JP6605170B1 - Learning device and estimation device - Google Patents

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Abstract

【課題】判定結果の裏付けとなる物理量を推定するための学習装置及び推定装置を提供する。【解決手段】ノッキング判定装置10は、入力物理量に含まれるノイズ成分を除去し、前記ノイズ成分が除去された入力物理量から所望の物理量を推定し、ノッキングの有無を判定する。ノッキング判定装置10は、ニューラルネットワークにより、入力物理量に含まれるノイズ成分を除去するマスクを生成するネットワークの重み、及び/又は、マスクによりノイズ成分が除去された入力物理量を所望の物理量に変換する伝達関数を学習する学習部21を備える。【選択図】図3A learning apparatus and an estimation apparatus for estimating a physical quantity that supports a determination result are provided. A knock determination device 10 removes a noise component included in an input physical quantity, estimates a desired physical quantity from the input physical quantity from which the noise component is removed, and determines whether knocking has occurred. The knocking determination device 10 uses a neural network to generate a mask for removing a noise component included in the input physical quantity, and / or transfer the input physical quantity from which the noise component has been removed by the mask into a desired physical quantity. A learning unit 21 for learning a function is provided. [Selection] Figure 3

Description

本発明は、入力物理量に含まれるノイズ成分を除去し、ノイズ成分が除去された入力物理量から所望の物理量を推定するための学習装置及び推定装置に関する。   The present invention relates to a learning device and an estimation device for removing a noise component included in an input physical quantity and estimating a desired physical quantity from the input physical quantity from which the noise component has been removed.

ガソリンエンジンなどの内燃機関における点火時期は、出力トルクの向上を目的として、ノッキングが発生しないクランク角度の範囲内において可能な限り進角されることが一般的である。そこで、点火時期を調整する過程では、ノッキングが発生しているか否かが試験者又はノッキング判定装置によって判定される。こうしたノッキング判定装置の一例が特許文献1に記載されている。   In general, an ignition timing in an internal combustion engine such as a gasoline engine is advanced as much as possible within a crank angle range in which knocking does not occur for the purpose of improving output torque. Therefore, in the process of adjusting the ignition timing, whether or not knocking has occurred is determined by the tester or the knocking determination device. An example of such a knocking determination device is described in Patent Document 1.

特許文献1に記載のノッキング判定装置は、ノッキングの有無が判定される判定信号と比較される対象信号とを、判定信号との関係(例えば、時間的な関係や運転条件における関係)で定まる条件に基づいて選択する。   The knocking determination device described in Patent Document 1 is a condition in which a target signal to be compared with a determination signal for determining the presence or absence of knocking is determined by a relationship with the determination signal (for example, a temporal relationship or a relationship in operating conditions). Select based on.

特開2017−44148号公報JP 2017-44148

しかしながら、特許文献1に記載のノッキング判定装置では、ノッキング有無の判定結果しか外部に提示できず、判定結果の裏付けをとることが困難である。そこで、前記したノッキング判定装置には、判定結果の裏付けとなる所望の物理量を推定することが望まれている。   However, in the knock determination device described in Patent Document 1, only the determination result of knocking presence / absence can be presented to the outside, and it is difficult to support the determination result. Therefore, it is desired that the above-described knocking determination apparatus estimates a desired physical quantity that supports the determination result.

一般的に、ノッキングの評価は、ノッキング音の大きさ及びノッキングの発生頻度により行われている。前記したノッキング判定装置では、ノッキング有無によりノッキングの発生頻度のみを評価するに留まり、ノッキング音を外部に提示できず、ノッキング音の大きさを評価することが困難である。   In general, the evaluation of knocking is performed based on the magnitude of knocking sound and the frequency of occurrence of knocking. In the above-described knock determination device, only the frequency of occurrence of knocking is evaluated based on the presence or absence of knocking, the knocking sound cannot be presented to the outside, and it is difficult to evaluate the magnitude of the knocking sound.

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、判定結果の裏付けとなる所望の物理量を推定するための学習装置及び推定装置を提供することにある The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a learning apparatus and an estimation apparatus for estimating a desired physical quantity that supports a determination result .

前記課題を解決する学習装置は、入力物理量に含まれるノイズ成分を除去し、前記ノイズ成分が除去された入力物理量から所望の物理量を推定するための学習装置であって、前記ノイズ成分は、内燃機関で発生するノッキング音以外の雑音であり、前記入力物理量は、前記雑音及び前記ノッキング音が含まれる前記内燃機関の音圧であり、前記所望の物理量は、ノッキング発生時の前記内燃機関の筒内圧であり、ニューラルネットワークにより、前記雑音を除去し、かつ、前記ノッキング音を抽出するマスクを生成するネットワークの重み、及び/又は、前記マスクにより抽出されたノッキング音を前記ノッキング発生時の内燃機関の筒内圧に変換する伝達関数を学習する学習部、を備える。 A learning device that solves the problem is a learning device for removing a noise component included in an input physical quantity and estimating a desired physical quantity from the input physical quantity from which the noise component is removed, wherein the noise component is an internal combustion engine Noise other than knocking noise generated in the engine, the input physical quantity is a sound pressure of the internal combustion engine including the noise and the knocking sound, and the desired physical quantity is a cylinder of the internal combustion engine when knocking occurs. Internal pressure at the time of occurrence of knocking , which is an internal pressure, a weight of a network that generates a mask for removing the noise and extracting the knocking sound by a neural network, and / or a knocking sound extracted by the mask The learning part which learns the transfer function converted into in- cylinder pressure is provided.

このような構成によれば、学習装置は、所望の物理量を推定するためのマスクを生成でき、伝達関数を学習する。これにより、マスクを用いて、入力物理量に含まれるノイズ成分を除去し、伝達関数を用いて、ノイズ成分が除去された入力物理量から所望の物理量を推定することができる。つまり、前記したマスクや伝達関数を用いて、判定結果を裏付ける所望の物理量を外部に提示することができる。   According to such a configuration, the learning device can generate a mask for estimating a desired physical quantity, and learns a transfer function. As a result, a noise component included in the input physical quantity can be removed using the mask, and a desired physical quantity can be estimated from the input physical quantity from which the noise component has been removed using the transfer function. That is, a desired physical quantity that supports the determination result can be presented to the outside using the above-described mask and transfer function.

ここで、学習装置は、マスクを生成するネットワークの重み及び伝達関数の両方を学習してもよく、マスクを生成するネットワークの重み又は伝達関数の一方のみを学習してもよい。また、入力物理量及び所望の物理量は、同種の物理量であってもよく、異なる種類の物理量であってもよい。なお、物理量の一例として、音圧、圧力、又は振動(変位、速度、加速度)がある。   Here, the learning device may learn both the weight and transfer function of the network that generates the mask, or may learn only one of the weight or transfer function of the network that generates the mask. Further, the input physical quantity and the desired physical quantity may be the same type of physical quantity or different types of physical quantities. Examples of physical quantities include sound pressure, pressure, or vibration (displacement, speed, acceleration).

さらに、学習装置は、内燃機関の筒内圧推定を信号分離問題(音分離問題)及び伝達関数の推定問題として捉え、ニューラルネットワークにより、マスクを生成するネットワークの重みや伝達関数を学習する。これにより、マスクを用いて、内燃機関の音圧からノッキング音を分離して抽出し、伝達関数を用いて、ノッキング音からノッキング発生時の内燃機関の筒内圧を推定することができる。つまり、前記したマスクや伝達関数を用いて、ノッキング有無の判定結果を裏付ける、ノッキング発生時の内燃機関の筒内圧を外部に提示することができる。 Further, the learning apparatus regards the in-cylinder pressure estimation of the internal combustion engine as a signal separation problem (sound separation problem) and a transfer function estimation problem, and learns the weight and transfer function of the network that generates the mask by a neural network. Thus, the knocking sound is separated and extracted from the sound pressure of the internal combustion engine using the mask, and the in-cylinder pressure of the internal combustion engine when the knocking occurs can be estimated from the knocking sound using the transfer function. That is, the in-cylinder pressure of the internal combustion engine at the time of occurrence of knocking, which supports the determination result of the presence or absence of knocking, can be presented to the outside using the above-described mask or transfer function.

前記学習装置において、前記学習部は、畳み込みニューラルネットワークにより前記マスクを生成するネットワークの重みを学習し、前記伝達関数として、前記マスクにより前記ノイズ成分が除去された入力物理量に乗じる重みを学習する。   In the learning apparatus, the learning unit learns a weight of a network that generates the mask by a convolutional neural network, and learns a weight to be multiplied by an input physical quantity from which the noise component is removed by the mask as the transfer function.

このような構成によれば、マスクを生成するネットワークの重みや伝達関数を適切に学習できるので、所望の物理量をより正確に推定することができる。なお、畳み込みニューラルネットワークの一例として、U−Netがある。このU−Netでマスクを生成するネットワークの重みを学習すると、そのマスクが入力物理量に応じて適切に変化するものとなる。また、伝達関数は、周波数軸方向で時間不変のフィルタとして機能する。   According to such a configuration, it is possible to appropriately learn the weight and transfer function of the network that generates the mask, so that a desired physical quantity can be estimated more accurately. An example of a convolutional neural network is U-Net. When the weight of the network that generates a mask with this U-Net is learned, the mask changes appropriately according to the input physical quantity. The transfer function functions as a time-invariant filter in the frequency axis direction.

前記学習装置において、ニューラルネットワークにより、前記マスク及び前記伝達関数を用いて、前記入力物理量から前記所望の物理量を推定する第1推定部と、前記第1推定部が推定した所望の物理量を所定時間毎に総和し、総和した前記所望の物理量の中央値を算出し、算出した前記中央値を基準として閾値を設定する閾値算出部と、をさらに備える。
このような構成によれば、閾値を適切に設定できるので、所望の物理量に対する閾値判定をより正確に行うことが可能となる。
In the learning device, a first estimation unit for estimating the desired physical quantity from the input physical quantity using the mask and the transfer function by a neural network, and a desired physical quantity estimated by the first estimation unit for a predetermined time And a threshold value calculation unit that calculates a median value of the desired physical quantity that is summed up every time, and sets a threshold value based on the calculated median value.
According to such a configuration, the threshold value can be set appropriately, so that the threshold value determination for a desired physical quantity can be performed more accurately.

前記学習装置において、ニューラルネットワークにより、前記マスクを用いて、前記ノイズ成分が含まれる入力物理量から前記ノイズ成分が除去された入力物理量を推定する第1推定部と、前記第1推定部が推定した入力物理量を所定時間毎に総和し、総和した前記入力物理量の中央値を算出し、算出した前記中央値を基準として閾値を設定する閾値算出部と、をさらに備える。
このような構成によれば、閾値を適切に設定できるので、ノイズ成分が除去された入力物理量に対する閾値判定をより正確に行うことが可能となる。
In the learning apparatus, a first estimation unit that estimates an input physical quantity obtained by removing the noise component from an input physical quantity including the noise component using the mask by a neural network, and the first estimation unit estimates A threshold calculating unit that sums up the input physical quantities every predetermined time, calculates a median value of the summed input physical quantities, and sets a threshold based on the calculated median value;
According to such a configuration, the threshold value can be set appropriately, so that it is possible to perform the threshold value determination for the input physical quantity from which the noise component has been removed more accurately.

前記課題を解決する推定装置は、入力物理量に含まれるノイズ成分を除去し、前記ノイズ成分が除去された入力物理量から所望の物理量を推定する推定装置であって、前記ノイズ成分は、内燃機関で発生するノッキング音以外の雑音であり、前記入力物理量は、前記雑音及び前記ノッキング音が含まれる前記内燃機関の音圧であり、前記所望の物理量は、ノッキング発生時の前記内燃機関の筒内圧であり、ニューラルネットワークにより、前記雑音を除去し、かつ、前記ノッキング音を抽出するマスクと、前記マスクにより抽出されたノッキング音を前記ノッキング発生時の内燃機関の筒内圧に変換する伝達関数とを用いて、前記入力物理量から前記所望の物理量を推定する第2推定部、を備える。 An estimation apparatus that solves the problem is an estimation apparatus that removes a noise component included in an input physical quantity and estimates a desired physical quantity from the input physical quantity from which the noise component has been removed, wherein the noise component is an internal combustion engine. The noise other than the knocking noise that is generated, the input physical quantity is a sound pressure of the internal combustion engine including the noise and the knocking sound, and the desired physical quantity is an in-cylinder pressure of the internal combustion engine at the time of occurrence of knocking. Yes, using a mask that removes the noise and extracts the knocking sound by a neural network , and a transfer function that converts the knocking sound extracted by the mask into an in-cylinder pressure of the internal combustion engine when the knocking occurs And a second estimation unit for estimating the desired physical quantity from the input physical quantity.

このような構成によれば、マスクを用いて、入力物理量に含まれるノイズ成分を除去し、伝達関数を用いて、ノイズ成分が除去された入力物理量から所望の物理量を推定することができる。つまり、前記したマスクや伝達関数を用いて、判定結果を裏付ける所望の物理量を外部に提示することができる。   According to such a configuration, it is possible to estimate a desired physical quantity from the input physical quantity from which the noise component has been removed using a transfer function by removing a noise component included in the input physical quantity using a mask. That is, a desired physical quantity that supports the determination result can be presented to the outside using the above-described mask and transfer function.

例えば、マスクを用いて、内燃機関の音圧からノッキング音を分離して抽出し、伝達関数を用いて、ノッキング音からノッキング発生時の内燃機関の筒内圧を推定することができる。これにより、ノッキング有無の判定結果を裏付ける、ノッキング発生時の内燃機関の筒内圧を外部に提示することができる。   For example, the knocking sound can be separated and extracted from the sound pressure of the internal combustion engine using a mask, and the in-cylinder pressure of the internal combustion engine when knocking can be estimated from the knocking sound using a transfer function. Thereby, the in-cylinder pressure of the internal combustion engine at the time of occurrence of knocking that supports the determination result of the presence or absence of knocking can be presented to the outside.

前記推定装置において、予め設定された閾値と、前記第2推定部が推定した所望の物理量との閾値判定を行う閾値判定部、をさらに備える。
このような構成によれば、所望の物理量に対する閾値判定をより正確に行うことができる。例えば、推定した内燃機関の筒内圧について、ノッキングの有無をより正確に判定することができる。
The estimation apparatus further includes a threshold determination unit that performs threshold determination between a preset threshold and a desired physical quantity estimated by the second estimation unit.
According to such a configuration, it is possible to more accurately perform threshold determination for a desired physical quantity. For example, the presence or absence of knocking can be determined more accurately with respect to the estimated in-cylinder pressure of the internal combustion engine.

本発明によれば、判定結果の裏付けとなる物理量を推定することができる According to the present invention, the physical quantity that supports the determination result can be estimated .

(a)は音分離問題を説明する説明図、(b)は伝達関数の推定問題を説明する説明図。(A) is explanatory drawing explaining the sound separation problem, (b) is explanatory drawing explaining the estimation problem of a transfer function. 第1実施形態に係るノッキング判定システムの全体構成を示すブロック図。The block diagram which shows the whole structure of the knock determination system which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るノッキング判定装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the knock determination apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態において、音圧信号の切り出しを説明する説明図。Explanatory drawing explaining cutting of a sound pressure signal in 1st Embodiment. 第1実施形態において、マスクを生成するネットワークの重み及び伝達関数の学習を説明する説明図。Explanatory drawing explaining learning of the weight and transfer function of the network which produces | generates a mask in 1st Embodiment. 第1実施形態において、(a)は雑音が含まれるエンジンの近傍音を短時間フーリエ変換した時間−周波数マップの一例、(b)はマスクの時間−周波数マップの一例、(c)は雑音が除去されたエンジンの近傍音の時間−周波数マップの一例、(d)は推定筒内圧の時間−周波数マップの一例。In the first embodiment, (a) is an example of a time-frequency map obtained by performing a short-time Fourier transform on a sound near the engine including noise, (b) is an example of a time-frequency map of a mask, and (c) is noise. An example of the time-frequency map of the sound near the removed engine, (d) is an example of the time-frequency map of the estimated in-cylinder pressure. 第1実施形態において、マスクを生成するネットワークの重み及び伝達関数を学習するニューラルネットワークの一例を説明する説明図。Explanatory drawing explaining an example of the neural network which learns the weight and transfer function of the network which produce | generate a mask in 1st Embodiment. 第1実施形態において、ノッキング判定装置のデータ収集処理を示すフローチャート。5 is a flowchart showing data collection processing of the knocking determination device in the first embodiment. 第1実施形態において、ノッキング判定装置の学習処理を示すフローチャート。The flowchart which shows the learning process of a knock determination apparatus in 1st Embodiment. 第1実施形態において、ノッキング判定装置の閾値算出処理を示すフローチャート。The flowchart which shows the threshold value calculation process of a knock determination apparatus in 1st Embodiment. 第1実施形態において、ノッキング判定装置の判定処理を示すフローチャート。The flowchart which shows the determination process of a knock determination apparatus in 1st Embodiment. 第2実施形態において、マスクを生成するネットワークを説明する説明図。Explanatory drawing explaining the network which produces | generates a mask in 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るノッキング判定装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the knock determination apparatus which concerns on 2nd Embodiment.

(音分離問題、伝達関数の推定問題)
まず、図1を参照し、実施形態に係るノッキング判定装置を説明する前提として、信号分離問題の一例である音分離問題、及び、伝達関数の推定問題について説明する。その後、ノッキング判定装置について説明する。なお、各実施形態において、同一の手段には同一の符号を付し、説明を省略した。
(Sound separation problem, transfer function estimation problem)
First, with reference to FIG. 1, a sound separation problem, which is an example of a signal separation problem, and a transfer function estimation problem will be described as a premise for explaining the knocking determination device according to the embodiment. Thereafter, the knocking determination device will be described. In each embodiment, the same means is denoted by the same reference numeral, and description thereof is omitted.

内燃機関の一例である車両用のエンジン1の試験では、例えば、点火タイミングの進角量の調整等の試験もしくは調整された点火タイミングの確認試験が行われる。これらの点火タイミングの試験において、ノッキングによってピストンが破損しないように、ノッキングの有無が判定される。このノッキングの有無は、熟練した試験者の主観により判定されており、その判定結果を裏付ける情報を外部に提示できない。そこで、ノッキング有無の判定結果を裏付ける情報を推定したいという要望がある。   In the test of the vehicle engine 1 which is an example of the internal combustion engine, for example, a test such as adjustment of the advance amount of the ignition timing or a confirmation test of the adjusted ignition timing is performed. In these ignition timing tests, the presence or absence of knocking is determined so that the piston is not damaged by knocking. The presence or absence of this knocking is determined by the subjectivity of a skilled tester, and information that supports the determination result cannot be presented to the outside. Therefore, there is a desire to estimate information that supports the determination result of the presence or absence of knocking.

ここで、ノッキングとは、エンジン1の気筒内において発生した異常燃焼が生じさせる圧力変動(衝撃波)が気筒の固有振動数で増幅されてエンジン1に大きな振動が発生する現象である。つまり、エンジン1には気筒内での異常燃焼の際に発生する圧力変動に基づく振動が生じ、この振動がエンジン1から音として放射される。そこで、エンジン1の近傍で測定した音からノッキング音の性質を学習し、ノッキング音を分離したいが、教師データとして理想的なノッキング音の測定が困難である。このため、エンジン1の燃焼騒音の逆算により、エンジン1の筒内圧を推定する手法を検討する。以後、エンジン1の近傍で測定した音を「近傍音」と記載し、推定したエンジン1の筒内圧を「推定筒内圧」と記載する場合がある。   Here, the knocking is a phenomenon in which a large fluctuation is generated in the engine 1 by amplifying the pressure fluctuation (shock wave) caused by the abnormal combustion generated in the cylinder of the engine 1 at the natural frequency of the cylinder. That is, the engine 1 generates vibrations based on pressure fluctuations that occur during abnormal combustion in the cylinder, and the vibrations are emitted from the engine 1 as sound. Therefore, it is desired to learn the nature of the knocking sound from the sound measured near the engine 1 and to separate the knocking sound, but it is difficult to measure the ideal knocking sound as teacher data. For this reason, a method of estimating the in-cylinder pressure of the engine 1 by examining the combustion noise of the engine 1 is examined. Hereinafter, the sound measured in the vicinity of the engine 1 may be referred to as “neighboring sound”, and the estimated in-cylinder pressure of the engine 1 may be referred to as “estimated in-cylinder pressure”.

エンジン1の燃焼騒音は、エンジン1の筒内圧の時間周波数成分に構造減衰補正量を乗じたものとなる。構造減衰補正量とは、エンジン燃焼時の筒内圧がエンジン1を通り、音となって音圧センサに到達するまでの伝達特性のことである。ここで、エンジン1の燃焼騒音レベルが音圧であることや、構造減衰補正量を乗算していることに着目する。すなわち、音圧であるエンジン1の近傍音に構造減衰補正量の逆数を乗算すれば、エンジン1の推定筒内圧が求められる。そこで、エンジン1の近傍音からエンジン1の筒内圧を推定する手法を検討する。   The combustion noise of the engine 1 is obtained by multiplying the time frequency component of the in-cylinder pressure of the engine 1 by the structure attenuation correction amount. The structural damping correction amount is a transfer characteristic until the in-cylinder pressure during engine combustion passes through the engine 1 and becomes sound and reaches the sound pressure sensor. Here, attention is paid to the fact that the combustion noise level of the engine 1 is a sound pressure and that the structure attenuation correction amount is multiplied. That is, the estimated in-cylinder pressure of the engine 1 can be obtained by multiplying the sound near the engine 1 that is the sound pressure by the reciprocal of the structural attenuation correction amount. Therefore, a method for estimating the in-cylinder pressure of the engine 1 from the vicinity sound of the engine 1 is examined.

図1(a)に示すように、ノッキング発生時、エンジン1の近傍音には、エンジン1自体の音であるエンジン音、ノッキング音、及び、ノッキング以外の雑音であるノイズ成分が含まれている。このエンジン1の近傍音にマスクを乗じることで、ノッキング音のみを分離できる。なお、マスクは、雑音を除去し(雑音成分=0)、かつ、ノッキング音を抽出するものである(ノッキング音成分=1)。従って、マスクを正しく推定できれば、エンジン1の近傍音からノッキング音を分離して抽出できるので、ノッキング音を分離する音分離問題として捉えることができる。   As shown in FIG. 1 (a), when knocking occurs, the sound near the engine 1 includes an engine sound that is the sound of the engine 1 itself, a knocking sound, and a noise component that is noise other than knocking. . By multiplying the vicinity sound of the engine 1 by a mask, only the knocking sound can be separated. The mask removes noise (noise component = 0) and extracts knocking sound (knocking sound component = 1). Therefore, if the mask can be correctly estimated, the knocking sound can be separated and extracted from the sound near the engine 1 and can be regarded as a sound separation problem for separating the knocking sound.

図1(b)に示すように、ノッキング音に構造減衰補正量の逆数を乗算すれば、ノッキング時におけるエンジン1の筒内圧を推定することができる。この構造減衰補正量の逆数は、ある入力物理量(例えば、音圧)を所望の物理量(例えば、筒内圧)に変換する伝達関数であると言える。従って、伝達関数を正しく推定できれば、ノッキング音からノッキング発生時の筒内圧を求められるので、伝達関数の推定問題として捉えることができる。
なお、図1では、エンジン1の近傍音や筒内圧は、これらを短時間フーリエ変換した時間−周波数マップを表している。
As shown in FIG. 1B, the in-cylinder pressure of the engine 1 at the time of knocking can be estimated by multiplying the knocking sound by the reciprocal of the structural attenuation correction amount. It can be said that the reciprocal of this structural attenuation correction amount is a transfer function for converting a certain input physical quantity (for example, sound pressure) into a desired physical quantity (for example, in-cylinder pressure). Therefore, if the transfer function can be estimated correctly, the in-cylinder pressure at the time of occurrence of knocking can be obtained from the knocking sound, so that it can be regarded as a transfer function estimation problem.
In FIG. 1, the near sound and in-cylinder pressure of the engine 1 represent a time-frequency map obtained by performing a short-time Fourier transform on these sounds.

前記した音分離問題及び伝達関数の推定問題は、以下のように計算式で表すことができる。エンジン1の近傍音yのパワースペクトル|Y|から、エンジン1の筒内圧xのパワースペクトル|X|を求めることとする。この場合、パワースペクトル|Y|は、式(1)〜式(4)で表される。 The sound separation problem and the transfer function estimation problem described above can be expressed by the following equations. The power spectrum | X | 2 of the in-cylinder pressure x of the engine 1 is obtained from the power spectrum | Y | 2 of the vicinity sound y of the engine 1. In this case, the power spectrum | Y | 2 is expressed by Expression (1) to Expression (4).

但し、各式では、以下のとおり定義される。
x:エンジンの筒内圧
X:エンジンの筒内圧のフーリエスペクトル
y:エンジンの近傍音
Y:エンジンの近傍音のフーリエスペクトル
h:インパルス応答
H:インパルス応答の伝達関数
e:ノッキング音以外の雑音信号
E:雑音信号のフーリエスペクトル
However, in each formula, it is defined as follows.
x: In-cylinder pressure of the engine X: Fourier spectrum of the in-cylinder pressure of the engine y: Near sound of the engine Y: Fourier spectrum of the near sound of the engine h: Impulse response H: Transfer function of the impulse response e: Noise signal E other than knocking sound : Fourier spectrum of noise signal

ここで、式(5)〜式(7)のように、スペクトルの加法性が近似的に成立することとする。この場合、エンジン1の筒内圧xのパワースペクトル推定値|X^|は、以下の式(8)で表される。なお、αは、パワースペクトルのマスクである(0≦α≦1)。 Here, as shown in equations (5) to (7), it is assumed that the spectral additivity is approximately established. In this case, the power spectrum estimated value | X ^ | 2 of the in-cylinder pressure x of the engine 1 is expressed by the following equation (8). Α is a mask of the power spectrum (0 ≦ α ≦ 1).

従って、以下の手順でエンジン1の筒内圧を推定できる。まず、エンジン1の近傍音yと、教師データとして、実測したエンジン1の筒内圧xとを収集する。以後、実測したエンジン1の筒内圧を「実測筒内圧」と記載する場合がある。エンジン1の近傍音y及びエンジン1の実測筒内圧xを用いて、式(8)の未知数であるマスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hをニューラルネットワークにより学習する。そして、学習したネットワークが生成したマスクα及び伝達関数Hを用いて、試験時に測定したエンジン1の近傍音yから、エンジン1の筒内圧xを推定する。   Therefore, the in-cylinder pressure of the engine 1 can be estimated by the following procedure. First, the near sound y of the engine 1 and the actually measured in-cylinder pressure x of the engine 1 are collected as teacher data. Hereinafter, the actually measured in-cylinder pressure of the engine 1 may be referred to as “measured in-cylinder pressure”. Using the neighborhood sound y of the engine 1 and the actually measured in-cylinder pressure x of the engine 1, the weight of the network and the transfer function H for generating the mask α, which is an unknown number in the equation (8), are learned by a neural network. Then, the in-cylinder pressure x of the engine 1 is estimated from the vicinity sound y of the engine 1 measured during the test, using the mask α and the transfer function H generated by the learned network.

(第1実施形態)
[ノッキング判定システムの全体構成]
図2を参照し、第1実施形態に係るノッキング判定システム100の全体構成について説明する。図2に示すように、ノッキング判定システム100は、試験対象となるエンジン1のノッキングの有無を判定するものであり、音圧センサ4と、筒内圧センサ5と、データ収集装置6と、モニタ7と、ノッキング判定装置10とを備える。
(First embodiment)
[Overall configuration of knocking determination system]
With reference to FIG. 2, the overall configuration of the knock determination system 100 according to the first embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the knock determination system 100 determines whether or not the engine 1 to be tested is knocked, and includes a sound pressure sensor 4, an in-cylinder pressure sensor 5, a data collection device 6, and a monitor 7. And a knocking determination device 10.

図2に示すように、試験対象のエンジン1は、車両3に搭載されている。なお、試験対象のエンジン1は、車両3に搭載されない状態、例えば単独の状態で用いられてもよい。エンジン1には、エンジン1の駆動を制御するエンジンECU(Electronic Control Unit)2が接続されている。エンジンECU2は、エンジンコントロールユニットであって、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random access memory)、その他の記憶装置等で構成されている。エンジンECU2は、ROMや記憶装置に記憶されたプログラムをCPUで演算処理することで、エンジン1の駆動制御に必要な各種情報をエンジンECU2の外部から取得しながらエンジン1の駆動を制御する。   As shown in FIG. 2, the engine 1 to be tested is mounted on a vehicle 3. The engine 1 to be tested may be used in a state where it is not mounted on the vehicle 3, for example, in a single state. An engine ECU (Electronic Control Unit) 2 that controls driving of the engine 1 is connected to the engine 1. The engine ECU 2 is an engine control unit, and includes a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and other storage devices. The engine ECU 2 controls the driving of the engine 1 while acquiring various information necessary for driving control of the engine 1 from outside the engine ECU 2 by performing arithmetic processing on the program stored in the ROM or the storage device.

エンジンECU2は、エンジン1の現在の回転角度を表す角度情報をデータ収集装置6に出力する。角度情報には、例えば回転パルスとクランク角度パルスとが含まれる。回転パルスは、クランク軸の回転角度が原点として定められた角度で出力される信号であって、例えば、クランク軸が1回転するごとに1パルス出力される。クランク角度パルスは、クランク軸の回転角度が単位角度進むごとに出力される信号であって、例えば、1°毎に1パルスが出力される場合、吸入、圧縮、燃焼及び排気の4行程を1サイクルとする4ストロークエンジンにおいて、1サイクルにクランク軸が回転する2回転の間に720パルス出力される。なお、角度情報がデータ収集装置6に入力されるのであれば、エンジンECU2を介さず、クランク軸の回転角度の原点を検出する原点センサや、クランク軸の回転角度を検出する角度センサからの角度情報がデータ収集装置6に入力されてもよい。   The engine ECU 2 outputs angle information representing the current rotation angle of the engine 1 to the data collection device 6. The angle information includes, for example, a rotation pulse and a crank angle pulse. The rotation pulse is a signal that is output at an angle in which the rotation angle of the crankshaft is determined as the origin, and for example, one pulse is output each time the crankshaft rotates once. The crank angle pulse is a signal that is output every time the rotation angle of the crankshaft advances by a unit angle. For example, when one pulse is output every 1 °, four strokes of intake, compression, combustion, and exhaust are performed by one. In a 4-stroke engine having a cycle, 720 pulses are output between two rotations in which the crankshaft rotates in one cycle. If the angle information is input to the data collection device 6, the angle from the origin sensor that detects the origin of the rotation angle of the crankshaft or the angle sensor that detects the rotation angle of the crankshaft without passing through the engine ECU 2. Information may be input to the data collection device 6.

エンジン1の近くには、音圧センサ4が設置されている。音圧センサ4は、エンジン1から発生する音を検出し、この検出した音に基づく音圧信号をデータ収集装置6に出力する。詳述すると、音圧センサ4は、エンジン1に発生する圧力変動に基づく物理量の一例である音圧を検出し、検出された音圧の大きさを示す音圧信号を生成する。よって、エンジン1にノッキングが発生していないとき、音圧センサ4から出力される音圧信号には、ノッキングに相関のある音は含まれない。一方、エンジン1にノッキングが発生しているとき、音圧センサ4から出力される音圧信号には、ノッキングに相関のある音が含まれている。   A sound pressure sensor 4 is installed near the engine 1. The sound pressure sensor 4 detects the sound generated from the engine 1 and outputs a sound pressure signal based on the detected sound to the data collection device 6. More specifically, the sound pressure sensor 4 detects a sound pressure that is an example of a physical quantity based on a pressure fluctuation generated in the engine 1 and generates a sound pressure signal that indicates the magnitude of the detected sound pressure. Therefore, when the engine 1 is not knocked, the sound pressure signal output from the sound pressure sensor 4 does not include sound correlated with knocking. On the other hand, when knocking occurs in the engine 1, the sound pressure signal output from the sound pressure sensor 4 includes a sound correlated with knocking.

エンジン1には、エンジン1の筒内圧を検出する筒内圧センサ5を取り付ける。筒内圧センサ5は、筒内の燃焼ガス振動に応じた波形成分を含む筒内圧信号をデータ収集装置6に出力する。ここで、エンジン1にノッキングが発生していないとき、筒内圧センサ5から出力される筒内圧信号には、ノッキングに相関した成分が含まれない。一方、エンジン1にノッキングが発生しているとき、筒内圧センサ5から出力される筒内圧信号には、ノッキングに相関した成分が含まれている。筒内圧センサ5は、点火プラグと一体化したものを用いてもよいし、点火プラグとは別個に構成されたものを用いてもよい。   An in-cylinder pressure sensor 5 that detects the in-cylinder pressure of the engine 1 is attached to the engine 1. The in-cylinder pressure sensor 5 outputs an in-cylinder pressure signal including a waveform component corresponding to the combustion gas vibration in the cylinder to the data collection device 6. Here, when knocking does not occur in the engine 1, the in-cylinder pressure signal output from the in-cylinder pressure sensor 5 does not include a component correlated with knocking. On the other hand, when knocking occurs in the engine 1, the in-cylinder pressure signal output from the in-cylinder pressure sensor 5 includes a component correlated with knocking. The in-cylinder pressure sensor 5 may be integrated with the spark plug, or may be configured separately from the spark plug.

データ収集装置6は、音圧センサ4からの音圧信号を入力してA/D変換する。また、データ収集装置6は、音圧信号を入力するタイミングで、エンジンECU2から現在の角度情報を取得する。そして、データ収集装置6は、角度情報に基づいてエンジン1の1サイクル分の音圧信号を取得する。よって、4ストローク単気筒エンジンを例とすると、データ収集装置6は、単位時間当たりのエンジン1の回転速度に応じた数、例えば、回転速度が3000[r/min]であれば一分間に1500個の音圧信号を生成する。また、データ収集装置6は、一部又は全部の音圧信号に角度情報を関連付ける。そして、データ収集装置6は、角度情報が関連付けられた音圧信号をノッキング判定装置10に出力する。なお、データ収集装置6は、音圧信号を一時的に保持したり、一旦蓄えたりしてからノッキング判定装置10に出力してもよい。また、データ収集装置6は、音圧信号に時刻情報を関連付けてもよい。   The data collection device 6 inputs the sound pressure signal from the sound pressure sensor 4 and performs A / D conversion. Further, the data collection device 6 acquires current angle information from the engine ECU 2 at the timing of inputting the sound pressure signal. The data collection device 6 acquires a sound pressure signal for one cycle of the engine 1 based on the angle information. Therefore, taking a four-stroke single cylinder engine as an example, the data collection device 6 is a number corresponding to the rotational speed of the engine 1 per unit time, for example, 1500 per minute if the rotational speed is 3000 [r / min]. A sound pressure signal is generated. Further, the data collection device 6 associates angle information with part or all of the sound pressure signals. Then, the data collection device 6 outputs a sound pressure signal associated with the angle information to the knocking determination device 10. Note that the data collection device 6 may temporarily hold the sound pressure signal or temporarily store the sound pressure signal and then output it to the knocking determination device 10. The data collection device 6 may associate time information with the sound pressure signal.

モニタ7は、ノッキング判定装置10が推定したエンジン1の筒内圧や、ノッキング判定装置10によるノッキング有無の判定結果を表示する。なお、モニタ7の一例として、一般的なフラットパネルディスプレイがある。   The monitor 7 displays the in-cylinder pressure of the engine 1 estimated by the knocking determination device 10 and the determination result of the presence or absence of knocking by the knocking determination device 10. An example of the monitor 7 is a general flat panel display.

ノッキング判定装置10は、マスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hを学習する。また、ノッキング判定装置10は、学習したネットワークにより生成されたマスクα及び伝達関数Hを用いて、エンジン1の筒内圧を推定し、推定したエンジン1の筒内圧に基づいて、ノッキングの有無を判定する。そして、ノッキング判定装置10は、推定したエンジン1の筒内圧や、ノッキング有無の判定結果をモニタ7に表示する。   The knocking determination device 10 learns the weight of the network that generates the mask α and the transfer function H. Further, the knock determination device 10 estimates the in-cylinder pressure of the engine 1 using the mask α and the transfer function H generated by the learned network, and determines the presence or absence of knocking based on the estimated in-cylinder pressure of the engine 1. To do. The knocking determination device 10 displays the estimated in-cylinder pressure of the engine 1 and the determination result of the presence or absence of knocking on the monitor 7.

ここで、ノッキング判定装置10は、CPU、ROM、RAM、その他の記憶装置等で構成されている。ノッキング判定装置10は、ROMや記憶装置に記憶されているプログラムをCPUで演算処理する。なお、ノッキング判定装置10は、以下の処理を実行するプログラムを有するパーソナルコンピュータ(PC)等であってもよい。   Here, the knock determination device 10 includes a CPU, a ROM, a RAM, and other storage devices. The knocking determination device 10 performs arithmetic processing on a program stored in a ROM or a storage device by a CPU. The knocking determination device 10 may be a personal computer (PC) having a program for executing the following processing.

本実施形態では、ノッキング判定装置10は、学習モード、閾値算出モード、判定モードという3つの動作モードで動作する。1つ目の学習モードは、マスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hを学習する動作モードである。2つ目の閾値算出モードは、マスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hの学習後、ノッキングの有無を閾値判定するときの閾値を算出する動作モードである。3つ目の判定モードは、学習したネットワークにより生成されたマスクα及び伝達関数Hを用いて、ノッキングの有無を判定する動作モードである。これら3つの動作モードは、任意に切り替えることができる。例えば、図示を省略した管理装置により、CAN(Controller Area Network)を介して、ノッキング判定装置10の動作モードを切り替えることができる。また、図示を省略したマウス、キーボード等の操作手段を用いて、ノッキング判定装置10の動作モードを切り替えてもよい。   In the present embodiment, the knocking determination device 10 operates in three operation modes: a learning mode, a threshold calculation mode, and a determination mode. The first learning mode is an operation mode in which the network weight for generating the mask α and the transfer function H are learned. The second threshold value calculation mode is an operation mode for calculating a threshold value when determining whether or not knocking is present after learning the weight of the network for generating the mask α and the transfer function H. The third determination mode is an operation mode in which the presence or absence of knocking is determined using the mask α and transfer function H generated by the learned network. These three operation modes can be switched arbitrarily. For example, the operation mode of the knock determination device 10 can be switched by a management device (not shown) via a CAN (Controller Area Network). Further, the operation mode of the knocking determination device 10 may be switched using an operation unit such as a mouse or a keyboard (not shown).

学習モードの場合、ノッキングが発生する運転条件、及び、ノッキングが発生しない運転条件でそれぞれエンジン1を運転し、データ収集装置6が、教師データとして、筒内圧信号を収集することとする。このとき、データ収集装置6は、筒内圧センサ5からの筒内圧信号を入力してA/D変換し、これを音圧信号に関連付けておく。
閾値算出モードの場合、ノッキングが発生しない運転条件でエンジン1を運転し、データ収集装置6が、音圧信号を収集することとする。
なお、閾値算出モード又は判定モードの場合、データ収集装置6が、筒内圧信号を収集する必要はない。
In the learning mode, the engine 1 is operated under the driving conditions where knocking occurs and the driving conditions where knocking does not occur, and the data collection device 6 collects the in-cylinder pressure signal as teacher data. At this time, the data collection device 6 inputs the in-cylinder pressure signal from the in-cylinder pressure sensor 5, performs A / D conversion, and associates this with the sound pressure signal.
In the threshold calculation mode, the engine 1 is operated under an operation condition in which knocking does not occur, and the data collection device 6 collects a sound pressure signal.
In the threshold calculation mode or determination mode, the data collection device 6 does not need to collect the in-cylinder pressure signal.

[ノッキング判定装置の構成]
図3を参照し、ノッキング判定装置10の構成について説明する。図3に示すように、ノッキング判定装置10は、信号切出部11と、スペクトル算出部12と、信号記憶部13と、スイッチ14と、学習処理部(学習装置)20と、判定処理部(推定装置)30とを備える。ここで、ノッキング判定装置10は、データ収集装置6から、音圧信号と、この音圧信号に関連付けられた角度情報とが入力される。さらに、学習モードの場合、ノッキング判定装置10は、データ収集装置6から筒内圧信号が入力される。
[Configuration of knock determination device]
With reference to FIG. 3, the structure of the knock determination apparatus 10 is demonstrated. As illustrated in FIG. 3, the knock determination device 10 includes a signal extraction unit 11, a spectrum calculation unit 12, a signal storage unit 13, a switch 14, a learning processing unit (learning device) 20, and a determination processing unit ( Estimation device) 30. Here, the knock determination device 10 receives the sound pressure signal and the angle information associated with the sound pressure signal from the data collection device 6. Furthermore, in the learning mode, the knocking determination device 10 receives an in-cylinder pressure signal from the data collection device 6.

信号切出部11は、データ収集装置6から入力された角度情報に基づいて、所定の切出角度範囲を音圧信号から切り出す。例えば、切出角度範囲は、点火位置やTDC(Top Dead Center)付近から約90°の角度範囲である。本実施形態では、点火タイミングが変更されても切出角度範囲は固定されたままであるが、点火タイミングの変更に応じて切出角度範囲を変更してもよい。   The signal cutout unit 11 cuts out a predetermined cutout angle range from the sound pressure signal based on the angle information input from the data collection device 6. For example, the cut-out angle range is an angle range of about 90 ° from the ignition position or near the TDC (Top Dead Center). In the present embodiment, the cut-out angle range remains fixed even when the ignition timing is changed, but the cut-out angle range may be changed according to the change in the ignition timing.

図4に示すように、一般的には、エンジン1が4気筒の場合、1気筒目と2気筒目の燃焼行程が540°ずれる。また、1気筒目と3気筒目の燃焼行程が180°ずれ、1気筒目と4気筒目の燃焼行程が360°ずれる。そこで、信号切出部11は、角度情報から各気筒の燃焼行程タイミングを算出し、算出した燃焼行程タイミングに合わせて、4気筒分の音圧信号を切り出す。このとき、信号切出部11は、切り出した音圧信号に、各気筒を一意に識別する識別情報を関連付けてもよい。
その後、信号切出部11は、切り出した音圧信号をスペクトル算出部12に出力する。
As shown in FIG. 4, generally, when the engine 1 has four cylinders, the combustion strokes of the first cylinder and the second cylinder are shifted by 540 °. Further, the combustion strokes of the first cylinder and the third cylinder are shifted by 180 °, and the combustion strokes of the first cylinder and the fourth cylinder are shifted by 360 °. Therefore, the signal cutout unit 11 calculates the combustion stroke timing of each cylinder from the angle information, and cuts out sound pressure signals for four cylinders in accordance with the calculated combustion stroke timing. At this time, the signal cutout unit 11 may associate identification information for uniquely identifying each cylinder with the cut out sound pressure signal.
Thereafter, the signal cutout unit 11 outputs the cut out sound pressure signal to the spectrum calculation unit 12.

スペクトル算出部12は、信号切出部11が切り出した音圧信号に対して時間周波数領域で離散フーリエ変換を行い、音圧信号の時間周波数成分(スペクトル)を算出する。離散フーリエ変換は、例えば、離散フーリエ変換を高速に計算する高速フーリエ変換により行われる。
その後、スペクトル算出部12は、時間周波数領域に変換した音圧信号を信号記憶部13に書き込む。
The spectrum calculation unit 12 performs discrete Fourier transform on the sound pressure signal cut out by the signal cutout unit 11 in the time frequency domain, and calculates a time frequency component (spectrum) of the sound pressure signal. The discrete Fourier transform is performed by, for example, a fast Fourier transform that calculates the discrete Fourier transform at high speed.
Thereafter, the spectrum calculation unit 12 writes the sound pressure signal converted into the time frequency domain into the signal storage unit 13.

信号記憶部13は、スペクトル算出部12が変換した音圧信号を記憶するメモリ、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)等の記憶装置である。なお、学習モードの場合、信号記憶部13は、データ収集装置6から入力された筒内圧信号を、教師データとして記憶してもよい。   The signal storage unit 13 is a storage device such as a memory that stores the sound pressure signal converted by the spectrum calculation unit 12, an HDD (Hard Disk Drive), or an SSD (Solid State Drive). In the learning mode, the signal storage unit 13 may store the in-cylinder pressure signal input from the data collection device 6 as teacher data.

スイッチ14は、ノッキング判定装置10の動作モードに応じて、信号記憶部13に記憶されている信号の出力先を選択し、選択した出力先に信号を出力する。学習モードの場合、スイッチ14は、後記する学習部21を出力先として選択し、信号記憶部13に記憶されている音圧信号及び筒内圧信号を学習部21に出力する。閾値算出モードの場合、スイッチ14は、後記する第1推定部23を出力先として選択し、信号記憶部13に記憶されている音圧信号を第1推定部23に出力する。判定モードの場合、スイッチ14は、後記する第2推定部31を出力先として選択し、信号記憶部13に記憶されている音圧信号を第2推定部31に出力する。   The switch 14 selects the output destination of the signal stored in the signal storage unit 13 according to the operation mode of the knocking determination device 10, and outputs the signal to the selected output destination. In the learning mode, the switch 14 selects a learning unit 21 described later as an output destination, and outputs the sound pressure signal and the in-cylinder pressure signal stored in the signal storage unit 13 to the learning unit 21. In the threshold calculation mode, the switch 14 selects a first estimation unit 23 described later as an output destination, and outputs the sound pressure signal stored in the signal storage unit 13 to the first estimation unit 23. In the determination mode, the switch 14 selects a second estimation unit 31 described later as an output destination, and outputs the sound pressure signal stored in the signal storage unit 13 to the second estimation unit 31.

<学習処理部>
学習処理部20は、学習モードにおいて、マスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hを学習する学習処理(図9)を行い、閾値算出モードにおいて、エンジン1の推定筒内圧の閾値判定に用いる閾値を算出する閾値算出処理(図10)を行う。図3に示すように、学習処理部20は、学習部21と、学習済みパラメータ記憶部22と、第1推定部23と、閾値算出部24と、閾値記憶部25とを備える。
<Learning processing unit>
The learning processing unit 20 performs a learning process (FIG. 9) for learning the weight of the network for generating the mask α and the transfer function H in the learning mode (FIG. 9), and is used for threshold determination of the estimated in-cylinder pressure of the engine 1 in the threshold calculation mode. A threshold value calculation process (FIG. 10) for calculating the threshold value is performed. As illustrated in FIG. 3, the learning processing unit 20 includes a learning unit 21, a learned parameter storage unit 22, a first estimation unit 23, a threshold calculation unit 24, and a threshold storage unit 25.

学習部21は、学習モードにおいて、ニューラルネットワークにより、雑音を除去し、かつ、ノッキング音を抽出するマスクαを生成するネットワークの重みと、学習したネットワークにより生成されたマスクαで抽出したノッキング音をノッキング発生時のエンジン1の筒内圧に変換する伝達関数Hとを学習する。本実施形態では、学習部21は、スイッチ14から入力された音圧信号及び筒内圧信号を用いて、マスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hを学習する。
その後、学習部21は、学習したマスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hを学習済みパラメータ記憶部22に書き込む。
In the learning mode, the learning unit 21 uses the neural network to remove the noise and extract the knocking sound extracted by the mask α generated by the learned network and the network weight for generating the mask α for extracting the knocking sound. A transfer function H that is converted into in-cylinder pressure of the engine 1 when knocking occurs is learned. In the present embodiment, the learning unit 21 learns the network weight and transfer function H for generating the mask α using the sound pressure signal and the in-cylinder pressure signal input from the switch 14.
Thereafter, the learning unit 21 writes the weight of the network that generates the learned mask α and the transfer function H in the learned parameter storage unit 22.

<<マスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hの学習>>
図5〜図7を参照し、マスクαを生成するネットワーク(マスク生成ネットワーク94A)の重み及び伝達関数Hの学習について説明する。図5に示すように、雑音が含まれるエンジン近傍音90にマスクαを乗じると、その雑音が除去されたエンジン近傍音91を求めることができる。そして、雑音が除去されたエンジン近傍音91に伝達関数Hを乗じると、音圧から筒内圧に物理量が変換され、エンジン1の推定筒内圧92を求めることができる。
<< Learning of network weight and transfer function H for generating mask α >>
The learning of the weight of the network (mask generation network 94A) that generates the mask α and the transfer function H will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 5, when the engine vicinity sound 90 including noise is multiplied by a mask α, the engine vicinity sound 91 from which the noise is removed can be obtained. When the noise near the engine vicinity sound 91 is multiplied by the transfer function H, the physical quantity is converted from the sound pressure to the in-cylinder pressure, and the estimated in-cylinder pressure 92 of the engine 1 can be obtained.

なお、雑音が含まれるエンジン近傍音90を短時間フーリエ変換した時間−周波数マップの一例を図6(a)に示し、マスクαの時間−周波数マップの一例を図6(b)に示した。また、雑音を除去したエンジン近傍音91の時間−周波数マップの一例を図6(c)に示し、推定筒内圧92の時間−周波数マップの一例を図6(d)に示した。   An example of a time-frequency map obtained by performing a short-time Fourier transform on the engine vicinity sound 90 including noise is shown in FIG. 6A, and an example of a time-frequency map of the mask α is shown in FIG. 6B. An example of the time-frequency map of the engine vicinity sound 91 from which noise is removed is shown in FIG. 6C, and an example of the time-frequency map of the estimated in-cylinder pressure 92 is shown in FIG.

そこで、学習部21は、教師データである実測筒内圧93と推定筒内圧92との誤差が最小となるように、ニューラルネットワーク94により、マスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hを学習すればよい。本実施形態では、学習部21は、畳み込みニューラルネットワーク(CNN:Convolutional Neural Network)によりマスクαを生成するネットワークの重みを学習する。さらに、学習部21は、伝達関数Hとして、音圧信号の時間周波数成分に乗じる重みを学習する。   Therefore, the learning unit 21 learns the network weight and the transfer function H for generating the mask α by the neural network 94 so that the error between the measured in-cylinder pressure 93 and the estimated in-cylinder pressure 92 that is the teacher data is minimized. That's fine. In the present embodiment, the learning unit 21 learns the weight of the network that generates the mask α by using a convolutional neural network (CNN). Further, the learning unit 21 learns the weight to be multiplied by the time frequency component of the sound pressure signal as the transfer function H.

図7に示すように、マスクαを生成するネットワークの重みを学習する畳み込みニューラルネットワークの一例として、U−Net95がある。このU−Net95は、Encoder‐Decoderモデルの一種で、画像認識や音の分離に使用されている深層学習の一手法である。音の分離において、U−Net95では、下向きパス96(Encoder)で畳み込み(ストライドは2以上)を行い、階層97が深くなるにつれて音の特徴を抽出する。一方、上向きパス98(Decoder)では、抽出された音の特徴から逆畳み込みとUPサンプリング(膨張)を行うことによりマスクαを生成する。ここまでは、一般的なEncoder‐Decoderモデルの構成である。さらに、U−Net95では、各Encoderの畳み込み層からの出力99をDecoderの畳み込み層にマージする。これにより、U−Net95では、一般的なEncoder‐Decoderモデルよりも高精度なマスクαを生成できる。   As shown in FIG. 7, U-Net 95 is an example of a convolutional neural network that learns the weight of the network that generates the mask α. This U-Net95 is a kind of Encoder-Decoder model, and is a method of deep learning used for image recognition and sound separation. In the sound separation, the U-Net 95 performs convolution (stride is 2 or more) in the downward path 96 (Encoder), and extracts the sound features as the layer 97 becomes deeper. On the other hand, in the upward path 98 (Decoder), a mask α is generated by performing deconvolution and UP sampling (expansion) from the extracted sound features. Up to this point, the configuration is a general Encoder-Decoder model. Further, in U-Net 95, the output 99 from each Encoder's convolution layer is merged with the Decoder's convolution layer. As a result, the U-Net 95 can generate a mask α with higher accuracy than a general Encoder-Decoder model.

このように、学習部21がU−Netでマスクαを生成するネットワークの重みを学習するので、学習したネットワークにより生成されたマスクαがエンジン1の近傍音に応じて適切に変化するものとなる。これにより、ノッキング判定装置10は、エンジン1の筒内圧を正確に推定することができる。   In this way, the learning unit 21 learns the weight of the network that generates the mask α using U-Net, so that the mask α generated by the learned network changes appropriately according to the nearby sound of the engine 1. . Thereby, knock determination device 10 can accurately estimate the in-cylinder pressure of engine 1.

なお、U−Netは、下記の参考文献に詳細に記載されているため、これ以上の説明を省略する。
参考文献:SINGING VOICE SEPARATION WITH DEEP U-NET CONVOLUTIONAL NETWORKS, Andreas Jansson , Proceedings of the 18th ISMIR Conference, Suzhou, China, October 23-27, 2017
Since U-Net is described in detail in the following references, further explanation is omitted.
References: SINGING VOICE SEPARATION WITH DEEP U-NET CONVOLUTIONAL NETWORKS, Andreas Jansson, Proceedings of the 18th ISMIR Conference, Suzhou, China, October 23-27, 2017

また、図7に示すように、伝達関数Hは、周波数軸方向で時間不変のフィルタとして機能する。本実施形態では、マスクαにより抽出されたノッキング音(雑音を除去したエンジン近傍音91)と同じ時間幅まで伝達関数Hを複製し、マスクαにより抽出されたノッキング音(雑音を除去したエンジン近傍音91)と複製した伝達関数Hとの要素積を求める。   Also, as shown in FIG. 7, the transfer function H functions as a time-invariant filter in the frequency axis direction. In the present embodiment, the transfer function H is replicated up to the same time width as the knocking sound extracted by the mask α (the engine vicinity sound 91 from which noise has been removed), and the knocking sound extracted from the mask α (the vicinity of the engine from which noise has been removed). The element product of the sound 91) and the copied transfer function H is obtained.

図3に戻り、ノッキング判定装置10の構成について説明を続ける。
学習済みパラメータ記憶部22は、学習済みのパラメータ(マスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数H)を記憶するメモリ、HDD、SSD等の記憶装置である。
Returning to FIG. 3, the description of the configuration of knock determination device 10 will be continued.
The learned parameter storage unit 22 is a storage device such as a memory, an HDD, or an SSD that stores learned parameters (a network weight for generating the mask α and a transfer function H).

第1推定部23は、閾値算出モードにおいて、ニューラルネットワークにより、学習したネットワークにより生成されたマスクα及び伝達関数Hを用いて、音圧信号からエンジン1の筒内圧を推定する。この第1推定部23が推定した筒内圧は、後記する閾値を算出するときに利用される。具体的には、第1推定部23は、学習済みパラメータ記憶部22のマスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hが反映されたニューラルネットワークに、スイッチ14から入力された音圧信号を入力する。すると、学習したネットワークにより生成されたマスクαが、音圧信号に含まれる雑音を除去し、かつ、音圧信号からノッキング音を抽出する。そして、伝達関数Hが、マスクαにより抽出されたノッキング音をノッキング発生時の筒内圧に変換する。
その後、第1推定部23は、推定筒内圧を閾値算出部24に出力する。
In the threshold calculation mode, the first estimation unit 23 estimates the in-cylinder pressure of the engine 1 from the sound pressure signal using the mask α and the transfer function H generated by the learned network by the neural network. The in-cylinder pressure estimated by the first estimation unit 23 is used when calculating a threshold value to be described later. Specifically, the first estimation unit 23 inputs the sound pressure signal input from the switch 14 to the neural network in which the weight of the network that generates the mask α of the learned parameter storage unit 22 and the transfer function H are reflected. To do. Then, the mask α generated by the learned network removes noise included in the sound pressure signal and extracts a knocking sound from the sound pressure signal. Then, the transfer function H converts the knocking sound extracted by the mask α into the in-cylinder pressure when knocking occurs.
Thereafter, the first estimation unit 23 outputs the estimated in-cylinder pressure to the threshold value calculation unit 24.

閾値算出部24は、第1推定部23が推定したエンジン1の筒内圧に基づいて閾値を算出する。具体的には、閾値算出部24は、推定筒内圧の時間周波数成分を所定時間(例えば、エンジン1の1サイクル)毎に総和する。例えば、図6(d)の推定筒内圧を総和すると、気筒別に1つのスコアが求められる。続いて、閾値算出部24は、所定時間毎に総和した推定筒内圧の中央値を算出する。例えば、閾値算出部24は、全てのサイクルについて、推定筒内圧の総和の中央値を算出する。このとき、閾値算出部24は、任意の値で予め設定したマージンを中央値に加算し、閾値とする。なお、閾値算出部24は、気筒毎に推定筒内圧を総和して中央値を求め、気筒毎の閾値を算出してもよい。一方、閾値算出部24は、各気筒で推定筒内圧を総和し、全気筒で中央値を求め、全気筒で共通の閾値を算出してもよい。
その後、閾値算出部24は、算出した閾値を閾値記憶部25に書き込む。
The threshold calculation unit 24 calculates a threshold based on the in-cylinder pressure of the engine 1 estimated by the first estimation unit 23. Specifically, the threshold value calculation unit 24 sums up the time frequency components of the estimated in-cylinder pressure every predetermined time (for example, one cycle of the engine 1). For example, when the estimated in-cylinder pressure in FIG. 6D is summed, one score is obtained for each cylinder. Subsequently, the threshold value calculation unit 24 calculates the median value of the estimated in-cylinder pressures summed up every predetermined time. For example, the threshold calculation unit 24 calculates the median value of the sum of the estimated in-cylinder pressures for all cycles. At this time, the threshold value calculation unit 24 adds a margin preset with an arbitrary value to the median value to obtain a threshold value. The threshold calculation unit 24 may calculate the threshold for each cylinder by summing the estimated in-cylinder pressure for each cylinder to obtain a median value. On the other hand, the threshold value calculation unit 24 may sum the estimated in-cylinder pressure for each cylinder, obtain a median value for all cylinders, and calculate a common threshold value for all cylinders.
Thereafter, the threshold value calculation unit 24 writes the calculated threshold value in the threshold value storage unit 25.

閾値記憶部25は、閾値算出部24が算出した閾値を記憶するメモリ、HDD、SSD等の記憶装置である。   The threshold storage unit 25 is a storage device such as a memory, HDD, or SSD that stores the threshold calculated by the threshold calculation unit 24.

判定処理部30は、判定モードにおいて、音圧信号からエンジン1の筒内圧を推定し、ノッキングの有無を判定する判定処理(図11)を行う。図3に示すように、判定処理部30は、第2推定部31と、閾値判定部32とを備える。   In the determination mode, the determination processing unit 30 estimates the in-cylinder pressure of the engine 1 from the sound pressure signal, and performs a determination process (FIG. 11) for determining the presence or absence of knocking. As illustrated in FIG. 3, the determination processing unit 30 includes a second estimation unit 31 and a threshold determination unit 32.

第2推定部31は、判定モードにおいて、ニューラルネットワークにより、学習したネットワークにより生成されたマスクα及び伝達関数Hを用いて、音圧信号から推定筒内圧を推定する。この第2推定部31が推定した筒内圧は、後記する閾値判定に利用される。なお、第2推定部31の処理内容は、第1推定部23と同様のため、説明を省略する。
その後、第2推定部31は、推定筒内圧を閾値判定部32に出力する。
In the determination mode, the second estimation unit 31 estimates the estimated in-cylinder pressure from the sound pressure signal using the mask α and the transfer function H generated by the learned network by the neural network. The in-cylinder pressure estimated by the second estimation unit 31 is used for threshold determination described later. Note that the processing content of the second estimation unit 31 is the same as that of the first estimation unit 23, and thus the description thereof is omitted.
Thereafter, the second estimation unit 31 outputs the estimated in-cylinder pressure to the threshold determination unit 32.

閾値判定部32は、判定モードにおいて、閾値記憶部25に記憶されている閾値と、第2推定部31が推定した筒内圧との閾値判定により、ノッキングの有無を判定する。具体的には、閾値判定部32は、閾値算出部24と同様、推定筒内圧の時間周波数成分を所定時間毎に総和する。そして、閾値判定部32は、総和した推定筒内圧と閾値とを比較し、推定筒内圧が閾値を超えている場合にはノッキング有りと判定し、推定筒内圧が閾値未満の場合にはノッキング無しと判定する。
その後、閾値判定部32は、ノッキング有無の判定結果と、第2推定部31から入力された推定筒内圧の時間−周波数マップとをモニタ7(図2)に出力する。
In the determination mode, the threshold determination unit 32 determines the presence / absence of knocking by performing threshold determination between the threshold stored in the threshold storage unit 25 and the in-cylinder pressure estimated by the second estimation unit 31. Specifically, the threshold determination unit 32 sums up the time frequency components of the estimated in-cylinder pressure every predetermined time, like the threshold calculation unit 24. Then, the threshold determination unit 32 compares the total estimated in-cylinder pressure with the threshold, determines that knocking is present when the estimated in-cylinder pressure exceeds the threshold, and does not knock when the estimated in-cylinder pressure is less than the threshold. Is determined.
Thereafter, the threshold determination unit 32 outputs the determination result of the presence / absence of knocking and the time-frequency map of the estimated in-cylinder pressure input from the second estimation unit 31 to the monitor 7 (FIG. 2).

[ノッキング判定装置の動作]
以下、ノッキング判定装置10の動作について説明する。学習モードの場合、ノッキング判定装置10は、図8のデータ収集処理を行った後、図9の学習処理を行う。閾値算出モードの場合、ノッキング判定装置10は、図8のデータ収集処理を行った後、図10の閾値算出処理を行う。判定モードの場合、ノッキング判定装置10は、図8のデータ収集処理を行った後、図11の判定処理を行う。
[Operation of knocking determination device]
Hereinafter, the operation of the knock determination device 10 will be described. In the learning mode, the knocking determination apparatus 10 performs the learning process of FIG. 9 after performing the data collection process of FIG. In the threshold calculation mode, the knocking determination apparatus 10 performs the threshold calculation process of FIG. 10 after performing the data collection process of FIG. In the determination mode, the knocking determination apparatus 10 performs the determination process of FIG. 11 after performing the data collection process of FIG.

<データ収集処理>
図8を参照し、学習モード、閾値算出モード及び判定モードで実行されるデータ収集処理を説明する。
図8に示すように、ステップS20において、データ収集装置6が、音圧信号、筒内圧力信号(教師データ)、及び、角度情報を信号切出部11に入力する。なお、閾値算出モード又は判定モードの場合、ステップS20では、筒内圧力信号を入力する必要がない。
ステップS21において、信号切出部11は、角度情報から各気筒の燃焼行程タイミングを算出する。
ステップS22において、信号切出部11は、ステップS21で算出した燃焼行程タイミングに合わせて、TDC付近の音圧信号を切り出す。
ステップS23において、スペクトル算出部12は、ステップS22で切り出した音圧信号に対して高速フーリエ変換を行い、時間周波数成分を算出する。
ステップS24において、スペクトル算出部12は、時間周波数領域に変換した音圧信号を信号記憶部13に書き込む。
<Data collection processing>
With reference to FIG. 8, the data collection process executed in the learning mode, the threshold value calculation mode, and the determination mode will be described.
As shown in FIG. 8, in step S <b> 20, the data collection device 6 inputs a sound pressure signal, an in-cylinder pressure signal (teacher data), and angle information to the signal cutout unit 11. In the threshold calculation mode or determination mode, it is not necessary to input an in-cylinder pressure signal in step S20.
In step S <b> 21, the signal cutout unit 11 calculates the combustion stroke timing of each cylinder from the angle information.
In step S22, the signal cutout unit 11 cuts out a sound pressure signal near the TDC in accordance with the combustion stroke timing calculated in step S21.
In step S23, the spectrum calculation unit 12 performs fast Fourier transform on the sound pressure signal cut out in step S22 to calculate a time frequency component.
In step S <b> 24, the spectrum calculation unit 12 writes the sound pressure signal converted into the time frequency domain in the signal storage unit 13.

<学習処理>
図9を参照し、学習モードで実行される学習処理を説明する。
図9に示すように、ステップS30において、スイッチ14は、信号記憶部13から音圧信号及び筒内圧信号を読み出して、学習部21に入力する。
ステップS31において、学習部21は、ステップS30で入力された音圧信号及び筒内圧信号を用いて、マスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hを学習する。学習部21は、畳み込みニューラルネットワーク(例えば、U−Net)によりマスクαを生成するネットワークの重みを学習し、伝達関数Hとして、音圧信号の時間周波数成分に乗じる重みを学習する。
ステップS32において、学習部21は、学習したマスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hを学習済みパラメータ記憶部22に書き込む。
<Learning process>
The learning process executed in the learning mode will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 9, in step S <b> 30, the switch 14 reads out the sound pressure signal and the in-cylinder pressure signal from the signal storage unit 13 and inputs them to the learning unit 21.
In step S31, the learning unit 21 learns the network weight and transfer function H for generating the mask α using the sound pressure signal and the in-cylinder pressure signal input in step S30. The learning unit 21 learns the weight of the network that generates the mask α using a convolutional neural network (for example, U-Net), and learns the weight to be multiplied by the time frequency component of the sound pressure signal as the transfer function H.
In step S <b> 32, the learning unit 21 writes the weight of the network that generates the learned mask α and the transfer function H in the learned parameter storage unit 22.

<閾値算出処理>
図10を参照し、閾値算出モードで実行される閾値算出処理を説明する。
図10に示すように、ステップS40において、第1推定部23は、ニューラルネットワークにより、信号記憶部13のマスクα及び伝達関数Hを用いて、音圧信号からエンジン1の筒内圧を推定する。
ステップS41において、閾値算出部24は、エンジン1の各サイクルで推定筒内圧の時間周波数成分を総和する。
ステップS42において、閾値算出部24は、全サイクルにおいて、総和した推定筒内圧の中央値を算出する。
ステップS43において、閾値算出部24は、予め設定したマージンを中央値に加算し、閾値とする。
ステップS44において、閾値算出部24は、算出した閾値を閾値記憶部25に書き込む。
<Threshold calculation processing>
With reference to FIG. 10, the threshold value calculation process executed in the threshold value calculation mode will be described.
As shown in FIG. 10, in step S40, the first estimation unit 23 estimates the in-cylinder pressure of the engine 1 from the sound pressure signal using the mask α and the transfer function H of the signal storage unit 13 by a neural network.
In step S <b> 41, the threshold value calculation unit 24 sums up the time frequency components of the estimated in-cylinder pressure in each cycle of the engine 1.
In step S42, the threshold value calculation unit 24 calculates the median value of the estimated estimated in-cylinder pressure in all cycles.
In step S43, the threshold value calculation unit 24 adds a preset margin to the median value to obtain a threshold value.
In step S <b> 44, the threshold calculation unit 24 writes the calculated threshold in the threshold storage unit 25.

<判定処理>
図11を参照し、判定モードで実行される判定処理を説明する。
図11に示すように、ステップS50において、第2推定部31は、ニューラルネットワークにより、学習済みパラメータ記憶部22のマスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hを用いて、信号記憶部13より入力された音圧信号からエンジン1の筒内圧を推定する。
ステップS51において、閾値判定部32は、エンジン1の各サイクルで推定筒内圧の時間周波数成分を総和する。
ステップS52において、閾値判定部32は、閾値記憶部25に記憶済みの閾値と、総和した推定筒内圧とを比較し、推定筒内圧が閾値を超えているか否かを判定する。
推定筒内圧が閾値を超えている場合(ステップS52でYes)、閾値判定部32は、ノッキング有りと判定する(ステップS53)。
推定筒内圧が閾値未満の場合、(ステップS52でNo)、閾値判定部32は、ノッキング無しと判定する(ステップS54)。
ステップS55において、閾値判定部32は、閾値判定の結果及び推定筒内圧をモニタ7に出力する。
<Judgment process>
The determination process executed in the determination mode will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 11, in step S50, the second estimation unit 31 uses the network weight and transfer function H for generating the mask α of the learned parameter storage unit 22 by the neural network, from the signal storage unit 13. The in-cylinder pressure of the engine 1 is estimated from the input sound pressure signal.
In step S <b> 51, the threshold determination unit 32 sums up the time frequency components of the estimated in-cylinder pressure in each cycle of the engine 1.
In step S52, the threshold determination unit 32 compares the threshold stored in the threshold storage unit 25 with the total estimated in-cylinder pressure, and determines whether the estimated in-cylinder pressure exceeds the threshold.
When the estimated in-cylinder pressure exceeds the threshold value (Yes in step S52), the threshold value determination unit 32 determines that knocking is present (step S53).
If the estimated in-cylinder pressure is less than the threshold (No in step S52), the threshold determination unit 32 determines that there is no knocking (step S54).
In step S55, the threshold determination unit 32 outputs the result of the threshold determination and the estimated in-cylinder pressure to the monitor 7.

[作用・効果]
以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載の効果を奏することができる。
(1)このような構成によれば、学習処理部20は、所望の物理量を推定するためのマスクαを生成するネットワークの重みや伝達関数Hを学習する。これにより、学習したネットワークにより生成されたマスクαを用いて、入力物理量に含まれるノイズ成分を除去し、伝達関数Hを用いて、ノイズ成分が除去された入力物理量から所望の物理量を推定することができる。つまり、前記したマスクαや伝達関数Hを用いて、判定結果を裏付ける所望の物理量を外部に提示することができる。
[Action / Effect]
As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1) According to such a configuration, the learning processing unit 20 learns a network weight and a transfer function H for generating a mask α for estimating a desired physical quantity. Thereby, the noise component included in the input physical quantity is removed using the mask α generated by the learned network, and the desired physical quantity is estimated from the input physical quantity from which the noise component is removed using the transfer function H. Can do. That is, by using the mask α and the transfer function H described above, a desired physical quantity that supports the determination result can be presented to the outside.

(2)学習処理部20は、エンジン1の筒内圧の推定を音分離問題及び伝達関数の推定問題として捉え、ニューラルネットワークにより、マスクαを生成するネットワークの重みや伝達関数Hを学習する。これにより、学習したネットワークにより生成されたマスクαを用いて、エンジン1の近傍音からノッキング音を抽出し、伝達関数Hを用いて、ノッキング音からノッキング発生時のエンジン1の筒内圧を推定することができる。つまり、前記したマスクαや伝達関数Hを用いて、ノッキング有無の判定結果を裏付ける、ノッキング発生時のエンジン1の筒内圧を外部に提示することができる。これにより、試験者が主観評価しているノッキングの有無を、エンジン1の推定筒内圧により客観評価することができる。さらに、マスクαを適用し、ノッキング音のみを抽出した音源を提示することで、試験者の技能承継に役立てることもできる。 (2) The learning processing unit 20 regards the estimation of the in-cylinder pressure of the engine 1 as a sound separation problem and a transfer function estimation problem, and learns the network weight and transfer function H for generating the mask α by a neural network. As a result, the knocking sound is extracted from the vicinity sound of the engine 1 using the mask α generated by the learned network, and the in-cylinder pressure of the engine 1 when the knocking occurs is estimated from the knocking sound using the transfer function H. be able to. That is, the in-cylinder pressure of the engine 1 at the time of occurrence of knocking, which supports the determination result of the presence or absence of knocking, can be presented to the outside using the mask α and the transfer function H described above. Thereby, the presence or absence of knocking subjectively evaluated by the tester can be objectively evaluated by the estimated in-cylinder pressure of the engine 1. Furthermore, by applying a mask α and presenting a sound source from which only the knocking sound is extracted, it is possible to make use of the skill of the tester.

(3)学習処理部20は、マスクαを生成するネットワークの重みや伝達関数Hを適切に学習できるので、エンジン1の筒内圧をより正確に推定することができる。
(4)学習処理部20は、閾値を適切に設定できるので、エンジン1の推定筒内圧に対する閾値判定をより正確に行うことが可能となる。
(3) Since the learning processing unit 20 can appropriately learn the weight of the network that generates the mask α and the transfer function H, the in-cylinder pressure of the engine 1 can be estimated more accurately.
(4) Since the learning processing unit 20 can appropriately set the threshold value, the threshold value determination for the estimated in-cylinder pressure of the engine 1 can be performed more accurately.

(5)判定処理部30は、学習したネットワークにより生成されたマスクαを用いて、入力物理量に含まれるノイズ成分を除去し、伝達関数Hを用いて、ノイズ成分が除去された入力物理量から所望の物理量を推定することができる。つまり、前記したマスクαや伝達関数Hを用いて、判定結果を裏付ける所望の物理量を推定することができる。例えば、マスクαを用いて、エンジン1の近傍音からノッキング音を抽出し、伝達関数Hを用いて、ノッキング音からノッキング発生時のエンジン1の筒内圧を推定することができる。これにより、ノッキング有無の判定結果を裏付ける、ノッキング発生時のエンジン1の推定筒内圧を外部に提示することができる。 (5) The determination processing unit 30 uses the mask α generated by the learned network to remove the noise component included in the input physical quantity, and uses the transfer function H to obtain a desired value from the input physical quantity from which the noise component has been removed. Can be estimated. That is, a desired physical quantity that supports the determination result can be estimated using the mask α and the transfer function H described above. For example, a knocking sound can be extracted from the vicinity sound of the engine 1 using the mask α, and the in-cylinder pressure of the engine 1 when the knocking occurs can be estimated from the knocking sound using the transfer function H. Thereby, the estimated in-cylinder pressure of the engine 1 at the time of occurrence of knocking that supports the determination result of the presence or absence of knocking can be presented to the outside.

(6)判定処理部30は、所望の物理量に対する閾値判定をより正確に行うことができる。例えば、推定したエンジン1の推定筒内圧について、ノッキングの有無をより正確に判定できる。 (6) The determination processing unit 30 can more accurately perform threshold determination for a desired physical quantity. For example, the presence or absence of knocking can be more accurately determined for the estimated estimated in-cylinder pressure of the engine 1.

(第2実施形態)
前記した第1実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
第1実施形態では、マスクα及び伝達関数Hを用いて、雑音が含まれるエンジン近傍音90からエンジン1の推定筒内圧92を求める場合を例示した(図5)。しかし、図12に示すように、マスクαを用いて、雑音が含まれるエンジン近傍音90から、雑音が含まれないエンジン近傍音(ノッキング音)91を推定してもよい。これにより、雑音が含まれないエンジン近傍音91の大きさを外部に提示可能となる。
(Second Embodiment)
The first embodiment described above can also be carried out in the following forms that are appropriately modified.
In the first embodiment, the case where the estimated in-cylinder pressure 92 of the engine 1 is obtained from the engine vicinity sound 90 including noise using the mask α and the transfer function H is exemplified (FIG. 5). However, as shown in FIG. 12, the engine vicinity sound (knocking sound) 91 not including noise may be estimated from the engine vicinity sound 90 including noise using a mask α. Thereby, the magnitude of the engine vicinity sound 91 that does not include noise can be presented to the outside.

[ノッキング判定装置の構成]
図13を参照し、第2実施形態に係るノッキング判定装置10Bの構成について、第1実施形態と異なる点を説明する。
[Configuration of knock determination device]
With reference to FIG. 13, the difference of the knocking determination apparatus 10B according to the second embodiment from the first embodiment will be described.

図13に示すように、ノッキング判定装置10Bは、信号切出部11と、スペクトル算出部12と、信号記憶部13と、スイッチ14と、学習処理部(学習装置)20Bと、判定処理部(推定装置)30Bとを備える。
なお、学習処理部20B及び判定処理部30B以外は、第1実施形態と同様のため、説明を省略する。
As illustrated in FIG. 13, the knock determination device 10B includes a signal extraction unit 11, a spectrum calculation unit 12, a signal storage unit 13, a switch 14, a learning processing unit (learning device) 20B, and a determination processing unit ( Estimation device) 30B.
In addition, since it is the same as that of 1st Embodiment except the learning process part 20B and the determination process part 30B, description is abbreviate | omitted.

学習処理部20Bは、学習モードにおいて、マスクαを生成するネットワークの重み及び伝達関数Hを学習する学習処理を行い、閾値算出モードにおいて、ノッキング音の閾値判定に用いる閾値を算出する閾値算出処理を行う。図13に示すように、学習処理部20Bは、学習部21と、学習済みパラメータ記憶部22と、第1推定部23Bと、閾値算出部24Bと、閾値記憶部25とを備える。なお、学習モードの処理内容は、第1実施形態と同様のため、説明を省略する。   The learning processing unit 20B performs a learning process for learning the network weight and transfer function H for generating the mask α in the learning mode, and performs a threshold calculation process for calculating a threshold value used for threshold determination of the knocking sound in the threshold calculation mode. Do. As illustrated in FIG. 13, the learning processing unit 20B includes a learning unit 21, a learned parameter storage unit 22, a first estimation unit 23B, a threshold calculation unit 24B, and a threshold storage unit 25. Note that the processing content of the learning mode is the same as that of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

第1推定部23Bは、閾値算出モードにおいて、ニューラルネットワークにより、学習したネットワークにより生成されたマスクαを用いて、音圧信号からノッキング音を推定する。そして、第1推定部23Bは、推定したノッキング音を閾値算出部24Bに出力する。なお、ノッキング音の推定手法は、第1実施形態と同様のため、説明を省略する。   In the threshold calculation mode, the first estimation unit 23B estimates a knocking sound from the sound pressure signal by using the mask α generated by the learned network by the neural network. Then, the first estimation unit 23B outputs the estimated knocking sound to the threshold value calculation unit 24B. The knocking sound estimation method is the same as that in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

閾値算出部24Bは、第1推定部23Bが推定したノッキング音に基づいて閾値を算出する。そして、閾値算出部24Bは、算出した閾値を閾値記憶部25に書き込む。なお、閾値の算出手法は、エンジン1の推定筒内圧の代わりにノッキング音を用いる以外、第1実施形態と同様のため、説明を省略する。   The threshold calculation unit 24B calculates a threshold based on the knocking sound estimated by the first estimation unit 23B. Then, the threshold value calculation unit 24B writes the calculated threshold value in the threshold value storage unit 25. The threshold value calculation method is the same as that of the first embodiment except that knocking sound is used instead of the estimated in-cylinder pressure of the engine 1, and thus the description thereof is omitted.

判定処理部30Bは、判定モードにおいて、音圧信号からノッキング音を推定し、ノッキングの有無を判定する判定処理を行う。図13に示すように、判定処理部30Bは、第2推定部31Bと、閾値判定部32Bとを備える。   In the determination mode, the determination processing unit 30B estimates a knocking sound from the sound pressure signal and performs a determination process for determining the presence or absence of knocking. As illustrated in FIG. 13, the determination processing unit 30B includes a second estimation unit 31B and a threshold determination unit 32B.

第2推定部31Bは、判定モードにおいて、ニューラルネットワークにより、学習したネットワークにより生成されたマスクαを用いて、音圧信号からノッキング音を推定する。そして、第2推定部31Bは、推定したノッキング音を閾値判定部32Bに出力する。なお、ノッキング音の推定手法は、第1実施形態と同様のため、説明を省略する。   In the determination mode, the second estimation unit 31B estimates a knocking sound from the sound pressure signal using the mask α generated by the learned network by the neural network. Then, the second estimation unit 31B outputs the estimated knocking sound to the threshold determination unit 32B. The knocking sound estimation method is the same as that in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

閾値判定部32Bは、判定モードにおいて、閾値記憶部25に記憶されている閾値と、第2推定部31Bが推定したノッキング音との閾値判定により、ノッキングの有無を判定する。そして、閾値判定部32Bは、ノッキング有無の判定結果と、第2推定部31Bから入力されたノッキング音の時間−周波数マップとをモニタ7(図2)に出力する。   In the determination mode, the threshold determination unit 32B determines the presence or absence of knocking by performing threshold determination between the threshold stored in the threshold storage unit 25 and the knocking sound estimated by the second estimation unit 31B. Then, the threshold determination unit 32B outputs the determination result of the presence / absence of knocking and the time-frequency map of the knocking sound input from the second estimation unit 31B to the monitor 7 (FIG. 2).

なお、閾値判定の手法は、エンジン1の推定筒内圧の代わりにノッキング音を用いる以外、第1実施形態と同様のため、説明を省略する。また、図3の閾値判定部32が、第2実施形態と同様、ノッキング音の時間−周波数マップをモニタ7に出力するように構成してもよい。   Note that the threshold determination method is the same as that of the first embodiment except that knocking sound is used instead of the estimated in-cylinder pressure of the engine 1, and thus description thereof is omitted. Further, the threshold determination unit 32 of FIG. 3 may be configured to output a knocking sound time-frequency map to the monitor 7 as in the second embodiment.

このように、ノッキング判定装置10Bは、ノッキングの評価に必要となる、ノッキング音の大きさを外部に提示し、ノッキングの有無を判定することができる。   As described above, the knocking determination device 10B can present the amount of knocking sound necessary for the evaluation of knocking to the outside and determine the presence or absence of knocking.

(変形例)
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、本発明は前記した実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
前記した実施形態では、入力物理量がエンジンの近傍音(音圧)であり、所望の物理量がエンジン1の推定筒内圧(圧力)であることとして説明したが、物理量の種類はこれらに限定されない。つまり、本発明で推定可能な所望の物理量は、前記した信号分離問題及び伝達関数の推定問題として扱うことが可能なものであればよい。これら所望の物理量の一例として、音圧、圧力、又は振動(変位、速度、加速度)がある。
また、入力物理量及び所望の物理量は、異なる種類の物理量だけでなく、同種の物理量であってもよい。例えば、入力物理量が車外の音であり、所望の物理量が車内空間の音であってもよい。
(Modification)
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail, this invention is not limited to above-described embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
In the above-described embodiment, it has been described that the input physical quantity is the engine vicinity sound (sound pressure) and the desired physical quantity is the estimated in-cylinder pressure (pressure) of the engine 1, but the type of the physical quantity is not limited thereto. That is, the desired physical quantity that can be estimated by the present invention may be any physical quantity that can be handled as the signal separation problem and the transfer function estimation problem. Examples of these desired physical quantities include sound pressure, pressure, or vibration (displacement, speed, acceleration).
Further, the input physical quantity and the desired physical quantity may be the same kind of physical quantity as well as different kinds of physical quantities. For example, the input physical quantity may be a sound outside the vehicle, and the desired physical quantity may be a sound inside the vehicle interior.

前記した実施形態では、マスクを生成するネットワークの重み及び伝達関数の両方を学習することとして説明したが、マスクを生成するネットワークの重み又は伝達関数の一方のみを学習してもよい。
例えば、ボア径等の関係により、ノッキング音の時間周波数特性が変化しない一方、ボディ構造やマイクの位置及び周波数特性の関係により、伝達関数が変化する場合がある。この場合、マスク生成に必要なネットワークの重みを学習せず、伝達関数を学習すればよい。
また、伝達関数が既知の一方、ノッキング音の時間周波数特性が未知の場合がある。この場合、伝達関数を学習せず、マスク生成に必要なネットワークの重みを学習すればよい。
In the above-described embodiment, it has been described that both the weight and transfer function of the network that generates the mask are learned. However, only one of the weight or transfer function of the network that generates the mask may be learned.
For example, the time frequency characteristics of the knocking sound do not change due to the relationship such as the bore diameter, while the transfer function may change depending on the relationship between the body structure, the position of the microphone and the frequency characteristics. In this case, the transfer function may be learned without learning the network weight necessary for mask generation.
In addition, while the transfer function is known, the time frequency characteristic of the knocking sound may be unknown. In this case, it is only necessary to learn the network weight necessary for mask generation without learning the transfer function.

前記した実施形態では、信号切出部が、角度情報に基づいて音圧信号を切り出すこととして説明したが、これに限定されない。例えば、データ収集装置が角度情報を収集せず、信号切出部が音圧信号をランダムに切り出してもよい。   In the above-described embodiment, the signal cutout unit has been described as cutting out the sound pressure signal based on the angle information. However, the present invention is not limited to this. For example, the data collection device may not collect the angle information, and the signal cutout unit may cut out the sound pressure signal at random.

前記した実施形態では、ノッキング判定装置が学習処理部及び判定処理部を備えることとして説明したが、これに限定されない。つまり、学習処理部を学習装置とし、判定処理部を推定装置として、それぞれを独立した装置として構成してもよい。   In the above-described embodiment, the knocking determination device has been described as including the learning processing unit and the determination processing unit, but the present invention is not limited to this. That is, the learning processing unit may be a learning device, the determination processing unit may be an estimation device, and each may be configured as an independent device.

前記した実施形態では、エンジンが4気筒であることとして説明したが、その気筒数は特に限定されない。さらに、エンジン以外の試験対象について所望の物理量を推定してもよい。   In the above-described embodiment, the engine is described as having four cylinders, but the number of cylinders is not particularly limited. Furthermore, you may estimate a desired physical quantity about test objects other than an engine.

前記した実施形態では、ノッキング判定装置を独立した装置として説明したが、本発明は、これに限定されない。例えば、本発明は、コンピュータが備えるCPU、メモリ、ハードディスク等のハードウェア資源を、前記したノッキング判定装置として協調動作させるプログラムで実現することもできる。これらのプログラムは、通信回線を介して配布してもよく、CD−ROMやフラッシュメモリ等の記録媒体に書き込んで配布してもよい。   In the above-described embodiment, the knocking determination device has been described as an independent device, but the present invention is not limited to this. For example, the present invention can also be realized by a program that causes hardware resources such as a CPU, a memory, and a hard disk included in a computer to operate cooperatively as the above-described knocking determination device. These programs may be distributed via a communication line, or may be distributed by writing in a recording medium such as a CD-ROM or a flash memory.

1…エンジン、2…エンジンECU、3…車両、4…音圧センサ、5…筒内圧センサ、6…データ収集装置、7…モニタ、10,10B…ノッキング判定装置、11…信号切出部、12…スペクトル算出部、13…信号記憶部、14…スイッチ、20,20B…学習処理部(学習装置)、21…学習部、22…学習済みパラメータ記憶部、23,23B…第1推定部、24,24B…閾値算出部、25…閾値記憶部、30,30B…判定処理部(推定装置)、31,31B…第2推定部、32,32B…閾値判定部、100,100B…ノッキング判定システム   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Engine, 2 ... Engine ECU, 3 ... Vehicle, 4 ... Sound pressure sensor, 5 ... In-cylinder pressure sensor, 6 ... Data collection device, 7 ... Monitor, 10, 10B ... Knocking determination device, 11 ... Signal extraction part, DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Spectrum calculation part, 13 ... Signal storage part, 14 ... Switch, 20, 20B ... Learning process part (learning apparatus), 21 ... Learning part, 22 ... Learned parameter storage part, 23, 23B ... 1st estimation part, 24, 24B ... threshold calculation unit, 25 ... threshold storage unit, 30, 30B ... determination processing unit (estimation device), 31, 31B ... second estimation unit, 32, 32B ... threshold determination unit, 100, 100B ... knocking determination system

Claims (6)

入力物理量に含まれるノイズ成分を除去し、前記ノイズ成分が除去された入力物理量から所望の物理量を推定するための学習装置であって、
前記ノイズ成分は、内燃機関で発生するノッキング音以外の雑音であり、
前記入力物理量は、前記雑音及び前記ノッキング音が含まれる前記内燃機関の音圧であり、
前記所望の物理量は、ノッキング発生時の前記内燃機関の筒内圧であり、
ニューラルネットワークにより、前記雑音を除去し、かつ、前記ノッキング音を抽出するマスクを生成するネットワークの重み、及び/又は、前記マスクにより抽出されたノッキング音を前記ノッキング発生時の内燃機関の筒内圧に変換する伝達関数を学習する学習部、
を備えることを特徴とする学習装置。
A learning device for removing a noise component included in an input physical quantity and estimating a desired physical quantity from the input physical quantity from which the noise component has been removed,
The noise component is noise other than knocking noise generated in an internal combustion engine,
The input physical quantity is a sound pressure of the internal combustion engine including the noise and the knocking sound,
The desired physical quantity is an in-cylinder pressure of the internal combustion engine at the time of occurrence of knocking,
The weight of the network that generates the mask for removing the noise and extracting the knocking sound by the neural network, and / or the knocking sound extracted by the mask is used as the in-cylinder pressure of the internal combustion engine when the knocking occurs. A learning unit for learning a transfer function to be converted,
A learning apparatus comprising:
前記学習部は、
畳み込みニューラルネットワークにより前記マスクを生成するネットワークの重みを学習し、
前記伝達関数として、前記マスクにより前記ノイズ成分が除去された入力物理量に乗じる重みを学習することを特徴とする請求項1に記載の学習装置。
The learning unit
Learning the weight of the network that generates the mask by means of a convolutional neural network;
The learning apparatus according to claim 1, wherein a weight that multiplies an input physical quantity from which the noise component has been removed by the mask is learned as the transfer function.
ニューラルネットワークにより、前記マスク及び前記伝達関数を用いて、前記入力物理量から前記所望の物理量を推定する第1推定部と、
前記第1推定部が推定した所望の物理量を所定時間毎に総和し、総和した前記所望の物理量の中央値を算出し、算出した前記中央値を基準として閾値を設定する閾値算出部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1又は請求項に記載の学習装置。
A first estimation unit that estimates the desired physical quantity from the input physical quantity using the mask and the transfer function by a neural network;
A threshold calculation unit that sums up the desired physical quantities estimated by the first estimation unit every predetermined time, calculates a median value of the summed desired physical quantities, and sets a threshold value based on the calculated median value;
Learning device according to claim 1 or claim 2, further comprising a.
ニューラルネットワークにより、前記マスクを用いて、前記ノイズ成分が含まれる入力物理量から前記ノイズ成分が除去された入力物理量を推定する第1推定部と、
前記第1推定部が推定した入力物理量を所定時間毎に総和し、総和した前記入力物理量の中央値を算出し、算出した前記中央値を基準として閾値を設定する閾値算出部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1又は請求項に記載の学習装置。
A first estimation unit for estimating an input physical quantity obtained by removing the noise component from an input physical quantity including the noise component using the mask by a neural network;
A threshold calculation unit that sums up the input physical quantities estimated by the first estimation unit every predetermined time, calculates a median value of the summed input physical quantities, and sets a threshold based on the calculated median value;
Learning device according to claim 1 or claim 2, further comprising a.
入力物理量に含まれるノイズ成分を除去し、前記ノイズ成分が除去された入力物理量から所望の物理量を推定する推定装置であって、
前記ノイズ成分は、内燃機関で発生するノッキング音以外の雑音であり、
前記入力物理量は、前記雑音及び前記ノッキング音が含まれる前記内燃機関の音圧であり、
前記所望の物理量は、ノッキング発生時の前記内燃機関の筒内圧であり、
ニューラルネットワークにより、前記雑音を除去し、かつ、前記ノッキング音を抽出するマスクと、前記マスクにより抽出されたノッキング音を前記ノッキング発生時の内燃機関の筒内圧に変換する伝達関数とを用いて、前記入力物理量から前記所望の物理量を推定する第2推定部、
を備えることを特徴とする推定装置。
An estimation device for removing a noise component contained in an input physical quantity and estimating a desired physical quantity from the input physical quantity from which the noise component has been removed,
The noise component is noise other than knocking noise generated in an internal combustion engine,
The input physical quantity is a sound pressure of the internal combustion engine including the noise and the knocking sound,
The desired physical quantity is an in-cylinder pressure of the internal combustion engine at the time of occurrence of knocking,
Using a neural network to remove the noise and extract the knocking sound, and using a transfer function that converts the knocking sound extracted by the mask into the in-cylinder pressure of the internal combustion engine when the knocking occurs , A second estimation unit that estimates the desired physical quantity from the input physical quantity;
An estimation apparatus comprising:
予め設定された閾値と、前記第2推定部が推定した所望の物理量との閾値判定を行う閾値判定部、
をさらに備えることを特徴とする請求項に記載の推定装置。
A threshold value determination unit for performing threshold value determination between a preset threshold value and a desired physical quantity estimated by the second estimation unit;
The estimation apparatus according to claim 5 , further comprising:
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