過程工廠的運營績效已成為實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境目標的主要指標。這個指標現(xiàn)在比以往任何時候都更為重要。一般情況下，良好的運營績效是一個不斷改進過程的結(jié)果。因此，好的績效會帶來更高的成本效益、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)，使過程的運行實現(xiàn)最佳化。
另一個在過程工業(yè)出現(xiàn)的持續(xù)變化是過程工廠的大儀表和數(shù)字化現(xiàn)象，導致的結(jié)果是大量的數(shù)據(jù)被記錄和存儲。雖然這些數(shù)據(jù)現(xiàn)在已經(jīng)用于過程工廠的底層控制和監(jiān)視，但這些數(shù)據(jù)的潛在價值和用途還遠遠沒有得到充分體現(xiàn)和開發(fā)。
然而，利用這些隱藏的信息是不容易的，需要使用先進的工具對它們進行挖掘才能實現(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題。軟傳感器有可能開啟一個過程工業(yè)卓越運營的新時代，因為實施的成本相對較低，所需要開發(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。對軟傳感器(Soft Sensor：也稱軟儀表)的技術(shù)和今天正在使用的情況做一個簡要概述。
軟傳感器技術(shù)
工業(yè)過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，研究人員開始利用過程工業(yè)中測量和存儲大量的數(shù)據(jù)，建立基于這些數(shù)據(jù)的預測模型。在過程工業(yè)的背景下，這些預測模型被稱為軟傳感器。這個詞是一個組合詞，包含了軟件，因為模型是一種計算機程序;包含了傳感器，因為這些模型類似于硬件傳感器，能夠提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)。其他同義的公共術(shù)語是：推理傳感器和虛擬在線分析儀--這像它們在六西格瑪環(huán)境中的稱謂。
在一般層面上，我們可以把軟傳感器分為兩種不同的類型，即模型驅(qū)動型和數(shù)據(jù)驅(qū)動型(見圖1)。雖然也有一些模型驅(qū)動的軟傳感器基于擴展的卡爾曼濾波器或自適應(yīng)觀測器，最常見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程的物理和化學背景。這些模型的開發(fā)主要用于過程工廠的規(guī)劃和設(shè)計，因此通常側(cè)重于過程理想狀態(tài)的描述。這是也使它們很難變?yōu)閷嵱玫能泜鞲衅鳌Ｗ鳛橐环N解決方案，數(shù)據(jù)驅(qū)動型軟傳感器的應(yīng)用越來越普及。
數(shù)據(jù)驅(qū)動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(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地位的應(yīng)用領(lǐng)域是對過程變量的預測，這些變量要在低采樣率或只通過離線分析才能確定。因為這些變量往往關(guān)系到過程輸出的質(zhì)量或過程的其他關(guān)鍵方面，使得它們對過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/或用較低的財務(wù)成本，能提供這些變量額外的信息具有極大的價值，而這正是軟傳感器的特長。應(yīng)用于這類軟傳感器的監(jiān)督學習方法既有統(tǒng)計學習方法也有計算學習方法。這類軟傳感器應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴展到在線預測。
軟傳感器的其他重要應(yīng)用領(lǐng)域是過程監(jiān)視和過程故障檢測。這些任務(wù)還涉及到過程狀態(tài)檢測，一旦離開正常條件出現(xiàn)偏差，需要能夠識別偏差源。傳統(tǒng)上，過程狀態(tài)由過程工廠控制室中的操作員來監(jiān)視。過程狀態(tài)的觀察和解釋通常基于單變量統(tǒng)計，這要依靠操作員的經(jīng)驗，要找出特定變量間的關(guān)系并作出關(guān)于過程狀態(tài)的決定。過程監(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，然后與過程狀態(tài)的描述相關(guān)。為了顯示預測過程狀態(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。過程監(jiān)視軟傳感器通常基于主成分分析(PCA)和自組織映射(SOM) 。圖2顯示了所討論的數(shù)據(jù)驅(qū)動傳感器的應(yīng)用范圍和對每種應(yīng)用最常用的技術(shù)。
