1.一种基于机理拓扑分层解耦的石油炼化预测与归因方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1、采集原始石油炼化过程的时序数据以及工艺流程信息,对时序数据进行多维特征清洗与标准化处理,并根据工艺流程信息构建表征变量间物理连接关系的物理邻接矩阵,构成标准化特征集;
步骤2、基于动力学单调性约束机制,对标准化特征集进行主效应的自适应解耦与拟合,得到主效应分量,然后剥离出各特征独立作用于预测目标的单调趋势分量,并计算得到一阶残差;
步骤3、基于物理邻接矩阵生成拓扑掩码,先对一阶残差进行受限交互效应解耦,再对在物理上存在连通关系的变量对之间进行非线性交互拟合,从而得到符合机理的交互效应分量与二阶残差;
步骤4、基于历史稳态工况构建动态时变基准,结合步骤2得到的主效应分量与步骤3得到的交互效应分量,计算各特征在当前时刻对预测结果的相对偏离贡献度;
步骤5、最终输出石油炼化关键参数的预测值,并生成包含主效应趋势图与交互网络图的机理一致性归因报告。
2.根据权利要求1所述的一种基于机理拓扑分层解耦的石油炼化预测与归因方法,其特征在于,步骤1具体包括如下步骤:步骤1.1、采集石油炼化装置的历史时序数据,定义炼化过程状态矩阵为 ,其中 为时间序列的采样点数, 为包含温度、压力、液位和流量的工艺参数特征数;定义关键性能指标向量 , 代表实数矩阵;
步骤1.2、计算性能指标的全局平均工况基准 :;
其中, 为第 个采样时刻的实际指标值;
构建初始残差向量 ,用于后续分层解耦的起始输入,即剥离掉稳态均值后的波动量;随后,为消除不同物理量纲对模型权重的干扰,对炼化过程状态矩阵 的每一列进行Z‑Score 标准化处理,映射至标准正态分布空间:;
其中,和 分别为第 个工艺参数的均值和标准偏差, 为第 个时刻第 个参数的原始检测值, 为标准化后的特征值;
步骤1.3、构建装置工艺流程的物理邻接矩阵 ;根据石油炼化装置的工艺流程图PFD与管道仪表流程图P&ID,解析各工艺参数传感器之间的物理连接关系,构建物理邻接矩阵:;
其中,参数j和k为同一工业体系内、相同时刻下、两个内涵不同的工艺参数,并将矩阵作为后续步骤中交互效应解耦的拓扑约束掩码。
3.根据权利要求1所述的一种基于机理拓扑分层解耦的石油炼化预测与归因方法,其特征在于,步骤2具体包括如下步骤:步骤2.1、对特征集合中的每一个特征,构建三种并行回归器进行拟合竞争:线性响应模式Linear Mode: ;
非线性饱和模式Poly Mode: ;
单调约束非参数模式Mono‑Tree Mode: ;
其中, 、 分别为一次项与二次项系数,为输入变量,为偏置量, 为决策树模型函数;
步骤2.2、通过计算三种模式在当前残差 上的决定系数 进行优胜劣汰,定义判定函数 :;
;
其中, 表示特征,lin、poly、tree分别对应步骤2.1中的三种并行回归器;若最佳模型的 超过预设阈值 ,则将其纳入规则库,并从当前残差中将效应剥离:;
表示针对特征 筛选出的最优回归模型函数;
此步骤循环执行,直至所有特征的独立贡献被剥离完毕。
4.根据权利要求2所述的一种基于机理拓扑分层解耦的石油炼化预测与归因方法,其特征在于,步骤3具体包括如下步骤:步骤3.1、基于拓扑掩码的受限交互效应解耦,利用物理邻接矩阵 生成受限交互对集合 ,对物理上存在连通关系的工艺参数对进行建模,利用机理约束剔除虚假关联并压缩搜索空间:;
其中, 为特征索引不相等的约束条件, 为物理邻接矩阵 的拓扑约束掩码;
步骤3.2、针对集合 中的每一对特征 ,构建交互模型 ,对一阶残差 进行拟合:;
其中, 为特征集合中第 个和第 个原始特征向量, 为第 个和第 个特征标准化后的交互项, 为交互系数;
步骤3.3、通过显著性检验筛选出强交互项,并根据 的符号赋予物理含义:若 ,定义为协同增益效应;若 ,定义为拮抗干扰效应;
将全局平均工况基准、主效应分量与交互效应分量进行分层叠加,得到最终的预测模型:;
其中, 为剥离出的主效应函数, 为解耦出的交互效应函数, 为特征集合中的每一个特征,此过程通过拓扑掩码,即条件 替代传统的全排列搜索,避免高维稀疏数据下的维数灾难。
5.根据权利要求1所述的一种基于机理拓扑分层解耦的石油炼化预测与归因方法,其特征在于,步骤4具体为:引入包含炼化装置工艺操作边界与反应动力学方向的专家知识库,并设定动态基准向量 ;
当输入新样本 时,首先进行一致性校验:
;
其中,为模型对当前样本的预测值, 为基于物理或化学规律确定的目标变量物理约束范围,其中 为物理约束范围下边界值, 为物理约束范围上边界值, 为模型对特征 的局部偏导数灵敏度, 为专家知识库中定义的特征预期单调性方向;
若违反约束,则触发机理安全阀,引入基于约束边界距离的惩罚项 对预测值进行平滑修正或截断:;
其中, 为经过机理安全阀平滑修正或截断后的预测值,为惩罚项,Distance为预测值 超出物理约束边界 的欧氏距离, 为物理可行域;
最后,基于动态基准计算各因素的边际贡献Contribution,生成可解释性报告:;
其中,F表示已训练好的、针对特征 的预测函数映射, 为基准状态, 为当前状态。
6.一种计算机装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1所述方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序/指令,其特征在于,该计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤。
8.一种计算机程序产品,包括计算机程序/指令,其特征在于,该计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤。