邻域保持嵌入—加权k近邻故障检测算法及其在半导体蚀刻过程中的应用

为了解决复杂的多模态过程故障检测问题,提出了邻域保持嵌入-加权k近邻规则（neighborhood preserving embedding-weighted k-nearest neighbors,NPE-wkNN）质量监控方法.首先,利用邻域保持嵌入（neighborhood preserving embedding,NPE）得到特征空间中数据的流形结构;然后,在特征空间中确定每个样本第k近邻的前K近邻集并计算样本的权重.最后,将样本的加权距离作为统计量对过程进行质量监控.NPE-wkNN方法在保持原始数据近邻结构的同时降低了计算复杂度,除此之外,权重规则消除了数据的多模态特征,从而提高了过程故障检测率.通过数值实例和半导体蚀刻工艺仿真实验,对比了传统的主元分析（principal component analysis,PCA）、NPE、k近邻（k-nearest neighbor,kNN）、加权k近邻（weighted kNN,wkNN）等方法,结果验证了本文方法的有效性.     

基于\begin{document}$ \pmb k $\end{document}近邻主元得分差分的故障检测策略

针对具有非线性和多模态特征过程的故障检测问题, 本文提出一种基于k近邻主元得分差分的故障检测策略.首先, 通过主元分析(Principal component analysis, PCA)方法计算样本的真实得分.然后, 应用样本的k近邻均值计算样本估计得分.接下来, 通过上述两种得分计算样本的得分差分矩阵和残差矩阵, 其中残差矩阵由样本的估计得分计算得到,这区别于传统方法.最后, 在差分子空间和残差子空间中分别建立新的统计指标进行故障检测.值得注意的是本文的得分差分方法能够消除数据结构对过程故障检测的影响, 同时, 新的统计量能够提高过程的故障检测率.将本文方法在两个模拟例子和Tennessee Eastman (TE)过程中进行测试, 并与传统方法如PCA、KPCA、DPCA和~FD-kNN等进行对比分析, 测试结果证明了本文方法的有效性.     

基于局部保持嵌入–K近邻比率密度的半导体 蚀刻过程故障诊断策略

针对多模态间歇过程存在数据维度高且方差差异较大的特征,提出一种基于局部保持嵌入–K近邻比率密度(NPE–KRD)规则的故障检测方法.首先,利用局部保持嵌入(NPE)方法将原始的高维数据投影到低维空间;其次,在低维空间通过计算样本的密度及其前K近邻密度的均值来建立K近邻比率密度(KRD);最后,根据核密度估计法确定统计量控制限并进行故障诊断. NPE方法既能够在低维空间保持数据局部近邻结构,又能够降低故障检测过程的计算复杂度.通过引入比率密度, NPE–KRD可以降低多模态方差结构差异对故障检测的影响,提高过程故障检测率.通过数值例子和半导体工业过程的仿真实验,并与主元分析、K近邻、局部保持嵌入等方法进行比较,验证了本文方法的有效性.     

基于最近邻距离权重的ML-KNN算法

在大数据环境下,K近邻多标签算法（ML-KNN）高时间复杂度的问题显得尤为突出;此外,ML-KNN也没有考虑◢k◣个近邻对最终分类结果的影响。针对上述问题进行研究,首先将训练集进行聚类,再为测试集找到一个距离其最近的训练数据簇作为新的训练数据集;然后计算最近邻样本的距离权重,并用该权重描述最近邻和其他近邻对预测结果的影响;最后使用新的目标函数为待测样本分类。通过在图片、Web页面文本数据等数据集上的实验表明,所提算法得到了更好的分类结果,并且大大降低了时间复杂度。     

基于流形学习的泛化改进的LTSA算法

在数据稀疏、数据非均匀分布和数据流形具有较大曲率的情况下,传统的局部切空间方法不能够有效地揭示流形结构。提出了一种泛化的ILTSA（GILTSA）流形学习方法,该方法以改进的局部切空间排列算法（ILTSA）为基础,在解决流形结构问题的同时,不仅能够获得用于人脸识别更好的低维特征,而且能有效地处理日益增加的数据集的问题。该方法首先基于样品间距离选择近邻集,实现训练集的低维流形,为每个新样本寻找最近的样本训练集。然后结合ILTSA算法,根据其最近样本投影距离计算低维流形。在ORL的人脸图像数据库的实验、Swiss roll和手书的“2”等实验结果表明,与局部线性嵌入和局部切空间排列算法等相比,GILTSA方法增加了整体精度。     

基于主元分析得分重构差分的故障检测策略

基于主元分析(PCA)的统计过程控制方法通常假设数据的生成过程是独立同分布的.当数据存在多模态结构或过程变量非线性相关时, PCA方法的故障检测性能将受到影响.针对上述问题,本文提出一种基于PCA得分重构差分的故障检测策略.首先,应用PCA将输入空间分解为主元子空间和残差子空间;接下来,应用k近邻(k NN)规则重构当前样本得分向量并计算样本的得分重构差分向量;最后,计算得分重构差分向量的统计值并进行故障检测.本文方法不仅可以降低数据多模态和变量非线性相关等特征对过程故障检测的影响,同时可以降低统计量的自相关性、提高过程故障检测率.将本文方法在两个模拟例子和田纳西–伊斯曼(TE)过程中进行测试,并与PCA、核主元分析(KPCA)、动态主元分析(DPCA)和k最近邻故障检测(FD–k NN)方法进行对比分析,测试结果证明了本文方法的有效性.     

大数据下的分布式精确模糊KNN分类算法

针对K近邻（KNN）方法处理大数据集的效率问题进行了研究,提出了一种基于Spark框架的分布式精确模糊KNN分类算法, 创新性地将Spark框架分布式map和reduce过程与模糊KNN结合。首先对不同分区中训练样本类别信息进行模糊化处理,得到类别隶属度,将训练集转换为添加类隶属度的模糊训练集;然后使用KNN算法对先前计算的类成员测试集计算得到◢k◣个最近邻;最后通过距离权重进行分类。针对百万级大数据集样本的实验,以及与其他算法的对比实验表明,所提算法是可行的和有效的。     

基于局部近邻标准化和动态主元分析的故障检测策略

针对工业过程的动态和多模态特性,提出一种基于局部近邻标准化（LNS）和动态主元分析（DPCA）相结合的故障检测方法（LNS-DPCA）。首先,在训练数据集中寻找样本的K近邻集;然后,应用K近邻集的均值与标准差对当前样本进行标准化处理;最后,在新的数据集中应用DPCA方法确定T²和SPE控制限进行故障检测。LNS方法能够消除过程的多模态特征,使得标准化后数据近似服从多元高斯分布,且保持过程离群点偏离正常样本轨迹;而结合DPCA方法则能够提高对具有动态特性过程的监视性能。利用数值例子和青霉素发酵过程进行仿真,并将测试结果与主元分析法（PCA）、DPCA、K近邻故障检测（FD-KNN）等方法进行对比分析,验证了LNS-DPCA方法的有效性。     

一种基于局部加权回归的分类方法

分类是数据挖掘和数据分析中最有应用价值的技术之一。传统的积极学习方法需要预先对模型空间进行假设,并且没有充分考虑到实例之间的相关性,其泛化能力将会受到一定程度的影响。针对上述问题,提出了一种基于新型映射关系的局部加权回归方法 MLWR。该算法首先找出测试样本在训练集中的近邻样本,然后建立测试样本和近邻样本的回归函数,根据建立的回归模型和近邻样本的标签,计算得到测试样本的标签。实验与当前流行的多种分类方法在UCI的9个数据集上进行测试。实验结果表明我们的方法能有效地提高分类精度,对较大样本数据也有较好的适用性。     

基于潜在因子模型在子空间上的缺失值注意力聚类算法

针对传统聚类算法在对缺失样本进行数据填充过程中存在样本相似度难度量且填充数据质量差的问题，提出一种基于潜在因子模型（LFM）在子空间上的缺失值注意力聚类算法。首先，通过LFM将原始数据空间映射到低维子空间，降低样本的稀疏程度；其次，通过分解原空间得到的特征矩阵构建不同特征间的注意力权重图，优化子空间样本间的相似度计算方式，使样本相似度的计算更准确、泛化性更好；最后，为了降低样本相似度计算过程中过高的时间复杂度，设计一种多指针的注意力权重图进行优化。在4个按比例随机缺失的数据集上进行实验。在Hand-digits数据集上，相较于面向高维特征缺失数据的K近邻插补子空间聚类（KISC）算法，在数据缺失比例为10%的情况下，所提算法的聚类准确度（ACC）提高了2.33个百分点，归一化互信息（NMI）提高了2.77个百分点，在数据缺失比例为20%的情况下，所提算法的ACC提高了0.39个百分点，NMI提高了1.33个百分点，验证了所提算法的有效性。     

基于统计差分LPP的多模态间歇过程故障检测

针对工业过程数据存在的非高斯和多模态特性,提出一种基于统计差分LPP的多模态间歇过程故障检测方法。首先将统计模量分析的方法应用到间歇过程训练数据集中,计算统计过程变量的均值和方差,将不等长的批次变成等长的统计量,保证统计模量近似服从高斯分布;然后运用差分算法使多模态变为单模态,最后运用LPP算法进行降维和特征提取,计算样本的T2统计量,并利用核密度估计确定控制限。对于新来的测试样本数据统计差分处理后,向LPP模型上进行投影,计算新数据的T2统计量并与控制限比较进行故障检测。最后通过半导体过程数据的仿真结果表明,该算法的故障检测效果最好,验证了所提方法的有效性。     

一种基于独立元贡献度的子空间故障检测方法

针对工业过程故障检测问题,本文定义了独立元贡献度和贡献度矩阵,提出一种改进的子空间检测算法.首先,利用独立元分析(independent component analysis,ICA)算法提取过程变量的独立元信息,通过计算各个独立元在过程变量上的贡献度,构造贡献度矩阵;然后根据贡献度的大小,挑选出对应的变量组成反映不同"源"信息的子空间,并在这些子空间上建立故障检测模型;最后综合以上的多个检测模型,根据实际的需求或者故障的传播特征,确定集成策略,对工业过程进行故障检测.通过在TE(Tennessee Eastman)过程上对21种故障工况和1种正常工况的仿真研究,说明提出的改进算法是有效的.     

基于双权重多邻域保持嵌入的间歇过程故障检测

针对间歇过程数据的动态特性带来的故障检测问题,提出一种双权重多邻域保持嵌入(double weight multiple neighborhoods preserving embedding,DWMNPE)算法.首先,为每个样本点寻找时间近邻来描述样本点之间的时序相关关系;其次,定义角度近邻,并为样本点寻找角度近邻和距离近邻,以表征样本点在空间上的相似性,通过提取这3种不同的流形特征,充分表征数据的局部结构特征;再次,构造一种新的目标函数,在考虑误差最小的同时兼顾3种近邻的顺序信息,可防止NPE算法在计算重构权值时丢失近邻顺序信息,在解决数据动态性的同时充分提取原始数据的本质局部结构;最后,对降维数据构造局部离群因子(local outlier factor,LOF)统计量进行监控,消除数据非高斯特性对监控效果的不利影响.数值例子和青霉素发酵过程仿真结果验证了DWMNPE方法对动态性间歇过程故障检测的有效性.     

基于改进的QBC和CS-SVM的故障检测

针对复杂工业过程样本集中的类不平衡、样本标注代价昂贵和样本孤点的问题,研究基于委员会投票选择(MQBC)和代价敏感支持向量机(CS-SVM)的故障检测方法.给出未标注样本信息度的定义,提出改进的委员会投票选择算法.主动代价敏感学习通过MQBC选择信息度高的未标注样本对其标注并添加到训练集.CS-SVM将不同类样本的误分类赋予不同的误分类代价,从而提高CS-SVM的故障检测率.最后,以铜闪速熔炼过程为例,实验结果验证了所提出方法的有效性.     

基于统计模量和局部近邻标准化的局部离群因子故障检测方法

针对多工况过程数据的批次不等长、中心漂移、工况结构不同等特点,提出基于统计模量和局部近邻标准化的局部离群因子故障检测方法（SP-LNS-LOF）。首先计算每个训练样本的统计模量;然后使用局部近邻集标准化统计模量,得到标准样本;最后计算标准化样本的局部离群因子,并将其作为检测指标,将局部离群因子的分位点作为检测控制限,当在线样本的局部离群因子大于检测控制限时,判定其为故障;否则为正常。统计模量提取过程的主要信息,且消除批次不等长的影响;局部近邻标准化克服工况中心漂移和工况结构不同的困难;局部离群因子度量样本的相似度,实现故障样本和正常样本的分离。进行了半导体蚀刻过程故障检测仿真实验,实验结果表明SP-LNS-LOF检测出了全部21个故障,比主元分析（PCA）、核主元分析（kPCA）、基于k近邻的故障检测（FD-kNN）、局部离群因子（LOF）方法具有更高的检测率。理论分析和仿真实验说明SP-LNS-LOF方法适用于多工况过程故障检测,具有较高的故障检测效率,能保证多工况生产过程的安全性。     

基于时空近邻标准化和局部离群因子的复杂过程故障检测

针对复杂过程数据的非线性、动态性和中心漂移等特征,提出了基于时空近邻标准化和局部离群因子的故障检测方法(TSNS–LOF).首先使用训练样本在时空两个方向上的近邻集来标准化训练样本;然后在标准样本集上计算样本的局部离群因子,并确定其上分位点作为检测控制限,进行在线故障检测.时空近邻标准化解决了复杂过程数据的非线性、动态性和中心漂移的问题;局部离群因子通过度量样本的相似度实现了故障样本和正常样本的分离.将TSNS–LOF应用于田纳西–伊斯曼过程(TE)过程进行故障检测实验,结果表明相对于主元分析、动态主元分析、k近邻、局部离群因子等方法, TSNS–LOF对故障预警更加及时且具有更高的故障检测率.理论分析和仿真实验说明TSNS–LOF方法适用于具有动态性或多模态特性或两者兼具的过程故障检测,能够更好地保障生产过程的安全性和产品的高质量.