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Toward Interpretable Process Monitoring: Slow Feature Analysis-Aided Autoencoder for Spatiotemporal Process Feature Learning

自编码 故障检测与隔离 过程(计算) 人工智能 计算机科学 特征(语言学) 模式识别(心理学) 深度学习 特征提取 断层(地质) 机器学习 特征学习 任务(项目管理) 数据挖掘 工程类 语言学 哲学 操作系统 系统工程 地震学 执行机构 地质学
作者
Shipeng Li,Jiaxiang Luo,Yueming Hu
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71: 1-11 被引量:16
标识
DOI:10.1109/tim.2021.3127284
摘要

Industrial process monitoring is a significant task and has started to get better solved by deep learning. However, ensuring that the learned deep features from process data are effective and interpretable for the monitoring task remains a challenge. In this article, a slow feature analysis-aided autoencoder (SFA-AE) is proposed for interpretable process monitoring. The SFA-AE, which combines the advantages of SFA and an autoencoder (AE), enables the learning of deep slow variation patterns from the high-level features extracted by the AE. Particularly, the AE additionally incorporates in convolutional long short-term memories for representing the spatiotemporal relationships of multivariate time-series process data. These slow patterns that are able to heavily highlight abnormal states are used to construct monitoring statistics and then improve the reliability of fault detection. Most importantly, variable relative attention and its control limit based on self-attention mechanisms are developed for fault diagnosis. The proposed self-attention emphasizes the different contributions of process variables to fault detection, making it possible to interpret fault variables in an end-to-end way. In the experiments on the Tennessee Eastman process, the proposed process monitoring method obtains superior fault detection and diagnosis performance than state-of-the-art ones.

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