CN111709181A - 基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,包括如下步骤:(1)获取涤纶长丝原始生产数据和物理指标;(2)对原始生产数据进行主成分分析,并降维;(3)根据降维后的k维数据,利用多元线性回归算法建立简化模型,(4)对简化模型的系数求解(先设立代价函数,再以涤纶长丝原始生产数据作为输入,以物理指标作为真实值,训练简化模型,以wT和b为训练对象,不断调节直到达到终止条件;对应的wT和b被确定下来),得到故障预测模型;(5)设定监督值F和阈值H;(6)预测故障;本发明的生产流程故障预测方法中加入了主成分分析法,将大数据降维,更简便的对数据进行分析,减少了人力成本、提高了预测准确率。
Description
技术领域
本发明属于故障预测方法技术领域,涉及一种基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法。
背景技术
近年来,现代企业中生产设备趋于大型化、连续化、高速化和自动化,设备的结构与组成十分复杂,生产规模非常庞大,生产过程中故障诊断的难题在于大型工业生产工艺复杂,影响生产流程的因素较多。而且,多数工业生产现场流程控制全部依赖人工经验判断,标准化程度低。以涤纶长丝的生产流程为例,这类生产流程往往涉及数十个操作步骤,大多数的操作判断都严重依赖人工经验,这样就造成产品品质的参差不一,因人而异。传统的故障预测技术难以处理海量的故障数据,故障预测的效率和准确度都达不到人们的期望值,造成了大量的人力财力浪费。
因此,在涤纶长丝生产过程中,研究一种能够显著提升故障预测的效率和准确度的故障预测方法具有十分重要的的意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,具体是提供一种基于机器学习算法和数据挖掘方法中的主成分分析算法对涤纶长丝生产过程中的故障预测方法,该方法可以显著提升故障预测的效率和准确度,可应用于工业大数据环境下涤纶长丝生产过程中的设备故障诊断。
本发明的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,首先,获取涤纶长丝生产的涤纶长丝原始生产数据和生成材料数据(物理指标),利用主成分分析算法对原始的大量数据进行降维,其中每个主成分都能够反应原始变量的大部分信息,且所含信息互不重复;其次,根据工业流程中提取出的原始数据,利用机器学习法将其与对应的生成材料(物理指标)数据之间建立合适的数学模型,并根据分析结果,对此模型的系数进行求解,得到所需的故障预测模型;最后,设置监督器,对于预测结果进行判断,预测故障。
为达到上述目的,本发明采用的方案如下:
基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,包括如下步骤:
(1)获取涤纶长丝原始生产数据和物理指标;
所述涤纶长丝原始生产数据为N条历史生产数据;所述生产数据的特征数为d,主要包括工艺流程的工艺参数;
(2)对数据池中的原始生产数据进行主成分分析,并降维(是指将原始的N条数据特征降为k条,其中,k小于N);
将N条且特征数为d的涤纶长丝原始生产数据,组成N行d列的矩阵R;降维后,得到矩阵X,即降维后的k维数据;其中,
(3)根据降维后的k维数据,利用多元线性回归算法建立简化模型,简化模型如下:
其中,为第1个特征值对应的第i行数据值,为第d个特征值对应的第i行数据值,i取值为1,2,…,k;b为常数系数,截距,代表偏移;w1,w2,…,wd为各特征值对应的系数,每一个w值对应涤纶长丝原始生产数据中的一个特征,w值越大的代表该w值(系数) 对应的特征对输出结果的影响越大,对最终样本(即物理指标数据)的贡献程度也就越大;
令w=(w1,w2,…,wd)T,X(i)=(X1 (i),X2 (i),…,Xd (i)),则简化模型为:
f(X(i))=wTX(i)+b;
在回归分析中,如果有两个或两个以上的自变量,就称为多元回归。由多个自变量的最优组合共同来预测或估计因变量,比只用一个自变量进行预测或估计更有效,更符合实际。
因此,选择多元线性回归来得到简化模型。
(4)对简化模型的系数(包括常数系数b以及各特征值对应的系数w)求解,得到故障预测模型;所述求解的过程为:
(4.1)设立代价函数,即均方误差,(代价函数是指训练集上所有样本误差的均值)
如下:,
其中,J(W)为多元线性回归模型的代价函数,k表示k维的数据,f(x(i))为简化模型的预测值,y(i)为真实值;
(4.2)以涤纶长丝原始生产数据作为输入(对应X矩阵的数据,即计算出f(x(i))),以物理指标作为真实值(即对应y(i)),训练简化模型(在最小化J(W)的基础上一步步求出最合适的w和b),在训练中,以wT和b为训练对象,不断调节wT和b,直到达到终止条件;所述终止条件为:
其中,a为预测精准度;
当达到终止条件时,对应的wT和b被确定下来,则代入简化模型中,即得到故障预测模型。
(5)设定监督值F和阈值H;
(6)预测故障;
将待预测的生产数据代入故障预测模型,得到f(X);
若(f(X)±F)2≤H,则该待预测的生产数据所对应的生产操作无故障,可进行生产操作;
若(f(X)±F)2>H,则该待预测的生产数据所对应的生产操作有故障。
作为优选的技术方案:
如上所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,所述降维的步骤为:
(1)将矩阵R的每一列的数据进行零均值化处理,得到协方差矩阵;
所述零均值化处理是指将数据减去其所在列的均值,目的是为了防止因为某一维特征数据过大对协方差矩阵的计算有较大的影响;
(2)根据现有技术,计算协方差矩阵的N个特征值和对应的特征向量;
(3)按照N个特征值的大小顺序将对应的特征向量排列成矩阵M,并取矩阵M的第1到第k行组成k行N列的矩阵P,可以利用对对应的k个特征值进行求和以及其占了整个特征值和的比例来判断矩阵P对涤纶长丝原始生产数据的特征保留的程度;
(4)令X=PR,得到k行d列的矩阵X,即降维后的k维数据。
如上所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,所述将待预测的生产数据代入故障预测模型时,还对故障预测模型进行监督校正,具体为:获取每一次故障预测模型输出的预测结果与实际生产数据之间的差值z,并计算z的平均值通过对故障预测模型中的常数系数b进行补偿,实现监督校正,得到优化后的故障预测模型,对下一次的待预测的生产数据进行预测。
如上所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,所述工艺参数有:生产操作时间、生产温度、生产环境指标、纺织速度、接触压力和卷绕角。
如上所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,所述物理指标有:冷却时间、纤度、断裂强度、断裂伸长、弹性回复率和其各自的CV%。
如上所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,所述预测精准度为 10-6。
如上所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,所述调节wT和b 时,采用梯度下降法进行调节。
所述训练的对象为w和b;
如上所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,所述监督值F为对涤纶长丝原始生产数据和物理指标(公司数据库提供)取平均值获得。
如上所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,所述阈值H是由历史生产数据及工业生产中新产生的生产数据通过人为计算和经验判断确定的。
有益效果
(1)现有技术在大数据基础上直接运行算法,复杂度较高。而本发明的故障预测算法加入了主成分分析法,将大数据降维,更简便的对数据进行分析;
(2)现有技术的操作过程依靠人工、流程控制全部依赖人工经验、生产操作预测困难、标准化程度低。而本发明采用大数据技术和自动化技术,减少了人力成本、提高了预测准确率。
附图说明
图1为本发明的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,其流程图如图1所示,具体是包括如下步骤:
(1)获取涤纶长丝原始生产数据和物理指标(冷却时间、纤度、断裂强度、断裂伸长、弹性回复率和其各自的CV%);
涤纶长丝原始生产数据为N条历史生产数据;
生产数据的特征数为d,主要包括工艺流程的工艺参数(生产操作时间、生产温度、生产环境指标、纺织速度、接触压力和卷绕角);
(2)对数据池中的原始生产数据进行主成分分析,并降维(是指将原始的N条数据特征降为k条,其中,k小于N);
降维的步骤为:
(2.1)将N条且特征数为d的涤纶长丝原始生产数据,组成N行d列的矩阵R;
(2.2)将矩阵R的每一列的数据进行零均值化处理,得到协方差矩阵;
零均值化处理是指将数据减去其所在列的均值,目的是为了防止因为某一维特征数据过大对协方差矩阵的计算有较大的影响;
(2.3)根据现有技术,计算协方差矩阵的N个特征值和对应的特征向量;
(2.4)按照N个特征值的大小顺序将对应的特征向量排列成矩阵M,并取矩阵M的第1到第k行组成k行N列的矩阵P,可以利用对对应的k个特征值进行求和以及其占了整个特征值和的比例来判断矩阵P对涤纶长丝原始生产数据的特征保留的程度;
(2.5)令X=PR,得到k行d列的矩阵X,即降维后的k维数据;设
(3)根据降维后的k维数据,利用多元线性回归算法建立简化模型,简化模型如下:
其中,为第1个特征值对应的第i行数据值,为第d个特征值对应的第i行数据值,i取值为1,2,…,k;b为常数系数,截距,代表偏移;w1,w2,…,wd为各特征值对应的系数,每一个w值对应涤纶长丝原始生产数据中的一个特征,w值越大的代表该w值(系数) 对应的特征对输出结果的影响越大,对最终样本(即物理指标数据)的贡献程度也就越大;
令w=(w1,w2,…,wd)T,X(i)=(X1 (i),X2 (i),…,Xd (i)),则简化模型为:
f(X(i))=wTX(i)+b;
在回归分析中,如果有两个或两个以上的自变量,就称为多元回归。由多个自变量的最优组合共同来预测或估计因变量,比只用一个自变量进行预测或估计更有效,更符合实际。因此,选择多元线性回归来得到简化模型。
(4)对简化模型的系数(包括常数系数b以及各特征值对应的系数w)求解,得到故障预测模型;
求解的过程为:
(4.1)设立代价函数,即均方误差,(代价函数是指训练集上所有样本误差的均值)如下:,
其中,J(W)为多元线性回归模型的代价函数,k表示k维的数据,f(x(i))为简化模型的预测值,y(i)为真实值;
(4.2)以涤纶长丝原始生产数据作为输入(对应X矩阵的数据,即计算出f(x(i))),以物理指标作为真实值(即对应y(i)),训练简化模型(在最小化J(W)的基础上一步步求出最合适的w和b),在训练中,以wT和b为训练对象,不断调节wT和b(采用梯度下降法进行调节),直到达到终止条件;
终止条件为:
其中,a为预测精准度,为10-6;
当达到终止条件时,对应的wT和b被确定下来,则代入简化模型中,即得到故障预测模型。
(5)设定监督值F(对涤纶长丝原始生产数据和物理指标(公司数据库提供)取平均值获得)和阈值H(由历史生产数据及工业生产中新产生的生产数据通过人为计算和经验判断确定的);
(6)预测故障;
将待预测的生产数据代入故障预测模型,得到f(X);
若(f(X)±F)2≤H,则该待预测的生产数据所对应的生产操作无故障,可进行生产操作;
若(f(X)±F)2>H,则该待预测的生产数据所对应的生产操作有故障。
Claims (8)
1.基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,其特征是包括如下步骤:
(1)获取涤纶长丝原始生产数据和物理指标;
所述涤纶长丝原始生产数据为N条历史生产数据;所述生产数据的特征数为d,主要包括工艺流程的工艺参数;
(2)对原始生产数据进行主成分分析,并降维;
将N条且特征数为d的涤纶长丝原始生产数据,组成N行d列的矩阵R;降维后,得到矩阵X,即降维后的k维数据;其中,
(3)根据降维后的k维数据,利用多元线性回归算法建立简化模型,简化模型如下:
令w=(w1,w2,…,wd)T,X(i)=(X1 (i),X2 (i),…,Xd (i)),则简化模型为:
f(X(i))=wTX(i)+b;
(4)对简化模型的系数求解,得到故障预测模型;所述求解的过程为:
(4.1)设立代价函数,即均方误差,如下:,
其中,J(W)为代价函数,k表示k维的数据,f(x(i))为简化模型的预测值,y(i)为真实值;
(4.2)以涤纶长丝原始生产数据作为输入,以物理指标作为真实值,训练简化模型,在训练中,以wT和b为训练对象,不断调节wT和b,直到达到终止条件;所述终止条件为:
其中,a为预测精准度;
(5)设定监督值F和阈值H;
(6)预测故障;
将待预测的生产数据代入故障预测模型,得到f(X);
若(f(X)±F)2≤H,则该待预测的生产数据所对应的生产操作无故障,可进行生产操作;
若(f(X)±F)2>H,则该待预测的生产数据所对应的生产操作有故障。
2.根据权利要求1所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,其特征在于,所述降维的步骤为:
(1)将矩阵R的每一列的数据进行零均值化处理,得到协方差矩阵;
所述零均值化处理是指将数据减去其所在列的均值;
(2)计算协方差矩阵的N个特征值和对应的特征向量;
(3)按照N个特征值的大小顺序将对应的特征向量排列成矩阵M,并取矩阵M的第1到第k行组成k行N列的矩阵P;
(4)令X=PR,得到k行d列的矩阵X,即降维后的k维数据。
3.根据权利要求1所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,其特征在于,所述工艺参数有:生产操作时间、生产温度、生产环境指标、纺织速度、接触压力和卷绕角。
4.根据权利要求1所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,其特征在于,所述物理指标有:冷却时间、纤度、断裂强度、断裂伸长、弹性回复率和其各自的CV%。
5.根据权利要求1所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,其特征在于,所述预测精准度为10-6。
6.根据权利要求1所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,其特征在于,所述调节wT和b时,采用梯度下降法进行调节。
7.根据权利要求1所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,其特征在于,所述监督值F为对涤纶长丝原始生产数据和物理指标取平均值获得。
8.根据权利要求1所述的基于主成分分析的涤纶长丝工业生产流程故障预测方法,其特征在于,所述阈值H是由历史生产数据及工业生产中新产生的生产数据通过人为计算和经验判断确定的。
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