牛麗娜，閻 瑾

（河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，河北 石家莊 050051）

進(jìn)入21世紀(jì)后，煙草逐漸發(fā)展成國(guó)際市場(chǎng)上的主要經(jīng)濟(jì)作物。隨著煙草行業(yè)的快速發(fā)展，部分國(guó)家的財(cái)政收入得到了提升。當(dāng)然，煙草行業(yè)的迅速發(fā)展離不開(kāi)科學(xué)技術(shù)的支持。烘絲過(guò)程作為卷煙工藝的最后一道工序，也是最關(guān)鍵的一道工序，主要是對(duì)烘絲機(jī)的溫濕度進(jìn)行調(diào)整以控制煙絲的含水率，而煙絲含水率是制絲工藝階段的核心控制參數(shù)。若煙絲處于潮濕狀態(tài)，煙支中的煙氣、燃吸品質(zhì)等會(huì)受到嚴(yán)重影響。因此，煙絲的含水率必須嚴(yán)格控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響煙支的整體質(zhì)量和其他煙支的參數(shù)。目前為止，煙絲水分的控制基本發(fā)生在制絲階段，此階段需檢測(cè)烘絲出口的含水率，若煙絲水分過(guò)多，工作人員會(huì)將烘絲機(jī)溫度調(diào)到最佳，但此方式無(wú)法精準(zhǔn)控制煙絲含水率，這也是一直困擾卷煙企業(yè)的地方。大數(shù)據(jù)分析挖掘平臺(tái)可詳細(xì)分析烘絲過(guò)程中的設(shè)備運(yùn)行狀況、工藝以及環(huán)境等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

1 烘絲水分預(yù)測(cè)模型管理

1.1 業(yè)務(wù)概述

烘絲出口水分預(yù)測(cè)的主要工作是利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)有效挖掘并分析制絲數(shù)據(jù)，將此階段包含的工藝參數(shù)、控制參數(shù)作為研究對(duì)象進(jìn)行分析，利用分析結(jié)果進(jìn)行模擬或者抽象檢測(cè)，最終構(gòu)建烘絲出口水分預(yù)測(cè)模型[1]。根據(jù)模型可得到反映現(xiàn)實(shí)發(fā)展的規(guī)律，結(jié)合歷史制絲數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)在的烘絲出口水分進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，如圖1所示。預(yù)測(cè)模型并不是一成不變的，本身會(huì)自動(dòng)更新，而大數(shù)據(jù)分析挖掘平臺(tái)會(huì)自動(dòng)更新其中的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)保證預(yù)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性，形成適用于當(dāng)前生產(chǎn)的預(yù)測(cè)模型。

圖1 預(yù)測(cè)控制基本結(jié)構(gòu)

1.2 樣本數(shù)據(jù)分析

烘絲出口水分預(yù)測(cè)模型主要收集生產(chǎn)時(shí)間、批次號(hào)、入口溫度、水分以及煙絲牌號(hào)等，還有烘絲機(jī)入口前的風(fēng)量、熱風(fēng)的溫度以及出口水分等數(shù)據(jù)。烘絲機(jī)出口水分是一個(gè)關(guān)鍵的因變量，而入口水分、入口流量、入口溫度、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)量、閥門(mén)開(kāi)度、蒸汽流量、薄板溫度是烘絲機(jī)入口的自變量。

1.3 樣本數(shù)據(jù)處理

通過(guò)搜尋歷史制絲數(shù)據(jù)并篩選、深挖其中的重要數(shù)據(jù)，將一些陳舊無(wú)用的數(shù)據(jù)修正或直接刪除。對(duì)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步研究并發(fā)現(xiàn)其特殊性，對(duì)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)建模有很大幫助[2]。

1.4 模型選擇

在選擇預(yù)測(cè)模型的過(guò)程中，提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度是主要目的，而一般的預(yù)測(cè)模型還包括不同的線(xiàn)性回歸與邏輯回歸等。由此可見(jiàn)，在煙絲水分預(yù)測(cè)過(guò)程中，最應(yīng)該關(guān)注的問(wèn)題是超標(biāo)以后的數(shù)據(jù)，同時(shí)確保超標(biāo)樣本占比最小。此外，預(yù)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度應(yīng)較高。通過(guò)上述兩點(diǎn)可以看出，多元回歸更適用于出口水分預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建。一方面，多元回歸的本質(zhì)是自變量與因變量之間的相互關(guān)系；另一方面，兩者之間的函數(shù)關(guān)系雖然沒(méi)有特別明確，但是可通過(guò)深度挖掘找到其代表性表達(dá)形式。

1.5 模型構(gòu)建

模型的構(gòu)建主要是利用建模工具和樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行配合的過(guò)程，利用數(shù)據(jù)挖掘分析流程對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練分析，最終結(jié)果將被直接用于烘絲出口水分預(yù)測(cè)[3]。

1.6 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證是將所要測(cè)試的樣本數(shù)據(jù)直接代入預(yù)測(cè)模型中，并分析預(yù)測(cè)結(jié)果，將實(shí)際采集的出口水分與分析結(jié)果進(jìn)行比較。此過(guò)程包括最大與最小偏差分析，可確保預(yù)測(cè)模型的精度符合預(yù)測(cè)模型的評(píng)估要求。

1.7 烘絲水分預(yù)測(cè)模型持續(xù)優(yōu)化

受時(shí)間的影響，設(shè)備結(jié)構(gòu)以及設(shè)備狀態(tài)等因素都發(fā)生了改變，這就意味著烘絲出口水分預(yù)測(cè)模型也必須進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。利用不同的數(shù)據(jù)挖掘分析工具收集更多的樣本數(shù)據(jù)，保證烘絲出口水分預(yù)測(cè)模型與時(shí)俱進(jìn)[4]。在實(shí)際的業(yè)務(wù)場(chǎng)景中，相關(guān)人員也應(yīng)不斷改善模型，確保有效評(píng)估實(shí)際應(yīng)用效果。

2 烘絲水分管控模型管理

2.1 業(yè)務(wù)概述

為了解決烘絲水分控制過(guò)程中的滯后等問(wèn)題，企業(yè)應(yīng)采用自動(dòng)學(xué)習(xí)控制模型，與此同時(shí)，增強(qiáng)控制模型的抗干擾能力以應(yīng)對(duì)不同的突發(fā)狀況。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，企業(yè)應(yīng)及時(shí)將生產(chǎn)相關(guān)信息上傳至控制模型中，控制模型會(huì)自動(dòng)調(diào)整控制建議，最大限度地提升控制的平穩(wěn)性。

2.2 樣本數(shù)據(jù)分析

在模型建立初期，應(yīng)針對(duì)導(dǎo)入的制絲數(shù)據(jù)，利用噪音數(shù)據(jù)消除功能篩選歷史制絲數(shù)據(jù)，最終形成訓(xùn)練樣本，為模型的構(gòu)建提供保障。此過(guò)程還包括煙絲牌號(hào)、煙絲水分等重要數(shù)據(jù)的采集[5]。在出口水分參數(shù)調(diào)整控制期間，烘絲筒中的任何一個(gè)參數(shù)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為因變量，其他參數(shù)就轉(zhuǎn)化為自變量。

2.3 樣本數(shù)據(jù)預(yù)處理及探索

在第一次導(dǎo)入歷史制絲數(shù)據(jù)的過(guò)程中，企業(yè)應(yīng)對(duì)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一篩選，通過(guò)初步研究制絲數(shù)據(jù)確定其特殊性，確保其特殊性可有效發(fā)揮，這對(duì)數(shù)據(jù)建模與分析都有良好的輔助作用。樣本數(shù)據(jù)的探索過(guò)程包括樣本數(shù)據(jù)管理、審核以及存儲(chǔ)。

2.4 模型選擇

根據(jù)實(shí)際情況合理分析后選擇控制模型是最關(guān)鍵的步驟，需充分結(jié)合業(yè)務(wù)的特點(diǎn)和要求，利用多元回歸模型生成控制建議。對(duì)烘絲水分控制而言，最重要的是根據(jù)來(lái)料的實(shí)際情況及時(shí)作出精準(zhǔn)調(diào)整，可以在已有的歷史數(shù)據(jù)上應(yīng)用決策樹(shù)模型。決策樹(shù)模型由兩部分組成，可以將目標(biāo)規(guī)劃提前。決策樹(shù)是一種決策支持工具，包括隨機(jī)事件結(jié)果、資源代價(jià)和實(shí)用性，在運(yùn)籌學(xué)中的使用次數(shù)較多[6]。由于業(yè)務(wù)的特點(diǎn)不同，可以對(duì)歷史制絲生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并借鑒以往的控制經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)反復(fù)測(cè)試，找到控制水平最好的經(jīng)驗(yàn)，建立決策樹(shù)并實(shí)現(xiàn)對(duì)烘絲水分的高精準(zhǔn)控制。

2.5 模型構(gòu)建

模型的構(gòu)建主要是利用建模工具和樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行配合的過(guò)程，利用數(shù)據(jù)挖掘分析流程對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練分析，最終結(jié)果將被直接用于烘絲出口水分控制。將需要進(jìn)行測(cè)試的樣本放在預(yù)測(cè)模型中，并對(duì)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一分析，以實(shí)際出口水分與分析結(jié)果為基礎(chǔ)，比較兩種數(shù)據(jù)，包括最大、最小偏差等，確保最終評(píng)測(cè)模型的精度。

2.6 烘絲水分控制模型滾動(dòng)優(yōu)化

受時(shí)間的影響，設(shè)備結(jié)構(gòu)以及設(shè)備狀態(tài)等因素都發(fā)生了改變，這就意味著烘絲出口水分控制模型也必須進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。利用不同的數(shù)據(jù)挖掘分析工具收集更多的樣本數(shù)據(jù)，保證烘絲出口水分控制模型不斷更新[7]。

3 烘絲機(jī)出口水分預(yù)測(cè)與預(yù)警

烘絲機(jī)出口含水率在預(yù)測(cè)過(guò)程中應(yīng)滿(mǎn)足基本的預(yù)測(cè)要求，而集合中控利用所構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型可對(duì)煙絲的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)含水率。

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息顯示

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息展示的內(nèi)容有入口參數(shù)、設(shè)備控制、生產(chǎn)概況、實(shí)際出口水分趨勢(shì)、實(shí)際偏差以及最近預(yù)測(cè)等，并以圖文結(jié)合的形式展示出來(lái)。

（1）當(dāng)前情況包括生產(chǎn)時(shí)間、批次號(hào)、煙絲牌號(hào)、開(kāi)始生產(chǎn)時(shí)間等。

（2）入口參數(shù)包括實(shí)時(shí)入口水分采集值、入口流量采集值。

（3）設(shè)備控制參數(shù)包括蒸汽流量、閥門(mén)大小、溫度以及風(fēng)量。

（4）出口水分預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)包括超標(biāo)警示、水分預(yù)測(cè)值顯示。

（5）實(shí)際出口水分趨勢(shì)：采用折線(xiàn)趨勢(shì)圖展現(xiàn)水分波動(dòng)情況，對(duì)嚴(yán)重超標(biāo)或已經(jīng)超標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊標(biāo)注，吸引用戶(hù)的重視。

（6）最近預(yù)測(cè)與實(shí)際偏差：將兩種數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析后進(jìn)行比較，根據(jù)偏差對(duì)兩種數(shù)據(jù)評(píng)估預(yù)測(cè)模型的精準(zhǔn)度，直接體現(xiàn)應(yīng)用效果。

3.2 實(shí)時(shí)預(yù)警管理

用戶(hù)可根據(jù)自身的需求申請(qǐng)調(diào)節(jié)預(yù)警下限，并通過(guò)調(diào)整間隔范圍來(lái)有效區(qū)分不同級(jí)別的預(yù)警，不同級(jí)別的預(yù)警可以設(shè)置不同的顏色，方便用戶(hù)快速了解預(yù)警狀態(tài)。比較預(yù)測(cè)值與預(yù)警規(guī)則時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的預(yù)警規(guī)則發(fā)出警報(bào)，如果出現(xiàn)超標(biāo)的情況，系統(tǒng)也會(huì)通過(guò)水分控制模型自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，避免在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)水分嚴(yán)重超標(biāo)的情況。

3.3 歷史數(shù)據(jù)對(duì)比分析

比較實(shí)際出口水分與預(yù)測(cè)的出口水分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)客觀地評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。用戶(hù)也可根據(jù)自定義條件找出需要進(jìn)行二次分析的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)整體采用線(xiàn)狀趨勢(shì)圖來(lái)展現(xiàn)兩種情況下煙絲水分的重合度，并以此為依據(jù)評(píng)估預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。

4 烘絲機(jī)出口水分控制調(diào)整分析

烘絲機(jī)出口水分的有效控制應(yīng)滿(mǎn)足平穩(wěn)、準(zhǔn)確與及時(shí)三大特性，通過(guò)與制絲中控集成，采用流計(jì)算技術(shù)與烘絲出口水分模型對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，確保水分控制達(dá)到最終目的。結(jié)合烘絲機(jī)設(shè)備參數(shù)與入口參數(shù)，在決策樹(shù)中獲取最合適的調(diào)整建議，協(xié)助用戶(hù)在制絲過(guò)程中對(duì)煙絲含水率進(jìn)行控制，達(dá)到高精準(zhǔn)以及穩(wěn)定的控制目的。如有水分超標(biāo)現(xiàn)象出現(xiàn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將入口參數(shù)信息調(diào)整至最佳狀態(tài)，并將任意一個(gè)參數(shù)作為調(diào)整對(duì)象，烘絲機(jī)的烘絲工序如圖2所示。中控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提供出口水分調(diào)整模擬功能，協(xié)助用戶(hù)快速?zèng)Q策[8]。出口水分調(diào)整功能會(huì)自動(dòng)提供圖形化的操作界面，將不同控制參數(shù)展示在中控系統(tǒng)信息臺(tái)上，用戶(hù)可以根據(jù)系統(tǒng)給出的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整改變。此外，系統(tǒng)也會(huì)對(duì)客戶(hù)所調(diào)參數(shù)與實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行比較，并利用出口水分預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，協(xié)助用戶(hù)找到最佳參數(shù)調(diào)整值[9]。

圖2 烘絲機(jī)烘絲工序

5 結(jié)語(yǔ)

基于大數(shù)據(jù)的烘絲出口水分預(yù)測(cè)與管控調(diào)整實(shí)現(xiàn)了制絲工藝烘絲段出口水分控制由被動(dòng)查看向主動(dòng)預(yù)測(cè)的轉(zhuǎn)變。以科學(xué)控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工調(diào)制，在降低煙絲出口水分超標(biāo)概率的同時(shí)，還提升了出口水分控制的平穩(wěn)性和精準(zhǔn)性，煙絲的生產(chǎn)質(zhì)量較高。