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...     

基于改进的局部近邻标准化和kNN的多阶段过程故障检测

针对多阶段过程数据具有多中心和各工序结构不同的特征问题,提出了一种基于改进的局部近邻标准化和k近邻的故障检测（ILNS-kNN）方法。首先寻找样本的前k个近邻样本的前K局部近邻集;其次使用局部近邻集的均值和标准差来标准化样本,获得标准样本;最后在标准样本集上计算样本的累积近邻距离作为检测指标进行故障检测。改进的局部近邻标准化（ILNS）将各阶段数据的中心平移到原点,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单阶段数据。进行了青霉素发酵过程故障检测实验。实验结果表明ILNS-kNN方法对所设置的六类故障的检测率高于97%。ILNS-kNN方法在保持对一般多阶段过程故障的检测能力的同时,能够实现对阶段方差差异显著的多阶段过程故障的检测,从而更好地保证多阶段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.     

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。     

面向密度分布不均数据的近邻优化密度峰值聚类算法

密度分布不均数据是指类簇间样本分布疏密程度不同的数据.密度峰值聚类(DPC)算法在处理密度分布不均数据时,倾向于在密度较高区域内找到类簇中心,并易将稀疏类簇的样本分配给密集类簇.为避免上述缺陷,提出一种面向密度分布不均数据的近邻优化密度峰值聚类(DPC-NNO)算法.DPC-NNO算法结合逆近邻和k近邻定义新的局部密度,提高稀疏样本的局部密度,使算法能更准确地找到类簇中心;定义分配策略时引入共享近邻,计算样本间相似性,构造相似矩阵,使同一类簇样本联系更紧密,避免错误分配样本.将所提出的DPC-NNO算法与IDPC-FA、DPCSA、FNDPC、FKNN-DPC、DPC算法进行对比,实验结果表明,DPC-NNO算法在处理密度分布不均数据时能获得优异的聚类效果,对于复杂数据集和UCI数据集,DPC-NNO算法的综合性能优于对比算法.     

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。     

基于局部密度和测地距离的谱聚类

传统根据[K]-近邻图计算测地距离的方法,虽然能够发现流形分布数据间的相似关系,但是当不同类的点存在粘连关系时,依此计算相似度时不能体现样本间的真实关系,从而无法有效聚类。针对传统测地距离计算相似度的方法不能有效处理粘连数据集的问题,提出了基于局部密度和测地距离的谱聚类方法。计算样本的局部密度,寻找每个样本点的最近高密度点,并选择边缘点和非边缘点;在边缘点和其最近高密度点之间构造边、非边缘点之间的[K]个近邻点构造边,依此计算测地距离和相似度并进行聚类。在人工数据集和UCI数据集上的实验表明,该算法在处理粘连数据集时有效提高了聚类准确率。     

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PC-wkNN的多工况间歇过程故障检测方法研究*

针对多工况间歇生产过程中,过程数据维数高、中心漂移和方差差异明显等特点,提出了基于主元分析和加权k近邻相结合的故障检测方法(PC-wkNN)。首先应用PCA确定训练数据主元模型,简约数据结构;其次在主元空间以训练样本的第k近邻的局部近邻平均距离倒数为权重,构建加权距离D.加权距离D可以有效降低工况中心漂移和方差差异明显的影响。最后,根据t分布确定统计量D的控制限,当测试样本加权距离D大于控制限,则其为故障;否则为正常。PC-wkNN提高了工况间歇过程故障检测率。通过两个模拟实例及青霉素发酵仿真实验,与PCA,KPCA,FD-kNN,PC-kNN等方法比较,验证了本文方法的有效性。     

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.     

基于改进核主元和支持向量数据描述故障检测

提出基于改进核主元和支持向量数据描述(SVDD)故障检测方法,适合于复杂工业过程具有非线性和非高斯性的情况.首先,通过对核主元(KPCA)特征空间样本进行重构误差,在样本集上自动识别异常值,减少对KPCA算法的影响并增强非线性核映射.然后,利用支持向量数据描述算法处理数据非高斯信号,据此构建统计量对工业过程进行检测.最后,将所提出的改进核主元和支持向量数据描述方法应用于田纳西-伊斯曼(TE,Tennessee Eastman)过程的仿真实验,结果说明提出方法的有效性.     

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.     

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。     

模糊C均值聚类与K近邻算法的故障检测研究

基于K近邻的故障检测(FD-KNN)算法可以有效处理非线性、多模态的故障检测问题,但在过程故障检测中存在故障类型多、测量变量复杂等缺陷。将模糊C均值聚类(FCM)和K近邻(KNN)相结合,提出一种新的故障检测方法FCM-KNN。该方法与传统算法相比较,故障检测率有明显的提升。首先,应用FCM聚类将多模态训练集按模态聚类,同时根据样本与各聚类中心的距离比例来得到样本对于每个聚类中心的隶属度;再根据隶属度来判断样本所属模态,进而在各个模态下完成基于KNN的故障检测。通过多模态仿真实例进一步验证该方法的有效性。该方法具有检测率高、漏报和误报率低等优点,可有效提高检测效果。