JP2023091875A

JP2023091875A - 異常検出装置、異常検出方法

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Publication number: JP2023091875A
Application number: JP2021206716A
Authority: JP
Inventors: 研一中里; Kenichi Nakazato; 友洋中村; Tomohiro Nakamura; 忠通坂本; Tadamichi Sakamoto
Original assignee: Bosch Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2023-07-03

Abstract

【課題】監視対象物への加速度センサの正確な取り付け角での設置を必要とせず、かつ、設置後に取り付け角が変化してしまったとしても、正確な異常判定が可能である異常検出装置を提供する。【解決手段】監視対象物（９０）に配置された加速度検出装置（３０）から加速度関係情報を取得する取得部（１２）と、前記加速度関係情報に基づいて、エネルギー強度を算出する演算部（１６）と、前記エネルギー強度に基づいて、前記監視対象物（９０）が異常であるか否かを判定する判定部（１８）と、を有する、異常検出装置（１０）。【選択図】図４

Description

本発明は、監視対象物の異常検出の為の異常検出装置、異常検出方法に関する。

従来、加速度センサを用いて監視対象物に異常が発生しているか否かを検出する異常検出装置が提案されている。特許文献１には、加速度センサを用いてエスカレーターの異常を検出することが記載されている。

特許文献１にはエスカレーターの踏段の裏側に加速度センサを設け、加速度センサの出力に基づいてエスカレーターの異常の有無を判定することが述べられている。

特開２００６－７６７２９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された発明においては、監視対象物である踏段に対する加速度センサの取り付け角度がばらつくことにより、検出される加速度にばらつきが生じ、異常判定が不正確なものとなってしまうおそれがあった。また、長期的に使用した場合に取り付け角度が変化してしまい、これによっても同様に異常判定が不正確なものとなってしまうおそれがあった。また、踏段に対して正確かつ頑丈に加速度センサを取り付けようとした場合、取り付けコストが上昇してしまうという問題があった。

本願発明は監視対象物の異常を検出するための異常検出装置、異常検出方法であって、監視対象物に対して取り付け角度を気にすることなく加速度センサを設置することができ、かつ、設置後に取り付け角度が変化してしまったとしても、正確な異常判定が可能である異常検出装置、異常検出方法を提供することを目的とする。

本願発明のある観点によれば、監視対象物（９０）に配置された加速度検出装置（３０）から加速度関係情報を取得する取得部（１２）と、前記加速度関係情報に基づいて、エネルギー強度を算出する演算部（１６）と、前記エネルギー強度に基づいて、前記監視対象物（９０）が異常であるか否かを判定する判定部（１８）と、を有する、異常検出装置（１０）が提供される。

本願発明によれば監視対象物の異常を検出するための異常検出装置、異常検出方法であって、監視対象物に対して取り付け角度を気にすることなく加速度センサを設置することができ、かつ、設置後に取り付け角度が変化してしまったとしても、正確な異常判定が可能である異常検出装置、異常検出方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る異常検出装置が適用される異常検出システム全体構成の一例を示す図である。本発明の実施形態に係る異常検出装置に加速度関係情報を送る加速度検出装置の機能構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る異常検出装置の機能構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る異常検出装置により実行される処理の一例を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る異常検出装置により実行される判定方法の一例を示す図である。

本願発明を実施するための形態（以下、本実施形態という。）について具体例を示して説明する。ただし、本実施形態は本願発明の一態様を示すものであり、本願発明を限定するものではなく、本願発明の範囲内で任意に変更することが可能である。

＜異常検出システム＞
以下では、本実施形態の異常検出装置１０が適用された異常検出システム１について説明する。具体的に、異常検出システム１は図１に示すように、監視対象物９０に設置された加速度検出装置３０と、加速度検出装置３０と通信可能に設けられた異常検出装置１０とを備える。監視対象物９０と加速度検出装置３０とは複数あってもよい。また、異常検出装置１０から出力可能な表示装置５０や音響装置６０が接続されていてもよい。

例えば監視対象物９０はベルトコンベアであり、加速度検出装置３０はベルトコンベアに取り付けられる。搬送部を支える軸受けが劣化したベルトコンベアが作動した場合、当該軸受け近傍には通常とは異なる異常振動が発生する場合がある。異常検出装置１０はベルトコンベアで発生した異常振動を加速度検出装置３０から受信すると、ベルトコンベアに異常が起きていると判断し、表示装置５０や音響装置６０を介して、オペレーターやメンテナンスの担当者に知らせる。監視対象物はベルトコンベアに限られるものではない。本願発明の異常検出装置が適用される異常検出システムは、クレーンや掘削機等の建設機械や、工場で使われる加工機械や組み立て機械など、劣化した場合に振動が大きくなる機械全般を監視対象物として使用されうる。

＜加速度検出装置＞
図２は本実施形態に係る異常検出装置１０に加速度関係情報を送る加速度検出装置３０の機能構成を示すブロック図である。加速度検出装置３０は、互いに直行する３軸方向の加速度（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ））を検出可能ないわゆる３軸加速度センサ３２と、制御回路３４とを含んでいる。加速度検出装置３０は、監視対象物９０に当接させて設置されており、３軸加速度センサ３２は監視対象物９０で発生する振動加速度を検出できるように構成されている。また、加速度検出装置３０は３軸加速度センサ３２や制御回路３４に給電するバッテリー３６を内蔵していてもよい

制御回路３４は、３軸加速度センサ３２からの加速度（ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ））をそれぞれフーリエ変換するとともに、加速度検出装置３０から加速度関係情報を外部に出力する機能を有する。フーリエ変換は、公知のフーリエ変換であり、加速度信号ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）、ｚ（ｔ）に対するフーリエ変換後のフーリエ成分Ｘ（ｆ）、Ｙ（ｆ）、Ｚ（ｆ）は（１）式で表される。ここで、ｆは周波数、ｔは時間、iは虚数単位である。
（１）

また、制御回路３４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、及びＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶素子等を備えて構成される。

加速度検出装置３０は、１回の出力において加速度関係情報として、７つの周波数（周波数の低い順にｆ１、・・・、ｆ７とする）と当該周波数における各フーリエ成分（Ｘ（ｆ１）、Ｙ（ｆ１）、Ｚ（ｆ１）、・・・、Ｘ（ｆ７）、Ｙ（ｆ７）、Ｚ（ｆ７））を出力する。しかしながら、出力する数はこれに限られるものではなく、７つよりも少なくても良いし、多くても良い。但し、出力する加速度関係情報の数が多いと、その分加速度検出装置３０の消費電力も多くなる。例えば、加速度検出装置３０が内蔵されたバッテリー３６からの電力によって作動している場合には、バッテリーの交換頻度の上昇や、バッテリーの大型化の必要性等が生じ、異常検出システム１全体のコスト上昇や、商品性の悪化を招くおそれがある。

＜異常検出装置＞
異常検出装置１０は、監視対象物９０から離れた場所に設置され、加速度検出装置３０からの加速度関係情報を無線または有線で取得する。異常検出装置１０は、加速度関係情報に基づいて監視対象物９０に異常が発生しているか否かを判定し、異常が発生している場合にはその旨の警告を発する。

異常検出装置１０は、図３に示すように、取得部１２と、保存部１４と、演算部１６と、判定部１８と、警告部２０とを有する。異常検出装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、及びＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶素子等を備えて構成される。本実施形態に係る異常検出装置１０により実行される処理の一例を図４に示すフローチャートで説明する。

ステップＳ１０で、取得部１２は取得回数ｎを保存部１４から取得する。（取得回数ｎの初期値は１）

ステップＳ２０で、取得部１２は加速度検出装置３０から加速度関係情報を取得する。ここで、取得回数ｎにおいて取得される加速度関係情報を、ｘ方向の加速度関係情報として（ｆ１、Ａ１ｎｘ）、（ｆ２、Ａ２ｎｘ）、・・・（ｆ７、Ａ７ｎｘ）、ｙ方向の加速度関係情報として（ｆ１、Ａ１ｎｙ）、（ｆ２、Ａ２ｎｙ）、・・・（ｆ７、Ａ７ｎｘ）、ｚ方向の加速度関係情報として（ｆ１、Ａ１ｎｚ）、（ｆ２、Ａ２ｎｚ）、・・・（ｆ７、Ａ７ｎｚ）とする。たとえば、Ａ２ｎｘは、周波数ｆ＝ｆ２におけるフーリエ成分Ｘ（ｆ２）の値を表す。加速度関係情報は、保存部１４に保存される。

ステップＳ３０で、取得部１２は取得回数ｎに１を加え取得回数ｎを更新し（ｎ＝ｎ＋１）、保存部１４に保存する。

ステップＳ４０で、演算部１６は保存部１４から取得回数ｎにおいて取得された加速度関係情報を取得する。

ステップＳ５０で、演算部１６は取得回数ｎにおいて取得された加速度関係情報から監視対象物で発生した振動による周波数ごとのエネルギー強度を算出する。下記で周波数ごとのエネルギー強度を算出する方法について説明する。

ｘ方向の振動のエネルギースペクトルをＥｘ、ｙ方向の振動のエネルギースペクトルをＥｙ、ｚ方向の振動のエネルギースペクトルをＥｚ、とすると、監視対象物９０で発生した振動のエネルギースペクトルＥは（２）式で表される。
（２）

ここで、Ｓｘ（ｆ）、Ｓｙ（ｆ）、Ｓｚ（ｆ）は周波数ｆにおける各軸方向のエネルギー強度（エネルギー）であり、Ｓｘ（ｆ）＝｜Ｘ（ｆ）｜^２、Ｓｙ（ｆ）＝｜Ｙ（ｆ）｜^２、Ｓｚ（ｆ）＝｜Ｚ（ｆ）｜^２である。

監視対象物９０に対する取り付け角度を変えて加速度検出装置３０に同一の振動を計測させた場合、周波数ｆにおける各方向のエネルギー強度｜Ｘ（ｆ）｜^２、｜Ｙ（ｆ）｜^２および｜Ｚ（ｆ）｜^２の値は変わるが、これらエネルギー強度の和であるエネルギー強度Ｓ（Ｓ＝｜Ｘ（ｆ）｜^２＋｜Ｙ（ｆ）｜^２＋｜Ｚ（ｆ）｜^２）は同じ値となる。したがって、監視対象物９０に対する加速度検出装置３０の取り付け角度のばらつきが生じたとしても同一の振動に対するエネルギー強度Ｓは同じ値として検出される。同様に、設置後に取り付け角度が変化してしまったとしても、同一の振動に対するエネルギー強度Ｓは同じ値として検出される。

ここで、各周波数ｆ（ｆ＝ｆ１、ｆ２・・・、ｆ７）に対するエネルギー強度Ｓ（Ｓ１、Ｓ２、・・・、Ｓ７）は（３）式のように計算される。
（３）
Ｓ１＝｜Ｘ（ｆ１）｜^２＋｜Ｙ（ｆ１）｜^２＋｜Ｚ（ｆ１）｜^２
Ｓ２＝｜Ｘ（ｆ２）｜^２＋｜Ｙ（ｆ２）｜^２＋｜Ｚ（ｆ２）｜^２
・・・
Ｓ７＝｜Ｘ（ｆ７）｜^２＋｜Ｙ（ｆ７）｜^２＋｜Ｚ（ｆ７）｜^２

（３）式を用いると、取得回数ｎにおいて取得された各周波数ｆ（ｆ＝ｆ１、ｆ２・・・、ｆ７）に対するエネルギー強度Ｓ（Ｓ１ｎ、Ｓ２ｎ、・・・、Ｓ７ｎ）は
（４）式のように計算される。
（４）
Ｓ１ｎ＝Ａ１ｎｘ²＋Ａ１ｎｙ²＋Ａ１ｎｚ²、
Ｓ２ｎ＝Ａ２ｎｘ²＋Ａ２ｎｙ²＋Ａ２ｎｚ²、
・・・
Ｓ７ｎ＝Ａ７ｎｘ²＋Ａ７ｎｙ²＋Ａ７ｎｚ²

ステップＳ６０で、演算部１６は、取得回数ｎにおいて取得された加速度関係情報に基づく周波数ごとのエネルギー強度を保存部１４に保存する。例えば、周波数とエネルギー強度の組み合わせとして（ｆ１、Ｓ１ｎ）、（ｆ２、Ｓ２ｎ）、・・・（ｆ７、Ｓ７ｎ）のように保存される。

ステップＳ７０で判定部１８は、取得回数ｎにおいて取得された加速度関係情報に基づく周波数ごとのエネルギー強度について、異常があるか否かを判定する。

異常検出装置１０により実行される判定方法の一つの実施例を示す。図５は横軸に周波数ｆ、縦軸にエネルギー強度Ｓを示すグラフである。また、Ｓｍａｘはエネルギー強度の上限値を示す。図５の例においては、周波数ｆに対してエネルギー強度の上限値Ｓｍａｘは一定である。エネルギー強度の上限値Ｓｍａｘは周波数ｆに依存して変化するように規定されていてもよい。

図５の（ａ）は異常が無い場合の例である。図５の（ａ）の例においては、周波数ごとのエネルギー強度（ｆ１、Ｓ１ｎ）、（ｆ２、Ｓ２ｎ）、・・・（ｆ７、Ｓ７ｎ）が、上限値Ｓｍａｘよりも下側の領域にあり、判定部１８は異常なしと判定し、ステップＳ１０に戻る。

図５の（ｂ）は異常が有る場合の例である。図５の（ｂ）の例においては、周波数ごとのエネルギー強度の一つである（ｆ１、Ｓ１ｎ）が、上限値Ｓｍａｘよりも上側の領域にあり、判定部１８は異常ありと判定し、ステップＳ８０に移動する。尚、異常判定が複数回または所定回数以上観測された場合にはじめてステップＳ８０に移動するように構成されていてもよい。

次に異常検出装置１０により実行される判定方法の別の実施例について述べる。別の実施例において判定部（１８）は、エネルギー強度のデータについて機械学習にてクラスタリング処理がなされた学習済みモデルを有している。この学習済みモデルは周波数ごとのエネルギー強度（ｆ１、Ｓ１ｎ）を入力することによりその発生確率を算出する。判定部（１８）は当該発生確率が閾値より高い場合に異常なしと判定し、ステップＳ１０に戻る。一方、判定部（１８）は当該発生確率が閾値より低い場合に異常ありと判定し、ステップＳ８０に移るように構成されている。

ステップＳ８０において、警告部２０は監視対象物９０に異常が発生しているおそれがあることを表示装置５０や音響装置６０を通して外部に伝える。

本願発明によれば、監視対象物９０に発生した振動のエネルギー強度により異常の有無を判定するので、加速度検出装置３０の監視対象物９０への設置角を考慮する必要が無く取り付けが容易である。また、また途中で設置角度変化が起きたとしても、正確な判定を継続することができる。

１異常検出システム、１０異常検出装置、１２取得部、１４保存部、１６演算部、１８判定部、２０警告部、３０加速度検出装置、３２３軸加速度センサ３４制御回路、３６バッテリー、５０表示装置、６０音響装置、９０監視対象物

Claims

監視対象物（９０）に配置された加速度検出装置（３０）から加速度関係情報を取得する取得部（１２）と、
前記加速度関係情報に基づいて、エネルギー強度を算出する演算部（１６）と、
前記エネルギー強度に基づいて、前記監視対象物（９０）が異常であるか否かを判定する判定部（１８）と、を有する、
異常検出装置（１０）。
前記加速度検出装置（３０）は３軸加速度センサ（３２）を含み、
前記加速度関係情報は、前記３軸加速度センサ（３２）によって３軸方向でそれぞれ検出される加速度に基づいて算出されたフーリエ成分である、
請求項１に記載の異常検出装置（１０）。
前記演算部（１６）は前記フーリエ成分の二乗の和に基づいて前記エネルギー強度を算出する、
請求項２に記載の異常検出装置（１０）。
前記判定部は、前記エネルギー強度を所定の閾値と比較することにより、前記監視対象物（９０）が異常であるか否かを判定する、
請求項１～３のいずれか一項に記載の異常検出装置（１０）。
前記判定部（１８）は、エネルギー強度のデータについて機械学習にてクラスタリング処理がなされた学習済みモデルを有しており、
前記判定部は、前記エネルギー強度を学習済みモデルに入力することにより、前記監視対象物（９０）が異常であるか否かを判定する、
請求項１～３のいずれか一項に記載の異常検出装置（１０）。
前記異常検出装置（１０）は、警告部（２０）をさらに有し、
前記監視対象物（９０）が異常であると判定された場合に、前記警告部（２０）は外部に対して警告を発する、
請求項１～５のいずれか一項に記載の異常検出装置（１０）。
監視対象物（９０）に配置された加速度検出装置（３０）から加速度関係情報を取得するステップと、
前記加速度関係情報に基づいて、エネルギー強度を算出するステップと、
前記エネルギー強度に基づいて、前記監視対象物（９０）が異常であるか否かを判定するステップと、を有する、
異常検出方法。