ZB45包裝機(jī)組安全聯(lián)鎖裝置失效預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 偉，王 金，謝俊明

1.張家口卷煙廠有限責(zé)任公司，河北省張家口市橋東區(qū)鉆石北路9號(hào)075000

2.中國(guó)煙草總公司職工進(jìn)修學(xué)院，鄭州市金水區(qū)鑫苑路7號(hào)450008

ZB45包裝機(jī)組是目前國(guó)內(nèi)卷煙工業(yè)企業(yè)的主流硬盒包裝設(shè)備之一，其防護(hù)罩主要采用直動(dòng)式安全聯(lián)鎖裝置，即通過(guò)行程開(kāi)關(guān)將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)防護(hù)罩位置的保護(hù)。ZB45機(jī)組的安全聯(lián)鎖裝置在電控系統(tǒng)的配合下具有電氣自診斷功能［1］，確保安全防護(hù)功能有效，但在設(shè)備維修保養(yǎng)以及安全聯(lián)鎖裝置出現(xiàn)機(jī)械故障等情況下，容易導(dǎo)致部分安全聯(lián)鎖裝置失效。而且ZB45機(jī)組不具備排空功能，生產(chǎn)結(jié)束時(shí)需要人工使CT條盒紙包裝機(jī)出口防護(hù)罩（簡(jiǎn)稱CT出口防護(hù)罩）的安全聯(lián)鎖裝置失效才能進(jìn)行收尾排空操作，存在安全隱患。因此，提高ZB45機(jī)組安全聯(lián)鎖裝置的有效性是日常安全管理的重點(diǎn)之一［2］。目前常用的管理方法主要是人工巡檢、安全點(diǎn)檢、安全培訓(xùn)等手段［3］，但存在人工巡檢效率低、及時(shí)性差、人為操作不規(guī)范等問(wèn)題。針對(duì)此，常莎［4］對(duì)安全聯(lián)鎖裝置的失效原因進(jìn)行了分析并提出了改進(jìn)建議；刑建鋼［5］研究了不同因素影響下安全聯(lián)鎖裝置的失效定義與評(píng)價(jià)方法。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展［6］，采用技術(shù)防范手段進(jìn)行安全預(yù)警已得到廣泛應(yīng)用。張建剛［7］提出了一種海上交通沖突自動(dòng)預(yù)警方法；鞠興華等［8］構(gòu)建了基坑監(jiān)測(cè)的預(yù)警模型，并提出了基坑施工的安全預(yù)警方法；王佳宇等［9］將自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，提出了一種草原蟲(chóng)害預(yù)警方法。但應(yīng)用人工智能技術(shù)對(duì)ZB45機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行安全管理的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，以ZB45機(jī)組為研究對(duì)象，基于 非 線 性 支 持 向 量 機(jī)［10］（Non-Linear Support Vector Machine，簡(jiǎn)稱Non-Linear SVM）算法建立預(yù)測(cè)模型，設(shè)計(jì)了安全聯(lián)鎖裝置失效預(yù)警系統(tǒng)，以期提高卷煙包裝設(shè)備運(yùn)行安全性。

1 問(wèn)題分析

ZB45包裝機(jī)組由YB45型硬盒包裝機(jī)（X2）、YB55型小盒透明紙包裝機(jī)（CH）、YB65型條盒包裝機(jī)（CT）、YB95型條盒透明紙包裝機(jī)（CV）共4部分組成。當(dāng)生產(chǎn)中出現(xiàn)設(shè)備故障、材料更換、維修保養(yǎng)等情況時(shí)，需要相關(guān)設(shè)備停機(jī)并打開(kāi)防護(hù)罩進(jìn)行處理。在此過(guò)程中，CT出口防護(hù)罩、CH右前防護(hù)罩等5個(gè)防護(hù)罩（位置見(jiàn)圖1），由于收尾排空操作、設(shè)備元件老化、操作頻繁等原因，其安全聯(lián)鎖裝置容易失效。ZB45機(jī)組的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以監(jiān)聽(tīng)的方式獲取MICRO-Ⅱ電控系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)包并完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)［11-12］，但通常只采集設(shè)備產(chǎn)量、不合格品剔除量等信息，對(duì)于設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的特征數(shù)據(jù)記錄不完整，因此無(wú)法利用這些模糊數(shù)據(jù)與模糊邏輯［13］建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行安全聯(lián)鎖裝置失效預(yù)警。

圖1 ZB45包裝機(jī)組關(guān)鍵防護(hù)罩位置示意圖Fig.1 Locations of key protective covers in ZB45 packing line

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

預(yù)警系統(tǒng)按層次結(jié)構(gòu)劃分為數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、展示層共4層，見(jiàn)圖2。信息系統(tǒng)采用PHP語(yǔ)言進(jìn)行WEB服務(wù)端的開(kāi)發(fā)；經(jīng)過(guò)特征選擇與篩選的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練得到預(yù)測(cè)模型，并導(dǎo)出模型文件以提供給信息系統(tǒng)調(diào)用，預(yù)測(cè)模型采用Python語(yǔ)言在Jupyter Notebook編輯器下編程設(shè)計(jì)；通過(guò)數(shù)采系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)特征數(shù)據(jù)（設(shè)備停機(jī)原因、防護(hù)罩開(kāi)合紅色信息等）存入Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中；通過(guò)信息系統(tǒng)程序完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互、Python子程序調(diào)用、預(yù)警顯示和記錄等任務(wù)，并將數(shù)據(jù)存入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖2 預(yù)警系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Hierarchical structure of early warning system

根據(jù)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的預(yù)警功能包括預(yù)測(cè)模型與信息系統(tǒng)兩部分內(nèi)容，見(jiàn)圖3。其中，預(yù)測(cè)判定每3 min執(zhí)行一次，預(yù)測(cè)結(jié)果存入信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的流水表中；根據(jù)預(yù)警結(jié)果動(dòng)態(tài)刷新預(yù)警概要界面，展示模式有預(yù)警匯總表和3D動(dòng)畫(huà)兩種形式；由相關(guān)責(zé)任人進(jìn)行預(yù)警確認(rèn)操作。

圖3 預(yù)警系統(tǒng)功能流程圖Fig.3 Function flow chart of early warning system

2.2 數(shù)采系統(tǒng)的改進(jìn)

為建立預(yù)測(cè)模型，在特征構(gòu)建階段需要對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到與防護(hù)罩有關(guān)聯(lián)的設(shè)備產(chǎn)量、剔除量、相關(guān)停機(jī)原因以及非停機(jī)原因的防護(hù)罩開(kāi)合紅色信息（簡(jiǎn)稱防護(hù)罩紅色信息）4類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由于原數(shù)采系統(tǒng)無(wú)法采集非停機(jī)原因的防護(hù)罩紅色信息，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。由圖4可見(jiàn)，改進(jìn)后增加了非停機(jī)原因防護(hù)罩紅色信息，并將其作為模型訓(xùn)練與預(yù)測(cè)的關(guān)鍵特征。

圖4 改進(jìn)后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of rebuilt data acquisition system

2.3 預(yù)測(cè)模型的特征選擇

以CT出口防護(hù)罩安全聯(lián)鎖裝置失效預(yù)測(cè)模型為例，基于128組數(shù)據(jù)（取樣時(shí)間段為2020年10月—12月），建立4維（包括防護(hù)罩紅色信息、設(shè)備產(chǎn)量、剔除量、相關(guān)停機(jī)原因）特征數(shù)據(jù)集，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)人工巡檢與維修狀況加入異常標(biāo)簽（正常為0，異常為1）。造成CT故障停機(jī)的原因主要包括：①第一提升器堵塞；②第二提升器堵塞；③CV透明紙丟失；④CV無(wú)透明紙；⑤CV拉帶用完；⑥CT上部折疊器堵塞；⑦CV透明紙展開(kāi)堵塞。采用包裹式特征選擇中的遞歸式特征消除方法［14］（Recursive Feature Elimination，簡(jiǎn)稱RFE），分別利用支持向量機(jī)（SVM）和邏輯回歸（Logistic Regression，簡(jiǎn)稱LR）作為基分類器，步長(zhǎng)為1，對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行特征選擇，結(jié)果見(jiàn)表1?？芍瑑煞N分類器的特征選擇輸出結(jié)果一致，均為True-False-False-True，即防護(hù)罩紅色信息與相關(guān)停機(jī)原因均為有效特征，表明在相關(guān)停機(jī)原因產(chǎn)生時(shí)需要操作防護(hù)罩，上述過(guò)程存在模糊邏輯關(guān)系。

表1 基于RFE方法的特征選擇結(jié)果Tab.1 Feature selection results based on RFE method

2.4 預(yù)測(cè)模型的建立

為進(jìn)一步了解數(shù)據(jù)特征并建立合適的算法模型，對(duì)特征選擇后的數(shù)據(jù)集（防護(hù)罩紅色信息與相關(guān)停機(jī)原因）進(jìn)行可視化分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。可見(jiàn)，失效樣本（紅色）靠近圖5的左上方，正常樣本（藍(lán)色）靠近右下方。也有部分?jǐn)?shù)據(jù)集中在（0，0）點(diǎn)附近，分界不清，原因是包裝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好時(shí)，即CT停機(jī)次數(shù)接近0時(shí)，防護(hù)罩開(kāi)合信息與停機(jī)信息較少，該部分?jǐn)?shù)據(jù)不能用于模型訓(xùn)練。因此，在特征選擇中增加約束條件“CT相關(guān)停機(jī)次數(shù)大于3次”以篩除這部分?jǐn)?shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)，在預(yù)測(cè)精度要求不高的情況下，可以采用線性分類模型，但在實(shí)際操作中難以總結(jié)出線性分類方法。

圖5 特征數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖Fig.5 Feature data scatter diagram

圖6 增加條件約束后特征數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖Fig.6 Feature data scatter diagram after adding constraints

為保證預(yù)測(cè)模型具有通用性且分類效果最佳，設(shè)計(jì)中選用了非線性分類方法。非線性支持向量機(jī)［15］是在線性支持向量機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)核函數(shù)完成向量空間映射，進(jìn)而將非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)題求解。為方便訓(xùn)練并評(píng)估模型性能，將特征選擇與條件約束后的最優(yōu)數(shù)據(jù)子集隨機(jī)按照7∶3的比例劃分為訓(xùn)練集與測(cè)試集，使用高斯內(nèi)核進(jìn)行訓(xùn)練與測(cè)試，不同參數(shù)下預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確率見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，在不同參數(shù)下，訓(xùn)練集與測(cè)試集的預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確率發(fā)生變化，并且在所給參數(shù)下準(zhǔn)確率普遍較高。但是由于數(shù)據(jù)集樣本量較少，尤其是失效樣本較少，因此在保證預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確率的同時(shí)，還要考慮未知樣本的分類效果，即模型的泛化能力。

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)可知，模型在懲罰系數(shù)C≥1 851，γ=0.001時(shí)訓(xùn)練集與測(cè)試集的準(zhǔn)確率均最高（100.0%），但懲罰系數(shù)C過(guò)大會(huì)出現(xiàn)過(guò)擬合［15］。為此，取C=1 851，分別與γ=0.1、0.001、0.000 1建立分類模型并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖7?？梢?jiàn)，在C=1 851，γ=0.1時(shí)模型影響區(qū)域（即紅色區(qū)域）較小，出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象，導(dǎo)致預(yù)測(cè)時(shí)泛化能力差；C=1 851，γ=0.001時(shí)得到的分類效果最優(yōu)；C=1 851，γ=0.000 1時(shí)模型接近線性，出現(xiàn)欠擬合現(xiàn)象，導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度降低。故采用參數(shù)C=1 851，γ=0.001建立的模型分類效果最優(yōu)。

圖7 分類模型效果可視化圖Fig.7 Visualization diagram of classification model effects

表2 不同參數(shù)下預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確率①Tab.2 Accuracy rate of prediction model with different parameters （%）

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)備：ZB45硬盒包裝機(jī)組（上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；HL-8801型數(shù)采工控機(jī)（深圳華龍訊達(dá)信息技術(shù)股份有限公司）；數(shù)采服務(wù)器和預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)器（X3850型服務(wù)器，聯(lián)想集團(tuán)有限公司）。

方法：對(duì)改進(jìn)后ZB45機(jī)組2021年3—7月共258班次的CT出口防護(hù)罩報(bào)警情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。①將HL-8801型數(shù)采工控機(jī)接入ZB45機(jī)組電控系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)信息以套接字的方式發(fā)送到X3850型數(shù)采服務(wù)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔時(shí)間為30 s。②預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)器每隔3 min從X3850型數(shù)采服務(wù)器中獲取實(shí)時(shí)特征數(shù)據(jù)，并調(diào)用預(yù)先訓(xùn)練好的分類模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)于信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。③按照每天生產(chǎn)兩班次（早班7∶00—15∶30，中班15∶30—23∶50）劃分預(yù)警時(shí)間，預(yù)警間隔為3 min，頁(yè)面刷新時(shí)間為5 s/次。④將班次內(nèi)產(chǎn)生的預(yù)警信息推送給安全員，由安全員根據(jù)人工巡檢和預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)表3中4種情況［失效且報(bào)警（TP）、未失效報(bào)警（FP）、失效未報(bào)警（FN）、未失效未報(bào)警（TN）］進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分別計(jì)算兩種方式的預(yù)測(cè)精度、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和查全率。

表3 預(yù)測(cè)結(jié)果分類Tab.3 Classification of prediction results

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表4可知，預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)測(cè)精度高于人工巡檢3.1百分點(diǎn)，表明利用預(yù)測(cè)模型發(fā)現(xiàn)的安全聯(lián)鎖裝置失效和未失效的正確率略高于人工巡檢；查全率高于人工巡檢47.4百分點(diǎn)，表明模型對(duì)于失效的發(fā)現(xiàn)能力遠(yuǎn)高于人工巡檢；預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率低于人工巡檢5.3百分點(diǎn)，表明模型的誤報(bào)率略高于人工巡檢。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)安全聯(lián)鎖裝置失效大多是因?yàn)楣ぷ魅藛T操作不規(guī)范，對(duì)其中典型的失效（TP+FN）進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表5?？芍?，對(duì)于組合特征中包含因故障原因?qū)е碌陌踩?lián)鎖裝置失效，系統(tǒng)預(yù)測(cè)效果較好，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控要求，且實(shí)時(shí)性優(yōu)于人工巡檢；對(duì)于電控系統(tǒng)無(wú)法顯示的機(jī)械類故障，系統(tǒng)預(yù)測(cè)效果不理想。

表4 預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of early warning system

表5 安全聯(lián)鎖裝置失效報(bào)警情況及失效原因分析①Tab.5 Malfunction warning state and malfunction cause analysis of safety interlock

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)ZB45包裝機(jī)組數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，確定了預(yù)測(cè)安全聯(lián)鎖裝置有效性的特征數(shù)據(jù)集，并建立了基于非線性支持向量機(jī)的安全聯(lián)鎖裝置失效預(yù)警系統(tǒng)，彌補(bǔ)了人工巡檢方式的不足。以CT出口防護(hù)罩安全聯(lián)鎖裝置失效為例建立預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明：模型預(yù)測(cè)精度為99.2%，高于人工巡檢3.1百分點(diǎn)；準(zhǔn)確率為94.7%，低于人工巡檢5.3百分點(diǎn)；查全率為94.7%，高于人工巡檢47.4百分點(diǎn)。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性優(yōu)于人工巡檢，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控要求，但對(duì)于機(jī)械類故障無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)警。該技術(shù)可在同類設(shè)備上推廣應(yīng)用，以進(jìn)一步提升卷煙生產(chǎn)設(shè)備的安全性能。