Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
1
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\afhc-template-for-christine\cover-ppt-templates-v2.png
Creating Situational Awareness with DataTrending and Monitoring
Zhenping Li, J.P. Douglas, and Ken. Mitchell
Arctic Slope Technical Services
The operation architecture of the new GOES-R series. Scheme GOES mission.
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
2
Challenges to Spacecraft Operations in New Missions
Spacecraft Operations
Maintaining spacecraft health and safety.
Maintaining the instrument performance and accuracy
Data Trending, Monitoring, and Engineering Analysis
Data Trending:
Determine data’s systematic behavior as distinguished from its random behavior
The data trending is mostly done with statistical approach.
Data Monitoring
Static limits used to determine the status of a data point
Engineering Analysis
Involves the targeted review of spacecraft telemetry to  Identify, Characterize,comprehend  and Workaround  an anomaly or failure.
Mostly a manual process performed by satellite engineers.
Challenges for new missions:
Larger data volumes and limited resources.
Spacecraft Maintenance OPS Con for current mission is no-longer working forthe new mission.
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
3
Machine Learning Approach
Move beyond the current statistical trending:
Performs the time dependent data trending using machine learning algorithm.
Most of spacecraft data are time dependent.
Move beyond the static limit in data monitoring:
Defines dynamic limit based on the time dependent trend.
Identify potential anomalies in real or near real time.
Develop a trending and engineering analysis software tool with machinelearning algorithm
Deployable to different missions
Benefits
Provides an integrated approach to Data Trending and Engineering Analysis.
Automate the trending and engineering analysis operations.
Creates Situational Awareness:
Does the engineering analysis in real or near real time.
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
4
Situational Awareness and Machine Learning
Situational Awareness
Perception
Monitor its environment
Comprehension
Making sense of data
Projection
Predict the future.
Machine Learning
Data Training for data patternrecognition
Both data perception andcomprehension
Data prediction based on theestablished data patterns.
Key: Detect the outlier/anomaly in real-time, and creating Actionable Data(or Intelligence), so that decision can be made either by human or byintelligent decision making tool.
A necessary component for an autonomic ground system
Enables self-configure, self-protection, self-healing, and self-optimizing.
Machine Learning provides a systematic approach for situational awarenessin ground system.
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
5
Trend for time dependent datasets
A time dependent dataset            is characterized by its timedependent trend
function
standard deviation
Data points within the following range are deemed to befollowing the trend:
N is an user defined parameter based on the noise distributions andon the user's tolerance for isolating data outliers from the trend
A data point outside the range is an outlier, which could indicate apotential anomaly
Time dependent trending sets up the dynamic limits
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
6
Machine Learning and Data Trending and Monitoring
Machine Learning: Data Models or Algorithms that can learnfrom and make prediction on data.
Two Stages of machine learning:
Data training with a subset of data to establish a data model.
Prediction: what to expect in the near future based on the establisheddata patterns
The Trending and Monitoring of time dependent datasets:
Data Training→Data Trending to find a time dependent trend:
Function f(t) in a machine learning system is obtained by minimizing theerror function
Data Monitoring → Using the established data model to predict what toexpect next.
The dataset with an approximate periodical behavior:
Weak dependence on n represents seasonal or long term trend.
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
7
Data Training (Trending)
Requirements:
Systematic: datasets with arbitrary pattern and scale.
Accurate: capture the data pattern complexities.
Adaptive: capture long term or seasonal changes
Efficient
Data Training Approach:
Initial Training: no previous knowledge of data patterns, when the system is deployed.
Done at the system deployment stage
Retraining: The previous knowledge is known, minor adjustment to the data model.
Part of daily operations
Training operations: performed daily with dataset of past two or three days
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
8
Neural Network Algorithm Implementation
Multilayer Forward-Feed and Back-propagation Network.
A network with 2 hidden layer is implemented
Good for any data pattern with good accuracy
The output of a node at layer l with index j in a network is
Data Scaling: convert a dataset into a scaled dataset with range {-1,1}.
Using the statistical properties of a dataset as its scaling parameters.
State Variables:
A parameter set can be used toreconstruct the neural networks
Network structure
Weight parameters
Scaling parameters
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
9
Data Training with Neural Networks
Initial Data Training: no prior knowledge ofdataset
Using random number as the initial values
High accuracy requirements
Using the no-linear least square fitting back-propagationalgorithm
Levenburg-Marquardt (LM) Back-propagation:
Accurate, less efficient, not always converge, depending onthe initial conditions.
Use a modified gradient decent back-propagation togenerate the initial parameters for LM algorithm.
May need a few runs to get good data training results
Data Retraining
Captures the daily changes to the data patterns.
Small, but significant sometimes.
Previous states are used as the starting point.
Requires the efficient algorithms for daily operations
Using the modified gradient decent back-propagation
Initial Training Blocks
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
10
Data Trending Outputs
Two data typeswith different datapatterns have thesame networkstructure
GOES13 Imager
Blackbody count
GOES13 Sounder scan
mirror temperature
Red point: data
Blue lines: function f(t)
Orange Line: data bound
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
11
Automated Anomaly Detection
Each data point is evaluated with                                   todetermine its status (normal or outlier)
The outlier example shown here can not be detected with the standardstatic limits
Can be done during the data training, or the data monitoring
Outlierexample
Outlierexample
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
12
Software Implementation
A common platform for trendingalgorithms that include the neuralnetworks as well as other customizedtrending algorithms
Component programming approach:implements trending engine as container andspecific trending algorithms as component
Well defined programming interface fordata input
No assumption made for data format.
Retrieve the data sets as well as its meta data.
Hierarchical database schema
Database are setup for a specific project.
Data trending for user defined variables
Mathematical combination of input data types
Satellite Data Trending and MonitoringToolkit (SDTMT)
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
13
Functionalities and Operation Concepts
Three functions
Perform daily trending operations
Data monitoring
Historical plots
Two operation modes
Batch mode for daily trending operations. Run trending engine through ascript, and output to the trending archives
Trending output is in netcdf format, including statistics, state variables
Trending data plots, configured by users.
Status reports, any outlier found during the trending process
User interactive mode:
Configuration management, database and trending archive viewer
Perform manual trending for a specific data element
Data monitoring, provide a dashboard to display of any variable defined in thedatabase
Historical plots.
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
14
User Interactive Mode: Data Monitoring
Color Scheme to represent the status of dataset
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
15
Dashboard and Data Training
Interactive Data Training:
The random numbersinput does not alwaysconverge, and mayrequires a few attemptsto get good results
Dashboard display plotsfor any data elementdefined in the database:the expected data valueand data bounds vs. theactual data value.
Y:\ASRCFHCorpComm\2012\Briefings\Briefing Artwork\interior-ppt-templates.jpg
16
Summary and Applications
Machine learning provides
A systematic approach to create situational awareness.
An automated and integrated approach to the data trending andengineering analysis
A time dependent trend and dynamic limit
A new area for R&D with potential applications
Trending and monitoring the time dependent telemetry with diurnalbehavior.
Thermal and power properties
Orbital profiles.
Instrument data processing
Both intermediate output and raw data input.
Other potential areas of applications…
To be deployed in GOES-R Ground System.