基于人工免疫网络的连续过程传感器置信度评估
摘 要:针对连续过程传感器置信度评估的 问题 ,提出了一种基于人工免疫 网络 的在线数
据处理算法。 分析 了 Ishida 动态识别免疫网络,在此基础上设计了模糊测试单元;使用模
糊论域表达了动态识别免疫网络中抗体之间刺激的强度,建立了抗体浓度的数学模型,依照
抗体的浓度来区分传感器的置信度;设计了模糊测试单元参数确定的 方法 ,用以调整网络灵
敏度和平衡的关系。算法 应用 于生物发酵过程传感器置信度评估,实验结果表明该算法能
够对传感器的置信度进行有效评估、易于工程实现
关键词:过程控制;人工免疫网络;传感
生产实践表明测量装置失效是导致连续 工业 过程控制间断的重要因素之一[1]。因此,对代
写论文连续工业过程进行传感器置信度评估尤为重要。 目前 常用的方法有贝叶斯估计法
、DS 证据推理法、自适应神经网络模糊推理方法(ANFIS)和人工免疫网络法等[2,3]。其中,
连续生产过程中的物质能量流模型和人工免疫网络传播模型相类似,所以利用这种关系进
行传感器置信度评估已成为近年来自动化领域 研究 的热点。目前基于人工免疫网络的传
感器置信度评估方法主要有:以 Ishida 为代表的动态识别免疫网络和以 Leonard
为代表的基于 DNA 的阴性选择[4-6]。而前者已成功地应用于水泥生产过程的
设备传感器置信度评估。但是 Ishida 动态识别方法中只能处理传感器关系确定的情况。因
此,本文引入了传感器关系的非确定性约束,用于连续生产过程传感器之间为非确定关系情
况下的传感器置信度评估
1 传感器置信度评估算法 Ishida 动态识别免疫网络是在 系统级识别方法基础
上提出的。 认为在免疫网络 理论 中,免疫系统由识别集合组成,识别集合中的一
些抗原可以被其他抗原激活,并产生抗体;而这些抗体又可以激活其他的抗原。通过这种方
式,刺激可以从一个抗原传播到另外一个抗原,直至 影响 整个网络。对刺激信号的辨识不是
一个抗原单独完成的,而是通过抗原相互连接的网络进行的[7,8]。Ishida 动态识别免疫网
络方法利用传感器之间的约束条件为每个传感器建立测试单元。在用动态识别免疫网络进
行传感器置信度评估时,网络主体与传感器相对应,免疫细胞的浓度与传感器的可靠性相对
应,网络平衡状态与传感器正常状态相对应,外部刺激信号和测试单元的测试结果相对应。
因此,这个网络中的每一个传感器不仅测量工业过程的物理量,还要评估其他传感器的可靠
性。在同一工业过程中,温度、压力、流量等传感器的测量值之间既互相独立又互相联系;
只要利用简单的工业过程知识就能建立起这些传感器之间具有确定性的约束,所以这种方
法实现起来较为简单。这种模型可用图 1 的结构表示。图 1 动态人工免疫网络图中是一
个包含 n 个节点的人工免疫网络 Nais(p(i)ais),i =1,…,n。其中 p(i)ais 是网络的第 i 个节点,
p(i)ais= {Aais,I(1)ais,I(2)ais,…,I(m)ais},Aais 表示网络中的抗体,I(i)ais 表示第 i 个抗体的独
特位。在 Ishida 的方法中,p(i)ais 与工业现场中的第 i 个传感器的逻辑位置相对应,抗体
Aais 与传感器实体相对应,抗体 Aais 的浓度与传感器的可信度对应,独特位
I(1)ais,I(2)ais,…,I(m)ais 对应 m 个测试单元。对 Aais(Aais∈p(i)ais)的刺激由第 i 个传感器
和其他传感器建立的测试单元对应的独特位 I(1)ais,I(2)ais,…,I(m)ais 产生。但是,测试单元
存在如下缺点[3]:测试单元的结果只能用 0,1,-1 来表示,不能利用人工经验等一些非确定知
识。针对这些缺点本文进行了改进,设计了新型的测试单元。针对 Ishida 测试单元存在的
不足,本文设计了模糊测试单元,使其能够反应传感器数值间的非确定性关系。在动态识别
免疫网络中,独特位 Iais 实际上就是传感器数值 Sj 和 Sk 的关系的体现,而这种关系用在模
糊论域可分为 5 个等级:{Sj 小于 Sk,Sj 小于等于 Sk,Sj 在 Sk 的附近变化,Sj 大于等于 Sk,Sj
大于 Sk}。Sj 和 Sk 之间的模糊关系则代表了动态识别免疫网络中抗体之间刺激的强度。
设在 t 时刻,抗体 Aais 对应的传感器 j 通过独特位 I(jk)ais 收到来自 k 传感器的刺激为
I(jk)ais(t),则其隶属度为 I(jk)ais(t) =∪5l=112πσaisle-(sj-sk-μaisl)22σ2aisl(1)式中
I(jk)ais(t)∈(0,1),两个数列之间的关系是互易的,所以
I(jk)ais(t)=I(kj)ais(t);ηaisl,σaisl(l=1,2,3,4,5)是不同等级的隶属度函数的中的常数,由 Sj 和
Sk 之间的统计关系决定。由外部刺激引起抗体浓度 ri 产生变化,可表示为
dr(i)aisdt=∑nj=1R(i)aisI(ij)ais∑ni=1R(i)aisξais+r(i)ais(1-ξais)
(2)R(i)ais=2arctan(qais·r(i)ais)π(1-Rd)+Rd(3)式中 Rd∈(0,1),经验值取 ;R(i)ais 表示节
点 p(i)ais 对应的第 i 个传感器的可信度,R(i)ais 越大,传感器的可信度越高,由于 qais·rais>0,
所以 Rais∈(Rd,1);ξais 为灵敏度系数;qais 是网络平衡状态的调节系数,主要作用是传感器
网络在正常时的可信度调节在一个合适的范围内
2 参数确定的 方法 在本算法中,需要确定的参数有两类:一类是式(1) 影响 对独特位刺激
程度的参数 μais 和 σais,另一类是影响 网络 平衡状态的参数 ξais 和 qais。参数 μais 和
σais 主要表征了和独特位对应的测试单元中两个传感器之间的关系。这种关系通常是生产
工艺所要求的(或者 工业 过程特性决定的)。要确定参数 μais 和 σais,首先要获取这两个传
感器大量的现场数据,然后以它们相同时刻测量值的差作为样本。μais 是该样本的正态分
布的均值,σais 是该样本的正态分布的均方差。参数 ξais 和 qais 影响网络的平衡状态,如
图 2 所示。从图中可以看出:ξais 越大,网络对外界的反映就越灵敏,但容易产生误报。qais
越大 Rais 正常状态下就越大;但是,qais 过大会造成测量失效状态下的可信度变大,容易发
生漏报。参数 ξais 和 qais 可以通过 学习 得到。在传感器正常工作状态下,qais 可通过以
下公式得到 qais(t+1) = qais(t)+αais(Rais-R0) (4)式中 αais 为步长系数;R0 为 qais 调节时
传感器正常状态下置信度的平均值,一般可取 。在某个时刻,1732 传 感 技 术 学
报 2008 年能比较试验。ANFIS 结构如图 4 所示,酵罐三个温度传感器,两个作为输入,另外
一个作为输出,对传感器输入值的隶属度划分为两个区间:正常和异常。经过训练以后和分
别对应于两个输入传感器的“标准可信度”。图 4 ANFIS 的结构例如,当对于罐顶传感器的
置信度评估时,建立 2 个 ANFIS:ANFIS-1:输入为罐顶传感器和罐中部传感器,输出为罐底传
感器,w(1)top 表征罐顶传感器的置信度。ANFIS-2:输入为罐顶传感器和罐底传感器,输出为
罐中部传感器,w(2)top 表征罐顶传感器的置信度。那么,罐顶传感器的置信度为 w(1)top 和
w(2)top 的平均值。其余两个传感器的评估方法也同样。AN-FIS 实验使用和人工免疫网络
实验相同的数据,数据窗口大小为 30 ks。由于两个实验中的置信度没有可比性,人工免疫
网络算法中的置信度来源于人工经验,ANFIS 的标准的可信度来源于归一化的权系数。因此
,论文比较的是:传感器“故障”引起的其置信度变化率 ηt,ηt=| Rm-Ra|Rm(6)式中:Rm 表示正
常状态下的置信度,Ra 表示异常情况下的置信度。对比实验的结果如表 2 所示,从中可以看
出,两种方法结果是一致的,而当偏差数据较大时,ANFIS 方法 ηt 的较大,对故障数据比较敏
感,在偏差较小时,人工免疫网络算法的 ηt 较大,对故障数据比较敏感。因此,人工免疫网络
算法适用的数值范围更广一些。表 2 对比实验的 ηt 结果传感器偏差数据/℃人工免疫网
络方法 ANFIS 方法罐顶传感器 % %罐中部传感器 % %罐底传
感器 %
3 结论论文 研究 了连续过程中传感器具有非确定关系情况下的传感器置信度评估。实验
证明:①具有模糊测试单元的人工免疫网络能够使用人工经验对传感器的数据置信度进行
评估;②具有模糊测试单元的参数物理意义明显、确定方法简单易行。但是,论文中的算法
在某些情况下抗干扰能力较弱。例如,图 3(c)所示情况 应用 单条件的阀值比较的方法输出
的结果不稳定,论文将用复合的判决条件的方法在此深入研究
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