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WPRKPCA的非线性化工过程微小故障检测

传统核主元分析法（KPCA）是一种广泛应用的非线性化工过程故障检测方法,但是其未充分利用过程数据的概率分布信息,往往难以有效检测过程中的微小故障。针对传统KPCA方法的局限性,本文提出了一种基于加权概率相关核主元分析（WPRKPCA）的非线性化工过程微小故障检测方法。与传统KPCA方法监控核成分的变化不同,该方法利用Kullback Leibler散度（KLD）度量核成分的概率分布变化,进而建立基于KLD成分的统计监控模型,以充分挖掘过程数据所包含的概率信息。进一步考虑到不同KLD成分承载故障信息的差异性,该方法设计了一种基于核密度估计的指数加权策略,根据KLD成分描述故障信息程度的差异分配相应的权值,以加强监控模型对微小故障检测的灵敏性。在一个数值例子和连续搅拌反应器（CSTR）系统上的仿真结果表明,本文所提方法具有比传统KPCA方法更好的微小故障检测性能。     

基于加权统计局部核主元分析的非线性化工过程微小故障诊断方法

传统统计局部核主元分析(statistical local kernel principal component analysis, SLKPCA)在构造改进残差时未考虑样本的差异性,使得故障样本信息易于被其他样本所掩盖,针对该问题,提出一种基于加权统计局部核主元分析(weighted statistical local kernel principal component analysis, WSLKPCA)的非线性化工过程微小故障诊断方法。该方法首先利用KPCA获取过程的得分向量和特征值并构建初始残差。然后设计了一种基于测试样本与训练样本之间距离的加权策略构建加权改进残差,对含有较强微小故障信息的样本赋予较大权值,以增强故障样本的影响。最后,采用基于测量变量与监控统计量之间的加权互信息构建贡献图以识别故障源变量。在连续搅拌反应釜和田纳西伊斯曼(Tennessee Eastman, TE)化工过程上的仿真结果表明,所提方法具有良好的微小故障检测与识别性能。     

基于加权统计局部核主元分析的非线性化工过程微小故障诊断方法

传统统计局部核主元分析（statistical local kernel principal component analysis, SLKPCA）在构造改进残差时未考虑样本的差异性,使得故障样本信息易于被其他样本所掩盖,针对该问题,提出一种基于加权统计局部核主元分析（weighted statistical local kernel principal component analysis, WSLKPCA）的非线性化工过程微小故障诊断方法。该方法首先利用KPCA获取过程的得分向量和特征值并构建初始残差。然后设计了一种基于测试样本与训练样本之间距离的加权策略构建加权改进残差,对含有较强微小故障信息的样本赋予较大权值,以增强故障样本的影响。最后,采用基于测量变量与监控统计量之间的加权互信息构建贡献图以识别故障源变量。在连续搅拌反应釜和田纳西伊斯曼（Tennessee Eastman, TE）化工过程上的仿真结果表明,所提方法具有良好的微小故障检测与识别性能。     

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。     

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T2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。     

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。     

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。     

基于贝叶斯推理的PKPCAM的非线性多模态过程故障检测与诊断方法

针对一类非线性多模态的化工过程,提出一种基于概率核主元的混合模型(PKPCAM),并利用贝叶斯推理策略进行过程监控与故障诊断.在提出的模型中, 每个操作模态由一个局部化的概率核主元分量描述,从而构建的一系列分量对应了不同的操作模态.首先,将过程数据从原始的度量空间投影到高维特征空间;其次,在该特征空间建立概率主元混合模型,从概率角度刻画数据集的多个局部分量特征;最后,在提取的核主元分量内获得测试样本的后验概率,结合模态内的马氏距离贡献度,提出基于贝叶斯推理的全局概率指标进行故障检测,同时利用模态内变量的相对贡献度,基于全局贡献度指标进行故障诊断.利用TEP仿真平台,与基于k均值聚类的次级主元分析和核主元分析的方法进行了对比分析,验证了提出的贝叶斯推理的PKPCAM方法对非线性多模态过程进行故障检测与诊断的可行性和有效性.     

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KECA的化工过程故障监测新方法

针对化工过程数据复杂、非线性的特点,提出一种基于核熵成分分析(KECA)的化工过程故障监测算法。首先,KECA算法按照Renyi熵值的大小选取特征值及特征向量,相比传统的KPCA监测算法,其保留主元个数更少,可以有效减少运算量。同时,仿真研究表明KECA算法选取的主元具有角度结构特性,据此,提出一种新的统计量--CS(Cauchy-Schwarz)统计量,其对应到核特征空间中即为向量间的角度余弦值,可以较好表述不同概率密度分布之间的相似度。最后,将KECA和KPCA算法分别应用于TE(Tennessee Eastman)过程,结果表明KECA在故障检测延迟与检出率相比KPCA都有很大的优势。     

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。     

基于多源信息特征融合的抽油井动液面集成软测量建模

针对传统抽油井动液面(DLL)检测只能依靠人工操作回声仪测试,无法实时在线检测的问题,提出基于多源信息特征融合的抽油井动液面集成软测量新方法。采用快速傅里叶变换(FFT)将抽油机悬点载荷及振动时域信号转换成频域信号;采用核主元分析(KPCA)提取悬点载荷及振动频谱和电功率、井口油、套压时域信号非线性特征;利用改进的模糊交互式自组织数据分析聚类(ISODATA)和高斯过程回归(GPR)融合时频信息特征,建立多个动态子模型;利用权重优化证据理论(D-S)构造的概率分配函数作为权值因子,对子模型输出进行集成以得到最终的DLL预测值。油田现场应用证明了该方法的有效性。     

基于多源信息特征融合的抽油井动液面集成软测量建模

针对传统抽油井动液面(DLL)检测只能依靠人工操作回声仪测试,无法实时在线检测的问题,提出基于多源信息特征融合的抽油井动液面集成软测量新方法。采用快速傅里叶变换(FFT)将抽油机悬点载荷及振动时域信号转换成频域信号;采用核主元分析(KPCA)提取悬点载荷及振动频谱和电功率、井口油、套压时域信号非线性特征;利用改进的模糊交互式自组织数据分析聚类(ISODATA)和高斯过程回归(GPR)融合时频信息特征,建立多个动态子模型;利用权重优化证据理论(D-S)构造的概率分配函数作为权值因子,对子模型输出进行集成以得到最终的DLL预测值。油田现场应用证明了该方法的有效性。