基于概率密度PCA的多模态过程故障检测

为了提高故障检测和分类能力,提出基于概率密度PCA的多模态过程故障检测算法。对各模态的训练数据建立PCA模型,计算各个模型的控制限和匹配系数。根据匹配系数计算各模态统一的控制限。对新来的数据,运用概率密度确定其模态。新来数据向对应模态的模型上投影并计算统一的统计量,比较统计量与控制限进行多模态过程故障检测。把该方法应用到数值例子和半导体过程中,仿真结果表明,该算法在分类及多模态过程故障检测方面具有很高的准确性。     

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。     

基于差分的动态加权SVDD在多模态过程故障检测中的应用

传统SVDD作为一种单模态静态故障检测算法,对多模态动态过程故障的检测难以保证其检测的准确性和实时性。为了解决这一问题,提出一种基于近邻差分加权动态SVDD检测方法（NND-DWSVDD）。首先利用NND剔除数据多模态结构,保证过程数据服从单峰分布;对差分处理后的数据引入动态方法并加入权值将有用的信息凸显出来;最后利用SVDD方法建立监测模型实现在线监测。NND-DWSVDD提高了多模态动态过程故障检测率,对于多模态动态过程故障检测,NND-DWSVDD不要求多模型建模,只需单独的一个模型,符合单模态故障检测要求。通过多模态数值例子和半导体生产过程数据对该方法的有效性进行了验证。     

基于局部保持嵌入–K近邻比率密度的半导体 蚀刻过程故障诊断策略

针对多模态间歇过程存在数据维度高且方差差异较大的特征,提出一种基于局部保持嵌入–K近邻比率密度(NPE–KRD)规则的故障检测方法.首先,利用局部保持嵌入(NPE)方法将原始的高维数据投影到低维空间;其次,在低维空间通过计算样本的密度及其前K近邻密度的均值来建立K近邻比率密度(KRD);最后,根据核密度估计法确定统计量控制限并进行故障诊断. NPE方法既能够在低维空间保持数据局部近邻结构,又能够降低故障检测过程的计算复杂度.通过引入比率密度, NPE–KRD可以降低多模态方差结构差异对故障检测的影响,提高过程故障检测率.通过数值例子和半导体工业过程的仿真实验,并与主元分析、K近邻、局部保持嵌入等方法进行比较,验证了本文方法的有效性.     

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.     

基于主元分析得分重构差分的故障检测策略

基于主元分析(PCA)的统计过程控制方法通常假设数据的生成过程是独立同分布的.当数据存在多模态结构或过程变量非线性相关时, PCA方法的故障检测性能将受到影响.针对上述问题,本文提出一种基于PCA得分重构差分的故障检测策略.首先,应用PCA将输入空间分解为主元子空间和残差子空间;接下来,应用k近邻(k NN)规则重构当前样本得分向量并计算样本的得分重构差分向量;最后,计算得分重构差分向量的统计值并进行故障检测.本文方法不仅可以降低数据多模态和变量非线性相关等特征对过程故障检测的影响,同时可以降低统计量的自相关性、提高过程故障检测率.将本文方法在两个模拟例子和田纳西–伊斯曼(TE)过程中进行测试,并与PCA、核主元分析(KPCA)、动态主元分析(DPCA)和k最近邻故障检测(FD–k NN)方法进行对比分析,测试结果证明了本文方法的有效性.     

基于模糊C均值与主成分分析的故障检测研究

针对化工过程中的数据存在的多模态特性,提出基于模糊C均值(FCM)与主成分分析(PCA)的故障检测方法。首先,通过FCM算法将具有多模态特性的训练样本进行聚类,根据所有样本到聚类中心的距离计算样本所属于每个聚类中心的隶属度。其次,以隶属度作为判定依据判断样本所属类别,将训练样本分成若干类别。再次,对每一个分类后的类别进行标准化处理并建立模型,通过核密度估计法确定每一个类别的控制限。最后,将待测样本划分类别,计算样本在各类别下的Hotelliing’s T和平方预测误差(SPE)(又称Q统计量),并与控制限比较以实现故障检测。将该方法运用于数值例子和田纳西-伊斯曼(TE)工业过程并将检测结果与PCA方法进行了对比分析。对比结果表明,该研究的故障检测率大幅提升。FCM算法通过对原始数据分类,有效地提升了PCA对具有多模态特性数据的处理能力。     

基于统计模量和局部近邻标准化的局部离群因子故障检测方法

针对多工况过程数据的批次不等长、中心漂移、工况结构不同等特点,提出基于统计模量和局部近邻标准化的局部离群因子故障检测方法（SP-LNS-LOF）。首先计算每个训练样本的统计模量;然后使用局部近邻集标准化统计模量,得到标准样本;最后计算标准化样本的局部离群因子,并将其作为检测指标,将局部离群因子的分位点作为检测控制限,当在线样本的局部离群因子大于检测控制限时,判定其为故障;否则为正常。统计模量提取过程的主要信息,且消除批次不等长的影响;局部近邻标准化克服工况中心漂移和工况结构不同的困难;局部离群因子度量样本的相似度,实现故障样本和正常样本的分离。进行了半导体蚀刻过程故障检测仿真实验,实验结果表明SP-LNS-LOF检测出了全部21个故障,比主元分析（PCA）、核主元分析（kPCA）、基于k近邻的故障检测（FD-kNN）、局部离群因子（LOF）方法具有更高的检测率。理论分析和仿真实验说明SP-LNS-LOF方法适用于多工况过程故障检测,具有较高的故障检测效率,能保证多工况生产过程的安全性。     

A novel process monitoring and fault detection approach based on statistics locality preserving projections

Data-driven fault detection technique has exhibited its wide applications in industrial process monitoring. However, how to extract the local and non-Gaussian features effectively is still an open problem. In this paper, statistics locality preserving projections (SLPP) is proposed to extract the local and non-Gaussian features. Firstly, statistics pattern analysis (SPA) is applied to construct process statistics and grasp the non-Gaussian statistical property using high order statistics. Then, locality preserving projections (LPP) method is used to discover local manifold structure of the statistics. In essence, LPP tries to map the close points in the original space to close in the low-dimensional space. Lastly, T² and squared prediction error (SPE) charts of SLPP model are used to detect process faults. One simple simulated system and the Tennessee Eastman process show that the proposed SLPP method is more effective than principal component analysis, LPP and statistics principal component analysis in fault detection performance.     

基于判别核主元空间k近邻的批次过程监视

针对批次过程非线性、多模态等特征,提出一种基于判别核主元k近邻（Dis-kPCkNN）的故障检测方法。首先,在核主元分析（kPCA）中,高斯核的窗宽参数依据样本类别标签在类内窗宽和类间窗宽中判别选取,使得核矩阵能有效提取数据的关联特征,保持数据的类别信息;其次,在核主元空间中引用k近邻规则代替传统的T²统计方法,k近邻规则可以有效处理主元空间非线性和多模态等特征的故障检测问题。数值模拟实例和半导体蚀刻工艺过程仿真实验表明:基于判别核主元k近邻方法可以有效地处理具有非线性和多模态结构特征的故障检测问题,提高计算的效率,减少内存的占用,并且故障检测率明显优于传统方法。     

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。     

基于特征空间k最近邻的批次过程监视

针对具有非高斯、非线性及多工况特性的批次过程,提出一种基于特征量最近邻统计指标的过程监视方法. 首先,将批次过程正常工况原始数据投影到其特征空间,提取主元T和平方预测误差SPE,并进行特征量k最近邻距离平方和的求解. 然后,采用核密度估计法获得概率密度分布函数,确定统计监视控制限. 特征空间的主元T和SPE特征量能全面代表原始数据的有用信息. 采用特征量k最近邻建立监视模型将会节省存储空间,提高建模样本数量与变量之比以及检测异常工况的速度. 另外,利用局部近邻数据建模可以解决过程具有的非线性和多工况问题,而应用核密度估计法可以解决过程数据具有的非高斯分布问题. 最后,在半导体生产过程的成功应用表明了所提方法的有效性.