第 31 卷 第 8 期
Vol. 31 No. 8
控 制 与 决 策
Control and Decision
2016 年 8 月
Aug. 2016
正交信号校正的自回归模型及其在动态过程监测中的应用
文章编号: 1001-0920 (2016) 08-1505-04 DOI: 10.13195/j.kzyjc.2015.0750
童楚东, 史旭华, 蓝 艇
(宁波大学 信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211)
摘 要: 针对采样数据的自相关性, 提出一种基于自回归 (AR) 模型的动态过程建模方法. 首先, 利用正交信号校
正 (OSC) 消除用于 AR 模型回归的两数据集间的正交不相关信号; 然后, 在处理过的数据上进行偏最小二乘 (PLS) 回
归建模. 该方法对模型潜隐成分和残差信息同时进行在线监测, 并借鉴贝叶斯推理方法将多个监测指标进行融合, 以
易化触发故障警报的决策过程. 最后通过在田纳西-伊斯曼 (Tennessee Eastman, TE) 过程上的仿真实验验证了所提出
方法的有效性.
关键词: 正交信号校正;自回归模型;动态过程监测;偏最小二乘
中图分类号: TP277 文献标志码: A
Orthogonal signal correction based auto-regression model with
application to dynamic process monitoring
TONG Chu-dong, SHI Xu-hua, LAN Ting
(Faculty of Electrical Engineering and Computer Science,Ningbo University,Ningbo 315211,China.Correspondent:
SHI Xu-hua,E-mail:shixuhua@nbu.edu.cn)
Abstract:::With respect to the auto-coorelation existed in sampled data, a dynamic process modeling method based on
auto-regression(AR) model is proposed. Firstly, orthogonal signal correction(OSC) is used to eliminate the orthogonal
uncorrelated components from the two datasets used for regresing AR model. Then, the partial least square(PLS) is employed
to get the AR model on the basis of preprocessed process datasets. The latent components extracted by the regression model
as well as the residuals are together monitored online. With the involvement of Bayesian inference, the resulted multiple
monitoring statistics are combined into a single probabilistic index, and triggering fault alarm can thus be simplified. The
simulation experiment on the Tennessee Eastman(TE) benchmark process demonstrates the effectiveness of the proposed
method.
Keywords:::orthogonal signal correction;auto-regression model;dynamic process monitoring;partial least square
0 引引引 言言言
随着全球化市场竞争日趋激烈化, 有效地保证生
产的正常运行是现代过程工业面临的主要挑战. 与此
同时, 由于计算机技术的飞跃发展和工业规模的不断
扩大, 工业过程能够测量和存储的数据信息越来越大,
而能够精确描述过程的机理模型却难以获得. 数据驱
动的过程监测技术就是在这个背景下应运而生的, 其
中针对多变量统计过程监测 (MSPM) 的研究已得到
了工业界和学术界的广泛关注
[1-2]
MSPM 方法的理论基础是主成分分析 (PCA) 和
偏最小二乘 (PLS)
[2]
, 但在近几年的发展中, 为了克服
PCA/PLS 的缺陷, 学者们提出了各式各样的改进策
略
[3-6]
. 然而, 对于大多数工业过程而言, 都存在动态
性, 即测量样本是时序相关的. 为解决动态过程监测
的相关问题, 一些学者提出通过在过程数据矩阵中引
入延时测量值构成增广矩阵, 然后对其进行多变量统
计分析建模, 这就是所谓的动态 PCA (DPCA)
[4]
以及
其他类似方法的基本出发点
[3,5]
. 此外, Kerkhof 等
[6]
还
结合利用自回归模型 (AR) 和 PLS 回归算法 (AR-PLS)
来消除数据自相关性和交叉相关性的影响, 解决了间
歇动态过程监测问题. 虽然, 这种利用 PLS 回归算法
训练得到 AR 模型的思路为动态过程监测问题提供了
收稿日期: 2015-06-11;修回日期: 2015-09-17.
基金项目: 浙江省自然科学基金项目(LY14F030004, LY16F030001);浙江省科技厅公益技术应用研究项目(2015C
31017);宁波市自然科学基金项目(2013A610120).
作者简介: 童楚东(1988−), 男, 副教授, 博士, 从事数据驱动过程监测的研究;史旭华(1967−), 女, 教授, 博士, 从事数据
建模、化工过程优化及机器学习算法等研究.