（控制理论与控制工程专业论文）基于变精度粗糙集的链箅机回转窖球团矿专家系统的开发.pdf

-署耄扣；尹。 叶 at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g d e v e l o p m e n t o ft h eg r a t e k i l np e l l e t s y s t e mb a s e do nv p r s b ym af e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gj i a n h u i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 ，j ，! i 、一 3 ， t 本人声明，所呈交的 的研究成果除加以标注和 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 二f l 忌。 学位论文作者签名：马飞 日期：如d 9 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 入 ， 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：马飞 签字日期：如0 9 6 两年回 导师签名：砂静揖 签字日期：撕 、00 1研 i 伊 东北大学硕士学位论文 基于变精度粗糙集的链箅机一回转窑球团矿专家系统的开发 摘要 链箅机一回转窑球团工艺是一种新型的球团矿生产工艺，一经问世就得到了世界各 国钢铁企业的重视。现代球团矿烧结过程非常复杂，有热辐射、热传导，也有热对流， 各工艺参数和操作参数之间相互耦合，并具有许多不确定因素，如压力、燃烧热值的波 动等，这就使得生产过程具有大滞后性、时变性和强耦合性。目前大多数生产厂家还处 于手动操作状态，工人凭借经验去操作，具有很大的不确定性。一旦生球质量、料层厚 度或各段温度发生变化，如果不能及时调整某些工艺、操作参数，就会影响成品球团矿 的质量，而且还关系到设备的可靠运转。 针对以上情况，本文设计了基于变精度粗糙集v p r s ( v a r i a b l ep r e c i s i o nr o u g hs e t ) 的链箅机一回转窑球团矿专家系统，以减少控制过程中的人为因素，提高成品球团矿质 量。由于链箅机一回转窑球团矿生产过程涉及到很多参数，数据量庞大，本文采用基于 变精度粗糙集理论的数据挖掘技术，找到可在线测量参数与球团矿质量之间的关系，在 一定程度上解决了专家系统知识获取的“瓶颈 问题。 本文首先介绍链算机一回转窑球团矿生产的工艺和专家系统的基本结构，然后在学 习粗糙集理论的基础上，深入研究变精度粗糙集理论。变精度粗糙集模型是在标准粗糙 集模型中引入了正确分类率卢，放松了对标准粗糙集模型近似边界的严格要求，增强了 粗糙集模型的抗干扰能力和对新数据的预测能力。因此，本文提出一种基于卢近似集、 条件属性核和互信息属性重要度的决策表简化方法，应用m a t l a b 编程实现；在此基 础上，利用基于变精度粗糙集理论的数据挖掘技术，对链箅机一回转窑生产过程数据进 行处理，找出生产过程中影响球团矿质量的关键因素，并由此得出产生式规则；基于这 些规则，利用a c c e s s 数据库，以v i s u a lb a s i c 作为开发平台，构建链箅机一回转窑生产 过程控制专家系统，该系统具有球团矿质量预测、控制决策和质量评估三重功能；最后， 对此专家系统进行了测试，测试结果表明此系统是有效的，对于改善球团矿质量，提高 企业效益有很好的参考价值。 关键词：链箅机一回转窑；球团矿；变精度粗糙集；球团矿质量；专家系统；数据挖掘 寸 入；、譬 r 。力 t ，l t j 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n t o ft h eg r a t e - k i l ne x p e r ts y s t e m b a s e do nv p r s a b s t r a c t t h eg r a t e - k i l nm e t h o di san e wk i n do fp e l l e tp r o d u c t i o np r o c e s sr e g a r d e db yi r o na n d s t e e lc o r p o r a t i o n si nt h ew o r l da ss o o na si tc o m e so u t m o d e mp e l l e tp r o d u c t i o np r o c e s si s v e r yc o m p l i c a t e d f i r s t l y ，t h e r e a r et h e r m a lr a d i a t i o n ，h e a tc o n d u c t i o n ，a n dt h e r m a l c o n v e c t i o ni nt h es y s t e m s e c o n d l y ，t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa r e s t r o n g l yc o u p l e dw i t he a c ho t h e r t h i r d l y , t h e r ea r em a n yu n c e r t a i nf a c t o r s ，s u c ha sp r e s s u r e a n df l u c t u a t i o n so fh e a tv a l u e s o ，t h eg r a t e - k i l nw a yo fp e l l e tp r o d u c t i o ni sam u l t i v a r i a b l e a n ds t r o n g l yc o u p l e dp r o c e s sw i t ht i m ed e l a y s n o w , i nt h em o s tf a c t o r i e s ，t h ew o r k e r sc o n t r o l t h es y s t e mr e s o r t i n gt oe x p e r i e n c ei nm a n u a ls t a t ew i t hg r e a tu n c e r t a i n t y o n c et h et h i c k n e s s o ft h em a t e r i a lo rt h et e m p e r a t u r eo ft h eg r a t e - k i l np e l l e tc h a n g e ，a n dt h ew o r k e r sc a nn o t a d j u s tt h e mi nt i m e ，t h eq u a l i t yo fp r o d u c t sa n dt h er e l i a b l eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t w i l lb e a f f e c t e d f o rt h ea b o v e ，t h eg r a t e k i l np e l l e te x p e r ts y s t e mb a s e do nv p r s ( v a r i a b l ep r e c i s i o n r o u g hs e t ) i sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dt og u i d et h ep e l l e tp r o c e s si nt h et h e s i s ，a i m i n gt o r e d u c ej a m m i n gi nt h ep r o c e s sc o n t r o la n di m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ef i n i s h e dp e l l e t s t h e p r o c e s so ft h eg r a t e - k i l np e l l e ti n v o l v em a n yp a r a m e t e r sa n dh u g ev o l u mo fd a t a ，a n dt h ed a t a m i n i n gm e t h o db a s e do nv p r s h e r ei su s e dt oa c q u i r ek n o w l e d g ef r o ml o t so fd a t ac o l l e c t e d i nt h ep r o c e s sa n df i n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no n - l i n em e a s u r e m e n tp a r a m e t e r sa n dp r o d u c t q u a l i t y m o r eo v e r , t h em e t h o dc a ns o l v et h eb o t t l e n e c kp r o b l e mo ft h ee x p e r ts y s t e mt oa c e r t a i ne x t e n t i nt h i sp a p e r ，t h es t r u c t u r ei sa sf o l l o w s f i r s t ，t h eg r a t e - k i l np e l l e tm e t h o da n dt h eb a s i c k n o w l e d g eo fe x p e r ts y s t e ma r ei n t r o d u c e d s e c o n d ，r o u g hs e tt h e o r yi sc a r e f u l l yd i s c u s s e di n t h et h e s i s ，g i v i n gm o r ee m p h a s i so nv p r s v p r sm o d e l ，i n t r o d u c e sf r o mt h es t a n d a r dr o u g h s e tm o d e lf o rt h ec o r r e c tc l a s s i f i c a t i o nr a t e 卢a l s o ，v p r sr e l a x e st h ed e m a n d so ft h e a p p r o x i m a t eb o r d e ro fs t a n d a r dr o u g hs e tm o d e l ，s t r e n g t h e n sa n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t i e so ft h e r o u g hs e tm o d e la n dt h ep r e d i c t i v ec a p a b i l i t yo fn e wd a t a t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa n a l g o r i t h mf o ra t t r i b u t er e d u c t i o nb a s e do n $ s i m i l a rs e t ，c o r eo ft h ea t t r i b u t ec o n d i t i o n sa n d -!o-v i v j ? 罗 ，f 东北大学硕士学位论文 独创性声明 摘 a b s t r a c t 甲 第1 章绪论1 1 1 课题研究的历史背景及意义1 1 2 链箅机一回转窑研究现状及发展动态。3 1 3 基于粗糙集理论的数据挖掘4 1 3 1 粗糙集4 1 3 2 基于粗糙集理论的数据挖掘6 1 4 专家系统的发展与研究现状7 1 5 本文的主要工作8 第2 章链箅机一回转窑球团矿工艺9 2 1 链箅机一回转窑工艺流程9 2 1 1 铁精矿的配料、干燥与辊磨系统1 0 2 1 2 混合、造球与布料系统1 0 2 1 3 生球的干燥与预热系统1 1 2 1 4 氧化焙烧系统1 2 2 1 5 成品球团矿冷却系统。1 3 2 2 球团矿的质量指标与检验标准1 3 2 2 1 物理性能指标1 3 2 2 4 冶金性能指标1 4 2 3 本章小结1 4 t第3 章专家系统的基本理论1 5 3 1 专家系统的类型与特点1 5 ， 3 1 1 专家系统的类型。1 5 3 1 2 专家系统的一般特点1 6 3 2 专家系统的组成与结构1 6 3 3 专家系统的知识表示1 8 3 4 专家系统的推理机制1 9 3 4 1 推理方法1 9 3 4 2 控制策略2 0 v 目录 ：! 1 ) ：1 1 ：! ：! 理论的数据挖掘一2 3 2 ：； 2 ：； ：! ：； ：! z i ：1 7 4 3 1 变精度粗糙集的近似集2 7 4 3 2 正确分类率、分类质量2 8 4 3 3 基于互信息的属性重要度2 8 4 3 4 变精度粗糙集理论的特点2 9 4 4 变精度粗糙集属性约简2 9 4 4 1 变精度粗糙集属性约简的启发式算法3 0 4 4 2 变精度粗糙集属性约简启发式算法的函数3 1 4 5 算例分析3 5 4 6 本章小结3 6 第5 章链箅机一回转窑球团矿生产过程的数据挖掘3 7 5 1 数据的预处理3 7 5 1 1 数据的采集3 7 5 1 2 属性的选择3 7 5 1 3 噪声数据的处理3 8 5 1 4 可测参数与成品球质量之间的时序关系一3 8 5 1 5 属性的离散化。3 9 5 2 初始决策表的形成4 2 5 3 决策表的一致性分析4 2 5 4 变精度粗糙集属性约简算法4 3 ， 5 5 本章小结4 5 、 f 第6 章链算机一回转窑球团矿专家系统的设计与实现4 7 _ 6 1 链算机一回转窑球团矿专家系统的结构设计4 7 6 2 链箅机一回转窑球团矿专家系统的具体实现4 8 6 2 1 链算机一回转窑球团矿专家系统的开发环境一4 8 6 2 2 知识库的设计与实现。4 8 6 2 3 推理机的设计5 l 6 2 4 解释机制的设计5 7 v i 东北大学硕士学位论文 6 2 5 链算机一回转窑球团矿专家系统主要界面的设计与实现5 9 6 3 链算机一回转窑球团矿专家系统测试6 6 6 4 本章小结6 7 第7 章总结与展望6 9 参考文献7 1 l 一，督) 致谢7 5 ， v 1 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的历史背景及意义 随着国际、国内市场的不断发展，对产品质量的要求越来越高，因此追求高质量的 产品、低成本的消耗成为企业能否在激烈的市场竞争中立于不败之地的首要保证。我国 钢铁企业的劣势之一是铁矿资源品质差，铁精矿质量低，成本高。因此，经济合理地提 高铁精矿质量是我国钢铁行业应对严峻挑战的有效措施之一。企业在面对入世后钢材市 场激烈竞争的局面，要求生存，求发展，在市场竞争中立于不败之地，必须提高产品质 量，降低生产成本，才能与国际市场接轨。 近年来，在全球铁矿资源中，已探明的品位大于4 0 的铁矿石约为8 5 0 0 亿吨【。 我国铁矿储量居世界第五位，其中含铁5 0 以上的富矿却仅占已探明储量的4 左右， 绝大部分为含有害杂质( p 、s 、p b 、z n 、a s ) 的贫矿。全世界范围内，欧美等国铁矿 石的入选比为8 3 - 9 3 ，而我国高达9 5 以上的铁矿石须进行预先选矿。这类矿石需 细磨精选造块后才能入炉冶炼。随着钢铁工业的发展，炼铁所需原料将愈来愈大，而可 供直接入炉的富块矿却愈来愈少。球团矿作为人造富矿之一，由于其特有的冶金性能而 成为当今冶炼炉料中不可缺少的重要组成部分。 目前，球团矿的主要生产方法有竖炉法、带式焙烧机和链箅机一回转窑法l2 1 。 竖炉焙烧工艺是世界上最早采用的球团矿焙烧方法。采用这种方法的生球，其干燥、 预热、焙烧、冷却都在一个矩形竖炉内进行和完成。虽然工艺简单、结构紧凑、投资较 少，但是这种工艺方法在理论上存在着固有的、难以克服的缺陷，如生产的成品球团矿 的强度低、含粉率高、均匀性差、对原料的适应性差和单炉产量低等，而且只能采用气 体燃料，使这一方法的使用受到了限制，满足不了大型高炉对球团矿的质量要求。 随着钢铁生产规模的迅速扩大和生产设备的大型化，竖炉工艺很快被带式焙烧机和 链算机一回转窑工艺所取代，这两种生产工艺生产的球团矿质量好、强度高、冶金性能 好，工艺原料的适用范围广，设备产量高，适合大规模生产，同时两者均可以采用气体 和液体燃料，而且后者也可以采用固体燃料。我国的能源资源以煤为主，以煤为燃料更 符合我国的国情，所以链箅机一回转窑工艺更适合我国球团矿的生产。 链箅机一回转窑最早用于水泥工业。美国爱罩斯一哈默斯于1 9 6 0 年在亨博尔球团 厂建成了世界上第一套生产铁矿球团的链箅机一回转窑。这是一种新型的球团矿生产工 艺，一经问f i = 就得到了世界各冈钢铁企业的重视，并获得迅速的发展。球【习1 矿因其良好 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的冶金性能，使得它自2 0 世纪6 0 年代以来得到很大的发展。据统计，2 0 世纪6 0 年代 初链箅机一回转窑的生产能力仅占世界球团矿总生产能力的3 7 ，2 0 世纪6 0 年代中期 以后开始成倍增长，2 0 世纪7 0 年代初该法生产能力达到当时总生产能力的2 5 8 。至 目前为止，链箅机一回转窑球团矿生产能力已占世界球团矿总生产能力的3 3 以上i l j 。 与其它两种工艺方法相比，链箅机一回转窑球团矿生产方法具有以下的优点1 2 】： ( 1 ) 根据球团矿在升温焙烧过程中强度变化的特点，把热工工艺制度分别置于三 个设备上来进行。在链箅机上实现生球的干燥和预热，在回转窑中进行高温焙烧，在冷 却机中进行冷却，按照不同的温度要求，使设备比较容易实现既定的热工制度并得到保 证： ( 2 ) 对原料的适应性更强。它不但适应于磁铁矿、赤铁矿和褐铁矿、菱铁矿，而 且在原料性质有所变化的情况下，也可靠调整三个设备的速度求得一定程度的适应； ( 3 ) 燃料不但可用煤气和重油，而且可以1 0 0 的使用煤粉，也可混合使用两种燃 料； ( 4 ) 产品的质量高且更为均匀，由于球团矿干燥和预热是在链箅机上进行的，布 料平整，料层相对静止，在正确的热工制度下，不会产生球团矿的粉碎；球团矿的焙烧 阶段是在窑内进行，窑内温度可以达到焙烧所要求的温度，使球团矿得到充分固结；同 时，由于球团矿得到均衡的翻滚，使得总体质量很均匀，保证了球团矿焙烧的最终质量 要求。 ( 5 ) 实现了球团矿生产的大型化，其规模效益特别明显，能耗也低。 我国球团矿生产发展在相当长时期内一直处于企业数量少、规模小、水平低，“小 而散”的生产状态，所生产的球团矿品位低、冶金性能差、质量不稳定，无法满足高炉 生产的需要。随着我国炼铁工业逐渐形成的以高碱度烧结矿合理配用酸性球团矿为主要 形式的高炉炉料结构的确立，尤其是现代炼铁工艺对原料的苛刻要求，促使球团矿成为 高炉炉料的重要组成部分。近十多年来，我国球团矿生产得到较快发展，年产量达到3 0 0 0 万吨，但仍仅占高炉炉料的1 0 左右，与国外高达5 0 甚至更高的比例相比，相差甚 远，我国球团矿生产仍有很大的潜力可以挖掘【3 j 。 年产1 0 0 0 万吨钢的鞍钢【4 】是个铁矿石需求大户，在取得了炼铁系统高炉现代化、大 型化改造的历史性突破后，鞍钢把年产1 6 0 0 力- 吨钢定为最大的发展目标，铁矿石的供 应成为了重要一环。球团矿被称为高炉的“精料”，具有品位高、碱度低、强度好、透 气性强等特点。为此鞍钢在进行多番论证后，决定建立年产2 0 0 万吨球团矿生产线。该 生产线采用链箅机一回转窑工艺，将生产出铁品位6 5 5 、二氧化硅含量5 左右的球 2 i ， t ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 团矿，其产品质量将达到世界一流球团矿的技术标准，是鞍钢新一号高炉等当代大高炉 炼铁生产的优质炉料。本文以鞍山弓长岭球团厂为背景进行研究。 钢铁工业对原料要求的日益提高和设备的大型化发展，对球团矿烧结过程控制提出 了更高的要求。现代球团矿烧结过程非常复杂，有热辐射、热传导，也有热对流，各工 艺参数和操作参数之间相互耦合，并具有许多不确定因素【5 j ，如压力、燃烧热值的波动 等，这就使得生产过程具有大滞后性、时变性和强耦合性。一旦生球质量或料层厚度发 生变化，不能及时调整某些工艺、操作参数，就会影响成品球的质量，而且还关系到设 备的可靠运转。可见，链箅机一回转窑系统热工参数的及时控制和调节是球团矿生产的 关键环节之一，关系着成品球团矿的质量。 跨入新世纪，我国球团矿生产有了飞跃发展。不但产量有了长足的进步，而且加快 了球团矿生产设备向大型化迈进的步伐。同时，球团矿的质量也有很大的改善，如球团 矿的强度和铁品位都有很大的提高。因此在今后的工作中，在关注球团矿发展的同时， 我们更需要关注的是改善球团矿的质量。利用基于变精度粗糙集理论的链箅机一回转窑 专家系统的设计，来找到可在线测量参数和成品球团矿抗压强度的数量关系，这对提高 球团矿生产质量颇为重要。因此，开发链箅机一回转窑专家系统，有着重要的理论和现 实意义。 1 2 链箅机一回转窑研究现状及发展动态 球团矿的生产在世界已有五十年以上的历史，到上世纪8 0 年代初已达到全盛时期， 其理论研究、生产工艺和装备技术都相当成熟。文献 6 介绍了北京首钢设计院率先开 发的适合我国国情的、以煤为燃料的链箅机一回转窑球团矿工艺技术，并介绍了其工艺 和设备技术的研究、设计和推广应用，为利用我国自有知识产权( 主机设备完全立足于 国内制造) ，为建设大中型球团矿生产线创出了一条新路；文献【7 】中介绍6 0 万吨链箅机 一回转窑工程已于2 0 0 4 年1 2 月2 日点火开窑。其工艺设计采用了多项新工艺、新技术 和新设备，总体装备达到了国内同类链箅机一回转窑领先水平，设计充分体现了先进和 环保的理念，为实现链箅机一回转窑“先进、高产、优质、低耗”创造了良好条件。文 献【8 1 是众多国内外文献中少有的专门解决链箅机一回转窑法球团矿生产过程中所存在 的控制问题而发表的论文，作者根据链算机原有喷煤系统现状，详细分析了原有喷煤系 统存在的问题，阐述了实施链箅机温度自动控制的意义、实施过程及取得的效果和经济 效益。 近年来，由于直接还原铁生产的迅速发展和高炉中球矿的使用量增加，有了扩大 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 生产规模的契机。据联合国贸发会议( u n c t a d ) 统计，2 0 0 6 年世界球团矿产量达到 创纪录的3 4 8 亿吨，2 0 0 7 年全球球团矿产量再增加2 6 0 0 万吨，达到3 4 9 亿吨，而2 0 0 8 年全球球团矿产量预计将达到3 8 4 亿吨。分析指出，增产主要是由于随着炼钢产能的迅 速扩张，全球球团矿需求持续强劲增长。为满足旺盛的需求，新建扩建球团矿产能进行 得如火如荼，大部分都集中在巴西。新建5 0 0 0 万吨球团矿产能大都在2 0 0 8 年投产，当 2 0 0 9 - - 2 0 1 0 年新建产能达产后，全球球团矿产量将达到甚至超过4 亿吨。由巴西v a l e 公司( c v r d 公司) 控股2 5 ，中国合作伙伴控股7 5 ，合资组建的珠海y p m 公司计 划在广东珠海新建1 2 0 万吨球团厂。v a l e 公司将在今后3 0 年向该厂提供球团矿原料。 此外，中国鞍钢与澳大利亚资源开采商g i n d a l b i e 公司在辽宁营口新建4 0 0 万吨球团厂。 随着优质球团矿生产的成功，膨胀、低温还原粉化和高炉布料过程中的滚动问题的 克服，球团矿在高炉冶炼中的优越性越来越明显。因而，在高炉炼铁原料中的用量和比 例都有较大幅度的提高。根据球团矿供应的情况和现有造块设备的能力状况，在当前高 炉炼铁技术最先进的西欧，其球团矿的用量比例平均已高达3 0 - 7 0 。 链箅机一回转窑球团矿生产工艺流程包括精矿配料、精矿干燥、辊压、膨润土与除 灰尘配料、混合、造球、生球布料、生球干燥、预热、氧化焙烧、冷却及成品输出等部 分【l , 9 1 。此法已经在国内外取得了广泛的应用，但是由于其生产过程具有大滞后性、时变 性和强耦合性的特点，传统的控制手段往往无法获得令人满意的控制效果，目前国内大 多数生产厂家还处于手动操作状态，这就使得生产过程受人为因素的影响过多，具有很 大的不确定性【5 j ，从而使得生产的成品球团矿一级品率较低。 链箅机一回转窑法的长期生产实践积累了大量的生产过程数据和手工操作经验，本 文考虑将这些大量的过程参数值存入数据库中，借助于变精度粗糙集理论进行数据挖 掘，分析哪些过程参数是决定产品质量的关键因素，从而形成指导工人生产的规则，最 终建立起基于这些规则的链箅机一回转窑专家系统，对链箅机一回转窑生产过程进行控 制指导与决策，提高企业的经济效益。 1 3 基于粗糙集理论的数据挖掘 1 3 1 粗糙集 粗糙集r s ( r o u g hs e t ) 理论是波兰数学家z p a w l a k l l o l 于1 9 8 2 年提出的一种处理 不确定性问题的新型数学工具，它的主要目的是对不完整数据进行分析、推理，发现数 据问的关系，提取有用的特征，简化信息处理，进而研究不精确、不确定知识的表达、 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 学习、归纳方法等。1 9 9 1 年z p a w l a k 出版了专著( ( r o u g hs e t s t h e o r e t i c a la s p e c t so f r e a s o n i n ga b o u td a t a ) ) i l l 】，该著作系统的阐述了粗糙集理论，奠定了严密的数学基础。 在数据挖掘的诸多方法中，统计学需要概率分布，证据理论需要基于概率赋值，模糊集 理论需要隶属函数，而粗糙集理论对于处理复杂系统有比较明显的优势，它不需要数据 集之外的任何预备的或额外的信息，比较客观。此外，该理论与其它处理不确定性问题 的理论有很强的互补性。 在我国，粗糙集的研究虽然起步较晚，但发展迅速。目前已广泛应用于医疗辅助诊 断【1 2 , 1 3 】、故障诊断【1 4 , 1 5 】、过程控制【1 6 l 、图象处理【1 7 1 、预测建模【1 8 】、文本分类【1 9 1 、电力 系纠2 0 1 、质量监督管理等诸多领域，尤其是为数据挖掘和知识发现领域提供了一种有 效而新颖的理论【2 引。本文把z p a w l a k 粗糙集称为经典粗糙集。 经典粗糙集理论和其他处理不精确与不确定性的方法相比具有独特之处，然而仍然 存在着某些片面性与不足之处。目前，大多数成功的应用，都从不同的侧面对经典粗糙 集理论进行了扩展。实践应用研究表明经典粗糙集理论存在一定局刚2 3 l ： ( 1 ) 经典粗糙集模型中，分类建立在经典集合论的观点上，不允许分类具有不确 定程度或错误。而实际获得的数据，在分类过程中，不确定程度可能导致对所分析数据 属性更深一步的理解和更好的利用； ( 2 ) 所考虑数据对象的论域已知并且所有从这个模型中得到的结论仅仅适合于这 个模型集合的对象。实际的应用中需要将从实例对象很小的模型中得到的规则进行泛 化，使它能够适应更大的集合，即能够很好的匹配新对象。 针对以上这些缺陷，研究者们结合其它软计算理论方法对经典粗糙集理论模型进行 了不同的扩展，如结合模糊理论提出了粗糙模糊集模型、模糊粗糙集模型，结合概率统 计思想提出了统计( 或概率) 粗糙集模型等等，并从代数和信息论两种不同的角度对粗 糙集理论进行扩展和完善。针对经典粗糙集模型容噪能力差的缺陷，w z i a r k o 教授于 1 9 9 3 年提出了变精度粗糙集v p r s ( v a r i a b l ep r e c i s i o nr o u g hs e t ) 模型的思想l2 4 1 。自从 引入变精度粗糙集模型以后，粗糙集理论对噪声数据的处理能力就翻开了新的一页。国 内外的众多学者纷纷从理论上对其进行研究，它的实际应用也越来越广泛，变精度粗糙 集模型是对经典粗糙集理论的很好扩展。目f j i ，变精度粗糙集理论已在众多领域成功应 用，如经济预测、多标准决策表发现概率规则、故障特征选择与诊断、矿石品味估算、 裂缝分析等等。变精度粗糙集模型以其对噪声数据、海量数据处理的独特优势在实际应 用中越来越受到人们的关注，这将进一步推动陔理论的发展与完善。 5 笫1 章绪论 和有决策的分 潜在的、有用的、不易被直观发现的规律、模式，实际上这就是所谓的“数据挖掘”。 典型的基于粗糙集理论的数据挖掘过程包括数据采集、预处理( 数据离散化) 、数 据约简、决策规则生成、分类预测等步骤【矧。 ( 1 ) 数据采集 数据采集将原始数据转换成粗糙集可以理解的信息系统和决策表的形式，这依赖于 原始数据的存储格式。 ( 2 ) 数据预处理 数据预处理简单的讲就是对不完整的数据作必要的补充，主要包括对连续信息进行 离散化【明、数据的泛化与转换。目前来讲，主要有三种处理离散化信息的方法：等宽区 间法、等频区间法、启发式算法，详细内容见5 1 5 节。数据泛化与转换主要针对离散 化的数据进行属性及属性值的合并等相关操作。 ( 3 ) 数据约简 数据约简是最关键的步骤之一，是粗糙集理论用于数据分析的核心，数据约简的核 心思想是在保持目标信息系统决策属性和条件属性之间的依赖关系不发生变化的前提 下，对决策表进行约简。数据约简包括属性约简和属性值约简，属性约简指约去冗余的 属性，而属性值约简在属性约简的基础上约去过剩的属性值。 ( 4 ) 决策规则生成 决策规则生成是根据属性和属性值的约简结果，产生相应的决策规则，对于不一致 的决策规则进行分析处理，从而可以最大限度地获取协调规则。 ( 5 ) 分类预测 最后根据产生的规则进行分类预测，挖掘出有价值的信息。尽管粗糙集理论对模糊 和不完全的知识处理比较出色，但对原始模糊的数据处理能力较弱，因此，近几年，粗 6 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 糙集理论与机器学习理论、模式识别、数据库理论相结合，并融合了其它一些软计算方 法，如证据理论、模糊理论、神经网络等的研究成果不断出现。变精度粗糙集也随之产 生，这极大地增强了处理问题的能力。 1 4 专家系统的发展与研究现状 专家系统e s ( e x p e r ts y s t e m ) 是人工智能应用研究的主要领域【2 8 , 2 9 l 。一般地说，专 家系统是一个智能计算机程序系统，其内部具有大量专家水平的某个领域知识与经验， 能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决该领域的问题。也就是说，专家系统 是一个具有大量专门知识与经验的程序系统，它利用人工智能技术，根据某个领域一个 或多个人类专家提供的知识和经验进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以解决 那些需要专家解决的问题。简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计 算机程序系统【删。 专家系统是人工智能应用研究最活跃和最广泛的领域之一。1 9 6 8 年美国斯坦福大学 研制出了根据化合物的分子式及其持谱数据帮助化学家推断分子结构的计算机程序系 统d e n d r a l ，该系统获得了巨大的成功，解决问题的能力已达到专家水平，在某些方 面甚至超过了同领域的化学专家，它的出现标志着人工智能的一个崭新应用领域一专家 系统的诞生。 2 0 世纪7 0 年代被称为专家系统的成熟期。专家系统的观点逐渐被人们广泛接受， 先后出现了一批卓有成效的专家系统，这些系统涉及医疗、自然语言处理、数学、教学、 地质等多个应用领域，其中，对专家系统技术发展作出特殊贡献的典型系统有：m y c i n 、 c a s n e t 、h e a r s a y 、p r o s p e c t o r 等，涉及专家系统的主要技术有人机接口、解释 功能、自学能力、不精确推理技术以及知识的概念等，这些技术的研究和应用，标志着 专家系统技术已基本成熟。 2 0 世纪8 0 年代和2 0 世纪9 0 年代初期，专家系统的研究进入了一个新的阶段。首 先是数量增多，另外是专家系统的应用领域拓宽，广泛地应用于医学、地质勘探、石油 天然气资源评价、数学、物理学、化学的科学发现以及企业管理、工业控制、经济决策 等方面。在上述领域所起到的作用为：解释、预测、诊断、故障排除、设计、规划、监 视、修正、教学和控制等。从这个阶段开始，专家系统的研究走出了大学和研究机关而 广泛地进入产业界。 2 0 世纪9 0 年代术期到现在，随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，人们对 专家系统的研究转向了与知识工程、模糊技术、实时操作技术、神经网络技术、数壬( i ；库 7 第1 章绪论 起“共同语言 。同一领域的不同专家可能对同一问题有不同的看法，或者说从不同的 角度对同一问题进行回答，这就使得专家系统的开发者有一个去伪存真的反复过程。知 识获取所要研究的另一个问题就是如何充分发挥知识库的作用，要不断的修改和更新知 识库，删除过时的知识，增加新的知识，使一个知识库所包含的知识量在一个合适范围 内，从而提高系统的效率【羽。本文采用基于变精度粗糙集的数据挖掘方法，从海量的生 产过程数据中自动的获取专家知识，从一定程度上解决专家系统知识获取的“瓶颈”问 题。 1 5 本文的主要工作 本文对链算机一回转窑球团矿生产的工艺流程进行了详细的分析和研究；在学习粗 糙集理论的基础上，深入学习了变精度粗糙集理论，进而采用基于变精度粗糙集的数据 挖掘方法，对链箅机一回转窑过程数据进行处理，研究构造出一个可进行在线指导的专 家系统。本文的主要工作如下： ( 1 ) 通过分析链箅机一回转窑球团矿生产的工艺流程以及球团矿的质量指标，找 出影响球团矿质量的主要参数； ( 2 ) 探讨专家系统的基本知识，明确专家系统的构造方法和步骤： ( 3 ) 研究基于变精度粗糙集理论的数据挖掘技术。在学习粗糙集、变精度粗糙集 理论的基础上，提出一种基于近似集、条件属性核和互信息属性重要度的决策表简化 方法，应用m a t l a b 编程实现，并进行实例分析； ( 4 ) 对链箅机一回转窑球团矿生产过程的大量参数进行数据挖掘。先对数据进行 预处理，再采用上述决策表简化方法，找出生产过程中影响球团矿质量的关键因素，从 而得到大量的产生式规则，采用a c c e s s 数据库，基于v b 程序开发平台建立链算机一 回转窑球团矿专家系统，并对该系统进行测试。 8 ， 东北大学硕士学位论文第2 章链箅机一回转窑球团矿工艺 第2 章链箅机一回转窑球团矿工艺 链箅机一回转窑工艺是一种新型的球团矿生产工艺，由于该工艺生产的球团矿质量 好、强度高、冶金性能好，工艺原料的适用范围广，设备产量高，适合大规模生产，同 时可以采用气体、液体和固体燃料，因此该方法一经问世就得到了世界各国钢铁企业的 重视，并获得迅速的发展。 链箅机一回转窑是一种联合机组，包括链箅机、回转窑、冷却机及其附属设备【1 1 。 这种球团工艺的特点是干燥预热、焙烧和冷却过程分别在三台不同的设备上进行。生球 首先在链箅机上进行干燥、脱水、预热，然后进入回转窑内焙烧，最后在冷却机上完成 冷却。本章将详细介绍链箅机一回转窑球团矿生产的工艺过程。 2 1 链箅机一回转窑工艺流程 链箅机一回转窑球团矿生产的工艺流程【1 ，9 1 一般包括精矿配料、精矿干燥、辊压、膨 润土与除灰尘配料、混合、造球、生球布料、生球干燥、预热、氧化焙烧、冷却及成品 输出等。其工艺流程如图2 1 所示。 润湿 散料 混合精矿i 膨润土 配料 生球破碎 散料 水 灰尘 水 望鱼堡皇i 遗蚓 煤气烧嘴l 孬面翮 哑璺妇 图2 1i ：艺流烈l ! 警 f i g 2 1f l o wc h a r to ft h et e c h n i c s 9 潞工麟工鼢工槲丁一工一工一 东北大学硕士学位论文第2 章链箅机一回转窑球团矿工艺 2 1 1 铁精矿的配料、干燥与辊磨系统 赤铁精矿原料首先进入铁精矿配料系统中按照一定的比例进行配料。由于精矿水分 一般在1 0 左右，高于成球水份，造球效果差，使得生球质量难以满足链算机一回转窑 球团矿生产的要求，因此经过配料的铁精矿需要进入精矿干燥系统进行干燥，降低铁精 矿水分，为提高造球效率作保障。干燥系统一般采用圆筒干燥机，利用高炉煤气作为热 源，将铁精矿进行干燥，另外设计了旁路系统，当精矿水份满足造球的要求，不需要干 燥时，可由旁路系统将精矿运至下一道工序，即高压辊磨系统。 国外进口的赤铁精矿的粒度较粗，因此有必要利用高压辊磨机。高压辊磨工艺，可 以提高铁精矿的细度，增加铁精矿的比表面积，改善铁精矿的造球性，降低膨润土用量， 对改善物料表面活性和提高生球强度有显著作用。 2 1 2 混合、造球与布料系统 为了保证球团矿化学成分稳定，混合料也是关键工序。因为只有均匀的混合料才能 保证造球过程稳定，降低粘结剂用量，生产出质量均匀的球团矿。 经高压辊磨后的物料，接受膨润土和除尘灰的配料后送往混合室，利用强力混合机 将铁精矿、膨润土与除尘灰进行充分而均匀的混合，其工作原理是靠设备混合工具部位 相向运动，使物料也相向运动而互相穿插渗透，达到混匀目的。混合后的物料由胶带运 输机运至造球室1 3 1 】。 目前球团厂粘结剂主要使用钙基膨润土。膨润土可提高生球的落下强度，在造球过 程中起调节水分的作用，并提高生球的爆裂温度。加入膨润土的先决条件，必须是合适 的