（计算机应用技术专业论文）scies支撑平台及数据采集分析关键技术研究.pdf

摘要 中冶长天烧结综合控制专家系统( s i n t e ri n t e g r a t e dc o n t r o le x p e r t s y s t e m ，s i c e s ) 是为了提高钢铁企业烧结生产的过程自动化控制水 平，提高烧结矿质量、产量以及降低生产能耗而研发的一套管控一体 化系统。 s i c e s 支撑平台及数据采集分析研究中实现了烧结生产控制模 型的分布式管理、实时及自动数据采集以及基于神经网络算法和决策 树算法挖掘最优的控制参数，实现了在满足烧结生产质量和产量的前 提下，使烧结生产能耗最优。本人主要研究内容如下： 1 研发分布式烧结生产控制模型管理系统。基于分布式观察者设 计模式实现了分布式烧结控制模型管理、控制模型参数信息展现以及 对控制模型参数实时在线调整。 2 研发烧结工业指标的即时数据采集和自动数据采集系统。基于 o p c 协议实时采集烧结l l 系统中的瞬时工业指标值，为即时数据展 现和历史数据展现提供支撑。同时，实现自动数据采集系统，从化验 室、公司m i s m e s 以及原料场定时采集数据，并且根据专家经验对 采集的数据进行预处理。 3 烧结生产能耗分析。建立能耗挖掘模型，综合利用数据挖掘中 的决策树算法和神经网络算法，通过对烧结生产历史数据进行分析， 得到最优的控制参数，从而为有效降低生产能耗提供操作指导。 中冶长天烧结综合控制专家系统于2 0 0 8 年2 月进入广东韶钢松 山股份有限公司烧结厂6 号3 6 0 m 2 烧结机现场调试，通过近3 个月的 优化和测试，于2 0 0 8 年5 月正式投入生产运行，目前已经稳定运行 1 2 个月。系统实现了全自动化、智能化控制，节约原料成本、提升 产品质量和产量，产生了显著的经济效益。 关键词烧结，专家系统，数据采集，控制模型管理框架，能耗分析 a b s t r a c t s i n t e ri n t e g r a t e dc o n t r o le x p e r ts y s t e m ( s i c e s ) i sam a n a g e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e mt h a ti sd e s i g n e dt oi m p r o v et h el e v e lo fa u t o m a t i c c o n t r o l ，t h eq u a l i t ya n dq u a n t i t yo fs i n t e rp r o d u c t i o na n dr e d u c et h e c o n s u m p t i o no fe n e r g yf o rs i n t e rp r o d u c t i o ni ns t e e le n t e r p r i s e s t h es t u d yo nd a t aa c q u i s i t i o n & a n a l y s i sa n ds u p p o r tp l a t f o r mi n s c i e sh a sb e e ni m p l e m e n t e dt h ed i s t r i b u t e dm a n a g e m e n to fc o n t r o l m o d e l ，d a t aa c q u i s i t i o na n dm i n i n go ft h eb e s tc o n t r o lp a r a m e t e r sb a s e d o nd e c i s i o nt r e ea l g o r i t h ma n dn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h m t h em i n e d c o n t r o lp a r a m e t e r sm a k et h ec o n s u m p t i o no fe n e r g yt h el e a s tu n d e rt h e c o n d i t i o no ft h eq u a l i t ya n dq u a n t i t yo fs i n t e rp r o d u c t i o na r es a t i s f i e d t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep a p e rd e v e l o p e dt h ed i s t r i b u t e dm a n a g e m e n ts y s t e mo fs i n t e r c o n t r o lm o d e l s t h es y s t e mi m p l e m e n t e dt om a n a g et h ec o n t r o lm o d e l si n d i s t r i b u t e dw a y , s h o wt h ep a r a m e t e r so fc o n t r o lm o d e l sa n da d j u s tt h e p a r a m e t e r so fc o n t r o lm o d e l si nr e a l - t i m eb a s e do nd i s t r i b u t e do b s e r v e r d e s i g np a t t e r n 2 t h ep a p e rd e v e l o p e dt h er e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt h e a u t o m a t i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h er e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m i s d e v e l o p e dt o c o l l e c tt h ei n s t a n t a n e o u sv a l u eo fi n d u s t r i e st a g so r n t a g s ，a n ds u p p o r tt os h o wt h er e a l t i m ed a t aa n dt h eh i s t o r i c a ld a t a b a s e do no p cp r o t o c 0 1 m e a n w h i l e ，t h ea u t o m a t i o nd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mc o l l e c t st h ed a t af r o ml a b o r a t o r y , m i s m e sa n ds t o c ky a r da n d p r e p r o e e s st h ed a t ab a s e d0 nt h ee x p e r t s e x p e r i e n c e 3 t h ep a p e ra n a l y s e dt h ec o n s u m p t i o no fe n e r g y b u l i d i n ga n e n e r g ym i n i n gm o d e lt oa n a l y s i st h eh i s t o r i c a ld a t ai ns i n t e rp r o d u c t i o n w i t hd e c i s i o nt r e ea l g o r i t h ma n dn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h m t h eb e s t c o n t r o lp a r a m e t e r sw eg o tp r o v i d eg u i d a n c et od e c r e a s et h ec o n s u m p t i o n o f e n e r g y s i c e sh a db e e nd e b u g g e di nt h es i x t hs i n t e r i n gp l a n to fc h i n as h a o g a n gc o m p a n yo nf e b r u a r y2 0 0 8f o rt h r e em o n t h s ，a n dh a db e e nr u n s t a b l ef o r12m o n t h s t h es y s t e m c o n t r o lo fs i n t e rp r o d u c t i o n , a n di t i i r e a l i z e da u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n t s a v et h ec o s to fs t u f f , i m p r o v et h e q u a l i t ya n dt h ep r o d u c t i o n ，a n dh a sag o o de c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d ss i n t e r , e x p e gs y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o n ，c o n t r o lm o d e l s m a n a g e m e n tf r a m e w o r k ，e n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y s i s i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盗b 试 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：越 导师签名当日期：2 1 王年上月仪日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题选题和研究背景 第一章绪论 烧结矿一直是国内外高炉的主要原料，尤其在我国，烧结矿已占高炉炉料的 7 0 以上，烧结矿的质量和产量直接影响到炼铁及炼钢的产量和质量指标。因 此，烧结生产在我国钢铁企业中占据着重要地位。同时随着中国加入w t 0 组织， 我国钢铁工业已经加入了国际竞争的行列，这就要求必须进行钢铁工业的结构调 节和技术改造，借鉴国外的先进经验，烧结、炼铁等原料工业加快向大型化集约 化发展已经成为不可逆转的趋势，而这就迫切要求国内钢铁企业进一步向国际先 进钢铁企业看齐，尽快把现有烧结过程的控制水平提高到国际先进水平瞌1 。 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 是人工智能应用研究的主要领域。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。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决定的闯题。简言之，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，目前已广泛地应用于医学、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3 1 。 铁矿石烧结本身是一个复杂的工业过程，涉及温度、速度、压力等众多物理 参数，包括物理、化学、液相等反应h 】。烧结过程具有非线性、强藕合、大时滞 的特点，精确的数学模型难以建立时1 。由于以上原因，现有烧结控制水平很难 保证工艺流程的高稳定性与成品烧结矿的高质量。随着国内基础自动化的不断完 善，各钢铁厂不断进行技术改革和挖潜，采用先进的专家智能控制系统将是大势 所趋。根据原料成分、原料价格及成品成分等的专家数据库及相应关联规则，自 动调整烧结生产中的各种控制参数，提高烧结生产自动化程度，提高烧结成品矿 合格品率和一级品率，降低生产成本口】。 2 0 0 7 年广东韶钢松山股份有限公司烧结厂6 号3 6 0 m 2 烧结机建设完成后，需 要配备一套烧结专家智能控制系统来控制烧结生产，以提高烧结矿产量和质量， 降低生产成本。中南大学和中冶长天国际工程有限公司合作研究开发了中冶长天 烧结综合控制专家系统，本人在课题中主要负责研究开发：1 烧结综合控制专家 系统的控制模型管理；2 数据的实时自动采集和预处理；3 烧结综合控制系统的 能耗分析。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 烧结专家系统应用的现状 专家系统在烧结过程中的应用始于8 0 年代的日本烧结厂，并由于显著的控 制效果而得到广泛应用。日本大多数的烧结厂目前都已研制和安装了自己的人工 智能系统，用于烧结厂生产的控制。日本川崎钢铁公司千叶厂于1 9 8 0 年研制了 操作指导系统( o p e r a t i o ng u i d es y s t e m ，o g s ) 并将其用于控制烧结过程。o g s 包 括一个主系统和4 个子系统( 自校正系统、烧结能耗控制系统、布料闸门控制系 统、化学成分控制系统) 。o g s 系统的开发者认为，在烧结生产中，要获得高的 生产率和产品质量，必须控制烧结料层的透气性和热值水平。首先根据输入的烧 结料层透气性阻力、烧结终点、废气负压、废气温度、废气流量、风箱最高温度 和冷风机排风温度等参数，综合评定透气性，再根据评定的透气性及有关的产量 和质量数据，如：产量、落下指数、烧结成品中- 5 m m 的含量、还原粉化率、返 矿率、氧化亚铁含量等，进行综合判断，以决定操作变量的变动范围，包括：台 车速度、料层厚度、焦炭配比、主抽风机阀门开度及混合料水分。千叶4 号烧结 厂采用o g s 以后，每班可减少工人两名，焦炭消耗降低，操作更加稳定呻1 。 川崎钢铁公司水岛厂开发了诊断型专家系统，它由烧结终点控制、设备保护 和产质量控制功能构成。烧结终点的控制功能包括正常终点控制和异常终点控制 功能。正常终点控制采用预测的方法，由原始料层透气性确定的长期预报值和由 风箱温度确定的短期预报值预测终点。当原料系统有较大的外部干扰时，用长期 预报值；外部干扰少时用反馈时间短、预测精度高的短期预报值。诊断型专家系 统的应用使烧结终点的波动由7 降低到3 ，稳定了烧结过程，提高了烧结矿的 产质量b 1 。 神户钢铁公司的n t a m l i r a 等人开发了一个可以用于控制烧结过程热曲线的 操作指导系统。它包括一个模拟烧结过程的数学模型和在此模型基础上开发的操 作指导系统。该系统已成功地运用于神户钢铁公司神户2 号烧结机上n 引。 住友钢铁公司鹿岛烧结厂应用了在铁矿石烧结综合模拟模型基础上开发的 最佳烧结操作系统。铁矿石烧结综合模拟模型用以评价各种控制因素对烧结矿质 量的影响，可以预报烧结过程中的烧结矿质量，能耗，产率和其他操作性能。该 操作指导系统的采用使烧结矿质量波动下降，烧结总能源减少约6 n 。 新日铁钢铁公司开发了烧结作业专家系统和烧结预测系统( s i n t e ro p e r a t i o n f o r e c a s ts y s t e m ，s o f s ) 。澳大利亚布罗肯希尔矿山公司采用“专家经验”研制 了一个人工智能系统，已在纽卡斯卡和堪培拉港这两个烧结厂中应用n 利。 国内从9 0 年代开始将专家系统应用于烧结生产。目前，已取得成功的研究 成果有中南大学开发的烧结生产过程控制专家系统n 驯，它包括以碱度为中心的烧 结矿化学成分控制专家系统和以透气性为中心的烧结过程状态控制专家系统。该 2 硕士学位论文第一章绪论 系统离线应用结果表明，系统能够提高烧结矿化学成分一极品率，改善烧结料层 透气性，稳定烧结终点，达到优化烧结矿质量、提高产量和降低燃耗的目的。东 北大学和本钢第二炼铁厂联合开发了烧结混合料水分检测与智能控制系统，采用 的是模糊逻辑与专家系统相结合的方法，投入生产运行后，取得了良好的控制效 果，保证了混合料水分含量稳定，提高了生产效率，改善了烧结矿质量n 钔。此外， 首钢、宝钢、武钢、鞍钢、马钢、重钢和唐钢等分别引进了美国贝利公司的n 9 0 系统和i n f i 9 0 系统，德国西门子公司的t - m 系统，日本三菱公司 m e l c o m 3 5 0 5 0 2 2 0 0 型计算机与m a c t u s 6 2 0 分散控制系统组成的多级计算 机系统等等。在此期间，许多老厂结合技术改造，对个别关键生产设备及环节或 重要工艺参数实现了微机控制。虽然我国各大钢铁厂都在积极开发烧结自动化控 制系统，但是大都采用引进国外成套系统及软件，因此我国的烧结自动化水平和 国外先进国家相比，还存在一定的差距，还有很大的发展空间n 射。 目前我们国家的烧结厂大多实现了三级控制级别的第一层：基础自动化。冶 金“十五一规划提出，要重点发展生产过程自动化、智能化和管理信息化技术。 在过程控制自动化方面，结合国内钢铁生产原料成份波动大、工艺复杂的特点， 重点搞好智能技术，对己有的或引进的工艺数学模型进行二次开发和创新，形成 钢铁生产各工序和全线过程的智能化控制系统。专家系统是过程自动化应用最广 泛的一个领域。目前，武钢、攀钢、宝钢集团上钢一厂等烧结厂都已经或正在开 发烧结过程控制专家系统，使用人工智能语言l i s p 、p r o l o g 或其它一些通用程序 设计语言如p a s c a l 、c 、d e l p h i 、v b 等进行开发n 引。 1 3 研究方法和内容 论文主要采用以下技术解决烧结综合控制专家系统的关键问题： 1 烧结综合控制专家系统的生产控制模型管理。由于烧结是一个复杂的工业 过程，包含了许多道工序。因此烧结综合控制专家系统中存在很多烧结生产控制 模型n 7 1 ，例如：一次混合水控制模型、二次混合水控制模型、动态跟踪预报模型、 混合料位平衡模型、配料系统相关模型等n 引。如何管理好这些控制模型，对系统 的稳定运行非常重要。 在本课题中控制模型采用w m d o w s 服务来实现，模型中关联比较强的子模 型可以组合成为一个大的控制模型来实现，比较独立的控制模型可以作为一个独 立的w m d o w s 服务来实现。每个控制模型，不论是独立的还是子控制模型，都 实现一个公共的接口，控制模型的客户端通过该接口对控制模型进行控制。 2 数据的实时自动采集和预处理。通过o p c 接口，对烧结l 1 系统进行秒级 别的数据采集，每秒采集约5 0 0 个工业变量t a g 或非工业变量n t a g 。即时数据 硕士学位论文第一章绪论 采集管理器通过2 级缓存将分钟级平均值数据保存在服务器的内存中，为实时趋 势展现、工艺监控画面以及控制模型计算提供即时数据。 由于需要自动从公司的其他系统获取数据，本系统利用自动数据采集模块进 行定时数据采集，这样增强了系统的通用性和兼容性。自动数据采集定位为连接 公司m e s m i s 、原料场、化验室系统的数据库，从这3 个系统中实时采集烧结 综合控制专家系统需要的数据。系统采用精密的时钟控制技术，对采集任务进行 了一级延迟、二级延迟和三级延迟和采集校验等策略，保证不漏采、不重复采集。 工业指标的数据采集与清洗后的数据是被应用到数据挖掘系统中的，所以对 数据的质量要求很高，不允许有不合法数据进入。针对每个入库的指标，对清洗 条件做了严格的限制，包括：严格限定物料批次时间以及针对同一批物料在烧结 过程中的指标采集的时延、最小合法数值、最大合法数值等做了严格的限定，以 保证后面数据挖掘和预测结果的准确、可靠。 3 烧结综合控制系统的能耗分析。烧结生产的能源消耗主要由固体燃料消 耗，其他燃料消耗，电力消耗( 在烧结工序能耗计算中，烧结用水只计算其用电 的能耗) 三大部分组成。其中：固体燃料( 焦粉、无烟煤粉) 消耗在烧结生产能源 消耗中所占的比重最大，一般约占烧结总能耗的7 0 ；点火的气体燃料约占总能 耗的1 0 5 ；电力消耗约占烧结总能耗的2 0 5 n 驯。本文以固体燃耗、气体燃耗、水 分消耗作为应变量，以影响应变量的1 0 个参数( 层厚、透气性、成品率、生石灰 用量、烧结粉用量、混合料最终水分率、大烟道负压、点火炉温、点火强度、f e o 含量) 作为自变量建立挖掘模型。综合利用决策树挖掘算法和神经网络算法，确 定自变量的最佳区间，从而指导烧结生产。 1 4 论文结构 本文针对广东韶钢松山股份有限公司烧结厂6 号3 6 0 m 2 烧结机的生产需要， 设计和开发一套烧结综合控制专家系统。本文给出了烧结综合控制专家系统的技 术方案和功能架构，对其中若干关键技术进行了研究，论文的主要结构如下： 第二章烧结综合控制专家系统的功能架构，技术架构以及信息流模型。根 据对用户需求进行分析，确定了烧结综合控制专家系统的功能架构；通过借鉴当 前已有的烧结专家系统的成熟技术，提出了烧结综合控制专家系统的技术架构 和主要的解决方案。 第三章烧结综合控制专家系统的生产控制模型管理。生产控制模型采用 w m d o w s 服务来实现，每个控制模型，不论是独立的还是子控制模型，都实现一 个公共的接口。生产控制模型的客户端通过该接口对控制模型进行控制，如：启 动、暂停、终止。本章详细介绍了观察者设计模式和r e m o t i n g 技术，设计和实 4 硕士学位论文 第一章绪论 现了分布式烧结生产控制模型的管理框架。 第四章烧结综合控制专家系统的数据采集与预处理。烧结专家系统中的数 据是从一级系统的设备仪表中采集，本文中数据采集模块采用o p c 技术，因此 本章详细介绍了o p c 技术，设计和开发了一个o p c 客户端接口，并应用到即时 数据库当中。工业指标的数据采集与清洗后的数据是被应用到数据挖掘系统中 的，所以对数据的质量要求很高，不允许有不合法数据进入。针对每个入库的指 标，对清洗条件做了严格的限制，包括：严格限定物料批次时间以及同一批物料 在烧结过程中，指标采集的时延、最小合法数值、最大合法数值等的限定，以保 证后面数据挖掘和预测结果的准确、可靠。本文通过数据库自动作业的方式对采 集到的数据进行清洗和预处理。 第五章烧结综合控制专家系统的能耗分析。为了降低烧结生产的成本，包 括：固体燃耗、气体燃耗、水分消耗，通过数据挖掘技术挖掘最佳的控制参数区 间，指导烧结生产。本章详细介绍数据挖掘中的决策树算法和神经网络算法，并 且针对传统共轭梯度算法的缺点，提出了一种改进的算法，提高了误差收敛速度。 第六章总结和展望。对本文所做的设计、研究工作进行了总结，对该系统 的应用前景进行展望，并阐述了进一步的研究和扩展该系统所需的工作。 5 硕士学位论文第二章烧结综合控制专家系统的骨架 第二章烧结综合控制专家系统的骨架 2 1 系统的功能架构 中冶长天烧结综合控制专家系统( s i n t e ri n t e g r a t e dc o n t r o le x p e r ts y s t e m ， s i c e s ) 就是为了提高国内钢铁企业烧结生产的生产控制水平，在满足烧结生产 的质量和产量目标的前提下，不断自动优化生产工艺参数，使生产过程中能源消 耗最优。本系统设计和开发的目的如下：( 1 ) 在不同原料和生产条件下，对烧结 工艺的生产参数不断优化，使烧结生产稳定在较佳状态：( 2 ) 稳定优化b t p 以及 实现节能降耗：( 3 ) 完善生产质量控制指标，反向计算控制参数，并对烧结生产 进行系统控制。从而实现：( 1 ) 节约能源、降低能耗、改善环保；( 2 ) 稳定生产， 改善质量，提高产量；( 3 ) 优化生产操作环境，最终实现无人烧结厂的目的。如 图2 1 s i c e s 的功能结构图。 分析报表 l i系统报表i报表管理指标管理 控曩i堕曩 工艺监控 i _历史趋势展现l l一次混合水控制模型 烧结纵向厚度控制模型 它时参苦即时崎 搴i i混合车斗位平衡模型 j配料和料仓画面监 搴i l动态跟踪预报模型 烧结机速度设定计算模型 l配科绐靼篮 宰囤面f i i 1 ：l ：i - r i l l i t 置2 i 透气性计算模型 物$ 4 跗跪乃1 4 付平衡 l l涡舍加7 k 西i 而蛉 窜i i 控制模型运行状态监控 b t p 计算模型 蠕结i 寸l ；蛉 窜i 田j 而i l 烧结热状态仿真和监撺l j 控制模型参数设置二次混合水控制模型 i占i t i l 商鉴 搴l i _ ji j i鲁类系统或数据漂i 【 二亘五二 叵口 二亘亟二 二巫匿 j 二= = = - = = = ：= ：_ = = = = = ：= = = _ ：- = = = = ：= _ ：= = = = = = = ：一：= = = = = _ ：= = = = = 一：= = = = ：_ = = = 二 l l 主机及操作系统j i 计算机通信网络中问件支棒软件i l数据存储l l即时数据服务ll 图2 - 1 烧结综合控制专家系统的功能架构 目前国内钢铁企业中使用的烧结系统还没有有效解决以上问题，大多是采用 6 硕士学位论文第二章烧结综合控制专家系统的骨架 从国外进口的方式完成本钢铁企业的烧结综合控制系统。因此，研究和开发中冶 长天烧结综合控制专家系统可以弥补国内在这个领域的空白。中冶长天烧结综合 控制专家系统中的数据分析及决策支持系统解决了如下5 个关键技术问题： 1 烧结生产指标数据的实时自动采集 实时自动数据采集对烧结综合控制系统非常重要。本课题研究和开发实时自 动数据采集软件，根据烧结综合控制系统数据采集的业务需要从烧结l 1 系统、 化验室、公司m i s m e s 以及原料场实现自动数据采集。自动数据采集控制台的 设计和应用能够满足其他钢铁厂的自动数据采集的功能要求，满足系统可扩展性 的要求。同时，提供数据采集的手工录入界面，以支持必要的数据录入工作。 2 烧结生产指标的实时和历史趋势展现 研究和开发一个可定制的实时以及历史工业变量趋势展现系统，该系统能够 根据系统的需要对系统监控的烧结生产指标进行趋势展现。实时趋势展现系统能 够保证对任意选取的指标进行秒级的趋势展现，而历史趋势展现可以动态选择统 计区域对趋势线进行统计，如：选定时长的最大值、最小值、平均值、标准偏差。 3 烧结工艺操作指标的清洗以及指标库的建立 研究和开发从烧结l l 系统、化验室、m i s m e s 以及原料场中采集的数据， 按照物料的批次进行e t l ( e x t r a c t - t r a n s f o r i l l l o a d ) 处理，保证数据的质量，建立 烧结工艺操作指标系统。e t l 过程将对生产过程中的业务操作数据( 工业变量t a g 和非工业变量n t a g ) 定义输入数据到输出数据的转换规则，并将最后生成的指标 数值装载到数据仓库中。烧结工艺操作指标库的建立有效地支持烧结工艺操作指 标的可视化分析及展现以及主题分析模型。 4 烧结工艺操作指标的可视化分析及展现 研究和开发围绕产量、质量、工艺参数，通过柱状图、折线图、饼图等多种 图形展现方式对指标进行图形化展现，为生产提供直观的指导。同时研究和开发 面向烧结生产过程设备以及设备状态信息展现的矢量图形控件库，支持烧结综合 控制专家系统中的工艺监控。 5 烧结生产的主题分析及挖掘模型 烧结生产的工艺环节影响到烧结矿的生产质量、产量以及生产能耗。研究和 建立围绕烧结终点控制( b u r n i n gt h r o u g hp o i n t ，b t p ) 、烧结质量以及烧结固体能 耗的主题分析模型和预测模型。利用数据挖掘中的决策树算法、神经网络模型、 时间序列算法等来分析烧结生产工艺操作指标与烧结质量、能耗以及最佳工况间 的关系。 同时，研究和开发通用的挖掘模型对比和挖掘结果展现系统，为烧结生产过 程提供决策支持。 7 硕士学位论文 第二章烧结综合控制专家系统的骨架 如图2 2 中数据分析及决策支持系统功能架构图，本系统共分为6 个子系统， 其中包括：自动数据采集管理系统、烧结工艺指标e t l 系统、趋势展现系统、 可视化数据分析与展现系统、数据挖掘系统以及报表系统。 图2 - 2 数据分析及决策支持系统功能架构图 2 2 系统的技术架构 系统采用客户机服务器模式，以大型数据库服务器为核心，支持接口统一 且功能独立的系统模型服务器以及分布式客户机。系统中配置高可靠性服务器2 台，一台为数据库服务器，另一台为模型服务器。系统软件平台包括：w i n d o w $ 2 0 0 3s e r v e r 、m ss q ls e r v e r2 0 0 5 企业版、s i e m e n ss 7o p cs e r v e r 、m i c r o s o t t v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 和v i s u a lb a s i c6 0 。 在本系统中，将系统架构分为3 个区域，如图2 - 3 烧结综合控制专家系统技 术架构： 1 用户端。在局域网里，提供集成的烧结综合控制专家系统客户端操作人机 接口。操作员、工程师、管理人员可以这个人机接口经过统一的认证授权登录到 系统中。由于发布的报表需要通过w e b 服务器来发布，烧结综合控制专家系统 内嵌浏览器访问烧结日报和月报。 2 系统核心区。烧结综合控制专家系统之数据分析及决策支持系统的系统核 心区包括：数据采集管理系统、烧结工艺指标e t l 系统、趋势展现系统、可视 8 一 系统管理和安全管理 一 硕士学位论文第二章烧结综合控制专家系统的骨架 化数据分析与展现系统、报表系统和数据挖掘系统。 3 后台系统。后台系统包括数据库以及烧结综合控制专家系统采集数据的数 据源：烧结l 1 系统、m e s m i s 、原料场和化验室。 图2 - 3 烧结综合控制专家系统技术架构 即时数据采集和自动数据采集过程产生的操作数据被历史趋势系统以及实 时趋势系统所使用，包括在烧结综合控制专家系统中的工艺监控画面、控制模型 都是使用操作数据，操作数据遵循的o d s ( o p e r a t i o n a ld a t as t o r e ) 规范，如图2 4 数据分析及决策支持系统的信息流图。 从操作数据到烧结工艺指标系统通过e t l 过程来完成，在e t l 过程中考虑 物料批次以及不同工业指标采集的时间差，筛选掉不合法的数据，建立烧结工艺 指标系统，e t l 过程遵循烧结过程中数据清洗的e t l 模型。 基于建立的烧结工艺指标系统，建立数据挖掘模型和图形展现模型来支持数 据挖掘及分析，并建立可视化数据分析与展现模块和工业报表系统。 9 硕士学位论文第二章烧结综合控制专家系统的骨架 2 3 信息流模型 图2 - 4 数据分析及决策支持系统的技术关系图 信息流模型描述了烧结综合控制专家系统各个子系统之间数据流动的关系， 以及各个子系统对应的使用者角色，如图2 - 5 系统信息流模型及功能角色关系 图。数据采集管理系统负责从l l 系统、m e s m i s 、原料场和化验室中进行数据 采集，由系统工程师进行管理使用。数据采集上来以后，数据采集管理系统将数 据提供给上层的烧结生产控制模型，安全管理，趋势展现系统以及烧结工艺指标 e t l 系统。生产控制模型获得数据以后，通过专家计算公式优化控制参数，操作 者是工程师。安全管理可以监控数据采集管理系统，生产控制模型和趋势展现系 统中的数据，如果数据出现异常，可以产生报警和将异常信息写入日志，提供给 系统管理员和工程师分析处理。趋势展示系统获得数据以后，以图形化的形式提 供给工程师和管理者进行生产管理。烧结工艺指标e t l 系统获取到数据以后， 对数据进行严格的清洗，确保数据分析和挖掘结果的正确，使用者是工程师和管 理人员。 i o 硕士学位论文第二章烧结综合控制专家系统的骨架 信息源 图2 - 5 系统信息流模型及劝能角色关系图 2 4 本章小结 本章主要对烧结综合控制专家系统进行功能划分、系统技术架构设计、并确 定系统开发所采用的开发软件和信息流模型。其中对数据分析及决策支持系统的 功能进行了重点的说明和独立的架构设计。 硕士学位论文第三章烧结综合控制专家系统的模型管理 第三章烧结综合控制专家系统的模型管理 烧结生产过程是一个复杂的工艺过程，在专家系统中将这些关键工艺过程抽 象成若干个独立的烧结生产控制模型，并把这些模型开发成为在系统后台运行的 服务。为了对这些服务进行统一和有效的管理，需要设计和开发控制模型的管理 框架。 一个适应性强、高性能的应用程序管理框架，应该能够高效地协调应用程序 中各个元素之间正常稳定的运行，并支持应用程序轻松部署到运行环境中。烧结 系统的管理框架就是建立在这一目标的基础之上。在管理框架的开发过程中，选 择合适的成熟的设计模式可以提高系统的开发效率、可扩展性和易维护性。在烧 结生产控制模型框架设计过程中利用观察者设计模式可以保证服务器端和客户 端控制模型状态和参数的一致性睫卜2 引。 本课题利用r e m o t i n g 技术实现分布式组件之间通信。r e m o t i n g 可以认为是 d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 的一种升级，但是它在其基础上得 到了很大的改进，并极好的融合到n e t 平台下。在w i n d o w s 操作系统中，是将 应用程序分离为单独的进程，这个进程形成了应用程序代码和数据之间的一道边 界。如果不采用进程间通信( r e m o t ep r o c e d u r ec a l l ，r p c ) 机制，则在一个进程中 执行的代码就不能访问另一进程。然而在烧结综合控制专家系统中，生产控制模 型之间需要跨过应用程序域，与另外的应用程序域进行通信，即穿越边界。所以 在s i c e s 中，通过使用n e t 框架的r e m o t i n g 的事件处理机制来协调控制模型 组件之间的相互通信问题喇1 。 本章将结合观察者设计模式和n e t 的r e m o t i n g 技术，阐述如何设计和开发 一个基于分布式观察者模式的控制模型管理框架。 3 1 烧结生产控制模型 烧结生产控制模型是烧结综合控制专家系统的核心，它根据烧结生产的工艺 流程可划分为多个控制模型，每个控制模型都利用烧结专家经验计算公式，计算 烧结生产控制参数，以达到无人监控，优化生产的目的。烧结综合控制专家系统 中总共包含了1 0 个烧结生产控制模型，它们分别是： 1 一次混合水控制模型 本模型主要功能是对贮矿槽排出的原料在混合机里面补加水分，利用跟踪原 料重量、水分，对加水量进行计算。 2 二次混合水控制模型 1 2 硕士学位论文第三章烧结综合控制专家系统的模型管理 本模型主要功能是对一混加水后的原料在二次混合机里面补加水分，利用跟 踪原料重量和水分对加水量进行计算。 3 物料动态跟踪预报模型 本模型主要功能是模拟物料在皮带上的运输的过程。模拟的过程采用移动平 均值函数完成。主要内容包括物料跟踪、水量跟踪、成分动态跟踪和预报。 4 混合料位平衡模型 本模型主要功能是为使混合料料位保持稳定，对原料输入系统运输机上的原 料进行跟踪，其总和作为入槽量w i 、对混合料排出量计算，根据肌、 及混合料料槽料位偏差作为重量收支演算，然后通过改变综合输送量孵对混合 料料槽进行控制，计算的综合输送量所作为原料排出配比的设定值控制总输送 量。 5 配比计算模型 本模型主要功能是按照计算公式，在确保碱度的情况下，提供调整原料配比 的处理方法，包括：铁原料、熔剂、燃料，以保证成品矿的各种成分在合理的范 围之内，包括：t f e 、s i 0 2 、c a o 、r o 。 6 透气性计算模型 本模型主要功能是通过对点火炉中混合料的透气性计算，对烧结过程终点 ( b u r n i n gt h r o u g hp o i n t ，b t p ) 进行预测。 7 烧结机数据的动态跟踪模型 本模型主要功能是对烧结机过程的物料数据进行动态跟踪。根据烧结机的具 体特点把台车上物料数据划分为5 木2 4 份( 5 ：对应5 台层厚仪位置；2 4 ：对应 2 4 个风箱位置) ，模型实时跟踪混合原料的化学成分t f e 、c a o 、s 1 0 2 、a 1 2 0 3 m g o 、s 、水分率、燃料干配比、废气流量、点火温度、层厚、透气性、预计剩 余烧透时间、过拐点耗时( 第一次出现温度处于一设定范围的拐点) 、实际烧透时 间等指标参数。 8 b t p 计算模型 本模型主要功能是把烧结工艺过程中风箱温度检测值、相关温度检测值的质 量码、相关温度检测位置，通过二次抛物拟合算法计算出接近实际值的b t p 温 度、b t p 位置、b t p 时间。 9 烧结机速度设定计算模型 本模型主要功能是统计分析台车上分块数据的预计烧透时间，根据b t p 设 定值、b t p 的上下限值，计算出烧结机大致设定速度。 1 0 烧结纵向厚度控制模型 本模型主要功能是对b t p 计算模型输出的5 个烧透位置进行分析，对于长 硕士学位论文 第三章烧结综合控制专家系统的模型管理 期超出b t p 区域设定范围的烧透位置，调整对应辅门的开度。 3 2 分布式观察者设计模式 观察者模式又名发布一订阅( p u b l i s h s u b s c r i b e ) 模式。g o f 给观察者模式如下 定义：定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所 有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。观察者模式起源于图形用户接口和 业务数据的处理上，但是观察者模式的应用日益广泛瞄1 。 观察者模式还用于实现一组对象与它们所依靠的对象之间的同步通信，它可 以使对象的状态与它们所依靠的对象的状态保持同步。这组依靠的对象指的是观 察者( o b s e r v e r ) ，它们所依靠的对象称为主题( s u b j e c t ) 。 典型的观察者是一个依靠于或者关注于主题状态的对象。一个主题可以有一 个或者多个观察者。这些观察者在主体的状态发生变化时，需要得到通知。因此 关注于主题状态的任何对象都需要明确地注册自己为主题的一个观察者。主题状 态发生的变化，都需要通知所有的己注册的观察者。从主题接到通知以后，每一 个观察者查询主题状态，使自己的状态与主题的保持同步。因此一个主题扮演着 发布者的角色，发布信息到所有的已订阅的观察者。 主题和它的观察者之间包含了一对多的关系。当主题的实例的状态发生变化 时，所有的依赖于它的观察者都会得到通知并更新自己。一个观察者可以注册或 者订阅多个主题。当观察者不希望再得到通知时，它可以向主题进行注销。如图 3 - 1 分布式观察者模式结构图。 图3 1 分布式观察者模式结构图 图3 - 1 中包含4 个类：( 1 ) s u b j e c t 类，抽象主题，它把所有对观察者对象的 引用保存在一个聚集里，每个主题都可以有任何数量的观察者，它提供一个接口， 可以增加和删除观察者对象；( 2 ) o b s e r v e r 类，抽象观察者，为所有的具体观察 者定义一个接口，在得到主题的通知时更新自己；( 3 ) c o n c r e t e s u b j e c t 类，具体 1 4 硕士学位论文 第三章烧结综合控制专家系统的模型管理 主题，将有关状态存入具体观察者对象；在具体主题的内部状态改变时，给所有 注册过的观察者发出通知；( 4 ) c o n c r e t e o b s e r v e r 类，具体观察者，实现抽象观察 者角色所要求的更新接口，以便使本身的状态与主题状态相同步。 3 3 n e tr e m o t i n g 技术 n e tr e m o t i n g 是n e t 平台上允许存在于不同应用程序域中的对象相互知 晓对方并进行通信的基础设施。调用对象被称为客户端，而被调用对象则被称为 服务器或者服务器对象啪1 。 基于消息的远程方法调用中主要有以下几个重要角色：( 1 ) c l i e n tp r o x y ：负 责在客户端处理基于栈的参数传递模式和基于消息的参数传递模式之间的转换。 ( 2 ) i n v o k e r ：与c l i e n tp r o x y 的功能相反；( 3 ) r e q u e s t o r ：负责将消息对象转换成 可在网络上传输的数据流，并将其发送到服务器；( 4 ) m a r s h a l l e r ：负责消息对象 的序列化与反序列化；( 5 ) c l i e n tr e q u e s th a n d l e ：负责以数据流的格式发送客户 端的请求消息；( 6 ) s e r v e rr e q u e s th a n d e l ：负责接收来自客户端的请求消息。如 图3 2 n e tr e m o t i n g 框架示意图。 s e r v e r c l i e n t 。r a n s l a r e n 。p r o x y 卜_ 1