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Tree structure guided graph neural networks for soft sensing and anomaly regulation

计算机科学 瓶颈 过程(计算) 钥匙(锁) 邻接矩阵 数据挖掘 信息瓶颈法 图形 树(集合论) 代表(政治) 人工智能 机器学习 反事实思维 树形结构 可靠性(半导体) 异常检测 邻接表 人工神经网络 特征(语言学) 多元微积分 分层数据库模型 异常(物理) 理论计算机科学 数据结构 大数据
作者
Cheng Lu,Jiusun Zeng,Yi Liu,Jinhui Cai,Ying Liu,Suijun Liu
出处
期刊:Measurement Science and Technology [IOP Publishing]
卷期号:37 (1): 016201-016201
标识
DOI:10.1088/1361-6501/ae2aff
摘要

Abstract Graph neural networks (GNNs) have emerged as powerful tools for industrial soft sensing, offering the ability to model complex relationships among process variables. However, existing GNN-based soft sensors suffer from two critical limitations: (i) they lack hierarchical modeling capabilities to reflect the multi-level structure of industrial processes, and (ii) their black-box nature hinders interpretability, making it difficult to evaluate the influence of process variables on key performance indicators. These limitations reduce the reliability of GNNs in safety-critical industrial processes. To address these challenges, this paper proposes a tree structure guided GNN framework that integrates a data-driven adjacency matrix with a tree-based process representation derived from prior knowledge, enabling hierarchical feature aggregation and clearer correlation modeling. Based on this, a tree structure guided graph information bottleneck (GIB) method is developed to extract critical subtrees that preserve predictive information while suppressing task-irrelevant redundancies, thereby enhancing interpretability. Furthermore, an intrinsic counterfactual explanation module is introduced to generate actionable anomaly regulation suggestions by identifying minimal and interpretable process adjustments needed to restore key performance indicators to safe operating ranges. Experimental results on simulation and real-world industrial datasets demonstrate that the proposed framework achieves superior predictive accuracy, interpretability, and practical effectiveness in anomaly regulation.
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