基于多向正交局部保持投影的間歇過(guò)程在線故障檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】基于多向正交局部保持投影的間歇過(guò)程在線故障檢測(cè)方法，涉及一種間歇過(guò)程故障檢測(cè)方法，包括將正常狀態(tài)下的歷史數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集，利用多向正交局部保持投影和核密度估計(jì)的方法進(jìn)行建模和在線故障檢測(cè)。首先在訓(xùn)練樣本的一個(gè)滑動(dòng)窗口內(nèi)通過(guò)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，使得投影以后的兩個(gè)樣本之間的距離乘以相應(yīng)權(quán)重后的值最小，找到投影矩陣 A 。其次將預(yù)處理以后的原始數(shù)據(jù)乘以 A ，使其投影到低維空間，根據(jù)統(tǒng)計(jì)量是否超過(guò)建模的控制限來(lái)判斷該時(shí)刻的數(shù)據(jù)是否正常。如果統(tǒng)計(jì)量超過(guò)控制限，則該時(shí)刻的數(shù)據(jù)樣本是故障的；否則是正常的。如果測(cè)試表明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則需要工作人員及時(shí)查明情況，排除險(xiǎn)情。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于多向正交局部保持投影的間歇過(guò)程在線故障檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種間歇過(guò)程故障檢測(cè)方法，特別是涉及一種多向正交局部保持投影(multiway orthogonal locality preserving project1ns,MOLPP)用于間歇過(guò)程的在線故障檢測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]間歇過(guò)程被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)高質(zhì)量、高附加值產(chǎn)品行業(yè)，如:發(fā)酵、制藥、食品、化學(xué)、半導(dǎo)體制造業(yè)等，是一種重要的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。因此，間歇過(guò)程的檢測(cè)與故障診斷一直備受關(guān)注。然而在間歇過(guò)程采集到的信號(hào)往往具有非高斯、非線性、多模態(tài)的特性，這就對(duì)故障檢測(cè)的性能提出了很高的要求。
[0003]多元統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制能夠有效地將檢測(cè)過(guò)程中的有效信息提供給運(yùn)營(yíng)商，為過(guò)程故障提供早期預(yù)警，從而保證生產(chǎn)安全和產(chǎn)品高質(zhì)量。多向主元分析和多向偏最小二乘極其延伸算法已被廣泛研究和應(yīng)用于間歇過(guò)程中的故障檢測(cè)和故障診斷中。這些方法通過(guò)保留主成分使數(shù)據(jù)從高維空間降低到低維空間，改變了數(shù)據(jù)分布，但是初始特征空間中數(shù)據(jù)間的關(guān)系和相應(yīng)數(shù)據(jù)流形通過(guò)這種全局變換后不能得到保持，所以在新空間中肯定會(huì)丟失初始特征空間中數(shù)據(jù)的某些信息。如何能夠保證不丟失局部信息的問(wèn)題，目前還沒(méi)有能夠較好地找到隱藏在高維觀測(cè)集中更多內(nèi)在有用信息的有效方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種多向正交局部保持投影用于間歇過(guò)程的在線故障檢測(cè)方法，該方法將滑動(dòng)窗口技術(shù)和正交局部保持投影(0LPP)相結(jié)合用于間歇過(guò)程在線檢測(cè)，并利用核密度估計(jì)確定控制限進(jìn)行過(guò)程檢測(cè)，提高故障檢測(cè)模型的精確度。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
基于多向正交局部保持投影的間歇過(guò)程在線故障檢測(cè)方法，所述方法包括以下過(guò)程:將在生產(chǎn)過(guò)程中正常情況下采集到的一定量的批次數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集，利用滑動(dòng)窗口技術(shù)，在每個(gè)窗口內(nèi)將三維數(shù)據(jù)展開(kāi)成二維，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。然后在每個(gè)窗口內(nèi)建立正交局部保持投影模型，找到投影矩陣，利用核密度估計(jì)計(jì)算出平方預(yù)測(cè)誤差(SPE)的控制限；對(duì)于新來(lái)一個(gè)時(shí)刻^的批次樣本，將數(shù)據(jù)展開(kāi)成一行，利用與新來(lái)樣本相對(duì)應(yīng)的建模數(shù)據(jù)時(shí)刻模型的均值和方差，標(biāo)準(zhǔn)化新來(lái)數(shù)據(jù)樣本。將新來(lái)時(shí)刻數(shù)據(jù)投影到正交局部保持投影的模型上，計(jì)算SPE統(tǒng)計(jì)量；根據(jù)統(tǒng)計(jì)量是否超過(guò)建模的控制限來(lái)判斷該時(shí)刻的數(shù)據(jù)是否正常。如果統(tǒng)計(jì)量超過(guò)控制限，則該時(shí)刻的數(shù)據(jù)樣本是故障的；否則是正常的。如果測(cè)試表明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則需要工作人員及時(shí)查明情況，排除險(xiǎn)情。
[0006]所述的基于多向正交局部保持投影的間歇過(guò)程在線故障檢測(cè)方法，所述建模過(guò)程包括正常狀態(tài)模型、在線檢測(cè)模型。對(duì)工業(yè)過(guò)程中的正常歷史數(shù)據(jù)，使用多向局部保持投影模型投影到一個(gè)低維空間。將新來(lái)時(shí)刻數(shù)據(jù)投影到M0LPP的模型上，通過(guò)核密度估計(jì)的方法進(jìn)行建模和在線故障檢測(cè)。
[0007]所述的基于多向正交局部保持投影的間歇過(guò)程在線故障檢測(cè)方法，所述滑動(dòng)窗口大小和步長(zhǎng)的選取，遵循實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效果是:
1.本發(fā)明保持了過(guò)程數(shù)據(jù)集的局部結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的故障檢測(cè)方法，如主元分析、核主元分析等只能保持?jǐn)?shù)據(jù)的全局結(jié)構(gòu)，不能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)的局部結(jié)構(gòu)和更多原始數(shù)據(jù)的隱含信息，造成有用信息的丟失；而本發(fā)明提出的方法可以有效提取數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)特征，保持了數(shù)據(jù)的原始結(jié)構(gòu)信息，使得投影前兩個(gè)近鄰的樣本在投影之后還是近鄰，在過(guò)程監(jiān)視中具有更好的檢測(cè)結(jié)果。
[0009]2.本發(fā)明能夠降低數(shù)據(jù)誤差重構(gòu)方面的難度。因?yàn)檫\(yùn)用多向局部保持投影算法得到的投影矩陣確保數(shù)據(jù)投影后的投影向量正交的，使得在計(jì)算投影之后的兩個(gè)樣本間的歐式距離時(shí)，相乘的兩個(gè)投影矩陣為單位矩陣。若投影矩陣為A則ΑΑτ=Ι，降低了計(jì)算的復(fù)雜度，極大的提高了計(jì)算速度。
[0010]3.本發(fā)明提高了模型精確度?；瑒?dòng)窗口的在線檢測(cè)算法不需要預(yù)先估計(jì)未來(lái)測(cè)量值，而且能有效地進(jìn)行過(guò)程監(jiān)視，提高模型精確度。
[0011]4.本發(fā)明改善了故障檢測(cè)效果。利用核密度估計(jì)確定控制限不需要數(shù)據(jù)的高斯分布假設(shè)，更具有普遍性意義。因此運(yùn)用核密度估計(jì)計(jì)算正常模型中SPE統(tǒng)計(jì)量的控制限，改善了故障檢測(cè)效果。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明的核心算法流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0014]本發(fā)明是將大量的正常歷史數(shù)據(jù)預(yù)處理(展開(kāi)成二維和標(biāo)準(zhǔn)化)以后，在窗口內(nèi)通過(guò)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，使投影后的兩個(gè)樣本之間的距離乘以相應(yīng)權(quán)重后的值最小，找到投影矩陣Α通過(guò)核密度估計(jì)計(jì)算出此時(shí)刻的SPE統(tǒng)計(jì)量的控制限。新樣本投影到低維空間后，計(jì)算出SPE統(tǒng)計(jì)量用于進(jìn)行故障檢測(cè)。本技術(shù)解決了傳統(tǒng)算法用于間歇過(guò)程故障診斷時(shí)不能保持局部信息的問(wèn)題，降低了數(shù)據(jù)誤差重構(gòu)方面的難度。為了更好的保持投影后數(shù)據(jù)的原始結(jié)構(gòu)，需要找到合適的投影矩陣。本發(fā)明通過(guò)在一個(gè)滑動(dòng)窗口內(nèi)對(duì)訓(xùn)練集運(yùn)用增加正交化約束條件的局部保持投影(LPP)算法，通過(guò)迭代計(jì)算找到相互正交的投影方向，最終得到一個(gè)正交的投影矩陣兒
[0015]基于M0LPP的故障檢測(cè)技術(shù):為了進(jìn)行過(guò)程故障檢測(cè)，需要利用已知的正常數(shù)據(jù)建模，然后對(duì)新來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。本發(fā)明將采集到的正常歷史數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集，利用M0LPP和核密度估計(jì)的方法進(jìn)行建模和在線故障檢測(cè)。將訓(xùn)練集在每個(gè)窗口內(nèi)預(yù)處理以后，建立正交局部保持投影模型，找到投影矩陣，利用核密度估計(jì)估計(jì)出平方預(yù)測(cè)誤差(SPE)的控制限；對(duì)于新來(lái)一個(gè)時(shí)刻左的批次樣本(經(jīng)過(guò)預(yù)處理)投影到M0LPP的模型上，計(jì)算SPE統(tǒng)計(jì)量；根據(jù)統(tǒng)計(jì)量是否超過(guò)建模的控制限來(lái)判斷該時(shí)刻的數(shù)據(jù)是否正常。
[0016]軟件系統(tǒng):為了能夠?qū)崿F(xiàn)故障檢測(cè)，本發(fā)明采用MathWorks公司的MALTAB軟件編程開(kāi)發(fā)，對(duì)工業(yè)過(guò)程中采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量超過(guò)控制限，則該時(shí)刻的數(shù)據(jù)樣本是故障的，即系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要工作人員及時(shí)查明情況，排除險(xiǎn)情。
[0017]本發(fā)明由以下兩部分組成:正常狀態(tài)模型、在線檢測(cè)模型。對(duì)工業(yè)過(guò)程中的正常歷史數(shù)據(jù)，
在每個(gè)窗口內(nèi)預(yù)處理以后，建立正交局部保持投影模型，找到投影矩陣，利用核密度估計(jì)法計(jì)算出平方預(yù)測(cè)誤差的控制限；對(duì)于新來(lái)一個(gè)時(shí)刻左的批次樣本(經(jīng)過(guò)預(yù)處理)通過(guò)投影矩陣投影到低維空間，計(jì)算SPE統(tǒng)計(jì)量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)量是否超過(guò)建模的控制限來(lái)判斷該時(shí)刻的數(shù)據(jù)是否正常。如果統(tǒng)計(jì)量超過(guò)控制限，則該時(shí)刻的數(shù)據(jù)樣本是故障的；否則是正常的。實(shí)現(xiàn)了基于多向正交局部保持投影的間歇過(guò)程在線故障檢測(cè)。
[0018]本發(fā)明通過(guò)對(duì)間歇過(guò)程中收集到的歷史離線數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，經(jīng)過(guò)在窗口內(nèi)建立0LPP模型，得到一個(gè)正交的投影矩陣，降低了故障檢測(cè)模型計(jì)算的復(fù)雜度，利用核密度估計(jì)得到了更好的檢測(cè)結(jié)果。
【權(quán)利要求】
1.基于多向正交局部保持投影的間歇過(guò)程在線故障檢測(cè)方法，其特征在于，所述方法包括以下過(guò)程: 將在正常生產(chǎn)過(guò)程中采集到的批次數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集，利用滑動(dòng)窗口技術(shù)，在每個(gè)窗口內(nèi)將三維數(shù)據(jù)展開(kāi)成二維，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；然后在每個(gè)窗口內(nèi)建立正交局部保持投影模型，找到投影矩陣，利用核密度估計(jì)估計(jì)出平方預(yù)測(cè)誤差(SPE)的控制限；對(duì)于新來(lái)一個(gè)時(shí)刻A的批次樣本，將數(shù)據(jù)展開(kāi)成一行，利用與新來(lái)樣本相對(duì)應(yīng)的建模數(shù)據(jù)時(shí)刻模型的均值和方差，標(biāo)準(zhǔn)化新來(lái)數(shù)據(jù)樣本；將新來(lái)時(shí)刻數(shù)據(jù)投影到MOLPP的模型上，計(jì)算SPE統(tǒng)計(jì)量；根據(jù)統(tǒng)計(jì)量是否超過(guò)建模的控制限來(lái)判斷該時(shí)刻的數(shù)據(jù)是否正常；如果統(tǒng)計(jì)量超過(guò)控制限，則該時(shí)刻的數(shù)據(jù)樣本是故障的；否則是正常的；如果測(cè)試表明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則需要工作人員及時(shí)查明情況，排除險(xiǎn)情。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多向正交局部保持投影的間歇過(guò)程在線故障檢測(cè)方法，其特征在于，所述建模過(guò)程包括正常狀態(tài)模型、在線檢測(cè)模型； 對(duì)工業(yè)過(guò)程中的正常歷史數(shù)據(jù)，使用多向局部保持投影模型投影到一個(gè)低維空間；將新來(lái)時(shí)刻數(shù)據(jù)投影到MOLPP的模型上，通過(guò)核密度估計(jì)的方法進(jìn)行建模和在線故障檢測(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多向正交局部保持投影的間歇過(guò)程在線故障檢測(cè)方法，其特征在于，所述滑動(dòng)窗口大小和步長(zhǎng)的選取，遵循實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。
【文檔編號(hào)】G05B23/02GK104483962SQ201410666382
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】郭金玉, 齊蕾蕾, 李元 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)化工大學(xué)