一種基于傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測工業(yè)生產(chǎn)過程的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及一種基于傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測工業(yè)生產(chǎn)過程的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 工業(yè)生產(chǎn)過程尤其是化工反應(yīng)過程由于涉及危險品數(shù)量多，生產(chǎn)工藝要求苛刻， 以及生產(chǎn)裝置的大型化、連續(xù)化和自動化，一旦發(fā)生事故，后果將極其嚴(yán)重，因此，安全問題 在工業(yè)生產(chǎn)過程中占據(jù)著非常重要的位置。
[0003] 歷史經(jīng)驗(yàn)表明，改進(jìn)企業(yè)安全生產(chǎn)水平不外乎兩個途徑:一、進(jìn)行深入全面的安全 分析和核查，做到防患于未然，即建立有效的預(yù)防體系;二：當(dāng)危險真正發(fā)生時，努力提高操 作工的應(yīng)急處理能力，即建立在線實(shí)時防護(hù)體系。預(yù)防和防護(hù)是安全生產(chǎn)中的兩個相輔相 成的環(huán)節(jié)，有效的預(yù)防手段可以將安全隱患及早地排除，而實(shí)時防護(hù)手段又大大增強(qiáng)了危 險發(fā)生時企業(yè)應(yīng)急和轉(zhuǎn)危為安的能力。
[0004] 為了保障生產(chǎn)安全，首先要面臨的問題就是防患于未然。雖然一套良好的防護(hù)體 系固然重要，但是如果預(yù)期就能夠分析、發(fā)現(xiàn)問題，將危險消滅在最初階段是人們最想得到 的結(jié)果，這就是安全評價所要解決的主要問題，因此在生產(chǎn)過程中，我們必須對工廠的設(shè)施 進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，而目前這方面的技術(shù)還比較缺乏。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提出一種基于傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測工業(yè)生產(chǎn)過程的方法，能夠根據(jù) 工廠傳感器產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)同一產(chǎn)品的多個不同批次的過程數(shù)據(jù)，通過對齊、規(guī)整 擬合出一條標(biāo)準(zhǔn)值曲線，然后根據(jù)曲線監(jiān)測工業(yè)生產(chǎn)過程。
[0006] 另外由于實(shí)際生產(chǎn)過程中，雖然生產(chǎn)的是同一產(chǎn)品，但是過程時間卻存在一定的 差異，所以不可能直接使用歷史數(shù)據(jù)擬合出標(biāo)準(zhǔn)值曲線，必須先對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理?；?于此，本發(fā)明提出了數(shù)據(jù)規(guī)整的方法，用該方法可以對齊數(shù)據(jù)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種基于傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測工業(yè)生產(chǎn)過程的方法，包括以下步驟：
[0009] (1)根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程各階段的數(shù)據(jù)特征，識別出一個批次數(shù)據(jù)的各階段；
[0010] (2)在識別數(shù)據(jù)各階段過程中，評估并標(biāo)記數(shù)據(jù)的有效性；
[0011] (3)分階段處理數(shù)據(jù)狀態(tài)；
[0012] (4)針對工作過程總時間存在的差異對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)整，并以特定的階段轉(zhuǎn)換點(diǎn)為 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對齊；
[0013] (5)對同一產(chǎn)品多個批次規(guī)整后的曲線進(jìn)行擬合。
[0014] 進(jìn)一步的，步驟（1)中，所述工業(yè)生產(chǎn)過程各階段包括非反應(yīng)工作狀態(tài)和反應(yīng)工作 狀態(tài)，反應(yīng)工作狀態(tài)包括狀態(tài)準(zhǔn)備階段、穩(wěn)定反應(yīng)階段和狀態(tài)恢復(fù)階段。
[0015] 進(jìn)一步的，步驟（1)中，各階段間轉(zhuǎn)換時的數(shù)據(jù)特征為:非反應(yīng)工作狀態(tài)到狀態(tài)準(zhǔn) 備階段工作曲線斜率短時間內(nèi)由約等于0提高至一個較大的值，狀態(tài)準(zhǔn)備階段到穩(wěn)定反應(yīng) 階段工作曲線斜率降至約等于0,穩(wěn)定反應(yīng)階段到狀態(tài)恢復(fù)階段工作曲線明顯偏離穩(wěn)定反 應(yīng)階段的標(biāo)準(zhǔn)值，狀態(tài)恢復(fù)階段到非反應(yīng)工作狀態(tài)工作曲線接近正常非工作狀態(tài)值。
[0016] 進(jìn)一步的，步驟(2)中，當(dāng)對一個批次的數(shù)據(jù)進(jìn)行階段區(qū)分識別時，若無法檢測到 預(yù)期的階段轉(zhuǎn)換特征，則可判定該批次數(shù)據(jù)因數(shù)據(jù)不完整而無效，并對該批次數(shù)據(jù)標(biāo)記其 缺失內(nèi)容。
[0017] 進(jìn)一步的，步驟(3)中，在狀態(tài)準(zhǔn)備階段監(jiān)測工作曲線的斜率和平穩(wěn)度，在狀態(tài)恢 復(fù)階段監(jiān)測此階段的時長，在穩(wěn)定反應(yīng)階段監(jiān)測當(dāng)前傳感器數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)值曲線、安全區(qū)間 上限和安全區(qū)間下限，當(dāng)數(shù)值超出安全界限的時候進(jìn)行報(bào)警提示。
[0018] 進(jìn)一步的，步驟(3)中，狀態(tài)準(zhǔn)備階段的平穩(wěn)度，是指工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備達(dá)到工業(yè)生產(chǎn) 要求狀態(tài)平穩(wěn)均勻?qū)崿F(xiàn)的能力，即設(shè)備改變狀態(tài)的速率與時間是否成正比。計(jì)算方法如下：
[0019] ①統(tǒng)計(jì)整個升溫過程所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量為m，監(jiān)測的數(shù)值為bhte，…，bn;
[0020] ②根據(jù)m個點(diǎn)的數(shù)據(jù)擬合出一條最小誤差的直線或者曲線，記為L(多數(shù)是直線，也 有可能是曲線）；
[0021] ③設(shè)L到其中一個監(jiān)測數(shù)據(jù)點(diǎn)匕的歐幾里德距離為d1;
[0022] ④計(jì)算監(jiān)測數(shù)據(jù)點(diǎn)和L的平均距離為
[0023]⑤以d為評價平穩(wěn)度的指標(biāo)。
[0024] 進(jìn)一步的，步驟(4)中，數(shù)據(jù)規(guī)整的方法包括以下步驟：
[0025] ①假設(shè)有η個批次的數(shù)據(jù)，工作過程總時長分別為ai，a2，a3, . . .，an分鐘，也就是這 η個批次的數(shù)據(jù)分別有ai+l，a2+l，a3+l，. . .，an+l個時間序列點(diǎn)（因?yàn)檫€包含開始時刻的傳 感器數(shù)值），把各個批次的時間序列點(diǎn)連成曲線。
[0026] ②設(shè)a為最接近(ai+a2+a3+. . .+an)/n(即各個批次總時長的平均值）的整數(shù)，總時 長為ai的曲線以ai/a為間隔米樣時間序列點(diǎn)，總時長為a2的曲線以a2/a為間隔米樣時間序 列點(diǎn)，以此類推，總時長為a n的曲線&an/a為間隔采樣時間序列點(diǎn)。
[0027] ③每條曲線采樣取出來的時間序列點(diǎn)，又以相等的時間間隔分別連成曲線，這樣 就能夠得到時間間隔相等，包含時間序列點(diǎn)的數(shù)目相等，總時長也相等的η條曲線了。
[0028] 進(jìn)一步的，步驟(5)中，多條曲線規(guī)整后都是由a+Ι個點(diǎn)連接而成的，點(diǎn)與點(diǎn)之間的 時間間隔相等，所以總的時長也相等。設(shè)一條標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)曲線為一個離散隨機(jī)過程{Xt:t = 0，1，2，. . .，a}，t為整數(shù)，0 < t < a，t時刻的傳感器數(shù)值為隨機(jī)變量Xt，有η條曲線，也就是說 這個隨機(jī)過程有η個時間序列樣本，求出各個時刻數(shù)值的均值μ*和標(biāo)準(zhǔn)差 〇t，則可以在η個時 間序列樣本的基礎(chǔ)上得到三個新的時間序列：
[0029] ①{yt:t = 0，l，2, . . .，a}為該產(chǎn)品生產(chǎn)過程傳感器的標(biāo)準(zhǔn)值；
[0030] ②{yt+3〇t:t = 0，l，2，. . .，a}為該產(chǎn)品生產(chǎn)過程傳感器數(shù)的安全上限值；
[0031]③{以-3〇*4 = 0，1，2，...，&}為該產(chǎn)品生產(chǎn)過程傳感器數(shù)的安全下限值；
[0032] 把這三個時間序列的點(diǎn)分別連接成曲線，就可以得到該產(chǎn)品生產(chǎn)過程傳感器數(shù)值 的標(biāo)準(zhǔn)值曲線，安全區(qū)間上限和安全區(qū)間下限。其中，安全區(qū)間上限和安全區(qū)間下限之間就 是安全范圍。
[0033] 進(jìn)一步的，所述工業(yè)生產(chǎn)過程為化工反應(yīng)過程。
[0034] 本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)容易，算法簡單，只需要進(jìn)行一些簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，這正迎合了"大 數(shù)據(jù)"背景下，用簡單算法處理海量數(shù)據(jù)的潮流趨勢。即使數(shù)據(jù)量比較大，處理的時間也比 較短，這對于工業(yè)實(shí)時生產(chǎn)的安全性問題非常重要。適用范圍廣，對于大多數(shù)類似的有狀態(tài) 準(zhǔn)備階段和狀態(tài)恢復(fù)階段工業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)測都適用。
【附圖說明】
[0035] 圖1為化工反應(yīng)過程中傳感器溫度按照時間劃分為五個階段的示意圖；
[0036] 圖2為總時長為3分鐘的時間序列點(diǎn)曲線圖；
[0037] 圖3為總時長為5分鐘的時間序列點(diǎn)曲線圖；
[0038] 圖4為總時長為3分鐘規(guī)整和對齊后的時間序列點(diǎn)曲線圖；
[0039] 圖5為總時長為5分鐘規(guī)整和對齊后的時間序列點(diǎn)曲線圖；
[0040] 圖6為通過時間規(guī)整得到的多條總時長相等的曲線擬合出的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)值曲線、安 全生產(chǎn)范圍的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面將結(jié)合附圖和具體 的實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，在本發(fā)明的論述中，為了方便論述，工業(yè)生產(chǎn) 過程設(shè)定為化工反應(yīng)過程，傳感器監(jiān)測的指標(biāo)為溫度，但此方法不局限于化工反應(yīng)過程溫 度數(shù)據(jù)的監(jiān)測，其可用于工業(yè)生產(chǎn)過程中壓力、流量、液位等各類數(shù)據(jù)的監(jiān)測。
[0042] -種基于傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測工業(yè)生產(chǎn)過程的方法，包括以下步驟：
[0043] 步驟(1 )，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程各階段的數(shù)據(jù)特征，識別出一個批次數(shù)據(jù)的各階段；
[0044] 請參照圖1，圖1為化工反應(yīng)過程中傳感器溫度按照時間劃分為五個階段的示意 圖，生產(chǎn)一種產(chǎn)品的一個批次的傳感器溫度按照時間可以劃分為五個過程，其中A和E為非 工作狀態(tài)，B-C-D為工作狀態(tài)。B為狀態(tài)準(zhǔn)備階段，C為穩(wěn)定反應(yīng)階段，D為狀態(tài)恢復(fù)階段，且假 設(shè)監(jiān)測時間是均勻等間隔的。在實(shí)際的化工生產(chǎn)過程中，為了能夠達(dá)到反應(yīng)的條件，化工廠 通常會用各種方法使溫度盡快達(dá)到化學(xué)反應(yīng)所需要的溫度，所以狀態(tài)準(zhǔn)備階段的時間很 短，只有二十分鐘左右，穩(wěn)定反應(yīng)過程才是進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并生產(chǎn)出產(chǎn)品的真正過程，時間長 達(dá)數(shù)小時，為了節(jié)約成本，在化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后，化工廠不會主動消耗電力來使設(shè)備恢復(fù)到原 來溫度，而會讓設(shè)備自然恢復(fù)到原來溫度，所以這個過程持續(xù)的時間也較長，有幾個小時， 而且自然恢復(fù)到原來溫度的時間不同還反映了不同反應(yīng)設(shè)備的特性。
[0045] 對一個批次的數(shù)據(jù)，需要區(qū)分其各階段，以便進(jìn)行進(jìn)一步的處理，各階段間轉(zhuǎn)換時 的數(shù)據(jù)特征有：
[0046] ① A-B:工作曲線斜率短時間內(nèi)由約等于0提高至一個較大的值
[0047] ②B-C:工作曲線斜率降至約等于0
[0048]③C-D:工作曲線明顯偏離穩(wěn)定反應(yīng)階段的標(biāo)準(zhǔn)值 [0049]④D-E:工作曲線接近正常非工作狀態(tài)值
[0050] 步驟(2)，在識別數(shù)據(jù)各階段過程中，評估并標(biāo)記數(shù)據(jù)的有效性；
[0051] 當(dāng)對一個批次的數(shù)據(jù)進(jìn)行階段區(qū)分識別時，若無法檢測到預(yù)期的階段轉(zhuǎn)換特征， 則可判定該批次數(shù)據(jù)因數(shù)據(jù)不完整而無效，并對該批次數(shù)據(jù)標(biāo)記其缺失內(nèi)容。
[0052]步驟(3)，分階段處理數(shù)據(jù)狀態(tài)；
[0053]在狀態(tài)準(zhǔn)備階段監(jiān)測工作曲線的斜率和平穩(wěn)度，在狀態(tài)恢復(fù)階段監(jiān)測此階段的時 長，在穩(wěn)定反應(yīng)階段監(jiān)測當(dāng)前傳感器數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)值曲線、安全區(qū)間上限和安全區(qū)間下限，當(dāng) 數(shù)值超出安全界限的時候進(jìn)行報(bào)警提示。
[0054]狀態(tài)準(zhǔn)備階段的平穩(wěn)度，是指化學(xué)反應(yīng)設(shè)備達(dá)到化學(xué)反應(yīng)要求狀態(tài)平穩(wěn)均勻的實(shí) 現(xiàn)的能力，即設(shè)備改變狀態(tài)的速率與時間是否成正比。計(jì)算方法如下：
[0055] ①統(tǒng)計(jì)整個升溫過程所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量為m，監(jiān)測的數(shù)值…，bn;
[005