JP2020038594A - Abnormality detecting apparatus, abnormality detecting method, and program - Google Patents
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Description
本発明は、異常検知装置、異常検知方法およびプログラムに関し、より詳細には、予め収集された計測データを使用して異常検知モデルを構築し、その異常検知モデルに基づいて監視対象の異常を検出する技術に関する。 The present invention relates to an abnormality detection device, an abnormality detection method, and a program. More specifically, an abnormality detection model is constructed using measurement data collected in advance, and an abnormality of a monitoring target is detected based on the abnormality detection model. Related to technology.
従来、監視対象の異常を検出する場合は、電流センサ、振動センサ、画像センサなどから収集するデータに閾値を設定しルールベースの独自モデルを作成し対応していた。または、機械学習(SVM、k−近傍法、k−平均法、LOF法など)を用いて正常値と異常値を学習し、推論モデルにより、異常を検知していた。 Conventionally, when an abnormality of a monitoring target is detected, a threshold is set for data collected from a current sensor, a vibration sensor, an image sensor, and the like, and a rule-based original model is created and handled. Alternatively, a normal value and an abnormal value are learned by using machine learning (SVM, k-nearest neighbor method, k-average method, LOF method, etc.), and an abnormality is detected by an inference model.
例えば、特許文献1には、機械のセンサデータから異常診断を行う診断部と、診断部の診断結果を機械の異常履歴と照らし合わせて誤報・失報を検知する誤報・失報検知部と、誤報・失報数が多い個体と少ない個体で仕様が異なるセンサを分析者に提示するセンサ差異検知部を備えたことを特徴とする異常診断分析装置が記載されている。これにより、異常診断の処理を作成する分析者は、誤報・失報の原因となるセンサの仕様の差異を見ることができるとされている。 For example, Patent Literature 1 discloses a diagnostic unit that performs abnormality diagnosis from sensor data of a machine, a false report / unreport detection unit that detects a false report / unreport by comparing a diagnosis result of the diagnostic unit with a history of abnormality of the machine, There is described an abnormality diagnosis / analysis apparatus including a sensor difference detection unit that presents a sensor having different specifications between an individual having a large number of false reports / unreports and an individual having a small number of false reports to an analyst. Thereby, it is said that an analyst who prepares the process of the abnormality diagnosis can see a difference in the specification of the sensor that causes a false report / unreport.
しかしながら、一般的に産業機器の故障頻度は低く、故障個所や故障原因は無数に存在するため、故障つまり機器に異常が発生した際のデータを直接収集するには莫大なサンプル数と時間を要する。 However, in general, industrial equipment has a low frequency of failure, and there are countless failure points and failure causes, so it takes a huge number of samples and time to directly collect data when a failure occurs, that is, when an abnormality occurs in the equipment. .
さらに、機器には個体差があり、例えば機械学習を用いて異常検知を行う場合、1台の機器を用いて推論モデルを構築しても、機器が異なると適合できず、予知が大きく外れることもしばしば発生するという問題があった。これらの問題は、教師付き機械学習においては、同一条件の前提のもと、同一の異常値のラベルのついた限定的な学習しかできないことに起因する。 Furthermore, there is an individual difference between devices.For example, when anomaly detection is performed using machine learning, even if an inference model is constructed using one device, it cannot be adapted if the devices are different, and prediction greatly deviates. There is also a problem that often occurs. These problems arise from the fact that in supervised machine learning, only limited learning with the same outlier label can be performed under the same condition.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、様々な条件において、同一条件が満足できない状況であっても、同一の推論モデルにより異常を検知することができる技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a technique capable of detecting an abnormality using the same inference model even in a situation where the same condition cannot be satisfied under various conditions. To provide.
上記課題を解決するために本発明に係る異常検知装置は、アルゴリズムに基づいて異常を検知する異常検知モデルを構築し、任意の機器の異常を検知する異常検知装置であって、任意に設定した項目に対するデータを取得するデータ取得部と、データ取得部で取得したデータを読み取り、自己符号化器による学習を行いモデルと重みを構築して保存するモデル構築部と、モデル構築部からモデルと重みを読み取り、データ取得部から新たに収集されたデータを読み取り、損失値を算出する推論部と、推論部で算出された損失値とモデル構築部で算出された基準値との比較を行うことで任意の機器の状態を判定する判定部と、を備える。 In order to solve the above problems, the abnormality detection device according to the present invention is an abnormality detection device that detects an abnormality of an arbitrary device by constructing an abnormality detection model that detects an abnormality based on an algorithm, and is arbitrarily set. A data acquisition unit that acquires data for the item, a model construction unit that reads the data acquired by the data acquisition unit, performs learning by a self-encoder, and constructs and stores models and weights, and a model and weights from the model construction unit By reading the newly collected data from the data acquisition unit and calculating the loss value, and comparing the loss value calculated by the inference unit with the reference value calculated by the model construction unit. A determination unit that determines a state of an arbitrary device.
また、本発明に係る異常検知方法は、アルゴリズムに基づいて異常を検知する異常検知モデルを構築し、任意の機器の異常を検知する異常検知方法であって、 任意に設定した項目に対するデータを取得するデータ取得ステップと、取得したデータを読み取り、自己符号化器による学習を行いモデルと重みを構築して保存するモデル構築ステップと、構築されたモデルと重みを読み取り、新たに収集されたデータを読み取って、損失値を算出する算出ステップと、 算出された損失値と算出された基準値との比較を行うことで任意の機器の状態を判定する判定ステップと、を含む。 Also, the abnormality detection method according to the present invention is an abnormality detection method for detecting an abnormality of an arbitrary device by constructing an abnormality detection model for detecting an abnormality based on an algorithm, and acquiring data for an arbitrarily set item. A data acquisition step for reading, reading the acquired data, performing a learning by a self-encoder, constructing and storing a model and a weight, and reading a constructed model and a weight, and re-reading the newly collected data. It includes a calculating step of reading and calculating a loss value, and a determining step of comparing the calculated loss value with the calculated reference value to determine the state of any device.
また、本発明に係るプログラムは、コンピュータを、上記異常検知装置として機能させるためのプログラムである。 A program according to the present invention is a program for causing a computer to function as the abnormality detection device.
本発明に係る異常検知装置によれば、任意の機器の個体差、日常の変動、故障箇所・故障原因およびモーションの違いなどの様々な条件において、同一条件が満足できない状況であっても、同一の推論モデルにより異常を検知することができる。なお、ここに記載された効果は、必ずしも限定されるものではなく、本技術中に記載されたいずれかの効果であってもよい。 According to the abnormality detection device of the present invention, under various conditions such as individual differences of arbitrary devices, daily fluctuations, failure locations / failure causes, and differences in motion, the same condition can not be satisfied even in a situation where the same condition cannot be satisfied. An abnormality can be detected by the inference model. Note that the effects described here are not necessarily limited, and may be any of the effects described in the present technology.
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment described below is an example of a typical embodiment of the present invention, and the scope of the present invention is not construed as being narrow.
まず、本発明の一実施形態に係る異常検知装置100について説明する。図1は、本実施形態に係る異常検知装置100の構成を示すブロック図である。また、図1は、各ブロック内の構成を簡単化して例示している。なお、図1においては、本発明に関するブロックのみを図示しており、その他の必要な各構成については省略している。
First, an
図1に示すように、異常検知装置100は、一つまたは複数のコンピュータ内において、入力されるデータを取得し、その取得したデータを保存するデータ取得部101と、アルゴリズムに基づいて異常を検知する異常検知モデルを構築するモデル構築部102と、取得したデータに基づいて必要な値を算出する推論部103と、複数の値を比較し任意の機器の状態を判定する判定部104と、必要な情報を表示画面に表示する表示部105と、を備えている。
As shown in FIG. 1, an
データ取得部101は、ロボット等の任意の機器106から任意に設定した項目に対する時系列データ等のデータを取得する制御部111と、制御部111で取得したデータ(収集データ)を保存する記録媒体112と、を有する。
The
モデル構築部102は、データ取得部101に保存されたデータを読み取り、自己符号化器(オートエンコーダ)による機械学習を行ってモデルと重みを構築する学習部113と、学習済みのモデルと重みを保存する記録媒体114と、を有する。ここで、自己符号化器とは、機械学習において、ニューラルネットワークを用いた次元圧縮のためのアルゴリズムのことをいう。
The
また、学習部113は、符号化の圧縮率の高低を設定し、構築したモデルにより正常状態の基準値(閾値)とその分散を算出することもできる。基準値およびその分散の算出方法は、正常状態のデータを学習部113で機械学習を終了させたときの最終の損失値および分散を、基準値およびその分散とする。学習部113は、一例として、任意に設定した項目のデータに対して、前処理として、モデルの複雑さを低減し過学習を回避する過学習回避部と、データ項目間の尺度を揃えて調整する尺度調整部と、を有している。なお、過学習回避部は、主成分分析による項目数の削減を行い、尺度調整部は、正規化もしくは標準化によるデータのスケーリングを行う。
The
推論部103は、モデル構築部102の記録媒体114から学習済みのモデルと重みを読み取り、データ取得部101の記録媒体112から新たに収集された未知のデータを読み取って、損失値を算出する。
The
判定部104は、推論部103で算出された損失値とモデル構築部102の学習部113で算出された基準値との比較を行うことで、任意の機器106が正常状態なのか異常状態なのかを判定する。
The
次に、図2を用いて、異常検知装置100を用いた異常検知方法の例について説明する。図2は、本実施形態に係る異常検知方法を示すフローチャートである。本実施形態では、一例として、任意の機器106であるロボットの異常検知の処理について説明する。このフローチャートは推論部(103)、判定部(104)、および表示部(105)を実行することにより開始する。
Next, an example of an abnormality detection method using the
図2に示すように、まずS201においてデータ取得部101は、制御部111を通して正常状態の任意の機器106であるロボットから任意の項目に対する時系列データを収集し、記憶媒体112へ保存する。
As shown in FIG. 2, first, in S201, the
次に、S202においてモデル構築部102は、データ取得部101で収集されたデータをデータ取得部101の記憶媒体112から読み込み、自己符号化器による機械学習を行う。そして、モデル構築部102は、学習済のモデルと重みを記憶媒体114へ保存する。
Next, in S202, the
次に、S203において推論部103は、保存されている学習済のモデルと重みをモデル構築部102の記憶媒体114から読み込む。
Next, in S203, the
次に、S204において推論部103は、制御部111を通して、正常か異常かが未知の状態の任意の機器106からS201で収集した時系列データと同じ項目に対する時系列データを収集する。そして、推論部103は、収集した時系列データから損失値を計算する。
Next, in S204, the
次に、S205において判定部104は、推論部103で算出された損失値とモデル構築部102に保存された学習済みのモデルにより算出される正常状態の基準値(閾値)との比較を行う。具体的には、判定部104は、損失値が基準値以上か否かを判定する。
Next, in S205, the
損失値が基準値未満の場合(判定結果がNoの場合)、S206に進み、判定部104は、任意の機器106であるロボットが正常状態であると判定する。
When the loss value is less than the reference value (when the determination result is No), the process proceeds to S206, and the
損失値が基準値以上の場合(判定結果がYesの場合)、S207に進み、判定部104は、任意の機器106であるロボットが異常状態であると判定する。図2のフローチャートは、推論部(103)、判定部(104)、および表示部(105)を強制終了することにより終了する。
When the loss value is equal to or larger than the reference value (when the determination result is Yes), the process proceeds to S207, and the determining
以上の通り、本実施形態の異常検知装置100および異常検知方法によれば、ロボットの個体差、日常の変動、故障箇所・故障原因およびモーションの違いなどの様々な条件において、同一条件が満足できない状況であっても、同一の推論モデルにより異常を検知することができる。
As described above, according to the
また、本実施形態の異常検知装置100および異常検知方法によれば、数値や時系列データを用いた自己符号化器の損失値が、正常状態と異常状態で別々のクラスターを形成することがわかった。これにより正常状態のクラスターと異なる「外れ値」を検出することで、任意の機器106の異常を検知することができる。なお、異常検知装置100の構成は、諸条件の違いを吸収する効果があり、実用レベルで適用できることが期待できる。
Further, according to the
<実施例>
次に、図3を用いて、異常検知装置100を用いた自己符号化器による異常検知の一実施例について説明する。図3は、本実施例に係る自己符号化器による異常検知を説明するグラフである。本実施例では、一例として、任意の機器106である6軸多関節ロボットの機械学習による2軸および3軸のベルト緩みの異常検知処理の結果について説明する。
<Example>
Next, an embodiment of abnormality detection by the self-encoder using the
本実施例では、6軸多関節ロボットの2軸および3軸のベルトが緩んだ2台のロボットを運転し、電流・速度等のデータ解析から故障予兆モデルの構築を行った。この際、ベルトの緩みが大きいほど異常値の程度は大きく、ベルトの緩みが小さいほど異常値の程度は低くなる。 In the present embodiment, two robots of the six-axis articulated robot with the two-axis and three-axis belts loosened were driven, and a failure sign model was constructed from data analysis of current, speed, and the like. At this time, the degree of the abnormal value increases as the belt slackness increases, and the degree of the abnormal value decreases as the belt slackness decreases.
図3に示すように、横軸は1から圧縮率を引いた値を表し(1−圧縮率)、縦軸は損失値を表している。ここで、グラフ下方の点線で囲まれた領域301は、正常値の領域を表している。また、グラフ上方の点線で囲まれた領域302は、異常値の領域を表している。図3のグラフは、ベルトの緩み具合を表しており、グラフ中の〇はベルトの緩みの基準値、△は緩みが小さいこと、×は緩みが大きいこと、を表している。
As shown in FIG. 3, the horizontal axis represents a value obtained by subtracting the compression ratio from 1 (1-compression ratio), and the vertical axis represents a loss value. Here, a
そして、図3の領域301に示すように、ベルトの緩みの基準値〇は、全て正常値として検知することができた。また、図3の領域302に示すように、ベルトの緩みが小さい△の場合と大きい×の場合については、全て異常値として検知することができた。
Then, as shown in the
ここで、図3に示すように、横軸の値が同じで上下に並んだ2つの基準値〇同士、2つの緩みが小さい△同士、および、2つの緩みが大きい×同士、のそれぞれの間隔は、ロボットの個体差による分散の大きさを表し、それらの間隔が大きい場合は分散が大きく、それらの間隔が小さい場合は分散が小さい。そして、図3の領域301に示すように、符号化の圧縮率が高く(図3では1−圧縮率の値が0.5付近)なると基準値〇間の分散が大きくなり、圧縮率が低く(図3では1−圧縮率の値が0.9付近)なると基準値〇間の分散が小さくなっている。
Here, as shown in FIG. 3, the respective intervals between two reference values 〇 which are the same on the horizontal axis and are arranged vertically, two が which have small looseness △, and × which have two large looseness 同 士Represents the magnitude of the variance due to individual differences between the robots. The variance is large when the interval is large, and small when the interval is small. Then, as shown in an
以上より、圧縮率を低く設定することにより基準値間の分散が小さくなるので、個体差が小さくなり基準値を所定の値に収束させることができる。したがって、圧縮率を低く設定すれば、ロボットの個体差にかかわらず、損失値と所定の値の基準値とを比較して異常を検知できるので、異常検知の精度を向上させることができる。 As described above, since the variance between the reference values is reduced by setting the compression ratio to be low, individual differences are reduced, and the reference values can be converged to a predetermined value. Therefore, if the compression ratio is set low, the loss value can be compared with a predetermined reference value to detect an abnormality regardless of the individual difference of the robot, so that the accuracy of the abnormality detection can be improved.
本実施例では、ベルトの緩みのみからモデルを作成しているが、この作成したモデルで、他の種類 (軸受など) の異常値も検知することができる。また、正常値の収集データを増やすことで、モデルの精度を上げることができる。 In the present embodiment, the model is created only from the looseness of the belt, but the created model can also detect abnormal values of other types (such as bearings). In addition, the accuracy of the model can be improved by increasing the collected data of the normal values.
本発明は、任意の機器の異常を検知する異常検知装置に関するものであり、産業上の利用可能性を有するものである。 The present invention relates to an abnormality detection device that detects an abnormality of an arbitrary device, and has industrial applicability.
100 異常検知装置
101 データ取得部
102 モデル構築部
103 推論部
104 判定部
105 表示部
106 任意の機器
111 制御部
112、114 記録媒体
113 学習部
301、302 領域
REFERENCE SIGNS
Claims (7)
任意に設定した項目に対するデータを取得するデータ取得部と、
前記データ取得部で取得したデータを読み取り、自己符号化器による学習を行いモデルと重みを構築して保存するモデル構築部と、
前記モデル構築部からモデルと重みを読み取り、前記データ取得部から新たに収集されたデータを読み取り、損失値を算出する推論部と、
前記推論部で算出された損失値と前記モデル構築部で算出された基準値との比較を行うことで任意の機器の状態を判定する判定部と、
を備える異常検知装置。 An abnormality detection device that detects an abnormality of an arbitrary device by constructing an abnormality detection model that detects an abnormality based on an algorithm,
A data acquisition unit for acquiring data for an arbitrarily set item;
A model construction unit that reads data acquired by the data acquisition unit, performs learning by a self-encoder, constructs a model and weights, and saves the model.
An inference unit that reads a model and a weight from the model construction unit, reads newly collected data from the data acquisition unit, and calculates a loss value.
A determination unit that determines the state of any device by comparing the loss value calculated by the inference unit and the reference value calculated by the model construction unit,
An abnormality detection device comprising:
前記学習部は、符号化の圧縮率の高低を設定し、構築したモデルにより正常状態の基準値とその分散を算出する請求項1に記載の異常検知装置。 The model construction unit has a learning unit that reads data acquired by the data acquisition unit, and performs machine learning by the self-encoder to construct a model and weights.
The abnormality detection device according to claim 1, wherein the learning unit sets a level of a compression ratio of the encoding, and calculates a reference value in a normal state and a variance thereof based on the constructed model.
前記過学習回避部は、主成分分析による項目数の削減を行い、前記尺度調整部は、正規化もしくは標準化によるデータのスケーリングを行う、請求項1または2に記載の異常検知装置。 The learning unit performs pre-processing on the data of the arbitrarily set items, as an over-learning avoiding unit for reducing the complexity of the model and avoiding over-learning, and adjusts the scale between the data items to be the same. A scale adjustment unit,
The abnormality detection device according to claim 1, wherein the overlearning avoiding unit reduces the number of items by principal component analysis, and the scale adjusting unit performs scaling of data by normalization or standardization.
任意に設定した項目に対するデータを取得するデータ取得ステップと、
取得したデータを読み取り、自己符号化器による学習を行いモデルと重みを構築して保存するモデル構築ステップと、
構築されたモデルと重みを読み取り、新たに収集されたデータを読み取って、損失値を算出する算出ステップと、
算出された損失値と算出された基準値との比較を行うことで任意の機器の状態を判定する判定ステップと、
を含む異常検知方法。 An abnormality detection method for detecting an abnormality of an arbitrary device by constructing an abnormality detection model for detecting an abnormality based on an algorithm,
A data acquisition step for acquiring data for an arbitrarily set item;
A model construction step of reading the acquired data, performing learning by a self-encoder, constructing and storing a model and weights,
Reading the constructed model and weights, reading the newly collected data, and calculating a loss value;
A determination step of determining the state of any device by comparing the calculated loss value with the calculated reference value,
Abnormality detection method including.
前記学習ステップは、符号化の圧縮率の高低を設定し、構築したモデルにより正常状態の基準値とその分散を算出する算出ステップを含む請求項4に記載の異常検知方法。 The model building step includes a learning step of reading the obtained data, performing machine learning by the self-encoder to build a model and weights,
5. The abnormality detection method according to claim 4, wherein the learning step includes a calculation step of setting a level of an encoding compression ratio and calculating a reference value in a normal state and a variance thereof based on a constructed model.
前記過学習回避ステップは、主成分分析による項目数の削減を行い、前記尺度調整ステップは、正規化もしくは標準化によるデータのスケーリングを行う、請求項4または5に記載の異常検知方法。 The learning step includes, as pre-processing, data of arbitrarily set items, an over-learning avoiding step for reducing the complexity of the model and avoiding over-learning, and adjusting a scale between data items. A scaling step;
The abnormality detection method according to claim 4, wherein the overlearning avoiding step reduces the number of items by principal component analysis, and the scale adjusting step performs data scaling by normalization or standardization.
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