肖紅軍 劉乙奇 黃道平

(華南理工大學(xué) 自動化科學(xué)與工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

高斯過程建模方法在工業(yè)過程中的應(yīng)用*

肖紅軍 劉乙奇 黃道平?

(華南理工大學(xué) 自動化科學(xué)與工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

面對日益復(fù)雜的工業(yè)過程，傳統(tǒng)傳感器無法得到有效應(yīng)用，重要變量無法準(zhǔn)確建模，重要過程無法得到有效優(yōu)化和診斷，高斯過程模型的提出和應(yīng)用為工業(yè)過程建模、優(yōu)化和控制提供了一個廣闊的思路，并可兼顧描述不確定信息.文中針對工業(yè)過程的復(fù)雜特性，不僅綜述了高斯過程的基本方法以及存在的主要問題，而且歸納了其基本建模、優(yōu)化、控制及故障診斷的應(yīng)用和研究成果.最后，結(jié)合國際上發(fā)展及作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)并展望了高斯過程模型在工業(yè)過程中的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢.

高斯過程模型；工業(yè)過程；軟測量；故障診斷

利用數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的信息輔助決策在人類的發(fā)展過程中有著悠久的歷史，但隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展和工業(yè)過程的日漸復(fù)雜，傳統(tǒng)的手工分析和數(shù)據(jù)處理方法已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足要求，因此，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法發(fā)掘工業(yè)過程中的有用信息已經(jīng)達(dá)成了廣泛共識.

系統(tǒng)建模是機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)的必要步驟，并隨著機(jī)器學(xué)習(xí)算法的深入研究逐步發(fā)展形成了多種類型的建模方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、k-近鄰、貝葉斯、支持向量機(jī)、圖模型以及高斯過程.這些機(jī)器學(xué)習(xí)算法在實(shí)際應(yīng)用過程中各有千秋，而核學(xué)習(xí)算法由于其卓越的非線性逼近能力，得到了國內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注[1].支持向量機(jī)作為核學(xué)習(xí)算法的一個典型代表，融合了統(tǒng)計(jì)學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，不僅可兼顧模型的過擬合和泛化能力，有效解決維數(shù)災(zāi)難問題，還能提高模型的非線性逼近能力.而相關(guān)向量機(jī)較支持向量機(jī)有更優(yōu)越的稀疏性，即更少的辨識參數(shù)，近年來也越來越受到研究人員的關(guān)注.高斯過程模型則是新近核建模方法的一個研究熱點(diǎn).高斯過程(GP)可表征為隨機(jī)變量的集合,該集合中的任意隨機(jī)變量組合服從聯(lián)合高斯分布，其可等效為一種特殊結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即隱含層含有無限節(jié)點(diǎn)的的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2].高斯過程模型由均值函數(shù)和協(xié)方差函數(shù)唯一確定，而均值函數(shù)通?？杉俣榱悖手恍璐_定協(xié)方差函數(shù)便可確定高斯過程模型.即只要確定協(xié)方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)并辨識相應(yīng)參數(shù)便可獲得相應(yīng)的高斯模型.因此，相比于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等方法,高斯過程模型減少了需要辨識的參數(shù)，簡化了參數(shù)優(yōu)化過程，增強(qiáng)了模型的收斂性.此外，由于高斯過程模型是非參數(shù)概率模型,可以在輸入未知的情況下預(yù)測輸出,并給出該預(yù)測的置信度；同時還具有以下優(yōu)點(diǎn)：可將過程的先驗(yàn)知識表征為先驗(yàn)概率融入模型，可通過靈活選取協(xié)方差函數(shù)來增強(qiáng)模型對實(shí)際工業(yè)過程的解釋能力，適用于回歸建模和分類研究；因此，在生物醫(yī)療[3]、機(jī)器人控制[4]、環(huán)保[5- 6]和信號處理[7]等領(lǐng)域，高斯過程模型均得到了廣泛應(yīng)用.但是，高斯過程模型也存在著諸多不足：隨著數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)維度的增加，協(xié)方差及其參數(shù)的計(jì)算會呈現(xiàn)指數(shù)型增長；協(xié)方差函數(shù)結(jié)構(gòu)的選擇需要先驗(yàn)知識；高斯假定往往難以描述非高斯過程.

鑒于高斯過程模型的優(yōu)勢，不論對其進(jìn)行理論上的發(fā)展完善還是應(yīng)用拓展，對機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的發(fā)展及其在工業(yè)過程自動化中的應(yīng)用有重要的意義.文中正是在對新機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的強(qiáng)烈需求下，以高斯過程模型這一新興工具為基礎(chǔ)，論述了其在工業(yè)過程自動化的技術(shù)理論和應(yīng)用問題.

1 高斯過程模型

1.1 高斯過程定義

yi=f(xi)+εi

(1)

(2)

f(·)～GP(0,k(·,·))

(3)

式中，GP(0,k(·,·))代表零均值協(xié)方差為k(·,·)的高斯過程.盡管k(·,·)有多種選擇，這里以最常用的平方指數(shù)核為例，核函數(shù)可表示為

kij=k(xi,xj)=

cov(f(xi),f(xj))=

(4)

y～N(0,Ky)

(5)

(6)

1.2 預(yù)測模型

由于高斯過程輸出變量的擴(kuò)展(y1,y2,…，yN,f(x*))T仍是高斯過程，因此，在給定輸入向量x*的情況下，預(yù)測值的均值和方差可以計(jì)算如下：

(7)

(8)

式中，k*=(k(x*,x),…,k(x*,xn))T是新數(shù)據(jù)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)的協(xié)方差.訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合服從分布如式(5)，則似然函數(shù)的對數(shù)值可表示如下：

(9)

通過求式(9)的最值，即經(jīng)驗(yàn)貝葉斯估計(jì)，可辨識出所需要的參數(shù)θ.

2 高斯過程存在的問題

2.1 高斯過程計(jì)算負(fù)擔(dān)過重問題

高斯過程的超參數(shù)在辨識的過程中，一般通過最優(yōu)化邊緣似然函數(shù)獲得，由式(7)-(8)可知，在每次梯度優(yōu)化時都需對協(xié)方差矩陣Ky求逆，計(jì)算量是O(N3)，即隨著數(shù)據(jù)點(diǎn)的增加，計(jì)算量會成倍地增加，最后可能造成維數(shù)災(zāi)難.為此，國內(nèi)外學(xué)者對協(xié)方差函數(shù)求解提出了各種有效的近似方法.

1)數(shù)據(jù)子集近似法(SoD).其主體思想是在數(shù)據(jù)集合中選擇適量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)用于建模，從而降低協(xié)方差矩陣的維度，是最常用的降低數(shù)據(jù)量的方法.與其他復(fù)雜的近似方法相比，它減少了計(jì)算量和內(nèi)存開銷，尤其當(dāng)數(shù)據(jù)集高度冗余時，冗余的數(shù)據(jù)點(diǎn)能提供給模型的信息有限,對模型性能的改善也有限，因此，采用SoD降低數(shù)據(jù)量以提高計(jì)算效率是可行的[8].應(yīng)用SoD的主要問題是怎樣選取合適的數(shù)據(jù)子集，因?yàn)閿?shù)據(jù)子集往往因?yàn)楣に嚨牟町惗枰罅康膶＜抑R進(jìn)行合理判斷，這些都帶來了過多的不確定性，一定程度上弱化了SoD的性能.

2)維度子集近似法.其基本思想是通過選取一組合適維度的數(shù)據(jù)來近似原來維度的數(shù)據(jù)，從而簡化協(xié)方差矩陣.最基本的方法是通過特征值分解來降低一定的維度，但由于特征值分解的計(jì)算仍然是O(n3)，計(jì)算速度沒有實(shí)質(zhì)性的改善，因此，高效的近似特征值分解方法(如Nystrom[9]、回歸子集法(SoR)[10]和映射過程近似法(PP)[11])都獲得了不同程度的應(yīng)用.部分專家特別對回歸子集法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了完全獨(dú)立訓(xùn)練條件法(FITC)：

kFITC(xi,xj)=kSoR(xi,xj)+

(10)

式中，αij為松馳因子.

通過式(10)替代協(xié)方差函數(shù)可在一定程度上緩解計(jì)算的強(qiáng)度.但是，由于上述方法需要重復(fù)選擇活動數(shù)據(jù)點(diǎn)和最優(yōu)化超參數(shù)，導(dǎo)致模型難以收斂，并降低了參數(shù)學(xué)習(xí)的可靠性.有些學(xué)者利用自動相關(guān)確定(ARD)原理對數(shù)據(jù)維度進(jìn)行合理的選擇，從而在輸入端口直接降低協(xié)方差矩陣的維度[12].以此類推，預(yù)測模型的變量選擇算法(如遺傳算法(GA)、主元分析(PCA)、偏最小二乘(PLS)和窗口偏最小二乘(iPLS))都可用于維度子集的選取，從輸入數(shù)據(jù)端口處合理地降低數(shù)據(jù)維度[13- 14].

上述方法試圖利用所選的數(shù)據(jù)子集表征數(shù)據(jù)全集，故稱全局GPR近似法.而局部GPR近似法僅利用測試點(diǎn)附近的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測.比如局部的數(shù)據(jù)子集近似法，其數(shù)據(jù)點(diǎn)的選擇可通過移動窗口，即時學(xué)習(xí)算法以及差分項(xiàng)來完成[15- 16].全局GPR法和局部GPR法各具優(yōu)勢，Snelson等[17]結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)提出了部分獨(dú)立條件(PIC)近似法.Chalupka等[18]對4種典型計(jì)算方法的計(jì)算量進(jìn)行了比較,結(jié)果如表1所示.

表1 典型協(xié)方差矩陣逼近算法的計(jì)算復(fù)雜度比較[18]

Table 1 Comparison of computation complexity with typical covariance matrix approximation algorithms

方法存儲開銷訓(xùn)練測試均值方差原始方法O(n2)O(n3)O(n)O(n2)SoDO(m2)O(m3)O(m)O(m2)FITCO(mn)O(m2n)O(m)O(m2)PICO(mn)O(m2n)O(m)O(m2)

超參數(shù)初始值的給定對計(jì)算量的影響是另一個必須考慮的問題.共軛梯度法是解決核函數(shù)超參數(shù)優(yōu)化的采用方法，但共軛梯度法對優(yōu)化初始值要求較高，也不易獲得.而隨機(jī)優(yōu)化方法(如遺傳算法、差分進(jìn)化法和粒子群優(yōu)化算法)提供了不錯的解決方案.Petelin等[19]通過比較指出，差分優(yōu)化和粒子群優(yōu)化算法能有效避免局部優(yōu)化的問題.

2.2 高斯過程模型的結(jié)構(gòu)配置問題

高斯過程模型的結(jié)構(gòu)主要取決于均值和協(xié)方差函數(shù).而大部分情況下，先驗(yàn)知識往往是缺失的，因此通常將均值設(shè)置為零，僅需確定協(xié)方差函數(shù)，協(xié)方差函數(shù)一方面控制著輸入過程信息的傳遞，另一方面關(guān)系到所辨識函數(shù)的平滑性.在沒有先驗(yàn)知識的情況下，平方指數(shù)核的使用具有普遍意義和通用性，但它是無限可積的，即有很強(qiáng)的曲線平滑假定，這往往不切合實(shí)際.而Mat′ern核則不然，由于協(xié)方差函數(shù)中加入了參數(shù)v-1，使得函數(shù)的平滑性是可控的，這為預(yù)測模型的計(jì)算提供了許多便利.高斯過程模型的常用核函數(shù)可見表2.

表2 高斯過程模型的常用核函數(shù)Table 2 Common kernel functions of Gaussian process model

但是,單純地依賴某種函數(shù)所能逼近的曲線形式畢竟有限，而協(xié)方差的疊加和相乘能極大地?cái)U(kuò)充協(xié)方差函數(shù)的形式.這些方法存在的問題在于如何尋找最優(yōu)的協(xié)方差函數(shù)結(jié)構(gòu)，為此，2014年Duvenaud[20]提出了協(xié)方差函數(shù)結(jié)構(gòu)自優(yōu)化方法，系統(tǒng)地解決了這個問題，并在文字識別中得到了很好的驗(yàn)證.

2.3 高斯過程模型的多任務(wù)學(xué)習(xí)問題

多任務(wù)學(xué)習(xí)起源于機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域?qū)w納偏置問題的研究，其動機(jī)在于通過對多個相關(guān)任務(wù)同時進(jìn)行學(xué)習(xí)，利用任務(wù)之間傳遞的有用信息以獲取更優(yōu)的歸納偏置用于假設(shè)空間搜索.多任務(wù)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于多任務(wù)內(nèi)部關(guān)系的合理描述，通常的方法是通過建立多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從而發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)部的共性特征[21].對此，高斯過程模型的協(xié)方差矩陣的內(nèi)生性可為多任務(wù)學(xué)習(xí)提供許多便利[22].但是，大部分的高斯過程模型的協(xié)方差矩陣是以所有的任務(wù)均為均衡對稱為前提的，即以所有的任務(wù)是同等重要的為前提.因此，Leen等[23]對高斯過程模型的協(xié)方差函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，使得次要任務(wù)作為主要任務(wù)的條件分布進(jìn)行貝葉斯分析，有效地改進(jìn)了協(xié)方差函數(shù)中相關(guān)關(guān)系的定義問題.即使如此，在進(jìn)行協(xié)方差函數(shù)相關(guān)關(guān)系定義的過程中，需要對相關(guān)關(guān)系進(jìn)行一定的假定，比如數(shù)據(jù)的概率分布假定，尤其當(dāng)次要任務(wù)和主要任務(wù)的數(shù)據(jù)概率分布差別比較懸殊時，概率分布假定往往會弱化或扭曲數(shù)據(jù)原本的特性.因此，在實(shí)現(xiàn)多任務(wù)學(xué)習(xí)的同時，如何協(xié)調(diào)和差異化處理多個任務(wù)也是一個值得思考的問題.

3 高斯過程模型的研究應(yīng)用

3.1 軟測量建模

軟測量是指選用工業(yè)過程中較易測量的過程變量，通過建立合適的數(shù)學(xué)模型來推斷或者估計(jì)難于測量或不能實(shí)時測量的重要變量，從而提高工程過程控制的實(shí)時性和可靠性，并降低硬件成本.鑒于高斯過程模型非線性的逼近能力和預(yù)測方差的合理描述，其在軟測量建模中得到了越來越多學(xué)者的關(guān)注[12,24]，并已經(jīng)在光譜校準(zhǔn)[25]和非線性動態(tài)規(guī)劃[26]中得到一定的應(yīng)用.

軟測量建模所用數(shù)據(jù)往往是工業(yè)現(xiàn)場采集而來，數(shù)據(jù)的缺失，奇異和噪聲在所難免.常規(guī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(如RBF網(wǎng)絡(luò)[27]和BP網(wǎng)絡(luò)[28])或偏最小二乘法(PLS)[29]無法對以上不確定信息進(jìn)行合適的處理和合理的描述.統(tǒng)計(jì)學(xué)中常常利用變量誤差模型(Error-in-Variables)來做相應(yīng)處理，如Berkson模型假定模型在噪聲作用下圍繞真值波動，只要波動滿足一定的假定便可以求解[30].針對不確定信息的描述，支持向量機(jī)(SVM)[31]和相關(guān)向量機(jī)(RVM)[32]由于利用EM算法進(jìn)行參數(shù)辨識，相應(yīng)的計(jì)算方差能夠?qū)δＰ蛥?shù)的不確定性進(jìn)行一定的描述，但數(shù)據(jù)本身或工業(yè)過程本身的描述則無法實(shí)現(xiàn).而高斯過程模型通過先驗(yàn)知識獲取的協(xié)方差函數(shù)計(jì)算得到的方差不僅能對模型參數(shù)的不確定性，而且能夠?qū)?shù)據(jù)本身或工業(yè)過程進(jìn)行一定的描述.但高斯過程模型估計(jì)非高斯函數(shù)的真值和參數(shù)費(fèi)時費(fèi)力，為此，Van Gorp等[33]在不確定條件下利用隨機(jī)EM算法對模型參數(shù)真值和參數(shù)進(jìn)行了有效估計(jì)，并取得了期望的效果.Girard[34]則利用Delta方法、泰勒展開以及蒙特卡羅方法對非高斯模型下高斯過程模型的積分進(jìn)行了估計(jì).此外，不同于高斯模型自有不確定描述功能，一些學(xué)者從外部考慮嵌入其他方法對不確定性進(jìn)行描述[16,35]，但這直接加劇了模型的復(fù)雜性，也易造成部分不確定信息的遺漏.

輔助變量的選擇也是軟測量建模關(guān)鍵的一環(huán).合理地選擇輔助變量不僅能降低模型的復(fù)雜性，提高模型的魯棒性，還能避免模型過擬合.與傳統(tǒng)方法不同，由于高斯過程模型本質(zhì)上是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中間層的無限積分，在不同變量的權(quán)值分配時，對輸出變量相關(guān)性最強(qiáng)的變量給予了較大的權(quán)值，而對于相關(guān)性較小的變量則反之，從而達(dá)到了輔助變量選擇的目的[36].但是，對于此優(yōu)勢，鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)闡述.

多步預(yù)測和多輸出軟測量預(yù)測模型是最近的研究熱點(diǎn).區(qū)別于傳統(tǒng)自回歸模型，高斯過程模型也提供了更多的可能性.Ni等[37]在結(jié)合遺忘因子的基礎(chǔ)上提出了遞歸高斯過程，實(shí)現(xiàn)了軟測量的多步預(yù)測.Hernandez等[38]基于費(fèi)舍爾矩陣描述高斯過程模型的不確定性，同時利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)改進(jìn)了高斯過程模型，使其能適用多步和多變量的預(yù)測，并將模型應(yīng)用到了納米粒子的預(yù)測仿真中，但是對計(jì)算量過大的問題有欠考慮.lvarez等[39]巧妙地將多個輸出變量的相關(guān)關(guān)系融入先驗(yàn)知識和核函數(shù)中，很好地解決了多變量的預(yù)測問題.盡管如此，基于高斯過程模型的多步預(yù)測和多輸出預(yù)測都有待進(jìn)一步拓展.

對于高斯過程模型在軟測量中的應(yīng)用，大部分僅僅停留在簡單的建模[8,12]，而忽略了高斯過程模型的潛在優(yōu)勢，如不確定信息的應(yīng)用.因此，對高斯過程模型軟測量建模方法的深入研究有助于軟測量在工業(yè)過程中的深度應(yīng)用.

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，控制系統(tǒng)也日趨復(fù)雜多變，如何在復(fù)雜和不確定條件下實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要.

模型預(yù)測控制是一種最為常見的基于模型的控制方法[40]，但仍然存在諸如應(yīng)用對象還僅限于線性或準(zhǔn)線性過程、預(yù)測模型的調(diào)整缺乏有效的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)(即物理意義不明確)、難以與應(yīng)用實(shí)踐相聯(lián)系等局限性.有些專家嘗試?yán)酶咚惯^程模型實(shí)現(xiàn)了內(nèi)?？刂芠41]和預(yù)測函數(shù)控制[42].但是，上述算法僅停留在高斯過程模型預(yù)測均值在代價(jià)函數(shù)和優(yōu)化約束中的應(yīng)用，忽略了高斯過程模型的預(yù)測方差.隨機(jī)非線性模型預(yù)測控制則充分考慮了預(yù)測均值和方差的共同作用，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運(yùn)行.高斯過程模型恰好符合了隨機(jī)非線性模型預(yù)測控制的模型需求，從而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)預(yù)測控制算法的代價(jià)函數(shù)和約束條件都以概率的方式出現(xiàn)，即要求不確定性滿足特定的統(tǒng)計(jì)概率[43].但是，基于高斯過程模型的隨機(jī)非線性預(yù)測控制和其他的隨機(jī)非線性預(yù)測控制方法一樣，至今依然受制于非線性隨機(jī)優(yōu)化問題，亟待進(jìn)一步的解決.與模型預(yù)測控制類似，高斯過程模型也可以作為優(yōu)化控制的模型以描述過程的動態(tài)性能，并在冷卻系統(tǒng)[44]和原油處理系統(tǒng)[45]中得到了有效的驗(yàn)證.尤其需要指出的是，沈俊鵬[46]在利用遞歸的高斯過程模型作為預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，建立了多級自主優(yōu)化控制策略，充分驗(yàn)證了遞歸的高斯過程模型可為優(yōu)化控制提供便利.但是，高斯過程在優(yōu)化控制中的應(yīng)用較之于預(yù)測控制少之又少，亟待豐富相關(guān)方面的研究.

自適應(yīng)控制系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代初興起的另一種基于模型的控制方法，它試圖通過動態(tài)模型和控制策略的在線學(xué)習(xí)來改善系統(tǒng)的運(yùn)行.然而，復(fù)雜工業(yè)過程的動態(tài)特性往往難以用精確的數(shù)學(xué)模型來完全描述，只能做到某種程度的逼近，但其逼近程度取決于建模者對過程知識掌握的多少及建模方法，并直接影響了閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制效果.鑒于高斯過程模型的非線性逼近能力和不確定信息評估能力，不少學(xué)者將高斯過程模型應(yīng)用到自適應(yīng)控制中，特別是對偶自適應(yīng)控制.在基于高斯過程模型的自適應(yīng)控制中，高斯過程模型需要在線辨識，但在線辨識過程中，高斯過程模型可利用局部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)確立合理的瞬態(tài)模型，且局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模型匹配性還能通過預(yù)測方差得到合理的解釋[47].而上述算法主要關(guān)注于高斯過程模型對主體控制算法的作用，對高斯過程模型的在線辨識研究較少.為此，Nguyentuong等[48]提出了兩種在線高斯過程模型學(xué)習(xí)方法，第一種是基于移動窗口技術(shù)，第二種則是僅僅考慮較高增益的新數(shù)據(jù).無論基于何種改進(jìn)的在線高斯過程模型，對于大部分自適應(yīng)算法來說，都是最小方差控制器，而正是由于高斯過程模型的存在，能更直接地為控制器提供更多的信息.Rasmussen等[49]提出了一種動態(tài)高斯算法，其特點(diǎn)在于其代價(jià)函數(shù)通過高斯過程模型進(jìn)行逼近，但由于該方法不能適應(yīng)過程的突變，因此僅能適用于靜態(tài)過程，同時該方法僅適合于低維數(shù)據(jù).

綜上所述，高斯過程模型的非線性逼近性能、動態(tài)性能以及對不確定信息的描述能力，為非線性隨機(jī)控制方案的設(shè)計(jì)提供了可能性.

3.3 過程監(jiān)控、診斷以及預(yù)測

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的多元統(tǒng)計(jì)學(xué)過程監(jiān)控方法是維護(hù)工業(yè)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的一種重要手段.特別是從主元分析方法中提煉T2因子和Q因子進(jìn)行過程監(jiān)控已經(jīng)在理論和實(shí)際工程中得到了有效的驗(yàn)證，并獲得了有效的拓展，例如非線性主元分析和間歇過程主元分析等[50].主元分析和與之類似的因子分析，所采用的模型都是通過迭代獲得的加性模型.鑒于加性模型的應(yīng)用狹隘性，Serradilla等利用無監(jiān)督GPLV模型建立了過程監(jiān)控系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型不能實(shí)現(xiàn)的乘性結(jié)構(gòu)，而且實(shí)現(xiàn)了隱變量的并行計(jì)算，最后在攪拌釜過程中得到了有效驗(yàn)證[51].但是，直接使用GPLV生成T2因子和Q因子會有兩個問題，即測試數(shù)據(jù)映射難和控制限難以獲得的問題.為此，浙江大學(xué)GE等利用GPLV參數(shù)學(xué)習(xí)的后推概念提出了新的T2因子和Q因子，針對控制限難以獲取的問題，利用一類分類的方法獲取控制，直接消除了先驗(yàn)知識對控制限的影響[52].除了無監(jiān)督情況下高斯過程模型故障診斷方法外，高斯過程模型的分類和回歸同樣也可以用于故障診斷.尹金良等[53]構(gòu)建了基于拉普拉斯近似方法的高斯過程分類器，并用典型分類數(shù)據(jù)進(jìn)行了故障診斷的驗(yàn)證，而Serpas等[54]首先將高斯過程模型用于難以測量變量的預(yù)測，并在所預(yù)測變量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了故障統(tǒng)計(jì)學(xué)模型的故障診斷.

但總體而言，高斯過程模型在故障診斷上的應(yīng)用研究還有待進(jìn)一步深入.同時，在上述基于軟測量的故障診斷方法中，如果軟測量進(jìn)一步拓展到多步預(yù)測可相應(yīng)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測的功能.

3.4 信號處理

高斯過程模型在信號處理中的應(yīng)用主要是濾波器的設(shè)計(jì)，高斯過程能在濾波器中得到有效應(yīng)用，源于其對不確定信息的估計(jì)能力可對濾波的有效性進(jìn)行合理描述，最典型的是高斯-貝葉斯濾波器[55]，它旨在將高斯預(yù)測模型和數(shù)據(jù)觀測模型應(yīng)用到貝葉斯濾波器中去.該濾波器在運(yùn)行中包含了控制信號，觀測信號和實(shí)時狀態(tài)信號.但它對實(shí)時狀態(tài)信號的檢測要求苛刻，通常需要假定輸入信號是在無噪聲的前提下檢測得到.而GPLV模型有效避免了上述濾波器中的問題，它依賴的僅僅是訓(xùn)練數(shù)據(jù)[56].此外，Reece等[57]在卡爾曼濾波和高斯過程優(yōu)勢互補(bǔ)的基礎(chǔ)上提出了高斯-卡爾曼濾波器，該方法能有效地實(shí)現(xiàn)時間、空間兩個維度數(shù)據(jù)的描述.但總體而言，高斯過程在濾波器中的應(yīng)用研究偏少.

4 實(shí)例研究

4.1 研究實(shí)例背景

污泥膨脹一直是困擾污水處理行業(yè)的一大難題，它極大地降低了污泥與處理后污水的分離效果，使得出水指標(biāo)超標(biāo)，甚至?xí)斐上掠嗡w的污染.在污水處理工藝中，污泥膨脹程度一般通過SVI (污泥沉積指數(shù))來反映，當(dāng)SVI大于某個控制限則認(rèn)為發(fā)生了污泥膨脹，因此，及時有效地預(yù)測污水廠的SVI，對于污泥膨脹的預(yù)警和控制有著至關(guān)重要的作用.但污泥沉積指數(shù)難以直接測量，如何建立精確模型來模擬活性污泥處理的復(fù)雜工業(yè)過程，從而獲得SVI來判斷污泥膨脹情況，依然是一個嚴(yán)峻的問題.

所提供實(shí)例為北京某污水廠，該污水廠采用污水好氧工藝，覆蓋了北京480 000的人口，水利停留時間為16.5 h，日處理流量為170 000 m3.在污水廠的運(yùn)行過程中，由于氣候干燥和COD (化學(xué)需氧量)處理量過低，發(fā)生了污泥膨脹現(xiàn)象，極大影響了污水廠的污水處理能力.污水廠每天的進(jìn)水特征、操作條件和污泥沉積指數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)都被記錄下來.本例正是利用這些數(shù)據(jù)驗(yàn)證文中所研究高斯過程模型的有效性，高斯過程模型用于預(yù)測該污水廠二沉池的SVI參數(shù)，以預(yù)防和控制污泥膨脹，從而防止活性污泥的惡化.仿真實(shí)驗(yàn)取樣了138 d的數(shù)據(jù)，其中前100 d數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練，后38 d數(shù)據(jù)用于測試.

4.2 研究結(jié)果和討論

實(shí)例中利用遞歸的方式將高斯過程模型拓展到了多步預(yù)測，不僅解決了單步預(yù)測軟測量的局限性，還為故障預(yù)測提供了可行性.協(xié)方差函數(shù)選用“線性×開方指數(shù)”形式.

從圖1(b)中不難看出,遞歸高斯過程模型不僅能提前1 d,甚至能提前6 d天預(yù)測到SVI是否超過控制限，借此判斷發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象.更為重要的是,在提前6 d的預(yù)測過程中,高斯過程模型在給出預(yù)測值的同時還給出了模型預(yù)測過程中的預(yù)測方差，以描述過程的不確定信息，如圖1(a)所示.通過預(yù)測值和方差，可確定實(shí)際值可能的范圍，從而確定SVI可能超出控制限的最早或者最遲時間.

圖1 基于遞歸高斯過程模型的多步預(yù)測與故障診斷

Fig.1 Multi-step prediction and fault diagnosis based on recursive Gaussian process model

5 結(jié)語

面對日益復(fù)雜的工業(yè)過程，高斯過程模型的提出和應(yīng)用為工業(yè)過程建模、優(yōu)化和控制提供了一個廣闊的思路，并可兼顧描述不確定信息.盡管高斯過程模型經(jīng)過了近十年的發(fā)展，但在工業(yè)控制中的應(yīng)用才剛剛起步，尚有許多問題亟待取得突破：①面對動態(tài)的復(fù)雜工況，如何實(shí)現(xiàn)高斯過程模型的在線學(xué)習(xí)和辨識是一個值得研究的問題；②隨著工業(yè)過程精度和采樣速率的提高，大數(shù)據(jù)背景下對高斯過程的建模提出了更高的要求；③高斯過程模型有助于魯棒預(yù)測控制的研究和應(yīng)用是另外一個亟待解決的問題；④高斯過程模型多步預(yù)測的拓展能有效強(qiáng)化基于非線性模型的故障預(yù)測功能，但如何將高斯過程模型拓展到故障診斷和故障預(yù)測領(lǐng)域仍然是一個需要解決的重要問題.

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Application of Gaussian Process Modeling Method in Industrial Processes

XIAOHong-junLIUYi-qiHUANGDao-ping

(School of Automation Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

As industrial processes have become more and more complex, the traditional sensors are unavailable, and it is difficult to properly model the critical variables and efficiently optimize or diagnose the important parts of a process. The Gaussian process model provides an alternative to the modeling, optimization and control of industrial processes under the constraints of uncertainties. In this paper, aiming at the complexity of industrial processes, the pros and cons of the Gaussian process model are investigated, and its application to the modeling, optimization, control and fault diagnosis of industrial processes as well as the corresponding research results is generalized. Finally, the application prospects and development orientations of the Gaussian process model in industrial processes are summarized and forecasted by combining the international research results with the authors’ practical experience.

Gaussian process model; industrial process; soft sensor; fault diagnosis

2016- 04- 12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61673181，61403142)；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015A030313225)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016A020221007)；佛山市科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014AG10018) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(61673181,61403142),the Natural Science Foundation of Guangdong Province(2015A030313225) and the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(2016A020221007)

肖紅軍(1979-)，男，博士生，副教授，主要從事智能檢測與智能控制研究.E-mail:jinsery@163.com

? 通信作者: 黃道平(1961-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能檢測與智能控制研究.E-mail：audhuang@scut.edu.cn

1000- 565X(2016)12- 0036- 08

TP 89

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.12.006