一種改進(jìn)的CSCA+PCA化工過(guò)程異常檢測(cè)技術(shù)*

王靜虹，李晨陽(yáng),支有冉，王志榮

(1．南京工業(yè)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；2.江蘇省危險(xiǎn)化學(xué)品本質(zhì)安全與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210009；3．南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

數(shù)字出版日期： 2017-07-19

0 引言

化工生產(chǎn)過(guò)程往往具有易燃易爆、高溫高壓、有毒有害等特點(diǎn)，一旦在安全方面出現(xiàn)問(wèn)題，極易引發(fā)重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失事故。當(dāng)化工生產(chǎn)過(guò)程中的人、機(jī)、環(huán)、管等主體發(fā)生或即將發(fā)生某些事件時(shí)，化工企業(yè)應(yīng)能夠?qū)σ恍┊惓＿M(jìn)行快速反應(yīng)，在事件造成后果前或者事件發(fā)生前，就對(duì)異常情況進(jìn)行控制，從生產(chǎn)的不安全狀態(tài)迅速恢復(fù)到安全狀態(tài)。這種能力必須依賴(lài)于在嚴(yán)格的時(shí)間限制內(nèi)對(duì)這些主體釋放的信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、捕獲、分析、預(yù)警以及調(diào)控。而這種功能與自然界生物體的免疫系統(tǒng)具有很強(qiáng)的相似性。

免疫系統(tǒng)能夠保護(hù)機(jī)體不受外部細(xì)菌、病毒的感染?；谏锩庖呦到y(tǒng)中蘊(yùn)含豐富的信息處理機(jī)制，人工免疫系統(tǒng)(Artificial Immune system, AIS)的概念自20世紀(jì)七八十年代被提出以來(lái)，在故障診斷、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域都獲得了迅猛的發(fā)展[1-2]。在化工過(guò)程異常診斷方面，繼傳統(tǒng)的基于歷史數(shù)據(jù)[3]、基于動(dòng)態(tài)模型[4]和不依賴(lài)動(dòng)態(tài)模型的診斷方法[5]之后，利用人工免疫進(jìn)行異常診斷的研究也逐漸開(kāi)展，如清華大學(xué)的趙勁松團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先基于人工免疫原理對(duì)間歇化工過(guò)程開(kāi)展故障診斷研究，取得了一系列進(jìn)展[6-8]。但大多數(shù)的過(guò)程異常檢測(cè)都存在一個(gè)很突出的問(wèn)題，即過(guò)程參數(shù)數(shù)量眾多且關(guān)聯(lián)關(guān)系極其復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工免疫算法如克隆選擇算法、陰性選擇算法、人工免疫網(wǎng)絡(luò)算法等直接應(yīng)用于過(guò)程異常檢測(cè)時(shí)并不一定有顯著的效果，而且現(xiàn)有研究也多是基于特定的化工過(guò)程，其檢測(cè)方法的適用性仍有待提高。

此外，針對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行特征提取可以有效改善故障診斷的效率，其中應(yīng)用最為廣泛的1種方法就是主成分分析法[9]，如孟程程等人[10]提出利用核主成分分析方法對(duì)高爐冶煉過(guò)程中的故障進(jìn)行檢測(cè)，以適應(yīng)高爐的非線(xiàn)性特征；吳卓卓[11]建立了1種基于主成分分析和支持向量數(shù)據(jù)描述的故障檢測(cè)模型，并通過(guò)TE數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)；陳果[12]提出基于主成分分析的轉(zhuǎn)靜碰摩故障特征提取方法并與支持向量機(jī)相結(jié)合，驗(yàn)證了方法的有效性。但在化工過(guò)程異常檢測(cè)中，人工免疫算法與主成分分析方法的結(jié)合效果、適用范圍及具體技術(shù)方案仍有待深入的研究。

以下利用人工免疫系統(tǒng)的識(shí)別、學(xué)習(xí)、記憶、自適應(yīng)等特點(diǎn)，基于人工免疫算法中經(jīng)典的克隆選擇分類(lèi)算法CSCA (Clonal Selection Classification Algorithm) 和主成分分析方法PCA(Principal Component Analysis)，構(gòu)建適用于多參數(shù)多模式的化工過(guò)程異常檢測(cè)方案，采用國(guó)際通用的TE過(guò)程數(shù)據(jù)集開(kāi)展數(shù)值實(shí)驗(yàn)，測(cè)試并驗(yàn)證經(jīng)PCA方法改進(jìn)后的CSCA對(duì)化工過(guò)程異常檢測(cè)的效果，從而為化工過(guò)程異常檢測(cè)提供1種具有較廣泛適用性和較高準(zhǔn)確性的科學(xué)技術(shù)手段。

1 克隆選擇分類(lèi)算法CSCA及其檢測(cè)效果

Brownlee[13]在2005年基于克隆選擇算法提出了克隆選擇分類(lèi)算法CSCA，并在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域獲得了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。該算法的流程如圖1所示。已有研究指出[14]，CSCA算法相對(duì)一般的克隆算法，在準(zhǔn)確率上有明顯提高，而在平均絕對(duì)誤差和均方根誤差中，CSCA算法均要低于一般克隆算法。另外，由于CSCA采用了更為復(fù)雜的克隆選擇和迭代策略，因此，系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)間會(huì)比一般克隆算法明顯增多。

圖1 CSCA算法流程Fig.1 The flowchart of CSCA algorithm

根據(jù)這一算法的思想，構(gòu)建基于克隆選擇分類(lèi)算法(CSCA)針對(duì)化工過(guò)程異常檢測(cè)分類(lèi)的主要步驟，如圖2所示。在這過(guò)程中，免疫系統(tǒng)概念與過(guò)程異常檢測(cè)算法的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖2 基于CSCA的過(guò)程異常檢測(cè)分類(lèi)步驟Fig.2 The procedure of anomaly detection and classification of chemical process by CSCA

考慮通用的具有代表性的TE過(guò)程(田納西一伊斯曼過(guò)程)數(shù)據(jù)對(duì)所建立的CSCA化工過(guò)程異常檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)TE過(guò)程數(shù)據(jù)調(diào)試該檢測(cè)技術(shù)的性能。TE過(guò)程數(shù)據(jù)包含訓(xùn)練集和測(cè)試集，訓(xùn)練集和測(cè)試集各自含有22種異常模式，每個(gè)異常模式下的數(shù)據(jù)均包含53個(gè)屬性[15]，能夠?yàn)楫惓z測(cè)研究提供所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1 免疫系統(tǒng)概念與CSCA過(guò)程異常檢測(cè)分類(lèi)算法的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2所示是采用機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)“Iris Plants Database”和“Large Soybean Database”對(duì)CSCA算法進(jìn)行驗(yàn)證以及進(jìn)一步采用TE過(guò)程數(shù)據(jù)中的訓(xùn)練集和測(cè)試集分別進(jìn)行檢測(cè)之后的結(jié)果。可以看到，CSCA對(duì)Iris和Soybean 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的分類(lèi)效果都比較好，因此CSCA檢測(cè)技術(shù)本身是準(zhǔn)確的、有效的。而采用TE過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)數(shù)據(jù)樣本很大、屬性很多的情況下，分類(lèi)效果很不理想。

現(xiàn)實(shí)情況是，化工過(guò)程異常需要考慮很多種類(lèi)，且依靠單一屬性參數(shù)(如溫度、壓力、濃度等)往往無(wú)法及時(shí)檢出早期微小異常，因此基于大樣本多屬性的過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)，是更符合過(guò)程安全現(xiàn)實(shí)需求的。這就提出一個(gè)問(wèn)題：如何對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的預(yù)處理，尋求在數(shù)據(jù)樣本規(guī)模、樣本結(jié)構(gòu)和異常檢測(cè)效果之間的最優(yōu)匹配，以實(shí)現(xiàn)基于CSCA的過(guò)程早期微小異常的準(zhǔn)確、高效檢測(cè)和識(shí)別。

表2 基于CSCA的異常分類(lèi)效果

2 結(jié)合主成分分析的CSCA分類(lèi)檢測(cè)效果

2.1 過(guò)程數(shù)據(jù)降維后的檢測(cè)結(jié)果分析

考慮到TE訓(xùn)練集包含53個(gè)屬性，22種異常模式，先采用主成分分析(PCA)方法對(duì)其屬性進(jìn)行降維處理；再將降維之后的樣本作為CSCA的檢測(cè)樣本，對(duì)其進(jìn)行異常檢測(cè)分類(lèi)。PCA分析的結(jié)果如圖3所示。由圖可知，前11個(gè)主成份的貢獻(xiàn)率累積達(dá)85.37%(≥85%)，所對(duì)應(yīng)的屬性為att01，att09，att13，att18，att19，att21，att34，att38，att39，att45和att51。運(yùn)用CSCA對(duì)經(jīng)過(guò)主成分分析篩選出的樣本再次進(jìn)行異常檢測(cè)分類(lèi)，此時(shí)的數(shù)據(jù)樣本總數(shù)仍為10 580，針對(duì)每一類(lèi)屬生成的記憶細(xì)胞數(shù)目如圖4所示。最終結(jié)果顯示，同樣在22種異常模式情況下，進(jìn)行PCA處理之后的樣本正確分類(lèi)比例為39.8%，未正確分類(lèi)比例為60.2%。由此可知，盡管采用PCA方法進(jìn)行了屬性降維，但由于總的樣本數(shù)仍十分龐大，分類(lèi)準(zhǔn)確率雖有所提高，但仍無(wú)法令人滿(mǎn)意。

圖3 主成分的貢獻(xiàn)率累積百分比Fig.3 The cumulative percentage of the contributionrate of principal components

圖4 生成的記憶細(xì)胞數(shù)目Fig.4 Number of memory cells

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮縮減樣本規(guī)模。由于TE過(guò)程異常數(shù)據(jù)是從第8 h后開(kāi)始引入不同類(lèi)型的異常，前8 h均為穩(wěn)態(tài)無(wú)異常數(shù)據(jù)，因此，考慮到異常檢測(cè)效果應(yīng)該在異常情況一出現(xiàn)即盡快將其檢出，因此選擇10 h的數(shù)據(jù)樣本(前8h為穩(wěn)態(tài)正常數(shù)據(jù)，后2 h為異常數(shù)據(jù))，樣本總數(shù)為4 399?？紤]到如果基于這10h的數(shù)據(jù)能夠獲得好的異常檢測(cè)效果，那么也就意味著在過(guò)程異常出現(xiàn)2 h內(nèi)，CSCA即能檢測(cè)并識(shí)別出異常情況的類(lèi)型。首先，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA處理，獲取4個(gè)主成分，對(duì)應(yīng)屬性att05，att38，att45和att51，運(yùn)用CSCA分類(lèi)正確率為30.2%。而未進(jìn)行PCA處理時(shí)，正確率為26.5%。如果仍采用之前的11個(gè)主成分時(shí)，正確率40.9%。具體結(jié)果整理見(jiàn)表3所示。從中可以看到，過(guò)程異常數(shù)據(jù)的規(guī)模、屬性的數(shù)目對(duì)CSCA異常檢測(cè)效果具有明顯的影響。盡管CSCA可以對(duì)大多數(shù)通用數(shù)據(jù)集有不錯(cuò)的檢測(cè)分類(lèi)效果，但對(duì)于化工過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，由于樣本規(guī)模過(guò)大以及異常類(lèi)別過(guò)多等現(xiàn)實(shí)情況的存在，還需要進(jìn)一步探討更為有效的數(shù)據(jù)降維或重構(gòu)方案，才能使異常檢測(cè)正確率提高到滿(mǎn)意的程度。

表3 基于CSCA+PCA的異常檢測(cè)分類(lèi)效果(未數(shù)據(jù)重整)

2.2 過(guò)程數(shù)據(jù)重整后的CSCA異常檢測(cè)

基于主成分分析的結(jié)果，在TE數(shù)據(jù)中選擇4個(gè)主成分的主要構(gòu)成參數(shù)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。選取異常模式class01，class02，class03和class04的數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)重整中重點(diǎn)關(guān)注異常引入的時(shí)間，即：考慮到每個(gè)異常模式下的前160個(gè)數(shù)據(jù)是引入異常模式之前的，在異常檢測(cè)中有可能形成干擾，因此只采用引入異常模式之后1h的數(shù)據(jù)，組織成樣本集1，共80組數(shù)據(jù)。采用引入異常模式之后2 h的數(shù)據(jù)，組織成樣本集2，共160組數(shù)據(jù)。將異常發(fā)生后第3 h的數(shù)據(jù)單獨(dú)提取，組織成樣本集3，共80組數(shù)據(jù)。仍然采用CSCA算法對(duì)重整后的異常樣本進(jìn)行檢測(cè)分類(lèi)，分類(lèi)結(jié)果如表4所示?？梢钥吹?，控制分類(lèi)樣本數(shù)之后，CSCA對(duì)4種異常模式具有較好的檢測(cè)效果。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)樣本集3的異常模式進(jìn)行預(yù)測(cè)，詳細(xì)預(yù)測(cè)結(jié)果列于表5，其中下劃線(xiàn)顯示的是預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的樣本。共計(jì)85%的樣本被準(zhǔn)確定位為class03異常模式，與實(shí)際情況相符。

表5 樣本集3的預(yù)測(cè)結(jié)果

注：表格中的預(yù)測(cè)值通過(guò)四位二進(jìn)制表示所屬的異常類(lèi)型，例如“0001”表示歸屬為故障模式class04。

3 結(jié)論

1)基于人工免疫原理的克隆選擇分類(lèi)算法(CSCA)面對(duì)大樣本多屬性的化工過(guò)程數(shù)據(jù)時(shí)，在異常檢測(cè)效果方面存在局限性，即過(guò)程異常數(shù)據(jù)的規(guī)模、屬性的數(shù)目對(duì)CSCA異常檢測(cè)效果具有明顯的負(fù)面影響。

2)基于TE過(guò)程數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)和分類(lèi)實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)主成分分析(PCA)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)降維及數(shù)據(jù)重整之后，CSCA對(duì)過(guò)程異常分類(lèi)辨識(shí)的準(zhǔn)確率可提升到85%以上，從而適應(yīng)化工過(guò)程異常檢測(cè)的實(shí)際需求。

3)研究提出的CSCA+PCA的化工過(guò)程異常檢測(cè)技術(shù)方案，可以應(yīng)用于多參數(shù)多異常模式的化工過(guò)程；為進(jìn)一步提高異常檢測(cè)分類(lèi)的準(zhǔn)確性和可靠性，今后將進(jìn)一步研究過(guò)程數(shù)據(jù)的樣本規(guī)模、樣本結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜非線(xiàn)性關(guān)系對(duì)于異常檢測(cè)效果的影響。

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