（控制理论与控制工程专业论文）基于数据挖掘技术的密闭鼓风炉透气状况分析.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着数据库技术的迅速发展和数据库管理系统的广泛应用，人们 积累的数据越来越多。数据的丰富带来了对强有力的数据分析工具的 需求，数据挖掘技术应运而生，并逐步在商业、工程、科研等方面发 挥重要作用。 密闭鼓风炉熔炼过程是一个反应机理复杂、非线性、时变、耦合 严重，并难以建模的系统。透气状况是反映密闭鼓风炉生产的重要指 标，准确分析密闭鼓风炉的透气性，对于提高密闭鼓风炉的产量具有 重要意义。密闭鼓风炉的现场采集检测点繁多，数据量庞大，如何有 效地利用数据挖掘技术找出潜在的、有价值的信息指导生产实践具有 深远的研究价值。 论文以密闭鼓风炉透气性炉况为研究对象，以统计分析、决策树 理论为工具，利用数据挖掘技术对透气性状况进行研究。 首先，采用统计方法对密闭鼓风炉铅锌冶炼的生产数据进行挖 掘。通过数据预处理、数据压缩和相关性分析，确定了对透气性状态 影响的四个主要因素，并建立多元线性回归模型。考虑到密闭鼓风炉 生产的时变性特征，为了使线性模型更好的对透气性状况进行分析， 引入了自适应加权渐消算法，并通过仿真验证了透气性状况分析模型 的有效性。 接着，应用基于决策树理论的挖掘算法对生产数据进行挖掘。针 对影响透气性状况的主要因素，利用基于信息熵定义的信息增益选择 节点，生成决策树，抽取分析规则。由于规则集十分庞大，采用p e p 剪枝算法精简决策树规则。采用数据库技术，对一年的生产数据建立 决策树，挖掘透气性状况分析模型，剪枝后决策树具有很好的分析效 果。 关键词数据挖掘，透气状况，多元线性回归，决策树，剪枝算法 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fd a t a b a s et e c h n i q u ea n da b r o a du s eo f d b m s ，p e o p l eh a v ea c c u m u l a t e dm o r ea n dm o r ed a t a t h er i c h n e s s b r i n g s t h ed e m a n df o r p o w e r f u ld a t aa n a l y s i s t 0 0 1 u n d e rt h e s e c i r c u m s t a n c e s ，d a t am i n i n g ( d l v l ) t e c h n i q u ea p p e a r sa n dg r a d u a l l y o b t a i n st h ew i d ea p p l i c a t i o ni nb u s i n e s s ，c o n s t r u c t i o n ，s c i e n t i f i cr e s e a r c h a n ds o o n i m p e r i a ls m e l t i n gf u r n a c e ( i s f ) i st h en o n l i n e a r 、t i m e v a r i o u sa n d s t r o n g l yc o u p l i n gs y s t e m , w h o s eo p e r a t i o nm e c h a n i s mi sc o m p l e xa n d m o d ei sd i f f i c u l tt ob ee s t a b l i s h e d p e r m e a b i l i t yi so n eo fi m p o r t a n ti n d e x f o ri s fp r o d u c t i o n ，a n dt h ea c c u r a t ea n a l y s i sf o ri ti ss i g n i f i c a n tt o i n c r e a s et h eo u t p u t i s ff i e l dc o l l e c t i o nn e e dn u m e r o u sc h e c k i n gp o s t s a n dw i l lp r o d u c eh u g ed a t a , t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha b o u th o wt o e f f e c t i v e l yu s ed a t aa n a l y s i st o o lt of m do u tt h ep o t e n ta n dv a l u a b l e i n f o r m a t i o ni sh i g h l yv a l u a b l ea n dc a nd i r e c tt h ep r o d u c t i o np r a c t i c e s t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e s0 1 1t h ep e r m e a b i l i t yi nt h es m e l t i n go fi s f b a s e do ns t a t i s t i c a la n a l y s i sa n d d e c i s i o nt r e e t h e o r y ，i tr e s e a r c h e st h e p e r m e a b i l i t yb yu s i n gt h ed a t am i n i n gt e c h n o l o g y f i r s t l y ，t h ed i s s e r t a t i o ns t a t i s t i c a l l ye x a m i n e st h ep r o d u c t i o nd a t ao f t h ez i n c - l e a ds m e l t i n gp r o c e s so fi b f t h r o u g hd a t ap r e t r e a t m e n t 、 c o m p r e s s i o na n dr e l a t i v ea n a l y s e s ，i td e t e r m i n e sf o u rp r i m a r ye l e m e n t so f e f f e c t i n gp e r m e a b i l i t ya n dp r o d u c e sm u l t i v a r i a t el i n e a rr e g r e s s i o nm o d e l c o n s i d e r i n g t h e n o n l i n e a r i t y o fi s f p r o d u c t i o n , t h e d i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h ea l g o r i t h mo fs e l f - a d a p t a b l ef a d i n gw e i g h ta n dm a k e s e m u l a t i o nt e s t sf o rt h ee f f e c t i v i t yo fp e r m e a b i l i t ya n a l y s i sm o d et om a k e t h el i n e a rm o d e lt ob eb e t t e rf o r e c a s tt ot h ep e r m e a b i l i t y t h e n , t h ed i s s e r t a t i o ne x p l o r e st h ep r o d u c t i o n d a t ab y u s i n g a l g o r i t h mb a s e do n d e c i s i o nt r e e ”t h e o r y t h r o u g h “i n f o r m a t i o ng a i n d e f i n e db yi n f o r m a t i o ne n t r o p y , i tc h o o s e sn o d e s ，p r o d u c e s d e c i s i o n t r e e a n da b s t r a c t sa n a l y s i sr u l e s s i n c et h er u l es e t sa r ev e r yh u g e ，t h e d i s s e r t a t i o ns i m p l i f i e st h e d e c i s i o nt r e e r u l e sb yu s i n gp e pp r u n i n g a l g o r i t h m b yu s i n gd a t a b a s et e c h n i q u e ，t h ed i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e st h e “d e c i s i o nt r e e f o r o n e - y e a rp r o d u c t i o n d a t aa n de x a m i n e st h e 中南大学硕十学位论文 a b s t r a c t p e r m e a b i l i t ya n a l y s i sm o d e a f t e ru s i n gt h ep e pp r u n i n ga l g o r i t h m t h e d e c i s i o nt r e e i sp r o v i d e dw i t he x c e l l e n ta n a l y s i se f f e c t s k e yw o r d sd a t am i n i n g ，p e r m e a b i l i t y ，m u l t i v a r i a t el i n e a rr e g r e s s i o n , d e c i s i o nt r e e ，p r u n i n ga l g o r i t h m 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：刘叠日期：巫年兰月坳 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：茸导师签禅吼碑年助坐日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的提出及意义 第一章绪论 信息技术的飞速发展和信息搜集能力的逐渐提高，使数据库规模日益扩大， 产生了海量的数据。面对这样庞大的数据系统( 其规模可能达数千g b 甚至t b ) ， 仅仅依靠数据库管理系统的查询检索机制和统计分析方法，已经远远不能满足现 实的需要。如何有效地进行管理，有效地利用数据库中数据，以及如何才能发现 其潜在的知识，就需要有新的更为有效的手段来对各种数据源整理并进行挖掘以 发现新的知识以发挥这些数据的潜能。在需求的强烈驱动下，数据挖掘d m ( d a t a m i n i n g ) 技术应运而生j 。 数据挖掘就是要在“数据矿山”中找到蕴藏的“知识金块”，帮助企业减 少不必要的投资的同时提高资金回报。数据挖掘是一个利用各种分析工具在大量 数据中发现模型和数据关系的过程，这些模型和关系可以用来做出预测和描述。 本课题以密闭鼓风炉铅锌熔炼( i m p e r i a ls m e l tp r o c e s s ，简称i s p ) 工艺为背 景，期望通过多学科理论与技术的集成融合，研究i s p 熔炼的运行过程，将数据 挖掘技术应用于生产实际，从而为生产实际服务，给企业带来经济效益，提高我 国冶金行业的生产数据库管理水平。 i s p 密闭鼓风炉铅锌熔炼是在高温、高压、密闭条件下的物理、化学、动力 学过程，除风口可以直接观察外，其他位鼍都是密封的，操作主要凭仪器和经验 来判断。然而，由于鼓风炉的内部因素关系复杂，要全面及时地了解炉况，必须 采集各种信息、加工和处理，建立相关的数学模型，才能取得良好的经济技术指 标。i s p 熔炼过程的最重要环节是要保持鼓风炉炉况的正常和稳定性，而这基于 对炉况的全面了解，鼓风炉透气性是影响炉况的最重要因素之一，透气性的好坏， 直接影响到鼓风炉的加料量，从而影响到鼓风炉的产量，从这一点来讲，要想提 高鼓风炉的产量，就必须控制好鼓风炉熔炼的透气性。对鼓风炉透气性进行有效 的预报，克服操作的滞后性，才能真正控制好鼓风炉的透气性，从而提高密闭鼓 风炉的生产产量。 使用计算机来对数据库中大量的生产测量数据进行快速、有效的分析和处 理，并从中提取知识，并以一种形式化的、可以理解的方式表达，以便用于决策， 这个过程称为数据挖掘。 数据挖掘的任务是从大量的数据中发现知识。在传统的决策支持系统中，知 识库中的知识和规则是由专家或程序人员建立的，由外部输入的，而数据挖掘的 任务是发现大量数据中尚未被发现的知识，是从系统内部自动获取知识的过程， 对于那些决策者明确了解的信息，可以用查询、联机分析处理( o n - l i n ea n a l y t i c a l 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 p r o c e s s i n g ，简称o l a p ) 或其它工具直接获得。而另外一些隐藏在大量数据中 的关系、趋势，即使是管理这些数据的专家也是没有能力发现的，这些信息对于 决策有可能又是至关重要的，数据挖掘的目的正是解决此类问题。因此，对大量 数据进行挖掘将是它今后的发展方向，也是本课题研究意义之所在。 1 2 国内外研究现状 数据挖掘，又称为数据库中的知识发现( k n o w l e d g ed i s c o v e r y i nd a t a b a s e ， 简称k d d ) ，它第一次出现在1 9 8 9 年8 月举行的第十一届国际联合人工智能会 议上 2 1 。k d d 泛指所有从源数据中挖掘模式或联系的方法，人们接受了这个术 语，并用k d d 来描述整个数据挖掘的过程，包括最开始的制定业务目标到最终 的结果分析，而用数据挖掘来描述使用挖掘算法进行数据挖掘的子过程。现在 k d d 与数据挖掘之间的界限己经非常模糊，一般来说k d d 多应用于科研领域， 而数据挖掘多应用于工程领域。 迄今为止，由美国人工智能协会主办的k d d 国际研讨会已经召开了l o 次 以上，规模由原来的专题讨论会发展到国际学术大会。论文收录比例从2 ：1 到 6 ：l ，研究重点也逐渐从发现方法转向系统应用，并且注重多种发现策略和技术 的集成，以及多种学科之间的相互渗透，其他内容的专题会议也把数据挖掘和知 识发现列为议题之一，成为当前计算机科学界的一大热点。 1 9 9 7 年亚太地区在新加坡组织了第一次规模较大的亚太数据挖掘国际会议 p a k d d ( t h ep a c i f i ca s i ac o n f e r e n c eo nk n o w l e d g ed i s c o v e r ya n dd a t am i n i n g ) 学 术研讨会，1 9 9 8 年在澳大利皿墨尔本召开的p a k d d 9 8 收到了1 5 0 多篇论文， 1 9 9 9 年，亚太地区在北京召开的第三届p a k d d 会议收到1 5 8 篇论文，空前热 烈。i e e e 的k n o w l e d g ea n dd a t ae n g i n e e r i n g 会刊率先在1 9 9 3 年出版了k d d 技 术专刊。并行计算、计算机网络和信息工程等其他领域的国际学会、学刊也把数 据挖掘和知识发现列为专题和专刊讨论。 此外，数据库、人工智能、信息处理、知识工程等领域的国际学术刊物也纷 纷开辟了k d d 专题或专刊。1 e e e 的k n o w l e d g ea n dd a t ae n g i n e e r i n g 会刊领先 在1 9 9 3 年出版了k d d 技术专刊，所发表的5 篇论文代表了当时k d d 研究的最 新成果和动态，较全面地论述了k d d 系统方法论、发现结果的评价、k d d 系统 设计的逻辑方法，集中讨论了鉴于数据库的动态性冗余、高噪声和不确定性、空 值等问题，k d d 系统与其它传统的机器学习、专家系统、人工神经网络、数理 统计分析系统的联系和区别，以及相应的基本对策。目前，该杂志已成为数据挖 掘领域最权威的刊物。 数据挖掘的发展趋势主要是： 2 中南人学硕士学位论文 第章绪论 ( 1 ) 理论研究方面：对知识发现方法的研究进一步发展，如近年来注重对 b a y e s ( 贝叶斯) 方法以及a o o s t i n g 方法的研究和提高；传统的统计学回归法在 k d d 中的应用；k d d 与数据库的紧密结合。 ( 2 ) 应用研究方面：k d d 商业软件工具不断产生和完善，注重建立解决问 题的整体系统，而不是孤立的过程。用户主要集中在大型银行、保险公司、电信 公司和销售业。 k d d 的研究重点逐渐从发现方法的研究转向实际的系统应用，世界上比较 有影响的典型数据挖掘系统有1 3 】：s a s 公司的e n t e r p r i s em i n e r ，i b m 公司的 i n t e l l i g e n tm i l l e r ，s g i 公司的s e t m i n e r ，s p s s 公司的c l e m e n t i n e ，s y b a s e 公司的 w a r e h o u s es t u d i o ，r u l e q u e s tr e s e a r c h 公司的s e e s ，还有c o v e r s t o r y ，e x p l o r a ， k n o w l e d g ed i s c o v e r yw o r k b e n c h ，d b m i n e r ，q u i t 等。 数据挖掘理论与技术的研究在工业过程中也有应用成功的报道，z h a a g 等1 4 1 采用组合神经网络方法来预测间歇聚合反应器聚合物质量，即利用组合神经网络 建立表示聚合配方与聚合物质量变量轨迹之间关系的数学模型，通过计算组合神 经网络模型的预测置信区间，改善其泛化能力，并成功应用于一个间歇异丁烯酸 甲酪聚合反应器的研究中。w a n g 等利用数据挖掘技术进行了压缩机的故障诊断 和催化裂化装置仿真数据的自动分类及确定组成的软件传感器开发。z h u 等1 5 , 6 1 利用关联规则和粗糙集理论等数据挖掘技术在洗涤剂、苯、酐等生产过程操作优 化与决策支持中开展实际应用，取得较好效果。z o r z e t t o 等1 7 1 将混合神经网络应 用于啤酒生产的建模研究中，其中通过将生产过程的经验，知识引入到模型中， 提高了所建模型的外推能力。l e e 等 8 1 对一个工业废水处理过程进行了混合神经 网络建模研究，首先根据已有的过程经验建立了一个简化机理模型，然后根据实 际操作数据建立了一个神经网络模型，最后采用并行方法将神经网络模型和简化 机理模型组合在一起，表明混合神经网络模型具有更佳的预测能力和外推性能。 x i o n g 等【9 l 进行了一个化工过程的混合神经网络建模研究，通过与常规神经网络 比较，表明混合神经网络可利用更少的训练数据，并以更快的训练收敛速度，得 到具有良好性能的化工过程模型，该方法已成功应用于许多化工过程的仿真研究 中。 目前，我国的数据挖掘行业尚处于初始发展阶段，绝大多数工作集中于局部 算法设计，但是推广速度十分迅速。国内的许多科研单位和高等院校竟相开展知 识发现的基础理论及其应用研究，这些单位包括清华大学、中科院计算技术究所、 空军第三研究所、海军装备论证中心等。其中，北京系统工程研究所对模糊方法 在知识发现中的应用进行了较深入的研究，北京大学也在开展对数据立方体代数 的研究，华中理工大学、复旦大学、浙江大学、中国科技大学、中科院数学研究 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 所、吉林大学等单位开展了对关联规则开采算法的优化和改造，南京大学和上海 交通大学等单位探讨、研究了非结构化数据的知识发现以及w c b 数据挖掘。 针对密闭鼓风炉的过程控制研究，虽然规模较小，也取得了一些成果。以中 南大学信息与控制工程研究所桂卫华教授为首的课题小组在i s p 过程建模和优 化控制方面进行了大量的研究与开发工作【1 0 , | 1 j ，包括对密闭鼓风炉重要参数透 气性的预测以及烧结成分的预测，这些都有待于进一步的研究。对于鼓风炉各个 运行参数与生产目标之间的关系也需要深入研究，以提高企业综合自动化和信息 化水平。 1 3 论文的结构安排 第一章绪论。阐述了课题的提出，数据挖掘在国内外相关领域的研究应用 现状以及论文的结构安排。 第二章密闭鼓风炉简介及数据挖掘理论。介绍了密闭鼓风炉的生产工艺过 程，重要影响参数及透气性指数；介绍了数据挖掘的流程、分类、功能及基本分 析方法。 第三章数据挖掘的统计分析方法。介绍了经典的统计分析方法，并以建立 透气状况的回归模型为例，详细叙述数据挖掘的一般过程；引入自适应加权算法， 动态修正模型参数。 第四章数据挖掘中的决策树方法。介绍了数据挖掘中的数据仓库技术， o l a p 技术；详细介绍决策树i d 3 算法，并通过样本集构造密闭鼓风炉透气状况 决策树模型，并进行有效剪枝后生成规则集；利用s q ls e r v e r 数据库技术建立 决策树挖掘模型，并对上面所得结论做有效验证。 第五章总结与展望。对本文工作进行了总结，并且对今后的工作进行了展 望。 4 中南大学硕士学位论文第二章密闭鼓风炉及数据挖掘理论 第二章密闭鼓风炉概述及数据挖掘理论 2 1 密闭鼓风炉冶炼简介 密闭鼓风炉铅锌冶炼工艺，即i s p 工艺为英国帝国熔炼公司推出的专利技术， 是近代火法炼铅锌的先进方法之一。这种方法的工艺优势在于在同一冶炼过程中 冶炼铅锌两种金属，实践经验表明密闭鼓风炉铅锌冶炼法具有炉料的适应性强、 有较高的热效率及较好的可控性等优点，所以密闭鼓风炉铅锌冶炼法逐渐成为当 前我国乃至世界铅锌冶炼的主要方法之一。目前世界上1 2 个国家共有1 5 座密闭 鼓风炉，其中两座在我国的韶关冶炼厂。 1 工艺过程 密闭鼓风炉熔炼工艺流程 1 2 , t 3 如( 图2 1 ) 所示。 糟锌精铅 图2 - 1 密闭鼓风炉熔炼工艺流程 从生产任务、地域分布以及设备情况来看，铅锌火法冶炼过程主要包括铅锌 烧结过程和密闭鼓风炉熔炼过程两部分，这里只介绍熔炼过程。 当烧结过程生产出具有一定强度和透气性的烧结块后，按一定比例与预热过 的焦炭一起装入密闭鼓风炉内，此外为调整前床炉渣的组份，还需加入少量的熔 剂( 生石灰) 。密闭鼓风炉从风口向炉内鼓入8 0 0 0 c 以上的热风，炉料在高温 下进行反应，其中炉底风口的热风温度较高，具有一定热量的氧气与焦炭中的碳 反应生成一氧化碳，并放出大量的热，进一步为氧化物的还原反应提供热量；而 一氧化碳c o 用于还原氧化锌z n o 和氧化铅p b o 。化学反应如下： 5 中南人学硕士学位论文第二章密闭鼓风炉及数据挖掘理论 2c+02=2c0+q(2-1) z n 0 + c o = z n ( 蒸气1 + c d ，一q ( 2 - 2 ) p b o + c o = p 6 ( 液体) + c 0 2 + q ( 2 - 3 ) 还原出的液体铅进入炉缸，定期与炉渣一起放入电热前床，从排铅口得到粗 铅，经电解得到精铅。 锌还原反应在高c 0 2 气氛下很容易再氧化。为防止氧化的发生，要求有较高 的炉内温度( 高于氧化反应温度) 。在还原区内温度受到炉渣渣型的限制，一般 要求炉渣为高熔点。因为炉渣一旦熔融到一定程度，将使z n o 流入渣池中，增 加了渣含锌量，造成浪费。 同时，为防止锌蒸气离开炉顶进入冷凝器被氧化，从炉顶同样鼓入一定量的 热风使c o 燃烧成为c 0 2 ，使炉顶区的温度保持在高于氧化温度的温度上。 2c0+02=2c02+q(2-4) 由于c 0 2 易于与c 反应还原为c o ，消耗焦炭量，并妨碍还原反应的进行， 因此要求焦炭为低还原性。 c 0 2 + c = 2 c o - q ( 2 - 5 ) 为防止锌蒸气从炉顶逸出，要求炉项有一定的正压。 炉气由炉子的侧部进入冷凝室，通过铅陌冷凝，骤冷到5 0 0 0 c ，使锌从铅液 中析出。由于比重不同，锌液浮于铅液上面，再经分离就可得到粗锌。同时铅水 返回冷凝器。从冷凝器出来的炉气中含有一定量的铅锌，通过炉气冷却、洗涤塔 和机械洗涤器等净化炉气的方法以蓝粉泥浆的形式回收。净化后的炉气送焦炭和 空气预热器的燃烧室中，生成的是粗锌经锌精馏后可得到精锌。 密闭鼓风炉炼铅锌同其他火法炼锌相比较有如下特点： ( 1 ) 对原料的适应性强，可以处理多种铅锌的原生或次生原料，尤其适合 处理难选的铅锌混和矿，简化了选冶工艺流程，提高了金属回收率。在铅锌混和 精矿，不管是高品味矿，还是低品味矿，均可得到满意的冶炼效果。 ( 2 ) 该法以一个系统代替了一般的炼铅、锌两个独立系统，简化了冶金工 艺流程，建厂占地面积小，设备台数减小，投资节省。 ( 3 ) 铅是在不额外消耗炭的条件下可以得到，因此生产每一吨金属消耗的 燃料和生产成本比其它冶炼方法低。 ( 4 ) 该法与平罐和竖罐蒸馏法不同，把间接加热改为直接加热，因此冶炼 设备能力不受限制，可以在生产能力大的设备内进行大规模生产，有利于实现机 械化和自动化，提高劳动生产率和热效率。 ( 5 ) 余热利用好，鼓风炉煤气经洗涤之后，可用于预热空气，预热焦炭， 干燥精矿和发电。 6 中南大学硕士学位论文 第二章密闭鼓风炉及数据挖掘理论 ( 6 ) 可综合回收有价金属，如金、银、铜、锗、汞等多种金属a 然而，在生产实践中也显出不足之处： ( 1 ) 需要消耗数量多，质量高，价格贵的冶金焦炭。 ( 2 ) 该法对技术条件要求比较高，生产过程中需要热焦、热风、热烧结块， 且对烧结块的物理规格，化学成分要求都很严格，特别是烧结块的残硫要求低于 1 ，致使烧结过程控制复杂。 ( 3 ) 炉内和冷凝器含铅比较高，必须进行精练才能得到合格产品。 2 韶关冶炼厂i s p 过程现状概述 - 韶关冶炼厂是岭南铅锌集团公司下属的国有大型有色金属冶炼生产企业。韶 关冶炼厂于1 9 7 8 年正式投产，至今已二十多年。在第一座鼓风炉达到设计能力 的基础上，韶关冶炼厂二系统又于1 9 9 6 年投产。其中经多次技术改造，装备水 平和生产能力均有很大提高。特别是在1 9 9 7 年完成技术改造项目以后，烧结、 鼓风两大主体生产车间均采用了集散型控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 和可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 。其中一系统中 烧结车间采用日本横河的 w p a c km a r ki i 集散型计算机控制系统d c s 和美 国m o d i c o np c 9 8 4 - 4 8 0 可编程控制器p l c ，完成了烧结全过程的顺序控制、 工艺检测及控制：熔炼车间采用! w p a c k 的换代产品1 lx ld c s 系统实现对 鼓风炉的工艺检测与控制，并采用p c 9 8 4 6 8 0 完成了鼓风炉全自动上料。在二系 统，烧结和熔炼车间均采用ux ld c s 系统和p c 9 8 4 系统。这些系统的采用与实 施，可为密闭鼓风炉烧结熔炼过程的建模与优化研究提供丰富的现场数据。两个 系统年产铅锌已分别由原设计的5 万吨和8 5 万吨增加到了l o 万吨，总产量达 2 0 万吨，己经超过了原设计能力。这些系统的实施，为密闭鼓风炉烧结熔炼过 程的建模研究提供了丰富的现场数据。 从韶关冶炼厂的生产实际来看，尽管其d c s 控制已有很好的基础，但从控 制的角度出发还存在很多需要完善的地方。 ( 1 ) 密闭鼓风炉是一个典型的大滞后、时变、分布参数、非线性、多输入 多输出的系统。现场检侧仪表检测到了大量的数据，但是这些数据全是鼓风炉外 部的数据，这些数据也只是作为简单的生产统计和操作指导，并且这种指导是很 粗略的和严重滞后的，由于不能准确进行预报，现场的运行情况往往是在炉况变 坏后再进行改善，经常造成炉况的波动，影响生产的正常进行。 ( 2 ) 已有的集散控制系统仅仅实现了各个参数的控制，并没有将各个参数 综合起来考虑，加上冶炼过程的复杂性，难以用传统的数学模型描述，人工操作 及参数的设定大多是凭经验实现，无法实现生产等过程的优化控制。 ( 3 ) 鼓风炉内部的参数没有检测，而鼓风炉其他部位的气体含量、温度分 7 中南大学硕士学位论文 第二章密闭鼓风炉及数据挖掘理论 布、压力分碲等重要数据无从检测，整个密闭鼓风炉内部反应很大程度上处于未 知状态。 由于上述问题的存在，虽有部分参数实现了独立的控制，但是铅锌生产过程 仍停留在初级自动化阶段，自动化带来的效益很低，阻碍了铅锌产品的产量和质 量的提高。就入炉物料条件而言，可以得到的参数有烧结块成分、各物料的配比， 装料次序和布料情况等，这些都在备料系统中以料制的形式完成。但是对于工作 炉内的操作参数和运行参数，可测量的只有料柱高度、底部风量、底部风压、二 次风量和风压、炉顶温度、炉顶风量和渣含锌以及人工可观察的渣型。而密闭鼓 风炉其他部位的气体含量、温度分布、压力分布等重要数据无从检测【1 4 】，正是因 为可测可控的过程参数不多，使整个密闭鼓风炉内部反应很大程度上处于未知状 态，并且由于冶金界对铅锌密闭鼓风炉内部的研究远远不如对炼铁高炉研究的那 样透彻，迄今为止，对其操作条件与过程参数之间、过程参数与生产目标之间以 及炉内各反应进程之间极为复杂的制约关系没有可靠的研究结果能够加以利用。 3 熔炼过程的重要参数 密闭鼓风炉熔炼过程中的化学反应并不复杂，影响密闭鼓风炉生产的主要因 素是炉料的物理化学性质和炉料的加料制度( 料制) 以及炉子的工作条件。 1 ) 炉料的性质 密闭鼓风炉炼铅锌主要的炉料有烧结块、焦炭，另外有蓝粉及其他杂料压制 的团块、溶剂浮渣，块状炉结和返渣，它们质量的好坏直接关系到炉子的生产率， 冷凝效率和其它经济技术指标。为了保证鼓风炉生产的正常进行和提高其生产能 力，延长炉龄，对入炉料的化学成分，物理规格要求严格。 炉料( 烧结块和焦炭) 的物理性质，主要是指炉料的块度、强度、粒度，这 些因素关系到炉料入炉后的空隙度分布，从而影响密闭鼓风炉的透气性；而化学 性质( 如成分) 主要是影响烧结块的还原和炉子结瘤。 ( 1 ) 烧结块要求 具有均匀的化学成分，铅含量不大于2 2 ，硫的含量小于l 。 具有足够的机械强度和热强度，机械强度必须保证烧结块在输送及入炉过程 中不破碎。 粒度要合适，粒度范围要小。烧结块的粒度要求4 0 l o o m m ，最小为2 5 m m ， 最大不超过1 2 5 m m 。 具有良好的孔隙度，以保证炉内良好的透气性，要求孔隙度大于2 0 * , 4 。 烧结块应采取良好的保温措施，保证入炉烧结块有较高的温度，以减少焦炭 消耗，提高炉顶温度，减少入炉水份和强化熔炼过程。 ( 2 ) 焦炭的要求 8 中南大学硕士学位论文第一二章密闭鼓风炉及数据挖掘理论 焦炭在熔炼过程中起三种作用：热源、还原剂和构成料柱。 要求焦炭含固定碳越高越好，一般大于8 3 。 焦炭中的残硫要求小于l ，若含硫高于标准则助长炉结的形成和使炉内悬 料的可能性增加。 焦炭要有足够的抗碎和抗磨强度，以减少输送过程中的破碎。 焦炭的粒度要求合适，均匀，为烧结块的1 1 1 2 倍，焦炭块度要求4 0 , - , l o o m m 之间。 焦炭具有低反应性。焦炭的反应性指c 和c 0 2 还原为c o 的反应速度。若焦 炭的反应性商，则焦炭在炉子上部与炉气中的c 0 2 剧烈反应，而参加反应的这部 分焦炭，既不能起还原剂的作用，又不能为炉内提供有效的热量，增加了焦炭的 消耗。同时，焦炭强度下降，影响炉内透气性。 2 ) 料制 料制指的是密闭鼓风炉的加料制度，是炉料装入炉内方式的总称。包括加料 方式、批重、批次等，它对密闭鼓风炉熔炼过程的顺利进行影响巨大。因为不同 的料制会形成不同的炉料分布和料柱高度，导致不同气流和温度在炉内的分布， 以及炉内软融带的不同形状，从而影响到密闭鼓风炉的产量和炉况。 ( 1 ) 加料方式 加料方式，加料设备的运行情况及炉料粒度都会影响炉料的分布。实践证明， 矿焦层厚度比值沿炉喉径向的分布对煤气流具有决定性的影响，其次是透气性 较差的矿焦混合层的厚度及其位置。 根据烧结块和焦碳的质量，炉内下料情况，结瘤程度等情况，决定加料方式。 选择合理的加料方式，以保证炉料在炉内均匀分布。 连续加料法：料罐下部装烧结块，上部装焦碳进行连续加料，此法称正向连 续加料法，正向连续加料烧结块、焦碳分布均匀，炉结较少，碳利用率好。反之 先焦碳后烧结块入罐的顺序称反向连续加料法。反向加料还原气氛较强，影响产 量，影响渣含锌和放渣，渣含锌高，锌的直收率低，但透气性改善，炉压下降。 分别加料法：焦碳和烧结块分别装罐，先后加入炉内，分别加料，料面波动 大。 混合加料法：向料罐同时排入焦碳和烧结块，两者在料罐内混合不分层次。 延时加料法：即将“分别加料法”的烧结块或“连续加料法”中的炉料给入 料钟并存留在料钟内，一直待到下一批料到来后，才加入炉内。此法适用于密闭 鼓风炉熔炼冷烧结块和物料偏湿的情况。 ( 2 ) 料批重和批次 在正常生产条件下，韶冶的批重是7 2 2 8 k g ，其中焦碳1 7 2 8 吨，烧结块 9 中南大学硕士学位论文第一二章密闭鼓风炉及数据挖掘理论 4 8 0 0 k g ，其它7 0 0 k g ，焦率为3 6 ，加料周期为一个小时6 到7 批料。采用的 加料方式是正向连续加料法。但是生产不正常时，料批重批次和加料方式都要发 生相应改变。料线一般为4 8 m 到4 9 m ，如果料线不够，则要赶料线，采用大料 批( 烧结块2 6 0 0 k g ) 或缩短加料周期。如果发生“偏料”( 东西料面大于3 0 0 r a m ) 则采用向低侧单罐加料或采用反向连续加料，底焦多加一点。发生悬料时应暂时 停止加料。大料钟严重漏气时，采用“延时分别加料”。 3 ) 风量与炉温调节 大风量操作时，焦炭的燃烧速度快，熔炼速度快，炉子的生产率高。但风量 不宜过大，否则会增加动力消耗，气流速度过大，随气流带出的粉量也增多，特 别是在料面过低，物料质量差，炉内结瘤严重的情况下，会使冷凝器内浮渣增加。 此外，大风量操作还受物料质量，炉内结瘤所引起的高压所限制。综合以上因素， 韶冶主风口风量一般控制在3 4 0 0 0 3 8 0 0 0 m 3 h ，顶部风量( - - 次风) 为底部风 口风量8 * o - - 1 2 ，料钟间空气每钟2 0 肚3 0 0 m 3 h ，周边风每钟2 5 0 - - - 3 5 0 m 3 h 。 鼓入密闭鼓风炉的热风温度一般控制在8 0 0 1 0 0 0 0 c ，调节风温可以改变炉 内熔炼情况，控制还原气氛和炉温。但是，风温调节只是在短时间内采取的应急 措施，如果炉况需要较长时间和较大幅度的调节，则应调整焦率，稳定风温在适 宜的操作范围内。 为此，炉况正常时，装料次序不予考虑。料柱是人工测量的，测量周期较长， 不能及时送入计算机，不能满足建模的要求。二次风压一般不改变，这里不作考 虑。因此，可选择的操作参数有底部风量、底部风压、二次风量、炉顶温度、炉 顶风量和热风温度。 密闭鼓风炉的炉况可以概括为锌产量指标、密闭鼓风炉状态指标和炉渣指标 三个方面，其中状态指标为透气性状态。因此，密闭鼓风炉炉况用三个类别评价： 产量类别、透气性类别、炉渣类别。 4 透气状况介绍 密闭鼓风炉透气性指数 1 5 , 1 6 1 是熔炼过程一个非常重要的状态参数，它反映了 鼓风炉炉内的熔炼状况的好坏。鼓风炉操作的关键是控制鼓风炉的风压在允许范 围之内，保证鼓风炉的安全生产和维持鼓风炉的正常寿命。在风压允许的条件下， 风量越大，燃烧越好，鼓风炉的炉况就越好，鼓风炉的产量就越高。 透气性指数是一个综合反映炉况的指标，定义为通过鼓风炉的冷风流量与全 压差( 热风压力与炉顶压力之差) 之比。透气性指数把风量和全压差联系起来， 综合反映在透气性指数表上，更好地反映出风量必须和料柱透气性相适应的规 律，它的物理意义为单位压差所允许通过的风量。 通过现场的实际情况和理论分析，根据气体动力学c a r m a n 【l7 j 方程 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章密闭鼓风炉及数据挖掘理论 k = 7 ( 碍一覃) (2-6) 其中k 为鼓风炉的透气性，q 为底部风风量，b 为底部风风压，弓为顶部 风压，因为在韶冶的密闭鼓风炉中顶部风压只是保持为一个较小的常数，相对 于底部风压b 可以忽略不计，所以由式( 2 - 6 ) 经过适当的简化可以得到透气性 的公式为 k = 9 b 。 ( 2 7 ) 因此，可以根据鼓风炉的底部风量和底部风压来描述鼓风炉的透气性的基本 特征和变化。经过长期的生产数据的跟踪，我们发现该密闭鼓风炉的透气性指数 范围为：0 6 5 ks o 9 ，一般在o 8 附近。根据实际的操作经验，鼓风炉的主要 生产条件限制是鼓风炉的风压，在维持鼓风炉风压在设计参数范围之内的前提条 件下，我们可以把底部风量，风压的值为o 6 5 以下为透气性差，0 6 5 - - 0 7 定为透 气性一般，o 7 o 8 定为透气性正常，0 8 - o 8 5 定为透气性好。 上面对课题的研究对象密闭鼓风炉透气状况作了简要介绍，针对这样的对象 本课题采用数据挖掘的研究方法进行分析，在应用这一技术之前，首先要了解什 么是数据挖掘，下面就对数据挖掘的相关理论作个介绍。 2 2 数据挖掘理论 1 数据挖掘的定义与特点 数据挖掘的定义有很多，h a n d 1 8 l 认为数据挖掘是指从大量数据中获取有趣 的或者有价值信息的过程，s i m o u d i s b 9 数据挖掘定义为由大型数据库中抽取正确 的、未知的、可理解的并具有可操作性的、可用于决策的信息的过程。另外，文 献| 2 0 , 2 1 】中都有略有区别的数据挖掘的定义。 从技术上来说，数据挖掘d m 【2 2 】是指从大量的、不完全的、有噪声的、模糊 的、随机的数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用的 信息和知识的过程。还有很多和这一术语相近似的术语，如从数据库中发现知识、 数据分析、数据融合以及决策支持等。它是一门很广义的交叉学科，它融合了数 据库、人工智能、机器学习、数理统计、计算机应用等多个领域的理论与技术， 它能够高度自动化地分析数据，做出归纳性的推理，并从中挖掘潜在的模式，为 管理决策和科学研究提供有利的参考依据。 从商业角度来说，数据挖掘也是一种新的商业信息处理技术，其主要特点是 对商业数据库中的大量业务数据进行抽取、转换、分析和其他模型化处理，从中 提取辅助商业决策的关键性数据。 简而言之，数据挖掘其实是一类深层次的数据分析方法。数据分析本身已经 有很多年的历史，只不过在过去数据收集和分析的目的是用于科学研究。另外， 中南大学硕士学位论文第一二章密闭鼓风炉及数据挖掘理论 由于当时计算能力的限制，对大数据量进行分析的复杂数据分析方法受到很大限 制。现在，由于各行业业务自动化的实现，商业领域产生了大量的业务数据，这 些数据不再是为了分析的目的而收集的，而是纯机会的商业运作而产生。分析这 些数据也不再是单纯为了研究的需要，更主要是为商业决策提供真正有价值的信 息，并获得利润。企业数据量非常大，而其中真正有价值的信息却很少，因此从 大量的数据中经过深层分析，获得有利于商业运作、提高竞争力的信息，就像从 矿石中淘金一样，数据挖掘也因此而得名。 因此，数据挖掘可以描述为：按企业既定业务目标，对大量的企业数据进行 探索和分析，揭示隐藏的、未知的或验证己知的规律性，并进一步将其模型化的 先进有效的方法。 数据挖掘的特点： ( 1 ) 处理的数据规模十分巨大。 ( 2 ) 查询一般是决策制定者( 用户) 提出的即时随机查询，往往不能形成 精确的查询要求，需要靠数据挖掘技术寻找其可能感兴趣的东西。 ( 3 ) 在一些应用中，由于数据变化迅速可能很快过时，因此要求数据挖掘 能快速做出反应以提供决策支持。数据挖掘既要发现潜在规则，还要管理和维护 规则，而规则是动态的，当前的规则只能反映当前状态的数据库特征，随着新数 据的不断加入，规则需要随之更新。 ( 4 ) 数据挖掘中规则的发现主要基于大样本的统计规律，发现的规则不必 适用于所有数据，当达到某一阈值时便可认为有此规律。 2 数据挖掘流程和分类 数据挖掘流程一般由三个主要阶段组成：数据准备阶段、数据挖掘阶段、评 估与表示阶段。 1 ) 数据挖掘的流程 ( 1 ) 定义商业问题 在开始数据挖掘之前，最重要的要求是了解数据和相关的业务问题。 在数据挖掘中，需要的非常重要的知识就是问题的背景知识。比如本文要分 析冶金领域的密闭鼓风炉透气指数水平，需要了解密闭鼓风炉的生产流程、工业 技术指标及其他诸多行业知识，需要了解的项目还包括以下几点： 明确定义要解决的问题： 了解现有系统中的数据的含义； 为挖掘准备数据； 进行合理