改进高斯过程回归算法及其应用研究

改进高斯过程回归算法及其应用研究

在工业生产过程中,由于受到工艺、检测技术以及工况等条件限制,一些重要变量常常无法直接检测,这严重制约了自动控制技术的普及与应用,软测量技术因此应运而生。软测量技术最重要的一步就是软测量建模,近几年各种软测量建模方法不断涌现,其中高斯过程回归方法(Gaussian process regression,GPR)凭借其在处理小样本、复杂度较高的工业数据上的优势,被越来越多的学者关注。然而作为传统的软测量建模算法,高斯过程回归存在核函数单一、计算量较大、对初值敏感等问题,本文将针对这些问题开展改进研究。本文的研究得到了浙江省自然科学基金的资助,主要的研究内容和成果总结如下:(1)高斯过程回归结构以及参数优化研究。

针对延迟焦化过程数据具有非线性、时变性和较强的复杂性等特点,提出一种基于万有引力搜索优化的组合核函数高斯过程回归算法。该算法具有两大特点:1)用组合核函数代替传统的单一核函数,相较于单一核函数,选择组合核函数能够更大可能地保留数据特征信息,使得映射关系更加符合数据分布,同时组合核函数的引入在结构上保证了算法具有更好的泛化能力;2)引入万有引力搜索算法寻找每一个核函数的最优超参数,克服共轭梯度法对初值依赖性强、迭代次数不确定等缺点。(2)高斯过程回归集成算法研究。针对工业现场工况复杂,不同的工况下数据特征间的相关性可能会不同等问题,提出一种基于K-means聚类的集成自适应高斯过程回归算法。

首先利用K-means聚类算法将工业数据集划分成三个簇,然后利用自适应算法自适应地为每个簇选出最优核函数并建立最优局部模型。预测阶段,选用贝叶斯后验概率的融合方式对每个子模型赋予权重,从而对每个局部模型进行加权集成,得到预测结果。(3)改进高斯过程回归算法的应用研究。将所提两种算法应用于某延迟焦化系统开工线温度预测中,建立开工线温度预测模型,并与传统GPR

算法、基于粒子群寻优的GPR(PSO-GPR)、基于遗传算法寻优的GPR(GA-GPR)、基于万有引力寻优的SVR(GSA-SVR)以及基于均值融和方式的K-means自适应高斯过程回归集成算法进行对比,结果表明本文提出的算法具有最高的预测精度、最强的稳定性,同时也证明了所提算法在延迟焦化系统中的实用性、有效性。

(4)延迟焦化温度预测系统软件开发与应用。基于本文所提两种算法的基础

上,开发了一套延迟焦化之温度预测系统,该系统软件涵盖本文所提两种算法,操作人员可根据现场训练数据实际情况自主选择表现较优的算法用于对现场温度进行实时监控预测。