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1、(10)申请公布号 CN 104133991 A (43)申请公布日 2014.11.05 CN 104133991 A (21)申请号 201410337732.X (22)申请日 2014.07.15 G06F 19/00(2011.01) (71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路 3 号巷 11 号 (72)发明人 张颖伟 孙荣荣 (74)专利代理机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109 代理人 朱光林 (54) 发明名称 基于核偏最小二乘重构的青霉素发酵过程故 障诊断方法 (57) 摘要 本发明提供一种基于核偏最小二乘重构的青 霉素发酵过程故障诊断。
2、方法， 包括 ： 采集青霉素 发酵过程的离线历史正常数据 ； 分别对青霉素发 酵过程操作变量离线历史正常数据集和青霉素发 酵过程状态变量离线历史正常数据集进行规范及 标准化 ； 利用改进的核偏最小二乘方法建立青霉 素发酵过程的故障监测模型 ； 在线监测青霉素发 酵过程的故障 ； 建立基于改进的核偏最小二乘重 构的青霉素发酵过程故障相关方向模型 ； 进行青 霉素发酵过程故障诊断。本发明将输入空间划分 为 ： 与输出直接相关的主元空间， 与输出无关的 主元空间以及与输出无关的残差空间。与传统方 法相比， 既监测到了和输出相关的输入变量， 又精 确的监测到和输入相关的变量。 (51)Int.Cl. 。
3、权利要求书 5 页 说明书 25 页 附图 13 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书5页 说明书25页 附图13页 (10)申请公布号 CN 104133991 A CN 104133991 A 1/5 页 2 1. 基于核偏最小二乘重构的青霉素发酵过程故障诊断方法， 其特征在于 ： 包括以下步 骤 ： 步骤 1 ： 采集青霉素发酵过程的离线历史正常数据， 包括青霉素发酵过程操作变量离 线历史正常数据集和青霉素发酵过程状态变量离线历史正常数据集 ； 青霉素发酵过程操作变量包括通风率、 搅拌器功率、 底物喂料的流速、 底物喂料的温 度、 PH 值及发酵反应。
4、器的温度 ； 青霉素发酵过程状态变量包括青霉素的浓度、 青霉素反应产生的热量、 二氧化碳的浓 度、 培养基的体积和菌体的浓度 ； 步骤 2 ： 分别对青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集和青霉素发酵过程状态 变量离线历史正常数据集进行规范及标准化 ； 步骤 3 ： 利用改进的核偏最小二乘方法建立青霉素发酵过程的故障监测模型， 该模型 的输入为青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集， 该模型的输出为青霉素发酵过程 状态变量离线历史正常数据集 ； 步骤 3.1 ： 数据核映射 ： 将青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集通过核函数 从原始数据空间映射到高维特征空间 ； 步骤 3.2 ： 利。
5、用核偏最小二乘法将青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集和青 霉素发酵过程状态变量离线历史正常数据集分别划分为主元空间和残差空间 ； 步骤 3.3 ： 利用核主元分析法将青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差 空间划分为残差空间的主元空间和残差空间的残差空间， 进而得到青霉素发酵过程的故障 监测模型 ： 将青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集表示为其主元空间的数据集、 残差空 间的主元空间的数据集和残差空间的残差空间的数据集之和， 将青霉素发酵过程状态变量 离线历史正常数据集表示为其主元空间的数据集和残差空间的数据集之和 ； 步骤 4 ： 利用青霉素发酵过程的故障监测模型， 在线。
6、监测青霉素发酵过程的故障 ； 步骤 4.1 ： 在线获取青霉素发酵过程操作变量数据和青霉素发酵过程状态变量数据 ； 步骤 4.2 ： 对在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据和青霉素发酵过程状态变量数 据进行规范及标准化 ； 步骤 4.3 ： 数据核映射 ： 将在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据通过核函数从原 始数据空间映射到高维特征空间 ； 步骤 4.4 ： 计算在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据在青霉素发酵过程操作变量 离线历史正常数据集的主元空间中的霍特林统计量、 在线获取的青霉素发酵过程操作变量 数据在青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间中的霍特林统计量和在 线获取的青。
7、霉素发酵过程操作变量数据在青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集 的残差空间中的 SPE 统计量 ； 步骤 4.5 ： 判断计算得到的在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据在青霉素发酵过 程操作变量离线历史正常数据集的主元空间中的霍特林统计量、 在线获取的青霉素发酵过 程操作变量数据在青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间中的霍特林 统计量和在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据在青霉素发酵过程操作变量离线历史 正常数据集的残差空间中的 SPE 统计量中是否有至少一个统计量高于其相应的置信限 ： 权 利 要 求 书 CN 104133991 A 2 2/5 页 3 是， 则当前青霉素。
8、发酵过程出现故障， 执行步骤 5， 否则返回步骤 4.1 ； 步骤 5 ： 建立基于改进的核偏最小二乘重构的青霉素发酵过程故障相关方向模型 ； 步骤 5.1 ： 采集青霉素发酵过程的离线历史故障数据， 包括青霉素发酵过程操作变量 离线历史故障数据集和青霉素发酵过程状态变量离线历史故障数据集 ； 步骤 5.2 ： 对青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集和青霉素发酵过程状态变 量离线历史故障数据集进行规范及标准化 ； 步骤 5.3 ： 将青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集通过核函数从原始数据空 间映射到高维特征空间 ； 步骤 5.4 ： 根据青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集和青霉。
9、素发酵过程操作 变量离线历史故障数据集， 重构青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的主元空间 的故障相关方向 ； 步骤 5.5 ： 根据青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集和青霉素发酵过程操作 变量离线历史故障数据集重构青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间 的主元空间的故障相关方向 ； 步骤 5.6 ： 根据青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集和青霉素发酵过程操作 变量离线历史故障数据集重构青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间 的残差空间的故障相关方向 ； 步骤 5.7 ： 针对青霉素发酵过程的所有故障， 应用步骤 5.1-5.6 分别重构出青霉素发酵 。
10、过程操作变量离线历史故障数据集的主元空间的故障相关方向、 青霉素发酵过程操作变量 离线历史故障数据集的残差空间的主元空间的故障相关方向、 青霉素发酵过程操作变量离 线历史正常数据集的残差空间的残差空间的故障相关方向构成基于改进的核偏最小二乘 重构的青霉素发酵过程故障相关方向， 从而建立了改进的核偏最小二乘重构的青霉素发酵 过程故障相关方向的模型库 ； 步骤 6 ： 利用青霉素发酵过程故障相关方向模型进行青霉素发酵过程故障诊断 ； 步骤 6.1 ： 根据青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的主元空间的故障相关 方向， 计算在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据的主元空间的得分矩阵及其对应的霍 。
11、特林统计量 ； 步骤 6.2 ： 根据青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的主元空间 的故障相关方向， 计算在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据的残差空间的得分矩阵及 其对应的霍特林统计量 ； 步骤 6.3 ： 根据青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的残差空间 的故障相关方向， 计算在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据的残差空间的 SPE 统计 量 ； 步骤 6.4 ： 判断在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据的主元空间的霍特林统计 量、 在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据的残差空间的霍特林统计量、 在线获取的青 霉素发酵过程操作变量数据的残差空间的 SPE 统。
12、计量是否均低于设定的各自的置信限， 是， 则当前故障即为青霉素发酵过程中真正的故障， 否则当前故障为已有故障的组合或是 新的故障。 2. 根据权利要求 1 所述的基于核偏最小二乘重构的青霉素发酵过程故障诊断方法， 其 权 利 要 求 书 CN 104133991 A 3 3/5 页 4 特征在于 ： 所述步骤 5.4 具体按以下步骤执行 ： 步骤 5.4.1 ： 利用核偏最小二乘方法将青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集 和青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集分别划分主元空间和残差空间， 分别得到 青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的核偏最小二乘模型和青霉素发酵过程操 作变量离线。
13、历史正常数据集的核偏最小二乘模型 ； 步骤 5.4.2 ： 把青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的数据集分 别正交映射到青霉素运行过程操作变量离线历史故障数据集的主元空间的负载矩阵和青 霉素运行过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的负载矩阵， 得到正交映射后的青 霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的主元空间的数据集和正交映射 后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的残差空间的数据集 ； 步骤 5.4.3 ： 利用核主元分析法确定正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史 正常数据集的主元空间的主元空间的数据集的主元和正交映射后的青霉素发酵过程操。
14、作 变量离线历史正常数据集的主元空间的残差空间的数据集的主元 ； 步骤 5.4.4 ： 分别求青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的主元空间的数据 集在正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的主元空间 的负载矩阵方向上的主元和青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的 数据集在正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的残差 空间的负载矩阵方向上的主元， 分别得到青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的 主元空间的故障主元和青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的故障 主元 ； 步骤 5.4.5 ： 计算青霉素发酵过程操作。
15、变量离线历史故障数据集的主元空间的故障主 元在正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的主元空间 的主元中所占比例， 计算青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的故障 主元在正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的残差空 间的主元中所占比例 ； 步骤 5.4.6 ： 两类比例值中大于设定的比例下限的各比例值所对应的青霉素发酵过程 操作变量离线历史故障数据集的主元空间的故障主元和正交映射后的青霉素发酵过程操 作变量离线历史正常数据集的残差空间的故障主元分别组成新的青霉素发酵过程操作变 量离线历史故障数据集的主元空间的主元方向和新的青霉素发。
16、酵过程操作变量离线历史 故障数据集的残差空间的主元方向 ； 步骤 5.4.7 ： 利用新的青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的主元空间的主 元方向对应的负载矩阵和新的青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间 的主元方向对应的负载矩阵， 重构青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空 间的主元空间的负载矩阵和青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的 残差空间的负载矩阵， 即青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的主元空间的故障 相关方向。 3. 根据权利要求 1 所述的基于核偏最小二乘重构的青霉素发酵过程故障诊断方法， 其 特征在于 ： 所述步骤 5.5 具体。
17、按以下步骤执行 ： 步骤 5.5.1 ： 利用核主元分析方法， 分别将青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数 权 利 要 求 书 CN 104133991 A 4 4/5 页 5 据集的残差空间和青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间划分为残差 空间的主元空间和残差空间的残差空间， 分别得到青霉素发酵过程操作变量离线历史故障 数据集的残差空间的核主元模型和青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差 空间的核主元模型 ； 步骤 5.5.2 ： 把青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的主元空间 的数据集分别正交映射到青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的主。
18、 元空间的负载矩阵和青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的残差空 间的负载矩阵， 得到正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空 间的主元空间的数据集和正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的 残差空间的残差空间的数据集 ； 步骤 5.5.3 ： 利用核主元分析法确定正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史 正常数据集的残差空间的主元空间的数据集的主元和正交映射后的青霉素发酵过程操作 变量离线历史故障数据集的残差空间的残差空间的数据集的主元 ； 步骤 5.5.4 ： 求青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的主元空间 的数据集在正交映。
19、射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的主 元空间的负载矩阵方向上的主元， 求青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差 空间的残差空间的数据集在正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集 的残差空间的残差空间的负载矩阵方向上的主元， 即青霉素发酵过程操作变量离线历史正 常数据集的残差空间的主元空间的故障主元和青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数 据集的残差空间的残差空间的故障主元 ； 步骤 5.5.5 ： 计算青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的主元空 间的故障主元在正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间 的主元空间的主。
20、元中所占比例， 计算青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差 空间的残差空间的故障主元在正交映射后青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集 的残差空间的主元空间的主元中所占比例 ； 步骤 5.5.6 ： 两类比例值中大于设定的比例下限的各比例值所对应的青霉素发酵过程 操作变量离线历史故障数据集的残差空间的主元空间的故障主元和青霉素发酵过程操作 变量离线历史正常数据集的残差空间的残差空间的故障主元分别组成新的青霉素发酵过 程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的主元空间的主元方向和新的青霉素发酵过 程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的残差空间的主元方向 ； 步骤 5.5.7 ： 利用新。
21、的青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的主 元空间的主元方向对应的负载矩阵和新的青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集 的残差空间的残差空间的主元方向对应的负载矩阵， 重构青霉素发酵过程操作变量离线历 史故障数据集的残差空间的主元空间的负载矩阵和青霉素发酵过程操作变量离线历史故 障数据集的残差空间的残差空间的负载矩阵， 即青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数 据集的残差空间的主元空间的故障相关方向。 4. 根据权利要求 1 所述的基于核偏最小二乘重构的青霉素发酵过程故障诊断方法， 其 特征在于 ： 所述步骤 5.6 具体按以下步骤执行 ： 步骤 5.6.1 ： 将青霉素发酵过程。
22、操作变量离线历史正常数据集的残差空间的残差空间 权 利 要 求 书 CN 104133991 A 5 5/5 页 6 的数据集分别正交映射到青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的主 元空间的负载矩阵和青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的残差空 间的负载矩阵， 得到正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空 间的残差空间的主元空间和正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集 的残差空间的残差空间的残差空间 ； 步骤 5.6.2 ： 利用核主元分析法确定正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历 史正常数据集的残差空间的残差空间的主元空间的数。
23、据集的主元和正交映射后的青霉素 发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的残差空间的残差空间的数据集的主 元 ； 步骤 5.6.3 ： 把青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的主元空间 的数据集映射到正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间 的残差空间的主元空间的负载矩阵， 把青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残 差空间的残差空间的数据集映射到正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常 数据集的残差空间的残差空间的残差空间的负载矩阵， 得到青霉素发酵过程操作变量离 线历史正常数据集的残差空间的残差空间的主元空间的映射空间的数据集和青霉素发酵 。
24、过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的残差空间的残差空间的映射空间的数据 集 ； 步骤 5.6.4 ： 计算青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的主元空 间的数据集到青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的残差空间的主 元空间的映射空间的数据集的负载矩阵的距离， 计算青霉素发酵过程操作变量离线历史正 常数据集的残差空间的残差空间的数据集到青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据 集的残差空间的残差空间的残差空间的映射空间的数据集的负载矩阵的距离， 并计算两个 距离的比值 ； 步骤 5.6.5 ： 计算青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的残差空 间的数。
25、据集到青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的残差空间的主 元空间的映射空间的数据集的负载矩阵的距离， 计算青霉素发酵过程操作变量离线历史正 常数据集的残差空间的残差空间的数据集到青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据 集的残差空间的残差空间的残差空间的映射空间的数据集的负载矩阵的距离， 并计算两个 距离的比值 ； 步骤 5.6.6 ： 该两类距离的比值大于其设定比值下限的所有距离的比值对应的青霉素 发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的主元空间和青霉素发酵过程操作变 量离线历史故障数据集的残差空间的残差空间分别组成新的青霉素发酵过程操作变量离 线历史故障数据集的残差空间的。
26、残差空间的主元空间的主元方向和新的青霉素发酵过程 操作变量离线历史故障数据集的残差空间的残差空间的残差空间的主元方向 ； 步骤 5.6.7 ： 利用新的青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的残 差空间的主元空间的主元方向和新的青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残 差空间的残差空间的残差空间的主元方向， 重构青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数 据集的残差空间的残差空间的故障相关方向。 权 利 要 求 书 CN 104133991 A 6 1/25 页 7 基于核偏最小二乘重构的青霉素发酵过程故障诊断方法 技术领域 0001 本发明属于故障监测与诊断技术领域， 具体涉及一种。
27、基于核偏最小二乘重构的青 霉素发酵过程故障诊断方法。 背景技术 0002 青霉素属于抗生素的一种， 是一种二次代谢产物， 其发酵流程示意图如图 1 所示， 整个生产周期包含 4 个生理期 ： 反应滞后期、 菌体迅速生长期、 青霉素合成期和菌体死亡 ( 自溶 ) 期 ； 2 个物理子时段 ： 细胞培养阶段 ( 又称为批量操作阶段， 对应前两个生理期， 大 约持续 45h) 与青霉素补料发酵阶段 ( 又称为间歇补料操作阶段， 对应后两个生理期， 大约 持续 355h)。青霉素的发酵过程中， pH 值和温度采用闭环控制， 而补料采用开环定值控制， 通过控制反应过程中的 pH 值和发酵反应器内的温度，。
28、 可以使反应在最佳条件下进行。作为 二次微生物代谢过程， 该发酵过程通常的做法是 ： 首先在一定的条件下进行微生物的培养， 此为初始培养阶段 ； 然后通过不断地补充葡萄糖， 促进青霉素的合成， 此为青霉素发酵阶 段， 此阶段所需的细胞都是在初始培养阶段产生的。 在发酵阶段， 青霉素作为代谢产物开始 生成， 经过指数生长期， 一直持续到静止期。 0003 由于目前我国多数青霉素发酵过程自动化程度还比较低， 往往在生产过程中会出 现故障和异常情况频繁发生的情况。 其中， 在控制泡沫时， 若天然油脂使用过多则会影响菌 体的呼吸代谢， 若天然油脂的量过少则影响发酵的速度。在控制泡沫的时候， 还需要加入。
29、 酸、 碱以调节发酵的pH值， 过多或过少的酸、 碱都会影响发酵的pH值， 从而造成青霉素发酵 失败。另外， 在细胞培养阶段， 菌体的浓度低， 培养基营养丰富， 容易形成染菌。青霉素发酵 前期， 染菌后杂菌容易繁殖， 与生产菌争夺营养成分和氧分， 严重干扰生产菌的生长繁殖和 产物的生成， 干扰生产秩序， 破坏生产计划 ； 发酵中期染菌会严重干扰生产菌的代谢， 影响 产物的生成， 此时， 一般会采用 “倒灌” 的做法， 这样会造成大量原材料的浪费和操作费用的 增加。因此需要及时地诊断青霉素发酵过程中出现的异常和故障。 发明内容 0004 针对现有技术存在的问题， 本发明提供一种基于核偏最小二乘重。
30、构的青霉素发酵 过程故障诊断方法。 0005 本发明的技术方案是这样实现的 ： 0006 基于核偏最小二乘重构的青霉素发酵过程故障诊断方法， 包括以下步骤 ： 0007 步骤 1 ： 采集青霉素发酵过程的离线历史正常数据， 包括青霉素发酵过程操作变 量离线历史正常数据集和青霉素发酵过程状态变量离线历史正常数据集 ； 0008 青霉素发酵过程操作变量包括通风率、 搅拌器功率、 底物喂料的流速、 底物喂料的 温度、 PH 值及发酵反应器的温度 ； 0009 青霉素发酵过程状态变量包括青霉素的浓度、 青霉素反应产生的热量、 二氧化碳 的浓度、 培养基的体积和菌体的浓度 ； 说 明 书 CN 1041。
31、33991 A 7 2/25 页 8 0010 步骤 2 ： 分别对青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集和青霉素发酵过程 状态变量离线历史正常数据集进行规范及标准化 ； 0011 步骤 3 ： 利用改进的核偏最小二乘方法建立青霉素发酵过程的故障监测模型， 该 模型的输入为青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集， 该模型的输出为青霉素发酵 过程状态变量离线历史正常数据集 ； 0012 步骤 3.1 ： 数据核映射 ： 将青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集通过核 函数从原始数据空间映射到高维特征空间 ； 0013 步骤 3.2 ： 利用核偏最小二乘法将青霉素发酵过程操作变量离线历史正常。
32、数据集 和青霉素发酵过程状态变量离线历史正常数据集分别划分为主元空间和残差空间 ； 0014 步骤 3.3 ： 利用核主元分析法将青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的 残差空间划分为残差空间的主元空间和残差空间的残差空间， 进而得到青霉素发酵过程的 故障监测模型 ： 0015 将青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集表示为其主元空间的数据集、 残 差空间的主元空间的数据集和残差空间的残差空间的数据集之和， 将青霉素发酵过程状态 变量离线历史正常数据集表示为其主元空间的数据集和残差空间的数据集之和 ； 0016 步骤 4 ： 利用青霉素发酵过程的故障监测模型， 在线监测青霉素发酵过程的故。
33、障 ； 0017 步骤 4.1 ： 在线获取青霉素发酵过程操作变量数据和青霉素发酵过程状态变量数 据 ； 0018 步骤 4.2 ： 对在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据和青霉素发酵过程状态变 量数据进行规范及标准化 ； 0019 步骤 4.3 ： 数据核映射 ： 将在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据通过核函数 从原始数据空间映射到高维特征空间 ； 0020 步骤 4.4 ： 计算在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据在青霉素发酵过程操作 变量离线历史正常数据集的主元空间中的霍特林统计量、 在线获取的青霉素发酵过程操作 变量数据在青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间中的霍特林统。
34、计量 和在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据在青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数 据集的残差空间中的 SPE 统计量 ； 0021 步骤 4.5 ： 判断计算得到的在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据在青霉素发 酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间中的霍特林统计量、 在线获取的青霉素发 酵过程操作变量数据在青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间中的霍 特林统计量和在线获取的青霉素发酵过程操作变量数据在青霉素发酵过程操作变量离线 历史正常数据集的残差空间中的 SPE 统计量中是否有至少一个统计量高于其相应的置信 限 ： 是， 则当前青霉素发酵过程出现故障， 执行步骤 5， 否。
35、则返回步骤 4.1 ； 0022 步骤 5 ： 建立基于改进的核偏最小二乘重构的青霉素发酵过程故障相关方向模 型 ； 0023 步骤 5.1 ： 采集青霉素发酵过程的离线历史故障数据， 包括青霉素发酵过程操作 变量离线历史故障数据集和青霉素发酵过程状态变量离线历史故障数据集 ； 0024 步骤 5.2 ： 对青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集和青霉素发酵过程状 态变量离线历史故障数据集进行规范及标准化 ； 说 明 书 CN 104133991 A 8 3/25 页 9 0025 步骤 5.3 ： 将青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集通过核函数从原始数 据空间映射到高维特征空间 ； 。
36、0026 步骤 5.4 ： 根据青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集和青霉素发酵过程 操作变量离线历史故障数据集， 重构青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的主元 空间的故障相关方向 ； 0027 步骤 5.4.1 ： 利用核偏最小二乘方法将青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数 据集和青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集分别划分主元空间和残差空间， 分别 得到青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的核偏最小二乘模型和青霉素发酵过 程操作变量离线历史正常数据集的核偏最小二乘模型 ； 0028 步骤 5.4.2 ： 把青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的数据 集分别正。
37、交映射到青霉素运行过程操作变量离线历史故障数据集的主元空间的负载矩阵 和青霉素运行过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的负载矩阵， 得到正交映射 后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的主元空间的数据集和正 交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的残差空间的数据 集 ； 0029 步骤 5.4.3 ： 利用核主元分析法确定正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线 历史正常数据集的主元空间的主元空间的数据集的主元和正交映射后的青霉素发酵过程 操作变量离线历史正常数据集的主元空间的残差空间的数据集的主元 ； 0030 步骤 5.4.4 ： 分别求青霉素发酵过。
38、程操作变量离线历史故障数据集的主元空间的 数据集在正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的主元 空间的负载矩阵方向上的主元和青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空 间的数据集在正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的 残差空间的负载矩阵方向上的主元， 分别得到青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据 集的主元空间的故障主元和青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的 故障主元 ； 0031 步骤 5.4.5 ： 计算青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的主元空间的故 障主元在正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据。
39、集的主元空间的主元 空间的主元中所占比例， 计算青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的 故障主元在正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空间的残 差空间的主元中所占比例 ； 0032 步骤 5.4.6 ： 两类比例值中大于设定的比例下限的各比例值所对应的青霉素发酵 过程操作变量离线历史故障数据集的主元空间的故障主元和正交映射后的青霉素发酵过 程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的故障主元分别组成新的青霉素发酵过程操 作变量离线历史故障数据集的主元空间的主元方向和新的青霉素发酵过程操作变量离线 历史故障数据集的残差空间的主元方向 ； 0033 步骤 5.4.7。
40、 ： 利用新的青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的主元空间 的主元方向对应的负载矩阵和新的青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差 空间的主元方向对应的负载矩阵， 重构青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主 元空间的主元空间的负载矩阵和青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的主元空 说 明 书 CN 104133991 A 9 4/25 页 10 间的残差空间的负载矩阵， 即青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的主元空间的 故障相关方向 ； 0034 步骤 5.5 ： 根据青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集和青霉素发酵过程 操作变量离线历史故障数据集重构青霉素发酵。
41、过程操作变量离线历史故障数据集的残差 空间的主元空间的故障相关方向 ； 0035 步骤 5.5.1 ： 利用核主元分析方法， 分别将青霉素发酵过程操作变量离线历史故 障数据集的残差空间和青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间划分为 残差空间的主元空间和残差空间的残差空间， 分别得到青霉素发酵过程操作变量离线历史 故障数据集的残差空间的核主元模型和青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的 残差空间的核主元模型 ； 0036 步骤 5.5.2 ： 把青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的主元 空间的数据集分别正交映射到青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间 。
42、的主元空间的负载矩阵和青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的残 差空间的负载矩阵， 得到正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残 差空间的主元空间的数据集和正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据 集的残差空间的残差空间的数据集 ； 0037 步骤 5.5.3 ： 利用核主元分析法确定正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线 历史正常数据集的残差空间的主元空间的数据集的主元和正交映射后的青霉素发酵过程 操作变量离线历史故障数据集的残差空间的残差空间的数据集的主元 ； 0038 步骤 5.5.4 ： 求青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的主元。
43、 空间的数据集在正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间 的主元空间的负载矩阵方向上的主元， 求青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的 残差空间的残差空间的数据集在正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数 据集的残差空间的残差空间的负载矩阵方向上的主元， 即青霉素发酵过程操作变量离线历 史正常数据集的残差空间的主元空间的故障主元和青霉素发酵过程操作变量离线历史正 常数据集的残差空间的残差空间的故障主元 ； 0039 步骤 5.5.5 ： 计算青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的主 元空间的故障主元在正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常。
44、数据集的残差 空间的主元空间的主元中所占比例， 计算青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的 残差空间的残差空间的故障主元在正交映射后青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数 据集的残差空间的主元空间的主元中所占比例 ； 0040 步骤 5.5.6 ： 两类比例值中大于设定的比例下限的各比例值所对应的青霉素发酵 过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的主元空间的故障主元和青霉素发酵过程 操作变量离线历史正常数据集的残差空间的残差空间的故障主元分别组成新的青霉素发 酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的主元空间的主元方向和新的青霉素发 酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的残差空间的。
45、主元方向 ； 0041 步骤 5.5.7 ： 利用新的青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间 的主元空间的主元方向对应的负载矩阵和新的青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数 据集的残差空间的残差空间的主元方向对应的负载矩阵， 重构青霉素发酵过程操作变量离 说 明 书 CN 104133991 A 10 5/25 页 11 线历史故障数据集的残差空间的主元空间的负载矩阵和青霉素发酵过程操作变量离线历 史故障数据集的残差空间的残差空间的负载矩阵， 即青霉素发酵过程操作变量离线历史故 障数据集的残差空间的主元空间的故障相关方向 ； 0042 步骤 5.6 ： 根据青霉素发酵过程操作变量离线。
46、历史正常数据集和青霉素发酵过程 操作变量离线历史故障数据集重构青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差 空间的残差空间的故障相关方向 ； 0043 步骤 5.6.1 ： 将青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的残差 空间的数据集分别正交映射到青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间 的主元空间的负载矩阵和青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的残 差空间的负载矩阵， 得到正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残 差空间的残差空间的主元空间和正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数 据集的残差空间的残差空间的残差空间 ； 0044。
47、 步骤 5.6.2 ： 利用核主元分析法确定正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线 历史正常数据集的残差空间的残差空间的主元空间的数据集的主元和正交映射后的青霉 素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的残差空间的残差空间的数据集的 主元 ； 0045 步骤 5.6.3 ： 把青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的主元 空间的数据集映射到正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差 空间的残差空间的主元空间的负载矩阵， 把青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集 的残差空间的残差空间的数据集映射到正交映射后的青霉素发酵过程操作变量离线历史 正常数据集的残差空间。
48、的残差空间的残差空间的负载矩阵， 得到青霉素发酵过程操作变量 离线历史正常数据集的残差空间的残差空间的主元空间的映射空间的数据集和青霉素发 酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的残差空间的残差空间的映射空间的数 据集 ； 0046 步骤 5.6.4 ： 计算青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的主 元空间的数据集到青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的残差空间 的主元空间的映射空间的数据集的负载矩阵的距离， 计算青霉素发酵过程操作变量离线历 史正常数据集的残差空间的残差空间的数据集到青霉素发酵过程操作变量离线历史正常 数据集的残差空间的残差空间的残差空间的映射。
49、空间的数据集的负载矩阵的距离， 并计算 两个距离的比值 ； 0047 步骤 5.6.5 ： 计算青霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的残 差空间的数据集到青霉素发酵过程操作变量离线历史正常数据集的残差空间的残差空间 的主元空间的映射空间的数据集的负载矩阵的距离， 计算青霉素发酵过程操作变量离线历 史正常数据集的残差空间的残差空间的数据集到青霉素发酵过程操作变量离线历史正常 数据集的残差空间的残差空间的残差空间的映射空间的数据集的负载矩阵的距离， 并计算 两个距离的比值 ； 0048 步骤 5.6.6 ： 该两类距离的比值大于其设定比值下限的所有距离的比值对应的青 霉素发酵过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的主元空间和青霉素发酵过程操 作变量离线历史故障数据集的残差空间的残差空间分别组成新的青霉素发酵过程操作变 说 明 书 CN 104133991 A 11 6/25 页 12 量离线历史故障数据集的残差空间的残差空间的主元空间的主元方向和新的青霉素发酵 过程操作变量离线历史故障数据集的残差空间的残差空间的残差空间的主元方向 ； 0049 步骤 5.6.7 ： 利用新的青。