JP6970694B2 - 状態判定システム - Google Patents

Description

本発明は、状態判定対象が予定される状態（正常な状態）にあるか、予定される状態から逸脱した状態（異常な状態）にあるかを判定する状態判定システムに関する。

工場など、広い敷地に多数の装置機器を設置し使用する場合、これら装置機器は、通常、その作動状態を示す様々な情報が集約される管理センターなどの制御側で、一元管理が行われている。

この場合、制御側に集約されるデータとして、例えば、電動機器であれば電圧や電流に関する情報が、また、流体を扱う装置（ポンプ、コンプレッサーなど）であれば流量や温度に関する情報が収集され、制御側に集約される。そして、制御側の演算処理手段により、閾値等の比較処理などを経て、予定される状態を維持しているかどうかの判定が行われる。

ところが、装置機器の動作状態を示す情報の中には、その情報を公知の演算手法で処理しても、そこから得られる結果によって予定される状態が維持されているかどうか、すなわち状態判定をすることが難しいものもあった。例えば、アナログオシロやデジタルオシロにより得られる信号波形のような、状態判定対象の動作に伴い生じる波形は、判定対象の状態判定に有用な情報であるものの、多くの判断要素を含んでおり、単純な閾値との比較による演算処理では正確な判定をすることは難しかった。そのため、波形を利用した状態判定は、熟練した判定者の技能に頼っているのが実情である。

一方、判定者の技能による判定は、波形を確認できる場所に判定をなし得る技能を有する者が存在しないと行うことができない。そこで、波形を確認できる場所に判定をなし得る技能を有する者が存在しない場合でも状態判定を可能とする手法が提案されている。例えば、特開２００３−２５６０２８には、遠隔地から端末パソコンにより、表面検査機の各信号波形を簡単に観測することができ、専門家（判定をなし得る技能を有する者）による故障解析等を迅速に行うことを可能としたリモート監視システムが提案されている。

特開２００３−２５６０２８号公報

しかしながら、例え波形を遠隔地で確認することができたとしても、判定をなし得る技能を有する者が、波形を継続して監視し続けることは難しかった。そのため、判定者の技能により波形を利用して状態判定を行う従来の状態判定手法では、正常な状態が急激に異常な状態となるおそれがある場合や、正常な状態（予定される状態）と異常な状態（予定される状態から逸脱した状態）が繰り返される場合などには適用することが難しかった。

そこで、本発明は、状態判定対象の動作に伴い生じる波形を利用した状態判定対象の継続的な監視を可能とする状態判定システムを提供することを目的とする。

本発明に係る状態判定システムは、状態判定対象の動作に伴い生じる波形を画像化する画像化手段と、前記状態判定対象の基準状態における前記波形の画像の複数を基準画像として蓄積する基準画像蓄積手段と、状態判定を行うときに得られる前記波形の画像を検査画像として前記検査画像のデータと前記基準画像の複数のデータを比較し、前記検査画像のデータと前記基準画像のデータの間の相違を等級分けする照合手段と、前記照合手段で算出された等級に基づき前記相違が有意でないときに基準状態であると、有意であるときに基準状態ではないと判定する判定手段を有する。

また、本発明において、相違が有意であるとは、差分が許容される範囲を超えることを意味する。例えば、監視対象となる装置の正常状態において得られる状態量に幅がある場合、データの差異がその幅の範囲内であれば許容され得ることから、有意な相違ではなく両データは合致するものと判断される。一方、データの差異が、正常状態において得られる状態量の幅の範囲から外れる場合、有意な相違であり両データは合致しないものと判断される。

前記波形が、前記状態判定対象の有する駆動部位の動きによって変化する物理量の経時変化を含むものであってもよい。なお、駆動部位の動きによって変化する物理量とは、例えば、振動、圧力、音、加速度、張力、熱量、流量、光量、変形量、臭気量である。

前記波形が、前記状態判定対象への電力供給における電流又は電圧の経時変化を含むものであってもよい。

前記波形が、前記状態判定対象が受信し、または送信する信号の波形を含むものであってもよい。

前記波形の画像化が、性質の異なる複数種類の波形について行われるものであってもよい。

前記基準画像および前記検査画像が、前記波形のデータを所定の期間抽出したデータで構成されるものであってもよい。

前記等級が、前記検査画像に書き込まれ、前記判定手段に引き渡されるものであってもよい。

前記判定手段は、前記基準状態であるかどうかの判定に基づき異常状態の有無を判定し、前記異常状態データの発生件数の累積数が所定数に達したとき、または発生件数の頻度が所定数に達したとき、前記状態判定対象の寿命と判断するものであってもよい。

本発明では、状態判定対象の基準状態において、状態判定対象の動作に伴い生じる波形を画像化した基準画像のデータと、状態判定を行うときに、状態判定対象の動作に伴い生じる波形を画像化した検査画像のデータの比較を行うため、判定をなし得る技能を有する者によることなく、演算処理による判定が可能となる。

また、検査画像のデータと前記基準画像のデータの間の相違を等級分けし、この等級に基づき前記相違が有意でないときに基準状態であると、有意であるときに基準状態ではないと判定するため、単純な閾値との比較による従来の演算処理と比較し、より正確な判定を行うことができる。

更にまた、状態判定対象の基準状態における波形の画像の複数を基準画像とするため、判定の精度を高めることができる。

従って、本発明によれば、状態判定対象の動作に伴い生じる波形を利用した演算処理により状態判定が可能となり、状態判定対象の継続的な監視が可能となる。

本発明に係る状態判定システムの構成図である。 センサコントローラの機能ブロック図である。 ストレージサーバおよび検索エンジンサーバの機能ブロック図である。

本発明に係る装置機器異常検知システムの実施形態を説明する。
この装置機器異常検知システムは、モータなどの回転装置の複数が設置された工場において、回転装置を状態判定対象１０とし、これらの異常を遠隔で検知するものである。この実施形態において複数の状態判定対象１０は、通信ライン９に接続されたＰＬＣ５による一括制御が行われているが、専用のコントローラによる制御としてもよい。

状態判定対象１０には、動作により変化する状態量として振動を検出するセンサ１が設置されている。この実施形態では、センサ１として、一対の軸振動センサが使用されている。一対のセンサ１ａ、１ｂの一方（第一センサ１ａ）は状態判定対象１０の軸振動垂直成分を検出する方向に設置され、軸振動水平成分を検出する方向に他方（第二センサ１ｂ）が設置されている。

なお、センサ１は、状態判定対象１０の動作に伴い生じる波形の画像を生成するために必要となる、状態判定対象１０の動作状態により変化する状態量を検出できるものであれば制限はない。圧力センサ、加速度センサ、回転数センサ、音センサ、トルクセンサ、負荷電流センサなどを使用してもよい。また、単一で使用してもよく、二つを対として、或いは複数を一組として使用してもよい。対として、或いは複数を一組として使用する場合は、異なる種類の組み合わせであってもよい。例えば、第一センサ１ａと第二センサ１ｂの組み合わせとして、圧力センサと振動センサの組み合わせ、或いは、加速度センサと音声センサの組み合わせを採用してもよい。

センサ１はセンサコントローラ２に接続されている。センサコントローラ２は、通信ライン９を介し、検索エンジンサーバ３、ストレージサーバ４に接続されている。検索エンジンサーバ３は本発明の判定手段に相当し、センサ１により得られた振動のデータは、センサコントローラ２においてセンサ信号波形画像データに変換され、通信ライン９を介して検索エンジンサーバ３に送信され、後述の判定処理が行われる

＜センサコントローラ＞
センサコントローラ２は、図２に示すように、第一データ変換手段２１ａ、第二データ変換手段２１ｂ、画像データ送信手段２２、通信手段２３、記憶手段２４、モード判別手段２５および基準画像生成スイッチ２６を備える。

第一データ変換手段２１ａは、第一センサ１ａと共に本発明の画像化手段を構成し、第一センサ１ａを介して得られる振動データを、振幅の経時変化を示す波形の画像データ（センサ信号波形画像データ）に変換し、その１フレーム期間のデータ（以下、「フレーム画像データ」とする）を抽出し画像データ送信手段２２に引き渡す。同様に、第二データ変換手段２１ｂは、第二センサ１ｂと共に本発明の画像化手段を構成し、第二センサ１ｂを介して得られる振動データをセンサ信号波形画像データに変換し、フレーム画像データを画像データ送信手段２２に引き渡す。なお、１フレーム期間は、本発明の所定の期間に相当するものであるが、検出対象や検出条件に応じて適宜設定されるものでよい。

画像データ送信手段２２は、モード判別手段２５から出力されるモードデータに応じて、以下の処理を行う。まず、モードデータがオンラインモードを示すときは、センサコントローラ２に付与された機器Ｎｏおよび第一センサ１ａに付与されたセンサ種別データを含むセンサＮｏに、第一データ変換手段２１ａから引き渡されたフレーム画像データを付与し、通信手段２３に引き渡す。また、センサコントローラ２に付与された機器Ｎｏおよび第二センサ１ｂに付与されたセンサ種別データを含むセンサＮｏに、第二データ変換手段２１ｂから引き渡されたフレーム画像データを付与し、通信手段２３に引き渡す。

なお、オンラインモードにおいて、通信手段２３に引き渡されるフレーム画像データで構成される波形画像が、本発明の検査画像に相当するものとなる。

一方、モードデータが基準画像生成モードを示すときは、基準画像であることを示す識別子に、第一データ変換手段２１ａまたは第二データ変換手段２１ｂから引き渡されたフレーム画像データの一つ或いは両方を付与し、通信手段２３に引き渡す。

基準画像は、状態判定対象１０の異常の有無を判別するための基準となるものであればよく、例えば、状態判定対象１０と同じ機種であって故障した装置の動作時に得られたデータを採用してもよく、或いは、状態判定対象１０が正常に動作しているときに得られたデータを採用してもよい。

通信手段２３は、画像データ送信手段２２から引き渡されたデータを、通信ライン９を介して、検索エンジンサーバ３およびストレージサーバ４に送信する。また、後述する状態判定により状態判定対象１０が異常状態であると判定され、判定装置６から送信された異常状態データを受けた場合、その異常状態データを記憶手段２４に引き渡す。

記憶手段２４は、センサコントローラ２に付与される機器Ｎｏと、第一センサ１ａおよび第二センサ１ｂに付与されるセンサ種別データを含むセンサＮｏと、更に、状態判定対象１０に適合する基準画像Ｎｏを記憶し、これを画像データ送信手段２２に引き渡す。また、通信手段２３から異常状態データの引き渡しがあった場合は、これを記憶する。

なお、記憶手段２４に記憶される機器Ｎｏ、センサ種別データを含むセンサＮｏおよび基準画像Ｎｏの入力方法は、センサコントローラ２の形状や設置状態に適した公知の方法を適宜採用すればよい。例えば、センサコントローラ２と非接触でデータの授受を行う別体の端末装置を使用して設定することとしてもよい。

モード判別手段２５は、基準画像生成スイッチ２６の操作により選択されたモードに応じたモードデータを画像データ送信手段２２に出力する。この実施形態では、基準画像生成スイッチ２６は常時ＯＦＦとされ、ＯＮの状態とすることで基準画像生成モードを選択するものとなっている。そして、基準画像生成スイッチ２６がＯＮとされたとき、基準画像生成モードであることを示すモードデータを画像データ送信手段２２に出力する。一方、常時（基準画像生成スイッチ２６がＯＦＦの状態）は、オンラインモードであることを示すモードデータを画像送信手段２２に出力する。

＜検索エンジンサーバ＞
検索エンジンサーバ３は、図３に示すように、通信手段３１および照合手段３２を備える。

通信手段３１は、センサコントローラ２から送信されたデータを、照合手段３２に引き渡す。また、照合手段３２の要求に合致するデータを、通信ライン９を介しストレージサーバ４から取得し、これを照合手段３２に引き渡す。更に、照合手段３２から引き渡された、後述する類似度の数値が書き込まれたフレーム画像データを、通信ライン９を介し判定装置６に引き渡す。

照合手段３２は、検査画像データと基準画像データの照合を行う。まず、通信手段３１から引き渡されたデータに含まれる機器Ｎｏデータ、センサ種別データを含むセンサＮｏデータおよび基準画像Ｎｏに基づき、複数の基準画像の中から一つの画像Ｎｏを決定する。そして、通信手段３１に、基準画像のデータ取得要求を出力する。また、通信手段３１から引き渡されたデータに含まれるフレーム画像データを、検査画像データとして、照合処理が終了するまで、一時的に記憶する。

データ取得要求を受けた通信手段３１は、既述のように、その要求に合致するデータ、すなわち、基準画像データを、通信ライン９を介しストレージサーバ４から取得し、これを照合手段３２に引き渡す。

通信手段３１から基準画像のデータの引き渡しを受けた照合手段３２は、通信手段３１から引き渡されたデータに含まれるフレーム画像データを検査画像データとし、各手法に基づき検査画像データと基準画像のデータの照合を行う。

画像の照合は、各手法に基づき二者間の画像データから抽出されたパターン要素、特徴などを照合することにより行うことができる。また、画像データは位置や方向などのパラメータを持っており、画像の照合では、それらのパラメータ空間内での配置をパターンとして照合する。

この実施形態では、画像の照合方法として、テンプレートマッチングが採用されている。なお、基準画像データのことを状態判定対象１０のテンプレートと呼ぶ。

テンプレートマッチングの手法では、検査画像データの中において、基準画像データと類似した部分を検出していく。具体的には、基準画像データを検査画像データ上で順次ずらしながら、重なった領域の類似度（もしくは相違度）を計算する。類似度の計算値が小さい程、テンプレートである基準画像データに重なる部分の画像が似ていることを示す。また、完全に一致している場合には、計算結果値は０になり、０に近い小さな値ほど類似していることになる。

検査画像データの任意の位置において、類似度の場合は上記計算の値がある程度以上小さくなったならば、この位置を検出位置として特定する。

この実施形態では、類似度の計算方法として相互相関法が採用されているが、公知の方法であるため、詳細な計算式などの説明は省略する。

計算結果値として得られた所定の類似度の数値は、検査画像として記憶しているフレーム画像データにおいて特定された位置に書き込み加工される。そして、通信手段３１に、次の基準画像のデータ取得要求を出力する。

なお、この実施例では、類似度の数値自体が等級として扱われているが、所定の数値範囲で等級を定義してもよい。

通信手段３１から、次の基準画像のデータの引き渡しを受けた照合手段３２は、複数の基準画像の全てについての照合処理が終わるまで、上記の照合を繰り返す。そして、全ての基準画像についての照合処理が終了したら、複数の基準画像の各々の類似度の数値が書き込まれたフレーム画像データは、通信手段３１を介して判定装置６に引き渡される。

画像の照合方法には、上記パターンマッチングの他、一次元的な弾性マッチング手法であるＤＰマッチングや、特徴を頂点として特徴間の関係を辺とするグラフをつくり、グラフ間の対応づけを行うことにより、特徴集合間を照合するグラフマッチングなどがある。使用状況等に応じて、これらの手法を採用してもよい。

複数の基準画像の各々の類似度の数値が書き込まれたフレーム画像データの引き渡しを受けた判定装置６では、類似度の数値に基づき、内部に備える判定手段６１により、状態判定対象１０の状態判定を行う。

判定手段６１では、まず、フレーム画像データに書き込まれた類似度の中に、所定の閾値以上となるものが含まれているとき、検査画像と基準画像の相違は有意で有ると判定する。また、全ての類似度が前記閾値以下であれば、検査画像と基準画像の相違は有意でないと判定する。

異常状態であるかどうかの判定は、基準画像の性質による。例えば、状態判定対象１０となる装置の故障状態のデータを取得できる場合は、その故障状態に得られる波形画像を基準画像とすることができ、この場合、検査画像と基準画像の相違が有意ではなく基準状態であるとする判定が、状態判定対象１０の異常状態を意味することになる。

一方、状態判定対象１０となる装置の故障状態のデータを取得できない場合は、正常状態に得られる波形画像を基準画像とすることができ、この場合、検査画像と基準画像の相違が有意であり基準状態ではないとする判定が、状態判定対象１０の異常状態を意味することになる。

なお、故障状態のデータを取得できる場合、故障状態の波形画像と、正常状態の波形画像の双方を利用した判定を行ってもよい。例えば、正常状態を第一基準状態と、正常状態の波形画像を第一基準画像と、故障状態を第二基準状態と、故障状態の波形画像を第二基準画像とし、最初に第一基準画像との照合をし、第一基準状態ではないと判定された場合に、第二基準画像との照合を行う。そして、第二基準状態であると判定された場合に、異常状態であると判定してもよい。

判定手段６１は、これらの基準により、状態判定対象１０が基準状態であるかどうかの判定に基づき、状態判定対象１０の異常状態の有無を判定する。そして、判定手段６１において異常状態であると判定された場合、判定装置６は、類似度の数値が書き込まれたフレーム画像データを異常状態データとして、状態判定対象１０のセンサコントローラ２と、ストレージサーバ４に通信ライン９を介して出力する。

ストレージサーバ４は、図３に示すように、通信手段４１と記憶手段４２を備える。

通信手段４１は、センサコントローラ２から送信された基準画像のデータを受け、これを記憶手段４２に引き渡す。また、検索サーバ３の要求に応じて、記憶手段４２に蓄積されたデータから基本画像のデータを抽出し、通信ライン９を介し検索エンジンサーバ３に送信する。更に、判定装置６から送信された異常状態データを受け、これを記憶手段４２に引き渡す。

記憶手段４２は、通信手段４１から引き渡された基準画像のデータ、および、異常状態データを蓄積する。

なお、記憶手段４２に蓄積されたデータは、判定装置６による閲覧が可能となっている。この場合、判定装置６から送信された閲覧要求を受けた通信手段４１が、記憶手段４２に蓄積されたデータから要求に適合するデータを抽出し、通信ライン９を介し判定装置６に引き渡す。

この実施形態において、検索エンジンサーバ３とストレージサーバ４は別体となっているが、図１および図３において想像線で示すように、一体型サーバ３０としてもよい。

判定装置６は、既述の異常状態の有無の判定を行うことができる演算処理手段を備えるものであれば制限はなく、公知の演算処理装置を採用することができる。また、演算処理の性能に応じて、異常状態に関するより詳細な判定を行うものとしてもよい。

例えば、既述の異常状態の有無の判定を利用して、状態判定対象１０の寿命判定を行うものであってもよい。状態判定対象１０に対して異常状態データの発生件数の累積数が所定数に達したとき、または発生件数の頻度が所定数に達したとき、状態判定対象１０の寿命と判断し、警報を促すものであってもよい。

上記実施形態において、異常状態の有無を判断する条件として、軸振動を採用しているが、異常状態の有無の判断において、複数の観点を利用してもよい。例えば、空圧と電圧、音と温度などを判断の条件としてもよい。
複数のパラメータの組み合わせを予め決めておくことができる

更に、状態判定対象１０の複数で関連のあるものを予め選択しておき、これら複数の状態判定対象１０に関する情報に基づき、異常状態の有無を判断してもよい。

上記実施形態では、状態判定対象１０の動作に伴い生じる波形として、状態判定対象１０の有する駆動部位の動きによって変化する物理量の経時変化（軸振動の経時変化）を採用したが、状態判定対象が通信機能を備える装置である場合は、状態判定対象が受信し、または送信する信号の波形を採用することもできる。

状態判定対象が送受信する伝送信号が、ノイズの影響を受けた場合や、減衰した場合、意図する通りのデータの送受信が行われなくなる。そこで、意図する通りのデータの送受信が行われている場合を正常状態とした場合、正常状態の信号波形に対し、ノイズの影響を受けた場合や減衰した場合の信号波形は相違するものとなる。そこで、この信号波形の相違により、正常状態であるかどうかの判定を行うことができる。

１ センサ
１ａ 第一センサ
１ｂ 第二センサ
２ センサコントローラ
３ 検索エンジンサーバ
４ ストレージサーバ
５ ＰＬＣ
６ 判定装置
９ 通信ライン
１０ 状態判定対象
２１ａ 第一データ変換手段
２１ｂ 第二データ変換手段
２２ 画像データ送信手段
２３、３１、４１ 通信手段
２４、４２ 記憶手段
２５ モード判別手段
２６ 基準画像生成スイッチ
３０ 一体型サーバ
３２ 照合手段
６１ 判定手段

Claims (6)

1. 状態判定対象の有する駆動部位の動きによって変化する物理量の経時変化、前記状態判定対象への電力供給における電流又は電圧の経時変化、又は、前記状態判定対象が受信し、または送信する信号を波形として画像化する画像化手段と、
   前記状態判定対象の基準状態における前記波形の画像の複数を基準画像として蓄積する基準画像蓄積手段と、
   状態判定を行うときに得られる前記波形の画像を検査画像として前記検査画像の画像データから抽出されるパターン要素及び特徴と前記基準画像の複数の画像データから抽出されるパターン要素及び特徴を比較し、前記検査画像の画像データから抽出されるパターン要素及び特徴と前記基準画像の画像データから抽出されるパターン要素及び特徴の間の相違を等級分けする照合手段と、
   前記物理量、前記電流、前記電圧、又は前記信号の閾値の比較処理を経ることなく、前記照合手段で算出された等級に基づき前記相違が有意でないときに基準状態であると、有意であるときに基準状態ではないと判定する判定手段を有し、
   前記画像化手段の複数が、前記状態判定対象の複数の各々に対応し、前記基準画像蓄積手段と、前記照合手段と、前記判定手段に、通信ラインを介して接続され、前記等級が、前記検査画像に書き込まれ、前記判定手段に引き渡されることを特徴とする状態判定システム。
2. 前記基準画像の画像データを前記検査画像の画像データ上で順次ずらしながら、重なった領域の類似度もしくは相違度を計算する請求項１に記載の状態判定システム。
3. 状態判定対象の有する駆動部位の動きによって変化する物理量の経時変化、前記状態判定対象への電力供給における電流又は電圧の経時変化、又は、前記状態判定対象が受信し、または送信する信号を波形として画像化する画像化手段と、
   前記状態判定対象の基準状態における前記波形の画像の複数を基準画像として蓄積する基準画像蓄積手段と、
   状態判定を行うときに得られる前記波形の画像を検査画像として前記検査画像の画像データが有するパラメータのパラメータ空間内での配置と前記基準画像の複数の画像データが有するパラメータのパラメータ空間内での配置をパターンとして照合し、前記照合の相違を等級分けする照合手段と、
   前記物理量、前記電流、前記電圧、又は前記信号の閾値の比較処理を経ることなく、前記照合手段で算出された等級に基づき前記相違が有意でないときに基準状態であると、有意であるときに基準状態ではないと判定する判定手段を有し、
   前記画像化手段の複数が、前記状態判定対象の複数の各々に対応し、前記基準画像蓄積手段と、前記照合手段と、前記判定手段に、通信ラインを介して接続され、前記等級が、前記検査画像に書き込まれ、前記判定手段に引き渡されることを特徴とする状態判定システム。
4. 前記波形の画像化が、性質の異なる複数種類の波形について行われる請求項１〜３のいずれかに記載の状態判定システム
5. 前記基準画像および前記検査画像が、前記波形のデータを所定の期間抽出したデータで構成される請求項１〜４のいずれかに記載の状態判定システム。
6. 前記判定手段は、前記基準状態であるかどうかの判定に基づき異常状態の有無を判定し、前記異常状態データの発生件数の累積数が所定数に達したとき、または発生件数の頻度が所定数に達したとき、前記状態判定対象の寿命と判断する請求項１〜５のいずれかに記載の状態判定システム。
   

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