JP7151910B2 - 金属材加工設備の異音観測システム - Google Patents

Description

本発明は、金属材の加工が行われる設備において発生する異常音響成分（以下、「異音」とも称す。）を観測するシステムに関する。

金属材の加工工程は、典型的には、圧延工程およびそれに付帯する工程を含む。加工工程が行われる設備（以下、「加工設備」とも称す。）では、操業中に種々の異音が発生する。異音は、通常操業時に発生しない周波数成分、周波数分布および音量を有する音響成分である。

異音は、様々な原因により生じる。例えば、金属材が上下方向に反ったり、金属材が左右方向（すなわち、金属材の搬送ラインの作業側または駆動側）に曲がったりすると、金属材が周囲の機械設備に接触する。金属材の上下方向の反りは、金属材の上面における温度と下面における温度との間に差がある場合に起こる。上側の圧延ロールの表面状態と下側の圧延ロールのそれとの間に差があり、圧下率およびそれによる伸び率の差が金属材の上下面において生じる場合にも、上下方向の反りが起こる。

金属材の左右方向の湾曲は、例えば、次のように生じる。すなわち、加工炉における昇温ばらつきになどより、金属材の左右の温度が異なると、金属材の変形抵抗差により左右の圧延荷重に差が生じる。加えて、圧延機の弾性変形（ミル延び）に左右差が生じる。そうすると、圧延機の出側において、金属材の左右方向で板厚差（ウェッジ）が生じる。ウェッジが生じると、金属材の右側の伸び率と左側のそれとの間に差が生じる。故に、金属材が左右方向に曲がる。

異音の別の発生原因としては、ミル振動が挙げられる。ミル振動は、圧延機の弾性変形や圧延ロールと金属材の間の摩擦状態が変化することにより生じる。電動機、駆動軸、ロールなどの回転体の一部が損傷するなどして偏心することは、異音のまた別の発生原因である。

操業中に異音が発生する状態を放置することは、大きなトラブルにつながる可能性がある。そのため、異音の発生原因は、適宜特定され、適切に対処される必要がある。ただし、従来、加工設備で発生する異音の特定および対処は、専ら人的に行われてきた。すなわち、運転室や搬送ライン際において作業者が異音の発生を認めると、異音の大まかな到来方位と、過去の経験に基づいて発生原因を推定し、対策を講じていた。

しかしながら、人間の耳で認識することのできる異音の到来方位は正確でない。そのため、例えば、圧延機の左側と右側のどちらで異音が発生したかを人間の耳で特定することは極めて困難である。加えて、作業者の認識能力や経験が低い場合は、異音の発生を聞き逃す可能性がある。更に、作業者が行う作業は、異音の認識だけに限られない。そのため、作業者の認識能力等が高いとしても、常時異音に注意を払いつつ異音が発生した場合にはそれに対応するのには無理がある。故に、異音の発生を聞き逃し、それへの対策が講じられない可能性があった。

異音の発生が予想される加工装置に予めマイクや振動センサーを設置し、これらの検出機器からの信号を解析すれば、異音の発生源を自動的に特定できる可能性がある。しかしながら、加工設備には様々な装置が含まれ、異音の発生が予想される装置も多数に上る。そのため、これらの装置の全てに検出機器を取り付けることは経済的な側面から限界がある。加えて、検出機器からの信号を処理するためには、長い接続ケーブルを多数施設する必要がある。無線による接続が考えられるが、加工設備の一部の装置は、モーター、ドライブ装置といった電磁ノイズの発生源がある。したがって、現実には、検出機器の数をある程度絞る必要があり、検出機器が設置されなかった装置については異音の発生そのものを検出できていない可能性があった。

異音の発生を検出する従来技術として、特許文献１および２に開示された技術が例示される。これらの従来技術では、マトリクス状に配列された多数の指向性マイクを有するマイク装置が用いられる。そして、このマイク装置の配設位置の情報に基づいて、ある指向性マイクで集音された音場の、集音エリア内での位置が特定される。しかしながら、位置分解能を上げるためには、指向性のより強いマイクをより多く配列する必要がある。そのため、これらの従来技術では、位置分解能の向上に限度がある。

特許文献３には、監視対象に位置特定信号を発信する装置を取り付ける技術が開示されている。しかしながら、被加工物である金属材に発信装置を取り付けることは現実的ではなく、熱間圧延される金属材に発信装置を適用することは困難を極める。

特許文献４には、単一のマイクアレイを用いて音響波動の方向を特定する装置が開示されている。しかしながら、この装置では、マイクアレイから音響波動の発生源までの方位は分かるものの、マイクアレイから発生源までの距離を特定することは困難である。

日本特開昭６４－４６６７２号公報 日本特許第４４４３２４７号明細書 日本特開平１０－１３２６５１号公報 日本特開平１１－６４０８９号公報

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、金属材の加工設備において発生する異音の発生源の位置を自動的かつ高精度に特定することのできる技術を提供することを目的とする。

第１の発明は、金属材の加工設備で発生する異音を観測するための異音観測システムである。
前記異音観測システムは、
音響を検出する少なくとも２台のマイクアレイと、
前記少なくとも２台のマイクアレイが検出した音響信号を処理する音響信号処理を行う処理装置と、
を備える。
前記少なくとも２台のマイクアレイは、
前記加工設備の位置を含む第１空間に向けられた第１マイクアレイと、
前記加工設備の位置において前記第１空間と一部の空間を共有する第２空間に向けられた第２マイクアレイと、
を含む。
前記処理装置は、前記音響信号処理において、
前記第１マイクアレイが検出した前記音響信号から第１異音部を抽出し、
前記第２マイクアレイが検出した前記音響信号から第２異音部を抽出し、
前記第１異音部に基づいて、前記第１マイクアレイに対する異音発生源の相対方位を示す第１相対方位を推定し、
前記第２異音部に基づいて、前記第２マイクアレイに対する前記相対方位を示す第２相対方位を推定し、
前記第１および第２マイクアレイの基準座標面上の位置と、前記第１および第２相対方位と、に基づいて、前記異音発生源の当該座標面上の位置を推定する。

第２の発明は、第１の発明において更に次の特徴を有する。
前記少なくとも２台のマイクアレイは、更に、前記加工設備の位置において前記第１および第２空間の少なくとも一方と一部の空間を共有する第３空間に向けられた第３マイクアレイを備える。
前記処理装置は、前記音響信号処理において、更に、
前記第３マイクアレイが検出した前記音響信号から第３異音部を抽出し、
前記第３異音部に基づいて、前記第３マイクアレイに対する前記相対方位を示す第３相対方位を推定する。
前記処理装置は、前記異音発生源の位置の推定を、前記第１、第２および第３マイクアレイのうちの２台のマイクアレイの組み合わせに基づいて行う。

第３の発明は、第１または２の発明において更に次の特徴を有する。
前記処理装置が、前記音響信号処理において、更に、前記異音発生源の位置が推定された場合、前記少なくとも２台のマイクアレイのうちの任意のマイクアレイから前記異音発生源までの前記座標面上における距離と、前記異音発生源からの異音が前記任意のマイクアレイにおいて検出された時刻と、に基づいて、前記異音発生源での異音の発生時刻を推定する。

第４の発明は、第３の発明において更に次の特徴を有する。
前記異音観測システムは、前記加工設備の稼働状況を表示する表示装置を更に備える。
前記処理装置は、更に、
前記加工設備において加工される前記金属材の情報を取得する情報取得処理と、
前記異音発生源の推定位置と、前記異音発生源での異音の推定発生時刻とを含む異音発生情報を、前記金属材の情報に関連付ける関連付け処理と、
前記異音発生情報が関連付けられた前記金属材の情報を、前記表示装置に出力する表示処理と、
を行う。

第５の発明は、第３または４の発明において更に次の特徴を有する。
前記異音観測システムは、前記加工設備の稼働状況を記録する記憶装置を更に備える。
前記処理装置は、更に、
前記加工設備において加工される前記金属材の情報を取得する情報取得処理と、
前記異音発生源の推定位置と、前記異音発生源での異音の推定発生時刻とを含む異音発生情報を、前記金属材の情報に関連付ける関連付け処理と、
前記異音発生情報が関連付けられた前記金属材の情報を、前記記憶装置に記録する記録処理と、
を行う。

第６の発明は、第３～５の発明の何れか１つにおいて更に次の特徴を有する。
前記異音観測システムは、前記加工設備を構成する加工装置を制御する制御装置を更に備える。
前記処理装置は、更に、
前記異音発生源の推定位置と、前記異音発生源での異音の推定発生時刻とを含む異音発生情報に基づいて、前記加工装置の少なくとも一部を緊急的に作動するための緊急制御指令を前記制御装置に出力する緊急制御処理を行う。

第１の発明によれば、音響信号処理が行われる。音響信号処理によれば、第１マイクアレイが検出した音響信号から第１異音部が抽出され、この第１異音部に基づいて第１マイクアレイに対する異音発生源の第１相対方位が計算される。また、第２マイクアレイが検出した音響信号から第２異音部が抽出され、この第２異音部に基づいて第２マイクアレイに対する異音発生源の第２相対方位が計算される。そして、第１および第２マイクアレイの基準座標面上の位置と、第１および第２相対方位と、に基づいて、異音発生源の基準座標面上の位置が推定される。したがって、音響信号処理によれば、異音発生源の位置を自動的かつ高精度に特定することが可能となる。

第２の発明によれば、第１、第２および第３マイクアレイのうちの２台のマイクアレイの組み合わせに基づいて、異音発生源の位置を自動的かつ高精度に特定することが可能となる。

第３の発明によれば、異音発生源の位置が推定された場合、当該異音発生源での異音の発生時刻が推定される。したがって、異音の発生時刻を自動的かつ高精度に特定することが可能となる。

第４の発明によれば、異音発生情報が付された金属材の情報が表示装置に表示される。したがって、表示装置を見た作業者に異音発生情報が付された金属材の情報を提供することが可能となる。このことは、加工設備における作業者の負担削減に繋がる。

第５の発明によれば、異音発生情報が付された金属材の情報が記憶装置に記録される。したがって、金属材の加工後において異音発生情報から遡ってこれに関係のある金属材を特定することが可能となる。金属材情報に付された異音発生情報を、製品の品質情報として活用することもできる。

第６の発明によれば、異音発生情報に基づいて緊急制御指令が制御装置に出力される。緊急制御指令は、加工装置の少なくとも一部を緊急的に作動するための制御指令である。したがって、異音の発生が大きなトラブルに発展するのを未然に回避することが可能となる。

実施の形態に係る異音観測システムの加工設備への第１適用例を示す上面模式図である。 実施の形態に係る異音観測システムの加工設備への第２適用例を示す上面模式図である。 実施の形態に係る異音観測システムの全体構成例を示す図である。 マイクアレイの構成例を示す模式図である。 処理装置の機能構成例を示す図である。 相対方位の一例を示す図である。 設置条件（第２設置条件）を説明する図である。 異音発生情報が関連付けられた金属材情報の一覧の例を示す図である。 表示装置に表示された画像例を示す模式図である。 表示装置に表示された画像例を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態に係る異音観測システムについて図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

１．異音観測システムの適用例
１－１．第１適用例
図１は、実施の形態に係る異音観測システムの加工設備への第１適用例を示す上面模式図である。図１には、サイドガイドＳＧが描かれている。サイドガイドＳＧは、加工設備において加工される金属材ＭＴＬの搬送方向ＤＤを安定化させる装置である。サイドガイドＳＧは、例えば、粗圧延機の入側および出側に設置される。別の例では、サイドガイドＳＧは、仕上げ圧延機のスタンド間に設置される。更に別の例では、サイドガイドＳＧは、巻取り機の入側に設置される。サイドガイドＳＧは、加工設備を構成する「加工装置」の一例である。加工装置の他の例としては、粗圧延機、仕上げ圧延機、スキンパス圧延機および巻取り機が挙げられる。

図１には、また、マイクアレイ１０Ａおよび１０Ｂが描かれている。これらのマイクアレイの構成例については後述される。これらのマイクアレイは、金属材ＭＴＬに対して同じ側（すなわち、作業側または駆動側）に設置されている。これらのマイクアレイは、異音観測システムを構成する。マイクアレイ１０Ａの集音面は、空間ＳＰＡに向けられている。空間ＳＰＡは、加工設備の位置を少なくとも含む。マイクアレイ１０Ｂの集音面は、空間ＳＰＢに向けられている。空間ＳＰＡも、加工設備の位置を少なくとも含む。空間ＳＰＡの一部は、空間ＳＰＢの一部と重複する。図１に示す例において、重複空間Ｌ１２は、サイドガイドＳＧを含む搬送ラインの一部の空間である。

１－２．第２適用例
図２は、実施の形態に係る異音観測システムの加工設備への第２適用例を示す上面模式図である。第２適用例では、マイクアレイ１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃおよび１０Ｄが異音観測システムを構成する。マイクアレイ１０Ａおよび１０Ｂの設置箇所は、第１適用例と共通する。マイクアレイ１０Ｃおよび１０Ｄは、金属材ＭＴＬに対して同じ側に（すなわち、作業側または駆動側）に設置されている。マイクアレイ１０Ｃの集音面は、空間ＳＰＣに向けられている。マイクアレイ１０Ｄの集音面は、空間ＳＰＤに向けられている。空間ＳＰＣはおよびＳＰＤも、加工設備の位置を少なくとも含む。空間ＳＰＡ～ＳＰＤのうちの任意の２つが重複する空間は、何れも、サイドガイドＳＧを含む搬送ラインの一部の空間を含んでいる。

以下、マイクアレイ１０Ａ～１０Ｄを区別する場合を除き、これらのマイクアレイを「マイクアレイ１０」と総称する。

２．異音観測システムの構成例
図３は、異音観測システムの全体構成例を示す図である。図３に示される例では、異音観測システム１００が、マイクアレイ１０と、制御装置２０と、加工装置３０と、処理装置４０と、表示装置５０と、記憶装置６０と、を備えている。

２－１．マイクアレイ
マイクアレイ１０は、集音面が向けられている空間の音響を検出する。マイクアレイ１０は、加工設備の周囲に少なくとも２台設置される。マイクアレイ１０の設置例については既に説明したとおりである。マイクアレイ１０のそれぞれは、ケーブルを介して処理装置４０に接続されている。マイクアレイ１０からの信号量は多いため、マイクアレイ１０と処理装置４０の間は伝送を高速で行う必要がある。ただし、一般的に、高速伝送に長いケーブルを用いることが難しい。そのため、処理装置４０の一部の機能を有するサブ処理装置をマイクアレイ１０ごとに設け、サブ処理装置とマイクアレイ１０を短いケーブルを介して接続することが望ましい。この場合、サブ処理装置のそれぞれが、長いケーブルを介して処理装置４０に接続される。

マイクアレイ１０のそれぞれは、アンプおよびアナログ－デジタル変換器（何れも図示しない）を備えている。折り返し雑音（Aliasing）が生じることのないよう、アナログ－デジタル変換のサンプリング周期は、検出しようとする異音の周波数成分を勘案して決められる上限周波数の２倍以上の周期に設定される。「検出しようとする異音の周波数成分」の範囲は、例えば、１０Ｈｚ～１００ｋＨｚである。近年開発されたＭＥＭＳマイクは、１００ｋＨｚを超える周波数の音響信号を捉えることができるので、マイクアレイ１０に好ましく適用できる。

図４は、マイクアレイ１０の構成例を示す模式図である。図４に示される例では、マイクアレイ１０が、水平方向に配列された５基のマイク１１～１５を備えている。マイク１１～１５と同様のマイク群が、鉛直方向に複数配列されていてもよい。

マイクアレイ１０において隣り合う２基のマイクの間隔ｄは、特に限定されない。例えば、間隔ｄは、上述した上限周波数における波長λの１／２以下に設定される。間隔ｄがこの波長よりも長いと、後述する抽出処理において信号を走査するのに多くの時間を要し、または、異音の方位の推定精度が低下する場合がある。水平方向の両端の２基のマイク（すなわち、マイク１１および１５）の間の距離Ｌも特に限定されない。ただし、マイクアレイ１０で検出される音量は、距離Ｌの２乗に反比例する。そのため、距離Ｌは、異音の信号ノイズ比、マイク感度および周囲環境音を勘案して決められる下限値以下に設定されることが望ましい。

２－２．制御装置
制御装置２０は、加工設備での操業を管理する。制御装置２０は、プロセッサ、メモリおよび入出力インタフェースを備えるコンピュータである。制御装置２０は、加工設備の稼働状況の情報（以下、「稼働状況情報」とも称す。）、加工設備で加工される金属材の情報（以下、「金属材情報」とも称す。）、および、当該金属材の加工条件の情報（以下、「加工条件情報」とも称す。）を有している。

稼働状況情報としては、加工装置３０の稼働状態を示す情報が例示される。金属材情報としては、金属材の識別番号、材種区分および寸法区分の情報が例示される。金属材情報としては、金属材の搬送ライン上の位置の情報も例示される。この位置情報は、搬送ライン上の要所に設置された検出機器からの信号、各種モーターが有するドライブ装置からの信号に基づいて取得される。加工条件情報としては、各種圧延機の出側における目標板厚、および、加工工程における金属材の速度条件が例示される。

制御装置２０は、稼働状況情報および金属材情報を、処理装置４０および記憶装置６０に送る。制御装置２０は、また、金属材情報および加工条件情報に基づいて、加工装置３０の制御指令を生成する。制御指令としては、加工装置３０の各種アクチュエータに入力される制御量の情報が例示される。制御装置２０は、制御指令を加工装置３０および記憶装置６０に送る。また、制御装置２０は、処理装置４０から緊急制御指令を受け取った場合は、これを加工装置３０に送る。緊急制御指令は、加工設備の緊急時に生成される制御指令である。

２－３．加工装置
加工装置３０は、搬送ライン上で金属材を加工する。加工装置３０としては、図１および２で説明したサイドガイドＳＧ、粗圧延機、仕上げ圧延機、スキンパス圧延機および巻取り機が例示される。

２－４．処理装置
処理装置４０は、加工設備での異音の発生を検出する。処理装置４０は、制御装置２０同様、プロセッサ、メモリおよび入出力インタフェースを備えるコンピュータである。

処理装置４０は、制御装置２０から受け取った情報に基づいて、異音の発生を検出する必要があるか否かを判定する。異音の発生を検出する必要があると判定した場合、処理装置４０は、マイクアレイ１０が検出した音響情報に基づいて、異音の発生を検出する。処理装置４０は、異音の発生を検出した場合、異音発生情報を生成する。異音発生情報としては、異音発生源（Allophone source）の推定位置および異音発生の推定時刻の情報が例示される。処理装置４０は、制御装置２０から受け取った金属材情報に基づいて、生成した異音発生情報を金属材情報に関連付ける。一連の処理の詳細は後述される。

処理装置４０は、また、異音発生情報が関連付けられた金属材情報を、表示装置５０に表示するための処理（すなわち、表示処理）を行う。処理装置４０は、更に、異音発生情報が関連付けられた金属材情報を、記憶装置６０に記録するための処理（すなわち、記録処理）を行う。処理装置４０は、また更に、異音発生源の推定位置の情報に基づいて、加工装置３０を緊急制御するための処理（すなわち、緊急制御処理）を行う。これらの処理の詳細も後述される。

２－５．表示装置
表示装置５０は、例えば、作業者（現場作業者）が駐在する運転室に設けられる。別の例では、表示装置５０は、管理者（遠隔作業者）が駐在する管理室に設けられる。表示装置５０には、稼働状況情報が表示される。この表示は、記憶装置６０に格納された情報に基づいて行われる。表示装置５０には、また、加工設備の要所に設置されたカメラから出力された映像データが表示される。作業者および管理者は、表示装置５０を介して加工設備の稼働状況、加工装置３０の可動部の状態などを監視する。

２－６．記憶装置
記憶装置６０には、加工装置３０の配置および外形の情報が格納される。記憶装置６０には、加工装置３０の可動部の状態の情報も格納される。可動部の状態の情報は、稼働状況情報に含まれる。記憶装置６０には、マイクアレイ１０が検出した音響情報も格納される。記憶装置６０は、この音響情報を処理装置４０から受け取ってもよいし、マイクアレイ１０から直接受け取ってもよい。記憶装置６０には、また、異音発生情報付きの金属材情報も格納される。

３．処理装置の構成例
図５は、処理装置４０の機能構成例を示す図である。図５に示される例では、処理装置４０が、情報取得部４１と、音響信号処理部４２と、表示処理部４３と、記録処理部４４と、緊急制御処理部４５と、を備えている。これらの機能部は、処理装置４０プロセッサがメモリに格納された各種プログラムを実行することにより実現される。

これらの機能部の一部は、上述したサブ処理装置において実現されてもよい。例えば、情報取得部４１と、音響信号処理部４２の一部とは、サブ処理装置において実現されてもよい。具体的には、情報取得部４１の音響信号処理に関連する処理、および、後述する抽出処理部４２Ａおよび方位推定処理部４２Ｂにより行われる処理が、サブ処理装置において行われてもよい。

３－１．情報取得部
情報取得部４１は、稼働状況情報および金属材情報を取得する処理を行う（情報取得処理）。情報取得部４１は、マイクアレイ１０が検出した音響情報も取得する。情報取得部４１は、稼働状況情報および金属材情報に基づいて、異音の発生を検出する必要があるか否かを判定する。例えば、情報取得部４１は、加工設備が稼働している場合、異音の発生を検出する必要があると判定する。情報取得部４１は、異音の発生を検出する必要があると判定したら、金属材情報および音響情報を、音響信号処理部４２に送る。

３－２．音響信号処理部
音響信号処理部４２は、音響情報に含まれる音響信号を処理する。図５に示される例では、音響信号処理部４２が、抽出処理部４２Ａと、方位推定処理部４２Ｂと、位置推定処理部４２Ｃと、時刻推定処理部４２Ｄと、関連付け処理部４２Ｅと、を備えている。

３－２－１．抽出処理部
抽出処理部４２Ａは、音響信号から異音部を抽出する処理（抽出処理）を行う。具体的に、抽出処理部４２Ａは、まず、音響信号に対してデジタルフィルター処理、短時間フーリエ変換またはウェーブレット変換を行い、上述した上限周波数以下の周波数成分（の信号波形）を抽出する。ここでは、抽出される周波数成分の数をＦ個（Ｆ≧１）とする。

デジタルフィルター処理では、周波数成分の周波数スペクトルの重なりが十分小さくなるようにバンドパスフィルターの特性周波数が選択され、当該特性周波数に適合するパラメーターが設定される。短時間フーリエ変換では、音響信号にガウス関数などで表される窓関数を乗じて当該音響信号の一部分を抽出し、フーリエ変換により周波数スペクトルに変換する。このとき、窓関数を時間方向に走査することで、周波数スペクトルの時間変化を計算し、当該周波数スペクトルの一部分として所望の周波数成分を抽出する。ウェーブレット変換は、連続ウェーブレット変換でもよいし、離散ウェーブレット変換でもよい。２個以上の周波数成分を抽出する場合、連続ウェーブレット変換では周波数スペクトルの重なりが十分に小さくなるようにウェーブレットのスケーリング係数が設定される。

抽出処理部４２Ａは、例えば、各周波数成分について、信号強度（音量）が通常操業時の範囲から逸脱しているか否かを判定する。別の例では、抽出処理部４２Ａは、周波数成分間の信号強度の比率（すなわち、信号強度比または音量比）が通常操業時の範囲から逸脱しているか否かを判定する。通常範囲から逸脱する周波数成分がある場合、または、通常範囲から逸脱する周波数成分の組み合わせがある場合、抽出処理部４２Ａは、これを異音と判断し、時間軸における異音部を切り出して方位推定処理部４２Ｂに送る。

３－２－２．方位推定処理部
方位推定処理部４２Ｂは、方位推定処理部４２Ｂから受け取った異音部の情報に基づいて、マイクアレイ１０に対する異音発生源の相対方位をそれぞれ推定する処理（方位推定処理）を行う。相対方位の推定方法としては、位相検波に基づく方法、相互相関係数に基づく方法、および、相関マトリックスの固有値解析に基づく方法が例示される。

位相検波に基づく方法では、例えば、マイクアレイ１０の各マイクで検出された異音部の同一周波数成分の間の位相差に基づいて、その周波数における異音の到来方位が推定される。具体的には、まず、各マイクで検出された異音部の各周波数成分をその振幅の実効値（すなわち、各サンプリング点の振幅の二乗平均の平方根）で除して、振幅強度が揃えられる。以下、振幅強度が揃えられた周波数成分を、「正規化成分」とも称す。

１台のマイクアレイ１０のうちの水平方向に並ぶ任意の２基のマイク（説明の便宜上、以下、“マイクｉ”および“マイクｊ”とする）に着目する。位相検波に基づく方法では、この２基のマイクで検出された異音部における同じ周波数の正規化成分同士が乗算され（すなわち、各サンプリング点についてマイクｉの振幅とマイクｊのそれが乗算される）、更に、その平均値（直流成分）ｘが計算される。位相差δ_ｉｊは、正弦関数の加法定理より、余弦関数の逆関数を用いた次式（１）により計算される。

到来方位θは、位相差δ_ｉｊを次式（２）に代入することにより計算される。

式（２）において、λは波長であり、音速ｃと、位相差δ_ｉｊを算出したときの周波数ｆとを用いて表される（すなわち、λ＝ｃ／ｆ）。ｄ_ｉｊは、マイクｉとマイクｊの間の距離である。θは、マイクアレイ１０の中心を通り当該マイクアレイ１０の集音面に対して垂直な線（法線）ＮＬと、当該中心と異音発生源を結ぶ線分ＳＬとのなす角度である。

図６に、到来方位θ、法線ＮＬおよび線分ＳＬの一例を示す。図６に示される例では、法線ＮＬとしてのＮＬ_１０ＡおよびＮＬ_１０Ｂと、線分ＳＬとしてのＳＬ_１０ＡおよびＳＬ_１０Ｂと、が描かれている。また、到来方位θとして、マイクアレイ１０Ａに対する異音発生源ＡＳの相対方位θ_１０Ａと、マイクアレイ１０Ｂに対する異音発生源ＡＳの相対方位θ_１０Ｂと、が描かれている。なお、図６では、マイクアレイ１０Ａの中心位置が基準座標系の座標点（ｘ_ａ，ｙ_ａ）で表され、マイクアレイ１０Ｂのそれが座標点（ｘ_ｂ，ｙ_ｂ）で表されている。また、異音発生源ＡＳの位置が座標点（ｘ_ａｂ，ｙ_ａｂ）で表されている。

相互相関係数に基づく方法では、上述した２基のマイク（すなわち、マイクｉおよびｊ）で検出された異音部における同じ周波数成分に着目する。この方法では、一方の周波数成分を時間軸方向に時間差Δｔだけずらしたときの相互相関係数ｒ_ｉｊが、次式（３）により計算される。

式（３）において、ｓ_ｉｊはマイクｉおよびｊで検出された異音部の各周波数成分の共分散である。ｓ_ｉは、マイクｉで検出された異音部の各周波数成分の標準偏差であり、ｓ_ｊはマイクｊにおけるそれである。ｎはデータ（ｉ，ｊ）の総数であり、ｉｋおよびｊｋは各周波数成分の数値であり、ｉ^-およびｊ^-は平均値である。

相互相関係数ｒ_ｉｊは、時間差Δｔを変化させながら計算される。相互相関係数ｒ_ｉｊが最大となるときの時間差Δｔと、周波数ｆとの積を示す次式（４）から位相差δ_ｉｊが計算される。到来方位θは、上述した式（２）にこの位相差δ_ｉｊを代入して変形した式（５）により計算される。

相関マトリックスの固有値解析に基づく方法は、到来方位θを高い分解能で推定することができる。この方法としては、ＭＵＳＩＣ法、Ｒｏｏｔ ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法などが例示される。以下、ＭＵＳＩＣ法について説明する。

ＭＵＳＩＣ法では、１台のマイクアレイ１０について、上述した２基のマイクの全ての組み合わせに着目する。ＭＵＳＩＣ法では、まず、これらの組み合わせのそれぞれについて相互相関係数ｒ_ｉｊが計算され、この相互相関係数ｒ_ｉｊが基づいて相関マトリックスＲ＝［ｒ_ｉｊ］が作成される（ｉおよびｊは、組み合わせられた２基のマイクである）。続いて、相関マトリックスＲの固有値λ_ｉ、固有ベクトルｅ_ｉ、および、そのエルミート共役ｅ_ｉ＊が計算される。

到来する異音が複数あるときは、これらの異音の総数をｎとする。ＭＵＳＩＣ法では、各マイクの固有値λ_ｉが大きい順に並べられ、新たに添字ｍが振られる（λ_ｍ：ｍ＝１～Ｎ）。また、大きい方からｎ個のλ_ｍに添字ｐを振り（ｐ＝１～ｎ）、残りのλ_ｍに添え字ｑを振る（ｑ＝ｎ＋１～Ｎ）。ある閾値以上のλ_ｍを有効な異音としてカウントし、添字ｐを振るλ_ｍを自動的に決定してもよい。

到来方位θは、次のように計算される。先ず、変数θが－π／２≦θ≦π／２の範囲で走査され、次式（６）により表される相対位相ベクトルν（θ）と、式（７）により表される評価値ｙ（θ）と、が計算される。

式（６）においてｊは虚数単位である。評価値ｙ（θ）が極小値（≒０）を示すときの変数θを、θ_ｐとして記録する。このθ_ｐが各信号の到来方位θを表す。

方位推定処理部４２Ｂは、到来方位θの推定精度を向上させるために、重み付け平均処理を行ってもよい。例えば、異音部における複数の周波数成分の振幅が有意な信号であった場合（すなわち、ノイズレベルを超える信号の場合）、これらの周波数成分のそれぞれに対して上述した推定方法を適用する。そうすると、周波数成分ごとに到来方位θが得られる。重み付け平均処理では、周波数成分の振幅に応じた係数をそれぞれの到来方位θに乗じ、これらの平均値θ_ａｖｅが計算される。

方位推定処理部４２Ｂは、計算された到来方位θを位置推定処理部４２Ｃに送る。ここで、方位推定処理部４２Ｂは、入射角条件および設置条件が満たされる場合に、到来方位θを位置推定処理部４２Ｃに送ることが望ましい。以下、これらの２つの条件について説明する。

入射角条件に関し、図４で説明したマイクアレイ１０の構成例によれば、－π／２≦θ≦π／２の範囲の集音が可能である。つまり、－π／２≦θ≦π／２の範囲で到来方位を推定することができる。ただし、θがある範囲を超えると到来方位の推定精度が急低下する。１０％程度の推定精度の低下を許容した場合、θの範囲は－７０°≦θ≦７０°となる。入射角条件は、到来方位θがこの許容範囲であることを意味する。

設置条件に関し、図１および２で説明したマイクアレイ１０の設置例によれば、任意の２台のマイクアレイ１０（説明の便宜上、以下、“マイクアレイｐ”および“マイクアレイｑ”とする）の集音面が向いている空間には重なり合う部分が存在する。ただし、重なり合う部分が存在しない場合には、発生位置の異なる異音の到来方位θが計算されている可能性が高い。重なり合う部分が搬送ライン上に存在しない場合も、これと同じことが言える。マイクアレイｐの集音面と、マイクアレイｑのそれとのなす角度が大き過ぎる場合も、これと同じことが言える。

故に、設置条件は、次の２つの個別条件を含む。
第１設置条件：マイクアレイｐおよびｑの集音面が向いている空間に重なり合う部分が存在し、かつ、当該重なり合う部分が搬送ライン上に存在する
第２設置条件：マイクアレイｐおよびｑについて、各法線ＮＬと基準線とのなす角度φ_ｐおよびφ_ｑが－４５°≦｜φ_ｐ－φ_ｑ｜≦４５°を満たす
なお、マイクアレイ１０の位置および集音面の指向方向は既知であることから、設置条件が満たされているか否かの判定は、到来方位θの計算の前提条件としてもよい。この場合は、まず、設置条件に基づいて２台のマイクアレイ１０の絞り込みが行われる。続いて、絞り込まれた２台のマイクアレイ１０について到来方位θが計算される。そして、計算された到来方位θについて入射角条件が満たされるか否かが判定される。

図７に、角度φおよび法線ＮＬの一例を示す。図７に示される例では、法線ＮＬとしてのＮＬ_１０ＡおよびＮＬ_１０Ｃが描かれている。法線ＮＬ_１０Ａは、図６に示したものと同じである。また、図７には、角度φ_ｐおよびφ_ｑとして、角度φ_１０Ａおよびφ_１０Ｃが描かれている。角度φ_１０Ａは、マイクアレイ１０Ａの中心を通りＸ軸に平行な基準線ＢＬ_１０Ａと、法線ＮＬ_１０Ａのなす角度である。角度φ_１０Ｃは、マイクアレイ１０Ｃの中心を通りＸ軸に平行な基準線ＢＬ_１０Ｃと、法線ＮＬ_１０Ｃのなす角度である。なお、図７では、マイクアレイ１０Ａの中心位置が座標点（ｘ_ａ，ｙ_ａ）で表され、マイクアレイ１０Ｃのそれが座標点（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ）で表されている。また、異音発生源ＡＳの位置が座標点（ｘ_ａｃ，ｙ_ａｃ）で表されている。

３－２－３．位置推定処理部
位置推定処理部４２Ｃは、方位推定処理部４２Ｂから受け取った到来方位θの情報と、マイクアレイ１０の位置の情報と、に基づいて、異音発生源ＡＳの位置を推定する処理（位置推定処理）を行う。具体的に、位置推定処理部４２Ｃは、まず、到来方位θが計算されたマイクアレイ１０のうちから任意の２台を選ぶ（すなわち、マイクアレイｐおよびｑ）。この選択に際しては、上述した入射角条件および設置条件が用いられる。

マイクアレイｐおよびｑについて少なくとも第１設置条件が満たされる場合、位置推定処理部４２Ｃは、次式（８）および（９）により異音発生源の基準座標系における位置（ｘ_ｐｑ，ｙ_ｐｑ）を計算する。

式（８）および（９）において、（ｘ_ｐ ^０，ｙ_ｐ ^０）および（ｘ_ｑ ^０，ｙ_ｑ ^０）は、マイクアレイｐおよびｑの基準座標系における位置である。典型的に、（ｘ_ｐ ^０，ｙ_ｐ ^０）はマイクアレイｐの中央のマイクの位置であり、（ｘ_ｑ ^０，ｙ_ｑ ^０）はマイクアレイｑのそれの位置である。

位置推定処理部４２Ｃは、到来方位θが計算されたマイクアレイ１０のうち、２台を組み合わせる全ての組み合わせに対して位置（ｘ_ｐｑ，ｙ_ｐｑ）を計算する。例えば、到来方位θが計算されたマイクアレイ１０の総数がｕ台ある場合、２台の組み合わせはｕ×（ｕ－１）通りある。位置推定処理部４２Ｃは、ｕ×（ｕ－１）個の位置（ｘ_ｐｑ，ｙ_ｐｑ）の重み付き平均を、次式（１０）および（１１）により計算する。

式（１０）および（１１）において、ｗ_ｐｑは重み付け係数である。

ｕ×（ｕ－１）個の位置（ｘ_ｐｑ，ｙ_ｐｑ）の重み付き平均により計算された位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）は、異音発生源ＡＳの推定位置に相当する。位置推定処理部４２Ｃは、推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）の情報を、時刻推定処理部４２Ｄ、表示処理部４３、記録処理部４４および緊急制御処理部４５に送る。推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）の情報は、異音発生情報を構成する。

３－２－４．時刻推定処理部
時刻推定処理部４２Ｄは、位置推定処理部４２Ｃから受け取った位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）の情報と、任意の１台のマイクアレイ１０（説明の便宜上、“マイクアレイｐ”とする）の位置の情報と、に基づいて、異音が発生した時刻を推定する処理（時刻推定処理）を行う。具体的に、時刻推定処理部４２Ｄは、異音発生の推定時刻ｔ_ｅｓｔを次式（１２）により計算する。

式（１２）において、Ｌ_ｐは、位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）から位置（ｘ_ｐ ^０，ｙ_ｐ ^０）までの距離である。

時刻推定処理部４２Ｄは、推定時刻ｔ_ｅｓｔの情報を表示処理部４３、記録処理部４４および緊急制御処理部４５に送る。時刻ｔ_ｅｓｔの情報は、異音発生情報を構成する。

３－２－５．関連付け処理部
関連付け処理部４２Ｅは、位置推定処理部４２Ｃから受け取った推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）の情報と、時刻推定処理部４２Ｄから受け取った推定時刻ｔ_ｅｓｔの情報と、を関連付ける。また、関連付け処理部４２Ｅは、これらの異音発生情報を、情報取得部４１から受け取った金属材情報に関連付ける。異音発生情報が金属材情報に関連付けられることで、推定時刻ｔ_ｅｓｔにおいて推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）に存在していた金属材が特定される。推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）が加工装置３０の位置であれば、当該加工装置３０が異音発生源ＡＳであることが特定され、更には、当該加工装置３０で加工されていた金属材も特定される。

図８は、異音発生情報が関連付けられた金属材情報の一覧の例を示す図である。図８に示される例では、異音発生情報が推定位置および推定時刻の情報から構成されている。推定位置の情報は座標点（ｘ，ｙ）で表され、推定時刻の情報は時間（Ｘ：Ｙ）で表されている。推定時刻の情報に、異音が発生した日付の情報が追加されていてもよい。金属材情報は、識別番号、材種区分および寸法区分の情報から構成されている。

関連付け処理部４２Ｅは、異音発生情報が付された金属材情報を、表示処理部４３、記録処理部４４および緊急制御処理部４５に送る。金属材情報の送信は、関連付け処理の都度行われることが望ましい。

３－３．表示処理部
表示処理部４３は、関連付け処理部４２Ｅから受け取った異音発生情報付きの金属材情報を、表示装置５０に表示するための処理を行う。この表示処理では、異音発生情報に含まれる推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）の情報に基づいて、この推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）の周辺の加工装置３０の外形情報が記憶装置６０から読み出される。続いて、金属材の外形を示す模式図と、異音発生源ＡＳを示す図形（または記号）を、読み出された加工装置３０の外形に重ねた画像が生成される。そして、生成された画像の情報が表示装置５０に送られる。

表示装置５０に送信される画像の情報には、付属情報が追加されてもよい。追加情報としては、推定時刻ｔ_ｅｓｔの情報、表示装置５０に表示される金属材情報、推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）に存在する加工装置３０の可動部の状態の情報が例示される。異音発生情報、稼働状況情報などに基づいて、異音の発生の原因を特定する処理が別途行われている場合は、当該原因の情報が付属情報に含まれる。異音の発生の深刻度を診断する処理が別途行われている場合は、当該診断の結果の情報（例えば、要注意、操業の一時停止など）が付属情報に含まれる。

図９および１０は、表示装置５０に表示された画像例を示す模式図である。図９に示される例では、表示装置５０上に二次元画像が表示される。図１０に示される例では、表示装置５０上に３次元画像が表示される。これらの例では、推定時刻ｔ_ｅｓｔにおいて推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）に存在していた金属材が中心に据えられる。推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）には異音発生源を示す図形が描かれる。また、これらの例では、金属材情報としての識別番号ＭＴＬ＿ＩＤと、推定時刻ｔ_ｅｓｔの情報としての時間（Ｘ：Ｙ）と、が表示されている。

３－４．記録処理部
記録処理部４４は、関連付け処理部４２Ｅから受け取った異音発生情報付きの金属材情報を、記憶装置６０に記録するための処理を行う。この記録処理では、金属材情報に付属情報が追加されてもよい。この付属情報としては、表示処理において説明した付属情報と同じものが例示される。

３－５．緊急制御処理部
緊急制御処理部４５は、位置推定処理部４２Ｃから受け取った推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）の情報と、位置推定処理部４２Ｄから受け取った推定時刻ｔ_ｅｓｔの情報と、に基づいて、緊急制御指令を生成する。緊急制御指令は、異音に関連する不具合の発生を回避するために生成される。緊急制御指令としては、搬送ラインにおいて推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）よりも下流側に設置されたサイドガイドＳＧを緊急的に開放するための制御指令が例示される。緊急制御指令としては、搬送ラインにおいて推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）よりも下流側に設置された圧延機のロールギャップを的に緊急的に拡大させるための制御指令も例示される。

４．効果
以上説明した実施の形態に係る異音観測システムによれば、音響信号処理部４２により抽出、方位推定および位置推定処理が行われるので、推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）の情報を自動的かつ高精度に生成することが可能となる。したがって、異音発生源ＡＳの位置を自動的かつ高精度に特定することが可能となる。

また、音響信号処理部４２（時刻推定処理部４２Ｄ）により時刻推定処理が行われるので、推定時刻ｔ_ｅｓｔの情報も自動的かつ高精度に生成することが可能となる。したがって、異音が発生した時刻も自動的かつ高精度に特定することが可能となる。

また、音響信号処理部４２（関連付け処理部４２Ｅ）により関連付け処理が行われるので、推定位置（ｘ_ｅｓｔ，ｙ_ｅｓｔ）、推定時刻ｔ_ｅｓｔおよび金属材情報に基づいた各種対策を早急に講じることが可能となる。また、関連付け処理によれば、加工後において異音発生情報から遡ってこれに関係のある金属材を特定することも可能となる。金属材情報に付された異音発生情報を、製品の品質情報として活用することもできる。

また、表示処理や記録処理がこの関連付け処理と共に行われるので、関連付け処理の実行による効果を高めることも可能となる。更には、緊急制御処理が行われるので、異音の発生が大きなトラブルに発展するのを未然に回避することも可能となる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ マイクアレイ
１１、１２、１３、１４、１５ マイク
２０ 制御装置
３０ 加工装置
４０ 処理装置
４１ 情報取得部
４２ 音響信号処理部
４２Ａ 抽出処理部
４２Ｂ 方位推定処理部
４２Ｃ 位置推定処理部
４２Ｄ 時刻推定処理部
４２Ｅ 関連付け処理部
４３ 表示処理部
４４ 記録処理部
４５ 緊急制御処理部
５０ 表示装置
６０ 記憶装置
１００ 異音観測システム
ＭＴＬ 金属材
ＳＧ サイドガイド
ＳＰＡ、ＳＰＢ、ＳＰＣ、ＳＰＤ 空間
θ、θ_１０Ａ、θ_１０Ｂ 到来方位（相対方位）

Claims (6)

1. 金属材の加工設備で発生する異音を観測するための異音観測システムであって、
   音響を検出する少なくとも２台のマイクアレイと、
   前記少なくとも２台のマイクアレイが検出した音響信号を処理する音響信号処理を行う処理装置と、
   を備え、
   前記少なくとも２台のマイクアレイは、
   前記加工設備の位置を含む第１空間に向けられた第１マイクアレイと、
   前記加工設備の位置において前記第１空間と一部の空間を共有する第２空間に向けられた第２マイクアレイと、
   を含み、
   前記処理装置が、前記音響信号処理において、
   前記第１マイクアレイが検出した前記音響信号から第１異音部を抽出し、
   前記第２マイクアレイが検出した前記音響信号から第２異音部を抽出し、
   前記第１異音部に基づいて、前記第１マイクアレイに対する異音発生源の相対方位を示す第１相対方位を推定し、
   前記第２異音部に基づいて、前記第２マイクアレイに対する前記相対方位を示す第２相対方位を推定し、
   前記第１および第２マイクアレイの基準座標面上の位置と、前記第１および第２相対方位と、に基づいて、前記異音発生源の当該座標面上の位置を推定する
   ことを特徴とする異音観測システム。
2. 請求項１に記載の異音観測システムであって、
   前記少なくとも２台のマイクアレイは、更に、前記加工設備の位置において前記第１および第２空間の少なくとも一方と一部の空間を共有する第３空間に向けられた第３マイクアレイを備え、
   前記処理装置が、前記音響信号処理において、更に、
   前記第３マイクアレイが検出した前記音響信号から第３異音部を抽出し、
   前記第３異音部に基づいて、前記第３マイクアレイに対する前記相対方位を示す第３相対方位を推定し、
   前記異音発生源の位置の推定を、前記第１、第２および第３マイクアレイのうちの２台のマイクアレイの組み合わせに基づいて行う
   ことを特徴とする異音観測システム。
3. 請求項１または２に記載の異音観測システムであって、
   前記処理装置が、前記音響信号処理において、更に、
   前記異音発生源の位置が推定された場合、前記少なくとも２台のマイクアレイのうちの任意のマイクアレイから前記異音発生源までの前記座標面上における距離と、前記異音発生源からの異音が前記任意のマイクアレイにおいて検出された時刻と、に基づいて、前記異音発生源での異音の発生時刻を推定する
   ことを特徴とする異音観測システム。
4. 請求項３に記載の異音観測システムであって、
   前記加工設備の稼働状況を表示する表示装置を更に備え、
   前記処理装置が、更に、
   前記加工設備において加工される前記金属材の情報を取得する情報取得処理と、
   前記異音発生源の推定位置と、前記異音発生源での異音の推定発生時刻とを含む異音発生情報を、前記金属材の情報に関連付ける関連付け処理と、
   前記異音発生情報が関連付けられた前記金属材の情報を、前記表示装置に出力する表示処理と、
   を行うことを特徴とする異音観測システム。
5. 請求項３または４に記載の異音観測システムであって、
   前記加工設備の稼働状況を記録する記憶装置を更に備え、
   前記処理装置が、更に、
   前記加工設備において加工される前記金属材の情報を取得する情報取得処理と、
   前記異音発生源の推定位置と、前記異音発生源での異音の推定発生時刻とを含む異音発生情報を、前記金属材の情報に関連付ける関連付け処理と、
   前記異音発生情報が関連付けられた前記金属材の情報を、前記記憶装置に記録する記録処理と、
   を行うことを特徴とする異音観測システム。
6. 請求項３～５の何れか１項に記載の異音観測システムであって、
   前記加工設備を構成する加工装置を制御する制御装置を更に備え、
   前記処理装置が、更に、
   前記異音発生源の推定位置と、前記異音発生源での異音の推定発生時刻とを含む異音発生情報に基づいて、前記加工装置の少なくとも一部を緊急的に作動するための緊急制御指令を前記制御装置に出力する緊急制御処理を行う
   ことを特徴とする異音観測システム。

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