Data driven methods for updating fault detection and diagnosis system in chemical processes

Modern industrial processes are becoming more complex, and consequently monitoring them has become a challenging task. Fault Detection and Diagnosis (FDD) as a key element of process monitoring, needs to be investigated because of its essential role in decision making processes. Among available FDD methods, data driven approaches are currently receiving increasing attention because of their relative simplicity in implementation. Regardless of FDD types, one of the main traits of reliable FDD systems is their ability of being updated while new conditions that were not considered at their initial training appear in the process. These new conditions would emerge either gradually or abruptly, but they have the same level of importance as in both cases they lead to FDD poor performance. For addressing updating tasks, some methods have been proposed, but mainly not in research area of chemical engineering. They could be categorized to those that are dedicated to managing Concept Drift (CD) (that appear gradually), and those that deal with novel classes (that appear abruptly). The available methods, mainly, in addition to the lack of clear strategies for updating, suffer from performance weaknesses and inefficient required time of training, as reported. Accordingly, this thesis is mainly dedicated to data driven FDD updating in chemical processes. The proposed schemes for handling novel classes of faults are based on unsupervised methods, while for coping with CD both supervised and unsupervised updating frameworks have been investigated. Furthermore, for enhancing the functionality of FDD systems, some major methods of data processing, including imputation of missing values, feature selection, and feature extension have been investigated. The suggested algorithms and frameworks for FDD updating have been evaluated through different benchmarks and scenarios. As a part of the results, the suggested algorithms for supervised handling CD surpass the performance of the traditional incremental learning in regard to MGM score (defined dimensionless score based on weighted F1 score and training time) even up to 50% improvement. This improvement is achieved by proposed algorithms that detect and forget redundant information as well as properly adjusting the data window for timely updating and retraining the fault detection system. Moreover, the proposed unsupervised FDD updating framework for dealing with novel faults in static and dynamic process conditions achieves up to 90% in terms of the NPP score (defined dimensionless score based on number of the correct predicted class of samples). This result relies on an innovative framework that is able to assign samples either to new classes or to available classes by exploiting one class classification techniques and clustering approaches.Los procesos industriales modernos son cada vez más complejos y, en consecuencia, su control se ha convertido en una tarea desafiante. La detección y el diagnóstico de fallos (FDD), como un elemento clave de la supervisión del proceso, deben ser investigados debido a su papel esencial en los procesos de toma de decisiones. Entre los métodos disponibles de FDD, los enfoques basados en datos están recibiendo una atención creciente debido a su relativa simplicidad en la implementación. Independientemente de los tipos de FDD, una de las principales características de los sistemas FDD confiables es su capacidad de actualización, mientras que las nuevas condiciones que no fueron consideradas en su entrenamiento inicial, ahora aparecen en el proceso. Estas nuevas condiciones pueden surgir de forma gradual o abrupta, pero tienen el mismo nivel de importancia ya que en ambos casos conducen al bajo rendimiento de FDD. Para abordar las tareas de actualización, se han propuesto algunos métodos, pero no mayoritariamente en el área de investigación de la ingeniería química. Podrían ser categorizados en los que están dedicados a manejar Concept Drift (CD) (que aparecen gradualmente), y a los que tratan con clases nuevas (que aparecen abruptamente). Los métodos disponibles, además de la falta de estrategias claras para la actualización, sufren debilidades en su funcionamiento y de un tiempo de capacitación ineficiente, como se ha referenciado. En consecuencia, esta tesis está dedicada principalmente a la actualización de FDD impulsada por datos en procesos químicos. Los esquemas propuestos para manejar nuevas clases de fallos se basan en métodos no supervisados, mientras que para hacer frente a la CD se han investigado los marcos de actualización supervisados y no supervisados. Además, para mejorar la funcionalidad de los sistemas FDD, se han investigado algunos de los principales métodos de procesamiento de datos, incluida la imputación de valores perdidos, la selección de características y la extensión de características. Los algoritmos y marcos sugeridos para la actualización de FDD han sido evaluados a través de diferentes puntos de referencia y escenarios. Como parte de los resultados, los algoritmos sugeridos para el CD de manejo supervisado superan el rendimiento del aprendizaje incremental tradicional con respecto al puntaje MGM (puntuación adimensional definida basada en el puntaje F1 ponderado y el tiempo de entrenamiento) hasta en un 50% de mejora. Esta mejora se logra mediante los algoritmos propuestos que detectan y olvidan la información redundante, así como ajustan correctamente la ventana de datos para la actualización oportuna y el reciclaje del sistema de detección de fallas. Además, el marco de actualización FDD no supervisado propuesto para tratar fallas nuevas en condiciones de proceso estáticas y dinámicas logra hasta 90% en términos de la puntuación de NPP (puntuación adimensional definida basada en el número de la clase de muestras correcta predicha). Este resultado se basa en un marco innovador que puede asignar muestras a clases nuevas o a clases disponibles explotando una clase de técnicas de clasificación y enfoques de agrupamientoPostprint (published version

Data driven methods for updating fault detection and diagnosis system in chemical processes

Modern industrial processes are becoming more complex, and consequently monitoring them has become a challenging task. Fault Detection and Diagnosis (FDD) as a key element of process monitoring, needs to be investigated because of its essential role in decision making processes. Among available FDD methods, data driven approaches are currently receiving increasing attention because of their relative simplicity in implementation. Regardless of FDD types, one of the main traits of reliable FDD systems is their ability of being updated while new conditions that were not considered at their initial training appear in the process. These new conditions would emerge either gradually or abruptly, but they have the same level of importance as in both cases they lead to FDD poor performance. For addressing updating tasks, some methods have been proposed, but mainly not in research area of chemical engineering. They could be categorized to those that are dedicated to managing Concept Drift (CD) (that appear gradually), and those that deal with novel classes (that appear abruptly). The available methods, mainly, in addition to the lack of clear strategies for updating, suffer from performance weaknesses and inefficient required time of training, as reported. Accordingly, this thesis is mainly dedicated to data driven FDD updating in chemical processes. The proposed schemes for handling novel classes of faults are based on unsupervised methods, while for coping with CD both supervised and unsupervised updating frameworks have been investigated. Furthermore, for enhancing the functionality of FDD systems, some major methods of data processing, including imputation of missing values, feature selection, and feature extension have been investigated. The suggested algorithms and frameworks for FDD updating have been evaluated through different benchmarks and scenarios. As a part of the results, the suggested algorithms for supervised handling CD surpass the performance of the traditional incremental learning in regard to MGM score (defined dimensionless score based on weighted F1 score and training time) even up to 50% improvement. This improvement is achieved by proposed algorithms that detect and forget redundant information as well as properly adjusting the data window for timely updating and retraining the fault detection system. Moreover, the proposed unsupervised FDD updating framework for dealing with novel faults in static and dynamic process conditions achieves up to 90% in terms of the NPP score (defined dimensionless score based on number of the correct predicted class of samples). This result relies on an innovative framework that is able to assign samples either to new classes or to available classes by exploiting one class classification techniques and clustering approaches.Los procesos industriales modernos son cada vez más complejos y, en consecuencia, su control se ha convertido en una tarea desafiante. La detección y el diagnóstico de fallos (FDD), como un elemento clave de la supervisión del proceso, deben ser investigados debido a su papel esencial en los procesos de toma de decisiones. Entre los métodos disponibles de FDD, los enfoques basados en datos están recibiendo una atención creciente debido a su relativa simplicidad en la implementación. Independientemente de los tipos de FDD, una de las principales características de los sistemas FDD confiables es su capacidad de actualización, mientras que las nuevas condiciones que no fueron consideradas en su entrenamiento inicial, ahora aparecen en el proceso. Estas nuevas condiciones pueden surgir de forma gradual o abrupta, pero tienen el mismo nivel de importancia ya que en ambos casos conducen al bajo rendimiento de FDD. Para abordar las tareas de actualización, se han propuesto algunos métodos, pero no mayoritariamente en el área de investigación de la ingeniería química. Podrían ser categorizados en los que están dedicados a manejar Concept Drift (CD) (que aparecen gradualmente), y a los que tratan con clases nuevas (que aparecen abruptamente). Los métodos disponibles, además de la falta de estrategias claras para la actualización, sufren debilidades en su funcionamiento y de un tiempo de capacitación ineficiente, como se ha referenciado. En consecuencia, esta tesis está dedicada principalmente a la actualización de FDD impulsada por datos en procesos químicos. Los esquemas propuestos para manejar nuevas clases de fallos se basan en métodos no supervisados, mientras que para hacer frente a la CD se han investigado los marcos de actualización supervisados y no supervisados. Además, para mejorar la funcionalidad de los sistemas FDD, se han investigado algunos de los principales métodos de procesamiento de datos, incluida la imputación de valores perdidos, la selección de características y la extensión de características. Los algoritmos y marcos sugeridos para la actualización de FDD han sido evaluados a través de diferentes puntos de referencia y escenarios. Como parte de los resultados, los algoritmos sugeridos para el CD de manejo supervisado superan el rendimiento del aprendizaje incremental tradicional con respecto al puntaje MGM (puntuación adimensional definida basada en el puntaje F1 ponderado y el tiempo de entrenamiento) hasta en un 50% de mejora. Esta mejora se logra mediante los algoritmos propuestos que detectan y olvidan la información redundante, así como ajustan correctamente la ventana de datos para la actualización oportuna y el reciclaje del sistema de detección de fallas. Además, el marco de actualización FDD no supervisado propuesto para tratar fallas nuevas en condiciones de proceso estáticas y dinámicas logra hasta 90% en términos de la puntuación de NPP (puntuación adimensional definida basada en el número de la clase de muestras correcta predicha). Este resultado se basa en un marco innovador que puede asignar muestras a clases nuevas o a clases disponibles explotando una clase de técnicas de clasificación y enfoques de agrupamient