基于動態(tài)時間窗口的制絲穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)異常報警

孔維熙+朱知元+郭瑞川+洪宏+楊天侯+楊劍鋒+張維

摘 要：煙絲生產過程中的質量控制對于卷煙生產企業(yè)至關重要。在生產過程中，需要對制絲過程中的工藝參數(shù)超標情況進行及時、有效的報警。在制絲過程中，原料剛進入生產設備和快結束生產時都會出現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)波動，因此，在工藝參數(shù)報警時，需要排除這2段非穩(wěn)定狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，只對穩(wěn)態(tài)下的數(shù)據(jù)報警。以往的穩(wěn)態(tài)區(qū)域需要監(jiān)控人員根據(jù)經(jīng)驗判定，時效性不強且存在異常信息漏報、誤報問題。鑒于此，特提出了一種基于動態(tài)時間窗口的制絲穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)異常報警方法，以提高異常報警的實時性和有效性。

關鍵詞：卷煙企業(yè)；煙絲生產；動態(tài)時間窗口；異常報警

中圖分類號：TS43 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.019

產品質量是卷煙生產企業(yè)的命脈，煙絲的加工水平又是重中之重。在過去的質量管理中，已經(jīng)引入了信息化的管理手段，以加強對加工工藝參數(shù)的監(jiān)控。這一監(jiān)控過程的有效實現(xiàn)依賴于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的判斷，即在監(jiān)控中只對原料已經(jīng)進入生產設備一段時間且工藝參數(shù)均處于一種小幅度波動的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進行報警，排除原料剛進入和即將結束生產時劇烈波動的非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，以此來提高異常報警的有效性。因此，穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的有效判斷對于工藝參數(shù)異常報警起著決定性作用。現(xiàn)有的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判斷需要監(jiān)控人員根據(jù)多因素來決定，這導致穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判斷要么時效性不強，要么出現(xiàn)漏報和誤報的情況。因此，本文提出了一種基于動態(tài)時間窗口的制絲穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)異常報警方法。這種方法根據(jù)設備生產前的投料量和設備生產速度實時計算生產當前批次煙絲所需的時間，形成異常報警的時間窗口。時間窗口的起點以監(jiān)控工藝參數(shù)持續(xù)進入穩(wěn)定狀態(tài)開始，結束以時間窗口的結束為止。

1 工藝參數(shù)運行規(guī)律分析

制絲車間主要涉及5大機型，分別為回潮機、加料機、切絲機、烘絲機和加香機，每種機型的工藝參數(shù)監(jiān)控側重點各有不同，唯有出料含水率和出料溫度是每種機型都需要重點關注的內容。因此，本文將回潮機的出料含水率作為研究對象，對其在生產中的運行規(guī)律進行研究。

松散回潮機出口含水率曲線如圖1所示。

圖1中分別標注了A，B，C，D這4處特征區(qū)域，A區(qū)域代表物料剛從生產設備中生產出來，水分傳感器檢測到的含水率從較小值逐漸上升到含水率設定值附近；B區(qū)域代表生產過程中出現(xiàn)生產中斷的情況，后又恢復生產；C區(qū)域代表穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的異常波動情況；D區(qū)域代表生產結束含水率逐漸降到較小值。從A區(qū)域水分波動逐漸平穩(wěn)到D區(qū)域數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯下降之間的區(qū)域被稱為穩(wěn)態(tài)。其中，B區(qū)域的生產中斷和C區(qū)域出現(xiàn)的數(shù)據(jù)異常波動都是需要進行異常報警的區(qū)域，而A區(qū)域和D區(qū)域的數(shù)據(jù)波動都不能進行異常報警，否則會產生過多無用的異常信息，降低異常信息的有效性。

在以往的工藝參數(shù)監(jiān)控中，監(jiān)控人員根據(jù)投料情況、生產時長、電子稱流量和設備運行狀態(tài)等因素判斷數(shù)據(jù)是否進入穩(wěn)態(tài)。當數(shù)據(jù)處于穩(wěn)態(tài)時再用生產原料的工藝控制范圍與實時數(shù)據(jù)作對比，如果發(fā)現(xiàn)實時數(shù)據(jù)超出控制范圍，便可重點關注該工藝參數(shù)，并進行有效的調控。但鑒于監(jiān)控人員的經(jīng)驗、注意力的差異和監(jiān)控點數(shù)量比較多，導致異常信息被漏報或者誤報。

2 異常信息報警模型

由于需要監(jiān)控的工藝參數(shù)點比較多，且對時效性的要求比較高，所以，建立的模型需要較少的輸入和相對較小的計算量。在模型建立時，根據(jù)數(shù)據(jù)運行規(guī)律提出了幾種模型，逐步完善后形成了最終模型。下面筆者將簡要介紹幾種模型的建立情況。

2.1 模型一

模型一用于判斷數(shù)據(jù)的上升沿和下降沿，以上升沿和下降沿為端點確定穩(wěn)態(tài)區(qū)間，并根據(jù)當前生產工藝控制范圍進行有效報警。模型一如圖2所示。

如圖2所示，該模型將數(shù)據(jù)分為了2段，分別是A到B與B到D.在這2個區(qū)域內，可以實現(xiàn)異常信息的有效報警，但是，針對B區(qū)域的生產中斷情況卻不能進行有效報警，模型將此區(qū)域認為是生產結束。為此，相關工作人員改進了模型，在其中加入了動態(tài)時間窗口。

2.2 模型二

根據(jù)投料量和電子稱流量實時動態(tài)計算當前生產所需時間，以判定穩(wěn)態(tài)區(qū)間。模型二的主要功能如下：①實時獲取含水率數(shù)據(jù)；②判斷含水率數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)上升沿；③當數(shù)據(jù)進入上升沿且數(shù)據(jù)持續(xù)處于工藝控制區(qū)間時，確定數(shù)據(jù)進入穩(wěn)態(tài)，即時間窗口的開端；④根據(jù)物料投料量和電子秤流量（設備加工速度）動態(tài)判斷生產完該批物料的所需時間，該時間便是時間窗口的結束時間；⑤在時間窗口結束前后一段時間判斷數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)下降沿，如果出現(xiàn)這種情況，將再次調整時間窗口，將結束時間定為下降沿處。時間窗口示意情況如圖3所示。

當前時間窗口時間長度計算公式為：

Tt =（M-m）/Vt. （1）

式（1）中：Tt為當前時間窗口時間長度，即還需要監(jiān)控多長時間；M為物料投料量；m為已生產物料質量（通過電子秤物料累積量獲取）；Vt為當前電子秤流量值。根據(jù)式（1）便可實現(xiàn)對時間窗口的動態(tài)估算。

由于投料量與電子秤流量存在一定誤差，可能會出現(xiàn)窗口結束時間晚于實際結束時間（時間窗口A）的情況，也可能出現(xiàn)窗口結束時間早于實際結束時間（時間窗口B）的情況，因此，要依靠數(shù)據(jù)下降沿再次確定時間窗口的結束時間。下降沿的判斷必須在時間窗口結束點的前后幾分鐘進行，不需要全程參與判斷，否則會出現(xiàn)誤判。據(jù)此便可精確確定時間窗口，此時間窗口也即穩(wěn)態(tài)區(qū)間，通過該區(qū)間內的工藝參數(shù)與控制區(qū)間的比對便可進行有效的異常信息報警。

3 模型驗證和系統(tǒng)實現(xiàn)

為了驗證模型的正確性，工作人員提取了存于歷史數(shù)據(jù)庫中的回潮機出口含水率數(shù)據(jù)、電子秤流量數(shù)據(jù)、物料累積量數(shù)據(jù)和工藝控制區(qū)間，實驗數(shù)據(jù)曲線如圖4、圖5、圖6所示。

為了檢測模型效果，工作人員在真實歷史數(shù)據(jù)的基礎上添加了2個數(shù)據(jù)異常點和1個生產中斷點。

這批物料出口含水率控制范圍在20%±1.5%之間，投料量為6 000 kg。將這些參數(shù)作為輸入值，在Winfrom上建立模型，得到以下實驗結果，具體如圖7、圖8、圖9所示。

在試驗過程中，共發(fā)生了3次異常報警，生產開始與生產結束后的數(shù)據(jù)波動均未報警，與事實符合，模型建立成功。同時，為了進一步提高異常報警的有效性，工作人員針對工作情況設計了相關規(guī)則，具體如表1所示。

4 結束語

本文提出了一種基于動態(tài)時間窗口的制絲穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)異常報警方法，提高了異常報警的實時性和有效性。該方法利用物料投料量、電子秤流量、電子秤累積量和工藝控制參數(shù)，實時計算監(jiān)測時間窗口，從而有效判定穩(wěn)態(tài)區(qū)間，以此來進行實時、有效異常信息報警。該報警系統(tǒng)最終在Winfrom平臺下完成其建設。

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〔編輯：白潔〕