一种面向三元空间相关Poisson过程的控制图设计
吴苍1,2, 司书宾1     
1. 西北工业大学 机电学院, 陕西 西安 710072;
2. 兰州理工大学 机电学院, 甘肃 兰州 730050
摘要: 多元离散数据常见于产品缺陷监测和流行疾病监控等环节。传统的多元控制图假设变量服从正态分布或假设各维度的变量相互独立,难以满足监控需求,因此针对多元离散数据的控制图设计一直是统计过程控制领域的热点问题。以三元Poisson过程为研究对象,引入单一参数的copula函数描述其空间相关性,基于对数似然比方法构建一种相匹配的多元CUSUM控制图。采用马尔科夫链法近似计算平均运行链长,验证控制图分别在不同的相关强度和均值变化水平下的性能,并与D控制图进行比较。仿真结果表明,该控制图能有效监控三元Poisson过程中的均值漂移,并且目标偏移量与实际偏移量接近时会获得更好的监控效果。当数据间相关性较强时,该控制图的监控性能优于D控制图。
关键词: 多元控制图    Poisson过程    copula函数    马尔科夫链    平均运行链长    

生产过程中对异常因素的识别和诊断是维持过程稳定、安全运行的重要环节。过程监控方法目前已从生产制造领域发展到服务、医疗和交通等领域, 对过程中的异常防微杜渐, 能够有效避免大的质量和安全问题。近年, 随着传感技术和计算机技术的发展, 对复杂过程安全性、可靠性和高效性能的监控提出了更高的要求。例如, 在缺陷检测方面, 具有多种质量特性的工业产品中经常出现不同类型的缺陷, 这些缺陷之间有可能相互作用[1]; 在医疗领域, 某一时间段内, 相邻区域感染某种疾病的人数存在相关性[2]

控制图是统计过程控制领域的一种重要工具。通过对过程数据的采集、分析、计算和打点, 实时监控过程的运行状况, 并对过程异常及时报警, 从而达到监控的目的。根据过程数据的维度, 其分为单值控制图和多元控制图。常见的单值控制图有适用于监控连续变量的休哈特图(Shewhart chart)、EWMA (exponentially weighted moving average)图和CUSUM (cumulative sum)图; 监控一元离散变量的有c图、u图等。这些控制图应用范围很广, 但是其假设观测值是独立同分布的, 直接将其运用到多元情形会忽略数据间的关联性。为此,多元控制图应运而生, 主要包括用于监控离散变量的np图、D[3],用于监控连续变量的多元Shewhart图(T2图)、多元EWMA图[4]和多元CUSUM图。其中, np图和D图将多元离散数据转化成一元数据, 忽视了多元数据的相关性; 多元Shewhart图(T2图)、多元EWMA图和多元CUSUM图不但研究了多个变量, 并且同时考虑了变量之间的相关性, 但这些控制图假设变量服从正态分布。综上所述, 这些控制图在多元离散过程监控中有局限性。

因此有必要建立一种针对多元离散型过程数据的控制图。最初, Niaki和Abbasi[5]考虑把多元Poisson分布转化为近似的多元正态分布进而采用T2控制图监控。但当数据的均值较小或者存在很多零值时, 这种近似会产生较大误差。Chen等[6]假设Poisson过程的参数服从多元对数正态分布, 并构建多元EWMA控制图监控多元Poisson过程, 但这一模型忽视了不同维度数据间的空间关联性, 在应用中有一定的局限性。He和龙威等[7-8]分别在等方差和异方差多元Poisson模型基础上, 构建了CUSUM控制图。这类模型的相关性度量不够灵活, 不适应如非线性或对称性的关联结构。

由于copula模型在处理非线性、非正态等结构上的优势, 在金融和经济领域得到广泛应用。与此同时, 这一方法也被引入到多元数据建模和监控领域。Dokouhaki等[9]基于copula函数构建面向二元自相关二项型数据的CUSUM控制图。Sasiwan-napong等[10]假设观测值服从指数分布, 应用多种copula构建T2和多元EWMA控制图。Sukparungsee等[11]采用5种copula(Normal, Clayton, Frank, Gum-bel, Joe copula)构建T2控制图用于监控指数型特征值。Kuvattana等[12]针对二元指数型数据构建了多元EWMA和多元CUSUM控制图, 仿真结果显示多元EWMA控制图的监控效果最好, 并且基于Normal copula构建的多元EWMA图可以用于监控正负相关及各种强度相关性下的漂移。针对多零值离散数据, Fatahi等[13]应用零膨胀Poisson分布(zero inflated Poisson distributions)构建基于copula的联合概率分布监控二元稀少事件(rare event)。考虑到非正态变量, Krupskii等[14]构建了对密度函数形状变化敏感的多元过程监测方案。Chen[15]采用Normal copula描述时间序列的自相关和多元数据的互相关, 并实施了多元EWMA控制图。近期, Song等[16]提出基于copula的非参数方案, 监控二元未知分布的位置和规模信息。综上所述, 多数研究聚焦于二元或连续型数据建模及监控。这主要有两方面原因:①把二元copula函数推广到多元情形会产生较复杂的结构, 也给参数估计带来困难;②离散边缘分布往往会产生不唯一的copula函数。因此, 有必要探索针对三元离散数据的建模和控制图研究。

本文以三元Poisson过程数据为对象, 考虑各时刻不同维度数据的空间相关性, 引入三元Clayton copula描述各维度数据的相关性, 根据对数似然比检验理论, 设计出与模型匹配的控制图。采用马尔科夫链法近似求解出多种参数变化下的平均运行链长, 最终验证控制图的监控性能。

1 Clayton copula简介 1.1 copula函数简介

copula模型广泛应用于描述和度量变量间的非线性的相关结构[17]。以常见的二元copula函数为例, 二元变量(y1, y2)的边缘分布函数和联合分布函数为F1, F2F。简便起见, 记v1=F1(y1), v2=F2(y2),且v1∈[0, 1], v2∈[0, 1], copula函数记做C(v1, v2), 存在如(1)式所示关系

(1)

式中,C(v1, v2)∈[0, 1], 且满足以下性质:

1) 对于所有的v1, v2∈[0, 1], 存在

2) 对于所有的v1, v2, v1, v2 ∈[0, 1], 如果v1v1, v2v2, 则

如果边缘分布函数F1, F2均连续, 那么copula函数是唯一的, 反之, copula函数往往不唯一。限于此, copula函数目前在连续型过程得到充分应用, 而在离散和混合过程应用较少。

根据构造原则常常把copula分为阿基米德族和椭圆族。阿基米德函数族copula结构类似, 根据生成函数的不同将其分为Clayton, Frank和Gumbel函数等。而椭圆族copula是由椭圆族函数推导而来, 常见的有Gaussian和Student-t等。又根据参数的数量分为单一参数copula和多参数copula。各种类型的copula在描述相关性时有所差别[18]。Gaussian copula可以灵活地描述同等程度的正相关和负相关, 并在其允许范围内包含Fréchet边界[18]。Clayton copula不适用于解释负相关关系, 但适用于高强度的正向相关。Frank copula在实践中得到广泛应用, 因为Fréchet边界包含在其允许范围内。

1.2 Clayton copula模型

Clayton copula是阿基米德函数族中常见的单一参数模型[17], 广泛应用于金融和经济领域。二元Clayton copula定义为

(2)

式中,β∈(-1, +∞)\{0}。Clayton copula是常见的单变量copula模型, 生成函数为

满足ϕ(C(v1, v2))=ϕ(v1)+ϕ(v2)性质。

三元Clayton copula [19]定义为

(3)

式中, β>0是唯一参数, 表示任意2种变量(v1v2; v1v3; v2v3)的相关性。该模型有很强的对称性并且结构简单, 适用于三元数据建模。

2 基于copula的三元Poisson模型

实际生产过程中, 多种质量特性在同一时刻的采样值往往存在相关信息。某一时刻t采集到M个离散的观测值, 记做Yt=(Yt, 1, …, Yt, M)。假设Yt服从多元Poisson过程, 不同时刻采集的数据间相互独立(如Yt, Yt-1), 且每个时刻的观测值存在空间相关性(如Yt, 1, Yt, 2)。考虑Yt的空间相关性, 用copula来构建其联合概率质量函数。假设对所有t=1, …, T, 向量Yt=(Yt, 1, …, Yt, M)的联合分布为

(4)

式中:β代表copula参数;Fi代表边缘累积分布函数, i=1, …, M

对于二元Poisson过程, 在时刻t获得的2个观测值可以表达为向量Yt=(Yt, 1, Yt, 2), 其联合分布和概率质量函数分别表示为

(5)

同理, 三元Poisson过程中变量Yt=(Yt, 1, Yt, 2, Yt, 3)的联合分布和概率质量函数分别表示为

(6)

三元Poisson过程的协方差矩阵表示为

(7)

式中,apq=aqpapq=cov(Y*, p, Y*, q), p, q=1, 2, 3。根据协方差的定义结合copula理论可以计算

式中,E(Y*, p)是Y*, p边缘分布的均值, (Y*, p, Y*, q)的二元联合概率质量函数为

显然, 对于Poisson分布每个维度变量的取值范围是非负整数集。由于各变量的协方差不恒定, 本模型也属于异方差模型。

实践中, 分布参数λ及copula参数β往往是未知的, 需要根据一系列稳态观测值估计这些参数。两阶段最大似然估计法, 也称作IFM(inference functions for margins)方法[20], 是一种常用的多元copula模型的参数估计方法, 表述如下:

第一阶段是边缘分布的参数估计, 采用极大似然估计法分别求解各边缘分布li(Yi; λi)的对应参数, 其中i=1, 2, 3

(8)

第二阶段是copula参数估计。在估计得出的边缘分布参数条件下, 采用极大似然估计法求解其联合似然函数, 得出代表相关关系强度的copula估计值

(9)

两阶段估计法在连续情形效果显著, 并得到了广泛应用。而在离散情形下, 估计参数在小维度情形很有效, 对于大维度数据的效果次之[20]

3 三元CUSUM控制图设计

针对多变量监控问题, 联合监控多个变量比单独监控一个变量更加容易发现过程异常[19]。考虑到空间相关性建模并获得适用的受控模型及参数后, 需要结合数据特点及控制图原理设计出适用的控制图。本文结合第2节的三元相关Poisson数据模型, 设计多元CUSUM控制图。假设同一时刻的三元Poisson数据存在空间相关, 而不同时刻的数据间相互独立。记t时刻的三元Poisson数据为Yt=(Yt, 1, Yt, 2, Yt, 3), t=1, …, T, 各个维度的参数记做λ=(λ1, λ2, λ3)。假设受控状态的Poisson参数为λ0,偏移发生后变化为λc,变点模型可表示为

根据似然比检验的思想, 对变点存在和不存在2种情形的联合密度函数做似然比, 构造统计量

(10)

式中, f(Ym, …, Yn; λ0)和f(Ym, …, Yn; λc)是(Ym, …, Yn)分别在λ=λ0λ=λc时的联合密度函数。记

(11)

式中,f(Yi)是概率质量函数。对于本文所讨论的二元Poisson过程, f(Yi)=hB(yi, 1, yi, 2); 同理, 三元过程中, f(Yi)=hT(yi, 1, yi, 2, yi, 3)。基于此, 似然比统计量可以进一步写做

(12)

等价的递归形式可表示为

(13)

式中,S0=0。一旦Sn超出给定的控制限h则会报警, 意味着存在变点m, 即Poisson参数λ发生了改变; 否则, 认为过程参数λ没有显著改变, 即过程处于受控状态。

4 仿真实验与分析 4.1 多元相关Poisson数据的生成

基于copula模型生成多元数据是建立在条件分布基础上的。由于copula模型的多样性, 数据生成存在一定差异。本节以三元Poisson过程为例, 生成基于Clayton copula的随机数据。记变量v1和(v1, v2)的条件概率密度函数分别为C1(v1)和C1(v1, v2), 存在

另记Ck(vk; v1, …, vk-1)为条件分布, 即给定(v1, …, vk-1)条件下vk的条件分布。对三元变量问题, k=1, 2, 3。若分子分母同时存在且分母不为零时

(14)

k=1时显然存在C1(v1)=v1, 当k=2, 3时可以推算出

(15)
(16)

生成一组三元Poisson数据的过程如下所示:

1) 从均匀分布U(0, 1)中随机生成v1;

2) 从均匀分布U(0, 1)生成随机数作为C2(v2; v1)的实际值, 结合v1求解方程得v2;

3) 从均匀分布U(0, 1)生成随机数作为C3(v3; v1, v2)的实际值, 结合v1v2求解方程得v3;

4) 应用Poisson分布的反函数得到一组数据(y1, y2, y3), 其中, y1=F-1(vi), i=1, 2, 3。

4.2 参数估计

设定Poisson过程的3个参数λ=(λ1, λ2, λ3), 以及描述空间关联的copula参数β。本研究采用Clayton copula参数β=1, 3, 5表达3种不同强度的相关性。控制图实施过程中这些参数往往是未知的, 因此采用两阶段估计法估计稳态过程参数。具体步骤为:①根据4.1节介绍的方法生成100 000个三元Poisson数据;②在阶段一采用极大似然估计法分别估计3个维度的分布参数。③根据4.1方法结合预定参数β生成长度为1 000的三元Poisson数据, 在阶段二估计出一个copula参数。④重复100次步骤③, 计算copula的估计值

4.3 马尔科夫链近似求解平均运行链长

目前, 主流的用于评价控制图监控效果的指标是平均运行链长(average run length, ARL), 即运行链长(RL)的期望值。而运行链长RL是指从开始到第一次失控报警的样本点数目。本文采用马尔科夫链(Markov chain)近似计算多元CUSUM控制图平均运行链长。控制限记做h, 受控的多元Poisson参数为λ0=(λ1, λ2, λ3), 目标参数记做λc=θλ0, 失控参数λd=(δ1λ1, δ2λ2, δ3λ3)。首先将受控区间分为ne等分, 每一段的长度Δ=h/ne, 每部分区间可表示为[(k-1)Δ, ), k=1, 2, …, ne。一旦统计量落入区间k, 认为统计量近似取区间中点值, 即(k-0.5)Δ。假定转移矩阵P中的每一个元素pjk代表统计量从区间j转移到区间k的概率, 记做

(17)

式中,j, k=1, 2, …, ne。转移概率的计算首先需要列举出所有可能的三元Poisson数据组合, 并分别计算其联合概率。需要注意的是, 计算受控ARL(L0)时, 采用hT(Yt; λ0, β); 反之, 计算失控ARL(L1)时, 采用hT(Yt; λd, β)计算。对转移矩阵做一些变换即可得到表示ARL的向量L

(18)

式中, I是单位矩阵, 1是全为1的列向量。由于初始值S0=0, 因此向量L的第一个元素即为ARL的近似值。值得注意的是, 该方法近似计算ARL的精确程度受到间隔的等分数ne影响。ne越大, 计算的ARL越接近真实值, 但是计算时间会相应增加。

4.4 三元CUSUM控制图的监控效果

在缺陷监测和疾病预防的背景下, 本文关注多元Poisson数据的异常增长, 采用单侧向上的控制图考察监控效果。同理, 单侧向下或双侧控制图可以根据实际情况选择。鉴于多元Poisson数据的特点, 控制图的控制下限不做要求, 控制上限记做h。在阶段一, 给定适当的受控ARL, 采用马尔科夫链的方法搜索控制限h

对三元Poisson过程的每个维度分别考虑3种异常参数, 则会有33=27种组合。显然, 实现每一种组合的异常参数集合是不现实的。因此, 考虑了9种组合方式。每一种组合方式中, 参数变化幅度可记为δ=(δ1, δ2, δ3), 又因为受控参数λ0=(λ1, λ2, λ3), 则异常参数λd=(δ1λ1, δ2λ2, δ3λ3)。此外, 控制图设计中的目标参数λc=(θλ1, θλ2, θλ3)。考虑到设计过程的便利性, 设定为1.1, 1.5和2.0。

设定λ0=(10, 10, 10)且L0=200, 表 1表 2分别展示了3种copula 参数和3种目标参数条件下的控制限和失控平均运行链长。其中, 序号1~3仅有1个维度的参数发生向上阶跃, 4~6有2个维度发生变化, 7~9表示3个维度均发生变化的情形。文献[4, 7]采用一种表征马氏距离的变化尺度(shift size)量, 或称为非中心性参数(non-centrality para-meter)

表 1 L0=200时多元CUSUM控制图在3种copula参数和3种目标参数下的控制限
β θ h
1 1.1
1.5
2.0
2.50
3.30
2.05
3 1.1
1.5
2.0
2.49
3.32
2.44
5 1.1
1.5
2.0
2.55
3.43
2.57
表 2 多元CUSUM控制图在3种copula参数和3种目标参数下的失控平均运行链长
序号 δ1 δ2 δ3 β=1 β=3 β=5
θ=1.1 θ=1.5 θ=2.0 θ=1.1 θ=1.5 θ=2.0 θ=1.1 θ=1.5 θ=2.0
1 1.1 1 1 77.74 105.54 117.86 108.15 116.05 142.25 156.14 132.64 174.21
2 1 1.5 1 14.63 18.41 27.05 52.32 40.49 82.98 134.53 70.41 154.25
3 1 1 2.0 5.74 5.13 7.70 13.96 12.59 33.07 29.67 24.10 95.06
4 1.1 1.1 1 38.01 58.38 70.11 51.59 64.53 86.88 71.31 73.76 96.43
5 1 1.5 1.5 5.83 5.38 7.18 14.05 11.23 19.23 27.54 18.56 33.75
6 2.0 1 2.0 2.67 2.12 2.68 4.97 4.85 10.43 7.71 8.43 24.27
7 1.1 1.1 1.1 21.93 33.64 42.58 22.95 34.79 51.84 22.64 36.55 57.30
8 1.5 1.5 1.5 3.04 2.24 2.38 3.27 2.47 2.89 3.38 2.52 3.07
9 2.0 2.0 2.0 1.48 1.16 1.14 1.55 1.24 1.21 1.62 1.28 1.21

式中, λ0λc分别是受控和失控的参数向量。如公式(7)所示, Σ是协方差矩阵。非中心性参数能够度量过程参数的整体变化。对于2组异常参数, 如果其非中心性参数相等, 则L1也相当。例如, 表 2中序号1代表的异常参数的变化幅度为δ=(1.1, 1, 1), 其性能与δ=(1, 1.1, 1)及δ=(1, 1, 1.1)情形相当。同理, 序号6代表的异常参数的变化幅度为δ=(2, 1, 2), 其性能与δ=(2, 2, 1)及δ=(1, 2, 2)情形相当。因此, 表 2所列出的9种组合方式足够代表全部27种异常情形的ARL性能。从表 2中可以看出, 当参数有变化时, L1值均小于L0值, 即L0=200, 说明本文方法可以检测多元Poisson过程均值向上偏移。并且, 随着参数变化的幅度值不断增大, L1越来越小。对于一种特定的失控状态, 随着copula参数的增加, 平均运行链长普遍增大。也就是说, 多元过程的空间相关性越来越强时, 监控异常变化的难度也越来越大。对比3种目标幅度值来看, θ=1.1的控制图对δ1=δ2=δ3=1.1(序号7)的异常情况效果好; θ=1.5的控制图对δ1=δ2=δ3=1.5(序号8)效果好; θ=2的控制图对δ1=δ2=δ3=2(序号9)效果好。因此, 设计多元Poisson控制图时, 对较小的变化幅度需要选择较小的θ, 反之, 对于可能存在的较大变化, 选择较大的θ可获得更理想的效果。

图 1展示了Poisson数据及其在多元CUSUM控制图的应用。设定异常参数的变化幅度δ=(1.1, 1.1, 1.1), 则目标参数的变化幅度选为θ=δ。三元Poisson数据由4.1节方法生成。图 1a)~1c)分别代表β=1, 3, 5时对应的多元Poisson数据, 而对应的CUSUM统计量绘制在图 1d)~1f)中。每组Poisson数据包括3个维度, 每个维度有20个受控数据和20个失控数据, 图中用蓝色虚线分隔。红色水平线代表在L0=200水平下的控制限。从表 1中可得出在β分别取1, 3, 5时对应的控制限为2.5, 2.49和2.55。从图 1中可以看出, 对于所列出的3种β取值, 提出的方法对失控数据都有较好的检出力。

图 1 Poisson过程数据及其在CUSUM控制图的应用(L0=200)

图 2对比了本文所提方法与文献[3]中D图的性能。为了便于对比, 实验假定δ=δ1=δ2=δ3, 其中δ=1代表受控状态, δ=1.1, 1.2, …, 2代表失控状态。图 2a)~2c)分别展示在β=1, 3, 5条件下D图和本文所提多元CUSUM控制图在θ=1.1, 1.5的ARL对比。从图中可以看出, D图在β=1条件下监控较大偏移量(θ≥1.2)性能优于本文所提CUSUM控制图。当β=3, 5时, 本文提出的CUSUM控制图对所有偏移量均取得更小的L1。其中θ=1.1的CUSUM控制图对较小的偏移量监测效果最好, θ=1.5的CUSUM控制图对较大的偏移量监测效果最好。这一点与表 2的结论一致。

图 2 D图与本文提出CUSUM控制图的性能对比
5 结论

针对具有空间对称相关结构的三元Poisson过程监控问题, 首先采用三元Clayton copula函数描述其相关性, 并构建联合分布; 在假设copula参数不变的前提下, 基于对数似然比检验方法结合联合分布信息, 推导出多元CUSUM控制图的监控统计量; 在给定初始值的前提下, 利用马尔科夫链方法近似求解ARL, 验证其有效性, 并与D图做对比。仿真结果表明, 提出的方法能够有效监测过程均值的向上漂移, 并且目标偏移量与实际偏移量相等时可以获得更好的监控性能。与D图相比, 当数据间的相关性较强时, 提出的方法对于所有的偏移量能取得更好监控效果。在未来工作中, 将进一步研究时间和空间关联同时存在的多元数据建模及监控问题。

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A multivariate control chart for monitoring trivariate Poisson processes with spatial correlation
WU Cang1,2, SI Shubin1     
1. School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China;
2. School of Mechanical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China
Abstract: The multivariate and discrete data are commonly used to monitor product defects and epidemic diseases. It is difficult to model their complex structure and design a suitable control chart to monitor them in the area of statistical process control. To monitor the tri-variate Poisson process, this paper establishes a one-parameter copula function to describe the spatial correlation and designs a control chart based on the log-likelihood ratio test. The Markov chain is employed to approximate the average run length and to measure the performance of the control chart. Simulation results show that the proposed chart is efficient for detecting upward shifts and can achieve better monitoring performances when the target mean shift in control chart design is equal to a true mean shift. Compared with D chart, the proposed chart achieves a better performance when the correlation level is high.
Keywords: multivariate and control chart    Poisson process    copula function    Markov chain    average run length    
西北工业大学主办。
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文章信息

吴苍, 司书宾
WU Cang, SI Shubin
一种面向三元空间相关Poisson过程的控制图设计
A multivariate control chart for monitoring trivariate Poisson processes with spatial correlation
西北工业大学学报, 2022, 40(2): 288-295.
Journal of Northwestern Polytechnical University, 2022, 40(2): 288-295.

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收稿日期: 2021-06-19

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