基于互信息熵-近红外光谱的过程模式故障检测

摘要：

近红外光谱分析在工业过程故障检测方面具有独特的优势,是一种准确且高效的方法.结合互信息熵和传统的主成分分析,对近红外光谱特征信息进行提取,通过构建过程的模式来刻画工业过程的运行状态.利用近红外光谱数据,从有机分子含氢基团振动信息中获取工业系统的过程模式,从微观分子层面探索提高工业过程故障检测准确率的有效方法,结合贝叶斯统计学习技术,提出了基于近红外光谱数据的工业过程故障检测技术.针对近红外光谱信息量丰富,谱带较宽,特征性不强的特点,首先对工业过程不同运行状态下的近红外光谱吸光度数据进行一阶导数预处理,采用主成分分析法(principal component analysis, PCA)压缩光谱数据量,扩大不同运行状态下光谱特征信息的差异性,提取光谱的内部特征信息.然后采用互信息熵(mutual information entropy,MIE)作为光谱特征信息相关性度量函数,基于最小冗余最大相关算法进一步减少光谱特征信息间的冗余并最大化光谱特征信息与类别的相关性,弥补了PCA无监督特征波长选择的不足,提出一种基于PCA-MIE的过程模式构建方法,获得的过程模式子集更紧凑更具类别表现力.再利用贝叶斯统计学习算法,根据后验概率对构建的模式子集进行决策,判别生产过程的正常状态和故障状态.由于过程模式子集结合了PCA浓聚方差的优势和互信息熵相关性测度的特征信息选择方法,蕴含了更多的近红外光谱的本质信息与内在规律,从而更能刻画工业过程的运行状态.接着,设置测试准确率 TA作为评估标准,用以评价故障检测方法的性能效果.最后利用某化工厂提供的原油脱盐脱水过程近红外光谱数据对所提方法进行验证,并与传统近红外光谱特征信息提取方法PCA和 MIE方法性能进行对比分析,结果表明基于PCA-MIE的过程模式故障检测方法几乎在所有维数子集上性能都优于其他两种方法,在特征维数为 18 维时获得最高的准确率 94. 6%,证明了方法的优越性.

关键词：近红外光谱、互信息熵、过程模式、故障检测、贝叶斯

所属期刊栏目：39

分类号：O657.3(分析化学)

资助基金：国家自然科学基金项目61473137,61722306

在线出版日期：2020-01-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共6页

页码：1736-1741