過(guò)程工廠的運(yùn)營(yíng)績(jī)效已成為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境目標(biāo)的主要指標(biāo)。這個(gè)指標(biāo)現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更為重要。一般情況下，良好的運(yùn)營(yíng)績(jī)效是一個(gè)不斷改進(jìn)過(guò)程的結(jié)果。因此，好的績(jī)效會(huì)帶來(lái)更高的成本效益、更好的產(chǎn)能效果和更少的生產(chǎn)損失，以及符合環(huán)保和安全法規(guī)，使過(guò)程的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)最佳化。
另一個(gè)在過(guò)程工業(yè)出現(xiàn)的持續(xù)變化是過(guò)程工廠的大儀表和數(shù)字化現(xiàn)象，導(dǎo)致的結(jié)果是大量的數(shù)據(jù)被記錄和存儲(chǔ)。雖然這些數(shù)據(jù)現(xiàn)在已經(jīng)用于過(guò)程工廠的底層控制和監(jiān)視，但這些數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值和用途還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有得到充分體現(xiàn)和開(kāi)發(fā)。
然而，利用這些隱藏的信息是不容易的，需要使用先進(jìn)的工具對(duì)它們進(jìn)行挖掘才能實(shí)現(xiàn)。其中一種重要的工具就是軟傳感器，這就是這篇文章的中心話(huà)題。軟傳感器有可能開(kāi)啟一個(gè)過(guò)程工業(yè)卓越運(yùn)營(yíng)的新時(shí)代，因?yàn)閷?shí)施的成本相對(duì)較低，所需要開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)已經(jīng)存在，所需要的技術(shù)也已經(jīng)可用。
本文是一種通用性的技術(shù)和應(yīng)用介紹。對(duì)軟傳感器(Soft Sensor：也稱(chēng)軟儀表)的技術(shù)和今天正在使用的情況做一個(gè)簡(jiǎn)要概述。
軟傳感器技術(shù)
工業(yè)過(guò)程工廠通常要使用大量的傳感器。傳感器的主要目的是為過(guò)程監(jiān)視和控制提供數(shù)據(jù)。然而，約在二十年前，研究人員開(kāi)始利用過(guò)程工業(yè)中測(cè)量和存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，建立基于這些數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型。在過(guò)程工業(yè)的背景下，這些預(yù)測(cè)模型被稱(chēng)為軟傳感器。這個(gè)詞是一個(gè)組合詞，包含了軟件，因?yàn)槟Ｐ褪且环N計(jì)算機(jī)程序;包含了傳感器，因?yàn)檫@些模型類(lèi)似于硬件傳感器，能夠提供現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。其他同義的公共術(shù)語(yǔ)是：推理傳感器和虛擬在線(xiàn)分析儀--這像它們?cè)诹鞲瘳敪h(huán)境中的稱(chēng)謂。
在一般層面上，我們可以把軟傳感器分為兩種不同的類(lèi)型，即模型驅(qū)動(dòng)型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型(見(jiàn)圖1)。雖然也有一些模型驅(qū)動(dòng)的軟傳感器基于擴(kuò)展的卡爾曼濾波器或自適應(yīng)觀測(cè)器，最常見(jiàn)的軟傳感器家族都基于第一原理模型(FPM)。第一原理模型描述了過(guò)程的物理和化學(xué)背景。這些模型的開(kāi)發(fā)主要用于過(guò)程工廠的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，因此通常側(cè)重于過(guò)程理想狀態(tài)的描述。這是也使它們很難變?yōu)閷?shí)用的軟傳感器。作為一種解決方案，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型軟傳感器的應(yīng)用越來(lái)越普及。
數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型軟傳感器最流行的建模技術(shù)是主成分分析(PCA)結(jié)合回歸模型(主成分回歸 - PCR)，偏最小二乘法(PLS)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)，神經(jīng)模糊系統(tǒng)(NFS)和支持向量機(jī)(SVM)。
軟傳感器完成任務(wù)的范圍非常廣泛。軟傳感器的最占主導(dǎo)地位的應(yīng)用領(lǐng)域是對(duì)過(guò)程變量的預(yù)測(cè)，這些變量要在低采樣率或只通過(guò)離線(xiàn)分析才能確定。因?yàn)檫@些變量往往關(guān)系到過(guò)程輸出的質(zhì)量或過(guò)程的其他關(guān)鍵方面，使得它們對(duì)過(guò)程的控制和管理是非常重要的。由于這些原因，用更高的采樣率和/或用較低的財(cái)務(wù)成本，能提供這些變量額外的信息具有極大的價(jià)值，而這正是軟傳感器的特長(zhǎng)。應(yīng)用于這類(lèi)軟傳感器的監(jiān)督學(xué)習(xí)方法既有統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法也有計(jì)算學(xué)習(xí)方法。這類(lèi)軟傳感器應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展到在線(xiàn)預(yù)測(cè)。
軟傳感器的其他重要應(yīng)用領(lǐng)域是過(guò)程監(jiān)視和過(guò)程故障檢測(cè)。這些任務(wù)還涉及到過(guò)程狀態(tài)檢測(cè)，一旦離開(kāi)正常條件出現(xiàn)偏差，需要能夠識(shí)別偏差源。傳統(tǒng)上，過(guò)程狀態(tài)由過(guò)程工廠控制室中的操作員來(lái)監(jiān)視。過(guò)程狀態(tài)的觀察和解釋通?；趩巫兞拷y(tǒng)計(jì)，這要依靠操作員的經(jīng)驗(yàn)，要找出特定變量間的關(guān)系并作出關(guān)于過(guò)程狀態(tài)的決定。過(guò)程監(jiān)視軟傳感器的作用是：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，建立多變量屬性，然后與過(guò)程狀態(tài)的描述相關(guān)。為了顯示預(yù)測(cè)過(guò)程狀態(tài)或多變量屬性，軟傳感器要支持操作員界面，允許他們更快、更好、更有目的的做決定。過(guò)程監(jiān)視軟傳感器通?；谥鞒煞址治?PCA)和自組織映射(SOM) 。圖2顯示了所討論的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)傳感器的應(yīng)用范圍和對(duì)每種應(yīng)用最常用的技術(shù)。
