李靈，王雅琳，孫備

（中南大學(xué)自動化學(xué)院，湖南長沙410083）

引 言

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，制造行業(yè)對生產(chǎn)發(fā)展由數(shù)量和規(guī)模擴(kuò)張向質(zhì)量、效益和環(huán)保的提升提出了更高的要求。為了能夠及時(shí)有效地監(jiān)測和評估過程運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的準(zhǔn)確診斷、產(chǎn)品質(zhì)量的快速跟蹤，需要對過程關(guān)鍵產(chǎn)品質(zhì)量和與之密切相關(guān)的過程變量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。然而受限于檢測環(huán)境的惡劣性、分析儀器的高昂成本以及化驗(yàn)分析的滯后性，目前這些關(guān)鍵產(chǎn)品質(zhì)量較難實(shí)現(xiàn)在線檢測。為了解決上述問題，基于過程特征及過程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動軟測量建模技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。然而由于過程可測變量數(shù)目大，若將所有過程可測變量全部看作軟測量建模的輔助變量，不僅會增大模型的復(fù)雜度、降低計(jì)算速度，造成維數(shù)災(zāi)難，降低模型的穩(wěn)定性和預(yù)測精度，而且會大大增加數(shù)據(jù)采集和存儲的經(jīng)濟(jì)成本。因此，如何快速有效地選取一組最能精確描述或解釋過程主導(dǎo)變量的輔助變量子集顯得極為重要。

近年來，許多學(xué)者相繼提出了一些變量選擇的理論方法。根據(jù)變量搜索與評價(jià)方法的不同，Guyon等[1-2]將變量優(yōu)選方法分為過濾式[3]、包裹式[4-5]和嵌入式[6-7]三種類型，其中過濾式方法因其計(jì)算速度快且不易造成過擬合得到了廣泛應(yīng)用。該方法以變量排序技術(shù)作選擇變量的主要標(biāo)準(zhǔn)，一般采用數(shù)據(jù)本身特性或者統(tǒng)計(jì)規(guī)律作為分析依據(jù)。常用的分析依據(jù)有相關(guān)系數(shù)[8]、互信息[9-10]、歐氏距離[11]、貝葉斯推理[12-13]等。過濾式變量選擇方法不依賴于學(xué)習(xí)算法，是通過改變數(shù)據(jù)來適應(yīng)學(xué)習(xí)算法，但是該方法容易忽略變量相關(guān)性，造成所選子集可能不是最優(yōu)子集。為解決過濾式變量選擇方法變量冗余問題，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Liu等[14]基于條件相關(guān)系數(shù)提出了一種具有超高維協(xié)變量的變系數(shù)變量選擇方法，然后分成降維和參數(shù)估計(jì)兩個(gè)階段來驗(yàn)證方法的有效性。Sun 等[15]基于信息論準(zhǔn)則篩選輔助變量，并針對變量的冗余性提出了一種動態(tài)加權(quán)特征選擇方法。Jiang 等[16]提出了一種基于粗糙集的相對決策熵模型應(yīng)用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集的變量選擇。Dong 等[17]和Vohland 等[18]分別采用回歸系數(shù)法和載荷系數(shù)法提取了光譜的特征波長。上述方法均可有效地解決過濾式變量選擇方法容易忽略變量間相關(guān)性及冗余性問題，卻不具備過程工況信息描述的能力。然而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，受到入口原料品質(zhì)波動、加工方案調(diào)整、產(chǎn)品規(guī)格要求變化等影響，生產(chǎn)工況處于波動狀態(tài)，工況不同產(chǎn)品質(zhì)量也會存在一定的差異。因此，若篩選出的輔助變量不能較好地描述工況的變化，將在一定程度上降低預(yù)測模型的精度。針對這一問題，吳佳等[19]提出了一種無監(jiān)督約簡的特征選擇方法用于解決表征礦物浮選工況泡沫圖像特征冗余性大的問題，該方法根據(jù)圖像特征對工況變量的敏感程度定義了泡沫圖像特征敏感性指數(shù)，然后根據(jù)敏感性指數(shù)選擇敏感圖像特征，最后基于粗糙集屬性重要度實(shí)現(xiàn)屬性約簡，但是該方法忽略了主導(dǎo)變量和輔助變量間的相關(guān)性，即獲取的變量子集可能并非最能描述主導(dǎo)變量的子集，進(jìn)而影響模型的預(yù)測精度。因此，研究既能反映工況信息又能反映主導(dǎo)變量與輔助變量相關(guān)性的敏感變量選擇方法十分重要。

綜合考慮變量相關(guān)性與變量對工況變化的敏感性問題，本文提出一種分步約簡的敏感變量選擇方法，在明確敏感變量與關(guān)鍵敏感變量的基礎(chǔ)上，根據(jù)變量對工況變化的敏感程度和輔助變量與主導(dǎo)變量的凈相關(guān)性定義敏感性指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)敏感變量的初選；接著構(gòu)建加權(quán)余弦馬田系統(tǒng)以解決變量冗余性大的問題，實(shí)現(xiàn)敏感變量的精選；最后將方法應(yīng)用于加氫裂化關(guān)鍵產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測，利用實(shí)際工業(yè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法的有效性。

1 問題描述

工業(yè)生產(chǎn)中可獲取的過程數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)和多采樣的特性，本文將可獲取的所有過程數(shù)據(jù)用集合P表示，pi∈P(i= 1,…,n) 表示第i種過程數(shù)據(jù)，例如壓力、溫度、流量等。根據(jù)前文所述，敏感變量既要能反映工況信息又要能反映主導(dǎo)變量與輔助變量的相關(guān)性，將主導(dǎo)變量[20]、輔助變量[20]和敏感變量定義如下。

定義1 主導(dǎo)變量：軟測量建模中待估計(jì)的變量。

定義2 輔助變量：與待估計(jì)變量（即主導(dǎo)變量）相關(guān)的且易測量的變量。

定義3 敏感變量(sensitive variables,SV)：與主導(dǎo)變量密切相關(guān)，且能充分表征主導(dǎo)變量和工況變化的變量，用集合PS表示。

在已選擇的敏感變量PS中，由變量間自相關(guān)性造成的冗余使得敏感變量子集并非最小特征子集，因此還需進(jìn)行敏感變量精選，挑選出冗余性較小的關(guān)鍵敏感變量。

定義4 關(guān)鍵敏感變量(key sensitive variables,KSV)：與主導(dǎo)變量密切相關(guān)，且能充分表征主導(dǎo)變量和工況變化的非冗余變量，用集合PK表示。

根據(jù)定義3和定義4可知：

本文根據(jù)式（1）描述的關(guān)系進(jìn)行敏感變量選擇：第一步實(shí)現(xiàn)P→PS，初選出與主導(dǎo)變量密切相關(guān)，且能充分表征主導(dǎo)變量和工況變化的敏感變量；第二步實(shí)現(xiàn)PS→PK，精選出冗余性小的關(guān)鍵敏感變量。

2 敏感變量優(yōu)選

針對敏感變量既要具備能夠充分表征工況變化能力，又要具備能夠充分解釋主導(dǎo)變量能力的問題，首先根據(jù)變量對工況的描述能力和輔助變量與主導(dǎo)變量的凈相關(guān)性定義敏感性指標(biāo)，通過計(jì)算輔助變量與主導(dǎo)變量的偏相關(guān)系數(shù)和輔助變量的變異系數(shù)得到變量敏感值，實(shí)現(xiàn)敏感變量的初選；然后針對變量冗余性和傳統(tǒng)馬田系統(tǒng)僅關(guān)注樣本距離未考慮樣本方向的問題，構(gòu)建加權(quán)余弦馬田系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)敏感變量的精選，其中權(quán)重由樣本馬氏距離和余弦相似度的變異程度決定。

2.1 敏感性指標(biāo)

為獲取敏感變量，需事先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括離群點(diǎn)剔除和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，其中標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

其中，zij表示標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)值，xij表示第i個(gè)變量的第j個(gè)樣本值，μi表示第i個(gè)變量的均值，si表示第i個(gè)變量的標(biāo)準(zhǔn)差。

定義5 敏感性指標(biāo)(sensitivity indicator, SI)：輔助變量與主導(dǎo)變量凈相關(guān)性和輔助變量自身離散程度的乘積，即

其中，rik表示第i個(gè)輔助變量與第k個(gè)主導(dǎo)變量的偏相關(guān)系數(shù)，μi表示第i個(gè)變量的均值，si表示第i個(gè)變量的標(biāo)準(zhǔn)差，σi表示第i個(gè)變量的方差。偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算過程如下。

首先利用皮爾遜相關(guān)分析法[21]計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣：

標(biāo)準(zhǔn)化后的輔助變量zi和主導(dǎo)變量zk的偏相關(guān)系數(shù)rik為：

其中，cik為Mcc的逆矩陣Μ-1cc中元素

敏感性指數(shù)越大表明該輔助變量對主導(dǎo)變量的影響作用越大，對工況的變化越敏感。根據(jù)過程對象及主導(dǎo)變量的不同，基于過程知識對敏感性指標(biāo)設(shè)定不同的閾值

其中，ξk表示針對第k個(gè)主導(dǎo)變量設(shè)置的敏感性指數(shù)閾值。根據(jù)式（7）可以初選出針對不同主導(dǎo)變量的敏感變量，但是這些敏感變量間存在一定冗余，需進(jìn)一步進(jìn)行屬性約簡。

2.2 加權(quán)余弦馬田系統(tǒng)

馬田系統(tǒng)（MTS）[22-23]是日本著名質(zhì)量工程學(xué)家田口玄一博士在田口方法基礎(chǔ)上提出的一種模式識別技術(shù)，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品檢測、疾病診斷、信貸審核等領(lǐng)域。同其他模式識別技術(shù)相比，MTS不僅原理簡單、速度快，而且不依靠數(shù)據(jù)本身的分布假設(shè)。此外，MTS 還是一種有效的降維工具，它以基于馬氏距離的信噪比作為類別可分性指標(biāo)，采用2 水平正交表優(yōu)化試驗(yàn)次數(shù)，根據(jù)每次試驗(yàn)的信噪比篩選有效特征變量，從而達(dá)到降維的目的。

2.2.1 馬田系統(tǒng) MTS 應(yīng)用于特征篩選可分為以下三個(gè)步驟。

（1）構(gòu)建馬氏基準(zhǔn)空間 馬田系統(tǒng)最初用于正常樣本和異常樣本的區(qū)分，因此在構(gòu)建馬氏空間時(shí)，首先需要選取n個(gè)正常樣本。假設(shè)樣本中具有q

個(gè)初始輔助變量，則基準(zhǔn)空間可以表示為：

其 中，oij(i= 1,2,…,n;j= 1,2,…,q)表 示 第i個(gè)正常樣本第j個(gè)輔助變量的數(shù)據(jù)。

對正常樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

其 中，o?ij(i= 1,2,…,n;j= 1,2,…,q)表 示 第i個(gè)正常樣本第j個(gè)輔助變量的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。計(jì)算所有正常樣本的馬氏距離：

（2）驗(yàn)證基準(zhǔn)空間有效性 根據(jù)構(gòu)建的馬氏空間，計(jì)算異常樣本的馬氏距離，若該馬氏空間可以較好地區(qū)分正常樣本和異常樣本的馬氏距離[24]（MD），則說明構(gòu)建的馬氏空間是有效的。其中，異常樣本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差均等同于正常樣本數(shù)據(jù)。一般來說，正常樣本的MD在1附近波動，而異常樣本的MD遠(yuǎn)大于正常樣本。

（3）優(yōu)化基準(zhǔn)空間 結(jié)合正交表和信噪比（多選用望大特性信噪比）篩選有效的特征變量，優(yōu)化基準(zhǔn)空間。首先設(shè)計(jì)正交表，正交表中每行對應(yīng)一個(gè)基準(zhǔn)空間，計(jì)算在每個(gè)基準(zhǔn)空間中異常樣本的MD，按式（11）計(jì)算信噪比（望大特性信噪比）：

若ΔSNj大于0，則表示該輔助變量對建模有效；若ΔSNj小于0，則表示該輔助變量對建模無效，刪除該輔助變量。

2.2.2 余弦馬氏距離 雖然馬氏距離具有不受量綱影響、排除變量間相關(guān)性干擾的優(yōu)點(diǎn)，但是馬氏距離只能從距離的角度區(qū)分正常樣本和異常樣本，難以從方向上進(jìn)行區(qū)分。而在一些分類問題中，樣本方向上的相似度對分類結(jié)果存在較大影響。因此，為了提高馬田系統(tǒng)的分類準(zhǔn)確率并進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍，亟需構(gòu)建一個(gè)新的度量尺度。

余弦相似度[25]是通過計(jì)算兩個(gè)向量的夾角余弦值來評估樣本間的相似度。余弦值的范圍在[-1,1]間，值越趨近于1，代表兩個(gè)樣本的方向越接近；越趨近于-1，表示兩個(gè)樣本的方向越相反；接近于0，表示兩個(gè)樣本近乎于正交。

結(jié)合余弦相似度和馬氏距離構(gòu)建一種新的度量尺度——余弦馬氏距離，可以在保留原有馬氏距離優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，彌補(bǔ)無法從方向上區(qū)分正常樣本和異常樣本的缺點(diǎn)，計(jì)算公式如下：

其中，MDi表示樣本的馬氏距離，用以描述樣本距離的相似度；CSi表示樣本的余弦相似度，用于描述樣本方向的相似度；α、β為權(quán)重系數(shù)。

MDi的計(jì)算公式同傳統(tǒng)馬田系統(tǒng)一致，CSi的計(jì)算公式如下：

此外，在傳統(tǒng)馬田系統(tǒng)中，只有當(dāng)信噪比增量為負(fù)時(shí)，才剔除輔助變量即只刪除對建模無效的輔助變量。而在實(shí)際建模過程中，為了更大程度地降低變量間冗余性，可以對信噪比增量設(shè)定一定閾值，刪除閾值范圍內(nèi)的所有輔助變量。

2.2.3 余弦馬氏距離權(quán)重確定 本文分別根據(jù)正常樣本的馬氏距離變異程度和余弦相似度變異程度確定余弦馬氏距離的權(quán)重。具體公式如下：

圖1 加氫裂化流程Fig.1 Flow chart of the hydrocracking process

3 工業(yè)實(shí)例：加氫裂化敏感變量選擇

3.1 加氫裂化流程描述

加氫裂化流程[26-27]作為煉油生產(chǎn)的一個(gè)重要典型環(huán)節(jié)，其工藝機(jī)理是高溫、高氫壓的密閉環(huán)境下，使重質(zhì)油和氫氣在催化劑作用下發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油。加氫裂化流程如圖1 所示，由加氫精制反應(yīng)器、加氫裂化反應(yīng)器、高低壓分離系統(tǒng)和分餾部分組成。以減壓蠟油為原料，產(chǎn)品有輕烴、輕石腦油、重石腦油、煤油、柴油和尾油。

本文以國內(nèi)某石化公司加氫裂化流程航煤10%餾出溫度為研究對象，驗(yàn)證所提方法的有效性。首先根據(jù)機(jī)理分析篩選出可用于預(yù)測建模的38個(gè)輔助變量。

3.2 航煤10%餾出溫度敏感變量

選取該公司加氫裂化流程包含多個(gè)生產(chǎn)工況的2016 組采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算38 個(gè)輔助變量的離散程度、與航煤10%餾出溫度的偏相關(guān)系數(shù)及敏感性指數(shù)，部分結(jié)果如表1所示。

分析各變量的敏感性指數(shù)可知，精制反應(yīng)器塔底溫度指示（12）、精制反應(yīng)器壓差（13）、脫硫化氫汽提塔塔頂回流量（23）、主分餾塔中段返回溫度（31）、柴油汽提塔塔頂溫度（37）、柴油汽提塔底部溫度（38）敏感性指數(shù)較低，說明這些輔助變量對主導(dǎo)變量航煤10%餾出溫度和工況變化的敏感性和描述性相對較低。因此除去這6個(gè)敏感性指數(shù)較低的變量以外其他剩余的32 個(gè)輔助變量被初選為敏感變量。

3.3 航煤10%餾出溫度關(guān)鍵敏感變量

在3.2節(jié)初選的32個(gè)敏感變量采樣數(shù)據(jù)中選取32 組正常樣本，12 組異常樣本數(shù)據(jù)（該公司加氫裂化流程交接記錄本中記錄的異常情況）用于關(guān)鍵敏感變量的精選。

表1 加氫裂化流程機(jī)理篩選輔助變量敏感性指數(shù)Table 1 Sensitivity index of mechanism selected variables of hydrocracking process

（1）構(gòu)建加權(quán)余弦馬氏基準(zhǔn)空間先對正常樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后分別計(jì)算正常樣本的馬氏距離、正常樣本與其均值向量的余弦相似度和余弦馬氏距離；根據(jù)式（15）得到馬氏距離的權(quán)值為0.84，余弦相似度的權(quán)值為0.16，部分結(jié)果如表2所示。

由表2 可知正常樣本的余弦馬氏距離基本在1附近波動，均值0.9003。

（2）驗(yàn)證基準(zhǔn)空間有效性對異常樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后分別計(jì)算異常樣本的馬氏距離、異常樣本與正常樣本均值向量的余弦相似度和余弦馬氏距離，結(jié)果如表3所示。

由表3可知異常樣本的余弦馬氏距離均遠(yuǎn)大于1，均值為203.0627，因此構(gòu)建的加權(quán)余弦馬氏基準(zhǔn)空間可以很好地區(qū)分正常樣本與異常樣本。其中異常樣本3 為特意挑選的方向性異常樣本，其馬氏距離為1.6571，如果按照傳統(tǒng)馬田系統(tǒng)僅根據(jù)馬氏距離判別樣本，樣本3 為正常樣本，與實(shí)際情況不符；而樣本3 的余弦相似度為5.3472，余弦馬氏距離為2.2475，此時(shí)加權(quán)余弦馬田系統(tǒng)將樣本3 判別為異常樣本，相較于傳統(tǒng)馬田系統(tǒng)，加權(quán)余弦馬田系統(tǒng)可以更好地區(qū)分正常樣本與異常樣本。

表2 加權(quán)余弦馬氏基準(zhǔn)空間Table 2 Weighted cosine Mahalanobis space

表3 異常樣本余弦馬氏距離Table 3 Cosine Mahalanobis distance of the abnormal samples

（3）優(yōu)化基準(zhǔn)空間設(shè)計(jì)表4所示的正交表，水平1 表示使用輔助變量，水平2 表示不使用輔助變量，并計(jì)算信噪比（括號內(nèi)為原機(jī)理篩選輔助變量敏感性指數(shù)表中變量序號）。

32 個(gè)敏感變量的信噪比增量直方圖如圖2 所示，變量21（原機(jī)理篩選輔助變量24）、28（原機(jī)理篩選輔助變量32）和32（原機(jī)理篩選輔助變量36）的信噪比增量為負(fù)，說明這些輔助變量對建模無效；變量26（原機(jī)理篩選輔助變量29）的信噪比增量較小，說明這些輔助變量對建模作用較小，可以忽略不計(jì)。因此，基于加權(quán)余弦馬田系統(tǒng)最終精選得到28個(gè)可用于預(yù)測建模的關(guān)鍵敏感變量。

表4 二水平正交表和信噪比Table 4 OAs and S/N ratios

圖2 加裂流程敏感變量信噪比增量直方圖Fig.2 Histogram of the gain of S/N ratios

3.4 航煤10%餾出溫度預(yù)測結(jié)果與分析

本文采用局部加權(quán)偏最小二乘[28]（LWPLS）方法建立預(yù)測模型，用于建模的數(shù)據(jù)共有1610 組，其中966 組作為訓(xùn)練集，644 作為測試集，分別將輔助變量集合按照機(jī)理篩選變量集合、敏感變量集合和關(guān)鍵敏感變量集合用于建模且模型參數(shù)完全相同，預(yù)測結(jié)果如圖3～圖5 所示，預(yù)測結(jié)果與真實(shí)值的散點(diǎn)圖如圖6所示，均方根誤差RMSE如表5所示。由圖3～圖5可知，利用關(guān)鍵敏感變量進(jìn)行預(yù)測建模，其預(yù)測結(jié)果較其他兩種輔助變量集合可以更好地跟蹤航煤10%餾出溫度的實(shí)際值；由圖6可知，利用關(guān)鍵敏感變量進(jìn)行預(yù)測建模其預(yù)測結(jié)果更接近對角線，即越接近真實(shí)值；由表5可知，利用關(guān)鍵敏感變量進(jìn)行預(yù)測建模其預(yù)測的均方根誤差RMSE 為3.0474，較其他兩種輔助變量集合分別提高了7.86%和4.15%，驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。

接著，采用十折交叉驗(yàn)證（10-fold cross validation）來進(jìn)一步測試所提方法的有效性，分別采用3 種變量集合建立基于LWPLS 的預(yù)測模型，其RMSE 如表6 所示。由表6 可知，采用關(guān)鍵敏感變量集合建立的預(yù)測模型精度最高，同時(shí)也證明了所提方法具有一定的外推性。

圖3 利用關(guān)鍵敏感變量集合預(yù)測航煤10%餾出溫度結(jié)果Fig.3 Predicted 10%distillation temperature of aviation kerosene based on key sensitive variable set

圖4 利用敏感變量集合預(yù)測航煤10%餾出溫度結(jié)果Fig.4 Predicted 10%distillation temperature of aviation kerosene based on sensitive variable set

圖5 利用機(jī)理篩選輔助變量集合預(yù)測航煤10%餾出溫度結(jié)果Fig.5 Predicted 10%distillation temperature of aviation kerosene based on mechanism selected auxiliary variable set

圖6 三種變量集合的預(yù)測值與真實(shí)值散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plot of real and predicted outputs on the three variable sets

表5 3種變量集合預(yù)測建模的均方根誤差RMSETable 5 RMSE of LWPLS on three auxiliary variable sets

表6 3種變量集合十折交叉驗(yàn)證的均方根誤差RMSETable 6 RMSE of 10-fold cross validation on three auxiliary variable sets

此外，分別采用偏最小二乘[29]（PLS）、支持向量機(jī)[30]（SVM）和局部加權(quán)核主元回歸[31]（LWKPCR）3種方法驗(yàn)證本文所提方法的有效性，三種方法的均方根誤差如表7 所示。由表7 可知，采用關(guān)鍵敏感變量集合建立PLS、SVM 和LWKPCR 3 種預(yù)測模型，其RMSE 均最小，即選取出的關(guān)鍵敏感變量具有較好的通用性。

表7 3種變量集合不同預(yù)測建模的均方根誤差Table 7 RMSE of three methods based on three auxiliary variable sets

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方法的性能，選取同一段時(shí)間內(nèi)航煤10%餾出溫度為主導(dǎo)變量，分別采用本文所提方法和基于互信息的變量選擇方法及文獻(xiàn)[19]中所提方法建立LWPLS 模型，基于3 種變量選擇方法的預(yù)測模型均方根誤差如表8所示。由表8 可知，基于本文所提方法選取的關(guān)鍵敏感變量建立的預(yù)測模型可以更好地?cái)M合實(shí)際生產(chǎn)曲線，均方根誤差最小。這是因?yàn)楸疚乃岱椒ㄊ紫瘸踹x出既與主導(dǎo)變量相關(guān)又能反映工況的敏感變量，然后精選出冗余性更小的關(guān)鍵敏感變量；而基于互信息的變量選擇方法僅考慮輔助變量與主導(dǎo)變量的相關(guān)性，且沒有進(jìn)一步降低冗余性，所以其預(yù)測精度低于本文所提方法；文獻(xiàn)[19]中所提方法雖然在選擇變量時(shí)考慮了工況變化的影響，但是未考慮輔助變量與主導(dǎo)變量的相關(guān)性，所以其預(yù)測精度略低于本文所提方法、高于基于互信息的變量選擇方法。

表8 基于3種變量選擇方法建立LWPLS預(yù)測模型的均方根誤差Table 8 RMSE of LWPLS on three variable selection methods

4 結(jié) 論

本文針對如何選取既能反映工況信息又能反映主導(dǎo)變量與輔助變量相關(guān)性的敏感變量方面，提出了一種分步約簡的敏感變量選擇方法。該方法在明確敏感變量和關(guān)鍵敏感變量的基礎(chǔ)上，根據(jù)變量對工況變化的敏感性和輔助變量與主導(dǎo)變量的凈相關(guān)性定義了敏感性指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)敏感變量的初選；接著通過構(gòu)建加權(quán)余弦馬田系統(tǒng)解決變量冗余性大的問題，實(shí)現(xiàn)敏感變量的精選；最后將方法應(yīng)用于加氫裂化產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測，利用實(shí)際工業(yè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法的有效性，結(jié)果表明：

(1)將關(guān)鍵敏感變量、敏感變量和通過機(jī)理篩選的輔助變量分別用于基于LWPLS 的航煤10%餾出溫度預(yù)測建模，結(jié)果顯示使用關(guān)鍵敏感變量集合建模，不僅可以降低預(yù)測模型的復(fù)雜性，還可以提升預(yù)測的準(zhǔn)確性；

(2)針對航煤10%餾出溫度預(yù)測時(shí)，將關(guān)鍵敏感變量、敏感變量和通過機(jī)理篩選的輔助變量分別用于PLS、SVM 和LWKPCR 3種建模方法，結(jié)果均顯示使用關(guān)鍵敏感變量集合建模的預(yù)測效果最好，不僅驗(yàn)證了所提方法的有效性，還同時(shí)證明了所提方法對不同的建模方法均適用，具有較好的通用性；

(3)分別采用本文所提分步約簡的變量選擇方法、文獻(xiàn)[19]所提方法和基于互信息的變量選擇方法構(gòu)建基于LWPLS的航煤10%餾出溫度預(yù)測模型，結(jié)果顯示使用本文所提方法建立的預(yù)測模型均方根誤差最小，預(yù)測效果最佳。