Fault diagnosis using the incremental learning algorithm with support vector machine

To prevent process interruption and eventual losses, the need for a reliable fault detection and diagnosis system (FDD) is completely acknowledged. Besides the capability to recognize known faults automatically, a further requirement for a FDD is adaptability. If th e model cannot be adapted to deal with changes, variations due to external changes, decaying performance, Poisoning of catalyst etc. the FDD system could perform misleadingly. This paper presents an advantageous of incremental learning algorithm for fault d iagnosis, when a support vector machine algorithm are implemented as a classifier. The method which is followed in order to use the incremental learning algorithm is based on hyperplane - distance (HD) [1] . In the continues reactor which is studied, two cases are compared in order to clarify the role and importance of incremental learning algorithm. Result show t he effectiveness of this methodPostprint (author's final draft

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

Modelos baseados em funções Kernel para localização de veículos autônomos subaquáticos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015.Esta tese aborda a análise do sistema de localização acústica de veículos subaquáticos em uma configuração dita de base longa auxiliada por sensores inerciais. Para o processo de filtragem de dados, o filtro de Kalman, em sua versão estendida EKF (Extended Kalman Filter), é utilizado de modo a aproveitar toda informação relacionada aos estados do veículo proveniente dos sensores. O foco do trabalho está no processo de aprendizagem a partir de dados com vistas à identificação das medições errôneas do tempo de chegada da sonda sonora e à correção das mesmas. As técnicas exploradas para essas finalidades são o AAKR (AutoAssociative Kernel Regression) e o SVDD (Support Vector Data Description). O objetivo é melhorar a estimação dos estados do veículo (posição, velocidade e orientação) provenientes dos sensores inerciais, aproveitando um conjunto de medições corretas obtidas durante a navegação ou em missões anteriores à atual. A melhoria no desempenho do sistema de localização foi analisado por simulação utilizando dados experimentais obtidos em missões com veículos de baixo custo e modelos de propagação acústica que inserem desvios factíveis aos tempos de chegada medidos. Os resultados são comparados ao desempenho obtido com uma solução clássica para a localização acústica de veículos autônomos em ambiente subaquático. Destaca-se ainda que a arquitetura proposta não se apresenta firmemente acoplada ou fortemente dependente de qualquer outro algoritmo presente no veículo, o que a caracteriza como uma solução bastante modular com a possibilidade de estendê-la a outras aplicações.Abstract : This thesis deals with the analysis of an acoustic localization system in a long baseline configuration for navigation of underwater vehicles aided by inertial sensors. For the process of filtering data, the Extended Kalman Filter (EKF) is used in order to take advantage of all information related to the states of the vehicle from the sensors. The focus is on the process of learning from data with a view to identify erroneous measurements of the time of flight of the acoustic signal and correct eventual deviations in this quantity. The techniques used for these purposes are AAKR (AutoAssociative Kernel Regression) and SVDD (Support Vector Data Description). The objective is to improve the accuracy of the estimates of the vehicle s states (position, velocity and orientation) coming from the inertial sensors, taking advantage of a set of correct measurements obtained during prior navigations or in the current missions. The improved performance of the tracking system is evidenced by the data obtained using in field missions with low-cost vehicles and acoustic propagation models that insert feasible deviations to arrival times measured. The results are compared with the performance obtained with other classical solution to acoustic localization task in underwater environment of autonomous vehicles. It is highlighted also that the proposed architecture is not tightly coupled to any other algorithm running in the vehicle , which characterizes the approach as a very modular and cost-effective computing solution