基于聚類(lèi)分析法的織造車(chē)間能耗數(shù)據(jù)清洗

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)清洗;聚類(lèi);異常檢測(cè);去重

0 引言（Introduction）

近年來(lái)，降低碳排放已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)，各國(guó)都在努力減少溫室氣體排放以應(yīng)對(duì)氣候變化。我國(guó)也制定了二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年達(dá)到峰值，爭(zhēng)取2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)[1]。為減少企業(yè)的碳排放量，各個(gè)行業(yè)都在進(jìn)行能源管理及預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用研究。紡織行業(yè)在能源管理及預(yù)測(cè)方面的研究起步較晚[2]，同時(shí)紡織企業(yè)織造車(chē)間能源消耗形式復(fù)雜，需要根據(jù)車(chē)間的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)用能行為的分析和預(yù)測(cè)，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較高。因此，數(shù)據(jù)清洗對(duì)于能耗預(yù)測(cè)尤為關(guān)鍵，它不僅能提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，還能有效降低數(shù)據(jù)冗余。

在數(shù)據(jù)清洗方面，嚴(yán)英杰等[3]提出了一種基于時(shí)間序列分析的雙循環(huán)迭代檢驗(yàn)法，對(duì)變壓器和線(xiàn)路的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，得到了較高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，但該方法只適合變電設(shè)備單一數(shù)據(jù)類(lèi)型的清洗。LI等[4]提出一種基于改進(jìn)隨機(jī)森林的數(shù)據(jù)清洗方法，但該方法對(duì)數(shù)據(jù)冗余性的優(yōu)化尚未考慮。在缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)全領(lǐng)域，唐冬來(lái)等[5]提出了改進(jìn)多分類(lèi)器的數(shù)據(jù)修補(bǔ)方法，但該方法只能在特定誤差頻率的條件下獲得較好的修補(bǔ)效果。在常規(guī)數(shù)據(jù)插補(bǔ)方面，常見(jiàn)的插補(bǔ)方法有總體均值填補(bǔ)法、回歸填補(bǔ)法、多重插補(bǔ)法等[6]，相關(guān)學(xué)者對(duì)缺失值問(wèn)題進(jìn)行了大量的專(zhuān)題研究。在數(shù)據(jù)去重方面，李樹(shù)林等[7]提出了基于對(duì)比分析的邊緣終端用電時(shí)序數(shù)據(jù)去重方法，但該方法沒(méi)有考慮去重后對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用方面的影響。綜上所述，本文通過(guò)對(duì)織造車(chē)間動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析，并對(duì)能耗影響因素的數(shù)據(jù)特點(diǎn)和質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行歸類(lèi)，結(jié)合織造車(chē)間的生產(chǎn)實(shí)際，提出了基于聚類(lèi)分析法的綜合數(shù)據(jù)清洗方法。

1 織造車(chē)間能耗數(shù)據(jù)分析（Energy consumptiondata analysis of weaving workshop

織造車(chē)間的能耗組成復(fù)雜，關(guān)聯(lián)因素較多，其主要能耗由生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備產(chǎn)生。此外，車(chē)間的生產(chǎn)計(jì)劃和氣候環(huán)境等因素也會(huì)影響車(chē)間能耗。因此，織造車(chē)間的能耗組成是一個(gè)包含多層次、多要素的復(fù)雜系統(tǒng)。為便于后續(xù)的能耗預(yù)測(cè)與數(shù)據(jù)處理，需對(duì)車(chē)間能耗進(jìn)行層級(jí)分析，從而提取能耗影響因素的數(shù)據(jù)特征。

1.1 織造車(chē)間能耗層級(jí)分析

織造車(chē)間的能耗組成從用能行為角度進(jìn)行劃分，可以分為3層，即織造設(shè)備層、輔助設(shè)備層、關(guān)聯(lián)因素層;其能耗層級(jí)如圖1所示?？棛C(jī)是織造車(chē)間的主要生產(chǎn)設(shè)備和能耗設(shè)備，還包含照明設(shè)備、空壓機(jī)、車(chē)間看板電腦等輔助設(shè)備，生產(chǎn)不同數(shù)量和規(guī)格的產(chǎn)品會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的變化，進(jìn)而產(chǎn)生差異化的能耗，環(huán)境條件也會(huì)間接影響織造設(shè)備和輔助設(shè)備的能耗狀況。

輔助設(shè)備層：織造車(chē)間的輔助設(shè)備能耗按其變化特點(diǎn)可分為兩類(lèi)。一是不受生產(chǎn)計(jì)劃和環(huán)境條件影響的能耗，如照明能耗、電視看板等設(shè)備的能耗。二是隨生產(chǎn)計(jì)劃及設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)變化而動(dòng)態(tài)變化的能耗，如運(yùn)輸設(shè)備能耗、空壓機(jī)能耗等。

關(guān)聯(lián)因素層：生產(chǎn)計(jì)劃會(huì)間接影響車(chē)間生產(chǎn)設(shè)備與輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和能耗。同時(shí)，環(huán)境溫度、濕度也會(huì)影響車(chē)間生產(chǎn)設(shè)備與輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和能耗。因此，需要采集的數(shù)據(jù)有環(huán)境氣象數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)（包括品種、規(guī)格等）。

根據(jù)上述對(duì)織造車(chē)間能耗數(shù)據(jù)的分層，織造車(chē)間能耗及關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)如下。①車(chē)間生產(chǎn)設(shè)備能耗數(shù)據(jù)。②設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，經(jīng)停、緯停的停車(chē)時(shí)長(zhǎng)、次數(shù)等）。③生產(chǎn)數(shù)據(jù)（包括生產(chǎn)品種和產(chǎn)量）。④環(huán)境氣象數(shù)據(jù)。

1.2 織造車(chē)間數(shù)據(jù)特征

所在企業(yè)通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和云端數(shù)據(jù)庫(kù)建立車(chē)間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)上述能耗層級(jí)及采集到的原始數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析，得到織造車(chē)間能耗和生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要具備以下特征。

1.2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量低

采集設(shè)備通過(guò)車(chē)間無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，受設(shè)備傳感器異常等因素的影響，會(huì)出現(xiàn)零星不屬于正常值范圍的異常數(shù)據(jù)，異常數(shù)據(jù)示例如圖2所示。

這些異常數(shù)據(jù)通常單獨(dú)出現(xiàn)，不符合織造車(chē)間用能和生產(chǎn)特征;同時(shí)，車(chē)間生產(chǎn)設(shè)備檢修、采集設(shè)備故障等因素影響會(huì)產(chǎn)生部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失的情況，缺失數(shù)據(jù)示例如圖3所示。

數(shù)據(jù)缺失通常表現(xiàn)為連續(xù)的數(shù)據(jù)空缺;受車(chē)間環(huán)境和設(shè)備電磁干擾，有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的異常數(shù)據(jù)波動(dòng)。這些問(wèn)題會(huì)影響數(shù)據(jù)的連續(xù)性和局部完整性，進(jìn)而導(dǎo)致能源管理系統(tǒng)的能耗預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性降低。數(shù)據(jù)異常類(lèi)型及原因如表1所示。

1.2.2 數(shù)據(jù)規(guī)模大

紡織企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備多，車(chē)間生產(chǎn)與能耗數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多，例如某企業(yè)的一個(gè)織造車(chē)間共有40多臺(tái)織造設(shè)備，還有多種輔助設(shè)備，智能電表數(shù)據(jù)采集點(diǎn)有12個(gè)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)有40個(gè)，并且車(chē)間生產(chǎn)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求極高，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集頻率為30秒/次，數(shù)據(jù)采集頻率高，智能電表能源數(shù)據(jù)采集頻率為5分鐘/次，因此每日產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，隨著時(shí)間的增加，數(shù)據(jù)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到PB級(jí)別。用于能源預(yù)測(cè)分析的數(shù)據(jù)集規(guī)模龐大，嚴(yán)重影響了能耗預(yù)測(cè)的效率。

1.2.3 數(shù)據(jù)特征復(fù)雜且具有關(guān)聯(lián)性

織造車(chē)間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)種類(lèi)復(fù)雜且具有一定關(guān)聯(lián)性，包括各區(qū)域的能耗數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)品種數(shù)據(jù)、產(chǎn)量數(shù)據(jù)，以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)和作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)等。其中，環(huán)境氣象數(shù)據(jù)具有周期性波動(dòng)規(guī)律，部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)離散跳動(dòng)特征。累計(jì)正向有功電能、織機(jī)產(chǎn)量等數(shù)據(jù)表現(xiàn)為連續(xù)波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)。各類(lèi)數(shù)據(jù)參數(shù)特征如表2所示。

1.2.4 數(shù)據(jù)價(jià)值密度低

目前，車(chē)間能源生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量巨大，同一生產(chǎn)條件下，設(shè)備能耗數(shù)據(jù)相似度高，數(shù)據(jù)冗余大，數(shù)據(jù)價(jià)值密度相對(duì)較低。

2 數(shù)據(jù)清洗與去重（Data cleaning and deduplication）

織造車(chē)間能耗關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)種類(lèi)多且特征各異，能耗數(shù)據(jù)采集范圍大、頻率高，因此容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失和異常的情況。同時(shí)，能耗數(shù)據(jù)價(jià)值質(zhì)量密度低，只有對(duì)原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，降低數(shù)據(jù)冗余，才能得到具有代表性的數(shù)據(jù)集，進(jìn)而提高能源預(yù)測(cè)的效率和質(zhì)量。首先針對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行異常識(shí)別，其次針對(duì)缺失數(shù)據(jù)問(wèn)題，依據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)插補(bǔ)缺失部分，最后對(duì)數(shù)據(jù)集去重，降低數(shù)據(jù)冗余。

2.1 常用的數(shù)據(jù)清洗方法

數(shù)據(jù)清洗是確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟，常規(guī)的數(shù)據(jù)清洗主要是對(duì)異常數(shù)據(jù)的識(shí)別和對(duì)缺失數(shù)據(jù)的插補(bǔ)。目前，常見(jiàn)的數(shù)據(jù)清洗方法如下。

高通濾波法[8]：用于減弱或阻隔低于給定頻率的低頻信號(hào)，其作用是過(guò)濾掉由偶然因素引起的噪聲干擾，使得信號(hào)的較低頻部分減弱或被抑制，而保持較高頻部分。這種方式可以改善信號(hào)的收斂性，有利于獲得更穩(wěn)定的輸出值。但是，周期性噪聲通常具有特定的頻率分量，可能位于高通濾波的通帶范圍內(nèi)，因此高通濾波法對(duì)周期性的噪聲處理效果不佳。

K-means聚類(lèi)算法[9]：一種無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，用于將數(shù)據(jù)點(diǎn)劃分成不同的簇群，其基本思想是將數(shù)據(jù)點(diǎn)分配到距離最近的簇中心，并不斷更新簇中心，直到簇中心不再變化或達(dá)到預(yù)定的迭代次數(shù)。由于初始簇質(zhì)心為隨機(jī)選取，所以簇的質(zhì)量不能保證且離群值對(duì)模型的影響比較大。

根據(jù)織造車(chē)間數(shù)據(jù)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)中能耗數(shù)據(jù)和環(huán)境氣象數(shù)據(jù)是時(shí)間序列數(shù)據(jù)且具有周期性的特點(diǎn)，所以不宜采用高斯濾波法過(guò)濾異常數(shù)據(jù)。近年來(lái)，有很多研究者采用聚類(lèi)方法對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，但是傳統(tǒng)K-means聚類(lèi)算法會(huì)受到初始點(diǎn)選擇的影響，很多聚類(lèi)方法在檢測(cè)過(guò)程中也存在諸如效率低、誤報(bào)率較高的缺點(diǎn)[10]。所以，本文首先應(yīng)用多線(xiàn)程二分K-means聚類(lèi)算法對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，其次根據(jù)不同數(shù)據(jù)的特征采用多樣化的數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法，最后對(duì)數(shù)據(jù)降重。

2.2 異常數(shù)據(jù)識(shí)別

織造車(chē)間能耗數(shù)據(jù)量巨大，因此需要采用高效的異常識(shí)別方法。本文以K-means聚類(lèi)算法為基礎(chǔ)，該算法思想簡(jiǎn)單，收斂速度快，利于處理大數(shù)據(jù)集，效率較高。鑒于K-means聚類(lèi)算法對(duì)初始簇質(zhì)心敏感的缺點(diǎn)，需要對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。為避免傳統(tǒng)K-means聚類(lèi)算法對(duì)初始簇質(zhì)心敏感的問(wèn)題，本文采用二分K-means聚類(lèi)算法進(jìn)行聚類(lèi)，避免隨機(jī)選取初始簇質(zhì)心帶來(lái)的不確定性。為解決能耗數(shù)據(jù)量大、多次重復(fù)聚類(lèi)效率低的問(wèn)題，本文采取多線(xiàn)程方式進(jìn)行聚類(lèi)，可以提高處理效率。

改進(jìn)K-means聚類(lèi)算法流程如下。

（1）將所有數(shù)據(jù)根據(jù)周期劃分為N 個(gè)組，采取多線(xiàn)程方式對(duì)每個(gè)組分配一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行聚類(lèi)。

（2）將一個(gè)組的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)作為一個(gè)簇。

（3）將該簇進(jìn)行K-means聚類(lèi)，即取k=2分成兩個(gè)簇，根據(jù)歐幾里得距離公式分別計(jì)算對(duì)應(yīng)簇中樣本到聚類(lèi)中心的歐式距離。

（4）根據(jù)誤差平方和公式[式（2）]，選取誤差平方和最大的一個(gè)簇，即聚類(lèi)效果不好的那個(gè)簇，將其再劃分為兩個(gè)簇進(jìn)行多線(xiàn)程聚類(lèi)。

其中：k 為簇的個(gè)數(shù);P 為樣本點(diǎn);Ci 為某個(gè)簇內(nèi)所有樣本點(diǎn)的集合;mi 為簇中心。

（5）重復(fù)執(zhí)行“步驟（3）”和“步驟（4）”，直到誤差平方和SSE收斂，達(dá)到k 個(gè)簇。

（6）選取SSE 最小的聚類(lèi)結(jié)果。

異常數(shù)據(jù)具有孤立、頻率低且無(wú)規(guī)律的特點(diǎn)。利用這些特點(diǎn)，從聚類(lèi)結(jié)果中選取聚類(lèi)對(duì)象占比小于4%的分組，定為異常數(shù)據(jù)組，識(shí)別異常數(shù)據(jù)。

2.3 缺失數(shù)據(jù)修復(fù)

識(shí)別出異常數(shù)據(jù)后，首先將異常數(shù)據(jù)刪除，視為缺失數(shù)據(jù)，其次進(jìn)行缺失值插補(bǔ)。由于織造車(chē)間數(shù)據(jù)構(gòu)成復(fù)雜且普遍存在異常數(shù)據(jù)，因此需要根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類(lèi)別采用多樣化的數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法（圖4），圖4中STL分解代表時(shí)間序列分解法。

目標(biāo)數(shù)據(jù)中的累計(jì)正向有功電能等數(shù)據(jù)屬于連續(xù)增長(zhǎng)型數(shù)據(jù)，采用線(xiàn)性回歸模型進(jìn)行插補(bǔ)，該方法簡(jiǎn)單快捷，可以獲得較好的插補(bǔ)效果;運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)效率等離散跳動(dòng)型數(shù)據(jù)采用均值插補(bǔ)法進(jìn)行插補(bǔ);環(huán)境氣象數(shù)據(jù)屬于典型的周期性時(shí)間序列數(shù)據(jù)，采用STL分解法捕捉時(shí)序數(shù)據(jù)的季節(jié)性和總體變化趨勢(shì)進(jìn)行插補(bǔ)，其基本思路是將環(huán)境氣象數(shù)據(jù)分解為趨勢(shì)分量Tt，周期分量St，其他分量Rt，其分解式為yt=Tt+St+Rt。對(duì)趨勢(shì)分量進(jìn)行三次樣條插值，將周期分量添加回插值后的結(jié)果中。STL分解法對(duì)異常值具有魯棒性，適合處理季節(jié)性數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)集去重

通過(guò)對(duì)缺失數(shù)據(jù)的插補(bǔ)，獲取到較完整的原始數(shù)據(jù)集，但原始數(shù)據(jù)集仍存在數(shù)據(jù)冗余高的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)集重復(fù)性高，數(shù)據(jù)量大，不利于后續(xù)實(shí)時(shí)高效的能耗預(yù)測(cè)。因此，需要對(duì)原數(shù)據(jù)集進(jìn)行篩選，得到代表性強(qiáng)的數(shù)據(jù)集，提高數(shù)據(jù)價(jià)值密度。依據(jù)聚類(lèi)分析的思想，數(shù)據(jù)聚類(lèi)利用數(shù)據(jù)之間的相似性和差異性進(jìn)行數(shù)據(jù)劃分[11]。依據(jù)該思想，引入可決系數(shù)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)去重，主要步驟如下。

（1）對(duì)原始數(shù)據(jù)集依據(jù)時(shí)間周期，按月進(jìn)行分組切片，第一組數(shù)據(jù)記為D1i，第二組數(shù)據(jù)記為D2i。

（2）引入可決系數(shù)，用于衡量?jī)?yōu)化降重后的數(shù)據(jù)集的擬合程度，其公式為

其中：xi 為原始數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù);x 為原始數(shù)據(jù)集的平均值;x^為對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)。R2 值越接近于1，表示擬合數(shù)據(jù)集越接近于實(shí)際數(shù)據(jù)集。

（3）將D1i、D2j 分別作為公式（3）中xi 和x^計(jì)算兩組數(shù)據(jù)值的可決系數(shù)。規(guī)定可決系數(shù)的指標(biāo)值r：當(dāng)R2 gt;r 時(shí)，表示所測(cè)D1i 與D2j 的擬合優(yōu)度較好，將D1i 與D2j 中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)取平均值生成新的數(shù)據(jù)集Dfi;當(dāng)R2

（4）分別計(jì)算R2，對(duì)不滿(mǎn)足要求的切片進(jìn)行計(jì)數(shù)，若其數(shù)量大于總切片數(shù)的1/5，則單獨(dú)提取保存，否則用D1i 的平均值替換D2j 數(shù)據(jù)集中不符合要求的數(shù)據(jù)，再生成新的數(shù)據(jù)集Dfi。

（5）依據(jù)新數(shù)據(jù)集與兩個(gè)原始數(shù)據(jù)集的R2 值對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行降序排序，然后選出R2 值最大的數(shù)據(jù)集視為最佳數(shù)據(jù)集Dfa 。

（6）此時(shí)得到的最佳數(shù)據(jù)集依然有很高的重復(fù)性，需要引入Pearson相關(guān)系數(shù)，用于衡量數(shù)據(jù)間線(xiàn)性相關(guān)程度。將得到的最佳數(shù)據(jù)集Dfa 依次與其他數(shù)據(jù)集Dfi（i≠a）組合，計(jì)算它們的Pearson相關(guān)系數(shù)。設(shè)定相關(guān)系數(shù)的判斷指標(biāo)r，若兩個(gè)數(shù)據(jù)集K 的相關(guān)系數(shù)大于指標(biāo)值，則表示兩個(gè)數(shù)據(jù)集的重復(fù)性過(guò)高，需要舍去。依次計(jì)算相關(guān)系數(shù)值，剔除重復(fù)性高的數(shù)據(jù)集，篩選出具有代表性的數(shù)據(jù)集。

3 仿真實(shí)驗(yàn)（simulation experiment）

3.1 織造車(chē)間異常數(shù)據(jù)識(shí)別算例

本文以某織造企業(yè)織造一號(hào)車(chē)間的某車(chē)間區(qū)域7月1日至7月7日的逐小時(shí)能耗數(shù)據(jù)為例，共168個(gè)數(shù)據(jù)值，采用上文提出的二分K-means聚類(lèi)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，識(shí)別異常點(diǎn)，得到的聚類(lèi)效果圖如圖5所示。

圖5中，類(lèi)別3、類(lèi)別4、類(lèi)別5的聚類(lèi)點(diǎn)占比小于4%且對(duì)應(yīng)聚類(lèi)中心與其他數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)，因此視為異常數(shù)據(jù)，聚類(lèi)結(jié)果及處理如表3所示。同時(shí)，利用樣本數(shù)據(jù)集對(duì)本文方法與傳統(tǒng)K-means聚類(lèi)算法的異常識(shí)別效率和誤報(bào)率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示，本文方法采用多線(xiàn)程聚類(lèi)的方式顯著提高了聚類(lèi)效率，縮短了聚類(lèi)時(shí)間，同時(shí)誤報(bào)率較低。

3.2 缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)算例

將識(shí)別出的異常數(shù)據(jù)視為缺失數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，采用多樣化插補(bǔ)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)插補(bǔ)。以環(huán)境氣象數(shù)據(jù)為例，采用STL分解法對(duì)某車(chē)間6月至8月的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分解，得到結(jié)果如圖6所示。對(duì)其中的趨勢(shì)部分進(jìn)行三次樣條插值，然后合并結(jié)果，缺失數(shù)據(jù)插值前的結(jié)果如圖7所示、缺失數(shù)據(jù)插值后的結(jié)果如圖8所示。

3.3 數(shù)據(jù)集去重算例

針對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)價(jià)值密度低的問(wèn)題，采用基于可決系數(shù)和Pearson 相關(guān)系數(shù)的數(shù)據(jù)集去重方法，將織造車(chē)間能耗原數(shù)據(jù)集依據(jù)車(chē)間區(qū)域分組切片，D11、D12、D13 為織造一車(chē)間3個(gè)區(qū)域一個(gè)月的能耗樣本數(shù)據(jù)，D21、D22、D23 為織造二車(chē)間3個(gè)區(qū)域一個(gè)月的能耗樣本數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表5所示。

分別計(jì)算兩個(gè)車(chē)間負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的可決系數(shù)，結(jié)果均滿(mǎn)足新數(shù)據(jù)集的生成條件。將D1i 與D2j 中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)取平均值生成新的數(shù)據(jù)集Dfi，得到的新數(shù)據(jù)集如表6所示。將生成的新數(shù)據(jù)集與原數(shù)據(jù)集計(jì)算可決系數(shù)，結(jié)果如表7所示。

表7中的可決系數(shù)相對(duì)都不高，原因是部分車(chē)間區(qū)域出現(xiàn)一段時(shí)間的停工狀態(tài)。其中，D2 的可決系數(shù)最高，視為最優(yōu)數(shù)據(jù)集，分別計(jì)算其與其他組別的Pearson相關(guān)系數(shù)，D2 與D1、D3的相關(guān)系數(shù)分別為0.962和0.983。一般情況下，若Pearson相關(guān)系數(shù)大于0.9，則視為相互之間的相關(guān)性高，即最優(yōu)數(shù)據(jù)集可以替代其他數(shù)據(jù)集。為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)集的可靠性，分別采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與決策樹(shù)預(yù)測(cè)模型對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行驗(yàn)證，常用預(yù)測(cè)模型下不同訓(xùn)練集預(yù)測(cè)結(jié)果誤差對(duì)比如表8所示。

表8中的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，去重后獲得的數(shù)據(jù)集誤差在可接受范圍內(nèi)，使用本文方法后，將數(shù)據(jù)量從4 320組降到了720組，在保證了預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性的同時(shí)，大大降低了數(shù)據(jù)冗余，提高了數(shù)據(jù)集的價(jià)值密度，為后續(xù)提高能耗預(yù)測(cè)效率奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論（Conclusion）

本文對(duì)某紡織企業(yè)織造車(chē)間能耗進(jìn)行了層級(jí)分析，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行了分類(lèi)。針對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)質(zhì)量低、數(shù)據(jù)冗余高、價(jià)值密度低的問(wèn)題，提出了基于聚類(lèi)分析的異常數(shù)據(jù)識(shí)別、多樣化插補(bǔ)和去重的綜合數(shù)據(jù)清洗方法。本文提出的基于二分K-means聚類(lèi)算法的異常值識(shí)別方法，在實(shí)際處理大數(shù)量級(jí)的能耗數(shù)據(jù)時(shí)，可有效提高識(shí)別效率，同時(shí)對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)采取了多樣化的數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法，提高了插補(bǔ)的適用性。采用依據(jù)可決系數(shù)的數(shù)據(jù)去重方法，通過(guò)模擬車(chē)間數(shù)據(jù)，將降重后的數(shù)據(jù)集應(yīng)用到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和決策樹(shù)預(yù)測(cè)模型中，結(jié)果表明該方法可以在有效降低數(shù)據(jù)冗余的同時(shí)，保證預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)提高紡織企業(yè)織造車(chē)間能源預(yù)測(cè)的效率和準(zhǔn)確性有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。