[發(fā)明專利]一種基于近紅外光譜的原油脫鹽脫水過程運行狀態(tài)監(jiān)控方法

在審

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• 申請日: 2018-04-03
• 公開（公告）號: CN108388224A
• 公開（公告）日: 2018-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 欒小麗;金敏俊;馮恩波;顧德;王志國;劉飛
• 申請（專利權(quán)）人: 江南大學(xué)
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418;C10G33/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

1.一種基于近紅外光譜的原油脫鹽脫水過程運行狀態(tài)監(jiān)控方法，其特征在于，具體步驟如下：

步驟一：光譜數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理

(1)采集原油樣品：在不同工況下采集原油脫鹽脫水裝置輸出通道的原油樣品，并將其分為校正集和驗證集；

(2)光譜的采集：當(dāng)校正集樣品溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，用反射式近紅外探頭與樣品表面接觸，采集樣品的近紅外光譜數(shù)據(jù)；

(3)光譜的預(yù)處理和奇異點剔除：對上述(2)中采集的近紅外光譜，進(jìn)行基線校正及一階微分預(yù)處理，對處理后的光譜進(jìn)行主元分析，剔除奇異樣品點；

步驟二：校正模型的建立

對步驟一中預(yù)處理之后的光譜數(shù)據(jù)采用NIPALS算法建立PLS模型，具體如下：

(4)設(shè)X∈R^n×m為過程變量矩陣，Y∈R^n×l為質(zhì)量變量矩陣，其中，n表示樣本數(shù)量，m表示過程變量數(shù)目，l表示質(zhì)量變量數(shù)目，采用NIPALS算法獲得如下模型：

其中，T＝[t₁,t₂,…t_k]和U＝[u₁,u₂,…u_k]分別是X和Y的得分矩陣，P＝[p₁,p₂,…p_k]和Q＝[q₁,q₂,…q_k]分別為X和Y的負(fù)載矩陣，E和F分別為X和Y的殘差矩陣；k為主元個數(shù)；

(5)初始化E₀＝X，F(xiàn)₀＝Y(jié)，h＝0；

(6)令h＝h+1，取u_h的值為F_h-1中的任意一列；

(7)計算權(quán)值向量得分向量t_h＝E_h-1w_h/||E_h-1w_h||、負(fù)載向量得分向量u_h＝F_h-1q_h/||F_h-1q_h||，直到u_h收斂；

(8)計算負(fù)載向量殘差矩陣返回(6)重復(fù)上述過程直到k個主元均被提取；

步驟三：監(jiān)控指標(biāo)的確定

(9)用Hotelling T²統(tǒng)計量來監(jiān)測主元空間的變化，其表達(dá)形式如下：

其中，為統(tǒng)計量，G＝W(P^TW)^-1為權(quán)重矩陣，W＝[w₁,w₂,…w_k]，Λ＝T^TT；在過程變量X服從高斯分布的前提下，統(tǒng)計量的監(jiān)控指標(biāo)以利用F分布確定，其表達(dá)形式如下：

其中，T₁²為控制限，F(xiàn)_α(k,n-k)是自由度為k和n-k，置信度為α的F分布；

(10)用SPE統(tǒng)計量來監(jiān)測殘差空間的變化，其表達(dá)形式如下：

SPE₀＝X(I-PG^T)X^T (4)

其中，SPE₀為統(tǒng)計量，I為單位矩陣；設(shè)過程變量X服從高斯分布的前提下，SPE₀統(tǒng)計量的監(jiān)控指標(biāo)能利用χ²分布確定，其表達(dá)形式如下：

其中，SPE₁實控制限，是自由度為d，置信度為α的χ²分布，其中d＝2a²/b，a和b分別為SPE₀統(tǒng)計量的均值和方差，c＝b/2a；

步驟四：運行狀態(tài)監(jiān)控

用過程歷史正常工況數(shù)據(jù)代入式(3)和式(5)，計算得到相應(yīng)的監(jiān)控指標(biāo)，將過程運行狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)代入式(2)和式(4)計算得到相應(yīng)的統(tǒng)計量，則過程的運行狀態(tài)通過如下形式進(jìn)行判斷：

正常狀態(tài):

質(zhì)量相關(guān)故障狀態(tài):

質(zhì)量無關(guān)故障狀態(tài)：{X|SPE₀>SPE₁}。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于近紅外光譜的原油脫鹽脫水過程運行狀態(tài)監(jiān)控方法，其特征在于，所述步驟(4)中的k值采用交叉驗證法確定，即先將樣本集平均分成幾組，每次剔除一組，用剩下的進(jìn)行建模，再用剔除的那一組計算預(yù)測誤差，然后重復(fù)過程直到所有組都剔除一次，計算PRESS和RSS,當(dāng)PRESS或RSS小于閾值時的主元個數(shù)即為所求k值。