鋁電解槽狀態(tài)可視化展示

李晉宏，袁 媛

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鋁電解槽狀態(tài)可視化展示

李晉宏，袁 媛

（北方工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100144）

針對(duì)目前不能給出一個(gè)直觀明確的鋁電解槽可視化畫(huà)像的問(wèn)題，本文利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，結(jié)合某鋁電解廠的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行了多角度分析，可以得出一個(gè)各個(gè)數(shù)據(jù)的判斷符號(hào)，最后結(jié)合可視化形式對(duì)鋁電解槽進(jìn)行可視化畫(huà)像展示。這種方法更加有效的得出一個(gè)清晰地結(jié)論，也使工藝人員可以更快速地找到測(cè)量到的問(wèn)題點(diǎn)。解決了工藝人員不了解數(shù)據(jù)結(jié)論的問(wèn)題和大量數(shù)據(jù)結(jié)論不夠清晰以至于現(xiàn)場(chǎng)人員需要消耗時(shí)間去理解數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

鋁電解生產(chǎn)；電解槽畫(huà)像；統(tǒng)計(jì)學(xué)分析；數(shù)據(jù)可視化

0 引言

隨著信息科技的高速發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)每時(shí)每刻都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)了。面對(duì)海量數(shù)據(jù)，如何處理分析以及存儲(chǔ)是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題，而數(shù)據(jù)可視化分析技術(shù)是大數(shù)據(jù)分析的重要方法，可以幫助數(shù)據(jù)分析人員更快的找到數(shù)據(jù)中隱含的規(guī)律和模式[1]。數(shù)據(jù)可視化主要是利用將數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化來(lái)更加清晰明確地表示信息，是關(guān)于數(shù)據(jù)視覺(jué)表現(xiàn)形式的科學(xué)技術(shù)研究。但是，這并不就意味著，數(shù)據(jù)可視化就一定因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)其功能用途而令人感到枯燥乏味，或者是為了看上去絢麗多彩而顯得極端復(fù)雜。數(shù)據(jù)可視化與信息圖形、信息可視化、科學(xué)可視化以及統(tǒng)計(jì)圖形密切相關(guān)。當(dāng)前，在研究、教學(xué)和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)可視化乃是一個(gè)極為活躍而又關(guān)鍵的方面。“數(shù)據(jù)可視化”這條術(shù)語(yǔ)實(shí)現(xiàn)了成熟的科學(xué)可視化領(lǐng)域與較年輕的信息可視化領(lǐng)域的統(tǒng)一。可視化及可視分析將數(shù)據(jù)通過(guò)直觀的視覺(jué)形式展現(xiàn)給用戶，并提供有效的交互方式支持用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索[2]。

1 研究背景

在大數(shù)據(jù)背景下，我們可以檢測(cè)到鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中的諸多數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性，反映一個(gè)電解槽生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)部分的質(zhì)量問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)鋁電解生產(chǎn)工藝的研究比較多，但關(guān)于測(cè)量生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，以及利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行多維分析的研究還處于初級(jí)階段，鐵軍利用矩形導(dǎo)體周圍磁場(chǎng)測(cè)得陽(yáng)極導(dǎo)桿電流的數(shù)據(jù)[3]并對(duì)陽(yáng)極電壓數(shù)據(jù)采用因子分析和功率譜分析法進(jìn)行分析[4]；北方工業(yè)大學(xué)的李晉宏教授為了減小鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中的誤差，及時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)量錯(cuò)誤，將統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制引入到鋁電解生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向鋁電解生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)[5]；北方工業(yè)大學(xué)的曹丹陽(yáng)等教授在研究多維分析的基礎(chǔ)上結(jié)合鋁電解生產(chǎn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)詳細(xì)闡述鋁電解槽生產(chǎn)數(shù)據(jù)多維分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[6]；在鋁電解數(shù)據(jù)可視化方向，國(guó)內(nèi)并沒(méi)有過(guò)多的研究，沒(méi)有一個(gè)合適的方法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

本文采集了某電解鋁廠生產(chǎn)過(guò)程中的四大類數(shù)據(jù)：陽(yáng)極電壓、陰極電壓、鋼棒溫度和側(cè)壁溫度，一共有196個(gè)測(cè)點(diǎn)，針對(duì)這四類數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理再結(jié)合工藝人員的專業(yè)知識(shí)，綜合展示出來(lái)一個(gè)電解槽的畫(huà)像。鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生8中狀態(tài)：（1）陽(yáng)極是否長(zhǎng)包；（2）鋁液是否升高；（3）過(guò)熱度高低；（4）伸腿的長(zhǎng)度的情況；（5）爐幫的厚度的情況；（6）陰極是否破損；（7）是否有熱傳導(dǎo)；（8）氧化鋁的濃度是否均勻。這些狀態(tài)與整個(gè)槽狀態(tài)息息相關(guān)，影響著鋁電解生產(chǎn)的質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

電解槽測(cè)量數(shù)據(jù)分為：陽(yáng)極電壓（AB 兩側(cè)分別16點(diǎn)），陰極電壓（AB兩側(cè)分別40點(diǎn)），陰極鋼棒溫度（AB兩側(cè)共80點(diǎn)），槽殼溫度（AB兩側(cè)分別20點(diǎn)）。

2.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可能由于設(shè)備等原因產(chǎn)生空缺值，針對(duì)這些數(shù)據(jù)異常點(diǎn)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，根據(jù)數(shù)據(jù)可觀測(cè)出異常點(diǎn)屬于極個(gè)別現(xiàn)象，簡(jiǎn)單處理即可，本文采用的方法為刪除異常點(diǎn)，直接將空缺值進(jìn)行刪除。

根據(jù)系統(tǒng)選取的時(shí)間，可以獲得在時(shí)間序列上的一組數(shù)據(jù)，將這四類數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理后再對(duì)四類數(shù)據(jù)求平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、斜率，根據(jù)不同需求得到的平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差的多維分析可以得出八種不同狀態(tài)的數(shù)據(jù)，最后用可視化圖形進(jìn)行展示。

根據(jù)研究背景可知以及公益人員的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合多維分析，本實(shí)驗(yàn)將這八類狀態(tài)的返回形式分別設(shè)置為：（1）陽(yáng)極破損為01；（2）鋁液液面狀態(tài)為+0-；（3）過(guò)熱度為+0-；（4）伸腿的長(zhǎng)度+0-；（5）爐幫的厚度為+0-；（6）陰極破損為01；（7）熱傳導(dǎo)+0-；（8）氧化鋁的濃度+0-。對(duì)應(yīng)每類狀態(tài)，利用這四類數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的算法計(jì)算，得出一個(gè)可能的結(jié)果反饋給現(xiàn)場(chǎng)的工藝人員。

2.2 判斷算法

（2）鋁液升高的判斷需要設(shè)立一個(gè)delta值（記作1），判斷一段時(shí)間的陽(yáng)極電壓變化為+1，若1的長(zhǎng)時(shí)間大于某個(gè)極小值則判定為鋁液升高，若1在正負(fù)極小值區(qū)間波動(dòng)，則表明鋁液液面正常，符合生產(chǎn)過(guò)程中的變化現(xiàn)象，若是1長(zhǎng)時(shí)間為負(fù)數(shù)且小于某個(gè)極小值，那么就猜測(cè)可能是鋁液液面降低。

（3）根據(jù)陽(yáng)極電壓的斜率變化2判斷過(guò)熱度是否正常，選擇24小時(shí)的數(shù)據(jù)求斜率，若2在某個(gè)極小值正負(fù)值之間變化則說(shuō)明過(guò)了度正常，否則 若大于極小值正值則表示過(guò)熱，小于極小值負(fù)值則過(guò)低。

（5）一共有20槽殼溫度的測(cè)試點(diǎn)（一邊10個(gè)），求每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)24小時(shí)的斜率，將求得的斜率如上述比較方法得出每個(gè)點(diǎn)的符號(hào)，最后在觀測(cè)整體符號(hào)情況，設(shè)定一個(gè)特定值。若整體大于特定值則判定爐幫變厚，小于特定值的負(fù)值則爐幫變薄，否則不變。

（6）陰極破損與鋼棒溫度相關(guān)，陰極若發(fā)生破損鋼棒溫度會(huì)急劇上升。若>1,則可能改點(diǎn)出現(xiàn)陰極破損情況，這80個(gè)數(shù)據(jù)中有一個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)>1，則表明整個(gè)電解槽畫(huà)像可能出現(xiàn)陰極破損現(xiàn)象。

（7）熱傳導(dǎo)的判斷，本實(shí)驗(yàn)中是依據(jù)陰極電壓和鋼棒溫度的相關(guān)性進(jìn)行判斷的，將這兩類數(shù)據(jù)集合組成一個(gè)矩陣，判斷矩陣的協(xié)方差后求得相關(guān)系數(shù)。得到每組數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)后綜合分析80個(gè)數(shù)據(jù)，得出是否有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。

a. 協(xié)方差公式：

b. 相關(guān)系數(shù)：

Var[]、Var[]為、的方差。

（8）氧化鋁濃度的分布可能會(huì)影響到陽(yáng)極電壓，所以本文采用陽(yáng)極電壓對(duì)氧化鋁濃度分布進(jìn)行判斷。對(duì)某個(gè)測(cè)點(diǎn)的陽(yáng)極電壓求標(biāo)準(zhǔn)差，若標(biāo)準(zhǔn)差大于設(shè)定的數(shù)，則表明可能由于氧化鋁濃度不均勻?qū)е拢駝t不是。最后分析80個(gè)點(diǎn)的判斷，得出結(jié)論。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

登錄系統(tǒng)，選取某鋁廠一分廠一車間一工區(qū)的一天，可以看到如圖1所示的展示圖形。

該系統(tǒng)目前監(jiān)測(cè)某鋁廠的兩個(gè)電解槽，通過(guò)圖片展示用戶可以清楚的看到鋁電解槽的八類狀態(tài)的情形。

為了能夠更加清楚地展示細(xì)節(jié)，該系統(tǒng)還可以進(jìn)行可視化交互，將鼠標(biāo)移至某一種狀態(tài)點(diǎn)擊后，可觀測(cè)到個(gè)個(gè)測(cè)量點(diǎn)的可視化狀態(tài)，由于八類狀態(tài)每類屬于兩種或三種狀態(tài)，所以本實(shí)驗(yàn)認(rèn)為使用點(diǎn)圖既可以很好地表示每類狀態(tài)的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位置，又可以按照顏色區(qū)分每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的最終狀態(tài)，效果如圖2所示。

圖1 電解槽畫(huà)像展示

圖2 陰極破損可視化展示

4 結(jié)論

21世紀(jì)正處于信息化時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)+給人類帶來(lái)的便利有目共睹[6]。在電解鋁的生產(chǎn)過(guò)程中將這些數(shù)據(jù)利用互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)可視化可大大提高生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)問(wèn)題槽子的查找排查速度。本實(shí)驗(yàn)采用echarts可視化工具，結(jié)合鋁電解生產(chǎn)工藝，可以清晰地將問(wèn)題反饋給現(xiàn)場(chǎng)工藝人人員。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息化、可視化。

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Visualization Display of Electrolytic Aluminum Data

LI Jin-hong, YUAN Yuan

(College of Computer Science, North China University of Technology, Shijingshan 100144, Beijing)

In view of the problem of cannot Intuitively and explicitly visual visualization of aluminum cells at present. This paper uses statistical methods for multi angle analysis of measurement data of an aluminum electrolysis plant for analysis. A judgment symbol of each data can be obtained. Finally, the aluminum reduction cell can be visualized with drawing a portrait. This method is more effective to draw a clear conclusion, the process can more quickly find the measurement problems. It solves the problem that the technicians don't understand the data conclusions and a large number of data conclusions are not clear enough that it takes more energy to understand the data.

Aluminum electrolysis production; Image of aluminum cell; Statistical analysis; Visualization of data

TP301.6

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.034

李晉宏(1965-)，男，教授，主要研究方向：工業(yè)生產(chǎn)智能系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘等；袁媛(1994-)，女，研究生，主要研究方向：數(shù)據(jù)挖掘及其可視化分析。

李晉宏，袁媛. 鋁電解槽狀態(tài)可視化展示[J]. 軟件，2018，39（12）：151-154