JP6627639B2 - Abnormality diagnosis device and abnormality diagnosis method - Google Patents

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本発明は、異常診断対象機器の動作時の振動・音響などの波形データ(時系列データ)を周波数解析して異常診断を行う異常診断装置および方法に関する。   The present invention relates to an abnormality diagnosis apparatus and method for performing an abnormality diagnosis by frequency-analyzing waveform data (time-series data) such as vibration and sound during operation of an abnormality diagnosis target device.

異常診断対象機器の異常を診断する方法は、例えば特許文献1に記載のものが提案されている。   As a method of diagnosing an abnormality of an abnormality diagnosis target device, for example, a method described in Patent Document 1 has been proposed.

この特許文献1の方法では、時系列の波形データを、短い時間毎に分割して、フーリエ変換して周波数成分の多変量データのサンプルを多数作り、機器が正常と考えられる期間に予め計測した多数の多変量サンプルを主成分分析して主成分得点を求めるための固有ベクトル(ローテーション行列ともいう)を用意する。   According to the method disclosed in Patent Document 1, time-series waveform data is divided into short time intervals, and Fourier transform is performed to create a large number of samples of multivariate data of frequency components. An eigenvector (also referred to as a rotation matrix) for obtaining a principal component score by performing principal component analysis on a large number of multivariate samples is prepared.

診断の際には、計測データを前記同様にフーリエ変換して周波数成分の多変量データ・サンプルを作り、これを用意しておいたローテーション行列で変換して主成分得点を求め、それを正常時の主成分得点と比較することで異常診断を行っている。要するに診断毎に独立に主成分分析するのではなく、予め主成分分析しておいた結果を利用して、診断時には同じ基準で変換することにより比較を容易にするのが要点である。   At the time of diagnosis, the measurement data is Fourier-transformed in the same manner as described above to create a multivariate data sample of the frequency component, which is converted by a prepared rotation matrix to obtain a principal component score, which is calculated in a normal state. Abnormality diagnosis is performed by comparing with the principal component score of. In short, the main point is that, instead of performing the principal component analysis independently for each diagnosis, a result obtained by performing the principal component analysis in advance is used and the comparison is facilitated by performing the conversion based on the same reference at the time of the diagnosis.

尚、本発明で利用する定Q変換の成分演算方法は、例えば非特許文献1〜4に記載されている。   Note that the component calculation method of constant Q conversion used in the present invention is described in, for example, Non-Patent Documents 1 to 4.

特許第3382240号公報Japanese Patent No. 3382240

Judith C.Brown:Calculation of a constant Q spectral transform,J.Acoust.Soc.Am.89(1):425−434,1991Judith C. Brown: Calculation of a constant Q spectral transfer, J. Org. Acoustic. Soc. Am. 89 (1): 425-434, 1991 Judith C.Brown and Miller S.Puckette:An efficient algorithm for the calculation of a constant Q transform,J.Acoust.Soc.Am.92(5):2698−2701,1992Judith C. Brown and Miller S. Puckette: An effective algorithm for the calculation of a constant Q transform, J. Mol. Acoustic. Soc. Am. 92 (5): 2698-2701, 1992 yukara_13:[Python]Constant−Q変換(対数周波数スペクトログラム)、音楽プログラミングの超入門(仮) in Hatena Blog,2013−12−01,2013、インターネット<URL:http://yukara−13.hatenablog.com/entry/2013/12/01/222742>.[2016−02−22 アクセス]yukara — 13: [Python] Constant-Q conversion (logarithmic frequency spectrogram), super introduction to music programming (provisional) in Hatena Blog, 2013-12-01, 2013, Internet <URL: http: // yukara-13. hatenablog. com / entry / 2013/12/01/222742>. [2016-02-22 access] yukara_13:[Python] 高速なConstant−Q変換(with FFT)、音楽プログラミングの超入門(仮) in Hatena Blog,2014−01−05,2014、インターネット<URL:http://yukara−13.hatenablog.com/entry/2014/01/05/062414>.[2016−02−22 アクセス]yukara_13: [Python] High-speed Constant-Q conversion (with FFT), super introduction to music programming (provisional) in Hatena Blog, 2014-01-05, 2014, Internet <URL: http: // yukara-13. hatenablog. com / entry / 2014/01/05/0624414>. [2016-02-22 access]

フーリエ変換を基にした多変量サンプルで予め作成したローテーション行列によって長期にわたって診断しようとすると、事前の解析には多くのデータを必要とする。例えば回転機の診断においては、少なくとも低い周波数領域では1Hz程度の周波数解像度が必要とされる。   If a long-term diagnosis is to be performed using a rotation matrix created in advance using multivariate samples based on the Fourier transform, a large amount of data is required for the prior analysis. For example, in diagnosis of a rotating machine, a frequency resolution of about 1 Hz is required at least in a low frequency region.

このためには各サンプルは少なくとも1秒程度の測定が必要であり、時間を重複してサンプル数を増やしても本質的には類似サンプルとなって多様性が不足するため、それを基に診断すると、長期的には異常と単なる時間経過による変化の区別がつけられなくなる。   For this purpose, each sample needs to be measured for at least about 1 second, and even if the time is duplicated and the number of samples is increased, it is essentially a similar sample and lacks diversity, so diagnosis is based on that. Then, in the long term, it is not possible to distinguish between abnormalities and changes over time.

以下に、その事例を述べる。この事例は、ある回転機の振動を長期間(約4ヶ月)にわたって測定して分析したものである。1時間に一回、約100kHzのサンプリング周波数で5秒間の測定を行い、これから時間を重複させながら1秒強の分割データを1測定から100サンプル作成して、各サンプルをフーリエ変換して1/6オクターブバンドの約80系列の多変量サンプルにした。この1週間分(ただし稼動している時刻のデータに絞ったため都合8千サンプルほど)を主成分分析してローテーション行列を計算し、これを基にホテリングT2/Q統計量をベースとした異常度を図6のように算出している。   The case is described below. In this case, the vibration of a certain rotating machine was measured and analyzed over a long period (about 4 months). Once a hour, a measurement is performed for 5 seconds at a sampling frequency of about 100 kHz. From this, 100 samples of slightly more than a second divided data are created from one measurement while overlapping the time. Approximately 80 multivariate samples of 6 octave bands were obtained. The rotation matrix is calculated by principal component analysis of the data for this week (however, about 8000 samples were used because the data was limited to the time of operation), and the degree of abnormality based on the Hotelling T2 / Q statistic was calculated based on this. Is calculated as shown in FIG.

対象回転機は特に問題のないものであったが、ホテリングT2統計量をベースとしたIndicator1、Q統計量をベースとしたIndicator2とも、図6の「線形」の傾きから分かるように、時間の経過とともに増加していることが伺える。この増加の割合は、学習期間(7日)の10倍(70日)もあれば平均値が異常になるほどであり、長期的な診断にはとても使えない。   Although the target rotating machine had no particular problem, both the Indicator 1 based on the Hotelling T2 statistic and the Indicator 2 based on the Q statistic, as can be seen from the “linear” slope in FIG. It can be seen that it is increasing with the increase. If the rate of this increase is 10 times (70 days) the learning period (7 days), the average value will be abnormal, and cannot be used for long-term diagnosis.

この問題は異常度の定義に依存するものではなく、全期間データを主成分分析した図7の第一主成分×第二主成分の散布状況をみても、白色の丸印で示す学習期間のデータが、黒丸印で示す全データの範囲をカバーできていないことは明白である。   This problem does not depend on the definition of the degree of anomaly. Even if the distribution of the first principal component × the second principal component in FIG. Obviously, the data cannot cover the entire data range indicated by the black circles.

尚、図7において、横軸PC1は第一主成分、縦軸PC2は第二主成分を各々示している。   In FIG. 7, the horizontal axis PC1 indicates the first main component, and the vertical axis PC2 indicates the second main component.

この問題は、時系列データから多変量データを作成するのにフーリエ変換を使っているためにデータの多様性が確保できないためと考えられる。   This problem is considered to be because the diversity of the data cannot be secured because the Fourier transform is used to create the multivariate data from the time series data.

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、サンプルの多様性を確保し、長期間にわたって信頼性の高い異常診断を実施することができる異常診断装置および方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an abnormality diagnosis apparatus and method capable of ensuring sample diversity and performing highly reliable abnormality diagnosis over a long period of time. .

上記課題を解決するための請求項1に記載の異常診断装置は、予め異常診断対象から測定した時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成し、前記作成された多変量サンプルを基に診断用パラメータを作成する診断用パラメータ作成手段と、
新たに異常診断対象から測定した時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成し、前記診断用パラメータ作成手段により作成された診断用パラメータを用いて異常を診断する診断手段と、を備え、
前記診断用パラメータ作成手段は、
時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成する第1の定Q変換装置と、
前記作成された多変量サンプルを主成分分析して変換行列を得るとともに各サンプルの主成分得点を計算する主成分分析部と、
前記主成分得点を基にサンプルの指標となる統計量を得る第1の統計値計算部と、
前記統計量を正規化して異常度とする第1の正規化部と、を備え、
前記診断手段は、
時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成する第2の定Q変換装置と、
前記作成された多変量サンプルから、前記主成分分析部で得られた変換行列を使って主成分得点を得る主成分計算部と、
前記主成分得点を基に統計量を得る第2の統計値計算部と、
前記統計量を、前記第1の正規化部で使用した正規化係数によって正規化して異常度を計算する第2の正規化部と、を備え、前記異常度に基づいて異常診断対象の異常を診断し、
前記診断用パラメータ作成手段および診断手段の第1、第2の定Q変換装置は、ともに、
設定した周波数成分K M 以下の低周波数帯域において、時系列データの離散フーリエ変換と定Q変換における周波数軸係数との積和計算により求めた定Q変換成分の第1の演算量と、前記K M を超える高周波帯域において、時系列データと定Q変換における時間軸係数との積和計算により求めた定Q変換成分の第2の演算量とを含む合計演算量を算出し、
前記K M を全周波数成分Kに各々設定して各K M 毎の前記合計演算量を求め、
前記各K M 毎の合計演算量を評価し、該演算量が最小となるK M を、計算法境界を示す周波数成分閾値として決定する計算法境界決定手段と、
定Q変換における周波数成分Kが前記決定された周波数成分閾値K M 以下の低周波帯域では、時系列データの離散フーリエ変換と前記周波数軸係数との積和計算である第1の計算法を選択し、前記周波数成分Kが前記決定された周波数成分閾値K M を超える高周波帯域では、時系列データと前記時間軸係数との積和計算である第2の計算法を選択する計算法選択手段と、
時系列データに対して、前記計算法選択手段により選択された第1の計算法、第2の計算法を実施して定Q変換の成分を求める定Q変換手段と、
を備えたことを特徴とする。
An abnormality diagnosis apparatus according to claim 1 for solving the above-mentioned problem, generates a multivariate sample by performing constant-Q conversion on time-series data measured in advance from an abnormality diagnosis target and creates a multivariate sample based on the generated multivariate sample. Diagnostic parameter creation means for creating a diagnostic parameter in
Time-series data measured from freshly abnormality diagnostic object by converting the constant Q to create a multivariate sample, and a diagnostic means for diagnosing an abnormality using the diagnostic parameters created by the diagnostic parameter generation means ,
The diagnostic parameter creating means,
A first constant-Q conversion device that performs constant-Q conversion on time-series data to create a multivariate sample;
A principal component analysis unit that calculates a principal component score of each sample while obtaining a transformation matrix by performing principal component analysis on the created multivariate sample;
A first statistic calculation unit that obtains a statistic serving as an index of a sample based on the principal component score;
A first normalization unit that normalizes the statistic to determine the degree of abnormality,
The diagnostic means includes:
A second constant-Q conversion device that performs constant-Q conversion on the time-series data to create a multivariate sample;
From the created multivariate sample, a principal component calculation unit that obtains a principal component score using a transformation matrix obtained by the principal component analysis unit,
A second statistic calculation unit that obtains a statistic based on the principal component score;
A second normalization unit that normalizes the statistic by a normalization coefficient used in the first normalization unit to calculate an abnormality degree, and based on the abnormality degree, Diagnose,
The first and second constant Q conversion devices of the diagnostic parameter creating means and the diagnostic means are
In the set frequency components K M or lower frequency band, a first amount of calculation of the constant Q transform components determined by the product-sum calculation between the frequency axis coefficients in the discrete Fourier transform and a constant Q transform of the time series data, the K In a high-frequency band exceeding M , a total operation amount including the second operation amount of the constant Q conversion component obtained by the product-sum calculation of the time series data and the time axis coefficient in the constant Q conversion is calculated,
Obtains the total calculation amount for each K M by each setting the K M to all frequency components K,
A calculation method boundary determining unit that evaluates a total calculation amount for each of the K M , and determines a K M with the minimum calculation amount as a frequency component threshold indicating a calculation method boundary;
The low-frequency-band frequency components K is less than the frequency component threshold value K M which is the determined in the constant Q transform, when selecting the first calculation method is a product-sum computation of the discrete Fourier transform and the frequency axis coefficient series data and, in the high frequency band in which the frequency components K exceeds the frequency component threshold value K M which is the determined, the calculation method selection means for selecting the second calculation method is a product-sum computation of the time-series data and the time-axis coefficient ,
Constant Q conversion means for performing a first calculation method and a second calculation method selected by the calculation method selection means on the time-series data to obtain a constant Q conversion component;
It is characterized by having.

また、請求項5に記載の異常診断方法は、診断用パラメータ作成手段が、予め異常診断対象から測定した時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成し、前記作成された多変量サンプルを基に診断用パラメータを作成する診断用パラメータ作成ステップと、
診断手段が、新たに異常診断対象から測定した時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成し、前記診断用パラメータ作成手段により作成された診断用パラメータを用いて異常を診断する診断ステップと、を備え、
前記診断用パラメータ作成ステップは、
第1の定Q変換装置が、時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成するステップと、
主成分分析部が、前記作成された多変量サンプルを主成分分析して変換行列を得るとともに各サンプルの主成分得点を計算するステップと、
第1の統計値計算部が、前記主成分得点を基にサンプルの指標となる統計量を得るステップと、
第1の正規化部が、前記統計量を正規化して異常度とするステップと、を備え、
前記診断ステップは、
第2の定Q変換装置が、時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成するステップと、
主成分計算部が、前記作成された多変量サンプルから、前記主成分分析部で得られた変換行列を使って主成分得点を得るステップと、
第2の統計値計算部が、前記主成分得点を基に統計量を得るステップと、
第2の正規化部が、前記統計量を、前記第1の正規化部で使用した正規化係数によって正規化して異常度を計算するステップと、を備え、前記異常度に基づいて異常診断対象の異常を診断し、
前記第1の定Q変換装置が、時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成するステップは、
設定した周波数成分K M 以下の低周波数帯域において、時系列データの離散フーリエ変換と定Q変換における周波数軸係数との積和計算により求めた定Q変換成分の第1の演算量と、前記K M を超える高周波帯域において、時系列データと定Q変換における時間軸係数との積和計算により求めた定Q変換成分の第2の演算量とを含む合計演算量を算出し、
前記K M を全周波数成分Kに各々設定して各K M 毎の前記合計演算量を求め、
前記各K M 毎の合計演算量を評価し、該演算量が最小となるK M を、計算法境界を示す周波数成分閾値として決定するステップを備え、
前記第2の定Q変換装置が、時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成するステップは、
定Q変換における周波数成分Kが前記決定された周波数成分閾値K M 以下の低周波帯域では、時系列データの離散フーリエ変換と前記周波数軸係数との積和計算である第1の計算法を選択し、前記周波数成分Kが前記決定された周波数成分閾値K M を超える高周波帯域では、時系列データと前記時間軸係数との積和計算である第2の計算法を選択するステップと、
時系列データに対して、前記選択された第1の計算法、第2の計算法を実施して定Q変換の成分を求めるステップと、を備えたことを特徴とする。
The abnormality diagnosis method according to claim 5 , wherein the diagnostic parameter creating means creates a multivariate sample by performing constant Q conversion on the time series data measured in advance from the abnormality diagnosis object, and creates the multivariate sample. Diagnostic parameter creation step of creating a diagnostic parameter based on the
A diagnosing step of diagnosing an abnormality using the diagnostic parameter created by the diagnostic parameter creating means, wherein the diagnostic means creates a multivariate sample by performing constant Q conversion on the time series data newly measured from the abnormality diagnostic object; and, with a,
The diagnostic parameter creating step,
A first constant-Q conversion device performing constant-Q conversion on the time-series data to create a multivariate sample;
A principal component analysis unit for performing a principal component analysis on the created multivariate sample to obtain a transformation matrix and calculating a principal component score of each sample;
A step in which a first statistic calculation unit obtains a statistic serving as an index of a sample based on the principal component score;
A first normalizing unit that normalizes the statistic to obtain an abnormal degree,
The diagnosis step includes:
A second constant-Q conversion device performing constant-Q conversion on the time-series data to create a multivariate sample;
A principal component calculation unit, from the created multivariate sample, using a transformation matrix obtained by the principal component analysis unit to obtain a principal component score;
A second statistic calculation unit for obtaining a statistic based on the principal component score;
A second normalization unit for normalizing the statistic by the normalization coefficient used in the first normalization unit to calculate an abnormality degree, and an abnormality diagnosis target based on the abnormality degree Diagnose abnormalities,
The step of the first constant Q conversion device performing constant Q conversion of the time series data to create a multivariate sample,
In the set frequency components K M or lower frequency band, a first amount of calculation of the constant Q transform components determined by the product-sum calculation between the frequency axis coefficients in the discrete Fourier transform and a constant Q transform of the time series data, the K In a high-frequency band exceeding M , a total operation amount including the second operation amount of the constant Q conversion component obtained by the product-sum calculation of the time series data and the time axis coefficient in the constant Q conversion is calculated,
Obtains the total calculation amount for each K M by each setting the K M to all frequency components K,
The evaluated total calculation amount for each K M, comprising the step of determining the K M of the amount of calculation is minimized, as a frequency component threshold indicating the calculation method boundary,
The step of the second constant-Q conversion device performing constant-Q conversion on the time-series data to create a multivariate sample,
The low-frequency-band frequency components K is less than the frequency component threshold value K M which is the determined in the constant Q transform, when selecting the first calculation method is a product-sum computation of the discrete Fourier transform and the frequency axis coefficient series data a step, and the frequency component K is for selecting the second calculation method is a product-sum calculation of said time axis factor, the time series data and high frequency band exceeding the frequency component threshold value K M which is the determined,
Performing a selected first calculation method and a second calculation method on the time-series data to obtain a component of constant Q conversion .

上記構成によれば、時系列データから周波数成分の多変量データを作成する際に、フーリエ変換でなく定Q変換を使ったことにより、診断用パラメータ作成手段で使用するデータが比較的少なくてもサンプルの多様性を確保できるようになり、長期間にわたって同じ基準で異常診断が可能になる。これによって異常診断の信頼性が向上する。   According to the above configuration, when creating multivariate data of frequency components from time-series data, a constant Q transform is used instead of a Fourier transform. The diversity of the sample can be ensured, and the abnormality can be diagnosed based on the same standard over a long period of time. This improves the reliability of the abnormality diagnosis.

また、請求項2に記載の異常診断装置は、請求項1において、前記各定Q変換装置は、前記定Q変換における時間軸係数を、 Further, in the abnormality diagnosis device according to claim 2 , in claim 1 , each of the constant Q conversion devices includes a time axis coefficient in the constant Q conversion,

Figure 0006627639
Figure 0006627639

によって算出する時間軸係数算出部と、
前記定Q変換における周波数軸係数を、時間軸係数Tn,kをn=0,…,N−1の時系列データとみたときの離散フーリエ変換である
A time axis coefficient calculation unit calculated by:
This is a discrete Fourier transform when the frequency axis coefficient in the constant Q conversion is regarded as time series data of time axis coefficient T n, k with n = 0,..., N−1.

Figure 0006627639
Figure 0006627639

から(1/N)Sn,kとして算出する周波数軸係数算出部と、を備え、
前記定Q変換手段は、
前記周波数軸係数算出部で算出された周波数軸係数と時系列データの離散フーリエ変換とを積和計算して前記第1の計算法を実施する低周波帯域計算部と、
前記時間軸係数算出部で算出された時間軸係数と時系列データとを積和計算して前記第2の計算法を実施する高周波帯域計算部と、
前記低周波帯域計算部と高周波帯域計算部の各出力を合成して定Q変換の成分を求める合成部と、
を備えていることを特徴とする。
And a frequency axis coefficient calculation unit that calculates as (1 / N) S n, k from
The constant Q conversion means includes:
A low-frequency band calculation unit that performs the first calculation method by performing a product-sum calculation on the frequency axis coefficient and the discrete Fourier transform of the time-series data calculated by the frequency axis coefficient calculation unit;
A high-frequency band calculation unit that performs a product-sum calculation of the time-axis coefficient and time-series data calculated by the time-axis coefficient calculation unit and performs the second calculation method;
A combining unit that combines the outputs of the low-frequency band calculation unit and the high-frequency band calculation unit to obtain a component of constant Q conversion;
It is characterized by having.

上記構成によれば、低周波帯域、高周波帯域のどちらの場合でも演算量の少ない計算法で定Q変換の成分を演算することができ、演算の高速化が実現される。   According to the above configuration, the constant Q conversion component can be calculated by a calculation method with a small amount of calculation in both the low frequency band and the high frequency band, and the calculation is speeded up.

また、請求項3に記載の異常診断装置は、請求項1において、前記各定Q変換装置は、 Further, the abnormality diagnosis device according to claim 3, in claim 1, wherein the constant Q conversion device,

Figure 0006627639
Figure 0006627639

を、予め設定した時間方向の複数の解析位置pm(m=1,…,M)毎に算出して時間軸係数Tn,k,mを求め、該Tn,k,mを前記定Q変換における時間軸係数とする時間軸係数算出部と、
時間軸係数Tn,kをn=0,…,N−1の時系列データとみたときの離散フーリエ変換である
A plurality of analysis position of the preset time direction p m (m = 1, ... , M) time axis coefficient calculated for each T n, k, and m determined, the constant said T n, k, and m A time axis coefficient calculating unit that sets a time axis coefficient in the Q conversion;
This is a discrete Fourier transform when the time axis coefficient T n, k is regarded as time series data of n = 0,..., N−1.

Figure 0006627639
Figure 0006627639

から得た(1/N)Sn,kを、前記解析位置pm毎に算出して周波数軸係数(1/N)Sn,k,mを求め、該(1/N)Sn,k,mを前記定Q変換における周波数軸係数とする周波数軸係数算出部と、を備え、
前記定Q変換手段は、
時系列データxn全体に対して離散フーリエ変換を行ってフーリエ係数Xnを求め、前記解析位置pm毎に、前記周波数軸係数算出部で算出された周波数軸係数(1/N)Sn,k,mと前記フーリエ係数Xnとを積和計算して前記第1の計算法を実施する低周波帯域計算部と、
前記解析位置pm毎に、前記時間軸係数算出部で算出された時間軸係数Tn,k,mと時系列データxnとを積和計算して前記第2の計算法を実施する高周波帯域計算部と、
前記低周波帯域計算部と高周波帯域計算部の各出力を合成して定Q変換の成分を求める合成部と、
を備えていることを特徴とする。
Was obtained from (1 / N) S n, the k, determined frequency axis coefficient (1 / N) S n, k, and m are calculated for each said analysis position p m, the (1 / N) S n, a frequency axis coefficient calculating unit that sets k and m as frequency axis coefficients in the constant Q conversion,
The constant Q conversion means includes:
When asked to Fourier coefficient X n by performing a discrete Fourier transform for the entire series data x n, for each of the analyzed position p m, the frequency axis coefficient calculated by the frequency axis coefficient calculator (1 / N) S n , k, m and the Fourier coefficient X n to calculate the sum of products and perform the first calculation method, a low frequency band calculation unit,
For each of the analysis positions p m , a high-frequency wave for performing the second calculation method by performing a product-sum calculation on the time axis coefficient T n, k, m calculated by the time axis coefficient calculation unit and the time series data x n A bandwidth calculator,
A combining unit that combines the outputs of the low-frequency band calculation unit and the high-frequency band calculation unit to obtain a component of constant Q conversion;
It is characterized by having.

上記構成によれば、複数の時刻で各々定Q変換を行う際に、低周波帯域における周波数軸での計算は、時系列データの離散フーリエ変換を、複数の時刻毎に行わなくても、xn全体に対して一括して離散フーリエ変換したフーリエ係数Xnと各解析位置での周波数軸係数との積和計算でよいため、全体としての計算が高速化される。 According to the above configuration, when performing the constant Q conversion at each of a plurality of times, the calculation on the frequency axis in the low-frequency band is performed without performing the discrete Fourier transform of the time-series data at each of the plurality of times. Since the product-sum calculation of the Fourier coefficients Xn obtained by performing the discrete Fourier transform on the entire n and the frequency axis coefficients at each analysis position is sufficient, the calculation as a whole is speeded up.

また、請求項4に記載の異常診断装置は、請求項1において、前記各定Q変換装置は、 Further, in the abnormality diagnosis device according to the fourth aspect , in the first aspect , each of the constant Q conversion devices includes:

Figure 0006627639
Figure 0006627639

を、予め設定した時間方向の複数の解析位置pm(m=1,…,M)のうち1つの解析位置p1において算出して時間軸係数Tn,k,1を求め、該Tn,k,1を前記定Q変換における時間軸係数とする時間軸係数算出部と、
時間軸係数Tn,kをn=0,…,N−1の時系列データとみたときの離散フーリエ変換である
A plurality of analysis position of the preset time direction p m (m = 1, ... , M) time axis coefficient T n is calculated in one analysis position p 1 of the, seeking k, 1, the T n , k, 1 as a time axis coefficient in the constant Q conversion,
This is a discrete Fourier transform when the time axis coefficient T n, k is regarded as time series data of n = 0,..., N−1.

Figure 0006627639
Figure 0006627639

から得た(1/N)Sn,kを、前記1つの解析位置p1において算出して周波数軸係数(1/N)Sn,k,1を求め、該(1/N)Sn,k,1を前記定Q変換における周波数軸係数とする周波数軸係数算出部と、を備え、
前記定Q変換手段は、
時系列データxn全体に対して離散フーリエ変換を行ってフーリエ係数Xnを求め、 前記解析位置pm毎に、
前記周波数軸係数算出部で求められた周波数軸係数(1/N)Sn,k,1と、
前記解析位置pm毎の周波数軸係数(1/N)Sn,k,mは前記1つの解析位置p1における周波数軸係数(1/N)Sn,k,1に帰結できる関係にあることから導かれる、複素指数関数のべき乗
Was obtained from (1 / N) S n, the k, the one frequency axis coefficient calculated in the analysis position p 1 of (1 / N) S n, obtains a k, 1, the (1 / N) S n , k, 1 as frequency axis coefficients in the constant Q conversion,
The constant Q conversion means includes:
A discrete Fourier transform is performed on the entire time series data x n to obtain a Fourier coefficient X n, and for each of the analysis positions p m ,
A frequency axis coefficient (1 / N) S n, k, 1 obtained by the frequency axis coefficient calculation unit;
There the analysis frequency axis coefficient for each position p m (1 / N) S n, k, m are in a relationship permitting consequence the frequency axis coefficients in one analysis position p 1 (1 / N) S n, the k, 1 Power of complex exponential function derived from

Figure 0006627639
Figure 0006627639

と、
前記フーリエ係数Xnとを積和計算して前記第1の計算法を実施する低周波帯域計算部と、
前記解析位置pm毎に範囲をずらして、前記時間軸係数算出部で算出された時間軸係数Tn,k,1と時系列データxn-p1+pmとを積和計算して前記第2の計算法を実施する高周波帯域計算部と、
前記低周波帯域計算部と高周波帯域計算部の各出力を合成して定Q変換の成分を求める合成部と、
を備えていることを特徴とする。
When,
A low-frequency band calculation unit that performs a product-sum calculation of the Fourier coefficient X n and performs the first calculation method;
By shifting the range for each of the analyzed position p m, the time-series data x n-p1 + and pm by product-sum computation the time axis coefficient T n calculated by the time-axis coefficient calculating section, k, 1 and the A high-frequency band calculation unit that performs the calculation method 2;
A combining unit that combines the outputs of the low-frequency band calculation unit and the high-frequency band calculation unit to obtain a component of constant Q conversion;
It is characterized by having.

上記構成によれば、複数の時刻で各々定Q変換を行う際に、1つの解析位置p1における時間軸係数および周波数軸係数を利用して各時刻での計算が可能となるので、複数の時刻毎(複数の解析位置毎)に時間軸係数および周波数軸係数を用意する必要はなく、データ量が少なくなってメモリを節約することができる。 According to the above configuration, when performing each constant Q transform a plurality of times, so by utilizing the time-axis coefficient and frequency axis coefficients in one analysis position p 1 is calculated at each time is possible, a plurality of It is not necessary to prepare a time-axis coefficient and a frequency-axis coefficient for each time (for each of a plurality of analysis positions), and the amount of data can be reduced to save memory.

(1)請求項1〜5に記載の発明によれば、時系列データから周波数成分の多変量データを作成する際に、フーリエ変換でなく定Q変換を使ったことにより、診断用パラメータ作成手段で使用するデータが比較的少なくてもサンプルの多様性を確保できるようになり、長期間にわたって同じ基準で異常診断が可能になる。これによって異常診断の信頼性が向上する。
(2)請求項1、2に記載の発明によれば、低周波帯域、高周波帯域のどちらの場合でも演算量の少ない計算法で定Q変換の成分を演算することができ、演算の高速化が実現される。
(3)請求項3に記載の発明によれば、複数の時刻で各々定Q変換を行う際に、低周波帯域における周波数軸での計算は、時系列データの離散フーリエ変換を、複数の時刻毎に行わなくても、xn全体に対して一括して離散フーリエ変換したフーリエ係数Xnと各解析位置での周波数軸係数との積和計算でよいため、全体としての計算が高速化される。
(4)請求項4に記載の発明によれば、複数の時刻で各々定Q変換を行う際に、1つの解析位置p1における時間軸係数および周波数軸係数を利用して各時刻での計算が可能となるので、複数の時刻毎(複数の解析位置毎)に時間軸係数および周波数軸係数を用意する必要はなく、データ量が少なくなってメモリを節約することができる。
(1) According to the first to fifth aspects of the present invention, when generating multivariate data of frequency components from time-series data, a constant Q-transform instead of a Fourier transform is used, so that diagnostic parameter generating means It is possible to ensure the diversity of the sample even if the data used in the method is relatively small, and the abnormality can be diagnosed based on the same standard over a long period of time. This improves the reliability of the abnormality diagnosis.
(2) According to the first and second aspects of the present invention, the constant Q conversion component can be calculated by a calculation method with a small amount of calculation in both the low frequency band and the high frequency band, and the calculation is speeded up. Is realized.
(3) According to the third aspect of the invention, when performing the constant Q conversion at each of a plurality of times, the calculation on the frequency axis in the low frequency band is performed by performing the discrete Fourier transform of the time series data by the plurality of times. even without every, for good in product-sum calculation between the frequency axis coefficient on the Fourier coefficients X n and each analysis position discrete Fourier transform collectively on the entire x n, is calculated as a whole faster You.
(4) according According to the invention described in claim 4, when performing each constant Q transform a plurality of times, the computation of a single analysis position p each time by using the time axis coefficient and frequency axis coefficients in 1 Therefore, it is not necessary to prepare a time-axis coefficient and a frequency-axis coefficient for each of a plurality of times (each of a plurality of analysis positions), and the amount of data can be reduced to save memory.

本発明の実施形態例による異常診断装置の構成を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an abnormality diagnosis device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態例による全期間データの第一主成分×第二主成分散布図。FIG. 4 is a scatter diagram of first principal component × second principal component of all period data according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態例による異常度の期間変化を示す説明図。Explanatory drawing which shows the period change of the abnormal degree by embodiment of this invention. 本発明の実施形態例による異常診断例を示す説明図。Explanatory drawing which shows the abnormality diagnosis example by embodiment of this invention. 本発明の実施形態例における定Q変換装置の一例を示す構成図。FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of a constant Q conversion device according to an embodiment of the present invention. 従来手法をベースとした異常度の期間変化を示す説明図。Explanatory drawing which shows the period change of the abnormal degree based on the conventional method. 従来のフーリエ変換による全期間データの第一主成分×第二主成分散布図。FIG. 4 is a scatter diagram of a first principal component × a second principal component of all period data by a conventional Fourier transform.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本発明では、時系列データ(波形データ)から周波数成分の多変量サンプルを生成する際に、従来のフーリエ変換の代わりに定Q変換を使う。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments. In the present invention, when generating multivariate samples of frequency components from time-series data (waveform data), a constant Q transform is used instead of the conventional Fourier transform.

定Q変換(Constant Q transform)は、フーリエ変換のように全ての周波数帯域で同じ期間のデータを解析するのではなく、全ての周波数帯域で同じ周期数になるように、周波数毎に参照するデータ数を変えて解析する。この方法では高周波帯域ほど短い期間のデータで解析するため、低周波帯域での周波数解像度を高く(例えば1Hz程度)するために長い期間(1秒以上)の測定を必要とする際に、期間を重複させ多数のサンプルをとっても高周波帯域では期間が重複しないため、多変量サンプルとしては多様性が確保される。   Constant Q transform (Constant Q transform) does not analyze data of the same period in all frequency bands unlike Fourier transform, but refers to data referred to for each frequency so that the number of periods is the same in all frequency bands. Analyze with different numbers. In this method, since analysis is performed using data of a shorter period in a higher frequency band, a longer period (1 second or longer) is required to increase the frequency resolution in a low frequency band (for example, about 1 Hz). Even if a large number of samples are overlapped, the periods do not overlap in the high frequency band, so that diversity is secured as a multivariate sample.

具体的な診断手法の構成を図1に示す。図1において、本実施例1の手法は、予め測定して集めた時系列データから診断のためのパラメータを計算する準備フェーズと、新たに測定された時系列データを診断する診断フェーズからなる。   FIG. 1 shows the configuration of a specific diagnosis method. In FIG. 1, the method of the first embodiment includes a preparation phase for calculating a parameter for diagnosis from time series data collected by measuring in advance, and a diagnosis phase for diagnosing newly measured time series data.

準備フェーズは、予め異常診断対象から測定して集めた時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成し、前記作成された多変量サンプルを基に診断用パラメータを作成する診断用パラメータ作成手段100として構成している。   In the preparation phase, a time-series data measured and collected from an abnormality diagnosis target is subjected to constant Q conversion to create a multivariate sample, and a diagnostic parameter is created based on the created multivariate sample. It is configured as means 100.

診断フェーズは、新たに異常診断対象から測定した時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成し、前記診断用パラメータ作成手段により作成された診断用パラメータを用いて異常を診断する診断手段200として構成している。   The diagnostic phase is a diagnostic means for generating a multivariate sample by performing constant-Q conversion on time series data newly measured from an abnormality diagnostic object and diagnosing an abnormality using the diagnostic parameters created by the diagnostic parameter creating means. 200.

診断用パラメータ作成手段100は、予め異常診断対象から測定して集めた時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成する第1の定Q変換装置101と、前記作成された多変量サンプルを主成分分析して変換行列を得るとともに各サンプルの主成分得点を計算する主成分分析部102と、前記主成分得点を基にサンプルの指標となる統計量を得る第1の統計値計算部103と、前記統計量を正規化して異常度とする第1の正規化部104と、を備えている。   The diagnostic parameter creating means 100 includes a first constant Q conversion device 101 for performing constant Q conversion on time series data collected by measuring from an abnormality diagnosis target in advance to create a multivariate sample, and the created multivariate sample And a principal component analysis unit 102 that obtains a transformation matrix by calculating the principal component and calculates a principal component score of each sample, and a first statistical value calculation unit that obtains a statistic serving as an index of the sample based on the principal component score. 103 and a first normalization unit 104 that normalizes the statistic to determine the degree of abnormality.

前記診断手段200は、新たに測定された時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成する第2の定Q変換装置201と、前記作成された多変量サンプルから、前記主成分分析部102で得られた変換行列を使って主成分得点を得る主成分計算部202と、前記主成分得点を基に統計量を得る第2の統計値計算部203と、前記統計量を、前記第1の正規化部104で使用した正規化係数によって正規化して異常度を計算する第2の正規化部204と、を備え、前記異常度に基づいて異常診断対象の異常を診断するものである。   The diagnostic means 200 comprises: a second constant-Q conversion device 201 for performing constant-Q conversion on newly measured time-series data to generate a multivariate sample; and the principal component analysis section from the generated multivariate sample. A principal component calculation unit 202 that obtains a principal component score using the transformation matrix obtained in step 102; a second statistical value calculation unit 203 that obtains a statistic based on the principal component score; A second normalization unit 204 that normalizes with the normalization coefficient used in the first normalization unit 104 to calculate the degree of abnormality, and diagnoses the abnormality to be diagnosed based on the degree of abnormality. .

図1の異常診断装置は、例えばコンピュータにより構成され、通常のコンピュータのハードウェアリソース、例えばROM、RAM、CPU、入力装置、出力装置、通信インターフェース、ハードディスク、記録媒体およびその駆動装置を備えている。   The abnormality diagnosis apparatus in FIG. 1 is configured by, for example, a computer, and includes hardware resources of a normal computer, such as a ROM, a RAM, a CPU, an input device, an output device, a communication interface, a hard disk, a recording medium, and a driving device thereof. .

このハードウェアリソースとソフトウェアリソース(OS、アプリケーションなど)との協働の結果、異常診断装置は、図1のように第1の定Q変換装置101、主成分分析部102、第1の統計値計算部103、第1の正規化部104、第2の定Q変換装置201、主成分計算部202、第2の統計値計算部203、第2の正規化部204を実装する。   As a result of the cooperation between the hardware resources and the software resources (OS, application, etc.), the abnormality diagnosis device includes a first constant Q conversion device 101, a principal component analysis unit 102, a first statistical value as shown in FIG. A calculation unit 103, a first normalization unit 104, a second constant Q conversion device 201, a principal component calculation unit 202, a second statistic value calculation unit 203, and a second normalization unit 204 are mounted.

前記多変量サンプル、主成分得点、統計量、異常度、変換行列、正規化係数などのデータはハードディスクあるいはRAMなどの保存手段・記憶手段に格納されるものとする。   The data such as the multivariate sample, the principal component score, the statistic, the degree of abnormality, the transformation matrix, and the normalization coefficient are stored in storage means such as a hard disk or RAM.

次に、図1の装置の各部の動作を説明する。準備フェーズ(診断用パラメータ作成手段100)では、予め集めた時系列データを、第1の定Q変換装置101において順次定Q変換して多数の多変量サンプルを作成する。定Q変換装置101は、例えば非特許文献1〜4に開示されている方式を実行するものでもよく、また後述する実施例2〜4の高速演算が可能な定Q変換装置を採用しても良い。尚、実施例2〜4に示す方法で高速に求める場合には、時系列データのデータ長はそろっていることが望ましい。   Next, the operation of each unit of the apparatus of FIG. 1 will be described. In the preparation phase (diagnosis parameter creation means 100), the first constant Q conversion device 101 sequentially converts the time series data collected in advance into a large number of multivariate samples. The constant Q conversion device 101 may execute a method disclosed in Non-Patent Documents 1 to 4, for example, or may adopt a constant Q conversion device capable of performing high-speed calculations in Examples 2 to 4 described later. good. In the case of obtaining the data at high speed by the method described in the second to fourth embodiments, it is desirable that the data lengths of the time-series data are uniform.

例えば、102.4kHzサンプリングで5秒間のデータが100件など。定Q変換の高周波領域での参照データ数の少なさにより、1回の計測から回転周期との位相や電源周期との位相がそれぞれ異なる100〜400程度の多様なサンプルを得ることができる。   For example, there are 100 data for 5 seconds at 102.4 kHz sampling. Due to the small number of reference data in the high frequency region of the constant Q conversion, it is possible to obtain various samples of about 100 to 400 having different phases from the rotation cycle and the power supply cycle from one measurement.

次に、主成分分析部102において、多変量サンプルを主成分分析して変換行列を得るとともに、各サンプルの主成分得点を計算する。そして統計値計算部103が、主成分得点を基にホテリングT2/Q統計量のようなサンプルの指標となる統計量を得る。   Next, the principal component analysis unit 102 performs a principal component analysis on the multivariate sample to obtain a transformation matrix, and calculates a principal component score of each sample. Then, the statistic calculation unit 103 obtains a statistic serving as an index of the sample such as the Hotelling T2 / Q statistic based on the principal component score.

最後に、算出した統計量が準備フェーズの時系列データで平均0になるように、第1の正規化部104において統計量を正規化して異常度とする。この際に、正規化に使用した正規化係数を保存して診断フェーズ(診断手段200)で使う。尚、異常度の取り得る数値範囲を限定するために、異常度を統計量の対数値にすることが望ましい。   Finally, the first normalization unit 104 normalizes the statistic so that the calculated statistic has an average of 0 in the time-series data in the preparation phase, and determines the degree of abnormality. At this time, the normalization coefficient used for normalization is stored and used in the diagnosis phase (diagnosis means 200). Note that, in order to limit the numerical range in which the degree of abnormality can be taken, it is desirable that the degree of abnormality be a logarithmic value of a statistic.

診断フェーズ(診断手段200)では、新たに測定した時系列データを第2の定Q変換装置201において定Q変換して多変量サンプルを作成する。   In the diagnostic phase (diagnosing means 200), the second constant-Q converter 201 performs constant-Q conversion on the newly measured time-series data to create a multivariate sample.

定Q変換装置201は、定Q変換装置101と同様に、例えば非特許文献1〜4に開示されている方式を実行するものでもよく、また後述する実施例2〜4の高速演算が可能な定Q変換装置を採用しても良い。   The constant-Q converter 201 may execute, for example, the methods disclosed in Non-Patent Documents 1 to 4, similarly to the constant-Q converter 101, and can perform high-speed calculations in Examples 2 to 4 described later. A constant Q conversion device may be employed.

次に、多変量サンプルに準備フェーズの主成分分析部102で作成した変換行列を使って、主成分計算部202で主成分得点を得る。そしてこれを基に、第2の統計値計算部203が準備フェーズと同様の計算で統計量を得る。最後に準備フェーズの第1の正規化部104で作成した正規化係数を使って、第2の正規化部204が異常度を計算し、その値により機器が正常か異常かを診断する。   Next, a principal component score is obtained by the principal component calculation unit 202 using the transformation matrix created by the principal component analysis unit 102 in the preparation phase for the multivariate sample. Then, based on this, the second statistic calculation unit 203 obtains a statistic by the same calculation as in the preparation phase. Finally, the second normalization unit 204 calculates the degree of abnormality using the normalization coefficient created by the first normalization unit 104 in the preparation phase, and diagnoses whether the device is normal or abnormal based on the value.

異常診断に使う異常値の閾値を決めるのは一般的に困難であるが、異常値を統計値の対数で取る場合には、簡易の診断としては閾値をlog3、log5のような値としても良い。これは振動実効値での異常判断基準が通常時の3倍、5倍などとするのと同様である。   It is generally difficult to determine a threshold value of an abnormal value used for abnormality diagnosis. However, when an abnormal value is calculated as a logarithm of a statistical value, the threshold value may be log3 or log5 as a simple diagnosis. . This is the same as when the abnormality determination criterion based on the vibration effective value is three times, five times, or the like as compared with the normal case.

本発明の効果を示すため、図7の第一主成分×第二主成分散布図と同じデータについて、定Q変換による多変量化データを主成分分析した場合の第一主成分×第二主成分散布図を図2に示す。図2によれば、図7の場合と異なり、白色の丸印で示す学習期間のデータが、黒丸印で示す全データの分布範囲を概ねカバーできていることが分かる。   In order to show the effect of the present invention, the same data as the first principal component × second principal component scatter diagram in FIG. FIG. 2 shows the dispersion diagram. According to FIG. 2, unlike the case of FIG. 7, it can be seen that the data in the learning period indicated by the white circles can substantially cover the distribution range of all data indicated by the black circles.

また、図6に示したものと同様の異常度を提案手法により計算した結果を図3に示す。図3によれば、図6の場合と異なり、時間がたっても異常度が上昇傾向にないことが分かる。線形回帰による傾きはほとんどゼロであり、正の傾きを取るIndicator1でも、異常度の平均が閾値に達するのに10年ほど掛かる。   FIG. 3 shows a result of calculating the degree of abnormality similar to that shown in FIG. 6 by the proposed method. According to FIG. 3, unlike the case of FIG. 6, it can be seen that the degree of abnormality does not tend to increase over time. The slope based on the linear regression is almost zero, and it takes about 10 years for Indicator 1 having a positive slope to reach the threshold value of the average of the abnormalities.

次に、提案手法による異常診断例を図4に示す。図4は、図6や図3とは別の回転機の計算例である。こちらも同様に1時間に一回、約100kHzのサンプリング周波数で5秒間の測定を行ったが、測定開始から25日目に故障により緊急停止した。25日目は稼動直後から異常度が非常に大きくなっているが、良く見ると、13日目にIndicator1が注意ラインを越えていることが分かる。   Next, an example of abnormality diagnosis by the proposed method is shown in FIG. FIG. 4 is a calculation example of a rotating machine different from FIGS. 6 and 3. In this case as well, measurement was performed once an hour at a sampling frequency of about 100 kHz for 5 seconds, but the emergency stop due to a failure occurred on the 25th day from the start of the measurement. On the 25th day, the degree of abnormality has become extremely large immediately after the operation, but if you look closely, you can see that Indicator 1 has crossed the caution line on the 13th day.

尚、この診断結果はフーリエ変換による手法でもほぼ同様の結果が得られる。   It should be noted that, as a result of this diagnosis, almost the same result can be obtained even by a method using Fourier transform.

本実施例2は、図1の第1、第2の定Q変換装置101、201を、より精度の高い定Q変換を、少ない演算量で高速に行うことができる図5の定Q変換装置で構成したものである。   In the second embodiment, the first and second constant-Q converters 101 and 201 of FIG. 1 can perform high-precision constant-Q conversion at a high speed with a small amount of calculation. It consists of.

まず定Q変換の成分について説明する。   First, the components of constant Q conversion will be described.

非特許文献1によると、定Q変換は次で定式化される(表記は少し変更している)。   According to Non-Patent Document 1, the constant Q conversion is formulated as follows (the notation is slightly changed).

Figure 0006627639
Figure 0006627639

0以外の値は各kに対して、n=(N−Nk)/2,…,(N+Nk)/2−1の範囲でのみ取り、この範囲の窓関数の形状として具体的にはハミング窓、ハニング窓、矩形窓など、多くの種類が提案されている
k:窓幅,Nk=Q(fs/fk)となるように取る
N≧N1≧…≧Nk…≧NK≧2Qとなる
Q:窓の周期数,定Q変換ではこれを全ての周波数で共通にする
非特許文献1、2ではQ=(21/B−1)-1程度に取るようにしている
Bはビン数で、1オクターブを分割する数のこと
s:サンプリング周波数
k:第k成分の周波数,fk=(21/Bk-1min
min=f1は定Q変換で解析する最小の周波数で、解析する範囲から決める
kは解析する最大の周波数で、fk≦fs/2となるようにする。
Values other than 0 are taken for each k only in the range of n = (N−N k ) / 2,..., (N + N k ) / 2-1. Hamming window, Hanning window, such as a rectangular window, N k are many types have been proposed: the window width, N k = Q (f s / f k) and so as to take N ≧ N 1 ≧ ... ≧ N k ... ≧ N K ≧ 2Q Q: The number of periods of the window, which is common to all frequencies in constant Q conversion In Non-Patent Documents 1 and 2, it is assumed that Q = (2 1 / B −1) −1 B is the number of bins and is a number that divides one octave. F s : sampling frequency f k : frequency of the k-th component, f k = (2 1 / B ) k−1 f min
f min = f 1 is the smallest frequency to be analyzed at a constant Q transform, the f k determined from the scope of analyzing the maximum frequency to be analyzed, so that the f k ≦ f s / 2.

定Q変換は特に低周波帯域の成分で窓幅Nkが非常に大きくなることにより演算量が多い。 The constant Q conversion requires a large amount of calculation because the window width Nk becomes extremely large particularly in a low frequency band component.

これに対して非特許文献2では、高速フーリエ変換(FFT;Fast Fourier transform)を利用した演算の高速化方法が提案されている。   On the other hand, Non-Patent Literature 2 proposes a method for increasing the speed of an arithmetic operation using a fast Fourier transform (FFT; Fast Fourier transform).

この方法ではパーセバルの公式により、定Q変換を次の数式(2)のように時間軸での計算から周波数軸での計算に置き換える。   In this method, according to Parseval's formula, the constant Q conversion is replaced from the calculation on the time axis to the calculation on the frequency axis as in the following equation (2).

Figure 0006627639
Figure 0006627639

尚、明細書中の以下の文章では、前記数式(1)、(2)の各左辺の定Q変換の成分を、「Xk cq」と表記することもある。 In the following text of the specification, the component of the constant Q conversion on each of the left sides of the equations (1) and (2) may be described as “X k cq ”.

ここでSn,kは(小さなkに対して特に)ほとんどの要素が0に近いので、一定値以下の項を0として疎行列表現すると(実質非ゼロ項の積和計算だけになるため)非常に高速に計算できるようになる。 Here, most of the elements of S n, k (especially for small k) are close to 0, so if terms less than a certain value are expressed as sparse matrices as 0 (since only the product-sum calculation of substantially non-zero terms) You can calculate very fast.

さらに(1/N)Sn,kは、計算するデータ長と解析する周波数範囲が決まっていれば、入力データ列xnに寄らず事前に計算できるためこれを予め用意しておけば、入力データの離散フーリエ変換はFFTで実行するとして、定Q変換を入力データに対する1回のFFTと、FFT結果ベクトルと予め用意した疎行列との積演算により計算できることになる。 Further, (1 / N) S n, k can be calculated in advance regardless of the input data sequence x n if the data length to be calculated and the frequency range to be analyzed are determined. Assuming that the discrete Fourier transform of the data is performed by FFT, the constant Q transform can be calculated by one FFT on the input data and a product operation of the FFT result vector and a sparse matrix prepared in advance.

Figure 0006627639
Figure 0006627639

離散でないフーリエ変換でも同等の公式が成り立ち、これらはパーセバルの定理、プランシュレルの定理など様々な呼び方がされる。   Equivalent formulas hold for non-discrete Fourier transforms, which are referred to in various ways as Parseval's theorem and Planschler's theorem.

非特許文献2による高速化のアイデアは周波数軸での係数Sn,kが疎行列とみなせることに依拠しているが、実際にはSn,kが疎行列というのは粗い評価である。確かにその値は一部を除いて小さいが、精度を高めると必ずしも疎にならない。特に高周波帯域でこの傾向が顕著である。実際、非特許文献2、4で係数Sn,kが十分小さいとしている閾値はそれぞれ0.15、0.0054であり、通常の評価には問題ないが有効数字7桁以上の精度を得るには十分とは言えない。このため、要求精度によってはこの高速化手法がかえって遅くなる可能性がある。 The idea of speeding up according to Non-Patent Document 2 relies on the fact that the coefficient S n, k on the frequency axis can be regarded as a sparse matrix, but in practice, the fact that S n, k is a sparse matrix is a rough evaluation. Certainly, the value is small except for a part, but it is not necessarily sparse when the accuracy is increased. This tendency is particularly remarkable in a high frequency band. In fact, in Non-Patent Documents 2 and 4, the thresholds at which the coefficient S n, k is considered to be sufficiently small are 0.15 and 0.0054, respectively. Is not enough. For this reason, depending on the required accuracy, there is a possibility that the speed-up method may be rather slowed down.

実際に周波数軸での計算でどの程度の演算量を必要とするかを調べるため、非特許文献4に準じた設定により時間軸での計算と周波数軸での計算でそれぞれ計算対象となる非ゼロの項数を評価する。   In order to find out how much calculation amount is actually required in the calculation on the frequency axis, non-zero values to be calculated in the calculation on the time axis and the calculation on the frequency axis are set according to Non-Patent Document 4. Evaluate the number of terms.

設定パラメータは、本明細書の記号法で表記してB=24、Q=28、fs=16000、fmin=60、K=160とし、定Q変換をそれぞれ矩形窓、ハミング窓、ハニング窓で計算する場合において、時間軸での計算に必要な非ゼロ項数と、周波数軸での計算で所定の精度の係数まで計算する際に必要な項数を表1に示す。 Setting parameters, denoted by the symbol method of the present specification and B = 24, Q = 28, f s = 16000, f min = 60, K = 160, respectively rectangular window constant Q transform, Hamming window, Hanning window Table 1 shows the number of non-zero terms required for calculation on the time axis and the number of terms required for calculation up to a coefficient of predetermined accuracy in calculation on the frequency axis.

Figure 0006627639
Figure 0006627639

なお、非特許文献1、2に合わせるとB=24のときQ=34となるが、非特許文献3、4では追加の係数fratioを導入してQの値を変えているので、その設定値Q=28を使っている。また解析する最大周波数6000HzからK=160を導いた。fsの値は非特許文献3,4に明記されていなかったので、最大周波数6000Hzまで解析できるサンプリング周波数12000Hz以上のWAV音声データとしてfs=16000Hzを選択した。 It should be noted that when combined with Non-Patent Documents 1 and 2, Q = 34 when B = 24. However, in Non-Patent Documents 3 and 4, the value of Q is changed by introducing an additional coefficient “fraction”. Q = 28 is used. K = 160 was derived from the maximum frequency 6000 Hz to be analyzed. Since the value of f s was not specified in Non-Patent Documents 3 and 4, f s = 16000 Hz was selected as WAV audio data having a sampling frequency of 12000 Hz or more that can be analyzed up to a maximum frequency of 6000 Hz.

表1中の周波数軸右の数値は係数をゼロと評価する係数の大きさの閾値であり、各数値右のパーセンテージは矩形窓の時間軸計算の項数を基準としている。   The numerical value on the right side of the frequency axis in Table 1 is a threshold value of the magnitude of the coefficient that evaluates the coefficient as zero, and the percentage on the right side of each numerical value is based on the number of terms in the time axis calculation of the rectangular window.

表1から、窓形状により程度が違うが、精度が高いほど(係数をゼロと評価する係数Sn,kの大きさの閾値が小さいほど)周波数軸での計算に必要な項数が増えることが分かる。特に矩形窓やハミング窓では精度が高くなると時間軸での計算より周波数軸での計算の方が積和すべき項数が大きくなり、周波数軸での計算で高速にならなくなる。 From Table 1, the degree depends on the window shape, but the higher the accuracy (the smaller the threshold value of the coefficient S n, k for evaluating the coefficient to be zero), the more the number of terms required for the calculation on the frequency axis is increased. I understand. In particular, in a rectangular window or a Hamming window, when the accuracy is high, the number of terms to be summed up in the calculation on the frequency axis becomes larger than that in the calculation on the time axis, and the calculation on the frequency axis does not become faster.

尚、周波数軸での計算にはFFT計算と疎行列の非ゼロ係数抽出のオーバーヘッドもあるので、必要項数に差がなければ時間軸計算が有利である。   Note that the calculation on the frequency axis has an overhead of FFT calculation and non-zero coefficient extraction of a sparse matrix. Therefore, if there is no difference in the number of required terms, the time axis calculation is advantageous.

より精度の高い定Q変換を高速に行うには工夫が必要になる。   To perform high-precision constant Q conversion at high speed, a device is required.

そこで本実施例2では、定Q変換を高精度でも演算量を少なく計算するために、定Q変換の成分Xk cqを数式(2)の時間軸での計算と周波数軸での計算のどちらの方法で計算するか、予め周波数成分k毎に演算量の小さい方を選択しておくことで実現する。 Therefore, in the second embodiment, in order to calculate the constant Q conversion with high accuracy and a small amount of calculation, the constant X conversion component X k cq is calculated using either the time axis calculation or the frequency axis calculation of the equation (2). Or by selecting in advance the smaller calculation amount for each frequency component k.

定Q変換の成分Xk cqの計算はおおよそ低周波帯域では周波数軸での計算の演算量が小さく、高周波帯域では時間軸での計算の演算量が小さいから、kの境界値KMを決めて、k≦KMでは周波数軸での計算、k>KMでは時間軸での計算、というようにすれば良い。 The calculation of the component X k cq constant Q transform small calculation amount of calculations in the frequency axis at approximately the low frequency band, because in the high frequency band is small calculation amount calculation in the time axis, determines the boundary value K M for k Te, calculated at k ≦ K M in the frequency axis, calculations in k> K in M time axis, may be so called.

図5において、10は予め定Q変換を行うためのパラメータを決定して定Q変換計算の準備をする準備部であり、20は個別の時系列データに対する定Q変換を計算する個別計算部である。   In FIG. 5, reference numeral 10 denotes a preparation unit that determines parameters for performing constant Q conversion in advance to prepare for constant Q conversion calculation, and 20 denotes an individual calculation unit that calculates constant Q conversion for individual time-series data. is there.

準備部10は、
設定した周波数成分KM以下の低周波数帯域において、時系列データの離散フーリエ変換と定Q変換における周波数軸係数との積和計算により求めた定Q変換成分の第1の演算量と、前記KMを超える高周波帯域において、時系列データと定Q変換における時間軸係数との積和計算により求めた定Q変換成分の第2の演算量とを含む合計演算量を算出し、前記KMを全周波数成分kに各々設定して各KM毎の前記合計演算量を求め、前記各KM毎の合計演算量を評価し、該演算量が最小となるKMを、計算法境界を示す周波数成分閾値として決定する計算法境界決定手段の機能と、
定Q変換における周波数成分kが前記決定された周波数成分閾値KM以下の低周波帯域では、時系列データの離散フーリエ変換と前記周波数軸係数との積和計算である第1の計算法を選択し、前記周波数成分kが前記決定された周波数成分閾値KMを超える高周波帯域では、時系列データと前記時間軸係数との積和計算である第2の計算法を選択する計算法選択手段の機能とを具備している。
The preparation unit 10
In the set frequency components K M or lower frequency band, a first amount of calculation of the constant Q transform components determined by the product-sum calculation between the frequency axis coefficients in the discrete Fourier transform and a constant Q transform of the time series data, the K in a high frequency band exceeding the M, when calculating the total amount of calculation and a second calculation of the constant Q transform components determined by the product-sum calculation of the time axis coefficient in the sequence data and the constant Q transform, the K M respectively set to all frequency components k seek the total calculation amount for each K M, evaluates the total computation amount of the respective K M, the K M of the calculation amount becomes minimum, indicating the calculation method boundary A function of a calculation method boundary determining means for determining as a frequency component threshold,
The low-frequency-band frequency component k is less frequency component threshold value K M which is the determined in the constant Q transform, when selecting the first calculation method is a product-sum computation of the discrete Fourier transform and the frequency axis coefficient series data and, wherein in a high frequency band in which the frequency component k exceeds the frequency component threshold value K M which is the determination of the calculation method selection means for selecting the second calculation method is a product-sum computation of the time-series data and the time-axis coefficient Function.

前記計算法境界決定手段および計算法選択手段の各機能を実行する準備部10は、具体的には、定Q変換のパラメータを決定するパラメータ決定部11、時間軸係数Tn,kを計算する時間軸係数算出部12、周波数軸係数(1/N)Sn,kを計算する周波数軸係数算出部13、時間軸での計算と周波数軸での計算との境界のk値KMを決定する計算法境界決定部14からなる。 The preparation unit 10 that executes the functions of the calculation method boundary determination unit and the calculation method selection unit specifically includes a parameter determination unit 11 that determines parameters for constant Q conversion , and calculates a time axis coefficient T n, k . time axis coefficient calculating section 12, the frequency axis coefficient (1 / n) S n, the frequency axis coefficient calculation unit 13 for calculating the k, determining a k value K M of the boundary between the calculation of the calculation and the frequency axis in the time axis And a calculation method boundary determining unit 14.

個別計算部20は、時系列データに対して、前記計算法選択手段により選択された第1の計算法、第2の計算法を実施して定Q変換の成分を求める定Q変換手段の機能を具備している。   The individual calculation unit 20 performs a first calculation method or a second calculation method selected by the calculation method selection unit on the time-series data to obtain a constant Q conversion component. Is provided.

前記定Q変換手段の機能を実行する個別計算部20は、具体的には、時系列データの長さを整える前処理部21、高周波帯域の定Q変換を計算する高周波帯域計算部22、低周波帯域の定Q変換を計算する低周波帯域計算部23、高周波帯域での結果と低周波帯域での結果をまとめる定Q変換合成部24からなる。   Specifically, the individual calculation unit 20 that performs the function of the constant Q conversion unit includes a preprocessing unit 21 that adjusts the length of the time series data, a high frequency band calculation unit 22 that calculates a constant Q conversion of a high frequency band, It comprises a low-frequency band calculation unit 23 for calculating constant-Q conversion of a frequency band, and a constant-Q conversion synthesis unit 24 for compiling results in a high-frequency band and results in a low-frequency band.

図5の定Q変換の成分演算装置は、例えばコンピュータにより構成され、通常のコンピュータのハードウェアリソース、例えばROM、RAM、CPU、入力装置、出力装置、通信インターフェース、ハードディスク、記録媒体およびその駆動装置を備えている。   The constant Q conversion component operation device of FIG. 5 is constituted by, for example, a computer, and hardware resources of a normal computer, for example, ROM, RAM, CPU, input device, output device, communication interface, hard disk, recording medium, and its driving device It has.

このハードウェアリソースとソフトウェアリソース(OS、アプリケーションなど)との協働の結果、定Q変換の成分演算装置は、図5に示すように、パラメータ決定部11、時間軸係数算出部12、周波数軸係数算出部13、計算法境界決定部14、前処理部21、高周波帯域計算部22、低周波帯域計算部23、定Q変換合成部24を実装する。   As a result of the cooperation between the hardware resources and the software resources (OS, application, etc.), the constant-Q conversion component operation device includes a parameter determination unit 11, a time axis coefficient calculation unit 12, a frequency axis A coefficient calculation unit 13, a calculation method boundary determination unit 14, a preprocessing unit 21, a high frequency band calculation unit 22, a low frequency band calculation unit 23, and a constant Q conversion synthesis unit 24 are mounted.

また各部での処理結果は、ハードディスク或いはRAMなどの保存手段・記憶手段に格納され、随時利用されるものとする。   Further, the processing results of the respective units are stored in a storage unit or storage unit such as a hard disk or a RAM, and are used as needed.

まず、準備部10のパラメータ決定部11では、予め定Q変換で解析する時系列データのサンプリング周波数fs、解析する周波数範囲(fmin,fmax)と1オクターブの周波数を区切るビン数B、解析対象データの周期数Q、窓関数を決定する。このときfmax≦fs/2が必要で、K=floor(B*log2(fmax/fmin))+1となる。これを基に計算する入力データの長さをN=N1=Q(fs/fmin)とする。 First, the parameter determination unit 11 of the preparation unit 10 preliminarily determines the sampling frequency f s of time-series data to be analyzed by constant Q conversion, the number of bins B that separates the frequency range to be analyzed (f min , f max ) and the frequency of one octave, The number of periods Q of the data to be analyzed and the window function are determined. At this time, f max ≤ f s / 2 is required, and K = floor (B * log 2 (f max / f min )) + 1. The length of the input data to be calculated based on this and N = N 1 = Q (f s / f min).

また周波数軸係数をゼロとみなすべき係数の大きさの閾値Thもここで決定しておく。   The threshold value Th of the magnitude of the coefficient for which the frequency axis coefficient should be regarded as zero is also determined here.

時間軸係数算出部12では、パラメータ決定部11で決定したパラメータを基に、時間軸係数Tn,kを次の定義式に従って計算する。 The time axis coefficient calculation unit 12 calculates the time axis coefficient T n, k based on the parameters determined by the parameter determination unit 11 according to the following definitional expression.

Figure 0006627639
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周波数軸係数算出部13では、パラメータ決定部11で決定したパラメータを基に、周波数軸係数(1/N)Sn,kを、 The frequency axis coefficient calculator 13 calculates a frequency axis coefficient (1 / N) S n, k based on the parameters determined by the parameter determiner 11.

Figure 0006627639
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の定義式に従って計算する。この際、|Sn,k|≦Thとなる項は周波数軸係数(1/N)Sn,k=0とする。 Calculate according to the definition formula. At this time, the term of | S n, k | ≦ Th is set to the frequency axis coefficient (1 / N) S n, k = 0.

計算法境界決定部14では、周波数軸での計算を行う最大のk値KM(周波数成分閾値)を求める。KMは0,…,Kの何れかの値を持ち、KM=0は周波数軸での計算を行わずに非特許文献1、2と同様に全て時間軸での計算で求める場合を意味する。 The calculation method boundary determination unit 14 obtains a maximum k value K M (frequency component threshold) for performing calculation on the frequency axis. K M is 0, ..., have one of the values of K, K M = 0 is means if determined by calculation in the same manner all the time axis and Non-Patent Documents 1 and 2 calculated without the frequency axis I do.

周波数成分閾値KMの決定方法としては、KM=0,…,Kの各場合について、定Q変換の成分Xk cqを求めるのに必要な演算量CX(KM)を評価してそれが最小となるようにKMを決定する。 As a method of determining frequency components threshold K M is, K M = 0, ..., for each case of K, by evaluating the constant Q transform component X k calculation amount necessary for obtaining the cq C X (K M) Determine K M so that it is minimized.

定Q変換の成分Xk cqの演算量CX(KM)(合計演算量)は、長さNのFFTの演算量CFFT(N)、非ゼロの時間軸係数毎の演算量CT、非ゼロの時間軸係数の数NT(k)、非ゼロの周波数軸係数毎の演算量CF、kで非ゼロとみなす周波数軸係数の数NF(k)を使っておおよそ The operation amount C X (K M ) (total operation amount) of the constant X transform component X k cq is the operation amount C FFT (N) of the FFT of length N, and the operation amount C T for each non-zero time axis coefficient. , The number of non-zero time axis coefficients N T (k), the amount of computation C F for each non-zero frequency axis coefficient, and the number N F (k) of frequency axis coefficients regarded as non-zero by k

Figure 0006627639
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と表せる。   Can be expressed as

ここでCFFTは計算を実行する計算機やそれぞれの算法の詳細により変わり得るが、実測からの一例としては、CFFT(N)=(1/4)Nlog2(N)、CT=1、CF=1としても良い。 Here, the C FFT can vary depending on the computer that performs the calculation and the details of each algorithm, but as an example from actual measurement, C FFT (N) = (1 /) Nlog 2 (N), C T = 1, C F = 1 may be set.

上記演算量CX(KM)を示す数式(3)において、右辺第1項は、KMが非ゼロのときCFFTとし、そうでないときは0とすることを表し、右辺第2項は、周波数成分kが周波数成分閾値KM以下の低周波帯域における周波数軸係数毎の演算量を表し、右辺第3項は、周波数成分kが周波数成分閾値KMを超える高周波帯域における時間軸係数毎の演算量を表している。 In Equation (3) representing the operation amount C X (K M), the first term is to K M is a C FFT when nonzero, indicates that a 0 and if not, the second term represents the calculation amount of each frequency axis coefficient frequency component k is in the following low-frequency band frequency component threshold value K M, the third term on the right side, every time axis coefficient in a high frequency band frequency component k exceeds the frequency component threshold value K M Represents the amount of calculation of.

このためKMが非ゼロのときは、数式(3)の右辺第1項のFFTの演算量および右辺第2項の演算量(周波数軸係数による演算量)からなる第1の演算量と、数式(3)の右辺第3項の時間軸係数による第2の演算量との合計が演算量CX(KM)となる。 For this reason, when KM is non-zero, a first operation amount including the operation amount of the FFT of the first term on the right side and the operation amount of the second term on the right side (operation amount based on the frequency axis coefficient) of Expression (3); The sum of the calculation amount C X (K M ) and the second calculation amount based on the time axis coefficient of the third term on the right side of Expression (3) becomes the calculation amount C X (K M ).

またKMがゼロのときは、数式(3)の右辺第1項および右辺第2項がともに0となって右辺第3項の時間軸係数による第2の演算量のみが演算量CX(KM)となる。 When KM is zero, the first term on the right side and the second term on the right side of equation (3) are both 0, and only the second operation amount based on the time axis coefficient of the third term on the right side is the operation amount C X ( K M ).

この演算量CX(KM)は、非ゼロの時間軸係数の数NT(k)がkに関して指数的に減少し、非ゼロの周波数軸係数の数NF(k)がkに関しておおよそ指数的に増加するため、KM=1,…,Kの範囲ではおおよそ下に凸の特性カーブとなる。ただし、KM=0ではCFFTがなくなるためCX(0)が小さくなる。結果として演算量CX(KM)はKM=0あるいはKM=1,…,Kでの最小点の何れかで最小値を取ることになる。 The amount of computation C X (K M ) is such that the number of non-zero time axis coefficients N T (k) decreases exponentially with k, and the number of non-zero frequency axis coefficients N F (k) is approximately with k. Since it increases exponentially, a characteristic curve which is approximately convex downward in the range of K M = 1,..., K. However, when K M = 0, C FFT disappears and C X (0) becomes smaller. As a result, the operation amount C X (K M ) takes the minimum value at any one of the minimum points at K M = 0 or K M = 1,..., K.

個別計算部20では、入力された時系列データの定Q変換を次のようにして求める。   The individual calculation unit 20 calculates the constant Q conversion of the input time-series data as follows.

前処理部21では、入力された時系列データの長さがNより短ければ前後に0を補完して、Nより長ければ前後の値を除去して長さがNの時系列データxnになるようにする。このとき入力された時系列データの中央部分が時系列データxnの中央部分に一致するようにする。 The pre-processing unit 21 complements the leading and trailing zeros if the length of the input time-series data is shorter than N, and removes the preceding and following values if the length is longer than N to form the time-series data x n of length N. To be. At this time, the central part of the input time-series data is made to coincide with the central part of the time-series data xn .

次に定Q変換の成分Xk cqを、前記計算法境界決定部14で決定した周波数成分閾値KMにより、k≦KMについては低周波帯域計算部23で計算し、k>KMについては高周波帯域計算部22で計算する。 Then component X k cq constant Q transform, by the calculation method boundary determining unit 14 frequency components threshold K M determined in, for k ≦ K M was calculated in the low frequency bandwidth calculation unit 23, for k> K M Is calculated by the high frequency band calculator 22.

高周波帯域計算部22は、前記時間軸係数算出部12で算出された時間軸係数Tn,kと時系列データxnを積和計算して定Q変換の成分Xk cqを求める。各kについて非ゼロの時間軸係数Tn,kは高々Nk個なので、積和計算を非ゼロの範囲に限定することで効率的に計算できる。 The high-frequency band calculation unit 22 calculates the product-sum of the time-axis coefficient T n, k calculated by the time-axis coefficient calculation unit 12 and the time-series data x n to obtain a constant Q-transform component X k cq . Since there are at most N k non-zero time-axis coefficients T n, k for each k, the product-sum calculation can be performed efficiently by limiting it to a non-zero range.

低周波帯域計算部23は、まず時系列データxnをFFTしてフーリエ係数Xnを求める。次に前記周波数軸係数算出部13で算出された周波数軸係数(1/N)Sn,kとフーリエ係数Xnを積和計算して定Q変換の成分Xk cqを求める。各kについて非ゼロの周波数軸係数(1/N)Sn,kは少数なので、積和計算を非ゼロの範囲に限定することで効率的に計算できる。 The low-frequency band calculation unit 23 first obtains a Fourier coefficient X n by performing FFT on the time-series data x n . Next, the product of the frequency axis coefficient (1 / N) S n, k calculated by the frequency axis coefficient calculation unit 13 and the Fourier coefficient X n is calculated to obtain a constant Q conversion component X k cq . Since the number of non-zero frequency axis coefficients (1 / N) S n, k for each k is small, efficient calculation can be performed by limiting the product-sum calculation to the non-zero range.

尚、周波数軸係数は多くの場合、両端(周波数ゼロ近辺とサンプリング周波数近辺)部分では非ゼロ項とゼロ項が入り混じるが中間部分ではゼロ項が続くので、非ゼロ項の範囲を少し広げて、両端部分は全て非ゼロ項として計算しても良い。この場合、非ゼロ項が少し増えるがその数はそれほど多くはなく、また非ゼロ判定ロジックが簡略化できるので演算時間は大差なくなる。   In many cases, the non-zero term and the zero term are mixed at both ends (near the frequency zero and the vicinity of the sampling frequency), but the zero term continues in the middle part. , Both ends may be calculated as non-zero terms. In this case, the number of non-zero terms slightly increases, but the number is not so large, and since the non-zero determination logic can be simplified, the calculation time is not much different.

最後に定Q変換合成部24で、高周波帯域計算部22と低周波帯域計算部23とで計算した定Q変換の成分Xk cqをまとめて、定Q変換を完了する。 Finally, the constant Q conversion synthesis unit 24 puts together the constant X conversion components X k cq calculated by the high frequency band calculation unit 22 and the low frequency band calculation unit 23, and completes the constant Q conversion.

上記のように本実施例2によれば、従来の高速化技術の問題点である、高い精度の定Q変換を計算しようとすると演算量が膨れ上り通常の時間軸での計算よりもむしろ遅くなるという問題が改善される。   As described above, according to the second embodiment, when trying to calculate a high-precision constant Q conversion, which is a problem of the conventional high-speed technology, the amount of calculation expands and the calculation is slower than the calculation on the normal time axis. Problem is improved.

その効果を示すため、定Q変換の計算方法(時間軸計算、周波数軸計算、提案手法)毎に、必要な演算量を表2のように試算した。試算は、時系列データのパラメータを表1と同じにして、演算量パラメータをCFFT(N)=(1/4)Nlog2(N)、CT=1、CF=1として計算した定Q変換の成分Xk cqの演算量CX(KM)を表2に示す。 In order to show the effect, the required amount of calculation was calculated as shown in Table 2 for each calculation method of constant Q conversion (time axis calculation, frequency axis calculation, proposed method). In the trial calculation, the parameters of the time-series data were set to be the same as those in Table 1, and the calculation parameters were calculated as C FFT (N) = (1/4) Nlog 2 (N), C T = 1, and C F = 1. Table 2 shows the calculation amount C X (K M ) of the component X k cq of the Q conversion.

Figure 0006627639
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表2中の周波数軸右の数値は係数をゼロと評価する係数の大きさの閾値であり、各数値右のパーセンテージは矩形窓の時間軸計算の演算量を基準としている。   The numerical value on the right side of the frequency axis in Table 2 is a threshold value of the magnitude of the coefficient that evaluates the coefficient as zero, and the percentage on the right side of each numerical value is based on the amount of calculation of the time axis calculation of the rectangular window.

表2では、FFT演算の演算量が原因で高速化の効果が小さめに出ているが、ハニング窓では閾値1.0e−5でもおおよそ1/5(22.5%)の演算量になっている。またFFT演算の演算量が重く周波数軸での計算で効果が出ない場合でも、自動的に時間軸での計算になるので反って遅くなるという問題は発生しない。   In Table 2, although the effect of speeding-up is small due to the calculation amount of the FFT calculation, the calculation amount of the Hanning window is approximately 1/5 (22.5%) even with the threshold value of 1.0e-5. I have. Further, even when the calculation amount of the FFT calculation is heavy and the calculation on the frequency axis does not produce an effect, the calculation is automatically performed on the time axis, so that there is no problem that the calculation is slowed down.

実施例2は、ある一時刻における定Q変換の各成分値を求める際には効率的であるが、実際の定Q変換では、時系列データの周波数成分の時間変化を捉えるために少しずつ時刻をずらしながら繰り返し定Q成分を計算する。このときずらす時刻は、最短ではサンプリング周波数で、時系列データの情報を余すことなく計算するには最長でも最高周波数での窓幅にしたい。もちろん、時系列データの特徴サンプル抽出などでは、これよりも長い間隔で時刻をずらして定Q変換する場合もあるが、いずれにせよ時系列データ全体に対しては多くの繰り返し計算をすることになり、まだまだ負荷が高い。   The second embodiment is efficient when obtaining each component value of the constant Q conversion at a certain time, but in the actual constant Q conversion, the time is gradually increased in order to capture the time change of the frequency component of the time series data. The constant Q component is repeatedly calculated while shifting. The time to be shifted at this time is the sampling frequency at the shortest, and the window width at the longest is the longest at the maximum in order to calculate the information of the time-series data without leaving it. Of course, when extracting feature samples of time-series data, the time may be shifted at longer intervals to perform constant Q conversion, but in any case, many repetitive calculations are performed on the entire time-series data. No, the load is still high.

多数の時刻で同時に定Q変換を計算する際には更なる効率化が必要である。   When the constant Q conversion is calculated at many times at the same time, further efficiency is required.

そこで本実施例3では、数式(2)の周波数軸での計算で定Q変換を行う場合に、定Q変換を計算する時刻ごとに計算に使用する時系列データの範囲でDFT(あるいはFFT)する代わりに、複数時刻での定Q変換に必要な範囲全体で一括してDFT(あるいはFFT)を行うことで高速化を図った。   Therefore, in the third embodiment, when performing the constant Q conversion by the calculation on the frequency axis of Expression (2), the DFT (or FFT) is performed within the range of the time-series data used for the calculation at each time when the constant Q conversion is calculated. Instead, the DFT (or FFT) is performed collectively over the entire range necessary for constant Q conversion at a plurality of times to increase the speed.

数式(1)で定義する定Q変換はデータ列xn,n=0,…,N−1の中央xN/2での成分Xk cqを計算するように定式化しているが、窓関数の非ゼロ範囲を時刻方向に平行移動することで他の時刻での成分を計算するように調整できる。すなわちTn,kとxnとの積和のインデックスをずらすことで実現できる。 The constant Q transformation defined by the equation (1) is formulated to calculate the component X k cq at the center x N / 2 of the data sequence x n , n = 0 ,. Can be adjusted to calculate components at other times by translating the non-zero range in the time direction. That is , it can be realized by shifting the index of the product sum of T n, k and x n .

数式(2)による周波数軸での計算に関しては、初めに定Q変換する時刻全体で必要な全データに対して一括してDFT(あるいはFFT)を行い、予め各時刻用に用意した(1/N)Sn,kと順次積和することで実現する。 With respect to the calculation on the frequency axis according to the equation (2), first, DFT (or FFT) is performed on all necessary data over the entire time for constant Q conversion, and is prepared in advance for each time (1/1). N) This is realized by sequentially summing with S n, k .

本実施例3による定Q変換の成分演算装置の具体的な計算の構成は、図5と同様であるが、各部で実行される機能が以下に示すように異なる。   The specific calculation configuration of the constant-Q conversion component operation device according to the third embodiment is the same as that of FIG. 5, but the functions executed by the respective units are different as described below.

まず、準備部10のパラメータ決定部11では、予め定Q変換で解析する時系列データのサンプリング周波数fs、解析する周波数範囲(fmin,fmax)と1オクターブの周波数を区切るビン数B、解析対象データの周期数Q、窓関数を決定する。このときfmax≦fs/2が必要で、K=floor(B*log2(fmax/fmin))+1となる。 First, the parameter determination unit 11 of the preparation unit 10 determines in advance the sampling frequency fs of the time-series data to be analyzed by constant Q conversion, the number of bins B separating the frequency range to be analyzed (f min , f max ) and the frequency of one octave, The number of periods Q of the target data and the window function are determined. At this time, f max ≤ f s / 2 is required, and K = floor (B * log 2 (f max / f min )) + 1.

さらに入力データxnの全長Nと、解析位置pm,m=1,…,M(時間方向の解析位置;時刻)を決定しておく。このとき、各位置pmでの定Q変換はxpmを中心とする長さN1=Q(fs/fmin)のデータ列をもとに計算し、(N1/2)≦p1≦…≦pM≦N−(N1/2)であるものとする。すなわち、全ての解析位置pm,m=1,…,Mで定Q変換の計算に必要なデータがx0,…,xN-1に含まれるものとする。尚、入力データの全点で定Q変換を計算したいような場合は予め入力データを前後にゼロ拡張して上記条件を満たすように変換しておけばよい。 Further, the total length N of the input data xn and the analysis positions p m , m = 1,..., M (analysis position in the time direction; time) are determined in advance. At this time, the constant Q transformation at each position p m is computed based on the data sequence of length N 1 = Q centered at x pm (f s / f min ), (N 1/2) ≦ p it is assumed to be 1 ≦ ... ≦ p M ≦ N- (N 1/2). That is, all of the analysis position p m, m = 1, ... , data necessary for the calculation of the constant Q transform by M is x 0, ..., are intended to be included in x N-1. When it is desired to calculate the constant Q conversion at all points of the input data, the input data may be extended to zero before and after and converted so as to satisfy the above condition.

また、周波数軸係数をゼロとみなすべき係数の大きさの閾値Thもここで決定しておく。   Further, the threshold value Th of the magnitude of the coefficient for which the frequency axis coefficient should be regarded as zero is also determined here.

時間軸係数算出部12ではパラメータ決定部11で決定したパラメータを基に、時間軸係数Tn,kを各解析位置pmについて次の定義式に従って計算する。 Parameter based on the determined time axis coefficient calculating section 12, the parameter determination unit 11, the time axis coefficient T n, the k is calculated according to the following defining equation for each analysis position p m.

Figure 0006627639
Figure 0006627639

このときpmに対するTn,kをTn,k,mと書くと、非ゼロ項に関してTn,k,m=Tn-pm+p1,k,1である。 At this time, if T n, k for p m is written as T n, k, m , T n, k, m = T n−pm + p1, k, 1 for the non-zero terms.

周波数軸係数算出部13ではパラメータ決定部11で決定したパラメータを基に、各解析位置pmについて周波数軸係数(1/N)Sn,k,mを定義式に従って計算する。この際、|Sn,k,m|≦Thとなる項は周波数軸係数(1/N)Sn,k,m=0とする。 Based on the parameters determined in the frequency axis coefficient calculation unit 13, the parameter determination unit 11 calculates the frequency axis coefficient (1 / N) S n, k, a m according defining equation for each analysis position p m. At this time, the term satisfying | S n, k, m | ≦ Th is set to the frequency axis coefficient (1 / N) S n, k, m = 0.

計算法境界決定部14では、周波数軸での計算を行う最大のk値KM(周波数成分閾値)を求める。KMは0,…,Kの何れかの値を持ち、KM=0は周波数軸での計算を行わずに非特許文献1、2と同様に全て時間軸での計算で求める場合を意味する。 The calculation method boundary determination unit 14 obtains a maximum k value K M (frequency component threshold) for performing calculation on the frequency axis. K M is 0, ..., have one of the values of K, K M = 0 is means if determined by calculation in the same manner all the time axis and Non-Patent Documents 1 and 2 calculated without the frequency axis I do.

周波数成分閾値KMの決定方法としては、KM=0,…,Kの各場合について、定Q変換の成分Xk cqを求めるのに必要な演算量CX(KM)を評価してそれが最小となるようにKMを決定する。尚、この条件は複数のpmに寄らないので、p1(1つの解析位置)について求めておけば十分である。 As a method of determining frequency components threshold K M is, K M = 0, ..., for each case of K, by evaluating the constant Q transform component X k calculation amount necessary for obtaining the cq C X (K M) Determine K M so that it is minimized. Note that this condition does not depend on a plurality of p m, it is sufficient if seeking for p 1 (1 single analysis position).

定Q変換の成分Xk cqの演算量CX(KM)(合計演算量)は、長さNのFFTの演算量CFFT(N)、非ゼロの時間軸係数毎の演算量CT、非ゼロの時間軸係数の数NT(k)、非ゼロの周波数軸係数毎の演算量CF、kで非ゼロとみなす周波数軸係数の数NF(k)を使っておおよそ、前記実施例2で述べた数式(3) The operation amount C X (K M ) (total operation amount) of the constant X transform component X k cq is the operation amount C FFT (N) of the FFT of length N, and the operation amount C T for each non-zero time axis coefficient. , The number of non-zero time axis coefficients N T (k), the amount of computation C F for each non-zero frequency axis coefficient, and the number of frequency axis coefficients N F (k) regarded as non-zero by k Equation (3) described in the second embodiment

Figure 0006627639
Figure 0006627639

と表せる。   Can be expressed as

ここでCFFTは計算を実行する計算機やそれぞれの算法の詳細により変わり得るが、実測からの一例としては、CFFT(N)=(1/4)Nlog2(N)、CT=1、CF=1としても良い。 Here, the C FFT can vary depending on the computer that performs the calculation and the details of each algorithm, but as an example from actual measurement, C FFT (N) = (1 /) Nlog 2 (N), C T = 1, C F = 1 may be set.

この演算量CX(KM)は、時間軸係数および周波数軸係数の、ハニング窓での項数と周波数(周波数成分k;対数周波数)の関係が、非ゼロの時間軸係数の数NT(k)がkに関して指数的に減少し、非ゼロの周波数軸係数の数NF(k)がkに関しておおよそ指数的に増加するため、KM=1,…,Kの範囲ではおおよそ下に凸の特性カーブとなる。ただし、KM=0ではCFFTがなくなるためCX(0)が小さくなる。結果として演算量CX(KM)はKM=0あるいはKM=1,…,Kでの最小点の何れかで最小値を取ることになる。 The amount of operation C X (K M ) is based on the number NT of non-zero time axis coefficients where the relationship between the number of terms in the Hanning window and the frequency (frequency component k; logarithmic frequency) of the time axis coefficient and the frequency axis coefficient is non-zero. Since (k) decreases exponentially with respect to k and the number of non-zero frequency axis coefficients N F (k) increases approximately exponentially with respect to k, it is approximately below in the range of K M = 1,. It becomes a convex characteristic curve. However, when K M = 0, C FFT disappears and C X (0) becomes smaller. As a result, the operation amount C X (K M ) takes the minimum value at any one of the minimum points at K M = 0 or K M = 1,..., K.

個別計算部20では入力された時系列の定Q変換を次のようにして求める。   The individual calculating unit 20 obtains the input time-series constant Q conversion as follows.

前処理部21では、入力された時系列データの長さがNより短ければ前後にゼロを補完して、Nより長ければ前後の値を除去して長さがNの時系列データxnになるようにする。ゼロを補完する場合には、入力された時系列データの中央部分が時系列データxnの中央部分に一致するようにする。データを除去する場合は、解析したい範囲に寄るが、単純に後ろのデータを除去するのでも良い。 The pre-processing unit 21 complements zeros before and after the input time-series data if the length is shorter than N, and removes values before and after the input time-series data if the length is longer than N to obtain the time-series data x n having the length N. To be. When complementing zero, the central part of the input time-series data is made to coincide with the central part of the time-series data xn . When removing the data, it depends on the range to be analyzed, but it is also possible to simply remove the subsequent data.

次に定Q変換の成分Xk cqを、計算法境界決定部14で決定したKMにより、k≦KMについては低周波帯域計算部23で、k>KMについては高周波帯域計算部22で計算する。 Then component X k cq constant Q transform, the K M determined by calculation method boundary determining unit 14, for k ≦ K M in the low frequency bandwidth calculation unit 23, k> for K M is the high-frequency bandwidth calculation unit 22 Calculate with

Figure 0006627639
Figure 0006627639

尚、前記定Q変換の成分は以下、「Xk,m cq」と表記することもある。 Note that the component of the constant Q conversion may be referred to as “X k, m cq ” below.

各kについて、前記時間軸係数算出部12で算出された非ゼロの時間軸係数Tn,k,mは高々Nk個なので、積和計算を非ゼロの範囲に限定することで効率的に計算できる。 For each k, the number of non-zero time-axis coefficients T n, k, m calculated by the time-axis coefficient calculation unit 12 is at most N k , so that the product-sum calculation is efficiently limited to a non-zero range. Can calculate.

低周波帯域計算部23は、まず時系列データxnを全体に対して一度FFTしてフーリエ係数Xnを求める。次にpm毎に、前記周波数軸係数算出部13で算出された周波数軸係数(1/N)Sn,k,mとフーリエ係数Xnを積和計算して定Q変換の成分Xk,m cqを求める。 Low frequency band calculation unit 23 calculates the Fourier coefficients X n and FFT once for the entire time-series data x n first. Then for each p m, the frequency axis coefficient frequency axis coefficient calculated by the calculating section 13 (1 / N) S n , k, m and component X k of the Fourier coefficients X n to the product-sum calculation constant Q transform , m cq .

各kについて非ゼロの周波数軸係数(1/N)Sn,k,mは少数なので、積和計算を非ゼロの範囲に限定することで効率的に計算できる。 Since the number of non-zero frequency axis coefficients (1 / N) S n, k, m is small for each k, the product-sum calculation can be efficiently performed by limiting the product-sum calculation to a non-zero range.

尚、周波数軸係数は多くの場合、両端(周波数ゼロ近辺とサンプリング周波数近辺)部分では非ゼロ項とゼロ項が入り混じるが中間部分ではゼロ項が続くので、非ゼロ項の範囲を少し広げて、両端部分は全て非ゼロ項として計算しても良い。この場合、非ゼロ項が少し増えるがその数はそれほど多くはなく、また非ゼロ判定ロジックが簡略化できるので演算時間は大差なくなる。   In many cases, the non-zero term and the zero term are mixed at both ends (near the frequency zero and the vicinity of the sampling frequency), but the zero term continues in the middle part. , Both ends may be calculated as non-zero terms. In this case, the number of non-zero terms slightly increases, but the number is not so large, and since the non-zero determination logic can be simplified, the calculation time is not much different.

最後に定Q変換合成部24で、高周波帯域計算部22と低周波帯域計算部23とで計算した定Q変換の成分Xk,m cqをまとめて、定Q変換を完了する。 Finally, the constant-Q conversion synthesizing unit 24 puts together the constant-Q conversion components X k and mcq calculated by the high-frequency band calculation unit 22 and the low-frequency band calculation unit 23, and completes the constant-Q conversion.

前記実施例3では、時間軸係数Tn,k,m、周波数軸係数(1/N)Sn,k,mは解析位置pm毎に用意するので、事前に用意して保管しておくデータ量が大きくなる。本実施例4では、係数データのメモリ使用量を大幅に減らすように以下のような対策を講じた。 In Example 3, the time axis coefficient T n, k, m, the frequency axis coefficient (1 / N) S n, k, since m is prepared for each analysis position p m, keep a prepared beforehand The data volume increases. In the fourth embodiment, the following countermeasures were taken to significantly reduce the memory usage of coefficient data.

Figure 0006627639
Figure 0006627639

尚、数式(4)中の   Note that, in equation (4),

Figure 0006627639
Figure 0006627639

は、複素指数関数の時刻および周波数毎に異なるべき乗を表している。   Represents a power which differs for each time and frequency of the complex exponential function.

本実施例4による定Q変換の成分演算装置の具体的な構成は図5と同様であり、以下に図5と異なる部分のみを説明する。   The specific configuration of the constant Q conversion component calculation device according to the fourth embodiment is the same as that of FIG. 5, and only the portions different from FIG. 5 will be described below.

時間軸係数算出部12では、パラメータ決定部11で決定したパラメータを基に、時間軸係数Tn,k,1を定義式に従って求める。すなわち、 The time axis coefficient calculation unit 12 obtains a time axis coefficient T n, k, 1 based on the parameters determined by the parameter determination unit 11 according to the definition formula. That is,

Figure 0006627639
Figure 0006627639

を、予め設定した解析位置pmのうち1つの解析位置(例えば1番目の解析位置)p1において算出し、時間軸係数Tn,k,1を求める。 And calculated in one analysis position (e.g. the first analysis position) p 1 of the preset analysis position p m, the time axis coefficient T n, obtains the k, 1.

周波数軸係数算出部13では、パラメータ決定部11で決定したパラメータを基に、周波数軸係数(1/N)Sn,k,1を定義式に従って計算する。 The frequency axis coefficient calculation unit 13 calculates the frequency axis coefficient (1 / N) S n, k, 1 based on the parameters determined by the parameter determination unit 11 according to the definition formula.

すなわち、   That is,

Figure 0006627639
Figure 0006627639

から得た(1/N)Sn,kを、前記1つの解析位置p1において算出して周波数軸係数(1/N)Sn,k,1を求める。 (1 / N) S n, k obtained from the above is calculated at the one analysis position p 1 to obtain a frequency axis coefficient (1 / N) S n, k, 1 .

この際、|Sn,k,1|≦Thとなる項は周波数軸係数(1/N)Sn,k,1=0とする。 At this time, the term of | S n, k, 1 | ≦ Th is set to the frequency axis coefficient (1 / N) S n, k, 1 = 0.

計算法境界決定部14では、周波数軸計算の際に複素べき乗の積和が追加されるために非ゼロの周波数軸係数毎の演算量CFを実施例3の場合より大きく、例えば5(複素べき乗の演算に+3、複素べき乗の積和に+1)とする。 In the calculation method boundary determination unit 14, since the product sum of the complex exponentiation is added in the frequency axis calculation, the calculation amount C F for each non-zero frequency axis coefficient is larger than that in the third embodiment, for example, 5 (complex). The calculation of exponentiation is +3, and the product sum of complex exponentiation is +1).

高周波帯域計算部22は、複数の解析位置pm毎に範囲をずらして、前記時間軸係数算出部12で算出された時間軸係数Tn,k,1と時系列データxn-p1+pmを積和計算して定Q変換の成分Xk,m cqを求める。 High frequency band calculation unit 22, by shifting the range for each of a plurality of analysis locations p m, coefficient time axis calculated by the time-axis coefficient calculating section 12 T n, k, 1 and the time-series data x n-p1 + pm To obtain the constant X-transform components X k, m cq .

低周波帯域計算部23は、まず時系列データxnを全体に対して一度FFTしてフーリエ係数Xnを求める。 Low frequency band calculation unit 23 calculates the Fourier coefficients X n and FFT once for the entire time-series data x n first.

Figure 0006627639
Figure 0006627639

前記実施例3、4の手法によれば、定Q変換を高速に実行するにあたって、先行の高速化技術(実施例2)が時間軸での計算でも周波数軸での計算でもそれらを併用する計算方法でも、一時刻毎に定Q変換を計算するのに対して、複数時刻での定Q変換を同時に計算する際に、DFT(あるいはFFT)を一時刻の計算範囲毎ではなく全体に対して一度だけ実施することで、全体としての計算が高速化される。   According to the methods of the third and fourth embodiments, in performing the constant Q conversion at a high speed, the preceding speed-up technique (the second embodiment) uses both the calculation on the time axis and the calculation on the frequency axis. In the method, the constant Q conversion is calculated at each time, but when the constant Q conversion at a plurality of times is calculated at the same time, the DFT (or FFT) is applied not to the calculation range at one time but to the whole. Performing it only once speeds up the calculation as a whole.

実施例4では、時間軸と周波数軸との係数データを計算時刻毎に持つ代わりに、それら複素数のべき乗計算に置き換えて(数式(4))、演算量は少し増える代わりに係数データのメモリ使用量を大幅に減らすことができる。   In the fourth embodiment, instead of having the coefficient data of the time axis and the frequency axis at each calculation time, the coefficient data is replaced by exponentiation of these complex numbers (Equation (4)), and the amount of calculation is slightly increased and the memory of the coefficient data is used. The amount can be greatly reduced.

10…準備部
11…パラメータ決定部
12…時間軸係数算出部
13…周波数軸係数算出部
14…計算法境界決定部
20…個別計算部
21…前処理部
22…高周波帯域計算部
23…低周波帯域計算部
24…定Q変換合成部
100…診断用パラメータ作成手段
101…第1の定Q変換装置
102…主成分分析部
103…第1の統計値計算部
104…第1の正規化部
200…診断手段
201…第2の定Q変換装置
202…主成分計算部
203…第2の統計値計算部
204…第2の正規化部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Preparation part 11 ... Parameter determination part 12 ... Time axis coefficient calculation part 13 ... Frequency axis coefficient calculation part 14 ... Calculation method boundary determination part 20 ... Individual calculation part 21 ... Preprocessing part 22 ... High frequency band calculation part 23 ... Low frequency Band calculator 24 Constant Q conversion synthesizer 100 Diagnosis parameter creation means 101 First constant Q converter 102 Principal component analyzer 103 First statistical value calculator 104 First normalizer 200 Diagnostic means 201 Second constant Q converter 202 Principal component calculating unit 203 Second statistical value calculating unit 204 Second normalizing unit

Claims (5)

予め異常診断対象から測定した時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成し、前記作成された多変量サンプルを基に診断用パラメータを作成する診断用パラメータ作成手段と、
新たに異常診断対象から測定した時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成し、前記診断用パラメータ作成手段により作成された診断用パラメータを用いて異常を診断する診断手段と、を備え、
前記診断用パラメータ作成手段は、
時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成する第1の定Q変換装置と、
前記作成された多変量サンプルを主成分分析して変換行列を得るとともに各サンプルの主成分得点を計算する主成分分析部と、
前記主成分得点を基にサンプルの指標となる統計量を得る第1の統計値計算部と、
前記統計量を正規化して異常度とする第1の正規化部と、を備え、
前記診断手段は、
時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成する第2の定Q変換装置と、
前記作成された多変量サンプルから、前記主成分分析部で得られた変換行列を使って主成分得点を得る主成分計算部と、
前記主成分得点を基に統計量を得る第2の統計値計算部と、
前記統計量を、前記第1の正規化部で使用した正規化係数によって正規化して異常度を計算する第2の正規化部と、を備え、前記異常度に基づいて異常診断対象の異常を診断し、
前記診断用パラメータ作成手段および診断手段の第1、第2の定Q変換装置は、ともに、
設定した周波数成分KM以下の低周波数帯域において、時系列データの離散フーリエ変換と定Q変換における周波数軸係数との積和計算により求めた定Q変換成分の第1の演算量と、前記KMを超える高周波帯域において、時系列データと定Q変換における時間軸係数との積和計算により求めた定Q変換成分の第2の演算量とを含む合計演算量を算出し、
前記KMを全周波数成分Kに各々設定して各KM毎の前記合計演算量を求め、
前記各KM毎の合計演算量を評価し、該演算量が最小となるKMを、計算法境界を示す周波数成分閾値として決定する計算法境界決定手段と、
定Q変換における周波数成分Kが前記決定された周波数成分閾値KM以下の低周波帯域では、時系列データの離散フーリエ変換と前記周波数軸係数との積和計算である第1の計算法を選択し、前記周波数成分Kが前記決定された周波数成分閾値KMを超える高周波帯域では、時系列データと前記時間軸係数との積和計算である第2の計算法を選択する計算法選択手段と、
時系列データに対して、前記計算法選択手段により選択された第1の計算法、第2の計算法を実施して定Q変換の成分を求める定Q変換手段と、
を備えたことを特徴とする異常診断装置。
Diagnostic parameter creation means for creating a multivariate sample by performing constant Q conversion on time series data measured in advance from an abnormality diagnosis target and creating a diagnostic parameter based on the created multivariate sample;
Time-series data measured from freshly abnormality diagnostic object by converting the constant Q to create a multivariate sample, and a diagnostic means for diagnosing an abnormality using the diagnostic parameters created by the diagnostic parameter generation means ,
The diagnostic parameter creating means,
A first constant-Q conversion device that performs constant-Q conversion on time-series data to create a multivariate sample;
A principal component analysis unit that calculates a principal component score of each sample while obtaining a transformation matrix by performing principal component analysis on the created multivariate sample;
A first statistic calculation unit that obtains a statistic serving as an index of a sample based on the principal component score;
A first normalization unit that normalizes the statistic to determine the degree of abnormality,
The diagnostic means includes:
A second constant-Q conversion device that performs constant-Q conversion on the time-series data to create a multivariate sample;
From the created multivariate sample, a principal component calculation unit that obtains a principal component score using a transformation matrix obtained by the principal component analysis unit,
A second statistic calculation unit that obtains a statistic based on the principal component score;
A second normalization unit that normalizes the statistic by a normalization coefficient used in the first normalization unit to calculate an abnormality degree, and based on the abnormality degree, Diagnose,
The first of said diagnostic parameter generation means and diagnostic means, the second constant Q converter are both
In the set frequency components K M or lower frequency band, a first amount of calculation of the constant Q transform components determined by the product-sum calculation between the frequency axis coefficients in the discrete Fourier transform and a constant Q transform of the time series data, the K In a high-frequency band exceeding M , a total operation amount including the second operation amount of the constant Q conversion component obtained by the product-sum calculation of the time series data and the time axis coefficient in the constant Q conversion is calculated,
Obtains the total calculation amount for each K M by each setting the K M to all frequency components K,
A calculation method boundary determining unit that evaluates a total calculation amount for each of the K M , and determines a K M with the minimum calculation amount as a frequency component threshold indicating a calculation method boundary;
The low-frequency-band frequency components K is less than the frequency component threshold value K M which is the determined in the constant Q transform, when selecting the first calculation method is a product-sum computation of the discrete Fourier transform and the frequency axis coefficient series data and, in the high frequency band in which the frequency components K exceeds the frequency component threshold value K M which is the determined, the calculation method selection means for selecting the second calculation method is a product-sum computation of the time-series data and the time-axis coefficient ,
Constant Q conversion means for performing a first calculation method and a second calculation method selected by the calculation method selection means on the time-series data to obtain a constant Q conversion component;
An abnormality diagnosis device comprising:
前記各定Q変換装置は、
前記定Q変換における時間軸係数を、
Figure 0006627639
によって算出する時間軸係数算出部と、
前記定Q変換における周波数軸係数を、時間軸係数Tn,kをn=0,…,N−1の時系列データとみたときの離散フーリエ変換である
Figure 0006627639
から(1/N)Sn,kとして算出する周波数軸係数算出部と、を備え、
前記定Q変換手段は、
前記周波数軸係数算出部で算出された周波数軸係数と時系列データの離散フーリエ変換とを積和計算して前記第1の計算法を実施する低周波帯域計算部と、
前記時間軸係数算出部で算出された時間軸係数と時系列データとを積和計算して前記第2の計算法を実施する高周波帯域計算部と、
前記低周波帯域計算部と高周波帯域計算部の各出力を合成して定Q変換の成分を求める合成部と、
を備えていることを特徴とする請求項1に記載の異常診断装置。
Each said constant Q conversion device,
The time axis coefficient in the constant Q conversion is
Figure 0006627639
A time axis coefficient calculation unit calculated by:
This is a discrete Fourier transform when the frequency axis coefficient in the constant Q conversion is regarded as time series data of time axis coefficient T n, k with n = 0,..., N−1.
Figure 0006627639
And a frequency axis coefficient calculation unit that calculates as (1 / N) S n, k from
The constant Q conversion means includes:
A low-frequency band calculation unit that performs the first calculation method by performing a product-sum calculation on the frequency axis coefficient and the discrete Fourier transform of the time-series data calculated by the frequency axis coefficient calculation unit;
A high-frequency band calculation unit that performs a product-sum calculation of the time-axis coefficient and time-series data calculated by the time-axis coefficient calculation unit and performs the second calculation method;
A combining unit that combines the outputs of the low-frequency band calculation unit and the high-frequency band calculation unit to obtain a component of constant Q conversion;
The abnormality diagnosis device according to claim 1 , further comprising:
前記各定Q変換装置は、
Figure 0006627639
を、予め設定した時間方向の複数の解析位置pm(m=1,…,M)毎に算出して時間軸係数Tn,k,mを求め、該Tn,k,mを前記定Q変換における時間軸係数とする時間軸係数算出部と、
時間軸係数Tn,kをn=0,…,N−1の時系列データとみたときの離散フーリエ変換である
Figure 0006627639
から得た(1/N)Sn,kを、前記解析位置pm毎に算出して周波数軸係数(1/N)Sn,k,mを求め、該(1/N)Sn,k,mを前記定Q変換における周波数軸係数とする周波数軸係数算出部と、を備え、
前記定Q変換手段は、
時系列データxn全体に対して離散フーリエ変換を行ってフーリエ係数Xnを求め、前記解析位置pm毎に、前記周波数軸係数算出部で算出された周波数軸係数(1/N)Sn,k,mと前記フーリエ係数Xnとを積和計算して前記第1の計算法を実施する低周波帯域計算部と、
前記解析位置pm毎に、前記時間軸係数算出部で算出された時間軸係数Tn,k,mと時系列データxnとを積和計算して前記第2の計算法を実施する高周波帯域計算部と、
前記低周波帯域計算部と高周波帯域計算部の各出力を合成して定Q変換の成分を求める合成部と、
を備えていることを特徴とする請求項1に記載の異常診断装置。
Each said constant Q conversion device,
Figure 0006627639
A plurality of analysis position of the preset time direction p m (m = 1, ... , M) time axis coefficient calculated for each T n, k, and m determined, the constant said T n, k, and m A time axis coefficient calculating unit that sets a time axis coefficient in the Q conversion;
This is a discrete Fourier transform when the time axis coefficient T n, k is regarded as time series data of n = 0,..., N−1.
Figure 0006627639
Was obtained from (1 / N) S n, the k, determined frequency axis coefficient (1 / N) S n, k, and m are calculated for each said analysis position p m, the (1 / N) S n, a frequency axis coefficient calculating unit that sets k and m as frequency axis coefficients in the constant Q conversion,
The constant Q conversion means includes:
When asked to Fourier coefficient X n by performing a discrete Fourier transform for the entire series data x n, for each of the analyzed position p m, the frequency axis coefficient calculated by the frequency axis coefficient calculator (1 / N) S n , k, m and the Fourier coefficient X n to calculate the sum of products and perform the first calculation method, a low frequency band calculation unit,
For each of the analysis positions p m , a high-frequency wave for performing the second calculation method by performing a product-sum calculation on the time axis coefficient T n, k, m calculated by the time axis coefficient calculation unit and the time series data x n A bandwidth calculator,
A combining unit that combines the outputs of the low-frequency band calculation unit and the high-frequency band calculation unit to obtain a component of constant Q conversion;
The abnormality diagnosis device according to claim 1 , further comprising:
前記各定Q変換装置は、
Figure 0006627639
を、予め設定した時間方向の複数の解析位置pm(m=1,…,M)のうち1つの解析位置p1において算出して時間軸係数Tn,k,1を求め、該Tn,k,1を前記定Q変換における時間軸係数とする時間軸係数算出部と、
時間軸係数Tn,kをn=0,…,N−1の時系列データとみたときの離散フーリエ変換である
Figure 0006627639
から得た(1/N)Sn,kを、前記1つの解析位置p1において算出して周波数軸係数(1/N)Sn,k,1を求め、該(1/N)Sn,k,1を前記定Q変換における周波数軸係数とする周波数軸係数算出部と、を備え、
前記定Q変換手段は、
時系列データxn全体に対して離散フーリエ変換を行ってフーリエ係数Xnを求め、 前記解析位置pm毎に、
前記周波数軸係数算出部で求められた周波数軸係数(1/N)Sn,k,1と、
前記解析位置pm毎の周波数軸係数(1/N)Sn,k,mは前記1つの解析位置p1における周波数軸係数(1/N)Sn,k,1に帰結できる関係にあることから導かれる、複素指数関数のべき乗
Figure 0006627639
と、
前記フーリエ係数Xnとを積和計算して前記第1の計算法を実施する低周波帯域計算部と、
前記解析位置pm毎に範囲をずらして、前記時間軸係数算出部で算出された時間軸係数Tn,k,1と時系列データxn-p1+pmとを積和計算して前記第2の計算法を実施する高周波帯域計算部と、
前記低周波帯域計算部と高周波帯域計算部の各出力を合成して定Q変換の成分を求める合成部と、
を備えていることを特徴とする請求項1に記載の異常診断装置。
Each said constant Q conversion device,
Figure 0006627639
A plurality of analysis position of the preset time direction p m (m = 1, ... , M) time axis coefficient T n is calculated in one analysis position p 1 of the, seeking k, 1, the T n , k, 1 as a time axis coefficient in the constant Q conversion,
This is a discrete Fourier transform when the time axis coefficient T n, k is regarded as time series data of n = 0,..., N−1.
Figure 0006627639
Was obtained from (1 / N) S n, the k, the one frequency axis coefficient calculated in the analysis position p 1 of (1 / N) S n, obtains a k, 1, the (1 / N) S n , k, 1 as frequency axis coefficients in the constant Q conversion,
The constant Q conversion means includes:
A discrete Fourier transform is performed on the entire time series data x n to obtain a Fourier coefficient X n, and for each of the analysis positions p m ,
A frequency axis coefficient (1 / N) S n, k, 1 obtained by the frequency axis coefficient calculation unit;
There the analysis frequency axis coefficient for each position p m (1 / N) S n, k, m are in a relationship permitting consequence the frequency axis coefficients in one analysis position p 1 (1 / N) S n, the k, 1 Power of complex exponential function derived from
Figure 0006627639
When,
A low-frequency band calculation unit that performs a product-sum calculation of the Fourier coefficient X n and performs the first calculation method;
By shifting the range for each of the analyzed position p m, the time-series data x n-p1 + and pm by product-sum computation the time axis coefficient T n calculated by the time-axis coefficient calculating section, k, 1 and the A high-frequency band calculation unit that performs the calculation method 2;
A combining unit that combines the outputs of the low-frequency band calculation unit and the high-frequency band calculation unit to obtain a component of constant Q conversion;
The abnormality diagnosis device according to claim 1 , further comprising:
診断用パラメータ作成手段が、予め異常診断対象から測定した時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成し、前記作成された多変量サンプルを基に診断用パラメータを作成する診断用パラメータ作成ステップと、
診断手段が、新たに異常診断対象から測定した時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成し、前記診断用パラメータ作成手段により作成された診断用パラメータを用いて異常を診断する診断ステップと、を備え、
前記診断用パラメータ作成ステップは、
第1の定Q変換装置が、時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成するステップと、
主成分分析部が、前記作成された多変量サンプルを主成分分析して変換行列を得るとともに各サンプルの主成分得点を計算するステップと、
第1の統計値計算部が、前記主成分得点を基にサンプルの指標となる統計量を得るステップと、
第1の正規化部が、前記統計量を正規化して異常度とするステップと、を備え、
前記診断ステップは、
第2の定Q変換装置が、時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成するステップと、
主成分計算部が、前記作成された多変量サンプルから、前記主成分分析部で得られた変換行列を使って主成分得点を得るステップと、
第2の統計値計算部が、前記主成分得点を基に統計量を得るステップと、
第2の正規化部が、前記統計量を、前記第1の正規化部で使用した正規化係数によって正規化して異常度を計算するステップと、を備え、前記異常度に基づいて異常診断対象の異常を診断し、
前記第1の定Q変換装置が、時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成するステップは、
設定した周波数成分K M 以下の低周波数帯域において、時系列データの離散フーリエ変換と定Q変換における周波数軸係数との積和計算により求めた定Q変換成分の第1の演算量と、前記K M を超える高周波帯域において、時系列データと定Q変換における時間軸係数との積和計算により求めた定Q変換成分の第2の演算量とを含む合計演算量を算出し、
前記K M を全周波数成分Kに各々設定して各K M 毎の前記合計演算量を求め、
前記各K M 毎の合計演算量を評価し、該演算量が最小となるK M を、計算法境界を示す周波数成分閾値として決定するステップを備え、
前記第2の定Q変換装置が、時系列データを定Q変換して多変量サンプルを作成するステップは、
定Q変換における周波数成分Kが前記決定された周波数成分閾値K M 以下の低周波帯域では、時系列データの離散フーリエ変換と前記周波数軸係数との積和計算である第1の計算法を選択し、前記周波数成分Kが前記決定された周波数成分閾値K M を超える高周波帯域では、時系列データと前記時間軸係数との積和計算である第2の計算法を選択するステップと、
時系列データに対して、前記選択された第1の計算法、第2の計算法を実施して定Q変換の成分を求めるステップと、を備えたことを特徴とする異常診断方法。
Diagnostic parameter creation means creates a multivariate sample by performing constant Q conversion on time series data measured in advance from an abnormality diagnosis target, and creates a diagnostic parameter based on the created multivariate sample. Steps and
A diagnosing step of diagnosing an abnormality using the diagnostic parameter created by the diagnostic parameter creating means, wherein the diagnostic means creates a multivariate sample by performing constant Q conversion on the time series data newly measured from the abnormality diagnostic object; and, with a,
The diagnostic parameter creating step,
A first constant-Q conversion device performing constant-Q conversion on the time-series data to create a multivariate sample;
A principal component analysis unit for performing a principal component analysis on the created multivariate sample to obtain a transformation matrix and calculating a principal component score of each sample;
A step in which a first statistic calculation unit obtains a statistic serving as an index of a sample based on the principal component score;
A first normalizing unit that normalizes the statistic to obtain an abnormal degree,
The diagnosis step includes:
A second constant-Q conversion device performing constant-Q conversion on the time-series data to create a multivariate sample;
A principal component calculation unit, from the created multivariate sample, using a transformation matrix obtained by the principal component analysis unit to obtain a principal component score;
A second statistic calculation unit for obtaining a statistic based on the principal component score;
A second normalization unit for normalizing the statistic by the normalization coefficient used in the first normalization unit to calculate an abnormality degree, and an abnormality diagnosis target based on the abnormality degree Diagnose abnormalities ,
The step of the first constant Q conversion device performing constant Q conversion of the time series data to create a multivariate sample,
In the set frequency components K M or lower frequency band, a first amount of calculation of the constant Q transform components determined by the product-sum calculation between the frequency axis coefficients in the discrete Fourier transform and a constant Q transform of the time series data, the K In a high-frequency band exceeding M , a total operation amount including the second operation amount of the constant Q conversion component obtained by the product-sum calculation of the time series data and the time axis coefficient in the constant Q conversion is calculated,
Obtains the total calculation amount for each K M by each setting the K M to all frequency components K,
The evaluated total calculation amount for each K M, comprising the step of determining the K M of the amount of calculation is minimized, as a frequency component threshold indicating the calculation method boundary,
The step of the second constant-Q conversion device performing constant-Q conversion on the time-series data to create a multivariate sample,
The low-frequency-band frequency components K is less than the frequency component threshold value K M which is the determined in the constant Q transform, when selecting the first calculation method is a product-sum computation of the discrete Fourier transform and the frequency axis coefficient series data a step, and the frequency component K is for selecting the second calculation method is a product-sum calculation of said time axis factor, the time series data and high frequency band exceeding the frequency component threshold value K M which is the determined,
Performing a selected first calculation method and a second calculation method on the time-series data to obtain a component of constant Q conversion .
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JP7009961B2 (en) * 2017-12-04 2022-01-26 株式会社明電舎 Abnormality diagnosis device and abnormality diagnosis method
JP7218546B2 (en) * 2018-11-12 2023-02-07 東ソー株式会社 METHOD FOR DETECTING POOR JOINING OF METAL MEMBER-RESIN MEMBER COMPOSITE
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3012449B2 (en) * 1994-01-31 2000-02-21 バブコック日立株式会社 Method and apparatus for identifying acoustic signal
JP3382240B1 (en) * 2002-06-12 2003-03-04 隆義 山本 Method of diagnosing target equipment, computer program, and apparatus for diagnosing target equipment
DE102004028694B3 (en) * 2004-06-14 2005-12-22 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Apparatus and method for converting an information signal into a variable resolution spectral representation

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