬时功率控制法提出10年的回顾IF橡DRAGANABRZAKOVIE，ETA1APRACTICALAS胶工业，2003，50316319SESSMENTOFPROCESSDATACOMPRESSIONTECH83张海，马铁军，钟容密炼机混炼过程功率曲NIQUESDINDENGCHEMRES，1998，线的作用J橡胶工业，1999，46232234372672749孙超，王海清，李平橡胶混炼过程在线质量2汤同奎，王豪，邵惠鹤过程数据压缩技术综预报专家系统J橡胶工业，2004，51述J计算机与应用化学，2000，17193428431197DONINAFTHORNHILL，MAASHOUKATCHOUDHU3BHAVIKRBAKSHI，GEORGESTEPHANOPOULOSRY，SIRISHLSHAKTHEIMPACTOFCOMPRESSIONCOMPRESSIONOFCHEMICALPROCESSDATABY02DATADHVENPROCESSANALYSESJJOURNALFUNCTIONALAPPROXIMATIONANDFEATUREEXTRACOFPROCESSCONTROL，2004，14389398TIONJAICHEJ1996，4247749211SIDNEYBURRUS，RAMESHAGOPINATH，HA_ITAO4高彦臣，杨殿才，王海清橡胶智能密炼集成GUOINTRODUCTIONTOWAVELETSANDWAVELET控制软件及其实施效果分析A国际橡胶TRANSFORMSMPRENTICEHALLINC，1998会议IRC论文集C2004，Z；27728012MISRAM，KUMARS，QINSJ，SEEMANNN5杜军，袁仲雪材料配合与混炼加工橡胶部OALIAEDATACOMPRESSIONANDERRORANALY分M北京化学工业出版社，2003SISUSINGWAVELETTECHNOLOGYJAICHE6宋凯，王海清，李平息递推PLS算法及其J，2000，46119132在橡胶混炼质量控制中的应用33化工学133赵众，顾幸生，蒋慰孙基于小波变换的化工报，2004，55942946生产过程数据分析口华东理工大学学报，7张海，马铁军等密炼机橡胶混炼流变理论1998，24192197REALTIMEDATACOMPRESSIONTECHNIQUEANDITSAPPLICATIONTOTHER