張成 伊海迪 李元

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)SVDD方法對(duì)多模態(tài)過程故障檢測(cè)率低的問題，提出了自適應(yīng)滑動(dòng)窗口-支持向量數(shù)據(jù)描述（adaptive moving window- support vector data description，AMW-SVDD）的故障檢測(cè)方法。首先，使用網(wǎng)格搜索方法建立窗寬序列并獲取初始窗寬;其次，應(yīng)用滑動(dòng)窗口技術(shù)將整體數(shù)據(jù)以窗寬為標(biāo)準(zhǔn)切分到多個(gè)子窗口;然后，利用網(wǎng)格搜索方法和粒子群優(yōu)化（particle swarm optimization，PSO）算法，得到最優(yōu)窗寬和由各窗口最優(yōu)SVDD模型構(gòu)成的模型序列;最后，使用最優(yōu)模型序列進(jìn)行故障檢測(cè)，并將此方法應(yīng)用于數(shù)值例子及田納西伊斯曼（TE）數(shù)據(jù)集。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)故障檢測(cè)方法如KPCA和SVDD等相比，AMW-SVDD方法可有效捕獲過程數(shù)據(jù)的多模態(tài)特性。AMW-SVDD方法通過滑動(dòng)窗口技術(shù)捕獲數(shù)據(jù)的局部特征，同時(shí)應(yīng)用PSO算法優(yōu)化局部模型，二者結(jié)合可以自適應(yīng)確定窗寬參數(shù)，進(jìn)一步獲取最優(yōu)子模型序列，能夠有效解決多模態(tài)過程故障檢測(cè)問題，為提高SVDD方法在多模態(tài)過程中的故障檢測(cè)性能提供了參考。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制技術(shù)其他學(xué)科;支持向量數(shù)據(jù)描述;粒子群優(yōu)化;滑動(dòng)窗口;多模態(tài);故障檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP181;TP277?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.7535/hbkd.2022yx01001

收稿日期：2021-10-14;修回日期：2021-11-20;責(zé)任編輯： 馮 民

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61673279）;遼寧省自然科學(xué)基金（2019-MS-262）;遼寧省教育廳基金（LJ2019013）

第一作者簡(jiǎn)介：張 成（1979—），男，遼寧沈陽(yáng)人，副教授，博士，主要從事過程故障診斷分析方面的研究。

通訊作者：李 元教授。E-mail：li-yuan@mail.tsinghua.edu.cn

Multimode process fault detection method based on AMW-SVDD

ZHANG Cheng1，YI Haidi2，LI Yuan3

（1.College of Science，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang，Liaoning 110142，China;2.College of Computer Science and Technology，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang，Liaoning 110142，China;3.College of Information Engineering，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang，Liaoning 110142，China）

Abstract：Aiming at the problem of low fault detection rate in multimode process by traditional SVDD method，a fault detection method of support vector data description based on adaptive moving window （AMW-SVDD） was proposed.Firstly，the grid search method was used to establish the window width sequence and obtain the initial window width.Next，the moving window technology was applied to segment the overall data into multiple sub windows according to the window width.Then，the grid search method and particle swarm optimization （PSO） algorithm were used to get the optimal window width and the model sequence composed of the optimal SVDD model in each window.Finally，the optimal model sequence was used for fault detection，and this method was applied to numerical cases and Tennessee Eastman （TE） data sets.The results show that compared with traditional fault detection methods such as KPCA and SVDD，AMW-SVDD method can effectively capture the multimode characteristics of process data.In AMW-SVDD method，the local features of data are captured by moving window technology，and the local model is optimized by PSO algorithm，the combination of the two could adaptively determine the window width and further obtain the optimal model sequence，so that the problem of fault detection in multimode process can be effectively solved，which provides some reference for improving the fault detection performance of SVDD method in multimode process.

Keywords：

other disciplines of automatic control technology;support vector data description;particle swarm optimization;moving window;multimode;fault detection

隨著現(xiàn)代工業(yè)過程的日漸復(fù)雜化，企業(yè)對(duì)系統(tǒng)安全提出越來越高的要求。為了保證系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，近年來，故障檢測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展。其中，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的過程監(jiān)控方法可充分挖掘數(shù)據(jù)的潛在特征，逐漸成為故障診斷領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)[1]。

在基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的眾多故障檢測(cè)方法中，主元分析（principle component analysis，PCA）[2-3]、偏最小二乘（partial least squares，PLS）[4-5]及二者衍生方法的研究和應(yīng)用較多[6]。這些方法可以有效處理數(shù)據(jù)中的冗余信息，降低數(shù)據(jù)維數(shù)，但過程數(shù)據(jù)中的非線性和非高斯性等特征會(huì)制約其故障檢測(cè)性能[7]。而工業(yè)過程數(shù)據(jù)大多具有非線性特征，如田納西伊斯曼（Tennessee Eastman，TE）過程[8]，連續(xù)攪拌釜（continuous stirred tank reactor，CSTR）過程[9]等。為了解決非線性過程監(jiān)控問題，核技巧被引入上述方法并衍生出核主元分析（KPCA）和核偏最小二乘（KPLS）等[10-11]。其中，KPCA[12]通過核技巧使低維空間線性不可分?jǐn)?shù)據(jù)映射到高維特征空間后線性可分[13-14]。需要指出的是，KPCA方法適用于非線性過程故障檢測(cè)，但當(dāng)過程數(shù)據(jù)具有非高斯分布特征時(shí)，該方法的故障檢測(cè)性能受到制約[15]。為了解除數(shù)據(jù)必須服從高斯分布的限制，TAX等[16]提出支持向量數(shù)據(jù)描述（support vector data description，SVDD）方法。通常，該方法在單模態(tài)問題中起到重要作用，但對(duì)多模態(tài)過程監(jiān)控效果有限[17-18]。為了有效監(jiān)控多模態(tài)過程，多種故障檢測(cè)方法被提出[19]。HE等[20]將k近鄰（k nearest neighbor，KNN）算法應(yīng)用到故障檢測(cè)領(lǐng)域，提出基于KNN的故障檢測(cè)方法 （fault detection using the KNN rule，F(xiàn)D-KNN）。ZHAO等[21]提出多PCA方法，該方法對(duì)每個(gè)模態(tài)數(shù)據(jù)建立局部模型，通過衡量不同模型間的相似性，將多模態(tài)問題轉(zhuǎn)換為單模態(tài)問題進(jìn)行解決。CHU等[22]結(jié)合支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）和基于熵的變量選擇方法為不同模態(tài)數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)模型進(jìn)行故障檢測(cè)。馬賀賀等[23]結(jié)合馬氏距離與鄰域密度特征，提出新的監(jiān)控指標(biāo)，使用單個(gè)模型可對(duì)多模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。楊雅偉等[24]通過聚類算法將不同模態(tài)切分，分別建立SVDD模型進(jìn)行故障檢測(cè)。值得注意的是，上述方法大多為各子模型設(shè)置統(tǒng)一參數(shù)，會(huì)導(dǎo)致部分模型無法達(dá)到最優(yōu)，制約了故障檢測(cè)性能。

針對(duì)多模態(tài)過程故障檢測(cè)問題，本文提出了自適應(yīng)滑動(dòng)窗口-支持向量數(shù)據(jù)描述（SVDD based on adaptive moving window，AMW-SVDD）故障檢測(cè)方法。此方法通過自適應(yīng)滑動(dòng)窗口技術(shù)捕獲數(shù)據(jù)的局部特征，使全局具有多模態(tài)特征的數(shù)據(jù)，在各子窗內(nèi)保持單模態(tài)特性。同時(shí)，應(yīng)用粒子群（particle swarm optimization，PSO）[25]算法優(yōu)化各子窗口模型參數(shù)，解決多子模型因統(tǒng)一設(shè)置參數(shù)導(dǎo)致的部分模型無法達(dá)到最優(yōu)的問題。

1 基本算法

1.1 支持向量數(shù)據(jù)描述（SVDD）

SVDD的基本思想是尋找一個(gè)球心為a、半徑為R且體積盡可能小并包含盡可能多樣本的超球體。假設(shè)有一組正常訓(xùn)練數(shù)據(jù)H∈Rn×d，其中n為樣本數(shù)，d為變量數(shù)，則SVDD原始優(yōu)化問題可表述為

minR，a，ξ R2+C∑ni=1ξi，s.t. ‖Φhi-a‖2≤R2+ξi，ξi≥0， i=1，2，…，n，（1）

式中：ξi為松弛變量;C為懲罰因子。本文使用高斯核K（hi，hj）=exp（-‖hi-hj‖2σ2）代替映射后的樣本間內(nèi)積運(yùn)算<Φ（hi），Φ（hj）>，并在引入拉格朗日乘數(shù)α=[α1，α2，...，αn]T后將式（1）轉(zhuǎn)換為其對(duì)偶問題[26]：

maxα ∑ni=1αiK（hi，hi）-∑ni=1∑nj=1αiαjK（hi，hj），s.t. ∑ni=1αi=1，? 0≤αi≤C。（2）

求解式（2）可以確定超球體球心a和半徑R：

a=∑indexi=1αiΦ（hi），（3）

R2=K（h*，h*）-2∑indexi=1αiK（hi，h*）+∑indexi=1∑indexj=1αiαjK（hi，hj），（4）

式中：h*為支持向量;index為由支持向量所構(gòu)成集合的樣本數(shù)量。對(duì)于測(cè)試樣本htest，其到超球體球心的距離為

D2=K（htest，htest）-2∑indexi=1αiK（hi，htest）+∑indexi=1∑indexj=1αiαjK（hi，hj）。（5）

若D>R，則為故障樣本，否則為正常樣本。

1.2 粒子群優(yōu)化（PSO）

初始化粒子群，每個(gè)粒子有各自速度v和位置x：

vk+1id=ωvkid+c1r1（pkid，pbest-xkid）+c2r2（pkd，gbest-xkid），xk+1id=xkid+vk+1id，（6）

式中各參數(shù)含義如表1所示。

迭代過程中，通過比較x處適應(yīng)值與pbest，gbest大小對(duì)當(dāng)前最優(yōu)解進(jìn)行更新。算法具體步驟如下：

1）初始化各粒子位置x和速度v，pbest為當(dāng)前位置最優(yōu)解，gbest為pbest中最優(yōu)值。

2）計(jì)算各粒子適應(yīng)度，比較與pbest及gbest大小，更新pbest和gbest。

3）由式（6）更新各粒子速度和位置。

4）若達(dá)到最大迭代次數(shù)或者gbest達(dá)到預(yù)設(shè)閾值則停止優(yōu)化，輸出最優(yōu)解，否則，轉(zhuǎn)到步驟2）。

2 自適應(yīng)滑動(dòng)窗口-支持向量數(shù)據(jù)描述的故障檢測(cè)方法

2.1 PSO算法尋參策略

SVDD中懲罰因子C和核函數(shù)參數(shù)σ的初始值設(shè)置是決定模型性能的最重要因素。PSO算法的使用，可以保證各子窗口SVDD模型是針對(duì)此窗口局部數(shù)據(jù)達(dá)到最優(yōu)。另外，由于多數(shù)工業(yè)過程數(shù)據(jù)維數(shù)高，導(dǎo)致無法直接觀察模型擬合情況，使得經(jīng)驗(yàn)值調(diào)參過程變得艱難;而PSO算法通過合理設(shè)置粒子數(shù)及迭代次數(shù)，無需調(diào)參經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)獲得最優(yōu)參數(shù)，相較于經(jīng)驗(yàn)值調(diào)參，優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。

本文通過一個(gè)數(shù)值例子驗(yàn)證PSO方法的有效性。在二維空間中隨機(jī)生成100個(gè)均值為[0 0]、協(xié)方差矩陣為[1 0;0 1]的高斯隨機(jī)數(shù)，分別使用經(jīng)驗(yàn)值法和PSO方法對(duì)SVDD模型調(diào)參。其中經(jīng)驗(yàn)值法調(diào)參流程如圖1 a）所示，調(diào)參過程模型變化情況如圖1 b）所示;PSO算法迭代過程中C和σ變化如圖2 a）所示，最終決策邊界繪制如圖2 b）所示。

通過對(duì)比圖1 b）和圖2 b），可以發(fā)現(xiàn)使用經(jīng)驗(yàn)值法和PSO法所得模型決策邊界基本一致。由此可以得出，相較于經(jīng)驗(yàn)調(diào)參法，PSO方法在不降低模型性能的前提下大大減少了模型調(diào)參的時(shí)間成本。

2.2 自適應(yīng)滑動(dòng)窗口-支持向量數(shù)據(jù)描述（AMW-SVDD）AMW-SVDD故障檢測(cè)方法監(jiān)控過程如下，技術(shù)流程如圖3所示。

2.2.1 離線建模

給定訓(xùn)練數(shù)據(jù)X1和校驗(yàn)數(shù)據(jù)X2。

1）對(duì)X1和X2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2）初始化網(wǎng)格搜索的窗寬序列W=[w1，w2，…，wn]。

3）獲取窗寬wi∈W，應(yīng)用滑動(dòng)窗口技術(shù)將X1切分到多個(gè)子窗口。若最后一個(gè)窗口樣本數(shù)小于窗寬，則將其并入上一個(gè)窗口。

4）使用PSO算法優(yōu)化各窗口SVDD模型參數(shù)，由式（4）計(jì)算控制限，即超球體半徑R。由子窗口模型共同構(gòu)成SVDD模型序列models，其中PSO算法的目標(biāo)函數(shù)是最小化子窗口內(nèi)模型誤報(bào)率。

5）將X2以同樣窗寬wi切分，輸入models求出整體誤報(bào)率。

6）重復(fù)步驟3）—步驟5），直到網(wǎng)格內(nèi)數(shù)據(jù)被遍歷完畢，保存使得整體誤報(bào)率最小的窗寬參數(shù)w*和此窗寬下SVDD模型序列models*。

2.2.2 在線監(jiān)測(cè)

1）對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)X*，利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

2）將X*按w*進(jìn)行劃分，輸入models*，由式（6）計(jì)算得到D。

3）比較D與R的大小，若D

本文引用文獻(xiàn)[26]中的一個(gè)二維數(shù)值例子以證明所提方法的優(yōu)點(diǎn)。生成100個(gè)密度較低的香蕉形正常樣本和100個(gè)密度較高的圓形正常樣本，然后將3個(gè)離散點(diǎn)添加到訓(xùn)練樣本中。圖4為用SVDD方法建模所得決策邊界，根據(jù)文獻(xiàn)[26]，此時(shí)模型達(dá)到最優(yōu)。圖5為AMW-SVDD方法建模所得決策邊界，建模階段最優(yōu)窗寬為100。

通過對(duì)比圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，若故障數(shù)據(jù)出現(xiàn)在離散點(diǎn)附近，AMW-SVDD方法可以有效檢測(cè)。使用SVDD方法建模時(shí)，超球體會(huì)將2種模態(tài)數(shù)據(jù)及離散點(diǎn)全部包圍，當(dāng)故障數(shù)據(jù)出現(xiàn)在離散點(diǎn)附近時(shí)，SVDD方法無法有效檢測(cè);而本文方法將數(shù)據(jù)劃分到2個(gè)子窗口，各窗口模型由PSO方法分別調(diào)優(yōu)。其中，包含離散點(diǎn)的窗口建模時(shí)通過調(diào)參可以將距離數(shù)據(jù)中心較遠(yuǎn)的樣本識(shí)別為外部支持向量，排除在決策邊界外。由于各子窗口決策邊界均只包含了密集模態(tài)數(shù)據(jù)，故本文方法可以檢測(cè)出模態(tài)間冗余區(qū)域內(nèi)的故障點(diǎn)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本文以文獻(xiàn)[27]中的一個(gè)多模態(tài)數(shù)值例子證明本文方法的有效性。模擬數(shù)據(jù)包含5個(gè)變量，由式（7）生成。

x1=0.576 8s1+0.376 6s2+e1，x2=0.738 2s21+0.056 6s2+e2，x3=0.829 1s1+0.400 9s22+e3，x4=0.651 9s1s2+0.207 0s2+e4，x5=0.397 2s1+0.804 5s2+e5，（7）

其中e1～e5是均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為0.01的噪聲序列。

model 1：s1～U（-10，-7）; s2～N（-15，1），model 2：s1～U（2，5）; s2～N（7，1）。（8）

根據(jù)式（8）生成2種模態(tài)數(shù)據(jù)集，具體情況如下。訓(xùn)練數(shù)據(jù)包含800個(gè)樣本，其中前400個(gè)來自模態(tài)1，余下400個(gè)樣本由模態(tài)2生成。再以同樣方式生成1組數(shù)據(jù)用于校驗(yàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)800個(gè)樣本中，前100個(gè)為模態(tài)1正常樣本，101至400為對(duì)模態(tài)1的x5變量加入4的階躍變化產(chǎn)生的故障樣本，余下400個(gè)為模態(tài)2正常樣本。訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖如圖6所示。分別應(yīng)用KPCA，SVDD和AMW-SVDD對(duì)該例進(jìn)行檢測(cè)，各方法參數(shù)設(shè)置見表2。

表3給出3種方法的誤報(bào)率（fault alarm rate，F(xiàn)AR）和故障檢測(cè)率（fault detection rate，F(xiàn)DR）。誤報(bào)率表示校驗(yàn)樣本中被誤判為故障樣本的比例，可用于判斷模型建立是否正確;故障檢測(cè)率表示故障樣本被正確識(shí)別的比例，可用于評(píng)價(jià)模型性能。從表3可以看出，KPCA的T2和SPE統(tǒng)計(jì)量均無法有效檢測(cè)此類故障，原因是本例數(shù)據(jù)具有多模態(tài)特征，不滿足KPCA對(duì)數(shù)據(jù)服從高斯分布的假設(shè)，導(dǎo)致其統(tǒng)計(jì)量不能準(zhǔn)確識(shí)別故障樣本。由表3和圖8可知，SVDD方法故障檢測(cè)率僅達(dá)到37.3%，原因是在建模階段單個(gè)超球體同時(shí)包含多種模態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)使得超球體體積過大，即超球體內(nèi)包含了大量冗余空間，導(dǎo)致出現(xiàn)在各模態(tài)數(shù)據(jù)間的故障點(diǎn)無法被有效檢測(cè)。AMW-SVDD具有較高的檢測(cè)率的原因是自適應(yīng)滑動(dòng)窗口技術(shù)通過將整體數(shù)據(jù)切分到各子窗口，隔離了不同模態(tài)數(shù)據(jù)間的差異，即此時(shí)子窗口數(shù)據(jù)屬于同一模態(tài)，保證了SVDD建模的有效性。應(yīng)用PSO算法，還可解決因不同窗口間數(shù)據(jù)疏密程度不同時(shí)設(shè)置統(tǒng)一參數(shù)導(dǎo)致的部分模型欠擬合或過擬合問題，即此時(shí)各窗口模型參數(shù)被分別設(shè)置，模型分別達(dá)到最優(yōu)。綜上，對(duì)于此類多模態(tài)數(shù)據(jù)，本文方法有較好的故障檢測(cè)效果。

4 TE過程

TE過程作為一個(gè)完備的工業(yè)過程數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于故障診斷的研究中[28]，其基本結(jié)構(gòu)如圖10所示。TE過程共包含41個(gè)測(cè)量變量和12個(gè)控制變量，本文選用其中50個(gè)變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。TE仿真器可以模擬6種工作環(huán)境，每種工作環(huán)境可以生成28種故障情況[29]，本文選用模態(tài)1和模態(tài)3兩種工況數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。

訓(xùn)練數(shù)據(jù)包含2 000個(gè)樣本點(diǎn)，其中前1 000個(gè)在模態(tài)1正常工況下采集，余下樣本點(diǎn)在模態(tài)3正常工況下采集，以同樣方式再生成1組數(shù)據(jù)用于校驗(yàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本數(shù)相同，前1 000個(gè)由模態(tài)1正常工況生成，余下的1 000個(gè)樣本來自模態(tài)3，各種故障均在模態(tài)3的第200時(shí)刻引入。利用AMW-SVDD方法進(jìn)行故障檢測(cè)，并與KPCA-T2，KPCA-SPE，SVDD進(jìn)行對(duì)比分析。KPCA核主元個(gè)數(shù)選取為18，核參數(shù)σ=25，置信度α=95%，SVDD方法C=0.8，σ=20，AMW-SVDD方法最優(yōu)窗寬為200。表4和表5分別給出了各方法在不同故障數(shù)據(jù)集的故障檢測(cè)率和全部數(shù)據(jù)集的誤報(bào)率均值。

綜合對(duì)比上述方法在TE數(shù)據(jù)集上的檢測(cè)效果，KPCA方法2個(gè)統(tǒng)計(jì)量檢測(cè)效果均有限，原因是具有多模態(tài)特征的數(shù)據(jù)，整體并不服從多元高斯分布，這與T2和SPE統(tǒng)計(jì)量的適用范圍相違背。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)T2統(tǒng)計(jì)量檢測(cè)效果遠(yuǎn)不及SPE統(tǒng)計(jì)量，原因是主元子空間通常保留數(shù)據(jù)正常特征，而殘差子空間主要描述噪聲，所以T2控制限覆蓋范圍通常遠(yuǎn)大于SPE控制限，因此SPE統(tǒng)計(jì)量更易檢測(cè)出相對(duì)微小的故障，導(dǎo)致其檢測(cè)性能優(yōu)于T2。SVDD方法檢測(cè)率相對(duì)較低，原因是SVDD方法對(duì)多模態(tài)數(shù)據(jù)建模時(shí)無法正確處理多模態(tài)數(shù)據(jù)的分布特征。當(dāng)原始數(shù)據(jù)具有多個(gè)模態(tài)時(shí)，傳統(tǒng)SVDD方法仍然試圖尋找單一超球體同時(shí)包圍多個(gè)模態(tài)數(shù)據(jù)，使得模態(tài)間冗余空間被大量包含在超球體內(nèi)部，當(dāng)故障樣本出現(xiàn)在冗余空間時(shí)，其到超球體球心距離同樣小于半徑，SVDD方法無法對(duì)此類故障進(jìn)行有效檢測(cè)。AMW-SVDD方法檢測(cè)效果最優(yōu)，主要原因是該方法通過自適應(yīng)窗口技術(shù)切分?jǐn)?shù)據(jù)，使得同一窗口數(shù)據(jù)屬于同一模態(tài)，并且應(yīng)用PSO算法對(duì)各窗口模型分別調(diào)優(yōu)，成功將模態(tài)間的冗余空間排除在超球體外部，進(jìn)一步隔離了整體數(shù)據(jù)的多模態(tài)特性，因此具有較高的故障檢測(cè)率。圖11給出了各方法對(duì)故障7的檢測(cè)結(jié)果，可以直觀發(fā)現(xiàn)，AMW-SVDD方法所得統(tǒng)計(jì)量在故障發(fā)生后絕大部分時(shí)間內(nèi)保持超出控制限的狀態(tài)，而其余方法的統(tǒng)計(jì)量在整個(gè)故障發(fā)生階段基本都未能超出控制限，說明本文方法檢測(cè)效果遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)故障檢測(cè)方法。另外，由表5可知，各方法的誤報(bào)率均控制在5%以下，說明模型都沒有出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性。需要說明的是，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)生成故障6數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)缺失約1/3樣本，故將其舍去。由于舍去故障6數(shù)據(jù)后本節(jié)實(shí)驗(yàn)仍剩余27組故障數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)樣本已經(jīng)足夠充分，且表4中其他27種故障的檢測(cè)結(jié)果可以證明本文方法對(duì)多模態(tài)數(shù)據(jù)檢測(cè)性能的優(yōu)越性，故舍去故障6數(shù)據(jù)對(duì)本節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生較大影響。綜上所述，本文方法是一種適用于多模態(tài)過程的故障檢測(cè)方法。

5 結(jié) 語(yǔ)

為提高傳統(tǒng)SVDD方法在多模態(tài)過程中的監(jiān)控性能，提出了基于AMW-SVDD的多模態(tài)過程故障檢測(cè)方法。該方法通過結(jié)合網(wǎng)格搜索方法和滑動(dòng)窗口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)確定窗寬參數(shù)，從而以最優(yōu)窗寬為標(biāo)準(zhǔn)將整體多模態(tài)數(shù)據(jù)切分為多個(gè)子單模態(tài)數(shù)據(jù)，可有效隔離數(shù)據(jù)的多模態(tài)特性。在子窗口內(nèi)數(shù)據(jù)屬于同一模態(tài)的基礎(chǔ)上，引入粒子群優(yōu)化算法，為各子窗口SVDD模型分別優(yōu)化參數(shù)，解決不同子窗口內(nèi)數(shù)據(jù)疏密程度不同時(shí)使用同一參數(shù)無法同時(shí)調(diào)優(yōu)全部模型的問題。AMW-SVDD方法通過將數(shù)據(jù)特征由全局分解到局部，可成功處理數(shù)據(jù)的多模態(tài)特性。在數(shù)值例子及TE數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)故障檢測(cè)方法，在處理多模態(tài)過程時(shí)，AMW-SVDD方法具有更高的過程監(jiān)控性能。

本文主要針對(duì)多模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，但是實(shí)際工業(yè)過程中數(shù)據(jù)間往往還具有很強(qiáng)的自相關(guān)性，接下來將考慮如何解決過程中的動(dòng)態(tài)性問題，提高算法在不同場(chǎng)景的適應(yīng)性。

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