化工学报

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基于MHSA-LSTM的软测量建模及其在化工过程中的应用

李文华1(), 叶洪涛1,2,3(), 罗文广1, 刘乙奇4,5   

  1. 1.广西科技大学自动化学院,广西 柳州 545616
    2.广西自动检测技术与仪器重点实验室(桂林电子科技大学),广西 桂林 541004
    3.广西汽车零部件与整车技术重点实验室(广西科技大学),广西 柳州 545616
    4.华南理工大学自动化科学与工程学院,广东 广州 510640
    5.造纸与污染国家工程中心,广东 广州 510640
  • 收稿日期:2024-06-03 修回日期:2024-07-10 出版日期:2024-07-16
  • 通讯作者: 叶洪涛
  • 作者简介:李文华(1998—),女,硕士研究生,20220201015@stdmail.gxust.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(62273151);广东省基础与应用基础研究项目(2021B1515420003);2023年广西汽车零部件与整车技术重点实验室自主研究课题(2023GKLACVTZZ07)

Soft sensor modeling based on MHSA-LSTM and its application in chemical process

Wenhua LI1(), Hongtao YE1,2,3(), Wenguang LUO1, Yiqi LIU4,5   

  1. 1.Guangxi University of Science and Technology, School of Automation, Liuzhou 545616, Guangxi, China
    2.Guangxi Key Laboratory of Automatic Detection Technology and Instruments (Guilin University of Electronic Technology), Guilin 541004, Guangxi, China
    3.Guangxi Key Laboratory of Automotive Components and Vehicle Technology (Guangxi University of Science and Technology), Liuzhou 545616, Guangxi, China
    4.South China University of Technology, School of Automation Science and Engineering, Guangzhou 510640, Guangdong, China
    5.National Engineering Center for Paper Making and Pollution, Guangzhou 510640, Guangdong, China
  • Received:2024-06-03 Revised:2024-07-10 Online:2024-07-16
  • Contact: Hongtao YE

摘要:

化工过程数据的动态性和非线性等特性常使传统的软测量方法难以准确提取数据的动态和非线性特征,从而影响关键质量变量的预测精度和系统整体的控制优化。因此,文中提出了一种融合多头自注意力机制的长短期记忆网络(Multi-Head Self-Attention Mechanism Long Short-Term Memory Network,MHSA-LSTM)的软测量建模方法。首先,利用LSTM充分挖掘数据的时序特征,以便提取化工过程数据的动态变化信息;其次,使用多头自注意力机制对LSTM 隐藏层的输出特征进行加权,可有效地捕捉不同尺度特征向量的长期相关性,且能提高模型的长期记忆能力;然后将提取的特征向量与其对应的特征权重相乘得出加权结果输入至全连接层,可有效地提高关键质量变量预测的精度。最后,所提出方法在脱丁烷塔过程和硫回收单元进行仿真验证,结果表明所建模型的预测精度优于门控循环单元、LSTM以及融合自注意力机制的LSTM软测量模型。

关键词: 软测量, 化工过程, 神经网络, 多头自注意力机制, 预测, 实验验证

Abstract:

The dynamic and nonlinear characteristics of chemical process in data often make it difficult even impossible for traditional soft sensing methods to accurately extract the dynamics and nonlinearity, which affects the prediction accuracy of key quality variables negatively and the overall control optimization of the system.

Key words: soft sensor, chemical process, neural network, multi-head self-attention mechanism, prediction, experimental verification

中图分类号: