KR102383139B1 - Industrial facility failure prediction diagnosis data learning labeling system and method based on artificial intelligence - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 인공지능 기반의 산업설비 고장예측 진단을 위한 데이터 학습 라벨링 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산업설비에서 측정된 데이터를 이상징후 감지 또는 고장유형 분류에 관한 학습데이터로 사용될 수 있도록 데이터를 전처리, 분류 및 라벨링하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a data learning labeling system and method for predictive diagnosis of industrial equipment failure based on artificial intelligence, and more particularly, data measured in industrial equipment can be used as learning data for detecting abnormal symptoms or classifying failure types. It is about technology for preprocessing, classifying, and labeling data so that
데이터 라벨링(data labeling)은 이미지, 영상, 텍스 등 기계학습에 필요한 다양한 데이터를 인공지능(AI: Artificial Intelligence) 모듈이 학습할 수 있도록 목적에 맞게 전처리, 분류 및 가공하는 것을 의미한다.Data labeling refers to pre-processing, classifying, and processing various data required for machine learning, such as images, images, and text, according to the purpose so that the AI (Artificial Intelligence) module can learn.
종래에는 선행기술로 기재된 특허문헌과 같이 수질분석을 위해 수질데이터를 라벨링할 수 있고, 산업설비의 이상징후를 감지하기 위해 산업설비의 측정데이터를 라벨링할 수 있으며, 다양한 분야별로 데이터 라벨링을 활용할 수 있다.Conventionally, it is possible to label water quality data for water quality analysis as in the patent literature described in the prior art, and to label measurement data of industrial facilities to detect abnormal signs of industrial facilities, and data labeling can be utilized for various fields. there is.
종래의 설비운영 또는 정비분야의 예지보전 시스템은 AI 기반의 기계학습을 활용하여 정상 데이터와의 차이에 따라 이상징후를 포착하는 조기경보 시스템, 설비 고장 발생 시 고장 패턴에 따라 원인을 진단하는 고장진단 시스템 등 그 목적에 따라 데이터를 전처리하고 분류하며, 라벨링을 통해 데이터를 학습하여 활용하는 단계의 과정을 알고리즘으로 개발하여 설비 관리에 적용하고 있다.The conventional predictive maintenance system in the field of facility operation or maintenance uses AI-based machine learning to detect anomalies according to differences from normal data, and failure diagnosis to diagnose the cause according to the failure pattern in the event of a facility failure. Data is pre-processed and classified according to the purpose of the system, and the process of learning and utilizing data through labeling is developed as an algorithm and applied to facility management.
그러나 종래에는 설비의 측정 데이터의 경우 대기온도, 대기압력, 해수온도 등 외부환경과 설비열화, 운전모드, 정비주기 등 내부환경에 따라 정상운전 범위가 수시로 변경되기 때문에, 초기에 구성된 데이터학습 모델에 대해서 추가적인 데이터 학습이 필요한 상황이며, 설비고장 발생 시 원인분석 이후에 대한 데이터를 학습하여 활용하지 못하는 문제점이 발생하여 향후 동일한 고장 발생 시 다시 원인을 분석해야 하는 비효율적인 업무가 이루어지고 있는 실정이다.However, conventionally, in the case of equipment measurement data, the normal operation range is frequently changed depending on the external environment such as atmospheric temperature, atmospheric pressure, sea water temperature, and internal environment such as equipment deterioration, operation mode, and maintenance cycle. Additional data learning is required for this, and there is a problem in that it is not possible to learn and use data after the cause analysis in the event of a facility failure.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 정상운전 학습데이터와 고장유형별 학습데이터를 라벨링하고, 데이터 라벨링을 통하여 데이터의 학습과 고장유형의 분류에 필요한 데이터를 확보하는 산업설비 진단을 위한 인공지능 기반의 산업설비 고장예측 진단을 위한 데이터 학습 라벨링 시스템 및 그 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention labels normal operation learning data and learning data for each failure type, and through data labeling, artificial intelligence-based industry for diagnosing industrial equipment to secure data necessary for data learning and classification of failure types Provided are a data learning labeling system and method for predictive diagnosis of equipment failure.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명의 실시예에 따른 인공지능 기반의 산업설비 고장예측 진단을 위한 데이터 학습 라벨링 시스템은, 정상운전 기간과 산업설비의 설정된 출력을 기준으로 학습데이터의 학습범위를 선정하고, 데이터 필터링을 위한 참조신호를 이용하여 학습범위에서 산업설비의 불필요한 데이터를 필터링하며, 필터링된 데이터의 시계열적 특징을 기반으로 학습모델 생성을 위한 정상운전 학습데이터를 라벨링하는 정상운전 데이터 라벨링 모듈(110) 및 고장유형과 원인을 설정하고, 고장유형별 원인에 대한 특징을 기반으로 학습모델 생성을 위한 고장유형별 학습데이터를 라벨링하는 고장유형별 데이터 라벨링 모듈(120)를 포함하여, 데이터 라벨링을 통하여 데이터의 학습과 고장유형의 분류에 필요한 데이터를 확보하는 것을 특징으로 한다.The data learning labeling system for predicting and diagnosing the failure of industrial equipment based on artificial intelligence according to an embodiment of the present invention for the above-mentioned problem to be solved, the learning range of the learning data based on the normal operation period and the set output of the industrial equipment Normal operation data labeling that selects, filters unnecessary data of industrial equipment in the learning range using reference signals for data filtering, and labels normal operation learning data for creating a learning model based on the time-series characteristics of the filtered data Including the
상기 정상운전 데이터 라벨링 모듈은 정상운전 데이터에 대한 추가 학습 시 추가 학습을 위한 데이터와 학습모델 간의 데이터 유사성을 판별하고, 유사성 판별 시 설정된 유사도 이상의 추가데이터만 라벨링하며, 상기 고장유형별 데이터 라벨링 모듈은 산업설비의 이상징후 또는 고장 발생할 때 기존에 학습된 모델과 추가 데이터의 유사성을 판별하고, 유사성 판별 시 설정된 유사도 이상의 실시간데이터를 고장유형별로 구분하여 라벨링을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.The normal operation data labeling module determines the data similarity between the data for additional learning and the learning model during additional learning of the normal operation data, and labels only additional data above the set similarity level when determining the similarity, and the failure type data labeling module is an industry It can be characterized by determining the similarity between the previously learned model and additional data when an abnormal symptom or failure of the facility occurs, and performing labeling by classifying real-time data above the set similarity level at the time of similarity determination by failure type.
상기 정상운전 데이터 라벨링 모듈은 1D-CNN 알고리즘을 이용하여 정상운전 학습데이터의 시계열적 특징을 추출하고, 상기 고장유형별 데이터 라벨링 모듈은 1D-CNN 알고리즘과 2D-CNN 알고리즘을 이용하여 고장유형별 학습데이터의 시계열적 특징과 이미지 특징을 추출하는 것을 특징으로 할 수 있다.The normal operation data labeling module extracts time-series features of the normal operation learning data using a 1D-CNN algorithm, and the data labeling module for each failure type uses a 1D-CNN algorithm and a 2D-CNN algorithm of learning data for each failure type. It may be characterized by extracting time-series features and image features.
본 발명의 실시예에 따른 데이터 라벨링 모듈(100), 데이터 학습 모듈(200), 이상감지 모듈(300) 및 고장유형 분류 모듈(400)을 포함하는 인공지능 기반의 산업설비 고장예측 진단을 위한 데이터 학습 라벨링 시스템의 동작방법은, 상기 데이터 라벨링 모듈이 산업설비의 고장예측을 진단하기 위한 학습데이터를 전처리, 분류 및 라벨링하는 단계; 상기 데이터 학습 모듈이 라벨링된 학습데이터를 학습하여 학습모델을 생성하는 단계; 상기 이상감지 모듈이 산업설비의 실시간데이터를 정상운전 구간의 학습데이터 기반의 학습모델에 입력하고, 실시간데이터와 정상운전 구간의 학습데이터를 비교하는 지도학습을 기반으로 산업설비의 이상징후를 감지하며, 입력값인 실시간데이터의 규칙성을 학습하는 비지도학습을 기반으로 산업설비의 이상징후를 조기에 감지하는 단계 및 상기 고장유형 분류 모듈이 이상징후가 감지되면 이상징후 감지시점 이전의 과거데이터를 학습하고, 이상징후 감지시점 이후의 설정된 미래시간 동안 산업설비 동작을 예측하기 위한 미래데이터를 생성하며, 미래데이터와 고장유형별 학습데이터를 비교하여 고장유형을 분류하는 단계를 포함하여, 데이터 라벨링을 통하여 데이터의 학습과 고장유형의 분류에 필요한 데이터를 확보하는 것을 특징으로 한다.Data for artificial intelligence-based industrial equipment failure prediction diagnosis including a
본 발명의 실시예에 따른 인공지능 기반의 산업설비 고장예측 진단을 위한 데이터 학습 라벨링 시스템의 동작방법은, 상기 고장유형별 학습데이터와 미일치하는 신규데이터의 유형이 발생하면 신규데이터의 유형을 정의하고, 신규데이터에 대한 라벨링과 학습을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.The operation method of the data learning labeling system for predicting and diagnosing the failure of an artificial intelligence-based industrial facility according to an embodiment of the present invention defines the type of new data when a type of new data that does not match the learning data for each failure type occurs, and , it may be characterized by performing labeling and learning on new data.
본 발명은 설비의 이상징후 및 고장원인 진단을 위한 데이터 학습모델을 관리 시 학습데이터를 전처리-분류-라벨링-학습으로 구분된 일련의 과정을 자동으로 수행함으로써, 사용자의 학습데이터 관리에 대한 편의성을 제공할 수 있고, 이상징후 감지를 위한 정상운전 학습데이터와 설비고장 원인분석을 위한 고장유형별 학습데이터를 확보할 수 있으며, 설비고장원인 분석을 효율적으로 수행할 수 있다.The present invention automatically performs a series of processes divided into pre-processing-classification-labeling-learning of learning data when managing a data learning model for diagnosing abnormal signs and failure causes of equipment, thereby improving user convenience in managing learning data. Normal operation learning data for detecting abnormal symptoms and learning data for each failure type for equipment failure cause analysis can be obtained, and equipment failure cause analysis can be performed efficiently.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산업설비 진단을 위한 인공지능 기반의 산업설비 고장예측 진단을 위한 데이터 학습 라벨링 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 데이터 라벨링 모듈을 상세하게 도시한 블록도이다.
도 3은 데이터의 학습범위를 자동으로 선정하는 과정을 도시한 예이다.
도 4는 이상치 데이터를 필터링하는 과정을 도시한 예이다.
도 5는 1D-CNN 알고리즘의 동작방법을 도시한 예이다.
도 6은 정상운전 데이터를 라벨링하는 예를 도시한 것이다.
도 7은 2D-CNN 알고리즘의 동작방법을 도시한 예이다.
도 8은 STFT 변환 방법을 도시한 예이다.
도 9는 고장유형별 데이터를 라벨링하는 예를 도시한 것이다.
도 10은 도 1의 데이터 학습 모듈을 상세하게 도시한 블록도이다.
도 11은 도 1의 이상감지 모듈을 상세하게 도시한 블록도이다.
도 12는 도 1의 고장유형 분류 모듈을 상세하게 도시한 블록도이다.
도 13은 온도에 관한 고장유형을 분류하는 예를 도시한 것이다.
도 14는 도 1의 고장유형 분류 모듈을 상세하게 도시한 블록도이다.
도 15는 차트분석 화면을 도시한 예이다.1 is a block diagram illustrating a data learning labeling system for predictive diagnosis of industrial equipment failure based on artificial intelligence for industrial equipment diagnosis according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating the data labeling module of FIG. 1 in detail.
3 is an example illustrating a process of automatically selecting a learning range of data.
4 is an example illustrating a process of filtering outlier data.
5 is an example illustrating an operation method of the 1D-CNN algorithm.
6 illustrates an example of labeling normal operation data.
7 is an example illustrating an operation method of the 2D-CNN algorithm.
8 is an example illustrating an STFT transformation method.
9 shows an example of labeling data for each failure type.
10 is a block diagram illustrating the data learning module of FIG. 1 in detail.
11 is a block diagram illustrating the anomaly detection module of FIG. 1 in detail.
12 is a block diagram illustrating in detail the failure type classification module of FIG. 1 .
13 is a diagram illustrating an example of classifying failure types with respect to temperature.
14 is a block diagram illustrating in detail the failure type classification module of FIG. 1 .
15 is an example illustrating a chart analysis screen.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공지능 기반의 산업설비 고장예측 진단을 위한 데이터 학습 라벨링 시스템을 도시한 블록도로서, 데이터 학습 라벨링 시스템(10)은 산업설비에서 측정된 데이터를 라벨링하여 학습데이터를 생성하고, 학습데이터를 학습하여 학습모델을 구축한다.1 is a block diagram illustrating a data learning labeling system for an artificial intelligence-based industrial facility failure prediction diagnosis according to an embodiment of the present invention. The data
산업설비의 데이터는 산업설비의 온도, 압력, 유량, 진동, 음향 및 전류 등 내부환경과 관련된 측정요소를 포함할 수 있고, 외부환경과 관련된 측정요소를 포함할 수 있으며, 산업설비의 운용조건에 관한 데이터를 포함할 수 있다. 데이터 라벨링은 입력값 간 비교 또는 입력값과 학습모델 간 비교를 통하여 유사한 데이터의 패턴을 라벨처럼 표시한다는 의미이다.Industrial equipment data may include measurement elements related to the internal environment such as temperature, pressure, flow rate, vibration, sound and current of industrial equipment, and may include measurement elements related to the external environment, depending on the operating conditions of industrial equipment. data may be included. Data labeling means displaying similar data patterns as labels through comparison between input values or between input values and a learning model.
데이터 학습 라벨링 시스템(10)은 산업설비에 관하여 실시간으로 측정된 실시간데이터와 학습모델을 이용하여 인공지능(artificial intelligence)적으로 산업설비의 이상징후를 감지하고, 이상징후 감지 시 어떠한 고장유형으로 이루어지는 판별하며, 판별된 고장으로 진행될 때 산업설비의 미래의 상태를 예측할 수 있다. 인공지능은 인간의 생각이나 학습능력을 컴퓨터 프로그램으로 실현한 것으로서, 흔히 AI라고 불린다. 실시간데이터는 산업설비에 관하여 실시간으로 측정된 데이터이다.The data
인공지능 기술은 딥러닝(deep learning)과 기계학습(machine learning) 기술을 포함할 수 있다. 딥러닝이란 여러 층을 가진 인공신경망(ANN: Artificial Neural Network)을 사용하여 머신러닝 학습을 수행하는 것으로 심층학습이라고도 부르며, 여러 비선형 변환기법의 조합을 통해 다량의 데이터 속에서 핵심적인 내용을 추출할 수 있는 학습 알고리즘이라고 할 수 있다.Artificial intelligence technology may include deep learning and machine learning technology. Deep learning is to perform machine learning learning using an artificial neural network (ANN) with multiple layers, also called deep learning. It can be called a learning algorithm that can.
기계학습은 지도학습(supervised learning)과 비지도학습(unsupervised learning)으로 구분된다. 지도학습은 학습데이터를 참조하여 입력값에 대응하는 출력값을 찾는 방식이고, 비지도학습은 입력값들만 있는 훈련데이터를 이용하여 입력값들의 규칙성을 찾아 내고, 찾아낸 결과를 출력한다.Machine learning is divided into supervised learning and unsupervised learning. Supervised learning is a method of finding output values corresponding to input values with reference to learning data, and unsupervised learning uses training data with only input values to find regularity of input values and outputs the found results.
데이터 학습 라벨링 시스템(10)은 데이터 라벨링 모듈(100), 데이터 학습 모듈(200), 이상감지 모듈(300), 고장유형 분류 모듈(400) 및 데이터 시각화 모듈(500)을 포함할 수 있다.The data
본 발명은 다양한 산업설비에 적용하여 활용할 수 있고, 산업설비 중 연소기와 압축기를 예를 들어 설명하기로 한다.The present invention can be applied and utilized in various industrial facilities, and a combustor and a compressor among industrial facilities will be described as an example.
도 2는 도 1의 데이터 라벨링 모듈을 상세하게 도시한 블록도로서, 데이터 라벨링 모듈(100)은 정상운전 데이터 라벨링 모듈(110) 및 고장유형별 데이터 라벨링 모듈(120)을 포함한다.FIG. 2 is a block diagram illustrating the data labeling module of FIG. 1 in detail. The
정상운전 데이터 라벨링 모듈(110)은 정상운전 기간과 산업설비의 설정된 출력을 기준으로 학습데이터의 학습범위를 선정하고, 데이터 필터링을 위한 참조신호를 이용하여 학습범위에서 산업설비의 불필요한 데이터를 필터링하며, 필터링된 데이터의 시계열적 특징을 기반으로 학습모델 생성을 위한 정상운전 학습데이터를 라벨링한다.The normal operation
도 3은 데이터의 학습범위를 자동으로 선정하는 과정을 도시한 예로서, 정상운전 데이터 라벨링 모듈(110)은 정상운전 기간을 조건으로 설정할 수 있고, 설정된 조건으로 데이터를 자동적으로 필터링할 수 있으며, 산업설비의 설정된 출력을 기준으로 학습데이터의 학습범위를 선정할 수 있다.3 is an example showing the process of automatically selecting the learning range of data, the normal operation
도 4는 이상치 데이터를 필터링하는 과정을 도시한 예로서, 정상운전 데이터 라벨링 모듈(110)은 데이터 필터링을 위한 참조신호 또는 레퍼런스 신호를 이용하여 학습범위에서 산업설비의 불필요한 데이터를 필터링한다. 참조신호는 산업설비의 불필요한 데이터와 관련된 신호이고, 산업설비의 불필요한 데이터는 예를 들어 산업설비의 정지 구간, O/H 구간 또는 시험 구간에 관한 데이터이다. 참조신호는 디지털 신호 또는 전류신호일 수 있다.4 is an example illustrating a process of filtering outlier data. The normal operation
정상운전 데이터 라벨링 모듈(110)은 학습범위가 선정된 학습데이터에 참조신호를 맵핑하고, 참조신호와 매칭되는 이상치 데이터에 대하여 필터링할 수 있다.The normal operation
도 5는 1D-CNN 알고리즘의 동작방법을 도시한 예로서, 정상운전 데이터 라벨링 모듈(110)은 필터링된 데이터의 시계열적 특징을 기반으로 학습모델 생성을 위한 정상운전 학습데이터를 라벨링한다. 정상운전 데이터 라벨링 모듈(110)은 라벨링하는 과정에서 1D-CNN 알고리즘을 활용할 수 있다. 정상운전 데이터 라벨링 모듈(110)은 1D-CNN 알고리즘을 통해 데이터의 시계열적 특징을 추출할 수 있다.5 is an example showing an operation method of the 1D-CNN algorithm. The normal driving
원본 데이터를 2차원으로 놓고 필터(또는 feature detector)라는 사각형 윈도우를 씌운 다음에 움직이면서 새로운 값을 만들어 낸다. 이때 움직이는 과정을 convolution이라고 하고, 필터가 움직이는 방향이 한 방향이면 1D-CNN이고 두 방향이면 2D-CNN이다.The original data is placed in two dimensions, a rectangular window called a filter (or feature detector) is covered, and then a new value is created by moving it. At this time, the moving process is called convolution, and if the filter moves in one direction, it is 1D-CNN, and if it moves in two directions, it is 2D-CNN.
도 6은 정상운전 데이터를 라벨링하는 예를 도시한 것으로서, 정상운전 데이터 라벨링 모듈(110)은 설비의 측정 데이터의 경우 대기온도, 대기압력, 해수온도 등 외부환경과 설비열화, 운전모드, 정비주기 등 내부환경에 따라 정상운전 범위가 수시로 변경되기 때문에, 초기에 구성된 데이터학습 모델에 대해서 추가적인 데이터 학습이 필요한 상황이 발생할 수 있으므로, 정상운전 데이터의 추가가 필요하면 추가데이터와 학습모델 간의 데이터 유사성을 판별하고, 유사성 판별 시 설정된 유사도 이상의 추가데이터만 라벨링할 수 있다. 유사도는 사용자의 입력에 의해 설정될 수 있고, 추가데이터와 학습모델의 학습데이터 간 어느 정도 유사한 것인지 %단위로 설정된 값이다.6 shows an example of labeling the normal operation data, the normal operation
레벨링이 이루어진 정상운전 학습데이터는 정상운전 구간 데이터를 학습하여 비정상 운전발생 시 설비의 고장예후 즉, 이상징후를 탐지하기 위함이며, 설비의 고장을 사전에 예방하는 조기경보 시스템, 혹은 예측경보 시스템에 정상운전 데이터를 학습하기 위하여 활용된다.Normal operation learning data with leveling is to learn the normal operation section data to detect the failure prognosis, that is, abnormal signs of equipment when abnormal operation occurs. It is used to learn normal operation data.
본 발명은 정상운전 기간, 산업설비의 기준 출력, 데이터 필터링, 특징에 관한 라벨링 및 유사도 등 복합적인 조건으로 데이터를 전처리, 분류 및 라벨링함으로써, 사용자의 학습데이터 관리에 대한 편의성을 제공할 수 있고, 이상징후 감지를 위한 정상운전 학습데이터를 확보할 수 있다.The present invention can provide convenience for the user's learning data management by pre-processing, classifying and labeling data under complex conditions such as normal operation period, standard output of industrial equipment, data filtering, and labeling and similarity related to characteristics, Normal driving learning data for detecting abnormal symptoms can be secured.
본 발명은 시계열적 특징을 기반으로 학습데이터를 라벨링하므로, 정상운전 기간, 산업설비의 기준 출력 및 데이터 필터링 순서로 진행되어야 한다.Since the present invention labels learning data based on time-series characteristics, it should proceed in the order of normal operation period, standard output of industrial equipment, and data filtering.
고장유형별 데이터 라벨링 모듈(120)은 고장유형과 원인을 설정하고, 고장유형별 원인에 대한 특징을 기반으로 학습모델 생성을 위한 고장유형별 학습데이터를 라벨링한다. 고장유형 원인은 축 정렬 불량, 오일 점도 불량 및 베어링 마모 등 전력설비별로 다양할 수 있다.The
라벨링이 이루어진 고장유형별 학습데이터는 설비의 이상징후 발생 시 고장의 원인이 되는 유형을 분석하기 위하여 활용하기 위함이며, 설비의 고장이 유형별로 확보된 경우 고장원인을 진단하기 위한 에측진단 시스템과 고장진단 시스템에서 활용된다.The labeling learning data for each failure type is used to analyze the types of failures when abnormal symptoms of equipment occur. used in the system.
도 7은 2D-CNN 알고리즘의 동작방법을 도시한 예로서, 고장유형별 학습데이터는 전력설비의 운전에 관한 운전데이터 및 진동/음향/전류데이터를 포함할 수 있다. 고장유형별 데이터 라벨링 모듈(120)은 운전데이터의 특징을 추출하기 위해 1D-CNN 알고리즘을 활용할 수 있고, 진동/음향/전류데이터의 특징을 추출하기 위해 2D-CNN 알고리즘을 활용할 수 있다.7 is an example showing an operation method of the 2D-CNN algorithm, and the learning data for each failure type may include operation data and vibration/sound/current data related to the operation of power facilities. The
도 8은 STFT 변환 방법을 도시한 예로서, 고장유형 데이터 학습 모듈(120)은 고장유형별 학습데이터에서 산업설비에 관한 진동, 음향 및 전류 신호를 SFTF 변환을 통해 이미지화하고, 2D-CNN 알고리즘을 이용하여 이미지데이터의 특징을 추출할 수 있다.8 is an example showing the STFT conversion method, and the failure type
STFT(Spectrogram)에서 x축은 시간 축(단위: frame)을 의미하고, y축은 주파수를 의미한다. STFT는 각 시간당 주파수가 가지는 값을 값의 크기에 따라 색으로 표현하여 3차원을 2차원으로 표현하는 시간의 흐름을 가지는 푸리에 변환이다. STFT는 노이즈 감소, 피치 감지 및 피치 이동 등의 효과의 음성 응용분야에서 많이 사용되고 있고, 본 발명에서는 2D-CNN 알고리즘을 이용한 특징 추출을 위해 사용된다.In STFT (Spectrogram), the x-axis means the time axis (unit: frame), and the y-axis means the frequency. STFT is a Fourier transform with the passage of time that expresses a three-dimensional two-dimensional value by expressing a value of a frequency per time with a color according to the size of the value. STFT is widely used in speech applications with effects such as noise reduction, pitch detection, and pitch shift, and in the present invention, it is used for feature extraction using a 2D-CNN algorithm.
도 9는 고장유형별 데이터를 라벨링하는 예를 도시한 것으로서, 고장유형별 데이터 라벨링 모듈(120)은 모듈은 산업설비의 이상징후 또는 고장 발생할 때 실시간으로 생성된 실시간데이터와 학습모델 간의 데이터 유사성을 판별하고, 유사성 판별 시 설정된 유사도 이상의 실시간데이터를 고장유형별로 구분하여 라벨링을 수행할 수 있다.9 shows an example of labeling data for each failure type, the failure type
정상운전 데이터 라벨링 모듈(110)은 1D-CNN 알고리즘을 이용하여 정상운전 학습데이터의 시계열적 특징을 추출Normal driving
도 10은 도 1의 데이터 학습 모듈을 상세하게 도시한 블록도로서, 데이터 학습 모듈(200)은 이상징후 데이터 학습 모듈(210) 및 고장유형 데이터 학습 모듈(220)을 포함한다. 10 is a block diagram illustrating the data learning module of FIG. 1 in detail. The
이상징후 데이터 학습 모듈(210)은 정상운전 학습데이터의 시계열적 특징을 학습하여 이상징후 탐지를 위한 GRU(Gated Recurrent Unit)-VAE 학습모델을 생성할 수 있다. 고장유형 데이터 학습 모듈(220)은 고장유형별 학습데이터의 특징을 학습하여 고장유형 분류를 위한 1D-CNN 학습모델을 생성할 수 있다.The abnormal symptom
GRU-VAE 학습모델은 비지도학습 기반의 모델이고, 1D-CNN 학습모델은 지도학습 기반의 모델이다. GRU-VAE 학습모델은 이상징후를 조기에 감지하기 위해 비지도학습 기반의 모델로 이루어진 것이다. 1D-CNN 학습모델은 라벨링이 이루어진 학습데이터를 이용한 지도학습의 기반으로 고장유형을 분류할 수 있도록 구축된 모델이다.The GRU-VAE learning model is an unsupervised learning-based model, and the 1D-CNN learning model is a supervised learning-based model. The GRU-VAE learning model consists of an unsupervised learning-based model to detect abnormal symptoms early. The 1D-CNN learning model is a model built to classify failure types based on supervised learning using labeled learning data.
GRU-VAE 학습모델 또는 알고리즘을 적용하기 위해서는 오토 인코더(auto encoder)와 변형 오토 인코더(variational auto encoder) 기술이 필요하다. 오토 인코더는 단순히 입력을 출력으로 복사하는 신경망이다. 어떻게 보면 간단한 신경망처럼 보이지만 네트워크에 여러가지 방법으로 제약을 줌으로써 어려운 신경망으로 만든다. 예를 들어 아래 그림처럼 히든층(hidden layer)의 뉴런 수를 입력층(input layer)입력층 보다 작게 해서 데이터를 압축(차원을 축소)한다거나, 입력 데이터에 노이즈를 추가한 후 원본 입력을 복원할 수 있도록 네트워크를 학습시키는 등 다양한 오토인코더가 있다. 이러한 제약들은 오토인코더가 단순히 입력을 바로 출력으로 복사하지 못하도록 방지하며, 데이터를 효율적으로 표현(representation)하는 방법을 학습하도록 제어한다.To apply the GRU-VAE learning model or algorithm, auto-encoder and variational auto-encoder technologies are required. An autoencoder is simply a neural network that copies its input to its output. In some ways, it looks like a simple neural network, but it makes it a difficult neural network by constraining the network in various ways. For example, as shown in the figure below, data is compressed (dimension reduced) by making the number of neurons in the hidden layer smaller than that of the input layer, or the original input can be restored after adding noise to the input data. There are various autoencoders, such as training the network to do this. These constraints prevent the autoencoder from simply copying the input directly to the output, and control it to learn how to represent the data efficiently.
오토 인코더는 입력된 데이터를 인코더와 디코더를 통해 복원된 데이터와 원본 데이터의 차이(reconstruction error)를 기반으로 이상상태를 탐지할 수 있다. 오토 인코더는 Input 데이터 자체의 차원을 축소하고, 축소된 차원의 데이터를 다시 복원한다면, 변형 오토 인코더의 인코더는 데이터의 특징을 잠재변수(Latent Variable)을 통해 추측할 수 있도록 원본데이터의 평균과 표준편차를 추출하며, 이 분포는 정규분포를 따른다고 가정한다. 정규분포에서 임의의 값을 샘플링 하여 인코더의 결과 값인 평균과 표준편차와 계산하여 잠재변수를 생성하며, 이를 디코더를 통해 데이터를 복원하기 때문에 오토 인코더의 잠재변수의 분포에 비해 군집강도가 높아 원본 데이터를 생성하는데 더 유리할 수 있다. 잠재변수는 직접 측정될 수 없기 때문에 다른 변수를 통해서 간접적으로만 측정이 가능한 변수를 일컫는다.The auto-encoder can detect an abnormal state based on the difference (reconstruction error) between the original data and the data restored through the encoder and the decoder for the input data. If the auto-encoder reduces the dimension of the input data itself and restores the reduced dimensional data, the transform auto-encoder's encoder can infer the characteristics of the data through the latent variable, the average and standard of the original data. Deviation is extracted, and it is assumed that this distribution follows a normal distribution. A latent variable is created by sampling a random value from a normal distribution and calculating it with the mean and standard deviation of the encoder's result. Since the data is restored through the decoder, the cluster strength is higher than that of the autoencoder's latent variable distribution, so the original data It may be more advantageous to create A latent variable refers to a variable that can only be measured indirectly through other variables because it cannot be measured directly.
도 11은 도 1의 이상감지 모듈을 상세하게 도시한 블록도로서, 이상감지 모듈(300)은 산업설비의 실시간데이터를 정상운전 구간의 학습데이터 기반의 학습모델에 입력하고, 실시간데이터와 정상운전 구간의 학습데이터를 비교하는 지도학습을 기반으로 산업설비의 이상징후를 감지하며, 입력값인 실시간데이터의 규칙성을 학습하는 비지도학습을 기반으로 산업설비의 이상징후를 조기에 감지한다.11 is a block diagram illustrating the abnormality detection module of FIG. 1 in detail, wherein the
이상감지 모듈(300)은 지도학습과 비지도학습을 함께 활용함으로써, 산업설비의 이상징후를 조기에 감지할 수 있다.
이상감지 모듈(300)은 GRU-VAE 학습모델을 이용하여 실시간데이터의 시계열적 특성에 따른 추세를 반영한 기댓값을 생성할 수 있고, 실시간데이터와 실시간기댓값 간 잔차를 비교하여 산업설비의 이상징후를 조기에 감지할 수 있다. 실시간데이터와 실시간기댓값 간 잔차를 비교한 데이터를 산업설비의 미래 동작을 예측하기 위한 입력값으로 활용될 수 있다.The
도 12는 도 1의 고장유형 분류 모듈을 상세하게 도시한 블록도로서, 고장유형 분류 모듈(400)은 이상징후가 감지되면 이상징후 감지시점 이전의 과거데이터를 학습하고, 이상징후 감지시점 이후의 설정된 미래시간 동안 산업설비 동작을 예측하기 위한 미래데이터를 생성한다.12 is a block diagram illustrating the failure type classification module of FIG. 1 in detail. When an abnormal symptom is detected, the failure
고장유형 분류 모듈(400)은 LSTM(Long Short-Term Memory) 알고리즘을 활용하여 사전조치를 할 수 있는 미래시간(예를 들어 약 3~4시간)에 대한 미래데이터를 생성할 수 있다.The failure
본 발명은 시계열 데이터의 특성상 데이터의 추세를 반영한 기댓값을 생성할 수 있도록 RNN의 한계점이 개선된 LSTM 모델을 오토 인코더 또는 변형 오토 인코더 에 접목하여 모델을 구성할 수 있다. 또한 LSTM 모델의 셀 구조를 단순화 시킨 GRU 모델을 LSTM 모델 대신 활용할 수 있다. 따라서 시계열 데이터의 Input data를 축소(Encoding) 및 복원(Decoding)하는 과정에서의 Layer 층을 LSTM 또는 GRU층 적용하여 아래와 같은 모델을 구성할 수 있다.The present invention can construct a model by grafting an LSTM model with improved limitations of RNN to an auto-encoder or a modified auto-encoder to generate an expected value reflecting the trend of the data due to the characteristics of the time series data. In addition, the GRU model, which has simplified the cell structure of the LSTM model, can be used instead of the LSTM model. Therefore, the following model can be constructed by applying the LSTM or GRU layer to the layer layer in the process of reducing (encoding) and restoring (decoding) the input data of the time series data.
본 발명은 미래동작을 정확하게 예측하기 위해서 LSTM 모델을 사용할 수 있고, 이상징후를 빠르고 조기에 감지하기 위해서 LSTM 모델의 셀 구조를 단순화 시킨 GRU 모델을 사용할 수 있다.In the present invention, an LSTM model can be used to accurately predict future motion, and a GRU model with a simplified cell structure of the LSTM model can be used to quickly and early detect anomalies.
고장유형 분류 모듈(400)은 이상징후가 감지되면 이상징후 감지시점 이전의 과거데이터를 실시간데이터와 실시간기댓값 간 잔차를 비교한 데이터로 활용할 수 있다. 고장유형 분류 모듈(400)은 미래데이터와 고장유형별 학습데이터를 비교하여 고장유형을 분류한다.When an abnormal symptom is detected, the failure
도 13은 온도에 관한 고장유형을 분류하는 예를 도시한 것으로서, 고장유형 분류 모듈(500)은 미래데이터와 고장유형별로 학습된 데이터를 비교하여 도 14에 도시된 바와 같이 1D-CNN 등 알고리즘을 통한 고장유형 분석결과 및 가중치정보를 제공할 수 있다. 가중치정보는 복수의 측정요소에서 주 고장의 요인으로 가중되는 것을 정보의 형태로 나타낸 것이다.13 shows an example of classifying a failure type with respect to temperature, the failure
고장유형 분류 모듈(500)은 학습데이터와 미일치하는 신규데이터의 유형이 발생하면 신규데이터의 유형을 정의하고, 신규데이터에 대한 라벨링과 학습을 수행할 수 있다.The failure
본 발명은 산업설비의 환경변화에 따른 추가적인 데이터 학습 및 신규 고장유형의 데이터 학습을 함께 제공함으로써, 학습데이터의 신뢰도를 더욱 향상시킬 수 있고, 산업설비 진단의 정확성을 향상시킬 수 있다.The present invention can further improve the reliability of learning data and improve the accuracy of industrial equipment diagnosis by providing additional data learning according to environmental changes of industrial equipment and data learning of new failure types.
도 14는 도 1의 고장유형 분류 모듈을 상세하게 도시한 블록도로서, 데이터 시각화 모듈(500)은 연소기 및 압축기 등 산업설비의 이상감지 경보 이력과 고장유형 분류 이력에 대한 정보를 제공할 수 있고, 경보 데이터 누적 및 통계분석 기능, 데이터 분석 차트 및 시각화 기능을 함께 제공할 수 있다.14 is a block diagram showing the failure type classification module of FIG. 1 in detail, and the
도 15는 차트분석 화면을 도시한 예로서, 데이터 시각화 모듈(500)은 실시간 데이터, 실시간 기댓값, 미래데이터 등 산출된 데이터에 대한 조회를 위하여 다양한 분석도구를 제공할 수 있다.15 is an example of a chart analysis screen, and the
본 발명은 산업설비의 손실비용 절감(설비 결함 손실, 정지 손실, 과잉정비 등)을 통해 산업설비의 효율성을 향상시킬 수 있고, 부가가치를 창출할 수 있으며, 4차 산업혁명 선제대응을 통한 신사업 창출의 간접효과를 기대할 수 있다.The present invention can improve the efficiency of industrial facilities, create added value, and create new business through preemptive response to the 4th industrial revolution by reducing the loss cost of industrial facilities (facility defect loss, stop loss, excessive maintenance, etc.) indirect effects can be expected.
종래에는 정상운전 범위의 변경 시 학습데이터에 대한 불일치로 부정확한 경보가 발생할 수 있고, 외부환경에 따라 오경보 발생빈도가 증가하는 문제점이 있다. 그러나 본 발명은 정상운전 범위의 변경 및 외부환경 변화에 관한 데이터 라벨링을 제공함으로써, 종래의 문제점을 해결할 수 있다.In the related art, when the normal operation range is changed, an inaccurate alarm may be generated due to inconsistency with respect to the learning data, and there is a problem in that the frequency of occurrence of a false alarm increases depending on the external environment. However, the present invention can solve the conventional problems by providing data labeling regarding changes in the normal operation range and changes in the external environment.
종래에는 설비고장 발생 시 해당 고장발생 구간의 데이터를 활용하지 못하였으나, 본 발명은 고장데이터에 대한 지도학습을 위한 고장유형 분류의 라벨러를 제공하여 종래의 문제점을 해결할 수 있다.Conventionally, when equipment failure occurs, data of the corresponding failure occurrence section cannot be utilized, but the present invention can solve the conventional problems by providing a labeler of failure type classification for supervised learning of failure data.
10: 데이터 학습 라벨링 시스템 100: 데이터 라벨링 모듈
110: 정상운전 데이터 라벨링 모듈 120: 고장유형별 데이터 라벨링 모듈
200: 데이터 학습 모듈 210: 이상징후 데이터 학습 모듈
220: 고장유형 데이터 학습 모듈 300: 이상감지 모듈
400: 고장유형 분류 모듈 500: 데이터 시각화 모듈10: data learning labeling system 100: data labeling module
110: normal operation data labeling module 120: data labeling module for each failure type
200: data learning module 210: abnormal symptom data learning module
220: failure type data learning module 300: anomaly detection module
400: failure mode classification module 500: data visualization module
Claims (5)
고장유형과 원인을 설정하고, 고장유형별 원인에 대한 특징을 기반으로 학습모델 생성을 위한 고장유형별 학습데이터를 라벨링하는 고장유형별 데이터 라벨링 모듈(120)를 포함하여,
데이터 라벨링을 통하여 데이터의 학습과 고장유형의 분류에 필요한 데이터를 확보하는 것을 특징으로 하고,
상기 정상운전 데이터 라벨링 모듈은 정상운전 데이터에 대한 추가 학습 시 추가 학습을 위한 데이터와 학습모델 간의 데이터 유사성을 판별하고, 유사성 판별 시 설정된 유사도 이상의 추가데이터만 라벨링하며,
상기 고장유형별 데이터 라벨링 모듈은 산업설비의 이상징후 또는 고장 발생할 때 기존에 학습된 모델과 추가 데이터의 유사성을 판별하고, 유사성 판별 시 설정된 유사도 이상의 실시간데이터를 고장유형별로 구분하여 라벨링을 수행하는 것을 특징으로 하고,
상기 정상운전 데이터 라벨링 모듈은 1D-CNN 알고리즘을 이용하여 정상운전 학습데이터의 시계열적 특징을 추출하고,
상기 고장유형별 데이터 라벨링 모듈은 1D-CNN 알고리즘과 2D-CNN 알고리즘을 이용하여 고장유형별 학습데이터의 시계열적 특징과 이미지 특징을 추출하는 것을 특징으로 하는 인공지능 기반의 산업설비 고장예측 진단을 위한 데이터 학습 라벨링 시스템.Select the learning range of the learning data based on the normal operation period and the set output of the industrial equipment, filter unnecessary data of the industrial equipment in the learning range using the reference signal for data filtering, and check the time series characteristics of the filtered data Normal driving data labeling module 110 for labeling normal driving learning data for creating a learning model based on
Including a data labeling module 120 for each failure type that sets the failure type and cause, and labels the learning data for each failure type for creating a learning model based on the characteristics of the cause for each failure type,
It is characterized by securing the data necessary for data learning and classification of failure types through data labeling,
The normal driving data labeling module determines the data similarity between the data for additional learning and the learning model when additional learning about the normal driving data, and labels only additional data above the set similarity when determining the similarity,
The data labeling module for each failure type determines the similarity between the previously learned model and additional data when an abnormal symptom or failure of industrial equipment occurs, and performs labeling by classifying real-time data above the set similarity level when determining similarity by failure type. with
The normal driving data labeling module extracts time-series features of normal driving learning data using 1D-CNN algorithm,
The data labeling module for each failure type uses a 1D-CNN algorithm and a 2D-CNN algorithm to extract time-series features and image features of learning data for each failure type. labeling system.
상기 데이터 라벨링 모듈이 산업설비의 고장예측을 진단하기 위한 학습데이터를 전처리, 분류 및 라벨링하는 단계;
상기 데이터 학습 모듈이 라벨링된 학습데이터를 학습하여 학습모델을 생성하는 단계;
상기 이상감지 모듈이 산업설비의 실시간데이터를 정상운전 구간의 학습데이터 기반의 학습모델에 입력하고, 실시간데이터와 정상운전 구간의 학습데이터를 비교하는 지도학습을 기반으로 산업설비의 이상징후를 감지하며, 입력값인 실시간데이터의 규칙성을 학습하는 비지도학습을 기반으로 산업설비의 이상징후를 조기에 감지하는 단계 및
상기 고장유형 분류 모듈이 이상징후가 감지되면 이상징후 감지시점 이전의 과거데이터를 학습하고, 이상징후 감지시점 이후의 설정된 미래시간 동안 산업설비 동작을 예측하기 위한 미래데이터를 생성하며, 미래데이터와 고장유형별 학습데이터를 비교하여 고장유형을 분류하는 단계를 포함하여,
데이터 라벨링을 통하여 데이터의 학습과 고장유형의 분류에 필요한 데이터를 확보하는 것을 특징으로 하는 인공지능 기반의 산업설비 고장예측 진단을 위한 데이터 학습 라벨링 시스템의 동작방법.Data labeling module 100, data learning module 200, anomaly detection module 300, and an operation method of a data learning labeling system for an artificial intelligence-based industrial equipment failure prediction diagnosis including a failure type classification module 400 in
Pre-processing, classifying, and labeling, by the data labeling module, learning data for diagnosing failure prediction of industrial equipment;
generating, by the data learning module, a learning model by learning the labeled learning data;
The abnormality detection module inputs real-time data of industrial equipment into a learning model based on learning data in the normal operation section, and detects abnormal signs of industrial equipment based on supervised learning that compares real-time data with learning data in the normal operation section, , early detection of abnormal signs of industrial facilities based on unsupervised learning that learns the regularity of real-time data as input; and
When the failure type classification module detects an abnormal symptom, it learns the past data before the abnormal symptom detection time, and generates future data for predicting the operation of industrial facilities for a set future time after the abnormal symptom detection time, future data and failure Including the step of classifying failure types by comparing the learning data by type,
An operation method of a data learning labeling system for predicting and diagnosing failures in industrial facilities based on artificial intelligence, characterized in that data required for data learning and classification of failure types is secured through data labeling.
상기 고장유형별 학습데이터와 미일치하는 신규데이터의 유형이 발생하면 신규데이터의 유형을 정의하고, 신규데이터에 대한 라벨링과 학습을 수행하는 것을 특징으로 하는 산업설비 진단을 위한 인공지능 기반의 산업설비 고장예측 진단을 위한 데이터 학습 라벨링 시스템의 동작방법.5. The method of claim 4,
Artificial intelligence-based industrial equipment failure for industrial equipment diagnosis, characterized in that when a new data type that does not match the learning data for each failure type occurs, the new data type is defined, and labeling and learning are performed on the new data Operation method of data learning labeling system for predictive diagnosis.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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