一种采样流量特征参数自动识别方法与流程

1.本发明涉及流程工业生产工艺参数检测和计算技术领域，更具体的是涉及选矿、建材、污水处理、造纸、制糖等生产流程检化验系统液体采样流量特征参数的识别计算和自动提取方法技术领域。


背景技术：

2.工业生产中液体料浆采样方式和采样调节参数直接影响着产品质量控制环节的采样均匀度及化验结果代表性，同时也可以从多重空间区域和时间维度上反映出当前生产流程技术指标的优劣，是判定生产工况是否处于最佳状态或稳定状态的主要评判标准，也是实施生产流程参数动态调整的重要依据。准确了解生产流程的采样频度和采样次数，对生产指标即时预测、工艺条件管控和生产过程操作决策具有特殊意义。
3.液体料浆采样最终目标是在保证采样班次累积量的前提下，使采样过程尽可能均匀，降低采样不均匀性所带来的产品检测误差。工业生产过程中，采样过程通常具有随机性、流量微小(单次采样量20-35ml)、持续时间短(10～25ml)、工况复杂(高温、高湿、有腐蚀性)等特点，受生产现场工作环境、安装条件等因素影响，为提高环境适应性，降低采样设备故障发生率，实际工业生产过程、尤其是矿山企业选矿流程等复杂工况下的工序采样多数仅安装了用于采样状态的流量检测装置。
4.复杂工况下的流体矿浆采样，为保证采样过程的可靠性，采样装置上极少安装控制执行机构，为控制实际采样量需操作人员现场及时调节。受生产流程操作参数调整、工艺条件异常波动等工况状态的时变特性影响，班次累积采样量多数情况下很难达到期望指标，为在线监测采样过程的状态，提高采样巡检作业效率，解决复杂工况条件下间歇性微流量即时检测及高可靠传输问题，可为一线检化验巡检及维护人员及时提供采样参数及工作状态，在矿浆采样溢流处安装流量检测仪，用于在线检测采样的状态。
5.根据采样流量计检测结果可以即时判断该采样点采样机及其检测流量的当前工作状态，但无法得到班次采样次数、采样点维护次数等可以综合反映采样特征的参数。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决由采样流量辨识采样过程特征参数的问题，本发明提供了一种采样流量特征参数自动识别方法。
7.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
8.一种采样流量特征参数自动识别方法，包括数据检测与采集、特征提取和参数综合计算三部分，根据来自采样作业区采样流量的采集结果进行分析处理，获取采样点峰值和采样点间隔时间等特征参数，在此基础上确定采样当前的工作状态；所述自动识别方法具体包括以下步骤：
9.1)在采样流量采集周期内，现场终端操作站通过模拟量通道实时采集来自采样机流量计的4-20ma流量检测信号，并构建采样流量样本域多维空间尺度下的即时识别窗口队
列；
10.2)根据采样流量特征设置上升限、下降限、流量峰值系数等初始化参数；
11.3)结合采样流量快、小、随机性的工艺特点和趋势单调变化特征，搜索采样域空间以确定是否存在采样域；主要包括以下三种情况：
12.a.采样样本内流量单调递增递减(流量曲线单峰值)情况；
13.b.采样样本流量上升段非单调递增(双峰值)，下降段单调递减情况；
14.c.采样样本流量上升段单调递增，下降段非单调递减(双峰值)情况。
15.4)计算采样域内流量样本的采样起始位置和终止位置；
16.5)计算采样域内采样流量样本的均值，提取采样点最大峰值及对应时间点，并存储至本地数据库对应数据表；
17.6)用历史数据表中的上一次采样点数据，计算采样间隔周期；
18.7)判断采样状态，若计算的采样间隔周期小于预设采样周期，则当前采样机处于维护模式，记录维护参数。
19.进一步的，在流量采样t时刻，来自采样机流量传感器流量检测信号f(t)通过模拟量通道接入采样终端应用程序，与采样流量输出时间t(t)进行匹配，形成采样流量样本域ω0集合样本元素(f(t),t(t))，其中采样流量样本域ω0集合依据先进先出的原则将样本元素(f(t),t(t))压入样本序列，同时历史样本元素以此后移，最后一个样本元素(f(t-n0 1),t(t-n0 1))从采样流量样本域ω0集合中移除。
20.进一步的，在采样终端应用程序中设置采样流量参数初始化值，完成初始化，其中设置多维空间尺度定长滑动窗口序列长度n＝50，连续递减或递增点数nc＝8，第一峰值判定系数c1＝1.55，第二峰值判定系数c2＝1.15，采样周期下限t
min
＝60s，采样周期上限t
max
＝7200s。
21.进一步的，按照如下约束条件规则对采样流量样本域ω0集合样本元素进行遍历搜索，以确认当前样本域内是否存在采样点：
22.1)对于采样流量域内流量趋势有且仅有一个峰值，即流量检测值先单调递增至峰值后再单调递减，具有单个峰值样本域q0的情形：
23.①
样本域q0内流量信号单调连续递增达到峰值样本域递增段流量采集点数大于nc；
24.②
达到峰值后连续单调递减，样本域递减段流量采集点数大于nc；
25.满足条件
①
、
②
的峰值需大于非样本域内流量信号均值的c1倍，即满足如下关系式(1-4)：
26.在流量采样域ω0内，非样本域流量信号序列的均值如式(1)所示，且满足式(2)所要求的条件；
[0027][0028]
[0029]
对于样本域q0单调递增区间，满足式(3)约束条件；
[0030][0031]
对于样本域q0单调递减区间，满足式(4)约束条件；
[0032][0033]
2)对于采样流量域内流量趋势可能存在多个峰值，根据采样流程生产工艺特点，正常状态下最多允许出现不多于2个峰值，即检测流量在采样区域内递减段单调递减，但在递增段非单调，产生具有2个峰值样本域q0的情形：
[0034]
满足条件
②
，但不满足条件
①
时，最大峰值需大于上升段波峰，即第二高的峰值的c2倍，同时，波谷拐点之前的对应上升段数据采样点数与波谷拐点至峰值的数据采样点数之和不小于nc次，即满足如下所示的约束；
[0035][0036][0037]
3)对于采样流量域内流量趋势可能存在多个峰值，根据采样流程生产工艺特点，正常状态下最多允许出现不多于2个峰值，即检测流量在采样区域内递增段单调递增，但在递减段非单调递减，产生具有2个峰值样本域q0的情形：
[0038]
满足条件
①
，但不满足条件
②
时，最大峰值需大于非样本域内流量信号均值的c1倍，同时最大峰值还需大于下降段第二高峰值的c2倍，其峰值和数据采样点数满足如下式(7-8)所示的约束条件；
[0039][0040][0041]
4)根据步骤3)判定准则，若采样流量样本域ω0集合中存在采样点，则提取采样特征峰值采样样本起始点采样样本终止点等参数，根据m0、n0在采样流量样本域ω0集合中的位置分布，分别得到对应的采样样本起始点元素采样样本峰值元素采样样本终止点元素其中满足式(9)所给定的约束条件；
[0042][0043]
进一步的，采样终端应用程序搜索本地数据表，提取与当前采样点对应的相邻采样点特征信息的历史采样特征峰值历史采样样本起始点历史采样样本终止点按照式(10)所约定的规则，计算当前时刻的采样间隔周期t(0)；
[0044][0045]
进一步的，依据采样间隔周期和式(11)设定规则，判断当前采样机工作状态；
[0046]
t(0)≤t
min
,(a)
[0047]
t(0)＞t
min
&t(0)《t
max
,(b)
[0048]
t(0)≥t
max
,(c)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0049]
若满足式(11)中(a)规则，当前采样处于操作维护模式；若满足式(11)中(b)规则，当前采样处于正常工作模式；若满足式(11)中(c)规则，当前采样处于操作断流模式。
[0050]
进一步的，针对状态模式的识别结果，若采样工作在维护模式，则按式(12)进行计算，其计算结果信息在本地数据表存储；若采样工作在正常模式，其采样点计算结果信息在本地数据表存储；
[0051][0052]
本发明的技术原理如下：
[0053]
(1)利用采样机流量传感器模拟量通道将采样流量实时测量值输出到采样终端应用程序，结合采样时序形成涵盖采样流量和采样时序的多维空间尺度定长滑动窗口队列，作为采样点动态搜索和相关特征提取的基本信息源。(2)根据采样点流量变化工艺特征，对采样流量定长滑动窗口队列中流量序列按照约定的采样峰值提取规则进行采样点识别，对存在采样点的流量序列统计计算采样点峰值、采样起始位置、采样终止位置及其对应时间戳。对不存在采样点的流量序列则等待流量数据采集扫描完成后采样集合序列更新。(3)从历史数据表中读取相邻采样点峰值、采样起始位置、采样终止位置及其对应时间戳，与当前采样采样点峰值时间戳进行差值计算得到当前采样间隔周期。根据采样工艺基本特征和设置的采样周期限定极值，若当前采样间隔周期小于采样周期最小值，则采样机当前处于维护模式；若当前采样间隔周期大于采样周期最大值，则采样机当前处于断流状态；若当前采样间隔周期大于采样周期最小值，小于采样周期最大值，则采样机处于正常采样状态。输出的采样采样间隔周期和采样机模式可以为操作人员日常巡检提供必要的信息支持，提高采样流程的巡检效率。
[0054]
本发明的有益效果如下：
[0055]
(1)本发明适用于冶金、化工、建材等生产流程的检测参数典型特征提取，主要用于解决无动力驱动的液体料浆采样次数统计、采样状态识别等问题；
[0056]
(2)本发明给出了基于采样流量样本域多维空间尺度下的采样点即时识别滑动窗口队列构建方法，并针对不同采样工况提出具有高识别率、简单适用的特征主动分类求解器；
[0057]
(3)本发明给出一种采样间隔周期计算方法，即根据相邻采样点峰值之间对应的时间序列历史信息获取当前采样周期；
[0058]
(4)本发明依据计算得出的采样间隔周期结合工艺设定采样周期上下限值，对当前采样状态进行预判并精确推定(正常、断流和维护)，在此基础上计算对应参数并上报巡检平台，为巡检人员开展有针对性的日常巡检提供信息支撑。
附图说明
[0059]
图1是本发明中的采样参数识别基本结构图；
[0060]
图2是本发明中的单峰值采样流量时间序列图；
[0061]
图3是本发明中的第一类多峰值采样流量时间序列；
[0062]
图4是本发明中的第二类多峰值采样流量时间序列。
具体实施方式
[0063]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0064]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0065]
实施例
[0066]
参照图1，本发明中采样流量特征参数提取方法首先根据采样机流量计通过模拟通道输出的瞬时流量检测信号值，依托采样机现场终端操作站应用程序(以下简称“采样终端应用程序”)，在本地设置多维空间尺度定长滑动窗口队列，用来存储采样流量输出信号及对应采样时间。采样终端应用程序按照设定的初始化采样流量序列上下限、流量峰值系数、采样周期上下限极值等参数，在采样流量采集扫描周期内，对流量域样本采用全局搜索分析是否存在采样点，在此基础上提取采样流量峰值及其对应时间，并确定采样样本起止点和时间戳。由于采样过程受到生产流程其它已知或未知因素的作用，其采样发生时间和采样流量的大小具有明显的随机性和不确定性，本发明根据当前采样流量样本搜索到的流量峰值和对应时间，结合采样点上一次流量峰值特征参数信息计算并更新采样间隔周期。为即时获取并呈现采样工况状态，本发明依据设定的采样周期上下限值，对计算得到的采样间隔周期采用分类比较枚举法自动识别，定位当前采样的工作模式，并对记录相关参数。本发明的所涉及的方法具体如下：
[0067]
一种采样流量特征参数自动识别方法，包括以下步骤：
[0068]
(1)在流量采样t时刻，来自采样机流量传感器流量检测信号f(t)通过模拟量通道接入采样终端应用程序，与采样流量输出时间t(t)进行匹配，形成采样流量样本域ω0集合样本元素(f(t),t(t))，其中采样流量样本域ω0集合依据先进先出的原则将样本元素(f(t),t(t))压入样本序列，同时历史样本元素以此后移，最后一个样本元素(f(t-n0 1),t
(t-n0 1))从采样流量样本域ω0集合中移除；
[0069]
(2)在采样终端应用程序中设置采样流量参数初始化值，完成初始化，其中设置多维空间尺度定长滑动窗口序列长度n＝50，连续递减或递增点数nc＝8，第一峰值判定系数c1＝1.55，第二峰值判定系数c2＝1.15，采样周期下限t
min
＝60s，采样周期上限t
max
＝7200s；
[0070]
(3)按照如下约束条件规则对采样流量样本域ω0集合样本元素进行遍历搜索，以确认当前样本域内是否存在采样点：
[0071]
1)对于图2所示采样流量域内流量趋势有且仅有一个峰值，即流量检测值先单调递增至峰值后再单调递减，具有单个峰值样本域q0的情形：
[0072]
①
样本域q0内流量信号单调连续递增达到峰值样本域递增段流量采集点数大于nc；
[0073]
②
达到峰值后连续单调递减，样本域递减段流量采集点数大于nc；
[0074]
满足条件
①
、
②
的峰值需大于非样本域内流量信号均值的c1倍，即满足如下关系式(1-4)：
[0075]
在流量采样域ω0内，非样本域流量信号序列的均值如式(1)所示，且满足式(2)所要求的条件。
[0076][0077][0078]
对于样本域q0单调递增区间，满足式(3)约束条件
[0079][0080]
对于样本域q0单调递减区间，满足式(4)约束条件
[0081][0082]
2)对于采样流量域内流量趋势可能存在多个峰值，根据采样流程生产工艺特点，正常状态下最多允许出现不多于2个峰值。如图3所示情形，即检测流量在采样区域内递减段单调递减，但在递增段非单调，产生具有2个峰值样本域q0的情形：
[0083]
满足条件
②
，但不满足条件
①
时，最大峰值需大于上升段波峰(即第二高的峰值)的c2倍，同时，波谷拐点之前的对应上升段数据采样点数与波谷拐点至峰值的数据采样点数之和不小于nc次，即满足如下所示的约束；
[0084]
[0085][0086]
3)对于采样流量域内流量趋势可能存在多个峰值，根据采样流程生产工艺特点，正常状态下最多允许出现不多于2个峰值。如图4所示情形，即检测流量在采样区域内递增段单调递增，但在递减段非单调递减，产生具有2个峰值样本域q0的情形：
[0087]
满足条件
①
，但不满足条件
②
时，最大峰值需大于非样本域内流量信号均值的c1倍，同时最大峰值还需大于下降段第二高峰值的c2倍，其峰值和数据采样点数满足如下所示的约束条件(7-8)。
[0088][0089][0090]
4)根据步骤3)判定准则，若采样流量样本域ω0集合中存在采样点，则提取采样特征峰值采样样本起始点采样样本终止点等参数，根据m0、n0在采样流量样本域ω0集合中的位置分布，分别得到对应的采样样本起始点元素采样样本峰值元素采样样本终止点元素其中满足式(9)所给定的约束条件；
[0091][0092]
5)采样终端应用程序搜索本地数据表，提取与当前采样点对应的相邻采样点特征信息的历史采样特征峰值历史采样样本起始点历史采样样本终止点按照式(10)所约定的规则，计算当前时刻的采样间隔周期t(0)；
[0093][0094]
6)依据采样间隔周期和式(11)设定规则，判断当前采样机工作状态；
[0095][0096]
若满足式(11)中(a)规则，当前采样处于操作维护模式；若满足式(11)中(b)规则，当前采样处于正常工作模式；若满足式(11)中(c)规则，当前采样处于操作断流模式；
[0097]
针对状态模式的识别结果，若采样工作在维护模式，则按式(12)进行计算，其计算结果信息在本地数据表存储；若采样工作在正常模式，其采样点计算结果信息在本地数据
表存储；
[0098][0099]
在流量采样t 1时刻，采样终端应用程序接受到来自流量传感器的采样流量f(t)及其对应时间戳t(t)，形成样本(f(t),t(t))，进入采样流量样本域ω0集合对应的样本(f(t-1),t(t-1))，同时返回1)步骤，执行下一周期的采样点判断。
[0100]
其中，上述步骤及表达式中所用符号释义如下：ω0是流量样本域集合，ω0＝{(f(t-i),t(t-i))
t
|(f(t-1),t(t-1))
t
,
…
,(f(t-n0),t(t-n0))
t
}；
[0101]
t是当前采样流量检测及输出到终端应用程序时刻；
[0102]
f(t-1)是上一时刻采样流量检测输出结果信号，单位是ma；
[0103]
t(t)/t(0)是当前时刻采样流量结果对应的时间戳，其结构为yyyy-mm-dd hh:mm:ss；其中
[0104]
t(t-1)/t(1)是上一时刻采样流量结果对应的时间戳，其结构为yyyy-mm-dd hh:mm:ss；其中
[0105]
n0是ω0流量样本域集合内样本长度；
[0106]
(f(t-i),t(t-i)),i＝1,
…
,n0是ω0流量样本域集合的样本元素；
[0107]
nc是采样点样本内持续递增或递减点数；
[0108]
c1、c2分别为第一、第二采样流量峰值的判定系数；
[0109]
q0是采样样本域，是非样本域流量信号序列，具体表示范围见图2-4的标注；
[0110]
t
min
是由操作人员根据采样机工作特性和工艺条件设定的采样周期下限值，t
max
由操作人员根据采样机工作特性和工艺条件设定的采样周期上限值，是采样机工作模式判定的基本参考量；
[0111]
是采样流量域ω0(定长滑动窗口队列)的起始点，是采样样本域q0的起始点流量，是采样样本域内第一流量峰值，是采样样本域内的第二流量峰值，是采样样本域q0的终止点流量；是采样样本域内的第二流量峰值单调递减段极小流量；是采样样本域内的第二流量峰值单调递增段起始流量；
[0112]
是采样样本域q0的起始点在定长滑动窗口队列中所处的位置；
[0113]
m0是采样样本域q0的第一流量峰值在定长滑动窗口队列中所处的位置；
[0114]
m1是采样样本域q0的第二流量峰值在定长滑动窗口队列中所处的位置；
[0115]
n0是采样样本域q0的终止点在定长滑动窗口队列中所处的位置，一般地n0＝n
0-1；
[0116]
是非样本域流量信号序列的均值；
[0117]mac
是采样样本域q0内第二峰值单调递减段极小流量在定长滑动窗口队列中所处的位置；
[0118]mde
是采样样本域q0内第二峰值单调递增段起始点在定长滑动窗口队列中所处的位置；
[0119]
是上一历史采样点采样流量特征峰值，其在历史定长滑动窗口队列对应
所处位置为m1；
[0120]
是上一历史采样点采样起始点流量，其在历史定长滑动窗口队列对应所处位置为
[0121]
是上一历史采样点采样样本终止点流量，其在历史定长滑动窗口队列对应所处位置为n1，一般地满足n1＝n
0-1。