數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型在氧化鋁生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭舸涵

美國(guó)新澤西州立羅格斯大學(xué) 美國(guó) 新澤西州

介紹

氧化鋁生產(chǎn)屬于輕金屬冶煉,其產(chǎn)品是冶金級(jí)氧化鋁,所服務(wù)企業(yè)是中鋁公司某企業(yè),年生產(chǎn)能力200萬(wàn)噸。氧化鋁產(chǎn)品的品級(jí)直接導(dǎo)致市場(chǎng)售價(jià)高低,氧化鋁生產(chǎn)流程復(fù)雜,一個(gè)生產(chǎn)周期時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5天左右,過(guò)程控制點(diǎn),上下游關(guān)聯(lián)工序多,各項(xiàng)工藝技術(shù)指標(biāo)要求嚴(yán)格,過(guò)程控制指標(biāo)尤其重要,過(guò)程控制分析依靠化學(xué)檢測(cè),形成技術(shù)報(bào)表,設(shè)計(jì)一套智能化的氧化鋁數(shù)據(jù)平臺(tái)是調(diào)度系統(tǒng)的核心,所有技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)線上實(shí)時(shí)傳送,各工序依據(jù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),能獲得生產(chǎn)調(diào)整的參數(shù),并及時(shí)做優(yōu)化調(diào)整及液量平衡。并且滿足對(duì)大數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)。

一、背景

目前氧化鋁廠的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)使用通用底層應(yīng)用程序平臺(tái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和擴(kuò)展,局限性大、擴(kuò)展能力差,因?yàn)槭艿降讓討?yīng)用程序平臺(tái)的限制,程序運(yùn)行效率低,在日常生產(chǎn)工作中主要體現(xiàn)在以下幾方面:

1、氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)整頻率高,經(jīng)常會(huì)依據(jù)生產(chǎn)需要,增添、更改流程,隨之伴隨對(duì)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的更新,以往的程序耦合性強(qiáng),局部修改容易造成其他功能的BUG,會(huì)影響程序使用,出現(xiàn)亂碼、錯(cuò)位等現(xiàn)象,影響生產(chǎn)調(diào)整。

2、數(shù)據(jù)處理展示速度很慢。錄入者在進(jìn)行數(shù)據(jù)的增刪改查時(shí)需要等待很長(zhǎng)的時(shí)間。例如生產(chǎn)調(diào)度指揮人員要經(jīng)常查詢,統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù),來(lái)檢驗(yàn)流程經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平,每次查詢數(shù)據(jù)都需要幾分鐘以上的時(shí)間。在執(zhí)行復(fù)合指標(biāo)計(jì)算時(shí)更是會(huì)占用大量的系統(tǒng)資源和時(shí)間,造成前臺(tái)操作界面的假死卡頓。

3、界面顯示功能不全面。氧化鋁生產(chǎn)控制系統(tǒng)是24小時(shí)運(yùn)行,2小時(shí)一批次化驗(yàn)結(jié)果,每班次有4批數(shù)據(jù),無(wú)法在輸入數(shù)據(jù)時(shí),實(shí)時(shí)顯示計(jì)算結(jié)果,并且不能在同一界面顯示當(dāng)班不同批次的數(shù)據(jù),不便于錄入者的查驗(yàn)比對(duì)。

4、數(shù)據(jù)報(bào)表的查詢導(dǎo)出靈活性差,不能按照使用者的要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),造成查詢統(tǒng)計(jì)審驗(yàn)處理數(shù)據(jù)時(shí),人工工作量大,需要一個(gè)考核部門(mén),做專項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)考核評(píng)價(jià)大數(shù)據(jù)。

二、改進(jìn)方向和運(yùn)行設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)做了顛覆性改進(jìn):在廣泛收集原程序不足基礎(chǔ)上,從三個(gè)層面:語(yǔ)言改變；界面改進(jìn)；安全性改進(jìn)入手。

首先采用B/S結(jié)構(gòu)；編程語(yǔ)言升級(jí),盡量使用開(kāi)源免費(fèi)資源達(dá)到整體設(shè)計(jì)目標(biāo)。

C/S框架需要在客戶機(jī)上安裝客戶端,大部分運(yùn)算都在客戶機(jī)中進(jìn)行,因?yàn)楝F(xiàn)在所使用的客戶機(jī)配置普遍很低,有的客戶機(jī)還在使用10多年前單核心奔騰4CPU 跟512M 以下的內(nèi)存,所以安裝客戶端和運(yùn)行客戶端都比較困難。B/S結(jié)構(gòu)客戶機(jī)使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器為客戶端,客戶機(jī)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的渲染顯示,對(duì)客戶機(jī)的配置要求很低。老程序使用的就是C/S結(jié)構(gòu),造成程序運(yùn)行緩慢、假死等情況。所以本次使用B/S結(jié)構(gòu)。新程序前臺(tái)語(yǔ)言使用JavaScript,后臺(tái)語(yǔ)言使用Java,應(yīng)用服務(wù)器使用Tomcat,數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySql。這些語(yǔ)言和工具在現(xiàn)在的工作和生活中都在大量使用,具有良好的性能和穩(wěn)定性,并且都是開(kāi)源免費(fèi)的,對(duì)減少開(kāi)發(fā)成本起到了一定作用。

其次優(yōu)化操作界面層次、界面顏色；簡(jiǎn)化輸入、提高輸出功能；數(shù)據(jù)庫(kù)查詢快捷、強(qiáng)大復(fù)合指標(biāo)運(yùn)算功能。用戶使用弊端:每次錄入必須執(zhí)行保存才能顯示結(jié)果；當(dāng)班不同批次不能在同一頁(yè)面下顯示；數(shù)據(jù)錄入零碎,回車(chē)次數(shù)多,不規(guī)律

其三提升安全性能,達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定、持續(xù)、權(quán)限層級(jí)清晰

本次改進(jìn)的原因是客戶服務(wù)器崩潰,目前氧化鋁廠均使用服務(wù)器作為載體,各生產(chǎn)流程工序、車(chē)間、專業(yè)等生產(chǎn)控制系統(tǒng)公用共享,風(fēng)險(xiǎn)大。使用一臺(tái)服務(wù)器安全性能差,受限因素多,服務(wù)器受生產(chǎn)流程不間斷的限制,不能任意更換,且存儲(chǔ)量不斷加載,導(dǎo)致容量縮小,存貯數(shù)據(jù)源每小時(shí)都在增加；生產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)不可控的停電,斷網(wǎng)事件,導(dǎo)致程序無(wú)法啟動(dòng)運(yùn)行,造成氧化鋁數(shù)據(jù)庫(kù)丟失,原程序受編寫(xiě)語(yǔ)言的限制,導(dǎo)致丟失的數(shù)據(jù)無(wú)法補(bǔ)錄,無(wú)法人工修復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

三、項(xiàng)目效果

經(jīng)過(guò)從程序語(yǔ)言的改進(jìn),大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的運(yùn)用,升級(jí),增加系統(tǒng)功能性,達(dá)到了初始設(shè)計(jì)目的。

1、界面優(yōu)化改進(jìn)。點(diǎn)開(kāi)項(xiàng)目時(shí),從后臺(tái)獲取公式,輸入時(shí),前臺(tái)進(jìn)行計(jì)算,監(jiān)視鍵盤(pán)操作,錄入一個(gè)數(shù)字,就即時(shí)進(jìn)行計(jì)算,不與后臺(tái)交互,實(shí)現(xiàn)了輸入數(shù)據(jù)立即計(jì)算并顯示結(jié)果。

使用界面在老程序基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,保持原有用戶體驗(yàn)習(xí)慣,降低用戶上手難度。

根據(jù)用戶需求增加數(shù)據(jù)對(duì)比功能,通過(guò)為網(wǎng)頁(yè)創(chuàng)建布局,分為三個(gè)區(qū)域,分別是,錄入?yún)^(qū)域、當(dāng)班查詢區(qū)域、數(shù)據(jù)對(duì)比區(qū)域。在數(shù)據(jù)對(duì)比區(qū)域,展示實(shí)現(xiàn)不同批次,不同班次同一樣品的對(duì)比。

在輸入指標(biāo)設(shè)定上,通過(guò)對(duì)以往歷史大數(shù)據(jù)的分析,取消無(wú)用輸入指標(biāo),進(jìn)行整合,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入密集并且規(guī)則,每次錄入伴隨一次回車(chē),便于錄入者操作。

2、數(shù)據(jù)查詢功能。通過(guò)加入分段查詢功能,優(yōu)化查詢語(yǔ)句,使程序更能體現(xiàn)大數(shù)據(jù)大流量下的優(yōu)勢(shì)。查詢數(shù)據(jù)量大時(shí),進(jìn)行分段查詢,先展示小部分?jǐn)?shù)據(jù),再逐級(jí)加載,在大數(shù)據(jù)量和復(fù)雜數(shù)據(jù)查詢上提速幾十倍,大幅度減少用戶等待時(shí)間,提升工作效率和用戶體驗(yàn)。

作為生產(chǎn)控制指揮的核心報(bào)表,調(diào)度日?qǐng)?bào)查詢時(shí)間由120秒減到5秒鐘。

數(shù)據(jù)的查詢導(dǎo)出根據(jù)使用者要求進(jìn)行設(shè)計(jì),從數(shù)據(jù)庫(kù)提取,通過(guò)POI插件,把數(shù)據(jù)整理成EXCEL表格進(jìn)行導(dǎo)出,增加數(shù)據(jù)處理模塊,程序可以根據(jù)使用者的需要,在大量數(shù)據(jù)中計(jì)算出樣品的個(gè)數(shù),輪班平均值,日平均值、月度平均值,合格率等考核指標(biāo)。

3、安全性能。為解決發(fā)生老系統(tǒng)突發(fā)服務(wù)器崩潰后,系統(tǒng)無(wú)法恢復(fù)的問(wèn)題,新系統(tǒng)的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)都會(huì)定期自動(dòng)上傳到云端,一臺(tái)電腦執(zhí)行服務(wù)器運(yùn)算；一臺(tái)電腦執(zhí)行備份功能,一小時(shí)一備份,保證服務(wù)器出現(xiàn)問(wèn)題或更換設(shè)備后,可以快速及時(shí)的恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行,保證數(shù)據(jù)的完整性。

設(shè)計(jì)程序已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)了530天,安全可靠快捷。期間用戶區(qū)域停電3次,外網(wǎng)中斷5次,均無(wú)數(shù)據(jù)的丟失情況。

4、拓展性能。新系統(tǒng)直接使用編程語(yǔ)言進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),可以簡(jiǎn)便的添加功能、修改UI(用戶界面)。老系統(tǒng)相當(dāng)于用程序來(lái)設(shè)計(jì)程序,一些功能和顯示效果受限于平臺(tái),無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

案例:

按照客戶需求:生產(chǎn)流程出現(xiàn)改動(dòng),增加了進(jìn)口礦石低溫溶出工藝,數(shù)據(jù)系統(tǒng)伴隨需要增加低溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析,為此可以自由在程序上做項(xiàng)目拓展。

新增加的低溫溶出數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

5、成本對(duì)比。本次開(kāi)發(fā)費(fèi)用成本2萬(wàn)元,主要用于電腦配置,以及購(gòu)買(mǎi)工具書(shū)、資料。

處理問(wèn)題時(shí)間成本大大縮減,原程序框架只有編寫(xiě)人員能夠修補(bǔ),采用開(kāi)放式語(yǔ)言后,可以使具備基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)機(jī)知識(shí)的人員培訓(xùn)后獨(dú)立解決問(wèn)題,客戶不用再購(gòu)買(mǎi)后期維護(hù)費(fèi)用,實(shí)現(xiàn)自主維護(hù)。這套程序的全面投用,實(shí)現(xiàn)了客戶氧化鋁廠不再通過(guò)長(zhǎng)城信息專業(yè)維護(hù),維護(hù)費(fèi)用零成本的目標(biāo),達(dá)到了技術(shù)、軟件開(kāi)發(fā)、運(yùn)營(yíng)過(guò)程全部自主化。這是氧化鋁生產(chǎn)控制的一次創(chuàng)新。

6、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)。在前后臺(tái)編寫(xiě)了10萬(wàn)條代碼,涉及用戶管理頁(yè)面、角色管理頁(yè)面、菜單管理頁(yè)面；編寫(xiě)了報(bào)表輸出、報(bào)表查詢等35張頁(yè)面；編寫(xiě)了曲線擬合、復(fù)合數(shù)據(jù)生成、績(jī)效統(tǒng)計(jì)等500多個(gè)方法；數(shù)據(jù)庫(kù)使用了角色表、權(quán)限表、車(chē)間技站對(duì)應(yīng)表,菜單表、項(xiàng)目管理表等33張用戶表。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證準(zhǔn)確度,不斷提升系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試,已經(jīng)提升到100%。

6.1 計(jì)算功能 氧化鋁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算復(fù)雜,涉及到復(fù)合指標(biāo),由不同區(qū)域報(bào)表中的數(shù)據(jù)組成,還要追溯到3天前的過(guò)程指標(biāo),根據(jù)滯后班次、項(xiàng)目指標(biāo),在數(shù)據(jù)庫(kù)查找相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),代入公式進(jìn)行復(fù)合計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了所有數(shù)據(jù)的運(yùn)算功能

例如:跨班報(bào)區(qū)域計(jì)算,數(shù)據(jù)源是兩個(gè)生產(chǎn)區(qū)域

E管循環(huán)效率=合格堿液(Nk)*(1/E 管溶出礦漿(ak)-1/合格堿液(ak))*1.645

例如:跨班次運(yùn)算,跨越2個(gè)班次

E管溶出率=(1-E管溶出礦漿(AS)/E管高位礦漿(AS))*100

例如:跨天運(yùn)算,跨越72小時(shí)

C組分解率=(1-C組精液(ak)/C-11(ak))*100

最終實(shí)現(xiàn)了67條復(fù)合數(shù)據(jù)計(jì)算功能

9條曲線擬合計(jì)算功能

6.2 數(shù)據(jù)處理功能,形成統(tǒng)計(jì)報(bào)表 根據(jù)用戶需求,通過(guò)班報(bào)定制設(shè)計(jì),項(xiàng)目分類,將零散的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)審核匯總,實(shí)現(xiàn)了客戶6張區(qū)域數(shù)據(jù)班報(bào)體系,氧化鋁生產(chǎn)各大區(qū)域可以簡(jiǎn)便快捷在各自區(qū)域的班報(bào)上查詢關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。

根據(jù)用戶需求,定置項(xiàng)目指標(biāo),隨時(shí)更新的KPI技術(shù)指標(biāo)控制范圍。在數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取當(dāng)天三個(gè)班次處理后的平均數(shù)據(jù),并計(jì)算出日均,月均,累計(jì)平均,形成綜合性關(guān)鍵核心指標(biāo)氧化鋁調(diào)度日?qǐng)?bào),直接評(píng)估出當(dāng)天運(yùn)行效率,預(yù)測(cè)月度完成指標(biāo)值。

6.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能 在數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)技術(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)表,直接導(dǎo)成excel統(tǒng)計(jì)表,成本核算統(tǒng)計(jì)部門(mén)簡(jiǎn)單快捷。

6.4 數(shù)據(jù)項(xiàng)目管理功能 對(duì)項(xiàng)目指標(biāo)進(jìn)行增刪改查,定制公式,考核區(qū)間,標(biāo)注和識(shí)別異常,設(shè)置權(quán)限,完成50條調(diào)度日?qǐng)?bào)管理項(xiàng)目。

6.5 數(shù)據(jù)分析考核功能 根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)部門(mén)業(yè)務(wù)需求,定制考核項(xiàng)目,以考核時(shí)間段,考核方式、考核標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行計(jì)算,獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)平均值,點(diǎn)樣個(gè)數(shù)合格率,最終完成對(duì)大數(shù)據(jù)的分析。

四、結(jié)論

通過(guò)與氧化鋁業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù)結(jié)合的嘗試,找到了氧化鋁數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的諸多瓶頸,在語(yǔ)言使用、框架、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)收集評(píng)價(jià)分析方面做了拓展,更能貼合氧化鋁對(duì)數(shù)據(jù)分析,指標(biāo)優(yōu)化,績(jī)效考核的需求。完善功能,優(yōu)化程序,提高運(yùn)行效率,保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行。