JP7218867B2 - Anomaly detection device and anomaly detection method - Google Patents
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Description
本発明は異常検知装置及び異常検知方法に関するものである。 The present invention relates to an anomaly detection device and an anomaly detection method.
特許文献1には、従来の異常検知装置が開示されている。この異常検知装置は燃焼器の故障を検知するものである。この異常検知装置は、センサと、コンピュータとを備えている。センサは燃焼器から燃焼圧力力学データを検出する。コンピュータは、センサが検出した燃焼圧力力学データを周波数スペクトルに変換し、複数の周波数間隔に分割された各周波数間隔内の特徴値を生成する。この特徴値は、コンピュータが履歴データベースを生成するために格納される。また、コンピュータは、故障した燃焼器を示す特徴挙動を認識するように、故障していない燃焼器動作及び故障した燃焼器動作を示す特徴値を用いて機械学習を実行する。
しかし、特許文献1に開示された異常検知装置は、機械学習を実行する際、故障していない燃焼器動作及び故障した燃焼器動作の両動作における特徴値が必要となる。このため、故障した場合のデータ(異常時のデータ)が故障していない場合のデータ(正常時のデータ)に比べて圧倒的に少ない状況となるものに対しては良好に異常を検知することができないおそれがある。また、この異常検知装置は、燃焼圧力力学データを周波数スペクトルに変換するため、時間情報が消えてしまう。このため、入力データである波形の形状が時間によって類似しないものに対しては異常を検知することができない。
However, the anomaly detection device disclosed in
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、異常を検知するために評価対象とするデータが、正常データに対して異常データの割合が圧倒的に小さくても異常を適切に検知することができるとともに、入力データである波形の形状が時間によって類似しないものであっても異常を適切に検知することができる異常検知装置及び異常検知方法を提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and is capable of appropriately detecting anomalies even when the data to be evaluated for detecting anomalies has an overwhelmingly small ratio of anomalous data to normal data. It is an object of the present invention to provide an anomaly detection device and an anomaly detection method that can detect an anomaly even if the shapes of waveforms, which are input data, do not resemble each other over time. and
本発明の異常検知装置は、発生する時系列の波形が正常時と異常時とにおいて異なることを利用して異常を検知する。この異常検知装置は、変換部、正解画像生成部、機械学習部、及び判断部を備えている。変換部は波形を時間成分と周波数成分を有するグラフ化した多次元画像に変換する。正解画像生成部は正常時の波形を時間成分又は周波数成分の少なくとも一方の特徴部分を抽出するとともに変換部で多次元画像に変換した正解画像を生成する。機械学習部は、正常時の波形を変換部で変換し、その変換された多次元画像を入力して出力される出力画像が正解画像に近づくように学習する。判断部は、評価対象の波形を変換部で変換し、その変換された多次元画像を学習済みの機械学習部に入力して出力される出力画像を利用して異常を判断する。 The anomaly detection device of the present invention detects an anomaly by utilizing the fact that the generated time-series waveforms differ between normal and anomalous conditions. This anomaly detection device includes a conversion section, a correct image generation section, a machine learning section, and a judgment section. A transform unit transforms the waveform into a graphed multi-dimensional image having a time component and a frequency component. The correct image generator extracts at least one of the time component and the frequency component from the normal waveform, and converts the normal waveform into a multidimensional image to generate a correct image. The machine learning section transforms the normal waveform by the transforming section, inputs the transformed multidimensional image, and learns so that the output image is closer to the correct image. The judgment unit converts the waveform to be evaluated by the conversion unit, inputs the converted multidimensional image to the learned machine learning unit, and judges an abnormality by using an output image that is output.
また、本発明の異常検知方法は、発生する時系列の波形が正常時と異常時とにおいて異なることを利用して異常を検知する。この異常検知方法は、変換工程、正解画像生成工程、学習工程、及び判断工程を備えている。変換工程は波形を時間成分と周波数成分を有するグラフ化した多次元画像に変換する。正解画像生成工程は正常時の波形に対して時間成分又は周波数成分の少なくとも一方の特徴部分を抽出するとともに変換工程を実行して多次元画像に変換して正解画像を生成する。学習工程は、正常時の波形に対して変換工程を実行し、変換された多次元画像を機械学習部に入力して出力される出力画像が正解画像に近づくように機械学習部に学習させる。判断工程は、評価対象の波形に対して変換工程を実行し、変換された多次元画像を学習済みの機械学習部に入力して出力される出力画像を利用して異常を判断する。 In addition, the anomaly detection method of the present invention detects an anomaly by utilizing the fact that the generated time-series waveforms differ between normal and anomalous conditions. This anomaly detection method includes a conversion process, a correct image generation process, a learning process, and a judgment process. The transformation step transforms the waveform into a graphed multi-dimensional image having time and frequency components. In the correct image generation step, a characteristic portion of at least one of the time component and the frequency component is extracted from the normal waveform, and a conversion step is performed to convert the normal waveform into a multidimensional image to generate a correct image. In the learning step, the transforming step is performed on the normal waveform, the transformed multidimensional image is input to the machine learning unit, and the machine learning unit learns so that the outputted output image approaches the correct image. The judgment step executes a conversion step on the waveform to be evaluated, inputs the converted multidimensional image to a machine learning unit that has already learned, and judges an abnormality using an output image that is output.
この異常検知装置及び異常検知方法は、学習工程において、正常時の波形を変換部で変換し、その変換された多次元画像を機械学習部に入力して出力される出力画像が正解画像に近づくように学習させる。そして、判断工程において、評価対象の波形を変換部で変換し、その変換された多次元画像を学習済みの機械学習部に入力して出力される出力画像を利用して異常を判断する。このため、この異常検知装置及び異常検知方法は、正常データに対して異常データの割合が圧倒的に小さくても異常を適切に検知することができる。また、この異常検知装置及び異常検知方法は、機械学習部から出力される出力画像が時間成分又は周波数成分の少なくとも一方の特徴部分を抽出したものであるため、正常時と異常時との差が明確になり、異常の判断を適切に行うことができる。 In this anomaly detection device and anomaly detection method, in the learning process, the normal waveform is converted by the conversion unit, the converted multidimensional image is input to the machine learning unit, and the output image is closer to the correct image. to learn. Then, in the determination step, the waveform to be evaluated is transformed by the transformation unit, the transformed multidimensional image is input to the machine learning unit that has already learned, and the abnormality is determined using the output image. Therefore, the abnormality detection device and the abnormality detection method can appropriately detect an abnormality even if the ratio of abnormal data to normal data is overwhelmingly small. In addition, in this anomaly detection device and anomaly detection method, since the output image output from the machine learning unit is obtained by extracting at least one of the time component and the frequency component, the difference between the normal state and the abnormal state is It becomes clear, and an abnormal judgment can be made appropriately.
本発明の異常検知装置の正解画像生成部は波形のピーク部分が位置する時点を時間成分の特徴部分として抽出して正解画像を生成し得る。この場合、この異常検知装置は周期的にピークが発生する時系列の波形に対して好適である。 The correct image generating section of the anomaly detection apparatus of the present invention can generate a correct image by extracting the time point at which the peak portion of the waveform is located as the characteristic portion of the time component. In this case, this abnormality detection device is suitable for time-series waveforms in which peaks occur periodically.
本発明の異常検知装置の判断部は前記出力画像と前記正解画像との類似度を指標にして異常を判断し得る。この場合、この異常検知装置は、類似度を数値化することによって、異常を確実に判断することができる。 The determination unit of the abnormality detection device of the present invention can determine abnormality using the degree of similarity between the output image and the correct image as an index. In this case, the anomaly detection device can reliably determine the anomaly by quantifying the degree of similarity.
本発明の異常検知装置の判断部は前記出力画像の直線性を指標にして異常を判断し得る。この場合、この異常検知装置は、直線性を数値化することによって、異常を確実に判断することができる。 The determination unit of the abnormality detection device of the present invention can determine abnormality using the linearity of the output image as an index. In this case, this abnormality detection device can reliably determine an abnormality by quantifying the linearity.
本発明の異常検知装置を具体化した実施形態1について、図面を参照しつつ説明する。 A first embodiment embodying an abnormality detection device of the present invention will be described with reference to the drawings.
<実施形態1>
実施形態1の異常検知装置はチェーンコンベアの異常(チェーンの伸び)を検知するものである。この異常検知装置は、図1に示す学習プロセスと、図2に示す推論プロセスとを実行することによって異常を検知する。この異常検知装置は、図1及び図2に示すように、センサ10、データ収集機器11、及びコンピュータ20A,20Bを備えている。センサ10はチェーンコンベアの駆動モータ近くのレールに取り付けられた加速度センサである。データ収集機器11はセンサ10からのデータを収集する。
<
The abnormality detection device of
コンピュータ20Aは、学習プロセスで利用され、学習プログラムがインストールされている。コンピュータ20Aは、学習プログラムが実行されることによって、変換部30、正解画像生成部40、及び機械学習部50として機能する。
コンピュータ20Bは、推論プロセスで利用され、異常検知プログラムがインストールされている。コンピュータ20Bは、異常検知プログラムが実行されることによって、変換部30、正解画像生成部40、及び判断部60として機能する。
つまり、この異常検知装置は、変換部30、正解画像生成部40、機械学習部50、及び判断部60を備えている。
The
In other words, this anomaly detection device includes a
センサ10は検知した加速度データをデータ収集機器11を介してコンピュータ20A,20Bに送信する。センサ10が検知する加速度データは時系列の波形データである。データ収集機器11はセンサ10から送信された加速度データを所定期間毎に任意のサンプリング期間(例えば10分毎に5秒間)で収集する(図3に示す「元波形」参照)。このため、明確な開始時刻及び終了時刻という概念がなく、収集した波形そのものを比較した場合にその波形の形状は全域で類似しているわけではない。
The
変換部30は、図3に示すように、入力された波形(元波形)又は後述するピーク波形(図4(B)参照)をスペクトログラムに変換する。スペクトログラムは、横軸に時間、縦軸に周波数、色でその信号成分の強さを示した3次元のグラフである。つまり、変換部30は、入力された波形を時間成分と周波数成分を有するグラフ化した多次元画像に変換する。
As shown in FIG. 3, the
正解画像生成部40は、図1及び図2に示すように、チェーンコンベアが稼働している際にセンサ10からデータ収集機器11を介してコンピュータ20A,20Bに送信された任意のサンプリング期間における波形から正解画像を生成する。つまり、この正解画像生成部40は、波形の時間成分の特徴部分を抽出してピーク波形を生成するとともに、変換部30でスペクトログラムに変換した正解画像を生成する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the correct
詳しくは、この正解画像生成部40は波形の時間成分の特徴部分を波形のピーク部分が位置する時点にしている。この波形のピーク部分は、図5(B)に示すように、任意のサンプリング期間におけるデータの最初の設定時間(例えば、0.75秒間)のうちの最大値を最初のピーク部分として抽出する。そして、図5(C)及び(D)に示すように、前のピーク部分から最初の設定時間と同じ、若しくは異なる設定時間のうちの最大値を次のピーク部分として抽出することを繰り返す。そして、図5(D)に示すように、波形データのサンプリング期間の最終時点から所定時間(例えば、0.75秒)以内にピーク部分が抽出できたところで終了する。図5(B)~(D)において、波形の先端に記載された丸印が抽出されたピーク部分を示す。
More specifically, the correct
このようにして、ピーク部分が抽出された波形に対して、この正解画像生成部40はピーク部分の前後100ピクセル以外の値を0にしてピーク波形を生成する(図4(B)参照)。そして、この正解画像生成部40は、変換部30でピーク波形をスペクトログラムに変換し、正解画像を生成する(図4(C)参照)。この正解画像は波形の周期的に発生するピーク付近のスペクトログラムである。
In this way, the correct
<学習プロセス>
学習プロセスにおいて、正解画像生成部40は、図4に示すように、チェーンコンベアが正常に稼働している際にセンサ10からデータ収集機器11を介してコンピュータ20Aに送信された任意のサンプリング期間における波形(正常時の波形)から正解画像を生成する。つまり、学習プロセスにおける正解画像生成部40は、正常時の波形の時間成分の特徴を抽出してピーク波形を生成する(図4(B)参照)とともに、変換部30でスペクトログラムに変換した正解画像を生成する(図4(C)参照)。
<Learning process>
In the learning process, the correct
学習プロセスで実行される機械学習部50は、AE(Auto Encoder)を利用する。
機械学習部50は、正常時の波形を変換部30で変換したスペクトログラム(入力画像)をAEに入力し、AEから出力された出力画像と正解画像との一致度を評価し、出力画像が正解画像に近くなるようにAEを更新(学習)する。
この異常検知装置は、図6に示すように、学習プロセスにおいてAEに入力する入力画像はスペクトログラムの画像とするが、AEから出力される出力画像は波形の周期的に発生するピーク付近のスペクトログラムの画像のみである。
The
The
As shown in FIG. 6, in this anomaly detection apparatus, the input image input to the AE in the learning process is a spectrogram image. Images only.
<推論プロセス>
推論プロセスにおいて、正解画像生成部40は、図2に示すように、実際にチェーンコンベアが稼働している際にセンサ10からデータ収集機器11を介してコンピュータ20Bに送信された任意のサンプリング期間における波形である評価対象の波形から正解画像を生成する。つまり、推論プロセスにおいては、チェーンコンベアの稼働が正常の際の波形(正常時の波形)に限らず、チェーンコンベアの稼働が異常の際の波形(異常時の波形)を含めてリアルタイムにコンピュータ20Bに送信されてそれら波形を利用して正解画像が生成される。つまり、推論プロセスにおける正解画像生成部40は、正常時の波形又は異常時の波形の時間成分の特徴を抽出してピーク波形を生成するとともに、変換部30でスペクトログラムに変換した正解画像を生成する。
<Inference process>
In the inference process, the correct
推論プロセスにおける判断部60はコンピュータ20Bに学習プロセスにおいて十分に学習された学習済みAEを導入して利用する。なお、学習プロセスにおいてAEを十分に学習された状態にすることについては後述する。
この判断部60は、評価対象の波形(加速度データ)を変換部30で変換し、変換されたスペクトログラムを学習済みAEに入力し、学習済みAEから出力される出力画像と正解画像の比較による画像評価によって異常を判断する。
この異常検知装置は、図6に示すように、推論プロセスにおいて学習済みAEに入力する入力画像はスペクトログラムの画像とするが、学習済みAEから出力される出力画像は波形の周期的に発生するピーク付近のスペクトログラムの画像のみである。
The
This
In this anomaly detection device, as shown in FIG. 6, the input image input to the trained AE in the inference process is an image of a spectrogram, but the output image output from the trained AE is a peak of a waveform that occurs periodically. It is only an image of the nearby spectrogram.
学習済みAEは正常時の波形のみで学習しており、正常時の波形の特徴のみをとらえている。このため、学習済みAEに正常時の波形を変換したスペクトログラムを入力したときは、その出力画像と正解画像とは類似する。しかし、学習済みAEに異常時の波形を変換したスペクトログラムを入力したときは、正常時には構築できる箇所を構築できず、その出力画像から異常部位が消えやすい。その結果、学習済みAEから出力された出力画像と正解画像とを比較したときに差が大きく出るため、異常を検出しやすくなる。 The learned AE learns only with normal waveforms, and captures only the characteristics of normal waveforms. Therefore, when a spectrogram obtained by transforming the normal waveform is input to the trained AE, the output image and the correct image are similar. However, when a spectrogram obtained by converting the abnormal waveform is input to the learned AE, it is not possible to construct a part that can be constructed in the normal state, and the abnormal part tends to disappear from the output image. As a result, when the output image output from the learned AE and the correct image are compared, a large difference appears, which makes it easier to detect an abnormality.
ここで、出力画像と正解画像の比較による画像評価は以下に示す3つの方法を利用することができる。
<PSNR>
先ず、第1の方法は、学習済みAEから出力される出力画像と正解画像との間のピークS/N比、つまり、式1に示されるPSNR(Peak signal-to-noise ratio)を指標にして評価する。このPSNRは、出力画像と正解画像との類似度を示し、出力画像と正解画像の類似度が高いほど値が高くなる。つまり、第1の方法では、PSNRの値が特定の値より高いと正常であり、特定の値より低いと異常であると判断することができる。なお、式1のMSEは平均二乗誤差で、MAXは255が入る。
<PSNR>
First, the first method uses the peak S/N ratio between the output image output from the trained AE and the correct image, that is, the PSNR (Peak signal-to-noise ratio) shown in
<画像一致率>
第2の方法は画像一致率を指標にして評価を行う。この方法は、図6に示すように、学習済みAEから出力される出力画像と正解画像の同じ画素を比較し、輝度差の小さい画素の割合を計算する。つまり、式2に示される画像一致率を指標にして評価する。ここで、一致した画素とみなす輝度差の閾値は±5とした。この画像一致率も出力画像と正解画像との類似度を示し、出力画像と正解画像の類似度が高いほど値が高くなる。つまり、第2の方法では、画像一致率の値が特定の値より高いと正常であり、特定の値より低いと異常であると判断することができる。
The second method uses the image matching rate as an index for evaluation. As shown in FIG. 6, this method compares the same pixels in the output image output from the trained AE and the correct image, and calculates the ratio of pixels with small luminance difference. That is, evaluation is performed using the image matching rate shown in
<直線検出>
第3の方法は、図8に示すように、確率的ハフ変換(画像から直線を検出するための手法)を用いて学習済みAEから出力される出力画像から直線を検出し、その直線性を指標にして評価する。詳しくは、出力画像(図8(A)参照)をグレースケールに変換する(図8(B)参照)。そして、Canny法によるエッジの検出をし(図8(C)参照)、確率的ハフ変換を行う(図8(D)参照)。ハフ変換後の画像から直線数と長さの平均を数値化し評価する。
学習済みAEから出力される出力画像は、AEで正しく再構成された場合(正常)は、縦の直線が並んだ画像が出力されるが、正しく再構成されない場合(異常)は、正しく再構築された場合と比較して長さが短い直線が多く出力される。このことから、直線数が少なく、長さの平均が長いと正常であり、直線数が多く、長さの平均が短いと異常であると判断することができる。
<Linear detection>
The third method, as shown in FIG. 8, uses a probabilistic Hough transform (method for detecting straight lines from an image) to detect straight lines from an output image output from a trained AE, and evaluates the linearity. Evaluate as an index. Specifically, the output image (see FIG. 8A) is converted to grayscale (see FIG. 8B). Then, edge detection is performed by the Canny method (see FIG. 8(C)), and probabilistic Hough transform is performed (see FIG. 8(D)). The number of straight lines and the average length of the image after Hough transform are quantified and evaluated.
When the AE is correctly reconstructed (normal), the output image output from the trained AE is an image with vertical straight lines. Many straight lines with shorter lengths are output compared to the case where From this, it can be determined that a small number of straight lines and a long average length is normal, and that a large number of straight lines and a short average length is abnormal.
次に、上述した異常検知装置を利用した異常検知方法を以下に説明する。
この異常検知方法は、先ず学習プロセスを実行してAEを学習させ、その後に学習済みAEを利用して推論プロセスを実行する。学習プロセスは、図1に示すように、変換工程、正解画像生成工程、及び学習工程を備えている。推論プロセスは、図2に示すように、変換工程、正解画像生成工程、及び判断工程を備えている。
Next, an abnormality detection method using the above-described abnormality detection device will be described below.
This anomaly detection method first executes a learning process to train the AE, and then utilizes the trained AE to execute an inference process. The learning process, as shown in FIG. 1, includes a conversion process, a correct image generation process, and a learning process. The inference process, as shown in FIG. 2, comprises a conversion process, a correct image generation process, and a judgment process.
この異常検知方法の学習プロセスでは、図1に示すように、変換工程において、正常時の波形(加速度データ)を変換部30に入力してスペクトログラムに変換する。
また、正解画像生成工程において、正解画像生成部40が、正常時の波形(加速度データ)の時間成分の特徴部分(波形のピーク部分が位置する時点)を抽出する(図4(B)参照)とともに、変換工程を実行して変換部30でスペクトログラムに変換した正解画像を生成する(図4(C)参照)。この正解画像は波形の周期的に発生するピーク付近のスペクトログラムである。
In the learning process of this abnormality detection method, as shown in FIG. 1, in the conversion step, the normal waveform (acceleration data) is input to the
Further, in the correct image generation step, the correct
次に、学習工程において、機械学習部50が、以下に示す(1)から(4)までのステップをAEから出力される出力画像と正解画像とが近くなるまで繰り返すことによって、AEが十分に学習された状態にし、この学習済みAEを保存する。
(1)正常時の波形を変換工程において変換部30で変換したスペクトログラム(入力画像)を複数枚(例えば、数十~数千枚)用意し、AEに入力する。
(2)AEから出力される出力画像を生成する。
(3)出力画像と正解画像の一致度を評価する。
(4)出力画像が正解画像に近くなるようにAEを更新(学習)する。
このように、この異常検知方法では、図6に示すように、学習プロセスにおいて、AEに入力する入力画像はスペクトログラムの画像とするが、AEから出力される出力画像は波形の周期的に発生するピーク付近のスペクトログラムの画像のみである。
Next, in the learning process, the
(1) Prepare a plurality of spectrograms (input images) (for example, several tens to several thousand) obtained by converting the normal waveform by the
(2) Generate an output image output from the AE.
(3) Evaluate the degree of matching between the output image and the correct image.
(4) Update (learn) the AE so that the output image is closer to the correct image.
Thus, in this anomaly detection method, as shown in FIG. 6, in the learning process, the input image input to the AE is a spectrogram image, but the output image output from the AE is a waveform that is periodically generated. It is only an image of the spectrogram near the peak.
この異常検知方法の推論プロセスでは、図2に示すように、変換工程において、評価対象の波形(加速度データ)をリアルタイムに変換部30に入力してスペクトログラムに変換する。評価対象の波形は、正常時の波形に限らず、異常時の波形も含まれ得る。
また、正解画像生成工程において、正解画像生成部40が評価対象の波形(加速度データ)の時間成分の特徴部分(波形のピーク部分が位置する時点)を抽出するとともに、変換工程を実行して変換部30でスペクトログラムに変換した正解画像を生成する。この正解画像は波形の周期的に発生するピーク付近のスペクトログラムである。
In the inference process of this anomaly detection method, as shown in FIG. 2, in the conversion step, the waveform (acceleration data) to be evaluated is input to the
Further, in the correct image generation step, the correct
次に、判断工程において、判断部60が、評価対象の波形を変換工程において変換部30で変換したスペクトログラムを学習済みAEに入力し、出力された出力画像を評価して異常を判断する。出力画像の評価は、上述した3つの方法(PSNR、画像一致率、直線検出)である。
Next, in the determination step, the
実際に稼働しているチェーンコンベアの駆動モータ近くのレールに取り付けられたセンサ10からデータ収集機器11を介して送信された評価対象の波形を上述した異常検知装置及び異常検知方法を利用して異常を検知した結果を図8に示す。
図8中のa~cは、チェーンが伸びた異常な状態でチェーンコンベアを稼働し、センサ10からデータ収集機器11を介して送信され、コンピュータ20Bに収集された異常時の波形を評価対象としたものである。また、図8中のd~gは、チェーンを適正な長さにカットした正常な状態でチェーンコンベアを稼働し、センサ10から送信され、コンピュータ20Bに収集された正常時の波形を評価対象としたものである。
The waveform to be evaluated, which is transmitted from the
8A to 8C show that the chain conveyor is operated in an abnormal state in which the chain is stretched, and the abnormal waveforms that are transmitted from the
異常時の波形であるa~cに対する各評価、及び正常時の波形であるd~gに対する各評価おいて、値のばらつきがあるが、PSNR及び画像一致率における全般の傾向としてa~cの値がd~gの値に比べて小さい。また、直線検出における直線数は全般の傾向としてa~cの値がd~gの値に比べて多く、長さの平均は全般の傾向としてa~cの値がd~gの値に比べて短い。 There are variations in values in each evaluation of waveforms a to c, which are abnormal waveforms, and each evaluation of waveforms d to g, which are normal waveforms. The value is smaller than the values of d to g. As for the number of straight lines in straight line detection, the general tendency is that the values of a to c are larger than the values of d to g, and the average length of the values of a to c is higher than the values of d to g. short.
このように、上述した第1の評価方法であるPSNRを指標にして評価する場合、PSNRの値が特定の値より高いと正常であり、特定の値より低いと異常であると判断することができる。また、上述した第2の評価方法である画像一致率を指標にして評価する場合、画像一致率の値が特定の値より高いと正常であり、特定の値より低いと異常であると判断することができる。また、上述した第3の評価方法である直線性を指標にして評価する場合、直線数が少なく、長さの平均が長いと正常であり、直線数が多く、長さの平均が短いと異常であると判断することができる。なお、各指標を評価して異常を判断する場合は、少なくとも3点以上の値を平均して判断する。 In this way, when evaluating using the PSNR as an index, which is the first evaluation method described above, it is possible to determine that a PSNR value higher than a specific value is normal, and that a PSNR value lower than a specific value is abnormal. can. In addition, when evaluating using the image matching rate as an index, which is the second evaluation method described above, if the value of the image matching rate is higher than a specific value, it is determined to be normal, and if it is lower than the specific value, it is determined to be abnormal. be able to. In addition, when evaluating linearity as an index, which is the third evaluation method described above, a small number of straight lines and a long average length are normal, and a large number of straight lines and a short average length are abnormal. can be determined to be When each index is evaluated and an abnormality is determined, values of at least three points are averaged for determination.
以上説明したように、実施形態1の異常検知装置は、発生する時系列の波形が正常時と異常時とにおいて異なることを利用して異常を検知する。この異常検知装置は、変換部30、正解画像生成部40、機械学習部50、及び判断部60を備えている。変換部30は波形をスペクトログラムに変換する。正解画像生成部40は正常時の波形のピーク部分を抽出するとともに変換部30でスペクトログラムに変換した正解画像を生成する。機械学習部50は、正常時の波形を変換部30で変換し、その変換されたスペクトログラムをAEに入力して出力される出力画像が正解画像に近づくように学習する。判断部60は、評価対象の波形を変換部30で変換し、その変換されたスペクトログラムを学習済みAEに入力して出力される出力画像を利用して異常を判断する。
As described above, the anomaly detection device of the first embodiment detects an anomaly by utilizing the fact that the generated time-series waveforms differ between normal and anomalous times. This anomaly detection device includes a
また、実施形態1の異常検知方法は、発生する時系列の波形が正常時と異常時とにおいて異なることを利用して異常を検知する。この異常検知方法は、変換工程、正解画像生成工程、学習工程、及び判断工程を備えている。変換工程は波形をスペクトログラムに変換する。正解画像生成工程は正常時の波形に対して時間成分の特徴部分であるピーク部分を抽出するとともに変換工程を実行してスペクトログラムに変換して正解画像を生成する。学習工程は、正常時の波形に対して変換工程を実行し、変換されたスペクトログラムをAEに入力して出力される出力画像が正解画像に近づくようにAEに学習させる。判断工程は、評価対象の波形に対して変換工程を実行し、変換されたスペクトログラムを学習済みAEに入力して出力される出力画像を利用して異常を判断する。 In addition, the abnormality detection method of the first embodiment detects an abnormality by utilizing the fact that the generated time-series waveforms are different between normal and abnormal conditions. This anomaly detection method includes a conversion process, a correct image generation process, a learning process, and a judgment process. A conversion step converts the waveform to a spectrogram. In the correct image generating step, a correct image is generated by extracting a peak portion, which is a characteristic portion of the time component, from the normal waveform and performing a conversion step to convert it into a spectrogram. In the learning process, the transforming process is performed on the normal waveform, the transformed spectrogram is input to the AE, and the AE learns so that the output image is closer to the correct image. The judgment step executes a conversion step on the waveform to be evaluated, inputs the converted spectrogram to the learned AE, and judges an abnormality using an output image.
実施形態1の異常検知装置及び異常検知方法は、学習工程において、正常時の波形を変換部30で変換し、その変換されたスペクトログラムをAEに入力して出力される出力画像が正解画像に近づくように学習させる。そして、判断工程において、評価対象の波形を変換部30で変換し、その変換されたスペクトログラムを学習済みAEに入力して出力される出力画像を利用して異常を判断する。このため、この異常検知装置及び異常検知方法は、正常データに対して異常データの割合が圧倒的に小さくても異常を適切に検知することができる。また、この異常検知装置及び異常検知方法は、学習済みAEから出力される出力画像が時間成分の特徴部分であるピーク部分を抽出したものであるため、正常時と異常時との差が明確になり、異常の判断を適切に行うことができる。
In the learning process of the anomaly detection device and anomaly detection method of the first embodiment, the normal waveform is converted by the
実施形態1の異常検知装置の正解画像生成工程における正解画像生成部40は波形のピーク部分が位置する時点を時間成分の特徴部分として抽出して正解画像を生成する。このため、この異常検知装置は周期的にピークが発生する時系列の波形に対して好適である。
The correct
実施形態1の異常検知装置の判断工程における判断部60は出力画像と正解画像との類似度(PSNR、画像一致率)を指標にして異常を判断する。このため、この異常検知装置は、類似度を数値化することによって、異常を確実に判断することができる。
The judging
実施形態1の異常検知装置の判断工程における判断部60は出力画像の直線性(直線数、長さの平均)を指標にして異常を判断する。このため、この異常検知装置は、直線性を数値化することによって、異常を確実に判断することができる。
The judging
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態1に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)実施形態1では、チェーンコンベアの駆動モータ近くのレールに取り付けられた加速度センサの波形からチェーンコンベアの異常を検知したが、正常時と異常時とにおいて発生する時系列の波形が異なるものであれば、他の工場設備や、工場設備に限らず異常を検知することができる。
(2)実施形態1では、波形に対して時間成分の特徴部分であるピーク部分を抽出したが、ピーク部分以外の特徴部分を抽出してもよい。また、波形の周波数成分を特徴部分として抽出してもよい。また、波形の時間成分と周波数成分の両方を特徴部分として抽出してもよい。
(3)実施形態1では深層学習手法としてAEを利用したが、VAE(Valiational Auto Encoder)等の他の深層学習手法を利用してもよい。
(4)実施形態1では、図5に示すように、AEにおいて、入力画像を圧縮して圧縮された特徴表現とし、さらにこの圧縮した特徴表現を復元した出力画像を利用したが、圧縮された特徴表現データを利用して正常データとの類似度から異常を判断してもよい。
(5)抽出する波形の特徴部分に必ずしも異常が見られなくてもよい。これは、正解画像は、ピークの情報を抜き出したものであり、ピーク情報しか入っていないが、学習済みAEを通して出力された出力画像はピーク以外の情報も含まれたものであるため、特徴部分にしなかった部分(抽出しなかった部分)のみに異常データが存在しても、学習済みAEの出力画像は異常データを織り込んだ画像となるため、正解画像に対して違いが出るからである。
(6)AEの学習は正常時の波形のみを利用したが、少量の異常時の波形を利用してもよい。特に、学習モデルにAEではなく、VAE(Valiational Auto Encoder)を使用した場合、検出精度が向上する。
(7)推論プロセスにおいて、評価対象の波形をリアルタイムに評価して異常を判断していたが、複数の波形をまとめて評価して判断してもよい。
(8)学習はコンピュータ端末を利用するのではなく、クラウド上のコンピュータを利用してもよい。
(9)学習プロセスと推論プロセスとで利用するコンピュータは同じものであってもよい。
The present invention is not limited to the first embodiment explained by the above description and drawings, and the following embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
(1) In the first embodiment, an abnormality of the chain conveyor is detected from the waveform of the acceleration sensor attached to the rail near the drive motor of the chain conveyor. If so, it is possible to detect abnormalities not only in other factory equipment, but also in factory equipment.
(2) In the first embodiment, the peak portion, which is the characteristic portion of the time component of the waveform, is extracted, but characteristic portions other than the peak portion may be extracted. Also, the frequency component of the waveform may be extracted as the characteristic portion. Also, both the time component and the frequency component of the waveform may be extracted as the characteristic portion.
(3) Although AE is used as a deep learning method in the first embodiment, other deep learning methods such as VAE (Variational Auto Encoder) may be used.
(4) In the first embodiment, as shown in FIG. Abnormality may be determined based on similarity to normal data using feature expression data.
(5) Abnormality does not necessarily have to be found in the characteristic portion of the waveform to be extracted. This is because the correct image is obtained by extracting the peak information and contains only the peak information, but the output image output through the trained AE contains information other than the peak. This is because even if there is abnormal data only in the part that is not extracted (the part that is not extracted), the output image of the learned AE is an image in which the abnormal data is incorporated, and thus there is a difference from the correct image.
(6) AE learning uses only the normal waveforms, but a small amount of abnormal waveforms may also be used. In particular, detection accuracy is improved when not AE but VAE (Variational Auto Encoder) is used for the learning model.
(7) In the inference process, the waveform to be evaluated is evaluated in real time to determine abnormality, but a plurality of waveforms may be collectively evaluated and determined.
(8) Learning may use a computer on the cloud instead of using a computer terminal.
(9) The same computer may be used for the learning process and the inference process.
10…センサ、20…コンピュータ、30…変換部、40…正解画像生成部、50…AE(機械学習部)、60…判断部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記波形を時間成分と周波数成分を有するグラフ化した多次元画像に変換する変換部と、
正常時の前記波形に対して時間成分又は周波数成分の少なくとも一方の特徴部分を抽出するとともに前記変換部で多次元画像に変換した正解画像を生成する正解画像生成部と、
正常時の前記波形を前記変換部で変換し、その変換された多次元画像を入力して出力される出力画像が前記正解画像に近づくように学習する機械学習部と、
評価対象の前記波形を前記変換部で変換し、その変換された多次元画像を学習済みの前記機械学習部に入力して出力される出力画像を利用して異常を判断する判断部と、
を備えていることを特徴とする異常検知装置。 An anomaly detection device that detects an anomaly by utilizing the fact that time-series waveforms generated differ between normal and anomalous conditions,
a conversion unit that converts the waveform into a graphed multidimensional image having a time component and a frequency component;
a correct image generation unit that extracts at least one characteristic part of a time component or a frequency component from the normal waveform and generates a correct image converted into a multidimensional image by the conversion unit;
a machine learning unit that transforms the waveform in a normal state by the transforming unit, inputs the transformed multidimensional image, and learns so that an output image output is closer to the correct image;
a judgment unit that converts the waveform to be evaluated by the conversion unit, inputs the converted multidimensional image to the machine learning unit that has been trained, and judges an abnormality using an output image that is output;
An anomaly detection device comprising:
前記波形を時間成分と周波数成分を有するグラフ化した多次元画像に変換する変換工程と、
正常時の前記波形に対して時間成分又は周波数成分の少なくとも一方の特徴部分を抽出するとともに前記変換工程を実行して多次元画像に変換して正解画像を生成する正解画像生成工程と、
正常時の前記波形に対して前記変換工程を実行し、変換された多次元画像を機械学習部に入力して出力される出力画像が前記正解画像に近づくように前記機械学習部に学習させる学習工程と、
評価対象の前記波形に対して前記変換工程を実行し、変換された多次元画像を学習済みの前記機械学習部に入力して出力される出力画像を利用して異常を判断する判断工程と、
を備えていることを特徴とする異常検知方法。 An anomaly detection method for detecting an anomaly by utilizing the fact that time-series waveforms generated are different between normal and anomalous conditions,
a transforming step of transforming the waveform into a graphed multi-dimensional image having time and frequency components;
A correct image generating step of extracting at least one characteristic portion of a time component or a frequency component from the normal waveform and performing the converting step to convert the waveform into a multidimensional image to generate a correct image;
Learning to perform the conversion step on the normal waveform, input the converted multidimensional image to the machine learning unit, and make the machine learning unit learn so that the output image approaches the correct image. process and
a judgment step of performing the conversion step on the waveform to be evaluated, inputting the converted multidimensional image to the machine learning unit that has been learned, and judging an abnormality using an output image that is output;
An anomaly detection method, comprising:
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