Diagnostic de fonctionnement par analyse en composantes principales : application à une station de traitement des eaux usées

par Yvon Tharrault

Thèse de doctorat en Automatique et traitement du signal

Sous la direction de José Ragot et de Gilles Mourot.

Soutenue le 11-12-2008

à Vandoeuvre-les-Nancy, INPL , dans le cadre de IAEM - Ecole Doctorale Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques , en partenariat avec Centre de recherche en automatique (Nancy) (laboratoire) .

Le président du jury était Marie-Noëlle Pons.

Le jury était composé de José Ragot, Gilles Mourot, Marie-Noëlle Pons, Thierry Denoeux, Jean-Philippe Steyer, Mireille Batton-Hubert.

Les rapporteurs étaient Thierry Denoeux, Jean-Philippe Steyer.


  • Résumé

    L’objectif de cette thèse était de valider l’ensemble des informations délivrées par les capteurs utiles à la commande d’une station de traitement des eaux usées. Pour cela, nous avons utilisé l’analyse en composantes principales (ACP) pour effectuer la détection et localisation de défauts de capteurs de la station de traitement des eaux usées. Afin de construire un modèle ACP, nous avons eu recours à une matrice de données constituée de l’ensemble des mesures disponibles (obtenues lors du fonctionnement normal de la station de traitement des eaux usées) dans l’installation. Cependant, afin d’appliquer l’ACP, nous avons rencontré plusieurs difficultés : 1. Présence dans les données de valeurs aberrantes (valeurs obtenues durant des périodes de démarrage, d’arrêt, de fonctionnement dégradé, erreurs de mesure, ...) perturbant la construction d’un modèle ACP. 2. Présence de défauts multiples, ce qui entraîne une explosion combinatoire des scénarii de défauts à considérer. Afin de résoudre le premier point, nous nous sommes intéressé aux variantes robustes de l’ACP. L’estimateur robuste MCD (Minimum Covariance Determinant), méthode de référence pour ses performances, nécessite un temps de calcul important, et une connaissance a priori de la quantité de valeurs aberrantes présente dans les données (inconnue). C’est la raison pour laquelle nous avons proposé une nouvelle méthode robuste, basée sur l’utilisation de MM-estimateur, nommée MMRPCA (MM-estimator Robust Principal Component Analysis). Concernant le point 2, une méthode d’analyse du modèle en terme de capacité de détection et de localisation a été appliquée afin de réduire le nombre de défauts à considérer. Les différentes méthodes développées ont été menées avec succès afin de valider les mesures issues des différents capteurs de la station d’épuration des eaux usées

  • Titre traduit

    Fault diagnosis using principal component analysis : application to a wastewater treatment plant


  • Résumé

    This thesis deals with the validation of the information provided by the sensors to the control of a wastewater treatment plant. For this purpose, Principal Component Analysis (PCA) approach is used in order to accomplish sensor fault detection and isolation of the wastewater treatment plant. This approach is well adapted to cope with diagnosis of complex systems because no a priori theoretical model of the plant must be considered. A data matrix, obtained by taking into consideration the available measurements in normal behaviour of the wastewater treatment plant, is used in order to build a PCA model. However, two major problems must be taking into consideration when PCA is implemented: 1. Outliers appear naturally in the collection data (caused for example by faulty data, data obtained during shutdown or startup periods or data issued from different operating mode) and consequently the PCA model can seriously be affected. 2. Multiple sensor faults introduce unavoidably a combinatory explosion of the different fault scenarios to be considered. The first problem is solved by introducing a robustness degree in the PCA methodology. Among the existing robust methods proposed in the literature, the robust estimator MCD (Minimum Covariance Determinant) is the most popular. However, this method needs a large computing time on the one hand and a priori knowledge of the quantity of outliers present (generally unknown) in the data on the other hand. To avoid these difficulties, a new robust method is proposed in this thesis. Our method, namely MMRPCA (MM-estimator Robust Principal Component Analysis), is based on MM-estimators. The second mentioned problem is tackled by reducing the considered number of faults thanks to a new analysis method of the capacities of detection and isolation of the PCA model. The efficiency of the proposed methodologies is verified by considering the real wastewater treatment plant data


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