數(shù)據(jù)分析法在制糖生產(chǎn)中的應(yīng)用

寧曉盼，莫柳珍，孫　瀟，高俊永，黃向陽，許廣球

（1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西　南寧　530004；2.廣州甘蔗研究所　廣東省甘蔗改良與生物煉制重點實驗室，廣東　廣州　510316）

數(shù)據(jù)分析法在制糖生產(chǎn)中的應(yīng)用

寧曉盼1，莫柳珍2，孫瀟2，高俊永2，黃向陽2，許廣球2

（1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣州甘蔗研究所廣東省甘蔗改良與生物煉制重點實驗室，廣東廣州510316）

制糖生產(chǎn)過程中每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)多且處理復(fù)雜，文章主要介紹了幾種常用的數(shù)據(jù)分析法在制糖生產(chǎn)中的應(yīng)用，包括：聚類分析法、控制圖法、灰色關(guān)聯(lián)法、回歸分析法。在現(xiàn)今的信息化、知識化、大數(shù)據(jù)時代，制糖生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)分析?？蔀樯a(chǎn)者提供輔助決策，提高管理效率，更好地控制好生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量等。

制糖生產(chǎn)；聚類分析法；灰色關(guān)聯(lián)法；控制圖法；回歸分析法

1　引言

隨著信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的應(yīng)用將會涉及到大數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)了大數(shù)據(jù)不斷增長的復(fù)雜性，數(shù)據(jù)分析方法在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用。大數(shù)據(jù)已經(jīng)不再是簡簡單單的數(shù)據(jù)大的事實，最重要的是實現(xiàn)對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，只有通過分析才能獲得更多潛在的、深入的、有價值的信息。大數(shù)據(jù)分析的理論核心是數(shù)據(jù)挖掘。數(shù)據(jù)挖掘就是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機(jī)的實際應(yīng)用數(shù)據(jù)中提取隱含在其中人們事先不知道，但又是潛在的、有用的信息和知識的過程［1］。大數(shù)據(jù)分析已涉及到醫(yī)藥、電力、化工、金融等行業(yè)，然而制糖行業(yè)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析利用水平還明顯落后于其它行業(yè)。

制糖行業(yè)是我國傳統(tǒng)的農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)，糖廠每天產(chǎn)生成千上百個數(shù)據(jù)，主要包括農(nóng)務(wù)砍運(yùn)甘蔗數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、化驗報表數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)相互交叉，密切關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了制糖生產(chǎn)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。制糖生產(chǎn)過程包括壓榨、澄清、蒸發(fā)、煮糖等工段，每一個工段都有嚴(yán)格的工藝要求。糖廠生產(chǎn)管理工作的關(guān)鍵之一是對各工段生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，確保生產(chǎn)在良好的工藝條件下平穩(wěn)進(jìn)行。制糖過程產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)背后隱藏著許多重要的信息，分析并找出數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的潛在聯(lián)系，獲取對生產(chǎn)有效的信息，對提高生產(chǎn)管理效能、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能減排都有重要意義。

2　數(shù)據(jù)分析法在制糖生產(chǎn)中的應(yīng)用

目前在甘蔗制糖企業(yè)生產(chǎn)管理過程中，應(yīng)用數(shù)據(jù)分析法對生產(chǎn)過程管理的研究較少，但數(shù)據(jù)分析對制糖生產(chǎn)管理具有重要意義。數(shù)據(jù)分析可分為描述性數(shù)據(jù)分析、預(yù)測性數(shù)據(jù)分析和驗證性數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)處理的一般過程有確定目的和思路、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展現(xiàn)等步驟。數(shù)據(jù)分析的分類方法有很多，預(yù)測性數(shù)據(jù)分析和驗證性數(shù)據(jù)分析一般有關(guān)聯(lián)規(guī)則法、控制圖法、分類規(guī)則、聚類分析、回歸分析、偏差分析等。

2.1聚類分析法

聚類分析是依據(jù)樣本之間的特征差異，即通過度量研究對象的某種特殊屬性的相似程度，使同一類樣品中的相似度最大，不同樣品的相似度最?。?］。聚類分析的過程主要依賴于樣本之間的差異。常用的聚類分析方法主要有5大類，即基于劃分、基于層次、基于密度、基于網(wǎng)格和基于模型的聚類分析方法［3，4］。

聚類分析能夠挖掘客戶管理關(guān)系，制糖企業(yè)與蔗農(nóng)之間就存在著一定的客戶管理關(guān)系。廖燕玲［5］等以廣西為例采用模糊聚類技術(shù)對甘蔗種植戶信息進(jìn)行分析處理，集中提取甘蔗種植戶的信息，如種植的總面積、優(yōu)質(zhì)土地面積、畝產(chǎn)高于當(dāng)年總平均畝產(chǎn)的產(chǎn)率等，獲取隱藏著的具有重要價值的種植戶信息，以便于發(fā)現(xiàn)有價值的、較大潛力的種植戶。同時依據(jù)甘蔗品種在不同生長期糖分的積累不同，利用蔗糖分?jǐn)?shù)據(jù)的時序性和糖分積累曲線的特點，通過聚類分析選擇優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)及高蔗糖分的甘蔗進(jìn)行壓榨。具體方法依據(jù)不同品種之間的糖分曲線不同，峰值糖不同；以及同一品種中不同種蔗單位之間的種植條件不同、管理方法不同使得早中晚期的糖分高低也不同；可通過聚類分析優(yōu)化收割蔗糖分高的甘蔗。

通過上述研究可以看出聚類分析法可以應(yīng)用于農(nóng)務(wù)管理，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同種植行為特征的農(nóng)戶進(jìn)行分類，優(yōu)化收割次序，提高甘蔗糖分、產(chǎn)量和質(zhì)量，促進(jìn)糖業(yè)發(fā)展，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.2控制圖法

控制圖法是質(zhì)量管理常用的分析方法之一，是記錄過程質(zhì)量隨時間變化進(jìn)程的一種形式，它建立在數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的基礎(chǔ)之上，利用有效數(shù)據(jù)建立控制界限，一般分為上控制界限和下控制界限［6］。若控制圖中的描點落在控制界限外或控制界限內(nèi)的排列不隨機(jī)，則表示出現(xiàn)異常，若控制圖的描點在控制界限內(nèi)則表示正常?？刂茍D在質(zhì)量診斷方面，可以用來度量過程的穩(wěn)定性；在質(zhì)量控制方面，可以用來確定何時對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整；在質(zhì)量改進(jìn)方面，可以用來確認(rèn)過程是否得到改進(jìn)。

廖玉［7］等為判別澄清工序與蒸發(fā)工序中色值的問題，針對亞硫酸法甘蔗糖廠生產(chǎn)過程將控制圖中的“單值—移動極差控制圖”與“選控單值—選控移動極差控制圖”聯(lián)合運(yùn)用于澄清工序和蒸發(fā)工序。分別收集了30個批次澄清汁色值和粗糖漿色值原始數(shù)據(jù)，制作控制圖，并針對每個批次異常原因進(jìn)行分析，判別相應(yīng)的崗位責(zé)任，并提出了各工段相對應(yīng)的解決措施。如其中一個批次澄清汁色值和粗糖漿色值均偏高，蒸發(fā)工序未出現(xiàn)異常警報而澄清工序出現(xiàn)異常警報；原因分析及采取的相應(yīng)措施：澄清汁色值偏高致粗糖漿色值也相應(yīng)偏高，由于蒸發(fā)工序正常，因此只需要解決澄清工序存在異常問題即可。這里如果不使用選控圖，就難以分清哪個工序造成影響。

通過應(yīng)用控制圖法進(jìn)行日常生產(chǎn)質(zhì)量管理是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要手段?？刂茍D法可以分清上下工序之間的責(zé)任，加強(qiáng)中間制品的質(zhì)量管理，便于針對性解決工序中存在的問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量使過程控制趨于穩(wěn)定?？刂茍D法有助于抓住生產(chǎn)主要矛盾，及時發(fā)現(xiàn)異常原因，快速解決問題，起到預(yù)防為主的作用，便于進(jìn)一步嚴(yán)格控制生產(chǎn)指標(biāo)，使產(chǎn)品白砂糖的一級品率逐步提高。

2.3灰色關(guān)聯(lián)法

灰色關(guān)聯(lián)分析是通過對數(shù)據(jù)幾何關(guān)系和曲線幾何形狀的相似度進(jìn)行比較，來分析系統(tǒng)各因素之間的關(guān)聯(lián)程度［8］?；疑P(guān)聯(lián)分析是數(shù)據(jù)挖掘內(nèi)部規(guī)律的主要方法，灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)適應(yīng)于部分信息明確，部分信息不明確的研究。在經(jīng)濟(jì)、管理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前針對亞硫酸法糖廠生產(chǎn)過程，糖汁中二氧化硫的殘存機(jī)理并不十分明晰，白砂糖含硫量的影響因素多且內(nèi)在聯(lián)系變化不定，有的因素通過監(jiān)測可以掌握其影響程度，有的因素難以測量或未被人們所認(rèn)識。據(jù)研究決定白砂糖中二氧化硫殘留量的首要因素是生產(chǎn)過程中加入二氧化硫量［9］。

張思源［10］等以亞硫酸法糖廠的清汁pH、清糖漿pH、清汁的含硫量、清糖漿的含硫量等四個因素作為主要影響因子，基于生產(chǎn)查定數(shù)據(jù)，運(yùn)用灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)理論，分析它們對白砂糖二氧化硫含量的影響主次。通過數(shù)據(jù)分析得出對白砂糖二氧化硫殘留量的影響主次為：清汁含硫量、清汁pH值、清糖漿含硫量、清糖漿pH值。清汁SO2含量和清汁pH值是影響白砂糖質(zhì)量的重要指標(biāo)，且是澄清工段全面的影響指標(biāo)。關(guān)聯(lián)結(jié)果與定性分析一致，結(jié)果可信?；疑碚撜J(rèn)為，盡管客觀系統(tǒng)表象復(fù)雜，數(shù)據(jù)雜亂，但它總是有整體功能的，因此必然蘊(yùn)含某種內(nèi)在規(guī)律。

灰色關(guān)聯(lián)分析是一種研究數(shù)據(jù)少、信息不確定性的有效方法。由于不考慮樣本序列的統(tǒng)計規(guī)律，對樣本容量沒有過高要求，應(yīng)用廣泛且定量與定性分析的結(jié)果一般能夠相吻合。

在甘蔗制糖廢蜜中所含主要成分為蔗糖、還原糖、有機(jī)非糖分、無機(jī)鹽灰分及水分等，而廢蜜糖分因其他成分含量的不同而有所增減，如還原糖逐漸下降，而非糖分量逐漸上升進(jìn)而影響廢蜜純度及產(chǎn)率。因此可通過灰色關(guān)聯(lián)法分析廢蜜中的成分與廢蜜糖度之間的數(shù)量關(guān)系，并采取適當(dāng)方法降低廢蜜糖分的損失率，提高產(chǎn)糖率。

2.4回歸分析法

回歸分析是一種基于統(tǒng)計相關(guān)量誤差分析的統(tǒng)計工具，是誤差方差最小化的最優(yōu)估計［11］，是利用回歸顯著性置信度估計，獲取回歸曲線的置信區(qū)間，用點跡擬合回歸方程，得到相互關(guān)系的經(jīng)驗公式。

李東生［12］等通過大量的歷史資料和數(shù)據(jù)應(yīng)用回歸分析法，分析了東莞糖廠兩個榨季白糖灰份異常的因素，找出特定工藝條件下白糖灰分與原料蔗非糖分的相關(guān)關(guān)系，通過檢測數(shù)據(jù)整理計算。

得出方程y=0.0257+0.0218x，并作出相關(guān)檢驗。得出白糖灰分與原料蔗非糖分相關(guān)，兩者相關(guān)關(guān)系在95%的顯著水平。

原料蔗非糖分和白糖灰分都是隨機(jī)變量，他們之間具有一定的相關(guān)關(guān)系，難以求得確定的函數(shù)式，但可用確定的回歸分析的方法找出相互關(guān)系的經(jīng)驗公式。指導(dǎo)生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。回歸分析法還可應(yīng)用于白砂糖色值影響因素的分析。白砂糖色值是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，清汁色值、清汁pH值、糖漿色值、糖漿pH值是影響其色值的主要因素，可通過回歸分析法找出四者相關(guān)關(guān)系，提高白砂糖品質(zhì)。

3　糖廠數(shù)據(jù)分析面臨的問題

大數(shù)據(jù)隱含著巨大的社會、經(jīng)濟(jì)、科研價值，已引起了各行各業(yè)的高度重視，我們在利用數(shù)據(jù)分析的過程中，也常常會遇到一些問題。糖廠數(shù)據(jù)分析中常見的主要問題有。

一是數(shù)據(jù)采集不全。數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)量，糖廠數(shù)據(jù)的主要來源包括化驗室數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、農(nóng)務(wù)數(shù)據(jù)等，目前國內(nèi)大部分糖廠生產(chǎn)自動化程度不高，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，存在數(shù)據(jù)采集量小、數(shù)據(jù)采集不全等問題，這在一定程度上影響對汁糖生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析。

二是數(shù)據(jù)利用效率低。糖廠的化驗室系統(tǒng)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)、及農(nóng)務(wù)系統(tǒng)之間一般是相對孤立的，現(xiàn)有數(shù)據(jù)之間未建立具體的關(guān)聯(lián)性，不能夠快速、充分利用數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)利用效率降低。

三是數(shù)據(jù)的可靠性。制糖生產(chǎn)過程中部分?jǐn)?shù)據(jù)易受到人為操作不當(dāng)、環(huán)境條件、設(shè)備故障、儀表故障等因素影響，在此條件下，獲得的數(shù)據(jù)可能會失真，此時對數(shù)據(jù)不加分析評判而直接使用，毫無意義。

四是實際應(yīng)用不多。糖廠實際生產(chǎn)中數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)之間的關(guān)系復(fù)雜、生產(chǎn)管理指標(biāo)多、關(guān)聯(lián)度復(fù)雜，目前對糖廠數(shù)據(jù)分析的研究較少，具有一定的難度，數(shù)據(jù)分析理論與實際的應(yīng)用需要進(jìn)一步結(jié)合，在實踐中提高糖廠數(shù)據(jù)分析的水平。

4　結(jié)束語

大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)來臨，社會各行各業(yè)都面臨著前所未有的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)分析需求，數(shù)據(jù)分析方法眾多，根據(jù)不同需求選取適當(dāng)方法，對糖廠實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘潛在的、有意義的、有價值的信息，對指導(dǎo)生產(chǎn)，加強(qiáng)管理生產(chǎn)工序中遇到的問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少原料消耗和節(jié)能減排都將有重要意義。

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