JP2005242581A - Parameter estimation method, state monitoring method, parameter estimation apparatus, state monitoring apparatus and computer program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、監視対象から得られる複数のデータからなる時系列のパラメータを推定する方法、推定されたパラメータに基づいて監視対象の状態を監視する方法、パラメータ推定装置、状態監視装置、及びコンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to a method for estimating a time-series parameter composed of a plurality of data obtained from a monitoring target, a method for monitoring the state of a monitoring target based on the estimated parameter, a parameter estimation device, a state monitoring device, and a computer program About.
工場で用いられる生産設備又は公共施設で用いられる公共設備などの各種の設備を、故障の発生を予防すべく保全する方法として、定期的に設備を点検して保全する方法(TBM:Time Based preventive Maintenance)が従来用いられてきた。また、TBMの他には、設備の状態を恒常的に監視し、設備の状態が所定の基準にまで劣化した場合に保全する方法(CBM:Condition Based preventive Maintenance)が知られている。CBMは、TBMによる保全後の初期故障を回避することができること、及びTBMに比して保全コストの抑制が容易であることなどの利点があるので、近年ではTBMに代わってCBMが普及し始めている。 As a method of maintaining various facilities such as production facilities used in factories or public facilities used in public facilities in order to prevent the occurrence of failures, a method of regularly checking and maintaining facilities (TBM: Time Based preventive) Maintenance) has been used in the past. In addition to the TBM, there is known a method (CBM: Condition Based preventive Maintenance) that constantly monitors the state of the equipment and performs maintenance when the state of the equipment has deteriorated to a predetermined standard. CBM has advantages such as being able to avoid initial failures after maintenance due to TBM, and being easier to control maintenance costs than TBM. Yes.
CBMを実現するためには、設備の状態を示す動作回数、温度、又は振動などのデータを取得して設備の状態を監視し、可及的速やかに異常の兆候を捉えることができる状態監視方法の確立が望まれる。設備の分野によって設備の状態を示すデータが異なるため、従来より様々な状態監視方法が提案されている。例えば振動体の分野では、振動の振幅を2乗平均した値の平方根であるRMS(Root Mean Square)値を用いる方法が知られている。RMS値を用いた状態監視方法では、振動の振幅をデータとして取得し、取得した振幅を2乗平均した値の平方根であるRMS値を計算し、計算したRMS値が基準よりも大きくなったときに、振動の振幅が大きくなっているので設備が異常な状態であると判定することができる。 In order to realize the CBM, a state monitoring method that acquires data such as the number of operations, temperature, or vibration indicating the state of the equipment, monitors the state of the equipment, and catches an abnormality sign as soon as possible. It is desirable to establish Since the data indicating the state of the facility differs depending on the field of the facility, various state monitoring methods have been proposed conventionally. For example, in the field of vibrating bodies, a method using an RMS (Root Mean Square) value that is a square root of a value obtained by squaring the amplitude of vibration is known. In the state monitoring method using the RMS value, the vibration amplitude is acquired as data, the RMS value that is the square root of the squared average of the acquired amplitude is calculated, and the calculated RMS value becomes larger than the reference Furthermore, since the amplitude of vibration is large, it can be determined that the equipment is in an abnormal state.
その他の状態監視方法としては、監視対象の設備から取得したデータの時系列を離散時間線形モデルに当てはめて解析を行い、データ間の関係を示すパラメータを推定し、推定したパラメータが大きく変化した場合に設備が異常であると判定する方法がある。この方法の例としては、N個のデータからなる時系列に対してパラメータを推定し、N+1個目のデータを取得したときにN+1個のデータからなる時系列に対してパラメータを推定し、データを取得する都度パラメータの推定を繰り返してパラメータを逐次推定し、パラメータの変化を調べる方法が従来より用いられている。離散時間線形モデルとしては、AR(Autoregressive:自己回帰)モデル又はARMA(Autoregressive Moving Average :自己回帰移動平均)モデル等が利用されている。 As another status monitoring method, the time series of data acquired from the monitored equipment is applied to a discrete-time linear model for analysis, parameters indicating the relationship between the data are estimated, and the estimated parameters change significantly There is a method for determining that the equipment is abnormal. As an example of this method, a parameter is estimated for a time series composed of N data, and a parameter is estimated for a time series composed of N + 1 data when the (N + 1) th data is acquired. A method has been conventionally used in which parameter estimation is repeated each time a parameter is acquired, parameters are sequentially estimated, and changes in parameters are examined. As the discrete-time linear model, an AR (Autoregressive: Autoregressive) model or an ARMA (Autoregressive Moving Average) model is used.
一般的に、工場内でCBMを行う場合は各設備にセンサを備え、センサが取得したデータをパーソナルコンピュータ(PC)、マイクロコンピュータ、ミニコンピュータ又はプロセスコンピュータ等の演算装置がオンラインで蓄積し、蓄積したデータを処理して設備監視を行う。工場内の設備の挙動は高速であるので、データを取得する都度離散時間線形モデルのパラメータを推定する方法では、演算能力が低い演算装置を用いた場合は演算装置の処理速度に比してデータが蓄積される速度の方が速い。そのため、設備異常の検知の失敗、又は失敗ではないにしても設備異常の検知の遅れが発生する可能性がある。また、多くのデータに対して一のデータが追加されただけではパラメータはほとんど変化しないので、設備の状態の変化を判定することが困難であるという問題がある。 Generally, when CBM is performed in a factory, each facility is equipped with a sensor, and data acquired by the sensor is stored online by a computing device such as a personal computer (PC), microcomputer, minicomputer, or process computer. The processed data is processed and the equipment is monitored. Because the behavior of equipment in the factory is high-speed, in the method of estimating the parameters of the discrete-time linear model each time data is acquired, when using a computing device with low computing capacity, the data is compared to the processing speed of the computing device. The speed at which is accumulated is faster. For this reason, there is a possibility that the detection of the equipment abnormality will be failed, or the equipment abnormality detection delay may occur even if it is not a failure. Further, there is a problem that it is difficult to determine a change in the state of the equipment because the parameter hardly changes when only one data is added to a lot of data.
そこで、本願発明者らは、非特許文献1において、ある程度まとまった複数の新たなデータが得られたときに、新たなデータが加わった時系列についてパラメータを推定することにより、複数のデータが蓄積される速度に比べて充分高速にパラメータを推定する処理を行うことが可能となる方法を提案している。この方法では、複数のデータが追加されたときのパラメータの変化を調べることにより、一のデータが追加された場合に比べてパラメータが大きく変化するので、監視対象の状態の変化を判定することが容易になる。
非特許文献1で提案されたパラメータの推定方法では、離散時間線形モデルとしてARモデルを用いている。ARモデルでは、データの時系列に含まれる一のデータの値は過去のデータの値と雑音とから決定される。しかし現実には、設備から得られるデータの値は設備への入力電圧又は強制外力などの入力に影響されていることも多く、ARモデルでは実際の問題に対処しきれないという問題がある。 In the parameter estimation method proposed in Non-Patent Document 1, an AR model is used as a discrete-time linear model. In the AR model, the value of one data included in the time series of data is determined from the value of past data and noise. However, in reality, the value of data obtained from the equipment is often influenced by input such as the input voltage or forced external force to the equipment, and there is a problem that the AR model cannot cope with the actual problem.
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、外部入力を考慮に入れたモデルを用いることにより、より実際的な問題に対して対処が可能となるパラメータ推定方法、状態監視方法、パラメータ推定装置、状態監視装置、及びコンピュータプログラムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and the object of the present invention is to deal with more practical problems by using a model that takes into account external input. A parameter estimation method, a state monitoring method, a parameter estimation device, a state monitoring device, and a computer program are provided.
第1発明に係るパラメータ推定方法は、記憶部及び演算部を備えたコンピュータを用いて、夫々がN個(但し、Nは自然数)のデータからなる第1標本時系列{xn :n=1,2,…,N}及び第1入力時系列{un:n=1,2,…,N}に対して夫々がL個(但し、Lは自然数でL<N)のデータからなる第2標本時系列{xn :n=N+1,N+2,…,N+L}及び第2入力時系列{un:n=N+1,N+2,…,N+L}が追加された場合に前記第1標本時系列に前記第2標本時系列が追加された第3標本時系列と前記第1入力時系列に前記第2入力時系列が追加された第3入力時系列とを(p,p)次(但し、pは自然数)のARXモデルに当てはめたときのパラメータを推定する方法であって、前記第1標本時系列と前記第1入力時系列とを(p,p)次のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第1推定値θN を前記記憶部で記憶し、下記式で定義される行列Aを前記記憶部で記憶し、 The parameter estimation method according to the first aspect of the present invention is the first sample time series {x n : n = 1, each consisting of N pieces of data (where N is a natural number), using a computer having a storage unit and a calculation unit. , 2,..., N} and the first input time series {u n : n = 1, 2,..., N}, each of which is composed of L pieces of data (where L is a natural number and L <N). When the two-sample time series {x n : n = N + 1, N + 2,..., N + L} and the second input time series {u n : n = N + 1, N + 2,..., N + L} are added, the first sample time series is added. The third sample time series to which the second sample time series is added and the third input time series to which the second input time series is added to the first input time series are (p, p) order (where p is a natural number) method for estimating a parameter when applied to an ARX model, wherein the first sample time series and the first An input time series (p, p) storing the first estimate theta N of the estimated value of the parameter when fitted on to the next ARX model expressed in a matrix of 2p rows and one column in the storage unit, the following formula A matrix A to be defined is stored in the storage unit;
前記第2標本時系列及び前記第2入力時系列を前記記憶部で記憶し、下記式で定義される行列B及びDを前記演算部で計算し、 The second sample time series and the second input time series are stored in the storage unit, and the matrices B and D defined by the following equations are calculated in the calculation unit,
前記第3標本時系列と前記第3入力時系列とを(p,p)次のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第2推定値θN+L を下記の(a)式又は(b)式を用いて前記演算部で計算すること
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN …(a)
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2θN +(L/N)2 A-1BA-1D …(b)
を特徴とする。
A second estimated value θ N + expressing the estimated value of the parameter as a 2p × 1 matrix when the third sample time series and the third input time series are applied to the (p, p) -order ARX model. L is calculated by the calculation unit using the following equation (a) or (b): θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N ... (a)
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D (b)
It is characterized by.
第2発明に係る状態監視方法は、記憶部及び演算部を備えたコンピュータを用いて、データの入力を受け付ける監視対象から得られる複数のデータからなる標本時系列と前記監視対象へ入力される複数のデータからなる入力時系列とをARXモデルに当てはめたときのパラメータに基づいて前記監視対象の状態を監視する方法において、監視対象から得られたN個(但し、Nは自然数)のデータからなる第1標本時系列{xn :n=1,2,…,N}と前記監視対象へ入力されたN個のデータからなる第1入力時系列{un :n=1,2,…,N}とを(p,p)次(但し、pは自然数)のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第1推定値θN を前記記憶部で記憶し、下記式で定義される行列Aを前記記憶部で記憶し、 A state monitoring method according to a second aspect of the present invention is a computer including a storage unit and a calculation unit, and a sample time series composed of a plurality of data obtained from a monitoring target that accepts data input and a plurality of data input to the monitoring target In the method of monitoring the state of the monitoring target based on the parameters when the input time series consisting of the above data is applied to the ARX model, it consists of N pieces (where N is a natural number) obtained from the monitoring target. A first input time series {u n : n = 1, 2,..., Consisting of a first sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} and N pieces of data input to the monitoring target. N} is a (p, p) -order (where p is a natural number) ARX model, and the first estimated value θ N expressing the estimated value of the parameter as a 2p × 1 matrix is stored in the storage unit. Store the matrix A defined by the following equation Store in the storage unit,
前記監視対象から得られたL個(但し、Lは自然数でL<N)のデータからなる第2標本時系列{xn :n=N+1,N+2,…,N+L}及び前記監視対象へ入力されたL個のデータからなる第2入力時系列{un :n=N+1,N+2,…,N+L}を前記記憶部で記憶し、下記式で定義される行列B及びDを前記演算部で計算し、 A second sample time series {x n : n = N + 1, N + 2,..., N + L} consisting of L pieces of data (L is a natural number and L <N) obtained from the monitoring target and the monitoring target. The second input time series {u n : n = N + 1, N + 2,..., N + L} composed of L pieces of data is stored in the storage unit, and the matrices B and D defined by the following equations are calculated in the calculation unit. And
前記第1標本時系列に前記第2標本時系列が追加された第3標本時系列と前記第1入力時系列に前記第2入力時系列が追加された第3入力時系列とを(p,p)次のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第2推定値θN+L を下記の(a)式又は(b)式を用いて前記演算部で計算し、
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN …(a)
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2θN +(L/N)2 A-1BA-1D …(b)
前記演算部で計算した第2推定値θN+L に基づいて前記監視対象の状態を前記演算部で判定することを特徴とする。
A third sample time series in which the second sample time series is added to the first sample time series and a third input time series in which the second input time series is added to the first input time series (p, p) The second estimated value θ N + L in which the estimated value of the parameter when applied to the next ARX model is expressed by a matrix of 2p rows and 1 column is calculated using the following equation (a) or (b): Calculated in part
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N (a)
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D (b)
The state of the monitoring target is determined by the arithmetic unit based on the second estimated value θ N + L calculated by the arithmetic unit.
第3発明に係るパラメータ推定装置は、夫々がN個(但し、Nは自然数)のデータからなる第1標本時系列{xn :n=1,2,…,N}及び第1入力時系列{un:n=1,2,…,N}に対して夫々がL個(但し、Lは自然数でL<N)のデータからなる第2標本時系列{xn :n=N+1,N+2,…,N+L}及び第2入力時系列{un:n=N+1,N+2,…,N+L}が追加された場合に、前記第1標本時系列に前記第2標本時系列が追加された第3標本時系列と前記第1入力時系列に前記第2入力時系列が追加された第3入力時系列とを(p,p)次(但し、pは自然数)のARXモデルに当てはめたときのパラメータを推定する装置であって、前記第1標本時系列と前記第1入力時系列とを(p,p)次のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第1推定値θN を記憶する手段と、下記式で定義される行列Aを記憶する手段と、 The parameter estimation apparatus according to the third aspect of the present invention includes a first sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} each composed of N pieces (where N is a natural number) and a first input time series. {U n : second sample time series {x n : n = N + 1, N + 2} each consisting of L pieces of data (where L is a natural number and L <N) for n = 1, 2,..., N} ,..., N + L} and the second input time series {u n : n = N + 1, N + 2,..., N + L} are added, the second sample time series is added to the first sample time series. When a three-sample time series and a third input time series obtained by adding the second input time series to the first input time series are applied to a (p, p) -order (where p is a natural number) ARX model An apparatus for estimating a parameter, wherein the first sample time series and the first input time series are converted into a (p, p) -order ARX model. Means for storing a first estimated value theta N representing the estimated value of the parameter matrix of 2p rows and one column when fitted Te, means for storing the matrix A defined by the following formula,
前記第2標本時系列及び前記第2入力時系列を記憶する手段と、下記式で定義される行列B及びDを計算する手段と、 Means for storing the second sample time series and the second input time series; means for calculating matrices B and D defined by the following equations;
前記第3標本時系列と前記第3入力時系列とを(p,p)次のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第2推定値θN+L を下記の(a)式又は(b)式を用いて計算する手段と
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN …(a)
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2θN +(L/N)2 A-1BA-1D …(b)
を備えることを特徴とする。
A second estimated value θ N + expressing the estimated value of the parameter as a 2p × 1 matrix when the third sample time series and the third input time series are applied to the (p, p) -order ARX model. L to the following formula (a) or (b) means for calculating using the equation θ N + L = θ N - (L / N) a -1 D- (L / N) a -1 Bθ N ... ( a)
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D (b)
It is characterized by providing.
第4発明に係る状態監視装置は、データの入力を受け付ける監視対象から得られる複数のデータからなる標本時系列と前記監視対象へ入力される複数のデータからなる入力時系列とをARXモデルに当てはめたときのパラメータに基づいて前記監視対象の状態を監視する装置において、監視対象から得られたN個(但し、Nは自然数)のデータからなる第1標本時系列{xn :n=1,2,…,N}と前記監視対象へ入力されたN個のデータからなる第1入力時系列{un :n=1,2,…,N}とを(p,p)次(但し、pは自然数)のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第1推定値θN を記憶する手段と、下記式で定義される行列Aを記憶する手段と、
According to a fourth aspect of the present invention, a state monitoring apparatus applies a sample time series composed of a plurality of data obtained from a monitoring target that receives data input and an input time series composed of a plurality of data input to the monitoring target to an ARX model. The first sample time series {x n : n = 1, which consists of N pieces of data (where N is a natural number) obtained from the
前記監視対象から得られたL個(但し、Lは自然数でL<N)のデータからなる第2標本時系列{xn :n=N+1,N+2,…,N+L}及び前記監視対象へ入力されたL個のデータからなる第2入力時系列{un :n=N+1,N+2,…,N+L}を記憶する手段と、下記式で定義される行列B及びDを計算する手段と、 A second sample time series {x n : n = N + 1, N + 2,..., N + L} consisting of L pieces of data (L is a natural number and L <N) obtained from the monitoring target and the monitoring target. Means for storing a second input time series {u n : n = N + 1, N + 2,..., N + L} consisting of L data, means for calculating matrices B and D defined by the following equations,
前記第1標本時系列に前記第2標本時系列が追加された第3標本時系列と前記第1入力時系列に前記第2入力時系列が追加された第3入力時系列とを(p,p)次のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第2推定値θN+L を下記の(a)式又は(b)式を用いて計算する手段と、
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN …(a)
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2θN +(L/N)2 A-1BA-1D …(b)
該手段が計算した第2推定値θN+L に基づいて前記監視対象の状態を判定する手段とを備えることを特徴とする。
A third sample time series in which the second sample time series is added to the first sample time series and a third input time series in which the second input time series is added to the first input time series (p, p) A second estimated value θ N + L in which the estimated value of the parameter when applied to the next ARX model is expressed by a matrix of 2p rows and 1 column is calculated using the following equation (a) or (b): Means,
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N (a)
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D (b)
Means for determining the state of the monitoring target based on the second estimated value θ N + L calculated by the means.
第5発明に係るコンピュータプログラムは、夫々がN個(但し、Nは自然数)のデータからなる第1標本時系列{xn :n=1,2,…,N}と第1入力時系列{un:n=1,2,…,N}とを(p,p)次(但し、pは自然数)のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第1推定値θN 、下記式で定義される行列A、 The computer program according to the fifth aspect of the present invention includes a first sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} each consisting of N pieces of data (where N is a natural number) and a first input time series { u n : n = 1, 2,..., N} and the (p, p) -order (where p is a natural number) ARX model represents the estimated parameter values as a 2p-by-1 matrix. A first estimated value θ N , a matrix A defined by
L個(但し、Lは自然数でL<N)のデータからなる第2標本時系列{xn :n=N+1,N+2,…,N+L}、及びL個のデータからなる第2入力時系列{un:n=N+1,N+2,…,N+L}を記憶するコンピュータに、前記第1標本時系列に前記第2標本時系列が追加された第3標本時系列と前記第1入力時系列に前記第2入力時系列が追加された第3入力時系列とを(p,p)次(但し、pは自然数)のARXモデルに当てはめたときのパラメータを推定させるコンピュータプログラムであって、コンピュータに、下記式で定義される行列B及びDを計算させる手順と、 A second sample time series {x n : n = N + 1, N + 2,..., N + L} consisting of L pieces of data (where L is a natural number and L <N), and a second input time series {L} u n : a computer storing n = N + 1, N + 2,..., N + L}, a third sample time series in which the second sample time series is added to the first sample time series, and the first input time series A computer program for estimating a parameter when a third input time series to which a second input time series is added is applied to a (p, p) order (where p is a natural number) ARX model, A procedure for calculating the matrices B and D defined by the following equations;
コンピュータに、前記第3標本時系列と前記第3入力時系列とを(p,p)次のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第2推定値θN+L を下記の(a)式又は(b)式を用いて計算させる手順と
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN …(a)
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2θN +(L/N)2 A-1BA-1D …(b)
を含むことを特徴とする。
A second estimated value representing an estimated value of a parameter in a 2p × 1 matrix when the computer applies the third sample time series and the third input time series to a (p, p) -order ARX model. theta N + L to the following formula (a) or (b) a procedure for calculating using the equation θ N + L = θ N - (L / N) a -1 D- (L / N) a -1 Bθ N ... (a)
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D (b)
It is characterized by including.
第6発明に係るコンピュータプログラムは、データの入力を受け付ける監視対象から得られたN個(但し、Nは自然数)のデータからなる第1標本時系列{xn :n=1,2,…,N}と前記監視対象へ入力されたN個のデータからなる第1入力時系列{un :n=1,2,…,N}とを(p,p)次(但し、pは自然数)のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第1推定値θN 、下記式で定義される行列A、 The computer program according to the sixth aspect of the present invention is a first sample time series {x n : n = 1, 2,..., Consisting of N pieces (where N is a natural number) obtained from a monitoring target that accepts data input. N} and the first input time series {u n : n = 1, 2,..., N} composed of N pieces of data input to the monitoring target (p, p) order (where p is a natural number) A first estimated value θ N representing an estimated value of a parameter when applied to the ARX model of the above in a 2p × 1 matrix, a matrix A defined by the following equation,
前記監視対象から得られたL個(但し、Lは自然数でL<N)のデータからなる第2標本時系列{xn :n=N+1,N+2,…,N+L}、及び前記監視対象へ入力されたL個のデータからなる第2入力時系列{un :n=N+1,N+2,…,N+L}を記憶するコンピュータに、前記監視対象の状態を監視させるコンピュータプログラムであって、コンピュータに、下記式で定義される行列B及びDを計算させる手順と、 A second sample time series {x n : n = N + 1, N + 2,..., N + L} consisting of L pieces of data obtained from the monitoring target (where L is a natural number and L <N), and input to the monitoring target has been the L comprising data of the second input time series {u n: n = n + 1, n + 2, ..., n + L} in the computer for storing a computer program for monitoring the state of the monitored object, the computer, A procedure for calculating the matrices B and D defined by the following equations;
コンピュータに、前記第1標本時系列に前記第2標本時系列が追加された第3標本時系列と前記第1入力時系列に前記第2入力時系列が追加された第3入力時系列とを(p,p)次のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第2推定値θN+L を下記の(a)式又は(b)式を用いて計算させる手順と、
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN …(a)
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2θN +(L/N)2 A-1BA-1D …(b)
コンピュータに、計算した第2推定値θN+L に基づいて前記監視対象の状態を判定させる手順とを含むことを特徴とする。
The computer includes a third sample time series in which the second sample time series is added to the first sample time series and a third input time series in which the second input time series is added to the first input time series. The second estimated value θ N + L in which the estimated value of the parameter when applied to the (p, p) next ARX model is expressed by a matrix of 2p rows and 1 column is expressed by the following equation (a) or (b): Procedure to calculate
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N (a)
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D (b)
And a procedure for causing the computer to determine the state of the monitoring target based on the calculated second estimated value θ N + L.
本発明においては、離散時間線形モデルとしてARX(Autoregressive with exogenous input :外生入力自己回帰)モデルを用い、監視対象から得られたN個のデータからなる標本時系列に追加してL個のデータが得られた場合のパラメータを計算する。監視対象から得られたN個のデータからなる標本時系列{xn:n=1,2,…,N,…}を定常エルゴード的正規過程x(t)の標本時系列であるとすると、(p,m)次のARXモデルは、以下の(1)式で表される。 In the present invention, an ARX (Autoregressive with exogenous input: exogenous input autoregressive) model is used as a discrete-time linear model, and L data is added to a sample time series composed of N data obtained from a monitoring target. Calculate the parameters when. If the sample time series {x n : n = 1, 2,..., N,...} Composed of N pieces of data obtained from the monitoring target is the sample time series of the steady ergodic normal process x (t), The (p, m) next ARX model is expressed by the following equation (1).
ここで、{en }は平均値0及び分散σe 2の正規性雑音であり、{un }は監視対象に対する入力時系列である。また{ai:i=1,2,…,p}及び{ci :i=1,2,…,m}はARXモデルのパラメータである。また、(1)式は定常条件を満たすとする。現代制御理論では、m≦pとなることは周知である。以下、簡単にするためにm=pとして議論を進める。 Here, {e n } is normal noise with an average value of 0 and variance σ e 2 , and {u n } is an input time series for the monitoring target. {A i : i = 1, 2,..., P} and {c i : i = 1, 2,..., M} are parameters of the ARX model. Further, it is assumed that the equation (1) satisfies a steady condition. In modern control theory, it is well known that m ≦ p. In the following, the discussion proceeds with m = p for simplicity.
ベクトルZn 及びベクトルθを以下の様に定義する。
Zn =[-xn-1,…,-xn-p,un-1,…,un-p]T
θ=[a1,a2,…,ap,c1,c2,…,cp]T
(1)式をxn についての式に書き直すと、(1)式は以下の(2)式で表すことができる。
xn =θT Zn+en …(2)
Vector Z n and vector θ are defined as follows.
Z n = [-x n-1 , ...,-x np , u n-1 , ..., u np ] T
θ = [a 1, a 2 , ..., a p, c 1,
When the formula (1) is rewritten into the formula for x n , the formula (1) can be expressed by the following formula (2).
x n = θ T Z n + e n (2)
N個のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…,N}及び入力時系列{un:n=1,2,…,N}が得られたとき、ベクトルθを時系列から最小二乗法により求めるためには、(2)式から得られる以下の(3)式の右辺を最小にするθを求めればよい。 When a sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} and an input time series {u n : n = 1, 2,. In order to obtain from the time series by the least square method, θ that minimizes the right side of the following equation (3) obtained from equation (2) may be obtained.
従って、(3)式の右辺をθで偏微分して0に等しいとすることにより、N個のデータからなる標本時系列{xn }及び入力時系列{un }から推定したベクトルθの推定値θN は、以下の(4)式で与えられる。 Therefore, the right side of the equation (3) is partially differentiated by θ and equal to 0, so that the vector θ estimated from the sample time series {x n } and the input time series {u n } consisting of N data is obtained. The estimated value θ N is given by the following equation (4).
ラグがjである{xn }の自己相関関数をRjとすると、自己相関関数の定義によりRj 及びR-jは以下の式で表すことができる。ここで、E[yn]は、データ列{yn :n=1,2,…}の期待値である。
Rj =E[xn xn+j]
R-j=Rj
Assuming that R j is an autocorrelation function of {x n } whose lag is j, R j and R −j can be expressed by the following equations according to the definition of the autocorrelation function. Here, E [y n ] is an expected value of the data string {y n : n = 1, 2,.
R j = E [x n x n + j ]
R -j = R j
また{un }の自己相関関数Sjは、同様に以下の式で表すことができる。
Sj =E[un un+j]
S-j=Sj
The autocorrelation function S j of {u n} can be expressed similarly to the following equation.
S j = E [u n u n + j ]
S -j = S j
また、jをj≧0であるとして、{un }と{xn}との相互相関関数Tj は以下の式で表すことができる。
Tj =E[un-jxn ]
nの時点よりも未来の入力であるun+j とxnとは無相関であるので、以下の式が成り立つ。
Also, assuming that j is j ≧ 0, the cross-correlation function T j between {u n } and {x n } can be expressed by the following equation.
T j = E [u nj x n ]
Since u n + j and x n , which are future inputs from the time point n , are uncorrelated, the following equation holds.
T-j=E[un+j xn ]=0
夫々にN個のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…,N}及び入力時系列{un:n=1,2,…,N}が得られている場合、n=1〜Nのデータから推定したRj ,Tj ,Sjの推定値RN,j ,TN,j ,SN,j は以下の(5)式で表すことができる。
T −j = E [u n + j x n ] = 0
When a sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} and an input time series {u n : n = 1, 2,..., N} each consisting of N data are obtained, Estimated values R N, j , T N, j , S N, j of R j , T j , S j estimated from data of n = 1 to N can be expressed by the following equation (5).
次に、E[Zn Zn T]及びE[Znxn ]を考える。E[Zn Zn T]は以下の(6)式で表すことができる。 Next, consider the E [Z n Z n T] and E [Z n x n]. E [Z n Z n T] can be represented by the following equation (6).
ここで、行列R,T,Sは以下の(7)式で定義される。 Here, the matrices R, T, and S are defined by the following equation (7).
同様にして、E[Zn xn ]は以下の(8)式で表すことができる。 Similarly, E [Z n x n ] can be expressed by the following equation (8).
ここで、行列r,tは以下の(9)式で定義される。 Here, the matrices r and t are defined by the following equation (9).
従って、(4)式よりパラメータθは以下の(10)式で表すことができる。 Therefore, the parameter θ can be expressed by the following equation (10) from the equation (4).
(10)式にRj ,Tj ,Sjの推定値RN,j ,TN,j ,SN,j を代入することにより、夫々にN個のデータからなる標本時系列(第1標本時系列){xn :n=1,2,…,N}及び入力時系列(第1入力時系列){un:n=1,2,…,N}から、以下の(11)式によりパラメータθの推定値(第1推定値)θN を計算することができる。 By substituting the estimated values R N, j , T N, j , S N, j of R j , T j , S j into the equation (10), a sample time series (N 1 (Sample time series) {x n : n = 1, 2,..., N} and input time series (first input time series) {u n : n = 1, 2,. The estimated value (first estimated value) θ N of the parameter θ can be calculated from the equation.
次に、夫々のN個のデータに追加してL個のデータからなる標本時系列(第2標本時系列){xn :n=N+1,N+2,…,N+L}及び入力時系列(第2入力時系列){un:n=N+1,N+2,…,N+L}が得られたとする。n=1〜N+Lのデータから推定した{xn }の自己相関関数Rjの推定値RN+L,j は、以下の(12)式で表すことができる。なお、n=N+1〜N+Lのデータから推定した{xn }の自己相関関数Rjの推定値をRN/L,j とする。 Next, a sample time series (second sample time series) {x n : n = N + 1, N + 2,..., N + L} consisting of L data in addition to each N data and an input time series (second input time series) {u n: n = n + 1, n + 2, ..., n + L} and were obtained. The estimated value R N + L, j of the autocorrelation function R j of {x n } estimated from the data of n = 1 to N + L can be expressed by the following equation (12). Note that the estimated value of the autocorrelation function R j of {x n } estimated from n = N + 1 to N + L data is R N / L, j .
ここで、次数pは一般的には数次から数十次であることが多いので、N≫L≫pと見なすことができる。また、j≦p−1である。従って、(12)式は近似的に以下の(13)式で表すことができる。 Here, since the order p is generally often from several orders to several tens, it can be considered that N >> L >> p. Further, j ≦ p−1. Therefore, the expression (12) can be approximately expressed by the following expression (13).
α及びβを以下の(14)式で定義する。 α and β are defined by the following equation (14).
(14)式により、(13)式は以下の(15)式で表すことができる。
RN+L,j =αRN,j+βRN/L,j …(15)
From the equation (14), the equation (13) can be expressed by the following equation (15).
R N + L, j = αR N, j + βR N / L, j (15)
n=1〜N+Lのデータから推定したTj ,Sj の推定値TN+L,j ,SN+L,j についても、n=N+1〜N+Lのデータから推定したTj,Sj の推定値TN/L,j ,SN/L,j を用いて、同様に以下の(16)式,(17)式で表すことができる。
TN+L,j =αTN,j+βTN/L,j …(16)
SN+L,j =αSN,j+βSN/L,j …(17)
n = 1~N + L T j estimated from the data of the estimated value of S j T N + L, j , S N + L, for even j, n = N + 1~N + L T j estimated from the data of the S j Using the estimated values T N / L, j and S N / L, j, they can be similarly expressed by the following equations (16) and (17).
T N + L, j = αT N, j + βT N / L, j (16)
S N + L, j = αS N, j + βS N / L, j (17)
なお、n=N+1〜N+Lのデータから推定したRj ,Tj,Sj の推定値RN/L,j ,TN/L,j ,SN/L,j は以下の(18)式で求めることができる。 The estimated values R N / L, j , T N / L, j and S N / L, j of R j , T j and S j estimated from the data of n = N + 1 to N + L are expressed by the following equation (18). Can be obtained.
従って、夫々にN個のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…,N}及び入力時系列{un:n=1,2,…,N}に追加して夫々にL個のデータからなる標本時系列{xn :n=N+1,N+2,…,N+L}及び入力時系列{un :n=N+1,N+2,…,N+L}が得られた場合のパラメータθの推定値(第2推定値)θN+Lは、(11)式及び(15)〜(17)式により、以下の(19)式で表すことができる。 Accordingly, the sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} and the input time series {u n : n = 1, 2,. Parameter θ when a sample time series {x n : n = N + 1, N + 2,..., N + L} and an input time series {u n : n = N + 1, N + 2,. The estimated value (second estimated value) θ N + L can be expressed by the following expression (19) using the expressions (11) and (15) to (17).
(19)式を簡単にするために、行列A,B,C,Dを以下の(20)式で定義する。 In order to simplify the equation (19), the matrices A, B, C, and D are defined by the following equation (20).
行列A,B,C,Dを用いて、(19)式は以下の(21)式で表すことができる。
θN+L =−(αA+βB)-1(αC+βD) …(21)
また、(11)式は、θN =−A-1Cと表すことができる。
Using the matrices A, B, C, and D, the equation (19) can be expressed by the following equation (21).
θ N + L = − (αA + βB) −1 (αC + βD) (21)
The equation (11) can be expressed as θ N = −A −1 C.
更に、正方行列Q及びP、並びに単位行列Iの間に成り立つ以下の公式を(21)式に適用する。
[Q+P]-1=Q-1−Q-1P[I+Q-1P]-1Q-1
[I+Q]-1=I−[I+Q]-1Q
このとき、(21)式は以下の(22)式で表すことができる。
θN+L =−(αA)-1(αC)−(αA)-1(βD)
+(αA)-1(βB)[I+(αA)-1βB]-1(αA)-1(αC+βD)
=θN−(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2 θN +(L/N)2 A-1BA-1D
−(L/N)3A-1B[I+(L/N)A-1B]-1(A-1B)2θN
−(L/N)3(A-1B)2 A-1D
+(L/N)4A-1B[I+(L/N)A-1B]-1(A-1B)2A-1D
…(22)
Further, the following formula that holds between the square matrices Q and P and the unit matrix I is applied to the equation (21).
[Q + P] −1 = Q −1 −Q −1 P [I + Q −1 P] −1 Q −1
[I + Q] −1 = I− [I + Q] −1 Q
At this time, the equation (21) can be expressed by the following equation (22).
θ N + L = − (αA) −1 (αC) − (αA) −1 (βD)
+ (ΑA) −1 (βB) [I + (αA) −1 βB] −1 (αA) −1 (αC + βD)
= Θ N- (L / N) A -1 D- (L / N) A -1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D
− (L / N) 3 A −1 B [I + (L / N) A −1 B] −1 (A −1 B) 2 θ N
-(L / N) 3 (A -1 B) 2 A -1 D
+ (L / N) 4 A -1 B [I + (L / N) A -1 B] -1 (A -1 B) 2 A -1 D
... (22)
(22)式より、N≫Lであるとして(L/N)の1次近似をとると、θN+L は以下の(23)式で表すことができる。
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN …(23)
また、(L/N)の2次近似をとると、θN+L は以下の(24)式で表すことができる。
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2 θN +(L/N)2 A-1BA-1D …(24)
From Equation (22), assuming that N >> L, and taking a linear approximation of (L / N), θ N + L can be expressed by Equation (23) below.
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N (23)
Further, when taking a quadratic approximation of (L / N), θ N + L can be expressed by the following equation (24).
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D (24)
(23)式又は(24)式を用いて計算できるθN+L は、夫々にN+L個のデータからなる標本時系列(第3標本時系列){xn :n=1,2,…,N+L}及び入力時系列(第3入力時系列){un:n=1,2,…,N+L}をARXに当てはめたときのパラメータθの推定値である。従って、(23)式又は(24)式を用いることにより、N個のデータからなる標本時系列及び入力時系列に追加してL個のデータからなる標本時系列及び入力時系列が得られたときのパラメータθの推定値を簡易的に求めることができる。 Θ N + L that can be calculated using the equation (23) or the equation (24) is a sample time series (third sample time series) consisting of N + L data respectively {x n : n = 1, 2,... N + L} and the input time series (third input time series) {u n : n = 1, 2,..., N + L} are estimated values of the parameter θ when applied to ARX. Therefore, by using the equation (23) or the equation (24), a sample time series and input time series consisting of L pieces of data are obtained in addition to the sample time series consisting of N pieces of data and the input time series. The estimated value of the parameter θ can be easily obtained.
第1、第3及び第5発明においては、N個のデータからなる第1標本時系列{xn }及び第1入力時系列{un }に追加してL個のデータからなる第2標本時系列{xn }及び第2入力時系列{un }が得られた場合に、夫々N+L個のデータからなる第3標本時系列{xn }及び第3入力時系列{un }をARXモデルに当てはめたときのパラメータθの第2推定値θN+L を(23)式又は(24)式を用いて計算する。 In the first, third and fifth inventions, the second sample consisting of L data in addition to the first sample time series {x n } consisting of N data and the first input time series {u n }. When the time series {x n } and the second input time series {u n } are obtained, the third sample time series {x n } and the third input time series {u n } each including N + L data are obtained. The second estimated value θ N + L of the parameter θ when applied to the ARX model is calculated using the equation (23) or (24).
第2、第4及び第6発明においては、監視対象から得られたN個のデータからなる第1標本時系列{xn }及び監視対象へ入力されたN個のデータからなる第1入力時系列{un }に追加してL個のデータからなる第2標本時系列{xn }及び第2入力時系列{un }が得られた場合に、夫々N+L個のデータからなる第3標本時系列{xn }及び第3入力時系列{un }をARXモデルに当てはめたときのパラメータθの第2推定値θN+L を(23)式又は(24)式を用いて計算し、計算したθN+L の値に基づいて監視対象の状態を判定する。 In the second, fourth and sixth inventions, the first sample time series {x n } composed of N pieces of data obtained from the monitoring object and the first input time comprising N data inputted to the monitoring object If the sequence {u n} second sample time series consisting of L data in addition to {x n} and the second input time series {u n} is obtained, the third consisting of each n + L data The second estimated value θ N + L of the parameter θ when the sample time series {x n } and the third input time series {u n } are applied to the ARX model is calculated using the formula (23) or the formula (24). Then, the state of the monitoring target is determined based on the calculated value of θ N + L.
第1、第3及び第5発明にあっては、N個のデータからなる標本時系列{xn }及び入力時系列{un }に追加してL個のデータからなる標本時系列{xn }及び入力時系列{un }が得られた場合に、夫々N+L個のデータからなる標本時系列{xn }及び入力時系列{un }をARXモデルに当てはめたときのパラメータθの推定値θN+L を、近似式を用いて計算することにより、短時間でθN+L を計算することができる。 In the first, third and fifth inventions, the sample time series {x n } consisting of L data in addition to the sample time series {x n } consisting of N data and the input time series {u n }. n } and the input time series {u n }, when the sample time series {x n } and the input time series {u n } each consisting of N + L data are applied to the ARX model, the parameter θ By calculating the estimated value θ N + L using an approximate expression, θ N + L can be calculated in a short time.
第2、第4及び第6発明においては、近似式を用いて計算したパラメータθの推定値θN+L に基づいて監視対象の状態を判定するので、データが蓄積される速度に比して充分高速に監視対象の状態を判定し、監視対象の異常検知の失敗または遅れを起こすことなく監視対象の状態に即時的に対応する状態監視を行うことができる。また、監視対象から得られるデータの値が過去のデータの値と雑音と更に監視対象への入力とから決定されるARXモデルを離散時間線形モデルとして用いることにより、入力電圧又は強制外力等の外部入力に監視対象の状態が影響される場合においても監視対象の状態を判定することができるので、より実際的な条件で工場内の設備などの監視対象の状態を監視することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。 In the second, fourth and sixth inventions, since the state of the monitoring target is determined based on the estimated value θ N + L of the parameter θ calculated using the approximate expression, it is compared with the speed at which data is accumulated. It is possible to determine the state of the monitoring target at a sufficiently high speed, and to perform state monitoring that immediately corresponds to the state of the monitoring target without causing failure or delay in the abnormality detection of the monitoring target. Further, by using an ARX model in which the value of data obtained from the monitoring target is determined from the past data value, noise, and the input to the monitoring target as a discrete-time linear model, an external voltage such as input voltage or forced external force is used. Even when the status of the monitoring target is affected by the input, it is possible to determine the status of the monitoring target, so that it becomes possible to monitor the status of the monitoring target such as equipment in the factory under more realistic conditions, etc. The present invention has an excellent effect.
以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図1は、本発明の状態監視装置の構成を示すブロック図である。本発明の状態監視装置1は、工場内に設置された図示しない設備(監視対象)の状態を監視し、設備に異常が生じた場合は警報を発するべく運用される。設備には、振動、温度又は出力電圧等の設備から出力されるデータを計測する出力センサ31が設けられている。また設備には、入力電圧又は強制外力等の設備へ入力されるデータを計測する入力センサ33が設けられている。出力センサ31及び入力センサ33は、データ取得装置32に接続されており、計測データをデータ取得装置32へ入力する構成となっている。データ取得装置32は、出力センサ31及び入力センサ33から入力された計測データを所定の周期でサンプリングし、設備から得られた複数のデータからなる標本時系列及び設備へ入力された複数のデータからなる入力時系列を取得する機能を有している。データ取得装置32は通信ネットワークNに接続されており、また通信ネットワークNは本発明の状態監視装置1に接続されている。データ取得装置32は、取得したデータを通信ネットワークNを介して状態監視装置1へ送信する構成となっている。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings showing embodiments thereof.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the state monitoring apparatus of the present invention. The state monitoring device 1 of the present invention is operated to monitor the state of a facility (monitoring target) (not shown) installed in a factory and to issue an alarm when an abnormality occurs in the facility. The equipment is provided with an
状態監視装置1は、本発明のパラメータ推定装置としての機能を兼ね備えており、汎用コンピュータを用いて構成されている。状態監視装置1は、演算を行うCPU(演算部)11と、演算に伴って発生する一時的な情報を記憶するRAM(記憶部)12と、CD−ROMドライブ等の外部記憶装置13と、ハードディスク等の内部記憶装置14とを備えている。CPU11は、CD−ROM等の記録媒体2から本発明のコンピュータプログラム20を外部記憶装置13にて読み取り、読み取ったコンピュータプログラム20を内部記憶装置14に記憶させる。コンピュータプログラム20は必要に応じて内部記憶装置14からRAM12へロードされ、ロードされたコンピュータプログラム20に基づいてCPU11は状態監視装置1に必要な処理を実行する。
The state monitoring device 1 also has a function as a parameter estimation device of the present invention, and is configured using a general-purpose computer. The state monitoring device 1 includes a CPU (arithmetic unit) 11 that performs computation, a RAM (storage unit) 12 that stores temporary information generated along with the computation, an
また、CPU11には、通信ネットワークNに接続された入力部15(受付部)が接続されている。CPU11は、通信ネットワークNを介してデータ取得装置32から送信されたデータを入力部15にて受信する。また、CPU11には、情報を外部へ出力する出力部16が接続されている。
The
また、内部記憶装置14は、設備から得られたN個のデータからなる標本時系列(第1標本時系列){xn :n=1,2,…,N}及び設備へ入力されたN個のデータからなる入力時系列(第1入力時系列){un :n=1,2,…,N}を記憶している。また内部記憶装置14は、N個のデータからなる標本時系列{xn }と入力時系列{un }とを(p,p)次のARXモデルに当てはめたときのパラメータθの推定値θN 、及び標本時系列{xn }と入力時系列{un }とから計算した(20)式で定義される行列Aを記憶している。更に内部記憶装置14は、(p,p)次のARXモデルの次数pを記憶している。
Further, the
更に、状態監視装置1は出力部16を備え、出力部16には警報装置4が接続されている。警報装置4は、ブザー、ランプ、又は警報の内容を表示する表示部などのいずれか又はそれらの組み合わせからなる。CPU11は設備の異常を示す情報を出力部16から警報装置4へ送信し、警報装置4は状態監視装置1から受信した情報に従って設備の異常を報知する。
Further, the state monitoring device 1 includes an
なお、コンピュータプログラム20は、通信ネットワークNに接続されている図示しない外部のサーバ装置から本発明に係る状態監視装置1へロードされて内部記憶装置14に記憶される形態であってもよい。
The
図2は、本発明の状態監視装置1及びデータ取得装置32が行う動作を示すフローチャートである。状態監視装置1のCPU11は、RAM12にロードしたコンピュータプログラム20に従って以下の処理を行う。出力センサ31は、設備の稼働に伴って出力される振動などのデータを計測し、入力センサ33は、設備へ入力される入力電圧などのデータを計測する。データ取得装置32は、出力センサ31及び入力センサ33から入力された計測データを所定の周期でサンプリングし(S1)、監視対象の設備から得られたデータ及び監視対象の設備へ入力されるデータを取得する。データ取得装置32は、設備から得られたデータ及び監視対象の設備へ入力されるデータが夫々所定の数L個蓄積されたか否かを判定する(S2)。データが夫々L個蓄積されていない場合は(S2:NO)、データ取得装置32は処理をステップS1へ戻してサンプリングを継続する。データが夫々L個蓄積されている場合は(S2:YES)、データ取得装置32は、監視対象の設備から得られたL個のデータからなる標本時系列(第2標本時系列){xn :n=N+1,N+2,…,N+L}及び監視対象の設備へ入力されたL個のデータからなる入力時系列(第2入力時系列){un :n=N+1,N+2,…,N+L}を通信ネットワークNを介して状態監視装置1へ送信する(S3)。
FIG. 2 is a flowchart showing operations performed by the state monitoring device 1 and the
状態監視装置1は、データ取得装置32から送信された夫々L個のデータからなる標本時系列{xn }及び入力時系列{un }を入力部15で受信する(S4)。状態監視装置1のCPU11は、受信した標本時系列{xn }及び入力時系列{un }から、j=0〜p−1として(18)式で定義されるRN/L,j,TN/L,j ,SN/L,j を計算する(S5)。CPU11は、次に、計算したRN/L,j,TN/L,j ,SN/L,j を要素として用いて、(20)式で定義される行列B及びDを生成し(S6)、内部記憶装置14が記憶しているθN 及び行列AをRAM12に読み出す(S7)。CPU11は、次に、夫々N+L個のデータからなる標本時系列(第3標本時系列){xn :n=1,2,…,N+L}及び入力時系列(第2入力時系列){un :n=1,2,…,N+L}を(p,p)次のARXモデルに当てはめたときのパラメータθの推定値(第2推定値)θN+L を、θN ,A,B,Dから(23)式を用いて計算する(S8)。なお、(23)式及び(24)式の内(23)式を用いる方がより早いθN+Lの計算が可能であるので、通常は(23)式を用いてθN+L を計算すればよいが、設備の状態の監視をより正確に行いたい場合は(24)式を用いてθN+Lを計算してもよい。
The state monitoring device 1 receives the sample time series {x n } and the input time series {u n } each consisting of L pieces of data transmitted from the data acquisition device 32 (S4). From the received sample time series {x n } and input time series {u n }, the
CPU11は、次に、J=|θN+L −θN |2 を計算し(S9)、計算したJの値が所定値よりも大きいか否かを判定する(S10)。Jの値が所定値よりも大きい場合は(S10:YES)、CPU11は、パラメータθの推定値が大きく変化しているので、監視対象の設備に異常が発生していると判定し、設備の異常を示す異常情報を出力部16に警報装置4へ送信させ(S14)、処理を終了する。警報装置4は、状態監視装置1から受信した異常情報に従って、ブザーの鳴動、ランプの点灯、又は表示部への異常情報の内容の表示等により、設備の異常を報知する。この結果、異常であると判定された設備が手動で停止されるなどの処置がとられる。なお、異常情報はJの値に応じた異常の程度を示す情報であり、警報装置4は異常情報の内容に応じた処理を行う形態であってもよい。また、異常情報に応じて設備の状態を制御する処理を行う形態であってもよい。
Next, the
ステップS10にてJの値が所定値以下である場合は(S10:NO)、監視対象の設備が正常であるので、CPU11は、N+L個のデータの内の最新のN個のデータからなる標本時系列{xn }及び入力時系列{un }を内部記憶装置14に記憶させる(S11)。CPU11は、次に、最新のN個のデータからなる標本時系列{xn }及び入力時系列{un }から、新たな行列A及びパラメータθの推定値θN を計算し(S12)、計算したA及びθN を内部記憶装置14に記憶させ(S13)、処理を終了する。なお、N+L→Nとして標本時系列及び入力時系列を蓄積していく処理を行う形態であってもよい。また、新たなA及びθN を計算せずにA及びθN を不変の状態で記憶しておく形態であってもよい。
If the value of J is less than or equal to the predetermined value in step S10 (S10: NO), the equipment to be monitored is normal, so the
以上詳述した如く、本発明においては、監視対象の設備から得られたN個のデータからなる標本時系列{xn }及び設備へ入力されたN個のデータからなる入力時系列{un }から、ARXモデルのパラメータθの推定値θN を計算しておき、夫々L個のデータからなる新たな標本時系列{xn }及び入力時系列{un }が得られた場合に、夫々N+L個のデータからなる標本時系列及び入力時系列をARXモデルに当てはめたときのパラメータθの推定値θN+L を計算する。近似式である(23)式又は(24)式を用いてθN+Lを計算することにより、短時間でθN+L を計算することができる。また、計算したパラメータの推定値θN+L に基づいて監視対象の設備の状態を判定するので、データが蓄積される速度に比して充分高速に監視対象の状態の判定を行うことが可能となる。従って、設備の異常検知の失敗または遅れを起こすことなく設備の状態に即時的に対応する状態監視を行うことができる。 As described above in detail, in the present invention, the sample time series {x n } composed of N pieces of data obtained from the equipment to be monitored and the input time series {u n comprising N pieces of data input to the equipment. }, An estimated value θ N of the parameter θ of the ARX model is calculated, and when a new sample time series {x n } and input time series {u n } each including L data are obtained, An estimated value θ N + L of the parameter θ is calculated when the sample time series and the input time series each consisting of N + L data are applied to the ARX model. By calculating θ N + L using the approximate expression (23) or (24), θ N + L can be calculated in a short time. In addition, since the status of the monitored equipment is determined based on the calculated parameter estimated value θ N + L , it is possible to determine the status of the monitored target sufficiently faster than the speed at which data is accumulated. It becomes. Therefore, it is possible to perform state monitoring that immediately responds to the state of the facility without causing failure or delay in the facility abnormality detection.
また、本発明においては、監視対象から得られるデータの値が過去のデータの値と雑音と更に監視対象への入力とから決定されるARXモデルを離散時間線形モデルとして用いることにより、入力電圧又は強制外力等の外部入力に監視対象の状態が影響される場合においても監視対象の状態を判定することができる。従って、より実際的な条件で工場内の設備などの監視対象の状態を監視することが可能となる。 In the present invention, the ARX model in which the value of the data obtained from the monitoring target is determined from the past data value, noise, and the input to the monitoring target is used as the discrete-time linear model. Even when the state of the monitoring target is affected by an external input such as forced external force, the state of the monitoring target can be determined. Therefore, it is possible to monitor the state of the monitoring target such as equipment in the factory under more practical conditions.
なお、本実施の形態においては、出力センサ31及び入力センサ33が計測したデータに基づいて設備の状態を監視する形態を示しているが、これに限るものではなく、一の設備、又は複数の設備の夫々に複数の出力センサ31及び入力センサ33を備え、複数の出力センサ31及び入力センサ33の夫々をデータ取得装置32及び通信ネットワークNを介して状態監視装置1に接続させ、夫々の出力センサ31及び入力センサ33が計測した夫々のデータに基づいて一又は複数の設備の状態を監視する形態としてもよい。
In addition, in this Embodiment, although the form which monitors the state of an installation based on the data which the
更に、本実施の形態においては、工場内の設備の監視を行う形態を示しているが、これに限るものではなく、他の一般の装置の状態を監視する形態であってもよく、また、商品の販売量の変動又は株価の変動などの現象を監視する形態であってもよい。例えば株価の変動を監視する形態の場合は、各時刻での株価の値を標本時系列とし、各時刻での取引を入力時系列とすることにより、パラメータを計算してより実際的な株価の予測を行うことができる。 Furthermore, in the present embodiment, a form for monitoring equipment in a factory is shown, but the present invention is not limited to this, and may be a form for monitoring the state of other general devices, It may be a form in which a phenomenon such as a change in the sales amount of a product or a change in a stock price is monitored. For example, in the case of monitoring stock price fluctuations, the value of the stock price at each time is set as a sample time series, and the transaction at each time is set as the input time series, so that the parameter is calculated and a more realistic stock price Predictions can be made.
1 状態監視装置
11 CPU(演算部)
12 RAM(記憶部)
2 記録媒体
20 コンピュータプログラム
1
12 RAM (storage unit)
2 Recording
Claims (6)
前記第1標本時系列と前記第1入力時系列とを(p,p)次のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第1推定値θN を前記記憶部で記憶し、
下記式で定義される行列Aを前記記憶部で記憶し、
下記式で定義される行列B及びDを前記演算部で計算し、
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN …(a)
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2θN +(L/N)2 A-1BA-1D …(b)
を特徴とするパラメータ推定方法。 A first sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} each of which is composed of N pieces of data (where N is a natural number) and a first one using a computer having a storage unit and a calculation unit. A second sample time series {x n : n = consisting of L pieces of data for each of the input time series {u n : n = 1, 2,..., N} (where L is a natural number and L <N). n + 1, n + 2, ..., n + L} and the second input time series {u n: n = n + 1, n + 2, ..., the second sample time series is added to the first sample time series when the n + L} was added The third sample time series and the third input time series obtained by adding the second input time series to the first input time series are applied to the (p, p) -order (where p is a natural number) ARX model. A method for estimating parameters of time,
A first estimated value θ N representing a parameter estimated value when the first sample time series and the first input time series are applied to a (p, p) -order ARX model is expressed by a matrix of 2p rows and 1 column. Store in the storage unit,
A matrix A defined by the following equation is stored in the storage unit,
The matrixes B and D defined by the following formula are calculated by the calculation unit,
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D (b)
A parameter estimation method characterized by
監視対象から得られたN個(但し、Nは自然数)のデータからなる第1標本時系列{xn :n=1,2,…,N}と前記監視対象へ入力されたN個のデータからなる第1入力時系列{un :n=1,2,…,N}とを(p,p)次(但し、pは自然数)のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第1推定値θN を前記記憶部で記憶し、
下記式で定義される行列Aを前記記憶部で記憶し、
下記式で定義される行列B及びDを前記演算部で計算し、
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN …(a)
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2θN +(L/N)2 A-1BA-1D …(b)
前記演算部で計算した第2推定値θN+L に基づいて前記監視対象の状態を前記演算部で判定すること
を特徴とする状態監視方法。 Using a computer including a storage unit and a calculation unit, ARX includes a sample time series composed of a plurality of data obtained from a monitoring target that accepts data input and an input time series composed of a plurality of data input to the monitoring target In the method for monitoring the state of the monitoring target based on parameters when applied to a model,
A first sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} composed of N pieces of data (where N is a natural number) obtained from the monitoring target and N pieces of data input to the monitoring target 1p input time series {u n : n = 1, 2,..., N} is applied to a (p, p) -order (where p is a natural number) ARX model, an estimated parameter value is 2p Storing the first estimated value θ N expressed in a matrix of rows and columns in the storage unit;
A matrix A defined by the following equation is stored in the storage unit,
The matrixes B and D defined by the following formula are calculated by the calculation unit,
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N (a)
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D (b)
The state monitoring method, wherein the state of the monitoring target is determined by the arithmetic unit based on the second estimated value θ N + L calculated by the arithmetic unit.
前記第1標本時系列と前記第1入力時系列とを(p,p)次のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第1推定値θN を記憶する手段と、
下記式で定義される行列Aを記憶する手段と、
下記式で定義される行列B及びDを計算する手段と、
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN …(a)
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2θN +(L/N)2 A-1BA-1D …(b)
を備えることを特徴とするパラメータ推定装置。 A first sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} and a first input time series {u n : n = 1, 2, each consisting of N pieces (where N is a natural number). .., N} is a second sample time series {x n : n = N + 1, N + 2,..., N + L} and second input each consisting of L pieces of data (where L is a natural number and L <N). When the sequence {u n : n = N + 1, N + 2,..., N + L} is added, the third sample time series in which the second sample time series is added to the first sample time series and the first input time An apparatus for estimating parameters when a third input time series obtained by adding the second input time series to a series is applied to a (p, p) order (where p is a natural number) ARX model,
A first estimated value θ N representing a parameter estimated value when the first sample time series and the first input time series are applied to a (p, p) -order ARX model is expressed by a matrix of 2p rows and 1 column. Means for storing;
Means for storing a matrix A defined by:
Means for calculating matrices B and D defined by:
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D (b)
A parameter estimation device comprising:
監視対象から得られたN個(但し、Nは自然数)のデータからなる第1標本時系列{xn :n=1,2,…,N}と前記監視対象へ入力されたN個のデータからなる第1入力時系列{un :n=1,2,…,N}とを(p,p)次(但し、pは自然数)のARXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を2p行1列の行列で表現した第1推定値θN を記憶する手段と、
下記式で定義される行列Aを記憶する手段と、
下記式で定義される行列B及びDを計算する手段と、
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN …(a)
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2θN +(L/N)2 A-1BA-1D …(b)
該手段が計算した第2推定値θN+L に基づいて前記監視対象の状態を判定する手段と
を備えることを特徴とする状態監視装置。 The monitoring target based on parameters when a sample time series composed of a plurality of data obtained from a monitoring target that accepts data input and an input time series composed of a plurality of data input to the monitoring target are applied to an ARX model In the device that monitors the state of
A first sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} composed of N pieces of data (where N is a natural number) obtained from the monitoring target and N pieces of data input to the monitoring target 1p input time series {u n : n = 1, 2,..., N} is applied to a (p, p) -order (where p is a natural number) ARX model, an estimated parameter value is 2p Means for storing a first estimated value θ N expressed in a matrix of rows and columns;
Means for storing a matrix A defined by:
Means for calculating matrices B and D defined by:
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N (a)
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D (b)
Means for determining the state of the monitoring object based on the second estimated value θ N + L calculated by the means.
コンピュータに、下記式で定義される行列B及びDを計算させる手順と、
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN …(a)
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2θN +(L/N)2 A-1BA-1D …(b)
を含むことを特徴とするコンピュータプログラム。 A first sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} and a first input time series {u n : n = 1, 2, each consisting of N pieces (where N is a natural number). .., N} and a (p, p) -order (where p is a natural number) ARX model, a first estimated value θ N representing an estimated value of a parameter as a 2p × 1 matrix, Matrix A defined by
A procedure for causing a computer to calculate matrices B and D defined by the following formulas:
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D (b)
A computer program comprising:
コンピュータに、下記式で定義される行列B及びDを計算させる手順と、
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN …(a)
θN+L =θN −(L/N)A-1D−(L/N)A-1BθN
+(L/N)2(A-1B)2θN +(L/N)2 A-1BA-1D …(b)
コンピュータに、計算した第2推定値θN+L に基づいて前記監視対象の状態を判定させる手順と
を含むことを特徴とするコンピュータプログラム。
A first sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} consisting of N pieces of data (where N is a natural number) obtained from a monitoring target that accepts data input is input to the monitoring target. Parameters when the first input time series { n : n = 1, 2,..., N} composed of N pieces of data is applied to a (p, p) -order (where p is a natural number) ARX model. A first estimated value θ N expressing the estimated value of the above in a 2p × 1 matrix, a matrix A defined by the following equation,
A procedure for causing a computer to calculate matrices B and D defined by the following formulas:
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N (a)
θ N + L = θ N − (L / N) A −1 D− (L / N) A −1 Bθ N
+ (L / N) 2 (A −1 B) 2 θ N + (L / N) 2 A −1 BA −1 D (b)
A computer program comprising: causing a computer to determine the state of the monitoring target based on the calculated second estimated value θ N + L.
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---|---|---|---|
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013504133A (en) * | 2009-09-03 | 2013-02-04 | イー. ラリモア,ウォレス | Method and system for empirical modeling of time-varying, parameter-varying, and nonlinear systems with iterative linear subspace computations |
-
2004
- 2004-02-25 JP JP2004050243A patent/JP2005242581A/en active Pending
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JP2013504133A (en) * | 2009-09-03 | 2013-02-04 | イー. ラリモア,ウォレス | Method and system for empirical modeling of time-varying, parameter-varying, and nonlinear systems with iterative linear subspace computations |
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