基于聚類的煤質(zhì)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

張建立，楊棟，王傳剛，張建

（1.華電萊州發(fā)電有限公司，山東 煙臺(tái) 261441；2.山東固源信息科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

在高速發(fā)展的今天，世界人民已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了更多種的可使用能源，從而導(dǎo)致煤炭的身價(jià)大幅度下跌。但是，煤炭作為十八世紀(jì)以來(lái)人類使用最多主要能源之一，依然占據(jù)著重要的地位。聚類分析算法的出現(xiàn)，可以將各個(gè)相似數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和觀測(cè)，可以對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和成分分析，還可以借助監(jiān)控設(shè)備的幫助，對(duì)監(jiān)控對(duì)象的三維狀態(tài)進(jìn)行二維動(dòng)畫(huà)展示，從而可以使流程和數(shù)據(jù)更為直觀地展示在監(jiān)管者眼前。那么，基于聚類的煤質(zhì)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的工作原理以及工作流程的具體內(nèi)容是什么，基于聚類的煤質(zhì)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)有什么應(yīng)用渠道和發(fā)展前景，都需要進(jìn)一步地探討[1]。

1 聚類分析的定義

聚類分析（Cluster analysis）就是通過(guò)監(jiān)測(cè)和計(jì)算，從而將性狀和組成較為相似的對(duì)象進(jìn)行靜態(tài)的精準(zhǔn)化分類。通過(guò)聚類系統(tǒng)的精準(zhǔn)化分類，可以使監(jiān)測(cè)對(duì)象依據(jù)不同的性狀和特點(diǎn)被分到不同的類別或者子集之中。這些被分到不同的類別或是子集之中的監(jiān)測(cè)對(duì)象，大都擁有相似的性狀和特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的精準(zhǔn)分類，可以對(duì)所監(jiān)測(cè)的工作流程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更加精準(zhǔn)地搜集和分類，從而幫助監(jiān)測(cè)者可以更加全面而及時(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和了解。聚類系統(tǒng)也具有非常大的多樣性，它不受一種算法限制，在對(duì)于不同的集群進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)。就會(huì)出現(xiàn)適應(yīng)所監(jiān)測(cè)集群的算法模式。比如：①連通性模型，聚類系統(tǒng)在面對(duì)連通性模型進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，聚類系統(tǒng)就會(huì)優(yōu)先選用分層聚類的方式，在計(jì)算距離連通性的基礎(chǔ)上對(duì)所監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行模型構(gòu)建，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)效果。②質(zhì)心模型，聚類系統(tǒng)在面對(duì)質(zhì)心性模型的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，就會(huì)優(yōu)先使用k-means的算法，通過(guò)對(duì)模型樣品的單個(gè)均值向量來(lái)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)這個(gè)計(jì)算結(jié)果從而對(duì)模型中各個(gè)樣品進(jìn)行狀態(tài)分類和數(shù)據(jù)收集。除了這兩種模型，聚類系統(tǒng)在面對(duì)其他比如分布模型、密度模型、子空間模型、組模型、圖模型以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等不同的監(jiān)測(cè)模型時(shí)，所使用的算法也是不同的。由于聚類系統(tǒng)多樣化的算法模式，就可以很好地應(yīng)對(duì)不同要求下的工作監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析任務(wù)，從而達(dá)到更好的監(jiān)測(cè)效果。

2 聚類分析的特點(diǎn)

2.1 可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)地分類和計(jì)算

聚類分析系統(tǒng)是目前最為先進(jìn)的數(shù)據(jù)收集和分析系統(tǒng)之一，它所具有的專業(yè)的、高效的算法系統(tǒng)，可以很好地對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行全面和系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。在聚類系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，可以對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象全面地、系統(tǒng)地分析和計(jì)算。通過(guò)這種精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)，聚類系統(tǒng)可以得到更加全面而正確的數(shù)據(jù)。在得到精確數(shù)據(jù)以后，聚類系統(tǒng)又可以通過(guò)先進(jìn)的算法系統(tǒng)的分析，從而得到更加精準(zhǔn)的分析結(jié)果。

2.2 可以通過(guò)設(shè)備，將三維物體做二維展示

聚類系統(tǒng)區(qū)別于以往傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，它的優(yōu)越性就體現(xiàn)在他可以對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)進(jìn)行“降維”展示。聚類系統(tǒng)的運(yùn)行必須依賴于一定的監(jiān)測(cè)設(shè)備，聚類系統(tǒng)可以通過(guò)精準(zhǔn)的獲取數(shù)據(jù)和分析手段得到最及時(shí)的監(jiān)測(cè)情況。在這種基礎(chǔ)上，聚類系統(tǒng)就可以在監(jiān)測(cè)設(shè)備中，將所監(jiān)測(cè)對(duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的二維動(dòng)畫(huà)展示，從而使得監(jiān)測(cè)者可以更加直觀地了解到監(jiān)測(cè)對(duì)象在各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)以及具體的性狀數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)觀測(cè)全面化，數(shù)據(jù)整理集中化

由于聚類系統(tǒng)是一個(gè)全流程的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，他可以通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象在全部工作流程中所有方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和收集。因此，利用聚類系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加全面化。而聚類系統(tǒng)分析出的數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)直觀的方法展現(xiàn)出來(lái)，這就體現(xiàn)出了聚類系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)整理的集中化[2]。

4 煤質(zhì)檢測(cè)中的聚類分析類型

4.1 嚴(yán)格分區(qū)聚類

嚴(yán)格分區(qū)聚類就是要將監(jiān)測(cè)樣本進(jìn)行分析和觀測(cè)，將監(jiān)測(cè)對(duì)象中性狀相同的樣本歸屬于同一個(gè)集群之中。在燃煤工作的過(guò)程中，通過(guò)嚴(yán)格分區(qū)聚類，就可以對(duì)燃煤工作面上各個(gè)煤炭的燃燒狀態(tài)進(jìn)行分類。比如：對(duì)燃煤狀態(tài)進(jìn)行不同顏色的劃分和反映，如果煤炭的燃燒狀態(tài)顏色表現(xiàn)為藍(lán)色，就代表煤炭的燃燒暫時(shí)處于正常的狀態(tài)之下，不用過(guò)于擔(dān)心；如果煤炭的燃燒狀態(tài)顏色為黃色。那么，就說(shuō)明煤炭在燃燒的過(guò)程中狀態(tài)出現(xiàn)了一些問(wèn)題，系統(tǒng)進(jìn)入了得到警惕和解決，可能是燃燒的煤炭存在煤質(zhì)問(wèn)題。如果監(jiān)測(cè)畫(huà)面中煤炭的燃燒狀態(tài)顏色是紅色的，那就說(shuō)明系統(tǒng)監(jiān)測(cè)下煤炭的性狀非常不穩(wěn)定，需要及時(shí)地介入和干預(yù)[3]。

4.2 硬聚類

硬聚類就是要將監(jiān)測(cè)樣本中的各個(gè)對(duì)象進(jìn)行精準(zhǔn)地分析和分類，相同種類的對(duì)象就可以分為同一子集。我國(guó)煤炭資源種類非常豐富，有無(wú)煙煤、氣煤、瘦煤等各種種類。并且，在燃煤的行業(yè)內(nèi)，依然煤炭燃燒的性狀又可以分為強(qiáng)粘煤、中黏煤和弱黏煤等類別。通過(guò)聚類系統(tǒng)對(duì)燃煤過(guò)程進(jìn)行硬聚類，可以有效的對(duì)燃煤過(guò)程中各個(gè)類型的煤進(jìn)行識(shí)別和歸類，從而使得監(jiān)測(cè)人員可以更加直觀地進(jìn)行燃煤信息監(jiān)測(cè)，及時(shí)地對(duì)不適合燃燒的煤炭進(jìn)行剔除。從而大大的提高了燃煤工作的效率，減少了煤炭損耗，進(jìn)一步提高燃煤工作效率和企業(yè)總體效益。

5 基于聚類的煤質(zhì)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)工作流程

5.1 數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理

在燃煤工作的過(guò)程中，聚類系統(tǒng)可以系統(tǒng)地對(duì)燃煤工作的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控和把握。聚類系統(tǒng)會(huì)對(duì)燃煤工作中各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和收集，在數(shù)據(jù)手機(jī)完成后，聚類系統(tǒng)會(huì)對(duì)所收集的煤質(zhì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的預(yù)處理。通過(guò)對(duì)煤質(zhì)信息的收集和整合，可以為后期的煤質(zhì)信息可視化工作提供基本的數(shù)據(jù)支持。

5.2 煤質(zhì)信息分析和分類

在聚類系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理工作之后，聚類系統(tǒng)會(huì)利用先進(jìn)的k-means算法對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的煤質(zhì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步地分析和分類。對(duì)燃煤的性狀，屬性以及燃燒狀態(tài)進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的分類和匯總。聚類系統(tǒng)還可以對(duì)燃煤過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)，比如，在煤倉(cāng)加煤工作環(huán)節(jié)中，聚類系統(tǒng)可以對(duì)加入各個(gè)煤倉(cāng)中的煤炭的數(shù)量和種類進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分類。從而使得煤倉(cāng)加煤環(huán)節(jié)煤質(zhì)信息可以更加直觀地、系統(tǒng)地表現(xiàn)出來(lái)[4]。通過(guò)依靠算法對(duì)燃煤過(guò)程中各流程煤質(zhì)信息的分析和分類，可以為后期的二維動(dòng)畫(huà)展示工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5.3 依賴數(shù)據(jù)生成二維視圖

在聚類系統(tǒng)完成整體的數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理以及煤質(zhì)信息分析和分類工作之后，聚類系統(tǒng)就可以對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二維動(dòng)畫(huà)建模。聚類系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果展示一般依賴于一定的監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行，在完成一系列前期工作之后，聚類系統(tǒng)就會(huì)在監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)畫(huà)面中，生成燃煤過(guò)程中各個(gè)流程具體情況的二維動(dòng)畫(huà)。將燃煤工作中各個(gè)流程中的煤炭總量、煤炭種類、煤炭性狀、煤炭在煤倉(cāng)中的分布狀況也會(huì)在監(jiān)測(cè)畫(huà)面中通過(guò)不同的標(biāo)識(shí)進(jìn)行展現(xiàn)。聚類系統(tǒng)通過(guò)對(duì)燃煤流程的“降維”展示，可以使煤質(zhì)信息更加直觀、系統(tǒng)地得到展示。通過(guò)二維動(dòng)畫(huà)的表現(xiàn)，監(jiān)測(cè)人員也可以及時(shí)地對(duì)各環(huán)節(jié)下的信息進(jìn)行監(jiān)控和改進(jìn)。

6 基于聚類的煤質(zhì)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)應(yīng)用及前景

聚類系統(tǒng)普一出現(xiàn)，就因?yàn)樗到y(tǒng)而全面的檢測(cè)手段以及高度精確的數(shù)據(jù)算法而在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。比如在模式識(shí)別、圖像分析、信息檢索等工作中聚類系統(tǒng)就得到了很廣泛的應(yīng)用。而在生物信息學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及臨床醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，聚類系統(tǒng)也到了廣泛的應(yīng)用。而基于聚類的煤質(zhì)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，由于它對(duì)燃煤工作中各個(gè)層面和環(huán)節(jié)煤質(zhì)信息的系統(tǒng)化、實(shí)時(shí)化、直觀化的監(jiān)測(cè)手段，可以在很大程度上為企業(yè)節(jié)省大量人力成本和資源消耗，從而可以為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。那么，除了在燃煤發(fā)電的工作中可以利用基于聚類的煤質(zhì)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)之外。在同類型的需要燃煤作業(yè)的供暖廠、煤焦化廠、金屬冶煉廠、水泥廠、玻璃廠、磚瓦廠、陶瓷廠等企業(yè)中，基于聚類的煤質(zhì)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)依然可以發(fā)揮很多的作用[5]。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)基于聚類的煤質(zhì)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的應(yīng)用，可以有效的減少在燃煤過(guò)程中的人力投入和資源損耗，從而可以為企業(yè)帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益和成長(zhǎng)動(dòng)力。當(dāng)然，基于聚類的煤質(zhì)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)在其他領(lǐng)域依然具有著非常大的優(yōu)越性。相信在不久的將來(lái)，基于聚類的煤質(zhì)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)一定可以得到更為廣泛的應(yīng)用，從而創(chuàng)造更大的價(jià)值。