Underground distribution cable incipient fault diagnosis system

This dissertation presents a methodology for an efficient, non-destructive, and online incipient fault diagnosis system (IFDS) to detect underground cable incipient faults before they become catastrophic. The system provides vital information to help the operator with the decision-making process regarding the condition assessment of the underground cable. It incorporates advanced digital signal processing and pattern recognition methods to classify recorded data into designated classes. Additionally, the IFDS utilizes novel detection methodologies to detect when the cable is near failure. The classification functionality is achieved through employing an ensemble of rule-based and supervised classifiers. The Support Vector Machines, designed and used as a supervised classifier, was found to perform superior. In addition to the normalized energy features computed from wavelet packet analysis, two new features, namely Horizontal Severity Index, and Vertical Severity Index are defined and used in the classification problem. The detection functionality of the IFDS is achieved through incorporating a temporal severity measure and a detection method. The novel severity measure is based on the temporal analysis of arrival times of incipient abnormalities, which gives rise to a numeric index called the Global Severity Index (GSI). This index portrays the progressive degradation path of underground cable as catastrophic failure time approaches. The detection approach utilizes the numerical modeling capabilities of SOM as well as statistical change detection techniques. The natural logarithm of the chronologically ordered minimum modeling errors, computed from exposing feature vectors to a trained SOM, is used as the detection index. Three modified change detection algorithms, namely Cumulative Sum, Exponentially Weighted Moving Averages, and Generalized Likelihood Ratio, are introduced and applied to this application. These algorithms determine the change point or near failure time of cable from the instantaneous values of the detection index. Performance studies using field recorded data were conducted at three warning levels to assess the capability of the IFDS in predicting the faults that actually occurred in the monitored underground cable. The IFDS presents a high classification rate and satisfactory detection capability at each warning level. Specifically, it demonstrates that at least one detection technique successfully provides an early warning that a fault is imminent

Improving Engagement Assessment by Model Individualization and Deep Learning

This dissertation studies methods that improve engagement assessment for pilots. The major work addresses two challenging problems involved in the assessment: individual variation among pilots and the lack of labeled data for training assessment models. Task engagement is usually assessed by analyzing physiological measurements collected from subjects who are performing a task. However, physiological measurements such as Electroencephalography (EEG) vary from subject to subject. An assessment model trained for one subject may not be applicable to other subjects. We proposed a dynamic classifier selection algorithm for model individualization and compared it to other two methods: base line normalization and similarity-based model replacement. Experimental results showed that baseline normalization and dynamic classifier selection can significantly improve cross-subject engagement assessment. For complex tasks such as piloting an air plane, labeling engagement levels for pilots is challenging. Without enough labeled data, it is very difficult for traditional methods to train valid models for effective engagement assessment. This dissertation proposed to utilize deep learning models to address this challenge. Deep learning models are capable of learning valuable feature hierarchies by taking advantage of both labeled and unlabeled data. Our results showed that deep models are better tools for engagement assessment when label information is scarce. To further verify the power of deep learning techniques for scarce labeled data, we applied the deep learning algorithm to another small size data set, the ADNI data set. The ADNI data set is a public data set containing MRI and PET scans of Alzheimer\u27s Disease (AD) patients for AD diagnosis. We developed a robust deep learning system incorporating dropout and stability selection techniques to identify the different progression stages of AD patients. The experimental results showed that deep learning is very effective in AD diagnosis. In addition, we studied several imbalance learning techniques that are useful when data is highly unbalanced, i.e., when majority classes have many more training samples than minority classes. Conventional machine learning techniques usually tend to classify all data samples into majority classes and to perform poorly for minority classes. Unbalanced learning techniques can balance data sets before training and can improve learning performance

Signal processing for automatic heartbeat classification and patient adaptation in the electrocardiogram

Las enfermedades cardiovasculares son en la actualidad la mayor causa de muerte individual en los países desarrollados, por lo tanto cualquier avance en las metodologías para el diagnóstico podrían mejorar la salud de muchas personas. Dentro de las enfermedades cardiovasculares, la muerte súbita cardíaca es una de las causas de muerte más importantes, por su número y por el impacto social que provoca. Sin lugar a duda se trata uno de los grandes desafíos de la cardiología moderna. Hay evidencias para relacionar las arritmias con la muerte súbita cardíaca. Por otro lado, la clasificación de latidos en el electrocardiograma (ECG) es un análisis previo para el estudio de las arritmias. El análisis del ECG proporciona una técnica no invasiva para el estudio de la actividad del corazón en sus distintas condiciones. Particularmente los algoritmos automáticos de clasificación se focalizan en el análisis del ritmo y la morfología del ECG, y específicamente en las variaciones respecto a la normalidad. Justamente, las variaciones en el ritmo, regularidad, lugar de origen y forma de conducción de los impulsos cardíacos, se denominan arritmias. Mientras que algunas arritmias representan una amenaza inminente (Ej. fibrilación ventricular), existen otras más sutiles que pueden ser una amenaza a largo plazo sin el tratamiento adecuado. Es en estos últimos casos, que registros ECG de larga duración requieren una inspección cuidadosa, donde los algoritmos automáticos de clasificación representan una ayuda significativa en el diagnóstico. En la última década se han desarrollado algunos algoritmos de clasificación de ECG, pero solo unos pocos tienen metodologías y resultados comparables, a pesar de las recomendaciones de la AAMI para facilitar la resolución de estos problemas. De dichos métodos, algunos funcionan de manera completamente automática, mientras que otros pueden aprovechar la asistencia de un experto para mejorar su desempeño. La base de datos utilizada en todos estos trabajos ha sido la MIT-BIH de arritmias. En cuanto a las características utilizadas, los intervalos RR fueron usados por casi todos los grupos. También se utilizaron muestras del complejo QRS diezmado, o transformado mediante polinomios de Hermite, transformada de Fourier o la descomposición wavelet. Otros grupos usaron características que integran la información presente en ambas derivaciones, como el máximo del vectocardiograma del complejo QRS, o el ángulo formado en dicho punto. El objetivo de esta tesis ha sido estudiar algunas metodologías para la clasificación de latidos en el ECG. En primer lugar se estudiaron metodologías automáticas, con capacidad para contemplar el análisis de un número arbitrario de derivaciones. Luego se estudió la adaptación al paciente y la posibilidad de incorporar la asistencia de un experto para mejorar el rendimiento del clasificador automático. En principio se desarrolló y validó un clasificador de latidos sencillo, que utiliza características seleccionadas en base a una buena capacidad de generalización. Se han considerado características de la serie de intervalos RR (distancia entre dos latidos consecutivos), como también otras calculadas a partir de ambas derivaciones de la señal de ECG, y escalas de su transformada wavelet. Tanto el desempeño en la clasificación como la capacidad de generalización han sido evaluados en bases de datos públicas: la MIT-BIH de arritmias, la MIT-BIH de arritmias supraventriculares y la del Instituto de Técnicas Cardiológicas de San Petersburgo (INCART). Se han seguido las recomendaciones de la Asociación para el Avance de la Instrumentación Médica (AAMI) tanto para el etiquetado de clases como para la presentación de los resultados. Para la búsqueda de características se adoptó un algoritmo de búsqueda secuencial flotante, utilizando diferentes criterios de búsqueda, para luego elegir el modelo con mejor rendimiento y capacidad de generalización en los sets de entrenamiento y validación. El mejor modelo encontrado incluye 8 características y ha sido entrenado y evaluado en particiones disjuntas de la MIT-BIH de arritmias. Todas las carácterísticas del modelo corresponden a mediciones de intervalos temporales. Esto puede explicarse debido a que los registros utilizados en los experimentos no siempre contienen las mismas derivaciones, y por lo tanto la capacidad de clasificación de aquellas características basadas en amplitudes se ve seriamente disminuida. Las primeras 4 características del modelo están claramente relacionadas a la evolución del ritmo cardíaco, mientras que las otras cuatro pueden interpretarse como mediciones alternativas de la anchura del complejo QRS, y por lo tanto morfológicas. Como resultado, el modelo obtenido tiene la ventaja evidente de un menor tamaño, lo que redunda tanto en un ahorro computacional como en una mejor estimación de los parámetros del modelo durante el entrenamiento. Como ventaja adicional, este modelo depende exclusivamente de la detección de cada latido, haciendo este clasificador especialmente útil en aquellos casos donde la delineación de las ondas del ECG no puede realizarse de manera confiable. Los resultados obtenidos en el set de evaluación han sido: exactitud global (A) de 93%; para latidos normales: sensibilidad (S) 95% valor predictivo positivo (P^{+}) 98%; para latidos supraventriculares, S 77%, P^{+} 39%; y para latidos ventriculares S 81%, P^{+} 87%. Para comprobar la capacidad de generalización, se evaluó el rendimiento en la INCART obteniéndose resultados comparables a los del set de evaluación. El modelo de clasificación obtenido utiliza menos características, y adicionalmente presentó mejor rendimiento y capacidad de generalización que otros representativos del estado del arte. Luego se han estudiado dos mejoras para el clasificador desarrollado en el párrafo anterior. La primera fue adaptarlo a registros ECG de un número arbitrario de derivaciones, o extensión multiderivacional. En la segunda mejora se buscó cambiar el clasificador lineal por un perceptrón multicapa no lineal (MLP). Para la extensión multiderivacional se estudió si conlleva alguna mejora incluir información del ECG multiderivacional en el modelo previamente validado. Dicho modelo incluye características calculadas de la serie de intervalos RR y descriptores morfológicos calculados en la transformada wavelet de cada derivación. Los experimentos se han realizado en la INCART, disponible en Physionet, mientras que la generalización se corroboró en otras bases de datos públicas y privadas. En todas las bases de datos se siguieron las recomendaciones de la AAMI para el etiquetado de clases y presentación de resultados. Se estudiaron varias estrategias para incorporar la información adicional presente en registros de 12 derivaciones. La mejor estrategia consistió en realizar el análisis de componentes principales a la transformada wavelet del ECG. El rendimiento obtenido con dicha estrategia fue: para latidos normales: S98%, P^{+}93%; para latidos supraventriculares, S86%, P^{+}91%; y para latidos ventriculares S90%, P^{+}90%. La capacidad de generalización de esta estrategia se comprobó tras evaluarla en otras bases de datos, con diferentes cantidades de derivaciones, obteniendo resultados comparables. En conclusión, se mejoró el rendimiento del clasificador de referencia tras incluir la información disponible en todas las derivaciones disponibles. La mejora del clasificador lineal por medio de un MLP se realizó siguiendo una metodología similar a la descrita más arriba. El rendimiento obtenido fue: A 89%; para latidos normales: S90%, P^{+}99% para latidos supraventriculares, S83%, P^{+}34%; para latidos ventriculares S87%, P^{+}76%. Finalmente estudiamos un algoritmo de clasificación basado en las metodologías descritas en los anteriores párrafos, pero con la capacidad de mejorar su rendimiento mediante la ayuda de un experto. Se presentó un algoritmo de clasificación de latidos en el ECG adaptable al paciente, basado en el clasificador automático previamente desarrollado y un algoritmo de clustering. Tanto el clasificador automático, como el algoritmo de clustering utilizan características calculadas de la serie de intervalos RR y descriptores de morfología calculados de la transformada wavelet. Integrando las decisiones de ambos clasificadores, este algoritmo puede desempeñarse automáticamente o con varios grados de asistencia. El algoritmo ha sido minuciosamente evaluado en varias bases de datos para facilitar la comparación. Aún en el modo completamente automático, el algoritmo mejora el rendimiento del clasificador automático original; y con menos de 2 latidos anotados manualmente (MAHB) por registro, el algoritmo obtuvo una mejora media para todas las bases de datos del 6.9% en A, de 6.5\%S y de 8.9\% en P^{+}. Con una asistencia de solo 12 MAHB por registro resultó en una mejora media de 13.1\%en A, de 13.9\% en S y de 36.1\% en P^{+}. En el modo asistido, el algoritmo obtuvo un rendimiento superior a otros representativos del estado del arte, con menor asistencia por parte del experto. Como conclusiones de la tesis, debemos enfatizar la etapa del diseño y análisis minucioso de las características a utilizar. Esta etapa está íntimamente ligada al conocimiento del problema a resolver. Por otro lado, la selección de un subset de características ha resultado muy ventajosa desde el punto de la eficiencia computacional y la capacidad de generalización del modelo obtenido. En último lugar, la utilización de un clasificador simple o de baja capacidad (por ejemplo funciones discriminantes lineales) asegurará que el modelo de características sea responsable en mayor parte del rendimiento global del sistema. Con respecto a los sets de datos para la realización de los experimentos, es fundamental contar con un elevado numero de sujetos. Es importante incidir en la importancia de contar con muchos sujetos, y no muchos registros de pocos sujetos, dada la gran variabilidad intersujeto observada. De esto se desprende la necesidad de evaluar la capacidad de generalización del sistema a sujetos no contemplados durante el entrenamiento o desarrollo. Por último resaltaremos la complejidad de comparar el rendimiento de clasificadores en problemas mal balanceados, es decir que las clases no se encuentras igualmente representadas. De las alternativas sugeridas en esta tesis probablemente la más recomendable sea la matriz de confusión, ya que brinda una visión completa del rendimiento del clasificador, a expensas de una alta redundancia. Finalmente, luego de realizar comparaciones justas con otros trabajos representativos del estado actual de la técnica, concluimos que los resultados presentados en esta tesis representan una mejora en el campo de la clasificación de latidos automática y adaptada al paciente, en la señal de ECG

Electronic capture and analysis of fraudulent behavioral patterns : an application to identity fraud

The objective of this research was to find a transparent and secure solution for mitigating identity fraud and to find the critical factors that determine the solution\u27s acceptance. Identity fraud is identified as a key problem with total losses exceeding fifty two billion dollars (Javelin Strategy and Research 2005). A common denominator in most identity-fraud-prone transactions is the use of a keypad; hence this research focuses on keypad data entry and proposes a biometric solution. Three studies develop, evaluate and investigate the feasibility of this solution. The first study was done in three stages. Stage one investigated the technical feasibility of the biometric keypad, stage two evaluated the keypad under different field conditions and stage three investigated acceptable user parameters. A key shortcoming with current authentication methods is the use of external identifiers that are prone to theft, unlike biometric patterns. A biometric keypad that supplements the present external identifiers was proposed, prototyped and evaluated. The results demonstrated that a biometric keypad can be a feasible medium performance solution. Addition of pressure and higher typing speeds were found to enhance discrimination accuracy while typing patterns were found to vary with elapsed time which led to deterioration in accuracy. The second study interviewed executives with experience in the introduction of new technologies with the objective of identifying and ranking critical factors that are important in the adoption of new biometrics. Performance, ease-of-use and trust-privacy issues were the most cited factors. A biometric acceptance model was formulated and five hypotheses were proposed from these interviews and prior research. Executives rated the keypad\u27s ease-of-use high in comparison to other biometric approaches but were concerned about its accuracy. The third study was a user attitude survey whose objective was to validate the formulated biometric acceptance model and acquire data on acceptable usage parameters. The proposed biometric model was validated and the proposed hypotheses were supported. Acceptable error rates and training times indicated that the biometric keypad would be more complex to engineer. The dissertation concludes by summarizing the contributions and limitations of the three studies followed by several suggestions for future research

Effective early detection of epileptic seizures through EEG signals using classification algorithms based on t-distributed stochastic neighbor embedding and K-means

Epilepsy is a neurological disorder in the activity of brain cells that leads to seizures. An electroencephalogram (EEG) can detect seizures as it contains physiological information of the neural activity of the brain. However, visual examination of EEG by experts is time consuming, and their diagnoses may even contradict each other. Thus, an automated computer-aided diagnosis for EEG diagnostics is necessary. Therefore, this paper proposes an effective approach for the early detection of epilepsy. The proposed approach involves the extraction of important features and classification. First, signal components are decomposed to extract the features via the discrete wavelet transform (DWT) method. Principal component analysis (PCA) and the t-distributed stochastic neighbor embedding (t-SNE) algorithm were applied to reduce the dimensions and focus on the most important features. Subsequently, K-means clustering + PCA and K-means clustering + t-SNE were used to divide the dataset into subgroups to reduce the dimensions and focus on the most important representative features of epilepsy. The features extracted from these steps were fed to extreme gradient boosting, K-nearest neighbors (K-NN), decision tree (DT), random forest (RF) and multilayer perceptron (MLP) classifiers. The experimental results demonstrated that the proposed approach provides superior results to those of existing studies. During the testing phase, the RF classifier with DWT and PCA achieved an accuracy of 97.96%, precision of 99.1%, recall of 94.41% and F1 score of 97.41%. Moreover, the RF classifier with DWT and t-SNE attained an accuracy of 98.09%, precision of 99.1%, recall of 93.9% and F1 score of 96.21%. In comparison, the MLP classifier with PCA + K-means reached an accuracy of 98.98%, precision of 99.16%, recall of 95.69% and F1 score of 97.4%

Location-Enabled IoT (LE-IoT): A Survey of Positioning Techniques, Error Sources, and Mitigation

The Internet of Things (IoT) has started to empower the future of many industrial and mass-market applications. Localization techniques are becoming key to add location context to IoT data without human perception and intervention. Meanwhile, the newly-emerged Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) technologies have advantages such as long-range, low power consumption, low cost, massive connections, and the capability for communication in both indoor and outdoor areas. These features make LPWAN signals strong candidates for mass-market localization applications. However, there are various error sources that have limited localization performance by using such IoT signals. This paper reviews the IoT localization system through the following sequence: IoT localization system review -- localization data sources -- localization algorithms -- localization error sources and mitigation -- localization performance evaluation. Compared to the related surveys, this paper has a more comprehensive and state-of-the-art review on IoT localization methods, an original review on IoT localization error sources and mitigation, an original review on IoT localization performance evaluation, and a more comprehensive review of IoT localization applications, opportunities, and challenges. Thus, this survey provides comprehensive guidance for peers who are interested in enabling localization ability in the existing IoT systems, using IoT systems for localization, or integrating IoT signals with the existing localization sensors