JP6960751B2 - 異常判定装置、及び異常判定方法 - Google Patents
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Description
上記特許文献1に開示の技術にあっては、計測されたパラメータの時間変化を示す波形と、故障の前兆を示す既知の波形とを比較し、当該比較結果より異常の可能性を判定するように構成されている。
経年劣化等による摩耗性の故障は、発電機の回転軸受けの故障などであり、長期間に亘って徐々に部品が劣化し、当該劣化が一定以上進んだ場合に顕在化する。この場合、例えば、発電機の振動をセンシングした時系列データ上でも、時系列データの値が徐々に異常値に近づく等の挙動がみられるため、例えば、所定の閾値設定をすることにより、故障が発生する前に異常を検知することができる。上記特許文献1に開示の技術は、このような経年劣化等による摩耗性の故障を検知するものである。
一方、突発性の故障は、故障原因そのものが存在しないものや、故障原因による異常をセンサ等により検知が困難なものが多いため、故障が発生する前に異常を検知することが比較的難しい。当該異常の具体例としては、内燃機関の気筒の失火等が挙げられる。当該故障の主原因は、副室式の内燃機関における副室に煤が溜まることによる点火不良や、制御不良により空燃比が乱れることにより、燃焼領域が正常燃焼領域から逸脱することが考えられるが、これらを未然に検知するためのセンサは、設置が困難なものや、設置できたとしても高価となる。
ただし、例えば、上述の失火等については、内燃機関が強制停止するレベルの失火が発生する前に、単発の失火が発生しているため、当該単発の失火に伴う排ガスの温度低下に基づいて、失火(異常)を検知することができなくはない。しかしながら、単発の失火に伴う排ガスの温度低下は、非常に小さいものであるため、単純な閾値設定では、誤判定を抑制しながらも、高い検知精度で異常を判定することが難しいという課題があった。
複数の対象の夫々において計測されるパラメータの時系列データに基づいて、複数の前記対象の異常判定を行う異常判定部を備える異常判定装置であって、その特徴構成は、
複数の前記対象から異常判定の前記対象としての一の異常判定対象を選択すると共に、複数の前記対象から前記異常判定対象以外の一の非異常判定対象を選択する選択部と、
所定の導出期間において、前記選択部にて選択された前記異常判定対象に対応する前記時系列データと、前記非異常判定対象に対応する前記時系列データとの一対の前記時系列データから、前記時系列データの各時点でのマハラノビス距離を算出し、算出されたマハラノビス距離の正常領域を算出し、前記マハラノビス距離と前記正常領域とに基づいて前記異常判定対象の異常度を導出する異常度導出部とを備え、
前記選択部は、一の前記異常判定対象に対し、複数の前記非異常判定対象を選択するものであり、
前記異常度導出部は、一の前記異常判定対象と、前記選択部にて選択された複数の前記非異常判定対象の夫々とに関して、前記異常度を導出するものであり、
前記異常判定部は、前記異常度導出部にて導出された複数の前記異常度に基づいて、前記異常判定対象が異常状態にあるか否かを判定し、
前記異常度導出部は、前記マハラノビス距離が前記正常領域の外にあるデータ数が、前記マハラノビス距離において統計的に決定される異常判定の統計閾値を超える場合に、前記異常度が高いと導出し、
前記マハラノビス距離が前記正常領域の外にあるデータ数が、前記統計閾値以下である場合に、前記異常度が低いと導出し、
前記異常判定部は、前記異常度導出部にて導出された複数の前記異常度において前記異常度が高いと判定される割合に基づいて、前記異常判定対象が異常状態にあるか否かを判定する点にある。
複数の対象の夫々においてパラメータを計測し、計測される前記パラメータの時系列データに基づいて、複数の前記対象の異常判定工程を行う異常判定方法であって、その特徴構成は、
複数の前記対象から異常判定の前記対象としての一の異常判定対象を選択すると共に、複数の前記対象から前記異常判定対象以外の一の非異常判定対象を選択する選択工程と、
所定の導出期間において、前記選択工程にて選択された前記異常判定対象に対応する前記時系列データと、前記非異常判定対象に対応する前記時系列データとの一対の前記時系列データから、前記時系列データの各時点でのマハラノビス距離を算出し、算出されたマハラノビス距離の正常領域を算出し、前記マハラノビス距離と前記正常領域とに基づいて前記異常判定対象の異常度を導出する異常度導出工程とを備え、
前記選択工程は、一の前記異常判定対象に対し、複数の前記非異常判定対象を選択するものであり、
前記異常度導出工程は、一の前記異常判定対象と、前記選択工程にて選択された複数の前記非異常判定対象の夫々とで、前記異常度を導出するものであり、
前記異常判定工程は、前記異常度導出工程にて導出された複数の前記異常度に基づいて、前記異常判定対象が異常状態にあるか否かを判定し、
前記異常度導出工程は、前記マハラノビス距離が前記正常領域の外にあるデータ数が、前記マハラノビス距離において統計的に決定される異常判定の統計閾値を超える場合に、前記異常度が高いと導出し、前記マハラノビス距離が前記正常領域の外にあるデータ数が、前記統計閾値以下である場合に、前記異常度が低いと導出し、
前記異常判定工程は、前記異常度導出工程にて導出された複数の前記異常度において前記異常度が高いと判定される割合に基づいて、前記異常判定対象が異常状態にあるか否かを判定する点にある。
これに対し、上記特徴構成によれば、異常度導出部は、一の異常判定対象と、選択部にて選択された複数の非異常判定対象の夫々との間で、異常度を導出するものであり、且つ異常判定部は、異常度導出部にて導出された複数の異常度に基づいて、異常判定対象が異常状態にあるか否かを判定するから、例えば、仮に、一の異常判定対象と一の非異常判定対象との組み合わせでの異常度が適正な値からずれてしまったとしても、他の組み合わせにおいて、異常度が適正な値であれば、適切な異常状態の判定を行え、結果、誤判定の可能性を低減できる。
更に、上記特徴構成によれば、統計的に決定される統計閾値を用いることができるから、従来技術の如く、対象(例えば、内燃機関)の個別の特質を考慮した閾値設定を行わなくても、比較的高い精度で、異常度を導出できる。
更に、上記特徴構成によれば、感度を高めた場合であっても、比較的演算量が少ないロジックに異常状態の判定に伴う誤判定の発生を抑制できる。
即ち、本発明によれば、感度を高めながらも、誤判定の発生を抑制することができる異常判定装置、及び異常判定方法を実現できるのである。
前記マハラノビス距離は、正規化マハラノビス距離であり、
前記異常度導出部は、前記統計閾値を、3以上5以下として、前記異常度を導出することが好ましい。
複数の前記対象に対応する前記時系列データから選択された二つの前記時系列データの相関係数は、0.7以上1以下の高相関である点にある。
これにより、例えば、両者の相関を考慮しないユークリッド距離を用いて異常度を算出する場合に比べ、高相関の時系列データについて、より適切にその異常度を算出することができる。
前記時系列データから前記対象が定常状態にあるか否かを判定する定常状態判定部を備え、
前記異常度導出部は、前記定常状態判定部にて前記定常状態にあると判定された前記時系列データに基づいて、前記異常判定対象の前記異常度を導出する点にある。
前記異常判定対象が前記異常状態にあるか否かの判定の精度を調整する判定精度調整部を備え、
前記判定精度調整部は、判定の精度を高く調整するのに伴って、前記選択部にて選択される前記非異常判定対象の数を増加させる点にある。
前記異常判定対象が前記異常状態にあるか否かの感度を調整する感度調整部を備え、
前記感度調整部は、前記感度を高く調整するのに伴って、前記統計閾値を低減することが好ましい。
以下、図面に基づいて説明する。
当該実施形態にあっては、コジェネレーションシステムCは、主構成として、熱と電力とを併給するエンジン30と当該エンジン30のECUを含む制御装置Ccとから構成されている。
エンジン30は、例えば、都市ガス(13A)等の気体燃料を燃料とするものであり、ピストンをシリンダ内で往復運動させると共に吸気弁及び排気弁を開閉動作させて点火プラグを所望の時期に作動させることにより、燃焼室Co(図4に図示:CoはCo1〜Co20の何れか一つ、又はすべてを含む概念)において、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各行程を順次実行する。これにより、ピストンの往復動を、連結棒を介してクランク軸の回転運動として出力するように構成されている。当該構成は、通常の4ストローク内燃機関と同様の構成である。
更に、当該エンジン30は、複数の燃焼室Coを備えた多気筒式ガスエンジンにて構成されており、各燃焼室Coからの排気温度を排気路にて各別に測定する温度センサS1と、各燃焼室Coにおけるノッキング強度を検出するノックセンサS2と、クランク軸のクランク角度を計測する形態でエンジンの回転数を計測する回転数センサS3とを備えている。
制御装置Ccは、エンジン30の運転を制御する制御部(図示せず)と、上記温度センサS1、ノックセンサS2、及び回転数センサS3の計測データを取得するデータ取得部Cc1と、データ取得部Cc1にて取得した計測データを記憶する記憶部DBcと、外部との間でデータの送受信を実行する通信部Cc2とを備えている。特に、当該通信部Cc2は、記憶部DBcに記憶された計測データを、ネットワーク回線Nを介して、異常判定装置100へ送信可能に構成されている。制御装置Ccは、上記データ取得部Cc1が取得した計測データに明らかな異常があることを判定する判定部(図示せず)を備え、当該判定部が異常があると判定した場合に、当該異常を表示するモニタ(表示部)Cc3を備えて構成されている。当該判定部は、例えば、上述の計測データが、明らかな異常に対応する閾値を超えた場合に異常があると判定する。
尚、上述した所定の導出期間は、例えば、センサー値(時系列データの各時点での値)の計測周期が1秒間隔である場合は、30分以上、最長でも3,4時間が望ましい。センサー値の点数は、統計学の観点から少なくとも、1,000点から2,000点は必要である。従って、1秒間隔でデータ点数が記録されている場合、30×60点=1,800点が担保される30分以上の期間で導出するのが望ましい。また、センサー値は外気温度から影響を受けるため、可能な限り外気温が一定の期間を導出期間とするのが望ましい。そのため、最長でも3,4時間の導出期間にする方がよい。
異常度導出部M4による異常度Eの導出に関し、一の異常判定対象である燃焼室Coに対応する時系列データをχ1とし、一の非異常判定対象である燃焼室Coに対応する時系列データをχ2とする場合、マハラノビス距離は、以下の〔数1〕にて表される。
一方、マハラノビス距離は、上記〔数1〕に示す如く、χ1の分散、χ2の分散、χ1とχ2との共分散を考慮したものであるため、正常領域の境界は、図1において、2つの時系列データχ1、χ2の平均ベクトルμで表される重心から等距離の円ではなく、2つの時系列データχ1、χ2の相関が反映された楕円(例えば、図2でEで示される楕円)で示されることとなる。ここで、楕円の内側が正常領域であり楕円の外側が異常領域である。
因みに、図2では、時間a、bとは異なる時間に対する複数のデータも図示している。
当該実施形態に係る異常度導出部M4によれば、マハラノビス距離を用いて2つの時系列データの相関を考慮して異常度Eの導出を行うため、重心μから等距離にあるχ(a)、χ(b)であっても、正常と判定されるべきデータであるχ(a)を正常領域内(図2で楕円Eの内側)のデータとし、異常と判定されるべきデータであるχ(b)を異常領域(図2で楕円Eの外側)内のデータとして、異常度Eの導出を実体に則した状態で実行できる。
統計閾値として例えば3を採用する場合、図2に示す例では、異常領域に存在するデータ数は5であるため、異常度導出部M4は、異常度Eが高いと判定する。
例えば、エンジン30が、20気筒の多気筒エンジンである場合であって、一の異常判定対象の燃焼室Co1の異常状態を判定する場合、選択部M3は、残りの19の燃焼室から非異常判定対象の燃焼室Coを複数(図4では、燃焼室Co2から燃焼室Co20まで19個)を選択する。
異常度導出部M4は、一の異常判定対象の燃焼室Co1と他の非異常判定対象の燃焼室Co2〜Co20の夫々との間で、異常度Eを導出する。
異常判定部M5は、異常度導出部M4にて導出された複数の異常度Eにおいて異常度Eが高いと判定される割合に基づいて、異常判定対象が異常状態にあるか否かを判定する。より詳細には、異常判定部M5は、異常度導出部M4にて導出された複数の異常度Eにおいて異常度Eが高いと判定される割合が、異常状態判定割合以上である場合に、異常判定対象の燃焼室Coが異常状態にあると判定し、異常状態判定割合未満である場合に、異常判定対象の燃焼室Coが異常状態にないと判定する。
上記異常状態判定割合は、判定対象にもよるが、例えば、50%以上とすることが好ましく、より好ましくは50%とすることが好ましい。
これにより、単一の異常度Eのみで異常状態の判定を行う場合に比べ、異常状態の誤判定を抑制できる。
当該判定精度調整部M2は、判定の精度を高く調整するのに伴って、選択部M3にて選択される非異常判定対象としての燃焼室Coの数を増加させる。
例えば、異常判定装置100には、操作者による操作により誤判定の可能性を調整可能な操作部(図示せず)を備え、誤判定調整部M2は、当該操作部の設定値に基づいて、判定の精度を調整する。
当該感度調整部M6は、感度を高く調整するのに伴って、統計閾値を、マハラノビス距離において統計的に決定される異常判定の統計閾値として設定可能な範囲(例えば、3以上5以下)で、低減する。
即ち、当該異常判定方法にあっては、一のエンジン30の複数の燃焼室Coから一の異常判定対象としての燃焼室Coを選択すると共に、一のエンジン30の複数の燃焼室Coから異常判定対象以外の一の非異常判定対象としての燃焼室Coを選択する選択工程と、選択工程にて選択された異常判定対象としての燃焼室Coに対応する排ガス温度(温度センサS1にて計測される温度:時系列データの一例)と、非異常判定対象としての燃焼室Coに対応する排ガス温度(温度センサS1にて計測される温度:時系列データの一例)とから、排ガス温度の夫々に対応するマハラノビス距離を算出し、算出されたマハラノビス距離の正常領域を算出し、マハラノビス距離と正常領域とに基づいて異常判定対象の異常度Eを導出する異常度導出工程とを備え、選択工程は、一の異常判定対象としての燃焼室Coに対し、複数の非異常判定対象としての燃焼室Coを選択するものであり、異常度導出工程は、一の異常判定対象としての燃焼室Coと、選択工程にて選択された複数の非異常判定対象としての燃焼室Coの夫々とで、異常度Eを導出するものであり、異常判定工程は、異常度導出工程にて導出された複数の異常度Eに基づいて、異常判定対象としての燃焼室Coが異常状態にあるか否かを判定する。
(1)上記実施形態では、複数の対象のすべてを、判定対象として、異常判定を実行した。
しかしながら、判定対象は、複数の対象のうち、少なくとも1つ以上であっても構わない。
しかしながら、異常判定装置100は、例えば、コジェネレーションシステムCの夫々に対して併設して設けられ、ネットワーク回線Nを介することなく、複数の対象からの計測データを取得して異常判定を実行する構成を採用しても構わない。
更には、異常判定装置100は、コジェネレーションシステムCの制御装置Ccとして備えられる構成を採用しても構わない。
更には、異常判定装置100は、ネットワーク回線Nを介してコジェネレーションシステムCから取得した計測データに基づいてコジェネレーションシステムCの監視を行う監視装置と併設して備えると共に、当該監視装置の記憶部から計測データを取得する形態で、異常判定を実行する構成であっても構わない。
しかしながら、異常度導出に用いられるマハラノビス距離は、正規化マハラノビス距離でなくても構わない。
しかしながら、上述したノックセンサS2にて検出されるノッキング強度をパラメータとしても構わない。
そこで、ネットワーク回線Nにて異常判定装置100に接続される複数のコジェネレーションシステムCのエンジン30の夫々を、複数の対象として採用し、当該エンジン30の回転数を計測する回転数センサS3の計測結果を、パラメータとして採用しても構わない。
また、複数の対象として、一の発電設備の一の発電軸を支える複数の軸受を採用でき、この場合、各軸受けの振動周波数をパラメータとして採用する。
また、複数の対象として、近接する複数のエリア毎の気象状態を採用でき、この場合、複数のエリア毎の気温や湿度をパラメータとして採用する。この場合、異常状態としては、突発的に発生する竜巻等が想定される。
100 :異常判定装置
E :異常度
K :管理部
M2 :誤判定調整部
M3 :選択部
M4 :異常度導出部
M5 :異常判定部
M6 :感度調整部
χ1 :時系列データ
χ2 :時系列データ
Claims (7)
- 複数の対象の夫々において計測されるパラメータの時系列データに基づいて、複数の前記対象の異常判定を行う異常判定部を備える異常判定装置であって、
複数の前記対象から異常判定の前記対象としての一の異常判定対象を選択すると共に、複数の前記対象から前記異常判定対象以外の一の非異常判定対象を選択する選択部と、
所定の導出期間において、前記選択部にて選択された前記異常判定対象に対応する前記時系列データと、前記非異常判定対象に対応する前記時系列データとの一対の前記時系列データから、前記時系列データの各時点でのマハラノビス距離を算出し、算出されたマハラノビス距離の正常領域を算出し、前記マハラノビス距離と前記正常領域とに基づいて前記異常判定対象の異常度を導出する異常度導出部とを備え、
前記選択部は、一の前記異常判定対象に対し、複数の前記非異常判定対象を選択するものであり、
前記異常度導出部は、一の前記異常判定対象と、前記選択部にて選択された複数の前記非異常判定対象の夫々とに関して、前記異常度を導出するものであり、
前記異常判定部は、前記異常度導出部にて導出された複数の前記異常度に基づいて、前記異常判定対象が異常状態にあるか否かを判定し、
前記異常度導出部は、前記マハラノビス距離が前記正常領域の外にあるデータ数が、前記マハラノビス距離において統計的に決定される異常判定の統計閾値を超える場合に、前記異常度が高いと導出し、
前記マハラノビス距離が前記正常領域の外にあるデータ数が、前記統計閾値以下である場合に、前記異常度が低いと導出し、
前記異常判定部は、前記異常度導出部にて導出された複数の前記異常度において前記異常度が高いと判定される割合に基づいて、前記異常判定対象が異常状態にあるか否かを判定する異常判定装置。 - 前記マハラノビス距離は、正規化マハラノビス距離であり、
前記異常度導出部は、前記統計閾値を、3以上5以下として、前記異常度を導出する請求項1に記載の異常判定装置。 - 複数の前記対象に対応する前記時系列データから選択された二つの前記時系列データの相関係数は、0.7以上1以下の高相関である請求項1又は2に記載の異常判定装置。
- 前記時系列データから前記対象が定常状態にあるか否かを判定する定常状態判定部を備え、
前記異常度導出部は、前記定常状態判定部にて前記定常状態にあると判定された前記時系列データに基づいて、前記異常判定対象の前記異常度を導出する請求項1〜3の何れか一項に記載の異常判定装置。 - 前記異常判定対象が前記異常状態にあるか否かの判定の精度を調整する判定精度調整部を備え、
前記判定精度調整部は、判定の精度を高く調整するのに伴って、前記選択部にて選択される前記非異常判定対象の数を増加させる請求項1〜4の何れか一項に記載の異常判定装置。 - 前記異常判定対象が前記異常状態にあるか否かの感度を調整する感度調整部を備え、
前記感度調整部は、前記感度を高く調整するのに伴って、前記統計閾値を低減する請求項1又は2に記載の異常判定装置。 - 複数の対象の夫々においてパラメータを計測し、計測される前記パラメータの時系列データに基づいて、複数の前記対象の異常判定工程を行う異常判定方法であって、
複数の前記対象から異常判定の前記対象としての一の異常判定対象を選択すると共に、複数の前記対象から前記異常判定対象以外の一の非異常判定対象を選択する選択工程と、
所定の導出期間において、前記選択工程にて選択された前記異常判定対象に対応する前記時系列データと、前記非異常判定対象に対応する前記時系列データとの一対の前記時系列データとから、前記時系列データの各時点に対応するマハラノビス距離を算出し、算出されたマハラノビス距離の正常領域を算出し、前記マハラノビス距離と前記正常領域とに基づいて前記異常判定対象の異常度を導出する異常度導出工程とを備え、
前記選択工程は、一の前記異常判定対象に対し、複数の前記非異常判定対象を選択するものであり、
前記異常度導出工程は、一の前記異常判定対象と、前記選択工程にて選択された複数の前記非異常判定対象の夫々とで、前記異常度を導出するものであり、
前記異常判定工程は、前記異常度導出工程にて導出された複数の前記異常度に基づいて、前記異常判定対象が異常状態にあるか否かを判定し、
前記異常度導出工程は、前記マハラノビス距離が前記正常領域の外にあるデータ数が、前記マハラノビス距離において統計的に決定される異常判定の統計閾値を超える場合に、前記異常度が高いと導出し、前記マハラノビス距離が前記正常領域の外にあるデータ数が、前記統計閾値以下である場合に、前記異常度が低いと導出し、
前記異常判定工程は、前記異常度導出工程にて導出された複数の前記異常度において前記異常度が高いと判定される割合に基づいて、前記異常判定対象が異常状態にあるか否かを判定する異常判定方法。
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