JP6641678B2 - Fault diagnosis device - Google Patents
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Description
本発明は、異常を診断する異常診断装置に関する。 The present invention relates to an abnormality diagnosis device that diagnoses an abnormality.
近年、異常の診断にMTシステムの一種であるMT法(マハラノビス・タグチ法)の利用が普及している。MT法では、まず、診断対象の装置やシステム等から正常時に測定した複数のパラメータ値である正常データで形成される単位空間の基準点を決定する。その後、異常診断の対象時に同一のパラメータの値を測定してこれらの値と正常データから求めた基準点との距離を用いて異常を診断する。 In recent years, the use of the MT method (Maharanobis-Taguchi method), which is a type of MT system, has become widespread for diagnosis of abnormalities. In the MT method, first, a reference point in a unit space formed by normal data which is a plurality of parameter values measured in a normal state from a device or system to be diagnosed is determined. Thereafter, the values of the same parameters are measured at the time of the abnormality diagnosis, and the abnormality is diagnosed using the distance between these values and the reference point obtained from the normal data.
このMT法は、様々な分野に利用可能である点で有用な方法である。一方、MT法で検出しにくい異常がある。例えば、異なる複数のパラメータ値間に多重共線性(冗長性、または強い相関関係)がある場合、これらのパラメータの相関関係が崩れる異常は検出されにくい。また、正常なときにはパラメータの値が一定である(一定値項目である)場合、これらのパラメータの値が診断時に正常時のパラメータの値から変化した異常は理論上では検出できない。 This MT method is a useful method in that it can be used in various fields. On the other hand, there are abnormalities that are difficult to detect by the MT method. For example, when there is multicollinearity (redundancy or strong correlation) between a plurality of different parameter values, an abnormality in which the correlation between these parameters is broken is hard to be detected. Further, when the values of the parameters are constant during normal operation (a constant value item), an abnormality in which the values of these parameters have changed from the values of the parameters at the time of diagnosis at the time of diagnosis cannot be detected theoretically.
この他、異常の診断に利用される技術として、再構成誤差も注目されている(例えば、非特許文献1参照)。再構成誤差を利用した場合、多重共線性の崩れや一定値項目の変化がある場合に異常を検出することができるが、全ての種類の異常を検出することはできない。ここで、具体的には、多重共線性と一定値項目はデータの特徴であり、それ自体は異常ではなく、異常として検出すべき対象は、データの特徴の変化である。 In addition, a reconstruction error is also attracting attention as a technique used for diagnosing abnormalities (for example, see Non-Patent Document 1). When a reconstruction error is used, an abnormality can be detected when there is a break in multicollinearity or a change in a fixed value item, but not all types of abnormalities can be detected. Here, specifically, the multicollinearity and the constant value item are characteristics of data, and are not abnormal per se, but the target to be detected as abnormal is a change in characteristics of data.
上述したように、マハラノビス距離を利用した異常診断及び再構成誤差を利用した異常診断では、それぞれ検出しにくい種類の異常があり、これらにより異常の検出精度が低下する課題があった。 As described above, in the abnormality diagnosis using the Mahalanobis distance and the abnormality diagnosis using the reconstruction error, there are types of abnormalities that are hard to detect, and there has been a problem that the detection accuracy of the abnormalities is reduced due to these types.
上記課題に鑑み、本発明は、異常診断において、検出精度を向上させることを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to improve detection accuracy in abnormality diagnosis.
上記目的を達成するために、第1の発明は、診断対象の複数のパラメータ値が入力され、異常を診断する異常診断装置であって、正常時に測定された複数回分の各パラメータの値で形成される正常データ行列のうち、値が一定である一定値項目のパラメータについては0に置き換えて正規化して相関行列を求め、求めた相関行列から特異値分解を計算し、予め定められる全特異値の総和に対する上位特異値の累積値の割合から求めた上位特異値数の上位特異値から擬似逆行列を求める前処理手段と、診断時に測定された複数回分の各パラメータの値で形成される診断データ行列から正常時平均値を引き、正常時において一定値項目のパラメータに対応する列は標準偏差で割らず、それ以外の列は正常時標準偏差で割ることで正規化し、正規化した診断データ及び前記前処理手段で求められた擬似逆行列を利用してマハラノビス距離を算出する第1算出手段と、前記第1算出手段で正規化された診断データを利用して、正規化された診断データを構成する各ベクトルの再構成誤差を算出する第2算出手段と、前記第1算出手段が算出したマハラノビス距離を所定の第1閾値と比較すると共に、前記第2算出手段が算出した再構成誤差を所定の第2閾値と比較し、少なくとも前記第1算出手段が算出したマハラノビス距離が所定の第1閾値より大きくなった場合及び前記第2算出手段が算出した再構成誤差が所定の第2閾値より大きくなった場合の何れかの場合に、異常が発生したと判定する判定手段とを備える。 In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is an abnormality diagnostic apparatus for diagnosing an abnormality in which a plurality of parameter values to be diagnosed are inputted, and which is formed by a plurality of parameter values measured in a normal state. Of the normal data matrices to be obtained, the parameters of constant value items whose values are constant are replaced with 0 and normalized to obtain a correlation matrix, singular value decomposition is calculated from the obtained correlation matrix, and all predetermined singular values are determined. Preprocessing means for obtaining a pseudo-inverse matrix from the upper singular values of the number of upper singular values obtained from the ratio of the cumulative value of the upper singular values to the total sum of the parameters, and a diagnosis formed by a plurality of values of each parameter measured at the time of diagnosis The normal value is subtracted from the data matrix, and the column corresponding to the parameter of the constant value item is not divided by the standard deviation during normal operation, and the other columns are normalized by dividing by the standard deviation during normal operation. A first calculating means for calculating Mahalanobis distance by using the diagnostic data obtained and the pseudo-inverse matrix obtained by the preprocessing means; and a diagnostic data normalized by the first calculating means. Second calculating means for calculating a reconstruction error of each vector constituting the diagnostic data, and comparing the Mahalanobis distance calculated by the first calculating means with a predetermined first threshold value, and calculating by the second calculating means. The reconstruction error is compared with a predetermined second threshold, and when at least the Mahalanobis distance calculated by the first calculation means is larger than the predetermined first threshold, the reconstruction error calculated by the second calculation means is determined by a predetermined value. And determining means for determining that an abnormality has occurred in any of the cases where the value exceeds the second threshold value.
本発明によれば、異常診断の検出精度を向上することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the detection accuracy of abnormality diagnosis can be improved.
以下に、図面を用いて本発明の実施形態に係る異常診断装置について説明する。実施形態に係る異常診断装置は、多数のセンサによって各パラメータ値が測定されるガスタービン、真空炉、航空エンジン等を診断対象として各パラメータ値を利用して診断対象の異常を診断するものである。 Hereinafter, an abnormality diagnosis device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The abnormality diagnosis device according to the embodiment diagnoses an abnormality of a diagnosis target using each parameter value for a diagnosis target such as a gas turbine, a vacuum furnace, and an aero engine where each parameter value is measured by a large number of sensors. .
図1に示すように、実施形態に係る異常診断装置1は、正常な各パラメータの値を利用して、診断処理に利用する擬似逆行列および主成分行列を求める前処理手段11と、各パラメータの値を利用してマハラノビス距離(MD値)を算出する第1算出手段12と、各パラメータの値を利用して再構成誤差(RE値)を算出する第2算出手段13と、算出されたマハラノビス距離及び再構成誤差を利用して異常の有無を判定する判定手段14と、判定結果を出力する出力手段15とを有する。
As shown in FIG. 1, an abnormality diagnosis device 1 according to the embodiment includes a preprocessing unit 11 that calculates a pseudo inverse matrix and a principal component matrix to be used for a diagnosis process by using values of normal parameters, A first calculating means 12 for calculating a Mahalanobis distance (MD value) using the value of the above, a second calculating
異常診断装置1は、図1に示すように、CPU10、記憶装置20、操作の入力等に利用される入力装置30及び処理結果等の出力に利用される出力装置40等を備える情報処理装置である。記憶装置20に記憶される異常診断プログラムPが実行されることで、CPU20が前処理手段11、第1算出手段12、第2算出手段13、判定手段14及び出力手段15として処理を実行する。
As shown in FIG. 1, the abnormality diagnosis device 1 is an information processing device including a
記憶装置20は、異常診断プログラムPの他、前処理で利用される正常データD1、前処理の結果として得られ、異常診断の演算に利用される演算データD2、異常診断の対象期間に計測されたデータである診断データD3及び異常診断の結果である結果データD4を記憶する。
The
正常データD1は、正常時の各パラメータ値である。ここで、正常データD1は、正常時に、測定された複数回分のパラメータ値を含んでいる。また、診断データD3は、診断の対象期間に測定された各パラメータ値である。診断データD3も、対象期間に測定された複数回分のパラメータ値を含んでいる。異常診断装置1では、この正常データD1と診断データD3とを用いて診断対象の異常を診断する。例えば、異常診断装置1は、診断対象の装置やシステムの各パラメータを測定するセンサと接続されており、これら複数のセンサから入力したパラメータ値を蓄積して正常データD1や診断データD3とすることができる。 The normal data D1 is each parameter value in a normal state. Here, the normal data D1 includes a plurality of measured parameter values in a normal state. The diagnostic data D3 is each parameter value measured during the diagnosis target period. The diagnostic data D3 also includes a plurality of parameter values measured during the target period. The abnormality diagnosis device 1 diagnoses an abnormality of a diagnosis target using the normal data D1 and the diagnosis data D3. For example, the abnormality diagnosis device 1 is connected to sensors that measure each parameter of a device or system to be diagnosed, and accumulates parameter values input from the plurality of sensors to generate normal data D1 and diagnosis data D3. Can be.
前処理手段11は、前処理を実行するタイミングで、記憶装置20から正常データD1を読み出し、診断処理に利用する擬似逆行列および主成分行列を求める。具体的には、異常診断で利用するパラメータの数(センサ数)がkであり、正常データD1に測定回数n回分の各パラメータ値が含まれるとする。測定した単位データのサンプルを行に持つ行列をx、正規化した単位データ行列をXとする。
The preprocessing unit 11 reads out the normal data D1 from the
まず、前処理手段11は、式(1−1)を用いて、正規化した正常データ行列Xを求める。正常データ行列Xは、行の数がn、列の数がkである。従来、一定値項目のパラメータ値については、単位データにおいて、その列を除去していたが、異常診断装置1では、一定値項目の列についても除去する必要はない。 First, the preprocessing unit 11 obtains a normalized normal data matrix X using Expression (1-1). The normal data matrix X has n rows and k columns. Conventionally, the column of the parameter value of the constant value item has been removed from the unit data, but the abnormality diagnosis device 1 does not need to remove the column of the constant value item.
続いて、前処理手段11は、正規化した正常データ行列Xの相関行列を式(1−3)で計算する。 Subsequently, the preprocessing means 11 calculates the correlation matrix of the normalized normal data matrix X by using the equation (1-3).
R=(XTX)/n・・・(1−3)
具体的には、式(1−3)で求められる相関行列は、擬似相関行列である。求められる行列の成分は、一定値項目でないパラメータについては相関係数であり、一定値項目のパラメータについては0である。
R = (X T X) / n ··· (1-3)
Specifically, the correlation matrix obtained by Expression (1-3) is a pseudo-correlation matrix. The calculated matrix component is a correlation coefficient for a parameter that is not a constant value item, and is 0 for a parameter of a constant value item.
次に、特異値分解を用いて、Rを式(1−4)で表す。 Next, using the singular value decomposition, R is expressed by Expression (1-4).
R=USUT・・・(1−4)
ここで、Uは、Rの主成分を列に持つ正規直交行列である。また、Sは、Rの特異値を対角成分に持つ対角行列である。
R = USU T ··· (1-4)
Here, U is an orthonormal matrix having the main components of R in columns. S is a diagonal matrix having a singular value of R as a diagonal component.
その後、前処理手段11は、Sから、Rのq個の上位特異値を対角成分に持つ対角行列Sqを計算する。ここで、上位特異値の数qは、予め入力装置30を介して入力される「全特異値の総和に対する上位特異値の累積値の割合」から求められる。例えば、上位特異値の総和と全特異値の総和が99%を超える特異値数を上位特異値数とする条件を定めたとする。この場合は、仮に、全特異値の数が1000(降順で並べた特異値をそれぞれa1、a2、…a1000とする)、降順で134個目までの特異値の総和と全特異値の総和の割合((a1+a2+…+a134)÷(a1+a2+…+a1000))が98.5%、降順で135個目までの特異値の総和と全特異値の総和の割合((a1+a2+…+a135)÷(a1+a2+…+a1000))が99.1%である場合、上位特異値数qは135となる。
Thereafter, the preprocessing means 11 calculates a diagonal matrix Sq having q higher-order singular values of R as diagonal components from S. Here, the number q of the upper singular values is obtained from “the ratio of the cumulative value of the upper singular values to the sum total of all the singular values” input through the
また、前処理手段11は、式(1−6)を用いてRの擬似逆行列Rq -1を求める。 Further, the preprocessing unit 11 obtains a pseudo inverse matrix R q -1 of R using Expression (1-6).
第1算出手段12は、診断処理を実行するタイミングで、記憶装置20から演算データD2及び診断データD3を読み出し、マハラノビス距離(MD値)を求める。異常診断で利用するパラメータの数(センサ数)がkであり、診断データD3にそれぞれm回分のパラメータ値が含まれ、診断データの行列をyとしたとき、まず、第1算出手段12は、式(2−1)を用いて、正規化した診断データ行列Yを求める。
The first calculation means 12 reads the operation data D2 and the diagnosis data D3 from the
その後、第1算出手段12は、診断データ行列Yを利用して、式(2−2)により、診断データ行列Yの各ベクトルYiのマハラノビス距離MD2(Yi)を求める。
After that, the first calculating
第2算出手段13は、診断処理を実行するタイミングで、記憶装置20から演算データD2及び診断データD3を読み出し、再構成誤差(RE値)を求める。具体的には、第2算出手段13は、式(3−1)により、再構成したデータYpを求める。
The second calculation means 13 reads the operation data D2 and the diagnosis data D3 from the
Yh=Y−Yp・・・(3−2) Y h = Y-Y p ··· (3-2)
また、第2算出手段13は、求めた再構成誤差ベクトルYhを用いて、式(3−3)により、診断データ行列Yの各ベクトルYiの再構成誤差RE2(Yi)を求める。 In addition, the second calculating means 13 calculates the reconstruction error RE 2 (Y i ) of each vector Y i of the diagnostic data matrix Y by using the obtained reconstruction error vector Y h and Expression (3-3). .
判定手段14は、第1算出手段12で算出された各マハラノビス距離を、所定の第1閾値と比較し、図2(a)に示すように、マハラノビス距離が第1閾値以上の場合、診断対象に異常が発生したと判定する。また、判定手段14は、第2算出手段13で算出された各再構成誤差を、所定の第2閾値と比較し、図2(b)に示すように、再構成誤差が第2閾値以上の場合、診断対象に異常が発生したと判定する。
The judging means 14 compares each Mahalanobis distance calculated by the first calculating means 12 with a predetermined first threshold value. If the Mahalanobis distance is equal to or more than the first threshold value as shown in FIG. It is determined that an abnormality has occurred. Further, the
第1閾値は、マハラノビス距離から診断対象の異常を検出するために予め定められる値である。また、第2閾値は、再構成誤差から診断対象の異常を検出するために予め定められる値である。この第1閾値及び第2閾値は、例えば、前処理のタイミングで、前処理手段11によって求められて設定されてもよいし、入力装置30を介して入力された値で設定されてもよい。
The first threshold value is a value determined in advance for detecting an abnormality of a diagnosis target from the Mahalanobis distance. The second threshold value is a value that is determined in advance to detect an abnormality of a diagnosis target from a reconstruction error. The first threshold value and the second threshold value may be determined and set by the pre-processing unit 11 at the timing of pre-processing, or may be set by values input via the
判定手段14は、マハラノビス距離を利用した判定結果及び再構成誤差を利用した判定結果を合わせて、異常を検出する。具体的には、いずれかの判定結果で異常が発生したと判定されると、診断対象に異常が発生したとし、いずれの判定結果でも異常が発生しないと判定されると、異常は発生していないと判定する。また、判定手段14は、判定結果を結果データD4として記憶装置20に記憶する。
The
出力手段15は、判定手段14による判定結果を出力装置40に出力する。例えば、出力手段15は、図4に示すようなグラフを利用して結果を出力する。図4(a)に示すように、マハラノビス距離では検出することのできない異常データが、図4(b)に示すように、再構成誤差で検出することができる。
The
例えば、パラメータ間に多重共線性がある場合、または一定値項目のパラメータがある場合、正常データD1は、パラメータの次元数kよりも小さい線形部分空間に分布していることになる。特異値分解を実施すると、上位主成分は、この部分空間の基底となり、下位主成分はこの部分空間と直交している空間の基底となる。したがって、図5に示すように、擬似逆行列に基づくマハラノビス距離(MD値)Ypは、正常データD1が分布している空間内で、正常データD1の分布と診断データD3との距離を意味する。これに対し、再構成誤差(RE値)Yhは、正常データD1が分布している部分空間と、診断データD3との垂直距離を意味する。異常が発生したときには、異常の種類によって、マハラノビス距離と再構成誤差のいずれか又は両方が大きくなる。 For example, when there is multicollinearity between parameters or when there is a parameter of a fixed value item, the normal data D1 is distributed in a linear subspace smaller than the number of dimensions k of the parameter. When the singular value decomposition is performed, the upper principal component becomes a basis of the subspace, and the lower principal component becomes a basis of a space orthogonal to the subspace. Therefore, as shown in FIG. 5, the Mahalanobis distance (MD value) Y p based on the pseudo inverse matrix means the distance between the distribution of the normal data D1 and the diagnostic data D3 in the space where the normal data D1 is distributed. I do. In contrast, the reconstruction error (RE value) Y h is a subspace normal data D1 is distributed means the vertical distance between the diagnostic data D3. When an abnormality occurs, one or both of the Mahalanobis distance and the reconstruction error increase depending on the type of the abnormality.
なお、図5は、k=3の場合のマハラノビス距離(MD値)と再構成誤差(MD値)の幾何学的な意味を示す図である。図5では、正常データD1が分布している部分空間の次元が2、それと直交している部分空間の次元が1だとする。正規化した診断データ行列Yと正常状態との距離を2つの成分に分けると、正常データが分布している部分空間内での距離はマハラノビス距離で表され、正常データが分布している部分空間との垂直距離が再構成誤差で表される。 FIG. 5 is a diagram illustrating the geometric meaning of the Mahalanobis distance (MD value) and the reconstruction error (MD value) when k = 3. In FIG. 5, it is assumed that the dimension of the subspace in which the normal data D1 is distributed is 2, and the dimension of the subspace orthogonal thereto is 1. When the distance between the normalized diagnostic data matrix Y and the normal state is divided into two components, the distance in the subspace in which the normal data is distributed is represented by the Mahalanobis distance, and the subspace in which the normal data is distributed Is represented by a reconstruction error.
例えば、正常期間で一定値であったパラメータ値(一定値項目のパラメータ値)が変化した場合、または、相関行列の下位主成分に現れる相関関係が崩れた場合、再構成誤差が大きくなる。一方、相関行列の上位主成分に現れる相関関係が崩れた場合、または、経年劣化や気候の変動等に応じて診断対象のパラメータ値の状態が正常データに含まれる平衡点からずれたとき、マハラノビス距離が大きくなる。 For example, when the parameter value that has been constant during the normal period (the parameter value of the constant value item) changes, or when the correlation that appears in the lower principal component of the correlation matrix is broken, the reconstruction error increases. On the other hand, when the correlation appearing in the upper principal component of the correlation matrix is broken, or when the state of the parameter value to be diagnosed deviates from the equilibrium point included in the normal data due to aging, climate change, or the like, Mahalanobis The distance increases.
上述したように、異常診断装置1では、図3に示すように、マハラノビス距離(MD値)を利用して検出することができない異常を、再構成誤差(RE値)を利用して検出することができる。したがって、マハラノビス距離と再構成誤差を併用することで、全ての異常を検出することが可能となり、異常の検出効率が向上する。
以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。
As described above, in the abnormality diagnosis apparatus 1, as shown in FIG. 3, an abnormality that cannot be detected using the Mahalanobis distance (MD value) is detected using the reconstruction error (RE value). Can be. Therefore, by using the Mahalanobis distance and the reconstruction error together, it is possible to detect all the abnormalities, and the abnormality detection efficiency is improved.
As described above, the present invention has been described in detail with reference to the embodiments. However, the present invention is not limited to the embodiments described in this specification. The scope of the present invention is determined by the description of the claims and the scope equivalent to the description of the claims.
1 異常診断装置
11 前処理手段
12 第1算出手段
13 第2算出手段
14 判定手段
15 出力手段
20 記憶装置
D1 正常データ
D2 演算データ
D3 診断データ
D4 結果データ
P 異常診断プログラム
30 入力装置
40 出力装置
Reference Signs List 1 abnormality diagnosis apparatus 11 preprocessing means 12 first calculation means 13 second calculation means 14 determination means 15 output means 20 storage device D1 normal data D2 operation data D3 diagnosis data D4 result data P
Claims (2)
正常時に測定された複数回分の各パラメータの値で形成される正常データ行列のうち、値が一定である一定値項目のパラメータについては0に置き換えて正規化して相関行列を求め、求めた相関行列から特異値分解を計算し、予め定められる全特異値の総和に対する上位特異値の累積値の割合から求めた上位特異値数の上位特異値から擬似逆行列を求める前処理手段と、
診断時に測定された複数回分の各パラメータの値で形成される診断データ行列から正常時平均値を引き、正常時において一定値項目のパラメータに対応する列は標準偏差で割らず、それ以外の列は正常時標準偏差で割ることで正規化し、正規化した診断データ及び前記前処理手段で求められた擬似逆行列を利用してマハラノビス距離を算出する第1算出手段と、
前記第1算出手段で正規化された診断データを利用して、正規化された診断データを構成する各ベクトルの再構成誤差を算出する第2算出手段と、
前記第1算出手段が算出したマハラノビス距離を所定の第1閾値と比較すると共に、前記第2算出手段が算出した再構成誤差を所定の第2閾値と比較し、少なくとも前記第1算出手段が算出したマハラノビス距離が所定の第1閾値より大きくなった場合及び前記第2算出手段が算出した再構成誤差が所定の第2閾値より大きくなった場合の何れかの場合に、異常が発生したと判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする異常診断装置。 An abnormality diagnosis device in which a plurality of parameter values to be diagnosed are input and an abnormality is diagnosed,
In the normal data matrix formed by the values of the parameters for a plurality of times measured in the normal state, the parameters of the constant value items whose values are constant are replaced with 0 and normalized to obtain the correlation matrix, and the obtained correlation matrix Preprocessing means for calculating a singular value decomposition from, and calculating a pseudo-inverse matrix from the upper singular values of the number of upper singular values obtained from the ratio of the cumulative value of the upper singular values to the sum of all predetermined singular values,
Subtract the average value at normal time from the diagnostic data matrix formed by the values of each parameter for multiple measurements measured at the time of diagnosis, and in the normal condition, do not divide the column corresponding to the parameter of the constant value item by the standard deviation, other columns Is normalized by dividing by the normal time standard deviation, the first calculating means for calculating the Mahalanobis distance using the normalized diagnostic data and the pseudo-inverse matrix obtained by the preprocessing means,
A second calculating unit that calculates a reconstruction error of each vector constituting the normalized diagnostic data using the diagnostic data normalized by the first calculating unit;
The Mahalanobis distance calculated by the first calculating means is compared with a predetermined first threshold, and the reconstruction error calculated by the second calculating means is compared with a predetermined second threshold, and at least the first calculating means calculates It is determined that an abnormality has occurred when the Mahalanobis distance is larger than a predetermined first threshold value or when the reconstruction error calculated by the second calculation means is larger than a predetermined second threshold value. Means for determining
An abnormality diagnosis device comprising:
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