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Enregistrement W4388691832 · doi:10.1109/tase.2023.3331347

Unsupervised Fault Detection for Building Air Handling Unit Systems Using Deep Variational Mixture of Principal Component Analyzers

2023· article· en· W4388691832 sur OpenAlexafffund
Viet Tra, Manar Amayri, Nizar Bouguila

Notice bibliographique

RevueIEEE Transactions on Automation Science and Engineering · 2023
Typearticle
Langueen
DomaineComputer Science
ThématiqueAnomaly Detection Techniques and Applications
Établissements canadiensConcordia University
Organismes subventionnairesNatural Sciences and Engineering Research Council of Canada
Mots-clésAutoencoderPrincipal component analysisComponent (thermodynamics)Fault detection and isolationMissing dataComputer scienceRobust principal component analysisArtificial intelligenceDeep learningArtificial neural networkFunction (biology)Data miningPattern recognition (psychology)Machine learning

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Incomplete data is the most common but tricky problem for data-driven energy and building solutions. Due to sensor errors or communication failures, raw building data with missing data points are rarely satisfactory for fault detection and diagnosis (FDD) applications. In this paper, a new framework named a deep variational mixture of principal component analyzers (DV-MPPCA) is proposed to address the building FDD problem with incomplete data. DV-MPPCA is the combination of a variational autoencoder (VAE) model for data compression and a mixture of principal component analyzers (MPPCA) for density estimation. To construct an integrated framework comprising both VAE and MPPCA, we introduce a novel methodology that represents the algebraic model of MPPCA within the architecture of a neural network. This innovative architecture undergoes optimization through the minimization of a designated loss function. Subsequently, the refined and optimized framework is harnessed as an unsupervised fault detection model for a real-world air handling unit (AHU) system designed by the ASHRAE research project 1312 (RP-1312). Furthermore, by incorporating the modified evidence lower bound (ELBO) loss function within the VAE, the resulting DV-MPPCA framework exhibits exceptional performance when confronted with incomplete AHU datasets, even with high missing rates. Empirical findings substantiate the supremacy of DV-MPPCA over other contemporary classic and deep models. Impressively, even with a missing rate as modest as 10%, DV-MPPCA consistently delivers outstanding performance, achieving F1-scores of 98.10%, 93.50%, and 81.57% for the Summer, Winter, and Spring datasets, respectively.Note to Practitioners—This article was motivated by the fact that raw building data with missing data points are not qualitative enough for direct use in fault detection and diagnosis (FDD) applications. To resolve this problem, existing studies manipulated imputation algorithms in the preprocessing step to prepare the data for constructing FDD models and impute missing points in test instances during the online monitoring process. However, this step makes an overall FDD framework cumbersome. Therefore, instead of utilizing a data imputation method as a separately operating model, we adopt VAE in our framework to exclude the contribution of missing points during the offline modeling and online monitoring processes. This modification of VAE helps our framework be immune to incomplete data. For reproducibility and future improvement by other researchers, the complete source code of this study is provided in the following repository: https://github.com/viettra-xai/DV-MPPCA.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,002
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,010
Score d'incertitude au seuil0,020

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,023
Tête enseignante GPT0,265
Écart entre enseignants0,243 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations12
Publié2023
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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