CN109722679B - 一种铝电解的氧化铝浓度异常低检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测方法及装置，该方法包括：根据每个综合下料周期内表观氧化铝浓度的极大值与极小值的分布状态，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别；根据对应的关系类别、以及表观氧化铝浓度的分布状态，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；根据表观溶解滞后系数的序列位置与过量下料开始时的序列位置之间的差值，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数；当各综合下料周期的表观溶解滞后系数为正值，且超过预设的正常范围之外达到预设阈值时，确定氧化铝浓度偏低。本发明通过各综合下料周期的表观溶解滞后时间量化氧化铝溶解性能，提升氧化铝浓度的检测性能。
Description
技术领域
本发明涉及铝电解领域，特别涉及一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测方法及装置。
背景技术
铝电解是以氧化铝为原料，使直流电通过电解槽上的炭素阳极，流经熔融冰晶石电解质，在阴极上得到熔融金属铝和阳极上析出二氧化碳的过程。电解质成分的复杂性和电解质的高温强腐蚀性给在线获取氧化铝溶解性能、氧化铝浓度和电解质温度带来了很大困难。
对于氧化铝溶解性能而言，现代铝电解生产的高效节能技术与铝电解槽大型化趋势使得铝电解过程面临着在更少的电解质内、更低的电解温度和更低的电解电压下，有效溶解更多的氧化铝的问题。氧化铝在电解质中的溶解过程非常复杂，不能及时溶解的氧化铝会形成沉淀、结壳，直接影响了电解槽槽况的稳定性。大量学者对氧化铝溶解过程的反应机理及影响因素进行了大量实验与机理研究，也在此基础上提出了许多溶解模型。已有文献指出在特定的温度、电解质组分等环境中进行化学实验，研究结果表明在氧化铝加入熔体5～10分钟内，溶解速度非常高，之后则很低。在工业铝电解槽中，各影响因素不断变化，且主要影响因素也与化学实验不同。已有文献发现：工业电解槽中的电解质温度及搅动、下料方式对氧化铝溶解速度有较大影响。对工业电解槽中氧化铝的溶解滞后的研究更少，有文献指出：在电解质摩尔比2.6～2.7，电解质温度955℃，氟化钙含量5％的160kA预焙槽上进行实验，发现氧化铝溶解滞后时间为2分钟左右，溶解63.2％的氧化铝所需时间为10分钟左右。
同时，电解槽中的氧化铝浓度非常重要。氧化铝浓度过低易引发阳极效应，使槽电压急剧上升，破坏电解槽的能量平衡。常用的阳极效应预报方法有：基于槽电压(或槽电阻)斜率跟踪法和以槽电阻斜率为主要依据，以物料平衡估算等为辅助依据等方法。本申请将这类方法统称为基于斜率的方法(简称斜率法)。氧化铝浓度过高又会造成槽底沉淀，危害电解槽的稳定性，降低电流效率，而很少有针对工业电解槽中高氧化铝浓度在线检测的报道。目前，在线测量工业电解槽内氧化铝浓度很困难，常用的氧化铝浓度偏低的检测方法有基于模型的方法和数据驱动的方法。由于铝电解生产过程中很多关键参数无法在线测量，因此很难建立适应性强的在线系统模型，而数据驱动的方法和基于信号的方法不需要精确或完整的模型，应用较多。其中，常见的方法有专家系统，多元统计方法和智能算法等。
现有关于氧化铝溶解性能、氧化铝浓度和电解质温度的研究成果大多停留在机理模型或是针对特定工艺条件下的实验槽上，很多关键参数是固定的。在工业电解槽中，这些参数是实时变化且在线测量困难，因此很难建立适应性强的在线系统模型，使得基于模型的方法适用性和精确性受到了很大限制。数据驱动的方法面临高计算代价和对异常数据不敏感等问题。基于信号的方法通常抽取输出信号的主要统计特征，作为数据驱动方法的输入，与数据驱动的方法面临同样问题。因此，氧化铝溶解性能作为控制参数仍然没有在工业上得到广泛应用，而氧化铝浓度的异常检测主要是依据斜率法。
因此如何量化氧化铝溶解性能，并有效地用于氧化铝浓度偏低的异常检测，成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测方法及装置，以量化氧化铝溶解性能，并有效地提升氧化铝浓度偏低时的检测性能。
具体而言，本发明提供一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测方法，包括：
根据每个综合下料周期的过量下料期内及欠量下料期内表观氧化铝浓度的极大值与极小值的分布状态，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别；所述综合下料周期为发生阳极效应前的下料周期；
根据每个综合下料周期的所述确定的表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别、以及每个综合下料周期内表观氧化铝浓度的分布状态，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；
根据每个综合下料周期内的表观溶解滞后系数的序列位置与过量下料开始时的序列位置之间的差值，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数；
当各综合下料周期的表观溶解滞后系数为正值，且超过预设的正常范围之外达到预设阈值时，确定所述氧化铝浓度偏低。
本发明还提供一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测装置包括：关系类别确定单元，用于根据每个综合下料周期的过量下料期内及欠量下料期内表观氧化铝浓度的极大值与极小值的分布状态，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别；所述综合下料周期为发生阳极效应前的下料周期；系数位置确定单元，用于根据每个综合下料周期的所述确定的表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别、以及每个综合下料周期内表观氧化铝浓度的分布状态，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；滞后系数确定单元，用于根据每个综合下料周期内的表观溶解滞后系数的序列位置与过量下料开始时的序列位置之间的差值，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数；浓度异常检测单元，用于当各综合下料周期的表观溶解滞后系数为正值，且超过预设的正常范围之外达到预设阈值时，确定所述氧化铝浓度偏低。
本发明通过表观溶解滞后系数和表观溶解滞后时间量化氧化铝的在线溶解能力，可弥补目前无法量化表征工业铝电解槽中氧化铝的在线溶解能力的空白，通过计算得到氧化铝浓度正常和异常时的表观溶解滞后系数可以得知，当浓度正常与异常时，表观溶解滞后时间的取值会有不同表现，当各综合下料周期的表观溶解滞后系数为正值，且超过预设的正常范围之外达到预设阈值时，确定所述氧化铝浓度偏低，由此可以利用表观氧化铝溶解滞后系数及时间值的大小自动检测工业电解槽的在线氧化铝浓度偏低的状态。
附图说明
并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为氧化铝浓度正常时的正常化槽电压U1滞后现象示意图；
图2为与氧化铝浓度正常时的正常化槽电压U1对应的表观氧化铝浓度PU1和下料状态FU1的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测方法的流程图；
图4为与氧化铝浓度低于正常范围时的正常化槽电压U4对应的氧化铝浓度PU4和下料状态FU4的示意图；
图5为与氧化铝浓度低于正常范围时的正常化槽电压U5对应的氧化铝浓度PU5和下料状态FU5的示意图；
图6为与氧化铝浓度低于正常范围时的正常化槽电压U6对应的氧化铝浓度PU6和下料状态FU6的示意图；
图7为与氧化铝浓度低于正常范围时的正常化槽电压U7对应的氧化铝浓度PU7和下料状态FU7的示意图；
图8为与氧化铝浓度高于正常范围时的正常化槽电压U8对应的氧化铝浓度PU8和下料状态FU8的示意图；
图9为与氧化铝浓度高于正常范围时的正常化槽电压U9对应的氧化铝浓度PU9和下料状态FU9的示意图；
图10为与氧化铝浓度高于正常范围时的正常化槽电压U10对应的氧化铝浓度PU10和下料状态FU10的示意图；
图11为与氧化铝浓度高于正常范围时的正常化槽电压U11对应的氧化铝浓度PU11和下料状态FU11的示意图；
图12为分成四组的共800个表观溶解滞后系数的正态分布概率图；
图13为基于本发明实施例提供的一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测方法用于异常I分析实例的示意图；
图14为检测到异常I的提前时间直方图；
图15为基于本发明实施例提供的一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测方法用于异常II实例分析的示意图；
图16为检测到异常II的提前时间直方图；
图17为本发明实施例提供的一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在详细描述实施例之前，首先分析本申请涉及的机理知识，具体如下：
1、氧化铝溶解性能与熔体运动、温度、浓度之间的关系
首先，氧化铝溶解速度除受到物理性能影响外，还受到以电磁力为动量源的铝液波动与流动和以阳极气泡推动的电解质循环运动组成的电解槽内熔体运动的影响。按照一定时间间隔加入电解槽的氧化铝颗粒随熔体运动扩散至电解质各个区域。其中，扩散良好的氧化铝颗粒溶解时间很短；扩散不好的氧化铝颗粒，易产生聚集现象，溶解时间大大增加。因此，氧化铝溶解性能的短期变化受到槽内熔体运动强烈程度的影响。
根据Arrhenius公式
与Gerlach等人通过实验得到冰晶石溶液中氧化铝溶解速度曲线，可求得温度Tc与溶解速度K的关系。α-Al2O3的溶解速度为
γ-Al2O3的溶解速度为：
由式(1)和式(2)可知α-Al2O3和γ-Al2O3的溶解速度均随温度升高而增大的定性关系。通常情况下，工业电解槽内电解质温度变化较缓慢，因此氧化铝溶解性能的中长期变化受到电解质温度变化的影响，溶解速度的增加可反映电解质温度的升高。
其次，溶解速度与已有氧化铝浓度无关。氧化铝浓度在5％以下范围内时，氧化铝溶解为零级反应，氧化铝的溶解速率与己溶解在电解质中的氧化铝浓度无关。工业电解槽中氧化铝浓度的目标控制范围一般为1.5％～3.5％左右，氧化铝溶解属于零级反应，可以认为工业电解槽中氧化铝溶解速率与电解质中已有氧化铝浓度关系很小或无关。因此，在工业电解槽中，电解质中氧化铝浓度变化对氧化铝的溶解性能的影响可以忽略。反之，氧化铝溶解速率直接影响了电解槽中氧化铝浓度变化的快慢。特别是在大型电解槽中，单位产铝量的电解质使用量的减少，使得氧化铝溶解速率对电解质中的氧化铝浓度变化影响更大，因此氧化铝浓度的变化在大型槽中更为明显。
综上所述，工业电解槽中氧化铝的溶解性能如下机理知识(mechanism)：
M1：熔体运动对氧化铝溶解性能有短期的影响，且氧化铝溶解性能随熔体运动强烈程度变化而变化。
M2：电解质温度变化对氧化铝溶解性能有着中长期的影响，且氧化铝溶解性能随温度升高而逐渐增大。
M3：电解质中已有氧化铝浓度对氧化铝的溶解性能的影响可以忽略，反之，氧化铝溶解性能可直接影响电解槽中氧化铝浓度变化的快慢，且槽型越大影响越明显。
2、氧化铝浓度与槽电压关系。铝电解槽控机可在线测量的数据有槽电压和系列电流；槽控机自动记录的数据有：下料信息、阳极升降信息、阳极效应等；而电解质温度由人工用热电耦每天测量一次，并以报表的形式记录下来。目前，很难实现氧化铝浓度、电解质温度的在线检测，而槽电压广泛使用的参与铝电解自动控制的在线信号。
槽电压、氧化铝浓度之间存在的“U”型曲线使得通过槽电压变化检测氧化铝浓度变化成为可能。氧化铝浓度与理论槽电压(或槽电阻)呈“U”形关系，称为“U”型曲线，即在中等浓度区中存在一个理论槽电压极低值UThLow，对应浓度CLow。槽电压UThLow对应的浓度CLow的位置随电解质的组分、温度等工艺条件的不同在3％～5％的范围内波动。当浓度高于或低于CLow时，槽电阻都会升高。在极值点左侧，槽电压随浓度的降低而显著增加。当浓度降低到效应临界浓度CAE时，槽电压会急剧升高，而发生阳极效应。氧化铝浓度区间[CAE,CLow]形成的低氧化铝浓度区间称为氧化铝浓度可控区，本申请称为氧化铝浓度正常区域。随氧化铝浓度变化的槽电压成分主要有阳极过电压(the anodic overpotential)、电解质电阻率(the ohmic potential drop in the melt)和反应电势(the reaction potential)，相应地，有如下机理知识：
M4：在CLow的左侧(低浓度侧)，槽电阻随浓度的降低而显著增加的主要原因是阳极过电压随浓度的降低而显著升高。阳极过电压中对槽电阻影响最大的是由气膜电阻所致的过电压πfilm。
M5：在CLow的右侧(高浓度侧)，过电压受浓度变化的影响很小，槽电阻随浓度升高而升高的主要原因是电解质电阻率随浓度的升高而升高(当浓度升高到一定程度时，沉淀的产生还会成为高浓度区电阻升高的重要原因)。为排除系列电流变化所产生的干扰，在工业生产中用正常化槽电压UN(k)作为电解槽自动控制的主要信号，即
其中，
是tk时刻的表观槽电阻，U(k)是采样槽电压，I(k)是采样槽电流，Ib是基准系列电流，B是表观反电动势。
3、正常化槽电压和下料状态的关系可以用如下机理知识表述：
M6：当氧化铝浓度正常时(在低浓度区)，正常化槽电压与下料状态有“欠升过降”的规律，即欠量下料时正常化槽电压升高，过量下料时正常化槽电压下降。
M7：当氧化铝浓度正常时，正常化槽电压变化趋势由上升变为下降，对应于电解质中氧化铝浓度由降低变为升高，即正常化槽电压的峰值对应着氧化铝浓度的最低值。
M8：氧化铝浓度异常时，正常化槽电压与下料状态间的“欠升过降”规律遭到破坏。
基于上述机理知识，通过长期工业现场调研及大量历史数据分析，本申请发明人发现：正常化槽电压由上升趋势变为下降趋势的时间稍稍滞后于下料状态的欠量下料期进入过量下料期的转换时间，且在每个综合下料周期内的滞后时间不同。在电解槽中，氧化铝的下料直接影响了电解质中的氧化铝浓度。为了进一步获取在线氧化铝浓度信息，本实施例针对下料状态定义了综合下料频率(周期)，构造出了实际综合下料频率(周期)的形式化表示。通常情况下，欠量下料期末期和过量下料前期是电解质中氧化铝浓度最低的时段，此时正常化槽电压对氧化铝浓度变化非常敏感。为了将此敏感时段作为小波分析的对象，本实施例做如下定义。
设下料状态F0，定义F0的第i个欠量下料期和紧接着的一个过量下料期为F0的第i个实际综合下料周期(Integral Feed Period，IFP)，用四元组
表示。其中，tus(i)为第i个欠量下料期开始位置，tue(i)为第i个欠量下料期结束位置，tos(i)为第i个过量下料期开始位置和toe(i)为第i个过量下料期结束位置向量。tos(i)＝tue(i)+k1和tus(i+1)＝toe(i)+k2，k1,k2∈N+。k1是转换因子1，表示第i个实际综合下料周期中欠量下料tue(i)转入过量下料tos(i)所用采样点个数；k2是转换因子2，表示第i个实际综合下料周期中过量下料结束toe(i)转入第i+1个实际综合下料周期的欠量下料开始tue(i+1)所用的采样点个数。其中，tus(i)＜tue(i)＜tos(i)＜toe(i)。通常情况下，在每个实际综合下料周期的中部(即欠量下料期末期和过量下料前期之间的一段时间内)氧化铝浓度最低。
定义实际综合下料周期长度为过量下料期结束位置与欠量下料开始位置之差，即
设采样时间间隔为Δt，第i个实际综合下料周期持续时间为
第i个实际综合下料频率
为
设F0是与正常化槽电压U0对应的槽控机记录的时间间隔为Δt的下料状态序列。F0中有nifp个综合下料周期，定义下料状态F0的实际综合下料矩阵
其中
定义下料状态F0的实际综合下料周期持续时间向量
和实际综合下料频率向量
具体如图1为氧化铝浓度正常时的正常化槽电压U1(具体对应图1中的曲线图，简称NCV)和下料状态和下料状态FU1(具体对应图1中的方波，简称FDS)。本实施例各图中(如图1)STV为设定电压，STVL为设定电压上限或下限。FU1有6个实际综合下料周期Tifp,U1(i)，i＝1,…,6，实际综合下料矩阵Mfeed,U1为
则Tifp,U1(i)的过量下料开始位置为tos,U1＝[172 409 630 814 1019 1242]T。由如图1可知，U1在ttr,U1＝[189 435 660 834 1058 1253]T附近由上升趋势转为下降趋势。在所有Tifp,U1(i)中，ttr,U1均滞后于tos,U1，且滞后时间不一致。由上述机理知识M1、M2和M3可知：
(1)可以用这个滞后时间来表征工业电解槽内电解质溶液对氧化铝颗粒的在线溶解能力；
(2)由欠/过下料转换导致的氧化铝浓度变化对此时的溶解能力影响很小，可以忽略不计；
(3)不一致的滞后时间是由电解槽内熔体运动强烈程度导致的氧化铝溶解性能的短期变化所致。
由于正常化槽电压包含了铝液波动等多种信息，如图1中的U1(曲线的波形)振荡剧烈，无法由U1直接确定氧化铝浓度变化趋势转换的精确位置。
在图2中，PAC曲线为与U1、FU1对应的表观氧化铝浓度PU1，他们之间有如下特点：(1)PU1与U1变化趋势相同；(2)PU1与FU1有明显的“欠升过降”关系；(3)在每个Tifp,U1(i)内，PU1的趋势转换时间滞后于FU1的欠/过量下料的转换时间；(4)PU1仅有一个极大值，且这个极大值在过量下料期内离tos,U1(i)不远的位置。
为了能确定氧化铝浓度变化趋势转换的精确位置，不直接使用正常化槽电压，而是用与其对应的表征氧化铝浓度趋势变化的表观氧化铝浓度来计算滞后时间。关于表观氧化铝浓度的解释说明可以参见本申请人之前关于铝电解的相关专利申请。
如图3所示，本实施例提供了一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测方法，其包括：
S301：根据每个综合下料周期的过量下料期内及欠量下料期内表观氧化铝浓度的极大值与极小值的分布状态，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别；所述综合下料周期为发生阳极效应前的下料周期；
S302，根据每个综合下料周期的所述确定的表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别、以及每个综合下料周期内表观氧化铝浓度的分布状态，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；
具体地，本申请实施例定义表观溶解滞后系数位置
为与正常化槽电压UN相关的用来计算表观溶解滞后系数时所用序列位置，它是表观氧化铝浓度P和下料状态F的函数。当氧化铝浓度正常时，表观溶解滞后系数位置是表观氧化铝浓度P由上升趋势转换为下降趋势时的序列位置(即P在某个综合下料周期内的全局极大值出现位置)，表征了氧化铝浓度变化趋势由逐渐降低转换到逐渐升高时的序列位置，意味着此时的氧化铝浓度达到了本综合下料周期的最低值，如图1和图2中的ttr,U1(i)。
S303，根据每个综合下料周期内的表观溶解滞后系数的序列位置与过量下料开始时的序列位置之间的差值，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数；
具体地，本实施例定义表观溶解滞后系数
(pseudo dissolutionhysteresis coefficient，PDHC)为每个综合下料周期内表观溶解滞后系数位置与过量下料开始时的序列位置之间的差值，即
具体地，本申请实施例定义表观溶解滞后时间
(pseudo dissolutionhysteresis time，PDHT)
如图2中tpdhc,U1＝ttr,U1＝[189 435 660 834 1058 1253]T，
Dpdhc,U1＝tpdhc,U1-tos,U1＝tpdhc,U1-Mfeed,U1·e3＝[17 26 30 20 39 11]T，
当
时，
U1的每个Tifp,U1(i)的表观溶解滞后时间(PDHT)与现场实验得到的结果相当，基本符合化学实验的结果。电解质温度、电解质成分变化缓慢，它们对溶解性能的短期影响可忽略。因此，每个Tifp,U1(i)的PDHC值虽各不相同，但波动较小。由M1可知，熔体运动强烈程度是溶解滞后时间的主要影响因素。PDHC和PDHT较小，表示该综合下料周期内电解槽内熔体运动较强烈，电解质中氧化铝颗粒扩散良好，溶解能力强；PDHC和PDHT较大，表示该综合下料周期内电解槽内熔体运动较缓，电解质中氧化铝颗粒扩散不好，溶解能力较弱。
综上所述，通过PDHC量化了氧化铝溶解性能，可在线表征工业铝电解槽中氧化铝的相对溶解能力。PDHC是由在线采集的正常化槽电压和在线记录的下料状态获得，所以，PDHC也可在线获取。正常化槽电压包含了电解槽的电流强度、电解质组分、温度等工艺条件的影响，PDHC同样也包含相应工艺条件的影响。同一电解槽的工艺条件相对稳定，PDHC也相对稳定；不同电解槽的工艺条件不同，PDHC会有不同。所以，PDHC具有普遍性。
S304，当各综合下料周期的表观溶解滞后系数为正值，且超过预设的正常范围之外达到预设阈值时，确定所述氧化铝浓度偏低。
具体检测方法可以参见如下描述：
在氧化铝浓度正常时的表观氧化铝浓度与下料状态之间有着明显的“欠升过降”关系，即在每个综合下料周期内表观氧化铝浓度只有一个极大值，且这个极大值出现在过量下料期内离tos,U1(i)不远的位置，见图2所示。
在实际生产中，电解槽内的氧化铝浓度会出现异常，正常化槽电压与下料状态之间的“欠升过降”关系也随之失去。经过长期现场调研及机理工艺分析，发现表观氧化铝浓度与下料状态之间存在多种异常关系，本节将与氧化铝浓度异常相关的异常关系分成9类，分别分析其隐含的机理与工艺语义，并将这9类异常关系的工艺语义嵌入到表观溶解滞后系数的设计中，使其适合于氧化铝浓度异常的在线检测。
1、以下分五种情况讨论氧化铝浓度低于正常范围的异常情况
阳极效应的发生机理通常与氧化铝浓度、电解质同炭阳极之间的湿润性、阳极气体膜、阳极过电压和临界电流密度相关。通常认为，氧化铝浓度的减小是引起阳极效应的主要原因。因此，以下针对阳极效应前的正常化槽电压与下料状态之间的异常关系，以综合下料周期为单位，讨论氧化铝浓度低时的表观溶解滞后系数的获取。
(1)对于综合下料周期编号IFP2的情况(对应的关系类别为a类别)进行分析，IFP2特点：在过量下料期内，正常化槽电压显著升高，表观氧化铝浓度只有一个极大值。
正常化槽电压U4在tAE,U4＝1464时发生阳极效应，PU4(如图4中的曲线所示)和FU4(如图4中的方波所示)图4所示。在FU4的第三个综合下料周期TU4(3)＝(1010 1114 11151396)(编号为IFP2)内，PU4和FU4之间有阳极效应前的典型异常现象，在过量下料期内，PU4突然显著增大。tcrest,U4(3,1)＝1380时，PU4有极大值4534mV，该极大值出现位置严重滞后于过量下料开始位置的tos,U4(3)＝1115；在t＝1330时，当PU4的变化率为0.3095mV/s，斜率法检测到异常，并下达阳极移动的命令。U4的综合下料周期矩阵为：
由表观溶解滞后系数的定义可得，
表观溶解滞后系数位置tPDHC,U4＝[517 938 1380]T，
则表观溶解滞后系数DPDHC,U4＝[94 92 265]T
当
时，表观溶解滞后时间DPDHT,U4＝[940 920 2650]T(s)。
本实施例将阳极效应前，出现槽电阻(或槽电压)均值和槽电阻(或槽电压)斜率突然显著增加等现象时对应的氧化铝浓度异常，记为氧化铝浓度异常低I，简称异常I。
在U4的前两个综合下料周期TU4(1)和TU4(2)内，PU4和FU4之间符合“欠升过降”的关系，但趋势转换位置严重滞后于欠量下料转换到过量下料的时间点。因此，U4的DPDHC,U4明显大于浓度正常时U1的DPDHC,U1，即DPDHC,U4可在发生阳极效应的前3个综合下料周期就检测出异常I。通常认为在阳极效应发生前15分钟检测到异常为有效。由图4可知，若用PDHC可提前(1464-645)/6＝136.5分钟检测到异常I，而若用斜率法可提前(1464-1330)/6＝22.3分钟检测到异常I。
因此，通过使用表观溶解滞后系数，不仅可以用绝对值异常大的正整数(简称正大)来检测文献中所述的异常I，还可提前多个综合下料周期检测到此类异常。
(2)对于综合下料周期编号IFP3的情况(对应的关系类别为b类别)进行分析，IFP3特点：在过量下料期内，正常化槽电压缓慢升高，表观氧化铝浓度只有一个局部极大值。
如图5所示，U5在tAE,U5＝984时发生阳极效应。在第二个综合下料周期TU5(2)＝(535 607 608 890)(编号为IFP3)内PU5有如下现象：在TU5(2)前期，U5符合“欠升过降”规律；在过量下料期内，PU5只有一个局部极大值；在t＝726后，PU5缓慢升高，在t＝890时取全局极大值4253mV；PU5的最大变化率出现在t＝863处，仅为0.0232mV/s。过量下料期内t＝726后，PU5缓慢升高的主要原因是：在TU5(2)的过量下料期前期，浓度非常低，电解质同炭阳极之间的湿润性变差，析出的气体容易进入阳极和电解质的界面上，随着阳极气泡的逐渐产生、附着、聚集，形成连续的气体膜。气膜电阻导致的过电压πfilm不断增加，最终主导了在ttrough,U5(2,1)＝726后，PU5的上升[11,55]。
PU4和PU5在阳极效应的前n个综合下料周期中，均满足“欠升过降”关系，但趋势转换时间严重滞后于欠量下料转换为过量下料的时间。TU5(2)与TU4(3)不同的是：在阳极效应前，PU5并没有突然显著升高，而是在ttrough,U3(2)＝726以后缓慢升高。将阳极效应前，接近效应临界浓度，但是槽电压均值和槽电压斜率没有显著增加，表观氧化铝浓度变化缓慢等现象时对应的氧化铝浓度异常低记为氧化铝浓度异常低II，简称异常II。若用斜率法并不能检测出此类异常。若直接用局部极大值tcrest,U5(2,1)＝646计算TU5(2)的表观溶解滞后系数得D'PDHC,U5(2)＝646-608＝38，并不能将异常II与浓度正常时的情况区分出来。为了使表观溶解滞后系数能检测出异常II，设置该综合下料周期的过量期内的表观氧化铝浓度的全局极大值出现位置为表观溶解滞后系数位置。如图5中，将TU5(2)的过量期内PU5最的全局极大值位置890设为表观溶解滞后系数位置。此时，表观溶解滞后系数为DPDHC,U5(2)＝282，即DPDHC,U5＝[103 282]T。
这样，DPDHC,U5可在阳极效应发生前的2个综合下料周期检测到斜率法不能检测到的如图5所示的异常II。
(3)对于综合下料周期编号IFP4的情况(对应的关系类别为c类别)进行分析，IFP4特点：在过量下料期内，正常化槽电压先降后升，表观氧化铝浓度只有一个在过量期内的极小值。
如图6所示，U6在tAE,U6＝882时发生阳极效应，综合下料周期TU6(4)与TU5(2)类似为氧化铝浓度异常低II，TU6(3)与TU6(1)情况类似。不失一般性，以TU6(1)＝(18 40 41 195)(编号为IFP4)为例讨论。在TU6(1)内，PU6“先降后升”，当ttrough,U6(1,1)＝98时，有一个极小值。
在t∈[40,98]内PU6随浓度的升高而降低，依据“U”型曲线可推断：此时氧化铝浓度在低浓度区。当t∈[197,287]时，PU6的“欠升过降”说明氧化铝浓度仍然在低浓度区。由此推断：(1)经过[toe,U6(1)-tos,U6(1)]/fs＝(195-41)/0.1＝1540秒的过量下料后，TU6(1)仍在低氧化铝浓度区；(2)ttrough,U6(1,1)＝98后，PU6升高的主导因素并不是浓度进入高浓度区(CLow的右侧)，而是气膜电阻导致的过电压πfilm的不断增加。为了与前述一致，仍用绝对值较大的正整数表示TU6(1)、TU6(3)内的低浓度，用过量下料结束位置表示表观溶解滞后系数位置，即
tPDHC,U6(1)＝toe,U6(1)＝195，tPDHC,U6(3)＝toe,U6(3)＝465
则表观溶解滞后系数为
DPDHC,U6(1)＝tPDHC,U6(1)-tos,U6(1)＝195-41＝154；
DPDHC,U6(3)＝tPDHC,U6(3)-tos,U6(3)＝465-400＝65。
(4)对于综合下料周期编号IFP5的情况(对应的关系类别为d类别)进行分析，IFP5特点：在过量下料期内，正常化槽电压多次升降，表观氧化铝浓度在欠量下料期内单调递增，在过量下料期内有多个局部极大值。
U6在TU6(2)＝(197 219 220 375)(编号为IFP5)内有如下现象：在欠量下料期内，PU6单调递增，无局部极值点；当t∈[197,287]时，有“欠升过降”的关系；在ttrough,U6(2,1)＝287之后，PU6再次升降，即过量下料期内有两个局部极大值，分别为tcrest,U6(2,1)＝233和tcrest,U6(2,2)＝350。
TU6(2)前期的“欠升过降”的关系意味着此时的浓度在低浓度区。在紧接着的TU6(3)内，浓度仍然在低浓度区。由此推断：(1)持续时间[toe,U6(2)-tos,U6(2)]/fs＝(375-220)/0.1＝1550秒的过量下料并没有使TU6(2)内的氧化铝浓度进入高浓度区；(2)ttrough,U6(2)＝287后，PU6的升降的主导因素是由阳极气体的生成、长大和脱离引起的。在tcrest,U6(2,2)＝350之后，气膜电阻过电压πfilm随着气体膜的脱离而减少主导了PU6的减少，直到TU6(3)的欠量下料期，PU6仍然受到此影响。为了用绝对值较大的正整数表示TU6(2)内浓度低的情况，用过量下料期内最后一个局部极大值位置表示表观溶解滞后系数位置，即
tPDHC,U6(2)＝tcrest,U6(2,2)＝350，
则表观溶解滞后系数为DPDHC,U6(2)＝130。
综上所述，U6的4个综合下料周期中的异常分别归类于编号为IFP4、IFP5、IFP4和IFP3异常情况。这样，DPDHC,U6＝[154 130 65 150]T可在阳极效应前的第4个综合下料周期检测到阳极效应前的浓度异常。
(5)对于综合下料周期编号IFP6的情况(对应的关系类别为e类别)进行分析，IFP6特点：在整个综合下料周期内，正常化槽电压缓慢升高，表观氧化铝浓度单调递增。
图7所示，U6在tAE,U7＝442时发生阳极效应。在阳极效应前，PU7一直缓慢上升，在t＝425处有最大值为4385mV，在t＝287处有最大变化率为0.1010mV/s。PU7上升的主导因素是阳极表面湿润性差，阳极气体聚集，气膜电阻过电压不断增大导致。斜率法同样不能检测出此类异常。由于该类异常通常发生在阳极效应前，为了能继续用值为“正大”的表观溶解滞后系数表征阳极效应前的异常，将该综合下料周期的过量下料期结束位置设为表观溶解滞后系数位置，即tPDHC,U7(1)＝toe,U7(1)＝425，则表观溶解滞后系数DPDHC,U7(1)＝151。
编号为IFP2～IFP6的综合下料周期中表观氧化铝浓度和下料状态关系，代表了由氧化铝浓度低使得阳极表面湿润性差，阳极气体聚集，气膜电阻过电压不断增大而导致表观氧化铝浓度与下料状态的间“欠升过降”规律发生变化的机理与工艺知识。综上，机理与工艺语义驱动的表观溶解滞后系数位置的设定，使得表观溶解滞后系数的正大值正好反映了因氧化铝浓度低于正常范围而导致“欠升过降”规律被破坏的槽况。
2、以下分四种情况分析氧化铝浓度高于正常范围的异常情况。
(1)对于综合下料周期编号IFP7的情况(对应的关系类别为A类别)分析，IFP7特点：正常化槽电压“欠降过升”，表观氧化铝浓度只有一个在欠量期内的极大值。
如图8所示，在TU8(1)＝(225 985 986 1118)内，U8为“欠降过升”，与浓度正常时的“欠升过降”关系正好相反；在欠量下料期t＝237处，PU8只有一个极大值；在欠量下料期t＝864处，PU8由下降趋势变为上升趋势。
表观氧化铝浓度在TU8(1)和TU6(1)内均是“先降后升”，不同的是：在TU6(1)内，PU6的极小值出现在过量下料期内，而在TU8(1)内，PU8的极小值出现在欠量下料期内。这个不同之处意味着在TU8(1)内，表观氧化铝浓度与下料状态具有与TU6(1)完全不同的语义。
在TU8(1)开始时，PU8和FU8为“欠降”关系。由“U”型曲线可推断出，此时的浓度偏高。通过持续时间为[ttrough,U8(1)-tus,U8(1)]/fs＝(864-225)/0.1＝6390秒的欠量下料后，浓度在t＝864时回到低浓度区。所以，在t＝864后的欠量下料期内PU8和FU8的为关系“欠升”。在tue,U8(1)＝985时，达到欠量下料持续时间上限。随后，进入持续时间为[toe,U8(1)-tos,U8(1)]/fs＝(1118-1000)/0.1＝1180秒的过量下料，浓度逐渐又进入高浓度区，PU8和FU8表现为“过升”的关系。因此，当表观氧化铝浓度和下料状态出现如图8中TU8(1)所示“欠降过升”的关系时，意味浓度在综合下料周期后期进入高浓度区。
将图8中TU8(1)的表观溶解滞后系数位置设为tPDHC,U8(1)＝tcrest,U8(1,1)＝237，则表观溶解滞后系数DPDHC,U8(1)＝237-986＝-749。这样，用绝对值较大的负整数(简称“负大”)表示浓度在高浓度区的异常情况，简称为异常高。
(2)对于综合下料周期编号IFP8的情况(对应的关系类别为B类别)进行分析，IFP8特点：正常化槽电压“欠降过升”，表观氧化铝浓度没有局部极大值，只有一个在欠量期内的极小值。
图9所示，在TU9(1)＝(233 992 993 1125)内，U9为“欠降过升”，与氧化铝浓度正常时的“欠升过降”关系正好相反；在整个综合下料周期内，无局部极大值；在欠量下料期t＝909处，PU9由下降趋势变为上升趋势。TU9(1)与图8所示TU8(1)类似，表观氧化铝浓度基本上是“欠降过升”，表示浓度在高浓度区，属于异常高类型。与TU8(1)类似，为了用“负大”的整数表征此时的高浓度，将TU9(1)的欠量下料开始位置表示表观溶解滞后系数位置，即tPDHC,U9(1)＝tus,U9(1)＝233，则表观溶解滞后系数为
DPDHC,U9(1)＝tPDHC,U9(1)-tos,U9(1)＝tus,U9(1)-tos,U9(1)＝233-993＝-760。
(3)对于综合下料周期编号IFP9的情况(对应的关系类别为C类别)进行分析，IFP9特点：正常化槽电压在欠量下料期内较平缓，表观氧化铝浓度在欠量和过量下料期内均有多个局部极大值。
TU10(2)＝(1126 1777 1778 1904)如图9所示：
①当t∈[1126,1557]时，U10整体趋势平缓，但有微弱起伏，PU10有多个局部极大值；在
后，PU10逐渐上升，直至过量下料期内的第一个局部极大值；
②当t∈[1557,1904]时，PU10满足“欠升过降”，趋势转变点在
处。
由上述分析可知，在FU10(1)内浓度偏高。在FU10(2)内，当t∈[1126,1557]时，PU10整体趋势平缓，由“U”型曲线可知此时浓度在中浓度区；当t∈[1557,1904]时，PU10的“欠升过降”说明经过4310秒的欠量下料后(在t＝1331时刻还加大了欠量下料间隔)，浓度在t＝1557处已回到低浓度区。在FU10(3)也有类似情况，只是在过量下料期的
和
处，PU10有两个局部极大值，但整体是下降趋势。
综上可知，在TU10(2)和TU10(3)的前期，浓度靠近中浓度区；经过较长时间的欠量下料，在欠量下料结束后期(t＝1557和t＝2591)，浓度恢复到正常范围(低浓度区)。
为了能用表观溶解滞后系数表示在TU10(2)和TU10(3)内，浓度已恢复到正常范围的工艺语义，将TU10(2)和TU10(3)的过量下料期内第一个局部极大值位置设置为表观溶解滞后系数峰值位置，即
则表观溶解滞后系数为
DPDHC,U10(2)＝tPDHC,U10(2)-tos,U10(2)＝1811-1778＝33，
DPDHC,U10(3)＝tPDHC,U10(3)-tos,U10(3)＝2712-2668＝44，
DPDHC,U10＝[-760 33 44]T。
其中，DPDHC,U10(1)＝-760表示第一个综合下料周期内浓度偏高；在随后的两个综合下料周期内DPDHC,U10(2)＝33和DPDHC,U10(3)＝44表示浓度逐渐降低到正常范围。因此，通过以上设计，可以用表观溶解滞后系数的一个负大和随后的正常值表示氧化铝浓度由较高水平逐渐恢复到正常水平的语义。
(4)对于综合下料周期编号IFP10的情况(对应的关系类别为D类别)进行分析，IFP10特点：正常化槽电压在欠量下料期内较平缓，表观氧化铝浓度在欠量下料期内有多个局部极大值，过量下料期内单调递增。
图11所示，TU11(1)＝(511 1269 1270 1554)内有如下现象：
①在TU11(1)的欠量下料期内，U11整体趋势较平缓，PU11有4个局部极大值：
和
②欠量下料后期和整个过量下料期，PU11是“欠降过升”。
③在过量下料期内，PU11单调递增。
TU11(1)与TU10(2)的不同之处在于：当t∈[1142,1554]时，PU11是“欠降过升”。由“U”型曲线可知，在欠量下料期内浓度在中浓度区，直到欠量下料结束浓度仍然没有回到低浓度区；在过量下料期内，由于下料量高于电解消耗量，浓度继续升高。在过量下料期内，PU11的单调递增表明此时的氧化铝浓度在高浓度区。
为了用表观溶解滞后系数的负大值表征TU11(1)内的高浓度，将欠量下料期内的第一个局部极大值位置设为表观溶解滞后系数峰值位置，即
则表观溶解滞后系数为
DPDHC,U11(1)＝tPDHC,U11(1)-tos,U11(1)＝668-1270＝-632。
具体程序CalculatePDHC(P,F,fs)对采样频率为fs的表观氧化铝浓度曲线P和下料曲线F计算表观溶解滞后系数DPDHC和表观溶解滞后时间。
通过以上分析可知，当电解质中氧化铝浓度正常时，槽电压与下料状态有着“欠升过降”的关系，PDHC值在正常范围内变化；当浓度异常时，“欠升过降”的关系遭到破坏，PDHC值也随之发生变化。因此，可以根据PDHC值的变化范围来在线检测氧化铝浓度范围。
图12是分成四组的共800个PDHC的正态分布概率图。
(1)第一组PDHC用图12中从左至右的第3个分布表示，它是氧化铝浓度正常情况下，较低电解质温度时的200个PDHC(用LT表示)的正态分布概率图；
(2)第二组PDHC用图12中从左至右的第2个分布表示，它是氧化铝浓度正常情况下，较高电解质温度时的200个PDHC(用HT表示)的正态分布概率图；
(3)第三组PDHC用图12中从左至右的第1个分布表示，它是“欠升过降”规律遭到破坏时的200负的PDHC值除以10取整后所得值(用ALC表示)的正态分布概率图；
(4)第四组PDHC用图12中从左至右的第4个分布表示，它是阳极效应前的200个异常高的PDHC(用AHC表示)的正态分布概率图。其中，第四组PDHC是以多个厂的共20个铝电解槽中已经发生的200个阳极效应前8个小时(共2880个采样点)的正常化槽电压(效应发生在第2883个采样点)为样本计算而得。
由T检验可知，以上四组PDHC均服从正态分布。表1是图12中四组PDHC的数字特征。氧化铝浓度正常时，较低电解质温度和较高电解质温度的PDHC的偏度系数(Skewness)均大于0，分布均向右微偏；峰度系数(Kurtosis)均小于0，且绝对值小。因此，可以认为氧化铝浓度正常时，PDHC服从细尾正态分布。氧化铝浓度异常时，峰度系数均大于0，且绝对值相对较大，PDHC服从粗尾正态分布；其中，异常低值(ALC)向左微偏，异常高值(AHL)向右微偏。另外，这四组PDHC的均值、标准差、极差和变异系数等其他四个数字特征的区分度也较大，这也表明PDHC不仅可用于电解质温度监测，还是氧化铝浓度偏低的中区分度较大的特征值。表1中的均值、标准差、极差、变异系数、偏度和峰度均为现有计算方式，在此不再赘述。
表1不同槽况下PDHC的数字特征
| 分类 | 均值 | 标准差 | 极差 | 变异系数 | 偏度 | 峰度 | 氧化铝浓度 |
| 低温LT | 35.71 | 15.8157 | 78 | 44.2893 | 0.28585 | -0.0962 | 正常 |
| 高温HT | 21.025 | 9.9841 | 55 | 47.4869 | 0.29337 | -0.0229 | 正常 |
| 异常低值ALC | -15.95 | 18.3121 | 89 | -114.8096 | -0.85948 | 0.4324 | 异常 |
| 异常高值AHC | 138.095 | 44.3425 | 219 | 32.1101 | 0.98229 | 0.5122 | 异常 |
关于氧化铝浓度异常低检测：工业生产中，氧化铝浓度异常的在线检测有非常重要的意义，越早检测到浓度异常，就可越早采取措施防止阳极效应的发生，越早稳定槽况，提高生产效率。阳极效应的发生意味着这些效应没有被检测出或及时检测出，以至于不能采取有效措施防止它的发生。通常认为在阳极效应发生前15分钟发现氧化铝浓度异常低可有效阻止阳极效应的发生。
上述第四组的200个正常化槽电压样本进一步分析发现：85个样本属于异常I，102个样本属于异常II，还有13个阳极效应与氧化铝浓度无关。对于187个与氧化铝浓度相关的样本，用阳极效应发生时的序列位置减去表观溶解滞后系数首次出现异常时所在综合下料周期结束时的序列位置可得最早检测出浓度异常的提前时间，即当DPDHC,U(i)≥θPDHC时，t＝(tAE,U-toe,U(i))/fs。其中，θPDHC随电解质温度、电解质组成等电解槽工艺条件不同而有细微变化。
(1)异常I分析
由图4可知，使用PDHC方法较斜率方法可提前136.5分钟检测到异常I。对于图13所示是最坏情况，PDHC方法与斜率方法同时在t＝415时检测到异常I。图14是使用PDHC首次检测到异常I提前于阳极效应发生的时间直方图。在85个样本中，仅有8个样本是在阳极效应发生前15分钟内检测到，有90.6％的样本能提前15分钟检测到氧化铝浓度低，而所有样本的首次检测到异常的平均提前时间为126分钟。
(2)异常II分析
表2是使用PDHC法分别提前1～6个综合下料周期检测到异常II的正常化槽电压实例列表。
表2阳极效应前的异常PDHC值及出现位置
| 正常化槽电压编号 | U12 | U13 | U6 | U14 | U5 | U15 |
| 电解质温度(摄氏度) | 970 | 964 | 964 | 977 | 973 | 967 |
| 提前周期数 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 |
| 效应位置t<sub>AE,U</sub> | 2386 | 1464 | 882 | 1340 | 984 | 1274 |
| 首次检测到异常时的序列位置t<sub>oe,U</sub>(i) | 519 | 396 | 195 | 649 | 534 | 1154 |
| 首次检测到异常提前时间(分钟) | 319.7 | 177.8 | 114.5 | 115.7 | 75 | 20 |
图15是表中U12，U13，U14和U15对应的表观氧化铝浓度、下料状态和表观溶解滞后系数位置。使用CalculatePDHC()算法得到它们的表观溶解滞后系数分别为
DPDHC,U12＝[20 134 158 70 191 251 226]T，DPDHC,U13＝[241 218 118 173 182]T，
DPDHC,U14＝[170 106 143]T，
DPDHC,U15＝[33 62 26 160]T。
其中，对于图15中，(a)PU12、FU12和tPDHC,U12；(b)PU13、FU13和tPDHC,U13(c)PU14、FU14和tPDHC,U14；(d)PU15、FU15和tPDHC,U15。
图16是使用PDHC首次检测到异常II提前于阳极效应发生的时间直方图。对于斜率法无法检测出的102个异常II样本，有94.1％的样本能提前15分钟检测出异常，平均提前时间144分钟。
由此可见，对所有200个样本，有86.5％的样本可使用PDHC法提前15分钟检测到；有6.5％的样本是与氧化铝浓度无关的异常，PDHC法和斜率法都无法检测到。PDHC法相比斜率法可提前检测到氧化铝浓度异常I；PDHC法还可以检测到斜率法无法检测到的异常II；还可以检测到氧化铝浓度异常高等异常。
本实施例通过PDHC量化了氧化铝溶解性能，可在线表征工业铝电解槽中氧化铝的相对溶解能力。观察PDHC的短时间变化可以了解电解槽中的氧化铝的溶解能力和氧化铝浓度状态；追踪PDHC的长时间变化，可获知工业电解槽中电解质的在线温度变化。PDHC可为工业铝电解槽氧化铝浓度在线检测和电解质温度在线监测等提供依据。PDHC是隐含在正常化槽电压信号与下料状态中的机理与工艺知识的显性化表示。PDHC值具有特定的含义，使用PDHC进行氧化铝浓度在线检测，具有通用性高、计算代价小、可解释性好等优点，建立起氧化铝溶解机理研究、工艺知识与工业在线应用的桥梁，是知识自动化在工业铝电解生产中的应用案例。
本实施例通过PDHC和PDHT量化氧化铝浓度，可弥补目前无法量化表征工业铝电解槽中氧化铝的在线溶解能力的空白。通过计算得到氧化铝浓度正常和异常时的表观溶解滞后系数可以得知：当浓度正常时，表观溶解滞后系数值在正常范围内变化；当浓度低时，表观溶解滞后系数为大的正值；当浓度高时，表观溶解滞后系数为绝对值较大的负值。这样，实现了用表观氧化铝溶解滞后系数值的大小自动检测工业电解槽的在线氧化铝浓度状态。
如图17所示，本发明实施例还提供一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测装置，图1-图16所示实施例的解释说明均可以应用于本实施例，该装置包括：关系类别确定单元1701，用于根据每个综合下料周期的过量下料期内及欠量下料期内表观氧化铝浓度的极大值与极小值的分布状态，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别；所述综合下料周期为发生阳极效应前的下料周期；系数位置确定单元1702，用于根据每个综合下料周期的所述确定的表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别、以及每个综合下料周期内表观氧化铝浓度的分布状态，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；滞后系数确定单元1703，用于根据每个综合下料周期内的表观溶解滞后系数的序列位置与过量下料开始时的序列位置之间的差值，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数；浓度异常检测单元1704，用于当各综合下料周期的表观溶解滞后系数为正值，且超过预设的正常范围之外达到预设阈值时，确定所述氧化铝浓度偏低。
进一步地，所述关系类别确定单元包括：
第一关系类别确定模块(图中未示出)，用于当表观氧化铝浓度在综合下料周期的过量下料期内只有一个极大值时且升高速率大于预设速率阈值，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为a类别；
第二关系类别确定模块(图中未示出)，用于当表观氧化铝浓度在综合下料周期的过量下料期内有一个局部极大值与一个全局极大值时，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为b类别；
所述系数位置确定单元包括：
第一系数位置确定模块(图中未示出)，用于在所述关系类别为a类别时，将综合下料周期内过量下料期的局部极大值的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；
第二系数位置确定模块(图中未示出)，用于在所述关系类别为b类别时，将综合下料周期内过量下料期的全局极大值的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置。
进一步地，所述关系类别确定单元包括：
第三关系类别确定模块(图中未示出)，用于当表观氧化铝浓度在综合下料周期的过量下料期内只有一个极小值时，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为c类别；
第四关系类别确定模块(图中未示出)，用于当表观氧化铝浓度在综合下料周期的欠量下料期内单调递增，且在过量下料期内有多个局部极大值时，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为d类别；
所述系数位置确定单元包括：
第三系数位置确定模块(图中未示出)，用于在所述关系类别为c类别时，将综合下料周期内过量下料结束的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；
第四系数位置确定模块(图中未示出)，用于在所述关系类别为d类别时，将综合下料周期内过量下料期间内最后一个局部极大值的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置。
进一步地，所述关系类别确定单元包括：
第五关系类别确定模块(图中未示出)，用于当表观氧化铝浓度在综合下料周期内单调递增时，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为e类别；
所述系数位置确定单元包括：
第五系数位置确定模块(图中未示出)，用于在所述关系类别为e类别时，将综合下料周期内过量下料期结束位置的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置。
本实施例融合机理和工艺知识，对正常化槽电压和下料状态之间的关系进行探索性分析，发现氧化铝溶解性能、氧化铝浓度、电解质温度与槽电压之间隐含的本质关系，并将其显性化得到表观溶解滞后系数。表观溶解滞后系数体现了槽电压与氧化铝溶解性能、氧化铝浓度、电解质温度等三者间深层次的关系。PDHC量化了工业电解槽中氧化铝溶解性能，填补了无法表征在线氧化铝溶解能力的空白。使用PDHC不仅可解决铝电解行业尚不能实现的在线监测电解质温度的问题，还可在线检测氧化铝浓度异常。与斜率法相比，使用PDHC不仅可以将氧化铝浓度偏低的提前多个综合下料周期，还可以检测到斜率法不能检测到的异常II。使用PDHC进行电解质温度监测和氧化铝浓度偏低的，具有成本低、精确度高、计算代价小、可解释性和可复现性好等优点，能克服前述方法所具有的不足，是知识自动化在工业铝电解生产中的应用案例。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或者部分步骤/单元/模块可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述实施例各单元中对应的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光碟等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测方法，其特征在于，包括：
根据每个综合下料周期的过量下料期内及欠量下料期内表观氧化铝浓度的极大值与极小值的分布状态，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别；所述综合下料周期为发生阳极效应前的下料周期；
根据每个综合下料周期的所述确定的表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别、以及每个综合下料周期内表观氧化铝浓度的分布状态，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；
根据每个综合下料周期内的表观溶解滞后系数的序列位置与过量下料开始时的序列位置之间的差值，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数；
当各综合下料周期的表观溶解滞后系数为正值，且超过预设的正常范围之外达到预设阈值时，确定所述氧化铝浓度偏低；所述根据每个综合下料周期的过量下料期内及欠量下料期内表观氧化铝浓度的极大值与极小值的分布状态，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别的步骤包括：
当表观氧化铝浓度在综合下料周期的过量下料期内只有一个极大值时且升高速率大于预设速率阈值，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为a类别；
所述根据每个综合下料周期的所述确定的表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别、以及每个综合下料周期内表观氧化铝浓度的分布状态，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置的步骤包括：
在所述关系类别为a类别时，将综合下料周期内过量下料期的局部极大值的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；所述根据每个综合下料周期的过量下料期内及欠量下料期内表观氧化铝浓度的极大值与极小值的分布状态，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别的步骤包括：
当表观氧化铝浓度在综合下料周期的过量下料期内有一个局部极大值与一个全局极大值时，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为b类别；
所述根据每个综合下料周期的所述确定的表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别、以及每个综合下料周期内表观氧化铝浓度的分布状态，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置的步骤包括：
在所述关系类别为b类别时，将综合下料周期内过量下料期的全局极大值的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；所述根据每个综合下料周期的过量下料期内及欠量下料期内表观氧化铝浓度的极大值与极小值的分布状态，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别的步骤包括：
当表观氧化铝浓度在综合下料周期的过量下料期内只有一个极小值时，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为c类别；
所述根据每个综合下料周期的所述确定的表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别、以及每个综合下料周期内表观氧化铝浓度的分布状态，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置的步骤包括：
在所述关系类别为c类别时，将综合下料周期内过量下料结束的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；所述根据每个综合下料周期的过量下料期内及欠量下料期内表观氧化铝浓度的极大值与极小值的分布状态，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别的步骤包括：
当表观氧化铝浓度在综合下料周期的欠量下料期内单调递增，且在过量下料期内有多个局部极大值时，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为d类别；
所述根据每个综合下料周期的所述确定的表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别、以及每个综合下料周期内表观氧化铝浓度的分布状态，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置的步骤包括：
在所述关系类别为d类别时，将综合下料周期内过量下料期间内最后一个局部极大值的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；所述根据每个综合下料周期的过量下料期内及欠量下料期内表观氧化铝浓度的极大值与极小值的分布状态，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别的步骤包括：
当表观氧化铝浓度在综合下料周期内单调递增时，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为e类别；
所述根据每个综合下料周期的所述确定的表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别、以及每个综合下料周期内表观氧化铝浓度的分布状态，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置的步骤包括：
在所述关系类别为e类别时，将综合下料周期内过量下料期结束位置的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置。
2.如权利要求1所述的机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测方法，其特征在于，所述过量下料开始时的序列位置为过量下料期开始位置，根据如下定义得到：
设下料状态F0，定义F0的第i个欠量下料期和紧接着的一个过量下料期为F0的第i个实际综合下料周期，用四元组
表示，其中，tus(i)为第i个欠量下料期开始位置，tue(i)为第i个欠量下料期结束位置，tos(i)为第i个过量下料期开始位置和toe(i)为第i个过量下料期结束位置向量；tos(i)＝tue(i)+k1和tus(i+1)＝toe(i)+k2，k1,k2∈N+；k1是转换因子1，表示第i个实际综合下料周期中欠量下料tue(i)转入过量下料tos(i)所用采样点个数；k2是转换因子2，表示第i个实际综合下料周期中过量下料结束toe(i)转入第i+1个实际综合下料周期的欠量下料开始tue(i+1)所用的采样点个数；其中，tus(i)<tue(i)＜tos(i)＜toe(i)。
3.一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度异常低检测装置，其特征在于，包括：
关系类别确定单元，用于根据每个综合下料周期的过量下料期内及欠量下料期内表观氧化铝浓度的极大值与极小值的分布状态，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别；所述综合下料周期为发生阳极效应前的下料周期；
系数位置确定单元，用于根据每个综合下料周期的所述确定的表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别、以及每个综合下料周期内表观氧化铝浓度的分布状态，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；
滞后系数确定单元，用于根据每个综合下料周期内的表观溶解滞后系数的序列位置与过量下料开始时的序列位置之间的差值，确定相应综合下料周期的表观溶解滞后系数；
浓度异常检测单元，用于当各综合下料周期的表观溶解滞后系数为正值，且超过预设的正常范围之外达到预设阈值时，确定所述氧化铝浓度偏低；所述关系类别确定单元包括：
第一关系类别确定模块，用于当表观氧化铝浓度在综合下料周期的过量下料期内只有一个极大值时且升高速率大于预设速率阈值，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为a类别；
第二关系类别确定模块，用于当表观氧化铝浓度在综合下料周期的过量下料期内有一个局部极大值与一个全局极大值时，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为b类别；
所述系数位置确定单元包括：
第一系数位置确定模块，用于在所述关系类别为a类别时，将综合下料周期内过量下料期的局部极大值的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；
第二系数位置确定模块，用于在所述关系类别为b类别时，将综合下料周期内过量下料期的全局极大值的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；所述关系类别确定单元包括：
第三关系类别确定模块，用于当表观氧化铝浓度在综合下料周期的过量下料期内只有一个极小值时，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为c类别；
第四关系类别确定模块，用于当表观氧化铝浓度在综合下料周期的欠量下料期内单调递增，且在过量下料期内有多个局部极大值时，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为d类别；
所述系数位置确定单元还包括：
第三系数位置确定模块，用于在所述关系类别为c类别时，将综合下料周期内过量下料结束的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；
第四系数位置确定模块，用于在所述关系类别为d类别时，将综合下料周期内过量下料期间内最后一个局部极大值的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置；
所述关系类别确定单元还包括：
第五关系类别确定模块，用于当表观氧化铝浓度在综合下料周期内单调递增时，确定表观氧化铝浓度与下料状态之间对应的关系类别为e类别；
所述系数位置确定单元包括：
第五系数位置确定模块，用于在所述关系类别为e类别时，将综合下料周期内过量下料期结束位置的序列位置作为相应综合下料周期的表观溶解滞后系数的序列位置。
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