JP3785703B2 - 時系列データの識別方法およびその識別装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、決定論に基づいた時系列データと、確率過程に基づいた時系列データとの識別方法およびその識別装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、回転機械系システムの軸振動異常を検出する際に、システムから決定論に基づいた時系列データとランダムノイズのような確率過程に基づいた時系列データが合成されて検出器で検出される。これら時系列データのうち、一見するとランダムに見える時系列データでも決定論に従ったものが多くある(決定論的カオス)。このような決定論的カオス系のダイナミクスは、ランダムノイズがわずかに加わった時(すなわち、僅かな異常が発生した時)には、表面上明確な違いが見られない。上記時系列データの特徴判定方法には、一般にFFT解析法が使用されるが、決定論的カオス系のダイナミクスの場合、それを構成する周波数成分が無限になるので、明確な周波数抽出が不可能となる。
【0003】
図9はFFT等のスペクトル解析による周波数の特徴を抽出する方法のフローチャートで、まず、システムからの時系列データを、検出器で検出してステップS1でデータを得る。ステップS1で得られたデータは、ステップS2でFFTによりスペクトル解析される。このFFTによるスペクトル解析結果から特徴のある周波数をステップS3で選定する。このようにして選定した値と、正常な場合のデータで予めFFTによるスペクトル解析を行ったときの解析値とを、ステップS4で比較し、その比較結果からステップS3で選定した値が正常か異常かの判定を行う。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように時系列データをFFT等のスペクトル解析により周波数の特徴を抽出する方法では、決定論系に基づいた時系列データであるか、確率過程系の時系列データであるかの識別ができない場合がある。例を示すと、決定論的カオスの時系列データとして代表的なレスラーカオス時系列データ特性図(図10a、図11a)と、その時系列データに確率過程系の要素(ホワイトノイズ10%)を加えたレスラーカオス時系列データ特性図(図10b、図11b)で比較し、FFTによるスペクトル解析を行った結果、ノイズを加えた時系列データとノイズを加えない時系列データとのFFTによるスペクトル解析結果を比較しても図12a,b、図13a,bに示す特性図のように明確な差異は選られない。このため、決定論系の時系列データと確率過程系の時系列データとの識別は極めて困難である。この結果、回転機械系システムの軸振動異常を検出する際に、FFTによるスペクトル解析を行っても明確に、軸振動の異常を検出できない問題がある。
【0005】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、決定論に基づいた時系列データと、ランダムノイズのような確率過程に基づいた時系列データとの識別が確実にできる時系列データの識別方法およびその識別装置を提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を達成するために、第1発明は、対象とするシステムから時系列データを検出する検出手段と、検出手段により検出された時系列データを取り込むデータ入力手段と、取り込まれた時系列データを格納するデータ格納手段と、格納された時系列データからn次元状態空間に埋め込み処理を行う時系列データの埋め込み処理手段と、埋め込まれた時系列データのデータベクトルの接線方向を検出する接線方向検出手段と、検出されたデータベクトルの接線方向を判定する判定手段と、判定手段の判定結果から時系列データを分離識別する分離識別手段と、識別した結果を表示する表示手段とを備えた時系列データの識別装置における時系列データの識別方法において、
前記n次元状態空間に埋め込まれた時系列データの任意のデータベクトルの接線方向を接線方向検出手段により検出するステップと、前記n次元状態空間の近傍空間内でのデータベクトルの軌道に対する接線方向を検出し、検出されたデータベクトルの接線方向が同一方向であるか、否であるかを判定手段で判定するステップと、その判定結果から決定論に基づく時系列データであるか、確率過程に基づく時系列データであるかを分離識別手段により分離識別するステップとを有することを特徴とするものである。
【0007】
第2発明は、対象とするシステムから時系列データを得る検出部と、この検出部で検出された時系列データを取り込むデータ入力部と、このデータ入力部に取り込まれた時系列データを格納するデータ格納部と、このデータ格納部に格納されたデータが入力される判定処理部とを備えた時系列データの識別装置であって、
前記判定処理部は、対象とするシステムからの時系列データが入力され、時系列データをある次元と遅れにてn次元状態空間に埋め込み処理を行う時系列データの埋め込み処理部と、この処理部で埋め込み処理されたデータを入力し、その中から所望のデータベクトルを選択するデータベクトル選択部と、このデータベクトル選択部で選択されたデータベクトルに近い近傍ベクトルを検出する近傍ベクトル検出部と、前記データベクトル選択部と近傍ベクトル検出部で検出されたベクトルの軌道に対する接線方向を演算により導出する接線方向演算部と、この接線方向演算部で導出されたデータベクトル接線方向と近傍ベクトルの接線方向との平行度が入力され、この平行度を評価する平行度評価部と、統計的誤差をなくすために平行度評価部で評価された平行度の平均を求め、それが「0」なら決定論に基づく時系列データであると判定し、「1」なら確率過程に基づく時系列データであると判定する平行度判定部とからなることを特徴とするものである。
【0010】
第3発明は、前記判定処理部はコンピュータからなり、検出部で検出された時系列データをアナログ/ディジタル変換器を介してコンピュータに入力させることを特徴とするものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1はこの発明の実施の第1形態を示すブロック構成図で、図1において、1は図2に示すn次元状態空間に埋め込まれた時系列データの任意のデータベクトルを得るデータベクトルXi検出手段、2はその近傍空間内(図2に示す)での、データベクトルXj(j;m個(事前に設定))の軌道(トラジェクトリ)に対する接線の方向Ti,Tjを得る接線方向検出手段である。この接線方向検出手段2で得られた接線方向がほぼ同一であるか、否であるかを判定手段3で判定する。この判定結果で、同一なら理想的な決定論に基づく時系列データであるとし、否であるなら図3に示すようにシステムに異常が加わった、すなわちランダムノイズ印加で接線方向がランダムになり確率過程に基づく時系列データであると分離識別手段4で分離識別される。
【0012】
ここで、一例として、決定論的カオスの時系列データである代表的なレスラーカオスと、その時系列データに確率過程系の要素としてホワイトノイズを加えたデータで比較する。ノイズの影響を受けていないデータを埋め込んだときのアトラクタグラフは図4に示すような軌道を描く。しかし、ノイズの影響を受けたデータのときのアトラクタグラフは図5に示すように軌道が支離滅裂になる。この結果、図4から明かのように、ノイズの影響を受けないデータでは、埋め込まれたアトラクタの一部分を見るとそれぞれのデータが同じ方向に流れていることが判る。
【0013】
図6はこの発明の実施の第2形態を示すブロック構成図で、図6において、11は計測機器により対象とするシステムから時系列データを得る検出部で、この検出部11で検出された時系列データをデータ入力部12に取り込む。取り込まれた時系列データはデータ格納部13に格納される。格納されたデータは判定処理部14に入力され、この判定処理部14で詳細を図7に示すような手段や各部で処理が行われて、データベクトルから接線が導出され、接線の平行度の評価が行われて平行度が判定される。この接線の平行度の判定値からノイズが加わったデータであるかが判定結果部15で識別される。この判定結果部15で識別された結果は出力部16に送られて監視装置などに明示されるとともに、判定結果格納部17に格納される。
【0014】
図7は判定処理部14の詳細なブロック構成図で、図7において、21は対象とするシステムから時系列データを得る手段で、この手段21で得られた時系列データは時系列データの埋め込み処理部22に入力される。この処理部22では時系列データをある次元と遅れにて埋め込み処理を行う。ただし、次元と遅れは、対象とするシステムによって事前に設定する。処理部22で埋め込み処理されたデータはデータベクトル選択部23に入力され、ここで、図2に示すように、ランダムにデータベクトルXiを選択する。データベクトルXiが選択されたなら、次に近傍ベクトル検出部24でデータベクトルXiに近い近傍ベクトルXj点を検出する。
【0015】
25は接線方向演算部で、この演算部25ではデータベクトルXiと近傍ベクトルXjのトラジェクトリに対する接線方向TiとTjを導出する。導出された接線方向TiとTjは平行度評価部26に入力されて、TiとTjとの平行度が評価(平行度が高いほど0となる)される。平行度評価部26においての接線方向TiとTjとの平行度が設定された標本数(N個分)に達しているかを判断部27で判断し、達していなかったならデータベクトル選択部23から処理を再び行う。設定された標本数に達していたなら、平行度の平均を平行度判定部28で求めてそれが平均以上なら決定論に基づく時系列データであると判定し、平均以下なら確率過程に基づく時系列データ、すなわちランダムノイズであると判定する。
【0016】
図8はこの発明の実施の形態を回転機械系の軸振動異常検出装置に適用した構成説明図で、特にAT車トランスミション異常振動検出装置に適用したものであり、図8において、31は被試験機器となるAT車トランスミションで、このトランスミション31の試験時に発生する音(時系列データ)は検出器32で検出される。検出された音はコンピュータ33に入力される際に、A/D変換器34でディジタルデータに変換される。このデータは図7に示すような判定処理部14に入力されて処理され、トランスミション31が将来発生する異常音などを予測する。その予測した結果は試験ラインの停止や、CRT表示部35、監視盤36に表示される。なお、37はD/A変換器、38はインターフェース盤、39はLAN用拡張モジュール、40は他のコンピュータに判定結果を伝送する伝送路である。上記適用例では回転機械系の異常音を検出するようなシステムに適用したが、配管系の損傷などによる異常音の検出にもできる。
【0017】
上述した実施の形態では異常音の検出ができることについて述べて来たが、圧力センサや温度センサにより検出したものにも適用できる。例えば、自動車のパワーステアリングなどのギャーポンプの異常検出に適用できるなど種々の異常検出が可能となる。
【0018】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、少ないパラメータ(埋め込み次元、遅れ、近傍数/標本数)の設定により、時系列データの性質として決定論系と確率過程系とを分離識別が可能となる。これにより極めて早期に異常を検出することができるようになる。なぜなら、正常時は設計通りの動作により決定論的挙動が支配的であるが、異常が発生すると確率過程に基づくランダムノイズが重畳されるため、上記のような指標を用いると、極めてわずかなランダムノイズにも敏感に反応するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の第1形態を示すブロック構成図。
【図2】アトラクタの局所的特徴説明図。
【図3】局所的に見たシステムのアトラクタ説明図。
【図4】レスラーカオスのアトラクタグラフ。
【図5】10%ノイズを加えたレスラーカオスのアトラクタグラフ。
【図6】この発明の実施の第2形態を示すブロック構成図。
【図7】判定処理部の詳細なブロック構成図。
【図8】実施の形態を回転機械系の軸振動異常検出装置に適用した構成説明図。
【図9】FFT等のスペクトル解析による周波数特徴抽出方法のフローチャート。
【図10】10aはレスラーカオス時系列データ特性図、10bは10%ノイズを加えたレスラーカオス時系列データ特性図。
【図11】11aはレスラーカオス時系列データ拡大特性図、11bは10%ノイズを加えたレスラーカオス時系列データ拡大特性図。
【図12】12aはレスラーカオスのFFTグラフ、12bは10%ノイズを加えたレスラーカオスのFFTグラフ。
【図13】13aはレスラーカオスのFFTグラフ拡大図、13bは10%ノイズを加えたレスラーカオスのFFTグラフ拡大図。
【符号の説明】
1…データベクトル検出部
2…接線方向検出部
3…判定手段
4…分離識別手段
11…検出部
12…データ入力部
13…データ格納部
14…判定処理部
15…判定結果部
16…出力部
17…判定結果格納部
21…時系列を得る手段
22…時系列埋め込み処理部
23…データベクトル選択部
24…近傍ベクトル検出部
25…接線方向演算部
26…平行度評価部
27…判断部
28…平行度判定部
Claims (3)
- 対象とするシステムから時系列データを検出する検出手段と、
検出手段により検出された時系列データを取り込むデータ入力手段と、
取り込まれた時系列データを格納するデータ格納手段と、
格納された時系列データからn次元状態空間に埋め込み処理を行う時系列データの埋め込み処理手段と、
埋め込まれた時系列データのデータベクトルの接線方向を検出する接線方向検出手段と、
検出されたデータベクトルの接線方向を判定する判定手段と、
判定手段の判定結果から時系列データを分離識別する分離識別手段と、
識別した結果を表示する表示手段とを備えた時系列データの識別装置における時系列データの識別方法において、
前記n次元状態空間に埋め込まれた時系列データの任意のデータベクトルの接線方向を接線方向検出手段により検出するステップと、
前記n次元状態空間の近傍空間内でのデータベクトルの軌道に対する接線方向を検出し、検出されたデータベクトルの接線方向が同一方向であるか、否であるかを判定手段で判定するステップと、
その判定結果から決定論に基づく時系列データであるか、確率過程に基づく時系列データであるかを分離識別手段により分離識別するステップとを有する
ことを特徴とする時系列データの識別方法。 - 対象とするシステムから時系列データを得る検出部と、この検出部で検出された時系列データを取り込むデータ入力部と、このデータ入力部に取り込まれた時系列データを格納するデータ格納部と、このデータ格納部に格納されたデータが入力される判定処理部とを備えた時系列データの識別装置であって、
前記判定処理部は、対象とするシステムからの時系列データが入力され、時系列データをある次元と遅れにてn次元状態空間に埋め込み処理を行う時系列データの埋め込み処理部と、この処理部で埋め込み処理されたデータを入力し、その中から所望のデータベクトルを選択するデータベクトル選択部と、このデータベクトル選択部で選択されたデータベクトルに近い近傍ベクトルを検出する近傍ベクトル検出部と、前記データベクトル選択部と近傍ベクトル検出部で検出されたベクトルの軌道に対する接線方向を演算により導出する接線方向演算部と、この接線方向演算部で導出されたデータベクトル接線方向と近傍ベクトルの接線方向との平行度が入力され、この平行度を評価する平行度評価部と、統計的誤差をなくすために平行度評価部で評価された平行度の平均を求め、それが「0」なら決定論に基づく時系列データであると判定し、「1」なら確率過程に基づく時系列データであると判定する平行度判定部とからなることを特徴とする時系列データの識別装置。 - 前記判定処理部はコンピュータからなり、検出部で検出された時系列データをアナログ/ディジタル変換器を介してコンピュータに入力させることを特徴とする請求項2記載の時系列データの識別装置。
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