基于概率推理的軟測量若干關(guān)鍵問題研究.pdf

1、軟測量模型是基于生產(chǎn)過程特征建立的,能夠反映易于測量的過程變量與難于測量的目標過程變量間復雜關(guān)系的數(shù)學模型?；谠摂?shù)學模型,可實現(xiàn)對目標變量的推斷估計,從而解決一些關(guān)鍵過程變量難于測量的問題。采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法建立的軟測量模型在工業(yè)中獲得了越來越廣泛的應用,并取得了較好的應用效果。
　　在目前的軟測量研究與應用中仍存在以下亟待解決的問題:(1)提高對建模數(shù)據(jù)中異常值的檢測能力;(2)如何解決模型訓練的不穩(wěn)定性,提高預測模型的預測精度

2、;(3)對于日趨復雜的生產(chǎn)過程,例如生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)明顯生產(chǎn)狀態(tài)切換的過程,如何保證在不同的狀態(tài)下均取得較好的預測效果;(4)如何提高軟測量模型的持續(xù)工作能力。
　　針對以上問題,本文基于概率推理建模方法進行了深入研究。概率推理建模(包括極大似然方法和貝葉斯方法)是數(shù)據(jù)驅(qū)動軟測量建模中的一種重要方法,其在面向復雜多變量工業(yè)過程數(shù)據(jù)建模時有著優(yōu)越的性能。本文的研究內(nèi)容如下:
　　(1)為提高針對訓練數(shù)據(jù)中的異常值進行檢測的能力

3、,將概率主成分分析用于建模數(shù)據(jù)的異常值檢測,給出了一種能夠在主成分空間更加有效地進行異常值檢測的方法。該方法在保留主成分分析對于異常值檢測的優(yōu)良特性基礎(chǔ)上,利用概率主成分分析的隱變量模型結(jié)構(gòu),對建模數(shù)據(jù)在主成分空間的投影分布進行方便有效的密度估計?；谠撁芏裙烙嫷奶匦?并結(jié)合統(tǒng)計距離,有效地提高了對異常值檢測的準確性。同時基于期望最大化算法的基本框架,也給出了相應的期望最大化算法。通過與幾種目前常用的異常值檢測方法進行實驗比較,顯示出更

4、好的檢測效果。
　　(2)為解決軟測量中預測模型的訓練不穩(wěn)定性問題,提出了一種由同構(gòu)概率回歸子模型構(gòu)成的組合預測模型。該組合模型方法通過bootstrap重采樣方法獲得多個訓練數(shù)據(jù)集,基于這些數(shù)據(jù)集建立多個同結(jié)構(gòu)概率回歸子模型,然后根據(jù)各個子預測模型的預測方差和預測均值分布概率,給出了一種基于子模型預測性能評價的模型組合策略,對多個子模型的輸出進行組合獲得組合輸出,從而有效解決單個模型建模會出現(xiàn)的訓練不穩(wěn)定性問題,提高了軟測量模型

5、的整體預測性能。通過采用高斯過程回歸模型、相關(guān)向量機這兩種典型的概率回歸模型作為子模型,針對實際應用進行實驗。實驗結(jié)果說明了該組合模型方法相對于傳統(tǒng)的單模型方法有更好的預測效果。
　　(3)針對一類有明顯狀態(tài)切換的復雜生產(chǎn)過程,由于各狀態(tài)物理或化學機理性質(zhì)差異,單一模型難以在各個狀態(tài)下都取得理想預測性能的問題,提出了一種預測模型組合框架。該框架首先采用有偏重的模型訓練策略,對構(gòu)成生產(chǎn)過程的基本生產(chǎn)狀態(tài)建立相應的子模型。在基本生產(chǎn)狀

6、態(tài)的特征數(shù)據(jù)選取時采用了粒子群優(yōu)化算法,以讓子模型能更好地捕捉基本生產(chǎn)狀態(tài)特征。然后采用模糊C均值聚類方法對組合生產(chǎn)狀態(tài)進行辨識,在各狀態(tài)下基于貝葉斯模型比較評估各子模型的預測性能,并以此為依據(jù),基于貝葉斯模型組合方法在各組合生產(chǎn)狀態(tài)中采用不同的子模型組合策略,從而能夠有效地保證模型在不同生產(chǎn)狀態(tài)中均能取得所需的預測性能。
　　針對貝葉斯模型在訓練時采用馬爾可夫鏈蒙特卡洛方法常常會出現(xiàn)計算負擔很大的問題,采用了交叉檢驗分布來計算模

7、型證據(jù),并根據(jù)參數(shù)模型和非參數(shù)模型的不同特點,給出了不同的計算策略,有效地降低了模型訓練和模型比較的計算負擔。實驗分析說明,該方法相對于傳統(tǒng)的單一模型方法,有更優(yōu)良的性能。
　　(4)為在軟測量模型依賴的硬件傳感器輸出數(shù)據(jù)失效時能對其進行重構(gòu),從而提高軟測量模型整體可用性,提出了一種以混合高斯模型為基礎(chǔ),能夠基于有效數(shù)據(jù)對失效的硬件傳感器輸出數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)重構(gòu)的方法。該方法充分利用混合高斯模型對多模分布數(shù)據(jù)能夠進行有效建模的能力,建