JP2018005393A - Failure sign determination method, failure sign determination device and failure sign determination program - Google Patents
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Abstract
Description
開示の実施形態は、故障予兆判定方法、故障予兆判定装置および故障予兆判定プログラムに関する。 Embodiments disclosed herein relate to a failure sign determination method, a failure sign determination device, and a failure sign determination program.
従来、機械設備につき、機械設備に設けられたセンサのセンサ値を監視することで故障予兆を検出する技術が知られている(たとえば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, a technique for detecting a failure sign by monitoring a sensor value of a sensor provided in a mechanical facility is known (for example, see Patent Document 1).
特許文献1に開示の技術は、車両に搭載されたセンサのセンサ値と正常閾値とを比較し、この比較結果に基づいて、センサに異常が発生しているか否かを判断する。そして、センサに異常が発生していると判断された場合に、異常発生継続時間と、センサ値と正常閾値との差を用いて、センサの故障予兆を評価するための評価指標を算出し、算出された評価指標を用いて、センサの故障予兆を検出するものである。
The technique disclosed in
しかしながら、上述した従来技術には、機械設備の故障予兆を示す正常状態からのずれを簡便に且つ精度よく捉えるうえで、さらなる改善の余地がある。 However, the above-described conventional technology has room for further improvement in easily and accurately grasping a deviation from a normal state indicating a failure sign of a mechanical facility.
具体的には、たとえば、機械設備が、大型冷凍機やプラントといった大型メカトロニクス機械(以下、「大型機械」と言う)などである場合、センサの数は膨大なものとなる。このため、かかる大型機械に上述の従来技術を適用した場合、たとえば各センサそれぞれへの閾値の対応付けを要する点だけをとってみても、システムを複雑化させてしまうことは想像に難くない。 Specifically, for example, when the machine facility is a large mechatronics machine (hereinafter referred to as “large machine”) such as a large refrigerator or a plant, the number of sensors becomes enormous. For this reason, when the above-mentioned conventional technology is applied to such a large machine, it is not difficult to imagine that the system will be complicated even if only the points that require the correspondence of the threshold value to each sensor are taken.
また、上述した従来技術は、閾値を超える明確な異常状態を検出することには向いているものの、たとえば各構成部品の経年変化などによりシステム全体の挙動に現れはするが閾値を超えるまでのセンサ値は示さない不明確な異常状態を検出することには不向きである。すなわち、機械設備の故障予兆を示す正常状態からのずれを精度よく捉えることができない。 In addition, although the above-described prior art is suitable for detecting a clear abnormal state exceeding a threshold value, a sensor that appears in the behavior of the entire system due to, for example, aging of each component, but exceeds the threshold value. It is unsuitable for detecting unclear abnormal states whose values are not shown. In other words, it is impossible to accurately capture a deviation from a normal state that indicates a sign of failure of the mechanical equipment.
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、機械設備の故障予兆を示す正常状態からのずれを簡便に且つ精度よく捉えることができる故障予兆判定方法、故障予兆判定装置および故障予兆判定プログラムを提供することを目的とする。 One aspect of the embodiment has been made in view of the above, and a failure sign determination method, a failure sign determination apparatus, and a failure sign determination apparatus capable of easily and accurately grasping a deviation from a normal state indicating a failure sign of mechanical equipment, and An object is to provide a failure sign determination program.
実施形態の一態様に係る故障予兆判定方法は、収集工程と、抽出工程と、設定工程と、生成工程と、算出工程と、判定工程とを含む。前記収集工程は、機械設備に設けられた複数のセンサの検出値を含むデータセットを収集する。前記抽出工程は、前記データセットのうち、前記機械設備が正常状態にあった所定の正常期間分と、過去の所定の直近期間分とを抽出する。前記設定工程は、前記正常期間分に対し、故障でないことを示す付加情報である第1付加情報を対応付けるとともに、前記直近期間分に対し、故障であることを示す第2付加情報を無条件に対応付けたうえで、該正常期間分および該直近期間分を混在させた2グループを設定する。前記生成工程は、前記2グループのうちの一方を用いた学習により、入力データに対応する前記付加情報を予測する予測モデルを生成する。前記算出工程は、前記2グループのうちの他方を前記入力データとすることによって得られる前記予測モデルの予測結果において、前記付加情報が前記第2付加情報であると予測される確率を算出する。前記判定工程は、前記確率に基づいて前記機械設備の故障予兆を判定する。 The failure sign determination method according to an aspect of the embodiment includes a collection process, an extraction process, a setting process, a generation process, a calculation process, and a determination process. The collection step collects a data set including detection values of a plurality of sensors provided in the machine facility. The extracting step extracts a predetermined normal period during which the mechanical equipment is in a normal state and a past predetermined latest period from the data set. The setting step associates first additional information, which is additional information indicating that there is no failure, with the normal period, and unconditionally sets second additional information indicating that there is a failure with respect to the latest period. After the association, two groups in which the normal period and the latest period are mixed are set. The generation step generates a prediction model for predicting the additional information corresponding to input data by learning using one of the two groups. The calculation step calculates a probability that the additional information is predicted to be the second additional information in a prediction result of the prediction model obtained by using the other of the two groups as the input data. In the determination step, a failure sign of the mechanical equipment is determined based on the probability.
実施形態の一態様によれば、機械設備の故障予兆を示す正常状態からのずれを簡便に且つ精度よく捉えることができる。 According to one aspect of the embodiment, it is possible to easily and accurately capture a deviation from a normal state indicating a failure sign of a mechanical facility.
以下、添付図面を参照して、本願の開示する故障予兆判定方法、故障予兆判定装置および故障予兆判定プログラムの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of a failure sign determination method, a failure sign determination device, and a failure sign determination program disclosed in the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.
また、以下では、故障予兆判定の対象となる機械設備を「対象機械100」と記載する。対象機械100は、大型メカトロニクス機械であるものとする。
In the following, the machine equipment that is the target of failure sign determination is referred to as “
まず、本実施形態に係る故障予兆判定方法の概要について、図1A〜図1Fを参照して説明する。図1A〜図1Fは、実施形態に係る故障予兆判定方法の概要説明図(その1)〜(その6)である。 First, an outline of the failure sign determination method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1A to 1F. 1A to 1F are schematic explanatory views (No. 1) to (No. 6) of the failure sign determination method according to the embodiment.
図1Aに示すように、対象機械100は、センサS−1〜S−nのセンサ群を備える。本実施形態では、かかるセンサ群からの検出値を、対象機械100の稼働に関する1つのデータセットとして取り扱う。
As illustrated in FIG. 1A, the
このように、センサ群からの検出値を1まとまりに取り扱い、データセット単位で評価することによって、稼働時におけるセンサS−1〜S−n間の相関関係を含んだ対象機械100全体の挙動の変化を把握することが可能となる。なお、ここでは、センサ群を例に挙げているが、出力値を出力可能な構成部品であればよい。
In this way, by handling the detection values from the sensor group as a unit and evaluating them in units of data sets, the behavior of the
また、以下の各図では、かかるデータセットを図1Aに示すように丸印で示すこととする。また、かかる丸印の中が塗りつぶされたり、丸印の中に文字が記載されたりする場合があるが、この点は都度説明する。 In the following figures, such data sets are indicated by circles as shown in FIG. 1A. Further, there are cases where the inside of such a circle is filled or a character is written in the circle, and this point will be described each time.
そして、図1Bに示すように、本実施形態では、かかるデータセットを対象機械100の運用中、所定の周期で収集し、収集したデータセットのうち、「正常期間分」と「直近期間分」とを抽出して用いる。
As shown in FIG. 1B, in the present embodiment, such a data set is collected at a predetermined cycle during operation of the
ここで、「正常期間分」とは、対象機械100が運用初期段階において正常状態にあった所定期間分を指す。なお、対象機械100のような大型メカトロニクス機械は通常、運用初回時から数年は安定稼働することが見込まれるが、正常期間は、対象機械100の環境要因や個体差要因が平均化されると想定される、運用初回から数十日間程度に設定されることが好ましい。本実施形態では、正常期間は、運用初回から30日間であるものとする。
Here, “for the normal period” refers to a predetermined period during which the
また、「直近期間分」とは、故障予兆を判定しようとする予兆判定日から過去の直近期間を指す。本実施形態では、直近期間は、2週間であるものとする。 Further, “for the most recent period” refers to the most recent period in the past from the sign determination date for determining the sign of failure. In the present embodiment, it is assumed that the latest period is two weeks.
なお、図1Bに示す「直近期間分」のデータセットのうち、丸印の中が塗りつぶされているものは、「正常期間」とは異なる対象機械100の挙動を含むデータセットを指す。かかるデータセットは、図1Fを用いた説明で後述する。
In addition, among the data sets for “the most recent period” illustrated in FIG. 1B, the solid circles indicate data sets including the behavior of the
そして、本実施形態では、かかる「正常期間分」と「直近期間分」とをあわせたうえで、「正常期間分」および「直近期間分」を混在させた2グループに分け、そのうちの一方を「タグ予測モデルの生成用」に用い、他方を「タグ予測モデルを用いた評価用」に用いる。 In the present embodiment, the “normal period” and the “most recent period” are combined, and then divided into two groups in which “normal period” and “most recent period” are mixed, and one of them is divided into two groups. The other is used for “for generating a tag prediction model” and the other for “for evaluation using a tag prediction model”.
ここで、「タグ」について説明する。図1Cに示すように、本実施形態では、「正常期間分」の各データセットに対し、故障でないことを示す「N」(正常)のタグを付与する。一方、「直近期間分」の各データセットに対しては、無条件に故障と仮定する「F」(故障)のタグを付与する。 Here, the “tag” will be described. As shown in FIG. 1C, in the present embodiment, an “N” (normal) tag indicating that there is no failure is assigned to each “normal period” data set. On the other hand, a tag “F” (failure) that is unconditionally assumed to be a failure is assigned to each data set of “the most recent period”.
かかる「直近期間分」の各データセットに対し、無条件に付与される「F」のタグが、後述するタグ予測モデル12d(図1D参照)の生成、および、タグ予測モデル12dによる評価において生きてくる。引き続き、順次説明する。なお、以下では、タグ付けされたデータセットについては、丸印の中にタグの「N」や「F」の文字を記載して図中に示す。
The tag of “F” given unconditionally to each data set of “the latest period” is alive in the generation of a
図1Dに示すように、本実施形態では、前述の「生成用」のグループの各データセットを用いたたとえば機械学習により、入力される「正常期間分」あるいは「直近期間分」に対応するタグを予測するタグ予測モデル12dを生成する。
As shown in FIG. 1D, in the present embodiment, tags corresponding to “normal period” or “most recent period” input by, for example, machine learning using each data set of the “generation” group described above. A
なお、本実施形態では、機械学習のアルゴリズムとしてランダムフォレストを用いる。ランダムフォレストについては公知のため、詳細な説明は省略する。 In this embodiment, a random forest is used as a machine learning algorithm. Since the random forest is publicly known, detailed description is omitted.
そして、本実施形態では、前述の「評価用」のグループの各データセットが入力されたタグ予測モデル12dの予測結果に基づき、タグが「F」であると予測される確率Piを算出する。
In this embodiment, the probability P i that the tag is predicted to be “F” is calculated based on the prediction result of the
ここで、確率Piは、図1Eに示すように、たとえば予兆判定日からの「直近期間」と「正常期間」とが近い場合では、そもそも経年変化などの影響による差異は、「正常期間」のデータセットと「直近期間」のデータセットとの間で現れにくい。 Here, the probability P i, as shown in FIG. 1E, for example, if "immediate period" and the "normal period" is short from sign determination date, originally differences due to the influence of such aging, "normal period" Are unlikely to appear between the current data set and the “most recent” data set.
こうした場合、生成されるタグ予測モデル12dの中でも、「N」のタグのデータセットの基準空間、および、「F」のタグのデータセットの基準空間にも差ができづらくなる。したがって、かかる場合のタグ予測モデル12dによっては、「N」のタグのデータセットが「F」のタグと予測されたり、「F」のタグのデータセットが「N」のタグと予測されたりで、「正常期間」と「直近期間」とで、タグが「F」であると予測される確率Piに差が出づらい。
In such a case, in the generated
一方、図1Fに示すように、たとえば予兆判定日からの「直近期間」と「正常期間」とが遠い場合、「F」付きで丸印の中が塗りつぶされた「正常期間とは異なる挙動を含むデータセット」の存在が示すように、経年変化などの影響による差異が「正常期間」のデータセットと「直近期間」のデータセットとの間で現れてきやすい。 On the other hand, as shown in FIG. 1F, for example, when the “latest period” and the “normal period” are far from the sign determination date, “F” and the inside of the circle are filled with “behave different from the normal period”. As shown by the existence of the “including data set”, a difference due to an influence such as secular change tends to appear between the “normal period” data set and the “most recent period” data set.
こうした場合、生成されるタグ予測モデル12dの中では、「N」のタグのデータセットの基準空間、および、「F」のタグのデータセットの基準空間に差がつきやすくなる。したがって、かかる場合のタグ予測モデル12dによっては、「F」のタグのデータセットが「F」と予測される可能性は高くなるので、「正常期間」と「直近期間」とで、タグが「F」であると予測される確率Piに差が出てくることになる。
In such a case, in the generated
図1Dの説明に戻る。そして、本実施形態では、つづいて「正常期間分」と「直近期間分」との確率Piの差を正常状態からの乖離度として算出する。乖離度は、言わば「直近期間分」のデータセットが「正常期間分」のデータセットからどれだけずれたかの指標となる。したがって、かかる乖離度をたとえば判定閾値により判定することによって、故障予兆を示す正常状態からのずれを精度よく捉えることができる。 Returning to the description of FIG. 1D. In the present embodiment, it calculates the difference between the probability P i of followed by "normal period" and "the most recent period" as deviance from a normal state. The degree of divergence is an indicator of how much the data set for “the most recent period” deviates from the data set for “normal period”. Therefore, by determining the degree of divergence based on, for example, a determination threshold value, it is possible to accurately grasp the deviation from the normal state indicating the failure sign.
また、本実施形態では、各センサS−1〜S−nごとのセンサ値に対する閾値の対応付けなどを行う必要がない。このため、システムを複雑化させることなく簡便に、故障予兆を示す正常状態からのずれを捉えることができる。 In the present embodiment, it is not necessary to associate a threshold value with the sensor value for each of the sensors S-1 to Sn. For this reason, it is possible to easily grasp a deviation from a normal state indicating a failure sign without complicating the system.
なお、本実施形態では、上述のようにタグ予測モデル12dの生成にランダムフォレストを用いることとしたが、かかる場合、タグ予測モデル12dからセンサS−1〜S−nそれぞれの寄与度を取得することができる。したがって、乖離度により、故障予兆ありとの判定がなされる場合には、その故障予兆にセンサS−1〜S−nのいずれが寄与しているかにより、故障予兆を示す真因となっている特定部位を推定することができる。また、これにより、対象機械100に対するメンテナンス性を向上させることができる。
In the present embodiment, the random forest is used to generate the
以下、上述した故障予兆判定方法を適用した故障予兆判定システム1の構成について、さらに具体的に説明する。
Hereinafter, the configuration of the failure
図2Aは、本実施形態に係る故障予兆判定システム1のブロック図である。なお、図2Aでは、本実施形態の特徴を説明するために必要な構成要素を機能ブロックで表しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。
FIG. 2A is a block diagram of the failure
換言すれば、図2Aに図示される各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。たとえば、各機能ブロックの分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況等に応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することが可能である。 In other words, each component illustrated in FIG. 2A is functionally conceptual and does not necessarily need to be physically configured as illustrated. For example, the specific form of distribution / integration of each functional block is not limited to the one shown in the figure, and all or a part thereof is functionally or physically distributed in an arbitrary unit according to various loads or usage conditions.・ It can be integrated and configured.
なお、図2Aを用いた説明では、これまでに既に述べた構成要素については、説明を簡略化するか、省略する場合がある。また、図2Bは、評価部11eのブロック図である。
In the description using FIG. 2A, the description of the components already described so far may be simplified or omitted. FIG. 2B is a block diagram of the
図2Aに示すように、故障予兆判定システム1は、故障予兆判定装置10と、対象機械100とを備える。故障予兆判定装置10と対象機械100とは、ネットワーク接続されて通信可能に設けられ、故障予兆判定装置10は、対象機械100からのデータセットを適宜収集可能に設けられている。
As illustrated in FIG. 2A, the failure
故障予兆判定装置10は、制御部11と、記憶部12とを備える。制御部11は、収集部11aと、抽出部11bと、タグ設定部11cと、モデル生成部11dと、評価部11eと、判定部11fと、報知部11gとを備える。
The failure
記憶部12は、ハードディスクドライブや不揮発性メモリ、レジスタといった記憶デバイスであって、収集データ12aと、正常期間データ群12bと、直近期間データ群12cと、タグ予測モデル12dと、評価情報12eとを記憶する。評価情報12eは、確率12eaと、乖離度12ebと、寄与率12ecとを含む。
The
制御部11は、故障予兆判定装置10の全体制御を行う。収集部11aは、対象機械100のセンサ群からのデータセットを所定の周期で収集して、収集データ12aへ格納する。収集する所定の周期は、経年変化等による故障予兆を示す緩やかな挙動の変化を検知するうえでは、15分〜1時間程度であってもよい。
The
抽出部11bは、運用初回時に設定される正常期間および予兆判定日からの過去の直近期間に基づき、収集データ12aから正常期間分のデータセットと、直近期間分のデータセットとを抽出し、順にそれぞれ正常期間データ群12b、直近期間データ群12cへ格納する。
The
なお、抽出部11bは、各データセットを抽出する際、対象機械100の挙動を正確に判定するうえで、データ上、不要となる部分を削除するなどのデータ整形を行うことができる。この点について、図3Aおよび図3Bを用いて具体的に説明しておく。図3Aおよび図3Bは、抽出部11bによるデータ整形処理の説明図(その1)および(その2)である。
In addition, when extracting each data set, the
図3Aの上段に示すように、抽出部11bは、正常期間および直近期間のそれぞれにつき、停止中のデータセット、すなわち対象機械100が稼働していなかったり、アイドリング状態にあったりしたときのデータセットがある場合、これを図3Aの下段に示すように、間引く処理を行う。
As shown in the upper part of FIG. 3A, the
これにより、言わば、故障予兆の判定を行うにあたり、対象機械100の稼働時の挙動を把握するうえではノイズ成分となりうるデータセットをカットすることができるので、たとえば上述したタグ予測モデル12dの予測精度を向上させられるなど、故障予兆判定の精度を高めるのに資することができる。
Thus, in order to determine the failure sign, it is possible to cut a data set that can be a noise component in grasping the behavior of the
同様に、図3Bに示すように、1つのデータセットの中でもノイズ成分となりうる部分を間引いたり、間隔を詰めたりすることができる。図3Bはたとえば、対象機械100における「A液流速」の検出センサの検出データ例であるが、図3Bの上段に示すM1部以外のレベル値は、たとえばアイドリング時などに対応する部分であるので、抽出部11bは、かかるM1部以外の部分を取り除くことができる。
Similarly, as shown in FIG. 3B, a portion that can be a noise component in one data set can be thinned out or the interval can be reduced. FIG. 3B is an example of detection data of the “A liquid flow velocity” detection sensor in the
また、そのうえで、図3Bの下段に示すように、抽出部11bは、M1部において横軸方向で間隔の空いていた部分を詰めることができる。これによっても、対象機械100の稼働時の挙動を示す部分にデータを絞り込むことができ、故障予兆判定の精度を高めるのに資することができる。
In addition, as shown in the lower part of FIG. 3B, the
図2Aの説明に戻り、つづいてタグ設定部11cについて説明する。タグ設定部11cは、正常期間データ群12bに格納された各データセットに対し、故障でないことを示す「N」のタグを対応付ける(付与する)。また、タグ設定部11cは、直近期間データ群12cに格納された各データセットに対しては、故障であることを示す「F」のタグを無条件に対応付ける。
Returning to the description of FIG. 2A, the
また、そのうえで、タグ設定部11cは、正常期間分の各データセット、および、直近期間分の各データセットを混在させた2グループを形成する。これらの点について、図3Cを用いて具体的に説明しておく。図3Cは、タグ設定部11cによるタグ設定処理の説明図である。
In addition, the
図3Cに示すように、タグ設定部11cは、正常期間分の各データセットに対し、「N」のタグを対応付ける。また、タグ設定部11cは、直近期間分の各データセットに対しては、それらが正常期間とは異なる挙動を含むものであるか否かを問わず、無条件に「F」のタグを対応付ける。
As illustrated in FIG. 3C, the
そのうえで、タグ設定部11cは、「N」のタグの各データセットと、「F」のタグの各データセットを混在させた2グループ、タグ予測モデル12dの「生成用」と、タグ予測モデル12dによる「評価用」とを設定する。
In addition, the
なお、正常期間分においても、直近期間分においても、どのデータセットを「生成用」および「評価用」のいずれへ振り分けるかはランダムで構わない。また、「生成用」および「評価用」に対して、「N」および「F」のタグの各データセットを、個数がそれぞれ均等となるように振り分けなくともよい。 It should be noted that which data set is assigned to “for generation” or “for evaluation” in the normal period or the latest period may be random. Further, it is not necessary to distribute the data sets of the “N” and “F” tags so as to be equal in number to “for generation” and “for evaluation”.
ただし、タグ予測モデル12dがある程度の予測精度を有するものになるように、「生成用」のグループの各データセットの個数は、「評価用」のグループの各データセットの個数以上であることが好ましい。また、1つのグループにおける「N」および「F」のタグのデータセット個数の比率は、「「N」のタグのデータセット個数>「F」のタグのデータセット個数×2」相当が好ましい。
However, the number of data sets in the “generation” group may be equal to or greater than the number of data sets in the “evaluation” group so that the
図2Aの説明に戻り、つづいてモデル生成部11dについて説明する。モデル生成部11dは、タグ設定部11cにおいて形成された「生成用」のグループの各データセットを用いてタグ予測モデル12dを生成する。
Returning to the description of FIG. 2A, the model generation unit 11d will be described. The model generation unit 11d generates a
評価部11eは、タグ設定部11cにおいて形成された「評価用」のグループの各データセットをタグ予測モデル12dへ入力し、タグ予測モデル12dによる予測結果を受け取る。
The
そして、評価部11eは、その予測結果に基づいて故障予兆を評価するための各種評価値を算出し、評価情報12eへ格納する。評価値は、確率12ea、乖離度12eb、寄与率12ecに対応する。
And the
ここで、評価部11eについてさらに具体的に説明する。図2Bに示すように、評価部11eは、モデル入力部11eaと、確率算出部11ebと、乖離度算出部11ecと、寄与率算出部11edとを備える。
Here, the
モデル入力部11eaは、図中に「タグ付きデータ群」として示した、上述の「評価用」のグループの各データをタグ予測モデル12dへ入力する。確率算出部11ebは、タグ予測モデル12dが出力する予測結果に基づき、各データセットにおいてタグが「F」と予測される確率Piを算出する。また、確率算出部11ebは、算出した確率Piを評価情報12eの確率12eaへ格納する。
The model input unit 11ea inputs each data of the above-mentioned “for evaluation” group, which is shown as “a tagged data group” in the drawing, to the
乖離度算出部11ecは、確率12eaに基づき、正常期間分と直近期間分との確率Piの差を正常状態からの乖離度として算出する。 Deviation calculating unit 11ec, based on the probability 12Ea, calculates the difference between the probability P i of the normal period and the last period as the divergence degree from the normal state.
具体的には、乖離度算出部11ecは、評価情報12eの確率12eaから、たとえば正常期間分における確率Piの最小値と、直近期間分における確率Piの最小値とを取り出し、これらの差分を正常状態からの乖離度として算出する。また、乖離度算出部11ecは、算出した乖離度を評価情報12eの乖離度12ebへ格納する。
Specifically, the deviation calculating unit 11ec takes out from the probability
寄与率算出部11edは、タグ予測モデル12dから各センサS−1〜S−nの寄与度を取得し、式「寄与率i=寄与度i/Σ寄与度i」から各センサS−1〜S−nごとの寄与率を算出する。また、寄与率算出部11edは、算出した寄与率を評価情報12eの寄与率12ecへ格納する。
The contribution rate calculation unit 11ed acquires the contributions of the sensors S-1 to Sn from the
図2Aの説明に戻り、つづいて判定部11fについて説明する。判定部11fは、乖離度12ebを参照して、正常状態からの乖離度が所定の判定閾値以上である場合に、故障予兆ありと判定し、報知部11gに対し、報知要求指示を行う。
Returning to the description of FIG. 2A, the
報知部11gは、判定部11fから故障予兆ありの報知要求指示を受け付けた場合に、外部装置へアラート通知を報知する。また、このとき報知部11gは、乖離度12ebおよび寄与率12ecを参照して、正常状態からの乖離度と、たとえば寄与率上位5位までの各センサS−1〜S−nの名称などをあわせて報知することができる。
When the
図4Aおよび図4Bに、本実施形態に係る故障予兆判定装置10による効果の一例を示した。図4Aおよび図4Bは、実施形態に係る故障予兆判定装置10による効果の一例を示す図(その1)および(その2)である。
4A and 4B show an example of the effect of the failure
なお、図4Aおよび図4Bには、説明を分かりやすくするために、「故障発生日」に実際に故障が発生した対象機械100の稼働データに基づき、故障予兆判定装置10をシミュレーション動作させた場合の図を示している。
4A and 4B, in order to make the explanation easy to understand, when the failure
具体的には、図4Aは、横軸右端の「故障発生日」において対象機械100に故障が発生したが、故障予兆判定装置10により、「故障発生日」の過去に毎日故障予兆判定処理が行われていたと仮定した場合のシミュレーション結果である。乖離度を判定するための判定閾値は0.15程度とした。
Specifically, in FIG. 4A, a failure has occurred in the
そうするとまず、故障予兆判定装置10が算出する正常状態からの乖離度は、累積稼働日数「−160」日から「−120」日程度まではグラフ上にプロットされていない。これは、正常期間と直近期間とで確率Piにほとんど差がない、すなわち、「−160」日から「−120」日においては、対象機械100全体の挙動について、正常状態からのずれはほぼなかったことを意味している。
Then, first, the deviation from the normal state calculated by the failure
ところが、累積稼働日数「−120」日あたりから少しずつ乖離度が上がり始め、「−90」日近辺で乖離度は判定閾値以上となっている(図中の「予兆検知可能日」参照)ことから、実は「故障発生日」よりも90日も前に、故障予兆の検知が可能であったことが分かる。また、「予兆検知可能日」以降から急速に乖離度が高まっていることも分かる。したがって、本実施形態に係る故障予兆判定装置10による故障予兆判定処理が行われていれば、今回の「故障発生日」における故障は防ぎ得たことが分かる。
However, the degree of divergence starts to increase little by little from the cumulative operating days “−120” days, and the degree of divergence is greater than or equal to the determination threshold value in the vicinity of “−90” days (see “Predictable detection days” in the figure). From this, it can be seen that a failure sign can be detected 90 days before the “failure occurrence date”. It can also be seen that the degree of divergence has increased rapidly since the “predictable detection date”. Therefore, if the failure sign determination process by the failure
また、図4Bに示すのは、図4Aの「予兆検知可能日」および「故障発生日」における各センサS−1〜S−nの寄与率の順位上位5位までである。これを見ると、「予兆検知可能日」および「故障発生日」のそれぞれにおいて、寄与率の高い各センサS−1〜S−nは異なっていることが分かる。 FIG. 4B shows the top five rankings of the contribution ratios of the sensors S-1 to Sn in the “predictable detection date” and the “failure occurrence date” in FIG. 4A. From this, it can be seen that the sensors S-1 to Sn having a high contribution rate are different in each of the “predictable detection date” and the “failure occurrence date”.
これは、経年変化などにより、連動する各センサS−1〜S−n間の相関関係にも日々緩やかに変化が生じることで、故障に繋がり得る要素も日々変化し得ることを示している。また、「予兆検知可能日」に寄与率上位であった各センサS−1〜S−nへ対策を打たなかったがために、「故障発生日」においては、別の各センサS−1〜S−nに影響が出た可能性も考えられる。 This shows that factors that may lead to failure can also be changed day by day due to a gradual change in the correlation between the interlocked sensors S-1 to S-n due to aging. In addition, since no countermeasure was taken for each of the sensors S-1 to Sn having a higher contribution rate to the “predictable detection date”, another sensor S-1 was selected for the “failure occurrence date”. It is also possible that ~ Sn is affected.
したがって、本実施形態に故障予兆判定装置10による故障予兆判定処理が行われていれば、「予兆検知可能日」時点において寄与率の高かった各センサS−1〜S−nへ対策を打つことができたので、今回の「故障発生日」における故障は防ぎ得たことが分かる。
Therefore, if failure sign determination processing by the failure
次に、故障予兆判定装置10が実行する処理手順について、図5を用いて説明する。図5は、故障予兆判定装置10が実行する処理手順を示すフローチャートである。
Next, a processing procedure executed by the failure
図5に示すように、まず制御部11が、運用初回であるか否かを判定する(ステップS101)。ここで、運用初回である場合(ステップS101,Yes)、つづいて制御部11は、初期情報設定処理を行う(ステップS102)。
As shown in FIG. 5, first, the
初期情報設定処理では、たとえば正常期間や直近期間の日数(本実施形態では順に、「30日間」、「2週間」)がシステム上設定される。運用初回でない場合(ステップS101,No)、ステップS103へ制御を移す。 In the initial information setting process, for example, the number of days in the normal period or the latest period (in this embodiment, “30 days” and “2 weeks” in order) is set on the system. If it is not the first operation (No in step S101), the control is transferred to step S103.
つづいて、抽出部11bが、収集部11aにより収集された収集データ12aから、正常期間分の各データセット、および、予兆判定日からの直近期間分の各データセットを抽出する(ステップS103)。このとき、抽出部11bは、抽出した各データセットにつき、故障予兆判定に必要となる部分のみとなるようにデータ整形処理をあわせて行う。
Subsequently, the
つづいて、たとえばタグ設定部11cが、直近期間分のデータセットの個数が必要最低数以上であるか否かを判定する(ステップS104)。たとえば本実施形態では、ここでの必要最低数を140個程度としている。
Subsequently, for example, the
ここで、ステップS104の判定条件を満たす場合(ステップS104,Yes)、つづいて予兆判定日の当日のデータセット数が必要最低数以上であるか否かを判定する(ステップS105)。たとえば本実施形態では、ここでの必要最低数を10個程度としている。 Here, when the determination condition of step S104 is satisfied (step S104, Yes), it is subsequently determined whether or not the number of data sets on the day of the sign determination date is equal to or greater than the necessary minimum number (step S105). For example, in this embodiment, the necessary minimum number here is about 10.
なお、ステップS104またはS105の判定条件を満たさない場合(ステップS104,No/ステップS105,No)、各必要最低数を満たさないということで、生成されるタグ予測モデル12dの予測精度などにも影響することから、処理を終了する。
In addition, when the determination condition of step S104 or S105 is not satisfied (step S104, No / step S105, No), the fact that each necessary minimum number is not satisfied affects the prediction accuracy of the generated
一方、ステップS105の判定条件を満たす場合(ステップS105,Yes)、つづいてタグ設定部11cが、正常期間分の各データセットに対しては「N」のタグを、直近期間分の各データセットに対しては「F」のタグを、それぞれ付与する(ステップS106)。
On the other hand, when the determination condition of step S105 is satisfied (step S105, Yes), the
つづいて、タグ設定部11cは、「N」のタグのデータセットと「F」のタグのデータセットとがそれぞれ混在するように、タグ付きデータを2つのグループにグループ分けする(ステップS107)。
Subsequently, the
そして、モデル生成部11dが、グループ分けされた一方の「生成用」の各データセットを用いて、タグ予測モデル12dを生成する(ステップS108)。
Then, the model generation unit 11d generates the
つづいて、評価部11eが、グループ分けされた他方の「評価用」の各データセットをタグ予測モデル12dへ入力し、タグ予測モデル12dが返す予測結果に基づき、タグが「F」と予測される確率Piを算出する(ステップS109)。
Subsequently, the
そして、評価部11eが、正常期間分における確率Piの最小値と、直近期間分における確率Piの最小値とを取り出し、これらの差分を正常状態からの乖離度として算出する(ステップS110)。なお、ここで、必ずしも確率Piの最小値である必要はなく、平均値であってもよい。すなわち、代表値であればよい。
The
そして、評価部11eが、各センサS1〜Snの寄与率を算出する(ステップS111)。つづいて、判定部11fが、評価部11eにより算出された乖離度が所定の判定閾値以上であるか否かを判定する(ステップS112)。
And the
ここで、乖離度が判定閾値以上である場合(ステップS112,Yes)、報知部11gが、故障予兆を報知し(ステップS113)、処理を終了する。また、ステップS112の判定条件を満たさない場合(ステップS112,No)、処理を終了する。なお、この場合において、故障予兆なしを意味する旨を報知部11gにより報知させてもよい。
Here, when the degree of divergence is greater than or equal to the determination threshold value (step S112, Yes), the
なお、実施形態に係る故障予兆判定装置10は、たとえば図6に示すような構成のコンピュータ60によって実現される。図6は、故障予兆判定装置10の機能を実現するコンピュータの一例を示すハードウェア構成図である。コンピュータ60は、CPU(Central Processing Unit)61、RAM(Random Access Memory)62、ROM(Read Only Memory)63、HDD(Hard Disk Drive)64、通信インタフェース(I/F)65、入出力インタフェース(I/F)66、およびメディアインタフェース(I/F)67を備える。
Note that the failure
CPU61は、ROM63またはHDD64に格納されたプログラムに基づいて動作し、各部の制御を行う。ROM63は、コンピュータ60の起動時にCPU61によって実行されるブートプログラムや、コンピュータ60のハードウェアに依存するプログラム等を格納する。
The CPU 61 operates based on a program stored in the
HDD64は、CPU61によって実行されるプログラムおよび当該プログラムによって使用されるデータ等を格納する。通信インタフェース65は、対象機械100との通信部(図示略)に対応し、通信ネットワークを介して他の機器からデータを受信してCPU61へ送り、CPU61が生成したデータを、通信ネットワークを介して他の機器へ送信する。
The
CPU61は、入出力インタフェース66を介して、ディスプレイやプリンタ等の出力装置、および、キーボードやマウス等の入力装置を制御する。CPU61は、入出力インタフェース66を介して、入力装置からデータを取得する。また、CPU61は、生成したデータを、入出力インタフェース66を介して出力装置へ出力する。
The CPU 61 controls an output device such as a display and a printer and an input device such as a keyboard and a mouse via the input /
メディアインタフェース67は、記録媒体68に格納されたプログラムまたはデータを読み取り、RAM62を介してCPU61に提供する。CPU61は、当該プログラムを、メディアインタフェース67を介して記録媒体68からRAM62上にロードし、ロードしたプログラムを実行する。記録媒体68は、たとえばDVD(Digital Versatile Disc)、PD(Phase change rewritable Disk)等の光学記録媒体、MO(Magneto-Optical disk)等の光磁気記録媒体、テープ媒体、磁気記録媒体、または半導体メモリ等である。
The
コンピュータ60が故障予兆判定装置10として機能する場合、コンピュータ60のCPU61は、RAM62上にロードされたプログラムを実行することにより、収集部11a、抽出部11b、タグ設定部11c、モデル生成部11d、評価部11e、判定部11fおよび報知部11gの各機能を実現する。また、HDD64は、記憶部12の機能を実現し、収集データ12a等が格納される。
When the
コンピュータ60のCPU61は、これらのプログラムを、記録媒体68から読み取って実行するが、他の例として、他の装置から、通信ネットワークを介してこれらのプログラムを取得してもよい。
The CPU 61 of the
上述してきたように、実施形態に係る故障予兆判定装置10は、収集部11aと、抽出部11bと、タグ設定部11c(「設定部」の一例に相当)と、モデル生成部11d(「生成部」の一例に相当)と、評価部11e(「算出部」の一例に相当)と、判定部11fとを備える。
As described above, the failure
収集部11aは、対象機械100(「機械設備」の一例に相当)に設けられた複数のセンサS−1〜S−nの検出値を含むデータセットを収集する。抽出部11bは、データセットのうち、対象機械100が正常状態にあった所定の正常期間分と、過去の所定の直近期間分とを抽出する。
The collection unit 11a collects a data set including detection values of a plurality of sensors S-1 to Sn provided in the target machine 100 (corresponding to an example of “mechanical equipment”). The
タグ設定部11cは、正常期間分に対し、故障でないことを示すタグ(「付加情報」の一例に相当)である「N」のタグ(「第1付加情報」の一例に相当)を対応付けるとともに、直近期間分に対し、故障であることを示す「F」のタグ(「第2付加情報」の一例に相当)を無条件に対応付けたうえで、正常期間分および直近期間分を混在させた2グループを設定する。
The
モデル生成部11dは、2グループのうちの一方を用いた学習により、入力データに対応するタグを予測するタグ予測モデル12d(「予測モデル」の一例に相当)を生成する。
The model generation unit 11d generates a
評価部11eは、2グループのうちの他方を入力データとすることによって得られるタグ予測モデル12dの予測結果において、タグが「F」のタグであると予測される確率Piを算出する。判定部11fは、確率Piに基づいて対象機械100の故障予兆を判定する。
The
したがって、本実施形態に係る故障予兆判定装置10によれば、対象機械100の故障予兆を示す正常状態からのずれを簡便に且つ精度よく捉えることができる。
Therefore, according to the failure
なお、上述した実施形態では、機械学習のアルゴリズムとしてランダムフォレストを用いるものとしたが、機械学習の手法を限定するものではない。したがって、SVM(Support Vector Machine)のようなパターン識別器を用いたサポートベクタ回帰等の回帰分析手法により機械学習を実行し、タグ予測モデル12dを生成してもよい。また、ここで、パターン識別器はSVMに限らず、たとえばアダブースト(AdaBoost)などであってもよい。また、ディープラーニングなどを用いてもよい。
In the above-described embodiment, a random forest is used as the machine learning algorithm, but the machine learning method is not limited. Accordingly, the
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。 Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Thus, the broader aspects of the present invention are not limited to the specific details and representative embodiments shown and described above. Accordingly, various modifications can be made without departing from the spirit or scope of the general inventive concept as defined by the appended claims and their equivalents.
1 故障予兆判定システム
10 故障予兆判定装置
11 制御部
11a 収集部
11b 抽出部
11c タグ設定部
11d モデル生成部
11e 評価部
11ea モデル入力部
11eb 確率算出部
11ec 乖離度算出部
11ed 寄与率算出部
11f 判定部
11g 報知部
12 記憶部
12a 収集データ
12b 正常期間データ群
12c 直近期間データ群
12d タグ予測モデル
12e 評価情報
100 対象機械
S−1〜S−n センサ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記データセットのうち、前記機械設備が正常状態にあった所定の正常期間分と、過去の所定の直近期間分とを抽出する抽出工程と、
前記正常期間分に対し、故障でないことを示す付加情報である第1付加情報を対応付けるとともに、前記直近期間分に対し、故障であることを示す第2付加情報を無条件に対応付けたうえで、該正常期間分および該直近期間分を混在させた2グループを設定する設定工程と、
前記2グループのうちの一方を用いた学習により、入力データに対応する前記付加情報を予測する予測モデルを生成する生成工程と、
前記2グループのうちの他方を前記入力データとすることによって得られる前記予測モデルの予測結果において、前記付加情報が前記第2付加情報であると予測される確率を算出する算出工程と、
前記確率に基づいて前記機械設備の故障予兆を判定する判定工程と
を含むことを特徴とする故障予兆判定方法。 A collection step of collecting a data set including detection values of a plurality of sensors provided in the mechanical facility;
An extraction step for extracting a predetermined normal period in which the mechanical equipment is in a normal state and a predetermined past period in the past from the data set;
The first additional information, which is additional information indicating that there is no failure, is associated with the normal period, and the second additional information that indicates failure is unconditionally associated with the latest period. A setting step for setting two groups in which the normal period and the latest period are mixed;
A generation step of generating a prediction model for predicting the additional information corresponding to input data by learning using one of the two groups;
A calculation step of calculating a probability that the additional information is predicted to be the second additional information in a prediction result of the prediction model obtained by using the other of the two groups as the input data;
And a determination step of determining a failure sign of the mechanical equipment based on the probability.
前記正常期間分および前記直近期間分のそれぞれにおける前記確率の代表値の差分を、前記機械設備の正常状態からの乖離度として算出し、
前記判定工程は、
前記乖離度が所定の判定閾値以上である場合に、前記機械設備に故障予兆ありと判定すること
を特徴とする請求項1に記載の故障予兆判定方法。 The calculation step includes
The difference between the representative values of the probabilities in each of the normal period and the latest period is calculated as the degree of deviation from the normal state of the mechanical equipment,
The determination step includes
The failure sign determination method according to claim 1, wherein, when the degree of deviation is equal to or greater than a predetermined determination threshold value, it is determined that the machine facility has a failure sign.
を特徴とする請求項2に記載の故障予兆判定方法。 The failure sign determination method according to claim 2, wherein the representative value is a minimum value of the probability in each of the normal period and the latest period.
前記予測モデルから前記予測結果に対する前記センサそれぞれの寄与度を取得し、該寄与度に基づいて前記センサそれぞれの寄与率を算出すること
を特徴とする請求項1、2または3に記載の故障予兆判定方法。 The calculation step includes
4. The failure sign according to claim 1, wherein a contribution degree of each of the sensors to the prediction result is obtained from the prediction model, and a contribution rate of each of the sensors is calculated based on the contribution degree. Judgment method.
をさらに含み、
前記判定工程は、
前記故障予兆ありと判定した場合に、前記算出工程により算出された前記寄与率が高い前記センサに関する情報を前記報知工程の前記アラート通知へ含ませること
を特徴とする請求項4に記載の故障予兆判定方法。 A notification step of performing an alert notification to an external device when it is determined by the determination step that there is a failure sign,
The determination step includes
5. The failure sign according to claim 4, wherein, when it is determined that the failure sign is present, information on the sensor having a high contribution rate calculated by the calculation step is included in the alert notification of the notification step. Judgment method.
前記機械設備の運用初回時から、前記機械設備の環境要因や個体差要因が平均化されると想定されるまでの期間が設定されること
を特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の故障予兆判定方法。 The normal period for the normal period is:
The period from the initial operation of the mechanical equipment to the time when environmental factors and individual difference factors of the mechanical equipment are assumed to be averaged is set. The failure sign determination method described in 1.
前記正常期間分および前記直近期間分のそれぞれにつき、前記機械設備のアイドリング状態に対応するデータ部分を取り除くデータ整形を行うこと
を特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の故障予兆判定方法。 The extraction step includes
The failure sign according to any one of claims 1 to 6, wherein data shaping that removes a data portion corresponding to an idling state of the mechanical equipment is performed for each of the normal period and the most recent period. Judgment method.
前記データセットのうち、前記機械設備が正常状態にあった所定の正常期間分と、過去の所定の直近期間分とを抽出する抽出部と、
前記正常期間分に対し、故障でないことを示す付加情報である第1付加情報を対応付けるとともに、前記直近期間分に対し、故障であることを示す第2付加情報を無条件に対応付けたうえで、該正常期間分および該直近期間分を混在させた2グループを設定する設定部と、
前記2グループのうちの一方を用いた学習により、入力データに対応する前記付加情報を予測する予測モデルを生成する生成部と、
前記2グループのうちの他方を前記入力データとすることによって得られる前記予測モデルの予測結果において、前記付加情報が前記第2付加情報であると予測される確率を算出する算出部と、
前記確率に基づいて前記機械設備の故障予兆を判定する判定部と
を備えることを特徴とする故障予兆判定装置。 A collection unit for collecting a data set including detection values of a plurality of sensors provided in the mechanical facility;
Among the data set, an extraction unit that extracts a predetermined normal period in which the mechanical equipment is in a normal state and a past predetermined latest period;
The first additional information, which is additional information indicating that there is no failure, is associated with the normal period, and the second additional information that indicates failure is unconditionally associated with the latest period. A setting unit for setting two groups in which the normal period and the latest period are mixed;
A generation unit that generates a prediction model for predicting the additional information corresponding to input data by learning using one of the two groups;
A calculation unit that calculates a probability that the additional information is predicted to be the second additional information in the prediction result of the prediction model obtained by using the other of the two groups as the input data;
A failure sign determination apparatus comprising: a determination unit that determines a failure sign of the mechanical equipment based on the probability.
機械設備に設けられた複数のセンサの検出値を含むデータセットを収集する収集手順と、
前記データセットのうち、前記機械設備が正常状態にあった所定の正常期間分と、過去の所定の直近期間分とを抽出する抽出手順と、
前記正常期間分に対し、故障でないことを示す付加情報である第1付加情報を対応付けるとともに、前記直近期間分に対し、故障であることを示す第2付加情報を無条件に対応付けたうえで、該正常期間分および該直近期間分を混在させた2グループを設定する設定手順と、
前記2グループのうちの一方を用いた学習により、入力データに対応する前記付加情報を予測する予測モデルを生成する生成手順と、
前記2グループのうちの他方を前記入力データとすることによって得られる前記予測モデルの予測結果において、前記付加情報が前記第2付加情報であると予測される確率を算出する算出手順と、
前記確率に基づいて前記機械設備の故障予兆を判定する判定手順と
を実行させることを特徴とする故障予兆判定プログラム。 On the computer,
A collection procedure for collecting a data set including detection values of a plurality of sensors provided in a mechanical facility;
An extraction procedure for extracting, from the data set, a predetermined normal period in which the mechanical equipment is in a normal state and a predetermined past period in the past;
The first additional information, which is additional information indicating that there is no failure, is associated with the normal period, and the second additional information that indicates failure is unconditionally associated with the latest period. A setting procedure for setting two groups in which the normal period and the latest period are mixed,
A generation procedure for generating a prediction model for predicting the additional information corresponding to input data by learning using one of the two groups;
A calculation procedure for calculating a probability that the additional information is predicted to be the second additional information in the prediction result of the prediction model obtained by using the other of the two groups as the input data;
And a determination procedure for determining a failure sign of the mechanical equipment based on the probability.
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