一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的報(bào)警系統(tǒng)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及報(bào)警系統(tǒng)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的報(bào)警系統(tǒng)優(yōu)化 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在早期的工業(yè)企業(yè)中，控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，各個(gè)報(bào)警信號(hào)都是通過(guò)硬線直接連接 到中控室，但此方法成本較高，維護(hù)復(fù)雜，無(wú)法達(dá)到良好的使用效果。在現(xiàn)代過(guò)程工業(yè)中，單 閉環(huán)控制、串級(jí)控制等控制方法已經(jīng)被成熟運(yùn)用，生產(chǎn)規(guī)模日益復(fù)雜化、大型化，可編程邏 輯控制器（PLC)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS)和集散控制系統(tǒng)（DCS)獲得廣泛使用，使得報(bào)警 的生成和采集非常容易，系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大以及報(bào)警信號(hào)設(shè)定的簡(jiǎn)易性，不可避免的產(chǎn)生了 大量的虛假或冗余的報(bào)警信息。特別是當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，由于系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用關(guān)系以及 報(bào)警設(shè)置的不合理，使得報(bào)警信息大量出現(xiàn)，在某些情況下，大量報(bào)警的報(bào)警系統(tǒng)不僅起不 到應(yīng)有的預(yù)警作用，反而會(huì)干擾操作人員的正常判斷和合理處置，使得操作人員無(wú)法判斷 真實(shí)的故障源頭（Root Cause)，這種情況被稱作報(bào)警泛洪（Alarm Flooding)。
[0003] 目前，報(bào)警泛洪是報(bào)警系統(tǒng)中存在的最普遍最難解決的問(wèn)題。報(bào)警泛洪的來(lái)源有 很多，如滋擾報(bào)警（包括：關(guān)聯(lián)報(bào)警、冗余報(bào)警、非必要報(bào)警、間接報(bào)警、連續(xù)報(bào)警、過(guò)時(shí)報(bào) 警、抖振報(bào)警等）和因果報(bào)警等。因此，系統(tǒng)、科學(xué)、有效地報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)及管理對(duì)提高生產(chǎn) 過(guò)程安全、質(zhì)量和可操作性能至關(guān)重要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明提供一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的報(bào)警系統(tǒng)優(yōu)化方法，采用基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的報(bào) 警系統(tǒng)管理方法，從大量報(bào)警數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)監(jiān)控變量間的定性定量相關(guān)關(guān)系，并以此為基礎(chǔ) 對(duì)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的報(bào)警系統(tǒng)優(yōu)化方法，包括 以下步驟：
[0006] 步驟1 :采集報(bào)警數(shù)據(jù)，所述報(bào)警數(shù)據(jù)包括報(bào)警變量及報(bào)警的種類；
[0007] 步驟2 :預(yù)處理所述報(bào)警數(shù)據(jù)，根據(jù)所有報(bào)警變量的狀態(tài)生成用于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué) 習(xí)的數(shù)據(jù)集；
[0008] 步驟3 :從所述報(bào)警數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)監(jiān)控各報(bào)警變量之間的相關(guān)關(guān)系，并用貝葉斯網(wǎng)絡(luò) 定性定量表征這些相關(guān)關(guān)系，具體為：
[0009] 步驟3. 1 :學(xué)習(xí)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立包含各報(bào)警變量之間定性的相關(guān)關(guān)系的有 向無(wú)環(huán)圖；
[0010] 步驟3. 2:學(xué)習(xí)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，得到主要報(bào)警變量的狀態(tài)分布以及相關(guān)報(bào)警變 量間的條件概率表，得到不同報(bào)警變量間定量的條件依賴關(guān)系；
[0011] 步驟3. 3 :計(jì)算相關(guān)報(bào)警變量間的連接強(qiáng)度，分析各相關(guān)報(bào)警變量間相關(guān)性的強(qiáng) 弱；
[0012] 步驟4:使用獲得的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)調(diào)整報(bào)警網(wǎng)絡(luò)，快速定位引起報(bào)警的根本原因，減 少報(bào)警泛洪。
[0013] 進(jìn)一步地，所述貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由有向無(wú)環(huán)圖表示，G = (V，E)，其中V表示 有向無(wú)環(huán)圖中所有的節(jié)點(diǎn)，E表示有向無(wú)環(huán)圖中所有的邊，對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)V1 e V對(duì)應(yīng)Xv 的變量1,. i = 1，···，!!，每條邊用來(lái)表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)關(guān)系；聯(lián)合概率分布分解為如下形 式：
[0014]
[0015] 其中(n)是節(jié)點(diǎn)變量&的父節(jié)點(diǎn)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合概率由鏈?zhǔn)椒▌t求得，貝 葉斯網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)是被監(jiān)控的報(bào)警變量，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的邊是這些變量間的相關(guān)關(guān)系。
[0016] 進(jìn)一步地，在學(xué)習(xí)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)評(píng)分函數(shù)和GTT算法尋找最優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò) Ji-dzi ^ZFR ^iSE*(r-ftn TC .
[0017]
[0018] 進(jìn)一步地，采用最大似然算法估計(jì)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)Θ，所采用的公式如下：
[0019]
[0020]
[0021] 其中，S為所獲得的最佳的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，D為給定報(bào)警數(shù)據(jù)集，d為數(shù)據(jù)集D中 的記錄，#為對(duì)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Θ的最大似然估計(jì)參數(shù)。
[0022] 進(jìn)一步地，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)變量X，Y的連接強(qiáng)度定義為給定Y父節(jié)點(diǎn)集合 Z的條件下的互信息，計(jì)算公式如下：
[0023]
[0024] 進(jìn)一步地，使用獲得的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)調(diào)整報(bào)警網(wǎng)絡(luò)，快速定位引起報(bào)警的根本原因， 減少報(bào)警泛洪包括：
[0025] 對(duì)于單個(gè)報(bào)警變量報(bào)警，根據(jù)所建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)報(bào)警限進(jìn)行調(diào)整；
[0026] 對(duì)于多個(gè)報(bào)警變量報(bào)警，根據(jù)所建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型明確各報(bào)警變量之間的依 賴關(guān)系及其強(qiáng)弱，進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化控制策略、工藝流程提高貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中作為根節(jié)點(diǎn)的 報(bào)警變量的穩(wěn)定性，降低報(bào)警數(shù)量；和/或，依據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型所確定的根節(jié)點(diǎn)和枝節(jié) 點(diǎn)，確定主要報(bào)警和次要報(bào)警，去除部分次要報(bào)警，達(dá)到減少報(bào)警點(diǎn)設(shè)置的目的。
[0027] 本發(fā)明的目的是采用基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的報(bào)警系統(tǒng)管理方法來(lái)優(yōu)化報(bào)警網(wǎng)絡(luò)性能， 盡可能減少報(bào)警泛洪，從而幫助人們快速定位引起報(bào)警的根本原因并采取措施。
[0028] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，采用基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的報(bào)警系統(tǒng)優(yōu)化方法，從大量DCS報(bào) 警數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)監(jiān)控變量間的定性定量相關(guān)關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)對(duì)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整， 獲取更好的性能，例如，快速定位引起報(bào)警的根本原因 （Root Cause Analysis)，減少報(bào)警 泛洪（Alarm Flooding)等。不斷采集報(bào)警數(shù)據(jù)，重復(fù)這一過(guò)程，不斷改進(jìn)報(bào)警系統(tǒng)的性能， 直到滿足要求為止。
[0029] 與傳統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：
[0030] (1)系統(tǒng)提示報(bào)警信息時(shí)，不再以傳統(tǒng)的一條條報(bào)警文本記錄形式體現(xiàn)，而是以變 量的狀態(tài)及其相互關(guān)系表示，使報(bào)警信息更加清晰直觀，有利于工作人員定位報(bào)警源頭。
[0031] (2)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法獲得，相比于傳統(tǒng)的專家知識(shí)系統(tǒng)有以下優(yōu)勢(shì)：
[0032] 1)可以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)規(guī)模越大，越具有代表性；
[0033] 2)能夠體現(xiàn)變量相互關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)模型可以快速形成；
[0034] 3)為諸多有關(guān)報(bào)警管理方面的理論研究提供理論基礎(chǔ)。
[0035] (3)具有廣闊的應(yīng)用前景：
[0036] 利用本發(fā)明提供的方法，人們可以根據(jù)已有數(shù)據(jù)建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，并在如下 領(lǐng)域有重要應(yīng)用：控制策略、工藝流程和報(bào)警點(diǎn)的優(yōu)化，報(bào)警系統(tǒng)性能評(píng)定機(jī)制的建立，報(bào) 警根本原因的確定，控制系統(tǒng)的在線控制等。
[0037] 例如，對(duì)于單個(gè)報(bào)警，可以依據(jù)所建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)報(bào)警限進(jìn)行調(diào)整。對(duì) 于多個(gè)變量報(bào)警，可根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型明確變量之間的依賴關(guān)系及其強(qiáng)弱，進(jìn)而通過(guò)優(yōu) 化控制策略、工藝流程來(lái)提高根節(jié)點(diǎn)變量的穩(wěn)定性，從而降低報(bào)警數(shù)量；同時(shí)，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)模 型所確定的根節(jié)點(diǎn)和枝節(jié)點(diǎn)，確定主要報(bào)警和次要報(bào)警，去除部分次要報(bào)警，達(dá)到減少報(bào)警 點(diǎn)設(shè)置的目的。綜上所述，通過(guò)利用貝葉斯方法建立的報(bào)警點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型，可以明確各個(gè)變量 之間的相關(guān)關(guān)系和連接強(qiáng)度，為報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)，可以減少或避免報(bào)警泛 洪，提高報(bào)警的簡(jiǎn)潔性和實(shí)用型。
【附圖說(shuō)明】
[0038] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0039] 圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的報(bào)警系統(tǒng)優(yōu)化方法流程圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的水箱報(bào)警系統(tǒng)示意圖；
[0041] 圖3為初始化的有向無(wú)環(huán)圖；
[0042] 圖4為添加有向邊Inlet - Outlet的有向無(wú)環(huán)圖；
[0043] 圖5為添加有向邊Inlet - Level的有向無(wú)環(huán)圖；
[0044] 圖6為添加有向邊Outlet - Inlet的有向無(wú)環(huán)圖；
[0045] 圖7為添加有向邊Outlet - Level的有向無(wú)環(huán)圖；
[0046] 圖8為添加有向邊Level - Inlet的有向無(wú)環(huán)圖；
[0047] 圖9為添加有向邊Level - Outlet的有向無(wú)環(huán)圖；
[0048] 圖10為第二步中初始化的有向無(wú)環(huán)圖；
[0049] 圖11為向圖10中添加有向邊Inlet - Outlet的