JP2002372440A - 状態判定法並びに状態判定装置及び状態判定機能を備えた信号収録装置 - Google Patents

状態判定法並びに状態判定装置及び状態判定機能を備えた信号収録装置

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JP2002372440A
JP2002372440A JP2001180702A JP2001180702A JP2002372440A JP 2002372440 A JP2002372440 A JP 2002372440A JP 2001180702 A JP2001180702 A JP 2001180702A JP 2001180702 A JP2001180702 A JP 2001180702A JP 2002372440 A JP2002372440 A JP 2002372440A
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Ho Jinyama
鵬 陳山
Toshio Toyoda
利夫 豊田
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KYUSHU KYOHAN KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 状態監視のために、対象物の状態変化を適切
に判定し、また、収録メディアの浪費がなく、しかも状
態変化を反映する特徴パラメータと生信号を適時に収録
できる、状態判定法並びに状態判定装置及び状態判定機
能を備えた信号収録装置の提供。 【解決手段】 センサーで測定した信号に対して、まず
高、中、低周波数領域の特徴パラメータを計算し、特徴
パラメータの値により状態の判定を行い、状態変化の程
度により特徴パラメータのみを収録するか、特徴パラメ
ータと必要な時間長の生信号を同時にを収録するかを決
定する。また、必要に応じて、状態を表示し、危険状態
時の警報を発する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、設備診断
や医療診断や地震監視などにおいて、対象物の状態を監
視するために信号を長期間収録する場合、異常や状態変
化がないと判定したとき、その状態を反映した特徴パラ
メータのみを収録し、異常や状態変化が発生したと判定
したとき、その異常や状態変化を示す特徴パラメータと
生信号を同時に記録し、状態変化の傾向管理や原因分析
及び原因究明に適用して好適な、状態判定法並びに状態
判定装置及び状態判定機能を備えた信号収録装置に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】対象物の状態を監視するために信号を収
録する場合、従来は、生信号をそのまま連続に収録、あ
るいは時間間隔を前もって設定して収録、あるいは信号
のピーク値や入力レベルをトリガとして、信号を収録す
るか否かを決定する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】状態監視のために信号
を収録する場合、できる限り測定対象の状態変化を反映
した信号を収録したいのが一般的である。例えば、設備
状態の信号を収録する場合、特に時系列の生信号の長期
収録は大容量の収録メディアが必要なので、現在の記録
メディアの技術では長期収録は困難である。設備が正常
状態であれば、または状態変化がなければ、その状態の
信号は一回収録し、状態の傾向を反映する特徴パラメー
タのみを記録すればよく、信号の収録できる時間も短縮
されるが、同状態の生信号を必要以上に収録すれば、収
録メディアの浪費になる。
【0004】また、状態が変化した場合、状態変化の表
示(知らせ)が必要であり、また、その原因分析や原因
究明を行うために、状態変化時の信号を見逃さなく記録
する必要がある。
【0005】このように、収録メディアの浪費がなく、
しかも状態変化を反映する特徴パラメータと生信号を適
時に収録できる信号収録装置の開発は困難である。
【0006】対象物の生信号をそのまま収録する場合、
長期間の収録が困難だけでなく、状態変化を捕らえるの
も困難である。
【0007】時間間隔を前もって設定して収録する場
合、信号を収録している間に状態変化が発生していると
は限らず、また、収録していない間に状態変化が発生す
る可能性もある。つまり、収録したい信号の収録が保証
できなく、無駄な信号収録が避けられない。
【0008】ピーク値や信号レベルが前もって設定した
閾値を越えたとき、信号を収録する場合、その閾値の決
定が困難である。つまり、信号のピーク値や信号のレベ
ルは必ずしも状態変化を反映するとは限らない。
【0009】そこで、本発明は、状態監視のために信号
を長期間収録する場合、信号収録メディアの浪費が少な
く、しかも状態変化を示す特徴パラメータと生信号を適
時に収録することができる状態判定法並びに状態判定装
置及び状態判定機能を備えた信号収録装置を提供するも
のである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明では、上記に述べ
たような問題点を解決するために、センサーで測定した
信号に対して、まず高、中、低周波数領域の特徴パラメ
ータを計算し、特徴パラメータの値により状態の判別を
行い、状態変化の程度により特徴パラメータのみを収録
するか、特徴パラメータと必要な時間長の生信号を同時
に収録するかを決定する。特徴パラメータのみを収録す
る場合は、連続な生信号の収録より必要な収録メディア
の容量が遙かに少なく、長期間の状態監視ができる。ま
た、必要に応じて、状態を表示し、危険状態時の警報を
発する。
【0011】
【発明の実施の形態】1.時間領域の特徴パラメータに
ついて詳述する。
【0012】信号の収録装置に使いうる時系列の特徴パ
ラメータは次の通りである。
【0013】1)無次元特徴パラメータ 測定した時系列信号から、ローパスフィルタ、バンドパ
スフィルタ及びハイパスフィルタを用いて、低、中、高
周波数領域の信号を抽出する。抽出した信号x(t)を
次式で正規化する。
【0014】
【数1】 ここで、x'はA/D変換後のx(t)の離散値であり、
xとSはそれぞれx'の平均値と標準偏差である。
【0015】従来用いられる特徴パラメータを式(1)
〜(10)に示す(Peng CHEN, Toshio TOYOTA, Yueton
LIN, Feiyue WANG : FAILURE DIAGNOSIS OF MACHINERY
BYSELF-REORGANIZATION OF SYMPTOM PARAMETERS IN TI
ME DOMAIN USING GENETIC ALGORITHMS, International
Journal of Intelligent Control and System, Vol.3,
No.4, pp.571-585, 1999.参照)。
【0016】
【数2】
【数3】
【数4】
【数5】
【数6】
【数7】
【数8】
【数9】
【数10】
【数11】
【数12】 式(1)〜(10)は従来の特徴パラメータであるが、
数値計算で容易に高速計算するために、「区間特徴パラ
メータ」は式(11)〜(14)のように新たに提案す
る。
【0017】
【数13】
【数14】
【数15】
【数16】 2)有次元特徴パラメータ 有次元特徴パラメータを計算するとき、測定した信号に
対して、式(0)のように正規化しない。
【0018】
【数17】
【数18】
【数19】
【数20】 なお、上記の特徴パラメータ以外にも多くの特徴パラメ
ータが定義できるが、本方法を応用するとき、まず上記
の特徴パラメータで試し、もし状態識別の効果が良くな
ければ、更に他の特徴パラメータを追加定義すればよ
い。
【0019】上記の各特徴パラメータは時間領域のもの
であるが、他の領域(周波数領域、時間−周波数領域
等)の特徴パラメータも使い得る(例えば、陳山鵬,豊
田利夫:遺伝的プログラミングによる周波数領域の特徴
パラメータの自己再組織化,日本機械論文集(C編),
Vol.65 No.633, pp.1946-1953,1998参照)。また、中・
高周は領域の信号は包絡線処理を行った後、特徴パラメ
ータを計算し、状態判定を行い、包絡線の波形を記録す
ることもできる。
【0020】2.統計検定理論及び可能性理論により状
態変化を判別する方法 ここで、統計検定理論及び可能性理論により状態変化の
程度を判別する方法を述べる。
【0021】(1)統計検定による判別 1)特徴パラメータの平均値の検定 状態kと状態yで求めた特徴パラメータpiの値をそれぞ
れpikとpiyとする。ここで、i=1〜M(Mは使用する
特徴パラメータの総数)を表す。pikとpiyとの平均値を
それぞれpikとpiy、pikとpiyとの標準偏差をそれぞれSi
kとSiyとすると、平均値と標準偏差は次の式で計算す
る。
【0022】
【数21】
【数22】 pikとpiyが等しいか否かの検定は次のように行う(K.
A. Brownlee. Statistical Theory and Methodology in
Science and Engineering, Second Edition, The Univ
ersity Chicago, 1965参照)。
【0023】
【数23】 が成立すれば、有意水準αで「 pikとpiyが等しくな
い」と判定する。
【0024】ここで、tα/2(J-1)は自由度J-1のt分布の
確率密度関数が下側確率α/2に対するパーセント点であ
る。
【0025】2)特徴パラメータの分散の検定 SikとSiyが同じか否かの検定は次のように行う(K. A.
Brownlee. Statistical Theory and Methodology in Sc
ience and Engineering, Second Edition, TheUniversi
ty Chicago, 1965参照)。
【0026】
【数24】 が成立すれば、有意水準αで「SikとSiyが等しくない」
と判定する。
【0027】ここで、Fα/2(J-1,J-1)は自由度J-1のF
分布の確率密度関数が下側確率α/2に対するパーセント
点である。
【0028】有意水準αを変えたとき、式(21)また
は式(22)を満足するか否かを確認することにより、
状態yが状態kに対する状態変化の程度を決める。状態
変化の程度を有意水準αにより決定する例を表1に示
す。
【0029】
【表1】 なお、設備診断の場合、状態kを正常状態とすれば、状
態yは正常状態か、注意状態か、危険状態かの判別につ
いては、表1のように「正常」(α1)、「注意」
(α2)、及び「危険」(α3)のように設定し検定する
ことができる。
【0030】(2)可能性理論による判別 1)可能性分布関数の作成 状態kにおける実測信号で特徴パラメータpの値を算
出した後、pの確率密度関数f(p)から可能性
分布関数P(p)を式(23)で求める。
【0031】可能性理論(L. Davis: HANDBOOK OF GENE
TIC ALGORITHMS, Van Nostrand Reinhold, A Division
of Wadsworth, Inc(1990)参照)によれば、p
がどのような確率分布に従っても、その可能性分布関数
が求めらる。例えば、pが正規分布に従う場合、N段
の可能性分布関数p(p)は次のように求める。
【0032】
【数25】
【数26】 但し、上式中、pix=min{pi}+x×(max{pi}−min
{pi})/N、x=1〜N,Siはpiの標準偏差,pi
iの平均値である。
【0033】2)可能性の求め方 図1のように、状態kと状態yで求めた特徴パラメータ
piの可能性分布関数をP(pi)とP(pi)とし、状
態yで求めた特徴パラメータの値をp'iとすると、「状
態yが状態kと同じである」という可能性wは次のよう
に求められる。
【0034】a)p'iの平均値p'imeanとP(pi)と
のマッチングによるwの決定 b)P(pi)とP(pi)とのマッチングによるwの決
定 なお、P(pi)とP(pi)とのマッチングによるwを
求める式を次に示す。
【0035】
【数27】 3)状態変化の判別 状態kで求めた特徴パラメータpiの可能性分布関数pk
(pi)が得られた後、左右両側の「状態変化が中であ
る」の可能性分布関数(pc1(pi)とp
c2(pi))、および「状態変化が大きい」の可能性分
布関数(pd1(pi)とpd2(pi))は図2に示すよ
うに決定する。境界値の
【数28】 におけるi,jはユーザ入力により決定するが、標準値
としてi=3,j=6とする。
【0036】設備診断の場合、正常状態の可能性分布関
数をpk(pi)、注意状態の可能性分布関数をp
c1(pi)とpc2(pi)、危険状態の可能性分布関数
をpd1(pi)とpd2(pi)とする。実際の識別時に
得られた「正常」と「注意」と「危険」との可能性は図
3のように表示する。また、「危険」と判定した場合、
警報を出すことも可能である。
【0037】(3)複数の特徴パラメータを一個に統合
することによる状態判別法 数個の特徴パラメータを一つの特徴パラメータに統合し
て、状態を判別することもできる。統合する手法は、例
えば、遺伝的アルゴリズムによる状態の判別法(国際出
願:No.PCT/JP00/03006、出願番号:2000-618695)やニ
ューラルネットワークや主成分分析法(大津,栗田,関
田著:パターン認識,朝倉書店(1996)、甘利著:
神経回路網の数理,産業図書(1978)、K. Fukunag
a : Introduction to Statistical Pattern Recognitio
n, Academic Press(1972)、豊田利夫:最新設備
診断技術の実用化に関する研究報告書、社団法人日本プ
ラントメンテナンス協会、(1999))などがある。
【0038】(4)有次元特徴パラメータと無次元特徴
パラメータとの判定基準の統合による状態変化の判別 有次元特徴パラメータは信号波形の大きさを表す。無次
元特徴パラメータは信号波形の形状特徴を表す。例え
ば、設備診断の場合、正常状態でも回転数の変化や負荷
の変化に連れて有次元特徴パラメータが変動する。有次
元特徴パラメータと無次元パラメータを統合して状態変
化の判定がより有効である。
【0039】1 )有次元特徴パラメータの判定基準 回転機械設備の診断の場合、低、中、高周波数領域にお
いて、無次元特徴パラメータの判定基準は図4、5,6
に示す。
【0040】図中のkはディフォールトとして1を設定
するが、調整できるようにする。例えば、0.2を刻みに
して、感度を上げたいとき、kを0.2ずつ下げ、逆に、感
度を下げたいときkを0.2ずつ上げる。
【0041】なお、低周波数領域の測定信号は振動速
度、中・高領域の測定信号は加速度とする。また、図
4、5,6は回転機械設備の判定基準を示しているが、
他の測定対象の判定基準は図4、5,6のように前もっ
て設定しておく必要がある。
【0042】2 )無次元特徴パラメータの判定基準 設備診断の場合、無次元特徴パラメータの判定基準は表
1に示すような統計検定、または、図2に示すような可
能性分布関数によって決定される。
【0043】なお、表1の数字は、αがその値になった
とき、式(21)または式(22)が成り立つという意
味を表す。
【0044】3 )有次元特徴パラメータと無次元パラ
メータとの判定基準の統合 図7は有次元特徴パラメータと無次元パラメータとの判
定基準の統合を示す。この図について、次のように説明
する。
【0045】(a) 複数の無次元特徴パラメータで状態判
定を行う場合、「状態変化が大きい」と判定した特徴パ
ラメータの判定結果が優先である。たとえば、p1〜p3
設備診断を行う場合、低、中、高周波領域において次の
ような検定結果が得られたとする。
【0046】 p1による判定結果:「正常」、「注意」、「正常」 p2による判定結果:「注意」、「危険」、「正常」 p3による判定結果:「正常」、「正常」、「正常」 中周波数領域において、p2の判定結果が「危険」である
から、最終的に判定結果は「危険」とする。
【0047】(b)複数の有次元特徴パラメータで状態判
定を行う場合、最終の判定結果は上記の(a)と同様に決
定する。
【0048】(c)上記の(3)で述べた複数の特徴パラ
メータを一個に統合した場合、統合した一個の特徴パラ
メータによる判定基準はそれぞれの統合法によって決定
する。たとえば、主成分分析法による特徴パラメータを
統合した場合、χ2検定法による状態判別ができる。
(豊田利夫:最新設備診断技術の実用化に関する研究報
告書、社団法人日本プラントメンテナンス協会、(19
99)参照)。
【0049】(d)有次元特徴パラメータと無次元特徴パ
ラメータとの判定基準の統合による最終の判定結果は装
置のパネルにそのまま文字で表示できるが、図7に示す
状態の変化に応じてカラーランプ(ここで、「状態ラン
プ」とよぶ)で表示することも可能である。
【0050】4 )結果の表示 有・無次元特徴パラメータによる判定結果、および判定
基準の統合による判定結果(状態ランプ)の表示例は図
8に示す。
【0051】3.処理の流れ 本発明で提案した信号収録システムの処理流れは図9に
示す。また、図10に示すように、信号収録装置と外部
コンピュータを分離して信号収録システムを構成するこ
とができる。このように信号収録装置の計算処理の負担
を軽くすることにより信号収録装置をコンパクトに製作
することができ、現場で設置し易くなる。外部コンピュ
ータは信号収録装置とのデータ通信により測定条件の設
定、判定基準の作成、状態の傾向管理、精密診断及び原
因の分析などを行う。
【0052】なお、精密診断や原因分析のとき、遺伝的
アルゴリズムによる状態の判別法(国際出願:No.PCT/J
P00/03006、出願番号:2000-618695)やニューラルネッ
トワークや主成分分析法など(大津,栗田,関田著:パ
ターン認識,朝倉書店(1996)、甘利著:神経回路
網の数理,産業図書(1978)、K. Fukunaga : Intr
oduction to Statistical Pattern Recognition, Acade
mic Press(1972)、豊田利夫:最新設備診断技術
の実用化に関する研究報告書、社団法人日本プラントメ
ンテナンス協会、(1999))が用いられる。
【0053】
【実施例】図11はある回転機械の軸部に取り付けた速
度センサーで測定した時系列信号例を示す。この機械は
正常状態からアンバランス状態へ変化していく。状態識
別のために、例として式(1)〜(6)に示した無次元
特徴パラメータ(p1〜p6)、及び式(15)〜(17)
に示した有次元特徴パラメータ(pd1〜pd3)を用いる。
【0054】図12は無次元特徴パラメータ(p1〜p5)の
判定結果で、図13は無次元特徴パラメータ(p6)の判
定結果を示す。これらの判定結果により、p6は他の無次
元特徴パラメータより状態の判定が敏感であるから、図
13に示すようにp6の判定結果は無次元特徴パラメータ
による状態判定の結果とする。
【0055】図14は有次元特徴パラメータの判定結果
を示す。
【0056】有・無次元特徴パラメータの判定結果を統
合した最終判定結果は図15に示す。
【0057】なお、正常に対する状態変化の程度は状態
ランプで表示するが、前回の状態に対する状態変化の程
度は生信号を記録するか否かを決定する基準となる。た
とえば、図15の総合判定により「測定1(正常)」、
「測定3(状態変化が中である)」、及び「測定7(状
態変化が大である)」の生波形を記録することにする。
【0058】また、この例では、測定3から測定8まで
の信号が同じ状態(アンバランス)であるから、上記の
判定結果に基づく生信号の記録は異常原因の解明(精密
診断)のために十分だと考えられる。もし、測定してい
る間、他の異常状態も発生すれば、この例と同様に状態
判定用の有・無特徴パラメータがその状態変化に反映
し、状態変化した生信号を適時に収録することができ
る。
【0059】信号収録装置の回路図の一例を図16に示
す。図中、1はセンサ、2はチャージアンプ、3はフィ
ルタモジュール、4は1チップCPU、5は結果表示
器、6はデータ用RAM、7はAD変換器、8はDCポ
ート、9はSCI、10はCPU、11はフラッシュR
OM、12は外部コンピュータである。
【0060】この信号収録装置は多チャンネルに設計す
ることができる。また、外部コンピュータは信号収録装
置の収録条件の設定、状態判定基準の設定、記録した特
徴パラメータ及び生信号の読み込み、状態変化の傾向管
理及び原因分析などに用いられる。
【0061】
【発明の効果】本発明は設備診断や医療診断や地震監視
などにおいて、対象物の状態を長期間監視し、異常や状
態変化を適切に判定し、また、異常や状態変化がないと
判定された場合、その状態を反映した有・無次元特徴パ
ラメータのみを収録し、異常や状態変化が発生したと判
定されたとき、その異常や状態変化を示す特徴パラメー
タと生信号を同時に記録し、状態変化の傾向分析や原因
分析及び原因究明に役立つ。本発明の信号収録システム
及び収録装置を用いて信号を長期間収録する場合、信号
収録メディアの浪費が少なく、しかも状態変化を示す特
徴パラメータと生信号を適時に収録することができる。
また、必要に応じて、状態を表示し、危険状態時の警報
を発することもできる。更に、信号収録を行わないと
き、単に状態判定装置としても用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 可能性分布関数の例を示すグラフである。
【図2】 可能性関数による状態変化の判別を示すグラ
フである。
【図3】 可能性の表示例を示す説明図である。
【図4】 低周波数領域における有次元特徴パラメータ
の判定基準を示すグラフである。
【図5】 中周波数領域における有次元特徴パラメータ
の判定基準を示すグラフである。
【図6】 高周波数領域における有次元特徴パラメータ
の判定基準を示すグラフである。
【図7】 有次元特徴パラメータと無次元特徴パラメー
タとの判定基準の統合を示す説明図である。
【図8】 判定結果の表示例を示す説明図である。
【図9】 信号収録システムの処理流れを示すフローチ
ャートである。
【図10】外部コンピュータと信号収録収録装置を分離
した信号収録の処理流れを示すフローチャートである。
【図11】測定した生信号の例を示すグラフである。
【図12】無次元特徴パラメータ(p1〜p5)の判定結果例
を示す説明図である。
【図13】無次元特徴パラメータp6 の判定結果例を示
す説明図である。
【図14】有次元特徴パラメータ(pd1,pd2,pd3)の判
定結果例を示す説明図である。
【図15】有・無次元特徴パラメータの統合による判定
結果例を示す説明図である。
【図16】 信号収録装置の回路の一例を示す回路図で
ある。
【符号の説明】
1 センサ、2 チャージアンプ、3 フィルタモジュ
ール、4 1チップCPU、5 結果表示器、6 デー
タ用RAM、7 AD変換器、8 DCポート、9 S
CI(シリアル・コミュニケーション・インタフェー
ス)、10 CPU、11 フラッシュROM、12
コンピュータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 陳山 鵬 福岡市東区名島4−64−37 (72)発明者 豊田 利夫 北九州市若松区高須東3−11−1 Fターム(参考) 2F070 AA02 AA05 AA15 CC04 CC08 CC11 DD02 DD06 DD14 FF09 HH02 HH08 2F076 BA16 BE06 BE08 5H223 AA05 AA15 DD03 EE06

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 センサーで測定した対象物の信号を用い
    て高、中、低周波数の各周波数帯域の特徴パラメータを
    計算し、対象物の状態変化の程度を統計検定理論及び可
    能性理論により判定し、 状態変化の程度を判定するための判定基準を統計検定理
    論及び可能性理論により決定し、 有次元特徴パラメータと無次元特徴パラメータとの状態
    判定結果を統合することにより状態変化の程度を判定
    し、 状態変化の程度により、各周波数帯域の特徴パラメータ
    のみを記録するか、各周波数帯域の特徴パラメータと時
    系列の生信号を同時に記録するかを決定することを特徴
    とする状態判定法。
  2. 【請求項2】 センサーで測定した対象物の信号を用い
    て高、中、低周波数の各周波数帯域の特徴パラメータを
    計算し、対象物の状態変化の程度を統計検定理論及び可
    能性理論により判定する手段と、 状態変化の程度を判定するための判定基準を統計検定理
    論及び可能性理論により決定する手段と、 有次元特徴パラメータと無次元特徴パラメータとの状態
    判定結果を統合することにより状態変化の程度を判定す
    る手段とを備えたことを特徴とする状態判定装置。
  3. 【請求項3】 センサーで測定した対象物の信号を用い
    て高、中、低周波数の各周波数帯域の特徴パラメータを
    計算し、対象物の状態変化の程度を統計検定理論及び可
    能性理論により判定する手段と、 状態変化の程度を判定するための判定基準を統計検定理
    論及び可能性理論により決定する手段と、 有次元特徴パラメータと無次元特徴パラメータとの状態
    判定結果を統合することにより状態変化の程度を判定す
    る手段と、 状態変化の程度により、各周波数帯域の特徴パラメータ
    のみを記録するか、各周波数帯域の特徴パラメータと時
    系列の生信号を同時に記録するかを決定する手段とを備
    えたことを特徴とする状態判定機能を備えた信号収録装
    置。
  4. 【請求項4】 状態変化の程度を状態ランプで表示する
    手段を備えたことを特徴とする請求項3記載の状態判定
    機能を備えた信号収録装置。
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