JP2019159604A - Abnormality detection device, abnormality detection method and abnormality detection program - Google Patents

Abnormality detection device, abnormality detection method and abnormality detection program Download PDF

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Abstract

To provide a technique for detecting abnormality with high accuracy even in the case of using measurement data having no linearly continuous correlations during detecting abnormality of a measurement object.SOLUTION: A learning model is generated by acquiring measurement data showing states of a plurality of items about the items in a measurement object, acquiring N-dimensional probability density from the measurement data included in learning data about N combinations among the plurality of items by regarding measurement data acquired at prescribed timing as one data group and regarding a plurality of data groups acquired at different timing as the leaning data, and acquiring the N-dimensional probability density about a plurality of the combinations. Abnormality of the measurement object is detected on the basis of a score of the data groups by calculating a probability that measurement data related to the N combinations among data groups to be an evaluation object is acquired from the learning model, calculating an abnormality score on the basis of the probability, and calculating a score of the data groups on the basis of the abnormality score related to the plurality of combinations of the items.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、異常検知装置、異常検知方法及び異常検知プログラムに関する。   The present invention relates to an abnormality detection device, an abnormality detection method, and an abnormality detection program.

生産設備において故障が発生し、生産が停止してしまうと、生産効率が低下する。このため、故障の前兆を検出してメンテナンスを行い、生産の停止を防止することや、故障が発生した場合に、速やかに故障原因を特定して修理を行うことが望まれる。しかしながら、生産設備の大規模化や複雑化に伴い、故障の予兆となる異常の検出や故障の原因である異常個所の検出等(以下、異常の検出とも称す)を作業員が手作業で行うことは困難になってきている。   If a failure occurs in a production facility and production stops, production efficiency decreases. For this reason, it is desired to perform maintenance by detecting a sign of failure, and to prevent the stoppage of production, or to promptly identify the cause of failure and repair when a failure occurs. However, as the production facilities become larger and more complex, workers manually detect abnormalities that are predictive of failures and abnormal locations that cause failures (hereinafter also referred to as abnormal detections). Things are getting harder.

また、インターネットを介してウェブサービスや業務サービス等を提供する情報システムでは、社会インフラとしての重要性が高まるにつれて、障害によるサービスの遅延や中断等が許されない状況となっており、そのサービスを提供するサーバ等の装置を安定可動させられるように運営管理することが重要となっている。このため発生した異常だけでなく、明確な異常になっていない性能劣化や将来発生が予想される障害の兆候といった状態を検出し、計画的なメンテナンスを行うことが求められている。   In addition, as information systems that provide web services and business services via the Internet are becoming increasingly important as social infrastructure, service delays and interruptions due to failures are not allowed. It is important to manage and operate a device such as a server that can stably move. For this reason, it is required to perform planned maintenance by detecting not only an abnormality that has occurred, but also a state of performance degradation that is not a clear abnormality or a sign of a failure that is expected to occur in the future.

このような異常を検出する技術として、例えば以下に示す特許文献1乃至特許文献3などが挙げられる。特許文献1では、性能種目又は観測対象を要素とし、少なくとも第1の要素に関する性能情報の時系列変化を示す第1の性能系列情報と、第2の要素に関する性能情報の時系列変化を示す第2の性能系列情報との相関関数を導出し、この相関関数に基づいて相関モデルを生成しこの相関モデルを各要素間の組み合わせについて求め、観測対象から新たに検出し取得される性能情報に基づいて、相関モデルの変化を分析する異常検知装置が提案されている。   Examples of techniques for detecting such an abnormality include Patent Documents 1 to 3 shown below. Japanese Patent Laid-Open No. 2004-268831 describes a first performance series information indicating a time series change of performance information related to at least a first element and a time series change of performance information related to a second element. The correlation function with the performance series information of 2 is derived, a correlation model is generated based on the correlation function, the correlation model is obtained for the combination between each element, and based on the performance information newly detected and acquired from the observation target Therefore, an anomaly detection device that analyzes changes in the correlation model has been proposed.

特許文献2では、複数のコンピュータの各々が、何れか他のコンピュータに対して行うサービスのトランザクションを収集し、該トランザクションからシステムにおけるノード間の相関行列を算出し、そこからそのノードの活性バランスを表す特徴ベクトルを求める。その特徴ベクトルを確率モデルにより監視することで、異常状態への遷移を検出する異常検出システムが提案されている。   In Patent Document 2, each of a plurality of computers collects transaction of services for any other computer, calculates a correlation matrix between nodes in the system from the transaction, and determines the activity balance of the nodes from the transaction matrix. Find the feature vector to represent. An anomaly detection system that detects a transition to an abnormal state by monitoring the feature vector using a probabilistic model has been proposed.

特許文献3では、システムにおけるメトリックのペアの相関関係を表す相関関数の候補を複数記憶し、前記複数の相関関数の候補の中から、相関関数に係るメトリックの異常時の相関破壊の発生しやすさを示す検出感度をもとに、一つの相関関数を、前記メトリックのペアの相関関数として抽出するシステム分析装置が提案されている。   In Patent Document 3, a plurality of correlation function candidates representing correlations of metric pairs in the system are stored, and among the plurality of correlation function candidates, correlation destruction is likely to occur when a metric related to the correlation function is abnormal. There has been proposed a system analysis apparatus that extracts one correlation function as a correlation function of the metric pair based on the detection sensitivity indicating the above.

また、測定データについて機械学習し、ニューラルネットワークやSVM(support vector machine)によって異常を判断する技術も提案されている。   In addition, a technique is proposed in which machine learning is performed on measurement data and an abnormality is determined by a neural network or SVM (support vector machine).

特開2009−199533号公報JP 2009-199533 A 特開2005−216066号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-216066 特許第6183450号公報Japanese Patent No. 6183450

ニューラルネットワークやSVMによってブラックボックス的に異常を判断するシステムでは、異常を検出できても異常の根拠が示されず、この異常に応じた適切な対応をとることが難しい。   In a system that determines an abnormality in a black box using a neural network or SVM, even if the abnormality can be detected, the basis of the abnormality is not indicated, and it is difficult to take an appropriate response according to the abnormality.

また、二つの要素の組み合わせ毎に相関関係を求めて異常を検出することにより、異常となった要素を特定できるようにしたシステムも提案されているが、このようなシステムでは、二つの要素の組み合わせについて線形に連続した相関関係がなければ異常を検出できないという問題があった。   In addition, a system has been proposed in which an abnormal element can be identified by obtaining a correlation for each combination of two elements and detecting an abnormality. There is a problem that an abnormality cannot be detected unless there is a linearly continuous correlation for the combination.

コンピュータシステムの異常を検出する場合、異常を検出する要素となるCPUの稼働率やメモリの使用率、実行中のスレッド数等の情報が容易に取得でき、また同じ条件であれば同じ現象が発生する可能性が高いため、線形の相関を有する要素を選択することが容易である。   When detecting an abnormality in a computer system, information such as the CPU operation rate, memory usage rate, and the number of threads being executed can be easily obtained, and the same phenomenon occurs under the same conditions. Therefore, it is easy to select an element having a linear correlation.

一方、生産設備等の異常を検出する場合、種々の要素が関連しあって異常が発生することもあるため各要素の測定データが線形に相関するとは限らない。また、生産設備の状態を測定するには、そのためのセンサや入力インターフェイスを設置することになるため、線形の相関を有するデータを探すためにあらゆる要素にセンサ等を設置するようなことは現実的でない。このため、従来の異常検知システムでは精度よく異常を検出することが困難なことがあった。   On the other hand, when detecting an abnormality in a production facility or the like, various elements are related and an abnormality may occur. Therefore, the measurement data of each element does not always correlate linearly. In addition, in order to measure the state of production equipment, sensors and input interfaces are installed for this purpose, so it is realistic to install sensors, etc. in every element in order to search for data having a linear correlation. Not. For this reason, it is sometimes difficult to detect an abnormality with high accuracy in a conventional abnormality detection system.

そこで、本発明は、測定対象の異常を検出する際、線形の相関を有しない測定データを用いた場合でも精度良く異常を検出する技術の提供を目的とする。   In view of the above, an object of the present invention is to provide a technique for accurately detecting an abnormality even when measurement data having no linear correlation is used when detecting an abnormality of a measurement target.

本発明に係る異常検知装置は、
観測対象における複数の項目について当該項目の状態を示す測定データを取得するデータ取得部と、
所定のタイミングで取得した測定データを一つのデータ群(例えばレコード)とし、異なるタイミングで取得した複数のデータ群を学習データとし、前記複数の項目のうちN個の組み合わせについて前記学習データに含まれる前記測定データからN次元の確率密度を求め、当該N次元の確率密度を複数の前記組み合わせについて求めて、学習モデルを生成するモデル生成部と、
評価対象とする前記データ群のうち、前記項目のN個の組み合わせに係る前記測定データが得られる確率を前記学習モデルから求め、当該確率に基づいて異常スコアを算出するスコア算出部と、
前記項目の複数の組み合わせに係る前記異常スコアに基づいて前記データ群のスコアを算出し、当該データ群のスコアに基づいて前記観測対象の異常を検知する検知部と、
を備える。
The abnormality detection device according to the present invention is
A data acquisition unit for acquiring measurement data indicating the state of the item for a plurality of items in the observation target;
Measurement data acquired at a predetermined timing is set as one data group (for example, a record), a plurality of data groups acquired at different timings are set as learning data, and N combinations of the plurality of items are included in the learning data. A model generation unit for obtaining an N-dimensional probability density from the measurement data, obtaining the N-dimensional probability density for the plurality of the combinations, and generating a learning model;
A score calculation unit that calculates a probability that the measurement data related to N combinations of the items is obtained from the learning model in the data group to be evaluated, and calculates an abnormal score based on the probability;
Calculating a score of the data group based on the abnormality score related to a plurality of combinations of the items, and detecting an abnormality of the observation target based on the score of the data group;
Is provided.

前記異常検知装置は、前記項目を示すノードと当該ノードの組み合わせを示すリンクとを表示装置に表示させる際、前記リンクを前記異常スコアに応じた表示形態で生じさせる表示制御部を備えてもよい。   The abnormality detection device may include a display control unit that causes the link to be generated in a display form according to the abnormality score when the node indicating the item and the link indicating the combination of the node are displayed on the display device. .

前記異常検知装置は、前記モデル生成部が、
N個の前記項目の組み合わせのうち、各項目が取り得る測定データの範囲を第一〜第Nの軸にとり、第二の項目が取り得る測定データの範囲を前記第一の軸と直交する第二の軸にとり、
前記第一〜第Nの項目の測定データから求めたN次元の確率密度について、各項目の確
率密度を高い方から累積して所定の累積確率に達したところで確率密度が高い空間と確率密度が低い空間とに超平面で分割し、当該超平面における前記N次元の確率密度の面積をα%断面面積とし、前記超平面において各項目が取り得る範囲の面積を全体面積として求め、
前記全体面積を前記α断面面積で除してα%断面比を求め、
α%断面比が閾値未満の組み合わせを選択し、選択した組み合わせについて前記学習モデルを生成してもよい。
In the abnormality detection device, the model generation unit is
Of the N combinations of items, the range of measurement data that can be taken by each item is taken as the first to Nth axes, and the range of measurement data that can be taken by the second item is taken perpendicularly to the first axis. For the second axis,
With regard to the N-dimensional probability density obtained from the measurement data of the first to Nth items, the probability density of each item is accumulated from the higher one, and when a predetermined cumulative probability is reached, the space and probability density having a high probability density are obtained. Dividing into a low space by a hyperplane, the area of the N-dimensional probability density in the hyperplane is α% cross-sectional area, and the area of the range that each item can take in the hyperplane is obtained as an overall area,
Dividing the total area by the α cross-sectional area to obtain an α% cross-sectional ratio,
A combination having an α% cross-sectional ratio less than a threshold value may be selected, and the learning model may be generated for the selected combination.

また、本発明に係る異常検知方法は、
観測対象における複数の項目について当該項目の状態を示す測定データを取得するステップと、
所定のタイミングで取得した測定データを一つのデータ群とし、異なるタイミングで取得した複数のデータ群を学習データとし、前記複数の項目のうちN個の組み合わせについて前記学習データに含まれる前記測定データからN次元の確率密度を求め、当該N次元の確率密度を複数の前記組み合わせについて求めて、学習モデルを生成するステップと、
評価対象とする前記データ群のうち、前記項目のN個の組み合わせに係る前記測定データが得られる確率を前記学習モデルから求め、当該確率に基づいて異常スコアを算出するステップと、
前記項目の複数の組み合わせに係る前記異常スコアに基づいて前記データ群のスコアを算出し、当該データ群のスコアに基づいて前記観測対象の異常を検知するステップと、
をコンピュータが実行する。
In addition, the abnormality detection method according to the present invention includes:
Obtaining measurement data indicating the state of the item for a plurality of items in the observation target;
The measurement data acquired at a predetermined timing is used as one data group, a plurality of data groups acquired at different timings is used as learning data, and N combinations among the plurality of items are included in the learning data from the measurement data. Determining an N-dimensional probability density, determining the N-dimensional probability density for the plurality of combinations, and generating a learning model;
Obtaining a probability of obtaining the measurement data relating to N combinations of the items in the data group to be evaluated from the learning model, and calculating an abnormality score based on the probability;
Calculating a score of the data group based on the abnormality score relating to a plurality of combinations of the items, and detecting an abnormality of the observation target based on the score of the data group;
Is executed by the computer.

前記異常検知方法は、前記項目を示すノードと当該ノードの組み合わせを示すリンクとを表示装置に表示させる際、前記リンクを前記異常スコアに応じた表示形態で生じさせるステップを有してもよい。
前記異常検知方法は、
N個の前記項目の組み合わせのうち、各項目が取り得る測定データの範囲を第一〜第Nの軸にとり、第二の項目が取り得る測定データの範囲を前記第一の軸と直交する第二の軸にとり、
前記第一〜第Nの項目の測定データから求めたN次元の確率密度について、各項目の確率密度を高い方から累積して所定の累積確率に達したところで確率密度が高い空間と確率密度が低い空間とに超平面で分割し、当該超平面における前記N次元の確率密度の面積をα%断面面積とし、前記超平面において各項目が取り得る範囲の面積を全体面積として求め、
前記全体面積を前記α断面面積で除してα%断面比を求め、
α%断面比が閾値未満の組み合わせを選択し、選択した組み合わせについて前記学習モデルを生成してもよい。
The abnormality detection method may include a step of causing the link to be generated in a display form corresponding to the abnormality score when a node indicating the item and a link indicating a combination of the nodes are displayed on a display device.
The abnormality detection method is:
Of the N combinations of items, the range of measurement data that can be taken by each item is taken as the first to Nth axes, and the range of measurement data that can be taken by the second item is taken perpendicularly to the first axis. For the second axis,
With regard to the N-dimensional probability density obtained from the measurement data of the first to Nth items, the probability density of each item is accumulated from the higher one, and when a predetermined cumulative probability is reached, the space and probability density having a high probability density are obtained. Dividing into a low space by a hyperplane, the area of the N-dimensional probability density in the hyperplane is α% cross-sectional area, and the area of the range that each item can take in the hyperplane is obtained as an overall area,
Dividing the total area by the α cross-sectional area to obtain an α% cross-sectional ratio,
A combination having an α% cross-sectional ratio less than a threshold value may be selected, and the learning model may be generated for the selected combination.

なお、課題を解決するための手段に記載の内容は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。課題を解決するための手段の内容は、コンピュータ等の装置若しくは複数の装置を含むシステム、コンピュータが実行する方法、又はコンピュータに実行させるプログラムとして提供することができる。例えば、本発明は、前記異常検知方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムであってもよい。また、本発明は、このプログラムを保持するコンピュータで読み取り可能な記録媒体であってもよい。   The contents described in the means for solving the problems can be combined as much as possible without departing from the problems and technical ideas of the present invention. The contents of the means for solving the problems can be provided as a device such as a computer or a system including a plurality of devices, a method executed by the computer, or a program executed by the computer. For example, the present invention may be a program for causing a computer to execute each step of the abnormality detection method. Further, the present invention may be a computer-readable recording medium that holds this program.

本発明によれば、測定対象の異常を検出する際、線形に連続した相関を有しない測定データを用いた場合でも精度良く異常を検出する技術を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when detecting the abnormality of a measuring object, even when the measurement data which do not have a linearly continuous correlation are used, the technique which detects an abnormality accurately can be provided.

図1は、実施形態の異常検知装置の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of the abnormality detection apparatus according to the embodiment. 図2は、記憶装置に記憶された測定データの例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of measurement data stored in the storage device. 図3は、異常検知装置のハードウェア構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a hardware configuration of the abnormality detection apparatus. 図4は、測定データを取得する処理手順を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a processing procedure for acquiring measurement data. 図5は、学習モデルを生成する処理手順を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a processing procedure for generating a learning model. 図6は、観測対象の異常を検知する処理手順を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a processing procedure for detecting an abnormality of an observation target. 図7は、二次元の確率密度の一例をグラフで示した図である。FIG. 7 is a graph showing an example of a two-dimensional probability density. 図8は、評価対象の測定データ(標本)について、確率密度関数から求められる異常スコアの説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of an abnormality score obtained from a probability density function for measurement data (sample) to be evaluated. 図9は、検知結果の表示例を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a display example of detection results. 図10は、異常要因を示すネットワーク図の一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a network diagram showing an abnormality factor. 図11は、特定の項目の組み合わせにおける異常スコアの時系列グラフを例示する図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a time-series graph of abnormality scores in specific item combinations. 図12は、確率密度を用いた異常検出を行う例の説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram of an example of performing abnormality detection using probability density. 図13Aは、ガウスカーネル関数を足し合わせて平均する例を示す図である。FIG. 13A is a diagram illustrating an example in which Gaussian kernel functions are added and averaged. 図13Bは、ガウスカーネル関数で複雑な確率密度関数を近似する例を示す図である。FIG. 13B is a diagram illustrating an example of approximating a complex probability density function with a Gaussian kernel function. 図14は、ガウス分布を混合する例を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating an example of mixing Gaussian distributions. 図15は、混合要素の等高線を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing contour lines of the mixing element. 図16は、混合分布の周辺確率密度の等高線を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing contour lines of the peripheral probability density of the mixed distribution. 図17は、α%断面比の説明図である。FIG. 17 is an explanatory diagram of the α% cross-sectional ratio.

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、下記の実施形態は本発明の例示であり、本発明は、下記の構成には限定されない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the following embodiment is an illustration of this invention and this invention is not limited to the following structure.

<装置構成>
図1は、本実施形態の異常検知装置の構成を示すブロック図である。異常検知装置3は、生産設備等の観測対象における複数の項目について測定データを取得し、このデータの確率密度を推定して尤度の低いものを異常とする。
<Device configuration>
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the abnormality detection apparatus of the present embodiment. The abnormality detection device 3 acquires measurement data for a plurality of items in an observation target such as a production facility, estimates the probability density of this data, and determines that the likelihood is low.

図1に示すように、異常検知装置3は、観測対象の一例である各生産設備2と通信回線Nを介して接続されている。通信回線Nは、単なるケーブルであってもLAN等のネットワークであっても良い。また、通信回線は、有線であっても無線であっても良い。   As shown in FIG. 1, the abnormality detection device 3 is connected to each production facility 2 that is an example of an observation target via a communication line N. The communication line N may be a simple cable or a network such as a LAN. The communication line may be wired or wireless.

異常検知装置3は、データ取得部31や、モデル生成部32、スコア算出部33、検知部34、表示制御部35を有している。   The abnormality detection device 3 includes a data acquisition unit 31, a model generation unit 32, a score calculation unit 33, a detection unit 34, and a display control unit 35.

データ取得部31は、観測対象における複数の項目について当該項目の状態を示す測定データを取得し、記憶装置へ記憶させる。測定データは例えば、モータの回転数や駆動電流の値、アクチュエータの制御信号や動作回数等、生産設備2で制御等に用いている情報を測定データとして、通信回線Nを介して取得する。また、データ取得部31は、異常検知装置3が備えるセンサで、生産設備2から発せられる音や熱、振動等を測定し、この測定値を測定データとしてもよい。   The data acquisition unit 31 acquires measurement data indicating the state of the items for the plurality of items in the observation target, and stores them in the storage device. The measurement data is acquired via the communication line N as measurement data, for example, information used for control in the production facility 2 such as the number of rotations of the motor, the value of the drive current, the control signal of the actuator and the number of operations. Moreover, the data acquisition part 31 is a sensor with which the abnormality detection apparatus 3 is provided, measures the sound, heat | fever, vibration, etc. which are emitted from the production facility 2, and is good also considering this measured value as measurement data.

モデル生成部32は、所定のタイミングで取得した測定データを一つのレコード(データ群)とし、異なるタイミングで取得した複数のレコードを学習データとし、前記複数の項目のうち二つの組み合わせについて前記学習データに含まれる前記測定データから二次
元の確率密度を求め、当該二次元の確率密度を複数の前記組み合わせについて求めて、学習モデルを生成する。
The model generation unit 32 uses the measurement data acquired at a predetermined timing as one record (data group), a plurality of records acquired at different timings as learning data, and the learning data for two combinations of the plurality of items. A two-dimensional probability density is obtained from the measurement data included in the data, and the two-dimensional probability density is obtained for the plurality of combinations to generate a learning model.

スコア算出部33は、評価対象とする前記データ群のうち、前記項目の二つの組み合わせに係る前記測定データが得られる確率を前記学習モデルから求め、当該確率に基づいて異常スコアを算出する。   The score calculation unit 33 obtains a probability that the measurement data related to two combinations of the items in the data group to be evaluated is obtained from the learning model, and calculates an abnormal score based on the probability.

検知部34は、複数の前記項目の組み合わせに係る前記異常スコアに基づいて、前記観察対象の異常を検知する。   The detection unit 34 detects an abnormality of the observation target based on the abnormality score related to a combination of a plurality of the items.

表示制御部35は、検知部34で検知した異常の検知結果等を表示装置に表示させる。例えば、表示制御部35は、前記項目を示すノードと当該ノードの組み合わせを示すリンクとを表示装置に表示させる際、前記リンクを前記異常スコアに応じた表示形態で生じさせる。   The display control unit 35 causes the display device to display an abnormality detection result detected by the detection unit 34. For example, when displaying a node indicating the item and a link indicating a combination of the nodes on a display device, the display control unit 35 causes the link to be generated in a display form corresponding to the abnormality score.

図2は、データ取得部31が取得して記憶装置に記憶された測定データの例を示す。図2の例において、測定データは、観測開始後、所定時間間隔で取得され、所定のタイミングで取得された複数項目の測定値が一つのレコードとして記憶され、異なるタイミングで順次取得された複数のレコードが学習データとして蓄積される。   FIG. 2 shows an example of measurement data acquired by the data acquisition unit 31 and stored in the storage device. In the example of FIG. 2, measurement data is acquired at predetermined time intervals after the start of observation, and measurement values of a plurality of items acquired at a predetermined timing are stored as one record, and a plurality of data acquired sequentially at different timings are stored. Records are accumulated as learning data.

図3は、異常検知装置3のハードウェア構成を示す図である。異常検知装置3は、例えば図3に示すようなコンピュータ(情報処理装置)である。図3に示す異常検知装置3は、CPU(Central Processing Unit)301、主記憶装置302、補助記憶装置(外部
記憶装置)303、通信IF(Interface)304、入出力IF(Interface)305、ドライブ装置306、通信バス307を備えている。CPU301は、プログラムを実行することにより本実施の形態に係る処理等を行う。主記憶装置302は、CPU301が読み出したプログラムやデータをキャッシュしたり、CPUの作業領域を展開したりする。主記憶装置は、具体的には、RAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)等である。補助記憶装置303は、CPU301により実行されるプログラムや、位置情報などを記憶する。補助記憶装置303は、具体的には、HDD(Hard-disk Drive
)やSSD(Solid State Drive)、eMMC(embedded Multi-Media Card)、フラッシュメモリ等である。主記憶装置302や補助記憶装置303は、測定データを記憶する記憶装置としても機能する。通信IF304は、他のコンピュータとの間でデータを送受信する。
FIG. 3 is a diagram illustrating a hardware configuration of the abnormality detection device 3. The abnormality detection device 3 is a computer (information processing device) as shown in FIG. 3, for example. 3 includes a CPU (Central Processing Unit) 301, a main storage device 302, an auxiliary storage device (external storage device) 303, a communication IF (Interface) 304, an input / output IF (Interface) 305, and a drive device. 306 and a communication bus 307 are provided. CPU301 performs the process etc. which concern on this Embodiment by running a program. The main storage device 302 caches programs and data read by the CPU 301 and develops a work area of the CPU. Specifically, the main storage device is a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), or the like. The auxiliary storage device 303 stores programs executed by the CPU 301, position information, and the like. Specifically, the auxiliary storage device 303 is an HDD (Hard-disk Drive).
), SSD (Solid State Drive), eMMC (embedded Multi-Media Card), flash memory, and the like. The main storage device 302 and the auxiliary storage device 303 also function as storage devices that store measurement data. The communication IF 304 transmits / receives data to / from other computers.

異常検知装置3は、通信IF304を介してネットワークに接続される。通信IF304は、具体的には、有線又は無線のネットワークカード等である。入出力IF305は、入出力装置と接続され、ユーザから入力を受け付けたり、ユーザへ情報を出力したりする。入出力装置は、具体的には、キーボード、マウス、ディスプレイ351、タッチパネル、センサ352等である。ディスプレイ351は、異常の検知結果等の情報をユーザに対して表示する。センサ352は、例えば、温度センサ、振動センサ、加速度センサ、撮像装置、マイク等、観測対象の状態を測定する手段である。   The abnormality detection device 3 is connected to the network via the communication IF 304. Specifically, the communication IF 304 is a wired or wireless network card or the like. The input / output IF 305 is connected to the input / output device, and receives input from the user or outputs information to the user. Specifically, the input / output devices are a keyboard, a mouse, a display 351, a touch panel, a sensor 352, and the like. The display 351 displays information such as an abnormality detection result to the user. The sensor 352 is a unit that measures the state of the observation target, such as a temperature sensor, a vibration sensor, an acceleration sensor, an imaging device, or a microphone.

ドライブ装置306は、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク等の記憶媒体に記録されたデータを読み出したり、記憶媒体にデータを書き込んだりする。そして、以上のような構成要素が、通信バス307で接続されている。なお、これらの構成要素はそれぞれ複数設けられていてもよいし、一部の構成要素(例えば、ドライブ装置306)を設けないようにしてもよい。また、入出力装置がコンピュータと一体に構成されていてもよい。また、ドライブ装置306で読み取り可能な可搬性の記憶媒体や、フラッシュメモリのような可搬性の補助記憶装置303、通信IF304などを介して、本実施の形態で実行
されるプログラムが提供されるようにしてもよい。
The drive device 306 reads data recorded on a storage medium such as a magnetic disk, a magneto-optical disk, and an optical disk, and writes data to the storage medium. The above components are connected by a communication bus 307. A plurality of these components may be provided, or some of the components (for example, the drive device 306) may not be provided. Further, the input / output device may be integrated with the computer. In addition, the program executed in the present embodiment is provided via a portable storage medium readable by the drive device 306, a portable auxiliary storage device 303 such as a flash memory, and a communication IF 304. It may be.

CPU301は、プログラムを主記憶装置にロードして実行する。異常検知装置3において、CPU301は、データ取得部31や、モデル生成部32、スコア算出部33、検知部34として動作する。   The CPU 301 loads the program to the main storage device and executes it. In the abnormality detection device 3, the CPU 301 operates as the data acquisition unit 31, the model generation unit 32, the score calculation unit 33, and the detection unit 34.

CPU301は、本例において処理装置に相当する。CPU301は、MPU(Micro Processor Unit)、マイクロプロセッサ、プロセッサとも呼ばれる。CPU301は、単一のプロセッサに限定される訳ではなく、マルチプロセッサ構成であってもよい。また、単一のソケットで接続される単一のCPUがマルチコア構成を有していても良い。上記各部の少なくとも一部の処理は、CPU以外のプロセッサ、例えば、Digital Signal Processor(DSP)、Graphics Processing Unit(GPU)、数値演算プロセッサ、ベクトルプロセッサ、画像処理プロセッサ等の専用プロセッサで行われても良い。また、上記各部の少なくとも一部の処理は、集積回路(IC)、その他のデジタル回路であっても良い。また、上記各部の少なくとも一部にアナログ回路が含まれても良い。集積回路は、LSI,Application Specific Integrated Circuit(ASIC),プログラマブルロジックデバイス(PL
D)を含む。PLDは、例えば、Field-Programmable Gate Array(FPGA)を含む。上記各
部は、プロセッサと集積回路との組み合わせであっても良い。組み合わせは、例えば、MCU(Micro Controller Unit),SoC(System-on-a-chip),システムLSI,チッ
プセットなどと呼ばれる。
The CPU 301 corresponds to a processing device in this example. The CPU 301 is also called an MPU (Micro Processor Unit), a microprocessor, or a processor. The CPU 301 is not limited to a single processor, and may have a multiprocessor configuration. A single CPU connected by a single socket may have a multi-core configuration. At least a part of the processing of each unit may be performed by a processor other than the CPU, for example, a dedicated processor such as a digital signal processor (DSP), a graphics processing unit (GPU), a numerical operation processor, a vector processor, or an image processing processor. good. Further, at least a part of the processing of each unit may be an integrated circuit (IC) or other digital circuit. In addition, an analog circuit may be included in at least a part of each of the above parts. Integrated circuits are LSI, Application Specific Integrated Circuit (ASIC), Programmable Logic Device (PL
D). The PLD includes, for example, a field-programmable gate array (FPGA). Each of the above units may be a combination of a processor and an integrated circuit. The combination is called, for example, an MCU (Micro Controller Unit), an SoC (System-on-a-chip), a system LSI, or a chip set.

〈異常検知方法〉
次に、上述の構成を有する異常検知装置3が実行する異常検知方法について説明する。図4は、測定データを取得する処理手順を示す図、図5は、学習モデルを生成する処理手順を示す図、図6は、観測対象の異常を検知する処理手順を示す図である。
<Abnormality detection method>
Next, an abnormality detection method executed by the abnormality detection device 3 having the above-described configuration will be described. FIG. 4 is a diagram illustrating a processing procedure for acquiring measurement data, FIG. 5 is a diagram illustrating a processing procedure for generating a learning model, and FIG. 6 is a diagram illustrating a processing procedure for detecting an abnormality of an observation target.

異常検知装置3は、ユーザの操作等により観測開始の指示を受けると、図4の処理を開始し、所定の測定タイミングに達したか否かを判定する(ステップS10)。   When the abnormality detection device 3 receives an instruction to start observation by a user operation or the like, the abnormality detection device 3 starts the process of FIG. 4 and determines whether or not a predetermined measurement timing has been reached (step S10).

ステップS10にて否定判定の場合、異常検知装置3は、図4の処理を終了する。一方、ステップS10にて肯定判定の場合、異常検知装置3は、測定データを取得する(ステップS20)。   When a negative determination is made in step S10, the abnormality detection device 3 ends the process of FIG. On the other hand, in the case of a positive determination in step S10, the abnormality detection device 3 acquires measurement data (step S20).

ステップS20にて、異常検知装置3は、予め設定された複数の項目について測定データを取得する。例えば、異常検知装置3は、温度センサや振動センサ等によって、測定対象の状態を測定することによって測定データを取得する。また、異常検知装置3は、測定対象の記憶媒体から動作履歴等の情報を読み出す、又は制御信号等の情報を取得し、これらの情報を測定データとしてもよい。なお、図4では、簡単のため、複数項目について測定データを取得する処理を一つのステップで示したが、各項目の測定データを順次取得する手順や、複数項目の測定データを並行して取得するなど、所定の項目について測定データを取得できれば、任意の手順で取得してよい。測定データは、標準化や正規化、基準化されて、所定の形式に変換されてもよい。例えば、次式のように、項目毎に平均を0、標準偏差を1としたデータに標準化してもよい。
標準化後の値=(数値−平均値)/標準偏差
In step S20, the abnormality detection device 3 acquires measurement data for a plurality of preset items. For example, the abnormality detection device 3 acquires measurement data by measuring the state of the measurement target using a temperature sensor, a vibration sensor, or the like. Further, the abnormality detection device 3 may read information such as an operation history from a measurement target storage medium or acquire information such as a control signal, and use the information as measurement data. In FIG. 4, for the sake of simplicity, the process of acquiring measurement data for a plurality of items is shown in one step. However, the procedure for sequentially acquiring the measurement data for each item and the measurement data for a plurality of items are acquired in parallel. As long as measurement data can be acquired for a predetermined item such as, it may be acquired by an arbitrary procedure. The measurement data may be standardized, normalized, or standardized and converted into a predetermined format. For example, as shown in the following equation, standardization may be performed on data in which the average is 0 and the standard deviation is 1 for each item.
Standardized value = (numerical value-average value) / standard deviation

また、次式のように、項目毎に最小値を0、最大値を1としたデータに基準化してもよい。
基準化後の値=(数値−最小値)/(最大値−最小値)
Further, as in the following equation, each item may be standardized to data in which the minimum value is 0 and the maximum value is 1.
Standardized value = (numerical value-minimum value) / (maximum value-minimum value)

そして、異常検知装置3は、所定のタイミングで取得した測定データを一レコードとし
て記憶装置へ記憶させる(ステップS30)。ここで所定のタイミングとは、例えば同じタイミングである。また、厳密に同じ時刻に限るものではなく、各項目の状態が互いに関連し合う程度に近いタイミングであればよく、例えば、所定期間毎に測定データを取得する場合に、同じ期間内に取得した測定データを同じタイミングで取得した測定データとしてもよい。また、所定のタイミングとは、同じ異常を検知する為に予め定められた測定タイミングであってもよい。例えば、或る製品を製造する際の第1〜第nプロセスで測定したデータを一レコードとし、次に製品を製造する際の第1〜第nプロセスで測定したデータを次のレコードとする。この場合、製品ごとの異常を検知する為に第1〜第nプロセスで測定されるタイミングを所定のタイミングとしている。
Then, the abnormality detection device 3 stores the measurement data acquired at a predetermined timing in the storage device as one record (step S30). Here, the predetermined timing is, for example, the same timing. In addition, the timing is not limited to the exact same time, it may be a timing close to the extent that the state of each item is related to each other. For example, when measuring data is acquired every predetermined period, it is acquired within the same period The measurement data may be measurement data acquired at the same timing. In addition, the predetermined timing may be a measurement timing that is predetermined in order to detect the same abnormality. For example, data measured in the first to n-th processes when manufacturing a certain product is set as one record, and data measured in the first to n-th processes when manufacturing a product is set as the next record. In this case, in order to detect an abnormality for each product, the timing measured in the first to n-th processes is set as a predetermined timing.

異常検知装置3は、ユーザの操作等により測定終了の指示を受けるまで図4の処理をくり返し実行する。これにより測定タイミング毎に測定データのレコードを蓄積して学習データとする。   The abnormality detection device 3 repeatedly executes the process of FIG. 4 until receiving an instruction to end the measurement by a user operation or the like. As a result, the record of the measurement data is accumulated at each measurement timing and used as learning data.

異常検知装置3は、ユーザの操作等によって開始が指示されたときや、所定の時間間隔で図5の処理を開始する。   The abnormality detection device 3 starts the process of FIG. 5 when a start is instructed by a user operation or the like, or at a predetermined time interval.

ステップS110にて、異常検知装置3は、学習データのうち、二つの組み合わせ毎に相関係数を求める。例えば、項目A,B,Cとあった場合、[A,B][B,C][A,C]のように、全ての組み合わせについてピアソンの相関係数を算出する。   In step S110, the abnormality detection device 3 obtains a correlation coefficient for every two combinations in the learning data. For example, in the case of items A, B, and C, Pearson correlation coefficients are calculated for all combinations, such as [A, B] [B, C] [A, C].

ステップS120にて、異常検知装置3は、ステップS110で算出した相関係数に基づき、関連性の高い組み合わせを選択する。例えば、相関係数が閾値以上の組み合わせを選択する。なお、これに限らず、上位所定数の組み合わせを選択することや、全ての組み合わせのうち、所定割合の組み合わせを選択すること、更に、これらを組み合わせて選択することとしてもよい。また、ステップS110,S120では、ピアソンの相関係数を用いて項目の組み合わせを選択したが、これに限らず、各項目の関連性の強さを評価できるものであれば、MIC(Maximum Information Coefficient)や、後述のように確率密
度を用いたものであってもよい。
In step S120, the abnormality detection device 3 selects a highly relevant combination based on the correlation coefficient calculated in step S110. For example, a combination having a correlation coefficient equal to or greater than a threshold value is selected. However, the present invention is not limited to this, and it is also possible to select the upper predetermined number of combinations, select a predetermined ratio of all the combinations, and further select a combination of these. In step S110 and S120, the combination of items is selected using Pearson's correlation coefficient. However, the present invention is not limited to this, and any MIC (Maximum Information Coefficient) can be used as long as the strength of relevance of each item can be evaluated. ), Or a probability density as described later.

ステップS130にて、異常検知装置3は、ステップS120で選択した組み合わせについて前記学習データに含まれる前記測定データから二次元の確率密度を求め、当該二次元の確率密度を複数の前記組み合わせについて求めて、学習モデルを生成する。確率密度は、最尤法やベイズ推定、カーネル密度推定法、混合ガウス分布等の手法を用いて推定できる。なお、具体的な算出手法については後述する。また、異なる二項目の組み合わせについて算出された確率密度の集合を学習モデルと呼ぶものとする。   In step S130, the abnormality detection device 3 obtains a two-dimensional probability density from the measurement data included in the learning data for the combination selected in step S120, and obtains the two-dimensional probability density for the plurality of combinations. Generate a learning model. The probability density can be estimated using techniques such as maximum likelihood method, Bayesian estimation, kernel density estimation method, and mixed Gaussian distribution. A specific calculation method will be described later. A set of probability densities calculated for two different combinations of items is referred to as a learning model.

図7は、二次元の確率密度の一例をグラフで示した図である。図7では、x軸に項目Aの測定値をとり、y軸に項目Bの測定値をとり、z軸に確率密度をとり、各測定値に対する確率密度の変化をメッシュ状に示している。図7において、確率密度の高い部分、即ちメッシュで示される山の高い部分が、正常な測定値としての尤度が高い部分であり、確率密度の低い部分が正常な測定値としての尤度が低い部分である。   FIG. 7 is a graph showing an example of a two-dimensional probability density. In FIG. 7, the measurement value of item A is taken on the x-axis, the measurement value of item B is taken on the y-axis, the probability density is taken on the z-axis, and the change in probability density with respect to each measurement value is shown in a mesh form. In FIG. 7, a portion having a high probability density, that is, a portion having a high peak indicated by a mesh is a portion having a high likelihood as a normal measurement value, and a portion having a low probability density has a likelihood as a normal measurement value. The lower part.

また、異常検知装置3は、ユーザの操作等によって異常の検知が指示されたときや、評価用のデータが取得された場合等、所定の検知タイミングとなった場合に、図6の処理を開始する。なお、本例では、図5の学習モデルを作成する処理と、図6の異常を検知する処理を分けて示したが、学習モデルを作成する処理に続けて異常を検知する処理を実行しても良い。   Also, the abnormality detection device 3 starts the process of FIG. 6 when a predetermined detection timing is reached, such as when an abnormality detection is instructed by a user operation or when evaluation data is acquired. To do. In this example, the process of creating the learning model in FIG. 5 and the process of detecting the abnormality in FIG. 6 are shown separately. However, the process of detecting the abnormality is executed following the process of creating the learning model. Also good.

ステップS210にて、異常検知装置3は、新たに取得された測定データのレコード等
を評価対象とし、当該評価対象のレコードからステップS120で選択された項目の組み合わせを抽出する。
In step S210, the abnormality detection device 3 sets a newly acquired measurement data record or the like as an evaluation target, and extracts the combination of items selected in step S120 from the evaluation target record.

ステップS220にて、異常検知装置3は、評価対象としてステップS210で抽出した組み合わせの測定データを用いて、当該測定データが出現する確率を学習モデルから取得する。

Figure 2019159604
In step S220, the abnormality detection device 3 uses the measurement data of the combination extracted in step S210 as an evaluation target, and acquires the probability that the measurement data appears from the learning model.
Figure 2019159604

図8は、評価対象の測定データ(標本)について、確率密度関数から求められる異常スコアの説明図である。図8では、縦軸に項目Cの測定値、横軸に項目Dの測定値をとり、各測定値から求められる異常スコアを等高線状に示している。図8の例では、黒点で示した学習データが、図8の右辺側及び上辺側に集中しており、この部分の確率密度が高くなっている。このため、図8の右上の異常スコアが低く、左下へいくにつれて異常スコアが高くなっている。ここで、項目Cの測定値が85、項目Dの測定値が7.5の測定データが取得された場合、異常スコアが60000を超え、異常スコアが15000以下に集中している学習データに対して、高い異常スコアであることが検知できる。   FIG. 8 is an explanatory diagram of an abnormality score obtained from a probability density function for measurement data (sample) to be evaluated. In FIG. 8, the measured value of item C is plotted on the vertical axis, and the measured value of item D is plotted on the horizontal axis, and the abnormality score obtained from each measured value is shown in contour lines. In the example of FIG. 8, the learning data indicated by black dots is concentrated on the right side and the upper side of FIG. 8, and the probability density of this portion is high. For this reason, the abnormality score at the upper right in FIG. 8 is low, and the abnormality score becomes higher toward the lower left. Here, when the measurement data with the measurement value of the item C being 85 and the measurement value of the item D being 7.5 are acquired, for the learning data in which the abnormal score is over 60000 and the abnormal score is concentrated below 15000 Thus, a high abnormal score can be detected.

ステップS230にて、異常検知装置3は、前記組み合わせ毎の異常スコアに基づいて、レコード毎の総合的なスコア(以下、単にレコードのスコアとも称す)を求める。レコードのスコアは、前記組み合わせ毎の異常スコアを入力とする関数であればよく、例えば、平均値や、最大値、重み付き平均等であってもよい。重み付き平均とは、例えば、前記項目の組み合わせ毎に予め重みを設定し、各異常スコアに重みを乗じて平均を算出する。即ち、重要な項目や異常の影響が反映されやすい項目の重みを高めて、スコアを算出する。また、ステップS120の組み合わせを選択する処理を省略し、ステップS110で求めた相関係数の絶対値を重みに反映させて各異常スコアを求めてもよい。また、各組み合わせについて、異常時のデータが存在する場合には、各組み合わせの測定データと異常時のデータとからロジスティック回帰を行い、これにより求めた異常の程度に基づいて、当該組み合わせに係る異常スコアの選択や重み付けを行ってもよい。これに限らず、機械学習など他の手法を用いて組み合わせの選択や重み付けを行ってもよい。   In step S230, the abnormality detection device 3 obtains a comprehensive score for each record (hereinafter also simply referred to as a record score) based on the abnormality score for each combination. The score of the record may be a function that receives the abnormal score for each combination, and may be, for example, an average value, a maximum value, a weighted average, or the like. With the weighted average, for example, a weight is set in advance for each combination of the items, and the average is calculated by multiplying each abnormal score by the weight. That is, the score is calculated by increasing the weight of an important item or an item that is easily affected by an abnormality. Alternatively, the process of selecting the combination in step S120 may be omitted, and each abnormality score may be obtained by reflecting the absolute value of the correlation coefficient obtained in step S110 in the weight. For each combination, if there is abnormal data, perform logistic regression from the measured data and abnormal data for each combination, and based on the degree of abnormality determined by this, abnormalities related to the combination. Score selection and weighting may be performed. Not limited to this, combination selection and weighting may be performed using other methods such as machine learning.

ステップS240にて、異常検知装置3は、ステップS230で求めたレコードのスコアに基づいて、観測対象の異常を検知する。例えば、当該レコードのスコアが閾値を超えた場合に、異常が発生したと検知し、当該レコードのスコアが閾値を超えていない場合には、異常が発生していないと検知する。   In step S240, the abnormality detection device 3 detects an abnormality to be observed based on the score of the record obtained in step S230. For example, when the score of the record exceeds a threshold, it is detected that an abnormality has occurred, and when the score of the record does not exceed the threshold, it is detected that no abnormality has occurred.

そして、ステップS250にて、異常検知装置3は、上記検知結果をユーザに対して出力する。図9は、検知結果の表示例を示す図である。図9の検知結果は、異常の発生の有無81や、異常が検知された項目(以下、異常項目とも称する)82、異常要因を示すネットワーク図83を有している。   In step S250, the abnormality detection device 3 outputs the detection result to the user. FIG. 9 is a diagram illustrating a display example of detection results. The detection result of FIG. 9 has an occurrence / non-occurrence 81 of an abnormality, an item (hereinafter also referred to as an abnormality item) 82 in which an abnormality is detected, and a network diagram 83 showing an abnormality factor.

異常項目82は、例えば、異常スコアが閾値を越えた組み合わせの項目である。また、異常スコアが閾値を超えた複数の組み合わせに共通して存在する項目を異常項目としてもよい。例えば、項目A,Bの組み合わせと、項目B,Cの組み合わせの異常スコアが、閾値を超えた場合、これらの組み合わせに共通する項目Bを異常項目と判定する。また、項目A,Cが項目B以外の項目との組み合わせで異常スコアが閾値を超えていない場合には、項目A,Cは異常項目でないと判定してもよい。なお、本実施形態では、主に二つの項
目の組み合わせについて異常スコアを求めたが、三つ以上の項目の組み合わせについて異常スコアを求めてもよい。この場合でも図9と同様に、異常スコアが閾値を越えた組み合わせを異常と判定し、異常スコアが高い順に項目の組み合わせを表示することができる。
The abnormal item 82 is, for example, a combination item in which the abnormal score exceeds a threshold value. Moreover, it is good also considering the item which exists in common with the some combination whose abnormality score exceeded the threshold value as an abnormality item. For example, when the abnormal score of the combination of items A and B and the combination of items B and C exceeds a threshold, item B common to these combinations is determined as an abnormal item. In addition, when items A and C are combined with items other than item B and the abnormal score does not exceed the threshold value, it may be determined that items A and C are not abnormal items. In the present embodiment, the abnormality score is mainly obtained for a combination of two items, but the abnormality score may be obtained for a combination of three or more items. Even in this case, as in FIG. 9, a combination in which the abnormal score exceeds the threshold value can be determined as abnormal, and the combination of items can be displayed in descending order of the abnormal score.

図10は、異常要因を示すネットワーク図83の一例を示す図である。図10では、各項目を丸いノード84で示し、項目の組み合わせを各ノード間をつなぐ線(リンク)85で示している。図10において、各ノード84の「○○○○」は、「項目A」「項目B」など、各項目を示す識別情報である。また、図10では、便宜上、ノード84とリンク85の一部にのみ符号を付して示したが、同じ形状の要素は同様のノードやリンクを示している。   FIG. 10 is a diagram showing an example of the network diagram 83 showing the abnormal factors. In FIG. 10, each item is indicated by a round node 84, and a combination of items is indicated by a line (link) 85 connecting the nodes. In FIG. 10, “XXX” of each node 84 is identification information indicating each item such as “item A” and “item B”. In FIG. 10, for convenience, only a part of the node 84 and the link 85 is shown with reference numerals, but elements having the same shape indicate similar nodes and links.

リンク85は、そのノード(項目)84の組み合わせに係る異常スコアに応じた表示形態で示されており、例えば、異常スコアが高いほど、太い線で示される。リンク85の表示形態は、これに限らず、異常スコアに応じて、線の色や、輝度、点滅状態、又はこれらの組み合わせを変えて表示されるものでもよい。例えば、異常スコアが低い場合、細い緑の線で表示し、異常スコアが高い場合、太い赤の線で表示し、異常スコアがこの中間の場合、異常スコアに応じた中間の太さにすると共に、緑から赤の中間の色相とする。また、異常スコアが閾値を超えた場合にリンク85を点滅表示し、異常スコアが高いほど、点滅速度を高めて表示してもよい。   The link 85 is shown in a display form corresponding to the abnormality score related to the combination of the nodes (items) 84. For example, the higher the abnormality score, the thicker the line 85. The display form of the link 85 is not limited to this, and may be displayed by changing the line color, brightness, blinking state, or a combination thereof according to the abnormality score. For example, when the abnormal score is low, it is displayed with a thin green line. When the abnormal score is high, it is displayed with a thick red line. When the abnormal score is in the middle, it is set to an intermediate thickness according to the abnormal score. The hue is between green and red. Alternatively, the link 85 may be displayed blinking when the abnormal score exceeds the threshold, and the blinking speed may be increased and displayed as the abnormal score is higher.

このように二つの項目の組み合わせ毎に異常スコアを算出して表示することにより、異常と判断された根拠をユーザが視覚的に把握できる。また、ネットワーク図83を表示する際に、異常スコアの順に所定数のノード84やリンク85を表示することや、ユーザが指定したノード84やリンク85を検索して表示すること、特定の設備やエリアに係るノード84やリンク85を表示すること等により、絞り込みを行うこともできる。   Thus, by calculating and displaying the abnormality score for each combination of the two items, the user can visually grasp the basis for determining the abnormality. Further, when displaying the network diagram 83, a predetermined number of nodes 84 and links 85 are displayed in the order of the abnormality score, and the nodes 84 and links 85 specified by the user are searched and displayed, a specific facility or It is also possible to narrow down by displaying the nodes 84 and links 85 related to the area.

図11は、特定の項目の組み合わせにおける異常スコアの時系列グラフを例示する図である。ユーザが、図9や図10の検知結果から、所望の項目の組み合わせを選択すると、図11に示すように、当該組み合わせにおける異常スコアの時系列変化を示すグラフを表示させることができる。   FIG. 11 is a diagram illustrating a time-series graph of abnormality scores in specific item combinations. When the user selects a desired combination of items from the detection results shown in FIGS. 9 and 10, as shown in FIG. 11, a graph showing the time-series change of the abnormal score in the combination can be displayed.

図11では、横軸に時刻をとり、縦軸に異常スコアをとって、何時にどれくらい継続して異常値を示したのかを把握できるようにしている。図11の例では、15時15分から15時20分の間で測定データ(実線)が、閾値(点線、図示の例では40)を超え、異常と検出されたことが示されている。これにより異常が起きたタイミングを正確に把握することができる。また、異常が一過性のものか、継続的なものか等により、真の異常とノイズとの切り分けが容易になる。   In FIG. 11, time is plotted on the horizontal axis and abnormal score is plotted on the vertical axis so that it is possible to grasp how long and how long an abnormal value is indicated. In the example of FIG. 11, the measurement data (solid line) exceeds the threshold (dotted line, 40 in the illustrated example) between 15:15 and 15:20, indicating that an abnormality has been detected. This makes it possible to accurately grasp the timing at which an abnormality has occurred. In addition, depending on whether the abnormality is transient or continuous, it becomes easy to distinguish between true abnormality and noise.

また、本実施形態では、項目間の異常スコアを確率密度に基づいて求めているので、各項目の正常な測定データが線形の相関を有していない場合でも精度良く異常を検出することができる。例えば、図12のグラフ91は、縦軸に項目Eの測定値、横軸に項目Fの測定値をとり、各測定値に応じた正常な測定学習データを黒点で示している。例えば、生産設備2の少なくとも一部が異なる動作モードで動作し得る場合は、正常な測定データが、このように分布することがある。グラフ91では、各項目の測定値に線形の相関がないため、従来の相関係数を用いた異常の判定手法では異常を検出できない。しかしながら、本実施形態では、これらの確率密度を求めることで、グラフ92のように確率密度の高い領域95を特定し、この領域95内であれば正常、この領域95から外れるほど異常度が高いと判定できるため、線形の相関を有していない測定データであっても精度良く異常を検知できる。   Further, in the present embodiment, the abnormality score between items is obtained based on the probability density, so that abnormality can be detected with high accuracy even when normal measurement data of each item does not have a linear correlation. . For example, in the graph 91 of FIG. 12, the measurement value of the item E is plotted on the vertical axis and the measurement value of the item F is plotted on the horizontal axis, and normal measurement learning data corresponding to each measurement value is indicated by black dots. For example, when at least a part of the production facility 2 can operate in different operation modes, normal measurement data may be distributed in this way. In the graph 91, since the measurement value of each item does not have a linear correlation, the abnormality cannot be detected by the conventional abnormality determination method using the correlation coefficient. However, in this embodiment, by obtaining these probability densities, a region 95 with a high probability density is specified as shown in the graph 92, and the region 95 is normal within this region 95, and the degree of abnormality is high enough to deviate from this region 95. Therefore, it is possible to detect an abnormality with high accuracy even for measurement data that does not have a linear correlation.

〈確率密度の算出手法〉
(1)カーネル密度推定法(KDE:Kernel density estimation)

Figure 2019159604
<Probability density calculation method>
(1) Kernel density estimation (KDE)
Figure 2019159604

ここでK(x,x')はカーネル関数であり、今回は式(3)のようなガウスカーネルを用
いている。h>0はガウスカーネルのバンド幅、dはxの次元数を示す。

Figure 2019159604
Here, K (x, x ′) is a kernel function, and this time a Gaussian kernel as shown in Equation (3) is used. h> 0 indicates the bandwidth of the Gaussian kernel, and d indicates the number of dimensions of x.
Figure 2019159604

また、バンド幅はScott’s Ruleを用いて求めている。nをデータ数とすると、Scott’s Ruleは式(4)のようになる。

Figure 2019159604
The bandwidth is obtained using Scott's Rule. When n is the number of data, Scott's Rule is as shown in Equation (4).
Figure 2019159604

上記の数式により、図13Aに示すように、各測定データxi が中心のガウスカーネル関数(破線)を足し合わせて平均した密度分布(実線)が得られる。これにより図13Bのような複雑な確率密度関数も滑らかに近似できる。
そして、現在の測定データがこの密度分布のどの位置にあるかを異常スコアとして算出することで異常検知が可能となる。
By the above formula, as shown in FIG. 13A, a density distribution (solid line) obtained by adding the average Gaussian kernel function (broken line) to each measurement data x i is obtained. Thereby, a complicated probability density function as shown in FIG. 13B can be approximated smoothly.
Then, an abnormality can be detected by calculating as an abnormality score where the current measurement data is located in the density distribution.

(2)混合ガウスモデル(GMM:Gaussian Mixture Model)
混合ガウスモデル(GMM)は、図14に示すように、いくつかのガウス分布を線形結合し
て得られる分布である。K個のガウス分布の重ね合わせは以下の式(5)で与えられる。
ここでπkは混合係数であり、0≦πk≦1とする。

Figure 2019159604
(2) Gaussian Mixture Model (GMM)
The mixed Gaussian model (GMM) is a distribution obtained by linearly combining several Gaussian distributions as shown in FIG. The superposition of K Gaussian distributions is given by the following equation (5).
Here, π k is a mixing coefficient, and 0 ≦ π k ≦ 1.
Figure 2019159604

最適なパラメタは最尤推定法で得ることができ、混合ガウスモデルの対数尤度関数は以下の式(6)のようになる。これはEMアルゴリズムによって解くことが可能である。
ここでXは、X={x_1,x_2,・・・,x_N}、例えば各レコードの測定データxの値である。

Figure 2019159604
The optimum parameter can be obtained by the maximum likelihood estimation method, and the logarithmic likelihood function of the mixed Gaussian model is expressed by the following equation (6). This can be solved by the EM algorithm.
Here, X is X = {x_1, x_2,..., X_N}, for example, the value of the measurement data x of each record.
Figure 2019159604

図15は、3つの混合要素の等高線を、それぞれの混合係数とともに示している。この混合分布の周辺確率密度p(x)の等高線を示したものが図16となっている。   FIG. 15 shows the contour lines of the three mixing elements together with their respective mixing coefficients. FIG. 16 shows contour lines of the peripheral probability density p (x) of this mixed distribution.

異常検知装置3は、正常データに対する周辺確率密度を予め求めておき、現在の測定データがこの密度分布のどの位置にあるかを異常スコアとして算出することで異常検知が可能となる。例えば、図16において、測定データをプロットした点98は、正常データと同じ等高線内にあるため、正常と判定できる。一方、測定データをプロットした点99は、正常データから外れた位置にあるため、異常と判定できる。   The abnormality detection device 3 obtains the peripheral probability density for normal data in advance, and can detect an abnormality by calculating the position of the density distribution of the current measurement data as an abnormality score. For example, in FIG. 16, the point 98 on which the measurement data is plotted is within the same contour line as the normal data, and therefore can be determined as normal. On the other hand, the point 99 on which the measurement data is plotted is at a position deviating from the normal data, so that it can be determined as abnormal.

〈変形例〉
前述の実施形態では、学習モデルとして採用する項目を相関関数によって選択する例を示したが、これに代えて、確率密度分布のα%断面比を用いてもよい。本変形例は、前述の実施形態と比べて、項目の選択にα%断面比を用いた構成が異なり、その他の構成は同じであるため、同一の要素については同符号を付す等して再度の説明を省略する。
<Modification>
In the above-described embodiment, an example in which items to be adopted as a learning model are selected using a correlation function, but instead, an α% cross-sectional ratio of a probability density distribution may be used. Compared with the above-described embodiment, the present modification is different in the configuration using the α% cross-sectional ratio for selection of items, and the other configurations are the same. Therefore, the same elements are denoted by the same reference numerals and the like again. The description of is omitted.

モデル生成部32は、N個の項目の組み合わせのうち、各項目が取り得る測定データの範囲を第一〜第Nの軸にとり、第一〜第Nの項目の測定データから求めたN次元の確率密度について、各項目の確率密度を高い方から累積して所定の累積確率密度に達したところで確率密度が高い空間と確率密度が低い空間とに超平面で分割し、当該超平面における前記N次元の確率密度の面積をα%断面面積として求める。また、モデル生成部32は、前記超平面において各項目が取り得る範囲、即ち当該超平面に示される最小値から最大値までの範囲の面積を全体面積として求める。そして、モデル生成部32は、全体面積を前記α%断面面積で除してα%断面比を求め、当該α%断面比が閾値未満の組み合わせを選択し、選択した組み合わせについて学習モデルを生成する。   The model generation unit 32 takes the range of measurement data that each item can take from the combination of N items on the first to Nth axes, and calculates the N-dimensional obtained from the measurement data of the first to Nth items. Regarding the probability density, when the probability density of each item is accumulated from a higher level and reaches a predetermined cumulative probability density, the space is divided into a space having a high probability density and a space having a low probability density, and the N in the hyperplane is divided. The area of the dimensional probability density is obtained as an α% cross-sectional area. In addition, the model generation unit 32 obtains the area that each item can take on the hyperplane, that is, the area of the range from the minimum value to the maximum value indicated on the hyperplane as the entire area. Then, the model generation unit 32 obtains an α% cross-sectional ratio by dividing the entire area by the α% cross-sectional area, selects a combination having the α% cross-sectional ratio less than a threshold, and generates a learning model for the selected combination. .

図17は、二つの項目の組み合わせにおけるα%断面比の説明図である。図17のグラフ96では、x軸に項目Aの測定値、y軸に項目Bの測定値、z軸に確率密度をとり、各測定値に対する確率密度の変化をメッシュ状に示している。即ち図17では、確率密度の変化がメッシュ状の山として示されている。即ち、図17の例では、各項目の値(測定データ及び学習データ)を2次元(x, y)のデータとし、確率密度を高さとしている。ここで項目A,Bの測定値が取り得る領域の面積を全体面積とし、(max(項目A)―min(項目A))×(max(項目B)―min(項目B))のように求める。   FIG. 17 is an explanatory diagram of the α% cross-sectional ratio in a combination of two items. In the graph 96 of FIG. 17, the measurement value of the item A is taken on the x axis, the measurement value of the item B is taken on the y axis, and the probability density is taken on the z axis, and the change of the probability density with respect to each measurement value is shown in a mesh form. That is, in FIG. 17, the change in probability density is shown as a mesh-like mountain. That is, in the example of FIG. 17, the values of each item (measurement data and learning data) are two-dimensional (x, y) data, and the probability density is high. Here, the area of the region that the measurement values of items A and B can take is the total area, and (max (item A) -min (item A)) × (max (item B) -min (item B)) Ask.

また、この確率密度の山をグラフ97のように所定の確率密度、例えば各項目の確率密度を高い方から累積して所定の累積確率に達したところで切断した場合の断面(波線状の網掛け部分)の面積を求める。   Further, the probability density peak is accumulated at a predetermined probability density as shown in the graph 97, for example, the probability density of each item from the higher one and cut when the predetermined cumulative probability is reached (cross-hatched shading). (Part)) area.

そして、この全体面積と断面面積とから式aのようにα%断面比を求める。
α%断面比=断面面積/((max(項目A)―min(項目A))×(max(項目B)―min(項目B))) ・・・式a
Then, the α% cross-sectional ratio is obtained from the overall area and the cross-sectional area as shown in Expression a.
α% section ratio = section area / ((max (item A) −min (item A)) × (max (item B) −min (item B))) Equation a

このα%断面比は、以下の手順のように、各項目をマス目で区切って近似的に求めてもよい。   The α% cross-sectional ratio may be approximately obtained by dividing each item by a square as in the following procedure.

(手順1)xの最小値から、xの最大値までの範囲をxの取り得る区間とみなし、この区
間をn等分する。同様にyの取りうる区間を定めてn等分し、各項目の値の取りうる領域を
n×nのマス目に分割する。なお、各マス目の面積はすべて等しいものとする。
(Procedure 1) A range from the minimum value of x to the maximum value of x is regarded as a section that x can take, and this section is divided into n equal parts. Similarly, a section that can be taken by y is determined and divided into n equal parts, and a region that can take a value of each item is divided into n × n squares. Note that the area of each square is the same.

(手順2)x−y面における各マス目の代表座標(例えば中心座標)を定め、その代表座標の確率密度を計算する。   (Procedure 2) The representative coordinates (for example, center coordinates) of each square in the xy plane are determined, and the probability density of the representative coordinates is calculated.

(手順3)手順2で定めたn×nのマス目すべての確率密度をすべて合計し、合計値S
を求める。
(Procedure 3) The probability density of all the n × n cells determined in Procedure 2 is summed up, and the total value S
Ask for.

(手順4)手順3で求めたn×nのマス目すべての確率密度を大きい順に並べ、大きい方から順次足し上げ、累積確率を求める。このとき、累積確率を合計値Sで割った値が所定値(例えば99.99%)に最も近くなるマス目を求める。   (Procedure 4) The probability densities of all the n × n squares obtained in Procedure 3 are arranged in descending order, and the cumulative probabilities are obtained sequentially from the larger one. At this time, a cell whose value obtained by dividing the cumulative probability by the total value S is closest to a predetermined value (for example, 99.99%) is obtained.

(手順5)手順4で得られたマス目と同じ高さにあるマス目の数を求める。ここで同じ高さとは、確率密度の取り得る範囲をn等分し、各マスの確率密度のうち、同じ範囲に入るものを同じ高さとする。   (Procedure 5) The number of squares at the same height as the squares obtained in Procedure 4 is obtained. Here, the same height means that the possible range of probability density is equally divided into n, and among the probability density of each cell, those that fall within the same range are the same height.

(手順6)手順5で得られたマス目の数(α%断面面積)を、マス目全体の数(全体面
積)で割った値をα%断面面積比として求める。
(Procedure 6) A value obtained by dividing the number of squares (α% cross-sectional area) obtained in Procedure 5 by the total number of squares (total area) is obtained as an α% cross-sectional area ratio.

図5の学習モデルを生成する処理において、本例の異常検知装置3は、ステップS110の相関関数を求める処理に代えて、各組み合わせのα%断面比を求め、ステップS120にてα%断面比の小さい組み合わせを選択する。   In the process of generating the learning model in FIG. 5, the abnormality detection device 3 of this example obtains the α% cross section ratio of each combination instead of the process of obtaining the correlation function in step S110, and in step S120, the α% cross section ratio. Choose a small combination of.

このようにα%断面比を用いることで、測定値が線形の相関を有しない項目の組み合わせについても適切に選択することができる。   As described above, by using the α% cross-sectional ratio, it is possible to appropriately select a combination of items whose measured values do not have a linear correlation.

また、所定の確率密度で断面を切るのではなく、ユーザが求める標本精度に応じたα%断面比を設定し、各組み合わせの確率密度について、当該α%断面比となる断面面積を式1から逆算し、この断面面積となる確率密度を閾値として求める。これにより、各項目の組み合わせにおいて、異常を判定する場合の確率密度の閾値を適切に設定できる。即ち、異常の要因となっている項目を精度よく判別できる。   In addition, instead of cutting the cross section at a predetermined probability density, an α% cross section ratio is set according to the sample accuracy required by the user, and the cross sectional area corresponding to the α% cross section ratio is obtained from Equation 1 for the probability density of each combination. Back calculation is performed, and the probability density corresponding to the cross-sectional area is obtained as a threshold value. Thereby, it is possible to appropriately set a threshold value of probability density in the case of determining abnormality in each item combination. That is, it is possible to accurately determine an item causing an abnormality.

なお、図17の例では、二つの項目を組み合わせた二次元のデータについて確率密度を高さ方向にとった3次元の空間を平面で切断してα%断面面積を求めたが、三つ以上の項目を組み合わせた場合、例えば確率密度を含む四次元以上の空間を超平面(hyperplane)で分割して、α%断面面積を求めてもよい。   In the example of FIG. 17, the α% cross-sectional area is obtained by cutting a three-dimensional space having a probability density in the height direction with respect to two-dimensional data in which two items are combined. When the items are combined, for example, a space of four or more dimensions including probability density may be divided by a hyperplane to obtain the α% cross-sectional area.

2 :生産設備
3 :異常検知装置
31:データ取得部
32:モデル生成部
33:スコア算出部
34:検知部
35:表示制御部
2: Production facility 3: Abnormality detection device 31: Data acquisition unit 32: Model generation unit 33: Score calculation unit 34: Detection unit 35: Display control unit

Claims (5)

観測対象における複数の項目について当該項目の状態を示す測定データを取得するデータ取得部と、
所定のタイミングで取得した測定データを一つのデータ群とし、異なるタイミングで取得した複数のデータ群を学習データとし、前記複数の項目のうちN個の組み合わせについて前記学習データに含まれる前記測定データからN次元の確率密度を求め、当該N次元の確率密度を複数の前記組み合わせについて求めて、学習モデルを生成するモデル生成部と、
評価対象とする前記データ群のうち、前記項目のN個の組み合わせに係る前記測定データが得られる確率を前記学習モデルから求め、当該確率に基づいて異常スコアを算出するスコア算出部と、
前記項目の複数の組み合わせに係る前記異常スコアに基づいて前記データ群のスコアを算出し、当該データ群のスコアに基づいて前記観測対象の異常を検知する検知部と、
を備える異常検知装置。
A data acquisition unit for acquiring measurement data indicating the state of the item for a plurality of items in the observation target;
The measurement data acquired at a predetermined timing is used as one data group, a plurality of data groups acquired at different timings is used as learning data, and N combinations among the plurality of items are included in the learning data from the measurement data. A model generation unit for obtaining an N-dimensional probability density, obtaining the N-dimensional probability density for the plurality of combinations, and generating a learning model;
A score calculation unit that calculates a probability that the measurement data related to N combinations of the items is obtained from the learning model in the data group to be evaluated, and calculates an abnormal score based on the probability;
Calculating a score of the data group based on the abnormality score related to a plurality of combinations of the items, and detecting an abnormality of the observation target based on the score of the data group;
An abnormality detection device comprising:
前記項目を示すノードと当該ノードの組み合わせを示すリンクとを表示装置に表示させる際、前記リンクを前記異常スコアに応じた表示形態で生じさせる表示制御部を備える請求項1に記載の異常検知装置。   The abnormality detection device according to claim 1, further comprising: a display control unit configured to cause the link to be generated in a display form according to the abnormality score when the node indicating the item and the link indicating the combination of the node are displayed on the display device. . 前記モデル生成部が、
N個の前記項目の組み合わせのうち、各項目が取り得る測定データの範囲を第一〜第Nの軸にとり、 前記第一〜第Nの項目の測定データから求めたN次元の確率密度について、各項目の確率密度を高い方から累積して所定の累積確率に達したところで確率密度が高い空間と確率密度が低い空間とに超平面で分割し、当該超平面における前記N次元の確率密度の面積をα%断面面積とし、前記超平面において各項目が取り得る範囲の面積を全体面積として求め、
前記全体面積を前記α%断面面積で除してα%断面比を求め、
前記α%断面比が閾値未満の組み合わせを選択し、選択した組み合わせについて前記学習モデルを生成する請求項1又は2に記載の異常検知装置。
The model generation unit
Of the combinations of N items, the range of measurement data that each item can take is taken as the first to Nth axes, and the N-dimensional probability density obtained from the measurement data of the first to Nth items is as follows. When the probability density of each item is accumulated from a higher level and reaches a predetermined cumulative probability, the space is divided into a space having a high probability density and a space having a low probability density, and the N-dimensional probability density of the hyperplane is divided. The area is α% cross-sectional area, and the area of the range that each item can take in the hyperplane is determined as the entire area,
Dividing the total area by the α% cross-sectional area to obtain an α% cross-sectional ratio,
The abnormality detection device according to claim 1 or 2, wherein a combination having the α% cross-sectional ratio of less than a threshold is selected, and the learning model is generated for the selected combination.
観測対象における複数の項目について当該項目の状態を示す測定データを取得するステップと、
所定のタイミングで取得した測定データを一つのデータ群とし、異なるタイミングで取得した複数のデータ群を学習データとし、前記複数の項目のうちN個の組み合わせについて前記学習データに含まれる前記測定データからN次元の確率密度を求め、当該N次元の確率密度を複数の前記組み合わせについて求めて、学習モデルを生成するステップと、
評価対象とする前記データ群のうち、前記項目のN個の組み合わせに係る前記測定データが得られる確率を前記学習モデルから求め、当該確率に基づいて異常スコアを算出するステップと、
前記項目の複数の組み合わせに係る前記異常スコアに基づいて前記データ群のスコアを算出し、当該データ群のスコアに基づいて前記観測対象の異常を検知するステップと、
をコンピュータが実行する異常検知方法。
Obtaining measurement data indicating the state of the item for a plurality of items in the observation target;
The measurement data acquired at a predetermined timing is used as one data group, a plurality of data groups acquired at different timings is used as learning data, and N combinations among the plurality of items are included in the learning data from the measurement data. Determining an N-dimensional probability density, determining the N-dimensional probability density for the plurality of combinations, and generating a learning model;
Obtaining a probability of obtaining the measurement data relating to N combinations of the items in the data group to be evaluated from the learning model, and calculating an abnormality score based on the probability;
Calculating a score of the data group based on the abnormality score relating to a plurality of combinations of the items, and detecting an abnormality of the observation target based on the score of the data group;
An abnormality detection method that the computer executes.
観測対象における複数の項目について当該項目の状態を示す測定データを取得するステップと、
所定のタイミングで取得した測定データを一つのデータ群とし、異なるタイミングで取得した複数のデータ群を学習データとし、前記複数の項目のうちN個の組み合わせについて前記学習データに含まれる前記測定データからN次元の確率密度を求め、当該N次元の確率密度を複数の前記組み合わせについて求めて、学習モデルを生成するステップと、
評価対象とする前記データ群のうち、前記項目のN個の組み合わせに係る前記測定データが得られる確率を前記学習モデルから求め、当該確率に基づいて異常スコアを算出するステップと、
前記項目の複数の組み合わせに係る前記異常スコアに基づいて前記データ群のスコアを算出し、当該データ群のスコアに基づいて前記観測対象の異常を検知するステップと、
をコンピュータに実行させるための異常検知プログラム。
Obtaining measurement data indicating the state of the item for a plurality of items in the observation target;
The measurement data acquired at a predetermined timing is used as one data group, a plurality of data groups acquired at different timings is used as learning data, and N combinations among the plurality of items are included in the learning data from the measurement data. Determining an N-dimensional probability density, determining the N-dimensional probability density for the plurality of combinations, and generating a learning model;
Obtaining a probability of obtaining the measurement data relating to N combinations of the items in the data group to be evaluated from the learning model, and calculating an abnormality score based on the probability;
Calculating a score of the data group based on the abnormality score relating to a plurality of combinations of the items, and detecting an abnormality of the observation target based on the score of the data group;
An abnormality detection program that causes a computer to execute.
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