一种选矿生产指标的关联关系可视化系统及方法与流程

本发明属于一种选矿生产指标的关联关系可视化系统及方法

技术背景

选矿工业过程具有流程长、工序多、生产指标多的特点，本专利实现了对选矿生产指标关联关系的分析以及对生产指标时序变化关系的分析，并将分析出的生产指标间关系以一种更加生动直观的方式展现在人们面前，帮助操作人员更便捷的分析指标关系，辅助操作人员对生产指标进行监控，生产建模，最终实现对生产指标的优化决策。

目前,在生产指标的分析与可视领域已有的专利，如“201310723320.5(可视化选矿生产全流程工艺指标优化决策系统)”选矿生产全流程控制策略所需要的数据从选矿生产现场控制系统获取，最终保存到本地数据库，从本地数据获取离线数据，对算法进行封装或对封装好的算法进行修改，组态形成了选矿生产全流程控制策略。“201310704334.2(一种设备能力变化条件下的选矿综合生产指标优化方法)”确定选矿企业综合生产指标优化目标及约束条件。若因设备发生故障使设备运行发生变化，针对指标优化目标及约束条件对输入量进行调整从而达到对生产指标优化的目的。“201711283037.x(一种选矿生产指标可视化分析系统与方法)”实现对选矿生产各工序指标的整合和配置并对指标异常进行分析可视。上述专利主要包括1)对选矿生产指标的优化方法以及2)对异常指标的报警处理，而缺乏1)对选矿生产指标关联关系的分析与可视；2)对生产指标时序变化关系的分析与可视。通过对指标的分析，能够十分便捷地展示指标间的相关关系及多变量间关系随时间的变化过程，并能发掘变量间的一些延迟变化关系。

技术实现要素：

针对现有技术的存在的问题，本发明提出一种选矿生产指标的关联关系可视化系统及方法，以实现对选矿生产指标的关联关系的分析、时序变化关系的分析，并对指标间的关系进行可视化。

本发明的技术方案是：

本发明属于一种选矿生产指标的关联关系可视化系统及方法，其特征在于：系统包括生产指标管理模块、生产指标关联关系分析模块、生产指标关联关系可视化模块、生产指标时序变化关系分析模块、生产指标时序变化关系可视化模块；

其中，生产指标管理模块：用于生产指标的管理，包括指标档案管理和指标数据管理，实现对生产指标的增加、删除、修改、查询功能；所述指标档案管理是指对指标编码、指标名称、所属结构编码、所属结构名称、指标简称、指标别名、计量单位、停用标记、备注的管理。所述指标数据管理是指对指标的维护、配置、筛选。

生产指标关联关系分析模块：通过分析过程运行指标与综合生产指标间的关联关系，以此在众多生产指标中找出影响综合生产指标的过程运行指标，所采用的分析方法是皮尔逊相关系数；

所述综合生产指标是反映整条生产线在当前生产周期的产品产量、质量、成本以及消耗的指标；所述过程运行指标是描述每个工序生产运行状态的指标；所述皮尔逊相关系数是度量生产指标之间的相关程度，其绝对值小于或等于1。

生产指标关联关系可视化模块：用于对生产指标关联关系分析模块所分析出指标之间的相关程度的可视化显示，本专利采用弦图显示；所述弦图是一种可展示多维生产指标之间的相关程度的图，该图每一段外环代表一个生产指标，有关联关系的两个指标相连，连接线越粗表示关联关系越强。

生产指标时序变化关系可视化模块：用于对时序变化生产指标间关系及指标偏差程度的可视，本专利采用二维坐标多维时序图形式进行显示；所述二维坐标多维时序图指可展示不同量纲生产指标随时间变化的关系，同时能监控指标偏差程度的一种图；时序图的每一个单元代表一个生产指标，用一个二维时序图表示，可展示该指标的实时数据趋势及偏差程度；时序图提供自由配置功能，可通过人机交互增加或者删除指标单元；所述不同量纲是指每一个生产指标具有不同的单位；所述偏差程度是指标数据偏离指标范围的程度，指标数据正常范围为[a,b]，数据值为x时，超上限程度的公式为超下限程度的公式为

生产指标时序变化关系分析模块：用于对生产指标时序变化关系可视化模块显示的关系进行分析，包括两个指标随时间变化的关系、两个指标随时间变化的延迟关系、多个指标随时间变化的关系；提供滑动窗口辅助工作人员平移窗口观察指标随时间的变化关系。

所述两个指标间随时间变化的关系指两个生产指标在不同时间采集的数据之间的关系；所述两个指标随时间变化的延迟关系是指两个生产指标间隔△t时间采集的数据之间的关系；所述多个指标随时间变化的关系是指多个生产指标在不同时间采集的数据之间的关系。所述滑动窗口是指垂直于时间轴横轴，通过调节宽度来呈现不同采样时刻不同指标数据的窗口。

采用一种选矿生产指标的关联关系可视化系统进行选矿生产指标的分析的方法，包括以下步骤：

步骤1、从数据库获取生产指标数据，将生产指标集中管理，包括指标档案和指标数据，实现对生产指标的增加、删除、修改、查询；

步骤2、选取选矿综合生产指标和过程运行指标，采用皮尔逊相关系数方法进行相关关系分析，具体描述如下：

步骤2.1、读取本地数据库中的数据，选取t个采样点的综合生产指标和过程运行指标的历史数据。

步骤2.2、由于在实际生产过程中，存在数据缺失情况，因此需要补齐缺失的数据，以方便后续的数据可视化工作。考虑生产过程中工况和生产时间的因素影响，系统采用k-nn(k-nearestneighbor，k近邻)算法来对缺失的数据进行插值，利用该缺失值采样前后时刻的生产数据采用k-nn算法进行插值，确定出与该点最近的k个数据点，计算该k个点数据的平均值(x1+x2+...+xk)/k。

步骤2.3、对整理好的数据采用进行皮尔逊相关系数方法进行相关关系分析，具体描述如下：

步骤2.3.1、待分析的指标共n个，每个指标有t个采样点。

步骤2.3.2、定义：xi,t表示相关系数矩阵纵向第i个指标的第t个采样时刻的值，xj,t表示相关系数矩阵横向第j个指标的第t个采样时刻的值。

步骤2.3.3、根据步骤2-2-2先计算纵向第i个指标的t个采样点数据平均值和横向第j个指标的t个采样点数据平均值

步骤2.3.4、根据步骤2-2-3所得两指标的平均值计算第i行第j列协方差

步骤2.3.5、根据步骤2-2-3所得两个指标的平均值计算第i行第j列两指标标准差

步骤2.3.6、根据步骤2-2-4、步骤2-2-5所得第i行第j列的协方差和标准差计算皮尔逊相关系数，

步骤3、对步骤2分析出的皮尔逊相关系数，即指标间相关关系以弦图的形式进行显示，具体描述如下：

步骤3.1、弦图的外环分为多个颜色不同的区域，不同颜色对应不同指标，其中包括综合生产指标和过程运行指标。

步骤3.2、根据步骤2分析出相关性系数确定相关关系的强弱，剔除无关联关系的指标。

步骤3.3、弦图的内环有关系的两个指标用不同颜色曲线相连。

步骤3.4、根据皮尔逊相关系数确定连线的宽度，连线越宽表示相关关系越强。

步骤3.5、图形具有交互操作，当鼠标悬浮于外环某个生产指标所在区域内时，单独显示哪些指标与此指标有关系，并提供百分比显示。

步骤4、对于生产指标时序变化关系使用二维坐标多维时序图进行显示，具体描述如下：

步骤4.1、二维坐标多维时序图由若干个指标单元组成，每一个单元代表一个生产指标。

步骤4.2、在每一个单元中，左侧用二维坐标图展示该指标的实时数据趋势，可通过交互对横坐标进行平移和伸缩；右侧展示指标数据的偏差程度。

步骤4.3、根据指标的量纲不同设置每个单元指标的纵轴坐标单位长度。

步骤4.4、提供配置窗口，通过配置窗口可以将需要分析的指标添加进二维坐标多维时序图可视区域。

步骤4.5、可通过配置窗口将不需要分析的指标从二维坐标多维时序图可视区域去除。

步骤4.6、提供指标单元拖动功能，通过拖动可自由调整指标数据的显示顺序。

步骤4.7、提供垂直于横轴的滑动窗口，通过平移滑动窗口，在可视区域即可呈现出相同采样时刻不同指标的数据。

步骤4.8、提供滑动窗口的整体平移功能和分段平移功能。

步骤4.9、提供滑动窗口长度调节功能，沿时间轴可任意拉伸或者缩短滑动窗口的长度。

步骤4.10、指标单元左侧二维时序图提供指标数据上下限制，上限用红色表示，下限用绿色表示。

步骤5、通过步骤4所显示的二维坐标多维时序图分析指标时序变化关系。

步骤5.1、进入配置窗口添加需要分析的指标，按照添加顺序在二维坐标多维时序图中纵向显示所添加指标单元。

步骤5.2、可使用单元拖动功能调整指标数据的显示顺序，将需要检测分析的两个或者多个指标拖动到相邻位置观察。

步骤5.3、通过整体平移滑动窗口功能，观察所添加进可视区域的两个或者多个指标数据在不同采样时刻的关系变化。

步骤5.4、通过分段平移滑动窗口功能，将两个指标单元的两段滑动窗口平移到不同时间段内，观察任意两个指标数据间的延迟变化关系。

步骤5.5、通过滑动窗口长度的调节功能，可观测不同时间长度内指标实时数据趋势，以及滑动窗口所覆盖时间范围内指标数据的偏差程度。

步骤5.6、通过观察指标实时数据趋势，确定指标实时数据是否正常运行。

步骤5.7、进入配置窗口删除不需要分析的指标，从二维坐标多维时序图中将该指标单元去除。

本发明的益处：

本发明提出了一种选矿生产指标的关联关系可视化系统及方法。选矿综合生产指标反应选矿过程最终的产品质量与产量，本发明实现了对选矿综合生产指标与过程运行指标间相关关系的分析，以及对多维时序变化的指标间关系的分析，并将分析出的生产指标间关系以一种更加生动直观的方式展现在人们面前，帮助操作人员更便捷的分析指标关系，通过对生产指标的分析辅助操作人员对生产指标进行合理决策。

附图说明

图1一种选矿生产指标的关联关系可视化系统及方法的结构框架图。

图2一种选矿生产指标的关联关系可视化系统及方法的流程图。

图3一种选矿生产指标的关联关系可视化系统及方法的皮尔逊相关系数算法流程图。

图4一种选矿生产指标的关联关系可视化系统及方法的二维坐标多维时序图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明进行详细描述。

一种选矿生产指标的关联关系可视化系统及方法的系统框架，如图1所示，包括生产指标管理模块、生产指标关联关系分析模块、生产指标关联关系可视化模块、生产指标时序变化关系分析模块、生产指标时序变化关系可视化模块。

生产指标管理模块：用于管理从数据库取来的生产指标，包括指标档案管理和指标数据管理，实现对生产指标的增加、删除、修改、查询功能；所述指标档案管理是指对指标编码、指标名称、所属结构编码、所属结构名称、指标简称、指标别名、计量单位、停用标记、备注的管理。所述指标数据管理是指对指标的维护、配置、筛选。

对于生产过程中的缺失数据，系统采用k-nn算法对缺失的数据进行补齐。综合块矿率指标在2:00时刻空缺数据，利用该缺失值采样前后时刻的生产数据采用k-nn算法进行插值，取k＝10，10个采样点的数据分别为55.94、55.23、

55.78、55.51、56.59、56.96、56.82、57.56、57.74、57.08，计算平均值(55.94+55.23+55.78+55.51+56.59+56.96+56.82+57.56+57.74+57.08)/10，补齐2:00时刻空缺的历史数据为56.52。经knn算法补齐后的指标如表1所示。

表1

生产指标关联关系分析模块：从所有生产指标中筛选出综合生产指标和过程运行指标，找出影响综合生产指标的过程运行指标，并分析过程运行指标与综合生产指标间关联关系的强弱，所采用的分析方法是皮尔逊相关系数。从表1中选出需要分析指标如表2所示。综合生产指标选取选矿综精产量(湿重)、弱磁精矿产量和综合块矿率；过程运行指标选取弱精品味、块1#和废石1#矿量。

表2

生产指标关联关系可视化模块：对指标关联关系分析模块所分析出指标之间的相关程度进行可视化显示，显示方式为弦图方式，其可展示多维生产指标之间的相关程度。弦图的外环分为若干个颜色不同的区域，不同指标对应不同颜色，根据指标关联关系分析模块所分析出的指标间的相关程度，剔除无关联关系的指标，对于有关联关系的指标，显示关联关系的强弱。弦图内环有关系的两个指标用不用颜色曲线相连，连线越宽表示关联关系越大。图形具有交互操作，当鼠标悬浮于外环的某个生产指标所在区域内时，显示哪些过程运行指标与该生产指标有关系，有关联关系的过程运行指标影响该生产指标的强弱；当鼠标悬浮在相连的曲线上时，根据各过程运行指标对综合生产指标影响的贡献率，提供百分比显示。

生产指标时序变化关系可视化模块：对时序变化生产指标间关系及指标偏差程度进行可视化显示，显示方式为二维坐标多维时序图。所述二维坐标多维时序图可展示不同量纲的生产指标随时间变化的关系，同时能监控指标的偏差程度。时序图的每一个单元代表一个生产指标，用一个二维时序图表示，可展示该指标的实时数据趋势及偏差程度。图形提供自由配置功能，可通过人机交互增加或者删除指标单元；所述不同量纲是指各个指标不同；所述偏差程度是指标数据偏离指标范围的程度。

生产指标时序变化关系分析模块：用于对生产指标时序变化关系可视化模块显示的关系进行分析，包括两指标随时间变化的关系、两指标随时间变化的延迟关系、多个指标随时间变化的关系；提供滑动窗口辅助工作人员平移窗口观察指标随时间的变化关系。

所述两指标间随时间变化的关系指两个生产指标在不同时间采集的数据之间的关系；所述两指标随时间变化的延迟关系是指两个生产指标间隔△t时间采集的数据之间的关系；所述多个指标随时间变化的关系是指多个生产指标在不同时间采集的数据之间的关系。所述滑动窗口垂直于时间轴横轴，窗口可呈现在不同采样时刻不同指标的数据。

采用一种选矿生产指标的关联关系可视化系统及方法的整体流程图，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、从本地数据库获取选矿生产全流程生产指标数据，实现对生产指标数据的增加、删除、修改、查询功能。

步骤2、选取选矿综合生产指标和过程运行指标，采用皮尔逊相关系数方法进行相关关系分析，具体实施描述如下：

步骤2.1、从本地数据库选出2017.06.01日综合生产指标和过程运行指标历史数据，本实施选取选矿综精产量(湿重)、弱磁精矿产量、综合块矿率、弱精品味、块1#、废石1#矿量。

步骤2.2、由于步骤2.1中所选取的指标采样频率不同，采用knn算法补齐空缺的数据。

步骤2.3：对整理好的数据采用皮尔逊相关系数方法进行相关关系分析,如图3所示；

步骤2.3.1、一共选取6个指标、每个指标24组数据。

步骤2.3.2、定义：xi,t表示相关系数矩阵纵向第i个指标的第t个采样时刻的值，xj,t表示相关系数矩阵横向第j个指标的第t个采样时刻的值。

步骤2.3.3、计算相关关系系数矩阵纵向第一个指标和横向第四个指标的24组数据平均值，如选矿综精产量(湿重)平均值为249.91和弱精品味平均值为58.72。

步骤2.3.4、根据步骤2.3.3所求出的选矿综精产量(湿重)平均值和弱精品味平均值计算相关关系系数矩阵纵向第一个指标和横向第四个指标的协方差为-194.1。

步骤2.3.5、根据步骤2.3.3所求出的选矿综精产量(湿重)平均值和弱精品味平均值计算相关关系系数矩阵纵向第一个指标和横向第四个指标的标准差为441.136。

步骤2.3.6、根据步骤2.3.4和步骤2.3.5所求协方差及标准差求出相关关系系数矩阵第1行第4列选矿综精产量(湿重)与弱精品味相关系数为-0.44。

直到遍历完所有i和j的取值，可得到需要分析指标的相关系数矩阵。如表3所示。

表3

步骤3、采用弦图的形式显示步骤2中所求指标的关联关系，外环分为6个颜色不同的区域，不同颜色代表不同指标，内环将有关系的两个指标相连，连线越宽表示关联关系越强。

步骤4、采用二维坐标多维时序图显示时序变化指标间关系，由若干个指标单元组成，每一个单元代表一个生产指标。在每一个单元中，左侧用二维时序图展示该指标的实时数据趋势，右侧展示指标数据的偏差程度,如图4所示。

步骤4.1、二维坐标多维时序图由若干个指标单元组成，每一个单元代表一个生产指标。所选指标有选矿综精产量(湿重)、综合块矿率。

步骤4.2、在选矿综精产量(湿重)、综合块矿率两个单元中，左侧用二维时序图展示选矿综精产量(湿重)、综合块矿率的实时数据趋势，右侧展示选矿综精产量(湿重)、综合块矿率数据的偏差程度。

步骤4.3、根据所选指标的量纲设置每个单元指标的纵轴坐标单位长度。

步骤4.4、提供配置窗口，进入配置窗口添加需要分析的指标，添加强磁精矿产量，按照添加顺序在二维坐标多维时序图中纵向添加该指标单元；

步骤4.5、提供指标单元拖动功能，通过拖动可自由调整指标单元的上下显示顺序，可将需要分析的两个或者多个指标拖动到相邻位置观察，可调换选矿综精产量(湿重)指标单元和强磁精矿产量指标单元的位置。

步骤4.6、提供垂直于横轴的滑动窗口，通过平移滑动窗口，在可视区域即可呈现在相同采样时刻选矿综精产量(湿重)、综合块矿率、强磁精矿产量指标的实时数据趋势及在此段时间内数据的偏差程度。

步骤4.7、通过分段平移滑动窗口功能，将综合块矿率指标单元和强磁精矿产量指标单元的两段滑动窗口平移到不同时间段内，可以观察这两个指标在时间间隔为δt时的延迟变化关系。

步骤4.8、提供滑动窗口长度沿时间轴的调节功能，观测不同时间长度内指标的实时数据趋势，以及滑动窗口所覆盖时间范围内指标数据的偏差程度，图四显示的是选矿综精产量(湿重)的6个采样时刻数据，并根据6个采样数据分析偏差程度。

步骤4.9、指标单元的左侧二维时序图提供指标数据的上下限制，上限用红色表示，下限用绿色表示，通过观察选矿综精产量(湿重)、综合块矿率、强磁精矿产量三个指标实时数据趋势，确定指标实时数据是否正常运行。

步骤4.10、进入配置窗口删除不需要分析的指标，从二维坐标多维时序图中将该指标单元去除。

步骤5、根据步骤4的二维坐标多维时序图所显示的指标关系及偏差程度，通过平移滑动窗口辅助观测指标数据随时间变化的关系，进行单个指标或多个指标分析。

步骤5.1、进入配置窗口添加需要分析的指标，按照添加顺序在二维坐标多维时序图中纵向显示所添加指标单元。

步骤5.2、可使用单元拖动功能调整指标数据的显示顺序，将需要检测分析的两个或者多个指标拖动到相邻位置观察。

步骤5.3、通过整体平移滑动窗口功能，观察所添加进可视区域的两个或者多个指标数据在不同采样时刻的关系变化。

步骤5.4、通过分段平移滑动窗口功能，将两个指标单元的两段滑动窗口平移到不同时间段内，观察任意两个指标数据间的延迟变化关系。

步骤5.5、通过滑动窗口长度的调节功能，可观测不同时间长度内指标实时数据趋势，以及滑动窗口所覆盖时间范围内指标数据的偏差程度。

步骤5.6、通过观察指标实时数据趋势，确定指标实时数据是否正常运行。

步骤5.7、进入配置窗口删除不需要分析的指标，从二维坐标多维时序图中将该指标单元去除。