[發(fā)明專利]一種基于聚類分析的異常檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410646007.0
• 申請(qǐng)日: 2014-11-14
• 公開（公告）號(hào): CN105653835B
• 公開（公告）日: 2018-07-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 耿輝;張素明;張翔;廖友萍;安雪巖;劉巧珍;易航;李劍峰;夏偉強(qiáng);施清平;趙琳;李璨;趙小卓;張利彬;王曉林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京宇航系統(tǒng)工程研究所;中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G06K9/62
• 分類號(hào): G06K9/62
• 代理公司: 核工業(yè)專利中心 11007
• 代理人: 王朋

1.一種基于聚類分析的異常檢測(cè)方法，具體包括如下步驟：

第一步：確定最優(yōu)聚類距離參數(shù)；

所述的第一步具體包括如下步驟：

步驟1.1：航天器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)中共包括n個(gè)測(cè)試變量，按其名稱順序記為x₁、x₂、…、x_n；對(duì)于歸一化后的運(yùn)行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)，將每個(gè)時(shí)刻t上的全部n個(gè)測(cè)試變量值：x_j(t)，j＝1，2，…，n，組合為一個(gè)向量X(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_n(t)]，則向量X(t)為n維歐式空間上的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，歐式空間的n個(gè)維度與n個(gè)測(cè)試變量分別對(duì)應(yīng)；

步驟1.2：航天器運(yùn)行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)包括m個(gè)時(shí)刻上的測(cè)試變量值，即包括n維歐式空間上的m個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)：X(t_i)，i＝1，2，…，m；計(jì)算m個(gè)運(yùn)行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)在全部n個(gè)空間維度上的最大值和最小值，分別記為x_j(max)，j＝1，2，…，n和x_j(min)，j＝1，2，…，n，然后計(jì)算全部n個(gè)空間維度上的數(shù)據(jù)范圍和Zone＝sum(x_j(max)-x_j(min))，j＝1，2，…，n；

步驟1.3：對(duì)于給定的聚類距離參數(shù)D，計(jì)算對(duì)應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)為聚類優(yōu)化指數(shù)Index；

(1)計(jì)算m個(gè)運(yùn)行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)X(t_i)，i＝1，2，…，m的均值數(shù)據(jù)點(diǎn)X_mean＝sum(X(t_i))/m，i＝1，2，…，m；然后，根據(jù)各個(gè)歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)與均值數(shù)據(jù)點(diǎn)的歐式距離大小，對(duì)各個(gè)歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)由小到大排列，記為X(1)、X(2)、…、X(m)；

(2)順序選取排列后的m個(gè)運(yùn)行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)X(i)，i＝1，2，…，m，并進(jìn)行數(shù)據(jù)聚類，具體包括如下步驟：

(2.1)當(dāng)i＝1時(shí)，新建一個(gè)數(shù)據(jù)類C₁，其在各空間維度上的上下邊界C₁.x_j(max)、C₁.x_j(min)，j＝1，2，…，n均取為X(1)(j)，j＝1，2，…，n，并將X(1)歸入數(shù)據(jù)類C₁，即X(1)∈C₁；

(2.2)當(dāng)i>1時(shí)：

(2.2.1)分別計(jì)算X(i)與已有的p個(gè)數(shù)據(jù)類C_k，k＝1，2，…，p的相互距離Dis(X(i),C_k)＝sum(abs(X(i)(j)-C_k.x_j(max))+abs(X(i)(j)-C_k.x_j(min))，k＝1，2，…，p，j＝1，2，…，n，計(jì)算其中的最小距離Dis_min＝min(Dis(X(i),C_k))，k＝1，2，…，p，記錄對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類C_near；

(2.2.2)如Dis_min>D，新建一個(gè)數(shù)據(jù)類C_p+1，其在各空間維度上的上下邊界C_p+1.x_j(max)、C_p+1.x_j(min)，j＝1，2，…，n均取為X(i)(j)，j＝1，2，…，n，并將X(i)歸入數(shù)據(jù)類C_p+1，即X(i)∈C_p+1；

(2.2.3)如Dis_min≤D，擴(kuò)充數(shù)據(jù)類C_near在各空間維度上的上下邊界：C_near.x_j(max)＝max(C_near.x_j(max),X(i)(j))，C_near.x_j(min)＝min(C_near.x_j(min),X(i)(j))，j＝1，2，…，n，并將X(i)歸入數(shù)據(jù)類C_near，即X(i)∈C_near；

(3)在數(shù)據(jù)聚類完成后，對(duì)于所有的r個(gè)數(shù)據(jù)類C_k，k＝1，2，…，r，計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)類內(nèi)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的均值數(shù)據(jù)點(diǎn)X_k-mean，k＝1，2，…，r，并計(jì)算其均值X_all-mean＝sum(X_k-mean)/r，k＝1，2，…，r；然后，計(jì)算聚類優(yōu)化指數(shù)Index＝sum(sum(||X(i)-X_k-mean||²-||X_k-mean-X_all-mean||²))，k＝1，2，…，r，X(i)∈C_k；

步驟1.4：在(0,Zone]區(qū)間內(nèi)，對(duì)聚類距離參數(shù)D進(jìn)行尋優(yōu)，優(yōu)化目標(biāo)為使步驟1.3得到的聚類優(yōu)化指數(shù)Index最小，通過(guò)現(xiàn)有尋優(yōu)方法確定最優(yōu)的D，記為最優(yōu)聚類距離參數(shù)D_opt；

第二步：進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)聚類；

所述的第二步具體包括如下步驟：

采用第一步確定的最優(yōu)聚類距離參數(shù)D_opt，對(duì)歸一化后的航天器運(yùn)行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，歸一化方法與第一步中相同；具體聚類方法如下：

(1)計(jì)算m個(gè)運(yùn)行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)X(t_i)，i＝1，2，…，m的均值數(shù)據(jù)點(diǎn)X_mean＝sum(X(t_i))/m，i＝1，2，…，m；然后，根據(jù)各個(gè)歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)與均值數(shù)據(jù)點(diǎn)的歐式距離大小，對(duì)各個(gè)歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)由小到大排列，記為X(1)、X(2)、…、X(m)；

(2)順序選取排列后的m個(gè)運(yùn)行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)X(i)，i＝1，2，…，m，并進(jìn)行數(shù)據(jù)聚類，具體包括如下步驟：

(2.1)當(dāng)i＝1時(shí)，新建一個(gè)數(shù)據(jù)類C’₁，其在各空間維度上的上下邊界C’₁.x_j(max)、C’₁.x_j(min)，j＝1，2，…，n均取為X(1)(j)，j＝1，2，…，n，并將X(1)歸入數(shù)據(jù)類C’₁，即X(1)∈C’₁；

(2.2)當(dāng)i>1時(shí)：

(2.2.1)分別計(jì)算X(i)與已有的p’個(gè)數(shù)據(jù)類C’_L，L＝1，2，…，p’的相互距離Dis’(X(i),C’_L)＝sum(abs(X(i)(j)-C’_L.x_j(max))+abs(X(i)(j)-C’_L.x_j(min)),L＝1，2，…，p’,j＝1，2，…，n，計(jì)算其中的最小距離Dis’_min＝min(Dis’(X(i),C’_L)),L＝1，2，…，p’，記錄對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類C’_near；

(2.2.2)如Dis’_min>D_opt，新建一個(gè)數(shù)據(jù)類C’_p+1，其在各空間維度上的上下邊界C’_p+1.x_j(max)、C’_p+1.x_j(min)，j＝1，2，…，n均取為X(i)(j)，j＝1，2，…，n，并將X(i)歸入數(shù)據(jù)類C’_p+1，即X(i)∈C’_p+1；

(2.2.3)如Dis’_min≤D_opt，擴(kuò)充數(shù)據(jù)類C’_near在各空間維度上的上下邊界：C’_near.x_j(max)＝max(C’_near.x_j(max),X(i)(j))，C’_near.x_j(min)＝min(C’_near.x_j(min),X(i)(j))，j＝1，2，…，n，并將X(i)歸入數(shù)據(jù)類C’_near，即X(i)∈C’_near；

(3)在步驟(1)和步驟(2)結(jié)束后，共產(chǎn)生q個(gè)航天器歷史運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)類C’_M，M＝1，2，…，q；

第三步：檢測(cè)異常運(yùn)行狀態(tài)；

所述的第三步具體包括如下步驟：

根據(jù)第二步生成的q個(gè)航天器歷史運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)類C_M，M＝1，2，…，q，對(duì)航天器當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，判斷當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)是否異常，具體判斷方法如下：

(1)歸一化后的航天器當(dāng)前時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)中包括n個(gè)測(cè)試變量，按與第一步中相同的名稱順序記為x₁、x₂、…、x_n，歸一化方法與第一步中相同；將當(dāng)前時(shí)刻t_now上的全部n個(gè)測(cè)試變量值：x_i(t_now)，i＝1，2，…，n，組合為一個(gè)向量X(t_now)＝[x₁(t_now),x₂(t_now),…,x_n(t_now)]，則向量X(t_now)為n維歐式空間上的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，歐式空間的n個(gè)維度與n個(gè)測(cè)試變量分別對(duì)應(yīng)；

(2.2)判斷當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)是否異常：

(2.2.1)分別計(jì)算X(t_now)與q個(gè)歷史運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)類C_M，M＝1，2，…，q的相互距離Dis”(X(t_now),C’_M)＝sum(abs(X(t_now)(j)-C’_M.x_j(max))+abs(X(t_now)(j)-C’_M.x_j(min)),M＝1，2，…，q，j＝1，2，…，n，計(jì)算其中的最小距離Dis”_min＝min(Dis”(X(t_now),C’_M))，M＝1，2，…，q，記錄對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類C’_near-now；

(2.2.2)如Dis”_min>D_opt，判斷當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)為異常運(yùn)行狀態(tài)；

(2.2.3)如Dis”_min≤D_opt，擴(kuò)充數(shù)據(jù)類C’_near-now在各空間維度上的上下邊界：C’_near-now.x_j(max)＝max(C’_near-now.x_j(max),X(t_now)(j))，C’_near-now.x_j(min)＝min(C’_near-now.x_j(min),X(t_now)(j))，j＝1，2，…，n。