第一章 緒 論

1.1 課題背景及其研究意義
特色食品生產(chǎn)工業(yè)發(fā)展?jié)摿薮�，前景非常廣闊，在當今國民經(jīng)濟行業(yè)中屬于―朝陽產(chǎn)業(yè)‖，并且在國民經(jīng)濟中一直占據(jù)著十分重要的位置。它的質(zhì)量好壞不僅關(guān)系到人們的身體健康而且影響著社會穩(wěn)定和諧。特色食品生產(chǎn)歷來受到在國家和各級地方政府的高度的重視，在政策、科技和資金等方面獲得過支持。所以，我國特色食品的生產(chǎn)得到了較快的發(fā)展。與此同時，我國食品生產(chǎn)正處于前所未有的高速發(fā)展時期，各種新技術(shù)也層出不窮，許多重要食品生產(chǎn)的產(chǎn)量都位居世界前列，已經(jīng)成為食品生產(chǎn)大國[1]。然而，我國食品生產(chǎn)業(yè)在目前仍然存在生產(chǎn)加工步驟復雜，生產(chǎn)管理技術(shù)落后，自動化和智能化程度不高等問題，整體生產(chǎn)水平與發(fā)達國家還存在較大差距。其中，一個重要原因就是現(xiàn)代信息化管理技術(shù)應用不足[2]。這在很大程度上制約了我國食品工業(yè)向自動化生產(chǎn)方式和信息化管理模式的轉(zhuǎn)變進程。

從未來角度來看，食品生產(chǎn)的自動化和信息化融合發(fā)展是現(xiàn)代食品工業(yè)未來發(fā)展的趨勢。很多大型食品企業(yè)正大力發(fā)展現(xiàn)代食品工業(yè)信息化，將其視為食品生產(chǎn)企業(yè)提高勞動生產(chǎn)率和商品競爭力的另一種重要手段[2]。其中，食品生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)管理方法正是支撐食品企業(yè)信息化進程的核心技術(shù)之一，并且針對它的研究已成為現(xiàn)代食品生產(chǎn)領(lǐng)域中的一個重要研究方向。當下傳統(tǒng)食品生產(chǎn)企業(yè)的數(shù)據(jù)管理存在的幾個方面缺陷主要包括：第一，在生產(chǎn)過程中信息量大，生產(chǎn)員工在工作情況下為企業(yè)決策者提供的決策信息往往存在數(shù)據(jù)的不確定性。過去的分析員都是直接查詢這些數(shù)據(jù)進行分析，很難做出準確的決策，因而這些企業(yè)的生產(chǎn)信息管理水平難以提高。第二，食品企業(yè)的產(chǎn)品種類眾多且數(shù)量龐大，依賴人工管理方式很難做到快速準確地掌握產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各種各樣的生產(chǎn)信息，導致整個預算超標或決策失誤，造成企業(yè)的重大經(jīng)濟損失。第三，在食品生產(chǎn)的產(chǎn)品管理過程中，收集和存儲的大量數(shù)據(jù)僅有一小部分被使用。造成這樣的原因是這些數(shù)據(jù)量太大且結(jié)構(gòu)復雜，，有效使用和分析的難度較大。

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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.2.1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
食品工業(yè)發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個國家經(jīng)濟和民生情況的重要標志。早在二十世紀末期，食品工業(yè)就成為美國、日本等一些經(jīng)濟發(fā)達國家的支柱性產(chǎn)業(yè)，每年的食品工業(yè)總產(chǎn)值約占這些國家工業(yè)總產(chǎn)值的 20%[8]。近年來，特色食品作為國際市場的寵兒，引領(lǐng)消費新潮流[8]。特色食品生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)代化已是勢在必行。近年來，許多研究食品工業(yè)領(lǐng)域的機構(gòu)已將多領(lǐng)域的高新技術(shù)融入到特色食品工業(yè)領(lǐng)域。比如，現(xiàn)代制造技術(shù)、計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動設計技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、電子信息技術(shù)、生物技術(shù)、材料科學等基礎(chǔ)科學技術(shù)、超高溫瞬時殺菌、真空處理、冷凍濃縮、微膠囊、膜分離、分子蒸餾、超臨界提取、超高壓處理、超微粉碎等食品生產(chǎn)工藝技術(shù)以及在線檢測和智能評價等新信息化技術(shù)越來越多地在特色食品生產(chǎn)過程和實際研發(fā)工作中出現(xiàn)。雖然在特色食品制造信息化過程中人們?nèi)〉昧溯^大的成就，但與之也涌現(xiàn)出許多新的難題。如何運用數(shù)據(jù)管理和分析技術(shù)提升特色食品質(zhì)量是很多特色食品企業(yè)面臨難題之一。

在傳統(tǒng)的食品生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理中，感知數(shù)據(jù)的存在性和精確性都被認為是確定無疑的[9]。不過，隨著食品生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展，生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)不僅僅有確定性數(shù)據(jù)，也還存在另一種新數(shù)據(jù)即不確定數(shù)據(jù)。由于不確定數(shù)據(jù)中存在概率分布問題，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)已經(jīng)無法適應。針對不確定數(shù)據(jù)(Uncertain Data)又稱模糊數(shù)據(jù)的研究也逐步得到人們的重視[5]。國外學者對不確定性理論技術(shù)的研究及其運用已做了大量的工作，并使得不確定性理論技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)、海洋監(jiān)測和軍事等領(lǐng)域得到廣泛的運用。O.Benjelloun 等人與 N. Dalvi 等人[10-11]對不確數(shù)據(jù)模型進行劃分，重點研究了元組不確定模型，該元組存在于數(shù)據(jù)庫中的概率通過一個概率值進行表示。從某種意義上，他們均是假設在一個元組中的屬性之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，得到了聯(lián)合概率分布描述該元組中的所有屬性，為描述生產(chǎn)制造過程中不確定事件提供了可能。AmolDeshpande.等人[12]列出了傳感器網(wǎng)絡中不確定數(shù)據(jù)管理的促進因素，有利于分析生產(chǎn)制造過程中傳感器網(wǎng)絡信息不確定性的來源。O. Wblfson 等人[13]為實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程中傳感器網(wǎng)絡的不確定查詢方案提供了可能。Roberto De Virgilio 等人[14]針對RFID 中大量漏讀現(xiàn)象，對通過閱讀器采集到的原始數(shù)據(jù)存在嚴重的不確定性或不完整性，提出相應地清洗不確定數(shù)據(jù)以及高效存儲的方法。

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第二章 生產(chǎn)管理中不確定數(shù)據(jù)處理的相關(guān)知識

2.1 引言

本章主要是為后續(xù)章節(jié)做知識和背景鋪墊，主要分析了特色食品生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)來源分類、不確定性數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因分類、數(shù)據(jù)模型、當前研究成果。通過這些分析能為后續(xù)的研究工作提供研究對象和理論基礎(chǔ)。

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2.2 特色食品生產(chǎn)管理中數(shù)據(jù)來源分類
特色食品生產(chǎn)數(shù)據(jù)，就是反映監(jiān)測特色食品生產(chǎn)過程中成品質(zhì)量、人員和設備工作情況、工廠環(huán)境以及物流等信息。而在生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)對信息的采集都有著各自的要求，它們會根據(jù)實際情況選擇需要的信息以處理相應的生產(chǎn)問題。因此，判定生產(chǎn)過程中是否已存在生產(chǎn)問題，必須明確監(jiān)測對象所需要分析處理的各種類型數(shù)據(jù)及其特性。
2.2.1 原材料供應環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)
原材料供應系統(tǒng)主要包括進貨、運輸和貯藏三個模塊。原材料貨源會對特色食品生產(chǎn)質(zhì)量造成影響，而在大型特色食品生產(chǎn)企業(yè)中貨源一般很穩(wěn)定，可以忽略不同批次對特色食品生產(chǎn)質(zhì)量造成影響而只考慮原材料種類、保質(zhì)期等貨源因素。原材料運輸對特色食品質(zhì)量也會造成一定影響，主要包括運輸車輛、運輸時間、運輸溫度、運輸光照等因素。在原材料供應環(huán)節(jié)中，原材料在倉庫中存儲環(huán)境同樣也很重要。因為原材料進貨后不會立即投入生產(chǎn)，會在倉庫里貯藏。貯藏過程中主要影響因素有溫度、濕度、光照、貯藏時間等。需要說明的，特色食品生產(chǎn)所必需的原材料主要有米、面、雞蛋、糖、水、油、辣椒干、畜禽肉、豆類和蔬菜等。原材料監(jiān)測采集系統(tǒng)是以 RFID 電子標簽為載體，通過傳感器設備和無線射頻識別設備進行數(shù)據(jù)采集，再從這些數(shù)據(jù)中提煉新數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)鏈作為原材料管理數(shù)據(jù)。采集信息類型包括：微生物殘留數(shù)、冷藏溫度、空氣的相對濕度、空氣的流速、光照、貯藏時間和其品質(zhì)容許限度、解凍溫度和時間等。
2.2.2 加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)
車間生產(chǎn)管控系統(tǒng)主要包括：加工設備管理、員工管理、生產(chǎn)視頻管理、生產(chǎn)檢測管理、生產(chǎn)溯源管理、車間環(huán)境管理等模塊。該系統(tǒng)針對特色食品成品主要由原材料炒制、攪拌和封裝等形成，受生產(chǎn)過程及工藝影響，原材料批次、數(shù)量、取送料、環(huán)境監(jiān)控、加工環(huán)節(jié)及流程需要嚴格管控。其主要技術(shù)采用物聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)對特色食品生產(chǎn)的監(jiān)控。通過自動化的生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，獲取生產(chǎn)過程的環(huán)境信息；通過圖形圖像分析，自動檢測產(chǎn)品封裝狀況；通過無線射頻識別技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)全生命周期管理。

信息對象主要包括：叉車、生產(chǎn)線、托盤、環(huán)境、人員等。信息種類可分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)兩類�；A(chǔ)數(shù)據(jù)包括產(chǎn)品、技術(shù)文件的數(shù)值化、設備、運輸小車、裝載托盤、人力資源編碼、工藝流程編碼等。動態(tài)數(shù)據(jù)指將生產(chǎn)過程中的實時數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)庫收集、整理后取出的數(shù)據(jù)或直接從現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)。若細分可為質(zhì)量監(jiān)控信息（加工人員信息、時間、成品和半成品質(zhì)量信息與跟蹤信息、產(chǎn)品工藝參數(shù)等）、環(huán)境監(jiān)測信息（溫度、濕度、油煙濃度、空氣微生物、塵埃等）、生產(chǎn)線監(jiān)控信息（各個工藝環(huán)節(jié)的設備運行狀況信息、維護信息、故障信息等）、過程管理信息（指在生產(chǎn)過程中的已經(jīng)完成的與正在生產(chǎn)的情況，包括生產(chǎn)實績、實績與預計的差距）等四大類。

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第三章 生產(chǎn)管理中不確定數(shù)據(jù)異常點檢測研究...................16
3.1 引言 ................................................... 16
3.2 問題相關(guān)描述 .......................................... 17
第四章 生產(chǎn)管理中不確定數(shù)據(jù)最大頻繁項挖掘研究..............26
4.1 引言 ................................................ 26
4.2 問題相關(guān)描述 ......................................... 26
第五章 特色食品生產(chǎn)管理中數(shù)據(jù)不確定性管理應用............36
5.1 引言 ................................................. 36

5.2 生產(chǎn)車間監(jiān)測與控制介紹 .............................. 36

第五章 特色食品生產(chǎn)管理中數(shù)據(jù)不確定性管理應用

5.1 引言
現(xiàn)代化食品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理在企業(yè)生產(chǎn)流程控制、人員管理、衛(wèi)生安全等方面都有著嚴格的要求。只有擁有了現(xiàn)代化的管理方式、運營模式和生產(chǎn)方法的企業(yè)才能在日益激烈的市場競爭中不斷發(fā)展壯大。雖然該生產(chǎn)管理方式通過機器取代人力，計算機取代腦力，使企業(yè)生產(chǎn)工作無需人員值守和操作即可順利進行。但是與之而來的生產(chǎn)過程智能監(jiān)控問題逐漸成為現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)加工的技術(shù)難點。為此，許多食品企業(yè)為建立一套由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成的現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)投入了大量的資金。該類系統(tǒng)不僅能有效確保廠區(qū)車間的生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)設備、原材料和產(chǎn)品質(zhì)量等安全，而且可以在遇到、機器故障、惡意入侵、火災、水災等問題時，能及時進行報警、執(zhí)行預案、自救或通知相關(guān)人員人為干預救援流程化應急方案，從而避免造成災難性的經(jīng)濟損失。從前面第 2 章內(nèi)容介紹可知，在食品生產(chǎn)過程中，大多感知數(shù)據(jù)都是依賴于傳感器網(wǎng)絡感知客觀環(huán)境的。這些數(shù)據(jù)的特點以連續(xù)、不定速、無界的流式形式存在。由于生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集受到諸多因素的影響，這些在不同程度上都會造成其數(shù)據(jù)精確度和存在性存在不確定性。因此，數(shù)據(jù)的不確定性普遍存在于特色食品生產(chǎn)過程監(jiān)測網(wǎng)絡中。

以“老干媽”特色食品生產(chǎn)車間環(huán)境監(jiān)測為例，通過傳感器網(wǎng)絡采集和處理的數(shù)據(jù)具有不確定性且這些數(shù)據(jù)的不確定性來源復雜且廣泛是其監(jiān)控系統(tǒng)的一大顯著特征�；诖耍菊鹿�(jié)在采集的數(shù)據(jù)中引入了不確定性描述更能客觀的反映現(xiàn)實世界，同時采用不確定數(shù)據(jù)處理的檢測框架，來實現(xiàn)從數(shù)據(jù)中獲取有價值的信息，發(fā)現(xiàn)知識并加以利用，并且對獲取的數(shù)據(jù)進行必要地深度挖掘分析，用于預測未來趨勢和指導決策。

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第六章 總結(jié)與展望

6.1 總結(jié)
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速普及以及在無線傳感器網(wǎng)絡、嵌入式計算和分布式計算等技術(shù)研究的不斷成熟，人們在任何時刻、任何地方和任何環(huán)境下均可獲取許多有效的數(shù)據(jù)已成為可能。這也為實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的“無處不在”的制造物聯(lián)網(wǎng)提供了技術(shù)支持，具有廣闊的應用前景。本文針對部署在以油制辣椒制品為代表的特色食品生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)管理開展研究。在研究無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)獲取的信息的過程中，由于受到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)的制約，傳感網(wǎng)絡在獲取真實數(shù)據(jù)上存在不確定性，因此這些無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡的測量數(shù)據(jù)實質(zhì)上為不確定數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的取值隨著不斷處理也在不斷發(fā)生變化，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的確定單值相比，僅以取值區(qū)間或概率分布函數(shù)近似表示。因此傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)無法適用這些不確定數(shù)據(jù)的管理了，需要研究針對實際過程中的不確定數(shù)據(jù)管理展開相應的數(shù)據(jù)處理方法。結(jié)合“老干媽”企業(yè)的實際需要，論文圍繞監(jiān)測老干媽特色食品生產(chǎn)企業(yè)車間環(huán)境的無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡環(huán)境不確定數(shù)據(jù)處理這一中心問題展開研究與應用，論文的主要內(nèi)容與創(chuàng)新點如下：

（1）車間內(nèi)的空氣流通是改善空氣質(zhì)量的一種重要的手段。其中對車間內(nèi)的風機狀況的監(jiān)測就顯得尤為重要。而在實際系統(tǒng)中由于測試儀器自身誤差、高磁場干擾等問題引起采集的數(shù)據(jù)具有不確定性。為了提高檢測風機信息的可靠性，引入不確定數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘是一種很有效方法。針對這一問題，本文以風機異常數(shù)據(jù)檢測這一中心開展研究。論文在現(xiàn)有的不確定數(shù)據(jù)異常檢測方法的基礎(chǔ)上展開研究與分析，結(jié)合風機監(jiān)測系統(tǒng)的采集信號特征，采用區(qū)間數(shù)的方法很直觀地來描述不確定數(shù)據(jù)，同時利用區(qū)間數(shù)據(jù)的位置關(guān)系剔除一部分正常的動態(tài)數(shù)據(jù)流，最后再引入異常檢測技術(shù)檢測可能為異常的數(shù)據(jù)。仿真實驗結(jié)果說明本文給出的方法有效地提高了風機運行可靠性，進而也提高了車間內(nèi)對空氣質(zhì)量控制的可靠性。

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參考文獻（略）

本文編號：313507