Failure prognostics by support vector regression of time series data under stationary/nonstationary environmental and operational conditions

par Jie Liu

Thèse de doctorat en Génie industriel

Sous la direction de Enrico Zio.

Le président du jury était Noureddine Zerhouni.

Le jury était composé de Enrico Zio, Cesare Alippi, Pierre Dersin, Christian Derquenne.

Les rapporteurs étaient Noureddine Zerhouni, Cesare Alippi.

  • Titre traduit

    Prédiction de données de séries chronologiques avec des méthodes basées sur la régression à vecteurs de support dans des conditions environnementales et opérationnelles stationnaire/non-stationnaire


  • Résumé

    Ce travail de thèse est motivée par la possibilité de surveiller l'état des composants de systèmes d'énergie pour leur utilisation prolongée et sécuritaire, conformément à la pratique correcte de fonctionnement et des politiques adéquates de maintenance. La motivation est de développer des méthodes basées sur la régression à vecteurs de support pour la prédiction de données de séries chronologiques dans des conditions environnementales et opérationnelles stationnaire/ non-stationnaire. Les simples modèles et les ensembles de modèles à base de SVR sont développés pour attaquer la prédiction basée sur des petits et des grands ensembles de données. Des stratégies sont proposées pour la mise à jour de façon adaptative les simples modèles et les ensembles de modèles à base de SVR au cas du changement de la distribution générant les données. Les comparaisons avec d'autres méthodes d'apprentissage en ligne sont fournies en référence à des données de séries chronologiques d'un composant critique dans les centrales nucléaires fournis par Electricité de France (EDF). Les résultats montrent que les approches proposées permettent d'atteindre des résultats de prédiction comparables compte tenu de l'erreur quadratique moyenne et erreur relative, en beaucoup moins de temps de calcul. Par ailleurs, en analysant le sens géométrique de la méthode de la sélection de vecteurs caractéristiques(FVS) proposé dans la littérature, une nouvelle méthode géométriquement interprétable, nommé Reduced RankKernel Ridge Regression-II (RRKRR-II), est proposée pour décrire les relations linéaires entre un valeur prédite et les valeurs prédites des vecteurs caractéristiques sélectionné par FVS. Les comparaisons avec plusieurs méthodes sur un certain nombre de données publics prouvent la bonne précision de la prédiction et le réglage facile des hyperparamètres de RRKRR-II.


  • Résumé

    This Ph. D. work is motivated by the possibility of monitoring the conditions of components of energy systems for their extended and safe use, under proper practice of operation and adequate policies of maintenance. The aim is to develop a Support Vector Regression (SVR)-based framework for predicting time series data under stationary/nonstationary environmental and operational conditions. Single SVR and SVR-based ensemble approaches are developed to tackle the prediction problem based on both small and large datasets. Strategies are proposed for adaptively updating the single SVR and SVR-based ensemble models in the existence of pattern drifts. Comparisons with other online learning approaches for kernel-based modelling are provided with reference to time series data from a critical component in Nuclear Power Plants (NPPs) provided by Electricité de France (EDF). The results show that the proposed approaches achieve comparable prediction results, considering the Mean Squared Error (MSE) and Mean Relative Error (MRE), in much less computation time. Furthermore, by analyzing the geometrical meaning of the Feature Vector Selection (FVS) method proposed in the literature, a novel geometrically interpretable kernel method, named Reduced Rank Kernel Ridge Regression-II (RRKRR-II), is proposed to describe the linear relations between a predicted value and the predicted values of the Feature Vectors (FVs) selected by FVS. Comparisons with several kernel methods on a number of public datasets prove the good prediction accuracy and the easy-of-tuning of the hyperparameters of RRKRR-II.


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