автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Метод и алгоритмы обработки информации в системах прогнозирования сложных процессов металлургического производства

5

ГЛАВА I. Общая характеристика методов и алгоритмов 9 прогнозирования вакуум-окислительной обработки стали

1.1. Анализ методов и алгоритмов прогнозирования вакуум-окислительной обработки стали

1.2. Характеристика процесса вакуум-окислительной 26 обработки стали как объекта контроля и прогнозирования

1.3. Функциональные требования к математическому 42 обеспечению системы прогнозирования вакуумокислительной обработки стали

ГЛАВА II. Математическое обеспечение системы прогнозирования вакуум-окислительной обработки стали

2.1. Информационная модель вакуум-окислительной 4 6 обработки стали

2.2. Методы обработки информации в системе 55 прогнозирования параметров процесса вакуум-окислительной обработки стали

2.2.1. Выбор типа ВПС

2.2.2. Обработка данных в восстановительно- 58 прогнозирующих системах

2.2.3. Методика выбора способа масштабирования 69 аппроксимирующих распределений

2.3. Тестирование метода фрактальной аппроксимации

ГЛАВА III.Алгоритмы обработки информации и 7 9 прогнозирования параметров вакуумокислительной обработки стали

3.1. Алгоритмы обработки и хранения информации в 7 9 системе прогнозирования входного параметра ВПС вакуум-окислительной обработки стали

3.2. Алгоритмы обработки информации в ВПС вакуум- 84 окислительной обработки стали

3.2.1. Алгоритмы оценки помеховой составляющей 84 рядов экспериментальных данных

3.2.2. Алгоритм детектирования выбросов

3.3. Методы оценки достоверности эмпирических данных

3.4. Аппроксимация экспериментальных данных

ГЛАВА VI. Экспериментальные исследования методов и 97 алгоритмов обработки информации в системе прогнозирования вакуум-окислительной обработки стали

4.1. Описание ВПС прогнозирования параметра вакуум-окислительной обработки стали

4.1.1. Основные функциональные элементы и блоки

4.1.2. Подсистема визуализации

4.1.3. Подсистема "задатчик"

4.1.4. Обслуживающая подсистема

4.1.5. Подсистема идентификации

4.2. Описание ВПС вакуум-окислительной обработки 105 стали

4.1.1. Основные функциональные элементы и блоки

4.1.2. Блок аппроксимации экспериментальных данных 107 полиномом

4.1.3. Блок интерфейса управления

4.3. Программное обеспечение ВПС вакуум- 110 окислительной обработки стали

4.4. Результаты экспериментальных исследований

4.5 Перспективы применения разработанных методов и 118 алгоритмов в системах прогнозирования технологических процессов металлургического производства

Актуальность проблемы. В условиях современного металлургического производства широкое распространение получают системы, функцией которых является прогнозирование параметров сложных производственных процессов. Многофакторность, неопределённость, нелинейность и нестационарность протекающих процессов определяют множество подходов к решению проблемы прогнозирования.

В настоящее время для решения этой проблемы применяются различные системы, основанные на использовании теоретических моделей производственных процессов, эмпирических зависимостей, методов ретроспективной идентификации. Последние методы формируют класс восстановительно-прогнозирующих систем (ВПС) . Основное их преимущество - возможность адаптации к условиям конкретного производства.

Существуют несколько разновидностей ВПС. Часть из них характеризуется наличием математической модели, строящейся на основе исходного набора данных о процессе и корректирующейся в соответствии с новыми, поступающими с объекта прогнозирования, данными. Другие ВПС напрямую восстанавливают хранимые в памяти и постоянно дополняющиеся наборы данных, находя наиболее близкие варианты протекания процесса и представляя их в виде прогноза.

Так, например, при моделировании технологии доводки конвертерной стали на установке вакуум-окислительного рафинирования, возникает проблема количественной оценки содержания марганца по завершению конвертерного передела. Одним из подходов к решению может стать разработка прогнозирующей системы, способной предсказывать содержание марганца, исходя из других известных параметров конвертерного передела. Построение теоретических или эмпирических зависимостей в этом случае невозможно, ввиду сложности указанного передела и неоднозначности протекающих процессов. Прогноз может быть построен на основе прямой ретроспективной идентификации данных в ВПС.

Однако, ВПС, напрямую восстанавливающие хранимые и постоянно дополняющиеся наборы данных, имеют один существенный недостаток - они требуют больших ресурсов памяти. Это обусловлено несовершенством известных методов и алгоритмов обработки и хранения данных.

Другая проблема возникает в связи с погрешностями, возникающими в результате неточности измерений величин входных параметров. Для её частичного разрешения существуют методы фильтрации. Однако, эти методы малоэффективны в присутствии большого количества аномальных помех, для устранения которых используют робастные фильтры. Основной их недостаток заключается в том, что вместе с аномальными помехами теряется часть полезного сигнала.

В этой связи разработка методов и алгоритмов обработки ретроспективной информации в системах прогнозирования сложных процессов металлургического производства представляется весьма актуальной.

Целью диссертационной работы является создание метода и алгоритмов обработки и хранения данных для использования в ВПС вакуум-окислительной обработки стали. Для достижения цели были решены следующие задачи:

1) анализ методов и алгоритмов прогнозирования вакуум-окислительной обработки стали;

2) разработка математического обеспечения системы прогнозирования вакуум-окислительной обработки стали;

3) построение алгоритмов обработки информации и прогнозирования параметров вакуум-окислительной обработки стали;

4) экспериментальные исследования методов и алгоритмов обработки информации в системе прогнозирования вакуум-окислительной обработки стали.

Методы исследований. В работе использованы методы математического моделирования, теории фильтрации и идентификации, математической статистики, фракталов, цифровой обработки сигналов, основы теории построения алгоритмов и программ.

Научная новизна. В результате проведённых исследований получены следующие новые результаты:

1) разработан метод сжатия рядов реальных данных распределениями, полученными на основе фракталов, позволяющий достигнуть наибольшего коэффициента сжатия без существенного снижения потерь качества информации;

2)предложен способ получения одномерных фрактальных распределений на основе двумерных геометрических фракталов, позволяющий сохранять число степеней свободы варьирования отображения;

3)предложен способ хранения ретроспективных данных в ВПС, позволяющий наиболее эффективно производить их сжатие;

4)разработан алгоритм сжатия вариационных рядов реальных данных на основе фрактальной аппроксимации.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1)разработана информационная модель прогнозирования вакуум-окислительной обработки стали;

2)предложена методика детектирования аномальных выбросов в рядах натурных данных;

3)предложена методика настройки алгоритмического обеспечения ВПС вакуум-окислительной обработки стали;

4)разработана экспериментальная установка и программное обеспечение для исследования и проверки эффективности предложенных алгоритмов, определены основные функциональные элементы и блоки ВПС вакуум-окислительной обработки стали.

На защиту выносятся пункты научной новизны и практической ценности.

Реализация результатов работы. Разработанное математическое обеспечение исследовано и проверено на натурных ретроспективных данных конвертерного производства ОАО «СЕВЕРСТАЛЬ», предложенные алгоритмы нашли применение в учебном процессе на кафедре «Программное обеспечение ЭВМ» Череповецкого государственного университета в курсе "Структуры и алгоритмы обработки данных" для специальности 220400 -программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на следующих научных конференциях:

- II Всероссийская студенческая конференция "Проблемы устойчивого развития общества" (Иркутск, 1997, диплом 1-й степени);

- Научно-практическая конференция "Наука и образование" (Анжеро-Судженск, 1998).

- Юбилейная Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы 8 электрометаллургии стали и ферросплавов" (Новокузнецк, 2001);

- Научно-техническая конференция молодых специалистов и инженеров "Северсталь - пути к совершенствованию (Череповец, 2001);

- Межгосударственная научно-техническая конференция "Современная металлургия начала нового тысячелетия" (Липецк, 2001);

- Международная научно-техническая конференция "Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах "Инфотех-2001" (Череповец, 2001).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей в научных сборниках и журналах.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1.Приведено описание схем и основных блоков и подсистем ВПС предсказания параметра вакуум-окислительной обработки стали и ВПС вакуум-окислительной обработки стали.

2.Приведены результаты экспериментальных исследований и тестов разработанных ВПС.

3.Рассмотрены перспективы применения разработанных методов и алгоритмов в различных системах управления технологическими процессами металлургического производства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведён анализ методов прогнозирования параметров различных производственных процессов, в частности, процесса вакуум-окислительной обработки стали. Были рассмотрены несколько типов прогнозирующих систем, и использующихся в них алгоритмов обработки и сжатия ретроспективных натурных данных. Особо был выделен класс рекуррентных уравнений и отображений, которые могут быть использованы для сжатия дискретной информации.

2. Рассмотрены различные способы вакуум-окислительной обработки низкоуглеродистой стали. Определены спектры входных и выходных параметров. Отмечено, что один из наиболее важных входных параметров (содержание марганца в металле) является выходным параметром конвертерной плавки, которого позволяет заранее рассчитать ферросплавов, присаживаемых в ковш на выпуске.

3. Разработана информационная характеризующая процессы конвертерной и окислительной обработки стали.

4. Выполнен выбор типа ВПС вакуум-окислительной обработки стали.

5. Предложен метод аппроксимации экспериментальных данных фрактальными распределениями, позволяющий значительно сжимать информацию натурных рядов данных без существенных потерь в точности. прогноз массу модель, вакуум

6. Выполнено тестирование предложенного метода фрактальной аппроксимации, которое показало его преимущество перед известными методами.

7. Разработаны алгоритмы хранения и сжатия ретроспективной информации в системе прогнозирования входного параметра ВПС вакуум-окислительной обработки стали.

8. На основе алгоритмов сглаживания и оценки помеховой составляющей рядов экспериментальных данных разработана методика детектирования грубых аномальных помех для использования в ВПС вакуум-окислительной обработки стали.

9. Разработана методика оценки достоверности эмпирических данных.

10. Приведено описание схем, основных блоков и подсистем ВПС предсказания параметра вакуум-окислительной обработки стали и ВПС вакуум-окислительной обработки стали.

11. Приведены результаты экспериментальных исследований методов и алгоритмов.

12. Рассмотрены перспективы применения разработанных методов и алгоритмов в различных системах прогнозирования технологических процессов металлургического производства.

1. Абель П. Язык Ассемблера для IBM PC и программирования: Пер. с англ. М. : "Высшая школа", 1992. - 447 с.

2. Авдеев В.П. Основы построения, разработки и внедрения производственно-исследовательских систем управления металлургическими процессами: Дис. Д-ра техн. наук. -Новокузнецк, 1984. 467 с.

3. Авдеев В.П., Карташов В.Я., Мышляев Л.П., Ершов А.А. Восстановительно-прогнозирующие системы управления. Кемерово: КемГУ, 1984.- 90 е., ил.

4. Авдеев В.П., Киселева Т.В., Криволапова Л.И., Дубовик В.Я., Руденкова Е.Г. Вариантные структуры восстановительно-прогнозирующего регулированич.// Из. Вуз. Черная металлургия, 1996, № 4. С. 67-72.

5. Авдеев В.П., Мышляев Л.П., Соловьев В.И. О восстановительно-прогнозирующем регулировании технологических процессов //Из. Вуз. Черная металлургия, 1978, № 10. С. 165-168.

6. Александров В.В., Горский Н.Д., Представление и обработка изображений. Рекурсивный подход.-Л.: Наука, 1085,- 192 с.

7. Арнольд В.И. Теория катастроф.- М.: Наука, 1990.- 128 с.

8. Ахромеева Т.С., Курдюмов С.П., Малинецкий Г. Г., Самарский А. А. Нестационарные структуры и диффузионный хаос. -М.: Наука, 1992. 544 е., ил.

9. Баптизманский В. П. Теория кислородно-конвертерного процесса. М.: "Металлургия",1975. -376 с.

10. Березин С.А., Ивлева A.M. Алгоритмы и рекурсивные функции. Новосибирск. 1999. 71 с.

11. Вариантника. Информационные сборники 1, 2, 3. /Под ред. В.П. Авдеева. Новокузнецк: Изд. СибГГМА/ СибГИУ, 1995 - 1998. - 430 е., ил.

12. Ватолин Д.С. Алгоритмы сжатия изображений. ISBN 5-89407-041-4 М.: Диалог-МГУ, 1999. 180 с.

13. Ватолин Д.С. Открытые системы. Номер 2. Лето 1995. 234 с.

14. Ватолин Д. С. Тенденции развития алгоритмов архивации графики. Открытые системы. Номер 4. Зима 1995. 268 с.

15. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Изд. 4-е, доп. Учебное пособие для вузов. М., "Высшая школа", 1972г., 368 с. с илл.

16. Голенко Д.И. Статистические модели в управлении производством. М.: Статистика, 1973 г., 368с. с илл.

17. Гурский Е.И. Теория вероятностей с элементами математической статистики. Учеб. пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1971г., 328с. с илл.

18. Детерминированный хаос. Фракталы. (Учебный комплект первоисточников). Новокузнецк: Сиб. мет. институт.- 1993. 153 е., ил.

19. Егоров С. В. Разработка и исследование систем управления с прогнозирующими моделями для процессов спостоянно действующими контролируемыми возмущениями. Дис. доктора технических наук. Москва, 1980.-370 с.

20. Ермаков С.М., Михайлов Г. А. Курс статистического моделирования. М.: Наука, 197 6 г., 320 с. с илл.

21. Зайков С.Т., Лифшиц С.И. Выплавка стали в конвертерах. Киев: "Техника", 1968. 193 с.

22. Заславский Г.М., Сагдеев Р.З. Введение в нелинейную физику: От маятника до турбулентности и хаоса. -М.: Наука, 1988.

23. Зубов B.C. Программирование на языке Turbo Pascal. М.:"Филинъ". 1997. 320 с.

24. Ивахненко А.Г., Лапа В.Г. Предсказание случаных процессов.-Киев : Наук, думка, 1971.- 416 с.

25. Кенцл Т. Форматы файлов Internet. Перев. с англ. СПб: Питер, 1997. - 320 е.: ил.

26. Клейнен Дж. Статистические методы в имитационном моделировании. Вып.1: Пер. с англ. / Ред. Ю.П.Адлер, В.Н. Варягин. М. : Статистика, 1978. - 222 с.

27. Климов А.С. Форматы графических файлов. С.Петербург, Изд. <ДиаСофт> 1995. -250 с.

28. Кнут Д.Э. Искусство программирования для ЭВМ: В 7-ми т.: Пер. с англ./ Д. Кнут. М. : Мир, 1976 -1978.

29. Колесников А.А. Синергетическая теория управления.-Таганрог: ТРТУ, 1994. 344 е., ил.

30. Концепция самоорганизации в исторической ретроспективе. / Под ред. А.А. Печенкина. М. : Наука, 1994. - 239 с.

31. Коршиков Г. В. Энциклопедический словарь-справочник по металлургии. Липецк: Липецкое издательство Госкомпечати, 1998. 780 с.

32. Кудрин В.А. Внепечная обработка чугуна и стали. М.:"Металлургия",1992. -33бс.3 3. Лифшиц С.И., Жигулин В.И., Рубинский П.С. Производство кислородно-конвертерной стали. М.: "Металлургия", 1965. 97 с.

33. Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. О вычислении размерности странных аттракторов.//Журнал вычислительной математики и математичсекой физики. 1988. Т. 28.,№ 7. С. 1022-1037.

34. Мандельброт Б. Самоаффинные фрактальные множества,"Фракталы в физике" -М.:Мир, (1988),672 с.

35. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы, -Сан Франциско, 1983. - 535 е., ил.

36. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. -Сан Франциско, 1983. - 535 е., ил.

37. Марченко А.И., Марченко Л.А. Программирование в среде Turbo Pascal 7.0. М. : "Бином Универсал", К.: ЮНИОР, 1997. -496с.

38. Мишкин Э. Приспосабливающиеся автоматические системы. М. : Изд. Иностранной литературы, 1963.- С. 346-380.

39. Многовариантные структуры, средства, системы. Вариантника. (Тематические подборки статей). //Изв.вуз. Чёрная металлургия, 1994, № 4, № 8; 1995, № 4, № б, № 12; 1996, № 4, № 10; 1997, № 6; 1998, № б.

40. Неймарк Ю.И., Ланда П. С. Стохастические и хаотические колебания. М.: Наука, 1987. 424 с.

41. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного.-М.: Мир,- 1990.-344с.

42. Пайтген X.-О.,Рихтер П.Х. Красота фракталов.-М.: Мир, 1993.-176 е.,ил.

43. Поволоцкий Д.Я., Кудрин В. А., Вишкарев А.Ф. Внепечная обработка стали. М.:"МИСИС",1995 -256с.

44. Полляк Ю.Г. Вероятностное моделирование на электронных вычислительных машинах.-М.: Сов.радио, 1971.-258 с.

45. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой.-М.: Прогресс, 1986.

46. Пустоваров В. И. Язык Ассемблера в программировании информационных и управляющих систем. -М.: "ЭНТРОП", К.: "ВЕК", 1997. -304 с.

47. Райбман Н.С., Чадеев В.М Построение моделей процессов производства.- М.: Энергия, 1975. 376 с.

48. Райли Д. Абстракция и структуры данных.- М. : Мир, 1993.-752 с.

49. Рыжонков Д.И., Падерин С.И., Серов Г.В. и др. Расчеты металлургических процессов на ЭВМ. М.: "Металлургия", 1987. -231 с.

50. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло.-М.: Наука, 1973.-315 с.

51. Совершенствование технологии выплавки стали в конвертерах с целью уменьшения количества выбросов и снижения заметалливания кислородной фурмы // Отчет НИР № 521 НС/ТД1082. Череповец: "ПТМ Северо-Запад", 2001. -80 с.

52. Способы расчета масс материалов конвертерного производства.//Авдеев В.П., Айзатулов Р.С., Мышляев Л.П., и др. М.: Металлургия, 1994.-192 с.

53. Странные аттракторы. М.: Мир, 1981.-250 с.

54. Сычов В. И., Бочков Д.А. Математическое моделирование сталеплавильного производства завода качественной металлургии.: Проблемы управления в металлургии. М., "Металлургия", 197 6г., с. 36-42.

55. Турбин А.Ф., Працевитый Н.В. Фрактальные множества, функции, распределения. Киев: Наук, думка, 1992.

56. Туркенич Д. И. Управление плавкой стали в конвертере. М.: Металлургия. 1979. 240 с.

57. Федер Е. М. Фракталы. Мир. 1991 260 с. (915/3219)

58. Фейгенбаум М. Универсальность в поведении нелинейных систем. //УФН, 1983, том 141, вып. 2, с. 344-374.

59. Фрактальные объекты в математеке, физике и биологии: (тезисы докл. семинара-совещания. 25-27 апр. 1991, Славянск, 1991. 31 с. (91-4/4987)

60. Хаотические системы. Тематический выпуск.//ТИИЭР, 1987,т 75,№ 8. 166 с.

61. Харлашин П.С., Ершов Г.С., Тарасов В.П. и др. Вопросы современной металлургии (проблемы, теория, технология, качество). Том 2. Мариуполь: ПГТУ, 2001. -314 с.

62. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры. М.: Сов. Радио , 1980. - 224 с.

63. Хисамутдинов Н.Е., Явойский А. В. Особенности взаимодействия окислительного дутья с железоуглеродистым расплавом. Новокузнецк: СибГИУ, 2000. 100 с.

64. Хисамутдинов С.Н., Ершов Е.В. Аппроксимация рядов экспериментальных данных фракталом Мандельброта

65. Изв. вузов. Черная металлургия, 2002. № 11. - С. 50-52.

66. Хисамутдинов С.Н. Моделирование процесса вакуум-окислительной обработки стали // Северсталь -пути к совершенствованию: Сборник трудов научно-технической конференции молодых специалистов и инженеров. Череповец: ОАО "Северсталь", 2001. -С. 2223.

67. Хисамутдинов С.Н. Гребенюк Н.А., Сравнительный анализ хранения и использования графической информации // Наука и образование: пути интеграции: Материалы научно-практической конференции. Анжеро-Судженск: Кемеровский ГУ, 1998. - Часть 2. - С. 11-12.

68. Хисамутдинов С.Н., Ершов Е.В. Управлениепроцессом вакуум-окислительной обработки стали / /

69. Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах "Инфотех 2001": Материалы международной научно-технической конференции.- Череповец: ЧГУ, 2002. С. 67-68.

70. Чиграй И.Д. Подручный сталевара. М.:"Металлургия", 1977. -304 с.

71. Чуев Ю.В. , Михайлов Ю.Б. , Кузьмин В.И. Прогнозирование количественных характеристик процессов.- М.: Советское радио, 1975.- 400 с.

72. Шустер Г. Детерминированный хаос. -М.: Мир, 1988. 240 е., ил.

73. Явойский В.И., Левин С.Л., Ваптизманский В.И. и др. Металлургия стали. М: "Металлургия", 1974-816с.

74. Явойский В.И., Явойский А.В. Научные основы современных процессов производства стали. М. : "Металлургия", 1987. -184 с.

75. Яншин В. В. Анализ и обработка изображений (принципы и алгоритмы) // М.: Машиностроение 1995. -340 с.

76. Barnsley M.F., Elton J.H., A new class of Markov processes for image encoding, Adv.Appl.Prob. 20, pp.14-32 (1988).

77. Barnsley, F., and Sloan, A.D., A Better Way to Compress Images, Byte Magazine, January 1988, Pages 215-222

78. Barnsley, M., Fractals Everywhere, Academic press, 1988

79. Bothe H.G. e.a. Dynamical systems and environmental models. Berlin, Academic Verlag, 1987, - 283 p.

80. C.Bandt, S.Graf, Self-Similar Sets 7. A characterization of self-similar fractals with positive Hausdorff measure, Proc. Amer. Math. Soc., 114 (1992), 995-1001.

81. C.Bandt, Self-Similar Sets 5. Integer Matrices and Fractal Tilings, Proc. Amer. Math. Soc., 112 (1991), pp.549-562.

82. Cox B.L., Wang J.S.Y. Fractal surfaces measurement and applications in the Earth sciences // Fraclals: An interdisciplinary of the complex geometry of nature. 1993. V. 1, №1. pp 87-115.

83. Demko, S., Hodges, L., and Naylor В., Construction of Fractal Objects with Iterated Function Systems, Computer Graphics 19, 3, July 1985, Pages 271278

84. GIF Graphics Interchange Format: A standard defining a mechanism for the storage and transmission of bitmap-based graphic information. USA: Columbus 1987. 286 p.

85. Jacquin A. Visual Comm. and Image Processing, vol. SPIE-1360, 1990. 221 p.

86. L. Keen, Julia sets, Chaos and Fractals: The Mathematics Behind the Computer Graphics (L.Keen and R.Devaney,eds.), Amer.Math.Soc., Providence, 1989, pp.57-74. MR 91a:58130