本技术涉及危险化学品安全监控方法技术领域,更具体地说,涉及基于大数据的危险化学品安全监控方法,包括步骤1.异源传感数据采集与预处理;步骤2.关联时空特征提取;步骤3.双重自编码字典学习:设计联合局部‑全局约束的双重稀疏自编码网络,同时最小化数据重构误差和字典规模,采用交替迭代的近端梯度下降算法对目标函数进行求解;步骤4.基于量化编码的字典参数优化;步骤5.多层级联合解码;步骤6.基于增强重构序列的异常诊断,在多模态异构数据压缩、时空关联建模、字典学习与编码、重构优化以及异常诊断等方面,实现了多重协同增效。
背景技术
随着现代工业的快速发展,危险化学品的生产规模不断扩大,生产工艺日益复杂,安全生产面临的风险与挑战也与日俱增。当前,石油、化工、煤炭等高危行业普遍采用DCS、SIS等自动化控制系统,通过传感器实时采集温度、压力、流量、液位等关键工艺参数,并设置安全阈值实现异常报警和连锁控制。
然而,传统的基于规则和阈值的安全监控方法存在诸多局限性:首先,大型化工装置通常包含成千上万个监测点位,各类传感器信号纷繁复杂,人工设置阈值难以全面考虑复杂工况,且缺乏对阈值的自适应更新机制,导致误报、漏报现象频发。其次,生产参数间存在错综复杂的耦合关系,单一变量超限并不必然导致事故,而多参数轻微异常的耦合却可能酿成严重后果。传统方法忽略了参数间的动态关联,缺乏对生产状态的整体把控。再次,实际生产中普遍存在工艺波动和测量噪声,对异常判断的准确性构成了严重干扰。传统方法缺乏对噪声和异常的有效辨识机制,难以实现故障的早期预警。
近年来,学术界和工业界积极探索智能安全监控新方法。机器学习和数据挖掘技术的兴起为海量生产数据的深度挖掘提供了新思路。一类代表性的方法是多元统计过程控制(MSPC),通过主成分分析(PCA)、偏最小二乘(PLS)等降维手段提取监测数据的显变量,构建T2、SPE等统计指标,以刻画生产过程的总体变异。该类方法一定程度上考虑了变量间的相关性,可较灵敏地捕获微小漂移。但MSPC方法普遍采用简单线性映射,难以刻画复杂的非线性关系,且依赖数据的正态分布假设,对噪声和异常值敏感,实际应用效果受限。
另一类方法是基于知识的故障诊断,通过人工总结或机器学习提取故障征兆与产生机理间的对应关系,构建故障树、诊断规则库等,实现故障溯源和安全预警。该类方法融合了工程经验,诊断结果具有可解释性,但对领域知识的依赖性强,且知识获取和更新周期长,难以应对复杂故障和生产状态频繁变更的场景。
值得一提的是,近年来深度学习方法在异常检测领域取得了长足进展。2016年,Malhotra等人提出了基于LSTM的时序预测模型EncDec-AD,通过前N个时间步的观测值预测未来M步的输出,以重构误差作为异常分数。该方法能够刻画时间序列的长程依赖,但未考虑不同物理量间的关联,且全监督训练需要大量标注数据。2018年,Kieu等人提出了VAE-LSTM混合模型,引入变分自编码器对LSTM隐层状态进行约束,增强了其泛化性,但编码过程缺乏可解释性,且易受离群点干扰。2019年,Zhang等人提出了孪生网络TCN用于时序异常检,通过度量不同子序列间的相似性,刻画了时间序列的动态演变特性,但网络结构单一,缺乏对全局时空特征的建模。
综上,现有的异常检测方法在一定程度上突破了传统阈值监控的局限,但仍然存在以下挑战:1)难以有效融合多源异构数据,缺乏对生产状态的全局关联表征;2)对少样本异常缺乏鲁棒性,容易受到噪声和离群点的干扰;3)数据压缩与实时解码的效率不足,难以满足海量传感数据监控的需求;4)重构误差刻画异常的能力有限,缺乏对微小偏移趋势的敏感捕获。
因此,急需探索全新的异构数据驱动的异常诊断范式,通过工业大数据的深度挖掘和机理融合,实现复杂工况下的早期异常智能发现,提升危化品生产过程的本质安全水平。
实现思路