基于AI+機(jī)理模型的質(zhì)量預(yù)測(cè)-大幅提升 SGPE 和 STPP 裝置產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性

聚烯烴產(chǎn)品質(zhì)量直接影響到下游產(chǎn)品的性能和應(yīng)用效果，高質(zhì)量的聚烯烴能夠確保制品的強(qiáng)度、耐久性和加工性，滿足不同行業(yè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，穩(wěn)定且優(yōu)良的產(chǎn)品質(zhì)量有助于提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，增強(qiáng)客戶信任，促進(jìn)市場(chǎng)的拓展和品牌的建立。中韓石化采用中石化自有工藝技術(shù)生產(chǎn)聚乙烯（SGPE）和聚丙烯（STPP）。為了確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性，兩套裝置對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格化驗(yàn)和監(jiān)控。目前，產(chǎn)品質(zhì)量依賴于實(shí)驗(yàn)室人工化驗(yàn)，周期為 2 小時(shí)，不利于工藝和生產(chǎn)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品性能。生產(chǎn)人員通常通過(guò)關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)的趨勢(shì)和當(dāng)前值，依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)預(yù)估工況下的產(chǎn)品質(zhì)量，從而進(jìn)行操作或調(diào)整。基于中石化自有工藝技術(shù)，SGPE 和 STPP 裝置的過(guò)程機(jī)理模型能夠提供較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，即使在數(shù)據(jù)不足的情況下，也能通過(guò)理論推導(dǎo)得出合理的預(yù)測(cè)。然而，這些模型包含大量未知參數(shù)，準(zhǔn)確估計(jì)需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算資源。此外，機(jī)理模型處理高度非線性問(wèn)題和多尺度問(wèn)題時(shí)，復(fù)雜性和求解難度較大。

AI 數(shù)據(jù)模型在質(zhì)量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用是通過(guò)分析和挖掘歷史數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)等技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的產(chǎn)品或過(guò)程質(zhì)量。與機(jī)理模型不同，數(shù)據(jù)模型主要依賴于數(shù)據(jù)本身，而不是系統(tǒng)的物理或化學(xué)原理。通過(guò)分析大量的歷史數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別模式和趨勢(shì)，從而進(jìn)行預(yù)測(cè)。不需要對(duì)系統(tǒng)有深入的理論理解，只要有足夠的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，就可以構(gòu)建有效的預(yù)測(cè)模型。且能夠處理復(fù)雜的非線性關(guān)系和多變量交互作用，適用于各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。在 SGPE 和 STPP 裝置的AI 模型應(yīng)用上也存在缺陷。首先，效果高度依賴于數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量，缺失值、噪聲和異常值都會(huì)影響模型的準(zhǔn)確性。其次，數(shù)據(jù)模型（如深度學(xué)習(xí)）屬于“黑箱”模型，難以解釋其內(nèi)部機(jī)制。且模型過(guò)于復(fù)雜或訓(xùn)練數(shù)據(jù)不足，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)擬合，即模型在訓(xùn)練集上表現(xiàn)很好，但在新數(shù)據(jù)上的泛化能力差。為了克服單一模型的局限，中韓石化采用機(jī)理和 AI 混合模型。該模型結(jié)合了機(jī)理模型的高解釋性和 AI 模型 的數(shù)據(jù)挖掘能力，針對(duì)聚烯烴多牌號(hào)、非線性等特征，通過(guò)將關(guān)鍵過(guò)程工藝參數(shù)、催化劑等可信的歷史數(shù)據(jù)與過(guò)程數(shù)據(jù)結(jié)合，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)理模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行系數(shù)優(yōu)化擬合。將機(jī)理模型中“假定”或“簡(jiǎn)化”的系數(shù)或常數(shù)項(xiàng)修正為變量，最終得到更加精確的過(guò)程“AI+機(jī)理”混合模型�；�于過(guò)程“AI+機(jī)理”混合模型的應(yīng)用，大幅提升模型的精細(xì)化預(yù)測(cè)的能力，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)產(chǎn)品的物理、化學(xué)和機(jī)械性能的相關(guān)指標(biāo)，從而為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)和有效指導(dǎo)。

通過(guò)結(jié)合機(jī)理模型和 AI 模型的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)聚烯烴產(chǎn)品質(zhì)量的混合模型，提升生產(chǎn)過(guò)程的控制精度和效率，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。

利用機(jī)理模型的高解釋性和理論基礎(chǔ)，結(jié)合 AI 模型的數(shù)據(jù)挖掘能力和處理復(fù)雜非線性關(guān)系的能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)調(diào)整，適應(yīng)不同工況和多牌號(hào)產(chǎn)品的需求。提高模型的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)保持一定的可解釋性，便于操作人員理解和應(yīng)用。

1)數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理

數(shù)據(jù)是訓(xùn)練 AI 模型的基礎(chǔ)，在收集數(shù)據(jù)時(shí)，需要從可靠的數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。收集數(shù)據(jù)需要中韓（武漢）石化 SGPE 和 STPP 裝置檢驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。在收集數(shù)據(jù)之后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，包括去重、缺失值處理、異常值過(guò)濾等，以去除無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。

2)機(jī)理模型簡(jiǎn)化

基于聚烯烴生產(chǎn)工藝的物理、化學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理，建立描述反應(yīng)過(guò)程、傳熱傳質(zhì)等現(xiàn)象的機(jī)理模型。常用的模型包括反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型、流體力學(xué)模型、熱力學(xué)模型等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)理模型中的未知參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，確保模型的準(zhǔn)確性。使用優(yōu)化算法（如最小二乘法、遺傳算法等）進(jìn)行參數(shù)擬合。在不影響模型精度的前提下，對(duì)復(fù)雜的機(jī)理模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，減少計(jì)算復(fù)雜度。例如，忽略次要因素或采用近似表達(dá)式。

3)AI 模型選擇與訓(xùn)練

在已經(jīng)收集并清洗了數(shù)據(jù)之后，接下來(lái)是將其劃分為訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試集。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集用于訓(xùn)練 AI 模型，而驗(yàn)證數(shù)據(jù)集用于優(yōu)化和驗(yàn)證模型。測(cè)試數(shù)據(jù)集用于測(cè)試模型的性能。

留出法設(shè)置驗(yàn)證集、測(cè)試集的占比，剩下的為訓(xùn)練集（一般訓(xùn)練集應(yīng)該盡量多）；樣本分集順序?yàn)轵?yàn)證集->測(cè)試集->訓(xùn)練集。驗(yàn)證集抽樣方法分為前 x%，后 x%以及隨機(jī) x%測(cè)試集抽樣方法分為隨機(jī) x%，間隔 x%(每隔 100 取前 x 個(gè))。

“機(jī)理+AI”混合建模步驟：“AI+機(jī)理模型”采用嵌入式結(jié)構(gòu)，將 AI 模型嵌入到機(jī)理模型中，用于修正機(jī)理模型中的不確定參數(shù)或誤差項(xiàng)，對(duì)給定的機(jī)理模型表達(dá)式中的系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)過(guò)程機(jī)理特性給定機(jī)理模型的結(jié)構(gòu)表達(dá)式，表達(dá)式中的系數(shù)在一定的閾值約束區(qū)間，為機(jī)理模型中的待優(yōu)化項(xiàng)，后續(xù)引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將對(duì)這些系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化擬合。

AI 算法采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)機(jī)理模型的系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化擬合，首先需要定義優(yōu)化擬合過(guò)程中的損失函數(shù)，用于衡量模型輸出與目標(biāo)值之間的差異。這里我們默認(rèn)選擇均方誤差損失（MSE）或者根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況自定義損失。

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)選擇合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化器，這里我們默認(rèn)選擇 Adam，后續(xù)根據(jù)優(yōu)化問(wèn)題以及數(shù)據(jù)集需要也可以嘗試 SGD（隨機(jī)梯度下降）等其他優(yōu)化器。通過(guò)最小化損失函數(shù)來(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在每個(gè)訓(xùn)練周期中調(diào)整擬合系數(shù)的值來(lái)使損失最小化，從而得到更優(yōu)的模型參數(shù)。

4)評(píng)估模型與驗(yàn)證

使用驗(yàn)證集或者測(cè)試集來(lái)評(píng)估模型性能，檢查模型是否能準(zhǔn)確地?cái)M合機(jī)理模型的系數(shù)，并且具備一定的泛化能力。通過(guò)各種評(píng)估指標(biāo)如準(zhǔn)確度、精確度、召回率、F1 分?jǐn)?shù)等來(lái)評(píng)估模型質(zhì)量，最終得到“機(jī)理+AI”的混合模型，實(shí)現(xiàn) SGPE 和 STPP 裝置生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量之間更精確的機(jī)理關(guān)聯(lián)。

5)模型部署

按照“數(shù)據(jù)+平臺(tái)+應(yīng)用”的模式，依托云平臺(tái)服務(wù)，在智能聚烯烴裝置應(yīng)用中部署和應(yīng)用“AI+機(jī)理”混合模型，實(shí)現(xiàn)了 SGPE 和 STPP 裝置的產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)與預(yù)警。

6)模型應(yīng)用與持續(xù)改進(jìn)

通過(guò)云平臺(tái)服務(wù)的模型管理功能，基于定期收集的數(shù)據(jù)，通過(guò)模型訓(xùn)練和優(yōu)化，確保其始終處于最佳狀態(tài)。

中韓石化 SGPE 和 STPP 裝置 AI+機(jī)理模型的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量熔融指數(shù)、密度等產(chǎn)品質(zhì)量在線預(yù)測(cè)，在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)預(yù)警，提高產(chǎn)品質(zhì)量的管控能力，助力企業(yè)改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 通過(guò)構(gòu)建“AI+機(jī)理”混合模型，中韓石化可以大幅提升 SGPE 和 STPP 裝置產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化控制，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。這種混合建模方法不僅發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)，還克服了各自的局限，為其他國(guó)產(chǎn) SGPE 和 STPP 聚烯烴工藝的產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)和優(yōu)化提供了新的解決方案。

基于“機(jī)理+AI”混合建模技術(shù)，將機(jī)理模型的先驗(yàn)知識(shí)與 AI 模型的數(shù)據(jù)挖掘能力相結(jié)合，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。機(jī)理模型可以捕捉反應(yīng)的基本規(guī)律，而 AI 模型可以處理傳感器數(shù)據(jù)中的細(xì)微變化，兩者結(jié)合可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。