曹鵬飛，羅雄麟

化學(xué)工程綜合

化工過程軟測量建模方法研究進(jìn)展

曹鵬飛，羅雄麟

目的：軟測量儀表技術(shù)是解決化工過程中重要質(zhì)量變量難以實(shí)時(shí)測量的重要手段，該技術(shù)的核心是建立質(zhì)量變量與易測變量間的模型。隨著人們對(duì)過程特性的認(rèn)識(shí)加深，軟測量建模方法不斷發(fā)展，經(jīng)歷了從機(jī)理建模到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模，從線性建模到非線性建模，從靜態(tài)建模到動(dòng)態(tài)建模的過程。本文詳細(xì)討論了軟測量建模的發(fā)展過程，眾多建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用情況和現(xiàn)在建模的熱點(diǎn)問題，并對(duì)軟測量建模方法進(jìn)行了總體展望。常規(guī)軟測量建模方法：常規(guī)軟測量建模方法主要包括早期方法以及研究較為成熟且使用廣發(fā)的一些方法，主要介紹機(jī)理建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模和混合建模。機(jī)理建模是軟測量研究早期比較常用的一種方法，根據(jù)工藝過程中物料、能量等平衡關(guān)系以及物理、化學(xué)基本定理，在特定假設(shè)條件下建立由宏觀或微觀方程所表示的精確數(shù)學(xué)模型，又稱白箱建模法。與其不同，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模法是針對(duì)對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu)與機(jī)理并不清楚的情況下提出的，利用過程測量數(shù)據(jù)，通過某種最優(yōu)準(zhǔn)則構(gòu)造數(shù)學(xué)關(guān)系以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量變量估計(jì)，又稱黑箱建模法。其具體的實(shí)現(xiàn)方法主要包含基于回歸分析的方法、人工智能方法、基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的方法、基于概率核函數(shù)的方法及基于聚類的建模方法等?；旌辖t是將多種模型結(jié)合的一類建模方式，能綜合多種模型的優(yōu)勢，待深入研究。非線性動(dòng)態(tài)建模方法：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模已成為軟測量建模研究的主要方法，其中建立非線性軟測量模型成為必然。大多數(shù)方法基于過程的靜態(tài)假設(shè)，而實(shí)際過程總是動(dòng)態(tài)變化，樣本數(shù)據(jù)往往同時(shí)包含動(dòng)態(tài)信息。在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性較明顯時(shí)，采用動(dòng)態(tài)建模方法可以有效提高軟測量模型的估計(jì)精度和魯棒性。為準(zhǔn)確表征系統(tǒng)的非線性和動(dòng)態(tài)特性，有必要建立非線性動(dòng)態(tài)模型。目前，許多學(xué)者對(duì)非線性動(dòng)態(tài)軟測量建模進(jìn)行研究，根據(jù)采用的處理信息方式的不同，非線性動(dòng)態(tài)模型主要包括多點(diǎn)輸入模型、動(dòng)態(tài)加權(quán)輸入模型、反饋網(wǎng)絡(luò)模型、多模型結(jié)構(gòu)軟測量模型等類型。每種模型類型都有各自的表達(dá)和優(yōu)缺點(diǎn)，盡管實(shí)現(xiàn)方式不同，從結(jié)構(gòu)上基本采用動(dòng)態(tài)與非線性靜態(tài)特性表征的互補(bǔ)。軟測量建模的幾點(diǎn)考慮：經(jīng)過多年的發(fā)展，出現(xiàn)了許多軟測量建模方法，在理論研究和工程應(yīng)用中得到了很好的發(fā)展和應(yīng)用。非線性動(dòng)態(tài)模型是軟測量模型的主要研究方向之一，尚存在許多問題需要進(jìn)一步探討和研究：（1）樣本數(shù)據(jù)所包含的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息應(yīng)如何處理，基于處理后的數(shù)據(jù)如何建立模型，以確保系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和非線性特性準(zhǔn)確表征；（2）軟測量系統(tǒng)的多采樣頻率特征對(duì)建立軟測量模型、模型辨識(shí)的影響和解決方法。

來源出版物：化工學(xué)報(bào), 2013, 64(3)：788-800

入選年份：2015