[發(fā)明專利]一種基于相關(guān)特征分析的復(fù)雜化工過程狀態(tài)監(jiān)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010570612.X
• 申請日: 2020-06-13
• 公開（公告）號: CN111914210B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 藍(lán)艇;請求不公布姓名
• 申請（專利權(quán)）人: 寧波大學(xué)
• 主分類號: G06F17/16
• 分類號: G06F17/16;G06F18/2113;G06F18/214;G01D21/02
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1.一種基于相關(guān)特征分析的復(fù)雜化工過程狀態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下步驟：

首先，離線建模階段包括如下所示步驟(1)至步驟(7)；

步驟(1)：利用化工過程中安裝的測量儀表采集該化工過程正常運行狀態(tài)下的N個樣本數(shù)據(jù)x₁，x₂，…，x_N，其中，第i個采樣時刻的樣本數(shù)據(jù)x_i∈R^m×1由m個測量數(shù)據(jù)組成，包括溫度，壓力，流量，液位、閥門開度、和功率的測量數(shù)據(jù)，i∈{1，2，…，N}，R^m×1表示m×1維的實數(shù)向量；

步驟(2)：對x₁，x₂，…，x_N實施標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到數(shù)據(jù)向量并組建訓(xùn)練數(shù)據(jù)矩陣

步驟(3)：將X均分成C個子矩陣X₁，X₂，…，X_C，各個子矩陣都是m×n維的實數(shù)矩陣，其中，X_c∈R^m×n，下標(biāo)號c∈{1，2，…，C}，R^m×n表示m×n維的實數(shù)矩陣，N＝n×C；

步驟(4)：實施相關(guān)特征分析，從而得到相關(guān)特征的變換矩陣W₁∈R^m×D和差異特征的變換矩陣W₂∈R^m×(m-D)，其中，R^m×(m-D)表示m×(m-D)維的實數(shù)矩陣；

步驟(4.1)：初始化矩陣U∈R^m×m中所有元素都為0，初始化下標(biāo)號d＝1，并初始化u_d為任意m×1維的實數(shù)向量；

步驟(4.2)：依次根據(jù)公式u_d＝(I-UU^T)Θ_du_d與u_d＝u_d/||u_d||更新特征向量u_d，直至u_d收斂，其中I表示m×m維的單位矩陣，矩陣Θ_d的計算方式如下所示：

上式中，Φ＝(XX^T)^-1/2，下標(biāo)號b∈{1，2，…，C}，下標(biāo)號c∈{1，2，…，C}，上標(biāo)號T表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置符號，標(biāo)量H_bc的取值如下所示：

步驟(4.3)：將特征向量u_d做為U的第d列的列向量后，再判斷是否滿足條件d＜m；若是，則設(shè)置d＝d+1后，返回步驟(4.2)；若否，則得到m個特征向量u₁，u₂，…，u_m；

步驟(4.4)：根據(jù)如下所示公式計算特征值λ₁，λ₂，…，λ_m：

上式中，d∈{1，2，…，m}；

步驟(4.5)：對λ₁，λ₂，…，λ_m進(jìn)行降序排列后，將最大的D個特征值所對應(yīng)的特征向量組成矩陣U₁∈R^m×D，并將剩余的m-D個特征向量組成矩陣U₂∈R^m×(m-D)；

步驟(4.6)：分別根據(jù)公式W₁＝ΦU₁與W₂＝ΦU₂計算相關(guān)特征的變換矩陣W₁∈R^m×D與差異特征的變換矩陣W₂∈R^m×(m-D)；

步驟(5)：根據(jù)公式ψ＝diag{X^TW₁W₁^TX^T}計算監(jiān)測指標(biāo)向量ψ∈R^N×1后，利用核密度估計法確定出在置信限α條件下的控制限ψ_lim，其中diag{?}表示將大括號內(nèi)的矩陣對角線元素轉(zhuǎn)變成列向量的操作；

步驟(6)：根據(jù)公式計算差異特征向量v₁，v₂，…，v_N后，按照如下所示步驟(6.1)至步驟(6.3)獲取N×1維的監(jiān)測指標(biāo)向量Q∈R^N×1；

步驟(6.1)：初始化i＝1；

步驟(6.2)：從N個差異特征向量v₁，v₂，…，v_N中搜尋出與v_i距離最近的K個差異特征向量，分別記做z_i(1)，z_i(2)，…，z_i(K)；

步驟(6.3)：根據(jù)如下所示公式計算監(jiān)測指標(biāo)向量Q∈R^N×1中的第i個元素Q(i)：

上式中，||v_i-z_i(k)||²＝(v_i-z_i(k))^T(v_i-z_i(k))，k∈{1，2，…，K}；

步驟(7)：利用核密度估計法確定出監(jiān)測指標(biāo)向量Q在置信限α條件下的控制限Q_lim；

其次，在線狀態(tài)監(jiān)測包括如下所示步驟(8)至步驟(13)；

步驟(8)：在最新采樣時刻t，采集化工過程對象的樣本數(shù)據(jù)x_t∈R^m×1，并對其實施與步驟(2)中相同的標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到數(shù)據(jù)向量

步驟(9)：根據(jù)公式與分別計算相關(guān)特征向量s_t與差異特征向量后，再根據(jù)公式計算監(jiān)測指標(biāo)ψ_t；

步驟(10)：從N個差異特征向量v₁，v₂，…，v_N中搜尋出與距離最近的K個差異特征向量，分別記做z_t(1)，z_t(2)，…，z_t(K)；

步驟(11)：根據(jù)如下所示公式計算監(jiān)測指標(biāo)Q_t：

上式中，

步驟(12)：判斷是否滿足條件：ψ_t≤ψ_lim且Q_t≤Q_lim；若是，則當(dāng)前采樣時刻該化工該過程運行未出現(xiàn)異常，返回步驟(8)繼續(xù)實施對下一最新采樣時刻的狀態(tài)監(jiān)測；若否，則執(zhí)行步驟(13)從而決策是否出現(xiàn)異常；

步驟(13)：返回步驟(8)繼續(xù)實施對下一最新采樣時刻的狀態(tài)監(jiān)測，若連續(xù)3個最新采樣時刻的監(jiān)測指標(biāo)都不滿足步驟(12)中的判斷條件，則觸發(fā)異常狀態(tài)警報；否則，不觸發(fā)異常狀態(tài)警報，并返回步驟(8)繼續(xù)實施對下一最新采樣時刻的狀態(tài)監(jiān)測。