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Spatial-Temporal Causality Modeling for Industrial Processes With a Knowledge-Data Guided Reinforcement Learning

可解释性 计算机科学 因果关系(物理学) 机器学习 人工智能 异常检测 因果模型 强化学习 虚假关系 数据挖掘 因果结构 过程(计算) 数学 统计 操作系统 物理 量子力学
作者
Xiangrui Zhang,Chunyue Song,Jun Zhao,Zuhua Xu,Xiaogang Deng
出处
期刊:IEEE Transactions on Industrial Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:20 (4): 5634-5646 被引量:17
标识
DOI:10.1109/tii.2023.3333921
摘要

Causality in an industrial process provides insights into how various process variables interact and affect each other within the system. It reveals the underlying mechanisms of industrial processes, which ensures predictive reliability and facilitates physical interpretability. However, existing causality-based techniques have limitations, as they neglect the temporal factor in causal description, introduce spurious causal associations in causal discovery, and fail to consider the spatial-temporal synchronicity in causal utilization. To address these issues, this article proposes a spatial-temporal causality modeling approach. A novel spatial-temporal causal digraph (STCG) is proposed to describe causal dependencies among process variables, which considers both spatial and temporal factors encompassing causal relationships and time delays. The STCG identification procedure is formulated as a Markov decision process, and knowledge-data guided reinforcement learning is developed to acquire the optimal identification policy and avoid spurious causal associations. With the identified STCG, a graph attention gate recurrent unit (GAGRU) is constructed for spatial-temporal process modeling, which is able to capture the synchronous evolution of industrial data in spatial-temporal dimensions. Finally, the effectiveness of the proposed modeling approach is verified by applying to two real industrial cases, including soft sensing for a sulfur recovery unit and anomaly detection for an argon distillation system. The experimental results demonstrate that the STCG-based industrial process modeling outperforms classical and state-of-the-art comparison methods in terms of reliability and interpretability.
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