Improved fault diagnosis in multivariate systems using regression-based reconstruction

Subspace monitoring has recently been proposed as a condition monitoring tool that requires considerably fewer variables to be analysed compared to dynamic principal component analysis (PCA). This paper analyses subspace monitoring in identifying and isolating fault conditions, which reveals that the existing work suffers from inherent limitations if complex fault senarios arise. Based on the assumption that the fault signature is deterministic while the monitored variables are stochastic, the paper introduces a regression-based reconstruction technique to overcome these limitations. The utility of the proposed fault identification and isolation method is shown using a simulation example and the analysis of experimental data from an industrial reactive distillation unit.

PLS modelling and fault detection on the Tennessee Eastman benchmark

This paper describes the application of multivariate regression techniques to the Tennessee Eastman benchmark process for modelling and fault detection. Two methods are applied : linear partial least squares, and a nonlinear variant of this procedure using a radial basis function inner relation. The performance of the RBF networks is enhanced through the use of a recently developed training algorithm which uses quasi-Newton optimization to ensure an efficient and parsimonious network; details of this algorithm can be found in this paper. The PLS and PLS/RBF methods are then used to create on-line inferential models of delayed process measurements. As these measurements relate to the final product composition, these models suggest that on-line statistical quality control analysis should be possible for this plant. The generation of `soft sensors' for these measurements has the further effect of introducing a redundant element into the system, redundancy which can then be used to generate a fault detection and isolation scheme for these sensors. This is achieved by arranging the sensors and models in a manner comparable to the dedicated estimator scheme of Clarke et al. 1975, IEEE Trans. Pero. Elect. Sys., AES-14R, 465-473. The effectiveness of this scheme is demonstrated on a series of simulated sensor and process faults, with full detection and isolation shown to be possible for sensor malfunctions, and detection feasible in the case of process faults. Suggestions for enhancing the diagnostic capacity in the latter case are covered towards the end of the paper.

Application of Nonlinear PCA for Fault Detection in Polymer Extrusion Processes

This paper describes the application of an improved nonlinear principal component analysis (PCA) to the detection of faults in polymer extrusion processes. Since the processes are complex in nature and nonlinear relationships exist between the recorded variables, an improved nonlinear PCA, which incorporates the radial basis function (RBF) networks and principal curves, is proposed. This algorithm comprises two stages. The first stage involves the use of the serial principal curve to obtain the nonlinear scores and approximated data. The second stage is to construct two RBF networks using a fast recursive algorithm to solve the topology problem in traditional nonlinear PCA. The benefits of this improvement are demonstrated in the practical application to a polymer extrusion process.

Analysis of voltage source converter-based high-voltage direct current under DC line-to-earth fault

DC line faults on high-voltage direct current (HVDC) systems utilising voltage source converters (VSCs) are a major issue for multi-terminal HVDC systems in which complete isolation of the faulted system is not a viable option. Of these faults, single line-to-earth faults are the most common fault scenario. To better understand the system under such faults, this study analyses the behaviour of HVDC systems based on both conventional two-level converter and multilevel modular converter technology, experiencing a permanent line-to-earth fault. Operation of the proposed system under two different earthing configurations of converter side AC transformer earthed with converter unearthed, and both converter and AC transformer unearthed, was analysed and simulated, with particular attention paid to the converter operation. It was observed that the development of potential earth loops within the system as a result of DC line-to-earth faults leads to substantial overcurrent and results in oscillations depending on the earthing configuration.

Performance and Fault Tolerance of Preconditioned Iterative Solvers on Low-Power ARM Architectures

As the complexity of computing systems grows, reliability and energy are two crucial challenges asking for holistic solutions. In this paper, we investigate the interplay among concurrency, power dissipation, energy consumption and voltage-frequency scaling for a key numerical kernel for the solution of sparse linear systems. Concretely, we leverage a task-parallel implementation of the Conjugate Gradient method, equipped with an state-of-the-art pre-conditioner embedded in the ILUPACK software, and target a low-power multi core processor from ARM.In addition, we perform a theoretical analysis on the impact of a technique like Near Threshold Voltage Computing (NTVC) from the points of view of increased hardware concurrency and error rate.

Multi-μ: an Ada 95 based architecture for fault tolerance support of real-time systems

This paper presents an architecture (Multi-μ) being implemented to study and develop software based fault tolerant mechanisms for Real-Time Systems, using the Ada language (Ada 95) and Commercial Off-The-Shelf (COTS) components. Several issues regarding fault tolerance are presented and mechanisms to achieve fault tolerance by software active replication in Ada 95 are discussed. The Multi-μ architecture, based on a specifically proposed Fault Tolerance Manager (FTManager), is then described. Finally, some considerations are made about the work being done and essential future developments.

Patterns and quality of object-oriented software systems

Lors de ces dix dernières années, le coût de la maintenance des systèmes orientés objets s'est accru jusqu' à compter pour plus de 70% du coût total des systèmes. Cette situation est due à plusieurs facteurs, parmi lesquels les plus importants sont: l'imprécision des spécifications des utilisateurs, l'environnement d'exécution changeant rapidement et la mauvaise qualité interne des systèmes. Parmi tous ces facteurs, le seul sur lequel nous ayons un réel contrôle est la qualité interne des systèmes. De nombreux modèles de qualité ont été proposés dans la littérature pour contribuer à contrôler la qualité. Cependant, la plupart de ces modèles utilisent des métriques de classes (nombre de méthodes d'une classe par exemple) ou des métriques de relations entre classes (couplage entre deux classes par exemple) pour mesurer les attributs internes des systèmes. Pourtant, la qualité des systèmes par objets ne dépend pas uniquement de la structure de leurs classes et que mesurent les métriques, mais aussi de la façon dont celles-ci sont organisées, c'est-à-dire de leur conception, qui se manifeste généralement à travers les patrons de conception et les anti-patrons. Dans cette thèse nous proposons la méthode DEQUALITE, qui permet de construire systématiquement des modèles de qualité prenant en compte non seulement les attributs internes des systèmes (grâce aux métriques), mais aussi leur conception (grâce aux patrons de conception et anti-patrons). Cette méthode utilise une approche par apprentissage basée sur les réseaux bayésiens et s'appuie sur les résultats d'une série d'expériences portant sur l'évaluation de l'impact des patrons de conception et des anti-patrons sur la qualité des systèmes. Ces expériences réalisées sur 9 grands systèmes libres orientés objet nous permettent de formuler les conclusions suivantes: • Contre l'intuition, les patrons de conception n'améliorent pas toujours la qualité des systèmes; les implantations très couplées de patrons de conception par exemple affectent la structure des classes et ont un impact négatif sur leur propension aux changements et aux fautes. • Les classes participantes dans des anti-atrons sont beaucoup plus susceptibles de changer et d'être impliquées dans des corrections de fautes que les autres classes d'un système. • Un pourcentage non négligeable de classes sont impliquées simultanément dans des patrons de conception et dans des anti-patrons. Les patrons de conception ont un effet positif en ce sens qu'ils atténuent les anti-patrons. Nous appliquons et validons notre méthode sur trois systèmes libres orientés objet afin de démontrer l'apport de la conception des systèmes dans l'évaluation de la qualité.

Analysing artefacts dependencies to evolving software systems

Les logiciels sont en constante évolution, nécessitant une maintenance et un développement continus. Ils subissent des changements tout au long de leur vie, que ce soit pendant l'ajout de nouvelles fonctionnalités ou la correction de bogues. Lorsque les logiciels évoluent, leurs architectures ont tendance à se dégrader et deviennent moins adaptables aux nouvelles spécifications des utilisateurs. En effet, les architectures de ces logiciels deviennent plus complexes et plus difficiles à maintenir à cause des nombreuses dépendances entre les artefacts. Par conséquent, les développeurs doivent comprendre les dépendances entre les artefacts des logiciels pour prendre des mesures proactives qui facilitent les futurs changements et ralentissent la dégradation des architectures des logiciels. D'une part, le maintien d'un logiciel sans la compréhension des les dépendances entre ses artefacts peut conduire à l'introduction de défauts. D'autre part, lorsque les développeurs manquent de connaissances sur l'impact de leurs activités de maintenance, ils peuvent introduire des défauts de conception, qui ont un impact négatif sur l'évolution du logiciel. Ainsi, les développeurs ont besoin de mécanismes pour comprendre comment le changement d'un artefact impacte le reste du logiciel. Dans cette thèse, nous proposons trois contributions principales : La spécification de deux nouveaux patrons de changement et leurs utilisations pour fournir aux développeurs des informations utiles concernant les dépendances de co-changement. La spécification de la relation entre les patrons d'évolutions des artefacts et les fautes. La découverte de la relation entre les dépendances des anti-patrons et la prédisposition des différentes composantes d'un logiciel aux fautes.

Application for fault location in electrical power distribution systems

Fault location has been studied deeply for transmission lines due to its importance in power systems. Nowadays the problem of fault location on distribution systems is receiving special attention mainly because of the power quality regulations. In this context, this paper presents an application software developed in Matlabtrade that automatically calculates the location of a fault in a distribution power system, starting from voltages and currents measured at the line terminal and the model of the distribution power system data. The application is based on a N-ary tree structure, which is suitable to be used in this application due to the highly branched and the non- homogeneity nature of the distribution systems, and has been developed for single-phase, two-phase, two-phase-to-ground, and three-phase faults. The implemented application is tested by using fault data in a real electrical distribution power system

Dynamic management and restoration of virtual paths in broadband networks based on distributed software agents

La gestió de xarxes és un camp molt ampli i inclou molts aspectes diferents. Aquesta tesi doctoral està centrada en la gestió dels recursos en les xarxes de banda ampla que disposin de mecanismes per fer reserves de recursos, com per exemple Asynchronous Transfer Mode (ATM) o Multi-Protocol Label Switching (MPLS). Es poden establir xarxes lògiques utilitzant els Virtual Paths (VP) d'ATM o els Label Switched Paths (LSP) de MPLS, als que anomenem genèricament camins lògics. Els usuaris de la xarxa utilitzen doncs aquests camins lògics, que poden tenir recursos assignats, per establir les seves comunicacions. A més, els camins lògics són molt flexibles i les seves característiques es poden canviar dinàmicament. Aquest treball, se centra, en particular, en la gestió dinàmica d'aquesta xarxa lògica per tal de maximitzar-ne el rendiment i adaptar-la a les connexions ofertes. En aquest escenari, hi ha diversos mecanismes que poden afectar i modificar les característiques dels camins lògics (ample de banda, ruta, etc.). Aquests mecanismes inclouen els de balanceig de la càrrega (reassignació d'ample de banda i reencaminament) i els de restauració de fallades (ús de camins lògics de backup). Aquests dos mecanismes poden modificar la xarxa lògica i gestionar els recursos (ample de banda) dels enllaços físics. Per tant, existeix la necessitat de coordinar aquests mecanismes per evitar possibles interferències. La gestió de recursos convencional que fa ús de la xarxa lògica, recalcula periòdicament (per exemple cada hora o cada dia) tota la xarxa lògica d'una forma centralitzada. Això introdueix el problema que els reajustaments de la xarxa lògica no es realitzen en el moment en què realment hi ha problemes. D'altra banda també introdueix la necessitat de mantenir una visió centralitzada de tota la xarxa. En aquesta tesi, es proposa una arquitectura distribuïda basada en un sistema multi agent. L'objectiu principal d'aquesta arquitectura és realitzar de forma conjunta i coordinada la gestió de recursos a nivell de xarxa lògica, integrant els mecanismes de reajustament d'ample de banda amb els mecanismes de restauració preplanejada, inclosa la gestió de l'ample de banda reservada per a la restauració. Es proposa que aquesta gestió es porti a terme d'una forma contínua, no periòdica, actuant quan es detecta el problema (quan un camí lògic està congestionat, o sigui, quan està rebutjant peticions de connexió dels usuaris perquè està saturat) i d'una forma completament distribuïda, o sigui, sense mantenir una visió global de la xarxa. Així doncs, l'arquitectura proposada realitza petits rearranjaments a la xarxa lògica adaptant-la d'una forma contínua a la demanda dels usuaris. L'arquitectura proposada també té en consideració altres objectius com l'escalabilitat, la modularitat, la robustesa, la flexibilitat i la simplicitat. El sistema multi agent proposat està estructurat en dues capes d'agents: els agents de monitorització (M) i els de rendiment (P). Aquests agents estan situats en els diferents nodes de la xarxa: hi ha un agent P i diversos agents M a cada node; aquests últims subordinats als P. Per tant l'arquitectura proposada es pot veure com una jerarquia d'agents. Cada agent és responsable de monitoritzar i controlar els recursos als que està assignat. S'han realitzat diferents experiments utilitzant un simulador distribuït a nivell de connexió proposat per nosaltres mateixos. Els resultats mostren que l'arquitectura proposada és capaç de realitzar les tasques assignades de detecció de la congestió, reassignació dinàmica d'ample de banda i reencaminament d'una forma coordinada amb els mecanismes de restauració preplanejada i gestió de l'ample de banda reservat per la restauració. L'arquitectura distribuïda ofereix una escalabilitat i robustesa acceptables gràcies a la seva flexibilitat i modularitat.

Mobile sink based fault diagnosis scheme for wireless sensor networks

Network diagnosis in Wireless Sensor Networks (WSNs) is a difficult task due to their improvisational nature, invisibility of internal running status, and particularly since the network structure can frequently change due to link failure. To solve this problem, we propose a Mobile Sink (MS) based distributed fault diagnosis algorithm for WSNs. An MS, or mobile fault detector is usually a mobile robot or vehicle equipped with a wireless transceiver that performs the task of a mobile base station while also diagnosing the hardware and software status of deployed network sensors. Our MS mobile fault detector moves through the network area polling each static sensor node to diagnose the hardware and software status of nearby sensor nodes using only single hop communication. Therefore, the fault detection accuracy and functionality of the network is significantly increased. In order to maintain an excellent Quality of Service (QoS), we employ an optimal fault diagnosis tour planning algorithm. In addition to saving energy and time, the tour planning algorithm excludes faulty sensor nodes from the next diagnosis tour. We demonstrate the effectiveness of the proposed algorithms through simulation and real life experimental results.

Isolation and characterization of microsatellite loci for white-lipped peccaries (Tayassu pecari) and cross-amplification in collared peccaries (Pecari tajacu)

White-lipped peccaries, Tayassu pecari, are neotropical ungulates whose populations have been declining in numerous locations within their geographical distribution. Here we describe 16 microsatellite loci isolated from T. pecari and their cross-amplification in collared peccaries, Pecari tajacu. In 30 individuals of T. pecari, a total of 32 alleles were found in ten polymorphic loci, ranging from 2 to 8 alleles per locus with a mean of 3.2. The expected and observed heterozygosity ranged from 0.143 to 0.802 and from 0 to 0.704, respectively. Two loci deviated from Hardy-Weinberg equilibrium. In P. tajacu, nine loci were polymorphic with a mean of 3.2 alleles per locus. These molecular markers will be useful to study the genetic status of peccary populations and, consequently, to help their conservation.

Fault Coverage-Driven Incremental Test Generation

In this paper, we consider a classical problem of complete test generation for deterministic finite-state machines (FSMs) in a more general setting. The first generalization is that the number of states in implementation FSMs can even be smaller than that of the specification FSM. Previous work deals only with the case when the implementation FSMs are allowed to have the same number of states as the specification FSM. This generalization provides more options to the test designer: when traditional methods trigger a test explosion for large specification machines, tests with a lower, but yet guaranteed, fault coverage can still be generated. The second generalization is that tests can be generated starting with a user-defined test suite, by incrementally extending it until the desired fault coverage is achieved. Solving the generalized test derivation problem, we formulate sufficient conditions for test suite completeness weaker than the existing ones and use them to elaborate an algorithm that can be used both for extending user-defined test suites to achieve the desired fault coverage and for test generation. We present the experimental results that indicate that the proposed algorithm allows obtaining a trade-off between the length and fault coverage of test suites.