基于機(jī)器學(xué)習(xí)的煙草水分智能控制數(shù)據(jù)預(yù)處理研究

史成云 崔文波 崔汝念 鄒欣延

(紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司昭通卷煙廠,云南 昭通 657000）

1 數(shù)據(jù)采集和清洗

1.1 數(shù)據(jù)采集

通過(guò)PID 控制器和傳感器采集制絲生產(chǎn)線各工序中各生產(chǎn)要素?cái)?shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)清洗

1.2.1 刪除工序無(wú)關(guān)特征

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，分析實(shí)際工藝流程中實(shí)際影響煙草水分控制的各因素。初步刪除對(duì)水分控制影響不大的部分特征，保留 “設(shè)備狀態(tài)”“設(shè)定加水流量”“設(shè)定熱風(fēng)溫度”“A 組設(shè)定加料流量”“B 組設(shè)定加料流量”“循環(huán)風(fēng)溫度設(shè)定”“A 組實(shí)際加料流量”“B 組實(shí)際加料流量”“實(shí)際循環(huán)風(fēng)溫度”“實(shí)際加水流量”“實(shí)際熱風(fēng)溫度”“加水累計(jì)量”“直噴蒸汽累計(jì)量”“直噴蒸汽實(shí)際流量”“直噴蒸汽設(shè)定流量”“批運(yùn)行”“批次號(hào)”“配方號(hào)”“設(shè)定出口水分”“實(shí)際出口水分”“實(shí)際入口水分”“出口測(cè)溫儀溫度”“電子秤累計(jì)量”“電子秤實(shí)際流量”“電子秤設(shè)定流量”“A 模塊加料實(shí)際流量”“B模塊加料實(shí)際流量”“C模塊加料實(shí)際流量”“入口溫度”“入口濕度”“出口溫度”“出口濕度”“時(shí)間”“當(dāng)前生產(chǎn)模塊號(hào)”共34 個(gè)特征。

1.2.2 刪除意義不明確，不具備解釋性的特征

進(jìn)一步觀察數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)“批運(yùn)行”特征只有1 個(gè)值，無(wú)意義；“作業(yè)號(hào)”取值為整數(shù)，表示當(dāng)天的生產(chǎn)輪次，且存在19.29%的缺失值。刪除這兩個(gè)特征。

“A 組設(shè)定加料流量”“B 組設(shè)定加料流量”“A組實(shí)際加料流量”“B 組實(shí)際加料流量”“A 模塊實(shí)際加料流量”“B 模塊實(shí)際加料流量”“C 模塊實(shí)際加料流量”傳感器距離潤(rùn)葉加料桶太遠(yuǎn)，時(shí)滯不好計(jì)算，且加料過(guò)程是根據(jù)煙葉物料量、工藝要求和傳送帶速度等因素決定的一個(gè)均勻的添加過(guò)程，所以這些因素對(duì)煙葉生絲水分控制不產(chǎn)生直接影響，刪除這些特征。

“設(shè)定熱風(fēng)溫度”“循環(huán)風(fēng)溫度設(shè)定”“電子秤設(shè)定流量”的取值只有1 個(gè)，無(wú)分析價(jià)值。

“直噴蒸汽設(shè)定流量”雖然針對(duì)不同配方號(hào)的煙葉設(shè)定值不同，但對(duì)同一配方的煙葉在生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)定值基本一致，且直接作用于煙葉的實(shí)際數(shù)值應(yīng)該是“直噴蒸汽實(shí)際流量”，所以刪除“直噴蒸汽設(shè)定流量”特征，同理刪除“設(shè)定加水流量”特征。

1.2.3 刪除空采樣數(shù)據(jù)

每個(gè)批次的生產(chǎn)開(kāi)始前，機(jī)器開(kāi)機(jī)預(yù)備，控制器和傳感器此時(shí)亦會(huì)采集數(shù)據(jù)，此時(shí)的數(shù)據(jù)稱為空采樣數(shù)據(jù)。

空采樣：生產(chǎn)線未投入實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行采樣稱為空采樣，此時(shí)獲取的數(shù)據(jù)稱為空采樣數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)分析會(huì)產(chǎn)生不必要的影響，刪除。

首先按照“配方號(hào)、批次號(hào)”將每一個(gè)生產(chǎn)輪次的數(shù)據(jù)分隔開(kāi)，按照每一個(gè)生產(chǎn)輪次數(shù)據(jù)中“電子秤累計(jì)量”第1 個(gè)大于0 的數(shù)據(jù)作為標(biāo)志，之前的數(shù)據(jù)看作是空采樣數(shù)據(jù)。

1.2.4 特征變化和添加

根據(jù)煙葉制絲生產(chǎn)的工藝原理，和傳感器實(shí)際作用，對(duì)部分會(huì)影響到煙葉生絲含水率并可以推算的特征例如“電子秤瞬時(shí)量”“加水瞬時(shí)量”“蒸汽瞬時(shí)量”特征，“入口溫度”“入口濕度”“出口濕度”“出口溫度”分別取其平均作為環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。

對(duì)按照“批次號(hào)”和“配方號(hào)”分割后的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行計(jì)算。

為方便后續(xù)表達(dá)，對(duì)特征名稱進(jìn)行簡(jiǎn)化：

“實(shí)際加水流量”：“實(shí)際加水流量”。

“實(shí)際熱風(fēng)溫度”：“實(shí)際熱風(fēng)溫度”。

“加水累計(jì)量”：“加水累計(jì)量”。

“直噴蒸汽累計(jì)量”：“蒸汽累計(jì)量”。

“直噴蒸汽實(shí)際流量”：“蒸汽實(shí)際流量”。

“電子秤累計(jì)量”：“電子秤累計(jì)量”。

“電子秤實(shí)際流量”：“電子秤實(shí)際流量”。

“出口測(cè)溫儀溫度”：“出口溫度”。

“當(dāng)前生產(chǎn)模塊號(hào)”：“當(dāng)前模塊”。

1.2.5 時(shí)滯數(shù)據(jù)對(duì)齊

在回潮工序共產(chǎn)生了兩處時(shí)滯：一是煙葉物料從電子秤經(jīng)過(guò)到進(jìn)入滾筒開(kāi)始噴水的時(shí)滯，此處的時(shí)滯通過(guò)判斷每個(gè)批次生產(chǎn)數(shù)據(jù)中實(shí)際加水流量和加水累計(jì)量均大于0 的第一個(gè)數(shù)據(jù)行作為標(biāo)志，計(jì)算時(shí)滯[1]；二是煙葉物料入滾筒后到出滾筒的時(shí)滯，從數(shù)據(jù)觀察很難找到統(tǒng)一的標(biāo)志信息，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多次人工實(shí)測(cè)定義該時(shí)滯[2]。

1.2.6 異常數(shù)據(jù)查找和刪除

設(shè)定條件：（1）整個(gè)生產(chǎn)批次的實(shí)際出口水分最大值小于10[3]；（2）整個(gè)批次中采樣數(shù)據(jù)時(shí)間間隔超過(guò)2 秒；（3）整個(gè)生產(chǎn)批次均沒(méi)有實(shí)際加水流量和加水累計(jì)量均大于0 的記錄[4]。

圖2

符合以上三個(gè)條件中的任何一個(gè)批次的數(shù)據(jù)都屬于異常數(shù)據(jù)，刪除數(shù)據(jù)。

1.2.7 去除料頭料尾數(shù)據(jù)

料頭和料尾因?yàn)槲锪狭坎环€(wěn)定，對(duì)應(yīng)傳感器檢測(cè)值有較大誤差，會(huì)影響到數(shù)據(jù)分析。根據(jù)生產(chǎn)工藝相關(guān)要求前120 公斤物料看作是料頭，時(shí)移對(duì)齊后出現(xiàn)空值的行看作是料尾，加水瞬時(shí)量或電子秤瞬時(shí)量為0的數(shù)據(jù)也看作是料尾。

2 特征工程

將上述清洗后的數(shù)據(jù)，重新拼接成一個(gè)大的數(shù)據(jù)集后考察特征之間的相關(guān)性、共線性等因素進(jìn)行特征選擇[5]。

從總體數(shù)據(jù)來(lái)看，各特征和實(shí)際出口水分的相關(guān)系數(shù)如圖1。

圖1

按照不同配方分別分析不同特征和實(shí)際出口水分之間的相關(guān)性，可以觀察到不同配方的煙葉物料在生產(chǎn)過(guò)程中，環(huán)境溫濕度和實(shí)際出口水分的相關(guān)性有明顯變化。