生物冶金ORP與關(guān)鍵工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)則的挖掘

陳 飛 朱婷婷 周繼開

(1.新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，烏魯木齊 830011；2.新疆工程學(xué)院，烏魯木齊 830023)

隨著自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用過(guò)程工藝本身的海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)工藝優(yōu)化及機(jī)理認(rèn)識(shí)等方面的研究越來(lái)越受到大家認(rèn)可。生物冶金作為含砷、硫難處理金礦的提金主要方法[1～5]，近年來(lái)被廣泛研究。但大多研究都只基于工藝本身的改進(jìn)，導(dǎo)致大量工藝過(guò)程數(shù)據(jù)被閑置，使隱含的有價(jià)值信息沒(méi)有被充分利用進(jìn)而造成資源的極大浪費(fèi)。為此，筆者以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)為主要依據(jù)，通過(guò)對(duì)生物冶金工藝進(jìn)行研究，在不增加硬件成本和改變工藝的前提下提高生物冶金的提金率。

溫度、礦漿pH值、進(jìn)風(fēng)量、Fe2+濃度、磨礦細(xì)度、礦漿濃度和培養(yǎng)基是影響生物冶金提金率的主要因素[6,7]，其中Fe2+濃度、磨礦細(xì)度、礦漿濃度和培養(yǎng)基屬不可控因素，溫度、礦漿pH值和進(jìn)風(fēng)量屬可控因素?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)合適的檢測(cè)傳感器件對(duì)可控因素進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、保存，為后續(xù)基于數(shù)據(jù)的生物冶金研究提供保障和可能。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)量較大，通過(guò)常規(guī)方法處理并分析這些數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，它們都是以時(shí)間為節(jié)點(diǎn)、以各個(gè)因素為字段的天然時(shí)間序列。因此，時(shí)間序列的分析和處理方法可用于處理這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的時(shí)間序列表示方法主要有移動(dòng)平均模型和指數(shù)平滑模型[8～10]。相比于移動(dòng)平均模型，指數(shù)平滑模型是對(duì)所有觀測(cè)值的加權(quán)平均，權(quán)值按照指數(shù)規(guī)律衰減，距觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)越近權(quán)值越大，這比移動(dòng)平均模型更合理。指數(shù)平滑模型如下：

St=αyt+(1-α)St-1

(1)

式中St——在時(shí)間t時(shí)的研究對(duì)象估計(jì)值；

yt——在時(shí)間t時(shí)的研究對(duì)象觀測(cè)值；

α——平滑系數(shù)，α∈(0,1)。

根據(jù)工藝過(guò)程中工藝參數(shù)的變化共性，取α=0.12。對(duì)原采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，可得可控參數(shù)平滑趨勢(shì)數(shù)據(jù)與平滑差值曲線如圖1～3所示。

圖1 pH值平滑趨勢(shì)數(shù)據(jù)與平滑差值曲線

圖2 溫度平滑趨勢(shì)數(shù)據(jù)與平滑差值曲線

圖3 進(jìn)風(fēng)量平滑趨勢(shì)數(shù)據(jù)與平滑差值曲線

2 ORP與可控參數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)則的挖掘

關(guān)聯(lián)規(guī)則就是發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)以及其他數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的大量項(xiàng)集間有價(jià)值的模式和項(xiàng)集間的相關(guān)性。生物冶金過(guò)程是一個(gè)生物、物理、電化學(xué)和其他因素共同作用的多域復(fù)雜過(guò)程，其黃金提取率受多方面主觀和非主觀因素影響，且影響關(guān)系尚在進(jìn)一步的精確研究當(dāng)中。利用Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則算法對(duì)工業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)項(xiàng)集中感興趣的規(guī)則進(jìn)行挖掘，可以得到黃金提取率與可控因素間的可描述關(guān)系。

2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

為了提高規(guī)則的挖掘效率與速率，在進(jìn)行規(guī)則挖掘之前需要對(duì)原始數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。一般將數(shù)據(jù)分為數(shù)值型數(shù)據(jù)和二進(jìn)制數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的算法要求，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換格式也不相同。Apriori算法是一種最有影響力的挖掘布爾關(guān)聯(lián)規(guī)則頻繁項(xiàng)集的算法，其核心是基于兩階段頻集思想的遞推算法[11]。該關(guān)聯(lián)規(guī)則在分類上屬于單維、單層、布爾關(guān)聯(lián)規(guī)則，因此，為滿足Apriori算法要求，需將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為布爾型數(shù)據(jù)。

進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的目的就是為了發(fā)現(xiàn)各可控因素對(duì)黃金提取率的影響作用。所謂影響作用就是在其他變量都一定或處于某一穩(wěn)定范圍時(shí)，該變量的變化對(duì)黃金提取率的影響。一般將影響結(jié)果分為升高、降低和不變3種情況。有一項(xiàng)集It={Pt,Tt,Ft,Ot}，其中P、T、R是分屬3個(gè)不相同域的變量，O是研究對(duì)象。在下一時(shí)刻，It+1={Pt+1,Tt+1,Ft+1,Ot+1}，此時(shí)各變量均有3種變化結(jié)果，以F為例：若Ft+1>Ft則記F′=1；若Ft+1

表1 生物冶金工藝參數(shù)三值狀態(tài)變換

2.2 規(guī)則定義

2.3 Apriori算法關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘

生物冶金工藝中黃金提取率難以實(shí)時(shí)、處處在線測(cè)量，因此給相關(guān)研究帶來(lái)了極大困難。但據(jù)相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，黃金提取率與ORP線性正相關(guān)，因此研究可控影響因素與黃金提取率間的影響關(guān)系可轉(zhuǎn)化成研究可控影響因素與ORP間的影響關(guān)系。在以下的研究中所有ORP項(xiàng)集均取“升高”情況，即三值狀態(tài)中的{1}。

在使用Apriori算法挖掘關(guān)聯(lián)規(guī)則時(shí)，為了衡量規(guī)則的價(jià)值(或者稱為興趣度)，需要定義兩個(gè)指標(biāo)，即支持度和置信度。一般這兩個(gè)指標(biāo)都是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為設(shè)定，但筆者研究的內(nèi)容完全建立在數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，過(guò)程中并不摻入現(xiàn)有的非數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，僅將其作為最終規(guī)則的工藝驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。因此在下面的規(guī)則挖掘中只取支持度和置信度最大的規(guī)則作為強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，當(dāng)最大支持度和最大置信度不在同一條規(guī)則時(shí)以支持度最大為準(zhǔn)。

依據(jù)Apriori算法挖掘工藝參數(shù)pH值與ORP間的影響關(guān)系，項(xiàng)集X={Pt}、Y={Ot}，可得變換如下：

(2)

(3)

Pt取三值狀態(tài)，規(guī)則X({Pt})?Y({Ot})的置信度和支持度見(jiàn)表2。依據(jù)約定的規(guī)則關(guān)聯(lián)強(qiáng)度衡量準(zhǔn)則，規(guī)則{-1,1}的置信度和支持度最大，是有價(jià)值的規(guī)則。對(duì)其進(jìn)行解釋即為“pH降低，ORP升高”， pH值的衡量起點(diǎn)為均值2。

表2 pH值與ORP影響關(guān)系關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘結(jié)果

同上，X({Pt})?Y({Ot})的挖掘方法，Tt取三值狀態(tài)，規(guī)則X({Tt})?Y({Ot})的置信度和支持度結(jié)果見(jiàn)表3。規(guī)則{-1,1}的支持度最大，是要尋找的有價(jià)值規(guī)則。對(duì)其進(jìn)行解釋即為“溫度降低，ORP升高”，溫度的衡量起點(diǎn)為均值42.3℃。

表3 溫度與ORP影響關(guān)系關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘結(jié)果

X({Pt})?Y({Ot})的挖掘方法，F(xiàn)t取三值狀態(tài)，規(guī)則X({Ft})?Y({Ot})的置信度和支持度結(jié)果見(jiàn)表4。規(guī)則{1,1}的支持度最大，是要尋找的有價(jià)值規(guī)則。對(duì)其進(jìn)行解釋即為“進(jìn)風(fēng)量增大，ORP升高”，進(jìn)風(fēng)量的衡量起始點(diǎn)為均值1 584.5m3/h。

表4 進(jìn)風(fēng)量與ORP影響關(guān)系關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘結(jié)果

3 挖掘規(guī)則評(píng)估

由細(xì)菌活性試驗(yàn)資料可知，pH在1.0～2.2、溫度在25～45℃、進(jìn)風(fēng)量在1 400～2 300m3/h時(shí)是生物冶金所用鐵氧化硫桿菌、硫氧化硫桿菌及鐵氧化螺旋桿菌等菌種的最佳環(huán)境條件。

由上述挖掘到的規(guī)則分析可知，當(dāng)溫度均值為42.3℃時(shí)，已接近細(xì)菌活性最佳溫度上限，因此溫度的下降對(duì)微生物細(xì)菌活性有利，所以規(guī)則“溫度降低，ORP升高”符合工藝實(shí)際。當(dāng)pH值均值為2時(shí)，已接近細(xì)菌活性最佳pH值上限，因此pH的降低對(duì)微生物細(xì)菌活性有利，所以規(guī)則“pH值降低，ORP升高”符合工藝實(shí)際。當(dāng)進(jìn)風(fēng)量均值為1 584.5m3/h時(shí)，進(jìn)風(fēng)量處于最佳環(huán)境條件的下半部分，進(jìn)風(fēng)量增加對(duì)微生物細(xì)菌活性有利，所以規(guī)則“進(jìn)風(fēng)量增大，ORP升高”符合工藝實(shí)際。但進(jìn)風(fēng)量的增加也有限度，當(dāng)進(jìn)風(fēng)量過(guò)大時(shí)會(huì)使附著在礦粒表面的微生物細(xì)菌脫落，不利于預(yù)處理過(guò)程的進(jìn)行，從而使黃金提取率降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者依據(jù)生物冶金過(guò)程數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)生物冶金工藝的深入分析，由數(shù)據(jù)挖掘方法得到了ORP與關(guān)鍵可控過(guò)程工藝參數(shù)間的可描述關(guān)系，揭示了生物冶金工藝的部分機(jī)理，為提高生物冶金提金率和下一步的工藝過(guò)程控制優(yōu)化提供了依據(jù)。

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