1.一种基于图注意力网络与LSTM自动编码模型的工业系统异常检测方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
1)样本划分和标准化:采用滑动窗口将原始工业系统数据划分为样本;
2)异常检测模型构建:采用图注意力网络和LSTM自动编码机构建异常检测模型;
3)实时异常检测:基于重构误差计算异常程度分数,在此基础上进行异常状态判定;
所述步骤1)中,给定原始多维时序的工业系统数据 其中,T是数据容量,F是数据维度,样本划分和标准化的步骤如下:(1‑1)样本划分:基于宽度为W、步长为S的滑动窗口将X划分成由多个样本组成的样本集XS,其中,划分后样本的个数为N,每个样本(1‑2)标准化:基于Z‑Score方法对数据进行标准化操作,使得每个窗口中每个维度上的数据的均值为0、标准差为1;
所述步骤2)中,异常检测模型构建的步骤如下:
(2‑1)关联图构建:将每个样本x转化为关联图的形式Gx=(V,E,A),其中,V、E、A分别为节点集合、边集合、属性集合,描述如下:首先,V中每个节点vi代表样本数据的一个维度,一个维度对应工业系统中的一个监测设备;其次,E中每条边eij代表节点vi和vj之间存在关联,为每一对节点都设置一条边,即Gx是一个全连接图;再次,A中每个元素ai为vi所指示的维度上的样本数据向量,代表vi的属性;
(2‑2)模型构建:异常检测模型为一个深度神经网络,包含交互层、编码层、解码层和重构层;
(2‑3)模型训练:为实现无监督的模型训练,将解码器产生的重构样本y和原始样本x之间的均方误差作为模型的损失函数,在此基础上采用梯度下降方式对模型进行优化训练;
所述交互层使用图注意力网络来处理模型的输入,交互层的输入为步骤(2‑1)中得到的关联图形式的样本Gx,处理步骤为:step1对于Gx中任意一条边eij设置一个可学习的权重wij,其计算方法如式(1)所示,其中,q为可学习的参数向量,σ()为一个非线性激活函数,⊕用于拼接多个向量,L为vi的邻居节点个数;step2针对每个节点vi,计算其与所有邻居节点的加权平均向量作为vi的表征向量gi,如式(3)所示;step3将所有节点的表征向量拼接为一个矩阵 作为交互层的输出,其中z的行是节点表征向量的维度,列是节点的个数;
所述编码层使用LSTM网络处理连续N个样本的交互层输出z1、z2、…、zN,处理过程如式(4)所示,即当前隐状态矩阵ht由其前一个隐状态矩阵ht‑1和当前输入状态矩阵zt共同生成;
ht=LSTM(ht‑1,zt) (4)
所述解码层使用LSTM网络处理编码层的输出h1、h2、…、hN,处理策略与编码层一致,输出特征矩阵序列r1、r2、…、rN;
所述重构层使用神经元数量为F的全联接层处理解码层的输出r1、r2、…、rN,得到与原始样本 的维度一致的重构样本
2.如权利要求1所述的基于图注意力网络与LSTM自动编码模型的工业系统异常检测方法,其特征在于,所述步骤(3)中,实时异常检测的步骤如下:(3‑1)异常程度打分:给定实时样本x,首先将其输入训练好的异常检测模型,得到重构样本y;然后,计算x和y的均方误差,作为x的异常程度分数px;
(3‑2)异常判定:如果px大于指定阈值,则判定x为异常。