JP2015170121A - Abnormality diagnosis device and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両の動作データに基づいて車両の異常を診断する異常診断装置等に関するものである。 The present invention relates to an abnormality diagnosis device for diagnosing abnormality of a vehicle based on vehicle operation data.
近年、車両に搭載される車載システムは、大規模化、複雑化の傾向にある。車載システムでは、複数のECU(「Electronic Control Unit」の略)が、CAN(「Controller
Area Network」の略)等の車載ネットワークを介して互いにデータの送受信を行い、協調して動作を行っている。このような車載システムでは、車両の動作データ(以下、「車両データ」と省略する。)を時系列データとして保存しておき、車両の異常診断に利用している。
In recent years, in-vehicle systems mounted on vehicles tend to be larger and more complicated. In an in-vehicle system, multiple ECUs (abbreviation of “Electronic Control Unit”) are connected to CAN (“Controller
Data is transmitted and received with each other via an in-vehicle network such as “Area Network”), and the operation is performed in a coordinated manner. In such an in-vehicle system, vehicle operation data (hereinafter abbreviated as “vehicle data”) is stored as time-series data and used for vehicle abnormality diagnosis.
システムの異常診断を行う技術の一例として、例えば、特許文献1には、統計的品質管理手法を用いた製造プロセスの監視装置が開示されている。特許文献1に記載の監視装置によれば、製品のバッチ式製造装置から入力された時系列の装置ログデータをウェーブレット変換し、各周波数成分が正常であるか異常であるかを判定する。そして、正常と判定された周波数成分のウェーブレット係数の値を0とすると共に異常と判定された周波数成分のウェーブレット係数の値はそのままとした一組の採用ウェーブレット係数を生成する。次に、この一組の採用ウェーブレット係数を逆ウェーブレット変換して再生波形データを求め、この再生波形データを主成分分析してホッテリングT2と残差Qの2つの統計量を求め、この2つの統計量に上限閾値を設定し、その上限閾値を超えているかいないかによって、そのバッチ式製造プロセスが正常であるか異常であるかを判定する。 As an example of a technique for performing system abnormality diagnosis, for example, Patent Document 1 discloses a manufacturing process monitoring apparatus using a statistical quality control technique. According to the monitoring apparatus described in Patent Document 1, time-series apparatus log data input from a batch production apparatus for products is subjected to wavelet transform to determine whether each frequency component is normal or abnormal. Then, a set of adopted wavelet coefficients is generated in which the value of the wavelet coefficient of the frequency component determined to be normal is set to 0 and the value of the wavelet coefficient of the frequency component determined to be abnormal is left as it is. Next, this set of adopted wavelet coefficients is subjected to inverse wavelet transform to obtain reproduced waveform data, and this reproduced waveform data is subjected to principal component analysis to obtain two statistics of hottering T2 and residual Q, and the two statistics. An upper threshold is set for the quantity, and whether the batch manufacturing process is normal or abnormal is determined depending on whether the upper threshold is exceeded.
また、例えば、特許文献2には、複数の監視対象機器からの物理量を受けての異常の有無を監視対象機器毎に診断する異常診断装置が開示されている。特許文献2に記載の異常診断装置によれば、3つのセンサと、3つのセンサのそれぞれからの信号を、前処理装置を介して信号として間接的に受ける独立成分分析処理装置とを備える。独立成分分析処理装置は、独立成分分析を用いて信号から空間的、時間的および周波数的に独立な成分を分離して抽出した後、この分離して抽出した信号をそれぞれ異常判定装置に出力する。異常判定装置は、それぞれの信号に基づいて機械の異常の有無の診断を行う。
Further, for example,
また、例えば、特許文献3には、製品の製造における品質への影響要因を解析する方法が開示されている。特許文献3に記載の方法によれば、製品の製造における種々の条件を示す互いに相関があるN種類の条件データを、互いに無相関なN>PであるP種類の成分へ変換し、P種類の成分の夫々の品質への影響を示すP個の影響指標を多変量解析により計算し、P個の影響指標を、N種類の条件データの夫々の品質への影響を示すN個の影響データへ変換する。
Further, for example,
また、例えば、特許文献4には、空調機、発電機などの複数の設備を遠隔監視する遠隔監視システムが開示されている。特許文献4に記載の遠隔監視システムによれば、設備から送信される複数のセンサで検知された実測センサ値を随時取得し、設備が正常運転をしている際に複数のセンサで検知された実測センサ値に基づいて、複数のセンサで検知される複数の実測センサ値間の相関関係を主成分分析によって求め、この相関関係を予測モデルとして格納し、複数のセンサの実測センサ値を取得した際に実測センサ値と予測モデルとから複数のセンサの予測センサ値を求め、実測センサ値と予測センサ値との差異に基づいて設備の故障兆候を検知する。
Further, for example,
しかしながら、特許文献1〜4の技術を車載システムの異常診断に適用する場合、以下に示す技術的な課題が存在する。 However, when the techniques of Patent Documents 1 to 4 are applied to abnormality diagnosis of an in-vehicle system, the following technical problems exist.
車両データでは通常の時間領域におけるデータの分布に基づいた異常診断のニーズが存在するが、特許文献1に記載の技術は周波数領域を対象にしているため、このニーズに応えることができない。また、車両データは主成分分析では捉えきれない特徴を内包している可能性が高く、特許文献1に記載の技術のように、主成分分析のみに基づく車両データの監視では、異常の検出能力及び要因解析能力の性能が不十分である。 In the vehicle data, there is a need for abnormality diagnosis based on the distribution of data in a normal time domain. However, since the technique described in Patent Document 1 targets the frequency domain, it cannot meet this need. In addition, it is highly possible that the vehicle data includes characteristics that cannot be captured by principal component analysis. Like the technique described in Patent Document 1, the vehicle data monitoring based only on principal component analysis is capable of detecting abnormalities. And the performance of factor analysis ability is insufficient.
特許文献2に記載の技術では、独立成分分析によって抽出される特徴量を用いて異常検出を行うため、異常検出に用いる特徴量と元のデータ系列との関係が複雑であり、要因解析を行うことが難しい。また、特許文献2に記載の技術では、元のデータ系列の数と比較して異常検出に用いる特徴量の数が多くないため、異常の検出能力の性能が不十分である。
In the technique described in
特許文献3に記載の技術では、異常の影響指標を計算する際、教師データとして正常データ及び異常データを与えているが、車両データにおいては異常データが得られることは稀であり、車載システムの異常診断に適用することが困難である。また、特許文献2に記載の技術と同様、元のデータ系列の数と比較して異常の影響指標の数が多くないため、異常の検出能力の性能が不十分である。
In the technique described in
特許文献4に記載の技術では、主成分分析で得られるモデルとの差異に基づき故障兆候を検知しているが、主成分分析のみによって得られるモデルとの差異の傾向は、各異常現象に基づいて計算されるものではないため、無関係のノイズが入りやすく、異常の検出能力の性能が不十分である。また、特許文献1に記載の技術と同様、主成分分析のみに基づく車両データの監視では、異常の検出能力及び要因解析能力の性能が不十分である。
In the technique described in
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは、車載システムの異常診断において、異常の検出能力及び要因解析能力が十分な性能を持つ異常診断装置等を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to provide an abnormality diagnosis device having sufficient performance in detecting abnormality and factor analysis in abnormality diagnosis of an in-vehicle system. Is to provide.
前述した目的を達成するための第1の発明は、多系列の時系列データである車両データに基づいて車両の異常を診断する異常診断装置であって、前記車両データのうち、正常であることが既知の正常データを取得する正常データ取得手段と、前記正常データから複数の特徴因子を抽出する特徴因子抽出手段と、前記特徴因子のデータ分布を学習し、監視モデルを生成するモデル生成手段と、前記車両データのうち、異常診断の評価対象となる評価データを取得する評価データ取得手段と、前記評価データから前記特徴因子を抽出し、前記監視モデルに基づいて異常判定を行う異常判定手段と、前記異常判定手段によって正常と判断された前記特徴因子のみによって、前記特徴因子の空間のデータを前記車両データと同一の空間に逆変換し、再構成データを生成する再構成データ生成手段と、前記評価データと前記再構成データとの差分に基づいて異常の要因解析を行う異常要因解析手段と、を備えることを特徴とする異常診断装置である。 A first invention for achieving the above object is an abnormality diagnosing device for diagnosing a vehicle abnormality based on vehicle data which is multi-sequence time-series data, and is normal among the vehicle data. Normal data acquisition means for acquiring known normal data, feature factor extraction means for extracting a plurality of feature factors from the normal data, model generation means for learning a data distribution of the feature factors and generating a monitoring model, Evaluation data acquisition means for acquiring evaluation data to be evaluated for abnormality diagnosis out of the vehicle data, and abnormality determination means for extracting the characteristic factor from the evaluation data and performing abnormality determination based on the monitoring model; The feature factor space data is inversely transformed into the same space as the vehicle data only by the feature factor determined to be normal by the abnormality determining means, An abnormality diagnosis device comprising: reconfiguration data generation means for generating composition data; and abnormality factor analysis means for performing a cause analysis of abnormality based on a difference between the evaluation data and the reconstruction data .
第1の発明によって、車載システムの異常診断において、異常の検出能力及び要因解析能力が十分な性能を持つ異常診断装置を提供することができる。特に、第1の発明によれば、異常に直接寄与したデータ系列を明らかにできる。また、各データサンプルが正常か否かについてはっきりと判定できないものに対してでも、要因解析により詳細な解析を行い、精密な異常判定の支援を行うことができる。 According to the first aspect of the present invention, it is possible to provide an abnormality diagnosis apparatus having sufficient performance in detecting abnormality and factor analysis ability in abnormality diagnosis of an in-vehicle system. In particular, according to the first invention, the data series that directly contributes to the abnormality can be clarified. In addition, even if it is not possible to clearly determine whether or not each data sample is normal, detailed analysis can be performed by factor analysis to support precise abnormality determination.
第1の発明において、前記車両データの系列数をM(Mは自然数)とするとき、前記特徴因子抽出手段は、K(Kは自然数)>Mを満たすK個の前記特徴因子を抽出することが望ましい。これによって、たくさんの状態を持つ複雑な入力系列に対して、多くの特徴因子で正確に表現することができる。例えば、前記特徴因子抽出手段は、前記正常データの過完備な独立成分分析を行い、K個の独立成分を抽出し、前記特徴因子とする。また、例えば、前記特徴因子抽出手段は、前記正常データの主成分分析を行い、P(Pは自然数)<Mを満たすP個の主成分を抽出し、前記独立成分を前記主成分の重み付き線形和によって表現する。 In the first invention, when the number of series of the vehicle data is M (M is a natural number), the feature factor extracting means extracts K feature factors that satisfy K (K is a natural number)> M. Is desirable. This makes it possible to accurately represent a complex input sequence having many states with many feature factors. For example, the feature factor extraction means performs an overcomplete independent component analysis of the normal data, extracts K independent components, and uses them as the feature factors. Further, for example, the feature factor extracting means performs a principal component analysis of the normal data, extracts P principal components satisfying P (P is a natural number) <M, and weights the independent components as weights of the principal components. Expressed as a linear sum.
また、第1の発明における前記監視モデル生成手段は、前記監視モデルに基づいて前記特徴因子ごとの判定閾値を設定し、前記異常判定手段は、前記監視モデルに基づいて前記評価データにおける前記特徴因子の尤度を算出し、前記特徴因子の尤度が前記判定閾値より小さい前記特徴因子の数を異常度とし、前記異常度に基づいて異常判定を行うことが望ましい。これによって、異常な振る舞いをしている特徴因子の数を異常判定の基準とすることができ、ノイズに強い異常検出が可能となる。例えば、前記監視モデル生成手段は、カーネル密度推定によって前記特徴因子のデータ分布を学習する。 The monitoring model generation means in the first invention sets a determination threshold value for each feature factor based on the monitoring model, and the abnormality determination means determines the feature factor in the evaluation data based on the monitoring model. It is desirable that the likelihood of the feature factor is calculated, the number of the feature factors whose likelihood of the feature factor is smaller than the determination threshold is an abnormality level, and the abnormality determination is performed based on the abnormality level. As a result, the number of feature factors that behave abnormally can be used as a criterion for abnormality determination, and it is possible to detect abnormality that is resistant to noise. For example, the monitoring model generation unit learns the data distribution of the feature factors by kernel density estimation.
また、例えば、第1の発明における前記異常要因解析手段は、前記特徴因子ごとの前記評価データと前記再構成データとの差分に基づいて、前記特徴因子ごとの異常に対する寄与度を算出し、前記寄与度が1番目に大きい系列と2番目に大きい系列の組を高寄与度系列組として抽出し、前記評価データの全サンプルにおける前記高寄与度系列組の出現回数を集計し、出現回数が多い順に前記高寄与度系列組を出力する。これによって、全体的な異常を捉えることができる。 Further, for example, the abnormality factor analysis means in the first invention calculates a contribution to the abnormality for each feature factor based on a difference between the evaluation data for each feature factor and the reconstructed data, The group of the largest contribution series and the second largest series is extracted as a high contribution series set, and the number of appearances of the high contribution series set in all the samples of the evaluation data is totaled, and the number of appearances is large. The high contribution series set is output in order. This makes it possible to capture the overall abnormality.
また、例えば、第1の発明における前記異常要因解析手段は、前記特徴因子ごとの前記評価データと前記再構成データとの差分に基づいて、前記特徴因子ごとの異常に対する寄与度を算出し、前記寄与度が1番目に大きい系列と2番目に大きい系列の組を高寄与度系列組として抽出し、前記高寄与度系列組の再構成誤差の合計が最大となる前記評価データのサンプルを出力する。これによって、突発的な異常を捉えることができる。 Further, for example, the abnormality factor analysis means in the first invention calculates a contribution to the abnormality for each feature factor based on a difference between the evaluation data for each feature factor and the reconstructed data, The set of the largest contribution series and the second largest series is extracted as a high contribution series set, and a sample of the evaluation data that maximizes the total reconstruction error of the high contribution series set is output. . As a result, a sudden abnormality can be captured.
第2の発明は、コンピュータを、多系列の時系列データである車両データに基づいて車両の異常を診断する異常診断装置として機能させるためのプログラムであって、前記車両データのうち、正常であることが既知の正常データを取得する正常データ取得手段と、前記正常データから複数の特徴因子を抽出する特徴因子抽出手段と、前記特徴因子のデータ分布を学習し、監視モデルを生成するモデル生成手段と、前記車両データのうち、異常診断の評価対象となる評価データを取得する評価データ取得手段と、前記評価データから前記特徴因子を抽出し、前記監視モデルに基づいて異常判定を行う異常判定手段と、前記異常判定手段によって異常と判断された前記特徴因子の数を異常度として計算する異常度計算手段と、前記異常判定手段によって正常と判断された前記特徴因子のみによって、前記特徴因子の空間のデータを前記車両データと同一の空間に逆変換し、再構成データを生成する再構成データ生成手段と、前記評価データと前記再構成データとの差分に基づいて異常の要因解析を行う異常要因解析手段と、を備える異常診断装置として機能させるためのプログラムである。第2の発明をコンピュータにインストールすることによって、第1の発明の異常診断装置を得ることができる。 A second invention is a program for causing a computer to function as an abnormality diagnosis device for diagnosing an abnormality of a vehicle based on vehicle data which is multi-series time series data, and is normal among the vehicle data Normal data acquiring means for acquiring known normal data, feature factor extracting means for extracting a plurality of feature factors from the normal data, and model generation means for learning a data distribution of the feature factors and generating a monitoring model And evaluation data acquisition means for acquiring evaluation data to be evaluated for abnormality diagnosis out of the vehicle data, and abnormality determination means for extracting the characteristic factor from the evaluation data and performing abnormality determination based on the monitoring model And an abnormality degree calculating means for calculating the number of characteristic factors determined to be abnormal by the abnormality determining means as an abnormality degree; and The reconstructed data generating means for reversely converting the space data of the feature factor into the same space as the vehicle data only by the feature factor determined to be normal, and generating the reconstructed data, the evaluation data, It is a program for functioning as an abnormality diagnosing device comprising abnormality factor analysis means for performing abnormality factor analysis based on a difference from the reconstructed data. By installing the second invention in a computer, the abnormality diagnosis apparatus of the first invention can be obtained.
本発明により、車載システムの異常診断において、異常の検出能力及び要因解析能力が十分な性能を持つ異常診断装置等を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an abnormality diagnosis apparatus or the like having sufficient performance in detecting abnormality and factor analysis ability in abnormality diagnosis of an in-vehicle system.
以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は、異常診断システムの概要を示す図である。図1に示すように、異常診断システム1は、異常診断装置2と車両3とから構成される。車両3には、異常診断対象となる車載電子制御システム4が搭載される。車載電子制御システム4には、データロガー装置5が設けられる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an outline of an abnormality diagnosis system. As shown in FIG. 1, the abnormality diagnosis system 1 includes an
車載電子制御システム4は、複数の実行パスが並行して動作する制御システムである。車載電子制御システム4では、複数のECUが並行動作したり、単一のECUが複数の変数の値を同時に出力したりする。
The on-vehicle
データロガー装置5は、車両3の動作データ(車両データ)を記録する。データロガー装置5は、無線又は有線の通信手段によって、車両データを異常診断装置2に送信する。
The
異常診断装置2は、データロガー装置5から送信される車両データに基づいて、車載電子制御システム4の異常を診断する。異常診断装置2は、後述するように、正常データ学習処理(図3参照)と評価データ診断処理(図4参照)を実行する。
The
尚、図1では、単一の車両3のみを図示したが、異常診断システム1には、複数の車両3を含めても良い。例えば、異常診断装置2は、同一の制御プログラムに従う車載電子制御システム4を同一の評価対象とし、複数のデータロガー装置5から複数の車両データを受信しても良い。
Although only a
また、図1では、単一の異常診断装置2のみを図示したが、正常データ学習処理と評価データ診断処理を別々のコンピュータが実行しても良い。すなわち、異常診断装置2は、複数のコンピュータから構成されても良い。
Further, in FIG. 1, only a single
図2は、異常診断装置のハードウエア構成図である。尚、図2のハードウエア構成は一例であり、用途、目的に応じて様々な構成を採ることが可能である。図2に示すように、異常診断装置2は、制御部11、記憶部12、メディア入出力部13、通信制御部14、入力部15、表示部16、周辺機器I/F部17等が、バス18を介して接続される。
FIG. 2 is a hardware configuration diagram of the abnormality diagnosis apparatus. Note that the hardware configuration in FIG. 2 is an example, and various configurations can be adopted depending on the application and purpose. As shown in FIG. 2, the
制御部11は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等によって構成される。CPUは、記憶部12、ROM、記録媒体等に格納されるプログラムをRAM上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、バス18を介して接続された各装置を駆動制御し、異常診断装置2が行う後述する処理を実現する。ROMは、不揮発性メモリであり、コンピュータのブートプログラムやBIOS等のプログラム、データ等を恒久的に保持している。RAMは、揮発性メモリであり、記憶部12、ROM、記録媒体等からロードしたプログラム、データ等を一時的に保持するとともに、制御部11が各種処理を行う為に使用するワークエリアを備える。
The
記憶部12は、HDD(Hard Disk Drive)等であり、制御部11が実行するプログラム、プログラム実行に必要なデータ、OS(Operating System)等が格納される。プログラムに関しては、OSに相当する制御プログラムや、後述する処理をコンピュータに実行させるためのアプリケーションプログラムが格納されている。これらの各プログラムコードは、制御部11により必要に応じて読み出されてRAMに移され、CPUに読み出されて各種の手段として実行される。
The
メディア入出力部13(ドライブ装置)は、データの入出力を行い、例えば、CDドライブ(−ROM、−R、−RW等)、DVDドライブ(−ROM、−R、−RW等)等のメディア入出力装置を有する。通信制御部14は、通信制御装置、通信ポート等を有し、コンピュータとネットワーク間の通信を媒介する通信インタフェースであり、ネットワークを介して、他のコンピュータ間との通信制御を行う。ネットワークは、有線、無線を問わない。
The media input / output unit 13 (drive device) inputs / outputs data, for example, media such as a CD drive (-ROM, -R, -RW, etc.), DVD drive (-ROM, -R, -RW, etc.) Has input / output devices. The
入力部15は、データの入力を行い、例えば、キーボード、マウス等のポインティングデバイス、テンキー等の入力装置を有する。入力部15を介して、コンピュータに対して、操作指示、動作指示、データ入力等を行うことができる。表示部16は、液晶パネル等のディスプレイ装置、ディスプレイ装置と連携してコンピュータのビデオ機能を実現するための論理回路等(ビデオアダプタ等)を有する。尚、入力部15及び表示部16は、タッチパネルディスプレイのように、一体となっていても良い。
The
周辺機器I/F(Interface)部17は、コンピュータに周辺機器を接続させるためのポートであり、周辺機器I/F部17を介してコンピュータは周辺機器とのデータの送受信を行う。周辺機器I/F部17は、USB(Universal Serial Bus)やIEEE1394やRS−232C等によって構成されており、通常複数の周辺機器I/Fを有する。周辺機器との接続形態は有線、無線を問わない。バス18は、各装置間の制御信号、データ信号等の授受を媒介する経路である。
The peripheral device I / F (Interface)
図3は、正常データ学習処理の流れを示すフローチャートである。図3に示すように、異常診断装置2の制御部11は、データロガー装置4から車両データを入力し、車両データのうち、正常であることが既知の正常データを取得する(ステップS1)。
FIG. 3 is a flowchart showing the flow of normal data learning processing. As shown in FIG. 3, the
車両データは、多系列(「多変数」や「多変量」とも言う。)の時系列データである。以下、車両データの系列数をM(Mは自然数)とする。正常データは、例えば、車両3が市場に投入される前に、テストドライバによる車両3の運転において、正常であると判断された車両データである。
The vehicle data is multi-series (also referred to as “multivariable” or “multivariate”) time-series data. Hereinafter, the number of vehicle data series is M (M is a natural number). The normal data is, for example, vehicle data that is determined to be normal in driving the
次に、制御部11は、ステップS1において取得された正常データを、平均0、分散1となるように各系列を標準化する(ステップS2)。制御部11は、このときに得られる標準化された正常データとともに、標準化に用いた正常データの平均および標準偏差の値も記憶部12に記憶する。
Next, the
次に、制御部11は、ステップS2において標準化された正常データの主成分分析を行う(ステップS3)。主成分分析とは、直交回転を用いて、変数間に相関がある元の観測値を、相関の無い主成分と呼ばれる値に変換するための手法である。制御部11は、このときに得られる主成分への変換モデル(変換の表現行列)を主成分分析モデルとして記憶部12に記憶する。
Next, the
主成分分析によって抽出される主成分は、不要なノイズが除去された主要な相関関係を代表しており、互いに無相関である。主成分の数をP(Pは自然数)とすると、制御部11は、例えば、相関行列の固有値の値や累積寄与率などに基づく抽出基準によって、P<Mを満たすP個の主成分を抽出する。
The principal components extracted by principal component analysis represent the main correlation from which unnecessary noise has been removed, and are uncorrelated with each other. Assuming that the number of principal components is P (P is a natural number), the
次に、制御部11は、ステップS3において抽出された主成分を用いて、過完備独立成分分析を行う(ステップS4)。ここで抽出される独立成分が、正常データの特徴を示す特徴因子である。制御部11は、このときに得られる独立成分への変換モデル(変換の表現行列)を過完備独立成分分析モデルとして記憶部12に記憶する。
Next, the
一般に、2つの成分が互いに独立とは、両者に相関関係がない、すなわち、片方の値が変動した際、もう片方がある決まった法則に従って連動しないことを意味する。この定義を利用し、本実施の形態における独立成分分析では、抽出すべきK(Kは自然数)個の系列の独立成分を、P個の系列の主成分の線形変換(重み付き線形和)によって表現する。 In general, two components being independent of each other means that there is no correlation between the two components, that is, when one value fluctuates, the other does not interlock according to a certain rule. Using this definition, in the independent component analysis in the present embodiment, the independent components of K (K is a natural number) sequences to be extracted are converted into linear components (weighted linear sums) of P principal components. Express.
但し、実際の問題では、独立の定義を完全に満たす独立成分を抽出することは困難である。そこで、制御部11は、最適化計算を行い、可能な限り独立の定義を満たすP個の系列の主成分の線形変換を反復計算によって算出する。反復計算による探索的な手法であるため、最終的に得られる独立成分は、厳密には独立にならないことがほとんどである。従って、本実施の形態における独立成分分析では、制御部11は、近似的に独立に近い成分を独立成分として算出している。
However, in an actual problem, it is difficult to extract an independent component that completely satisfies the independent definition. Therefore, the
また、過完備とは、通常の独立成分分析と異なり、独立成分の数が元の系列数よりも多い、すなわち、K>Pを満たすことを意味する。特に、本実施の形態では、K>Mを満たすK個の独立成分を抽出することが望ましい。例えば、制御部11は、車両データの時系列数(=M)が数十個に対して、独立成分の個数(=K)が数百個となるように、独立成分を抽出する。これによって、後述する独立成分に基づく監視モデルの表現力が向上し、異常の検出能力及び要因解析能力の性能が向上する。
Also, overcomplete means that the number of independent components is larger than the original number of sequences, that is, K> P is satisfied, unlike ordinary independent component analysis. In particular, in this embodiment, it is desirable to extract K independent components that satisfy K> M. For example, the
過完備化のメリットは、その表現能力にある。本実施の形態では、独立成分は入力系列に対する重み付き線形和として算出される。このことは、逆に言えば、入力系列が独立成分の重み付き線形和によって表されることを意味する。今、入力系列を独立成分の重み付き線形和で表すことを考えると、独立成分の数が少なければ、その表現能力に制限がかかる。特に、入力系列が複雑な関係を持つ場合に問題となる。そこで、本実施の形態では、過完備化によって多くの独立成分を抽出しておき、その表現能力を向上させる。各独立成分は、近似的な独立性の制約を課しているため、ほぼ互いに独立な情報を持つことになるので、入力系列が持つ様々な局所的情報を手分けして持つことになる。つまり、入力系列のある瞬間的な局所状態を表現する際には、その状態に対応した少ない独立成分だけを用いて表現することができるとともに、たくさんの状態を持つ複雑な入力系列に対しては、過完備化によって多くの独立成分で正確に表現することができる。 The merit of overcompleteness is its expressive ability. In the present embodiment, the independent component is calculated as a weighted linear sum with respect to the input sequence. In other words, this means that the input sequence is represented by a weighted linear sum of independent components. Now, considering that an input sequence is represented by a weighted linear sum of independent components, if the number of independent components is small, the expression capability is limited. This is particularly problematic when the input sequence has a complicated relationship. Therefore, in the present embodiment, many independent components are extracted by overcomplete, and the expression ability is improved. Since each independent component imposes a constraint of approximate independence, it has information that is almost independent of each other, and therefore, has various local information that the input sequence has separately. In other words, when expressing an instantaneous local state of an input sequence, it can be expressed using only a few independent components corresponding to that state, and for complex input sequences with many states. By overcompleted, it can be accurately expressed with many independent components.
尚、制御部11は、主成分分析及び独立成分分析とは異なる手法で特徴因子を抽出しても良いが、K>Mを満たすK個の特徴因子を抽出することが望ましい。
The
次に、制御部11は、独立成分(特徴因子)のデータ分布を学習し、監視モデルを生成する(ステップS5)。制御部11は、独立成分ごとにデータ分布を学習し、独立成分(特徴因子)ごとに監視モデルを生成する。制御部11は、このときに得られる独立成分(特徴因子)ごとの監視モデルを記憶部12に記憶する。
Next, the
例えば、制御部11は、カーネル密度推定によって独立成分(特徴因子)のデータ分布を学習し、監視モデル(確率密度関数)を生成する。カーネル密度推定とは、確率変数の確率密度関数を推定する手法の一つであり、有限の標本から全体の分布を推定することができる。
For example, the
次に、制御部11は、ステップS5において生成された監視モデルを用いて、ステップS4において得られた各独立成分(特徴因子)の尤度を算出する(ステップS6)。ここで、各独立成分(特徴因子)の尤度とは、監視モデルにより各データの独立成分(特徴因子)上の確率密度を計算した値であって、データがモデルから見てどの程度尤もらしいか、適合しているかを示す値である。尤度が低い程、異常度が大きいとみなすことができる。
Next, the
次に、制御部11は、ステップS6において算出された各独立成分(特徴因子)の尤度の最小値を、独立成分(特徴因子)ごとの判定閾値として設定する(ステップS7)。
Next, the
図4は、評価データ診断処理の流れを示すフローチャートである。図4に示すように、異常診断装置2の制御部11は、データロガー装置4から車両データを入力し、異常診断の評価対象となる評価データを取得する(ステップS11)。評価データは、例えば、車両3が市場に投入された後、ユーザによる車両3の運転において、正常か否か不明な車両データである。
FIG. 4 is a flowchart showing the flow of the evaluation data diagnosis process. As illustrated in FIG. 4, the
次に、制御部11は、ステップS2における標準化に用いた正常データの平均および標準偏差の値を用いて、ステップS11において取得された評価データの各系列を標準化する(ステップS12)。
Next, the
次に、制御部11は、ステップS3において得られる主成分分析モデルを用いて、ステップS12において標準化された評価データを主成分に変換する(ステップS13)。
Next, the
次に、制御部11は、ステップS4において得られる過完備独立成分分析モデルに基づいて、ステップS13において変換された成分の線形変換を独立成分(特徴因子)として抽出する(ステップS14)。尚、正常データ学習処理において、主成分分析及び独立成分分析とは異なる手法で特徴因子を抽出した場合、制御部11は、ステップS13及びステップS14においても同様の手法で特徴因子を抽出する。
Next, based on the overcomplete independent component analysis model obtained in step S4, the
次に、制御部11は、ステップS5において生成された監視モデルを用いて、ステップS14において得られた各独立成分(特徴因子)の尤度を算出する(ステップS15)。
Next, the
次に、制御部11は、ステップS15において算出される独立成分(特徴因子)の尤度が、ステップS7において設定される判定閾値よりも小さい独立成分(特徴因子)の数に基づいて異常判定を行う(ステップS16)。例えば、制御部11は、独立成分(特徴因子)の尤度が判定閾値よりも小さい独立成分(特徴因子)の数を異常度として表示部16に表示したり、異常度が所定の値を超えた場合に異常と判定したりする。制御部11は、評価データのサンプル単位で異常度を算出しても良いし、評価データの全サンプルについて独立成分単位で異常度を算出しても良い。
Next, the
次に、制御部11は、尤度が判定閾値以上の独立成分(特徴因子)のみを用いて、再構成データを生成する(ステップS17)。具体的には、制御部11は、主成分分析モデルの逆変換と、尤度が判定閾値以上の独立成分のみの過完備独立成分分析モデルの逆変換を用いて、独立成分(特徴因子)の空間のデータを車両データと同一の空間に逆変換し、再構成データを生成する。
Next, the
図5は、再構成データ生成処理を説明する図である。元データ(車両データ)の空間の表現行列をX(低次元)、主成分分析モデルおよび過完備独立成分分析モデルによる変換の表現行列をW、独立成分の空間の表現行列をY(高次元)とする。このとき、Y=WXが成り立つ。行列Wについては、主成分分析モデルの表現行列をA、過完備独立成分分析モデルの表現行列をBとすると、W=BAによって求められる。 FIG. 5 is a diagram for explaining the reconstruction data generation process. X (low dimension) for the spatial representation matrix of the original data (vehicle data), W for the transformation matrix by the principal component analysis model and the overcomplete independent component analysis model, and Y (high dimension) for the spatial matrix of the independent component And At this time, Y = WX holds. The matrix W is obtained by W = BA, where A is the principal component analysis model expression matrix and B is the overcomplete independent component analysis model expression matrix.
制御部11は、ステップS17において、独立成分の空間のデータYに対し、尤度が判定閾値以上の各独立成分の値を0としたデータY’を用い、元データ(車両データ)と同一の空間に再構成し(再構成の表現行列をW’とする。)、再構成データX’を生成する。このとき、X’=W’Y’が成り立つ。再構成行列W’については、過完備独立成分分析モデルの表現行列Bに対する擬似逆行列をB’、主成分分析モデルの表現行列Aに対する転置行列をATとすると、W’=ATB’と求められる。
In step S17, the
図4の説明に戻る。次に、制御部11は、ステップS12において標準化された評価データと、ステップS17において生成された再構成データとの差分を算出し、差分データを生成する(ステップS18)。本実施の形態では、この差分データの値が大きい順に、異常に対する寄与度(以下、「寄与度」と省略する。)が高い系列であるとみなす。そして、寄与度が高い系列ほど、異常の真の原因との関連が強いものとして解釈する。例えば、制御部11は、寄与度が高い系列のリストを表示部16に表示する。
Returning to the description of FIG. Next, the
図6は、差分データ生成処理を説明する図である。図6(a)は、再構成データと元データ(ステップS12において標準化された評価データ)の関係を示している。簡略化のため、元データの系列数が2、元データの空間が2次元とし、正常な独立成分で張られる空間を直線(1次元)で示している。再構成データは、正常な独立成分で張られる空間上に位置する。一方、元データは、再構成データ(正常な値)からずれた場所に位置する。 FIG. 6 is a diagram illustrating the difference data generation process. FIG. 6A shows the relationship between reconstructed data and original data (evaluation data standardized in step S12). For simplification, the number of series of original data is 2, the space of the original data is two-dimensional, and the space spanned by normal independent components is indicated by a straight line (one-dimensional). The reconstruction data is located on a space spanned by normal independent components. On the other hand, the original data is located at a location deviated from the reconstructed data (normal value).
図6(b)は、再構成誤差に対する各系列の寄与度の例を示している。図6(b)の例では、寄与度が高い順に、5つの系列の寄与度を示している。再構成誤差は、例えば、再構成データと元データの差分の絶対値である。この場合、制御部11は、系列ごとの差分の絶対値を、全ての系列に対する差分の絶対値の合計値で割った値を、系列ごとの寄与度とする。また、再構成誤差は、再構成データと元データの差分の二乗和としても良い。この場合、制御部11は、系列ごとの差分の二乗和を、全ての系列に対する差分の二乗和の合計値で割った値を、系列ごとの寄与度とする。
FIG. 6B shows an example of the contribution of each series to the reconstruction error. In the example of FIG. 6B, the contributions of five sequences are shown in descending order of contribution. The reconstruction error is, for example, the absolute value of the difference between the reconstruction data and the original data. In this case, the
図4の説明に戻る。次に、制御部11は、異常の要因解析を行う(ステップS19)。要因解析手法は、例えば、以下の2通りが挙げられる。
Returning to the description of FIG. Next, the
まず、第1の要因解析手法について説明する。制御部11は、評価データのサンプル毎の各系列について、ステップS18において得られる寄与度が1番目に大きい系列と2番目に大きい系列の組を「高寄与度系列組」とし、それぞれ、評価データの全サンプルにおける出現回数を集計する。そして、制御部11は、出現回数が多い順に、「高寄与度系列組」を表示部16に表示する。
First, the first factor analysis method will be described. The
第1の要因解析手法では、評価データ全体を通して、正常な値から頻繁にずれている系列の組を抽出している。これによって、全体的な異常を捉えることができる。 In the first factor analysis method, a set of sequences that frequently deviate from normal values is extracted throughout the evaluation data. This makes it possible to capture the overall abnormality.
次に、第2の要因解析手法について説明する。制御部11は、評価データのサンプル毎の各系列について、ステップS18において得られる寄与度が1番目に大きい系列と2番目に大きい系列の組を「高寄与度系列組」とし、高寄与度系列組の再構成誤差の合計を算出する。再構成誤差の合計は、差分の絶対値の合計でも良いし、差分の二乗和の合計でも良い。そして、制御部11は、高寄与度系列組の再構成誤差の合計が最大のサンプル及びその高寄与度系列組を表示部16に表示する。
Next, the second factor analysis method will be described. For each series of evaluation data samples, the
第2の要因解析手法では、評価データ全体を通して、一番大きくずれているサンプル及び系列の組を抽出している。これによって、突発的な異常を捉えることができる。 In the second factor analysis method, a set of samples and sequences that are most greatly shifted is extracted through the entire evaluation data. As a result, a sudden abnormality can be captured.
以下、本実施の形態の異常診断装置2による実施例を説明する。本実施例は、「通常走行」及び「緩やか走行」の2つの走行条件における車両データを用いた。また、「通常走行」を正常データ、「緩やか走行」を評価データとし、異常診断装置2が、図3に示す正常データ学習処理及び図4に示す評価データ診断処理を実行した。そして、学習した監視モデルによって、評価データにおける走行条件の変化をどの程度検出できるかについて解析を行った。
Hereinafter, examples of the
一方、比較例1では、「通常走行」を正常データ、「緩やか走行」を評価データとし、主成分分析のみによる正常データ学習処理及び評価データ診断処理を実行した。また、比較例2では、「通常走行」を正常データ、「緩やか走行」を評価データとし、独立成分分析(但し、独立成分の個数K≦車両データの系列数M)のみによる正常データ学習処理及び評価データ診断処理を実行した。 On the other hand, in Comparative Example 1, “normal travel” is normal data and “slow travel” is evaluation data, and normal data learning processing and evaluation data diagnosis processing based only on principal component analysis are executed. In Comparative Example 2, “normal driving” is normal data, “slow driving” is evaluation data, and normal data learning processing based only on independent component analysis (however, the number of independent components K ≦ the number M of vehicle data sequences) Evaluation data diagnosis processing was executed.
図7は、比較例1、比較例2及び実施例によって算出されたサンプル単位の全体異常度の算出結果を示す図である。全体異常度とは、独立成分ごとの異常度ではなく、全ての独立成分を加味した異常の度合を意味する。図7に示す全体異常度は、各独立成分の尤度の積を取り、負の対数で表したもの(負の対数尤度)である。図7(a)が比較例1、図7(b)が比較例2、図7(c)が実施例である。いずれも、横軸がサンプル識別番号、縦軸が全体異常度であり、正常データと評価データの区分線の左側が正常データのサンプル群、右側が評価データのサンプル群である。尚、縦軸の目盛の最大値は、それぞれ、図7(a)が「60」、図7(b)が「30」、図7(c)が「12」である。 FIG. 7 is a diagram illustrating a calculation result of the total abnormality degree of the sample unit calculated by the comparative example 1, the comparative example 2, and the example. The total degree of abnormality means not the degree of abnormality for each independent component but the degree of abnormality taking all independent components into consideration. The overall abnormality degree shown in FIG. 7 is a product of the likelihood of each independent component and is expressed by a negative logarithm (negative log likelihood). FIG. 7A shows a comparative example 1, FIG. 7B shows a comparative example 2, and FIG. 7C shows an example. In either case, the horizontal axis represents the sample identification number, the vertical axis represents the overall abnormality degree, the left side of the normal data and evaluation data dividing line is the normal data sample group, and the right side is the evaluation data sample group. The maximum value of the scale on the vertical axis is “60” in FIG. 7A, “30” in FIG. 7B, and “12” in FIG. 7C.
図7(a)及び図7(b)を参照すると、比較例1及び比較例2は、正常データと評価データの走行条件の違いが、全体異常度の値によって明確に検出されていない。本来であれば、評価データのサンプルの全体異常度が高くなるはずであるが、むしろ、評価データのサンプルよりも全体異常度が高い正常データのサンプルも散見される。すなわち、比較例1及び比較例2では、誤検出や検出漏れが多く、異常の検出能力の性能が低いことを示している。 Referring to FIGS. 7A and 7B, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the difference between the running conditions of the normal data and the evaluation data is not clearly detected by the value of the overall abnormality level. Originally, the overall abnormality degree of the sample of the evaluation data should be high, but there are also some samples of normal data whose overall abnormality degree is higher than that of the evaluation data sample. That is, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it is shown that there are many false detections and detection omissions, and the performance of abnormality detection capability is low.
一方、図7(c)を参照すると、実施例は、正常データと評価データの走行条件の違いが、全体異常度の値によって明確に検出されている。正常データでは、全体異常度が「5」以上のサンプルがほとんど存在しないのに対し、評価データでは、全体異常度が「5」以上のサンプルが数多く存在する。これは、正常データ(「通常走行」)に基づいて学習した実施例の監視モデルによって、走行条件が異なる評価データ(「緩やか走行」)との違いが数多く検出されていることを示している。すなわち、実施例によって算出された全体異常度は、誤検出や検出漏れが少なく、異常の検出能力の性能が高いことを示している。 On the other hand, referring to FIG. 7C, in the example, the difference in the running condition between the normal data and the evaluation data is clearly detected by the value of the overall abnormality degree. In the normal data, there are almost no samples having an overall abnormality degree of “5” or more, whereas in the evaluation data, there are many samples having an overall abnormality degree of “5” or more. This indicates that the monitoring model of the embodiment learned based on the normal data (“normal driving”) has detected many differences from the evaluation data with different driving conditions (“gentle driving”). That is, the overall abnormality degree calculated by the example indicates that there are few false detections and detection omissions and the performance of the abnormality detection capability is high.
図8は、設定された閾値による独立成分単位での異常判定処理を説明する模式図である。横軸が各独立成分、縦軸が各独立成分の異常度(負の対数尤度)である。この例では、5つの独立成分が異常度閾値を超えていた。異常度閾値は、正常データに基づいて設定される。図8に示すように、異常と判断されるデータでは、多くの独立成分が異常な振る舞いをしている。尚、図8に示す異常度閾値は、全ての独立成分について同一の値となっているが、実際には独立成分ごとに異なる値となる。 FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the abnormality determination process in units of independent components based on the set threshold value. The horizontal axis represents each independent component, and the vertical axis represents the degree of abnormality (negative log likelihood) of each independent component. In this example, five independent components exceeded the abnormality level threshold. The abnormality degree threshold is set based on normal data. As shown in FIG. 8, in the data determined to be abnormal, many independent components behave abnormally. Note that the abnormality threshold shown in FIG. 8 is the same value for all the independent components, but actually differs for each independent component.
図9は、比較例1、比較例2及び実施例によって算出された異常因子数の算出結果を示す図である。異常因子とは、異常度が異常度閾値を超えた特徴因子(独立成分)のことを意味する。この場合、異常度は、特徴因子(独立成分)単位で算出される。図9(a)が比較例1、図9(b)が比較例2、図9(c)が実施例である。いずれも、横軸がサンプル識別番号、縦軸が異常因子数であり、正常データと評価データの区分線の左側が正常データのサンプル群、右側が評価データのサンプル群である。尚、縦軸の目盛の最大値は、それぞれ、図9(a)が「2」、図9(b)が「8」、図9(c)が「120」である。 FIG. 9 is a diagram illustrating a calculation result of the number of abnormal factors calculated by Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Example. The abnormal factor means a characteristic factor (independent component) whose abnormality exceeds the abnormality threshold. In this case, the degree of abnormality is calculated in units of feature factors (independent components). 9A is Comparative Example 1, FIG. 9B is Comparative Example 2, and FIG. 9C is an example. In both cases, the horizontal axis represents the sample identification number, the vertical axis represents the number of abnormal factors, the left side of the normal data and evaluation data dividing line is the normal data sample group, and the right side is the evaluation data sample group. The maximum value of the scale on the vertical axis is “2” in FIG. 9A, “8” in FIG. 9B, and “120” in FIG. 9C.
図9(a)及び図9(b)を参照すると、比較例1及び比較例2は、正常データと評価データの走行条件の違いが、異常因子数によって明確に検出されていない。すなわち、比較例1及び比較例2では、誤検出や検出漏れが多く、異常の検出能力の性能が低いことを示している。 Referring to FIGS. 9A and 9B, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the difference between the running conditions of normal data and evaluation data is not clearly detected by the number of abnormal factors. That is, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it is shown that there are many false detections and detection omissions, and the performance of abnormality detection capability is low.
一方、図9(c)を参照すると、実施例は、正常データと評価データの走行条件の違いが、異常因子数によって明確に検出されている。正常データでは、異常因子数が「30」以上のサンプルがほとんど存在しないのに対し、評価データでは、異常度が「30」以上のサンプルが数多く存在する。これは、正常データ(「通常走行」)に基づいて学習した実施例の監視モデルによって、走行条件が異なる評価データ(「緩やか走行」)との違いが数多く検出されていることを示している。すなわち、実施例によって算出された異常因子数は、誤検出や検出漏れが少なく、異常の検出能力の性能が高いことを示している。 On the other hand, referring to FIG. 9C, in the example, the difference in running conditions between normal data and evaluation data is clearly detected by the number of abnormal factors. In normal data, there are almost no samples with an abnormal factor number of “30” or more, whereas in evaluation data, there are many samples with an abnormality degree of “30” or more. This indicates that the monitoring model of the embodiment learned based on the normal data (“normal driving”) has detected many differences from the evaluation data with different driving conditions (“gentle driving”). That is, the number of abnormal factors calculated according to the example indicates that there are few false detections and detection omissions and the performance of the abnormality detection capability is high.
図10は、比較例1による要因解析の結果を示す図である。図11は、実施例による要因解析の結果を示す図である。実施例であれば、要因解析は、図4のステップS19において実行される。図10及び図11に示す例は、第1の要因解析手法による解析結果である。 FIG. 10 is a diagram illustrating a result of factor analysis according to Comparative Example 1. FIG. 11 is a diagram illustrating a result of factor analysis according to the example. In the embodiment, the factor analysis is executed in step S19 in FIG. The examples shown in FIGS. 10 and 11 are analysis results obtained by the first factor analysis technique.
図10を参照すると、比較例1の場合、出現回数が多い系列の組は相関がないものが多い。一方、図11を参照すると、実施例の場合、出現回数が多い系列の組は相関があるものが多い。例えば、図11に示す「出現回数1位」の散布図では、緩やか走行による変化を精度良く表現できている。 Referring to FIG. 10, in the case of Comparative Example 1, there are many sets of sequences having a high number of appearances that have no correlation. On the other hand, referring to FIG. 11, in the case of the embodiment, there are many sets of sequences that have a large number of appearances. For example, in the scatter diagram “number of appearances 1st place” shown in FIG. 11, changes due to gentle running can be accurately expressed.
実際に車両の異常診断を行う場合、相関がある系列の組において、その相関関係がどのように崩れたのかを観測したいというニーズがある。これは、相関関係の崩れが、異常の要因になり得るからである。独立成分は、元データが持つ局所的な特徴(相関関係)を表していることから、異常な独立成分を見つけることは、相関関係の崩れを見つけることを意味する。従って、本実施例では、相関関係がどのように崩れたのかを観測したいというニーズを満たす解析結果を提示できると言える。一方、主成分分析では、相関関係がどのように崩れたのかを観測することができない。 When actually performing vehicle abnormality diagnosis, there is a need to observe how the correlation is broken in a set of correlated series. This is because the collapse of the correlation can cause abnormalities. Since the independent component represents a local feature (correlation) of the original data, finding an abnormal independent component means finding a collapse of the correlation. Therefore, in this embodiment, it can be said that an analysis result that satisfies the need to observe how the correlation is broken can be presented. On the other hand, in the principal component analysis, it is impossible to observe how the correlation is broken.
ここで、本実施の形態の異常診断装置2による効果及びその効果が生じる理由について説明する。第1の効果は、異常に直接寄与したデータ系列を明らかにできることである。第2の効果は、各データサンプルが正常か否か判定できなくても、要因解析を行うことができることである。第3の効果は、異常な特徴因子数を異常度とし、異常度に従って異常判定を行うことで、ノイズに強い異常検出が可能となることである。第4の効果は、車両データの系列数よりも多い特徴因子を抽出することで、異常の検出能力及び要因解析能力の性能が向上することである。
Here, the effect by the
まず、第1の効果が生じる理由について説明する。元のデータ系列ではなく特徴因子を監視する場合、特徴因子が異常と判定されても、元のデータ系列との関連が複雑なため、従来の手法では要因解析を行うことが難しい。そこで、本実施の形態の異常診断装置2では、正常な特徴因子のみで逆変換を行い、再構成データを生成し、異常な振る舞いの特徴因子によって形作られる元の評価データと再構成データとの差分データを生成し、差分データを用いて要因解析を行う。これによって、特徴因子上ではなく、元のデータ系列上で解析を行うことができ、要因解析が容易になる。また、関係のないノイズに影響されず、直接寄与した部分のみを差分データという形で参照できる。従って、異常に直接寄与したデータ系列を明らかにすることができる。
First, the reason why the first effect occurs will be described. When monitoring a characteristic factor instead of the original data series, even if it is determined that the characteristic factor is abnormal, the relationship with the original data series is complicated, so that it is difficult to perform the factor analysis with the conventional method. Therefore, in the
次に、第2の効果が生じる理由について説明する。従来手法では、異常検出のプロセスにおいて異常判定を行い、少量の異常候補を検出した後、それらの異常候補のみに対して要因解析を行う。しかし、現状、その異常候補を正しく抽出することは難しく、誤検出や検出漏れが多い。特に、異常がはっきり顕在化しにくい早期段階の異常検出では、この傾向が顕著になる。そこで、本実施の形態の異常診断装置2では、異常判定によって解析対象のデータを極端に限定することなく、要因解析を行う。これによって、診断者は、異常度や事前知識等に基づいて解析したいデータ範囲を指定することができ、各データサンプルが正常か否か判定できなくても、要因解析を行うことができる。
Next, the reason why the second effect occurs will be described. In the conventional method, abnormality determination is performed in the abnormality detection process, and after detecting a small amount of abnormality candidates, factor analysis is performed only on those abnormality candidates. However, at present, it is difficult to correctly extract the abnormal candidates, and there are many false detections and omissions. In particular, this tendency becomes prominent in the early stage abnormality detection in which the abnormality is not clearly manifested. Therefore, in the
各サンプルにおいて、寄与度が1番目に大きい系列と2番目に大きい系列の組(高寄与度系列組)のみに注目し、出現回数や誤差の大きさの観点で統計的な処理を行うことで、包括的に要因解析を行うことができる。診断者は、指定したデータ全体を通して誤差に寄与した回数の多い系列の組や、誤差が一番大きくなった系列の組を簡単に知ることができる。 In each sample, paying attention to only the group with the first largest contribution and the group with the second largest contribution (high contribution series), and performing statistical processing in terms of the number of appearances and the magnitude of error A comprehensive factor analysis can be performed. The diagnostician can easily know a set of series that contributes to the error through the entire designated data or a set of series that has the largest error.
また、抽出された高寄与度系列組は、散布図を用いて容易に解析可能である。散布図は、統計に詳しくない診断者に対しても、直感的で分かり易いため、有用性が高い。注目したい系列の組がある場合、診断者は、例えば、その系列の組に対して正常データと評価データをそれぞれプロットし、その差異を確認することで、より詳細な違いを解析することができる。 Further, the extracted high contribution series set can be easily analyzed using a scatter diagram. Scatter charts are highly useful for diagnosticians who are not familiar with statistics because they are intuitive and easy to understand. When there is a set of series that you want to focus on, the diagnostician can analyze the detailed difference by plotting normal data and evaluation data for each set of series and confirming the difference, for example. .
尚、統計的手法を用いた要因解析は、様々な条件で行うことが望ましい。例えば、最初の解析結果で得た知見に基づき、解析対象のデータの範囲や系列を限定し、再度要因解析を行うことで、解析精度を向上させることができる。 In addition, it is desirable to perform factor analysis using a statistical method under various conditions. For example, analysis accuracy can be improved by limiting the range or series of data to be analyzed based on the knowledge obtained from the first analysis result and performing factor analysis again.
次に、第3の効果が生じる理由について説明する。従来手法では、1つでも特徴因子が閾値を超えたデータは全て異常とみなすことが多い。一方、本実施の形態の異常診断装置2では、異常な振る舞いと判定された特徴因子の数を全体の異常度とし、異常度の値が大きい場合には車両が異常であると判断する。細かいノイズ等が原因で少量の特徴因子が異常な振る舞いと判定される場合があるが、そのような特徴因子の数が少ない場合、全体の異常度が大きくならないため、異常の誤検出を回避することができ、ノイズに強い異常検出が可能となる。
Next, the reason why the third effect occurs will be described. In the conventional method, any data whose feature factor exceeds a threshold value is often regarded as abnormal. On the other hand, in the
次に、第4の効果が生じる理由について説明する。特徴因子の数が少ない場合、再構成データの表現の柔軟性が低く、元のデータが本来持つ細かい特徴まで表現することができない。そこで、本実施の形態のように、再構成データを生成する場合、出来る限り多くの特徴因子を抽出し、再構成データの表現力を向上させている。特に、過完備独立成分分析を用いて特徴因子を抽出したことによって、各特徴因子は互いにほぼ独立となり、同じ特徴を持たない。これによって、抽出される特徴因子が多いほど、多様な特徴を表現することができ、異常の検出能力及び要因解析能力の性能が向上する。 Next, the reason why the fourth effect occurs will be described. When the number of feature factors is small, the flexibility of expressing reconstructed data is low, and it is not possible to express the fine features inherent in the original data. Therefore, as in the present embodiment, when generating reconstructed data, as many feature factors as possible are extracted to improve the expressive power of the reconstructed data. In particular, by extracting feature factors using overcomplete independent component analysis, the feature factors are almost independent of each other and do not have the same features. Accordingly, as the number of extracted feature factors increases, a variety of features can be expressed, and the performance of abnormality detection capability and factor analysis capability improves.
以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る異常診断装置等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The preferred embodiments of the abnormality diagnosis device and the like according to the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or modifications can be conceived within the scope of the technical idea disclosed in the present application, and these naturally belong to the technical scope of the present invention. Understood.
1………異常診断システム
2………異常診断装置
3………車両
4………車載電子制御システム
5………データロガー装置
11………制御部
12………記憶部
13………メディア入出力部
14………通信制御部
15………入力部
16………表示部
17………周辺機器I/F部
18………バス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 .........
Claims (9)
前記車両データのうち、正常であることが既知の正常データを取得する正常データ取得手段と、
前記正常データから複数の特徴因子を抽出する特徴因子抽出手段と、
前記特徴因子のデータ分布を学習し、監視モデルを生成するモデル生成手段と、
前記車両データのうち、異常診断の評価対象となる評価データを取得する評価データ取得手段と、
前記評価データから前記特徴因子を抽出し、前記監視モデルに基づいて異常判定を行う異常判定手段と、
前記異常判定手段によって正常と判断された前記特徴因子のみによって、前記特徴因子の空間のデータを前記車両データと同一の空間に逆変換し、再構成データを生成する再構成データ生成手段と、
前記評価データと前記再構成データとの差分に基づいて異常の要因解析を行う異常要因解析手段と、
を備えることを特徴とする異常診断装置。 An abnormality diagnosis device for diagnosing vehicle abnormality based on vehicle data that is multi-series time series data,
Normal data acquisition means for acquiring normal data known to be normal among the vehicle data;
A feature factor extracting means for extracting a plurality of feature factors from the normal data;
Model generation means for learning a data distribution of the characteristic factors and generating a monitoring model;
Of the vehicle data, evaluation data acquisition means for acquiring evaluation data to be evaluated for abnormality diagnosis;
Extracting the feature factor from the evaluation data, and determining abnormality based on the monitoring model;
Reconstruction data generation means for reversely converting the space data of the feature factor into the same space as the vehicle data only by the feature factor determined to be normal by the abnormality determination means,
An abnormal factor analysis means for performing an abnormal factor analysis based on a difference between the evaluation data and the reconstructed data;
An abnormality diagnosis apparatus comprising:
前記特徴因子抽出手段は、K(Kは自然数)>Mを満たすK個の前記特徴因子を抽出する
ことを特徴とする請求項1に記載の異常診断装置。 When the number of series of vehicle data is M (M is a natural number),
The abnormality diagnosis apparatus according to claim 1, wherein the feature factor extraction unit extracts K feature factors that satisfy K (K is a natural number)> M.
ことを特徴とする請求項2に記載の異常診断装置。 3. The abnormality diagnosis apparatus according to claim 2, wherein the feature factor extraction means performs an overcomplete independent component analysis of the normal data, extracts K independent components, and uses them as the feature factors.
ことを特徴とする請求項3に記載の異常診断装置。 The feature factor extraction means performs a principal component analysis of the normal data, extracts P principal components satisfying P (P is a natural number) <M, and expresses the independent component by a weighted linear sum of the principal components. The abnormality diagnosis device according to claim 3, wherein:
前記異常判定手段は、前記監視モデルに基づいて前記評価データにおける前記特徴因子の尤度を算出し、前記特徴因子の尤度が前記判定閾値より小さい前記特徴因子の数を異常度とし、前記異常度に基づいて異常判定を行う
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の異常診断装置。 The monitoring model generation means sets a determination threshold for each feature factor based on the monitoring model,
The abnormality determination means calculates the likelihood of the feature factor in the evaluation data based on the monitoring model, sets the number of the feature factor that is smaller than the determination threshold as the abnormality factor, and sets the abnormality as the abnormality The abnormality diagnosis apparatus according to claim 1, wherein abnormality determination is performed based on the degree.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の異常診断装置。 6. The abnormality diagnosis apparatus according to claim 1, wherein the monitoring model generation unit learns a data distribution of the characteristic factor by kernel density estimation.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の異常診断装置。 The abnormality factor analysis means calculates a contribution degree to the abnormality for each feature factor based on a difference between the evaluation data for each feature factor and the reconstructed data, and a series having the largest contribution degree The second largest series set is extracted as a high contribution series set, the number of appearances of the high contribution series set in all samples of the evaluation data is totaled, and the high contribution series set is output in descending order of appearance counts. An abnormality diagnosis apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the abnormality diagnosis apparatus comprises:
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の異常診断装置。 The abnormality factor analysis means calculates a contribution degree to the abnormality for each feature factor based on a difference between the evaluation data for each feature factor and the reconstructed data, and a series having the largest contribution degree The second largest sequence set is extracted as a high contribution sequence set, and a sample of the evaluation data that maximizes the total reconstruction error of the high contribution sequence set is output. The abnormality diagnosis apparatus according to claim 6.
前記車両データのうち、正常であることが既知の正常データを取得する正常データ取得手段と、
前記正常データから複数の特徴因子を抽出する特徴因子抽出手段と、
前記特徴因子のデータ分布を学習し、監視モデルを生成するモデル生成手段と、
前記車両データのうち、異常診断の評価対象となる評価データを取得する評価データ取得手段と、
前記評価データから前記特徴因子を抽出し、前記監視モデルに基づいて異常判定を行う異常判定手段と、
前記異常判定手段によって異常と判断された前記特徴因子の数を異常度として計算する異常度計算手段と、
前記異常判定手段によって正常と判断された前記特徴因子のみによって、前記特徴因子の空間のデータを前記車両データと同一の空間に逆変換し、再構成データを生成する再構成データ生成手段と、
前記評価データと前記再構成データとの差分に基づいて異常の要因解析を行う異常要因解析手段と、
を備える異常診断装置として機能させるためのプログラム。 A program for causing a computer to function as an abnormality diagnosis device for diagnosing an abnormality of a vehicle based on vehicle data that is multi-series time series data,
Normal data acquisition means for acquiring normal data known to be normal among the vehicle data;
A feature factor extracting means for extracting a plurality of feature factors from the normal data;
Model generation means for learning a data distribution of the characteristic factors and generating a monitoring model;
Of the vehicle data, evaluation data acquisition means for acquiring evaluation data to be evaluated for abnormality diagnosis;
Extracting the feature factor from the evaluation data, and determining abnormality based on the monitoring model;
An abnormality degree calculating means for calculating the number of the feature factors determined to be abnormal by the abnormality determining means as an abnormality degree;
Reconstruction data generation means for reversely converting the space data of the feature factor into the same space as the vehicle data only by the feature factor determined to be normal by the abnormality determination means,
An abnormal factor analysis means for performing an abnormal factor analysis based on a difference between the evaluation data and the reconstructed data;
A program for causing an abnormality diagnosis apparatus to function.
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