怡豪 仲梁維

摘 ?要：針對汽油催化裂化過程中減少辛烷值損失值的問題，基于某企業(yè)催化裂化汽油精制脫硫設(shè)備的樣本數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立汽油精制過程中的辛烷值（RON）模型。首先，對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化，然后運用隨機(jī)森林法對數(shù)據(jù)變量進(jìn)行降維，提取出因變量貢獻(xiàn)程度較大的30 個主要變量;其次，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立辛烷值損失模型;最后，在建立的模型中確定初始樣本，結(jié)合遺傳算法對操作變量進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：優(yōu)化后的辛烷值損失值下降的幅度為42.14%，降幅大于30%，有助于在實際生產(chǎn)中減少辛烷值損失，降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：隨機(jī)森林法;汽油辛烷值;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型;遺傳算法

中圖分類號：TP183 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Aiming at the problem of reducing octane number loss in the process of gasoline catalytic cracking， this paper proposes to establish a research octane number （RON） model in the gasoline refining process through data mining technology， based on the sample database data of a company's catalytic cracking gasoline refinement and desulfurization equipment. Firstly， initial data is normalized. Then， random forest method is used to reduce the dimensionality of the data variables， and the 30 main variables that contribute to the dependent variable are extracted. Secondly， BP neural network is used to establish the RON loss model. Finally， the initial sample is determined in the model， and the operating variables are optimized in combination with genetic algorithm. Results show that the optimized RON loss value decreases by 42.14%， which is more than 30%. The proposed model helps to reduce the octane loss in actual production， so to reduce the economic losses of enterprises.

Keywords： random forest method; gasoline octane number; BP neural network model; genetic algorithm

1 ? 引言（Introduction）

隨著計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)據(jù)分析、算法在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。汽油作為當(dāng)前主要燃料之一，在實際生產(chǎn)的催化裂化過程中是通過降低汽油辛烷值的手段來進(jìn)行脫硫、脫烯烴的，雖然能達(dá)到降低硫、烯烴含量的目的，但是辛烷值作為汽油抗震抗爆的主要指標(biāo)，辛烷值的降低將帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，需要建立辛烷值損失模型對影響因素進(jìn)行分析和優(yōu)化，達(dá)到減少辛烷值損失的目的[3]。本文通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)結(jié)合隨機(jī)森林法對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行剔除和篩選，建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的辛烷值損失模型，該模型對降低辛烷值損失值有明顯優(yōu)化，為汽油催化裂化過程中提高辛烷值數(shù)值提供解決方法。

2 ? 樣本數(shù)據(jù)處理（Sample data processing）

2.1 ? 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)來源為某企業(yè)催化裂化汽油精制脫硫設(shè)備的樣本數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括原料性質(zhì)、待生吸附劑性質(zhì)、再生吸附劑性質(zhì)等操作變量，共計367 個變量。將數(shù)據(jù)文件命名為附件1，對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，刪除樣本中數(shù)據(jù)全部為空值的位點。對于只含有部分時間點的位點，如果其殘缺數(shù)據(jù)較多，無法補(bǔ)充，將此類位點刪除。根據(jù)工藝要求與操作經(jīng)驗，總結(jié)出原始數(shù)據(jù)變量的操作范圍，然后采用最大最小的限幅方法剔除一部分不在此范圍的樣本[4]。根據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則法尋找操作變量中異常值，將其數(shù)值設(shè)置為0。根據(jù)數(shù)據(jù)分析中的二八法則，如果操作變量中0值和缺省值樣本數(shù)所占總樣本數(shù)的比例超過20%，那么將該操作因子直接去除;如果小于20%，統(tǒng)計計算除了0值以外的其他數(shù)的平均值，再替換原來的0值。對特征進(jìn)行方差計算，剔除方差值特別小的因子。為了統(tǒng)一判斷，需要先將數(shù)據(jù)歸一化處理，歸一化到[0，1]，然后計算某一列的方差，若某一個特征中的數(shù)據(jù)基本一致，認(rèn)為該特征包含的可用信息比較少，方差閾值s2定為0.01，如果方差小于0.01，將該特征剔除。歸一化公式如公式（1）所示。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理過后通過讀取得到新的樣本數(shù)據(jù)，處理樣本數(shù)據(jù)格式。其中第一列為因變量，為了便于讀取數(shù)據(jù)將其列名修改為ronLose，后面列均為自變量，如圖2所示。

2.2 ? 模型主要變量

選取辛烷值損失值作為因變量，分析樣本數(shù)據(jù)可知，若將所有操作變量輸入，可能會導(dǎo)致過擬合，影響結(jié)果，且操作變量的關(guān)系存在高度耦合，呈現(xiàn)非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的降維方法是不合適的。采用隨機(jī)森林法作為特征的篩選算法，將特征基于因變量貢獻(xiàn)程度進(jìn)行排序，選擇靠前的30 個特征作為主要變量，進(jìn)行降維得出的30 個主要變量[5]如圖3所示。

3 ? ?辛烷值損失預(yù)測模型（RON loss prediction model）

3.1 ? 模型選擇

考慮到辛烷值損失受到多種操作變量的影響，呈現(xiàn)難以解析的非線性關(guān)系，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有解決多重因素交叉影響的復(fù)雜非線性問題的能力，有效處理多層網(wǎng)絡(luò)模型中隱含層的連接權(quán)問題，大幅優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組織和自學(xué)習(xí)能力，因此采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對辛烷值損失建立預(yù)測模型[6-7]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是多層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其主要的特征是信號是前向傳播的，而誤差是反向傳播的。它模擬了人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，人腦傳遞信息的基本單位是神經(jīng)元，人腦中有大量的神經(jīng)元，每個神經(jīng)元與多個神經(jīng)元相連接。每層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都是由神經(jīng)元構(gòu)成的，單獨的每個神經(jīng)元相當(dāng)于一個感知器。輸入層是單層結(jié)構(gòu)的，輸出層也是單層結(jié)構(gòu)的，而隱藏層可以有多層，也可以是單層的。輸入層、隱藏層、輸出層之間的神經(jīng)元都是相互連接的?？偟膩碚f，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)流程是輸入層得到信息后會把信息傳給隱藏層，隱藏層則會根據(jù)神經(jīng)元相互聯(lián)系的權(quán)重并根據(jù)規(guī)則把這個信息傳給輸出層，輸出層對比結(jié)果，如果不在預(yù)計范圍內(nèi)，則返回調(diào)整神經(jīng)元相互聯(lián)系的權(quán)值，不斷進(jìn)行訓(xùn)練，直至到達(dá)預(yù)期結(jié)果[8]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法流程圖如圖4所示。

3.2 ? 模型建立

建立辛烷值損失的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模型建立過程如下所示：

（1）選取訓(xùn)練樣本以及測試樣本。樣本是依據(jù)時間測定的，為了避免隨機(jī)選取過程中可能存在某個時間段樣本較多的情況，且并不確定樣本數(shù)據(jù)可能與時間序列有某種關(guān)聯(lián)，故通過均勻方式選取樣本。數(shù)據(jù)文件中樣本按序號排列，能被4整除的樣本序號定為測試樣本，反之為訓(xùn)練樣本。最終獲得244 個訓(xùn)練樣本，81 個測試樣本。

（2）對數(shù)值進(jìn)行歸一化。由于輸入數(shù)據(jù)的單位不一樣，有些數(shù)據(jù)的范圍可能特別大，導(dǎo)致的結(jié)果是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂慢、訓(xùn)練時間長。數(shù)據(jù)范圍大的輸入在模式分類中的作用可能會偏大，而數(shù)據(jù)范圍小的輸入作用就可能會偏小。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的激活函數(shù)的值域是有限制的，因此需要將網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的目標(biāo)數(shù)據(jù)映射到激活函數(shù)的值域。例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層若采用雙曲正切S形激活函數(shù)，由于雙曲正切S形函數(shù)的值域限制在（-1，1），也就是說神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出只能限制在（-1，1），因此訓(xùn)練數(shù)據(jù)的輸出就要歸一化到[-1，1]區(qū)間。

當(dāng)激活函數(shù)采用雙極S形函數(shù)進(jìn)行歸一化處理時，如公式（2）所示，其中min為矩陣中最小值，max為最大值。

（3）使用函數(shù)創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該函數(shù)需要幾個重要參數(shù)，包括隱含層層數(shù)、隱含層神經(jīng)元數(shù)量、輸出層神經(jīng)元個數(shù)以及激活函數(shù)和訓(xùn)練算法。其中輸入層由隱含層作用于輸出層，通過非線性變換獲取輸出量，訓(xùn)練中的每個數(shù)據(jù)都擁有輸入值和期望輸出值，網(wǎng)絡(luò)輸出值與期望輸出值兩者的偏差經(jīng)過修改閾值和網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，使誤差沿梯度方向下降，最終使期望輸出和實際輸出在預(yù)定范圍中[9]。

設(shè)輸出層有m 個神經(jīng)元，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實際輸出是y，期望輸出是y'，函數(shù)如公式（3）所示。

式中，為輸入單元i到隱含層單元j的權(quán)重，是學(xué)習(xí)效率，是中間第j 個隱含層的傳輸函數(shù)。使用提取到的30 個建模主要變量（辛烷值除外）作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入?yún)?shù)，確定輸入端點數(shù)為30。該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用三層網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)為30-n-1，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

在其他條件完全相同的情況下，只改變隱含層神經(jīng)元數(shù)量，每次固定隱含層神經(jīng)元數(shù)量后，獲取四次預(yù)測結(jié)果，取平均值作為該組數(shù)據(jù)的最終結(jié)果。

對于激活函數(shù)的選取，由于操作變量（控制變量）之間具有高度非線性，此外，樣本數(shù)據(jù)歸一化處理后的值域為[-1，1]，故激活函數(shù)選取雙曲正切S形函數(shù)，如公式（5）所示。

模型最終要預(yù)測出辛烷值損失這一個量，故輸出層神經(jīng)元個數(shù)為1，訓(xùn)練算法選取最小二乘法，其收斂速度較快，并能使所求數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。

（4）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置，如表1所示。

（5）模型訓(xùn)練完成后，輸入測試樣本，獲取預(yù)測值，計算絕對誤差，并繪制誤差頻率直方圖、誤差變化圖。

3.3 ? 模型分析

在其他條件完全相同的情況下，只改變隱含層神經(jīng)元數(shù)量，每次固定隱含層神經(jīng)元數(shù)量后，獲取四次預(yù)測結(jié)果，取平均值作為該組數(shù)據(jù)的最終結(jié)果，如表2所示。

從表2中的分析可知，當(dāng)隱含層神經(jīng)元個數(shù)為10時，81 個預(yù)測樣本的預(yù)測辛烷值損失與實際值的均方誤差誤差最小，故隱含層神經(jīng)元個數(shù)取10。

選定隱含層神經(jīng)元個數(shù)后，求解辛烷值損失預(yù)測模型，如圖6—圖10所示。

4 ? 樣本變量優(yōu)化（Sample variable optimization）

4.1 ? 樣本選擇

根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的辛烷值損失預(yù)測模型，篩選數(shù)據(jù)作為優(yōu)化樣本，從篩選出的樣本中保持原料、待生吸附劑、再生吸附劑的性質(zhì)不變。對于其他篩選出來的主要變量，在各自變量的范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)利用遺傳算法結(jié)合建立的預(yù)測模型進(jìn)行尋優(yōu)，進(jìn)行該樣本的操作變量方案的優(yōu)化。

選取某一個樣本進(jìn)行分析和優(yōu)化，其他樣本的分析和優(yōu)化完全一致。樣本選擇確定原則：S的含量要低于5 μg/g;選擇眾數(shù)值為3.2的樣品;原料中的辛烷值不能過低，選擇平均數(shù)89.7;辛烷值初始損失值不能過低，否則沒有優(yōu)化的意義，這里選擇眾數(shù)值為1.4。結(jié)合這幾點最終挑選樣本號為264的樣本作為分析對象來研究操作變量的優(yōu)化。

4.2 ? 優(yōu)化模型建立與分析

初始樣本確定后，結(jié)合操作變量和操作變量的取值區(qū)間，隨機(jī)產(chǎn)生1，000 個隨機(jī)數(shù)據(jù)作為初始種群，將建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為適應(yīng)度函數(shù)表示，優(yōu)化目標(biāo)為最小化辛烷值損失值。初始種群進(jìn)行交叉、遺傳、變異、選擇操作，設(shè)置迭代次數(shù)為100 次，篩選出最優(yōu)的個體作為優(yōu)化值[10]。但是由于初始種群的問題可能會導(dǎo)致無法求解到最優(yōu)值，可能陷入局部最優(yōu)的狀態(tài)，因此逐步增大初始種群的大小進(jìn)行反復(fù)驗算[11]。我們發(fā)現(xiàn)隨著初始種群規(guī)模的增大，辛烷值損失值的變化剛開始存在波動，但是當(dāng)初始種群大于8萬個左右時，辛烷值的損失值逐步下降最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，最終得到最優(yōu)的操作變化的優(yōu)化條件和辛烷值損失值。

隨著隨機(jī)樣本數(shù)量的增加，剛開始辛烷值的損失值會存在波動，但是當(dāng)初始樣本數(shù)量大于80，000左右的時候，辛烷值的損失值逐步穩(wěn)定，接近0.81。辛烷值的損失值隨著初始樣本數(shù)量變化的關(guān)系趨勢如圖11所示。

最終經(jīng)過優(yōu)化，優(yōu)化后的辛烷值損失值為0.81，相較于原來數(shù)據(jù)樣本中的初始值1.4，下降的幅度為42.14%，降幅大于30%，說明操作變量起到優(yōu)化的作用。優(yōu)化后的操作變量的取值如表3所示。

5 ? 結(jié)論（Conclusion）

基于建立的辛烷值損失模型，結(jié)合遺傳算法對操作變量進(jìn)行改變，得到優(yōu)化后的辛烷值損失值為0.81，相較于原來數(shù)據(jù)樣本中的初始值1.4，下降的幅度為42.14%，利用該模型對降低辛烷值損失值起到優(yōu)化效果。

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作者簡介：

葉怡豪（1998-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：計算機(jī)輔助設(shè)計與智能開發(fā).

仲梁維（1962-），男，碩士，教授.研究領(lǐng)域：計算機(jī)輔助設(shè)計，企業(yè)信息化.