CN201035376Y - 工业生产过程小样本条件下的故障诊断装置 - Google Patents

Abstract

一种工业生产过程小样本条件下的故障诊断装置，包括与工业过程对象连接的现场智能仪表、DCS系统以及上位机，所述的DCS系统由数据接口、控制站、数据库构成；智能仪表、DCS系统、上位机依次相连，所述的上位机包括标准化处理模块、主元分析功能模块、支持向量机分类器功能模块、故障判断模块、信号采集模块、待诊断数据确定模块以及故障诊断模块。本实用新型提供一种能够处理较好的处理小样本、非线性及要求模型泛化能力强的实测数据、能够得到良好的诊断效果的工业生产过程小样本条件下的故障诊断装置。

Description

工业生产过程小样本条件下的故障诊断装置

(一)技术领域

本实用新型涉及工业过程故障诊断领域，特别地，涉及一种工业生产过程小样本条件下的故障诊断装置。

(二)背景技术

由于产品质量、经济效益、安全以及环保的要求，工业过程和相关的控制系统变的非常复杂，为了保证工业系统的正常运作，故障的诊断和检测在工业过程中扮演着非常重要的角色。近年来，统计分析应用于过程监控和故障诊断得到了广泛的研究。

利用工业实测数据，采用统计的方法进行故障诊断，避开了复杂的机理分析，求解相对简便快捷。但是目前的工业过程故障诊断装置，大多是基于样本数目趋于无穷大时的渐近统计方法，而在实际问题中，样本数往往是有限的，因此一些理论上很优秀的故障诊断方法在实际应用中表现往往不尽人意。如何面对小样本、非线性及要求模型泛化能力强的工业生产过程进行有效的故障诊断是现有的故障诊断装置所急需解决的问题。

(三)发明内容

为了克服已有的工业过程故障诊断装置的不能有效处理小样本、非线性及要求模型泛化能力强的实测数据、难以得到较好的诊断效果的不足，本实用新型提供一种能够处理较好的处理小样本、非线性及要求模型泛化能力强的实测数据、能够得到良好的诊断效果的工业生产过程小样本条件下的故障诊断装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种工业生产过程小样本条件下的故障诊断装置，包括与工业生产过程对象连接的现场智能仪表、DCS系统以及上位机，所述的DCS系统由数据接口、控制站、数据库构成；智能仪表、DCS系统、上位机依次相连，所述的上位机包括：

标准化处理模块，用于对数据库中采集系统正常时关键变量数据进行标准化处理，各变量的均值为0，方差为1，得到输入矩阵X，采用以下过程来完成：

1)计算均值： $\stackrel{\‾}{\mathrm{TX}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{TX}}_i,---\left(1\right)$

2)计算方差： ${\mathrm{\σ}}_x^2=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{TX}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{TX}}),---\left(2\right)$

3)标准化： $X=\frac{\mathrm{TX}-\stackrel{\‾}{\mathrm{TX}}}{{\mathrm{\σ}}_x},---\left(3\right)$

其中，TX为训练样本，N为训练样本数，

为训练样本的均值；

主元分析功能模块，用于进行主元分析提取主成分，依照设置的主元方差提取率，采用协方差奇异值分解的方法，采用以下步骤来实现：

①计算X的协方差阵，记为∑_X；

②对∑_X进行奇异值分解，得到特征根λ₁，λ₂，...，λ_p，其中λ₁≥λ2≥...≥λp，对应的特征向量矩阵为U；

③计算总方差和每个特征值对应的方差贡献率，按各个特征值的方差贡献率从大到小累加直到总的方差贡献率达到给定值，记选取个数为k；

④选取特征向量矩阵U的前k列，作为变换矩阵T；

⑤计算主元，通过式子F＝T×X计算得到主元F；

支持向量机分类器功能模块，用于核函数采用径向基函数K(x_i，x)＝exp(-‖x-x_i‖/σ²)，依照设置的置信概率，将训练过程化为如下二次规划求解问题：

$\mathrm{\ω}\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i-\frac{1}{2}\underset{i,j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\α}}_j{y}_i{y}_{j}K(x_i,x_j)---\left(4\right)$

得到分类函数，即如下函数的符号函数：

$f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{\mathrm{\α}}_{i}K(x_i,x)+b---\left(5\right)$

其中，α_i(i＝1，…，N)是拉各朗日乘子，x_i(i＝1，…，N)是输入向量，y是输出变量，ω是支持向量机超平面的法向量，决定超平面的的方向，b为决定超平面位置的参数，δ为核参数；

定义当f(x)＞＝0，数据样本处于正常状态；当f(x)＜0时，处于异常状态；

信号采集模块，用于设定每次采样的时间间隙，采集现场智能仪表的信号；

待诊断数据确定模块，用于将采集的数据传送到DCS实时数据库中，在每个定时周期从DCS数据库的实时数据库中，得到最新的变量数据作为待诊断数据VX；

故障诊断模块，用于对待检测数据VX用训练时得到的

和σ_x ²进行标准化处理，并将标准化处理后的数据作为主元分析模块的输入；用训练时得到的变换系数矩阵T对输入进行变换，变换后矩阵输入到支持向量机分类器模块；将输入代入训练得到的判别函数，计算判别函数值，判别过程的状态；

所述现场智能仪表与信号采集单元数据连接，所述信号采集单元连接待诊断数据确定模块，所述的待诊断数据确定模块连接故障诊断模块，所述标准化处理模块与数据库数据连接，所述标准化处理模块与主元分析功能模块连接，所述主元分析功能模块与支持向量机分类器功能模块连接，所述支持向量机分类器功能模块与故障诊断模块连接。

作为优选的一种方案：所述的上位机还包括：判别模型更新模块，用于定期将过程状态正常的点添加到训练集VX中，输出到标准化处理模块、小波分解模块、主元分析功能模块、小波重构功能模块，并更新支持向量机分类器的分类模型；所述判别模型更新模块与支持向量机分类器功能模块连接。

作为优选的另一种方案：所述的上位机还包括：结果显示模块，用于将故障诊断结果传给DCS系统，并在DCS的控制站显示过程状态，并通过DCS系统和现场总线将过程状态信息传递到现场操作站进行显示；所述故障诊断模块的输出连接所述结果显示模块。

上位机中主元分析功能模块具有的强的解相关性能力和支持向量机分类器功能模块具有的良好的多变量非线性映射能力和强泛化能力。能够很好的处理小样本、非线性及要求模型泛化能力强的实测数据。

本实用新型的有益效果主要表现在：将主元分析功能模块和支持向量机分类器功能模块二者很好地结合在一起，发挥各自的优势，使得故障诊断更加可靠有效，能更好的指导生产，提高生产效益。

(四)附图说明

图1是本实用新型所提出的故障诊断装置的硬件结构图。

图2是本实用新型所提出的故障诊断装置的功能模块图。

图3是本实用新型上位机的原理框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1、图2、图3，一种工业生产过程小样本条件下的故障诊断装置，包括与工业生产过程对象1连接的现场智能仪表2、DCS系统以及上位机6，所述的DCS系统由数据接口3、控制站4、数据库5构成；智能仪表2、DCS系统、上位机6通过现场总线依次相连，所述的上位机6包括：

标准化处理模块7，用于对数据进行标准化处理，各变量的均值为0，方差为1，得到输入矩阵X，采用以下过程来完成：

1)计算均值： $\stackrel{\‾}{\mathrm{TX}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{TX}}_i,---\left(1\right)$

2)计算方差： ${\mathrm{\σ}}_x^2=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{TX}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{TX}}),---\left(2\right)$

3)标准化： $X=\frac{\mathrm{TX}-\stackrel{\‾}{\mathrm{TX}}}{{\mathrm{\σ}}_x},---\left(3\right)$

其中，TX为训练样本，N为训练样本数，

为训练样本的均值；

主元分析功能模块8，用于进行主元分析提取主成分，依照设置的主元方差提取率，采用协方差奇异值分解的方法，采用以下步骤来实现：

①计算X的协方差阵，记为∑_X；

②对∑_X进行奇异值分解，得到特征根λ₁，λ₂，...，λ_p，其中λ₁≥λ2≥...≥λp，对应的特征向量矩阵为U；

③计算总方差和每个特征值对应的方差贡献率，按各个特征值的方差贡献率从大到小累加直到总的方差贡献率达到给定值，记选取个数为k；

④选取特征向量矩阵U的前k列，作为变换矩阵T；

⑤计算主元，通过式子F＝T×X计算得到主元F；

支持向量机分类器功能模块9，用于核函数采用径向基函数K(x_i，x)＝exp(-‖x-x_i‖/σ²)，依照设置的置信概率，将训练过程化为如下二次规划求解问题：

$\mathrm{\ω}\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i-\frac{1}{2}\underset{i,j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\α}}_j{y}_i{y}_{j}K(x_i,x_j)---\left(4\right)$

得到分类函数，即如下函数的符号函数：

$f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{\mathrm{\α}}_{i}K(x_i,x)+b---\left(5\right)$

其中，α_i(i＝1，…，N)是拉各朗日乘子，x_i(i＝1，…，N)是输入向量，y是输出变量，ω是支持向量机超平面的法向量，决定超平面的的方向，b为决定超平面位置的参数，δ为核参数；

定义当f(x)＞＝0，数据样本处于正常状态；当f(x)＜0时，处于异常状态；

信号采集模块10，用于设定每次采样的时间间隙，采集现场智能仪表的信号；

待诊断数据确定模块11，用于将采集的数据传送到DCS实时数据库中，在每个定时周期从DCS数据库的实时数据库中，得到最新的变量数据作为待诊断数据VX；

故障诊断模块12，用于对待检测数据VX用训练时得到的

和σ_x ²进行标准化处理，并将标准化处理后的数据作为小波分解模块的输入，用训练时相同的参数对输入数据进行小波分解，得到的系数作为中主元分析模块的输入；用训练时得到的变换系数矩阵T对输入进行变换，变换后矩阵输入到小波重构模块；将对应的数据相加即得到原待测数据的主成分，并将所得到的主成分输入到支持向量机分类器模块；将输入代入训练得到的判别函数，计算判别函数值，判别过程的状态；

所述现场智能仪表2与信号采集单元10数据连接，所述信号采集单元10连接待诊断数据确定模块11，所述的待诊断数据确定模块11连接故障诊断模块12，所述标准化处理模块7与数据库5数据连接，所述标准化处理模块7与主元分析功能模块8连接，所述主元分析功能模块8与支持向量机分类器功能模块9连接，所述支持向量机分类器功能模块9与故障诊断模块12连接。

所述的上位机还包括：判别模型更新模块13，用于定期将过程状态正常的点添加到训练集VX中，输出到标准化处理模块7、主元分析功能模块8、，并更新支持向量机分类器模块9的分类模型；所述判别模型更新模块13与支持向量机分类器功能模块9连接。

所述的上位机还包括：结果显示模块14，用于将故障诊断结果传给DCS，并在DCS的控制站显示过程状态，并通过DCS系统和现场总线将过程状态信息传递到现场操作站进行显示；所述故障诊断模块12的输出连接所述结果显示模块14。

本实施例的工业过程故障诊断装置的硬件结构图如附图1所示，所述的故障诊断装置核心由包括标准化处理模块7、主元分析模块8、支持向量机分类器模块9三大功能模块和人机界面的上位机6构成，此外还包括：现场智能仪表2，DCS系统和现场总线。所述的DCS系统由数据接口3、控制站4、数据库5构成；工业过程对象1、智能仪表2、DCS系统、上位机6通过现场总线依次相连，实现信息流的上传和下达。故障诊断系统在上位机6上运行，可以方便地与底层系统进行信息交换，及时应对系统故障。

本实施例的故障诊断装置的功能模块图如附图2所示，主要包括标准化处理模块7、主元分析模块8、支持向量机分类器模块9等。

所述的故障诊断方法按照如下步骤进行实施：

1、确定故障诊断所用的关键变量，从DCS数据库5的历史数据库中采集系统正常时这些变量的数据作为训练样本TX；

2、在上位机6的主元分析功能模块8和支持向量机分类器功能模块9中，分别设置主元分析方差提取率、支持向量机分类器核参数和置信概率等参数，设定DCS中的采样周期；

3、训练样本TX在上位机6中，依次经过标准化处理7、主元分析8、支持向量机分类器9等功能模块，采用以下步骤来完成诊断系统的训练；

1)上位机6的标准化处理功能模块7，对数据进行标准化处理，使得各变量的均值为0，方差为1，得到输入矩阵X。采用以下过程来完成：

①计算均值： $\stackrel{\‾}{\mathrm{TX}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{TX}}_i---\left(1\right)$

②计算方差： ${\mathrm{\σ}}_x^2=\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{TX}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{TX}})---\left(2\right)$

③标准化： $X=\frac{\mathrm{TX}-\stackrel{\‾}{\mathrm{TX}}}{{\mathrm{\σ}}_x}---\left(3\right)$

其中N为训练样本数，N为训练样本数，

为训练样本的均值。

上位机6的标准化处理功能模块7所进行的标准化处理能消除各变量因为量纲不同造成的影响。

2)上位机6的主元分析功能模块8，进行主元分析。所述的上位机6中主元分析功能模块8的总方差提取率大于80％，采用以下步骤来实现：

①计算X的协方差阵，记为∑_X；

②对∑_X进行奇异值分解，得到特征根λ₁，λ₂，...，λ_p，其中λ₁≥λ2≥...λp，对应的特征向量矩阵为U；

③计算总方差和每个特征值对应的方差贡献率，按各个特征值的方差贡献率从大到小累加直到总的方差贡献率达到给定值，记选取个数为k；

④选取特征向量矩阵U的前k列，作为变换矩阵T；

⑤计算主元，通过式子F＝T×X计算得到主元F。

主元分析在力求数据信息丢失最少的原则下，对高维的变量空间降维。其实质是研究变量体系的少数几个线性组合，并且这几个线性组合所构成的综合变量将尽可能多地保留原变量变异方面的信息。很显然，分析系统在一个低维空间要比在一个高维空间容易得多。

3)训练上位机6中的支持向量机分类器功能模块9的分类模型。

所述的上位机6中的支持向量机分类器功能模块9的核函数，采用径向基函数K(x_i，x)＝exp(-‖x-x_i‖/σ²)，将训练过程化为如下二次规划求解问题：

$\mathrm{\ω}\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i-\frac{1}{2}\underset{i,j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\α}}_j{y}_i{y}_{j}K(x_i,x_j)---\left(4\right)$

从而得到分类函数，即如下函数的符号函数：

$f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{\mathrm{\α}}_{i}K(x_i,x)+b---\left(5\right)$

其中，α_i(i＝1，…，N)是拉各朗日乘子，x_i(i＝1，…，N)是输入向量，y是输出变量，ω是支持向量机超平面的法向量，决定超平面的的方向，b为决定超平面位置的参数，δ为核参数；

定义当f(x)＞＝0，数据样本处于正常状态；当f(x)＜0时，处于异常状态。

支持向量机分类器基于统计学习理论，采用结构风险最小化准则，很好地解决了小样本、局部极小点、高维数等难题，用于分类问题能提高分类精度。

4、系统开始投运：

1)用定时器，设置好每次采样的时间间隔；

2)现场智能仪表2检测过程数据并传送到DCS数据库5的实时数据库中；

3)上位机6在每个定时周期从DCS数据库5的实时数据库中，得到最新的变量数据，作为待诊断数据VX；

4)待检测数据VX，在上位机6的标准化处理功能模块7中，用训练时得到的

和σ_x ²进行标准化处理，并将标准化处理后的数据作为主元分析模块8的输入；

5)上位机6中的主元分析模块8，用训练时得到的变换矩阵T对输入进行变换，变换后的矩阵输入到支持向量机分类器模块9，作为支持向量机分类器模块9的输入；

6)上位机6中的支持向量机分类器模块9，将输入数据代入训练得到的判别函数，计算判别函数值，判别并在上位机6的人机界面上显示过程的状态；

7)上位机6将故障诊断结果传给DCS，并在DCS的控制站4显示过程状态，同时通过DCS系统和现场总线将过程状态信息传递到现场操作站进行显示，使得现场操作工可以及时应对。

5、分类器模型更新

在系统投运过程中，定期将过程状态正常的点添加到训练集TX中，重复步骤3的训练过程，以便及时更新上位机6的支持向量机分类器9中的分类模型，保持分类器模型具有较好的分类效果。

本实用新型所提出的工业生产过程小样本条件下的故障诊断装置，已通过上述具体实施步骤进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本实用新型内容、精神和范围内对本文所述的装置和操作方法进行改动或适当变更与组合，来实现本实用新型技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域的技术人员是显而易见的，它们都会被视为包括在本实用新型精神、范围和内容中。

Claims (3)

1.一种工业生产过程小样本条件下的故障诊断装置，包括与工业生产过程对象连接的现场智能仪表、DCS系统以及上位机，所述的DCS系统由数据接口、控制站、数据库构成；智能仪表、DCS系统、上位机依次相连，其特征在于：所述的上位机包括：

用于对数据库中采集系统正常时关键变量数据进行标准化处理的标准化处理模块；

用于进行主元分析提取主成分，依照设置的主元方差提取率，采用协方差奇异值分解的方法的主元分析功能模块；

用于核函数采用径向基函数K(x_i，x)＝exp(-‖x-x_i‖/σ²)，依照设置的置信概率，将训练过程化为如下二次规划求解问题的支持向量机分类器功能模块；

用于设定每次采样的时间间隙，采集现场智能仪表的信号的信号采集模块；

用于将采集的数据传送到DCS实时数据库中，在每个定时周期从DCS数据库的实时数据库中，得到最新的变量数据作为待诊断数据VX的待诊断数据确定模块；

用于对待检测数据VX用训练时得到的和σ_x ²进行标准化处理，并将标准化处理后的数据作为主元分析功能模块的输入；用训练时得到的变换系数矩阵T对输入进行变换，变换后矩阵输入到支持向量机分类器模块；将输入代入训练得到的判别函数，计算判别函数值，判别过程的状态的故障诊断模块；

所述现场智能仪表与信号采集单元数据连接，所述信号采集单元连接待诊断数据确定模块，所述的待诊断数据确定模块连接故障诊断模块，所述标准化处理模块与数据库数据连接，所述标准化处理模块与主元分析功能模块连接，所述主元分析功能模块与支持向量机分类器功能模块连接，所述支持向量机分类器功能模块与故障诊断模块连接。

2.如权利要求1所述的工业生产过程小样本条件下的故障诊断装置，其特征在于：所述的上位机还包括：

用于定期将过程状态正常的点添加到训练集VX中，输出到标准化处理模块、主元分析功能模块，并更新支持向量机分类器的分类模型的判别模型更新模块；

所述判别模型更新模块与支持向量机分类器功能模块连接。

3.如权利要求1或2所述的工业生产过程小样本条件下的故障诊断装置，其特征在于：所述的上位机还包括：

用于将故障诊断结果传给DCS系统，并在DCS的控制站显示过程状态，并通过DCS系统和现场总线将过程状态信息传递到现场操作站进行显示的结果显示模块；

所述故障诊断模块的输出连接所述结果显示模块。

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