基于LSNPE算法的化工过程故障检测

复杂化工过程通常具有多个操作模态,而且采集的数据不服从单一的高斯或非高斯分布。针对化工过程的多模态和复杂数据分布问题,将局部标准化（local standardized,LS）策略应用于邻域保持嵌入（neighborhood preserving embedding,NPE）算法,提出了一种新的基于局部标准化邻域保持嵌入（local standardized neighborhood preserving embedding,LSNPE）算法的故障检测方法。首先,使用LSNPE算法提取高维数据的低维子流形,进行维数约减,同时保持邻域结构不变。其次,通过特征空间中样本的局部离群因子（local outlier factor,LOF）构造监控统计量并确定其控制限。相较于监控多模态化工过程的多模型策略,提出的LSNPE方法不需要过程先验知识的支持,只需建立一个全局的监控模型。最后,通过数值仿真及Tennessee Eastman（TE）过程仿真研究验证了本文提出方法的有效性。     

基于多向核熵成分分析的微生物发酵过程多阶段划分及故障监测

针对多向核主元分析法(MKPCA)在监控动态非线性和多模态间歇生产过程故障的不足,提出一种基于物理信息熵的多阶段多向核熵成分分析(multiple sub-stage multi-way kernel entropy component analysis,MSMKECA)的新方法用于故障监控。该方法首先通过核映射将数据从低维空间映射到高维特征空间;其次在高维特征空间依据熵结构信息计算每个时刻数据矩阵的相似度指标进行阶段划分,将间歇过程划分为各稳定阶段和各过渡阶段,并在过渡阶段用时变的协方差代替固定协方差;最后在划分的阶段里分别建立模型进行间歇过程监测解决间歇过程的动态非线性和多阶段特性;将所提出的算法应用于青霉素发酵仿真系统的在线监测,验证了该方法的有效性。     

基于RISOMAP的非线性过程故障检测方法

化工过程监控数据存在非线性特点,且过程常常运行于多个模态,针对该类问题,提出基于相对等距离映射(relative isometric mapping, RISOMAP)的过程故障检测方法,该方法采用相对测地距离构造高维空间的距离关系阵,运用多维尺度变换(MDS)计算其低维嵌入输出,从高维数据中提取子流形信息和残差信息分别构造监控统计量进行故障检测,同时运用核ridge回归在线计算测试数据的低维输出,核矩阵通过综合相似度进行更新。数值算例和TE过程的仿真结果表明,RISOMAP方法可以更为有效地实施故障检测,故障检测的灵敏度较高,同时也为基于流形学习的多模态过程故障检测的实施提供了一条思路。     

一种不等长的多模态间歇过程故障检测方法

提出一种不等长的多模态间歇过程故障检测方法。首先,运用局部加权算法对不等长批次数据进行预处理。在训练样本中确定不等长数据的最大可保留长度,利用k近邻信息,通过加权重构出不等长批次缺失的数据点。其次,对等长的训练集构造局部近邻标准化矩阵,运用K-means算法进行模态聚类,使用局部离群因子方法确定第一控制限,并剔除离群样本。最后,对各个模态建立MPCA模型并确定第二控制限。根据各个模态控制限的匹配系数计算统一的统计量和控制限,在统一的控制限下进行多模态故障检测。将提出方法应用于半导体工业过程,仿真结果表明,与传统的故障检测算法相比,本文算法提高了故障检测率,验证了该方法的有效性。     

一种不等长的多模态间歇过程故障检测方法

提出一种不等长的多模态间歇过程故障检测方法。首先,运用局部加权算法对不等长批次数据进行预处理。在训练样本中确定不等长数据的最大可保留长度,利用k近邻信息,通过加权重构出不等长批次缺失的数据点。其次,对等长的训练集构造局部近邻标准化矩阵,运用K-means算法进行模态聚类,使用局部离群因子方法确定第一控制限,并剔除离群样本。最后,对各个模态建立MPCA模型并确定第二控制限。根据各个模态控制限的匹配系数计算统一的统计量和控制限,在统一的控制限下进行多模态故障检测。将提出方法应用于半导体工业过程,仿真结果表明,与传统的故障检测算法相比,本文算法提高了故障检测率,验证了该方法的有效性。     

时序约束NPE算法在化工过程故障检测中的应用

针对动态过程的故障检测问题,在邻域保持嵌入算法中改进邻域挑选,提出一种新的维度约简方法：时序约束邻域保持嵌入（time constrained neighborhood preserving embedding,TCNPE）算法。与邻域保持嵌入（neighborhood preserving embedding,NPE）算法只通过欧氏距离挑选邻域不同的是,TCNPE考虑到数据之间的时序相关性,在一定长度的时间窗之内采用k-近邻方法挑选邻域,并对时间窗内近邻与非近邻构造局部约束关系。首先,利用TCNPE提取数据特征,进行线性降维,然后构造T²和SPE统计量并利用密度估计（kernel density estimation,KDE）确定其控制限。最后,通过数值例子和TE过程（Tennessee-Eastman process）仿真来说明本文方法的有效性。     

基于贝叶斯推理的PKPCAM的非线性多模态过程故障检测与诊断方法

针对一类非线性多模态的化工过程,提出一种基于概率核主元的混合模型(PKPCAM),并利用贝叶斯推理策略进行过程监控与故障诊断.在提出的模型中, 每个操作模态由一个局部化的概率核主元分量描述,从而构建的一系列分量对应了不同的操作模态.首先,将过程数据从原始的度量空间投影到高维特征空间;其次,在该特征空间建立概率主元混合模型,从概率角度刻画数据集的多个局部分量特征;最后,在提取的核主元分量内获得测试样本的后验概率,结合模态内的马氏距离贡献度,提出基于贝叶斯推理的全局概率指标进行故障检测,同时利用模态内变量的相对贡献度,基于全局贡献度指标进行故障诊断.利用TEP仿真平台,与基于k均值聚类的次级主元分析和核主元分析的方法进行了对比分析,验证了提出的贝叶斯推理的PKPCAM方法对非线性多模态过程进行故障检测与诊断的可行性和有效性.     

动态核聚类算法在乙烯生产中的优化模式识别

针对传统的C means聚类在小样本和类别交叉空间存在样本错分问题,研究分析一种基于核函数的动态聚类方法,以广义欧式距离作为高维特征空间的相似性度量,提高聚类的准确性,仿真实例验证了算法的有效性。提出利用动态核聚类方法来识别乙烯裂解炉生产过程最优操作模式,动态调整乙烯裂解炉的操作条件以及选择油品和预测收率,实际的工业应用说明动态核聚类方法的可行性。     

时序约束NPE算法在化工过程故障检测中的应用

针对动态过程的故障检测问题,在邻域保持嵌入算法中改进邻域挑选,提出一种新的维度约简方法:时序约束邻域保持嵌入(time constrained neighborhood preserving embedding,TCNPE)算法。与邻域保持嵌入(neighborhood preserving embedding,NPE)算法只通过欧氏距离挑选邻域不同的是,TCNPE考虑到数据之间的时序相关性,在一定长度的时间窗之内采用k-近邻方法挑选邻域,并对时间窗内近邻与非近邻构造局部约束关系。首先,利用TCNPE提取数据特征,进行线性降维,然后构造T~2和SPE统计量并利用密度估计(kernel density estimation,KDE)确定其控制限。最后,通过数值例子和TE过程(Tennessee-Eastman process)仿真来说明本文方法的有效性。     

The chemical process monitoring method based on temporal extended orthogonal neighbourhood preserving embedding (TONPE)

Due to the high dimensionality, non-linearity and dynamic characteristics of chemical process data, a fault monitoring method based on temporal extension orthogonal neighbourhood preserving embedding (TONPE) is proposed. In order to make up for the shortcomings of the orthogonal neighbourhood preserving embedding (ONPE) algorithm, an information extraction strategy based on spatio-temporal structure is developed. First, a local neighbourhood set with spatio-temporal characteristics is established, and a weight matrix with spatio-temporal is reconstructed for each time point through the nearest neighbour in space and time. Then, a projection matrix with orthogonal constraints is obtained to establish a monitoring model. The TONPE algorithm can fully capture the local dynamic changes of high-dimensional data by extracting two different manifold features, so that the low-dimensional space has better performance capabilities. The simulation results of the continuous stirred tank reactor process and the Tennessee Eastman process verify the effectiveness of the TONPE algorithm in chemical process monitoring.     

基于LTSA和MICA与PCA联合指标的过程监控方法及应用

独立成分分析(ICA)方法主要被用来对线性非高斯过程进行监控,为了提高对非高斯过程的监控效果,则利用过程数据信息对ICA的监控指标进行了改进,提出了一种改进的独立成分分析(MICA)方法。许多实际工业过程数据都具有非线性、非高斯与高斯混合分布的特点,为此提出了一种基于LTSA和MICA与PCA联合指标的过程监控的方法。首先采用局部切空间排列(LTSA)算法对样本数据进行非线性降维,然后分别用MICA和PCA方法得到非高斯与高斯统计量,对其进行加权得到新的统计量,并被用于过程监控。最后将该方法应用在田纳西-伊斯曼(TE)过程和乙烯裂解炉的过程监控中,证明了该方法的有效性。     

基于测地线距离统计量的多工况间歇过程监测

针对间歇过程数据具有非线性和多工况的特点, 提出一种基于测地线距离统计量(geodesic distance statistic, GDS)的监测方法。首先, 对多工况间歇过程数据按批次方向展开及标准化, 利用主元分析(principal component analysis, PCA)方法进行降维;然后, 在降维空间获得赋权邻接矩阵, 提出采用改进的Dijkstra (improved Dijkstra, IDijkstra)算法使Dijkstra算法更易于实现, 计算各批次之间的测地线距离, 用以表征非线性多工况数据之间的实际最短距离, 更好地体现批次数据之间的局部近邻关系。通过构造测地线距离α次方统计量D^α进行过程监测, 与欧氏距离平方和D²相比将减小边缘训练数据距离的偏离程度。最后, 通过在数值仿真和工业仿真实例中的应用, 验证所提算法的有效性。     

基于改进扩张搜索聚类算法的多流形软测量建模

针对化工生产过程工况复杂多变，单一的软测量模型难以满足系统对估计精度的要求，提出了一种基于改进的扩张搜索聚类算法的多流形软测量建模的方法。该算法采用流形距离来代替欧氏距离，自适应地确定邻域半径，并引入局部密度用于确定聚类中心，对聚类后得到的各个子流形分别采用流形学习中的核等距映射法进行特征提取，建立基于高斯过程回归的子模型。将该方法应用于某双酚A生产装置的软测量建模，仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于KSFDA-SVDD的非线性过程故障检测方法

慢特征分析(SFA)是一种无监督的线性学习算法,没有考虑过程数据的类别信息和非线性特征。针对此问题,提出一种基于核慢特征判别分析(KSFDA)和支持向量数据描述(SVDD)的非线性过程故障检测方法KSFDA-SVDD。该方法首先利用核技巧将数据从原始空间映射到高维空间,然后通过最大化正常工况数据和故障模式数据之间伪时间序列的时间变化同时最小化正常工况数据内部伪时间序列的时间变化计算判别矩阵,最后利用SVDD描述采用判别矩阵降维后的正常工况数据的分布域,构建监控统计量检测过程故障。在连续搅拌反应器(CSTR)过程上的仿真结果表明所提出方法的故障检测性能优于传统的KPCA方法。     

基于核Fisher判别分析方法的非线性统计过程监控与故障诊断

化工过程中大量的生产数据反应了生产过程的内在变化和系统的运行状况，基于数据驱动的统计方法可以有效地对生产过程进行监控。对于复杂的化工和生化过程，其过程变量之间的相关关系往往具有很强的非线性特性，传统的线性统计过程监控方法显得无能为力。本文提出了基于核Fisher判别分析的非线性统计过程监控方法，首先利用非线性核函数将数据从原始空间映射到高维空间，在高维空间中利用线性的Fisher判别分析方法提取数据最优的Fisher特征矢量和判别矢量来实现过程监控与故障诊断，能有效地捕获过程变量之间的非线性关系，通过对流化催化裂化（FCCU）过程的仿真表明该方法的有效性。     

基于改进差别矩阵属性约简的聚合釜粗糙集-神经网络故障诊断

引言 聚氯乙烯树脂(PVC)是重要的有机合成材料,其产品具有良好的物理性能和化学性能,广泛应用于工业、建筑、农业、电力、公用事业等领域.聚合釜则是聚氯乙烯生产装置的关键设备,聚合釜能否稳定运行直接关系到整个聚氯乙烯生产装置的运行状况.     

局部时差约束邻域保持嵌入算法在故障检测中的应用

传统的邻域保持嵌入(neighborhood preserving embedding,NPE)算法通过k近邻(k-nearest neighbors,k-NN)方法选择邻域进行重构来实现降维。但在实际工业过程中采集的样本具有时序相关性,仅仅通过欧氏距离选择近邻样本不能充分反映数据中包含的信息,从而影响检测效果。因此,提出一种局部时差约束邻域保持嵌入(local time difference constrained neighborhood preserving embedding,LTDCNPE)算法,充分考虑样本间的时间和空间关系,从而建立准确的故障检测模型。首先,该算法在固定尺度的时间窗内,根据样本的时序关系和空间特征挑选出邻域。其次,利用样本间的时间差异为邻域样本进行加权,使数据特征保留了高维空间的局部结构。然后,对降维后得到的主元空间和残差空间构建T^{\mathrm{2}}和SPE统计量并确定控制限。最后,通过数值例子和Tennessee-Eastman(TE)过程仿真验证LTDCNPE算法的有效性。