• ISSN 0258-2724
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基于KECA和MBA-NARX的多阶段间歇过程质量预测

张敏 袁毅 李贤均

张敏, 袁毅, 李贤均. 基于KECA和MBA-NARX的多阶段间歇过程质量预测[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(3): 685-695. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200382
引用本文: 张敏, 袁毅, 李贤均. 基于KECA和MBA-NARX的多阶段间歇过程质量预测[J]. 西南交通大学学报, 2023, 58(3): 685-695. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200382
ZHANG Min, YUAN Yi, LI Xianjun. Multi-stage Quality Prediction of Batch Process Based on KECA and MBA-NARX[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(3): 685-695. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200382
Citation: ZHANG Min, YUAN Yi, LI Xianjun. Multi-stage Quality Prediction of Batch Process Based on KECA and MBA-NARX[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2023, 58(3): 685-695. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200382

基于KECA和MBA-NARX的多阶段间歇过程质量预测

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200382
基金项目: 国家重点研发计划(2020YFB1712200);中国博士后科学基金(2020M673279);四川省科技计划(2020J1TD0012);教育部人文社会科学研究青年基金(18YJC630255)
详细信息
    作者简介:

    张敏(1986—),女,讲师,博士,研究方向为智能故障诊断和质量控制,E-mail:zhmzhangmin16@126.com

  • 中图分类号: TH 878;TG115.28

Multi-stage Quality Prediction of Batch Process Based on KECA and MBA-NARX

  • 摘要:

    间歇过程产品质量与过程特性或过程反应原理密切相关,为解决其过程数据呈现的多阶段性、时序性和动态性的问题,提出一种基于带外源输入的非线性自回归(NARX)神经网络进行多阶段质量预测. 首先,对间歇过程数据进行K均值(K-means)聚类阶段划分和核熵成分分析(KECA)数据降维,保证输入数据阶段特征的同时提升后续预测过程的效率;然后,在各阶段内构造NARX预测模型,利用改进蝙蝠算法(MBA)优化网络的隐含层节点数,实现间歇过程在线质量预测;最后,利用青霉素仿真实验数据验证所提方法的有效性. 研究结果表明:NARX神经网络开环模式具有较好的预测效果,核熵成分分析的数据降维方式更有利于后续的质量预测研究;MBA对于网络隐含层节点数的优化效率高、稳定性好,阶段划分可以一定程度上提高间歇过程的预测性能,提出的多阶段质量预测模型预测性能较高,均方根误差和平均绝对百分比误差分别达到0.02和1.20%.

     

  • 图 1  间歇数据阶段划分

    Figure 1.  Stage division of batch process

    图 2  NARX神经网络结构

    Figure 2.  Schematic of NARX neural network

    图 3  NARX两种结构

    Figure 3.  Two structures of NARX

    图 4  MBA优化NARX隐含层节点数流程

    Figure 4.  Flow chart of MBA optimized the number in NARX hidden layer

    图 5  基于KECA和MBA-NARX的间歇过程多阶段预测

    Figure 5.  Multi-stage prediction of batch process based on KECA and MBA-NARX

    图 6  青霉素发酵时段划分结果

    Figure 6.  Penicillin fermentation stage division results

    图 7  RMSEMAPE随隐含层节点数变化趋势

    Figure 7.  The trend of RMSE and MAPE with the number of hidden layer nodes under the close/open-loop

    图 8  NARX两种模式下的实际预测

    Figure 8.  Actual prediction in the two NARX structures

    图 9  不同降维方法后的预测结果

    Figure 9.  Prediction results of different dimensionality reduction methods

    图 10  多阶段预测与整体预测对比

    Figure 10.  Comparison between multi-stage prediction and overall prediction

    表  1  过程变量说明

    Table  1.   Description of process variables

    变量号变量名称变量号变量名称
    1通风率/(L•h−19排气二氧化碳浓度/
    (Mmol•L−1
    2搅拌速率/
    (r•min−1
    10pH 值
    3底物流加速率/
    (L•h−1
    11温度/K
    4补料温度/K12产生热/K
    5基质浓度/(g•L−113酸流加速率/(L•h−1
    6溶解氧浓度/%14碱流加速率/(L•h−1
    7菌体浓度/(g•L−115冷水流加速率/(L•h−1
    8反应器体积/L16热水流加速率/(L•h−1
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    表  2  NARX两种结构下的RMSEMAPE区间范围

    Table  2.   The range of RMSE and MAPE in the two NARX structures

    模式RMSEMAPE/%
    Close-loop[1,5][200,1500]
    Open-loop[0,0.60][0,200]
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    表  3  数据降维方法对比

    Table  3.   Comparison of data dimensionality reduction methods

    降维算法降至维度RMSEMAPE/%降维用时/s
    170.1859.92
    PCA60.1544.670.74
    KPCA60.066.58182.24
    KECA60.042.604.07
    注:加粗代表在此表内对比的算法中表现最优,性能最好,表56同理.
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    表  4  各算法初始参数

    Table  4.   Initial parameters of each algorithm

    算法参数对应值或区间
    PSO种群大小20
    最大迭代数/次20
    速度区间[1,16]
    加速度因子1、22、2
    GA种群大小20
    最大迭代数/次20
    交叉概率0.4
    变异概率0.01
    MBA种群大小20
    最大迭代数/次20
    响度0.25
    频率区间[0,2]
    位置更新区间[1,16]
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    表  5  3种参数优化模型对比

    Table  5.   Comparison of three parameter optimization models

    预测指标PSO-NARXGA-NARXMBA-NARX
    迭代
    时间/s
    标准差/×10−4验证集
    误差
    迭代
    时间/s
    标准差/×10−4验证集
    误差
    迭代
    时间/s
    标准差/×10−4验证集
    误差
    产物浓度200.5616.700.0241006.8710.420.012144.78 5.60 0.008
    菌体浓度181.4210.660.687 894.91 7.580.298134.39 3.40 0.144
    基质浓度240.3821.520.3761307.4219.040.033149.8910.50 0.055
    均值207.4516.300.360 1069.7312.350.110 143.02 6.540.070
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    表  6  阶段预测结果

    Table  6.   Comparison of stages prediction effects

    阶段/hRMSEMAPE/%总体RMSE总体MAPE/%预测
    用时/s
    0~38 0.04 2.83 0.02 1.20 51.72
    39~169 0.01 0.78
    170~280 0.01 0.84
    281~400 0.02 1.47
    0~400 0.04 2.60 0.04 2.60 22.06
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-24
  • 修回日期:  2020-11-11
  • 网络出版日期:  2021-10-19
  • 刊出日期:  2021-01-06

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