JP2007004769A - Parameter prediction apparatus and parameter prediction method for oil refinery plant - Google Patents
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Abstract
【課題】予測時間及びモデル作成に用いる第一及び第二パラメータについて最適化された予測モデルを構築し、この予測モデルを用いて精度良く石油精製プラントの特定のパラメータを予測する。
【解決手段】入力手段と、測定手段と、パラメータ記憶手段と、モデル作成条件に基づいて測定された第一及び第二パラメータの少なくとも一部にPLS(Partial Least Squares)解析を行い、予測時間並びにモデル作成に用いる第一及び第二パラメータに関して最適化された予測モデルを作成するモデル作成手段と、モデル記憶手段と、出力手段とを有することを特徴とする予測装置。
【選択図】図1A prediction model optimized for a prediction time and a first parameter and a second parameter used for model creation is constructed, and a specific parameter of an oil refinery plant is accurately predicted using the prediction model.
A PLS (Partial Least Squares) analysis is performed on at least a part of first and second parameters measured based on a model creation condition, an input unit, a measurement unit, a parameter storage unit, and a predicted time and A prediction apparatus comprising: a model creation unit that creates a prediction model optimized with respect to the first and second parameters used for model creation, a model storage unit, and an output unit.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、石油精製プラントを特徴づける所定のパラメータから所定時間先の特定のパラメータを予測可能な予測モデルを作成し、この予測モデルを用いて高精度で特定のパラメータを予測する予測装置に関する。 The present invention relates to a prediction apparatus that creates a prediction model capable of predicting a specific parameter ahead of a predetermined time from a predetermined parameter that characterizes an oil refinery plant, and predicts the specific parameter with high accuracy using the prediction model.
石油精製プラントにおいては一度、異常状態が発生するとこれを解消するには多大な時間、コストが必要となる。従って、注目するプラントの所定時間先の異常を早期に検知できる技術が要望されている。 In an oil refining plant, once an abnormal state occurs, it takes a lot of time and cost to resolve it. Therefore, there is a demand for a technology that can detect an abnormality at a predetermined time ahead of a plant of interest at an early stage.
石油精製プラントのパラメータの予測方式としては、プラントの物理モデルに基づく方式と、ニューラルネットワークモデルや回帰モデルに代表される数学モデルに基づく方式がある。 There are two methods for predicting parameters of an oil refinery plant: a method based on a physical model of the plant and a method based on a mathematical model represented by a neural network model or a regression model.
物理モデルはプラント内部で起こっている現象を実際にモデルに反映させることができるが、石油精製プラント内部では多数の複雑な現象が起こっており、これを全て物理モデルとして表現することは困難であった。また、計算量が膨大になったり予測精度の点で問題があった。 The physical model can actually reflect the phenomena occurring inside the plant, but many complicated phenomena occur inside the oil refinery plant, and it is difficult to express them all as physical models. It was. In addition, the calculation amount is enormous and there is a problem in terms of prediction accuracy.
これに対して、数学モデルはプラントから収集・使用可能なデータに基づいてモデルを作成するため、物理モデルのようにモデル構築やチューニングが不要であり実用上有効な予測方式といえる。 On the other hand, a mathematical model creates a model based on data that can be collected and used from a plant. Therefore, unlike a physical model, model construction and tuning are unnecessary, and it can be said to be a practically effective prediction method.
特許文献1にはニューラルネットワークを用いたプラントの異常診断装置が記載されている。この方式では、異常診断に用いる推定結果の精度を確保するために、事前に設定した複数のプラントデータについて複数の運転領域からデータを収集してニューラルネットワークで学習する方法が提案されている。
この特許文献1に記載のニューラルネットワークモデルを用いた推定・予測方式では、予測精度の確保および向上を図るため出来るだけ予測対象に関連度の強いプラントデータを用いてモデル化する必要がある。しかしながら、この予測方式ではどの種類のプラントデータをどの範囲で用いるかは任意であり、主に設計者の知識や経験に基づいて設定されていた。このため、選択したプラントデータによっては、ある運転領域のときには予測対象に対して強い関連度を示すが、別の運転領域のときには関連度が弱くなり、予測精度の大幅な低下を引き起こす場合があった。
In the estimation / prediction method using the neural network model described in
また、石油精製プラントでは各パラメータが互いに複雑に相関している。このため、選択するパラメータによっては線形関係が存在し(多重共線性)、回帰モデルを用いると分散が大きな値となり予測精度が大幅に低下する場合があった。 In the oil refinery plant, the parameters are complexly correlated with each other. For this reason, there is a linear relationship depending on the parameter to be selected (multicollinearity), and when the regression model is used, there is a case where the variance becomes a large value and the prediction accuracy is greatly lowered.
そこで、モデル作成にどのパラメータを選択するかに影響されず、パラメータ間に多重共線性が認められる場合にも精度良く推定可能な数学モデルとしてPLS(Partial Least Squares)解析が挙げられる。
PLS解析を行うにはまず、予め予測モデルでの予測計算に用いられる指標(入力データ)と、入力データの測定時から所定時間先の予測される指標(出力データ)を測定する。そして、この入力データと出力データの関係を予測モデルとして作成する。従来のPLS解析では、このモデルを作成する際に予測計算に用いるデータとしてどのデータを用いるかまた、予測されるデータとしてはどの程度先のデータを予測するか(予測時間)を決定しておく必要があった。 In order to perform the PLS analysis, first, an index (input data) used for prediction calculation in the prediction model and an index (output data) predicted for a predetermined time from the time of measurement of the input data are measured. Then, the relationship between the input data and the output data is created as a prediction model. In the conventional PLS analysis, it is determined which data is used as the data used for the prediction calculation when creating this model, and how much ahead data is predicted as the predicted data (prediction time). There was a need.
しかしながら、これらのデータの中には特異的な異常値が含まれる場合があり、このデータを使用してモデル作成を行うと予測精度が大幅に低下する場合があった。 However, there are cases where specific abnormal values are included in these data, and when a model is created using this data, the prediction accuracy may be significantly reduced.
そこで、本発明者等は鋭意検討を行った結果、PLS解析において予測時間及びモデル作成に用いるパラメータの最適化を行うことにより、高精度でパラメータを予測できるに至ったものである。 Therefore, as a result of intensive studies, the present inventors have been able to predict parameters with high accuracy by optimizing parameters used for prediction time and model creation in PLS analysis.
また、予測するデータによっては、PLS解析の結果が外乱や過去の入出力データの時系列履歴の影響を大きく受ける場合があった。そこで、本発明者等は、非線形要素に強く外乱の影響を受けにくい特徴を有し、過去のデータの時系列履歴の影響を効果的に反映できる解析方法としてRNN解析が優れていることを発見した。そこで、このPLS解析とRNN解析を組み合わせて出力データの予測を行うことにより両者の特性を効果的に組み合わせて、更に高精度でパラメータを予測できることを発見した。 In addition, depending on the data to be predicted, the result of the PLS analysis may be greatly affected by disturbances and time series history of past input / output data. Accordingly, the present inventors have found that RNN analysis is excellent as an analysis method that has a characteristic that is strongly influenced by a non-linear element and is not easily affected by disturbance, and that can effectively reflect the influence of time series history of past data. did. Accordingly, it has been discovered that by combining the PLS analysis and the RNN analysis to predict the output data, it is possible to effectively combine the characteristics of both to predict the parameters with higher accuracy.
上記課題を解決するため、本発明の予測装置は以下の構成を有することを特徴とする。すなわち、本発明は、石油精製プラントにおいて測定した第一及び第二パラメータを用いて、第一パラメータの測定時から予測時間分だけ先の第二パラメータを予測する予測モデルを作成し、前記予測モデルを用いて第二パラメータを予測する予測装置であって、
第一及び第二パラメータ測定条件並びにモデル作成条件を入力する入力手段と、
前記第一及び第二パラメータ測定条件に基づいて、石油精製プラントから第一及び第二パラメータを測定する測定手段と、
前記第一及び第二パラメータを記憶するパラメータ記憶手段と、
前記モデル作成条件に基づいて前記第一及び第二パラメータの少なくとも一部にPLS(Partial Least Squares)解析を行い、前記予測時間並びにモデル作成に用いる第一及び第二パラメータに関して最適化された前記予測モデルを作成するモデル作成手段と、
前記最適化された予測モデルを記憶するモデル記憶手段と、
前記最適化された予測モデルにより予測した第二パラメータを出力する出力手段と
を有することを特徴とする予測装置に関する。
In order to solve the above problems, the prediction apparatus of the present invention has the following configuration. That is, the present invention uses the first and second parameters measured in the oil refinery plant to create a prediction model that predicts the second parameter ahead by the prediction time from the time of measurement of the first parameter, and the prediction model A prediction device for predicting the second parameter using
Input means for inputting first and second parameter measurement conditions and model creation conditions;
Measurement means for measuring the first and second parameters from the oil refinery plant based on the first and second parameter measurement conditions;
Parameter storage means for storing the first and second parameters;
Based on the model creation conditions, PLS (Partial Least Squares) analysis is performed on at least a part of the first and second parameters, and the prediction optimized with respect to the prediction time and the first and second parameters used for model creation A model creation means for creating a model;
Model storage means for storing the optimized prediction model;
Output means for outputting a second parameter predicted by the optimized prediction model.
本発明は、石油精製プラントにおいて測定した第一及び第二パラメータを用いて、第一パラメータの測定時から予測時間分だけ先の第二パラメータを予測する予測モデルを作成し、前記予測モデルを用いて第二パラメータを予測する予測装置であって、
第一及び第二パラメータ測定条件、モデル作成条件並びにモデル修正条件を入力する入力手段と、
前記第一及び第二パラメータ測定条件に基づいて、石油精製プラントから第一及び第二パラメータを測定する測定手段と、
前記第一及び第二パラメータを記憶するパラメータ記憶手段と、
前記モデル作成条件に基づいて前記第一及び第二パラメータの少なくとも一部にPLS(Partial Least Squares)解析を行い、前記予測時間並びにモデル作成に用いる第一及び第二パラメータに関して最適化された前記予測モデルを作成するモデル作成手段と、
前記モデル修正条件に基づいて、前記モデル作成手段により作成された予測モデルに更にRNN(Recurrent Neural Network)解析を行い前記予測モデルを修正した修正予測モデルを作成するモデル修正手段と、
前記修正予測モデルを記憶するモデル記憶手段と、
前記修正予測モデルにより予測した第二パラメータを出力する出力手段と
を有することを特徴とする予測装置に関する。
The present invention uses the first and second parameters measured in the oil refinery plant to create a prediction model that predicts the second parameter ahead by the prediction time from the time of measurement of the first parameter, and uses the prediction model A prediction device for predicting the second parameter,
Input means for inputting first and second parameter measurement conditions, model creation conditions and model correction conditions;
Measurement means for measuring the first and second parameters from the oil refinery plant based on the first and second parameter measurement conditions;
Parameter storage means for storing the first and second parameters;
Based on the model creation conditions, PLS (Partial Least Squares) analysis is performed on at least a part of the first and second parameters, and the prediction optimized with respect to the prediction time and the first and second parameters used for model creation A model creation means for creating a model;
Based on the model correction condition, a model correction unit that further performs an RNN (Recurrent Natural Network) analysis on the prediction model created by the model creation unit to create a modified prediction model obtained by correcting the prediction model;
Model storage means for storing the modified prediction model;
And an output unit that outputs a second parameter predicted by the modified prediction model.
本発明は、石油精製プラントにおいて測定した第一及び第二パラメータを用いて、第一パラメータの測定時から予測時間分だけ先の第二パラメータを予測する予測モデルを作成し、前記予測モデルを用いて第二パラメータを予測する方法であって、
入力された第一及び第二パラメータ測定条件に基づいて、石油精製プラントから第一及び第二パラメータを測定するプロセスと、
前記第一及び第二パラメータを記憶するプロセスと、
入力されたモデル作成条件に基づいて前記第一及び第二パラメータの少なくとも一部にPLS(Partial Least Squares)解析を行い、前記予測時間並びにモデル作成に用いる第一及び第二パラメータに関して最適化された前記予測モデルを作成するプロセスと、
前記最適化された予測モデルを記憶するプロセスと、
前記最適化された予測モデルにより予測した第二パラメータを出力するプロセスと
を有することを特徴とする予測方法に関する。
The present invention uses the first and second parameters measured in the oil refinery plant to create a prediction model that predicts the second parameter ahead by the prediction time from the time of measurement of the first parameter, and uses the prediction model Predicting the second parameter,
A process for measuring the first and second parameters from the oil refinery plant based on the input first and second parameter measurement conditions;
A process for storing the first and second parameters;
Based on the input model creation conditions, PLS (Partial Least Squares) analysis is performed on at least a part of the first and second parameters, and the prediction time and the first and second parameters used for model creation are optimized. A process of creating the prediction model;
Storing the optimized prediction model;
And a process of outputting a second parameter predicted by the optimized prediction model.
本発明は、石油精製プラントにおいて測定した第一及び第二パラメータを用いて、第一パラメータの測定時から予測時間分だけ先の第二パラメータを予測する予測モデルを作成し、前記予測モデルを用いて第二パラメータを予測する方法であって、
入力された第一及び第二パラメータ測定条件に基づいて、石油精製プラントから第一及び第二パラメータを測定するプロセスと、
前記第一及び第二パラメータを記憶するプロセスと、
入力されたモデル作成条件に基づいて前記第一及び第二パラメータの少なくとも一部にPLS(Partial Least Squares)解析を行い、前記予測時間並びにモデル作成に用いる第一及び第二パラメータに関して最適化された前記予測モデルを作成するプロセスと、
入力されたモデル修正条件に基づいて、前記予測モデルに更にRNN(Recurrent Neural Network)解析を行い前記予測モデルを修正した修正予測モデルを作成するプロセスと、
前記修正予測モデルを記憶するプロセスと、
前記修正予測モデルにより予測した第二パラメータを出力するプロセスと
を有することを特徴とする予測方法に関する。
The present invention uses the first and second parameters measured in the oil refinery plant to create a prediction model that predicts the second parameter ahead by the prediction time from the time of measurement of the first parameter, and uses the prediction model Predicting the second parameter,
A process for measuring the first and second parameters from the oil refinery plant based on the input first and second parameter measurement conditions;
A process for storing the first and second parameters;
Based on the input model creation conditions, PLS (Partial Least Squares) analysis is performed on at least a part of the first and second parameters, and the prediction time and the first and second parameters used for model creation are optimized. A process of creating the prediction model;
A process of creating a modified prediction model in which the prediction model is further corrected by performing an RNN (Recursive Neural Network) analysis on the prediction model based on the input model modification condition;
Storing the modified prediction model;
And a process of outputting a second parameter predicted by the modified prediction model.
本発明の第一の予測装置は入力手段、測定手段、パラメータ記憶手段、モデル作成手段、モデル記憶手段及び出力手段を有しており、本発明の第二の予測装置はこれらの手段に加えて更にモデル修正手段を有している。 The first prediction apparatus of the present invention has input means, measurement means, parameter storage means, model creation means, model storage means, and output means, and the second prediction apparatus of the present invention is in addition to these means. Furthermore, it has a model correction means.
入力手段にはパラメータ測定条件(第一パラメータ測定条件、第二パラメータ測定条件)、モデル作成条件、及び必要な場合にはモデル修正条件が入力される。 Parameter input conditions (first parameter measurement conditions, second parameter measurement conditions), model creation conditions, and model correction conditions, if necessary, are input to the input means.
ここで、「第一パラメータ測定条件」とは、石油精製プラント中で、第一パラメータの測定に用いる測定手段、測定間隔及び各測定手段の測定点数を指定する条件である。 Here, the “first parameter measurement condition” is a condition for designating the measurement means used for measurement of the first parameter, the measurement interval, and the number of measurement points of each measurement means in the oil refinery plant.
「第二パラメータ測定条件」とは、石油精製プラント中で、第二パラメータの測定に用いる測定手段を指定する条件である。なお、本予測装置では第二パラメータの測定間隔及び各測定手段の測定点数は第一パラメータ測定条件として入力された値と同じになるよう設定されている。また、「第一パラメータ」として測定するパラメータの数は「第二パラメータ」として測定するパラメータの数よりも多くなるよう設定されている。 The “second parameter measurement condition” is a condition for designating a measurement means used for measuring the second parameter in the oil refinery plant. In this prediction apparatus, the measurement interval of the second parameter and the number of measurement points of each measurement means are set to be the same as the value input as the first parameter measurement condition. In addition, the number of parameters measured as “first parameters” is set to be larger than the number of parameters measured as “second parameters”.
「モデル作成条件」とは、測定した第一パラメータと第二パラメータを用いてPLS解析を行い予測モデルを作成する際に、最大で両パラメータの間にどの程度の時間差(最大予測時間)を設けてモデルを作成するか及び、予測モデルを構成するモデル構成変数の数を指定する条件である。 The “model creation condition” is the maximum time difference (maximum prediction time) between the two parameters when PLS analysis is performed using the measured first and second parameters to create a prediction model. The model is created, and the number of model constituent variables constituting the prediction model is specified.
「モデル修正条件」とは、PLS解析により求めた予測モデルを更にRNN解析により修正した修正予測モデルを作成する際の条件を定めたものである。具体的には、RNN解析を行い修正予測モデルを作成する際に、PLS解析により得られたどの残渣を用いるのか、PLS解析に用いた第一パラメータのうちどの第一パラメータをRNN解析に用いるのか及び、最大中間層数を指定する条件である。
なお、これらの条件は、全て入力する必要はなく一部又は全部の条件があらかじめ固定されるように設定されていても良い。
The “model correction condition” defines conditions for creating a corrected prediction model in which the prediction model obtained by PLS analysis is further corrected by RNN analysis. Specifically, when the RNN analysis is performed to create the modified prediction model, which residue obtained by the PLS analysis is used and which first parameter among the first parameters used in the PLS analysis is used for the RNN analysis And a condition for designating the maximum number of intermediate layers.
Note that it is not necessary to input all these conditions, and some or all of the conditions may be set in advance.
測定手段は、第一パラメータを測定可能な第一測定手段及び第二パラメータを測定可能な第二測定手段からなる。第一測定手段は第一パラメータ測定条件として入力された測定間隔・測定点数で石油精製プラントから第一パラメータを測定する。第二測定手段は、第一測定手段と同じ測定間隔・測定点数で、石油精製プラントから第二パラメータを測定する。 The measuring means includes a first measuring means capable of measuring the first parameter and a second measuring means capable of measuring the second parameter. The first measurement means measures the first parameter from the oil refinery plant at the measurement interval and the number of measurement points input as the first parameter measurement condition. The second measurement means measures the second parameter from the oil refinery plant at the same measurement interval and number of measurement points as the first measurement means.
ここで、「第一パラメータ」及び「第二パラメータ」とは、石油精製プラントの特性を表すパラメータであり、プラントの特性を表すものであれば特に限定されない。例えば、プラントの所定位置の圧力、温度、原料・生成物等の流量、製品性状(引火点、初留分、蒸留点)などが挙げられる。 Here, the “first parameter” and the “second parameter” are parameters representing the characteristics of the oil refinery plant, and are not particularly limited as long as they represent the characteristics of the plant. For example, pressure at a predetermined position in the plant, temperature, flow rate of raw materials / products, product properties (flash point, initial fraction, distillation point) and the like can be mentioned.
パラメータ記憶手段は、第一測定手段及び第二測定手段によりそれぞれ測定された第一及び第二パラメータを記憶する。 The parameter storage means stores the first and second parameters measured by the first measurement means and the second measurement means, respectively.
モデル作成手段は、測定された第一パラメータ及び第二パラメータの少なくとも一部にPLS解析を行い、予測時間及びモデル作成に用いる第一及び第二パラメータについて最適化された予測モデルを作成する。 The model creation means performs PLS analysis on at least a part of the measured first parameter and second parameter, and creates a prediction model optimized for the prediction time and the first and second parameters used for model creation.
モデル修正手段は、PLS解析を行った結果に対して更にRNN解析を行うことにより、モデル作成手段によって作成された予測モデルを更に修正した修正予測モデルを作成する。 The model correction means creates a modified prediction model by further modifying the prediction model created by the model creation means by further performing an RNN analysis on the result of the PLS analysis.
モデル記憶手段は、モデル作成手段又はモデル修正手段により作成された予測モデルを記憶する。
出力手段は、最適化された予測モデルを用いて予測時間分だけ先の第二パラメータを出力する。
The model storage means stores the prediction model created by the model creation means or the model correction means.
The output means outputs the second parameter ahead by the prediction time using the optimized prediction model.
なお、本発明では各種手段は、その機能を実現するように形成されていれば良く、例えば、所定の機能を発揮する専用のハードウェア、所定の機能がコンピュータプログラムにより付与された予測装置、コンピュータプログラムにより予測装置に実現された所定の機能及びこれらの組み合わせ等として実現することができる。 In the present invention, various means may be formed so as to realize the function. For example, dedicated hardware that exhibits a predetermined function, a prediction device provided with a predetermined function by a computer program, a computer It can be realized as a predetermined function realized by the prediction device by a program, a combination thereof, or the like.
また、本発明では各種手段は、個々の独立した存在である必要もなく、複数の手段が1個の部材として形成されていること、ある手段が他の手段の一部であること、ある手段の一部と他の手段の一部とが重複していること等も可能である。 Further, in the present invention, the various means do not need to be independent of each other, a plurality of means are formed as one member, a certain means is a part of another means, It is also possible that some of the above and some other means overlap.
また、本発明の記憶手段は、予測装置に各種処理を実行させるためのコンピュータプログラムが事前に格納されたハードウェアであれば良く、例えば、予測装置に固定されているROM(Read Only Memory)やHDD(Hard Disc Drive)、予測装置に交換自在に装着されるCD(Compact Dics)−ROMやFD(Flexible Disc−cartridge)及びこれらの組み合わせ等で実施することが可能である。 The storage means of the present invention may be hardware in which a computer program for causing the prediction device to execute various processes is stored in advance, for example, a ROM (Read Only Memory) fixed to the prediction device, It is possible to implement with HDD (Hard Disc Drive), CD (Compact Discs) -ROM, FD (Flexible Disc-cartridge), a combination thereof, and the like that are exchangeably mounted on the prediction device.
また、本発明の予測装置は、コンピュータプログラムを読み取って対応する処理動作を実行できるハードウェアであれば良く、例えば、CPU(Central Processing Unit)を主体として、これに、ROM、RAM(Random Access Memory)、I/F(Interface)ユニット等の各種デバイスが接続されたハードウェアなどで良い。 The prediction apparatus of the present invention may be hardware that can read a computer program and execute a corresponding processing operation. For example, a CPU (Central Processing Unit) is a main component, and ROM, RAM (Random Access Memory) is included in this. ), Hardware to which various devices such as an I / F (Interface) unit are connected.
なお、本発明でコンピュータプログラムに対応した各種動作を予測装置に実行させることは、各種デバイスを予測装置に動作制御させることなども意味している。例えば、予測装置に各種データを記憶させることは、予測装置に固定されているRAM等の情報記憶媒体にCPUが各種データを格納すること、予測装置に交換自在に装填されているFD等の情報記憶媒体にCPUがFDD(FD Drive)で各種データを格納すること等で良い。 In the present invention, causing the prediction device to execute various operations corresponding to the computer program also means causing the prediction device to control operations of various devices. For example, storing various data in the prediction device means that the CPU stores various data in an information storage medium such as a RAM fixed to the prediction device, and information such as an FD that is exchangeably loaded in the prediction device. The CPU may store various data in the storage medium by FDD (FD Drive).
本発明の第1の予測装置は、PLS解析を用いることにより予測時間及びモデル作成に用いる第一及び第二パラメータについて最適化された予測モデルを構築し、この予測モデルを用いて精度良く石油精製プラント等の特定のパラメータを予測することができる。 The first prediction apparatus of the present invention constructs a prediction model optimized for the prediction time and the first and second parameters used for model creation by using PLS analysis, and uses this prediction model to refine oil with high accuracy. Specific parameters such as the plant can be predicted.
本発明の第2の予測装置は、PLS解析とRNN解析を組み合わせることにより、これら両解析方法の特性を生かして外乱の影響を受けにくく過去の時系列履歴の影響を反映させて、高精度で石油精製プラント等の特定のパラメータを予測することができる。 The second prediction apparatus of the present invention combines the PLS analysis and the RNN analysis to reflect the influence of the past time series history with high accuracy by taking advantage of the characteristics of both analysis methods and being less susceptible to disturbances. Certain parameters, such as an oil refinery plant, can be predicted.
(実施形態1)
本発明の第1の予測装置は、入力手段、測定手段(第一測定手段、第二測定手段)、パラメータ記憶手段、モデル作成手段、モデル記憶手段及び出力手段とを有する。各構成手段間はケーブルで連結されており、データのやり取りを行うことができるようになっている。
(Embodiment 1)
The first prediction apparatus of the present invention includes input means, measurement means (first measurement means, second measurement means), parameter storage means, model creation means, model storage means, and output means. Each constituent means is connected by a cable so that data can be exchanged.
図2に本発明の予測装置でパラメータの予測を行う石油精製プラントの一例として蒸留塔を示す。この蒸留塔14は原油を塔頂ガス及び塔底油以外に、軽質ガソリン、重質ガソリン、灯油、軽油、重質軽油などの留分に分離する装置である。蒸留塔14には、所定位置11〜13から原料がそれぞれ予備蒸留塔15〜17に供給される。予備蒸留塔15〜17は供給された原料と蒸留塔の所定位置20〜22からそれぞれ排出された成分とから塔頂ガス23〜25と塔底油26〜28に分離する。塔頂ガス23〜25は再び蒸留塔14に戻され、塔底油26〜28は製品として取り出される。また、塔底近くの所定位置19からも原料が供給されるようになっている。更に、この蒸留塔14からは塔頂ガス29と塔底油30が取り出される。蒸留塔内の中間原料はコンプレッサーにより31〜33から34〜36の位置まで輸送されるようになっている。
FIG. 2 shows a distillation column as an example of an oil refinery plant that performs parameter prediction using the prediction apparatus of the present invention. The
この蒸留塔14において測定手段は11〜13及び15〜22に配置されておりまた、23〜30の塔頂ガス又は塔底油の特性を測定できるよう配置されている。この測定手段のうち第一パラメータを測定するものが第一測定手段、第二パラメータを測定するものが第二測定手段となる。
In this
なお、パラメータとしては、原料の供給流量、生成物の排出流量、温度、圧力、これらのパラメータを組み合わせて計算されたパラメータ又は、これらのパラメータに特別な演算処理を施したパラメータ等を用いることができる。なお、これらの組み合わせ計算や特別な演算処理は測定手段に内蔵された演算手段により行うことができる。これらのパラメータは任意に第一パラメータ、第二パラメータとして割り当てることができるが、第一パラメータは第二パラメータを予測するために用いられるため、第一パラメータは蒸留塔において第二パラメータよりも先の状態を表すパラメータでなければならない。また、第一パラメータと第二パラメータは重複することはできず、第一パラメータの数は第二パラメータの数よりも多くなければならない。 As parameters, raw material supply flow rate, product discharge flow rate, temperature, pressure, parameters calculated by combining these parameters, or parameters obtained by performing special arithmetic processing on these parameters, etc. may be used. it can. Note that these combination calculations and special calculation processing can be performed by calculation means built in the measurement means. These parameters can be arbitrarily assigned as the first parameter and the second parameter, but since the first parameter is used to predict the second parameter, the first parameter is ahead of the second parameter in the distillation column. It must be a parameter that represents the state. Also, the first parameter and the second parameter cannot overlap, and the number of first parameters must be greater than the number of second parameters.
例えば、図2の蒸留塔では塔底油30、塔頂ガス29の特性を測定して得られたパラメータは蒸留工程で最終的に得られる製品の状態を表すパラメータであるため第二パラメータとしてしか用いることができない。また、所定位置11〜13及び19で測定したパラメータは最初に供給される原料の状態を表すパラメータであるため第一パラメータとしてしか用いることができない。
For example, in the distillation column of FIG. 2, the parameters obtained by measuring the characteristics of the
本発明のPLS解析には、上記パラメータの一部を用いても良いし、全部を用いても良い。また、パラメータは図2に示したものに限られず、蒸留塔の特性を表すものであれば特に限定されない。本発明ではモデル作成にPLS解析を用いるため、モデル作成に使用したパラメータによらずに、高精度で特定のパラメータの所定時間先の値を予測することができる。 In the PLS analysis of the present invention, some or all of the above parameters may be used. The parameters are not limited to those shown in FIG. 2 and are not particularly limited as long as they represent the characteristics of the distillation column. In the present invention, since PLS analysis is used for model creation, it is possible to predict the value of a specific parameter for a predetermined time with high accuracy regardless of the parameters used for model creation.
本発明の予測装置による処理過程の詳細を図1を用いて説明する。まず、入力手段51にパラメータ測定条件(第一パラメータ測定条件、第二パラメータ測定条件)及びモデル作成条件を入力する。第一パラメータ測定条件としては、石油精製プラント中で第一パラメータの測定を行う測定手段、測定間隔、各測定手段で測定を行う測定点数を入力する。第二パラメータ測定条件としては、石油精製プラント中で第二パラメータの測定を行う測定手段を入力する(本実施形態では第二パラメータが1種類の場合を示す)。また、モデル作成条件としては、第一パラメータと第二パラメータの間に最大でどの程度の時間差(最大予測時間)を設けてPLS解析を行うか及び、予測モデルを構成するモデル構成変数の数を入力する。 Details of the processing steps by the prediction apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. First, parameter measurement conditions (first parameter measurement condition, second parameter measurement condition) and model creation conditions are input to the input means 51. As the first parameter measurement conditions, the measurement means for measuring the first parameter in the oil refinery plant, the measurement interval, and the number of measurement points to be measured by each measurement means are input. As the second parameter measurement condition, measurement means for measuring the second parameter in the oil refinery plant is input (in the present embodiment, the case where there is one kind of second parameter) is input. As model creation conditions, the maximum time difference (maximum prediction time) between the first parameter and the second parameter is set for the PLS analysis, and the number of model configuration variables constituting the prediction model is input.
次に、前記入力手段に入力された第一パラメータ測定条件に基づいて、石油精製プラント50に配置された所定の第一測定手段52が所定の測定間隔・測定点数で第一パラメータの測定を行う。また、第二測定手段53は前記入力手段に入力された第二パラメータ測定条件に基づいて、石油精製プラント50に配置された所定の第二測定手段53が、第一測定手段52の測定と同期して第一測定手段と同じ測定間隔・測定点数で第二パラメータを測定する。測定された第一パラメータ及び第二パラメータのデータを図3に概念的に示す(図3は測定点数が36個の場合を示す)。
Next, based on the first parameter measurement conditions input to the input unit, the predetermined
このようにして測定された第一パラメータ及び第二パラメータは必要に応じてパラメータ記憶手段でデータ補正した後、記憶される。第一パラメータxのデータ補正の方法としては(1)式の方法を挙げることができる。 The first parameter and the second parameter measured in this way are stored after being corrected by the parameter storage means as necessary. As a method for correcting the data of the first parameter x, the method of equation (1) can be mentioned.
ここで、xnp *はQ種類のものがそれぞれM点測定されたxのうちp種類目でn番目に測定されたもの、xp 'はM点測定したp種類目のxの平均値、σxpはp種類目のxの標準偏差を表す。 Here, x np * is the n-th measured value of the p-type out of x measured at the M points for each of the Q types, x p ′ is the average value of the p-th type x measured for the M points, σ xp represents the standard deviation of the p-th x.
次に、測定した第一パラメータ及び第二パラメータに対してモデル作成手段によりPLS解析を行い、予測時間及びモデル作成に用いる第一及び第二パラメータに関して最適化された予測モデルを作成する。この予測モデルの作成過程を図7を用いて説明する。 Next, PLS analysis is performed on the measured first parameter and second parameter by the model creation means, and a prediction model optimized with respect to the prediction time and the first and second parameters used for model creation is created. The process of creating this prediction model will be described with reference to FIG.
まず、仮モデル作成手段により複数の仮予測モデルを作成する。この処理過程では最初に、測定された第一パラメータ及び第二パラメータのうちどの部分を予測モデルを作成する際のデータとして使用するか(データ領域)を指定する。 First, a plurality of temporary prediction models are created by temporary model creation means. In this process, first, which part of the measured first parameter and second parameter is to be used as data for creating a prediction model (data region) is designated.
このデータ領域を指定するためには、予測時間を決定する必要があり、まず予め入力されたモデル作成条件で指定された最大予測時間の範囲内で予測時間を段階的に変化させる(S1、S2)。ただし、予測時間はあらかじめ第一パラメータ測定条件として入力された(測定間隔)×{(測定点数)−1}で表される時間以下としなければならない。また、段階的に変化させる割合は少なくとも(測定間隔)の倍数で(測定間隔)×(測定点数)/2以下でなければならない。 In order to specify this data area, it is necessary to determine the prediction time. First, the prediction time is changed stepwise within the range of the maximum prediction time specified by the model creation conditions inputted in advance (S1, S2). ). However, the predicted time must be less than or equal to the time represented by (measurement interval) × {(number of measurement points) −1} input in advance as the first parameter measurement condition. The rate of change in stages must be at least a multiple of (measurement interval) and (measurement interval) × (number of measurement points) / 2 or less.
例えば、測定間隔として1分、測定点数を100とした場合、(測定間隔)×{(測定点数)−1}=1×(100−1)=99分となり、予測時間としては1〜99分まで変化させることができる。例えば、1分(測定間隔)ごとに予測時間を変化させた場合、発生する予測時間は1、2、3、...99分となる。また、2分ごとに予測時間を変化させた場合、1、3、5...99分となる。 For example, when the measurement interval is 1 minute and the number of measurement points is 100, (measurement interval) × {(number of measurement points) −1} = 1 × (100-1) = 99 minutes, and the predicted time is 1 to 99 minutes. Can vary up to. For example, when the prediction time is changed every minute (measurement interval), the generated prediction time is 1, 2, 3,. . . 99 minutes. When the prediction time is changed every 2 minutes, 1, 3, 5. . . 99 minutes.
このように変化させた各予測時間に対して所定の条件に従って第一及び第二パラメータのサンプリングを行う。このためにはまず、サンプリングするためのデータ領域を指定する。指定されたデータ領域の例を図4(a)〜(c)に示す。図4において、データ領域は灰色の領域で表されている。また、図4(a)〜(c)は上記処理過程により異なる予測時間61を発生させた場合のデータ領域を表している。この際、第二パラメータのデータ領域の最後の部分63は測定終了時と一致するように設定され、予めパラメータ測定条件として測定間隔及び測定点数が指定されているため、予測時間61が決定されれば、第一パラメータ及び第二パラメータのデータ領域は自動的に決定される。
Sampling of the first and second parameters is performed according to a predetermined condition for each predicted time thus changed. For this purpose, first, a data area for sampling is designated. Examples of the designated data area are shown in FIGS. In FIG. 4, the data area is represented by a gray area. 4A to 4C show data areas when
この第一パラメータのデータ領域と第二パラメータのデータ領域は図4(a)のように重なっていても、図4(b)のように接していても、図4(c)のように離れていても良い。 The data area of the first parameter and the data area of the second parameter are overlapped as shown in FIG. 4 (a) or are contacted as shown in FIG. 4 (b), but are separated as shown in FIG. 4 (c). May be.
次に、このようにして指定した第一パラメータのデータ領域から所定条件下で予測モデルの作成に用いる第一パラメータをサンプリングする(S3)。サンプリングの条件としては特に限定されないが例えば、所定範囲に入るサンプル数で一回又は複数回、ランダムにサンプリングする方法、所定の測定間隔で順にサンプリングしていく方法、その他所定の法則に従ってサンプリングしていく方法等を挙げることができる。 Next, the first parameter used for creating the prediction model is sampled from the data area of the first parameter specified in this way under a predetermined condition (S3). Sampling conditions are not particularly limited. For example, sampling is performed one or more times at a sample number that falls within a predetermined range, a method of sampling in sequence at a predetermined measurement interval, or other sampling according to a predetermined law. Can be mentioned.
好ましくはランダムにサンプリングするのが良い。ランダムサンプリングでは、所定の法則性に従ってサンプリングを行なわないため異常値を取り込みにくい。また、サンプル数を自由に設定することができる。なお、このサンプリングの条件はモデル作成条件として入力しても、あらかじめ予測装置に所定の条件を設定しておいても良い。図5(a)にランダムにサンプリングしたデータ62を示す。
It is preferable to sample at random. In random sampling, sampling is not performed according to a predetermined law, so that it is difficult to capture abnormal values. In addition, the number of samples can be set freely. The sampling condition may be input as a model creation condition, or a predetermined condition may be set in the prediction device in advance. FIG. 5A shows
次に、このようにしてサンプリングした第一パラメータ62からそれぞれ上記処理過程により決定した予測時間分だけ先の第二パラメータ64をサンプリングする(図5(b):S3)。第二パラメータは第一パラメータから予測時間61だけ先のパラメータが指定されるため、第一パラメータ62が決定されれば、自動的にサンプリングする第二パラメータ64も決定される。
Next, the
次に、このようにしてサンプリングした第一パラメータから第一パラメータ行列X((2)式)、第二パラメータから第二パラメータ行列Y((3)式)を作成する。 Next, a first parameter matrix X (formula (2)) is created from the first parameters sampled in this way, and a second parameter matrix Y (formula (3)) is created from the second parameters.
ここで、Xnpはp種類目でn番目にサンプリングされた第一パラメータ、Ynはn番目にサンプリングされた第二パラメータであることを表す。次に、サンプリングした第一パラメータと同数からなるモデル構成変数行列((4)式)を作成する(S4)。 Here, X np represents the first parameter sampled n-th in the p-th type, and Y n represents the second parameter sampled n-th. Next, a model configuration variable matrix (equation (4)) having the same number as the sampled first parameters is created (S4).
ここで、W1は1番目のモデル構成変数であることを表す。この後、この第一パラメータ行列Xとモデル構成変数行列(4)との積で表される行列tを作成して、第二パラメータ行列Yと上記行列tとの内積φを計算する。 Here, W 1 represents the first model configuration variable. Thereafter, a matrix t represented by the product of the first parameter matrix X and the model constituent variable matrix (4) is created, and the inner product φ of the second parameter matrix Y and the matrix t is calculated.
内積φの値が大きいほどモデル構成変数W1を用いて予測された第二パラメータと、測定された第二パラメータとの誤差が少ないものと評価できる。そこで、φが最大となるモデル構成変数W1を求める。具体的には、モデル構成変数W1をノルム1(W1 2−1=0)の条件下で未定乗数法により求める(S5)。 It can be evaluated that the larger the value of the inner product φ, the smaller the error between the second parameter predicted using the model configuration variable W 1 and the measured second parameter. Therefore, a model configuration variable W 1 that maximizes φ is obtained. Specifically, the model configuration variable W 1 is obtained by the undetermined multiplier method under the condition of norm 1 (W 1 2 −1 = 0) (S5).
次に、第二パラメータ行列Yのうちモデル構成変数W1で表せない部分をY(1)とすると、Y(1)はW1及びその重み係数r1とから表すことができ((10)式)、Y(1)とr1XW1とは直交することから(11)式で表されるr1が決定される。 Next, if the portion of the second parameter matrix Y that cannot be represented by the model configuration variable W 1 is Y (1) , Y (1) can be represented by W 1 and its weight coefficient r 1 ((10) Since ( formula), Y (1) and r 1 XW 1 are orthogonal to each other, r 1 represented by formula (11) is determined.
(11)式で表されるr1を用いると、モデル構成変数W1と第一パラメータXを用いて予測された第二パラメータY(=r1XW1)を表すことができる。 When r 1 represented by the equation (11) is used, the second parameter Y (= r 1 XW 1 ) predicted using the model configuration variable W 1 and the first parameter X can be expressed.
ここで、モデル作成条件として予め入力したモデル構成変数の数が2以上の時には(S6,S7)、次のモデル構成変数W2を求める。以下に、モデル構成変数W2を求める処理過程を示す。まず、サンプリングした第一及び第二パラメータを用いて作成したX、Yのうちモデル構成変数W1で表すことのできない部分をX(1)及びY(1)とすると、X(1)及びY(1)は(12)、(13)式のように表される(S8)。 Here, the number of model configuration variables previously entered as a model creation condition when 2 or more (S6, S7), determining the next model configuration variables W 2. The process for obtaining the model configuration variable W 2 will be described below. First, X created using the first and second parameters by sampling, when the portion which can not be represented in the model configuration variable W 1 of the Y and X (1) and Y (1), X (1 ) and Y (1) is expressed as in equations (12) and (13) (S8).
次に、このY(1)とX(1)をY→Y(1)、X→X(1)として(2)〜(11)式に代入することにより、モデル構成変数W2を求める。モデル作成条件として入力されたモデル構成変数の数が3以上であれば更に同様にして処理過程を行う。そして、モデル作成条件として入力されたモデル構成変数の数に達したときに処理を終了する。 Next, the model configuration variable W 2 is obtained by substituting Y (1) and X (1) into the equations (2) to (11) as Y → Y (1) and X → X (1) . If the number of model configuration variables input as model creation conditions is 3 or more, the process is performed in the same manner. Then, the process ends when the number of model configuration variables input as the model creation condition is reached.
すなわち、モデル作成条件として入力されたモデル構成変数の数がKのとき、下記のように処理を行ってW1からWKに至るまで順次、モデル構成変数を求める。 That is, when the number of model configuration variables input as model creation conditions is K, the following processing is performed to sequentially obtain model configuration variables from W 1 to W K.
なお、下記X(0)、Y(0)は使用するデータの種類に応じて適宜、設定することができる。このようにして求めた各モデル構成変数Wkから各rkXWkを計算し、この各rkXWkを用いて仮予測モデルを作成することができる。以上の過程により仮モデル作成手段により、変化させた各予測時間ごとに所定の条件に従って第一及び第二パラメータをサンプリングした複数の仮予測モデルが作成される。次に、各仮予測モデルについて、該仮予測モデル作成に用いた第一パラメータを入力して予測時間分だけ先の第二パラメータを予測する。そして、作成された仮予測モデルの中から、予測した第二パラメータとサンプリングされた第二パラメータの間の誤差が最も少ない最適モデルを決定する。 The following X (0) and Y (0) can be set as appropriate according to the type of data to be used. Thus to compute each r k XW k from each model configuration variable W k obtained, it is possible to create a temporary predictive model using the respective r k XW k. Through the above process, the provisional model creation means creates a plurality of provisional prediction models in which the first and second parameters are sampled according to a predetermined condition for each changed prediction time. Next, for each temporary prediction model, the first parameter used to create the temporary prediction model is input, and the second parameter ahead by the prediction time is predicted. Then, an optimum model having the smallest error between the predicted second parameter and the sampled second parameter is determined from the created temporary prediction models.
誤差の評価には統計指標を用いることができる。統計指標としては例えば、以下の指標を用いることができる。 A statistical index can be used to evaluate the error. As the statistical index, for example, the following indices can be used.
ここで、eiは(仮予測モデルにより予測した第二パラメータ)−(サンプリングされた第二パラメータ)、e'は{(サンプリングされた第二パラメータ)−(サンプリングされた第二パラメータの平均値)}の平均値、yiはサンプリングされた第二パラメータ、y'はサンプリングされた第二パラメータの平均値である。これらの統計指標は単独で又は組み合わせて誤差の評価を行っても良い。 Here, e i is (second parameter predicted by the provisional prediction model) − (sampled second parameter), and e ′ is {(sampled second parameter) − (average value of sampled second parameter) )}, Y i is the sampled second parameter, and y ′ is the sampled second parameter average. These statistical indicators may be used alone or in combination for error evaluation.
このように統計指標により誤差が最も少ないモデルと評価された仮予測モデルが最適予測モデルとされ、モデル記憶手段に記憶される。また、出力手段は出力命令が入力されたとき、このモデル記憶手段に記憶された最適予測モデルを用いて予測時間分だけ先の特定のパラメータを予測する。 Thus, the temporary prediction model evaluated as the model with the least error by the statistical index is set as the optimum prediction model and stored in the model storage unit. Further, when an output command is input, the output means predicts a specific parameter ahead by the prediction time by using the optimum prediction model stored in the model storage means.
(実施形態2)
本発明の第2の予測装置では更に更新指令手段を備え、予め更新条件入力部に入力されたモデル更新条件を満たしたときには、再度、予測モデルを作成してモデルの更新を行うよう構成されている。このようにモデル更新条件に従って、予測モデルの更新を行うことにより長期間にわたって精度良く第二パラメータを予測することができる。
(Embodiment 2)
The second prediction apparatus of the present invention further includes an update command means, and is configured to generate a prediction model and update the model again when the model update condition previously input to the update condition input unit is satisfied. Yes. Thus, the second parameter can be accurately predicted over a long period of time by updating the prediction model according to the model update condition.
この処理過程を図6を用いて説明する。更新指令手段59はモデル更新条件を入力する更新条件入力部58を有する。そして、モデル更新条件を満たしたときに予測モデルを更新するよう更新指令を出す。この更新指令が出されると自動的に第一測定手段及び第二測定手段はそれぞれ第一パラメータ及び第二パラメータの測定を開始し、上記実施形態1の処理過程により再度、最適化した予測モデルの作成する。 This process will be described with reference to FIG. The update command means 59 has an update condition input unit 58 for inputting model update conditions. Then, an update command is issued to update the prediction model when the model update condition is satisfied. When this update command is issued, the first measurement unit and the second measurement unit automatically start measuring the first parameter and the second parameter, respectively, and the optimized prediction model is again determined by the process of the first embodiment. create.
更新条件としては例えば、所定時間ごとに自動的に予測モデルを更新する場合が挙げられる。この場合、所定時間は予測モデルの作成時から起算することができる。また、定期的に第二パラメータを予測し、この第二パラメータが予測された時間(予測に用いる第一パラメータの測定時から予測時間分だけ先に進んだ時間)に実際に第二パラメータを測定し、(16)〜(18)式のような統計指標により、予測した第二パラメータと測定した第二パラメータの間の誤差を計算して誤差が所定値以上となったときに、異常状態と判断して更新指令を出す場合であっても良い。 An example of the update condition is a case where the prediction model is automatically updated every predetermined time. In this case, the predetermined time can be calculated from when the prediction model is created. In addition, the second parameter is regularly predicted, and the second parameter is actually measured at the time when the second parameter is predicted (the time that is advanced by the predicted time from the measurement of the first parameter used for prediction). When an error between the predicted second parameter and the measured second parameter is calculated by a statistical index such as equations (16) to (18) and the error exceeds a predetermined value, It may be a case where an update command is issued after determination.
(実施形態3)
本発明の第3の予測装置は、第1、2の予測装置に更にモデル修正手段を備えたものである。この予測装置では、PLS解析の結果に対して更にRNN解析を行うものである。RNN解析は、外乱の影響を受けにくい、過去の入出力データの時系列履歴を出力データに効果的に反映させることができるなど、PLS解析とは異なる特性を有する。このため、PLS解析を行った予測モデルに対して更にRNN解析を行うことにより、予測精度が更に向上した予測モデルを構築することができる。
(Embodiment 3)
According to a third prediction apparatus of the present invention, the first and second prediction apparatuses further include model correction means. In this prediction device, an RNN analysis is further performed on the result of the PLS analysis. The RNN analysis has characteristics different from the PLS analysis, such as being less susceptible to disturbances and capable of reflecting the time series history of past input / output data in the output data effectively. For this reason, it is possible to construct a prediction model with further improved prediction accuracy by performing further RNN analysis on the prediction model subjected to PLS analysis.
図8は、第2の予測装置に更にモデル修正手段を加えた予測装置の概略を示したものである。この予測装置は、入力手段、測定手段(第一測定手段、第二測定手段)、パラメータ記憶手段、モデル作成手段、モデル修正手段、モデル記憶手段、出力手段及び更新指令手段を有する。 FIG. 8 shows an outline of a prediction apparatus in which model correction means is further added to the second prediction apparatus. The prediction apparatus includes an input unit, a measurement unit (first measurement unit, second measurement unit), a parameter storage unit, a model creation unit, a model correction unit, a model storage unit, an output unit, and an update command unit.
図8の予測装置では、入力手段51に入力されたモデル修正条件とパラメータ記憶手段に記憶された第一パラメータの測定値とから、モデル作成手段55により作成された予測モデルを更に修正した修正予測モデルが、モデル修正手段71により作成される。この修正予測モデルはモデル記憶手段56により記憶され、必要に応じて出力手段57により出力可能になっている。
このPLS解析とRNN解析を組み合わせた修正予測モデルの作成方法について以下に詳細に説明する。
In the prediction apparatus of FIG. 8, a modified prediction obtained by further modifying the prediction model created by the
A method for creating a modified prediction model that combines the PLS analysis and the RNN analysis will be described in detail below.
図10はRNN解析の過程を表したフローチャートである。まず、上記実施形態1又は2と同様にPLS解析により、サンプリングした第二パラメータのうちモデル構成変数Wkで表すことのできない残渣Y(k)((14)式)を算出する。次に、このようにして得られた複数種の残渣の中からRNN解析による修正予測モデルの作成にどの種類の残渣を用いるかを決定する。この残渣はPLS解析により得られた全ての残渣であっても、一部の残渣であっても良い。一部の残渣を用いる場合には例えば、PLS解析により得られた全ての残渣の中からランダムにサンプリングすることによって決定することができる(S11)。この場合、サンプル数はRNN解析に支障をきたさない範囲で自由に設定することができる。 FIG. 10 is a flowchart showing the process of RNN analysis. First, the residue Y (k) (formula (14)) that cannot be expressed by the model configuration variable W k among the sampled second parameters is calculated by PLS analysis as in the first or second embodiment. Next, it is determined which type of residue to be used for creating a modified prediction model by RNN analysis from among the plurality of types of residues thus obtained. This residue may be all the residues obtained by PLS analysis or a part of the residues. When some residues are used, for example, the determination can be made by sampling at random from all the residues obtained by the PLS analysis (S11). In this case, the number of samples can be freely set within a range that does not interfere with the RNN analysis.
次に、RNN解析による予測モデル作成に用いる第一パラメータを決定する。なお、この第一パラメータはPLS解析によるモデル作成に用いた全ての第一パラメータであっても、一部の第一パラメータであっても良い。一部の第一パラメータを用いる場合、例えば、ランダムにサンプリングすることができる(S11)。この場合、サンプル数はRNN解析に支障をきたさない範囲で自由に設定することができる。 Next, a first parameter used for creating a prediction model by RNN analysis is determined. The first parameters may be all the first parameters used for model creation by the PLS analysis or some of the first parameters. When some first parameters are used, for example, sampling can be performed randomly (S11). In this case, the number of samples can be freely set within a range that does not interfere with the RNN analysis.
次に、上記のようにして決定した残渣Y(k)と第一パラメータXを用いてRNN解析を行う。図9はこのRNN解析の概要を図示したものである。RNN解析では、入力層、中間層、出力層という3つの処理過程(仮想的な領域)からなっており、上記のようにして決定された残渣及び第一パラメータはまず、入力層に入力される。 Next, an RNN analysis is performed using the residue Y (k) determined as described above and the first parameter X. FIG. 9 shows an outline of this RNN analysis. In the RNN analysis, there are three processing steps (virtual regions) of an input layer, an intermediate layer, and an output layer. The residue and the first parameter determined as described above are first input to the input layer. .
入力層中では、残渣Y(k)に忘却率dを乗じたY(k)・dが演算され、このY(k)・dと第一パラメータをシグモイド関数(式A)に入力した計算結果が出力される(式B、C)。ここで、忘却率dは条件に応じて0<d≦1の値に設定される。 In the input layer, Y (k) · d obtained by multiplying the residue Y (k) by the forgetting rate d is calculated, and this Y (k) · d and the first parameter are input to the sigmoid function (Formula A). Is output (formulas B and C). Here, the forgetting rate d is set to a value of 0 <d ≦ 1 depending on conditions.
次に、1からモデル修正条件として予め入力した最大中間層数まで1つずつ順次、中間層の数を変化させる(S12〜S17)。次に、各中間層数に応じた重み関数Wを定義し、荷重和zを出力する。例えば、中間層数が1の場合、図9のように重み関数はWij (1)、その荷重和zj(式D)が出力される。また、中間層数が2の場合、第1及び第2の中間層に対する重み関数がそれぞれWij (1)、Wjk (2)、荷重和がzj、zk、中間層数が3の場合、第1、第2及び第3の中間層に対する重み関数がそれぞれWij (1)、Wjk (2)、Wkl (3)、荷重和がzj、zk、zl...というように各中間層数に応じて中間層の重み関数W及び荷重和zが定義される。 Next, the number of intermediate layers is sequentially changed one by one from 1 to the maximum number of intermediate layers previously input as model correction conditions (S12 to S17). Next, a weight function W corresponding to the number of intermediate layers is defined, and a load sum z is output. For example, when the number of intermediate layers is 1, the weight function is W ij (1) and its load sum z j (formula D) is output as shown in FIG. When the number of intermediate layers is 2, the weight functions for the first and second intermediate layers are W ij (1) and W jk (2) , the load sums are z j and z k , and the number of intermediate layers is 3, respectively. In this case, the weight functions for the first, second, and third intermediate layers are W ij (1) , W jk (2) , W kl (3) , and the load sums are z j , z k , z l . . . Thus, the weight function W and the load sum z of the intermediate layer are defined according to the number of each intermediate layer.
次に、出力層において、中間層から出力された荷重和zと重み関数Wとから荷重和uが出力される。例えば、中間層数が1の場合、図9のように出力層の重み関数はWjk (2)、その荷重和uk(式E)が出力される。また、中間層数が2の場合、出力層の重み関数はWkl (3)、荷重和がul、中間層数が3の場合、出力層の重み関数はWlm (4)、荷重和がum...というように各中間層数に応じて出力層の重み関数W及び荷重和uが定義される。 Next, in the output layer, the load sum u is output from the load sum z and the weight function W output from the intermediate layer. For example, when the number of intermediate layers is 1, as shown in FIG. 9, the output layer weight function is W jk (2) and its load sum u k (formula E) is output. When the number of intermediate layers is 2, the output layer weight function is W kl (3) and the load sum is u l , and when the number of intermediate layers is 3, the output layer weight function is W lm (4) and the load sum. U m . . . Thus, the weight function W and the load sum u of the output layer are defined according to the number of intermediate layers.
ただし、(式B)、(式C)では、それぞれ入力層に(m−1)種の第一パラメータXと(M−m)種類の残渣Y(k)を入力するものとした。また、m、n、Mは自然数とする。 However, in (Formula B) and (Formula C), (m−1) types of first parameters X and (M−m) types of residues Y (k) are input to the input layer, respectively. M, n, and M are natural numbers.
この後、出力層で出力された荷重和uが最小となるように、各中間層数のRNN解析での中間層及び出力層の重み関数Wを決定する。これらの重み関数Wの求め方としては、公知の様々な方法を用いることができるが、例えば、BPTT法、RTRL法等を用いることができる。次に、このようにして求めた重み関数Wにより、各中間層数のRNN解析ごとに仮修正予測モデルを作成する。次に、これら各仮修正予測モデルの誤差を評価する。誤差の評価には例えば、式(16)〜(18)などの統計指標を用いることができる。 Thereafter, the weight function W of the intermediate layer and the output layer in the RNN analysis for each number of intermediate layers is determined so that the load sum u output from the output layer is minimized. As a method for obtaining these weighting functions W, various known methods can be used. For example, a BPTT method, an RTRL method, or the like can be used. Next, a temporary correction prediction model is created for each RNN analysis of each number of intermediate layers using the weight function W thus obtained. Next, the error of each temporary correction prediction model is evaluated. For example, statistical indexes such as equations (16) to (18) can be used for error evaluation.
上記のような統計指標により誤差が最も少ないモデルと評価された仮修正予測モデルが、PLS解析にRNN解析を組み合わせることにより予測モデルを修正した修正予測モデルとして決定され、モデル記憶手段に記憶される。また、出力手段は出力命令が入力されたとき、このモデル記憶手段に記憶された修正予測モデルを用いて予測時間分だけ先の特定のパラメータを予測する。 The temporarily corrected prediction model evaluated as the model with the least error by the statistical index as described above is determined as a corrected prediction model obtained by correcting the prediction model by combining the RLS analysis with the PLS analysis, and is stored in the model storage unit. . Further, when an output command is input, the output means predicts a specific parameter ahead by the prediction time by using the modified prediction model stored in the model storage means.
なお、本予測装置では、更に更新指令手段に接続され、予め更新条件入力部に入力されたモデル更新条件を満たしたときには、再度、モデル作成手段による予測モデルの作成及び、モデル修正手段による修正予測モデルの作成を行うように構成されていても良い。このようにモデル更新条件に従って、予測モデルの更新を行うことにより長期間にわたって精度良く第二パラメータを予測することができるようになる。なお、モデル更新の処理過程は、第2の予測装置と同様の手順、方法によって行うことができる。 In this prediction apparatus, when the model update condition input in advance to the update condition input unit is further connected to the update command unit, the prediction model is again created by the model creation unit and the modified prediction by the model correction unit. It may be configured to create a model. Thus, the second parameter can be accurately predicted over a long period by updating the prediction model in accordance with the model update condition. Note that the model update process can be performed by the same procedure and method as the second prediction apparatus.
(実験方法)
本発明の予測装置により、新日本石油精製株式会社 水島製油所内の蒸留塔のパラメータ(特性)を予測した。まず、蒸留塔の28箇所にセンサーを取り付け、各センサーにより温度、圧力、原料流量等の特性値を測定した。測定したパラメータの種類及び蒸留塔中の位置を図11に示す。また、この測定では、3分ごとに第一パラメータ(X1〜X27)、第二パラメータ(Y1)をそれぞれ1200点、測定した。
(experimental method)
With the prediction device of the present invention, the parameters (characteristics) of the distillation tower in Mizushima Refinery, Nippon Oil Refining Co., Ltd. were predicted. First, sensors were attached to 28 locations of the distillation tower, and characteristic values such as temperature, pressure, and raw material flow rate were measured by each sensor. The types of measured parameters and the positions in the distillation column are shown in FIG. In this measurement, 1200 points of the first parameter (X 1 to X 27 ) and the second parameter (Y 1 ) were measured every 3 minutes.
この1200点、測定した第一パラメータ(X1〜X27)、第二パラメータ(Y1)のサンプルのうち最初の1〜500点の少なくとも一部のデータを使用して解析を行い予測モデルを作成した。次に、この予測モデルを用いて501〜1200点のうち501〜1000点のデータの予測を行った。予測手順を以下に示す。 Analysis is performed using at least a part of the data of the first 1 to 500 points among the 1200 points, the measured first parameter (X 1 to X 27 ), and the second parameter (Y 1 ) sample, and a prediction model is obtained. Created. Next, data of 501 to 1000 points out of 501 to 1200 points was predicted using this prediction model. The prediction procedure is shown below.
500点のデータのうちから200点のデータを抽出し、予測時間を15分(遅れ時間5サンプル測定分)として解析を行った。
実施例1では、潜在変数の数を5としたPLS解析により501〜600点目の第二パラメータを予測した。
実施例2、3では、PLS解析とRNN解析を組み合わせた解析を行った。この際、PLS解析の潜在変数の数は5とし、RNN解析の中間層の数を10とした。また、実施例2では501〜600点目の第二パラメータ、実施例3では601〜1000点目の第二パラメータを予測した。
The data of 200 points was extracted from the data of 500 points, and the analysis was performed with the estimated time being 15 minutes (delay time of 5 samples).
In Example 1, the second parameter of the 501st to 600th points was predicted by PLS analysis in which the number of latent variables was 5.
In Example 2 and 3, the analysis which combined PLS analysis and RNN analysis was performed. At this time, the number of latent variables for PLS analysis was set to 5, and the number of intermediate layers for RNN analysis was set to 10. In Example 2, the second parameter of the 501st to 600th points was predicted, and in Example 3, the second parameter of the 601st to 1000th points was predicted.
上記のようにして予測した第二パラメータの実測値Y1に対する誤差から、各予測モデルの精度を評価した。なお、誤差の評価はRMSE((16)式)、INDEX((18)式)により行った。これらの結果を表1に示す。 The accuracy of each prediction model was evaluated from the error with respect to the actual measurement value Y 1 of the second parameter predicted as described above. The error was evaluated by RMSE (formula (16)) and INDEX (formula (18)). These results are shown in Table 1.
実施例1の結果よりPLS解析により作成した予測モデルにより高精度で第二パラメータの予測ができていることが分かる。また、実施例1と2の結果よりPLS解析単独の場合よりもPLS解析とRNN解析を用いることにより更に予測精度が向上していることが分かる。また、実施例3の結果より、この予測モデルは601〜1000点目と、予測モデル作成後、ある程度の時間が経過した場合でも高い予測精度を維持していることが分かる。 From the result of Example 1, it can be seen that the second parameter can be predicted with high accuracy by the prediction model created by the PLS analysis. Moreover, it can be seen from the results of Examples 1 and 2 that the prediction accuracy is further improved by using the PLS analysis and the RNN analysis as compared with the case of the PLS analysis alone. In addition, the results of Example 3 show that the prediction model maintains the high prediction accuracy even when a certain amount of time has elapsed after the creation of the prediction model, from 601 to 1000 points.
50 石油精製プラント
51 入力手段
52 第一測定手段
53 第二測定手段
54 パラメータ記憶手段
55 モデル作成手段
56 モデル記憶手段
57 出力手段
58 入力部
59 更新指令手段
61 所定時間
62 サンプリングされた第一パラメータ
64 サンプリングされた第二パラメータ
71 モデル修正手段
50
Claims (14)
第一及び第二パラメータ測定条件並びにモデル作成条件を入力する入力手段と、
前記第一及び第二パラメータ測定条件に基づいて、石油精製プラントから第一及び第二パラメータを測定する測定手段と、
前記第一及び第二パラメータを記憶するパラメータ記憶手段と、
前記モデル作成条件に基づいて前記第一及び第二パラメータの少なくとも一部にPLS(Partial Least Squares)解析を行い、前記予測時間並びにモデル作成に用いる第一及び第二パラメータに関して最適化された前記予測モデルを作成するモデル作成手段と、
前記最適化された予測モデルを記憶するモデル記憶手段と、
前記最適化された予測モデルにより予測した第二パラメータを出力する出力手段と
を有することを特徴とする予測装置。 Using the first and second parameters measured in the oil refining plant, a prediction model for predicting the second parameter ahead by the prediction time from the time of measurement of the first parameter is created, and the second parameter is created using the prediction model. A prediction device for predicting
Input means for inputting first and second parameter measurement conditions and model creation conditions;
Measurement means for measuring the first and second parameters from the oil refinery plant based on the first and second parameter measurement conditions;
Parameter storage means for storing the first and second parameters;
Based on the model creation conditions, PLS (Partial Least Squares) analysis is performed on at least a part of the first and second parameters, and the prediction optimized with respect to the prediction time and the first and second parameters used for model creation A model creation means for creating a model;
Model storage means for storing the optimized prediction model;
An output unit configured to output a second parameter predicted by the optimized prediction model.
モデル更新条件を入力する更新条件入力部を有し前記モデル更新条件を満たしたときに前記予測モデルを更新する更新指令を出す更新指令手段を備え、
前記更新指令が出されたときに、前記予測装置は新たに最適化された予測モデルを作成するよう構成されていることを特徴とする請求項1に記載の予測装置。 The prediction device further includes
An update instruction means for issuing an update instruction for updating the prediction model when the model update condition is satisfied, having an update condition input unit for inputting a model update condition,
The prediction apparatus according to claim 1, wherein when the update command is issued, the prediction apparatus is configured to create a newly optimized prediction model.
前記測定手段は前記第二パラメータが予測された時間に第二パラメータを測定し、
前記モデル更新条件は、前記予測された第二パラメータと測定された第二パラメータの誤差が統計指標により異常状態と判断された場合であることを特徴とする請求項2に記載の予測装置。 The output means periodically predicts the second parameter,
The measuring means measures the second parameter at a time when the second parameter is predicted;
The prediction apparatus according to claim 2, wherein the model update condition is a case where an error between the predicted second parameter and the measured second parameter is determined to be an abnormal state by a statistical index.
第一及び第二パラメータ測定条件、モデル作成条件並びにモデル修正条件を入力する入力手段と、
前記第一及び第二パラメータ測定条件に基づいて、石油精製プラントから第一及び第二パラメータを測定する測定手段と、
前記第一及び第二パラメータを記憶するパラメータ記憶手段と、
前記モデル作成条件に基づいて前記第一及び第二パラメータの少なくとも一部にPLS(Partial Least Squares)解析を行い、前記予測時間並びにモデル作成に用いる第一及び第二パラメータに関して最適化された前記予測モデルを作成するモデル作成手段と、
前記モデル修正条件に基づいて、前記モデル作成手段により作成された予測モデルに更にRNN(Recurrent Neural Network)解析を行い前記予測モデルを修正した修正予測モデルを作成するモデル修正手段と、
前記修正予測モデルを記憶するモデル記憶手段と、
前記修正予測モデルにより予測した第二パラメータを出力する出力手段と
を有することを特徴とする予測装置。 Using the first and second parameters measured in the oil refining plant, a prediction model for predicting the second parameter ahead by the prediction time from the time of measurement of the first parameter is created, and the second parameter is created using the prediction model. A prediction device for predicting
Input means for inputting first and second parameter measurement conditions, model creation conditions and model correction conditions;
Measurement means for measuring the first and second parameters from the oil refinery plant based on the first and second parameter measurement conditions;
Parameter storage means for storing the first and second parameters;
Based on the model creation conditions, PLS (Partial Least Squares) analysis is performed on at least a part of the first and second parameters, and the prediction optimized with respect to the prediction time and the first and second parameters used for model creation A model creation means for creating a model;
Based on the model correction condition, a model correction unit that further performs an RNN (Recurrent Natural Network) analysis on the prediction model created by the model creation unit to create a modified prediction model obtained by correcting the prediction model;
Model storage means for storing the modified prediction model;
An output means for outputting a second parameter predicted by the modified prediction model.
前記モデル作成条件により指定された予測時間の範囲内で予測時間を変化させ、前記変化させた予測時間ごとに前記測定した第一及び第二パラメータの中から所定条件に従って第一及び第二パラメータをサンプリングし、前記サンプリングした第一及び第二パラメータにPLS解析を行って複数の仮予測モデルを作成する仮モデル作成手段と、
各仮予測モデルの精度を評価して最適な予測モデルを決定するモデル決定手段と
を有することを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の予測装置。 The model creation means includes
The prediction time is changed within the range of the prediction time specified by the model creation condition, and the first and second parameters are determined according to a predetermined condition from the measured first and second parameters for each changed prediction time. A temporary model creating means for sampling and performing a PLS analysis on the sampled first and second parameters to create a plurality of temporary prediction models;
The prediction apparatus according to claim 1, further comprising: a model determination unit that evaluates accuracy of each temporary prediction model and determines an optimal prediction model.
前記所定条件に従った第二パラメータのサンプリングが、前記サンプリングした第一パラメータに対して前記予測時間分だけ先に測定した第二パラメータのサンプリングであることを特徴とする請求項6に記載の予測装置。 Sampling of the first parameter according to the predetermined condition is a predetermined number of random samplings,
7. The prediction according to claim 6, wherein the sampling of the second parameter according to the predetermined condition is a sampling of the second parameter measured for the prediction time earlier than the sampled first parameter. apparatus.
前記予測モデルを構成するモデル構成変数の数が最適化された予測モデルを作成することを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の予測装置。 The model creation means further includes
The prediction apparatus according to claim 1, wherein a prediction model in which the number of model configuration variables constituting the prediction model is optimized is created.
前記第一及び第二パラメータはそれぞれ独立して、前記蒸留塔の所定領域における圧力、温度、原料の供給流量及び生成物の排出流量からなる群から選択された少なくとも一種のパラメータであることを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載の予測装置。 The oil refinery plant is a distillation column;
The first and second parameters are each independently at least one parameter selected from the group consisting of pressure, temperature, raw material supply flow rate, and product discharge flow rate in a predetermined region of the distillation column. The prediction apparatus according to any one of claims 1 to 9.
入力された第一及び第二パラメータ測定条件に基づいて、石油精製プラントから第一及び第二パラメータを測定するプロセスと、
前記第一及び第二パラメータを記憶するプロセスと、
入力されたモデル作成条件に基づいて前記第一及び第二パラメータの少なくとも一部にPLS(Partial Least Squares)解析を行い、前記予測時間並びにモデル作成に用いる第一及び第二パラメータに関して最適化された前記予測モデルを作成するプロセスと、
前記最適化された予測モデルを記憶するプロセスと、
前記最適化された予測モデルにより予測した第二パラメータを出力するプロセスと
を有することを特徴とする予測方法。 Using the first and second parameters measured in the oil refining plant, a prediction model for predicting the second parameter ahead by the prediction time from the time of measurement of the first parameter is created, and the second parameter is created using the prediction model. Is a method for predicting
A process for measuring the first and second parameters from the oil refinery plant based on the input first and second parameter measurement conditions;
A process for storing the first and second parameters;
PLS (Partial Least Squares) analysis is performed on at least a part of the first and second parameters based on the input model creation conditions, and the prediction time and the first and second parameters used for model creation are optimized. A process of creating the prediction model;
Storing the optimized prediction model;
And a process of outputting a second parameter predicted by the optimized prediction model.
入力された第一及び第二パラメータ測定条件に基づいて、石油精製プラントから第一及び第二パラメータを測定するプロセスと、
前記第一及び第二パラメータを記憶するプロセスと、
入力されたモデル作成条件に基づいて前記第一及び第二パラメータの少なくとも一部にPLS(Partial Least Squares)解析を行い、前記予測時間並びにモデル作成に用いる第一及び第二パラメータに関して最適化された前記予測モデルを作成するプロセスと、
入力されたモデル修正条件に基づいて、前記予測モデルに更にRNN(Recurrent Neural Network)解析を行い前記予測モデルを修正した修正予測モデルを作成するプロセスと、
前記修正予測モデルを記憶するプロセスと、
前記修正予測モデルにより予測した第二パラメータを出力するプロセスと
を有することを特徴とする予測方法。 Using the first and second parameters measured in the oil refining plant, a prediction model for predicting the second parameter ahead by the prediction time from the time of measurement of the first parameter is created, and the second parameter is created using the prediction model. Is a method for predicting
A process for measuring the first and second parameters from the oil refinery plant based on the input first and second parameter measurement conditions;
A process for storing the first and second parameters;
Based on the input model creation conditions, PLS (Partial Least Squares) analysis is performed on at least a part of the first and second parameters, and the prediction time and the first and second parameters used for model creation are optimized. A process of creating the prediction model;
A process of creating a modified prediction model in which the prediction model is further corrected by performing an RNN (Recursive Neural Network) analysis on the prediction model based on the input model modification condition;
Storing the modified prediction model;
And a process of outputting a second parameter predicted by the modified prediction model.
前記モデル作成条件により指定された予測時間の範囲内で予測時間を変化させるプロセスと、
前記変化させた予測時間ごとに前記測定した第一及び第二パラメータの中から所定条件に従って第一及び第二パラメータをサンプリングするプロセスと、
前記サンプリングした第一及び第二パラメータにPLS解析を行って複数の仮予測モデルを作成するプロセスと、
各仮予測モデルの精度を評価して最適な予測モデルを決定するプロセスと
を有することを特徴とする請求項11又は12に記載の予測方法。 The process of creating the prediction model is as follows:
A process of changing the prediction time within the range of the prediction time specified by the model creation condition;
A process of sampling the first and second parameters in accordance with a predetermined condition from the measured first and second parameters at each changed predicted time;
A process of performing a PLS analysis on the sampled first and second parameters to create a plurality of temporary prediction models;
The prediction method according to claim 11, further comprising: a process of evaluating an accuracy of each temporary prediction model and determining an optimal prediction model.
前記所定条件に従った第二パラメータのサンプリングが、前記サンプリングした第一パラメータに対して前記予測時間分だけ先に測定した第二パラメータのサンプリングであることを特徴とする請求項13に記載の予測方法。 Sampling of the first parameter according to the predetermined condition is a predetermined number of random samplings,
14. The prediction according to claim 13, wherein sampling of the second parameter according to the predetermined condition is sampling of the second parameter measured in advance for the prediction time with respect to the sampled first parameter. Method.
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