JP2023030903A - 環境監視システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】環境監視システム101は、送信された第1の伝送データSTLと、第2の伝送データSTWと、をネットワーク30を介して受信する第2のネットワークインタフェース42と、送信された前記1の伝送データSTLと、前記第2の伝送データSTWと、に基づいて監視対象物10を監視する環境監視部44と、を備え、前記第1の伝送データSTLのデータ量を前記第1の計測データSLのデータ量で除算した結果である第1の伝送頻度RTLと、前記第2の伝送データSTWのデータ量を前記第2の計測データSWのデータ量で除算した結果である第2の伝送頻度RTWと、を異なる値にした。
【選択図】図1
Description
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、ネットワーク負荷を抑制しつつ異常原因を容易に調査できる環境監視システムを提供することを目的とする。
まず、音声データには、音圧波形と音圧レベル波形の2種類が考えられるが、特許文献1では何れの波形データを利用するのか、特に記載されていない。音圧レベル波形に比べ、音圧波形はデータ容量が大きいため、逐次、音圧波形データを送信するとネットワークに多大な負荷がかかるという課題がある。一方、音圧レベル波形はデータ容量が小さいものの、音声として再生できないことから、異常原因が特定できないという課題もあった。そこで、後述する実施形態では、環境データを常時収集し、遠隔で環境監視する場合に、ネットワーク負荷を抑えつつ、環境データの原データを参照可能にすることにより、環境データを適切に取得しようとするものである。
〈第1実施形態の構成〉
図1は、第1実施形態による環境監視システム101のブロック図である。
図1において、環境監視システム101は、監視対象設備10(監視対象物)と、サーバ機40と、ユーザ端末50と、を備えている。監視対象設備10とサーバ機40とは、例えばインターネット等のネットワーク30を介して接続されている。
また、レベル波形SLは、音圧波形SWの所定のレベル算出周期(例えば1秒)内における平均レベルであり、例えば下式(1)によって求めることができる。
図2において、コンピュータ900は、CPU901と、RAM902と、ROM903と、HDD904と、通信インタフェース905と、入出力インタフェース906と、メディアインタフェース907と、を備えている。通信インタフェース905は、通信装置915に接続される。入出力インタフェース906は、入出力装置916に接続される。メディアインタフェース907は、記録媒体917からデータを読み書きする。さらに、CPU901は、RAM902に読み込んだアプリケーションプログラムを実行することにより、上述のサーバ機40およびユーザ端末50等が具現化される。
図中のレベル波形周期TLは、レベル波形SLの記録、伝送等の単位となる周期であり、例えば1分程度の長さに設定される。また、音圧波形周期TWは、音圧波形SWに関する処理の単位となる周期であり、例えば10分程度の長さに設定される。レベル波形周期TLおよび音圧波形周期TWは上述の長さに限定されるものではないが、音圧波形周期TWはレベル波形周期TLの整数倍にすることが好ましい。
(通常状態の動作)
次に、本実施形態の動作を説明する。
環境監視部44が監視対象設備10の異常を検知していない状態を「通常状態」と呼ぶ。なお、通常状態においても、異常予兆は検出される場合がある。最初にこの通常状態の動作を説明する。
騒音計20に設けられた騒音センサ21が周囲の騒音を計測し騒音信号を収集すると、増幅部22は該騒音信号を増幅する。A/D変換部23は、増幅された該騒音信号を、デジタル信号に変換する。音圧レベル演算部24は、該デジタル信号に基づいて、レベル波形SLと、音圧波形SWとを生成する。
環境監視部44が監視対象設備10の異常を検知した状態を「異常検知状態」と呼ぶ。
環境監視部44が監視対象設備10における異常を検知すると、環境監視部44は、ユーザ端末50に対して所定の異常通知メッセージを出力する。この異常通知メッセージには、検知した異常内容と、異常検知日時とが含まれる。異常検知日時は、一般的には、ある程度の連続した時間範囲になることが多い。ユーザ端末50の情報表示部54は、異常通知メッセージを受信すると、該メッセージに含まれる異常内容と、異常検知日時とを表示する。これにより、ユーザは、検知された異常内容と異常検知日時とを把握することができる。
図4は、第2実施形態による環境監視システム102のブロック図である。なお、以下の説明において、上述した第1実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図4において、環境監視システム102は、監視対象設備70と、サーバ機40と、ユーザ端末50と、を備えている。サーバ機40およびユーザ端末50の構成は第1実施形態のもの(図1参照)と同様である。監視対象設備70は、ネットワークインタフェース12と、共通データロガー13と、前処理部14と、環境センサ群60と、を備えている。
〈第3実施形態の構成〉
図5は、第3実施形態による環境監視システム103のブロック図である。
図5において、環境監視システム103は、監視対象設備310と、サーバ機340と、ユーザ端末50と、を備えている。監視対象設備310とサーバ機340とは、ネットワーク30を介して接続されている。サーバ機340およびユーザ端末50のハードウエア構成は、第1実施形態のサーバ機40およびユーザ端末50のものと同様である。
図6において、監視対象設備310は、診断対象物7と、カメラ2と、マイクロホンアレイ3と、変換部11と、ネットワークインタフェース12と、共通データロガー13と、データ記憶部18と、を備えている。診断対象物7は、動作時に所定量の音を発生する機器であり、例えば、モータ、コンプレッサ、発電機などである。
図7において、サーバ機340は、音響信号処理部120と、記憶部130と、ネットワークインタフェース42と、を備えている。音響信号処理部120は、映像信号SVと、レベル波形SLと、パワースペクトルSPと、をネットワーク30およびネットワークインタフェース42を介して受信する。また、音響信号処理部120は、必要に応じて、ネットワークインタフェース42、ネットワーク30を介して、診断対象物7(図6参照)に対して制御信号SCを送信する。
正常性学習DB131は、正常品に係る単位空間を形成する逆行列データを格納している。正常性学習DB131は、音響信号処理部120が、異常の有無を判定するために参照する。
測定結果DB132は、音圧マップを格納している。測定結果DB132は、音響信号処理部120が測定した音圧マップを保存するために用いられる。
図8は、第3実施形態における正常データ学習処理のフローチャートである。
サーバ機340が起動され、正常データ学習指示が入力されたならば、音響信号処理部120は、正常データ学習処理を開始する。この正常データ学習処理は、例えば参考文献1(田村希志臣、「よくわかるMTシステム-品質工学によるパターン認識の新技術」、日本規格協会、2009年8月)の42~45頁において、詳細に記載されている。
次に、ステップS12において、音圧マップ作成部121は、レベル波形SLに基づく音圧マップと、パワースペクトルSPに基づく音圧マップと、を作成する。
次に、ステップS14において、音圧マップ表示部124は、音圧マップが付加されたカメラ画像を、ユーザ端末50の情報表示部54に表示する。
次に、ステップS15において、音圧マップ作成部121は、レベル波形SLおよびパワースペクトルSPに基づく音圧マップを測定結果DB132に記録する。
ステップS17において、音圧マップ作成部121は、ステップS10~S16で測定して測定結果DB132に格納された音圧マップに基づき、正常データを学習する。より具体的には、音圧マップ作成部121は、取得した音圧マップを用いて、正常品に係わるデータの特徴量を抽出して、単位空間を形成する。ここで、「正常品」とは、診断対象物7のうち、予め定められた仕様を満たすものである。また、「単位空間」に関しては、後述する。
ステップS18において、音圧マップ作成部121は、正常品の特徴量を正常性学習DB131に記憶する。ステップS18の処理が終了すると、音響信号処理部120は、図8に示す正常データ学習処理を終了する。
音圧マップ作成部121が、図8の正常データ学習処理において、ステップS17の処理を開始したならば、正常品の特徴量を抽出して単位空間を形成する処理を開始する。この図9の処理は、上述した参考文献1の42~45頁に詳細に記載されている。
ステップS20において、音圧マップ作成部121は、測定結果DB132の音圧マップから、j番目の評価項目に対する、i番目のサンプルデータxijを取得する。
ステップS21において、音圧マップ作成部121は、j番目の評価項目の平均値mjおよび標準偏差σjを求める。音圧マップ作成部121は、下式(2)を計算して、サンプルデータxijをサンプルデータXijに規準化する。
ステップS23において、音圧マップ作成部121は、計算した相関行列Rの逆行列R-1を計算する。
ステップS24において、音圧マップ作成部121は、計算した逆行列R-1を、正常性学習DB131に記憶する。ステップS24の処理は、図8のステップS18の処理に対応する。
ステップS24の処理が終了すると、音圧マップ作成部121は、図9の処理を終了する。
サーバ機340が診断対象物7の異常を検出した場合に、サーバ機340は、異常診断処理を開始する。このとき、診断対象物7は、正常品と同一の位置に設置されている。これにより、マイクロホンアレイ3は、正常品に係る音圧マップと診断対象物7に係る音圧マップとを比較することができる。
ステップS30~S32の処理は、音圧マップ作成部121によって行われる。
ステップS30において、音圧マップ作成部121は、マイクロホンアレイ3によって、診断対象物7の音を測定し、測定したアナログの音圧信号を変換部11により、デジタルの音圧波形SW、レベル波形SLおよびパワースペクトルSPに変換する。
ステップS32において、音圧マップ作成部121は、測定した音圧信号を用いて、各計算点におけるパワースペクトルを算出する。ステップS32の処理が終了すると、音圧マップ作成部121は、ステップS30の処理に戻り、以降、ステップS30~S32の処理を繰り返す。
ステップS40において、異常領域判定部122は、音圧マップ作成部121が算出した音圧レベルおよびパワースペクトルに基づいて、音圧信号の単位空間における距離を計算する音の異常性解析を行う。なお、単位空間における距離とは、マハラノビスの距離MD(Mahalanobis Distance)であり、例えば、図2に示す正常データ学習処理で取得された正常データにおける項目間の相関行列Rの逆行列R-1と、音圧レベルおよびパワースペクトルから計算される。具体的には、異常領域判定部122は、算出された音圧レベルおよびパワースペクトルから、次の式(3)で示される行ベクトルYを取得する。行ベクトルYは、式(2)で規準化された評価項目データを表している。
ステップS43において、異常領域判定部122は、ユーザ端末50の音声再生部56によって、診断対象物7が異常性を有する旨のアラーム(警告音)を出力し、ステップS44の処理を行う。
ステップS50において、音圧マップ表示部124は、音圧マップ作成部121から音圧マップを取得し、異常項目診断部123から異常性の度合い、および、異常原因項目を取得する。音圧マップ表示部124は、音圧マップ、異常性の度合い、および、異常原因項目をカメラ画像に付加し、付加カメラ画像を生成する。
ステップS51において、音圧マップ表示部124は、情報表示部54に付加カメラ画像を表示する。なお、音圧マップ表示部124は、情報表示部54に音圧マップをそのまま表示してもよい。
異常項目診断部123は、図10の異常診断処理のステップS44の処理により、図11に示す異常項目診断処理を開始する。異常項目診断処理は、参考文献1の61~65頁に、その詳細が記載されている。
ステップS60において、異常項目診断部123は、異常領域判定部122により異常と判断された評価対象の音圧データを取得する。
ステップS61において、異常項目診断部123は、評価項目の2水準直交表の割り付けを行う。2水準直交表の割り付けは、評価項目を単位空間の項目として使用する第1水準の項目と、単位空間の項目として使用しない第2水準の項目に分割することである。なお、2水準直交表の割り付けの組み合わせは、予め定められており、その数は単数であってもよいし、複数であってもよい。
ステップS63において、異常項目診断部123は、当該組み合わせの第1水準および第2水準のそれぞれに関して、サンプルデータの平均と分散とを求めて、サンプルデータの規準化を行い、規準化されたサンプルデータの相関行列を求めることにより、単位空間の計算を行う。
ステップS64において、異常項目診断部123は、異常データの第1水準の各項目および第2水準の各項目に関して、当該単位空間における距離を計算する。
ステップS65において、異常項目診断部123は、2水準直交表の全ての項目組み合わせを繰り返したか否かを判断する。異常項目診断部123は、当該判断条件が成立しなかったならば、ステップS62の処理に戻って次の項目組み合わせの処理を行い、当該判断条件が成立したならば、ステップS66の処理を行う。
ステップS67において、異常項目診断部123は、影響度が最も大きい評価項目を異常原因項目として決定し、図11の処理を終了する。
図12に示すカメラ画像82は、その内部に診断対象物7の画像と、複数の格子1~Nと、を含んでいる。図示のように、カメラ画像82は、N個の格子1~Nを表示し、さらに円柱状の診断対象物7を重畳して表示している。格子1~Nは、このカメラ画像82をN個の矩形領域に分割しており、診断対象物7の異常部位を特定するための各計算点に対応している。
カメラ画像表示画面90は、図10のステップS51において、音圧マップ表示部124によって情報表示部54上に表示されたものである。なお、本実施形態の評価項目は、全ての格子のパワースペクトルが含んでいる、全ての周波数帯における音圧レベルの情報である。
カメラ画像表示画面90は、左側に付加カメラ画像90aを表示し、右側に周波数成分表示グラフ97を表示し、付加カメラ画像90aの近傍に拡大ボタン95と縮小ボタン96とをそれぞれ表示している。
付加カメラ画像90aは、診断対象物7の画像と、複数の格子とを重畳して表示している。付加カメラ画像90aの格子のひとつは、詳細表示領域92である。付加カメラ画像90aはさらに、下端にスクロールバー93を表示し、右端にスクロールバー94を表示している。
縮小ボタン96は、例えば、ユーザがマウスでクリックすることにより、付加カメラ画像90aを縮小して表示するものである。
スクロールバー93は、付加カメラ画像90aを拡大した際、ユーザがマウスでドラッグすることにより、この付加カメラ画像90aを横方向にスクロールするものである。同様にスクロールバー94は、付加カメラ画像90aを拡大した際、ユーザがマウスでドラッグすることにより、付加カメラ画像90aを縦方向にスクロールするものである。
周波数成分表示グラフ97の横軸は、1/3オクターブバンド中心周波数を示している。横軸の単位は、周波数[Hz]である。
周波数成分表示グラフ97の縦軸は、パワースペクトルの大きさを示している。縦軸の単位は、デシベル[dB]である。
正常データの折れ線は、図9に示す正常品の特徴量を抽出して単位空間を形成する処理におけるステップS21において、当該格子の各周波数成分が評価項目iである場合に、算出されたサンプルデータxijの平均値を示している。
診断データの折れ線は、図10に示す異常診断処理において、音圧マップ作成部121が、ステップS32において計算したパワースペクトルを示している。
異常寄与率の棒グラフは、正常データに対する正常データと異常データとの差の割合を示している。これにより、ユーザは、どの周波数領域に異常が発生しているかを容易に把握することができる。
レベル波形情報表示画面220は、時系列波形表示部222と、時系列波形表示部224と、スペクトログラム表示部226と、周波数成分レベル表示部228と、を含んでいる。ここで、時系列波形表示部222は、レベル波形SLの時系列波形を表示する。時系列波形表示部224は、レベル波形SLの各周波数成分の時系列波形を表示する。スペクトログラム表示部226は、レベル波形SLの各周波数成分のスペクトログラムを表示する。また、周波数成分レベル表示部228は、レベル波形SLの各周波数成分のレベルを表示する。
レベル波形情報表示画面230は、レベル波形SLの時系列波形を表示する時系列波形表示部232と、レベル波形SLの各周波数成分のスペクトログラムを表示するスペクトログラム表示部236と、を含んでいる。
グラフ表示設定画面240は、設定部242と、波形表示部244と、統計演算結果表示部246と、を含んでいる。設定部242は、表示すべきデータ種別、時間区間、時間の粒度、書式、表示レンジ等を設定する。波形表示部244は、設定部242で選択されたデータ種別の波形を表示する。図示の例において、波形表示部244には、時間範囲を示す矩形枠である時間範囲カーソル244a,244bが示されている。時間範囲カーソル244a,244bの有無、およびこれらの範囲は、ユーザの操作によって指定される。統計演算結果表示部246は、時間範囲カーソル244a,244bで選択された時間範囲内のデータに対して、各種統計演算を行った結果を表示する。
異常度表示画面250には、レベル波形SLの時系列波形252と、時系列波形252の異常度を示す異常度波形254と、が表示される。ここで、時系列波形252の異常度は、レベル波形SLの各周波数成分に基づいて計算されたものである。
異常度表示画面260には、図17の時系列波形252および異常度波形254と同様の時系列波形262および異常度波形264を含んでいる。さらに、異常度表示画面260には、図示の例において、時系列波形262および異常度波形264に重ねて、矩形枠である時間範囲カーソル266a,266bが示されている。時間範囲カーソル266a,266bの有無、およびこれらの範囲は、ユーザの操作によって指定される。時間範囲カーソル266a,266bは、例えば「診断対象物7(または監視対象設備10,70)以外の音声が混入した」とユーザが判断した範囲に設定するとよい。環境監視部44は、該時間範囲カーソル266a,266bの範囲を評価範囲から除外して、異常検知および異常予兆診断を行う。
転送条件設定画面270は、転送条件、すなわち音圧波形SW等をサーバ機40,340に転送すべき条件を設定する画面である。
設定可能な、転送条件は、例えば、異常度が所定の異常度閾値以上になったか否か、レベル波形SLの絶対値が所定のレベル波形閾値以上になったか否か、等である。また、これらの閾値は、一部の周波数帯のパワースペクトルSPを合成した音圧レベルに対して定めることも可能である。また、上述した条件において、異常度等が上述の閾値以上で継続した時間が所定時間以上であること等も、転送条件に含めることもできる。
機械学習設定画面280には、波形表示部282と、周波数成分選択部284と、矩形枠である時間範囲カーソル286a,286bと、が含まれている。波形表示部282は、レベル波形SLや、パワースペクトルSPの周波数成分毎のレベルの推移等、各種波形を表示する。周波数成分選択部284は、ユーザの操作によって一または複数の周波数成分を指定するものであり、指定された周波数成分が、正常データとして学習させる対象となる。また、時間範囲カーソル286a,286bはユーザの操作によって指定され、波形表示部282に表示された波形のうち、正常データとして学習させる期間を指定するものである。
(第1,第2実施形態の効果)
以上のように第1,第2実施形態の環境監視システム101,102は、監視対象物(10,70)の物理量を計測して第1の計測データ(SL)と、第2の計測データ(SW)と、を出力する第1の計測部(20)と、第1の計測データ(SL)と、第2の計測データ(SW)とを記憶する記憶部と、第1の計測データ(SL)の全部または一部であって伝送対象となる第1の伝送データ(STL)と、第2の計測データ(SW)の全部または一部であって伝送対象となる第2の伝送データ(STW)と、をネットワーク30を介して送信する第1のネットワークインタフェース(12)と、送信された第1の伝送データ(STL)と、第2の伝送データ(STW)と、をネットワーク30を介して受信する第2のネットワークインタフェース(42)と、送信された第1の伝送データ(STL)と、第2の伝送データ(STW)と、に基づいて監視対象物(10,70)を監視する環境監視部44と、を備え、第1の伝送データ(STL)のデータ量を第1の計測データ(SL)のデータ量で除算した結果である第1の伝送頻度(RTL)と、第2の伝送データ(STW)のデータ量を第2の計測データ(SW)のデータ量で除算した結果である第2の伝送頻度(RTW)と、が異なる値であることを特徴とする。このように、第1の伝送頻度(RTL)と、第2の伝送頻度(RTW)と、を異なる値にすることにより、ネットワーク負荷を抑制しつつ異常原因を容易に調査できる。
また、上述した第3実施形態では、第1,第2実施形態に加えて、次の(A)~(G)のような効果がある。
(A) サーバ機340は、診断対象物7の異常の有無を判定し、判定した異常を、カメラ画像が示す診断対象物7の位置、および、当該位置における音圧と対応させて、情報表示部54などに表示している。これにより、サーバ機340は、任意の形状の診断対象物7において、異常部位を音によって特定して表示することができる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、
必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、
ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、
もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを
示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。
実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
12 ネットワークインタフェース(第1のネットワークインタフェース)
13 共通データロガー
14 前処理部
15 臭気計(第2の計測部)
16 温湿度計(第2の計測部)
17 風向風速計(第2の計測部)
20 騒音計(第1の計測部)
30 ネットワーク
42 ネットワークインタフェース(第2のネットワークインタフェース)
44 環境監視部
101,102 環境監視システム
SL レベル波形(第1の計測データ)
SW 音圧波形(第2の計測データ)
RTL 伝送頻度(第1の伝送頻度)
RTW 伝送頻度(第2の伝送頻度)
STL 伝送レベル波形(第1の伝送データ)
STW 伝送音圧波形(第2の伝送データ)
Claims (7)
- 監視対象物の物理量を計測して第1の計測データと、第2の計測データと、を出力する第1の計測部と、
前記第1の計測データと、前記第2の計測データとを記憶する記憶部と、
前記第1の計測データの全部または一部であって伝送対象となる第1の伝送データと、前記第2の計測データの全部または一部であって伝送対象となる第2の伝送データと、をネットワークを介して送信する第1のネットワークインタフェースと、
送信された前記第1の伝送データと、前記第2の伝送データと、を前記ネットワークを介して受信する第2のネットワークインタフェースと、
送信された前記第1の伝送データと、前記第2の伝送データと、に基づいて前記監視対象物を監視する環境監視部と、を備え、
前記第1の伝送データのデータ量を前記第1の計測データのデータ量で除算した結果である第1の伝送頻度と、前記第2の伝送データのデータ量を前記第2の計測データのデータ量で除算した結果である第2の伝送頻度と、が異なる値である
ことを特徴とする環境監視システム。 - 前記第1の計測部は騒音計である
ことを特徴とする請求項1に記載の環境監視システム。 - 前記第2の計測データは音圧波形であり、前記第1の計測データは、前記音圧波形の所定のレベル算出周期内における平均レベルである
ことを特徴とする請求項2に記載の環境監視システム。 - 前記第2の伝送頻度は前記第1の伝送頻度よりも小さい
ことを特徴とする請求項3に記載の環境監視システム。 - 前記監視対象物の、前記第1の計測部とは異なる物理量を計測する第2の計測部と、
前記第1の計測データと、前記第2の計測データと、前記第2の計測部による計測結果と、を受信して前記第1のネットワークインタフェースに供給する前処理部と、をさらに備える
ことを特徴とする請求項4に記載の環境監視システム。 - 前記前処理部と、前記第1のネットワークインタフェースと、の間に設けられ、前記第1の計測データと、前記第2の計測部による計測結果と、を同期させ、時系列で配置する共通データロガーをさらに備える
ことを特徴とする請求項5に記載の環境監視システム。 - 前記第2の計測データの単位時間当たりのデータ量は、前記第1の計測データの単位時間当たりのデータ量の1000倍以上であり、
前記第2の計測データのサンプリングレートは、前記第1の計測データのサンプリングレートの1000倍以上である
ことを特徴とする請求項6に記載の環境監視システム。
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