摘要 实际工业过程受多种因素(如原材料变化、负载波动、设备老化等)的影响,往往表现出非平稳特性,即过程监测数据统计特性随时间发生变化,因此非平稳过程异常监测备受关注并已成为监测领域的焦点之一.本文从监测方法的角度对非平稳过程异常监测相关研究成果进行了系统性的回顾:首先对非平稳过程的概念和技术难点进行了概述;其次,将非平稳过程监测方法根据原理的差异划分为五大类,并总结了各类方法的优点与不足;最后,结合当前技术发展的现状,对非平稳过程研究中的挑战进行了深入分析与展望.

关键词 非平稳过程; 过程监测; 自适应建模; 协整分析; 平稳子空间分析; 慢特征分析; 深度学习; non-stationary processes; process monitoring; adaptive modeling; cointegration analysis; stationary subspace analysis; slow feature analysis; deep learning

摘要 针对工业设备故障诊断知识图谱故障实体属性残缺、故障关系链接缺失的问题,本文提出了一种基于知识图谱异构图注意力网络(knowledge graph heterogeneous graph attention network, KGHAN)模型的工业设备故障诊断知识图谱补全方法,通过对故障实体概念补全和故障关系链接补全完善了工业设备故障诊断知识图谱.所提KGHAN模型在异构图注意力网络模型的基础上,融合了故障知识结构信息和故障图结构信息,有效地表征了故障实体和故障关系的嵌入表示,提高了故障实体概念补全任务的准确率和故障关系链接补全任务的命中率.将所提工业设备故障诊断知识图谱补全方法应用在国内某企业的工业设备故障运维数据上,结果表明,故障实体概念补全任务的准确率提高了约10%,故障关系链接补全任务的命中率提高了约37%,验证了方法的有效性.

关键词 知识图谱补全; 知识图谱; 图神经网络; 故障诊断; 工业设备; knowledge graph completion; knowledge graph; graph neural network; fault diagnosis; industrial equipment

摘要 本文基于前景理论在博弈的框架下研究了行为感知概率对网络化系统中攻防资源配置的影响.首先,在理性决策情形下,通过融合物理系统、执行器攻击和资源分配模型,构建了一个新的安全博弈框架.其次,针对决策者依靠感知概率而非真实概率进行主观决策的情形,基于前景理论构造了行为安全博弈模型.然后,建立了安全博弈和行为安全博弈下期望收益函数关于攻防资源凹凸性的充要条件,并深入分析和比较了安全博弈和行为安全博弈下攻防资源最优配置的存在性和唯一性以及行为概率对安全博弈的影响.最后以无人机群为例进行了仿真,验证了所提方法的有效性.

关键词 执行器攻击; 前景理论; 资源分配; 安全博弈; 行为安全博弈; actuator attacks; prospect theory; resource allocation; security game; behavioral security game

摘要 本文研究了多方参与的随机线性系统的协作安全参数辨识问题,提出了一种基于门限Paillier密码体制的安全多方最小二乘辨识算法.具体地,通过对正负整数的合理编码,将(门限) Paillier密码体制的加密对象及同态特性由非负整数扩展到了整数.利用门限Paillier密码体制和将数据沿时间轴切分的方法,设计了相应的安全多方参数辨识算法.给出了算法正确加解密所需的明文空间大小条件、保证隐私安全性的时间切分长度条件以及一定条件下估计误差与加密量化误差之间的定量关系.证明了,只要选取的时间切分长度合适,对于任意一个参与者,即使其他所有参与者联合起来仍然无法得到其具体的隐私信息.最后,通过数值仿真验证了算法的有效性.

关键词 多方参与的ARX系统; 隐私安全; 系统辨识; 门限Paillier加密体制; 最小二乘方法; multi-participant ARX system; privacy security; system identification; threshold Paillier cryptosystem; least squares method

摘要 由于原材料、设定点、外界环境等因素变化,工业过程通常具有多个运行工况.多工况过程异常监测技术是保证工业系统安全运行的有效方式,也是过程监测技术的研究热点与难点.首先,对多工况过程异常监测方法进行概述,并将多工况过程的常见处理方式归纳为整体建模、自适应建模、混合建模和多模型建模方法;其次,分别回顾了多工况平稳过程和多工况非平稳过程的研究现状,并分析了各类方法的优缺点;最后,结合实际工业系统特点,指出该领域亟须解决的问题和未来发展方向.

关键词 数据驱动; 多工况过程; 异常监测; 平稳过程; 非平稳过程; 故障检测; data-driven; multimode processes; anomaly monitoring; stationary processes; nonstationary processes; fault detection

摘要 针对信息物理系统的多变量时序数据的异常检测是预防系统故障、保证安全生产的必要手段.由于系统变量间的强耦合性和传播效应,设计异常检测算法时应考虑系统变量间的耦合特性、传播有向性和因果时滞性,从系统结构变化的角度检测早期异常.本文提出一种端到端的启发式时空图神经网络(heuristic spatio-temporal graph neural network, HST-GNN)用于多变量时序数据的异常检测.首先,考虑变量间关系的有向性和集群性,设计一种有向相似性函数和基于启发式聚类算法的图结构学习算法,对多变量时序数据进行图建模以学习变量间的空间耦合关系;其次,使用门控卷积注意单元和多头图注意层作为时空图注意模块,从时空层面同时捕获系统的非线性因果时序和空间耦合深度特征;最后,量化系统的图结构特征,将其作为时空图网络提取的传感器深度特征的补充,输入自编码器中,从系统级别和传感器级别来检测异常.本文在4个公共数据集上验证了HST-GNN的性能.实验结果表明,稀疏有向的图结构有利于系统耦合特性的提取,从系统和传感器级别检测异常增加了模型对不显著的早期异常的敏感度.

关键词 多变量时序数据; 无监督异常检测; 启发式图结构; 时空图注意网络; 系统级图结构特征; multivariable time series data; unsupervised anomaly detection; heuristic graph structure; spatiotemporal graph attention network; system-level graph structure features

摘要 基于过程中实时采集的多变量时序关联数据进行异常检测是预防工业过程事故、保障系统安全的关键环节之一.然而,工业多变量时间序列异常检测仍面临如下两大难题:(1)时序数据变量间复杂的非线性关联特性缺乏有效的表达方法;(2)正常/异常分布极度不均衡的时间序列间复杂的相关性有待深入挖掘.本文提出一种新的基于多变量时间序列的无监督异常检测方法 ——基于Transformer GAN的多变量时间序列异常检测方法 (TGAN-MTSAD). TGAN-MTSAD采用Transformer网络作为生成对抗网络的基本模型,引入了图注意力层以自动学习时序多元变量间的复杂依赖关系,还应用了patch技巧使模型能够有效捕捉时间窗口内的异常细节信息,并提出了基于重构误差与鉴别误差相结合的异常分数计算方法.采用3个真实世界的数据集对所提方法进行了大量的性能验证与对比实验分析.结果表明, TGAN-MTSAD可以有效检测过程中的时序异常,在大多数情况下优于基线方法,并且具有良好的可解释性,可用于复杂工业异常诊断.

关键词 多变量时间序列; 异常检测; Transformer; 异常分数; 图注意力; multivariate time series; anomaly detection; Transformer; anomaly score; graph attention;

摘要 针对高维不平衡数据的多工况故障诊断难题,提出一种非平衡数据条件下基于动态自适应迁移的宽度学习方法 (TL-BLS),并应用于污水处理过程的多工况故障诊断.首先,针对工业过程中不同工况下存在数据分布差异过大的问题,采用迁移学习流形变换方法拉近源域数据和目标域数据的距离;其次,针对后续自适应迁移中需要伪标签的条件,提出考虑数据不平衡的两阶段目标域伪标签预测方法,第一阶段使用基于类间关系的伪标签方法得到可靠度高的伪标签,第二阶段使用考虑子集差异的集成方法来获得可靠度更高且兼顾数据不平衡问题的伪标签;最终,建立带流形正则化项和具有动态平衡因子的自适应迁移与宽度学习方法,并在宽度学习系统和自适应迁移中引入权重矩阵来解决数据非平衡的问题,实现多工况过程下的故障诊断.污水处理过程数据实验及其比较分析表明所提方法具有更优的故障识别效果和更好的实用性.

关键词 故障诊断; 迁移学习; 宽度学习系统; 流形学习; 集成学习; 污水处理过程; 非平衡数据; fault diagnosis; transfer learning; broad learning system; manifold learning; ensemble learning; sewage treatment process; imbalanced data;

摘要 基于深度迁移学习的工业监控方法在近年来获得了大量研究关注,特别是在以故障诊断、软测量等为代表的工业监控典型监督任务中.通过挖掘与迁移相似源域的知识来完成对目标域的建模,这类方法为实际工业场景中变工况等原因导致的跨域监控问题提供了新的思路.本文系统梳理了面向工业监控典型监督任务的深度迁移学习方法,并将其分为基于模型迁移、基于样例迁移与基于特征迁移的工业监控方法.在此基础上,对不同类方法的基本研究思想在故障诊断与软测量任务中的研究进展进行了详细阐述.随后,从实际工业场景的复杂欠数据问题、可迁移性的量化与负迁移问题、工业过程的动态特性问题等角度,指出了当前基于深度迁移学习的工业监控研究中存在的挑战,并对该领域的未来研究方向做出进一步展望.

关键词 迁移学习; 深度学习; 跨域工业监控; 故障诊断; 软测量; transfer learning; deep learning; cross-domain industrial monitoring; fault diagnosis; soft sensor;

摘要 针对工业生产关键设备故障数据稀疏的问题和故障诊断的需求,本文提出了一种基于知识图谱和多任务学习的工业生产关键设备故障诊断模型MKFD (multi-task learning for knowledge graphenhanced fault diagnosis),通过对故障根因的推断实现故障诊断.设计了多任务学习框架,并构造了一种改进十字绣单元用于实现框架内子任务之间的信息共享.利用运维数据构建故障现象–故障根因关联矩阵,使用多层感知机搭建知识图谱嵌入模型;分别将关联矩阵嵌入和知识图谱嵌入作为多任务学习框架中的两个子任务,通过子任务的交替学习,优化MKFD模型参数,实现对故障根因的推断,从而达到故障诊断的目的.最后,基于国内某工业企业的运维数据所构建的两个工业生产关键设备故障知识图谱对上述方案进行了验证实验,结果证明所提出的方法具有良好的性能.

关键词 故障诊断; 知识图谱; 多任务学习; 工业生产关键设备; 推荐系统; fault diagnosis; knowledge graph; multi-task learning; critical industrial equipment; recommender system;

摘要 旋转导向钻井系统是油气开发领域的高端装备,其核心部分——动态指向式旋转导向钻井工具的可靠运行是钻井系统正常工作的重要前提.本文基于模型的方法研究了导向钻井工具装备的微小故障检测,有望为系统的运行维护与健康管理提供重要保障.首先,基于机理建模方法得到了导向钻井工具装备的数学模型.然后,利用移动加权平均方法提高了残差对微小故障的敏感性.基于非中心χ~2分布的性质,实现了对微小故障在统计意义下的可检测性分析,得到了保证误报率与漏报率在允许范围内的窗口长度和权值.最后,在旋转导向钻井工具原理样机上进行实验,实验结果验证了所提方法的有效性.

关键词 旋转导向钻井工具装备; 微小故障检测; 故障可检测性分析; 误报率; 漏报率; rotary steerable drilling tool equipment; incipient fault detection; fault detectability analysis; false alarm rate; missed detection rate;

摘要 风机状态预测是风电数字化和智能运维的关键环节.深度学习由于在挖掘复杂高维数据隐藏关系上具有强大潜力,逐渐被应用于风机状态预测中.然而深度学习在实际运行中也存在着推理性和解释性差等局限性,如何将领域知识与智能算法有效结合是智能运维的一个重要方向.本文以多元时间序列图神经网络通用框架(multivariate time series graph neural network, MT-GNN)为基础,提出了一个知识嵌入式图神经网络模型(knowledge-embedded graph neural network, K-GNN),对风机多元时间序列状态数据进行预测.在该模型中,本文将知识嵌入模块与图学习模块相结合,通过嵌入相关、因果、专家经验3种知识矩阵,更好地刻画出状态变量之间的关联关系.结果显示,在3种知识嵌入式K-GNN模型中,嵌入了专家经验矩阵的图神经网络模型在预测上的表现更为出色,说明领域知识能够有效提升图神经网络模型的泛化性能和可解释性.本文的研究成果对于风电预测性维护技术的研发和推广具有参考意义.

关键词 风力发电机; 状态预测; 多元时间序列; 专家经验; 图神经网络; wind turbines; state prediction; multivariate time series; expert experience; graph neural network;

摘要 面向系统状态安全的分析与控制,是目前控制领域内的热点研究之一.针对一类具有可行状态集的动态系统,本文深入讨论障碍函数与状态安全判据之间的相关性,通过设计一种新颖的障碍函数,提出了基于障碍函数的状态安全判据,该状态安全判据可用于此类系统的安全分析、诊断与控制.受启发于倒数障碍函数与零障碍函数,本文设计了一类非正障碍函数,并在此基础上提出了面向可行状态集的动态系统状态安全判据,通过验证该可行状态集的前向不变性,从而保证系统的安全性;根据非正障碍函数,建立了控制障碍函数,以此设计面向动态控制系统的状态安全控制器,保障系统的运行安全.上述理论与方法在一类连续搅拌釜反应器的安全运行控制中得以应用,通过仿真验证,证明了理论与方法的有效性,实现了基于障碍函数的安全控制理论在过程控制中的首次尝试.

关键词 非正障碍函数; 动态系统; 状态安全控制; 安全性判据; 控制障碍函数; non-positive barrier function; dynamical systems; state-safety control; safety criteria; control barrier function;

摘要 电力系统安全仿真是面向电力系统自身故障或外部攻击等安全威胁,通过仿真实验或借助数值计算研究系统行为的技术.随着自动控制、网络通信、人工智能等信息技术的广泛应用,电力系统已发展成为物理系统与信息系统深度耦合的信息物理融合系统.物理破坏或网络攻击产生的故障在电力系统中相互关联,可跨域传播,产生新的安全威胁形态.电力系统安全仿真正在面临新的挑战.本文回顾了历史上影响广泛的电力系统安全事件;从工程安全、网络安全、信息物理综合安全3个维度,分析电力系统安全仿真的需求和技术发展,对代表性的安全仿真平台进行分类和总结;探讨电力系统安全仿真技术面临的挑战和发展趋势.

关键词 信息物理融合系统; 工程安全; 网络安全; 信息物理综合安全; 电力系统安全仿真技术; cyber-physical system(CPS); engineering safety; network security; cyber-physical integrated security; power system security simulation technology;