基于互信息的分散式动态PCA故障检测方法

对现代大型复杂动态过程来讲,不同测量变量会存在不同的序列相关性,而且变量间的相互影响会体现在不同的采样时刻上。为此,结合利用分散式建模的优势,提出一种基于互信息的分散式动态过程故障检测方法。该方法在对每个测量变量都引入多个延时测量值后,利用互信息为每个变量区分出与其相关的测量值,并建立起相应的变量子块。这种变量分块方式使每个变量子块都能充分地获取与之相对应的自相关性与交叉相关性信息,较好地处理了数据的动态性问题。然后,利用主元分析（PCA）算法对每一变量子块进行统计建模从而建立起适于大规模动态过程的多模块化的故障检测模型。最后,通过实例验证该方法用于动态过程监测的可行性和有效性。     

基于变量子域PCA的故障检测方法

针对工业过程监控中传统主元分析（PCA）方法没有突出局部变量信息的问题,提出一种基于变量子域PCA（variable sub-region PCA,VSR-PCA）的故障检测方法。首先使用PCA将原始数据空间分解成主元子空间（principal component subspace,PCS）和残差子空间（residual subspace,RS）,计算变量与PCS的互信息来度量两者的相关性并以此划分变量子域。然后在变量子域中计算局部T²统计量和局部SPE统计量,并通过贝叶斯推理整合所有子域的信息构造全局统计量,使得在利用所有过程信息的同时挖掘局部变量信息。在连续搅拌反应釜系统上的仿真结果表明,VSR-PCA方法具有更好的过程监控性能。     

基于变量子域PCA的故障检测方法

针对工业过程监控中传统主元分析(PCA)方法没有突出局部变量信息的问题,提出一种基于变量子域PCA(variable sub-region PCA,VSR-PCA)的故障检测方法。首先使用PCA将原始数据空间分解成主元子空间(principal component subspace,PCS)和残差子空间(residual subspace,RS),计算变量与PCS的互信息来度量两者的相关性并以此划分变量子域。然后在变量子域中计算局部T2统计量和局部SPE统计量,并通过贝叶斯推理整合所有子域的信息构造全局统计量,使得在利用所有过程信息的同时挖掘局部变量信息。在连续搅拌反应釜系统上的仿真结果表明,VSR-PCA方法具有更好的过程监控性能。     

基于互信息的PCA方法及其在过程监测中的应用

主元分析(PCA)是一种经典的特征提取方法,已被广泛用于多变量统计过程监测,其算法的本质在于提取过程数据各变量之间的相关性。然而,传统PCA算法中定义的相关性矩阵局限于计算变量间的线性关系,无法衡量两个变量间相互依赖的强弱程度。为此,提出一种新的基于互信息的PCA方法(MIPCA)并将之应用于过程监测。与传统PCA所不同的是,MIPCA通过计算两两变量间的互信息来定义相关性,将原始相关性矩阵取而代之为互信息矩阵,并利用该互信息矩阵的特征向量实现对过程数据的特征提取。在此基础上,可以建立相应的统计监测模型。最后,通过实例验证MIPCA用于过程监测的可行性和有效性。     

PCA过程监测方法的故障检测行为分析

通过分别导出T2 和SPE统计量均值与过程数据统计参数之间的关系 ,分析了影响主元分析 (PCA)检测行为的因素以及工况变化与故障在PCA下的不同被检测行为 ,利用双效蒸发过程的仿真监测验证了获得的结果 ,指出了通常关于PCA检测行为的一些不准确的结论     

一种基于改进局部熵PCA的工业过程故障检测方法

针对工业过程的多模态和非高斯特性,提出一种基于改进局部熵主元分析(ILEPCA)的故障检测方法。引入k近邻的均值对局部概率密度函数进行改进,构造改进的局部熵数据剔除多模态和非高斯特性。对改进的局部熵数据建立主元分析(PCA)模型,根据核密度估计计算控制限。对于测试数据,运用改进的局部熵算法预处理后,向PCA模型上投影,计算统计量。通过比较统计量与控制限来进行故障检测。把该方法应用到数值例子和半导体过程故障检测,仿真结果表明,与PCA、核主元分析(KPCA)和局部熵PCA (LEPCA)相比,ILEPCA算法在具有多模态和非高斯特性的工业过程故障检测中具有明显的优越性。     

基于多块信息提取的PCA故障诊断方法

传统的监控方法往往只利用传感器观测值信息进行过程的故障监测，而忽略了原始数据中包含的其他有效信息。为此，提出一种基于多块信息提取的PCA故障监测算法。首先，对过程变量的累计误差和变化率信息进行定义，从而能够从数据中提取新的特征信息，并基于每种特征将过程划分为3个子块；然后，利用PCA方法对每个子块进行建模与监测，通过贝叶斯方法对监测结果进行融合；最后，提出一种基于加权贡献图的故障诊断方法，分离出引发故障的源变量。通过数值例子与田纳西-伊斯曼（TE）过程监控中的应用证明了所提方法的有效性与可行性。     

基于多块信息提取的PCA故障诊断方法

传统的监控方法往往只利用传感器观测值信息进行过程的故障监测,而忽略了原始数据中包含的其他有效信息。为此,提出一种基于多块信息提取的PCA故障监测算法。首先,对过程变量的累计误差和变化率信息进行定义,从而能够从数据中提取新的特征信息,并基于每种特征将过程划分为3个子块;然后,利用PCA方法对每个子块进行建模与监测,通过贝叶斯方法对监测结果进行融合;最后,提出一种基于加权贡献图的故障诊断方法,分离出引发故障的源变量。通过数值例子与田纳西-伊斯曼(TE)过程监控中的应用证明了所提方法的有效性与可行性。     

基于故障敏感主元的多块PCA故障监测方法

为了解决传统主元分析(PCA)故障监测方法中主元选择不合理问题,提出一种基于故障敏感主元的多块PCA故障监测方法。该方法基于正常工况数据集进行PCA分解,得到投影方向与特征值;定义一种故障敏感程度系数作为新的主元排序准则,以选择出每个变量方向上故障监测最敏感的主元;并建立相应的子模型,计算其监测统计量,利用贝叶斯信息准则(BIC)对监测结果进行融合。通过对田纳西伊斯曼(TE)过程和高炉炼铁过程中的应用仿真,结果表明所提方法有效地选取了主元,并且提升了故障监测模型的精度。     

基于异步PCA的故障识别方法

针对传统的主元分析(PCA)方法仅考虑变量间同步相关性的问题,提出一种基于异步PCA的故障识别方法。该方法首先利用导数动态时间规整(DDTW)从待识别故障数据集的关键变量序列和历史故障数据集的故障变量序列中获得最优规整路径,将最优规整路径上的元素扩展为反映关键变量序列和故障变量序列之间异步相关性的新序列,然后对新变量序列的协方差矩阵进行特征值分解获得负荷矩阵,最后根据负荷矩阵中关键变量序列和故障变量序列的低维表示向量之间的相似性识别故障。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识别性能优于传统的PCA相似系数法。     

基于动态稀疏保局投影的故障检测方法

针对保局投影(locality preserving projections,LPP)没有考虑过程数据的全局信息和动态性的问题,提出一种新的基于动态稀疏保局投影(dynamic sparse locality preserving projections,DSLPP)的故障检测方法。该方法首先将原始数据矩阵扩展为考虑时序相关的增广矩阵,然后通过求解最优稀疏表示(sparse representation,SR)问题,得到能够表示数据全局稀疏重构关系的稀疏系数矩阵,并将其与LPP算法结合,构建综合考虑数据局部和全局关系的目标函数进行数据降维,最后分别在特征空间和残差空间构造T²统计量和Q统计量进行故障检测。TEP的仿真结果表明,与LPP方法相比,新方法能更迅速检测故障发生并降低过程监控漏报率。     

基于加权互信息主元分析算法的质量相关故障检测

质量相关的故障检测已成为近几年研究热点,它的目标是在过程监测中,对质量相关的故障检测率更高,对质量无关的故障少报警或不报警。传统主元分析算法的故障检测会对所有故障均报警,不能达到上述要求。另外,在实际工业生产中,质量变量通常难以实时获得,需要后续分析或延时得到。为此,提出一种融合贝叶斯推断与互信息的加权互信息主元分析算法。首先利用贝叶斯推断的加权方法将度量过程变量和质量变量之间相关关系的互信息进行融合,选出包含质量变量信息量最大的一组过程变量。然后对过程变量利用主元分析(principal component analysis,PCA)进行统计建模,再次根据加权互信息选出包含质量变量信息量最大的主元,建立统计量进行故障检测。最后,通过实验验证该方法的可行性和有效性。     

基于加权互信息主元分析算法的质量相关故障检测

质量相关的故障检测已成为近几年研究热点,它的目标是在过程监测中,对质量相关的故障检测率更高,对质量无关的故障少报警或不报警。传统主元分析算法的故障检测会对所有故障均报警,不能达到上述要求。另外,在实际工业生产中,质量变量通常难以实时获得,需要后续分析或延时得到。为此,提出一种融合贝叶斯推断与互信息的加权互信息主元分析算法。首先利用贝叶斯推断的加权方法将度量过程变量和质量变量之间相关关系的互信息进行融合,选出包含质量变量信息量最大的一组过程变量。然后对过程变量利用主元分析（principal component analysis,PCA）进行统计建模,再次根据加权互信息选出包含质量变量信息量最大的主元,建立统计量进行故障检测。最后,通过实验验证该方法的可行性和有效性。     

基于联合互信息的动态软测量方法

针对工业过程中普遍存在的时延特性和动态特性,提出一种基于联合互信息的动态软测量方法.以联合互信息最大化作为准则,从各辅助变量的历史输入数据矩阵中选取一个连续子变量集,组成包含过程时延信息和动态信息的新数据集,进而确定各辅助变量的时延参数、历史数据长度.各辅助变量参数完全基于过程历史数据确定,与后续软测量模型的建立无关,因此建立动态软测量模型的形式可根据对象非线性程度自主选择.针对实际脱丁烷塔塔底丁烷浓度软测量的仿真研究验证了方法的有效性.     

基于双近邻标准化和PCA的多阶段过程故障检测

现代工业产品的生产往往需要多个生产阶段,多阶段生产过程的故障检测成为一个重要问题。多阶段过程数据具有多中心、各工序数据结构不同等特征。针对多阶段过程数据的特征,提出了基于双近邻标准化和主元分析的故障检测方法(DLNS-PCA)。首先寻找样本的双层局部近邻集;其次使用双层局部近邻集的信息标准化样本,得到标准样本;最后在标准样本集上使用主元分析方法进行故障检测。双局部近邻标准化能够将各阶段数据的中心平移到同一点,并且调整各阶段数据的离散程度,使之近似相等,从而将多阶段过程数据融合为服从单一多元高斯分布的数据。进行了青霉素发酵过程故障检测实验,实验结果表明DLNS-PCA方法相对于PCA、KPCA、FDk NN等方法对多阶段过程故障具有更高的检测率。DLNS-PCA方法提高了多阶段过程故障检测能力。     

基于双近邻标准化和PCA的多阶段过程故障检测

现代工业产品的生产往往需要多个生产阶段,多阶段生产过程的故障检测成为一个重要问题。多阶段过程数据具有多中心、各工序数据结构不同等特征。针对多阶段过程数据的特征,提出了基于双近邻标准化和主元分析的故障检测方法（DLNS-PCA）。首先寻找样本的双层局部近邻集;其次使用双层局部近邻集的信息标准化样本,得到标准样本;最后在标准样本集上使用主元分析方法进行故障检测。双局部近邻标准化能够将各阶段数据的中心平移到同一点,并且调整各阶段数据的离散程度,使之近似相等,从而将多阶段过程数据融合为服从单一多元高斯分布的数据。进行了青霉素发酵过程故障检测实验,实验结果表明DLNS-PCA方法相对于PCA、KPCA、FDkNN等方法对多阶段过程故障具有更高的检测率。DLNS-PCA方法提高了多阶段过程故障检测能力。     

基于核主角的故障检测方法

基于主元分析（PCA）的统计检测方法已经被广泛应用于各种化工过程的故障检测和识别.移动主元分析（moving principal component analysis,简称MPCA）算法基于PCA,根据主元子空间的变化来判断故障是否发生.然而,基于主元分析的统计检测方法是线性方法,无法有效应用于非线性系统.因此,提出一种适合于非线性系统的故障检测方法——基于核主角(kernel principal angle,简称KPA)的故障检测方法,其基本思想与MPCA相似,主要内容包括构建特征子空间和核主角测量两部分.TE过程故障检测仿真实验证明,基于核主角的故障检测方法优于传统的多元统计检测方法（cMSPC）和MPCA.     

基于独立成分的动态多变量过程的故障检测与诊断方法

化工过程中存在大量测量变量,这些变量一般不是相互独立的,而是由少数必要的潜隐变量驱动,这些潜隐变量通过独立成分分析方法（ICA）抽取出来,可用于故障检测和监控.在基于ICA的故障检测和监控基础上提出一种故障诊断方法——字符串匹配方法,此种方法仅由数据驱动,既不需要训练数据也不需要建立过程模型,实施起来简单方便.通过在TE仿真模型上的应用,表明了此方法的有效性.     

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。     

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。