基于改进偏最小二乘法的多模态过程故障检测方法

针对传统的数据驱动方法偏最小二乘法（PLS）中存在的多模态数据故障检测效果不佳的问题,提出了一种新的故障检测方法——基于局部近邻标准化（LNS）的PLS（LNS-PLS）。首先,利用LNS方法对原始数据进行高斯化处理,在此基础上建立PLS的监控模型,确定T²和平方预测误差（SPE）的控制限;其次,对测试数据同样进行LNS标准化处理,再计算出测试数据的PLS监控指标来进行过程监视及故障检测,解决了PLS中无法处理多模态的问题。将所提方法应用于数值例子和青霉素生产过程,并将其测试结果与主成分分析（PCA）、K最近邻（KNN）、PLS等方法进行对比分析。实验结果表明,所提方法的故障检测效果优于PLS、KNN、PCA,该方法在分类及多模态过程故障检测方面有较高的准确性。     

基于偏最小二乘的质量相关多模态故障检测技术

偏最小二乘(PLS)算法通常适用于稳定工况下的工业过程故障检测.在日趋复杂的工业过程中,过程数据通常不满足正态分布,存在非线性、动态、多模态等问题.针对多模态问题,已有大量模态区分方法可用,但这些方法都未考虑质量相关因素,因此并不适用于质量相关类算法.为此,针对质量相关类算法提出新的质量相关模态区分规则,该规则通过核模糊聚类对添加线性递增时间变量的数据在时间方向上进行初步的聚类,再通过质量相关指标进一步准确划分模态;同时,过程复杂化导致静态控制限不能满足故障检测的需求,现存的动态控制限适用范围具有一定的局限性,可通过改进动态控制限将其推广为广义动态综合控制限.实验中,先是基于两种非线性偏最小二乘模型将新方法应用于青霉素发酵过程故障检测中,极大减少了漏报率和误报率.最后,通过数值仿真实验验证了添加线性递增时间变量的合理性.     

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.     

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。     

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。     

基于TSNS-RAE的多模态过程故障检测

根据多模态工业生产过程的数据特点,提出基于时空近邻标准化和鲁棒自编码器(TSNS-RAE)的故障检测方法;TSNS处理数据时同时考虑了样本的时间近邻和空间近邻,可以消除数据动态性和多模态特征;相比于普通的自编码器,鲁棒自编码器提升了模型的抗噪性和鲁棒性,具有更好的提取非线性特征的能力;TSNS-RAE模型将原始数据空间分成模型空间和残差空间两部分,选择残差空间的SPE统计量作为监控统计量,通过数值案例和青霉素实验来验证TSNS-RAE的可行性。     

基于偏最小二乘得分重构的质量相关故障检测

偏最小二乘(PLS)作为一种典型的多元统计分析方法被广泛用于多变量统计过程监测,通常要求数据满足高斯–马尔科夫定理.当数据存在多模态或过程变量非线性相关时,基于PLS方法的故障检测性能将受到影响.为此,本文提出一种基于PLS得分重构的故障检测方法(SR–PLS).首先,利用PLS将输入空间分解为质量相关空间与质量无关空间;其次,利用类k邻近规则(k NN)对当前得分向量进行重构,得到重构得分向量;最后利用重构得分构造统计量,由核密度估计(KDE)得到控制限,进行故障检测.本方法降低了变量间的非线性与数据多模态对过程故障检测的影响,提高了故障检测率.将所提方法应用于两个数值仿真例子与田纳西伊士曼过程(TEP),并与PLS,KPLS, LNS–PLS进行对比分析,证明该算法的优越性与有效性.     

基于LNS-DEWKECA算法的多模态工业过程故障检测

受市场需求主导,工业过程需要在多种工作模态下切换,数据往往呈现多模态复杂分布特性,研究多模态的故障检测技术对于保障工业过程的安全运行具有重要意义.为此,提出一种基于局部近邻标准化(LNS)和方向熵加权核熵成分分析(DEWKECA)的故障检测算法.利用LNS实现多模态数据的标准化,相比于全局标准化,LNS可以有效消除多模态特性;考虑到故障样本与正常样本在变化趋势上的差异,定义样本变化方向的信息熵为方向熵,用来衡量样本变化方向的无序程度,从而利用DEWKECA实现数据降维,可以更有效提取数据变化方向特征;考虑到多模态数据往往服从非高斯分布,采用局部离群因子(LOF)算法建立监控统计量,根据核密度估计确定其控制限.最后,通过数值例子及TE过程仿真验证所提出算法的有效性.     

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.     

基于动态多向局部离群因子的在线故障检测*

针对化工间歇生产过程的多模态问题,为了提高故障检测性能,将滑动窗口技术与局部离群因子(LOF)算法相结合,提出了一种新的动态多向局部离群因子(Dynamic Multiway Local Outlier Factor,DMLOF)用于工业过程在线故障检测的方法。首先将间歇过程数据展开成二维数据,利用滑动窗口技术分别在时间片内运用局部离群因子算法计算LOF统计量,并利用核密度估计(KDF)确定控制限。其次,对于新来数据标准化处理后分别在相应窗口内投影,确定新数据的LOF统计量并与控制限比较进行故障检测。最后通过青霉素发酵过程的仿真实验结果验证了该算法的有效性。     

基于局部信息增量与MPLS的质量相关故障检测方法

在工业生产中,对系统进行故障检测具有十分重要的作用.改进的偏最小二乘(modified partial least squares,MPLS)是在PLS基础上提出的一种扩展算法,在质量相关故障检测中具有良好的检测效果,但当测试数据中含有质量无关故障时,MPLS算法漏报率较高.另外,MPLS算法的阈值为固定值会导致其误报...     

基于正交信号修正与高效偏最小二乘的质量相关故障检测方法

偏最小二乘(PLS)是一种广泛应用于多变量统计过程监控中的有效算法,高效偏最小二乘(EPLS)是近年提出的一种PLS改进算法,在质量相关故障检测中具有良好的检测效果,但当测试数据含有质量无关故障时, EPLS算法的误报率偏高,可能导致误报警,对工业过程中的故障检测有较大影响.为降低检测质量无关故障的误报率,将EPLS结合4种正交信号修正(OSC)方法提出4种OSC-EPLS算法.用质量无关故障样本建立OSC模型对在线监测数据进行预处理,将处理后的信息用EPLS算法进行故障检测,误报率明显降低.最后结合田纳西-伊斯曼工业过程,应用OSC-EPLS、PLS、EPLS算法进行故障检测,分别比较误报率和有效报警率的大小,体现所提出算法在故障检测中的优势.     

基于动态高效潜结构投影的质量相关故障检测

高效潜结构投影(EPLS)算法是一种反映过程变量与质量变量相关关系的多变量统计分析方法,在质量相关故障检测中具有良好的检测效果.然而EPLS算法是一种静态检测模型,不能反映实际工业过程或装备测试中的动态特性,对动态过程中质量相关故障的检测率较低.为此,本文提出了一种基于自回归移动平均模型(ARMAX)的动态高效潜结构投...     

复杂工业过程质量相关的故障检测与诊断技术综述

质量相关的故障检测与诊断技术是保证安全生产及获得可靠产品质量的有效手段,是当前国际过程控制领域的研究热点.首先,梳理了质量相关的故障检测技术中典型方法的基本思想和改进过程;其次,概述了质量相关的故障诊断技术中常用的贡献图法及其相关改进方法之间的联系,并通过带钢热连轧过程（Hot strip mill process,HSMP）案例比较了各种典型方法在质量相关的故障检测与诊断性能上的异同;最后,面向复杂工业过程运行数据的主要特性,评析了质量相关的故障检测与诊断方法的研究现状,并指出了该研究领域亟需解决的问题和未来的发展方向.     

基于OSC-DPLS模型的故障诊断方法研究

现代工业生产中,系统的安全性和可靠性显得尤为重要。为了保障生产安全可靠运行,结合一种数据预处理方法—正交信号修正(OSC),提出了基于OSC-DPLS模型的故障诊断方法。利用OSC方法对过程数据进行预处理,并对处理后的数据建立DPLS模型,从而在简化模型的同时,大大降低了误报率,显示了更好的诊断效果。对TE过程的仿真结果表明了所提出算法的可行性及有效性,及其比普通的DPLS模型更好的诊断效果。     

局部自适应加权LSSVM在线建模方法及其在间歇过程中的应用

目前的局部建模方法在构建样本间相似度的时候仅考虑了输入信息而忽略了输出信息的作用,并且没有考虑样本的权重问题。针对上述问题,提出了局部自适应加权最小二乘支持向量机(Local Adaptive Weight LSSVM,LAW-LSSVM)回归算法。该算法采用同时考虑输入输出信息的相似性判据则来构建更加合理的相似样本集,利用有监督的局部保持映射(Supervised LocalityPreserving Projection,SLPP)算法对样本空间进行有效的降维和搜索最优的相似样本方向,实现了样本权重的在线调整。利用LAW-LSSVM对青霉素发酵过程中的产物浓度进行在线预测,仿真结果表明,包含了输入输出信息的相似度评价准则能够更准确的选择相似样本,较离线LSSVM以及局部LSSVM(LLSSVM)有着更高的预测精度、更好的泛化能力。     

基于并发改进偏最小二乘的质量相关和过程相关的故障诊断

并发潜结构投影(CPLS)与传统贡献图法是多元统计过程监控中常用的故障检测与诊断方法.过程监控通常要求监测的时效性与诊断的准确性,然而,由于CPLS计算复杂以及传统贡献图诊断结果易受初始贡献较大的变量影响,因此它们反馈的监控结果可能并不准确.针对上述问题分别提出一种并发改进偏最小二乘(CMPLS)方法和新的相对贡献图法...