统计过程监控综述.pdf

第2lSg第3期沈阳大学学报Vo1．21．No．3
2009年6月JOURNALOFSHENYANGUNIVERSITYJun．2009

文章编号：1008—9225(2O09)03—0101—03

统计过程监控综述

万福才，鄂佳
(沈阳大学信息工程学院，辽宁沈阳110044)

摘要：在介绍过程监控主要内容及方法的基础上，归纳分析了统计过程监控的发展，详细阐述了传统
的PCA、PCR、PLS、FDA、HMM和几种改进的PCA方法．指出，将人的经验和专家知识融人到PCA统计过程
监控，提高PCA的故障检测、隔离能力，完善故障诊断与评价能力，将是一个有价值的研究方向．
关键词：统计过程监控；PCA；数据驱动
中图分类号：TP311文献标识码：A

连续工业生产过程，如石化、电力、冶金等行证过程运行状况满足给定的性能指标，需要对过
业，生产通常处于高温高压或低温真空等极端环程中可能发生的故障进行实时检测、诊断与消除，
境．如操作不当，由于疏于检测或自然因素，时有在流程工业中被称为过程监控．一般包括四个步
生产中断、爆炸、毒气泄漏的危险，不仅给生产带骤：故障检测(FaultDetection)、故障识别(Fault
来巨大损失，而且严重威胁着社会安全．因此，使Identification)、故障诊断(FaultDiagnosis)、过程
这些生产过程安全正常运行，成为人们密切关注恢复(ProcessRecovery)[6-7J．
过程监控技术及质量控制技术的主要动因．此外，
工业过程规模的不断扩大、过程工艺日益复杂以
及巨大的投资，也都迫使人们不得不考虑过程的
可靠性和安全性．可见，过程监控研究是一个既有图1过程监控买施图

理论挑战性，又有很高应用价值的研究课题⋯1．1．2监控方法
1过程监控及方法根据对先验知识利用方式(即故障建模方法)
的不同，把过程监控分为：基于定量模型的方法、
1．1基本概念基于定性模型的方法和基于数据驱动的方法8．
工业过程统计性能监控隶属于故障检测和诊(1)基于定量模型的方法．也称基于解析模
断(FaultDetectionandDiagnosis，FDD)的研究范型的方法，它所需要的先验知识是过程的机理模
畴．FDD是一门应用很广泛的技术，在航天、电型．包括参数估计法、状态估计法和等价空间
力、管线运输、机器人、离散制造及化工生产等领(Parityspace)法，或称等价关系法(Parity
域都得到了深入的研究_1J．relations)．
(1)故障(Fault)．故障被定义为“系统中至少(2)基于定性模型的方法．也称基于知识的

一个特性或变量的一种不允许的偏离”_2j，是指方法9．不需要过程的精确数学模型，而是通过
过程中发生的不正常现象【3J．在影响程度上，它定性的因果关系模型(如故障树和符号定向图)、
可能会使相应部分性能降低，甚至可能完全崩溃抽象递阶知识树以及专家系统等模型，定性地描
(breakdown，failure)L4J．故障的来源可以分为：传述过程中各单元之间的连接关系、故障传播模式
感器故障、执行器故障、过程参数故障、干扰参数等过程知识．并在故障出现后，通过推理、演绎或
故障[51．模式识别，自动完成故障定位和诊断工作．
(2)过程监控(ProcessMonitoring)．为了保(3)基于数据驱动的方法．在建立模型时仅

收稿日期：2008—12—10
基金项目：国家自然科学基金资助项目(60274027)．
作者简介：万福才(1967一)，男，辽宁法库人，沈阳大学教授，博士．
102沈阳大学学报第21卷

需要过程中的历史数据，通过数据分析处理方法PLS)．对数据矩阵x和输出矩阵y的分解是逐
挖掘其中的信息，获取正常操作和故障的特征模步迭代交换进行的．通过输入矩阵与输出矩阵之
式，进而指导生产操作．间相互交换分解信息，找到最优的特征方向，这种
1．3过程监控各方法比较最优是建立在从输入空间到输出空间的预测能力
基于定量模型故障诊断方法的性能，在很大上的．PLS用于过程监控的步骤与PCA类似．
程度上依赖于过程解析模型的准确程度，通常局(4)费舍判别式分析(FisherDiscriminant
限于变量数目少，且只具有简单动态特性的过程．Analysis，FDA)．是一种线性降维技术，它把各类
基于定性模型的方法诊断能力较好，但通用性比最大程度地分离．就故障诊断来说，首先从发生故
较差，通常需要结合具体的应用对象．基于数据驱障的设备中采集数据，然后把这些数据分成类，其
动的方法只需要过程的数据，通用性较强，比较适中每一类包含着表示某一特定故障的数据．从这
合于流程工业对象的故障检测和诊断，但由于未点来讲，FDA是最优的，它确定了一系列的线性
充分利用模型信息、设备连