JP3659723B2 - State change alarm device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はシステムの状態変化警報装置に関し、特に、決定論的非線形系(カオス)理論を応用した状態変化警報装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、異常監視技術は種々の分野で必要とされており、監視対象となる機器等が異常状態、正常状態のいずれにあるかという判断を状況に応じて正確かつ迅速に行うことが求められている。
【0003】
通常、このような判断を行うには、監視対象の状態を温度、湿度、速度等の各種パラメータによって表し、これらのパラメータが所定の回数または所定時間上限値や下限値を超えた状態となった場合に、監視対象が異常状態になったと判断している。また、近年では、AI(人工知能)やFuzzy推論を用いて、経験則や蓄積されたデータに基づいて生成されたアルゴリズムによって異常、正常状態の判定を行っている。
【0004】
このように、上記いずれの技術においても、図3に示されるように、過去のデータから正常状態をモデル近似して領域を異常領域/正常領域に2分することで、監視対象が異常であるか正常であるかの状態判断を行っている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、システムがダイナミックな場合は、上記のような異常領域/正常領域による2分法だけでは正確な判定は難しい。このため、現在は正常領域に裕度をもって設定しているが、結局は正常領域は固定領域として判断されている。
【0006】
従って、パラメータ等の状態に合わせてリアルタイム正常領域/異常領域を変化させることは困難である。また、上記のように、正常領域を裕度をもって設定しなければならないので、正常と判断される領域に於いても異常状態が存在するという誤判定の可能性がある。
【0007】
更に、例えば監視対象が正常状態から異常状態へと遷移しつつある場合でも、従来方式では、現在が正常状態であるという判定しかできない。従って、現在は正常でも状態としては異常状態へ近づきつつあるのか、あるいは正常状態で安定しているのか、という判定はできない。
【0008】
この他、上記監視対象の状態変化の予測を最小二乗法やAR法等の線形化手法によって、近未来の予測を行い傾向変化を予測して、その状態変化から監視対象の正常、異常状態の判定を行って警報を発することも可能である。しかし、最小二乗法やAR法は、システムを同定するためのパラメータ設定が容易ではなく、また一度設定したパラメータもシステムのダイナミックスが変われば再設定するために、多大な時間が必要となる問題がある。
【0009】
本発明は上記背景の下になされたものであり、システムのダイナミックスを時系列データのみを用いて自動同定してパラメータの再設定を不要とすることができる状態変化警報装置を提供することを課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、観測系の時系列データの格納部と、
前記格納部から得られる時系列データをパラメータとするデータベクトルを生成し、このデータベクトルの埋め込み操作を行って再構成空間に生成されるアトラクタの挙動に基づいたカオス推論によって所定ステップ後における時系列データの予測値を求める予測部と、この予測部から得られる予測値と観測系における観測値とを比較して、予測誤差が大きくなった場合には、パラメータの最適化処理を行うパラメータ最適化部と、前記予測値と前記所定ステップ経過後に測定される観測系の観測値とが抽出されて入力され、前記パラメータ最適化部からのパラメータを用いてアトラクタを基準とした最大リアプノフ指数とフラクタル次元および予測値と観測値からなるシステムダイナミックスを同定する同定部と、この同定部からのシステムダイナミックスを記録する記録部と、前記同定部からシステムダイナミックスと記録部に記録されている過去のシステムダイナミックスとを比較してその変化を検出し監視する変化監視部と、この変化監視部で検出したシステムダイナミックスの変化が予め設定した値から離れたときに、異常と判定する異常判定部とを有することを特徴とするものである。
【0013】
以下、本発明を詳細に説明する。近年、AI理論やFUZZY理論に加えて決定論的カオスが研究されている。これは、決定論に支配された(初期値が決まれば、その後の状態がすべて原理的に決定される)微分方程式や差分方程式から、一見不規則で不安定かつ複雑な振る舞いがしばしば生成されうるという現象から導かれる。
【0014】
決定論的カオスの概念は、世の中の不規則な現象が必ずしも非決定論に支配されたものだけではないということを明らかにした。言い替えれば、世の中の不規則現象の中には、決定論に従ってその挙動を生み出している現象が少なからず存在する。カオス的振る舞いを生み出す力学系に共通するのは、それらの方程式が非線形である事である。
【0015】
ところで、ある時系列データの振る舞いがカオス的であるならば、その振る舞いは決定論的な法則に従っていると考える事が出来る。とすれば、もしその非線形な決定論的法則性を推定することが出来れば、ある時点の測定データからカオスの「初期値に対する鋭敏な依存性」により決定論的因果性を失うまでの近未来のデータを予測することが可能である。
【0016】
このような決定論的力学系理論の立場からの予測は、「1本の観測時系列データから、もとの力学系の状態空間とアトラクタを再構成する」という時系列データの埋め込み理論に基づいている。この理論の概要は、以下の通りである。
【0017】
まず、図4に示されるように、観測された時系列データy(t)から(1)式に示されるベクトルx(t)をつくる(τは時間ディレイ)。
【0018】
【数1】
x(t)=(y(t),y(t−τ),y(t−2τ),…,y(t−(n−1)τ))
このベクトルはn次元再構成状態空間Rnの1点を示すことになる。従って、図5に示されるように、tを変化させるとn次元再構成状態空間に軌道が描ける。
もしも対象システムが決定論的力学系であって、観測時系列データがこの力学系の状態空間から1次元ユークリッド空間RへのC1連続写像に対応した観測系を介して得られたものと仮定すれば、この再構成軌道は、nを十分大きくとれば元の決定論的系の埋め込み(embedding)になっている。
【0019】
つまり、観測時系列データが元の力学系のアトラクタに由来するならば、再構成状態空間にはこのアトラクタの位相構造を保存したアトラクタが再現されることになる。従って、x(t)はアトラクタ上を移動することとなり、短期的にはx(t)のsステップ後の位置、つまりx(t+s)を予測することができる。ここで、x(t+s)は以下の式のように示される。
【0020】
【数2】
x(t+s)=(y(t+s),y(t+s−τ),y(t+s−2τ),…,y(t+s−(n−1)τ))
ここで、x(t+s)の成分であるy(t+s)は、観測時点からsステップ先の時系列データであるので、この値がsステップ先における予測値となる。更に、s>τである場合には、y(t+s−τ)も予測値となる。このように、sの値によって、所定ステップ先の予測値を求めることができるようになる。ただし、上述したように、カオス系は初期値に鋭敏に依存するので、長期的な予測に適しているとはいいがたい。逆に、決定論的因果性を失うまでの近未来のデータに関しては、高精度の予測が可能である。
【0021】
本発明によれば、再構成空間にアトラクタを生成して短期予測を行い、予測値と実測値とを比較して異常発生の有無を判定しているので、観測系ダイナミックな変化に対しても、その状態に応じて柔軟に異常/正常の有無が判定される。
【0022】
上記のように、本発明においては観測系の状態を考慮した上で予測値を生成し、この予測値と実測値とを比較して異常判定を行うことにより、観測系の状態に応じた適切な異常判定がなされる。さらに、予測部にカオス短期予測手法を用いているので、システムの摂動に対した精度の高い予測を得ることもできる。
【0023】
特に、従来法では観測系が異常と判定される基準値を設定する場合には、その観測系がとりうる最大値(または最低値)をそのまま基準値としていたので、観測系の状態に応じた異常判定を行うことは困難であった。例えば、通常時においては正常であると判定される観測値が得られた場合でも、観測系の状態を考慮にいれた場合には異常と判断することが適当な場合がある。このように、従来法においては、観測系の状態を考慮にいれることは困難であり、このような場合でも正常と判定せざるを得なかった。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の第1形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明に係る異常監視装置の機能ブロック図を示す。図1において、1は短期予測システム部、2はデータファイル部を兼ねる時系列データ短期予測部(時系列データの格納部及び予測部)、3はセンサ部を兼ねるデータ入力部、7は予測結果抽出部、8は異常監視部、9はマンマシン部である。
【0025】
また、データ入力部3から入力されたデータは時系列ファイル4に送られた後に時系列データ短期予測部2またはパラメータ最適化部5に入力される。パラメータ最適化部5にデータが入力された場合、パラメータ最適化部5は適宜パラメータの最適化を行った後に、時系列データ短期予測部2に最適化されたパラメータのデータを入力する。
【0026】
時系列データ短期予測部2では入力されたデータやパラメータ等をもとにしてnステップ先の予測結果を行う。予測値は予測値ファイル6に送られた後にパラメータ最適化部5、予測結果抽出部7にそれぞれ入力される。パラメータ最適化部5では、時系列データに加えて、入力された時系列データにも基づいてパラメータを最適化する。
【0027】
予測結果抽出部7では、予測値ファイル6から予測結果を取り出して異常監視部8に入力する。異常監視部8では予測値と実測値とを比較し、所定の基準によって異常発生の有無を判定し、マンマシン部9を通じてその結果を表示する。
【0028】
以下、短期予測システム1の動作を説明する。
【0029】
まず、時系列ファイル4を通じて、データ入力部3から時系列データ短期予測部2に時系列データy(t)、y(t−τ)、y(t−2τ)…(τは時間ディレイ)が入力される。時系列データ短期予測部2では、入力された時系列データをもとにしてn次元再構成状態空間Rnを再構成し、観測系のアトラクタを再現することによってsステップ後の予測値を求め、この予測値とsステップ後における実際の観測値とを比較する。図2にその説明図を示す。
【0030】
図2に示されるように、異常判定を行う場合には、予測値をもとにして上限値及び下限値を設定し、この上限値と下限値との間の領域を、観測系が正常と判定される正常領域とする。その他の領域を異常領域とする。
【0031】
例えば、時刻t−aにおいてsステップ後の予測値を求める。この予測値は図2の点aで示され、a点から設定された正常領域は図2の時間t−a+sにおける実線部で示される。t−a+sにおける実際の観測値は正常領域内に入っているので、この時点での観測値は正常状態にあると判定される。
【0032】
また、時刻tにおいて求めたsステップ後の予測値は図2の点bで示され、b点から設定された正常領域は図2の時間t+sにおける実線部で示される。t+sにおける実際の観測値は異常領域内に入っているので、この時点での観測値は異常状態にあると判定される。
【0033】
また、時系列データ短期予測部2では、正常状態の時系列を埋め込んでストレンジアトラクターを再構成するとともに、このときの埋め込みパラメータをも記録する。
【0034】
システムの摂動が生じた場合、予測誤差が大きくなる。予測誤差が設定した閾値を超えると、パラメータ最適化部5にパラメータの再最適化を実行させる。その結果得られたパラメータのうち、“遅れ”の変化をチェックすれば“異常”となりつつあることがわかる。ただし、適用するシステムにより、“異常”となる摂動の幅/埋め込みパラメータの“遅れ”は異なる。
【0035】
本手法予測部のカオス短期予測手法では、時系列を埋め込みストレンジアトラクターを再構成する。そのアトラクターの形・密度をチェックすれば、システムの状態が把握できる。脳波の時系列を例にとると、心理状態によってアトラクターの形・密度が異なる。もちろん健康を害しているとき、精神的に病んでいるときなどは、はっきりとその形が異なっている。
【0036】
このように、本実施例においては、時系列のダイナミックな変化に対応して適切な正常領域を設定することができる。例えば図2における時間t−a+sとt+sにおける正常領域は大きく異なっており、観測系の状態に応じて最適な正常領域が設定可能となっていることが示される。
【0037】
なお、予測値に於ける正常領域は、その値または適用するシステムによって可変とすることもできる。例えば、正常領域の下限値のみを狭くとる、所定の基準(観測値の値が一定値以上の場合や一定値以下の場合等)正常領域を狭くする、観測値が所定値に近いときは正常領域を広くとるなどである。
【0038】
このように値の違いによる正常領域の調整は、経験則によるルールに沿うことが多い。このような正常領域/異常領域の割り付けに、Fuzzy理論を適用してもよい。従来手法でもAI・Fuzzy理論により実現されてはいるが、AI・Fuzzy理論においては、状態の異常傾向を推定しなければならないのに対し、本実施例においてはFuzzyルールの意味付けが明確となり、ルールが簡単なものになる。
【0039】
また、システムの摂動によって、そのストレンジアトラクターの形は変化する。この点に着目すると、システムの正常状態時のストレンジアトラクターが変化を起こしたときは異常状態に向かっていることは明らかである。従って、アトラクタの状態を監視することでも、異常判定を行うことができる。
【0040】
更に、予測にはカオス短期予測手法を用いているので、非常に精度の高い短期予測を行うことが可能であり、システムの摂動に対応した精度の高い予測を得ることもできる。
【0041】
この異常監視装置は、例えば以下の用途に用いることができる。
【0042】
(1)カオス性を持つ時系列データの異常現象検出装置
(2)回転機(モータ、ジェネレータなど)の軸振動の異常検出装置
(3)道路交通の渋滞検出装置
(4)脳波異常検出装置
(5)タービン軸振動異常検出装置
(6)脈拍異常検出装置
(7)水車、タービン振動の異常検出装置
図6は本発明の実施の第2形態を示す温度変化事前検出警報装置の機能ブロック図で、図6において、データ入力部3では、一定の時間間隔(例えば、100ms、1秒、1分等)で対象となるプロセスから、データを取り込む。取り込まれたデータは時系列ファイル4に最新データとして追加される。次に、予測要求がデータ入力部3から時系列データ短期予測部2に出される。短期予測部2は、データ入力部3からの要求によって、システムで設定されている予測(例えば、一時間先の温度予測)を行い、その結果を予測値ファイル6に格納する。予測値ファイル6の中は、時系列ファイル4(観測値の時系列ファイル)と同じ構造で、予測値の時系列ファイルである。
【0043】
次に時系列データ短期予測部2より予測結果抽出部7が起動される。予測結果抽出部7は前回の予測値すなわち、今回前記データ入力部3にて取り込まれた観測値に対応する予測値を予測値ファイル6から取り出すとともに、時系列ファイル4から観測値を取り出す。そして、予測値と観測値の組になったデータをシステムダイナミックス同定部8aに入力する。この同定部8aではパラメータ最適化部5よりシステムダイナミックスを規定するパラメータを用いて、アトラクタを基準としたシステムダイナミックスを同定する。ダイナミックスには、最大リアプノフ指数とフラクタル次元、予測結果、観測値等が含まれる。
【0044】
同定されたシステムダイナミックスは記録ファイル8dに記録されるとともに、システムダイナミックス変化監視部8bに入力される。システムダイナミックス変化監視部8bでは、過去のシステムダイナミックスの変化を検出する。この変化検出には絶対値評価や%評価などを用いて行う。変化監視部8bにおけるシステムダイナミックスの変化は異常判定部8cに与えられ、ここで変化が異常と判定されたなら、マンマシン部9に供給されて表示処理される。また、変化に異常が無いときでも、変化監視部8bで、プロセス・プラントのダイナミックスに変化があることが判断できれば、変化監視部8bよりパラメータ最適化部5を起動することにより、パラメータ最適化部5において、ダイナミックスを表現している最適なパラメータを求めることができ、システム全体としてプラントの変化に追従した監視警報が可能となる。
【0045】
上記のように構成された第2形態によれば、次のような機能が得られる。
【0046】
(a)システムのダイナミックスを時系列データのみを用いて自動同定する(最適パラメータ推定)、
(b)求めたパラメータによって必要な将来の短期予測を行う、
(c)その予測結果がそれまでの傾向と異なる場合には、警報を行う、
(d)予測結果が観測データと大きく異なる場合には、システムのダイナミックスが変わったことになるので、再度上記(a)のパラメータ推定を行う。
【0047】
上記の機能により、本発明の実施の第2形態では短期予測のためのパラメータ設定が不要になり、汎用的に使用できるようになる。
【0048】
上記第2形態の応用範囲は以下のように多岐にまたがる。
【0049】
(1)風向変化事前検出警報装置
(2)湿度変化事前検出警報装置
(3)流量変化事前検出警報装置
(4)電力量変化事前検出警報装置
(5)交通量変化事前検出警報装置
(6)冷却水量変化事前検出警報装置
(7)ガス量変化事前検出警報装置
(8)その他の各種時系列データ変化検出警報装置
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、正常範囲をカオス短期予測手法で求めた予測値から決定し、それからの逸脱を検出する事により、異常を検出することで、観測系の状態に応じた異常判定を行うことが可能である。
【0051】
特に、ダイナミックな動特性をもつ現象の場合は、従来正常と考えていた領域に於いても異常状態が存在する可能性があるので、領域を指定する方式での異常検出は難しいが、本発明によれば、時系列の変化に対応して正常範囲を決定できるので正確な異常判定が可能である。
【0052】
さらに、異常判定となれば、システムの警報や異常処理(停止など)を行なう事により機器の破壊などを予防することができる。
【0053】
この他、短期予測のためのパラメータ設定が不要となる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の第1形態に係る異常監視装置の機能ブロック図。
【図2】予測値と観測値との関係を示すグラフ。
【図3】観測値の正常領域と異常領域とを示すグラフ。
【図4】時系列データの説明図。
【図5】アトラクタの説明図。
【図6】本発明の実施の第2形態に係る状態変化警報装置の機能ブロック図。
【符号の説明】
1…短期予測システム
2…時系列データ短期予測部
3…データ入力部
4…時系列ファイル
5…パラメータ最適化部
6…予測値ファイル
7…予測結果抽出部
8…異常監視部
9…マンマシン部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a system state change alarm device , and more particularly, to a state change alarm device applying a deterministic nonlinear system (chaos) theory.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, abnormality monitoring technology has been required in various fields, and it is required to accurately and promptly determine whether a device to be monitored is in an abnormal state or a normal state depending on the situation. Yes.
[0003]
Usually, in order to make such a determination, the state of the monitored object is represented by various parameters such as temperature, humidity, speed, etc., and these parameters have exceeded a predetermined number of times or a predetermined time upper limit value or lower limit value. In this case, it is determined that the monitoring target is in an abnormal state. In recent years, AI (artificial intelligence) and fuzzy reasoning are used to determine abnormalities and normal states by rules generated based on empirical rules and accumulated data.
[0004]
As described above, in any of the above-described techniques, as shown in FIG. 3, the monitoring target is abnormal by approximating the normal state from the past data and dividing the region into the abnormal region / normal region. Or whether it is normal.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the system is dynamic, accurate determination is difficult only by the bisection method using the abnormal region / normal region as described above. For this reason, although the normal area is currently set with a margin, the normal area is eventually determined as a fixed area.
[0006]
Therefore, it is difficult to change the real-time normal area / abnormal area in accordance with the state of the parameter or the like. Further, as described above, since the normal area must be set with a margin, there is a possibility of erroneous determination that an abnormal state exists even in the area determined to be normal.
[0007]
Further, for example, even when the monitoring target is changing from the normal state to the abnormal state, the conventional method can only determine that the current state is the normal state. Therefore, it cannot be determined whether the current state is normal or the state is approaching an abnormal state or is stable in the normal state.
[0008]
In addition, the state change of the monitoring target is predicted in the near future by a linearization method such as the least square method or the AR method, and the trend change is predicted, and the normal or abnormal state of the monitoring target is predicted from the state change. It is also possible to issue a judgment and issue an alarm. However, the least square method and the AR method are not easy to set parameters for identifying the system, and the parameters once set require a lot of time to be reset if the dynamics of the system changes. There is.
[0009]
The present invention has been made under the above background, to provide a state change alarm system and automatically identified can be made unnecessary resetting of parameters using only the time-series data the dynamics of the system Is an issue.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a storage unit for time series data of an observation system,
A time vector after a predetermined step is generated by chaos inference based on the behavior of the attractor generated in the reconstruction space by generating a data vector using the time series data obtained from the storage unit as a parameter, and embedding the data vector A parameter optimization that performs parameter optimization processing when the prediction error that increases the prediction value by comparing the prediction value obtained from this prediction unit with the observation value in the observation system Part, the predicted value and the observation value of the observation system measured after the predetermined step elapses are extracted and input, and the maximum Lyapunov exponent and the fractal dimension based on the attractor using the parameter from the parameter optimization unit And an identification unit for identifying system dynamics composed of predicted values and observation values, and a system from this identification unit. A recording unit for recording the dynamics, a change monitoring unit for detecting and monitoring a change by comparing the system dynamics from the identification unit with the past system dynamics recorded in the recording unit, and the change monitoring unit And an abnormality determination unit that determines an abnormality when the change in the system dynamics detected in
[0013]
Hereinafter, the present invention will be described in detail. In recent years, deterministic chaos has been studied in addition to AI theory and FUZZY theory. This can often produce seemingly irregular, unstable, and complex behaviors from differential and differential equations that are dominated by determinism (if the initial value is determined, all subsequent states are determined in principle) It is derived from the phenomenon.
[0014]
The concept of deterministic chaos revealed that irregular phenomena in the world are not necessarily only those that are dominated by non-determinism. In other words, there are not a few phenomena in the world that produce their behavior according to determinism. Common to dynamical systems that produce chaotic behavior is that their equations are non-linear.
[0015]
By the way, if the behavior of certain time-series data is chaotic, it can be considered that the behavior follows a deterministic law. If it is possible to estimate the nonlinear deterministic law, the near future until the deterministic causality is lost due to the “sensitive dependence on the initial value” of chaos from the measurement data at a certain point in time. It is possible to predict the data.
[0016]
Prediction from the standpoint of such a deterministic dynamical system theory is based on the embedded theory of time-series data that “the state space and attractor of the original dynamical system are reconstructed from a single observation time-series data”. ing. The outline of this theory is as follows.
[0017]
First, as shown in FIG. 4, a vector x (t) shown in the equation (1) is generated from the observed time series data y (t) (τ is a time delay).
[0018]
[Expression 1]
x (t) = (y (t), y (t−τ), y (t−2τ),..., y (t− (n−1) τ))
This vector represents one point in the n-dimensional reconstruction state space R n . Therefore, as shown in FIG. 5, when t is changed, a trajectory can be drawn in the n-dimensional reconstruction state space.
It is assumed that the target system is a deterministic dynamical system, and the observation time series data is obtained through an observation system corresponding to the C 1 continuous mapping from the state space of this dynamical system to the one-dimensional Euclidean space R. In this case, this reconstructed trajectory is embedded in the original deterministic system if n is sufficiently large.
[0019]
That is, if the observed time series data is derived from the original dynamical attractor, the attractor that preserves the attractor's phase structure is reproduced in the reconstructed state space. Therefore, x (t) moves on the attractor, and in the short term, a position after s steps of x (t), that is, x (t + s) can be predicted. Here, x (t + s) is represented by the following equation.
[0020]
[Expression 2]
x (t + s) = (y (t + s), y (t + s−τ), y (t + s−2τ),..., y (t + s− (n−1) τ))
Here, since y (t + s), which is a component of x (t + s), is time-series data that is s steps ahead from the observation time point, this value is a predicted value at the s steps ahead. Furthermore, when s> τ, y (t + s−τ) is also a predicted value. Thus, a predicted value ahead of a predetermined step can be obtained from the value of s. However, as described above, the chaotic system is sensitive to the initial value, so it is not suitable for long-term prediction. Conversely, for near-future data until deterministic causality is lost, high-precision prediction is possible.
[0021]
According to the present invention, an attractor is generated in the reconstruction space, short-term prediction is performed, and the presence or absence of an abnormality is determined by comparing the predicted value with the actual measurement value. The presence / absence of abnormality / normality is flexibly determined according to the state.
[0022]
As described above, in the present invention, a predicted value is generated in consideration of the state of the observation system, and an abnormality is determined by comparing the predicted value with the actual measurement value. An abnormal determination is made. Furthermore, since the chaos short-term prediction method is used for the prediction unit, it is possible to obtain a highly accurate prediction for the perturbation of the system.
[0023]
In particular, in the conventional method, when setting a reference value for determining that an observation system is abnormal, the maximum value (or the minimum value) that the observation system can take is used as the reference value, so that it corresponds to the state of the observation system. It was difficult to make an abnormality determination. For example, even when an observation value that is determined to be normal in normal times is obtained, it may be appropriate to determine that an abnormality is present when the state of the observation system is taken into consideration. Thus, in the conventional method, it is difficult to take the state of the observation system into consideration, and even in such a case, it has been determined to be normal.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a functional block diagram of an abnormality monitoring apparatus according to the present invention. In FIG. 1, 1 is a short-term prediction system unit, 2 is a time-series data short-term prediction unit (time-series data storage unit and prediction unit) that also serves as a data file unit, 3 is a data input unit that also serves as a sensor unit, and 7 is a prediction result. An extraction unit, 8 is an abnormality monitoring unit, and 9 is a man-machine unit.
[0025]
The data input from the
[0026]
The time-series data short-
[0027]
The prediction
[0028]
Hereinafter, the operation of the short-
[0029]
First, the time series data y (t), y (t−τ), y (t−2τ) (where τ is a time delay) is sent from the
[0030]
As shown in FIG. 2, when performing abnormality determination, an upper limit value and a lower limit value are set based on a predicted value, and an area between the upper limit value and the lower limit value is set as a normal observation system. The normal area to be determined. Other areas are defined as abnormal areas.
[0031]
For example, a predicted value after s steps is obtained at time ta. This predicted value is indicated by a point a in FIG. 2, and a normal region set from the point a is indicated by a solid line portion at time ta−s in FIG. Since the actual observation value at t−a + s is in the normal region, it is determined that the observation value at this point is in the normal state.
[0032]
Further, the predicted value after step s obtained at time t is indicated by a point b in FIG. 2, and the normal region set from the point b is indicated by a solid line portion at time t + s in FIG. Since the actual observation value at t + s is in the abnormal region, it is determined that the observation value at this point is in an abnormal state.
[0033]
The time series data short-
[0034]
When system perturbation occurs, the prediction error increases. When the prediction error exceeds a set threshold value, the
[0035]
In the chaos short-term prediction method of this method prediction unit, the time series is embedded and the strange attractor is reconstructed. If you check the shape and density of the attractor, you can understand the state of the system. Taking an electroencephalogram time series as an example, the shape and density of attractors differ depending on the psychological state. Of course, when you are injurious, or when you are mentally ill, the shape is clearly different.
[0036]
Thus, in this embodiment, an appropriate normal area can be set in response to a dynamic change in time series. For example, the normal regions at times ta + s and t + s in FIG. 2 are greatly different, indicating that an optimal normal region can be set according to the state of the observation system.
[0037]
In addition, the normal area | region in a predicted value can also be made variable with the value or the system to apply. For example, take only the lower limit value of the normal region, narrow the specified standard (when the observed value is above a certain value or below a certain value, etc.) narrow the normal region, or normal when the observed value is close to the prescribed value Such as taking a wide area.
[0038]
Thus, the adjustment of the normal region due to the difference in value often follows a rule based on an empirical rule. Fuzzy theory may be applied to such normal / abnormal area allocation. Although the conventional method is also realized by AI / Fuzzy theory, in AI / Fuzzy theory, it is necessary to estimate the abnormal tendency of the state, whereas in this example, the meaning of the Fuzzy rule is clear, Rules become simple.
[0039]
Moreover, the shape of the strange attractor changes depending on the perturbation of the system. Focusing on this point, it is clear that when the strange attractor in the normal state of the system changes, it is moving toward an abnormal state. Therefore, the abnormality determination can be performed by monitoring the state of the attractor.
[0040]
Furthermore, since the chaos short-term prediction method is used for the prediction, it is possible to perform a highly accurate short-term prediction and to obtain a highly accurate prediction corresponding to the perturbation of the system.
[0041]
This abnormality monitoring apparatus can be used for the following applications, for example.
[0042]
(1) Abnormal phenomenon detection device for chaotic time-series data (2) Abnormal vibration detection device for rotating machine (motor, generator, etc.) (3) Congestion detection device for road traffic (4) EEG abnormality detection device ( 5) Turbine shaft vibration abnormality detection device (6) Pulse abnormality detection device (7) Turbine, turbine vibration abnormality detection device FIG. 6 is a functional block diagram of a temperature change pre-detection alarm device showing a second embodiment of the present invention. 6, the
[0043]
Next, the prediction
[0044]
The identified system dynamics are recorded in the
[0045]
According to the 2nd form comprised as mentioned above, the following functions are obtained.
[0046]
(A) automatically identifying system dynamics using only time-series data (optimum parameter estimation);
(B) Make necessary short-term forecasts based on the parameters obtained,
(C) If the prediction result is different from the previous trend, an alarm is issued.
(D) If the prediction result is significantly different from the observed data, the dynamics of the system has changed, so the parameter estimation in (a) is performed again.
[0047]
With the above function, parameter setting for short-term prediction is unnecessary in the second embodiment of the present invention, and it can be used for general purposes.
[0048]
The range of application of the second embodiment extends as follows.
[0049]
(1) Wind direction change pre-detection alarm device (2) Humidity change pre-detection alarm device (3) Flow rate change pre-detection alarm device (4) Electricity change pre-detection alarm device (5) Traffic change pre-detection alarm device (6) Cooling water amount change pre-detection alarm device (7) Gas amount change pre-detection alarm device (8) Other various time series data change detection alarm devices
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the normal range is determined from the predicted value obtained by the chaos short-term prediction method, and by detecting the deviation from the normal range, the abnormality is detected, so that it corresponds to the state of the observation system. It is possible to make an abnormality determination.
[0051]
In particular, in the case of a phenomenon having dynamic dynamic characteristics, there is a possibility that an abnormal state may exist even in a region that has been considered normal, so that it is difficult to detect an abnormality with a method of specifying the region. According to the method, the normal range can be determined corresponding to the change in time series, so that an accurate abnormality determination is possible.
[0052]
Furthermore, if an abnormality is determined, the device can be prevented from being destroyed by performing a system alarm or abnormality processing (stopping, etc.).
[0053]
In addition, there is an advantage that parameter setting for short-term prediction becomes unnecessary.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a functional block diagram of an abnormality monitoring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between predicted values and observed values.
FIG. 3 is a graph showing a normal region and an abnormal region of observed values.
FIG. 4 is an explanatory diagram of time-series data.
FIG. 5 is an explanatory diagram of an attractor.
FIG. 6 is a functional block diagram of a state change alarm device according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記格納部から得られる時系列データをパラメータとするデータベクトルを生成し、このデータベクトルの埋め込み操作を行って再構成空間に生成されるアトラクタの挙動に基づいたカオス推論によって所定ステップ後における時系列データの予測値を求める予測部と、
この予測部から得られる予測値と観測系における観測値とを比較して、予測誤差が大きくなった場合には、パラメータの最適化処理を行うパラメータ最適化部と、
前記予測値と前記所定ステップ経過後に測定される観測系の観測値とが抽出されて入力され、前記パラメータ最適化部からのパラメータを用いてアトラクタを基準とした最大リアプノフ指数とフラクタル次元および予測値と観測値からなるシステムダイナミックスを同定する同定部と、
この同定部からのシステムダイナミックスを記録する記録部と、
前記同定部からシステムダイナミックスと記録部に記録されている過去のシステムダイナミックスとを比較してその変化を検出し監視する変化監視部と、
この変化監視部で検出したシステムダイナミックスの変化が予め設定した値から離れたときに、異常と判定する異常判定部とを有することを特徴とする状態変化警報装置。A storage unit for time series data of the observation system,
A time vector after a predetermined step is generated by chaos inference based on the behavior of the attractor generated in the reconstruction space by generating a data vector using the time series data obtained from the storage unit as a parameter, and embedding the data vector A prediction unit for obtaining a predicted value of the data;
When the prediction value obtained from this prediction unit is compared with the observation value in the observation system and the prediction error becomes large, a parameter optimization unit that performs parameter optimization processing,
The predicted value and the observed value of the observation system measured after elapse of the predetermined step are extracted and input, and the maximum Lyapunov exponent, fractal dimension, and predicted value based on the attractor using the parameter from the parameter optimization unit And an identification unit for identifying system dynamics consisting of observation values,
A recording unit for recording the system dynamics from the identification unit;
A change monitoring unit that detects and monitors a change in comparison between system dynamics from the identification unit and past system dynamics recorded in the recording unit;
A state change alarm device comprising: an abnormality determination unit that determines an abnormality when a change in system dynamics detected by the change monitoring unit deviates from a preset value.
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