DE102021210106A1 - Computer-implemented method and system for anomaly detection and method for anomaly detection in a final acoustic test of a transmission - Google Patents
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Abstract
Computerimplementiertes Verfahren zur Anomalieerkennung umfassend die Schritte: Erhalten von Daten von N Zuständen (Z) eines technischen Objekts, wobei die Daten mittels Sensoren gemessen und/oder in einer Simulation des technischen Objekts erzeugt wurden und/oder aus einer Nachverarbeitung von mittels Sensoren gemessenen Daten errechnet wurden (C1); Ordnen der Daten der jeweiligen Zustände nach h · k Positionen, wobei jeder Eintrag eines der N Zustände an einer der h · k Positionen mit dem Eintrag eines anderen der N Zustände an derselben Position vergleichbar ist und Erhalten eines Trainingsdatensatzes in Form einer N × h × k Anordnung; Trainieren eines Analysemodells (ANOM-Stat) durch Einspeisen der Trainingszustände in das Analysemodell, wobei das Analysemodell eine statistische Charakterisierung einzelner Positionen hinsichtlich Anomalien bestimmt durch Berechnung eines Referenzzustand mittels l Referenzabbildungen, wobei die Referenzabbildungen jeweils in h ■ k Positionsabbildungen gi,junterteilt sind; Einspeisen eines zu überprüfenden Zustandes in das trainierte Analysemodell (ANOM-Stat) (C4), wobei das trainierte Analysemodell (ANOM-Stat) den zu überprüfenden Zustand mit dem Referenzzustand mittels wenigstens einer Differenzabbildung vergleicht und wenigstens einen Differenzzustand erhält (C5), dem Differenzzustand gemäß einer Abbildung einen Anomaliewert (AS) zuordnet (C6)Computer-implemented method for anomaly detection comprising the steps of: Obtaining data from N states (Z) of a technical object, the data being measured by sensors and/or generated in a simulation of the technical object and/or calculated from post-processing of data measured by sensors became (C1); ordering the data of the respective states by h x k positions, each entry of one of the N states at one of the h x k positions being comparable to the entry of another of the N states at the same position, and obtaining a training data set in the form of an N × h × k arrangement; Training an analysis model (ANOM-Stat) by feeding the training states into the analysis model, the analysis model determining a statistical characterization of individual positions with regard to anomalies by calculating a reference state using l reference images, the reference images each being divided into h ■ k position images gi,j; Feeding a state to be checked into the trained analysis model (ANOM-Stat) (C4), the trained analysis model (ANOM-Stat) comparing the state to be checked with the reference state by means of at least one difference mapping and obtaining at least one difference state (C5), the difference state assigns an anomaly value (AS) according to a figure (C6)
Description
Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren und ein System zur Anomalieerkennung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anomalieerkennung in einer akustischen Endprüfung eines Getriebes.The invention relates to a computer-implemented method and a system for anomaly detection. The invention also relates to a method for detecting anomalies in a final acoustic test of a transmission.
Industrielle Fertigungsprozesse sind variable und komplexe Prozesse, die entsprechend anfällig für Fehler und Ausfälle sind. Gleichzeit nimmt im Rahmen der sog. 4. industriellen Revolution die Durchdringung der Fertigungsprozesse mit Sensoren zu, wodurch eine flächendeckende Abbildung der Prozesse durch Daten gewährleistet ist. Die Sicherstellung eines einwandfreien Ablaufs eines industriellen Prozessschrittes ist mit hohem Aufwand und hohen Kosten verbunden, da Fehlerfeststellung als auch Fehlerbeseitigung häufig manuelle Prozesse sind und zudem reaktiv stattfinden. In diesem Kontext ist die Erkennung von Anomalien eine grundlegende Herausforderung in industriellen Prozessen.Industrial manufacturing processes are variable and complex processes that are correspondingly prone to errors and failures. At the same time, as part of the so-called 4th industrial revolution, the penetration of manufacturing processes with sensors is increasing, which ensures that the processes are comprehensively mapped by data. Ensuring that an industrial process step runs smoothly is associated with a great deal of effort and high costs, since error detection and error elimination are often manual processes and also take place reactively. In this context, anomaly detection is a fundamental challenge in industrial processes.
Aufgabe der Erfindung war es, wie basierend auf Zustands-Daten ein Grad einer Anomalität des Zustandes abgebildet werden kann.The object of the invention was how, based on status data, a degree of an abnormality of the status can be mapped.
Die Gegenstände der Ansprüche 1, 9 und 10 lösen diese Aufgabe.The objects of
Nach einem Aspekt stellt die Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren bereit zur Anomalieerkennung. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- • Erhalten von Daten von N Zuständen eines technischen Objekts, wobei die Daten mittels Sensoren gemessen und/oder in einer Simulation des technischen Objekts erzeugt und/oder aus einer Nachverarbeitung von mittels Sensoren gemessenen Daten errechnet wurden;
- • Beschreiben jeden der N Zustände durch eine mathematische Anordnung gleicher Dimensionalität;
- • Ordnen der Daten der jeweiligen Zustände nach h · k Positionen, wobei jeder Eintrag eines der N Zustände an einer der h · k Positionen mit dem Eintrag eines anderen der N Zustände an derselben Position vergleichbar ist und Erhalten eines Trainingsdatensatzes in Form einer N × h × k Anordnung;
- • Trainieren eines Analysemodells durch
- ◯ Einspeisen der Trainingszustände in das Analysemodell, wobei
- ◯ das Analysemodell eine statistische Charakterisierung einzelner Positionen hinsichtlich Anomalien bestimmt durch Berechnung eines Referenzzustand xref ∈ Rh×k×l mittels l Referenzabbildungen ƒ: RN×h×k → Rh×k, wobei die Referenzabbildungen jeweils in h · k Positionsabbildungen gi,j: RN → R; i ≤ h, j ≤ k unterteilt sind, ein Wert einer Position im Referenzzustand xref ∈ Rh×k×l gemäß den Positionsabbildungen gi,j aus den Werten der Position in den Trainingszuständen berechnet wird und
- ◯ Erhalten eines trainierten Analysemodells;
- • Einspeisen eines zu überprüfenden Zustandes xtest ∈ Rh×k in das trainierte Analysemodell, wobei das trainierte Analysemodell
- ◯ den zu überprüfenden Zustand xtest mit dem Referenzzustand xref mittels wenigstens einer Differenzabbildung d: Rh×k × Rh×k×l → Rh×k vergleicht und wenigstens einen Differenzzustand xdiff = d(xtest,xref) erhält,
- ◯ dem Differenzzustand xdiff gemäß einer Abbildung fscore: Rh×k → R einen Anomaliewert zuordnet;
- • Erkennen der Anomalien basierend auf dem Anomaliewert.
- • Obtaining data from N states of a technical object, the data being measured using sensors and/or generated in a simulation of the technical object and/or being calculated from post-processing of data measured using sensors;
- • Describe each of the N states by a mathematical arrangement of equal dimensionality;
- • ordering the data of the respective states by h x k positions, where each entry of one of the N states at one of the h x k positions is comparable to the entry of another of the N states at the same position and obtaining a training data set in the form of an N x h × k arrangement;
- • Train an analysis model
- ◯ Feeding the training states into the analysis model, where
- ◯ the analysis model determines a statistical characterization of individual positions with regard to anomalies by calculating a reference state x ref ∈ R h×k×l using l reference maps ƒ: RN×h×k → R h×k , where the reference maps are each in h · k position maps g i,j : R N → R; i ≤ h, j ≤ k, a value of a position in the reference state x ref ∈ R h×k×l is calculated according to the position maps g i,j from the values of the position in the training states, and
- ◯ obtaining a trained analysis model;
- • Feeding a state to be checked x test ∈ R h×k into the trained analysis model, with the trained analysis model
- ◯ compares the state to be checked x test with the reference state x ref by means of at least one difference mapping d: R h×k × R h×k×l → R h×k and at least one difference state x diff = d(x test ,x ref ) receives,
- ◯ assigns an anomaly value to the difference state x diff according to a mapping f score : R h×k → R;
- • Detecting the anomalies based on the anomaly value.
Die mathematische Anordnung ist beispielsweise eine h × k Matrix. Dann ist jeder Zustand 2-dimensional. Die mathematische Anordnung kann auch eine h × k × l Matrix sein. In diesem Fall ist jeder Zustand 3-Dimensional. Für die hier beschriebene Erfindung ist die Dimension des Zustandes unerheblich, wichtig ist, dass alle betrachteten Zustände die gleiche Dimension haben und die Einträge (Positionen) des Zustandes geordnet werden können. Zur einfacheren Anschauung und Lesbarkeit, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, wird die Erfindung anhand einer h × k Matrix beschrieben. Dies könnte zum Beispiel ein Sonagramm aus einer Getriebe-Akustik-Prüfung sein. Dann entspricht jeder Zustand einer Zeit/Frequenz Koordinate. The mathematical arrangement is, for example, an h×k matrix. Then every state is 2-dimensional. The mathematical arrangement can also be an h×k×l matrix. In this case, each state is 3-dimensional. The dimension of the state is irrelevant for the invention described here; what is important is that all states considered have the same dimension and the entries (positions) of the state can be sorted. The invention is described using an h×k matrix in order to make it easier to understand and read, without restricting the generality. For example, this could be a sonagram from a transmission acoustic test. Then each state corresponds to a time/frequency coordinate.
Nach einem Aspekt stellt die Erfindung auch ein Computerprogramm bereit zur Anomalieerkennung. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die einen Computer veranlassen, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anomalieerkennung auszuführen, wenn das Computerprogramm auf dem Computer läuft.In one aspect, the invention also provides a computer program for anomaly detection. The computer program includes instructions that cause a computer to carry out the steps of the inventive method for anomaly detection when the computer program runs on the computer.
Nach einem Aspekt werden die Referenzabbildungen, die Positionsabbildungen und/oder die Abbildung für den Anomaliewert mittels Hyperparameteroptimierung festgelegt.In one aspect, the reference maps, the position maps, and/or the anomaly value map are determined using hyperparameter optimization.
Nach einem weiteren Aspekt wird der Referenzzustand mittels 2 Referenzabbildungen mit jeweils einer Positionsabbildung berechnet. Eine erste Positionsabbildung ist eine Mittelwertsfunktion. Eine zweite Positionsabbildung ist eine Standardabweichung. Alternativ wird der Referenzzustand mittels einer Referenzabbildung mit einer Positionsabbildung berechnet. Die Positionsabbildung ist eine Quantils-Funktion.According to a further aspect, the reference state is calculated using 2 reference images, each with a position image. A first position map is an averaging function. A second position mapping is a standard deviation. Alternatively, the reference state by means of a reference image with a Positionsab education calculated. The position mapping is a quantile function.
Nach einem weiteren Aspekt wird der Differenzzustand xdiff gemäß xdiff = xtest - (xmean + 3 · xstd) berechnet. xmean und xstd sind die Anteile des Referenzzustandes xref, die sich aus der Berechnung des Mittelwertes und der Standardabweichung über den Trainingszuständen ergeben. Die Einträge im Differenzzustand, die größer als null sind, stehen dann für Positionen, an denen ein Wert im zu überprüfenden Zustand am Rand der Verteilung der entsprechenden Werte in den Trainingsdaten liegt, nämlich oberhalb von drei Standardabweichen um den Mittelwert. Ein äquivalentes Vorgehen kann für sehr kleine Werte durchgeführt werden, das heißt Subtraktion von Mittelwert minus drei Standardabweichungen.According to a further aspect, the difference state x diff is calculated according to x diff = x test - (x mean + 3 * x std ). x mean and x std are the parts of the reference state x ref that result from the calculation of the mean and the standard deviation over the training states. The entries in the difference state that are greater than zero then stand for positions at which a value in the state to be tested lies at the edge of the distribution of the corresponding values in the training data, namely above three standard deviations from the mean. An equivalent procedure can be performed for very small values, i.e. subtracting the mean minus three standard deviations.
Nach einem weiteren Aspekt werden mittels m Differenzabbildungen m Differenzzustände berechnet. Den m Differenzzuständen wird gemäß einer Abbildung fscore: Rh×k×m → R der Anomaliewert zugeordnet.According to a further aspect, m difference states are calculated using m difference images. The anomaly value is assigned to the m difference states according to a mapping f score : R h×k×m →R.
Auf welche Weise diese Differenz berechnet wird, hängt von der Art der Referenz ab und dem jeweiligen Anwendungsfall. Entscheidend dabei ist, dass die l Referenzen und der zu überprüfende Zustand die gleiche Dimension besitzen und in gleicher Weise geordnet sind, sodass ein positionsweiser Vergleich in Form mindestens einer Differenzabbildung durchgeführt werden kann.How this difference is calculated depends on the type of reference and the respective application. It is crucial that the l references and the state to be checked have the same dimension and are ordered in the same way, so that a position-by-position comparison can be carried out in the form of at least one difference mapping.
Nach einem weiteren Aspekt wird der Anomaliewert als Mittelwert aller positiven Werte in dem oder den Differenzzuständen xdiff berechnet. Dies entspricht einer global averaging pooling Operation. Allgemein kann jede Operation verwendet werden, die den Differenzzustand auf einen skalaren Wert abbildet, beispielsweise pooling Operation aus Faltungsnetzwerken, beispielsweise min/max pooling. Nach einem Aspekt der Erfindung wird der Anomaliewert mittels eines Faltungsnetzwerkes aus dem Differenzzustand berechnet.According to a further aspect, the anomaly value is calculated as the mean of all positive values in the difference state or states x diff . This corresponds to a global averaging pooling operation. In general, any operation that maps the difference state to a scalar value can be used, for example pooling operation from convolutional networks, for example min/max pooling. According to one aspect of the invention, the anomaly value is calculated from the difference state using a convolution network.
Auf welche Weise aus dem Differenzzustand der Anomaliewert berechnet wird, ist wiederum abhängig vom Anwendungsfall und kann Daten-getrieben bestimmt werden, beispielsweise mittels Hyperparametertuning.The way in which the anomaly value is calculated from the difference state is in turn dependent on the application and can be determined in a data-driven manner, for example by means of hyperparameter tuning.
Nach einem weiteren Aspekt umfassen die h · k Positionen Koordinaten in einem 2-dimensionalen Raum, z.B. Zeit und Frequenz. Damit können Messwerte verglichen werden, die zum gleichen Zeitpunkt und zur gleichen Frequenz einer Messreihe gehören.In a further aspect, the hxk positions include coordinates in a 2-dimensional space, e.g., time and frequency. This allows measured values to be compared that belong to the same time and the same frequency of a series of measurements.
Nach einem weiteren Aspekt sind die Trainingszustände und/oder der zu überprüfende Zustand xtest Sonagramme. Damit können Geräuschdaten im Frequenzraum analysiert werden. Die Geräuschsignale werden beispielsweise mittels Fourier-Transformation oder Wavelet-Transformation in den Frequenzraum transformiert. Dabei entstehen die Sonagramme. In einem Sonagramm entspricht ein Eintrag der Amplitude oder Energie einer Frequenz in einem Zeitintervall, das heißt es ergibt sich eine Matrix von numerischen Werten, bei der jede Spalte einem Zeitintervall und jede Zeile eine Frequenz entspricht. Die Einträge eines Sonagramms sind damit geordnet.According to a further aspect, the training states and/or the state to be checked are x test sonagrams. This allows noise data to be analyzed in the frequency domain. The noise signals are transformed into the frequency space, for example by means of Fourier transformation or wavelet transformation. This is how the sonagrams are created. In a sonagram, an entry corresponds to the amplitude or energy of a frequency in a time interval, i.e. a matrix of numerical values results in which each column corresponds to a time interval and each row to a frequency. The entries of a sonogram are thus ordered.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein System bereit zur Anomalieerkennung in industriellen Fertigungsprozessen. Das System umfasst
- • ein erstes Modul, das Daten von Zuständen eines Prozesses, eines Bauteils und/oder einer Produktionsmaschine in wenigstens einem zu überwachenden Prozessschritt des industriellen Fertigungsprozesses zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem bestimmten Zeitintervall, aus gleichartigen Prozessschritten und/oder aus nachgelagerten Prozessen erhält, umfassend sensoriell gemessene Daten und/oder aus Simulieren des Prozesses erhaltene Daten, die Daten verarbeitet und ein Analysemodell nach einem der voran gehenden Ansprüche trainiert und erhält;
- • ein zweites Modul, dem das trainierte Analysemodell bereitgestellt wird und das einen Anomaliewert berechnet;
- • ein drittes Modul, das den Anomaliewert einer Überprüfungsinstanz bereitstellt, die,
- ◯ falls der erhaltene Anomaliewert einen anormalen Zustand klassifiziert mit hoher Genauigkeit, den Zustand als Anomalie ohne weitere Überprüfung meldet;
- ◯ falls der erhaltene Anomaliewert einen anormalen Zustand klassifiziert, eine Ähnlichkeit zu einem bereits als potentielle Anomalie erkanntem und annotiertem Zustand bestimmt,
- ◯ im Falle hoher Ähnlichkeit eine Annotation des als Anomalie erkannten Zustandes übernimmt,
- ◯ andernfalls in Abhängigkeit einer Größe des erhaltenen Anomaliewertes den Zustand annotiert.
- ◯ einen als normal klassifizierten Zustand mit gewisser Wahrscheinlichkeit annotiert.
- • a first module that receives data from states of a process, a component and/or a production machine in at least one process step of the industrial manufacturing process to be monitored at a specific point in time or in a specific time interval, from similar process steps and/or from downstream processes sensorially measured data and/or data obtained from simulating the process, processing data and training and maintaining an analysis model according to any one of the preceding claims;
- • a second module that is provided with the trained analysis model and that calculates an anomaly score;
- • a third module that provides the anomaly value to a verification instance that,
- ◯ if the obtained anomaly score classifies an abnormal condition with high accuracy, reports the condition as an anomaly without further verification;
- ◯ if the obtained anomaly value classifies an abnormal state, determines a similarity to a state that has already been recognized and annotated as a potential anomaly,
- ◯ in the case of high similarity, takes on an annotation of the state recognized as an anomaly,
- ◯ otherwise annotates the state depending on a size of the received anomaly value.
- ◯ annotates a condition classified as normal with a certain probability.
Das erfindungsgemäße System integriert folgende Schritte und/oder Module: Datenbasierte Definition des Zustandes des zu überwachenden Prozesses, Datenspeicherung und Verarbeitung aller notwendigen Daten, Training einer Anomalieerkennung basierend auf historischen Daten, Integration einer Überprüfungsinstanz, beispielsweise eines menschlichen Überprüfers, zur Kontrolle der erkannten Anomalien sowie zur Generierung weiterer Annotationen zur gezielten Erweiterung des Trainingsdatenbestandes, Erkennung von Anomalien, Verarbeitung der Bewertung des menschlichen Überprüfers und basierend darauf kontinuierlich Anpassung und Verbesserung der Anomalieerkennung. Die Grundfunktionalitäten, wie Speichern und Erweitern des Datenbestandes und/oder Anfrage von Annotationen zur Erweiterung der Datengrundlage werden dabei von dem ersten Modul übernommen. Die Aufgabe der Erkennung potenzieller Anomalien wird durch das zweites Modul durchgeführt. Dabei werden vom zu überwachenden Prozess oder Produktionsmaschine kontinuierlich Daten oder Prüfungsergebnisse, entsprechenden dem definierten Zustand Z, an das erfindungsgemäße System geschickt. Die Systemantwort enthält dann eine Einordnung des Zustandes Z in „normal/anormal“, optional mit Konfidenzschätzung, und wird über das dritte Modul zur Überprüfung an einen menschlichen Experten gesendet.The system according to the invention integrates the following steps and/or modules: data-based definition of the status of the process to be monitored, data storage and processing of all necessary data, training for an anomaly detection Analysis based on historical data, integration of a verification instance, e.g. a human verifier, to control the detected anomalies and to generate further annotations for the targeted expansion of the training database, detection of anomalies, processing of the evaluation of the human verifier and based on this continuous adjustment and improvement of the anomaly detection . The basic functionalities, such as saving and expanding the database and/or requesting annotations to expand the database, are taken over by the first module. The task of detecting potential anomalies is performed by the second module. In this case, the process or production machine to be monitored continuously sends data or test results, corresponding to the defined state Z, to the system according to the invention. The system response then contains a classification of the state Z as "normal/abnormal", optionally with a confidence estimate, and is sent to a human expert for verification via the third module.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren bereit zur Anomalieerkennung in einer akustischen Endprüfung eines Getriebes. Das Verfahren umfasst die Schritte
- • Antreiben des Getriebes mit einem Drehzahlprofil, Messen des entstehenden Körperschalls mittels Akustiksensoren und Erhalten von Körperschall-Zeitreihen;
- • Transformieren der Körperschall-Zeitreihen in einen Frequenzraum und Erhalten von Sonagrammen;
- • erfindungsgemäßes Trainieren eines Analysemodells, wobei die Trainingszustände historische Sonagramme von in Ordnung und nicht-in-Ordnung getesteten Getrieben umfassen und die Auswahl von Referenzabbildungen, Positionsabbildungen, Differenzabbildungen und/oder Abbildungen für einen Anomaliewert des Analysemodells während des Trainings Daten getrieben erfolgt.
- • Driving the transmission with a speed profile, measuring the resulting structure-borne noise using acoustic sensors and obtaining structure-borne noise time series;
- • transforming the structure-borne noise time series into a frequency space and obtaining sonagrams;
- • inventive training of an analysis model, wherein the training states include historical sonagrams of tested ok and bad transmissions and the selection of reference maps, position maps, difference maps and/or maps for an anomaly value of the analysis model during the training is data-driven.
Nach der Fertigstellung eines Getriebes wird der einwandfreie Zustand unter anderem durch eine akustische Prüfung untersucht. Dabei wird das Getriebe mit einem standardisierten Drehzahlprofil angetrieben und während dessen wird der entstehende Körperschall gemessen. Das Drehzahlprofil besteht dabei unter anderem aus Drehzahlrampen in verschiedenen Gängen. Eine erfindungsgemäße Anomalieerkennung wird durchgeführt, optional neben einer etablierten Prüfung auf auffällige Geräusche. Dabei wird die Körperschall-Zeitreihe, die pro Getriebe-Prüfung entsteht, mittels Fast-Fourier-Transformation oder Wavelet-Transformation in den Frequenzraum transformiert. Dadurch entsteht ein Sonagramm, das der obigen Definition geordneter numerischer Daten genügt. Als Trainingsdaten werden in diesem Anwendungsfall die Sonagramme von „in-Ordnung“ (IO) getesteten Getriebe (gleicher Bauart) aus der Vergangenheit verwendet. Eine geeignete Trennung der vorhandenen Daten in Trainings-, Validierungs- und Testdaten wird hier als Standardvorgehen angenommen und daher nicht explizit erwähnt. Die Daten-getriebe Auswahl der notwendigen Abbildungen des erfindungsgemäßen Analysemodells wird anhand der verfügbaren historischen „nicht-in-Ordnung“ (NIO) Daten durchgeführt. Das heißt, die Abbildungen werden in der Art ausgewählt, dass das resultierende Analysemodell NIO-Getriebe bestmöglich von IO-Getrieben unterscheiden kann.After the completion of a gearbox, the flawless condition is examined, among other things, by means of an acoustic test. The gearbox is driven with a standardized speed profile and the resulting structure-borne noise is measured. The speed profile consists, among other things, of speed ramps in different gears. Anomaly detection according to the invention is carried out, optionally in addition to an established check for conspicuous noises. The structure-borne noise time series that arises for each transmission test is transformed into the frequency domain using Fast Fourier Transformation or Wavelet Transformation. This produces a sonagram that satisfies the above definition of ordered numeric data. In this application, the sonagrams of gearboxes (of the same type) tested as “okay” (OK) from the past are used as training data. A suitable separation of the existing data into training, validation and test data is assumed here as a standard procedure and is therefore not mentioned explicitly. The data-driven selection of the necessary mappings of the analysis model according to the invention is carried out using the available historical "not OK" (NOK) data. This means that the images are selected in such a way that the resulting analysis model can distinguish NOK gears from OK gears as best as possible.
Nach einem Aspekt ist das Verfahren zur Anomalieerkennung in einer akustischen Endprüfung eines Getriebes computerimplementiert.In one aspect, the anomaly detection method is computer implemented in a final acoustic test of a transmission.
Nach einem Aspekt stellt die Erfindung auch ein Computerprogramm bereit zur Anomalieerkennung in einer akustischen Endprüfung eines Getriebes. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die einen Computer veranlassen, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anomalieerkennung in einer akustischen Endprüfung eines Getriebes auszuführen, wenn das Computerprogramm auf dem Computer läuft.According to one aspect, the invention also provides a computer program for anomaly detection in a final acoustic test of a transmission. The computer program includes instructions that cause a computer to carry out the steps of the method according to the invention for anomaly detection in a final acoustic test of a transmission when the computer program runs on the computer.
Nach einem Aspekt entspricht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anomalieerkennung in einer akustischen Endprüfung eines Getriebes
- • die Referenzabbildung der Berechnung des 99%-igen Quantils pro Position;
- • die Differenzabbildung der Berechnung der Differenz zwischen einem zu überprüfenden Zustand xtest und einem Referenzzustand xref; und/oder
- • die Abbildung für den Anomaliewert der Berechnung des Mittelwerts aller positiven Werte in dem erhaltenen Differenzzustand xdiff.
- • the reference figure of the calculation of the 99% percentile per position;
- • the difference mapping of the calculation of the difference between a state to be checked x test and a reference state x ref ; and or
- • the mapping for the anomaly value of the calculation of the mean of all positive values in the obtained difference state x diff .
Auf dem Weg zum Erreichen der erfindungsgemäßen Lösung haben sich folgende Aspekte überraschenderweise gezeigt: Durch Ungenauigkeiten im Schaltvorgang kann es zu erhöhtem Rauschen im Körperschallsignal in den entsprechenden Bereichen kommen. Das 99% Quantil liegt hinreichend weit am oberen Ende der Verteilungen, sodass diese Einflüsse unterdrückt werden. Im Falle der Getriebeprüfung sind insbesondere „zu laute“ Frequenzen/Anomalien von Interesse, eine einfach Differenzbildung lässt diese Werte als „alle Werte größer null“ in Erscheinung treten. Im Falle des 99%-Quantils haben also im Differenzzustand alle Werte einen Eintrag größer Null, die (an ihrer jeweiligen Position) im Ausgangszustand, das heißt dem zu überprüfenden Zustand, einen größeren Wert besitzen als 99% der Einträge in den Trainingsdaten. Da neben der reinen Anzahl an zu lauten Frequenzen auch die Höhe der Abweichungen eine Rolle spielt, ist der Mittelwert der Abweichungen eine vorteilhafte Größe zur Charakterisierung der Abweichungen in einem einzelnen Wert.On the way to achieving the solution according to the invention, the following aspects have surprisingly been shown: Inaccuracies in the switching process can lead to increased noise in the structure-borne sound signal in the corresponding areas. The 99% quantile is far enough towards the upper end of the distributions that these influences are suppressed. In the case of the transmission test, "too loud" frequencies/anomalies are of particular interest; simply calculating the difference allows these values to appear as "all values greater than zero". In the case of the 99% quantile, all values in the difference state have an entry greater than zero that (in their respective position) in the initial state, i.e. the one to be checked state, have a value greater than 99% of the entries in the training data. Since, in addition to the number of frequencies that are too loud, the level of the deviations also plays a role, the mean value of the deviations is an advantageous parameter for characterizing the deviations in a single value.
Nach einem weiteren Aspekt wird zur Durchführung des Verfahrens zur Anomalieerkennung in einer akustischen Endprüfung eines Getriebes ein erfindungsgemäßes System verwendet.According to a further aspect, a system according to the invention is used to carry out the method for anomaly detection in a final acoustic test of a transmission.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Definitionen, Zeichnungen und der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.Advantageous configurations of the invention result from the following definitions, drawings and the description of preferred exemplary embodiments.
Das technische Objekt kann ein Bauteil, eine Produktionsmaschine oder ein Prozessschritt in einem industriellen Fertigungsprozess sein, beispielsweise ein Getriebe.The technical object can be a component, a production machine or a process step in an industrial manufacturing process, for example a gearbox.
Zum Erfassen von Daten und deren Weiterverarbeitung greift die Erfindung auf Sensoren und/oder Sensormodelle zurück, die beispielsweise in industriellen Prozessen Anwendung finden. Sensormodelle simulieren reale Sensoren. Der Begriff Sensor umfasst reale Sensoren und Sensormodelle. Eine Möglichkeit, diese Sensoren zu kategorisieren, ist anhand ihrer physikalischen Messgröße, beispielsweise Temperatursensoren, Vibrationssensoren, Kraft- und Drucksensoren, Optiksensoren umfassend Kamera-, Infrarot-, Lidar- und Radarsensoren, Messung der Größe eines Bauteils, umfassend dessen Geometrie, Strom- und Spannungssensoren und weitere. Welche Sensoren in einem konkreten Fall zur Anwendung kommen, ist abhängig vom jeweiligen Prozessschritt. Nach einem Aspekt der Erfindung werden Funktionen einer Maschine, als auch die Eigenschaften eines Bauteils, mittels Sensoren, umfassend die voran genannten Sensoren, überwacht. Nach einem Aspekt umfasst die Erfindung folgende Sensorkonfigurationen:
- • Bauteil-bezogene Sensormessung: Geometrie, Aussehen;
- • Maschinen-bezogene Messung: Vibrationen und Temperaturen einer oder mehrerer Komponenten;
- • Sensor in einem Bauteiltest: Geräusch, Vibration, Stromstärke, Druck.
- • Component-related sensor measurement: geometry, appearance;
- • Machine-related measurement: vibrations and temperatures of one or more components;
- • Sensor in a component test: noise, vibration, current, pressure.
Nach einem Aspekt übertragen die Sensoren mittels Internet of Things Technologie, beispielsweise untereinander, zu einzelnen Komponenten/Modulen der erfindungsgemäßen Lösung und/oder zu einer Cloud-Infrastruktur, Daten. Damit kann eine automatisierte oder autonome Anomalieerkennung realisiert werden. Die Cloud-Infrastruktur umfasst einen Cloud-basierten Datenspeicher. Die Cloud-Infrastruktur ist beispielsweise eine Public, Private oder Hybrid Cloud Infrastruktur.According to one aspect, the sensors use Internet of Things technology to transmit data, for example to one another, to individual components/modules of the solution according to the invention and/or to a cloud infrastructure. Automated or autonomous anomaly detection can thus be implemented. The cloud infrastructure includes cloud-based data storage. The cloud infrastructure is, for example, a public, private or hybrid cloud infrastructure.
Die Definition, was eine Anomalie ist, kann nach einem Aspekt der Erfindung auf der Definition basieren, was unter einem Zustand im industriellen Fertigungsprozess zu verstehen ist.According to one aspect of the invention, the definition of what an anomaly is can be based on the definition of what is to be understood by a state in the industrial manufacturing process.
Ein Teil der erfindungsgemäßen Lösung basiert auf der Definition des Zustandes des zu überwachenden Fertigungsschrittes oder Bauteiles hinsichtlich der den Zustand beschreibenden Daten. Die Zustandsdefinition kann die Grundlage für weitere Schritte bis hin zur Erkennung von Anomalien bilden, indem die Datengrundlage für das Training von Modellen sowie Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung definiert wird. Die Definition sowohl eines Zustandes als auch der damit verbundenen Anomalien sind dabei keine statischen Konzepte, sondern können einem zeitlichen Wandel unterlegen sein, beispielsweise weil neue Sensoren verfügbar sind, Qualitätsanforderungen geändert werden, oder am Prozess oder Produkt beteiligte Materialen geändert werden.Part of the solution according to the invention is based on the definition of the status of the production step or component to be monitored with regard to the data describing the status. The status definition can form the basis for further steps up to the detection of anomalies by defining the data basis for the training of models and the use of the solution according to the invention. The definition of both a state and the associated anomalies are not static concepts, but can be subject to change over time, for example because new sensors are available, quality requirements are changed, or materials involved in the process or product are changed.
Zustand beschreibt die Beschaffenheit/Eigenschaften eines Prozesses, eines Bauteils und/oder einer (Produktions-)Maschine zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem bestimmten Zeitintervall. Dieser Zustand wird durch Messungen mittels geeigneter Sensoren wie voran beschrieben erfasst. Welche Sensoren geeignet sind, hängt dabei von der Definition des Zustandes als auch des zu beschreibenden Systems ab (Bauteil, Maschine, ...). In umgekehrter Weise beeinflusst auch die Verfügbarkeit entsprechender Sensoren die Definition des Zustandes. Ein Zustand, der nicht durch entsprechende Sensoren zugänglich ist, ist keine sinnvolle Definition eines Zustandes. Ein Zustand kann im industriellen Fertigungsprozess unterschiedliche Ausprägungen haben, die Erfindung umfasst u.a. folgende Zustandsdefinitionen:
- • Der Zustand einer Maschine kann durch Gesamtheit der Sensordaten innerhalb eines Zeitintervalls, beispielsweise der letzten 10 Sekunden, definiert sein, sowie zusätzlich durch Bauteil-spezifische Parameter.
- • Der Zustand eines Bauteils kann durch die Ergebnisse eines Tests definiert sein, sowie durch weitere Bauteilparameter, umfassend unterschiedliche Bauteil-Varianten.
- • The state of a machine can be defined by all of the sensor data within a time interval, for example the last 10 seconds, and also by component-specific parameters.
- • The condition of a component can be defined by the results of a test, as well as by other component parameters, including different component variants.
Eine Anomalie ist ein Zustand, spezifiziert durch entsprechende (Sensor-)Daten, der sowohl selten ist als auch, basierend auf den aufgezeichneten Daten, von fast allen anderen Zuständen abweicht. Eine Anomalie ist selten und anders. Trotzdem kann eine genaue Abgrenzung zwischen normal und anormal häufig schwierig und in vielen Fällen mit den verfügbaren Daten sogar nicht eindeutig möglich sein, sodass letztendlich ein Zustand immer nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit anormal ist. Um diesem Umstand gerecht zu werden, wird eine Überprüfungsinstanz, beispielsweise ein menschlicher Überprüfer als Teil des erfindungsgemäßen Systems vorgeschlagen.An anomaly is a condition, specified by corresponding (sensor) data, which both is rare as well as differing from almost all other conditions based on the recorded data. An anomaly is rare and different. Nevertheless, it can often be difficult to draw a precise distinction between normal and abnormal, and in many cases even not possible with the available data, so that ultimately a condition is only abnormal with a certain probability. In order to do justice to this circumstance, a checking authority, for example a human checker, is proposed as part of the system according to the invention.
Die Datengrundlage der erfindungsgemäßen Lösung bilden geordnete numerische Daten. Geordnet bedeutet dabei, dass die einzelnen Einträge in den Daten, die einen Zustand beschreiben, in eine Reihenfolge gebracht werden können, sodass jeder Eintrag eines Zustandes mit dem Eintrag eines anderen Zustandes an der gleichen Position sinnvoll verglichen werden kann. Die Zustände werden positionsweise verglichen.Ordered numerical data forms the data basis of the solution according to the invention. Ordered means that the individual entries in the data that describe a state can be arranged in an order so that each entry in one state can be meaningfully compared with the entry in another state at the same position. The states are compared position by position.
Die erfindungsgemäße Lösung kann den Zustand eines industriellen Produktionsschrittes und/oder die mit einem Zustand verbundenen geordneten Daten durch statistische Charakterisierung einzelner Positionen im Hinblick auf seine Anomalität bewerten. Dazu wird in einem ersten Schritt ein Analysemodell trainiert. Dabei wird mit Hilfe von Trainingsdaten eine statistische Charakterisierung berechnet. Die Trainingsdaten umfassen eine große Menge an historischen Zuständen des zu überwachenden Prozessschrittes, die nach Möglichkeit keine - in der Realität mindestens wenige - anormale Zustände enthalten. Statt historischen Daten des eigentlichen Prozesses können auch Daten von vergleichbaren Prozessen oder aus einer Simulation des Prozesses verwendet werden.The solution according to the invention can evaluate the state of an industrial production step and/or the ordered data associated with a state by statistical characterization of individual positions with regard to its anomaly. In a first step, an analysis model is trained. A statistical characterization is calculated with the help of training data. The training data includes a large number of historical states of the process step to be monitored, which if possible contain no abnormal states - in reality at least few. Instead of historical data of the actual process, data from comparable processes or from a simulation of the process can also be used.
Das Trainieren manifestiert sich in einer quantitativen Beurteilung der Verteilung der Trainingszustände (fast nur Normalzustände) auf Positionsebene, diese sogenannte Referenz kann unterschiedlich berechnet werden.The training manifests itself in a quantitative assessment of the distribution of the training states (almost only normal states) at the position level, this so-called reference can be calculated in different ways.
Es sei X eine Menge von N Trainingszuständen X = (x1, x2,...,xN), xL E Rh×k ; h, k ∈ N*, X ∈ RN×h×k das heißt jeder Trainingszustand wird beschrieben durch eine h × k Matrix geordneter numerischer Werte (im Allgemeinen können die Zustände auch mehr als zwei Dimensionen besitzen, die Beschreibung des zwei-dimensionalen Falls wird hier zwecks Lesbarkeit und Anschaulichkeit, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, gewählt). Dann besteht die Berechnung der Referenz in einer oder mehrerer Abbildungen ƒ: RN×h×k → Rh×k, im Folgenden Referenzabbildungen genannt. Das heißt die Referenz xref hat die Dimension Rh×k×l, wobei l die Anzahl an Referenzabbildungen.Let X be a set of N training states X = (x 1 , x 2 ,...,x N ), x L ER h×k ; h, k ∈ N*, X ∈ R N×h×k, i.e. each training state is described by an h × k matrix of ordered numerical values (in general, the states can also have more than two dimensions, the description of the two-dimensional case is chosen here for the sake of readability and clarity, without restricting generality). Then the calculation of the reference consists of one or more mappings ƒ: RN×h×k → R h×k , called reference mappings in the following. This means that the reference x ref has the dimension Rh ×k×l , where l is the number of reference images.
Jede der Referenzabbildungen unterteilt sich wiederum in h · k weitere Abbildungen gi,j: RN → R, i ≤ h, j ≤ k, die im Folgenden als Positionsabbildungen bezeichnet werden. Diese Positionsabbildungen etablieren die Berechnungsvorschrift, mit der der Wert einer Position im Referenzzustand aus den Werten der Position in den Trainingszuständen berechnet wird. Dabei kann, im einfachsten Fall, für jede Position die gleiche Abbildung verwendet, d.h. g1,1 = g1,2 = ... = gh,k = g oder im anderen Extremfall für jede Position eine andere Abbildung g1,1 ≠ g1,2 ≠ ... ≠ gh,k verwendet werden.Each of the reference mappings is in turn subdivided into h · k further mappings g i,j : RN → R, i≦h, j≦k, which are referred to below as position mappings. These position mappings establish the calculation rule with which the value of a position in the reference state is calculated from the values of the position in the training states. In the simplest case, the same mapping can be used for each position, ie g 1,1 = g 1,2 = . . . = g h,k = g or, in the other extreme case, a different mapping g 1,1 for each position ≠ g 1.2 ≠ ... ≠ g h,k can be used.
Nach einem Aspekt kommen komplexere Positionsabbildungen zur Anwendungen, zum Beispiel werden über einen Fenster-Ansatz mehrere Positionen in den Trainingsdaten zur Berechnung des Wertes einer Position im Referenzzustand herangezogen.In one aspect, more complex position mappings are used, for example, using a window approach, multiple positions in the training data are used to calculate the value of a position in the reference state.
Nach dem das Analysemodell trainiert wurde, erfolgt in einem zweiten Schritt die Anwendung des Analysemodells. Dabei wird durch das trainierte Analysemodell ein unbekannter Zustand, das heißt die einen Zustand beschreibenden geordneten numerischen Daten, im Hinblick auf seine Anomalität bewertet. Diese Bewertung wird in Form eines Anomaliewertes weitergegeben.After the analysis model has been trained, the analysis model is applied in a second step. In this case, an unknown state, ie the ordered numerical data describing a state, is evaluated by the trained analysis model with regard to its anomaly. This score is passed on in the form of an anomaly score.
Nach dem Training können damit Zustände, die einem Produktionsschritt entstammen, dessen Daten Grundlage des Trainings waren, beispielsweise Sonagramme bei der Endprüfung von Getrieben, auf Anomalien hin überprüft werden. Dabei wird durch das Analysemodell ein Anomaliewert berechnet, der den Grad der Abweichung vom erwarteten, normalen Verhalten des Produktionsschrittes misst. Dabei gilt im Allgemeinen, je höher der Anomaliewert ist, desto stärker die Abweichung.After the training, statuses originating from a production step whose data formed the basis of the training, for example sonagrams during the final inspection of gearboxes, can be checked for anomalies. The analysis model calculates an anomaly value that measures the degree of deviation from the expected, normal behavior of the production step. In general, the higher the anomaly score, the greater the deviation.
Die Module des erfindungsgemäßen Systems umfassen Hardware- und/oder Softwaremodule, umfassend Hardware- und/oder Softwaremodule zur Regelung und/oder Steuerung industrieller Fertigungsprozesse und/oder zur Anomalieerkennung. Die Hardwaremodule umfassen Elektronikeinheiten, integrierte Schaltkreise, eingebettete Systeme, Mikrocontroller, Multiprozessor-Systems-on-Chip, Zentralprozessoren und/oder Hardwarebeschleuniger, beispielsweise Graphikprozessoren, Datenspeichereinheiten und Konnektivitätselemente, beispielsweise WLAN-Module, RFID-Module, Bluetooth-Module, NFC-Module. Nach einem Aspekt der Erfindung wird die Anomalieerkennung als Funktionssoftware in der Cloud-Infrastruktur ausgeführt.The modules of the system according to the invention include hardware and/or software modules, including hardware and/or software modules for regulating and/or controlling industrial manufacturing processes and/or for anomaly detection. The hardware modules include electronic units, integrated circuits, embedded systems, microcontrollers, multiprocessor systems-on-chip, central processors and/or hardware accelerators, e.g. graphics processors, data storage units and connectivity elements, e.g. WLAN modules, RFID modules, Bluetooth modules, NFC modules . According to one aspect of the invention, the anomaly detection is implemented as functional software in the cloud infrastructure.
Die Befehle der erfindungsgemäßen Computerprogramme umfassen Maschinenbefehle, Quelltext oder Objektcode geschrieben in Assemblersprache, einer objektorientierten Programmiersprache, beispielsweise C++, oder in einer prozeduralen Programmiersprache, beispielsweise C. Die Computerprogramme sind nach einem Aspekt der Erfindung Hardware unabhängige Anwendungsprogramm, die beispielsweise über einen Datenträger oder ein Datenträgersignal mittels Software Over The Air Technologie bereitgestellt wird.The instructions of the computer programs according to the invention include machine instructions, source text or object code written in assembler language che, an object-oriented programming language, such as C++, or in a procedural programming language, such as C. According to one aspect of the invention, the computer programs are hardware-independent application programs that are provided, for example, via a data carrier or a data carrier signal using software over the air technology.
Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen verdeutlicht. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen System, -
2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anomalieerkennung im Kontext des erfindungsgemäßen Systems, -
3 eine schematische Darstellung geordneter numerischer Zustände, -
4 eine Darstellung zu Trainings- und Anwendungsphase des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anomalieerkennung, -
5 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Trainingsphase, -
6 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Anwendungsphase, -
7 ein Ausführungsbeispiel eines Sonagramms, -
8 ein Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anomalieerkennung und -
9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anomalieerkennung in einer akustischen Endprüfung eines Getriebes.
-
1 an embodiment of a system according to the invention, -
2 an exemplary embodiment of the anomaly detection according to the invention in the context of the system according to the invention, -
3 a schematic representation of ordered numerical states, -
4 an illustration of the training and application phase of the method according to the invention for anomaly detection, -
5 a representation of a training phase according to the invention, -
6 a representation of an application phase according to the invention, -
7 an embodiment of a sonagram, -
8th an embodiment of the inventive method for anomaly detection and -
9 an embodiment of a method according to the invention for anomaly detection in a final acoustic test of a transmission.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. Übersichtshalber werden in den einzelnen Figuren nur die jeweils relevanten Bezugsteile hervorgehoben.In the figures, the same reference symbols denote the same or functionally similar reference parts. For the sake of clarity, only the relevant reference parts are highlighted in the individual figures.
In
Das Training der Analysemodelle wird beispielsweise auf der Ebene Getriebevarianten und Produktionslinien durchgeführt. Pro Getriebevariante und Produktionslinie existiert jeweils eine Version der Modelle. Diese Einschränkung wird jeweils in der zugehörigen Konfiguration Konfig-Model festgehalten, sodass im späteren Einsatz immer das zu einem fraglichen Getriebe gehörige Modell geladen wird.The analysis models are trained, for example, at the level of transmission variants and production lines. There is one version of each model for each transmission variant and production line. This restriction is always recorded in the associated configuration Config-Model, so that the model associated with the transmission in question is always loaded later on.
Das erste Modul IF-Anom Core umfasst zwei wesentliche Funktionen des Systems IF-Anom, zum einen die Verarbeitung und Datenspeicherung ankommender Daten Data1, Data2 mittels eines Datenverarbeitungsmoduls, zum anderen das Trainieren und Evaluieren von Analysemodellen zur Anomalieerkennung mittels eines Trainingsmoduls. Beide Funktionen unterliegen einem zeitlichen Aspekt, das heißt zu Beginn des Einsatzes des Systems IF-Anom wird zunächst auf vorhandene Daten Data2 aus dem zu überwachenden Prozess zugegriffen, und/oder auf Daten aus vergleichbaren Prozessen oder synthetisch erzeugte Daten. Basierend darauf wird die Zustandsdefinition Z erarbeitet. Daten und Zustandsdefinition werden in eine für die nachfolgenden Schritte geeignete Form gebracht und gespeichert.The first module IF-Anom Core includes two essential functions of the IF-Anom system, on the one hand the processing and data storage of incoming data Data1, Data2 using a data processing module, on the other hand the training and evaluation of analysis models for anomaly detection using a training module. Both functions are subject to a time aspect, ie at the beginning of the use of the IF-Anom system, existing data Data2 from the process to be monitored is first accessed and/or data from comparable processes or synthetically generated data. Based on this, the state definition Z is developed. Data and state definition are brought into a form suitable for the subsequent steps and stored.
Das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner übernimmt die Aufgabe, eingehende Daten umfassend Data2 gemäß der bestehenden Zustandsdefinition und Datenvorverarbeitungsroutinen zu verarbeiten. Dabei werden die ankommenden Daten in der gleichen Art und Weise verarbeitet wie die historischen Daten Data1, die für das Modelltraining verwendet wurden. Anschließend wird mittels der verfügbaren Anomalieerkennungs-Modelle eine Bewertung durchgeführt. Die Ausgabe jedes Modells umfasst einen Anomaliewert AS. Der Anomaliewert AS gibt an, wie anormal der bewertete Zustand Z ist, in der Regel, aber nicht zwangsläufig, je höher, desto anormaler. Welche Methodik und welche Modelle zur Anwendung kommen, hängt dabei vom Anwendungsfall und der Verfügbarkeit von Modellen ausreichender Güte ab. Das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner erhält von dem ersten Modul IF-Anom Core die aktuellen Modelle, sowie eine Anwendungsfall-spezifische Konfiguration Konfig-Model, in der zum Beispiel die notwendige Vorverarbeitung der ankommenden Daten Data2 spezifiziert wird. Unter Verwendung dieser Modelle wird dann eine Beurteilung des aktuellen Zustandes Z durch das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner vorgenommen.The second module IF-Anom anomaly detector takes on the task of processing incoming data comprehensively Data2 according to the existing status definition and data pre-processing routines. The incoming data is processed in the same way as the historical data Data1 used for model training. An assessment is then carried out using the available anomaly detection models. The output of each model includes an anomaly score AS. The anomaly value AS indicates how abnormal the evaluated state Z is, usually but not necessarily, the higher the more abnormal. Which methodology and which models are used depends on the application and the availability of models of sufficient quality. The second module IF-Anom anomaly detector receives the current models from the first module IF-Anom Core, as well as an application-specific configuration Config-Model, in which, for example, the necessary pre-processing of the incoming data Data2 is specified. Using these models, the current state Z is then assessed by the second module IF-Anom anomaly detector.
Das erste Modul IF-Anom Core und das zweite Modul IF-Anomalieerkenner tauschen untereinander Daten und/oder Bewertungen aus.The first module IF-Anom Core and the second module IF-Anomalyidentifier exchange data and/or evaluations with each other.
Die Beurteilung des zweiten Moduls IF-Anomalieerkenner wird an das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager weitergegeben. Das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager übernimmt die Aufgabe zu entscheiden, ob und wann ein Zustand Z zur Beurteilung an einen, oder an welchen, menschlichen Experten Expert gegeben wird. Grob gesagt werden erkannte Anomalien beispielsweise fast immer weitergegeben und zusätzlich als normal erkannte Beispiele unter gewissen Umständen. Die Bewertungen durch den/die menschlichen Experten Expert gehen zurück an das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager, das entscheidet, in welcher Form Annotationen zurück an das erste Modul IF-Anom Core gehen, um dort die Datenbasis entsprechend zu erweitern. Im Idealfall stehen dem dritten Modul IF-Anom Annotationsmanager dabei Metainformation bezüglich der Beurteilung zur Verfügung, zum Beispiel eine, insbesondere wenn aus Datenschutzgründen notwendige, anonymisierte Identifikation des Beurteilenden Expert sowie ein Zeitstempel, wann die Beurteilung verfasst wurde.The assessment of the second module, IF anomaly detector, is passed on to the third module, IF anom annotation manager. The third module IF-Anom annotation manager takes care of that Task to decide whether and when a state Z is given to one, or to which, human expert for assessment. For example, roughly speaking, detected anomalies are almost always propagated, and additionally detected-normal samples under certain circumstances. The evaluations by the human expert go back to the third module IF-Anom Annotation Manager, which decides in what form annotations go back to the first module IF-Anom Core in order to expand the database there accordingly. In the ideal case, the third module IF-Anom annotation manager has access to meta information regarding the assessment, for example an anonymous identification of the assessing expert, especially if necessary for data protection reasons, as well as a time stamp when the assessment was written.
Wird eine Anomalie NOK vom Überprüfer Expert als Anomalie NOK bestätigt oder wird die erkannte Anomalie NOK ohne Überprüfung freigegeben, werden beispielsweise zwei Reaktionen in Gang gesetzt. Zum einen wird der überwachte Produktionsschritt PS basierend auf dem als anormal erkannten Zustand Z näher begutachtet, um zu entscheiden ob/wann eine Wartung/Reparatur durchgeführt werden muss. Zum anderen können die Bauteile, die während und nach dem Auftreten der Anomalie NOK verarbeitet wurden, vorsorglich aussortiert und/oder gesondert begutachtet werden.If an NOK anomaly is confirmed by the expert reviewer as an NOK anomaly or if the detected NOK anomaly is released without checking, two reactions are set in motion, for example. On the one hand, the monitored production step PS is examined more closely based on the state Z recognized as abnormal, in order to decide whether/when maintenance/repair must be carried out. On the other hand, the components that were processed during and after the occurrence of the NOK anomaly can be sorted out as a precaution and/or examined separately.
Das erfindungsgemäße Trainieren und Anwenden des Analysemodells ANOM-Stat wird von dem ersten Modul IF-Anom Core und dem zweiten Modul IF-Anomalieerkenner durchgeführt, siehe auch
Das erste Subverfahren kann die Verfahrensschritte C1-C3 umfassen und ist im Detail in
Das zweite Subverfahren kann die Verfahrensschritte C4-C7 umfassen und ist im Detail in
BezugszeichenlisteReference List
- xrefxref
- Referenzzustandreference state
- xixi
- Trainingszustandtraining condition
- XX
- Trainingsdatentraining data
- ff
- Referenzabbildungreference figure
- gi,jgi, j
- Positionsabbildungposition mapping
- xtestxtest
- zu überprüfender Zustand/Testzustandcondition to be checked/test condition
- xdiffxdiff
- Differenzzustanddifference state
- di.e
- Differenzabbildungdifference mapping
- fscorefscore
- Abbildung für Anomaliewert Figure for anomaly score
- i,ji,j
- Position position
- IFIF
- industrieller Fertigungsprozessindustrial manufacturing process
- PShp
- Prozessschrittprocess step
- PMp.m
- Produktionsmaschine production machine
- ANOM-StatANOM Stat
- Analysemodell analysis model
- IF-AnomIF-Anom
- System zur industriellen AnomalieerkennungIndustrial anomaly detection system
- IF-AnomIF-Anom
- Core erstes ModulCore first module
- IF-AnomIF-Anom
- Anomalieerkenner zweites ModulAnomaly detector second module
- IF-AnomIF-Anom
- Annotationsmanager drittes ModulAnnotation manager third module
- IF-AnomIF-Anom
- Daten viertes ModulData fourth module
- ExpertExpert
- Überwacher monitor
- Data1Data1
- erste Datenfirst data
- Data2Data2
- zweite Datensecond data
- Data3Data3
- dritte Daten third data
- ASAS
- Anomaliewert/AnomaliescoreAnomaly Value/Anomalies Score
- NOKNOK
- Anomalieanomaly
- Z, Z1-Z3Z, Z1-Z3
- ZustandCondition
- Konfig-Modelconfig model
- Konfiguration trainierter Modelle Configuration of trained models
- t1-t3t1-t3
- Zeitpunkte/ZeitintervallePoints in time/time intervals
- f1-f3f1-f3
- Frequenzen frequencies
- C1-C7C1-C7
- Verfahrensschritteprocess steps
- E1-E4E1-E4
- Verfahrensschritteprocess steps
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