一類智能脈絡(luò)逆體系儀器儀表數(shù)字勘驗(yàn)整治辦法
應(yīng)用背景本文針對(duì)利君集團(tuán)鎮(zhèn)江制藥有限責(zé)任公司的紅霉素發(fā)酵過程控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)軟儀表的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)軟儀表的輸入變量有很多，現(xiàn)以pH為例說明數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法，其它輸入變量的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法可以以此類推。
一般情況下，紅霉素的發(fā)酵周期約為8天，在紅霉素發(fā)酵現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)采樣發(fā)酵數(shù)據(jù)，采樣周期為5min，一個(gè)發(fā)酵周期的采樣數(shù)據(jù)記錄為一批數(shù)據(jù)。
由于各種原因，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量到的pH值數(shù)據(jù)受到噪聲污染或外界干擾，嚴(yán)重影響了測(cè)量數(shù)據(jù)的精度（如2所示） ，故必須減小或消除這些影響，使能復(fù)現(xiàn)原始信號(hào)。
第33批發(fā)酵pH值現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)曲線為便于描述，以下稱被噪聲嚴(yán)重污染的數(shù)據(jù)為病態(tài)數(shù)據(jù)5，并且本文將要用到的一些符號(hào)的含義說明如下：
x n- 1（k） % %%第n- 1批發(fā)酵數(shù)據(jù)在第k采樣時(shí)刻的pH值（k= 1， 2， 3， ）；x n（k） %% %第n批發(fā)酵數(shù)據(jù)在第k采樣時(shí)刻的pH值（k= 1， 2， 3， ）；x^ n（ k） %%%第n批發(fā)酵數(shù)據(jù)在第k采樣時(shí)刻的pH值修正后的值（k= 1， 2， 3， ）；x n- 1（k） %%% n- 1批發(fā)酵數(shù)據(jù)在第k采樣時(shí)刻的pH值均值（k= 1， 2， 3， ）；s n- 1（k） %% % n- 1批發(fā)酵數(shù)據(jù)在第k采樣時(shí)刻的pH值標(biāo)準(zhǔn)差（k= 1， 2， 3， ）；x n（k） %%% n批發(fā)酵數(shù)據(jù)在第k采樣時(shí)刻的pH值均值（k= 1， 2， 3， ）；s n（k） %%% n批發(fā)酵數(shù)據(jù)在第k采樣時(shí)刻的pH值標(biāo)準(zhǔn)差（k= 1， 2， 3， ） ；n %%%記錄的pH值數(shù)據(jù)的批數(shù)。
在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)軟測(cè)量程序中，兩步判斷法作為子程序供主程序調(diào)用。兩步判斷法所要用到的一些初始信息（如：發(fā)酵批數(shù)n、由n- 1批發(fā)酵數(shù)據(jù)已經(jīng)計(jì)算得到的各個(gè)采樣時(shí)刻pH值的歷史均值x n- 1（ k） （k = 1， 2， 3， ）與歷史標(biāo)準(zhǔn)差s n- 1（k）（ k= 1， 2， 3， ）、已經(jīng)計(jì)算得到的其它輸入變量各個(gè)采樣時(shí)刻的歷史均值與標(biāo)準(zhǔn)差以及當(dāng)前發(fā)酵時(shí)刻k）均通過主程序的初始化模塊讀��；所要用到的第k- 1采樣時(shí)刻各個(gè)輸入變量的修正值（x^ n（k- 1）等）用第k- 1采樣時(shí)刻的歷史均值（x n- 1（ k- 1）等）代替，這個(gè)工作也在初始化模塊中完成（若k= 1則這一步工作不進(jìn)行） ；所要用到的閾值數(shù)據(jù)通過主程序的閾值計(jì)算模塊獲得（該模塊所做的具體工作將在下一節(jié)中介紹）。整個(gè)程序流程如3所示。
兩步判斷法
在軟測(cè)量程序中，兩步判斷法子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的一次處理，使噪聲得到初步抑制，濾除掉一部分強(qiáng)噪聲。該方法基于如下思想（以pH值為例說明） ：如果測(cè)量到的pH值數(shù)據(jù)是可靠的，則pH值的變化是平穩(wěn)的，相鄰采樣時(shí)刻的測(cè)量值的變化幅度應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)，并且某時(shí)刻的p H值測(cè)量值和該時(shí)刻的均值之差也是在一定范圍內(nèi)的（這里取單倍標(biāo)準(zhǔn)差），否則就認(rèn)為該測(cè)量數(shù)據(jù)為病態(tài)數(shù)據(jù)，應(yīng)該修正使之成為可靠的數(shù)據(jù)。
為便于描述，定義閾值（pH MAX）作為相鄰采樣時(shí)刻的pH值變化的范圍界限。只有當(dāng)相鄰采樣時(shí)刻的pH值的變化幅度超過此閾值時(shí)，測(cè)量的數(shù)據(jù)才被懷疑為病態(tài)數(shù)據(jù)。在閾值計(jì)算模塊中，首先計(jì)算pH值相鄰時(shí)刻歷史均值之差的絕對(duì)值| x n- 1（ k）- x n- 1（k- 1）| ，
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)軟測(cè)量程序流程圖（k= 2， 3， ？），并求其中的最大值pH xM ax；再計(jì)算pH值相鄰時(shí)刻歷史標(biāo)準(zhǔn)差之差的絕對(duì)值| s n- 1（ k） - s n- 1（k- 1）| ， （ k= 2， 3 ），并求最大值p H sM ax；然后把這兩個(gè)最大值之和pH xM ax + pH sMax作為測(cè)量的相鄰時(shí)刻pH值變化的閾值pH MA X.其它變量的閾值也以類似方法計(jì)算。
兩步判斷法子程序的具體算法為：（1）判斷第k采樣時(shí)刻的測(cè)量值x n（ k）是否可能為病態(tài)數(shù)據(jù)。判斷方法為：若k為1（即發(fā)酵剛開始）則不進(jìn)行此步運(yùn)算直接轉(zhuǎn)入第（2）步；否則計(jì)算| x n（k）- x^ n（ k- 1）| ，當(dāng)絕對(duì)值大于閾值pH MA X時(shí)，則該測(cè)量值可能為病態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)入下一步，否則測(cè)量值是可靠的，令修正值x^ n（k）= x n（k），并轉(zhuǎn)入第（3）步。
（2）確認(rèn)第k采樣時(shí)刻的測(cè)量值x n（ k）是否為病態(tài)數(shù)據(jù)并修正。確認(rèn)方法為：計(jì)算x n（ k）與已知的x n- 1（k）之差；如果差值小于- s n- 1（k），則測(cè)量值x n（k）為病態(tài)數(shù)據(jù)，修正為x^ n（k） = x n- 1（ k）- s n- 1（k） ；如果差值大于s n- 1（k），則x n（ k）也是病態(tài)數(shù)據(jù)，修正為x^ n（k） = x n- 1（ k）+ s n- 1（k）；否則x n（ k）是可靠的，令x^ n（k）= x n（k）。
（3）更新第k采樣時(shí)刻的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。更新公式如下：x n（k） =（ n- 1）x n- 1（ k）+ x^ n（k）n（1）s n（k）= n- 1 n s n- 1 2（ k）+ 1 n- 1（x n（k）- x^ n（k））2（2）與直接計(jì)算的均值和標(biāo)準(zhǔn)差公式相比，以上公式的優(yōu)點(diǎn)是：不必再對(duì)所有的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行累加、平方等計(jì)算，大大減少了變量個(gè)數(shù)和累加、乘積等計(jì)算次數(shù)，避免了許多舍入誤差，減少了算法的執(zhí)行時(shí)間，并能節(jié)省內(nèi)存。
兩步判斷法子程序的算法流程圖如中子程序部分所示。
需要說明的是，在算法中，第（ 2）步確認(rèn)測(cè)量值是否為病態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)是以單倍標(biāo)準(zhǔn)差為限的，并且把病態(tài)數(shù)據(jù)修正為x n- 1（ k） （ s n- 1（ k） ，這樣就可以避免虛警數(shù)據(jù)（即被誤判是病態(tài)的可靠數(shù)據(jù)）被進(jìn)行較大的改動(dòng)，同時(shí)保證被修正的數(shù)據(jù)的合理性。
滑動(dòng)平均濾波3處理對(duì)測(cè)量的pH值數(shù)據(jù)兩步判斷法一次處理后，再用滑動(dòng)平均濾波對(duì)處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，可進(jìn)一步消除隨機(jī)噪聲的影響。
滑動(dòng)平均濾波是一種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，在工程實(shí)踐中有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)文獻(xiàn)3 ，對(duì)于經(jīng)一次處理過的連續(xù)的pH值，通過選取不同的權(quán)值和平滑跨距進(jìn)行計(jì)算和比較研究，結(jié)果顯示采用：x n（k） = 1 15 x^ n（k- 4）+ 2 15 x^ n（K - 3）+ 1 5 x^ n（k- 2） + 4 15 x^ n（k- 1）+ 1 3 x^ n（k）（ k= 5， 6， 7， ）（3）計(jì)算第k采樣時(shí)刻的滑動(dòng)平均濾波結(jié)果！x n（ k）是比較合適的。當(dāng)k為1、2、3、4時(shí)，則可通過預(yù)置的數(shù)據(jù)按此公式分別計(jì)算其濾波結(jié)果。其它變量的滑動(dòng)平均濾波結(jié)果也以類似方法計(jì)算。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析采用兩步判斷法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行一次處理過程中所修正的數(shù)據(jù)見。其中，第33批pH值在78h、99 5h、125 25h、154h、160h附近的一些數(shù)據(jù)（（a） ）、第34批p H值在130h、138 7h、140 7h、164 8h附近的一些數(shù)據(jù)（（b））、第35批pH值在50h附近的一些數(shù)據(jù)（（ c） ）被噪聲污染較為嚴(yán)重。
通過兩步判斷法對(duì)這些時(shí)刻的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正，大大降低了噪聲的污染影響，為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波二次處理提供了很好的準(zhǔn)備。
對(duì)本文提供的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法和常見的只進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波方法的處理結(jié)果進(jìn)行了比較。由可知，采用兩步判斷法先對(duì)病態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次處理，使這些數(shù)據(jù)中的噪聲盡量減小，再通過滑動(dòng)平均濾波方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，可使隨機(jī)噪聲得到有效控制�？梢姡疚牟扇〉臄�(shù)據(jù)預(yù)處理方法比僅用滑動(dòng)平均處理方法能更好的消除干擾噪聲，較高精度地復(fù)現(xiàn)了原始信號(hào)，為軟測(cè)量提供了更可靠的數(shù)據(jù)。
兩步判斷法消噪處理數(shù)據(jù)表發(fā)酵批次測(cè)量時(shí)間（ b）第34批pH值數(shù)據(jù)預(yù)處理效果比較圖 （ c）第35批pH值數(shù)據(jù)預(yù)處理效果比較圖3結(jié)論正確地消除噪聲，對(duì)紅霉素發(fā)酵過程的軟測(cè)量具有重要的意義。本文提出的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，先通過兩步判斷法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次處理，再用滑動(dòng)平均濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理以有效地濾除噪聲、復(fù)現(xiàn)原始測(cè)量信號(hào)。算法具有消噪效果好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、更新速度快、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。處理后的過程數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，以此作為軟儀表的輸入數(shù)據(jù)，可保證軟測(cè)量結(jié)果具有較高的精度。中國糧油儀器網(wǎng) http://m.52lvi.cn/
