B. Balasko, S. Nemeth and J. Abonyi. University of Pannonia, Institute of Chemical and Process Engineering P.O.Box 158., Veszprem, Hungary



Hasonló dokumentumok
Technológiai-üzemeltetési stratégiák csoportosítása hisztorikus idsorok szimbolikus epizód reprezentációján alapulva

Cluster Analysis. Potyó László

Miskolci Egyetem Gazdaságtudományi Kar Üzleti Információgazdálkodási és Módszertani Intézet Factor Analysis

Construction of a cube given with its centre and a sideline

Correlation & Linear Regression in SPSS

On The Number Of Slim Semimodular Lattices

Statistical Inference

Klaszterezés, 2. rész

Bevezetés a kvantum-informatikába és kommunikációba 2015/2016 tavasz

A rosszindulatú daganatos halálozás változása 1975 és 2001 között Magyarországon

Statistical Dependence

Miskolci Egyetem Gazdaságtudományi Kar Üzleti Információgazdálkodási és Módszertani Intézet Nonparametric Tests

Performance Modeling of Intelligent Car Parking Systems

Mapping Sequencing Reads to a Reference Genome

Supporting Information

Using the CW-Net in a user defined IP network

Miskolci Egyetem Gazdaságtudományi Kar Üzleti Információgazdálkodási és Módszertani Intézet. Hypothesis Testing. Petra Petrovics.

Genome 373: Hidden Markov Models I. Doug Fowler

Ensemble Kalman Filters Part 1: The basics

Descriptive Statistics

Phenotype. Genotype. It is like any other experiment! What is a bioinformatics experiment? Remember the Goal. Infectious Disease Paradigm

EN United in diversity EN A8-0206/419. Amendment

First experiences with Gd fuel assemblies in. Tamás Parkó, Botond Beliczai AER Symposium

A jövedelem alakulásának vizsgálata az észak-alföldi régióban az évi adatok alapján

Create & validate a signature

Correlation & Linear Regression in SPSS

NYOMÁSOS ÖNTÉS KÖZBEN ÉBREDŐ NYOMÁSVISZONYOK MÉRÉTECHNOLÓGIAI TERVEZÉSE DEVELOPMENT OF CAVITY PRESSURE MEASUREMENT FOR HIGH PRESURE DIE CASTING

Bioinformatics: Blending. Biology and Computer Science

16F628A megszakítás kezelése

FAMILY STRUCTURES THROUGH THE LIFE CYCLE

A modern e-learning lehetőségei a tűzoltók oktatásának fejlesztésében. Dicse Jenő üzletfejlesztési igazgató

Cashback 2015 Deposit Promotion teljes szabályzat

Gottsegen National Institute of Cardiology. Prof. A. JÁNOSI

STUDENT LOGBOOK. 1 week general practice course for the 6 th year medical students SEMMELWEIS EGYETEM. Name of the student:

(c) 2004 F. Estrada & A. Jepson & D. Fleet Canny Edges Tutorial: Oct. 4, '03 Canny Edges Tutorial References: ffl imagetutorial.m ffl cannytutorial.m

USER MANUAL Guest user

7 th Iron Smelting Symposium 2010, Holland

Miskolci Egyetem Gazdaságtudományi Kar Üzleti Információgazdálkodási és Módszertani Intézet. Correlation & Linear. Petra Petrovics.

Véges szavak általánosított részszó-bonyolultsága

THE EFFECTIVENESS OF THE E-LEARNING APPLICATION: IMPACT ASSESSMENT OF THE QUALITY

Kvantum-informatika és kommunikáció 2015/2016 ősz. A kvantuminformatika jelölésrendszere szeptember 11.

Angol Középfokú Nyelvvizsgázók Bibliája: Nyelvtani összefoglalás, 30 kidolgozott szóbeli tétel, esszé és minta levelek + rendhagyó igék jelentéssel

Lecture 11: Genetic Algorithms

Eladni könnyedén? Oracle Sales Cloud. Horváth Tünde Principal Sales Consultant március 23.

A logaritmikus legkisebb négyzetek módszerének karakterizációi

Tudományos Ismeretterjesztő Társulat

Csima Judit április 9.

Miskolci Egyetem Gazdaságtudományi Kar Üzleti Információgazdálkodási és Módszertani Intézet. Nonparametric Tests. Petra Petrovics.

Dynamic freefly DIVE POOL LINES

Computer Architecture

Hibridspecifikus tápanyag-és vízhasznosítás kukoricánál csernozjom talajon

Supplementary Table 1. Cystometric parameters in sham-operated wild type and Trpv4 -/- rats during saline infusion and

Effect of the different parameters to the surface roughness in freeform surface milling

Széchenyi István Egyetem

Adatbázisok 1. Rekurzió a Datalogban és SQL-99

PIACI HIRDETMÉNY / MARKET NOTICE

KÉPI INFORMÁCIÓK KEZELHETŐSÉGE. Forczek Erzsébet SZTE ÁOK Orvosi Informatikai Intézet. Összefoglaló

FORGÁCS ANNA 1 LISÁNYI ENDRÉNÉ BEKE JUDIT 2

Dependency preservation

Mezőgazdasági gépesítési tanulmányok Agricultural Engineering Research MŰANYAG CSOMAGOLÓ- ÉS TAKARÓ FÓLIÁK REOLÓGIAI VIZSGÁLATA

SQL/PSM kurzorok rész

Decision where Process Based OpRisk Management. made the difference. Norbert Kozma Head of Operational Risk Control. Erste Bank Hungary

KIEGÉSZÍTŽ FELADATOK. Készlet Bud. Kap. Pápa Sopr. Veszp. Kecsk Pécs Szomb Igény

FATERMÉSI FOK MEGHATÁROZÁSA AZ EGÉSZÁLLOMÁNY ÁTLAGNÖVEDÉKE ALAPJÁN

CONCERTO COMMUNITIES IN EU DEALING WITH OPTIMAL THERMAL AND ELECTRICAL EFFICIENCY OF BUILDINGS AND DISTRICTS, BASED ON MICROGRIDS. WP 5 Del 5.

Hogyan használja az OROS online pótalkatrész jegyzéket?

Cloud computing. Cloud computing. Dr. Bakonyi Péter.

INDEXSTRUKTÚRÁK III.

Professional competence, autonomy and their effects

Utolsó frissítés / Last update: február Szerkesztő / Editor: Csatlós Árpádné

Lopocsi Istvánné MINTA DOLGOZATOK FELTÉTELES MONDATOK. (1 st, 2 nd, 3 rd CONDITIONAL) + ANSWER KEY PRESENT PERFECT + ANSWER KEY

Dr. Sasvári Péter Egyetemi docens

Miskolci Egyetem Gazdaságtudományi Kar Üzleti Információgazdálkodási és Módszertani Intézet. Cluster analysis in SPSS

Néhány folyóiratkereső rendszer felsorolása és példa segítségével vázlatos bemutatása Sasvári Péter

A controlling és az értékelemzés összekapcsolása, különös tekintettel a felsőoktatási és a gyakorlati alkalmazhatóságra

CLUSTALW Multiple Sequence Alignment

KELER KSZF Zrt. bankgarancia-befogadási kondíciói. Hatályos: július 8.

Quantitative Statistical Methods

Cloud computing Dr. Bakonyi Péter.

Tudományos Ismeretterjesztő Társulat

Pletykaalapú gépi tanulás teljesen elosztott környezetben

Effect of sowing technology on the yield and harvest grain moisture content of maize (Zea mays L.) hybrids with different genotypes

ANGOL NYELV KÖZÉPSZINT SZÓBELI VIZSGA I. VIZSGÁZTATÓI PÉLDÁNY

MATEMATIKA ANGOL NYELVEN

Irányítási struktúrák összehasonlító vizsgálata. Tóth László Richárd. Pannon Egyetem Vegyészmérnöki és Anyagtudományok Doktori Iskola

3. MINTAFELADATSOR KÖZÉPSZINT. Az írásbeli vizsga időtartama: 30 perc. III. Hallott szöveg értése

Word and Polygon List for Obtuse Triangular Billiards II

Miskolci Egyetem Gazdaságtudományi Kar Üzleti Információgazdálkodási és Módszertani Intézet. Correlation & Regression

Expansion of Red Deer and afforestation in Hungary

Hasznos és kártevő rovarok monitorozása innovatív szenzorokkal (LIFE13 ENV/HU/001092)

PIACI HIRDETMÉNY / MARKET NOTICE

Proxer 7 Manager szoftver felhasználói leírás

TÁMOPͲ4.2.2.AͲ11/1/KONVͲ2012Ͳ0029

discosnp demo - Peterlongo Pierre 1 DISCOSNP++: Live demo

FÖLDRAJZ ANGOL NYELVEN

A Lean Beszállító fejlesztés tapasztalatai a Knorr Bremse-nél

Összefoglalás. Summary. Bevezetés

AZ ERDÕ NÖVEKEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA TÉRINFORMATIKAI ÉS FOTOGRAMMETRIAI MÓDSZEREKKEL KARSZTOS MINTATERÜLETEN

A jövőbeli hatások vizsgálatához felhasznált klímamodell-adatok Climate model data used for future impact studies Szépszó Gabriella

Supplementary materials to: Whole-mount single molecule FISH method for zebrafish embryo

Átírás:

Hierarchical clustering of product transition strategies based on symbolic trend representation in a multi-product process Technológiai-üzemeltetési stratégiák csoportosítása hisztorikus idsorok szimbolikus epizód reprezentációján alapulva B. Balasko, S. Nemeth and J. Abonyi University of Pannonia, Institute of Chemical and Process Engineering P.O.Box 58., Veszprem, Hungary Összefoglaló kivonat Az adatelemzést gyakran összekapcsolják statisztikai eszközök alkalmazásával, melynek oka azok könny alkalmazhatóságában és a nagy mennyiség adat gyors kezelésében keresend. Az idsorok minségi elemzési módszerei következésképpen mindig kiegészülnek valamilyen adatredukciós technikával, mint például a fkomponens elemzés a dimenziók vagy szegmentálás az adatok mennyiségének csökkentésére. Jelen cikkünkben mindkét technikát alkalmazzuk annak érdekében, hogy a nagy mennyiség, többdimenziós adatainkat olyan formába hozhassuk, amelyek már alkalmas minségi vizsgálatok elvégzésére. Az irodalomban fellelhet számos szegmentálási technika közül a kevéssé elterjedt háromszög epizódokat alkalmaztuk az adatsorok grafikus reprezentálására, majd az így kapott epizód szekvenciákat a bio-informatikában már elterjedten használt szekvencia-illesztés segítségével hasonlítottuk össze. Ennek eredményeként a technika képes nem felügyelt módon összehasonlítani két idsort illetve több idsor esetén azokat hasonlóságuk alapján csoportosítani is. A háromszög-epizód szegmentálás lényege, hogy egy idsor értékeibl annak els és második deriváltját is felhasználva olyan tripleteket állít el, amelyben bármely érték eljelének megváltozása a trend jellegének megváltozására, azaz egy epizód végére utal. Másképpen fogalmazva, egy idsort annak zérus helyei, szélsértékei és inflexiós pontjai alapján szegmentál epizódokra, a deriváltak eljelváltásai alapján pedig hét elemi háromszög epizódot definiál. Ezt a hét alaptípust {A,B,C,D,E,F,G} betkóddal leírva kapható meg egy idsor epizód szekvenciája, valamint ha ezeket tovább osztjuk idtartam és megváltozás mértéke alapján {kis, közepes,nagy} értékekre, akkor 57-féle szimbólum -ot nyerünk egy trend reprezentálására. A szekvencia-illesztés egy dinamikus programozási mátrixon alapuló technika, melyet eredetileg DNSláncok összehasonlítására fejlesztettek ki, és egy olyan távolság mátrixon alapul, amelynek koordinátái az egyes fehérjék egymástól való transzformációs távolságát tartalmazzák. Azaz két DNS-lánc távolsága (optimális illesztés mellet az ket alkotó gének transzformációs távolságának összegei közül a minimális. Ez alapján két karakterlánc távolsága is definiálható, ha ismert azok távolságmátrixa. Mi ennek reciprokával, a két szekvencia hasonlóságával számoltunk, ezáltal, két epizód szegmensekre bontott idsor hasonlóságát egyetlen számban kifejezve azok optimális illesztése értékelhet. Ezt a technikát a TVK NyRt. Polipropilén-IV üzemekben gyjtött adatokon teszteltük. Bemutattuk, hogy egy mköd, többtermékes technológia termékváltási adatait vizsgálva, az egyes termékváltások mennyire hasonlítanak egymáshoz, illetve milyen módon csoportosíthatóak a trend alakja alapján, ezáltal minségükben kerültek összehasonlításra. Az eredményeket egy dendrogramban foglaltuk össze, amelyen jól látható, hogy az azonos termékrl azonos termékre váltások sem történtek egymáshoz jelents mértékben hasonlóan, ezzel egy elméletileg optimális, de plauzábilis termékváltási profil megalkotása a következ lépés.

Introduction There are several ways in the data mining literature to analyze the large amount of time series. Quantitative methods are widely spread because of their statistical nature, it is always easy to calculate the average, the covariance or the quantiles from a data set but it always claims prior knowledge to analyze the results, i.e. to use these basic statistics of a time series for qualitative analysis. A common method for decreasing the size of a data set and to get qualitative instead of quantitative information is time series segmentation. Segmentation means finding time intervals where a trajectory of a state variable is homogeneous []. Segments can be linear, steady-state or transient, indicative for normal, transient or abnormal operation. Cheung and Stephanopoulos in [2] proposed a second order segmentation method for process trend analysis, the application of episodes with a geometrical representation of triangles. Triangular episodes use the first and second derivatives of a trend on a geometrical basis, hence seven primitive episode can be achieved as characters. Lot of researchers in the literature applied modified episode segmentation, Wong et. al [3] extended the seven-symbol-set to 57 episodes by fuzzifying each episode by duration and magnitude as {small, medium, large}. To extract useful feature from time series of the state variables one needs to lower the size and dimension of the data and define a distance measure from a theoretically optimal solution to help operators in their work. This article proposes principal component analysis (PCA) aided triangular episode segmentation to represent multivariate product transitions as a -D symbolic trend. For sequence comparement, in [4] it was shown as an example that dynamic time warping (DTW) is able to compare DNA sequences if mutation weights (as distances) exist. Going towards this dynamic alignment technique, we applied global pairwise sequence alignment, a well-known technique in bioinformatics developed by [5], to handle not only mutation and substitution but injection and deletion operators in a sequence. We applied the proposed technique to compare, qualify and cluster the episode sequences of -D product transitions based on process data achived from an existing multiproduct polymer plant. The following sections deal with a shortened overview of the background of our methodology, that was described in our former work [6]. The case study is based on data collected from TVK Plc., Hungary. Principal Component Analysis Principal Component Analysis or hotelling algorithm is a widely known and applied method for lowering the dimensionality of a data set based on its multidimensional structure and find patterns in data [7]. During an orthogonal linear transformation from n to a lower dimension of q, PCA calculates the eigenvectors and eigenvalues of the n-dimensional preprocessed (zero prospective value) data and selects the largest q eigenvalues, which corresponding eigenvectors create a subspace, where the original data is projected into. In other words, it finds the most significant directions with the largest variance in the data set. As a formal description, let X be an n N dimensional data set, where N means the number of observations. The aim of PCA is to find a P orthonormal n n projection matrix that fulfills the following equation: P - = P T () Y = P T X (2) where Y is the diagonal covariance matrix of the transformed data. In general, the principal components of a data set are calculated from the correlation matrix C by the following eigenvalue equation:

Cp = p (3) The eigenvalues are decreasingly sorted, the eigenvector corresponding to the largest eigenvalue will be the first principal component and so on. The selected principal components are collected in P and the projected data are calculated by Equation. If not all the principal components are selected, the projection error of PCA (cumulative percentage of the selected eigenvalues) can be given as follows: Episode segmentation q i= λ (4) As described in [2], to get from a quantitative to a qualitative representation of a real-valued x( function, it has to be reasonable function. It is clear that all the psychical variables in a plant operation are reasonable. It is considered, if we know the value and the derivatives of a reasonable function, the state of that function is completely known. The continuous state (CS) over a closed time interval can be defined as a point value, which is a triplet (if x( is continuous in : CS(x, PtVl(x, = x (, x'(, x''( (5) Consequently, a continuous trend can be defined as continuous sequence of states. For discrete functions, as an approximation, an underlying continuous function has to be known since the derivatives of single points cannot be performed. These definitions lead to a qualitative description of a state (QS) and trend if x is continuous at t, otherwise it is undefined: QS(x, = [ ( ], [ x'( ], [ x''( ] i x (6) where [x(],[x (] and [x (] can be {-; 0; +}, depending if they have negative, zero or positive values. Obviously, a qualitative trend of a reasonable variable is given by the continuous sequence of qualitative states. QS(x; is called an episode if it is constant for a maximal time interval (the aggregation of time intervals with same QS), and the final definition of a trend of a reasonable function is a sequence of these maximal episodes. An ordered sequence of triangular episodes is the geometric language to describe trends. It is composed of seven primitives noted as {A,B,C,D,E,F,G} illustrated in Fig.. Wong et al. fuzzified these seven primitives into a fuzzy set of 57 episodes with a fuzzy membership function [3]. Every episode is assigned to be {small(s);medium(m);large(l)} by duration and magnitude with the highest membership value. Actually, this means that they hard partitioned the episodes by values of the intersections of the membership function. Figure : Seven primitive episodes proposed by Cheung and Stephanopoulos Pairwise Sequence Alignment Sequence alignment is typical expression of bioinformatics, where amino acid or nucleotide sequences have to be compared, how far the evolved new sequences are from the elders, i.e. how old they are, and how many mutation steps were needed to result in the new sequence. Applying the minimal evolution, one tries to find the least mutation steps between the elder and offspring sequence. Naive algorithms compares all possible alignments and select one with minimal sum of transformation weights. Fast algorithms calculate in an other way: Let A n be a n-element sequence and B m a m-element sequence, an and bm their nth and mth element; a α*(a n ;B m ) denotes the set of optimal pairwise alignments of A n and B m and α*(a n ;B m )) the

sum of transformation weights for these optimal alignment. The basic idea in fast algorithms is that if we know α*(a n ;B m )), α*(a n ;B m- )) and α*(a n- ;B m- )), then α*(a n ;B m )) can be calculated within a constant time period. If we leave the last aligned pair in an optimal alignment of A n and B m then we get an optimal alignment of (A n- ;B m ), (A n ;B m- ) or (A n- ;B m- ), depending on that last mutation step was a deletion, injection or substitution, respectively:, Bm)) + an ), Bm )) = min, Bm )) + bm ), Bm )) + an bm ) (7) The optimal alignment weights are given in a dynamic programming matrix D with a size of (n+) (m+). The initial conditions for the 0 th row and column (d 0,0 = 0): i d i,0 = a l ) ; d 0,j = b k ) ; (8) l= j k= The above three equations are the main difference between DTW and pairwise alignment, to fill up D matrix, Eq. 7 is used. Optimal alignments are started at d n,m and ended in d 0,0, while in every step the minimal weight is chosen and stepping left means an injection, stepping upwards means a deletion and stepping diagonally upwards means a substitution. This method was developed by Needleman and Wunsch[5]. We applied a scoring matrix instead of transforming weights to align our episode sequences, the only difference is that it maximizes the score of alignment in every step, and the optimal alignment will be the path with the maximal score. The proposed algorithm The implemented algorithm has a detailed description in [6], we hereby present only a short summary. The algorithm has the following basic steps: - Preprocessing of data (PCA and/or Gaussian filtering); - Time series segmentation into a sequence of triangular episode primitives; - Partitioning of episodes by duration and magnitude; - Alignment of two episode chains; As mentioned previously, we defined a scoring matrix instead of using evolutionary transformation weights in order to get a maximized score for each alignment. Based on these alignment scores, one is able to compare and classify process trends to get a qualitative analysis. Case study This section deals with product changing strategies of a Hungarian polymer plant. The plant produces propylene polymer in two loop reactors and propylene-ethylene copolymer is produced in a gas phase reactor after the loop reactors (Himont technology). Product quality is indicated by melt flow index (MFI) that higly depends on hydrogene contentration. Production is performed in product cycles to minimize offgrade product: 6 homopolymers are produced with rising MFI (H-H6), then copolymers with decreasing MFI (C-C) in a cycle. This strategy suggests that all H-H and C-C transitions has to be similar by shape, H-C and C-H transitions may form different groups. Product transitions are performed manually by tuning of five different process values done by operators: (i) hydrogene inlet concentration in st and (ii) 2 nd loop reactors, (iii) reactor temperature in st and (iv) 2 nd reactors, (v) catalyst inlet flow into the st reactor. While episode segmentation can only handle -D trends, every 5-D product transition is projected with the same principal component into a -D data series as a function of time with an eigenvalue percentage of 98.8% (.2% information los. A number of 3 transitions were compared based on the score of alignment of 2-hour-trends.

A dendrogram of the clustering results can be seen in Fig. 2, where distances were defined as (score) -. As one can see in the middle section of the figure, only a part of copolymer transitions could be grouped together as transition trajectories with similar shape. This type of analysis showed that not even the same type of transitions were performed similarly during product changes (see Fig. 3), hence a theoretically optimal feasible strategy could result in a more efficient production. 0.2 Figure 2: Hierarchical clustering of production 0,005 0-0,005 0. 0.08 0.06 transitions Figure 3: Comparement of two CC2 transitions 0.04 0.02-0,0 0 50 00 50 200 250 300 350 400 450 CDABCDADADADABCBCBCDA--G : C-BBC--D-D--ABCB-BCDABCG Figure 4: Primitive episode alignment of the trends on Fig.3. with an identity percentage of 58 % C9C0 HH2 C8C9 C5C6 CH H6C H5H6 C4C5 H3H4 C7C8 C6C7 C3C4 HH2 C2C3 CC2 C0C C5C6 CC2 C7C8 C0C C8C0 H2H3 H5H6 C2C3 CH C6C7 H4H5 C3C5 H2H3 H6C smc.smd.sma.smb.smc.smd.sma.smd.sma.smd.sma.ssd.sla.smb.smc.slb.smc.slb.smc.smd.sla..mg. 0.006 0 smc. smd. sma. smb. smc. smd. sma. smd. sma. smd. sma. ssd. sla. smb. smc. slb. smc. slb. smc. smd. sla. smc.smb.slb.slc.sld.smd.sla.slb.smc.ssb.smb.slc.smd.sma.smb.slc..sg. smc. ssb. smb. slc. smc. smb. slb. slc. sld. smd. sla. slb. -0,006 0 50 00 50 200 250 300 350 400 450.mG. smd. sma. smb. slc..sg. Conclusions The proposed algorithm can extract useful information from quantitative time series. For decreasing the large amount of data and for resulting in a qualitative description of trends, it applies PCA aided triangular episode segmentation. It has been shown that this tool is able to find similarities in two trends and compare them based on pairwise sequence alignment. Towards this goal, one was able to search for similarities in trends, hence classify process trends based on their shape encoded into episode sequence. The authors would like to acknowledge the support of the Cooperative Research Centre (VIKKK) (project 2004-I) and Hungarian Research Found (OTKA T049534). References [] Keogh, E., Chu, S., Hart, D. and Pazzani, M.: An Online Algorithm for Segmenting Time Series, IEEE International Conference on Data Mining (200) [2] Cheung, J. T., Stephanopoulos, G.: Representation of process trends. Part I. A formal representation framework, Computers and Chemical Engineering, 4, 495-50 (990) [3] Wong, J.C., McDonald, K.A. and Palazoglu, A.: Classification of process trends based on fuzzified symbolic representation and hidden Markov models, J. Proc. Cont., 8(5-6), 395-408 (998) [4] Srinivasan, R., Qian, M.S.: Online fault diagnosis and state identification during process transitions using dynamic locus analysis, Chemical Engineering Science, 6, 609-632 (2006) [5] Needleman, S.B, Wunsch, C.D.: A general method applicable to the search for similarities in the amino acid sequence of two proteins. Journal of Molecular Biology, 48, 443-453 (970) [6] B. Balasko, S. Nemeth and J. Abonyi, Qualitative Analysis of Segmeted Time Series by Sequence Alignment, 7th International Conference of Hungarian Researchers on Computational Intelligence, Budapest (2006) [7] Smith, L.I., A tutorial on Principal Component Analysis (2002)