WYKORZYSTANIE KART KONTROLNYCH DO WYSZUKIWANIA BŁĘDÓW POMIAROWYCH

Podobne dokumenty
BADANIA PODATNOŚCI ŚCIEKÓW Z ZAKŁADU CUKIERNICZEGO NA OCZYSZCZANIE METODĄ OSADU CZYNNEGO

Monitorowanie i Diagnostyka w Systemach Sterowania na studiach II stopnia specjalności: Systemy Sterowania i Podejmowania Decyzji

Statystyczne sterowanie procesem

BADANIA SYMULACYJNE STRATEGII STEROWANIA OPARTEJ O POMIARY STOPNIA WYKORZYSTANIA TLENU METODĄ OFF-GAS

BADANIA TECHNOLOGICZNE OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW Z PRZEMYSŁU CUKIERNICZEGO METODĄ OSADU CZYNNEGO

Wprowadzenie do analizy korelacji i regresji

OCENA MOŻLIWOŚCI OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW Z ZAKŁADU PRZEMYSŁU CUKIERNICZEGO

Zobowiązania Rzeczypospolitej Polskiej wynikające z Traktatu Akcesyjnego

Sprawdzenie narzędzi pomiarowych i wyznaczenie niepewności rozszerzonej typu A w pomiarach pośrednich

Odchudzamy serię danych, czyli jak wykryć i usunąć wyniki obarczone błędami grubymi

Wykorzystanie testu t dla pojedynczej próby we wnioskowaniu statystycznym

Budowanie macierzy danych geograficznych Procedura normalizacji Budowanie wskaźnika syntetycznego

ANALIZA SYSTEMU POMIAROWEGO (MSA)

Zmienne zależne i niezależne

dr inż. Katarzyna Umiejewska inż. Aleksandra Bachanek inż. Ilona Niewęgłowska mgr inż. Grzegorz Koczkodaj

METODY CHEMOMETRYCZNE W IDENTYFIKACJI ŹRÓDEŁ POCHODZENIA

Magdalena Jabłońska-Czapla Eligiusz Kowalski Jerzy Mazierski

ANALIZA ZDOLNOŚCI PROCESU O ZALEŻNYCH CHARAKTERYSTYKACH

Sterowanie procesem i jego zdolność. Zbigniew Wiśniewski

Uwarunkowania prawne obejmujące zagadnienia dotyczące wprowadzania ścieków komunalnych do środowiska

Analiza składowych głównych. Wprowadzenie

Wpływ azotynów i zewnętrznych źródeł węgla na efektywność usuwania azotu w procesie nitryfikacji denitryfikacji w reaktorze SBR

ZASTOSOWANIE TECHNIK CHEMOMETRYCZNYCH W BADANIACH ŚRODOWISKA. dr inż. Aleksander Astel

Analiza głównych składowych- redukcja wymiaru, wykł. 12

JAK WYZNACZA SIĘ PARAMETRY WALIDACYJNE

Kontrola i zapewnienie jakości wyników

Streszczenie. Słowa kluczowe: towary paczkowane, statystyczna analiza procesu SPC

SCENARIUSZ LEKCJI. TEMAT LEKCJI: Zastosowanie średnich w statystyce i matematyce. Podstawowe pojęcia statystyczne. Streszczenie.

Wykład 9. Terminologia i jej znaczenie. Cenzurowanie wyników pomiarów.

Koncepcja przebudowy i rozbudowy

Analiza korespondencji

OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW PRZEMYSŁOWYCH O DUŻEJ ZAWARTOŚCI OLEJÓW NA ZŁOŻU BIOLOGICZNYM

Optymalizacja zużycia energii na Oczyszczalni Ścieków Klimzowiec. Opracował: Piotr Banaszek

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Regulacja dwupołożeniowa (dwustawna)

ANALIZA METROLOGICZNA WYNIKÓW BADAŃ NA PRZYKŁADZIE ŁOŻYSK ŚLIZGOWYCH

INDYWIDUALNE SYSTEMY OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW A OCHRONA WÓD PODZIEMNYCH

Pomiar rezystancji metodą techniczną

3. Modele tendencji czasowej w prognozowaniu

ĆWICZENIE 15 BADANIE WZMACNIACZY MOCY MAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

Jakość danych pomiarowych. Michalina Bielawska, Michał Sarafin Szkoła Letnia Gdańsk

Automatyka i pomiary wielkości fizykochemicznych. Instrukcja do ćwiczenia III. Pomiar natężenia przepływu za pomocą sondy poboru ciśnienia

Ćwiczenie 3 Temat: Oznaczenia mierników, sposób podłączania i obliczanie błędów Cel ćwiczenia

Wykład 5: Statystyki opisowe (część 2)

Wykorzystanie kart kontrolnych do analizy sprawozdań finansowych

TRANSFORMATA FALKOWA WYBRANYCH SYGNAŁÓW SYMULACYJNYCH

Katedra Technik Wytwarzania i Automatyzacji STATYSTYCZNA KONTROLA PROCESU

Budowa i eksploatacja oczyszczalni ściek. cieków w Cukrowni Cerekiew. Cerekiew S.A.

Zamiana punktowych danych wilgotności objętościowej gleby na rozkłady powierzchniowe

Wyznaczanie budżetu niepewności w pomiarach wybranych parametrów jakości energii elektrycznej

BŁĘDY W POMIARACH BEZPOŚREDNICH

WZORCOWANIE URZĄDZEŃ DO SPRAWDZANIA LICZNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ PRĄDU PRZEMIENNEGO

WYZNACZENIE OBSZARU I GRANIC AGLOMERACJI DOBRZEŃ WIELKI zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska, z dnia 1 lipca 2010r.

METODY STATYSTYCZNE W BIOLOGII

ANALIZA DYNAMIKI DOCHODU KRAJOWEGO BRUTTO

Walidacja metod analitycznych Raport z walidacji

Zarządzanie procesami

Analiza Danych Sprawozdanie regresja Marek Lewandowski Inf 59817

PDF created with FinePrint pdffactory Pro trial version

PCC ENERGETYKA BLACHOWNIA

Analiza korelacyjna i regresyjna

Problemy Inżynierii Rolniczej Nr 4/2005 ENERGOCHŁONNOŚĆ OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW W WYBRANYM ZAKŁADZIE PRZEMYSŁU MLECZARSKIEGO

METODY STATYSTYCZNE W BIOLOGII

4. Ładunek zanieczyszczeń odprowadzony z terenu Gminy Gdańsk do Zatoki Gdańskiej

Laboratorium metrologii

dr inż. Olga Siedlecka-Lamch 14 listopada 2011 roku Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej Politechnika Częstochowska Eksploracja danych

Rozwinięciem powyższej technologii jest Technologia BioSBR/CFSBR - technologia EKOWATER brak konkurencji

5. WNIOSKOWANIE PSYCHOMETRYCZNE

Mgr inż. Marta DROSIŃSKA Politechnika Gdańska, Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa

Statystyka SYLABUS A. Informacje ogólne

10. Redukcja wymiaru - metoda PCA

Ocena i wykorzystanie informacji podanych w świadectwach wzorcowania i świadectwach materiałów odniesienia

Wielowymiarowa analiza regionalnego zróżnicowania rolnictwa w Polsce

Projektowanie systemów pomiarowych

Elementy statystyki wielowymiarowej

Problem testowania/wzorcowania instrumentów geodezyjnych

Spis treści. Przedmowa... XI. Rozdział 1. Pomiar: jednostki miar Rozdział 2. Pomiar: liczby i obliczenia liczbowe... 16

Teoria błędów. Wszystkie wartości wielkości fizycznych obarczone są pewnym błędem.

WPŁYW ZMIENNOŚCI DOBOWEJ NATĘŻEŃ RUCHU NA AUTOSTRADACH I DROGACH EKSPRESOWYCH NA POZIOM HAŁASU DROGOWEGO

APLIKACJA NAPISANA W ŚRODOWISKU LABVIEW SŁUŻĄCA DO WYZNACZANIA WSPÓŁCZYNNIKA UZWOJENIA MASZYNY INDUKCYJNEJ

Populacja generalna (zbiorowość generalna) zbiór obejmujący wszystkie elementy będące przedmiotem badań Próba (podzbiór zbiorowości generalnej) część

Metody Ilościowe w Socjologii

W polskim prawodawstwie i obowiązujących normach nie istnieją jasno sprecyzowane wymagania dotyczące pomiarów źródeł oświetlenia typu LED.

Sterowanie jakością badań i analiza statystyczna w laboratorium

13. Funkcjonalność miasta w aspekcie skutecznego oczyszczania ścieków na przykładzie miasta Krakowa

Jolanta Moszczyńska Ocena skuteczności usuwania bakterii nitkowatych...

KARTA INFORMACYJNA PRZEDMIOTU

DOKUMENTACJA SYSTEMU ZARZĄDZANIA LABORATORIUM. Procedura szacowania niepewności

Przyczynowa analiza rentowności na przykładzie przedsiębiorstwa z branży. półproduktów spożywczych

STATYSTYKA I DOŚWIADCZALNICTWO

Praktyczne aspekty dawkowania alternatywnych. od badań laboratoryjnych do zastosowań w skali technicznej

SYLABUS. Nazwa jednostki prowadzącej Wydział Matematyczno Przyrodniczy Centrum Mikroelektroniki i Nanotechnologii

Ładunek odprowadzony z Gdańska został porównany z ładunkiem zanieczyszczeń wnoszonych do Zatoki Wisłą.

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

POZYSKIWANIE OSADU NADMIERNEGO W STANDARDOWYM UKŁADZIE STEROWANIA OCZYSZCZALNIĄ ŚCIEKÓW

Analiza składowych głównych

POZYSKIWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPLNEJ Z ODPADÓW POCUKROWNICZYCH

sksr System kontroli strat rozruchowych

Projektowanie (design) Eurostat

tel. (+4861) fax. (+4861)

Transkrypt:

Kamil JANIAK, Piotr BALBIERZ, Marta KNAP * analiza statystyczna danych eksploatacyjnych, karty kontrolne, optymalizacja pracy oczyszczalni ścieków, błędy urządzeń pomiarowych WYKORZYSTANIE KART KONTROLNYCH DO WYSZUKIWANIA BŁĘDÓW POMIAROWYCH Współczesne oczyszczalnie ścieków wyposażone są w dużą liczbę aparatury pomiarowej, rejestrującej olbrzymią ilość danych. W takiej sytuacji ręczna kontrola poprawności wskazań każdego z urządzeń jest niemożliwa. Z drugiej jednak strony brak wykrycia błędów pomiarowych skutkować może stratami finansowymi i błędami eksploatacyjnymi. Karty kontrolne są jednym z podstawowych narzędzi tzw. Statystycznej Kontroli Procesu. Służą one do monitorowania procesu i wykrywania zakłóceń przy wykorzystaniu narzędzi statystycznych. W artykule przedstawiono wykorzystanie kart kontrolnych do wyszukiwania błędów urządzeń pomiarowych i analiz laboratoryjnych na podstawie przykładowego zbioru danych. 1. WSTĘP Stopień skomplikowania współczesnych układów oczyszczania ścieków jest bardzo wysoki. Zapewnienie stałej produkcji ścieków oczyszczonych o odpowiednich parametrach wymaga ciągłej sprawności wielu urządzeń kontrolno-pomiarowych. W przypadku większej oczyszczalni ścieków, liczba zainstalowanych czujników pomiarowych jest tak duża, że bezpośrednia kontrola ich wskazań (np. za pomocą wzorców) jest praktycznie niemożliwa. Dodatkowo niektóre mierniki (np. przepływomierze powietrza) służą do pomiaru parametrów, dla których wzorce nie istnieją. Kontrola wskazań takich urządzeń wymaga ich demontażu. W takiej sytuacji pomocne może być wykorzystanie gotowych narzędzi statystycznych dostępnych w ramach tzw. Statystycznej Kontroli Procesu (SKP). Głównym celem SKP jest bieżące zarządzanie jakością monitorowanego procesu za pomocą odpowiednich narzędzi staty- * Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, pl. Grunwaldzki 9, 50-377 Wrocław.

216 K. JANIAK i in. stycznych. Dostępne w ramach tej dziedziny narzędzia umożliwiają również analizę archiwalnych danych pomiarowych pod kątem wyszukiwania nieprawidłowości, takich jak niestandardowe warunki przebiegu procesu czy błędy pomiarowe. W artykule zaprezentowano dwa narzędzi SKP karty kontrolne T 2 Hotteling a oraz karty kontrolne Q (SPE). Karty kontrolne T 2 Hotteling a są graficzną reprezentacją wyników testu statystycznego T 2 Hotteling a, którego cechy pozwalają na zastosowanie tego testu do wyszukiwania zmian w przebiegu procesu, dzięki wrażliwości na jednoczesną nietypową zmianę wskazań większej ilości urządzeń pomiarowych. Karty kontrolne Q (SPE) są graficzną reprezentacją wyników testu statystycznego Q (SPE), którego cechy pozwalają na wykorzystanie go do wyszukiwania błędów pomiarowych urządzeń, ponieważ jest on wrażliwy na odchyłki w danych z pojedynczych urządzeń pomiarowych. 2. METODYKA STATYSTYCZNA 2.1. ANALIZA GŁÓWNYCH SKŁADOWYCH Wykorzystanie kart kontrolnych T 2 Hotteling a oraz kart kontrolnych Q (SPE) wymaga wstępnego przekształcenia analizowanego zbioru danych pomiarowych za pomocą analizy głównych składowych. Analiza głównych składowych (primary component analysis - PCA) jest bardzo popularną metodą, często wykorzystywana do redukcji ilości danych, wykrywania błędów oraz monitorowania przebiegu procesu [1]. Metoda ta pozwala uchwycić zależności pomiędzy poszczególnymi skorelowanymi zmiennymi oryginalnymi i transformować te zmienne w nowe, nie skorelowane ze sobą (tzw. składowe). Całkowita liczba składowych jest równa liczbie zmiennych oryginalnych, zwykle jednak w dalszych analizach uwzględnia się tylko te składowe, które opisują zmienność danych w stopniu większym niż zmienne oryginalne (czyli jedna składowa reprezentuje więcej niż jedną zmienną oryginalną). Jako, że składowe skonstruowane są w oparciu o zależności statystyczne pomiędzy oryginalnymi zmiennymi, wszelkie nieprawidłowości w danych są w stworzonym modelu PCA wyraźniejsze i łatwiejsze do uchwycenia, szczególnie gdy ilość zmiennych jest duża. Ta własność jest wykorzystywana do kontroli jakości danych. Analizę głównych składowych można przeprowadzić na dowolnym zbiorze danych. Najlepsze efekty uzyskuje się jednak w przypadku modeli, w których uzyskane składowe mają sens rzeczywisty, tzn. każda wyjaśnia zmienność parametrów oryginalnych, które są ze sobą rzeczywiście powiązane (np. jedna składowa wyjaśniająca zmienność jednocześnie stężenia BZT 5 oraz ChZT).

Wykorzystanie kart kontrolnych do wyszukiwania błędów pomiarowych 217 2.2. KARTY KONTROLNE Karty kontrolne są narzędziem służącym do wizualnej prezentacji i oceny jakości danych. W artykule omówiono dwa rodzaje kart: 1. karta kontrolna T 2 Hotteling a, 2. karta kontrolna Q (SPE). Karta kontrolna T 2 Hotteling a oparta jest na teście statystycznym T 2 Hotteling a. Test ten służy do wykrywania nieprawidłowości objawiających się nietypowymi wartościami wielu składowych. Pozwala on więc wykrywać zmiany przebiegu procesu [2], ponieważ pociągają one za sobą zwykle zmianę więcej niż jednego parametru czy grupy parametrów (np. zmiana wieku osadu pociąga za sobą zmianę natężeń przepływu osadu nadmiernego, przepływu powietrza oraz czasami parametrów ścieków oczyszczonych). Obliczona dla każdej obserwacji wartość statystyki T 2 Hotteling a, jest następnie porównywana z odpowiednio obliczoną wartością graniczną [3]. Przekroczenie wartości granicznej zwykle oznacza wyraźną zmianę warunków lub przebiegu procesu. Z kolei test Q (SPE) jest skonstruowany tak, aby być wrażliwym na odchyłki w wartościach pojedynczych składowych i dzięki temu jest on wrażliwy na błędy pomiarowe pojedynczych urządzeń [2].Odchyłka już w wartościach pojedynczej zmiennej jest wystarczająca, aby przekroczona została wartość graniczna. Karty kontrolne są graficzną interpretacją wyników tych testów. 3. ANALIZA DANYCH 3.1. PARAMETRY PODDANE ANALIZIE W tabeli 1. pokazano wykaz analizowanych parametrów. W pracy wykorzystano dane z okresu marzec 2008-marzec 2010 zgromadzone na Wrocławskiej Oczyszczalni Ścieków (WOŚ). Pomiary natężenia przepływu powietrza dokonywane były za pomocą 12 przepływomierzy, po trzy sztuki dla każdej komory tlenowej. Ładunki zanieczyszczeń obliczone zostały na podstawie wyników analiz laboratoryjnych oraz wskazań przepływomierza ścieków oczyszczonych. Analizowany zbiór składał się z 159 dób pomiarowych i 1272 rekordów. Zbiór poddano analizie głównych składowych. Jedynie dwie pierwsze składowe objaśniały zmienność zbioru danych w stopniu większym niż każda ze zmiennych oryginalnych, żadna z nich jednak nie była powiązana z ładunkiem N og usuwanym w części biologicznej oczyszczalni, dodatkowo wyjaśniały one jedynie 60% ogólnej zmienności danych.

218 K. JANIAK i in. Tabela 1. Analizowane parametry Parametr Całkowite natężenie przepływu powietrza, wszystkie komory komora 1 komora 2 komora 3 komora 4 Ładunek ChZT usuwany w części biologicznej oczyszczalni Ładunek N og usuwany w części biologicznej oczyszczalni Ładunek N-NO 3 odprowadzany z oczyszczalni Jednostka kg O 2 /m 3 kg N/m 3 kg N/m 3 Podjęto więc decyzję o uwzględnieniu w dalszych analizach trzeciej składowej, która powiązana była z ładunkiem N og usuwanym w części biol. oczyszczalni, ale nie została uwzględniona ze względu na zbyt mały udział w wyjaśnianej zmienności. Pozwoliło to również podnieść wyjaśnianą ogólną zmienność danych do 72%.Współczynniki korelacji pomiędzy składowymi, a zmiennymi oryginalnymi pokazano w tabeli 2. (najistotniejsze korelacje zaznaczono pogrubioną czcionką). Pierwsza składowa jest silnie skorelowana ze wszystkimi zmiennymi oryginalnymi opisującymi natężenia przepływu powietrza. Druga składowa jest silnie skorelowana z ładunkiem ChZT usuwanym w części biol. oczyszczalni oraz ładunkiem N-NO 3 odprowadzanym w ściekach ocz. Trzecia składowa jest silnie skorelowana z ładunkiem N og usuwanym w części biol. oczyszczalni. 3.2. KARTA KONTROLNA T 2 HOTTELING A Na rysunku 1. pokazano kartę kontrolną T 2 Hotteling a całego zbioru analizowanych danych. Na karcie zaznaczono granicę kontrolną. Doby pomiarowe dla której wartość statystyki T 2 Hotteling a przekracza granice kontrolną są to doby, w których zaszła istotna zmiana w przebiegu procesu. W omawianym przypadku sytuacja taka ma miejsce tylko w 22. dobie pomiarowej. W dobie tej w procesach zachodzących w blokach biologicznych usunięto bardzo duży ładunek ChZT (dwukrotnie większy niż średnia) oraz bardzo mały ładunek azotu ogólnego (dwukrotnie mniejszy niż średnia). Wysoka wartość statystyki T 2 Hotteling a jest związania z występowaniem anormalnych wartości w dwóch parametrach co sugeruje zmianę w procesie np. dopływ ścieków o nietypowym składzie.

Wykorzystanie kart kontrolnych do wyszukiwania błędów pomiarowych 219 Tabela 2. Współczynniki korelacji pomiędzy składowymi a zmiennymi oryginalnymi Parametr Składowa 1 Składowa 2 Składowa 3 Całkowite natężenie przepływu powietrza, wszystkie komory 0,99 0,00-0,07 komora 1 0,81 0,03 0,10 komora 2 0,73-0,27-0,1 komora 3 0,87 0,14-0,14 komora 4 0,63 0,06-0,19 Ładunek ChZT usuwany w części biologicznej oczyszczalni 0,26 0,74-0,02 Ładunek N og usuwany w części biologicznej oczyszczalni 0,26 0,01 0,94 Ładunek N-NO 3 odprowadzany z oczyszczalni -0,24 0,73 0,04 Rys. 1. Karta kontrolna T2 Hotteling a reprezentująca analizowane dane

220 K. JANIAK i in. 3.3. KARTA KONTROLNA Q (SPE) Na rysunku 2. pokazano kartę kontrolną Q (SPE). Na karcie zaznaczono granicę kontrolną. Doby pomiarowe dla której wartość statystyki Q przekracza granice kontrolną są to doby, w których wystąpił prawdopodobnie błąd pomiarowy. W omawianym przykładzie sytuacja taka ma miejsce w jednym przypadku (47. doba pomiarowa). Usunięty ładunek ChZT jest bardzo duży (ponad 2,5 krotnie większy od średniej), natomiast usunięty ładunek N og oraz natężenie przepływu powietrza nie odbiegają od średniej. Sugeruje to błąd pomiarowy parametrów wykorzystanych do obliczenia ładunku usuniętego ChZT. Rys. 2. Karta kontrolna Q (SPE) reprezentująca analizowane dane 4. PODSUMOWANIE Zaprezentowana metodyka pozwala na względnie szybkie wyszukanie błędów pomiarowych i zmian w przebiegu procesu. Jest ona szczególnie przydatna w przypadku dużych zbiorów danych i wielowymiarowych zależności pomiędzy poszczególnymi zmiennymi, gdzie klasyczne metody okazują się niewydajne.

Wykorzystanie kart kontrolnych do wyszukiwania błędów pomiarowych 221 Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego LITERATURA [1] BHAVIK R., BAKSH I., Multiscale PCA with application to multivariate statistical process monitoring, AIChE Journal, 1998,Vol. 44, No.7,1596 1610. [2] DOYMAZ F., ROAGNOLI J.A., PALAZOGLU A., A strategy for detection and isolation of sensor failures and process upsets, Chemometrics and Intelligents Laboratory Systems, 2001, Vol. 55, 109 123. [3] MACGREGOR J.F., KOURTI T., Statistical process control of multivariate processes, Control Eng. Practice, 1995,Vol. 3 No.3, 403 414. CONTROL CHARTS AS A TOOL OF MEASUREMENT ERRORS SEARCH Modern wastewater treatment plants are equipped with large number of sensors, recording huge amount of data. Manual fault detection is therefore impossible. On the other hand, lack of control can cause financial losses and exploitation mistakes. Control charts are basic tools of Statistical Process Control. They are used for process monitoring and fault detections by means of statistics. In this paper control charts are used to find measurement errors in exemplary data.