JP2008065393A - Group discrimination device and group discrimination method - Google Patents

Group discrimination device and group discrimination method Download PDF

Info

Publication number
JP2008065393A
JP2008065393A JP2006239594A JP2006239594A JP2008065393A JP 2008065393 A JP2008065393 A JP 2008065393A JP 2006239594 A JP2006239594 A JP 2006239594A JP 2006239594 A JP2006239594 A JP 2006239594A JP 2008065393 A JP2008065393 A JP 2008065393A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
group
discrimination
spectrum
hyperplane
data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006239594A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomoyuki Higuchi
知之 樋口
Tsukasa Ishigaki
司 石垣
Yoshijirou Watanabe
嘉二郎 渡辺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Research Organization of Information and Systems
Original Assignee
Research Organization of Information and Systems
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Research Organization of Information and Systems filed Critical Research Organization of Information and Systems
Priority to JP2006239594A priority Critical patent/JP2008065393A/en
Publication of JP2008065393A publication Critical patent/JP2008065393A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new group discrimination device in which an SVM(support vector machine) learns a shape of a whole spectrum as well as a certain partial feature quantity. <P>SOLUTION: A group discrimination device 1 is provided with: a spectrum estimation means 2 for estimating a discrete power spectrum from time-space series data; a normalization means 3 for forming a normalized histogram by normalizing the spectrum; a histogram storage means 4 for storing the feature vector of the normalized histogram in association with the group; a discrimination hyperplane generation means 5 for classifying time-space series data for learning into a plurality of groups by using an SVM 6 for forming a discrimination hyperplane for classifying the feature vector in a feature space by using kernel functions; and a discrimination means 7 for discriminating a group to which the target time-space series data belongs by using the discrimination hyperplane. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明はグループ判別装置及びグループ判別方法に関する。詳しくはサポートベクトルマシーンを用いる統計的解析により時空間系列データの所属グループを判別するグループ判別装置及びグループ判別方法に関する。   The present invention relates to a group discrimination device and a group discrimination method. More particularly, the present invention relates to a group discrimination apparatus and a group discrimination method for discriminating a group to which space-time series data belongs by statistical analysis using a support vector machine.

与えられたデータを判別するための方法論は数多く存在するが、SVM(Support Vector Machine、サポートベクトルマシーン)に代表されるカーネル(kernel)法を用いた判別学習機械の発展は多様な分野に影響を与えている。カーネル法と機械学習が導入される以前の判別機械は、与えられた高次元データをその特徴をよく反映した低次元空間に射影し、その後、判別のために有益な少数のパラメータを抽出するものであった。例えば、対象物体の名前及び特徴データを取得し、これらの関連付け情報を記憶して、物体の名前を学習し、物体が新規な物体であるか否かを判断するロボットが提案されている。これは、人の声の音響的特徴と顔の一部分の形態的特徴を用いるものである。(特許文献1参照)   There are many methodologies for discriminating given data, but the development of discriminative learning machines using the kernel method represented by SVM (Support Vector Machine) supports various fields. Giving. Prior to the introduction of kernel method and machine learning, discriminating machines project given high-dimensional data into a low-dimensional space that well reflects its characteristics, and then extract a small number of parameters that are useful for discrimination. Met. For example, a robot has been proposed that acquires the name and feature data of a target object, stores the association information, learns the name of the object, and determines whether the object is a new object. This uses the acoustic features of a human voice and the morphological features of a part of the face. (See Patent Document 1)

また、時空間系列データのグループ判別の応用として、故障診断法があるが、これについては時系列解析、周波数スペクトル解析、空間領域解析、またはこれらの組み合わせによる解析が主であり、そのなかでも周波数スペクトル解析は、回転・振動機構の故障診断に多く使用されている。周波数スペクトル解析法では、半値幅法などの注目するモードの周波数ピークから少数の特徴量を抽出し、それらの特徴量からそのモードの性質を調べている。   In addition, there is a fault diagnosis method as an application of time-series data group discrimination. This is mainly time-series analysis, frequency spectrum analysis, spatial domain analysis, or a combination of these, including frequency. Spectral analysis is often used for fault diagnosis of rotation / vibration mechanisms. In the frequency spectrum analysis method, a small number of feature amounts are extracted from the frequency peak of the mode of interest such as the half-width method, and the properties of the mode are examined from these feature amounts.

高圧ガス圧力調整器の故障診断について考えると、消費者数の多さ、高圧ガスの危険性等から、ガス供給機器の定常的保安は必須である。高圧ガス圧力調整器はガス供給機器の一つであり、その内部に設置されたゴム膜の上下運動のよるフィードバック系により、高圧ガスタンク内の圧力を家庭内ガス機器において安全に使用できる圧力まで減圧調整する。しかし、ごく稀に使用期限内の調整器であるにも関わらずその内部で異常な振動を起こすことが報告されている。ただし、強い防爆性のため調整器内部のゴム膜を直接観測することはできない。調整器の故障検知にはレーザードップラー振動計を用いた方法があるが、この計器は高価で重く使用法が煩雑である。そこで発明者達は安価・小型・軽量で、かつ簡易に使用できるゴム振動膜の計測システムを開発した。(特許文献2参照)   Considering the failure diagnosis of the high-pressure gas pressure regulator, steady security of the gas supply equipment is essential due to the large number of consumers and the danger of high-pressure gas. The high-pressure gas pressure regulator is one of the gas supply devices, and the pressure in the high-pressure gas tank is reduced to a pressure that can be safely used in home gas devices by a feedback system based on the vertical movement of the rubber film installed inside it. adjust. However, it has been reported that, in rare cases, an abnormal vibration occurs inside the regulator even though it is within the expiration date. However, the rubber film inside the regulator cannot be observed directly because of its strong explosion-proof property. There is a method using a laser Doppler vibrometer to detect the failure of the regulator, but this instrument is expensive, heavy and complicated to use. Therefore, the inventors have developed a measurement system for a rubber diaphragm that is inexpensive, small, lightweight, and can be used easily. (See Patent Document 2)

特開2003−255989号公報(段落0014〜0285、図1〜図25)JP 2003-255989 A (paragraphs 0014 to 0285, FIGS. 1 to 25) 特開2006−39626号公報(段落0018〜0049、図1〜図7)JP 2006-39626 A (paragraphs 0018 to 0049, FIGS. 1 to 7)

しかし、振動スペクトルから少数の特徴量を抽出する従来のスペクトル解析法では判別が難しい場合がある。例えば、上記システムを用いて計測したゴム膜振動データは、ガスの乱流による強いノイズや振動計測方式の非線形性の影響のため従来のスペクトル解析法では診断を行なうことは難しい。加えて、ガス流量の変化による振動レベルの変化は、ゴム膜の劣化により引き起こされる振動の変化よりも計測データに対して影響を与える。さらに、正常な調整器と劣化した調整器の周波数スペクトルの違いは微妙である。結果として、従来の半値幅法や線形判別などの手法ではゴム膜の劣化を早期に発見し、圧力調整器の安全予防の監視に役立つような診断性能を得ることは難しい。   However, it may be difficult to discriminate by a conventional spectrum analysis method that extracts a small number of features from a vibration spectrum. For example, rubber film vibration data measured using the above system is difficult to diagnose with a conventional spectrum analysis method due to the influence of strong noise due to gas turbulence and the nonlinearity of vibration measurement methods. In addition, a change in vibration level due to a change in gas flow rate has an effect on measurement data rather than a change in vibration caused by the deterioration of the rubber film. Furthermore, the difference in frequency spectrum between normal and degraded regulators is subtle. As a result, it is difficult for conventional methods such as the half-width method and linear discrimination to detect the deterioration of the rubber film at an early stage and obtain a diagnostic performance that is useful for monitoring safety prevention of the pressure regulator.

一方、カーネル法による判別方法は与えられた高次元データをさらに次元の高い空間に射影し、その空間の中で線形判別器を構成するものである。カーネル法は、画像、文書、音声分類、データマイニング、バイオインフォマティクスなどの多様な分野で成功を収めている。そこで、振動スペクトルから少数の特徴量を抽出するのではなく、スペクトル全体の形状をSVMに学習させることにより、従来見過ごされてきた周波数スペクトルの微妙な差異を抽出でき、ゴム膜の劣化等の診断に役立つのではないかと考えられる。   On the other hand, the discrimination method based on the kernel method projects the given high-dimensional data to a higher-dimensional space and constitutes a linear discriminator in the space. The kernel method has been successful in various fields such as images, documents, speech classification, data mining, and bioinformatics. Therefore, rather than extracting a small number of features from the vibration spectrum, the SVM learns the shape of the entire spectrum, so that it is possible to extract subtle differences in the frequency spectrum that have been overlooked in the past, and to diagnose deterioration of the rubber film, etc. It is thought that it may be useful.

本発明は、パワースペクトルから少数の特徴量を抽出するのではなく、スペクトル全体の形状をSVMに学習させ、スペクトル全体から差異を見出すことにより、新たなグループ判別装置及びグループ判別方法を提供することを目的とする。また、その応用として、ゴム膜の劣化を早期に発見でき、圧力調整器の安全予防の監視に役立つような、新規なグループ判別装置及びグループ判別方法を提供することを目的とする。   The present invention provides a new group discriminating apparatus and group discriminating method not by extracting a small number of feature quantities from a power spectrum but by learning the shape of the whole spectrum by SVM and finding a difference from the whole spectrum. With the goal. Another object of the present invention is to provide a new group discriminating apparatus and group discriminating method that can detect deterioration of a rubber film at an early stage and are useful for monitoring safety prevention of a pressure regulator.

上記問題を解決するため、振動スペクトルから少数の特徴量を抽出するのではなく、スペクトル全体の形状をSVMに学習させる。また、カーネル関数としてKullback−Leibler(KL)情報量に基づき設計されたKLカーネルに注目する。KL情報量は2つの確率分布間の距離を表すために頻繁に用いられる指標であるが、本発明ではこれをスペクトル間の類似度を測るカーネルとして用い、グループ判別装置及びグループ判別方法に適用するものである。グループ判別においてはカーネルトリックと呼ばれる計算技法を用いて計算時間の短縮を達成している。   In order to solve the above problem, the SVM is made to learn the shape of the entire spectrum instead of extracting a small number of features from the vibration spectrum. Also, pay attention to the KL kernel designed based on the Kullback-Leibler (KL) information amount as the kernel function. The amount of KL information is an index that is frequently used to represent the distance between two probability distributions. In the present invention, this is used as a kernel for measuring the similarity between spectra, and is applied to a group discrimination device and a group discrimination method. Is. In group discrimination, calculation time is shortened by using a calculation technique called kernel trick.

請求項1に記載のグループ判別装置は、例えば図1に示すように、時空間系列データを入力データとして、時空間系列データから離散パワースペクトルを推定するスペクトル推定手段2と、離散パワースペクトルを正規化して正規化ヒストグラムを形成する正規化手段3と、正規化ヒストグラムにおける特徴ベクトルをグループに対応付けて記憶可能なヒストグラム記憶手段4と、特徴ベクトルを高次元の特徴空間に線形写像又は非線形写像するカーネル関数を用いて特徴空間において特徴ベクトルを分類する判別超平面を形成するサポートベクトルマシーン6を有し、サポートベクトルマシーン6を用いてヒストグラム記憶手段4に記憶された学習用時空間系列データの特徴ベクトルと当該特徴ベクトルに係る既知の所属グループで前記判別超平面を形成する判別超平面生成手段5と、判別超平面生成手段5により形成された判別超平面を用いて、所属グループが未定の計測対象時空間系列データについて、いずれのグループに属するかを判別する判別手段7とを備える。   As shown in FIG. 1, for example, the group discriminating apparatus according to claim 1 has a spectrum estimating means 2 for estimating a discrete power spectrum from the spatiotemporal sequence data using the spatiotemporal sequence data as input data, and normalizing the discrete power spectrum. Normalization means 3 for generating a normalized histogram, histogram storage means 4 capable of storing a feature vector in the normalized histogram in association with a group, and linearly or nonlinearly mapping the feature vector into a high-dimensional feature space Features of learning space-time series data having a support vector machine 6 forming a discrimination hyperplane for classifying feature vectors in a feature space using a kernel function and stored in the histogram storage means 4 using the support vector machine 6 The vector and the known group belonging to the feature vector Using the discriminant hyperplane generating means 5 for forming the hyperplane and the discriminant hyperplane formed by the discriminant hyperplane generating means 5, it is determined which group the group to which the group belongs is not yet determined And a discriminating means 7 for discriminating.

ここにおいて、時空間系列データは時系列データ及び空間系列データを含む。時系列データは音、光、電気信号などの周波数成分を有するものが含まれ、空間系列データは画像、模様などの空間周波数成分を有するものが含まれる。また、入力データには、学習用データと未定データの両者が含まれる。また、離散パワースペクトルには対数変換やアフィン変換等の変数変換したものを含むものとする。また、スペクトル推定手段として、AR法(自己回帰法)、ピリオドグラム法等の統計的スペクトル推定法を使用可能である。また、離散パワースペクトルの周波数値の離散の程度は通常ピリオドグラム法で使用される程度で良く、さらに細かくても良い。また、ヒストグラム記憶手段はグループに対応付けて記憶可能なので、対応付けずに記憶する場合もある。このように構成すると、抽出されたスペクトルのある一部の特徴量に限られず、スペクトル全体の形状をSVMに学習させ、スペクトル全体から差異を見出すことにより、新たなグループの判別が可能となる。また、これを対象製品の劣化の判別に適用すれば、差異を早期に発見でき、安全予防の監視に役立つ、新規なグループ判別装置を提供できる。   Here, the space-time series data includes time-series data and space-series data. The time series data includes data having frequency components such as sound, light, and electric signals, and the space series data includes data having spatial frequency components such as images and patterns. The input data includes both learning data and undetermined data. In addition, the discrete power spectrum includes those obtained by variable transformation such as logarithmic transformation and affine transformation. Further, as a spectrum estimation means, a statistical spectrum estimation method such as an AR method (autoregressive method) or a periodogram method can be used. Further, the degree of discreteness of the frequency values of the discrete power spectrum may be that normally used in the periodogram method, and may be finer. Further, since the histogram storage means can store the information in association with the group, it may be stored without the association. With such a configuration, it is possible to discriminate a new group by allowing the SVM to learn the shape of the whole spectrum and finding a difference from the whole spectrum, without being limited to a certain feature amount of the extracted spectrum. Moreover, if this is applied to the determination of the deterioration of the target product, it is possible to provide a new group determination device that can find the difference at an early stage and is useful for safety prevention monitoring.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のグループ判別装置において、カーネル関数がKLカーネル関数、χ2乗カーネル関数、ガウシアンカーネル関数、ポジティブデファインカーネル関数、多項式カーネル関数のいずれかである。このように構成すると、特にKLカーネル関数では、スペクトルピークの減衰率、半値幅、対称性、スペクトルピーク間のスペクトルの形状などのスペクトル間の微小な差異を検出する能力が他のカーネルに比べ、KLカーネルが長けているためであると考えられるため判別の確率が高い。ここに列挙した他のカーネル関数についても、従来法に比して判別の確率が高い。   The invention according to claim 2 is the group discriminating device according to claim 1, wherein the kernel function is any one of a KL kernel function, a chi-square kernel function, a Gaussian kernel function, a positive defined kernel function, and a polynomial kernel function. is there. When configured in this way, especially in the KL kernel function, the ability to detect minute differences between spectra such as spectral peak attenuation rate, half-width, symmetry, and shape of the spectrum between spectral peaks, compared to other kernels, The probability of discrimination is high because it is considered that the KL kernel is good. The other kernel functions listed here also have a higher discrimination probability than the conventional method.

また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載のグループ判別装置において、スペクトル推定手段2は、AR法(自己回帰法)、移動平均ピリオドグラム法のいずれかを用いて時空間系列データから離散パワースペクトルを推定する。このように構成すると、判別の確率が高い。   The invention described in claim 3 is the group discriminating apparatus according to claim 1 or 2, wherein the spectrum estimation means 2 uses either the AR method (autoregressive method) or the moving average periodogram method. The discrete power spectrum is estimated from the spatiotemporal series data. With this configuration, the probability of determination is high.

また、請求項4に記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のグループ判別装置において、サポートベクトルマシーン6は、判別超平面を複数回形成することにより、時空間系列データを3以上のグループに分類する。このように構成すると、例えば製品を正常、中間、異常の複数のグループへの分類が可能となり、中間のものを要注意製品として監視可能である。また、異常の原因が複数種ある場合に、原因別に分類可能である。   According to a fourth aspect of the present invention, in the group discriminating apparatus according to any one of the first to third aspects, the support vector machine 6 forms a discriminant hyperplane a plurality of times, thereby forming a spatiotemporal space. Classify series data into 3 or more groups. With this configuration, for example, products can be classified into a plurality of normal, intermediate, and abnormal groups, and intermediate products can be monitored as products requiring attention. In addition, when there are a plurality of types of abnormal causes, they can be classified by cause.

また、請求項5に記載のグループ判別方法は、例えば図4に示すように、学習用時空間系列データと当該特徴ベクトルに係る既知の所属グループを入力データとして、学習用時空間系列データから第1の離散パワースペクトルを推定する第1のスペクトル推定工程(S003)と、第1の離散パワースペクトルを正規化して第1の正規化ヒストグラムを形成する第1の正規化工程(S004)と、第1の正規化ヒストグラムにおける第1の特徴ベクトルをグループに対応付けて記憶する第1のヒストグラム記憶工程(S005)と、特徴ベクトルを高次元の特徴空間に線形写像又は非線形写像するカーネル関数を用いて前記特徴空間において特徴ベクトルを分類する判別超平面を形成するサポートベクトルマシーンを用いて、第1のヒストグラム記憶工程において記憶された特徴ベクトルと当該特徴ベクトルに係る既知の所属グループで判別超平面を形成する判別超平面生成工程(S006)と、所属グループが未定の計測対象時空間系列データを入力データとして、計測対象時空間系列データから第2の離散パワースペクトルを推定する第2のスペクトル推定工程(S013)と、第2の離散パワースペクトルを正規化して第2の正規化ヒストグラムを形成する第2の正規化工程(S014)と、第2の正規化ヒストグラムにおける第2の特徴ベクトルを記憶する第2のヒストグラム記憶工程(S015)と、第2のヒストグラム記憶工程において記憶された第2の特徴ベクトルと判別超平面生成工程において形成された判別超平面を用いて、計測対象時空間系列データについて、いずれのグループに属するかを判別する判別工程(S016)とを備える。   In addition, as shown in FIG. 4, for example, the group discrimination method according to claim 5 uses the learning space-time sequence data and the known belonging group related to the feature vector as input data. A first spectrum estimation step (S003) for estimating one discrete power spectrum, a first normalization step (S004) for normalizing the first discrete power spectrum to form a first normalized histogram, A first histogram storing step (S005) for storing a first feature vector in one normalized histogram in association with a group, and a kernel function for linearly mapping or nonlinearly mapping the feature vector into a high-dimensional feature space. A first histogram using a support vector machine forming a discriminant hyperplane for classifying feature vectors in the feature space; A discriminant hyperplane generating step (S006) for forming a discriminant hyperplane with the feature vector stored in the program memory step and the known group belonging to the feature vector, and the measurement target spatio-temporal series data whose group is undetermined as input data As a second spectrum estimation step (S013) for estimating the second discrete power spectrum from the measurement target spatiotemporal data, the second discrete power spectrum is normalized to form a second normalized histogram. Normalization step (S014), second histogram storage step (S015) for storing the second feature vector in the second normalized histogram, and second feature vector stored in the second histogram storage step Using the discriminant hyperplane formed in the discriminant hyperplane generation process, And a determination step of determining whether belong to any group (S016).

ここにおいて、判別超平面生成工程(S006)及び判別工程(S016)においてはカーネルトリックと呼ばれる計算技法を用いて計算を効率よく行う。このように構成すると、抽出されたスペクトルのある一部の特徴量に限られず、スペクトル全体の形状をSVMに学習させ、スペクトル全体から差異を見出すことにより、新たなグループの判別が可能となる。これを対象製品の劣化の判別に適用すれば、差異を早期に発見でき、安全予防の監視に役立つ、新規なグループ判別方法を提供できる。   Here, in the discrimination hyperplane generation step (S006) and the discrimination step (S016), calculation is efficiently performed using a calculation technique called kernel trick. With such a configuration, it is possible to discriminate a new group by allowing the SVM to learn the shape of the whole spectrum and finding a difference from the whole spectrum, without being limited to a certain feature amount of the extracted spectrum. If this is applied to the determination of the deterioration of the target product, a difference can be detected at an early stage, and a new group determination method useful for safety prevention monitoring can be provided.

本発明によれば、パワースペクトルから少数の特徴量を抽出するのではなく、スペクトル全体の形状をSVMに学習させ、スペクトル全体から差異を見出すことにより、新たなグループ判別装置及びグループ判別方法を提供できる。また、これをゴム膜の劣化の判別に適用すれば、劣化を早期に発見でき、圧力調整器の安全予防の監視に役立つような、新規なグループ判別装置及びグループ判別方法を提供できる。   According to the present invention, a new group discriminating apparatus and a group discriminating method are provided by allowing SVM to learn the shape of the entire spectrum instead of extracting a small number of features from the power spectrum and finding a difference from the entire spectrum. it can. Moreover, if this is applied to the determination of the deterioration of the rubber film, it is possible to provide a novel group determination device and group determination method that can detect the deterioration at an early stage and are useful for monitoring safety prevention of the pressure regulator.

以下に図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

[第1の実施の形態]
図1に第1の実施の形態におけるグループ判別装置の構成例を示す。図1において、グループ判別装置1は、パーソナルコンピュータで構成可能であり、解析及び演算を行なう解析演算部21、メモリーを有し記憶を行なう記憶部22、外部の計測システム8、センサーなどからデータを入力する或いは利用者がキーボード等からデータを入力するデータ入力部23、ディスプレイ等を有し表示を行なう表示部24、プリンター等を有し印刷等の出力を行なう出力部25、グループ判別装置1全体の制御を行ないグループ判別装置としての機能を発揮させる制御部26とを有する。また、解析演算部21はスペクトル推定手段2、正規化手段3、判別超平面生成手段5、判別手段7を有し、記憶部22はヒストグラム記憶手段4を有する。また、本実施の形態では、データ入力部23は、高圧ガス圧力調整器のダイヤフラム(ゴム膜)の振動を計測システム8としてのゴム膜振動計測システムで計測したデータを入力する。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows an example of the configuration of the group discrimination apparatus in the first embodiment. In FIG. 1, the group discriminating apparatus 1 can be constituted by a personal computer, and receives data from an analysis calculation unit 21 that performs analysis and calculation, a storage unit 22 that has a memory and stores, an external measurement system 8, a sensor, and the like. A data input unit 23 for inputting data or a user inputting data from a keyboard or the like, a display unit 24 having a display or the like for display, an output unit 25 having a printer or the like for performing printing or the like, and the entire group discrimination device 1 And a control unit 26 that performs the above control and exerts the function as a group discrimination device. The analysis calculation unit 21 includes a spectrum estimation unit 2, a normalization unit 3, a discrimination hyperplane generation unit 5, and a discrimination unit 7, and the storage unit 22 includes a histogram storage unit 4. In the present embodiment, the data input unit 23 inputs data obtained by measuring the vibration of the diaphragm (rubber film) of the high-pressure gas pressure regulator with the rubber film vibration measurement system as the measurement system 8.

スペクトル推定手段2は、入力データとしての時空間系列データから離散パワースペクトルを推定する。ここでは、センサーとしてのマイクロフォン40により検出された時系列データからパワースペクトルを推定する。正規化手段3は離散パワースペクトルから正規化されたヒストグラムを生成する。ヒストグラム記憶手段4は正規化ヒストグラムにおける特徴ベクトルをグループに対応付けて記憶可能である。判別超平面生成手段5はサポートベクトルマシーン6を有する。このサポートベクトルマシーン6は、特徴ベクトルを高次元の特徴空間に線形写像又は非線形写像するカーネル関数を用いて、特徴空間において特徴ベクトルを分類するための判別超平面を形成するもので、ここでは、ヒストグラム記憶手段4に記憶された学習用時空間系列データの特徴ベクトルと当該特徴ベクトルに係る既知の所属グループで判別超平面を形成して複数のグループに分類する。判別手段7は、判別超平面生成手段5により形成された判別超平面を用いて、所属グループが未定の時空間系列データについて、いずれのグループに属するかを判別する。本実施の形態では簡単のためグループ数は2とする。   The spectrum estimation means 2 estimates a discrete power spectrum from the spatiotemporal sequence data as input data. Here, the power spectrum is estimated from the time series data detected by the microphone 40 as a sensor. The normalizing means 3 generates a normalized histogram from the discrete power spectrum. The histogram storage means 4 can store the feature vectors in the normalized histogram in association with the groups. The discrimination hyperplane generation means 5 has a support vector machine 6. This support vector machine 6 forms a discriminant hyperplane for classifying feature vectors in the feature space using a kernel function that linearly maps or nonlinearly maps the feature vectors into a high-dimensional feature space. A discrimination hyperplane is formed by the feature vectors of the learning time-space series data stored in the histogram storage means 4 and the known group belonging to the feature vectors, and is classified into a plurality of groups. The discrimination means 7 uses the discrimination hyperplane formed by the discrimination hyperplane generation means 5 to discriminate which group the belonging group belongs to the undetermined space-time series data. In this embodiment, the number of groups is 2 for simplicity.

図2に本実施の形態における計測対象製品としての高圧ガス圧力調整器30の構成例を断面図で示す。高圧ガス圧力調整器には様々な型があるが、その原理と基本機構は同じである。ここでは単段式圧力調整器の例を説明する。例えば、高圧ガス容器内の圧力は許容最大値で1.56MPa、許容最小値で0.07MPaで高圧であり、圧力調整器30はこれらの高圧ガスを給湯器やコンロなどの家庭用ガス燃焼器で使用できる2.8±0.5kPaまで減圧調整する。その機構はダイヤフラム(ゴム膜)31で隔てられた大気圧側の空気室32と減圧室33間の差圧とバネ34により、復元力をバランスさせることによりゴム弁35の開度を調整するものである。減圧室33内の圧力が目標値より高くなると、ダイヤフラム31が押し上げられ、その変位がリンク36を介してゴム弁35とノズル37の間隔を狭めガス流量を絞る。他方、減圧室33内の圧力が目標値より低くなると、ダイヤフラム31が下がり、ゴム弁35とノズル37の間隔が広がり、ガス流量が増加する。圧力調整器はこのようなフィードバック系として構成されている。なお、38は空気室32と大気の連通を維持する通気口であり、39Aは高圧ガスの圧力調整器への入口、39Bは減圧されたガスの出口である。   FIG. 2 is a sectional view showing a configuration example of the high-pressure gas pressure regulator 30 as a measurement target product in the present embodiment. There are various types of high-pressure gas pressure regulators, but the principle and basic mechanism are the same. Here, an example of a single-stage pressure regulator will be described. For example, the pressure in the high-pressure gas container is 1.56 MPa as the maximum allowable value and 0.07 MPa as the minimum allowable value, and the pressure regulator 30 uses these high-pressure gases as household gas combustors such as water heaters and stoves. The pressure is adjusted to 2.8 ± 0.5 kPa, which can be used in the above. The mechanism adjusts the opening degree of the rubber valve 35 by balancing the restoring force by the differential pressure between the air chamber 32 and the decompression chamber 33 on the atmospheric pressure side separated by the diaphragm (rubber film) 31 and the spring 34. It is. When the pressure in the decompression chamber 33 becomes higher than the target value, the diaphragm 31 is pushed up, and the displacement narrows the gap between the rubber valve 35 and the nozzle 37 via the link 36 to reduce the gas flow rate. On the other hand, when the pressure in the decompression chamber 33 becomes lower than the target value, the diaphragm 31 is lowered, the interval between the rubber valve 35 and the nozzle 37 is widened, and the gas flow rate is increased. The pressure regulator is configured as such a feedback system. Reference numeral 38 denotes a vent for maintaining communication between the air chamber 32 and the atmosphere, 39A denotes an inlet to the pressure regulator for high-pressure gas, and 39B denotes an outlet for the decompressed gas.

高圧ガス圧力調整器の故障原因と故障モードは多様である。例えば寒冷地においては、圧力調整器30の空気室32に結露した水が凍結し、ダイヤフラム31の動きを阻害しフィードバック系の機能不全を起こすことがある。また、例えば高圧ガスが減圧室33内で再液化し、フィードバック系を乱したり、高圧ガスの侵食によりダイヤフラム31の劣化を早めたりする。ただし、これらの故障は人間の聴覚で検知できる。本実施の形態では、従来の検査方法で検知できなかったダイヤフラム31の劣化に伴う異常振動を早期に発見する診断方法を説明する。   There are various causes and failure modes of high-pressure gas pressure regulators. For example, in a cold region, water condensed in the air chamber 32 of the pressure regulator 30 may freeze, hindering the movement of the diaphragm 31 and causing a malfunction of the feedback system. Further, for example, the high pressure gas is reliquefied in the decompression chamber 33, disturbing the feedback system, or accelerating the deterioration of the diaphragm 31 due to the erosion of the high pressure gas. However, these failures can be detected by human hearing. In the present embodiment, a diagnostic method for early detection of abnormal vibration associated with deterioration of the diaphragm 31 that could not be detected by a conventional inspection method will be described.

圧力調整器30内のゴム材は温度変化や振動などの環境・動作ストレスにより劣化する。ゴムの劣化プロセスは二つあり、一つはゴムを構成する物質の温度変化をストレスとする昇華に伴う硬化、もう一つは振動などの力学的ストレスによるゴム高分子の破断による軟化であり、両者共ゴムの防振特性を表す損失係数の減少を導く。ダイヤフラム31は高圧ガスのシーリングだけでなく、圧力調整フィードバック系のダンパの役割も果たし、ゴムの劣化はこのダンピングを小さくする。このダンピングの減少はフィードバック系における不安定現象を引き起こし振動を誘発する。この兆候は劣化の早期状態では軽微であり、人の聴覚では検知できない。   The rubber material in the pressure regulator 30 deteriorates due to environmental / operational stress such as temperature change and vibration. There are two degradation processes of rubber, one is hardening due to sublimation stressed by temperature change of the material that constitutes rubber, and the other is softening due to breakage of rubber polymer due to mechanical stress such as vibration, Both lead to a reduction in the loss factor that represents the anti-vibration properties of the rubber. Diaphragm 31 serves not only to seal high-pressure gas but also as a damper of a pressure adjustment feedback system, and rubber deterioration reduces this damping. This reduction in damping causes instability in the feedback system and induces vibrations. This sign is minor in the early stages of deterioration and cannot be detected by human hearing.

図3に本実施の形態における計測システムとしてのゴム膜振動計測システム8の構成例を示す。ここに、ゴム膜振動計測システム8はマイクロフォン40、半密閉容器41、バンドパスフィルタ42、ノッチフィルタ43、増幅器44で構成される。現場で容易に使えるように、また、圧力調整器30を分解できないことから、空気室32に設けられている通気口38からの空気流の変化に伴う圧力変動を検出する方式を採用した。空気室32全体を被う半密閉容器41を圧力調整器30の上部に置き、空気流により変化する容器内の圧力を容器内に設置された安価で小型な低周波広帯域マイクロフォン40で検出する。容器を密閉しない理由は空気室32と大気の連通を維持するためである。振動空気成分は圧力調整器30の非線形性のために波形が歪む。この信号を例えば5Hz〜500Hzのバンドパスフィルタ42を通し、ノッチフィルタ43を通して商用電源ノイズ(例えば50Hz)を除去した後、増幅器44で増幅して、グループ判別装置1に入力する。なお、45はガスの流路となるゴムホースである。これにより、安価、軽量かつ簡易に使用可能な可搬型の計測手段が構成される。   FIG. 3 shows a configuration example of a rubber film vibration measuring system 8 as a measuring system in the present embodiment. Here, the rubber film vibration measurement system 8 includes a microphone 40, a semi-hermetic container 41, a band pass filter 42, a notch filter 43, and an amplifier 44. Since the pressure regulator 30 cannot be disassembled so that it can be easily used in the field, a method of detecting a pressure fluctuation accompanying a change in the air flow from the vent 38 provided in the air chamber 32 is adopted. A semi-sealed container 41 that covers the entire air chamber 32 is placed on the pressure regulator 30, and the pressure in the container that changes due to the air flow is detected by an inexpensive and small low-frequency broadband microphone 40 that is installed in the container. The reason for not sealing the container is to maintain communication between the air chamber 32 and the atmosphere. The waveform of the oscillating air component is distorted due to the non-linearity of the pressure regulator 30. This signal is passed through a band-pass filter 42 of 5 Hz to 500 Hz, for example, and commercial power supply noise (for example, 50 Hz) is removed through the notch filter 43. Then, the signal is amplified by the amplifier 44 and input to the group discrimination device 1. Reference numeral 45 denotes a rubber hose serving as a gas flow path. This constitutes a portable measuring means that is inexpensive, lightweight, and can be used easily.

次に本実施の形態におけるグループ判別装置を用いたグループ判別方法について説明する。なお、本実施の形態では、グループは正常グループと異常グループの2グループとし、入力データは時系列データとした。   Next, a group discrimination method using the group discrimination apparatus in the present embodiment will be described. In the present embodiment, the groups are two groups, a normal group and an abnormal group, and the input data is time series data.

図4に本実施の形態におけるグループ判別方法の処理フロー例を示す。処理フローは左側の学習工程と右側の判別工程とに大別される。学習工程とは所属グループが既知である学習用時空間系列データを用いてグループ判別装置にデータとグループの対応関係を学習させ、学習した対応関係が成立するようにグループ分けする判別超平面を生成する工程である。判別工程はグループ判別装置が生成した判別超平面を用いて、グループが未定の計測対象時空間系列データの所属グループを判別する工程である。   FIG. 4 shows an example of a processing flow of the group discrimination method in the present embodiment. The processing flow is roughly divided into a learning process on the left side and a discrimination process on the right side. The learning process uses the spatiotemporal data for learning whose group is known to make the group discriminator learn the correspondence between the data and the group, and generates a discriminant hyperplane that groups them so that the learned correspondence is established. It is a process to do. The discrimination step is a step of discriminating a group to which the measurement target spatio-temporal series data whose group is undetermined is determined using the discrimination hyperplane generated by the group discrimination device.

まず、学習工程か判別工程かを選択する(選択工程:S001)。学習工程であれば、所属グループが既知の学習用時空間系列データをグループに対応付けて入力する(学習用データ取得工程:S002。本実施の形態では、4台の未使用の調整器(以下、正常品といい、正常グループに所属する)、3台の使用期限を3年以上過ぎた調整器、1台のJIS規格に定められたゴム加熱加速加齢試験法により30日間の加熱試験をしたゴム膜をダイヤフラム31に使用した調整器(合わせて劣化品といい異常グループに所属する)、合計8台の圧力調整器30を用いてゴム膜振動計測システム8にて計測を行ない、そのデータをグループ判別装置1のデータ入力部23に入力した。この際、各圧力調整器において、200L/h,400L/h,600L/h,800L/h,1000L/hの流量で各4回の計測データをサンプリングタイム1msで取得した。すなわち、正常品の80データと劣化品の80データを含む計160データを得た。取得データはグループに対応付けて記憶部22に記憶した。   First, a learning process or a discrimination process is selected (selection process: S001). If it is a learning process, the learning space-time series data with which the belonging group is known is input in association with the group (learning data acquisition process: S002. In the present embodiment, four unused adjusters (hereinafter referred to as "adjustment"). A normal product, belonging to a normal group), a regulator that has passed the expiration date of 3 units for more than 3 years, and a 30-day heating test using the rubber accelerating aging test method stipulated in the JIS standard. The rubber film vibration measurement system 8 uses the adjusted rubber film for the diaphragm 31 (which belongs to an abnormal group called a deteriorated product) and a total of eight pressure regulators 30 to measure the data. Is input to the data input unit 23 of the group discriminating apparatus 1. At this time, each pressure regulator is operated four times at a flow rate of 200 L / h, 400 L / h, 600 L / h, 800 L / h, and 1000 L / h. The measurement data obtained at the sampling time 1 ms. In other words, to obtain a total of 160 data including 80 data 80 data and degradation products of normal products. Acquired data is stored in association with the group in the storage unit 22.

次に、スペクトル推定手段2において、学習用データ取得工程において取得された学習用時空間系列データから第1の離散パワースペクトルを推定し(第1のスペクトル推定工程:S003)、正規化手段3において、第1の離散パワースペクトルを正規化して第1の正規化ヒストグラムを形成する(第1の正規化工程:S004)。離散パワースペクトルを推定し、正規化ヒストグラムを形成するために、6つの方法を比較検討した。1つ目の推定方法により得られた特徴ベクトルは、Yule−Walker法により推定された1次から30次までのAR係数を使用し(表1ではARcと表示)、それぞれの係数をx=[x(1),…,x(30)](Tは転置ベクトルを示す)として構成した。AR係数はスペクトルではないが、時系列の分類に頻繁に用いられることから、比較のために使用した。2つ目の推定方法により得られた特徴ベクトルは、離散フーリエ変換により推定し正規化されたピリオドグラムを使用し(表1ではPGと表示)、1Hzから500Hzまで1Hz毎にx=[x(1),…,x(500)]として構成した。3つ目の推定方法により得られた特徴ベクトルは、AR法により推定し、正規化されたスペクトルを使用して構成した(表1ではARと表示)。ここでのAR次数はAIC(赤池情報量規準)の意味で最適なものを選択した(算出法については、赤池弘次、中川東一著、「ダイナミックシステムの統計的解析と制御」、株式会社サイエンス社発行、参照)。特徴ベクトルの構成はピリオドグラムの場合と同様である。4〜6番目の推定方法により得られた特徴ベクトルはそれぞれ、5点、30点、60点移動平均により平滑化した後に正規化されたピリオドグラムを使用して構成した(表1ではMA1〜3と表示)。 Next, the spectrum estimation unit 2 estimates the first discrete power spectrum from the learning spatio-temporal sequence data acquired in the learning data acquisition step (first spectrum estimation step: S003), and the normalization unit 3 The first discrete power spectrum is normalized to form a first normalized histogram (first normalization step: S004). Six methods were compared to estimate the discrete power spectrum and form a normalized histogram. The feature vector obtained by the first estimation method uses the first to thirty-order AR coefficients estimated by the Yule-Walker method (shown as ARc in Table 1), and each coefficient is expressed as x i = [X i (1),..., X i (30)] T (T represents a transposed vector). The AR coefficient is not a spectrum, but is used for comparison because it is frequently used for time series classification. The feature vector obtained by the second estimation method uses a periodogram estimated by the discrete Fourier transform and normalized (indicated as PG in Table 1), and x i = [x every 1 Hz from 1 Hz to 500 Hz. i (1), ..., was constructed as x i (500)] T. The feature vector obtained by the third estimation method was estimated by the AR method and constituted by using a normalized spectrum (shown as AR in Table 1). The AR order here was chosen to be optimal in the meaning of the AIC (Akaike Information Criterion) (for calculation methods, Koji Akaike, Toichi Nakagawa, “Statistical Analysis and Control of Dynamic Systems”, Science Co., Ltd. Issued by the company). The structure of the feature vector is the same as that of the periodogram. The feature vectors obtained by the 4th to 6th estimation methods were constructed using periodograms normalized after smoothing by moving average of 5 points, 30 points and 60 points (in Table 1, MA1 to 3). Is displayed).

正規化は全データを統一した基準で扱えるようにするためである。例えば、ガス流量の違いはスペクトルのパワーレベルに大きな影響を与えるので、その流量による振幅変化の影響を無くすために、全パワーで正規化したスペクトルを用いる。   Normalization is for handling all data with a unified standard. For example, since the difference in gas flow rate has a great influence on the power level of the spectrum, in order to eliminate the influence of the amplitude change due to the flow rate, the spectrum normalized with the total power is used.

図5に正常品と劣化品から計測された振動をもとに算出した正規化したパワースペクトルをそれぞれ示す。図5(a)に正常品の周波数スペクトルを、図5(b)に劣化品の周波数スペクトルを示す。有効周波数範囲は5〜500Hzである。図には正常品と劣化品それぞれ80データのスペクトルを重ねて表示してある。また、これらのスペクトルはAICで最適な次数のAR法により推定した。これらのスペクトルは複数のピークを持つため、どのピークが診断に大きな影響を与えるのかを調べるのは難しい。また、正常品と劣化品のスペクトルの差異は一見して解りにくい。このため、従来の注目するモードの周波数ピークから少数の特徴量を抽出して調査する半値幅法などの適用は容易ではない。   FIG. 5 shows normalized power spectra calculated based on vibrations measured from a normal product and a deteriorated product. FIG. 5A shows a frequency spectrum of a normal product, and FIG. 5B shows a frequency spectrum of a deteriorated product. The effective frequency range is 5 to 500 Hz. In the figure, the spectrum of 80 data for each of the normal product and the deteriorated product is superimposed and displayed. Moreover, these spectra were estimated by the AR method of the optimal order with AIC. Since these spectra have multiple peaks, it is difficult to investigate which peaks have a large impact on the diagnosis. Also, the difference in spectrum between normal and degraded products is difficult to understand at a glance. For this reason, it is not easy to apply a half width method for extracting and investigating a small number of feature amounts from the frequency peak of the conventional mode of interest.

図6に正規化ヒストグラムから得られる特徴ベクトルの例を模式的に示す。横軸は周波数、縦軸は正規化されたパワースペクトルを示す。ここで、x(k)はある離散正規化スペクトルiのk番目の周波数成分であり、それらの要素により構成される特徴ベクトルはx=|x(1),…x(k)…x(M)|となる。x(k)はある離散正規化スペクトルjのk番目の周波数成分であり、それらの要素により構成される特徴ベクトルはx=|x(1),…x(k)…x(M)|となる。また、図5中のΔtはサンプリングタイム、Mは特徴ベクトルの要素数である。特徴ベクトルxと特徴ベクトルxのスペクトルが似ている場合は類似性が高く、似ていないときは類似性が低い。すなわち、正常製品同士、劣化製品同士は類似のスペクトルとなり、正常製品と劣化製品とはスペクトルのいずれかの部分で差異が生じるものと期待される。 FIG. 6 schematically shows an example of feature vectors obtained from the normalized histogram. The horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents the normalized power spectrum. Here, x i (k) is the k-th frequency component of a certain discrete normalized spectrum i, and the feature vector constituted by these elements is x i = | x i (1),... X i (k) ... x i (M) | becomes T. x j (k) is the k th frequency component of a discrete normalized spectral j, by their component including the feature vector x j = | x j (1 ), ... x j (k) ... x j (M) | T. Further, Δt in FIG. 5 is the sampling time, and M is the number of elements of the feature vector. When the spectrums of the feature vector x i and the feature vector x j are similar, the similarity is high, and when they are not similar, the similarity is low. That is, normal products and deteriorated products have similar spectra, and normal products and deteriorated products are expected to differ in any part of the spectrum.

次に、ヒストグラム記憶手段4において、第1の正規化ヒストグラムにおける第1の特徴ベクトルをグループに対応付けて記憶する(第1のヒストグラム記憶工程:S005)。本実施の形態では、それぞれの製品について第1の正規化ヒストグラムから得られる特徴ベクトルを、正常品の80データと劣化品の80データを含む計160データについて、正常グループと異常グループに分けて記憶した。   Next, the histogram storage means 4 stores the first feature vector in the first normalized histogram in association with the group (first histogram storage step: S005). In the present embodiment, feature vectors obtained from the first normalized histogram for each product are stored separately for a normal group and an abnormal group for a total of 160 data including 80 data for normal products and 80 data for degraded products. did.

次に、判別超平面生成手段5は、サポートベクトルマシーン6を用いて、第1のヒストグラム記憶工程において記憶された特徴ベクトルと当該特徴ベクトルに係る既知の所属グループで判別超平面を形成する(判別超平面生成工程:S006)。ここで、サポートベクトルマシーン6は、特徴ベクトルを高次元の特徴空間に線形写像又は非線形写像するカーネル関数を用いて前記特徴空間において特徴ベクトルを分類する判別超平面を形成する学習機械である。実際の判別超平面形成に必要な計算にはカーネルトリックと呼ばれる計算技法を用いて計算を効率よく行う。   Next, the discriminant hyperplane generating means 5 uses the support vector machine 6 to form a discriminant hyperplane by using the feature vector stored in the first histogram storing step and the known group belonging to the feature vector (discriminant hyperplane). Hyperplane generation step: S006). Here, the support vector machine 6 is a learning machine that forms a discrimination hyperplane that classifies feature vectors in the feature space using a kernel function that linearly maps or nonlinearly maps the feature vectors into a high-dimensional feature space. The calculation necessary for the actual discrimination hyperplane formation is performed efficiently using a calculation technique called kernel trick.

ここでサポートベクトルマシーン(SVM)とカーネル関数について簡単に説明する。SVMは2値クラス判別のための線形判別学習機(コンピュータ内に主としてソフトウエアで実現される)である。一般に与えられたデータセットが線形分離可能であればその判別超平面は無限個存在するが、SVMはマージン(判別超平面に一番近い学習用データと超平面との距離)が最大になる超平面を一意に決定できる。(「パターン認識と学習の統計学、2 カーネル法の理論と実際」、津田宏治、株式会社岩波書店発行、2003年4月11日初版発行 参照)   Here, the support vector machine (SVM) and the kernel function will be briefly described. The SVM is a linear discriminating learning machine (mainly implemented in software in a computer) for binary class discrimination. In general, if a given data set is linearly separable, there are infinite number of discriminating hyperplanes, but SVM has a maximum margin (the distance between learning data closest to the discriminating hyperplane and the hyperplane). A plane can be uniquely determined. (Refer to "Statistics of Pattern Recognition and Learning, 2 Theory and Practice of Kernel Method", published by Koji Tsuda, Iwanami Shoten Co., Ltd., published on April 11, 2003)

今、N個の入出力データのペア
を考える。このとき判別超平面は重み係数をw,定数をβとすると、
で表わすことができる。上式はその双対空間での最適化問題として(2)式として定式化できる。

ただし、αはラグランジェ乗数、Cは正規化パラメータ、<・>は内積とする。Cは判別超平面の複雑さと学習用データにおけるSVMの誤差のトレードオフを制御するパラメータである。ここで、SVMの非線形判別器への拡張のために入力ベクトル空間Xから特徴空間Zへの非線形写像Φ:X→Zを導入し、入力xとxの類似度をその空間内で<Φ(x)・Φ(x)>として定義できる。この内積を入力空間の関数として
表わすことができ、その関数K(x,x)をカーネル関数と呼ぶ。ここで、カーネル関数として陽に高次元超空間での内積の計算する必要がない関数を選ぶことで、類似度の計算量を大幅に削減できる。これがカーネルトリックと呼ばれる計算技法である。また(2)式を
と変更することでSVMは非線形判別器となる。つまり、カーネル関数を導入することはその非線形関数Φにより射影された高次元空間内で最大マージンをとる線形判別超平面を構築することと等しい。それゆえに、非線形SVMの判別能力はカーネル関数の選択に大きく依存する。
Now, N I / O data pairs
think of. In this case, if the discriminative hyperplane is w and the constant is β,
It can be expressed as The above equation can be formulated as equation (2) as an optimization problem in the dual space.

Here, α i is a Lagrange multiplier, C is a normalization parameter, and <•> is an inner product. C is a parameter that controls the trade-off between the complexity of the discrimination hyperplane and the SVM error in the learning data. Here, in order to extend the SVM to a nonlinear discriminator, a nonlinear mapping Φ: X → Z from the input vector space X to the feature space Z is introduced, and the similarity between the inputs x i and x j within the space is < Φ (x i ) · Φ (x j )>. This inner product as a function of the input space
The function K (x i , x j ) can be expressed as a kernel function. Here, by selecting a function that does not require the calculation of the inner product in the high-dimensional superspace as the kernel function, the calculation amount of the similarity can be greatly reduced. This is a calculation technique called kernel trick. Also, formula (2)
By changing the above, the SVM becomes a nonlinear discriminator. In other words, introducing a kernel function is equivalent to constructing a linear discriminant hyperplane that takes a maximum margin in a high-dimensional space projected by the nonlinear function Φ. Therefore, the discriminating ability of the nonlinear SVM largely depends on the selection of the kernel function.

次に、Kullback−Leiblerカーネル(KLカーネル)について簡単に説明する。KL情報量は2つの確率分布間の近さを測る指標として使用され、確率変数xと2つの確率分布p(x),q(x)の距離を
として定義する。この量は、2つの分布が同一であるときに0の値をとり、値が大きくなるほど2つの分布は遠くなると考えられる。ここで、カーネル関数は対称関数である必要があるため、以下の対称化KL情報量SDを考える。
aとbを定数とすると、KLカーネルは
として定義される。
Next, the Kullback-Leibler kernel (KL kernel) will be briefly described. The KL information amount is used as an index for measuring the proximity between two probability distributions, and the distance between the random variable x and the two probability distributions p (x) and q (x) is calculated.
Define as This amount takes a value of 0 when the two distributions are the same, and it is considered that the larger the value, the farther the two distributions are. Here, since the kernel function needs to be a symmetric function, the following symmetrized KL information amount SD is considered.
If a and b are constants, the KL kernel is
Is defined as

KLカーネルは2つの確率分布間の類似度を測るカーネルとして提案されている。画像の判別において離散コサイン変換により分解された画像成分に対して混合ガウスモデル(GMM)を当てはめた確率モデルを求め、その確率分布や統計量をKLカーネルへの入力としている。しかしながら、ここでは確率モデルでなく周波数スペクトルを取り扱っているため、この操作を行なう必然性はない。そこで、KLカーネルを本問題に適した形式に修正するため、以下のように再定義する。

ここで、x(k)は図6に示すように、ある離散正規化スペクトルiのk番目の周波数成分である。
The KL kernel has been proposed as a kernel that measures the similarity between two probability distributions. A probability model in which a mixed Gaussian model (GMM) is applied to an image component decomposed by discrete cosine transform in image discrimination is obtained, and the probability distribution and statistics are input to the KL kernel. However, since the frequency spectrum is handled here, not the stochastic model, this operation is not necessarily performed. Therefore, in order to correct the KL kernel to a format suitable for this problem, it is redefined as follows.

Here, x i (k) is the k-th frequency component of a certain discrete normalized spectrum i as shown in FIG.

サポートベクトルマシーン6は、KLカーネルを使用することにより、入力データを高次元の特徴空間に非線形写像し、特徴空間において入力データを分類する判別超平面を形成できる。したがって、判別超平面生成手段5はサポートベクトルマシーン6を用いて、ヒストグラム記憶手段4に記憶された学習用時空間系列データから生成された特徴ベクトルと当該特徴ベクトルに係る既知の所属グループで判別超平面を形成して正常グループと異常グループに分類することができる。KLカーネルの他に、ガウシアン、ラプラシアン、サブリニア、χ2乗カーネルを使用しても同様に判別超平面を作成でき、製品を正常グループと異常グループに分類することが可能である。ただし、KLカーネルが他のカーネルに比して高い判別能力を有するのは、スペクトルピークの減衰率、半値幅、対称性などのスペクトル間の微小な差異を検出する能力が長けているためと考えられる。   By using the KL kernel, the support vector machine 6 can form a discriminative hyperplane for nonlinearly mapping input data to a high-dimensional feature space and classifying the input data in the feature space. Accordingly, the discriminant hyperplane generating means 5 uses the support vector machine 6 to discriminate between the feature vector generated from the learning space-time series data stored in the histogram storage means 4 and the known affiliation group related to the feature vector. A plane can be formed and classified into a normal group and an abnormal group. In addition to the KL kernel, a discrimination hyperplane can be similarly created using a Gaussian, Laplacian, sub-linear, and chi-square kernel, and products can be classified into normal groups and abnormal groups. However, the reason why the KL kernel has a higher discriminating ability than other kernels is thought to be because it has the ability to detect minute differences between spectra such as the attenuation rate, half-width, and symmetry of the spectrum peak. It is done.

次に、学習用時空間系列データが全て処理されているか否かが判断される(S007)。もし、未処理データがあれば選択工程(S001)に戻って、残りのデータについて入力及び処理が繰り返される。もし、未処理データがなければ処理を終了する。   Next, it is determined whether or not all the learning space-time series data has been processed (S007). If there is unprocessed data, the process returns to the selection step (S001), and input and processing are repeated for the remaining data. If there is no unprocessed data, the process is terminated.

選択工程(S001)で、判別工程であれば、所属グループが未定の計測対象時空間系列データを入力する(計測対象データ取得工程:S012)。本実施の工程では、新たな圧力調整器30についてゴム膜振動計測システム8にて計測を行ない、そのデータをグループ判別装置1のデータ入力部23に入力する。次に、スペクトル推定手段2において、計測対象時空間系列データから第2の離散パワースペクトルを推定する(第2のスペクトル推定工程:S013)。次に、正規化手段3において、第2の離散パワースペクトルを正規化して第2の正規化ヒストグラムを形成する(第2の正規化工程:S014)。次に、第2の正規化ヒストグラムにおける第2の特徴ベクトルをヒストグラム記憶手段4に記憶する(第2のヒストグラム記憶工程;S015)。これら工程S013〜S015はグループへの対応付けを行なわないことを除いてそれぞれ、工程S003〜S005と同様である。   If the selection step (S001) is a discrimination step, the measurement target spatio-temporal series data whose group is undetermined is input (measurement target data acquisition step: S012). In this step, the new pressure regulator 30 is measured by the rubber film vibration measuring system 8 and the data is input to the data input unit 23 of the group discriminating apparatus 1. Next, the spectrum estimation unit 2 estimates the second discrete power spectrum from the measurement target space-time series data (second spectrum estimation step: S013). Next, the normalizing means 3 normalizes the second discrete power spectrum to form a second normalized histogram (second normalization step: S014). Next, the second feature vector in the second normalized histogram is stored in the histogram storage means 4 (second histogram storage step; S015). These steps S013 to S015 are the same as steps S003 to S005, respectively, except that no association with groups is performed.

次に、判別手段7において、第2のヒストグラム記憶工程(S015)において記憶された第2の特徴ベクトルと分類工程(S006)において形成された判別超平面を用いて、計測対象時空間系列データについて、いずれのグループに属するかを判別する(判別工程:S016)。本実施の形態では、正常か異常か未定の製品について計測した振動の時系列データから生成された特徴ベクトルが、特徴空間において判別超平面のどちらに位置するかによって、当該製品が正常グループに属するか異常グループに属するかを判別することができる。   Next, the discriminating means 7 uses the second feature vector stored in the second histogram storing step (S015) and the discriminating hyperplane formed in the classification step (S006) to measure the spatiotemporal data to be measured. Then, it is determined which group it belongs to (discriminating step: S016). In this embodiment, the product belongs to the normal group depending on whether the feature vector generated from the time series data of the vibration measured for the normal or abnormal product is determined on the discrimination hyperplane in the feature space. Or belonging to an abnormal group.

次に、計測対象時空間系列データが全て処理されているか否かが判断される(S007)。もし、未処理データがあれば選択工程(S001)に戻って、残りのデータについて入力及び処理が繰り返される。もし、未処理データがなければ処理を終了する。   Next, it is determined whether or not all the measurement target space-time series data has been processed (S007). If there is unprocessed data, the process returns to the selection step (S001), and input and processing are repeated for the remaining data. If there is no unprocessed data, the process is terminated.

次に、スペクトル推定手段とカーネル関数との組み合わせを変えて判別能力を評価する実験を行ったので、説明する。本実施の形態におけるグループ判別装置は、いずれか1つのスペクトル推定手段といずれか1つのカーネル関数を使用可能に構成されていれば良いのであるが、ここでは、全てのスペクトル推定手段(6種)と全てのカーネル関数(8種)を使用可能に構成されているものとする。   Next, an experiment for evaluating the discrimination ability by changing the combination of the spectrum estimation means and the kernel function will be described. The group discriminating apparatus according to the present embodiment only needs to be configured to be able to use any one of the spectrum estimation means and any one of the kernel functions. Here, all the spectrum estimation means (six types) are used. And all kernel functions (8 types) are configured to be usable.

まず、正常調整器から得た振動データ80セットと劣化調整器から得た振動データ80セットの計160データセットから特徴を抽出し、特徴ベクトルxを構成した。
本実験では6種類のスペクトル推定手段(AR係、ピリオドグラム、AR法により推定されたスペクトル、5点、30点、60点移動平均により平滑化されたピリオドグラム)と8種類のカーネル関数(1,2,3次の多項式、ガウシアン、ラプラシアン、サブリニア、χ2乗、KLカーネル)の組み合わせにより構成されたSVMについてそれぞれの判別能力を調べた。
正常と劣化調整器データセットからそれぞれランダムに取り出した40データセット(計80データセット)を学習用データセットとしてSVMに学習させ、残りの80データセットを判別させる試行をそれぞれ100回繰り返した。
First, extracting features from the total 160 data sets of vibration data 80 sets obtained from the vibration data 80 sets from normal regulator degradation regulator, to constitute a feature vector x i.
In this experiment, six types of spectrum estimation means (AR unit, periodogram, spectrum estimated by AR method, periodogram smoothed by 5-point, 30-point, and 60-point moving average) and 8 types of kernel functions (1 , 2 and 3 order polynomials, Gaussian, Laplacian, sub-linear, chi-square, KL kernel), the discrimination ability of each SVM was examined.
Forty data sets (80 data sets in total) taken at random from the normal and deterioration adjuster data sets were trained by SVM as learning data sets, and trials for discriminating the remaining 80 data sets were repeated 100 times.

表1にその平均誤判別率を示す。また、70Hz付近、120Hz付近、180Hz付近のピークに注目した半値幅法による診断での、一番小さかった誤判別率も表1に示す。ここで、ガウシアン、ラプラシアン、サブリニア、χ2乗、KLカーネルの係数に関しては、b=0と固定し、a=「0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06,0.07,0.08,0.09,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100」として実験を行い、最も平均誤判別率が小さかったものを示している。表中の記号ARc,PG,AR,MA1,MA2MA3はそれぞれ判別に使用したスペクトル推定手段、AR係数、ピリオドグラム、AR法により推定されたスペクトル、5点、30点、60点移動平均により平滑化されたピリオドグラムを、P1,P2,P3,GA,SL,LA,χ,KLはそれぞれ1次、2次、3次の多項式、ガウシアン、ラプラシアン、サブリニア、χ2乗、KLカーネルを、HPは半値幅法を意味する。また、「×」はそのスペクトル推定手段とカーネル関数では計算不可能な組み合わせである。実験の結果、AR法により推定されたスペクトルとKLカーネルの組合せが最も高い判別性能を示した。正解率92%以上の高い判別性能が安価なセンサーとSVMを用いることにより達成された。 Table 1 shows the average misclassification rate. Table 1 also shows the smallest misclassification rate in the diagnosis by the half width method focusing on peaks near 70 Hz, 120 Hz, and 180 Hz. Here, with respect to the coefficients of Gaussian, Laplacian, sub-linear, χ2 and KL kernel, b = 0 is fixed and a = “0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0 .06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 , 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 ", the average misclassification rate is the highest. It shows what was small. Symbols ARc, PG, AR, MA1, and MA2MA3 in the table are respectively smoothed by spectrum estimation means, AR coefficients, periodograms, spectra estimated by the AR method, 5-point, 30-point, and 60-point moving averages used for discrimination. P1, P2, P3, GA, SL, LA, χ 2 , KL are first-order, second-order, third-order polynomials, Gaussian, Laplacian, sub-linear, χ-square, KL kernel, HP Means the half-width method. “×” is a combination that cannot be calculated by the spectrum estimation means and the kernel function. As a result of the experiment, the combination of the spectrum estimated by the AR method and the KL kernel showed the highest discrimination performance. A high discrimination performance with an accuracy rate of 92% or higher was achieved by using an inexpensive sensor and SVM.


表2に、スペクトルにガウシアン混合モデル(GMM)を当てはめた確率分布を推定し、その確率分布をKLカーネルへの入力とする方法により判別実験を行った結果を示す。表中のGM3,GM4,GM5はそれぞれ3,4,5個の正規分布を使用したGMMを意味する。また、GMMの推定にはEMアルゴリズム(期待最大アルゴリズム)を用いた。この実験においても、AR法により推定されたスペクトルとKLカーネルを組み合わせたSVMが、GMMを当てはめた確率分布を入力とするSVMよりも高い判別能力を示している。
Table 2 shows the results of discriminating experiments by estimating a probability distribution in which a Gaussian mixture model (GMM) is applied to the spectrum and using the probability distribution as an input to the KL kernel. GM3, GM4, and GM5 in the table mean GMMs using 3, 4, and 5 normal distributions, respectively. The EM algorithm (expected maximum algorithm) was used for GMM estimation. Also in this experiment, the SVM combining the spectrum estimated by the AR method and the KL kernel shows a higher discrimination ability than the SVM having the probability distribution fitted with the GMM as an input.

本スペクトル判別問題に対してKLカーネルが高い判別能力を示したのは、スペクトルピークの減衰率、半値幅、対称性などのスペクトル間の微小な差異を検出する能力が他のカーネルに比べ、KLカーネルが長けているためであると考えられる。また、特徴ベクトルに関してはAR法や30点移動平均平滑化の程よく平滑化されているスペクトルが高い判別率を示している。5点移動平均平滑化ではスペクトルの滑らかさが不足し、60点移動平均平滑化ではスペクトルが滑らか過ぎ、個々のスペクトルの特徴を消してしまっているためであると考えられる。また、同様にGMMによる確率密度は正規分布の重み付き和であるため、スペクトルの微小な変化に対応しきれない。AR法によるスペクトル推定はAICにより自動的に最適なスペクトルを決定できるので実用上便利である。   The KL kernel has shown a high discrimination ability for this spectrum discrimination problem because the ability to detect minute differences between spectra such as the attenuation rate, half-value width and symmetry of the spectrum peak is higher than that of other kernels. This is probably because the kernel is good. In addition, regarding the feature vector, a spectrum smoothed moderately by the AR method or 30-point moving average smoothing shows a high discrimination rate. This is probably because the smoothness of the spectrum is insufficient in the 5-point moving average smoothing, and the spectrum is too smooth in the 60-point moving average smoothing, and the characteristics of the individual spectra are erased. Similarly, since the probability density by GMM is a weighted sum of normal distribution, it cannot cope with a minute change in spectrum. Spectrum estimation by the AR method is practically convenient because an optimum spectrum can be automatically determined by AIC.

[第2の実施の形態]
第1の実施の形態ではカーネル関数としてKLカーネルを用いる例を説明したが、第2の実施の形態ではガウシアンカーネルなど他のカーネルを使用する例を説明する。ガウシアンカーネルは、入力データ間の類似度が、各特徴ベクトル間の差の2乗にマイナスをかけ指数関数をとったものにより測られる。よって、各特徴ベクトルの類似度が高いときには特徴ベクトルの僅かな変化には比較的反応が鈍いが、各特徴ベクトルの類似度が低いときには特徴ベクトルの僅かな変化に比較的敏感に反応する。KLカーネルの場合にはパワースペクトルピークの減衰率、半値幅、対称性などのスペクトル間の微小な差異を検出する能力が他のカーネルに比べ、KLカーネルが長けていると考えられるのに対して、このように非類似パターン間の差異を検出するのに適していると考えられる。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, an example in which a KL kernel is used as a kernel function has been described. In the second embodiment, an example in which another kernel such as a Gaussian kernel is used will be described. In the Gaussian kernel, the similarity between input data is measured by taking an exponential function by multiplying the square of the difference between each feature vector by minus. Therefore, when the similarity of each feature vector is high, the reaction is relatively insensitive to a slight change in the feature vector, but when the similarity between the feature vectors is low, the reaction is relatively sensitive to a slight change in the feature vector. In the case of the KL kernel, the ability to detect minute differences between spectra such as the attenuation rate, half width, and symmetry of the power spectrum peak is considered to be superior to other kernels. Thus, it is considered suitable for detecting a difference between dissimilar patterns.

また、ラプラシアンカーネルは、入力データ間の類似度が、各特徴ベクトル間の差の絶対値にマイナスをかけ指数関数をとったものにより測られる。よって、ガウシアンカーネルと比べ、各特徴ベクトルの類似度が高いときには入力データ間の類似度の減衰は大きいが、各特徴ベクトルの類似度が低いときには入力データ間の類似度の減衰は小さい。よってガウシアンカーネルよりは類似パターン間の差異を検出し易いと考えられる。
また、サブリニアカーネルは、入力データ間の類似度が、各特徴ベクトル間の差の2分の1乗にマイナスをかけ指数関数をとったものにより測られる。よって、ラプラシアンカーネルと比べ、ラプラシアンカーネルの特徴をさらに顕著にしたものと考えられる。よってガウシアンカーネルよりさらに類似パターン間の差異を検出し易いと考えられる。
また、d次の多項式カーネルは判別超平面がd次の多項式の重ね合わせで構成される。
また、χ2乗カーネルは、入力データ間の類似度が、各特徴ベクトル間の差の2乗を各特徴ベクトルの足し合わせでスケーリングしたものにマイナスをかけ指数関数をとったものにより測られる。
これらKLカーネル以外のカーネルも本実施の形態におけるグループ判別方法ではスペクトル全体の差異を比較するものであり、ある一部の特徴量のみを注目する従来の検出方法に比して、それ以外の差異から異常を検出可能である。
In the Laplacian kernel, the similarity between input data is measured by multiplying the absolute value of the difference between each feature vector by minus and taking an exponential function. Therefore, compared with the Gaussian kernel, when the similarity of each feature vector is high, the attenuation of the similarity between the input data is large, but when the similarity of each feature vector is low, the attenuation of the similarity between the input data is small. Therefore, it is considered easier to detect the difference between similar patterns than the Gaussian kernel.
The sub linear kernel is measured by taking the exponential function by multiplying the similarity between input data by minus the half power of the difference between each feature vector. Therefore, it can be considered that the features of the Laplacian kernel are more prominent than those of the Laplacian kernel. Therefore, it is considered easier to detect the difference between similar patterns than the Gaussian kernel.
The d-th order polynomial kernel is formed by superposing d-th order polynomials in the discrimination hyperplane.
Further, the chi-square kernel is obtained by measuring the similarity between input data by taking the exponential function by multiplying the square of the difference between the feature vectors by scaling the sum of the feature vectors and adding the minus.
Kernels other than these KL kernels are also used for comparing differences in the whole spectrum in the group discrimination method according to the present embodiment. Compared to the conventional detection method in which only a certain feature amount is focused, other differences are also available. Can detect anomalies.

[第3の実施の形態]
第1の実施の形態では時系列データを取り扱う例を説明したが、第3の実施の形態では空間系列データを取り扱う場合について説明する。すなわち、第1の実施の形態における時間周波数スペクトルの代わりに空間周波数スペクトルが用いられる。例えばレーザー測位形などを用いてある製品の表面形状の凹凸を計測し、計測された空間データに対して正規化ヒストグラムを生成し、カーネル関数を用いてサポートベクトルマシーンで判別超平面を形成することにより、表面形状に傷などの欠陥が生じた製品を分類可能である。また、一次元データに限られず、二次元以上の空間データに対しても適用可能である。例えば塗料の塗布の均一性を反射光量の変化により判別する。二次元画像データに対し、また、例えばウェーブレット変換や二次元フーリエ変換などの手法で空間周波数スペクトルを推定可能である。なお、二次元画像についても、走査線上を辿ることにより、一次元空間で取り扱うことも可能である。その他の構成や工程は第1の実施の形態と同様である。
[Third Embodiment]
In the first embodiment, an example in which time series data is handled has been described. In the third embodiment, a case in which spatial series data is handled will be described. That is, a spatial frequency spectrum is used instead of the time frequency spectrum in the first embodiment. For example, measuring unevenness of the surface shape of a product using a laser positioning type, etc., generating a normalized histogram for the measured spatial data, and forming a discrimination hyperplane with a support vector machine using a kernel function By this, it is possible to classify products in which defects such as scratches have occurred on the surface shape. Further, the present invention is not limited to one-dimensional data, but can be applied to two-dimensional or more spatial data. For example, the uniformity of coating application is determined by the change in the amount of reflected light. For the two-dimensional image data, the spatial frequency spectrum can be estimated by a technique such as a wavelet transform or a two-dimensional Fourier transform. A two-dimensional image can also be handled in a one-dimensional space by tracing on the scanning line. Other configurations and processes are the same as those in the first embodiment.

[第4の実施の形態]
第1の実施の形態ではグループ数が2グループの場合について説明したが、本実施の形態では3以上のグループに分類する場合を説明する。サポートベクトルマシーンは本質的に2グループの判別を行なうが、3以上のグループの場合にも、複数のサポートベクトルマシーンを組み合せることにより対処することができる。主な方法は2通りある。第1の方法は、一対他(それ以外)のクラス分けを基礎とするものである。まず、任意の1つのグループを抽出して、当該グループとそれ以外のものをまとめたグループに分類する。次に、それ以外のものをまとめたグループから、別の任意の1つのグループを抽出して、当該グループとそれ以外のものをまとめたグループに分類し、以下同様の手順でグループ数−1回判別を行なう方法である。例えば、最初にデータを「Aグループとそれ以外のBCDグループ」に分け、A対BCDのデータに対して判別超平面を形成する。同様に、「B対ACD」、「C対ABD」、「D対ABC」と4つ(グループ数n)の判別超平面を形成し、判別対象のデータをそれぞれの超平面で判別する。そして、いずれか単独のグループに分類された場合、その判別対象データをそのグループに分類する。すなわち、「A対BCD」ではAのグループに分類された場合グループAに分類し、もしもBCDグループに分類された場合は、他の3つの判別超平面で判別しなおす。これを単独グループに分類されるまで続ける。(O.Chapell,P.Haffner and V.Vanik,”SVM for Histogram−Based Image Classification”,IEEE Transactions on Neural Networks,1999 参照)
[Fourth Embodiment]
Although the case where the number of groups is two groups has been described in the first embodiment, the case where the number of groups is classified into three or more groups will be described in the present embodiment. The support vector machine essentially discriminates two groups, but the case of three or more groups can be dealt with by combining a plurality of support vector machines. There are two main methods. The first method is based on one-to-other (other) classification. First, one arbitrary group is extracted and classified into a group in which the group and others are collected. Next, another arbitrary one group is extracted from the group in which other groups are collected, and is classified into a group in which the group and other groups are grouped. This is a method for performing discrimination. For example, first, data is divided into “A group and other BCD groups”, and a discrimination hyperplane is formed for the data of A vs. BCD. Similarly, “B vs. ACD”, “C vs. ABD”, and “D vs. ABC” form four discrimination hyperplanes (group number n), and discriminate target data is discriminated by each hyperplane. When the data is classified into any single group, the discrimination target data is classified into the group. In other words, in “A vs. BCD”, if it is classified into group A, it is classified into group A, and if it is classified into BCD group, it is discriminated again by the other three discriminating hyperplanes. This is continued until it is classified into a single group. (See O. Chapel, P. Haffner and V. Vanik, “SVM for Histogram-Based Image Classification”, IEEE Transactions on Neural Networks, 1999).

第2の方法は、一対一のクラス分けを基礎としているもので、多数決法と消去法がある。多数決法は、グループ数がnである場合、任意の2つのグループの組合せ数n(n−1)/2回の判別を行ない、多数決すなわち、その点が入るグループの回数を加算し最も回数が多いグループに所属すると判別する方法である。例えば、「A対B」、「A対C」、「A対D」、「B対C」、「B対D」、「C対D」と6つ(グループ数=n(n−1)/2)の判別超平面を用意する。ここで、多数決による方法は、この6つの超平面すべてで判別対象データを判別し、その結果の多数決をとる。この方法では6回=n(n−1)/2回の判別で判別が終わる。消去法は、任意の2つのグループの判別を行い、その判別において分類されなかったグループに分類される可能性を消去していき、その分類される可能性を消去されたグループ以外の任意の2つのグループにより判別を行う。この処理をn−1回繰り返し、最終的に消去されなかったグループに分類する方法である。例えば、「A対B」で判別を行ってBに分類されたとき、Aに分類される可能性は無いとしてAの可能性を捨て、次にAグループ以外の「B対C」、「B対D」、「C対D」のいずれかを行なう。ここでは、「B対C」を行うとし、Cに分類されたとする。ここでBの可能性が消え、最後に残った「C対D」の判別をする。ここで最終的に判別された結果にその判別対象データを分類する。この方法では3回=n−1回の判別で判別が終わる。(J.C.Platt,N.Cristianini and J.S−Taylor,”Large margin dags for multi−class classification”,Advances in Neural Information Processing Systems,pp.547−553,2000 参照)   The second method is based on one-to-one classification, and has a majority method and an elimination method. In the majority method, when the number of groups is n, the number of combinations of any two groups is determined as n (n-1) / 2 times, and the majority number, that is, the number of groups in which the point enters is added, and the most number of times is obtained. This is a method for determining that the user belongs to many groups. For example, “A vs. B”, “A vs. C”, “A vs. D”, “B vs. C”, “B vs. D”, “C vs. D” and 6 (number of groups = n (n−1)) A discrimination hyperplane of / 2) is prepared. Here, in the method by majority vote, the discrimination target data is discriminated by all the six hyperplanes, and the majority vote is taken as a result. In this method, the determination is completed after 6 times = n (n−1) / 2 times. In the elimination method, any two groups are discriminated, and the possibility of being classified into a group not classified in the discrimination is eliminated, and the possibility of being classified is any two other than the erased group. Judgment is made by one group. This process is repeated n-1 times, and finally classified into groups that have not been erased. For example, when “A vs. B” is determined and classified as B, the possibility of A is discarded because there is no possibility of being classified as A, and then “B vs. C”, “B” other than A group Either “D” or “C vs. D” is performed. Here, it is assumed that “B vs. C” is performed and classified into C. Here, the possibility of B disappears, and the last remaining “C vs. D” is determined. Here, the discrimination target data is classified into the finally discriminated result. In this method, the determination is completed after three times = n−1 times. (See J. C. Platt, N. Cristianini and J. S-Taylor, “Large margin tags for multi-class classification”, Advances in Neural Information Processing, p.

これらの方法により、例えば、圧力調整器を「正常」、「中間」、「異常」に分類することも可能であり、また、例えばダイヤフラムの硬化による劣化と軟化による劣化のように劣化の原因が2態様ある場合に、「正常」、「硬化による劣化」、「軟化による劣化」に分類することも可能である。   By these methods, for example, it is possible to classify the pressure regulators into “normal”, “intermediate”, and “abnormal”, and the causes of deterioration such as deterioration due to hardening and softening of the diaphragm, for example. When there are two modes, it can be classified into “normal”, “deterioration due to hardening”, and “deterioration due to softening”.

また、本発明は、以上の実施の形態に記載のグループ判別方法をコンピュータに実行させるためのプログラムとしても実現可能である。プログラムはグループ判別装置1の制御部26の内蔵メモリに蓄積して使用してもよく、システム内外の記憶装置に蓄積して使用してもよく、インターネットから制御部26にダウンロードして使用しても良い。また、当該プログラムを記録した記録媒体としても実現可能である。   The present invention can also be realized as a program for causing a computer to execute the group discrimination method described in the above embodiment. The program may be stored and used in a built-in memory of the control unit 26 of the group discriminating apparatus 1 or may be stored and used in a storage device inside or outside the system, or downloaded from the Internet to the control unit 26 and used. Also good. Moreover, it is realizable also as a recording medium which recorded the said program.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態に種々変更を加えられることは明白である。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is obvious that various modifications can be made to the embodiments.

例えば以上の実施の形態では、適応対象が高圧ガス調整器の例を説明したが、本発明は他の振動機構又は回転機構を有する製品、例えば水道のバルブや配管、モータ、音響機器などにも適用可能である。また、音、光、電気信号などの周波数成分を有するデータや画像、模様などの空間周波数成分を有するデータにも適用可能である。また、制限なしに一般的に他のスペクトラム分類問題に適用可能である。また、以上の実施の形態におけるグループ判別装置は、いずれか1つのスペクトル推定手段といずれか1つのカーネル関数を使用可能に構成されていれば良いのであるが、複数のスペクトル推定手段や複数のカーネル関数を使用可能に構成されていても良い。また、スペクトル推定手段としてFFT(高速フーリエ変換)、DCT(離散コサイン変換)又はDFT(離散フーリエ変換)も使用可能である。また、正常製品及び劣化製品のサンプル数、特徴ベクトルの数、移動平均数なども種々変更可能である。   For example, in the above-described embodiment, the example in which the object of application is a high-pressure gas regulator has been described. However, the present invention is also applicable to products having other vibration mechanisms or rotation mechanisms, such as water supply valves and pipes, motors, and audio equipment. Applicable. The present invention can also be applied to data having frequency components such as sound, light, and electric signals, and data having spatial frequency components such as images and patterns. Also, it is generally applicable to other spectrum classification problems without limitation. In addition, the group discriminating apparatus in the above embodiment only needs to be configured to be able to use any one spectrum estimation unit and any one kernel function. However, a plurality of spectrum estimation units and a plurality of kernels may be used. The function may be configured to be usable. Also, FFT (Fast Fourier Transform), DCT (Discrete Cosine Transform) or DFT (Discrete Fourier Transform) can be used as the spectrum estimation means. Further, the number of samples of normal products and deteriorated products, the number of feature vectors, the number of moving averages, and the like can be variously changed.

本発明は、時空間系列データのグループ判別に利用できる。応用として例えば製品の早期異常発見に利用できる。   The present invention can be used for group discrimination of spatiotemporal data. As an application, for example, it can be used for early abnormality detection of products.

第1の実施の形態におけるグループ判別装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the group discrimination | determination apparatus in 1st Embodiment. 高圧ガス圧力調整器の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of a high pressure gas pressure regulator. ゴム膜振動計測システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a rubber film vibration measuring system. 第1の実施の形態におけるグループ判別方法の処理フロー例を示す図である。It is a figure which shows the example of a processing flow of the group discrimination | determination method in 1st Embodiment. 正常品と劣化品から計測された振動の正規化周波数スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the normalized frequency spectrum of the vibration measured from the normal product and the deteriorated product. 特徴ベクトルの例を模式的に示す図である。It is a figure which shows the example of a feature vector typically.

符号の説明Explanation of symbols

1 グループ判別装置
2 スペクトル推定手段
3 正規化手段
4 ヒストグラム記憶手段
5 判別超平面生成手段
6 サポートベクトルマシーン
7 判別手段
8 計測システム
21 解析演算部
22 記憶部
23 データ入力部
24 表示部
25 出力部
26 制御部
30 高圧ガス圧力調整器
31 ダイヤフラム
32 空気室
33 減圧室
34 バネ
35 ゴム弁
36 リンク
37 ノズル
38 通気口
39A 入口
39B 出口
40 マイクロフォン
41 半密閉容器
42 バンドパスフィルタ
43 ノッチフィルタ
44 増幅器
45 ゴムホース
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Group discrimination | determination apparatus 2 Spectrum estimation means 3 Normalization means 4 Histogram storage means 5 Discrimination hyperplane generation means 6 Support vector machine 7 Discrimination means 8 Measurement system 21 Analysis calculation part 22 Storage part 23 Data input part 24 Display part 25 Output part 26 Control unit 30 High pressure gas pressure regulator 31 Diaphragm 32 Air chamber 33 Decompression chamber 34 Spring 35 Rubber valve 36 Link 37 Nozzle 38 Vent 39A Inlet 39B Outlet 40 Microphone 41 Semi-sealed container 42 Band pass filter 43 Notch filter 44 Amplifier 45 Rubber hose

Claims (5)

時空間系列データを入力データとして、前記時空間系列データから離散パワースペクトルを推定するスペクトル推定手段と;
前記離散パワースペクトルを正規化して正規化ヒストグラムを形成する正規化手段と;
前記正規化ヒストグラムにおける特徴ベクトルをグループに対応付けて記憶可能なヒストグラム記憶手段と;
特徴ベクトルを高次元の特徴空間に線形写像又は非線形写像するカーネル関数を用いて前記特徴空間において特徴ベクトルを分類する判別超平面を形成するサポートベクトルマシーンを有し、前記サポートベクトルマシーンを用いて前記ヒストグラム記憶手段に記憶された学習用時空間系列データの特徴ベクトルと当該特徴ベクトルに係る既知の所属グループで前記判別超平面を形成する判別超平面生成手段と;
前記判別超平面生成手段により形成された判別超平面を用いて、所属グループが未定の計測対象時空間系列データについて、いずれのグループに属するかを判別する判別手段とを備える;
グループ判別装置。
Spectrum estimation means for estimating a discrete power spectrum from the spatiotemporal sequence data using the spatiotemporal sequence data as input data;
Normalizing means for normalizing the discrete power spectrum to form a normalized histogram;
Histogram storing means capable of storing feature vectors in the normalized histogram in association with groups;
A support vector machine that forms a discriminant hyperplane that classifies feature vectors in the feature space using a kernel function that linearly or non-linearly maps feature vectors into a high-dimensional feature space, and uses the support vector machine to Discriminant hyperplane generating means for forming the discriminant hyperplane with the feature vector of the learning spatio-temporal series data stored in the histogram storage means and the known group belonging to the feature vector;
Using a discrimination hyperplane formed by the discrimination hyperplane generating means, and a discrimination means for discriminating to which group the group to which the group belongs has not been determined belongs.
Group discriminator.
前記カーネル関数がKLカーネル関数、χ2乗カーネル関数、ガウシアンカーネル関数、ポジティブデファインカーネル関数、多項式カーネル関数のいずれかである;
請求項1に記載のグループ判別装置。
The kernel function is any one of a KL kernel function, a chi-square kernel function, a Gaussian kernel function, a positive definitive kernel function, and a polynomial kernel function;
The group discrimination device according to claim 1.
前記スペクトル推定手段は、AR法(自己回帰法)、移動平均ピリオドグラム法のいずれかを用いて前記時空間系列データから前記離散パワースペクトルを推定する;
請求項1又は請求項2に記載のグループ判別装置。
The spectrum estimation means estimates the discrete power spectrum from the spatio-temporal sequence data using either an AR method (autoregressive method) or a moving average periodogram method;
The group discriminating apparatus according to claim 1 or 2.
前記サポートベクトルマシーンは、判別超平面を複数回形成することにより、前記時空間系列データを3以上のグループに分類する;
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のグループ判別装置。
The support vector machine classifies the spatiotemporal data into three or more groups by forming a discriminant hyperplane multiple times;
The group discrimination device according to any one of claims 1 to 3.
学習用時空間系列データと当該特徴ベクトルに係る既知の所属グループを入力データとして、前記学習用時空間系列データから第1の離散パワースペクトルを推定する第1のスペクトル推定工程と;
前記第1の離散パワースペクトルを正規化して第1の正規化ヒストグラムを形成する第1の正規化工程と;
前記第1の正規化ヒストグラムにおける第1の特徴ベクトルを前記所属グループに対応付けて記憶する第1のヒストグラム記憶工程と;
特徴ベクトルを高次元の特徴空間に線形写像又は非線形写像するカーネル関数を用いて前記特徴空間において特徴ベクトルを分類する判別超平面を形成するサポートベクトルマシーンを用いて、前記第1のヒストグラム記憶工程において記憶された特徴ベクトルと当該特徴ベクトルに係る既知の所属グループで前記判別超平面を形成する判別超平面生成工程と;
所属グループが未定の計測対象時空間系列データを入力データとして、前記計測対象時空間系列データから第2の離散パワースペクトルを推定する第2のスペクトル推定工程と;
前記第2の離散パワースペクトルを正規化して第2の正規化ヒストグラムを形成する第2の正規化工程と;
前記第2の正規化ヒストグラムにおける第2の特徴ベクトルを記憶する第2のヒストグラム記憶工程と;
前記第2のヒストグラム記憶工程において記憶された第2の特徴ベクトルと前記判別超平面生成工程において形成された判別超平面を用いて、前記計測対象時空間系列データについて、いずれのグループに属するかを判別する判別工程とを備える;
グループ判別方法。

A first spectrum estimation step of estimating a first discrete power spectrum from the learning spatiotemporal sequence data using the learning spatiotemporal sequence data and a known group belonging to the feature vector as input data;
A first normalization step of normalizing the first discrete power spectrum to form a first normalization histogram;
A first histogram storage step of storing a first feature vector in the first normalized histogram in association with the belonging group;
In the first histogram storage step, using a support vector machine that forms a discriminant hyperplane that classifies feature vectors in the feature space using a kernel function that linearly or nonlinearly maps feature vectors into a high-dimensional feature space. A discriminant hyperplane generating step of forming the discriminant hyperplane with a stored feature vector and a known group associated with the feature vector;
A second spectrum estimation step of estimating a second discrete power spectrum from the measurement target spatiotemporal sequence data using as input the measurement target spatiotemporal sequence data whose group to be determined;
A second normalization step of normalizing the second discrete power spectrum to form a second normalization histogram;
A second histogram storage step of storing a second feature vector in the second normalized histogram;
Using the second feature vector stored in the second histogram storage step and the discriminant hyperplane formed in the discriminant hyperplane generation step, which group the measurement target space-time series data belongs to A discriminating step for discriminating;
Group identification method.

JP2006239594A 2006-09-04 2006-09-04 Group discrimination device and group discrimination method Pending JP2008065393A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006239594A JP2008065393A (en) 2006-09-04 2006-09-04 Group discrimination device and group discrimination method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006239594A JP2008065393A (en) 2006-09-04 2006-09-04 Group discrimination device and group discrimination method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008065393A true JP2008065393A (en) 2008-03-21

Family

ID=39288090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006239594A Pending JP2008065393A (en) 2006-09-04 2006-09-04 Group discrimination device and group discrimination method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008065393A (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011183455A (en) * 2010-02-08 2011-09-22 Prima Industrie Spa Method for monitoring quality of laser machining process and system corresponding to the same
WO2011121726A1 (en) * 2010-03-30 2011-10-06 株式会社 東芝 Anomaly detection device
JP2015175771A (en) * 2014-03-17 2015-10-05 中国電力株式会社 Sound identification condition setting support device and sound identification condition setting support method
JP2015175770A (en) * 2014-03-17 2015-10-05 中国電力株式会社 Sound identification condition setting support device and sound identification condition setting support method
JP2015175772A (en) * 2014-03-17 2015-10-05 中国電力株式会社 Sound identification condition setting support device and sound identification condition setting support method
CN107976992A (en) * 2017-11-29 2018-05-01 东北大学 Industrial process big data fault monitoring method based on figure semisupervised support vector machines
KR20190054744A (en) * 2017-11-14 2019-05-22 국방과학연구소 Gas detection method using SVM classifier

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002196784A (en) * 2000-12-27 2002-07-12 Sumitomo Metal Ind Ltd Discrimination apparatus and method for time series signal
JP2004178210A (en) * 2002-11-26 2004-06-24 Denso Corp Image processing method, image recognition method, and program for performing the method by computer
JP2005218595A (en) * 2004-02-05 2005-08-18 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Psychic stress evaluation method and apparatus
JP2005352997A (en) * 2004-06-14 2005-12-22 Central Res Inst Of Electric Power Ind Construction method of case database, learning method of distinguishing device, data distinguishing support device, data distinguishing support program
WO2006004050A1 (en) * 2004-07-01 2006-01-12 Nippon Telegraph And Telephone Corporation System for detection section including particular acoustic signal, method and program thereof
JP2006038478A (en) * 2004-07-22 2006-02-09 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd Quality determination method and device for specimen
JP2006190118A (en) * 2005-01-07 2006-07-20 High Pressure Gas Safety Institute Of Japan Pressure regulator monitoring system

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002196784A (en) * 2000-12-27 2002-07-12 Sumitomo Metal Ind Ltd Discrimination apparatus and method for time series signal
JP2004178210A (en) * 2002-11-26 2004-06-24 Denso Corp Image processing method, image recognition method, and program for performing the method by computer
JP2005218595A (en) * 2004-02-05 2005-08-18 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Psychic stress evaluation method and apparatus
JP2005352997A (en) * 2004-06-14 2005-12-22 Central Res Inst Of Electric Power Ind Construction method of case database, learning method of distinguishing device, data distinguishing support device, data distinguishing support program
WO2006004050A1 (en) * 2004-07-01 2006-01-12 Nippon Telegraph And Telephone Corporation System for detection section including particular acoustic signal, method and program thereof
JP2006038478A (en) * 2004-07-22 2006-02-09 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd Quality determination method and device for specimen
JP2006190118A (en) * 2005-01-07 2006-07-20 High Pressure Gas Safety Institute Of Japan Pressure regulator monitoring system

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
衣鳩 昌俊: "人の教示に基づく3次元メッシュモデルの形状類似検索", 映像情報メディア学会誌, vol. 第57巻 第8号, JPN6010060368, 5 August 2003 (2003-08-05), JP, pages 998 - 1007, ISSN: 0001755728 *
諸岡 健一: "Kullback−Leibler情報量に基づく特徴の生成と選択による顔検出", 電子情報通信学会論文誌, vol. 第J89-D巻 第3号, JPN6011015851, 1 March 2006 (2006-03-01), JP, pages 530 - 540, ISSN: 0001879954 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011183455A (en) * 2010-02-08 2011-09-22 Prima Industrie Spa Method for monitoring quality of laser machining process and system corresponding to the same
WO2011121726A1 (en) * 2010-03-30 2011-10-06 株式会社 東芝 Anomaly detection device
US8577649B2 (en) 2010-03-30 2013-11-05 Kabushiki Kaisha Toshiba Anomaly detecting apparatus
JP5337909B2 (en) * 2010-03-30 2013-11-06 株式会社東芝 Anomaly detection device
JP2015175771A (en) * 2014-03-17 2015-10-05 中国電力株式会社 Sound identification condition setting support device and sound identification condition setting support method
JP2015175770A (en) * 2014-03-17 2015-10-05 中国電力株式会社 Sound identification condition setting support device and sound identification condition setting support method
JP2015175772A (en) * 2014-03-17 2015-10-05 中国電力株式会社 Sound identification condition setting support device and sound identification condition setting support method
KR20190054744A (en) * 2017-11-14 2019-05-22 국방과학연구소 Gas detection method using SVM classifier
KR102013392B1 (en) * 2017-11-14 2019-08-22 국방과학연구소 Gas detection method using SVM classifier
CN107976992A (en) * 2017-11-29 2018-05-01 东北大学 Industrial process big data fault monitoring method based on figure semisupervised support vector machines
CN107976992B (en) * 2017-11-29 2020-01-21 东北大学 Industrial process big data fault monitoring method based on graph semi-supervised support vector machine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2008065393A (en) Group discrimination device and group discrimination method
Li et al. A novel acoustic emission detection module for leakage recognition in a gas pipeline valve
Li et al. Anomaly detection with generative adversarial networks for multivariate time series
Yiakopoulos et al. Rolling element bearing fault detection in industrial environments based on a K-means clustering approach
US20100106458A1 (en) Computer program and method for detecting and predicting valve failure in a reciprocating compressor
Scanlon et al. Residual life prediction of rotating machines using acoustic noise signals
EP3594860A1 (en) Sparse neural network based anomaly detection in multi-dimensional time series
US20100262401A1 (en) Method for analysis of the operation of a gas turbine
US10754310B2 (en) Incorporating change diagnosis using probabilistic tensor regression model for improving processing of materials
US20080052010A1 (en) Method and Apparatus for Analyzing Signal Pattern of Sensor Array
Poh et al. F-ratio client dependent normalisation for biometric authentication tasks
Sha et al. An acoustic signal cavitation detection framework based on XGBoost with adaptive selection feature engineering
Ahmad et al. A novel framework for centrifugal pump fault diagnosis by selecting fault characteristic coefficients of walsh transform and cosine linear discriminant analysis
US20170357233A1 (en) Automatic visual and acoustic analytics for event detection
Tan et al. Monitoring statistics and tuning of kernel principal component analysis with radial basis function kernels
KR20220159672A (en) Anormaly data detection apparatus and method based on auto encoder
Giganti et al. Speaker-independent microphone identification in noisy conditions
Ishigaki et al. Fault detection of a vibration mechanism by spectrum classification with a divergence-based kernel
CN116627116A (en) Process industry fault positioning method and system and electronic equipment
Wisler et al. Empirically-estimable multi-class classification bounds
Jin A sequential process monitoring approach using hidden Markov model for unobservable process drift
Li et al. An approach for fault diagnosis of bearings using wavelet-based fractal analysis
CN115398442A (en) Device and automation method for evaluating sensor measurement values and use of the device
Zhang et al. Detection capability for incipient faults in a noisy environment using PDF and CDF based techniques: a comparative study
Lyu et al. Synthesizing data by transferring information in data‐intensive regions to enhance process monitoring performance in data‐scarce region

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090709

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20101021

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20101026

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20101227

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20101227

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110329

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110530

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20111018

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20120313