[發(fā)明專利]基于改進DTW算法的間歇過程批次數(shù)據(jù)同步方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510076381.6
• 申請日: 2015-02-13
• 公開（公告）號: CN104679844A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 凡時財;陳川;鄒見效;徐紅兵
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: G06F17/30
• 分類號: G06F17/30
• 代理公司: 成都行之專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51220
• 代理人: 溫利平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于間歇過程故障檢測領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種基于改進DTW算法的間歇過程批次數(shù)據(jù)同步方法。

背景技術(shù)

間歇過程是現(xiàn)代流程工業(yè)最主要的生產(chǎn)方式，由于其本身的靈活性，被廣泛應(yīng)用于多品種、高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)中。然而，由于其過程本身的復(fù)雜性以及其他干擾的影響，使得實際運行軌跡與期望軌跡間往往存在較大差異，并最終導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量顯著下降。此外，這類系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，不僅會造成人員和財產(chǎn)損失，而且環(huán)境污染也比其他事故嚴重得多。因此，間歇過程的故障監(jiān)測和質(zhì)量預(yù)測，一直是過程控制領(lǐng)域研究的熱點之一。

傳統(tǒng)的間歇過程故障檢測方法如MPCA((Multilinear?Principal?Component?Analysis，多線性主成分分析)，進行間歇過程故障檢測的一個重要前提是不同批次的數(shù)據(jù)具有相同的長度。而實際間歇過程具有很強的復(fù)雜性，這樣就導(dǎo)致同一個間歇過程的不同批次之間不可能達到理想的重復(fù)生產(chǎn)，因此過程數(shù)據(jù)的長度也不可能完全相同。在多階段間歇過程中，數(shù)據(jù)不同步問題表現(xiàn)的相當(dāng)復(fù)雜，數(shù)據(jù)不同步現(xiàn)象在某一個或某幾個特定的階段中都有可能發(fā)生。針對以上問題，Lakshminarayanan等提出將所有批次軌跡都擴至最長，即選取批次中最長軌跡為標準，將其他批次數(shù)據(jù)擴至標準軌跡長度，人為加上測量值。當(dāng)然還有按最短軌跡為標準，人為刪除非標準長度批次數(shù)據(jù)的一些數(shù)據(jù)點，實現(xiàn)不同批次數(shù)據(jù)等長。這些方法都忽略了局部模式的特點，即只是簡單地強行將數(shù)據(jù)變?yōu)榈乳L，很可能放大或丟失原始數(shù)據(jù)的局部特性。動態(tài)時間規(guī)整(Dynamic?Time?Wraping,DTW)是基于動態(tài)規(guī)劃(DP)的思想，是一種衡量兩個長度不同的時間序列的相似度的方法，主要用于模板匹配中，比如語音識別、手勢識別、數(shù)據(jù)挖掘和信息檢索等，因而該方法可以將間歇過程各批次數(shù)據(jù)規(guī)整到標準批次序列，實現(xiàn)各批次同步。

DTW是一種基于動態(tài)規(guī)劃理論(DP)提出的模式匹配方法，該算法將時間規(guī)整和距離測度計算相結(jié)合，通過搜尋兩條軌跡間的相似特征來進行壓縮、擴張或轉(zhuǎn)換某些向量，以獲得兩條軌跡間的最小距離。

以本發(fā)明所針對的間歇過程為例，設(shè)T(t×N)和R(r×N)為2條多元軌跡，分別代表參考批次和參考批次，其中t和r分別為兩個批次的采樣點數(shù)，也就是采樣次數(shù)，N為每次采樣所采集的變量個數(shù)。DTW運用動態(tài)規(guī)劃原理，非線性地錯位2條軌跡，排列相似事件，使其中一條軌跡的各向量與另一條軌跡的各向量相對應(yīng)，以獲得兩條軌跡間的最短距離。設(shè)i和j分別為R(r×N)和T(t×N)軌跡上的關(guān)于時間的坐標，即表示第幾次采樣，取值范圍分別為1≤i≤r，1≤j≤t，R(i×N)表示R(r×N)軌跡第i個采樣數(shù)據(jù)，T(j×N)表示T(t×N)軌跡第j個采樣數(shù)據(jù)。DTW在r×t網(wǎng)格中建立K個點的F*序列：

F*＝{c(1),c(2),...,c(k),...,c(K)}???(1)

其中max(t,r)≤K≤t+r，c(k)＝[i(k)，j(k)]，為網(wǎng)格中表示i和j匹配的每一點。

在DTW算法中，F(xiàn)*序列可看作使兩軌跡之間標準距離最短的一條處于r×t網(wǎng)格中的最優(yōu)路徑。設(shè)d(i,j)代表R(i×N)和T(j×N)的歐氏距離值：