一种改进的动态核主元分析故障检测方法

针对复杂工业系统动态非线性故障检测过程精度低和计算量大的问题,提出了一种改进的动态核主元分析故障检测方法，该方法首先利用不可区分度剔除相关程度较小或者不相关变量,减少数据量，然后通过观测值扩展对筛选后的新数据构建增广矩阵，并对矩阵使用核主元分析提取变量数据的非线性空间相关特征，最后通过监测T ²和SPE 两种统计量诊断出系统发生故障及识别故障变量。仿真实验证明，该方法能对风力发电机故障进行有效监测和诊断，与KPCA方法相比，改进的动态核主元分析方法对微小故障更为敏感。     

基于加权统计特征KICA的故障检测与诊断方法

针对核独立元分析（kernel independent component analysis, KICA）在非线性动态过程中对微小故障检测率低的问题,提出一种基于加权统计特征KICA（weighted statistical feature KICA, WSFKICA）的故障检测与诊断方法。首先,利用KICA从原始数据中捕获独立元数据和残差数据;然后,通过加权统计特征和滑动窗口获取改进统计特征数据集,并由此数据集构建统计量进行故障检测;最后,利用基于变量贡献图的方法进行过程故障诊断。与传统KICA统计量相比,所提方法的统计量对非线性动态过程中的微小故障具有更高的故障检测性能。应用该方法对一个数值例子和田纳西-伊斯曼（Tennessee-Eastman, TE）过程进行仿真测试,仿真结果显示出所提方法相对于独立元分析（ICA）、KICA、核主成分分析（kernel principal component analysis, KPCA）和统计局部核主成分分析（statistical local kernel principal component analysis, SLKPCA）检测的优势。     

基于特征样本核主元分析的TE过程快速故障辨识方法

核主元分析（KPCA）在非线性系统的故障检测方面明显优于普通的PCA方法,但存在无法进行故障辨识以及在故障诊断过程常常出现核矩阵K计算困难等难题。针对上述问题,提出了一种基于特征样本核主元分析方法（FS-KPCA）非线性故障辨识方法。首先采用特征样本（FS）提取方法有效解决核矩阵K的计算量问题。然后利用计算核函数的偏导方法求取KPCA监控中每个原始变量对统计量T²和SPE的贡献率,利用每个变量对监控统计量贡献程度的不同,可以辨识出故障源。将上述方法应用到TE过程,仿真结果表明该方法不仅能够有效辨识故障,而且提高了故障检测和辨识速度。     

基于多尺度动态核主元分析的化工过程故障检测

针对化工过程数据的多尺度性和非线性特性,提出一种多尺度动态核主元分析方法.使用小波变换分析数据的多尺度特性,借助核函数来解决非线性映射问题,同时解决了噪声和干扰造成的各变量数据具有时间序列动态性问题.在此基础上,提出一种基于矩阵相似度量的核函数参数选优方法.将上述方法应用于TE模型的故障检测过程中,仿真结果表明,该方法提高了过程性能监视和故障检测的准确性,优于线性主元分析法的检测效果.     

基于改进多尺度主元分析的丙烯聚合过程监测与故障诊断

针对工业过程故障检测问题,提出了一种改进多尺度主元分析方法。首先针对过程数据所具有的随机性、非平稳性及含有大量噪声等特点,提出了一种改进小波变换阈值去噪方法,移除原始过程数据中的大部分高频随机噪声,提高数据的置信度,然后应用小波多尺度分解将每个变量依次分解成逼近系数和多个尺度的细节系数,在各个尺度矩阵建立相应的主元分析模型,以模型统计量控制限为阈值,对小波系数重构得到综合尺度主元分析模型。将该改进多尺度主元分析方法应用于丙烯聚合过程监测与故障诊断研究中,研究结果表明,与传统多尺度主元分析相比,改进多尺度主元分析减少了误报率和漏报率,提高了过程监测与故障诊断的精度。     

基于小波去噪的FVS-KPCA故障检测方法

对于复杂非线性系统,实际得到的数据不可避免地带有噪声、随机干扰,而传统的核主元分析(KP-CA)方法应用于大样本集的故障检测,要计算核矩阵K很困难。为此,提出一种小波去噪与特征矢量选择-核主元分析(FVS-KPCA)相结合的故障检测方法,首先对数据进行小波去噪,再采用特征矢量选择(FVS)与KPCA结合的方法能有效降低故障检测计算的复杂性。把上述方法应用到Tennessee Eastman(TE)化工过程,仿真结果表明该方法能有效地提高故障检测的速度。     

基于非线性动态全局局部保留投影算法的化工过程故障检测

传统基于核映射的非线性故障检测方法的性能受核函数类型和核参数的调优影响较大，且实际工业环境中对过程变量的非线性阶数存在很多物理限制。针对这一问题，提出一种非线性动态全局局部保留投影（nonlinear dynamic global-local preserving projections，NDGLPP）的故障检测算法。该方法首先使用动态全局局部保留投影算法对数据矩阵进行降维；然后对降维后的矩阵建立二阶多项式映射提取非线性空间的相关特性；接着通过迭代这两个步骤以获得高阶非线性映射；最后，将所提方法应用于乙烯精馏过程和Tennessee Eastman（TE）过程仿真中，验证了检测方法的有效性和可行性。     

基于双层局部KPCA的非线性过程微小故障检测方法

针对传统核主元分析(KPCA)方法难以有效检测微小故障的问题,提出一种基于双层局部核主元分析(double-level local kernel principal component analysis,DLKPCA)的非线性过程微小故障检测方法。该方法从变量和样本两个角度来挖掘数据内部的局部信息,以提高故障检测能力。首先,利用变量分块思想,基于不同变量与核主元之间互信息相关度的相似性,将所有过程变量划分多个局部变量块。然后,构建基于得分向量和特征值的残差函数以挖掘样本局部信息。最后利用贝叶斯融合策略对各块的结果进行融合。在田纳西-伊斯曼基准过程的仿真结果表明,在微小故障检测方面,本文所提方法具有比传统KPCA方法更好的故障检测性能。     

基于双层局部KPCA的非线性过程微小故障检测方法

针对传统核主元分析（KPCA）方法难以有效检测微小故障的问题,提出一种基于双层局部核主元分析（double-level local kernel principal component analysis,DLKPCA）的非线性过程微小故障检测方法。该方法从变量和样本两个角度来挖掘数据内部的局部信息,以提高故障检测能力。首先,利用变量分块思想,基于不同变量与核主元之间互信息相关度的相似性,将所有过程变量划分多个局部变量块。然后,构建基于得分向量和特征值的残差函数以挖掘样本局部信息。最后利用贝叶斯融合策略对各块的结果进行融合。在田纳西-伊斯曼基准过程的仿真结果表明,在微小故障检测方面,本文所提方法具有比传统KPCA方法更好的故障检测性能。     

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。     

一种基于改进MPCA的间歇过程监控与故障诊断方法

针对基于不同展开方式的多向主元分析(MPCA)方法在线应用时各自存在的缺陷,提出一种改进的基于变量展开的MPCA方法,实现间歇过程的在线监控与故障诊断。该方法采用随时间更新的主元协方差代替固定的主元协方差进行T²统计量的计算,充分考虑了主元得分向量的动态特性;同时引入主元显著相关变量残差统计量,避免SPE统计量的保守性,且该统计量能提供更详细的过程变化信息,对正常工况改变或过程故障引起的T²监控图变化有一定的识别能力;最后提出一种随时间变化的贡献图计算方法用于在线故障诊断。该方法和MPCA方法的监控性能在一个青霉素发酵仿真系统上进行了比较。仿真结果表明：该方法具有较好的监控性能,能及时检测出过程存在的故障,且具有一定的故障识别和诊断能力。     

基于改进核主成分分析的故障检测与诊断方法

针对传统基于核主成分分析的故障检测方法提取非线性特征时只考虑全局结构而忽略局部近邻结构保持的问题, 提出基于改进核主成分分析的故障检测与诊断方法。改进核主成分分析方法将流形学习保持局部结构的思想融入核主成分分析的目标函数中, 使得到的特征空间不仅具有原始样本空间的整体结构, 还保持样本空间相似的局部近邻结构, 可以包含更丰富的特征信息。在此基础上, 本文使用改进核主成分分析方法把原始变量空间映射到特征空间, 使用费舍尔判别分析在特征空间中构建距离统计量并通过核密度估计确定其控制限, 进一步利用相似度的性能诊断方法识别发生的故障类型。采用Tennessee Eastman过程故障检测数据集进行的仿真实验表明所提方法可以取得较好的效果。     

基于主元分析的FPSO故障检测与诊断

应用基于主元分析的故障诊断方法对浮式油轮生产储油卸油系统(FPSO)进行故障检测与诊断研究.选取FPSO油气水分离系统的18个主要过程监控变量为研究对象,通过对系统历史数据进行预处理分析,建立主元模型;利用主元模型对仿真实时数据进行故障检测,应用SPE统计法和Hotelling统计法判断系统是否发生故障;使用贡献图法实现故障分离.研究结果表明:基于主元分析的故障诊断方法可以准确地对FPSO生产过程的早期故障进行检测和诊断;且对于系统的细小扰动,动态主元分析法的故障诊断能力优于主元分析法.     

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MSPCA-KECA的冷水机组故障监测及诊断

针对冷水机组同类型不同等级故障的变量变化存在差异会造成误诊断的问题，提出一种基于多尺度主元分析-核熵成分分析（MSPCA-KECA）的故障诊断策略。MSPCA提取故障特征，其输出作为KECA分类器的输入，实现故障的实时监测与自动诊断。首先，改进的MSPCA算法通过将小波多尺度分析与主元分析相结合，筛选故障信息可能存在的尺度直接重构并采用PCA提取故障特征，获取不同类型故障之间差异的同时也保留了同类型但不同等级故障之间的相似性，提高故障诊断的可靠性。之后建立KECA非线性分类器并引入一种新的监测统计量--散度测度统计量，使降维后不同特征信息之间呈现显著的角度差异，易于分类。最后，采用支持向量数据描述（SVDD）算法确定新统计量的控制限，以克服无法获知统计量分布的问题。通过对冷水机组数据的仿真研究，验证了MSPCA-KECA方法的可行性及有效性。     

基于MSPCA-KECA的冷水机组故障监测及诊断

针对冷水机组同类型不同等级故障的变量变化存在差异会造成误诊断的问题,提出一种基于多尺度主元分析-核熵成分分析(MSPCA-KECA)的故障诊断策略。MSPCA提取故障特征,其输出作为KECA分类器的输入,实现故障的实时监测与自动诊断。首先,改进的MSPCA算法通过将小波多尺度分析与主元分析相结合,筛选故障信息可能存在的尺度直接重构并采用PCA提取故障特征,获取不同类型故障之间差异的同时也保留了同类型但不同等级故障之间的相似性,提高故障诊断的可靠性。之后建立KECA非线性分类器并引入一种新的监测统计量——散度测度统计量,使降维后不同特征信息之间呈现显著的角度差异,易于分类。最后,采用支持向量数据描述(SVDD)算法确定新统计量的控制限,以克服无法获知统计量分布的问题。通过对冷水机组数据的仿真研究,验证了MSPCA-KECA方法的可行性及有效性。     

基于最小充分统计量模式分析的故障检测方法

统计量模式分析（SPA）最近在故障检测领域取得了广泛应用,其实质是用数据的统计量矩阵来代替原始数据矩阵进行故障检测,然而其统计量的选取存在盲目性且各统计量之间存在复杂的非线性关联关系,难以满足后续应用主成分分析（PCA）完成故障检测所需的基本条件。为了解决这个问题,提出了基于最小充分统计量模式分析的故障检测方法（MSSPA）。该方法首先将原始数据矩阵进行正交变换以消除变量之间的关联性,然后估计出每个变量的概率密度函数或者多个变量的联合概率密度函数,进而求出原始数据的最小充分统计量,并用最小充分统计量来构造统计量矩阵。最小充分统计量的引入还能够有效应对数据的非高斯分布问题。最后,通过在TE过程上的仿真测试验证了该方法用于故障检测的可行性和有效性。     

基于最小充分统计量模式分析的故障检测方法

统计量模式分析(SPA)最近在故障检测领域取得了广泛应用,其实质是用数据的统计量矩阵来代替原始数据矩阵进行故障检测,然而其统计量的选取存在盲目性且各统计量之间存在复杂的非线性关联关系,难以满足后续应用主成分分析(PCA)完成故障检测所需的基本条件。为了解决这个问题,提出了基于最小充分统计量模式分析的故障检测方法(MSSPA)。该方法首先将原始数据矩阵进行正交变换以消除变量之间的关联性,然后估计出每个变量的概率密度函数或者多个变量的联合概率密度函数,进而求出原始数据的最小充分统计量,并用最小充分统计量来构造统计量矩阵。最小充分统计量的引入还能够有效应对数据的非高斯分布问题。最后,通过在TE过程上的仿真测试验证了该方法用于故障检测的可行性和有效性。