CN113761748A - 一种基于联邦增量随机配置网络的工业过程软测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于联邦增量随机配置网络的工业过程软测量方法，包括：获取历史的工业过程辅助数据和其对应的产品质量数据；找出最佳隐层参数；中央服务器处理得到全局参数，下传至每个工厂作为本地模型的隐层参数。每个工厂的本地模型计算新增隐层输出并构建隐层输出矩阵；通过优化算法得到当前网络的输出权值，并将输出权值上传至服务器进行加权聚合；在当前网络隐层节点数超过给定最大隐层节点数或当前迭代中的残差满足期望容差时，不再增加新节点，建模完成，得到全局联邦增量随机配置网络。本发明不仅能有效提高模型的预测性能，而且可以有效地保护数据隐私，能够很好地满足工业过程软测量的需求。
Description
技术领域
本发明涉及工业过程产品质量指标的软测量技术领域，特别涉及一种基于联邦增量随机配置网络的工业过程软测量方法。
背景技术
为了降低生产成本，提高生产效率和质量，能够实时准确预报生产产品质量指标的软测量技术，是当今复杂工业过程控制领域的一个重要研究方向，具有深远的意义和实用应用价值。由于复杂工业这个领域面临着数据不足的问题，如果多方企业不进行数据交换和整合，则通过人工智能模型训练和预测得到的效果指标不理想，难以落地应用；随着大数据的进一步发展，重视数据隐私和安全已经成为了世界性的趋势。因此各国都在加强对数据安全和隐私的保护，欧盟最近引入的新法案《通用数据保护条例》(General DataProtection Regulation,GDPR)表明，对用户数据隐私和安全管理的日趋严格将是世界趋势。这给人工智能领域带来了前所未有的挑战。联邦学习作为一个机器学习框架可在保护数据隐私的前提下实现由多个参与者的本地数据训练出统一的机器学习模型，因此在隐私敏感的场景中(包括金融业、工业和许多其他数据感知场景)联邦学习展现出了极好的应用前景。目前联邦学习主要与深度学习相结合，但深度算法本身存在一些难以解决的瓶颈问题，如易陷入局部极小点、对初始参数的设定依赖性较强、梯度消失及梯度爆炸等问题，难以充分发挥神经网络强大的学习能力。随机配置网络作为近年来出现的一种先进的具有无限逼近特性的单隐层随机权值网络，大量的回归和分类试验都证实它在紧凑性、快速学习和泛化性能等方面具有明显的优势。
发明内容
发明目的：本发明针对现有工业过程产品数据量少，难以集中各方数据训练，本发明提出一种基于联邦增量随机配置网络的工业过程软测量方法，包括以下步骤：
步骤1，各个工厂获取历史的工业过程辅助数据和对应的产品质量数据，并初始化本地增量随机配置网络模型学习所需要的参数，每个工厂都是一个客户端，每个客户端将满足本地数据约束的隐层节点放入候选池，从候选池中选择最佳候选节点上传至中央服务器；
步骤2，中央服务器对上传的最佳候选节点进行加权聚合或者贪婪选择得到全局参数，并将全局参数下传至每个客户端作为本地增量随机配置网络模型的隐层参数；
步骤3，每个客户端得到全局参数后计算新增隐层输出，并将输出权值上传至中央服务器进行加权聚合，继续开始下一轮训练；
步骤4，在当前网络隐层节点数超过给定最大隐层节点数或当前迭代中的残差满足期望容差时，不再增加新节点，停止联邦训练，得到训练好的全局模型；
步骤5，服务器将训练好的全局模型分发给各个本地工厂作为软测量模型。
步骤1中，设定共有K个工厂参与联邦训练，对于第k个工厂，获取nk组历史的工业过程辅助数据Xk和对应的产品质量数据Tk，记为{Xk,Tk}；第k个工厂第i组历史的工业过程辅助数据
包含d个辅助过程变量，对应的产品质量数据ti包含m个产品质量数据，i取值为1～nk，则输入样本矩阵
第i组z个辅助过程变量集合记为
表示第k个工厂第i组第z个辅助过程变量。
步骤1中，所述的K个工厂都执行相同的工业过程；相同的工业过程大多采用相同的工艺流程和过程设备，具有特征相似性。
步骤1中，所述初始化本地增量随机配置网络学习所需要的参数。包括：最大隐层节点数Lmax、最大随机配置次数Tmax、期望容差ε、隐层参数随机配置范围Υ＝{λmin:Δλ:λmax}、学习参数r、激活函数g(.)、初始残差e0＝Tk，其中λmin为随机参数的分配区间下限，λmax为随机参数的分配区间上限，Δλ为随机参数分配区间增量参数
步骤1还包括：
在每个客户端的本地增量随机配置网络构建过程中，在可调对称区间Υ内分别随机生成隐层参数
和
节点隐层输出
上标T为矩阵或向量的转置；
设定μL＝(1-r)/(L+1)，L为当前本地增量随机配置网络模型隐层节点总数，r表示学习参数，μL是一个非负实数序列；
找出满足以下不等式约束的隐层节点即为候选节点：
其中，
式中，m表示各训练集输出的维数，符号<·,·>表示向量的内积，
代表在客户端k中当前隐层节点数为L时各训练集第q个输出对应的监督机制，计算
得到新增候选节点
j≤Tmax构建候选池，其中
表示第k个客户端在第L次迭代时随机配置的节点监督值，
表示第k个客户端中第L次迭代时第j次随机配置的节点监督值；
找出使得
最大的一组隐层参数，即为满足监督机制的最佳隐层参数
和
步骤1还包括：所述从候选池中选择最佳候选节点上传至中央服务器，包括加权聚合和贪婪选择：
加权聚合上传
和
贪婪选择上传
和对应的
步骤2包括：
中央服务器对上传的最佳候选节点进行加权聚合得到模型第L个节点的全局参数
和
其中
其中n为所有客户端本地历史工业过程辅助数据nk的总和。
步骤2中，所述中央服务器对上传的最佳节点进行贪婪选择包括：
中央服务器对上传的参数
进行比较，选择最大的
对应的客户端参数作为模型第L个节点的全局参数
和
其中
其中Θ是每个客户端上传的最优参数
和
的集合，Ξ为
的集合。
步骤3包括：
根据当前全局参数
和
每个客户端计算新增隐层输出
计算客户端本地隐层输出矩阵
其中当前隐层输出矩阵为
式中，
表示本地客户端k每个客户端上传输出矩阵
至中央服务器，中央服务器对上传的
进行加权聚合得到全局输出矩阵βL，其中
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于本方法采用动态配置的联邦学习方式训练模型，以构造法的形式建立具有无限逼近特性的参数最优的工业过程产品质量软测量模型，不需要复杂的再训练过程，且能够保证模型的准确性，具有良好的紧致性和泛化性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是联邦增量随机配置网络模型示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于联邦增量随机配置网络的工业过程软测量方法，本发明所使用的拟合模型结构如图1所示，包括输入层、隐藏层和输出层；d＝5，m＝1。本发明包括以下步骤：
步骤一，每个工厂从磨矿过程历史本地数据库中选取100组传统赤铁矿磨矿过程测得的历史数据，即每组包含球磨机电流c1和螺旋分级机电流c2、磨机给矿量c3、磨机入口给水流量c4和分级机溢流浓度c5五个辅助过程变量数据，用
表示第k个客户端均一化后的输入数据，和其对应的产品质量数据，即磨矿粒度值ti。
表示第k个客户端的第i个样本的c5辅助过程变量数据。现有10个工厂参与训练，共1000组历史数据，其中800组作为训练集，200组作为测试集。则输入样本为
其中
输出样本为
初始化联邦增量随机配置网络软测量模型学习所需要的参数，其中最大隐层节点数Lmax＝100、最大配置次数Tmax＝20、期望容差ε＝0.05、隐层参数随机配置范围Υ:＝{1:1:10}、学习参数r＝0.99、初始残差e0＝T，激活函数选取Sigmoid(S曲线)函数g(x)＝1/(1+exp(-x))；
联邦增量随机配置网络构造过程中，当第k个客户端添加第L个节点时：
在可调范围[-1,1]内随机生成20对隐层参数，即输入权值
和偏置
将其代入激活函数g(x)；
节点隐层输出
T表示转置运算；
设定μL＝(1-r)/(L+1)，L为当前本地网络隐层节点总数；
找出满足以下不等式约束的隐层节点即为候选节点：
其中，
若20轮均未找到满足条件的隐层参数，则放宽监督机制的条件：更新r＝r+τ，其中参数τ∈(0,1-r)，直到找到满足监督机制的参数。
将所述候选节点分别代入
得到
其中
表示客户端k中表示第L次迭代中第n次随机配置的节点监督值；
为满足增量监督机制的多个新增候选节点，构建候选隐层单节点池；
从节点池找出最大值
对应的一组隐层参数，即为满足监督机制的最佳隐层参数
和
上传最佳候选节点上传至中央服务器，根据不同的算法上传不同的参数，算法包括加权聚合和贪婪选择：
加权聚合上传
和
贪婪选择上传
和其对应的
步骤二包括：
中央服务器对上传的最佳节点进行加权聚合或贪婪选择：
所述中央服务器对上传的最佳节点进行加权聚合包括：
中央服务器对上传的参数进行加权聚合得到第L个节点的全局参数
和
其中
其中n为所有客户端数据样本的总数，nk为客户端k的数据样本总数。
所述中央服务器对上传的最佳节点进行贪婪选择包括：
中央服务器对上传的参数
进行比较，选择最大
对应的客户端参数作为第L个节点的全局参数
和
其中
其中Θ是每个客户端上传的最优参数
和
的集合，Ξ为
的集合。
步骤三包括：
所述每个客户端得到全局参数
和
后计算新增隐层输出和输出权值
并将
上传至服务器进行加权聚合包括：
根据当前全局参数
和
每个客户端计算新增隐层输出：
计算本地客户端隐层输出矩阵：
其中
每个客户端上传输出矩阵
至中央服务器，服务器对上传的
进行加权聚合得到βL
其中
此时每个客户端的增量随机配置网络残差为：
步骤四：当联邦增量随机配置网络的隐层节点数超过100或当前迭代中的残差满足期望容差0.05时，不再增加新节点，建模完成。否则，返回步骤一，继续构造网络，直到达到预先设置的要求。各个客户端下载基于联邦增量随机配置网络的磨矿粒度软测量模型。每个客户端在线采集本地数据输入此全局软测量模型。
步骤五，各个客户端在线采集球磨机电流c1、螺旋分级机电流c2、磨机给矿量c3、磨机入口给水流量c4和分级机溢流浓度c5，输入至已构建的磨矿粒度软测量模型，进行磨矿粒度在线估计，即
其中
为客户端k在线估计的产品质量数据。
本发明提供了一种基于联邦增量随机配置网络的工业过程软测量方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种基于联邦增量随机配置网络的工业过程软测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，各个工厂获取历史的工业过程辅助数据和对应的产品质量数据，并初始化本地增量随机配置网络模型学习所需要的参数，每个工厂都是一个客户端，每个客户端将满足本地数据约束的隐层节点放入候选池，从候选池中选择最佳候选节点上传至中央服务器；
步骤2，中央服务器对上传的最佳候选节点进行加权聚合或者贪婪选择得到全局参数，并将全局参数下传至每个客户端作为本地增量随机配置网络模型的隐层参数；
步骤3，每个客户端得到全局参数后计算新增隐层输出，并将输出权值上传至中央服务器进行加权聚合，继续开始下一轮训练；
步骤4，在当前网络隐层节点数超过给定最大隐层节点数或当前迭代中的残差满足期望容差时，不再增加新节点，停止联邦训练，得到训练好的全局模型；
步骤5，服务器将训练好的全局模型分发给各个本地工厂作为软测量模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，设定共有K个工厂参与联邦训练，对于第k个工厂，获取nk组历史的工业过程辅助数据Xk和对应的产品质量数据Tk，记为{Xk,Tk}；第k个工厂第i组历史的工业过程辅助数据
包含z个辅助过程变量，对应的产品质量数据ti包含m个产品质量数据，i取值为1～nk，则输入样本矩阵
第i组z个辅助过程变量集合记为
表示第k个工厂第i组第z个辅助过程变量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述初始化本地增量随机配置网络学习所需要的参数，包括：最大隐层节点数Lmax、最大随机配置次数Tmax、期望容差ε、隐层参数随机配置范围Υ＝{λmin:Δλ:λmax}、学习参数r、激活函数g(.)、初始残差e0＝Tk，其中λmin是随机参数的分配区间下限，λmax是随机参数的分配区间上限，Δλ为随机参数分配区间增量参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1还包括：
在每个客户端的本地增量随机配置网络构建过程中，在可调对称区间Υ内分别随机生成隐层参数
和
节点隐层输出
上标T为矩阵或向量的转置；
设定μL＝(1-r)/(L+1)，L为当前本地增量随机配置网络模型隐层节点总数，r表示学习参数，μL是一个非负实数序列；
找出满足以下不等式约束的隐层节点即为候选节点：
其中，
式中，m表示各训练集输出的维数，符号<·,·>表示向量的内积，
代表在客户端k中当前隐层节点数为L时各训练集第q个输出对应的监督机制，计算
得到新增候选节点
构建候选池，其中
表示第k个客户端在第L次迭代时随机配置的节点监督值，
表示第k个客户端中第L次迭代时第j次随机配置的节点监督值；
找出使得
最大的一组隐层参数，即为满足监督机制的最佳隐层参数
和
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1还包括：所述从候选池中选择最佳候选节点上传至中央服务器，包括加权聚合和贪婪选择：
加权聚合上传
和
贪婪选择上传
和对应的
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2包括：
中央服务器对上传的最佳候选节点进行加权聚合得到模型第L个节点的全局参数
和
其中
其中n为所有客户端本地历史工业过程辅助数据nk的总和。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2包括：所述中央服务器对上传的最佳候选节点进行贪婪选择包括：
中央服务器对上传的参数
进行比较，选择最大的
对应的客户端参数作为模型第L个节点的全局参数
和
其中
其中Θ是每个客户端上传的最优参数
和
的集合，Ξ为
的集合。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤3包括：
根据当前全局参数
和
每个客户端计算新增隐层输出
计算客户端本地隐层输出矩阵
其中当前隐层输出矩阵为
式中，
表示本地客户端k每个客户端上传输出矩阵
至中央服务器，中央服务器对上传的
进行加权聚合得到全局输出矩阵βL，其中
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