一种单变量报警系统的报警线设计方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种单变量报警系统的报警线设计方法及系统。方法包括：获取过程信号并进行状态划分，得到一系列离散的状态；采用平滑法对划分后的状态进行平滑处理，使过程信号只在相邻状态间转移；利用古典概型的方法从经过平滑处理的过程信号中估计一步转移矩阵；利用一步转移矩阵计算报警概率图中的统计量；利用报警概率图中的统计量构建判决函数，计算各个状态信号对应的判决函数值，将报警线设置在判决函数取得最大值处。本发明专利技术可实现对单变量报警系统进行报警线的设计，使得报警系统的误报率和漏报率较小，并且操作人员能有更多的时间对报警做出反应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及工业报警系统管理
，尤其涉及一种单变量报警系统的报警线设计方法及系统。
技术介绍
报警是一种以视觉和听觉的方式提醒操作人员该工业过程出现了故障或者异常，一个有效的报警系统对生产过程的安全性和操作的有效性至关重要。因此，针对报警系统的研究受到了工业界和学术界越来越广泛的关注。在报警系统所有可设置的参数中，报警线是最重要的一个。由于报警线的设计不正确，报警系统会产生大量的误报警，会产生“狼来了”的效应，从而使操作人员对该报警系统产生质疑。同时，报警系统也会产生大量的漏报警，从而降低了该报警系统的有效性，对生产过程带来了很大的安全隐患。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种单变量报警系统的报警线设计方法及系统。本专利技术可以有效降低报警系统的误报率、漏报率、以及使得操作人员有更多的时间对即将到来或者已经发生的报警做出反应。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种单变量报警系统的报警线设计方法，包括如下步骤：S1，获取过程信号并进行状态划分，得到一系列离散的状态；S2，采用平滑法对划分后的状态进行平滑处理，使过程信号只在相邻状态间转移；S3，利用古典概型的方法从经过平滑处理的过程信号中估计一步转移矩阵；S4，利用一步转移矩阵计算报警概率图中的统计量；S5，利用报警概率图中的统计量构建判决函数，计算各个状态信号对应的判决函数值，将报警线设置在判决函数取得最大值处。为实现上述专利技术目的，本专利技术还提供一种单变量报警系统的报警线设计系统，包括：状态划分模块，用于获取过程信号并进行状态划分，得到一系列离散的状态；状态平滑模块，用于采用平滑法对划分后的状态进行平滑处理，使过程信号只在相邻状态间转移；转移矩阵估计模块，用于利用古典概型的方法从经过平滑处理的过程信号中估计一步转移矩阵；报警概率图计算模块，用于利用一步转移矩阵计算报警概率图中的统计量；报警线设置模块，用于利用报警概率图中的统计量构建判决函数，计算各个状态信号对应的判决函数值，将报警线设置在判决函数取得最大值处。本专利技术的有益效果是：过程信号离散化以后，可以将其看作是一个马尔科夫链，本专利技术基于马尔科夫链，挖掘过程信号的历史数据中的统计规律，得到一步转移矩阵，进而得到报警概率图；通过报警概率图的统计量构建判决函数，将报警线设置在判决函数取得最大值处。本专利技术有益于对已有的报警线进行优化，也可以设计最优的报警线，使得报警系统的误报率和漏报率较小以及操作人员的反应时间较大。附图说明图1为本专利技术实施例所述单变量报警系统的报警线设计方法流程图；图2为本专利技术实施例中状态4的转移概率和平均转移时间示意图；图3为本专利技术实施例各个状态的转移概率和平均转移时间示意图；图4为本专利技术实施例中从状态A到状态m的状态转移图；图5为本专利技术实施例中从状态i到状态i+1的状态转移图；图6为本专利技术实施例报警概率图；图7为本专利技术实施例所述单变量报警系统的报警线设计系统框图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。如图1所示，一种单变量报警系统的报警线设计方法，包括如下步骤：S1，获取过程信号并进行状态划分，得到一系列离散的状态。具体地，S1的具体实现包括：将过程信号的原始样本数据x(t)按照从小到大的顺序进行排序得到顺序样本数据xo(t)，根据顺序样本数据xo(t)确定区间间隔，根据原始样本数据所处的区间确定原始样本数据所处的状态，得到一系列离散的状态，其中每个状态包括Z个样本数，Z为正整数。设置报警系统的报警线为xtp；报警线下的样本数为L1,；报警线上的样本数为L2。假设每个状态包含的样本数为z，报警线下的状态数为N1，报警线上的状态数为N2。将过程信号的原始样本数据x(t)按照从小到大的顺序进行排序得到顺序样本数据xo(t)，那么状态划分的步骤为：S11，当k＝1到N1-1时，如果xo(1)<x(t)<xo(L1-(N1-1)z)，就令x(t)处于状态1，即xs(t)＝1；如果xo(L1-(N1-k)z+1)<x(t)<xo(L1-(N1-1-k)z)，就令x(t)处于状态k+1,即xs(t)＝k+1，其中xs(t)表示状态信号；S12，当k＝1到N2-1时，如果xo((k-1)z+1+L1)<x(t)<xo(kz+L1)，就令x(t)处于状态k+N1，即xs(t)＝k+N1；如果xo((N2-1)z+1+L1)<x(t)<xo(L1+L2)，就令x(t)处于状态N1+N2，即xs(t)＝N1+N2。之所以采用这样的方式进行状态划分，是因为考虑到当数据比较密集时，状态对应的区间间隔就可以宽一些，否则就窄一些。采取这种方式来进行状态划分时，我们首先要确定报警线下的状态数N1和报警线上的状态数N2。N1和N2的值可以通过每个状态包含的样本数z来计算，即N1＝[L1/z]，N2＝[L2/z]([·]表示取整函数)，其中z的值可以通过仿真实验来确定。因为这是一种基于数据的方法，那么当每个状态包含的样本较少时，计算出来的结果就很可能不可靠。仿真数据通过如下的一阶自回归模型产生：x(t)＝4.5+0.1x(t-1)+a(t)，其中a(t)表示均值为0，方差为4的白噪声。样本被分成10个状态，也就是说，当x(t)＜1时，xs(t)＝1；当1＜x(t)＜2时，xs(t)＝2；…，当8＜x(t)＜9时，xs(t)＝9；x(t)＞9时，xs(t)＝10。不失一般性，我们选取状态8作为报警状态。通过调整样本容量，使每个状态包含的样本数都大于z，然后通过推导得到的报警概率图中四个统计量的解析表达式计算报警概率图中四个统计量的值。不失一般性，我们选取状态4来进行仿真实验。针对每个z，重复100次实验，计算状态4的转移概率和平均转移时间。状态4的转移概率和平均转移时间如图2所示。由图2可知，当每个状态包含的样本数不小于600时，通过解析表达式计算得到的转移概率和平均转移时间的值都在他们均值的±5％范围内波动。该仿真实验只考虑了状态4的情况，接下来我们考虑包含所有状态的情况。仿真数据的产生、状态划分、报警状态均与之前相同。通过调整样本容量，使每个状态包含的样本数均大于600。重复100次实验，每次实验都通过推导得到的解析表达式计算各个状态的转移概率和平均转移时间，结果如图3所示。由图3可知，100次仿真实验得到的报警概率图的值都很接近。也就是说，当各个状态包含的样本数z不小于600时，利用解析表达式计算得到的转移概率和平均转移时间的值是统计可靠的。我们利用这个结论来确定N1和N2的值，可以得到N1＝[L1/600]，N2＝[L2/600]。由报警线下状态的转移概率的计算公式可知(下文会具体推导各个状态的转移概率和平均转移时间的解析表达式)，它近似为一个指数函数，因此当N1的值很大时，状态1的转移概率就会非常小。在统计学中，当一个事件发生的概率小于0.001时，它就可以视为一个小概率事件，也就是说这个事件基本上不会发生。因此，我们要对N1的值进行修正，具体步骤如下：①、设N1的初始值为n0，并给定一个转移概率阈值γ；②、计算状态1到报警状态A的转移概率P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单变量报警系统的报警线设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，获取过程信号并进行状态划分，得到一系列离散的状态；S2，采用平滑法对划分后的状态进行平滑处理，使过程信号只在相邻状态间转移；S3，利用古典概型的方法从经过平滑处理的过程信号中估计一步转移矩阵；S4，利用一步转移矩阵计算报警概率图中的统计量；S5，利用报警概率图中的统计量构建判决函数，计算各个状态信号对应的判决函数值，将报警线设置在判决函数取得最大值处。

【技术特征摘要】
1.一种单变量报警系统的报警线设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，获取过程信号并进行状态划分，得到一系列离散的状态；S2，采用平滑法对划分后的状态进行平滑处理，使过程信号只在相邻状态间转移；S3，利用古典概型的方法从经过平滑处理的过程信号中估计一步转移矩阵；S4，利用一步转移矩阵计算报警概率图中的统计量；S5，利用报警概率图中的统计量构建判决函数，计算各个状态信号对应的判决函数值，将报警线设置在判决函数取得最大值处。2.根据权利要求1所述的单变量报警系统的报警线设计方法，其特征在于，S1的具体实现包括：将过程信号的原始样本数据x(t)按照从小到大的顺序进行排序得到顺序样本数据xo(t)，根据顺序样本数据xo(t)确定区间间隔，根据原始样本数据所处的区间确定原始样本数据所处的状态，得到一系列离散的状态，其中每个状态包括Z个样本数，Z为正整数。3.根据权利要求1所述的单变量报警系统的报警线设计方法，其特征在于，所述状态包括报警线下状态、报警状态和报警线上状态，设报警线下的状态数为N1，报警线上的状态数为N2，S1还包括对报警线下的状态数N1进行修正的步骤，具体包括：a,设N1的初始值为n0，并给定一个转移概率阈值γ；b，计算状态1到报警状态A的转移概率P1A，如果它的值小于γ，就令N1＝N1-1；c，重复步骤a和b直到P1A的值大于γ。4.根据权利要求1所述的单变量报警系统的报警线设计方法，其特征在于，S2的具体实现包括：当t时刻过程信号处于状态i,如果t+1时刻过程信号的取值等于i，则令令平滑后的过程信号处于状态i；当t时刻过程信号处于状态i,如果t+1时刻过程信号的取值大于i，则令令平滑后的过程信号处于状态i+1；当t时刻过程信号处于状态i,如果t+1时刻过程信号的取值小于i，则令令平滑后的过程信号处于状态i-1。5.根据权利要求1所述的单变量报警系统的报警线设计方法，其特征在于，S3的具体实现包括：所述一步转移矩阵中第i行第j列元素的值为状态i出现且下一时刻状态j出现的次数与状态i出现的次数的比值。6.根据权利要求5所述的单变量报警系统的报警线设计方法，其特征在于，所述报警概率图具体包括各个状态的转移概率和各个状态的平均转移时间；各个状态的转移概率的值越大，则越容易从报警线下状态转移到报警状态或者从报警状态转移到报警线上状态；各个状态的平均转移时间的值越大，则操作人员能有更多的时间对已发生或者即将到来的报警做出反应。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建东，余彦，杨子江，钱文华，
申请(专利权)人：北京协同创新智能电网技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11