基于邻域保持嵌入和标准距离K近邻的多模态过程故障检测

提出一种基于邻域保持嵌和标准距离K近邻(neighborhood preserving embedding-standard distance k nearest neighbor rule, NPE-SDKNN)的故障检测方法来解决非线性和多模态问题。首先,使用邻域保持嵌入方法提取数据中的流形结构,对数据进行降维;其次,在低维空间计算每个样本的标准距离,将各模态间的数据调整到同一尺度;最后使用标准距离的统计量对故障进行检测。邻域保持嵌入能够解决非线性问题和降低计算复杂度,标准距离K近邻通过用标准距离替代原始距离,消除了数据的多模态特征,使用NPE-SDKNN方法进行故障检测,能够提高多模态数据的故障检测率。在田纳西伊斯曼过程运用NPE-SDKNN方法,结果表明,相对于K近邻、主元分析、邻域保持嵌入、标准距离K近邻方法,NPE-SDKNN具有更高的故障检测率。     

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.     

基于密度标准误差的局部保持投影故障检测策略

针对协方差结构具有显著差异的多模态过程故障检测问题,本文提出一种基于密度标准误差的局部保持投影故障检测策略(LPP-DSE).首先,根据样本距离矩阵确定样本截止距离;接下来,应用截止距离计算每个样本的本质密度及其前k近邻样本的估计密度;最后,通过样本的密度误差及其k近邻密度的标准差构建统计量并完成过程监控.本文方法通过应用局部保持投影(LPP)对过程数据进行维数约减可以保证过程监控的及时性;同时,通过设计密度标准误差(DSE)统计量可以有效提高多模态过程的故障检测率.此外,本文给出基于贡献图的诊断方法能够准确识别故障发生的原因.通过数值例子和半导体工业实例测试,并与主元分析、邻域保持嵌入、局部保持投影、k近邻故障检测等方法比较,实验结果进一步验证了LPP-DSE方法的有效性.     

基于DKNPE方法的故障检测

针对传统方法对非线性或多模态间歇过程的故障检测率低的问题,提出一种基于K近邻邻域保持嵌入得分差分（difference of K nearest neighbors score associated with neighborhood preserving embedding,DKNPE）的健康状态监视方法。首先,通过NPE方法计算训练数据集的得分矩阵,称其为样本的本质得分。然后,在训练数据集计算每个样本的K近邻均值,并将其投影到低维空间以获得样本的估计得分。接下来,在差分子空间（diffe-rence subspaces,DS）和差分残差子空间（difference residual subspaces,DRS）中分别建立两个新的统计量对样本进行过程监控。将本方法在两个模拟数值例子和半导体蚀刻过程中进行测试,并与PCA、FD-KNN和NPE等传统方法进行对比分析, 测试结果验证了该方法的有效性。     

基于标准距离k近邻的多模态过程故障检测策略

工业产品的生产经常需要在不同模态间切换,多模态过程数据具有多中心和方差差异大等特点.针对多模态过程数据的特征,通过构造标准距离,提出了基于标准距离k近邻的故障检测策略(SD–kNN).首先在标准距离度量下计算样本与其前k近邻的距离;其次将近邻距离的平方和的均值作为样本的统计量D~2;最后,根据D~2的分布确定检测方法的控制限,当新样本的D~2大于控制限时,判定其为故障,否则为正常.标准距离使不同模态中样本间的近邻距离能够在同一尺度下度量,使得SD–kNN的D~2能够准确反映样本间的相似程度.进行了数值模拟过程和青霉素发酵过程故障检测实验. SD–kNN方法检测出了数值模拟过程的全部故障和青霉素过程95%以上的故障,相对于PCA, kPCA, FD–kNN等方法具有更高的故障检测率. SD–kNN继承了FD–kNN对一般多模态过程的故障检测能力,还能够对方差差异显著的多模态过程进行故障检测.     

基于局部保持投影–加权k近邻规则的 多模态间歇过程故障检测策略

针对多模态间歇过程故障检测问题,本文提出一种基于局部保持投影–加权k近邻规则(LPP--Wk NN)的故障检测策略.首先,应用局部保持投影(LPP)方法将原始数据投影到低维主元子空间;接下来,在主元子空间中,应用样本第k近邻的局部近邻集确定每个样本的权重并计算权重统计量Dw;最后,应用核密度估计方法确定Dw控制限并进行故障检测.本文方法应用LPP对过程数据进行维数约减,既能够降低训练过程中离群点对模型的影响,又能够降低在线故障检测的计算复杂度.同时,加权k近邻规则(Wk NN)方法通过引入权重规则能够使得过程故障检测统计量分布具有单模态结构.相比传统的k NN统计量,本文引入的权重统计量具有更高的故障检测性能.通过数值例子和半导体蚀刻过程的仿真实验,并与主元分析(PCA), k NN, Wk NN, LPP--k NN等方法进行比较,实验结果验证了本文方法的有效性.     

正交化近邻关系保持的降维及分类算法

针对近邻关系保持嵌入（NPE）算法易于受到降低后的维数影响,而且性能依赖于正确的维数估计的问题,提出了一种正交化的近邻关系保持的嵌入降维方法——ONPE。ONPE方法是使用数据点间的近邻关系来构造邻接图,假设每个数据点都能由其近邻点的线性组合表示,则可以通过提取数据点的局部几何信息,并在降维中保持提取的局部几何信息,迭代地计算正交基来得到数据的低维嵌入坐标。同时,在ONPE算法的基础上,利用局部几何信息,提出了一种在低维空间中使用标签传递（LNP）的分类算法——ONPC。其是假设高维空间中的局部近邻关系在降维后的空间中依然得到保持,并且数据点的类别可由近邻点的类别得到。在人工数据和人脸数据上的实验表明,该算法在减少维数依赖的同时,能有效提高NPE算法的分类性能。     

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.     

局部近邻标准化偏最小二乘的多模态间歇过程故障检测

本文针对多模态间歇过程数据多中心和模态方差差异明显的问题,提出了一种基于局部近邻标准化偏最小二乘方法.首先,采用统计模量方法处理间歇过程数据,再利用局部近邻标准化方法将统计模量后的训练数据进行高斯化处理,建立偏最小二乘监控模型,确定控制限;然后,同样对统计模量后的测试数据进行局部近邻标准化处理,再计算测试数据的高斯偏最小二乘监控指标,进行过程监视及故障检测.最后,通过数值实例和青霉素发酵过程验证方法有效性.实验结果表明所提方法解决了故障样本近邻集跨模态问题,对多模态数据具有更好的故障检测能力.     

基于改进近邻标准化主多项式的故障检测研究

针对过程数据的多模态和非线性的特征,提出了改进的局部近邻标准化和PPA结合的过程故障检测方法.首先寻找每个样本的第一近邻样本,再寻找第一近邻样本的局部前k近邻集,用近邻集的均值和标准差进行数据标准化,最后使用主多项式分析(PPA)对标准化处理后的数据建模,计算T2和SPE统计量,并确定控制限进行故障检测.主多项式分析使...     

基于LPD-NMF的多模态过程监视

为了提高NMF方法在方差差异明显的多模态过程中的监视效果,提出一种基于LPD-NMF的多模态过程监视方法.对多模态过程训练数据运用局部概率密度(LPD)进行预处理,消除方差差异明显的多模态特性.运用非负矩阵分解算法进行降维和局部特征提取,计算每个低维样本与其k个近邻欧氏距离的平方和,使用核密度估计(KDE)算法来确定控制限进行多模态过程监视.将该方法应用于数值例子和半导体数据,结果表明,其过程监视结果优于常规kNN、WkNN和LPD-kNN方法.     

基于SP-LNS-kNN的半导体生产过程故障检测方法研究*

半导体生产过程是典型的间歇过程,针对其过程数据的多模态、多阶段、模态结构不同和批次不等长等特点,提出了基于统计模量的局部近邻标准化和k近邻相结合的故障检测方法(SP-LNS-kNN)。首先计算样本的统计模量,其次对样本的统计模量使用其局部K近邻集进行标准化,最后计算样本与其前k近邻距离,得到平均累积距离D作为检测指标,进而对工业过程故障进行在线检测。统计模量保留了数据的主要信息,将二维样本数据简化为一维数据。局部近邻标准化可以有效降低中心漂移、模态结构差异明显的影响。SP-LNS-kNN不仅能够对大故障实现检测,并且能够提高对小模态的微弱故障的检测能力。使用SP-LNS-kNN对一个实际半导体生产过程数据进行故障检测实验,并将实验结果与PCA、kPCA、LOF和FD-kNN方法的结果进行对比分析,验证了本文方法的有效性。     

高维数据离群点检测的局部线性嵌入方法

由于高维空间中数据点比较稀疏,用传统方法来检测高维空间中的离群点不能达到预期效果。提出了一种基于局部线性嵌入的离群点检测方法（OLLE）。在OLLE降维方法中,建立了一种有效的粗糙集模型,使数据集的下近似中的点保持局部线性结构。同时构造两个权重,使所有样本点保持局部近邻结构,且保证在降维的过程中使离群点远离正常点。最后,在低维空间中,采用基于最小生成树的k-最近邻启发式方法来检测离群点。通过一系列的模拟实验,证明OLLE方法能达到很好的降维效果,并且在低维空间中可以有效地检测出离群点。     

动态局部邻域主多项式分析故障检测研究

针对复杂工业过程中存在的动态性、多模态及非线性等特征,提出一种动态局部邻域主多项式分析(DNSPPA)的故障检测算法。首先,设置一定长度的时间窗来描述样本点之间的时序相关关系;其次,寻找时间窗内样本在空间方向上的局部近邻集,利用近邻集对数据样本进行标准化处理;最后,在标准化处理后的数据上建立PPA模型,计算统计量并确立控制限进行故障检测。DNSPPA方法能解决复杂工业过程中的动态时序问题和多模态数据中心漂移的问题,从而降低多模态结构对PPA检测性能的影响。使用具有动态特征的多模态非线性数值例子和青霉素数据对DNSPPA方法进行仿真测试,并与主元分析法(PCA)、主多项式分析法(PPA)进行对比,仿真结果表明,DNSPPA方法能更加及时地检测到故障,且故障检测率较高。     

相关NPE算法的人脸识别研究

传统的近邻保持嵌入(NPE)算法采用欧氏距离作为近邻点选取的度量,但欧氏距离只表示两点间的直线距离,在高维空间中不一定能反映数据间的真实空间分布,易导致近邻选取不准确.针对此问题,提出了相关近邻NPE(CNPE)算法.该方法利用相关系数度量数据间的近邻关系,实现更准确的局部重构,提取更有效的鉴别特征.在CMU PIE人脸数据集上的实验结果表明,提出的CNPE算法比NPE、LLE、LPP拥有更高的识别率.CNPE算法增加了近邻为同类的概率,能更有效地实现人脸识别.     

基于独立元的k近邻故障检测策略

k近邻故障检测(fault detection based on k nearest neighbors,FD–k NN)方法能够提高具有非线性和多模态特征过程的故障检测率.由于系统故障通常由潜隐变量异常变化引起,而该类型故障并不能被观测数据直观表现,因此直接在观测变量上执行FD–k NN方法,其故障检测率降低.本文旨在提高FD–k NN方法针对潜隐变量故障的检测能力,提出基于独立元的k近邻故障检测方法.首先,通过对观测数据应用独立元分析(independent component analysis,ICA)方法,获得独立元矩阵;接下来在独立元矩阵中应用FD–k NN方法进行故障检测.这等同于直接监控过程潜隐变量的变化,可以提高过程故障检测率.通过非线性实例仿真实验,证明本文方法检测潜隐变量故障是有效的;同时,在半导体蚀刻工艺过程的仿真实验中,与主元分析(principal component analysis,PCA)方法、核主元分析(kernel principal component analysis,KPCA)方法、基于主元分析的k近邻故障检测(principal component–based k nearest neighbor rule for fault detection,PC–k NN)方法和FD–k NN方法进行对比,实验结果进一步验证了本文方法的有效性.     

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。     

KNPE算法在化工过程故障检测中的应用

化工生产过程具有维数高、非线性强等特点。针对传统的邻域保持嵌入(NPE)算法对非线性数据特征提取不足的缺陷,引入高斯核函数,将数据由非线性的输入空间转换到线性的特征空间。核邻域保持嵌入(KNPE)算法在构建局部空间特征结构的基础上,能够更好地提取数据的非线性结构。通过以田纳西-伊斯曼(TE)仿真过程为例,构造T2和SPE统计量进行故障检测,证明了KNPE方法比NPE和KPCA方法能够更快更准确的检测出非线性故障的发生。     

基于扩散K近邻距离的间歇过程故障诊断

针对间歇过程多模态、变量非线性、非高斯分布等特征,提出一种基于扩散K近邻距离的故障诊断方法.该方法首先在样本集完全图中应用马尔科夫随机游走定义带有分量权重的扩散距离,可以有效提取数据样本的关联信息和统计特征,然后应用K近邻规则方法对样本数据进行故障诊断.这种应用扩散距离替换传统K近邻规则欧式距离的统计方法,既可以提升对数据样本关联性信息的有效提取能力,又可以使得K近邻规则处理非线性、多模态检测问题的性能得以保持.通过在半导体蚀刻批次过程中的仿真应用,与传统线性、非线性方法的对比分析,实验结果验证了方法的有效性.