JP7349124B2 - Method and program for determining the condition of a prime mover - Google Patents

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Description

本発明は、原動機の状態判断方法及び状態判断プログラムに関する。 The present invention relates to a method and program for determining the state of a prime mover.

ガスエンジン等の内燃機関では熱効率を向上させるためにノッキング発生に近い状態で運転されることが多い。図14は、横軸を燃料空気比とし、縦軸を燃焼室内の平均有効圧力として、ノッキングが発生する状態、安定燃焼する状態及び失火する状態を示した状態図である。図14において安定燃焼領域からノッキング発生領域へ入った境界領域付近では、燃焼室内における自然発火に伴って図15に示すように圧力振動が生ずるおそれがある。このような圧力振動は、内燃機関の損傷の可能性を生じさせる。 Internal combustion engines such as gas engines are often operated in conditions close to the occurrence of knocking in order to improve thermal efficiency. FIG. 14 is a state diagram showing a state in which knocking occurs, a state in which stable combustion occurs, and a state in which misfire occurs, with the horizontal axis representing the fuel-air ratio and the vertical axis representing the average effective pressure within the combustion chamber. In FIG. 14, near the boundary region from the stable combustion region to the knocking occurrence region, there is a possibility that pressure oscillations may occur as shown in FIG. 15 due to spontaneous combustion in the combustion chamber. Such pressure oscillations create the potential for damage to the internal combustion engine.

そこで、内燃機関の燃焼室において生ずるノッキングを解析する技術が開示されている。例えば、燃焼エンジンの燃焼チャンバ内又は付近に配置されたノックセンサによって感知されたノイズ信号を事前調整して事前調整ノイズ信号を生成し、当該事前調整ノイズ信号に対してウェーブレット処理等を施して燃焼エンジンの燃焼チャンバにおけるピーク燃焼圧力の位置又は時間を判断する技術が開示されている(特許文献1)。 Therefore, a technique for analyzing knocking that occurs in the combustion chamber of an internal combustion engine has been disclosed. For example, a noise signal sensed by a knock sensor placed in or near the combustion chamber of a combustion engine is pre-conditioned to generate a pre-conditioned noise signal, and the pre-conditioned noise signal is subjected to wavelet processing etc. A technique for determining the position or time of peak combustion pressure in a combustion chamber of an engine is disclosed (Patent Document 1).

また、原信号に対して離散ウェーブレット変換を施し、2つのレベルのウェーブレット係数を算出して、当該ウェーブレット係数に基づいてノイズ除去の必要性を特定すると共に、ノイズ除去の必要がある場合に当該ウェーブレット係数のレベルを抑制し、抑制後のウェーブレット係数に基づいてノッキングの発生の有無を判定する技術が開示されている(特許文献2)。 In addition, the system performs discrete wavelet transform on the original signal, calculates wavelet coefficients at two levels, identifies the necessity of noise removal based on the wavelet coefficients, and determines the need for noise removal based on the wavelet coefficients. A technique is disclosed in which the level of the coefficient is suppressed and the presence or absence of knocking is determined based on the suppressed wavelet coefficient (Patent Document 2).

また、エンジンのシリンダブロックの振動を検知するノックセンサにより検知された信号をクランク軸角度に対応させて記憶させると共に、当該信号を短い時間間隔に分割して当該時間間隔毎に周波数解析(FFT)した結果に基づいてノッキングの発生の有無を判定する技術が開示されている(特許文献3)。 In addition, the signal detected by the knock sensor that detects the vibration of the engine's cylinder block is stored in correspondence with the crankshaft angle, and the signal is divided into short time intervals and frequency analysis (FFT) is performed for each time interval. A technique for determining whether or not knocking has occurred based on the results has been disclosed (Patent Document 3).

また、ノックセンサから出力される信号を周波数分析すると共に、1燃焼サイクル中に燃料が噴射される燃料噴射回数と周波数成分の補正量との対応付けに基づいてノッキングの発生の有無を判定する技術が開示されている(特許文献4)。 In addition, the technology analyzes the frequency of the signal output from the knock sensor and determines the presence or absence of knocking based on the correspondence between the number of times fuel is injected during one combustion cycle and the frequency component correction amount. is disclosed (Patent Document 4).

特開2016-169735号公報Japanese Patent Application Publication No. 2016-169735 特開2011-1867号公報Japanese Patent Application Publication No. 2011-1867 特開2005-188297号公報Japanese Patent Application Publication No. 2005-188297 国際公開第WO2016/125687号パンフレットInternational Publication No. WO2016/125687 pamphlet

しかしながら、従来技術では、内燃機関を含む原動機においてノッキング等の異常を早期かつ適切に検知する技術としては不十分であった。したがって、ノッキング等の異常を軽度のうちに検知してアラームを出したり、アラームに応じて対処を行ったりすることが困難であった。 However, the conventional technology has been insufficient as a technology for early and appropriate detection of abnormalities such as knocking in a prime mover including an internal combustion engine. Therefore, it is difficult to detect an abnormality such as knocking while it is still mild and to issue an alarm or take measures in response to the alarm.

本発明は、内燃機関を含む原動機においてノッキング等の異常を早期かつ適切に検知することを可能にする状態判断方法及び状態判断プログラムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a state determination method and a state determination program that enable early and appropriate detection of abnormalities such as knocking in a prime mover including an internal combustion engine.

本発明の請求項1に係る原動機の状態判断方法は、原動機の作動状態を示す音、振動、圧力変動の少なくとも1つの学習用データを取得し、取得した前記学習用データの周波数解析を行い、前記周波数解析の結果に対して特異値分解(SVD)を行い、さらに前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間を入力データとして前記原動機の作動状態を出力とする機械学習を行い、前記機械学習の結果に基づいて前記原動機の作動状態の判断情報を導出して入力データをクラスタ化する判断予測手段を構築し、前記原動機の前記作動状態を示す判断対象データを取得し、取得した前記判断対象データの前記周波数解析を行い、前記周波数解析の結果に対して前記特異値分解(SVD)を行い、さらに前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴量を前記入力データとして前記判断予測手段に入力し、前記原動機の前記判断対象データに対する前記判断情報を導出することを特徴とする。 A method for determining the condition of a prime mover according to claim 1 of the present invention includes acquiring at least one learning data of sound, vibration, and pressure fluctuation indicating the operating condition of the prime mover, and performing frequency analysis of the acquired learning data. Performing singular value decomposition (SVD) on the result of the frequency analysis, further performing machine learning using the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD) as input data and outputting the operating state of the prime mover, A judgment prediction means is constructed that derives judgment information on the operating state of the prime mover based on the results of machine learning and clusters input data, and acquires judgment target data indicating the operating status of the prime mover. The frequency analysis of the judgment target data is performed, the singular value decomposition (SVD) is performed on the result of the frequency analysis, and the feature quantity extracted by the singular value decomposition (SVD) is used as the input data to predict the judgment. The method is characterized in that the judgment information is input to a means and the judgment information for the judgment target data of the prime mover is derived .

ここで、前記周波数解析として、ウェーブレット変換を用いた解析を行うことが好適である。 Here, it is preferable to perform an analysis using wavelet transform as the frequency analysis.

また、前記機械学習として、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、教師あり学習を用いてパターン認識を行うサポートベクターマシン(SVM)を用いた学習を行うことが好適である。 Further, as the machine learning, it is preferable to perform learning using a support vector machine (SVM) that performs pattern recognition using supervised learning on the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD). be.

また、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、ファジイ・シー・ミーンズ(FuzzyC-Means)法を用いてクラスタへの帰属度を求めて、前記サポートベクターマシン(SVM)へ適用することが好適である。 Furthermore, for the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD), the degree of membership to clusters is determined using the Fuzzy C-Means method, and the degree of membership is calculated using the support vector machine (SVM). It is preferable to apply

また、前記機械学習として、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、教師なし学習である自己組織化写像(SOM)を用いることが好適である。 Furthermore, as the machine learning, it is preferable to use self-organizing mapping (SOM), which is unsupervised learning, for the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD).

また、前記作動状態の前記判断情報に基づいて、さらに前記原動機の前記作動を制御することが好適である。 Further, it is preferable that the operation of the prime mover is further controlled based on the judgment information of the operating state.

また、前記原動機は、内燃機関及び/又は内燃機関に付随した可動部であることが好適である。 Further, it is preferable that the prime mover is an internal combustion engine and/or a movable part attached to the internal combustion engine.

また、前記作動状態の前記判断情報として、前記内燃機関のノッキング状態の判断情報を導出することが好適である。 Further, it is preferable that the determination information on the operating state is derived from the determination information on the knocking state of the internal combustion engine.

また、前記ノッキング状態の前記判断情報として、ノッキング指標を導出することが好適である。 Further, it is preferable that a knocking index is derived as the determination information of the knocking state.

また、前記ノッキング状態の前記判断情報に基づいて、前記内燃機関の前記ノッキング状態を解消する制御を行うことが好適である。 Further, it is preferable that control is performed to eliminate the knocking state of the internal combustion engine based on the determination information of the knocking state.

本発明の請求項11に係る原動機の状態判断プログラムは、コンピュータに、原動機の作動状態を示す音、振動、圧力変動の少なくとも1つの学習用データを取得させる学習用データ取得ステップと、取得した前記学習用データの周波数解析を行う周波数解析ステップと、前記周波数解析の結果に対して特異値分解(SVD)を行う特異値分解ステップと、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間を入力データとして前記原動機の作動状態を出力とする機械学習を行う機械学習ステップと、前記機械学習の結果に基づいて前記原動機の作動状態の判断情報を導出して入力データをクラスタ化する判断予測手段を構築する構築ステップと、前記原動機の前記作動状態を示す判断対象データを取得し、取得した前記判断対象データの前記周波数解析を行い、前記周波数解析の結果に対して前記特異値分解(SVD)を行い、さらに前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴量を前記入力データとして前記判断予測手段に入力し、前記原動機の前記判断対象データに対する前記判断情報を出力する出力ステップを実行させることを特徴とする。 A prime mover state determination program according to an eleventh aspect of the present invention includes a step of causing a computer to acquire learning data of at least one of sound, vibration, and pressure fluctuation indicating the operating state of the prime mover; A frequency analysis step that performs frequency analysis of learning data, a singular value decomposition step that performs singular value decomposition (SVD) on the result of the frequency analysis, and inputs the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD). a machine learning step of performing machine learning using the operating state of the prime mover as an output as data; and a judgment prediction means for deriving judgment information of the operating state of the prime mover based on the result of the machine learning and clustering the input data. a construction step of constructing a structure, acquiring judgment target data indicating the operating state of the prime mover, performing the frequency analysis of the acquired judgment target data, and performing the singular value decomposition (SVD) on the result of the frequency analysis. and further inputting the feature quantity extracted by the singular value decomposition (SVD) to the judgment prediction means as the input data, and executing an output step of outputting the judgment information for the judgment target data of the prime mover. Features.

ここで、前記周波数解析ステップにおける前記周波数解析として、ウェーブレット変換を用いた解析を行うことが好適である。 Here, it is preferable to perform an analysis using wavelet transform as the frequency analysis in the frequency analysis step.

また、前記機械学習ステップにおける前記機械学習として、前記特異値分解ステップの前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、教師あり学習を用いてパターン認識を行うサポートベクターマシン(SVM)を用いた学習を行なうことが好適である。 Further, as the machine learning in the machine learning step, the support vector machine (SVM) performs pattern recognition using supervised learning on the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD) in the singular value decomposition step. ) is preferable.

また、前記特異値分解ステップにおいて、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、ファジイ・シー・ミーンズ(FuzzyC-Means)法を用いて、前記サポートベクターマシン(SVM)へ適用するためのクラスタへの帰属度を求めることが好適である。 Further, in the singular value decomposition step, the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD) is applied to the support vector machine (SVM) using the Fuzzy C-Means method. It is preferable to obtain the degree of membership to a cluster for the purpose of determining the degree of membership in a cluster.

また、前記機械学習ステップにおける前記機械学習として、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、教師なし学習である自己組織化写像(SOM)を用いた学習を行なうことが好適である。 Further, as the machine learning in the machine learning step, it is preferable to perform learning using self-organizing mapping (SOM), which is unsupervised learning, on the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD). It is.

また、前記出力ステップにおける前記作動状態の前記判断情報に基づいて、前記原動機の前記作動を制御する作動制御ステップをさらに備えたことが好適である。 Further, it is preferable that the engine further comprises an operation control step of controlling the operation of the prime mover based on the judgment information of the operation state in the output step.

また、前記原動機は、内燃機関及び/又は内燃機関に付随した可動部であることが好適である。 Further, it is preferable that the prime mover is an internal combustion engine and/or a movable part attached to the internal combustion engine.

また、前記出力ステップにおいて、前記作動状態の前記判断情報として、前記内燃機関のノッキング状態の判断情報を出力することが好適である。 Further, in the output step, it is preferable that determination information on a knocking state of the internal combustion engine is outputted as the determination information on the operating state.

また、前記出力ステップにおいて、前記ノッキング状態の前記判断情報としてノッキング指標を導出して出力することが好適である。 Further, in the outputting step, it is preferable that a knocking index is derived and outputted as the determination information of the knocking state.

また、前記出力ステップにおける前記ノッキング状態の前記判断情報に基づいて、前記作動制御ステップで前記内燃機関及び/又は前記内燃機関に付随した可動部の前記作動を制御することが好適である。 Further, it is preferable that the operation of the internal combustion engine and/or the movable part attached to the internal combustion engine is controlled in the operation control step based on the determination information of the knocking state in the output step.

本発明の請求項1に係る状態判断方法によれば、原動機の作動状態を示す音、振動、圧力変動の少なくとも1つの学習用データを取得し、取得した前記学習用データの周波数解析を行い、前記周波数解析の結果に対して特異値分解(SVD)を行い、さらに前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間を入力データとして前記原動機の作動状態を出力とする機械学習を行い、前記機械学習の結果に基づいて前記原動機の作動状態の判断情報を導出して入力データをクラスタ化する判断予測手段を構築し、前記原動機の前記作動状態を示す判断対象データを取得し、取得した前記判断対象データの前記周波数解析を行い、前記周波数解析の結果に対して前記特異値分解(SVD)を行い、さらに前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴量を前記入力データとして前記判断予測手段に入力し、前記原動機の前記判断対象データに対する前記判断情報を導出することによって、原動機の作動状態を適切に判断することができる。 According to the state determination method according to claim 1 of the present invention, at least one learning data of sound, vibration, and pressure fluctuation indicating the operating state of the prime mover is acquired, and frequency analysis of the acquired learning data is performed. Performing singular value decomposition (SVD) on the result of the frequency analysis, further performing machine learning using the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD) as input data and outputting the operating state of the prime mover, A judgment prediction means is constructed that derives judgment information on the operating state of the prime mover based on the results of machine learning and clusters input data, and acquires judgment target data indicating the operating status of the prime mover. The frequency analysis of the judgment target data is performed, the singular value decomposition (SVD) is performed on the result of the frequency analysis, and the feature quantity extracted by the singular value decomposition (SVD) is used as the input data to predict the judgment. By inputting the judgment information into the means and deriving the judgment information for the judgment target data of the prime mover , it is possible to appropriately judge the operating state of the prime mover.

ここで、前記周波数解析として、ウェーブレット変換を用いた解析を行うことによって、原動機の作動状態に関する機械学習を適切に行うことができる。 Here, by performing analysis using wavelet transform as the frequency analysis, machine learning regarding the operating state of the prime mover can be appropriately performed.

また、前記機械学習として、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、教師あり学習を用いてパターン認識を行うサポートベクターマシン(SVM)を用いた学習を行うことによって、原動機の作動状態を複数のクラスタに分類するための機械学習を適切に行うことができる。 In addition, as the machine learning, learning using a support vector machine (SVM) that performs pattern recognition using supervised learning is performed on the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD). Appropriate machine learning can be performed to classify the operating state of the device into multiple clusters.

また、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、ファジイ・シー・ミーンズ(FuzzyC-Means)法を用いてクラスタへの帰属度を求めて、前記サポートベクターマシン(SVM)へ適用することによって、原動機の作動状態を複数のクラスタに分類するための教師付き機械学習を適切に行うことができる。 Furthermore, for the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD), the degree of membership to clusters is determined using the Fuzzy C-Means method, and the degree of membership is calculated using the support vector machine (SVM). By applying this method, it is possible to appropriately perform supervised machine learning for classifying the operating state of a prime mover into multiple clusters.

また、前記機械学習として、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、教師なし学習である自己組織化写像(SOM)を用いることによって、原動機の作動状態を複数のクラスタに分類するための機械学習を適切に行うことができる。 In addition, as the machine learning, by using self-organizing mapping (SOM), which is unsupervised learning, on the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD), the operating state of the prime mover is divided into multiple clusters. Machine learning for classification can be performed appropriately.

また、前記作動状態の前記判断情報に基づいて、さらに前記原動機の前記作動を制御することによって、原動機の作動状態を適切に判断した判断結果に基づいて原動機を適切に制御することができる。 Further, by further controlling the operation of the prime mover based on the judgment information of the operating state, the prime mover can be appropriately controlled based on the judgment result of appropriately determining the operating state of the prime mover.

また、前記原動機は、内燃機関及び/又は内燃機関に付随した可動部であることによって、内燃機関及び/又は内燃機関に付随した可動部の作動状態を適切に判断した判断結果に基づいて内燃機関及び/又は内燃機関に付随した可動部を適切に制御することができる。 Further, since the prime mover is an internal combustion engine and/or a movable part attached to the internal combustion engine, the internal combustion engine And/or movable parts associated with the internal combustion engine can be appropriately controlled.

また、前記作動状態の前記判断情報として、前記内燃機関のノッキング状態の判断情報を導出することによって、内燃機関のノッキング状態を適切に判断することができる。 Furthermore, by deriving determination information on the knocking state of the internal combustion engine as the determination information on the operating state, it is possible to appropriately determine the knocking state of the internal combustion engine.

また、前記ノッキング状態の前記判断情報として、ノッキング指標を導出することによって、内燃機関のノッキング状態を示す判断結果をノッキング指標として得ることができる。 Furthermore, by deriving a knocking index as the determination information on the knocking state, a determination result indicating the knocking state of the internal combustion engine can be obtained as the knocking index.

また、前記ノッキング状態の前記判断情報に基づいて、前記内燃機関の前記ノッキング状態を解消する制御を行うことによって、内燃機関のノッキング状態を適切に判断した判断結果に基づいて内燃機関を適切に制御することができる。 Further, by performing control to eliminate the knocking state of the internal combustion engine based on the determination information of the knocking state, the internal combustion engine is appropriately controlled based on the determination result of appropriately determining the knocking state of the internal combustion engine. can do.

本発明の請求項11に係る原動機の状態判断プログラムによれば、コンピュータに、原動機の作動状態を示す音、振動、圧力変動の少なくとも1つの学習用データを取得させる学習用データ取得ステップと、取得した前記学習用データの周波数解析を行う周波数解析ステップと、前記周波数解析の結果に対して特異値分解(SVD)を行う特異値分解ステップと、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間を入力データとして前記原動機の作動状態を出力とする機械学習を行う機械学習ステップと、前記機械学習の結果に基づいて前記原動機の作動状態の判断情報を導出して入力データをクラスタ化する判断予測手段を構築する構築ステップと、前記原動機の前記作動状態を示す判断対象データを取得し、取得した前記判断対象データの前記周波数解析を行い、前記周波数解析の結果に対して前記特異値分解(SVD)を行い、さらに前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴量を前記入力データとして前記判断予測手段に入力し、前記原動機の前記判断対象データに対する前記判断情報を出力する出力ステップを実行させることによって、原動機の作動状態を適切に判断することができる。 According to the prime mover state determination program according to claim 11 of the present invention, the learning data acquisition step causes the computer to acquire at least one learning data of sound, vibration, and pressure fluctuation indicating the operating state of the prime mover; a frequency analysis step of performing frequency analysis of the training data, a singular value decomposition step of performing singular value decomposition (SVD) on the result of the frequency analysis, and a feature space extracted by the singular value decomposition (SVD). a machine learning step in which machine learning is performed using input data as input data and the operating state of the prime mover as an output; and a judgment prediction step in which judgment information on the operating state of the prime mover is derived based on the result of the machine learning and the input data is clustered. a construction step of constructing a means, acquiring determination target data indicating the operating state of the prime mover, performing the frequency analysis of the acquired determination target data, and performing the singular value decomposition (SVD) on the result of the frequency analysis. ), and further inputs the feature quantity extracted by the singular value decomposition (SVD) to the judgment prediction means as the input data, and executes an output step of outputting the judgment information for the judgment target data of the prime mover. By this, the operating state of the prime mover can be appropriately determined.

ここで、前記周波数解析ステップにおける前記周波数解析として、ウェーブレット変換を用いた解析を行うことによって、原動機の作動状態に関する機械学習を適切に行うことができる。 Here, by performing analysis using wavelet transform as the frequency analysis in the frequency analysis step, machine learning regarding the operating state of the prime mover can be appropriately performed.

また、前記機械学習ステップにおける前記機械学習として、前記特異値分解ステップの前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、教師あり学習を用いてパターン認識を行うサポートベクターマシン(SVM)を用いた学習を行なうことによって、原動機の作動状態を複数のクラスタに分類するための機械学習を適切に行うことができる。 Further, as the machine learning in the machine learning step, the support vector machine (SVM) performs pattern recognition using supervised learning on the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD) in the singular value decomposition step. ), it is possible to appropriately perform machine learning for classifying the operating state of the prime mover into multiple clusters.

また、前記特異値分解ステップにおいて、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、ファジイ・シー・ミーンズ(FuzzyC-Means)法を用いて、前記サポートベクターマシン(SVM)へ適用するためのクラスタへの帰属度を求めることによって、原動機の作動状態を複数のクラスタに分類するための教師付き機械学習を適切に行うことができる。 Further, in the singular value decomposition step, the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD) is applied to the support vector machine (SVM) using the Fuzzy C-Means method. By determining the degree of membership to a cluster for the purpose of classifying the operating state of the prime mover into a plurality of clusters, it is possible to appropriately perform supervised machine learning for classifying the operating state of the prime mover into a plurality of clusters.

また、前記機械学習ステップにおける前記機械学習として、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、教師なし学習である自己組織化写像(SOM)を用いた学習を行なうことによって、原動機の作動状態を複数のクラスタに分類するための機械学習を適切に行うことができる。 Further, as the machine learning in the machine learning step, by performing learning using self-organizing mapping (SOM), which is unsupervised learning, on the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD), Machine learning for classifying the operating state of a prime mover into a plurality of clusters can be appropriately performed.

また、前記出力ステップにおける前記作動状態の前記判断情報に基づいて、前記原動機の前記作動を制御する作動制御ステップをさらに備えたことによって、原動機の作動状態を適切に判断した判断結果に基づいて原動機を適切に制御することができる。 Further, by further comprising an operation control step of controlling the operation of the prime mover based on the judgment information of the operating state in the output step, the prime mover is can be controlled appropriately.

また、前記原動機は、内燃機関及び/又は内燃機関に付随した可動部であることによって、内燃機関及び/又は内燃機関に付随した可動部の作動状態を適切に判断した判断結果に基づいて内燃機関及び/又は内燃機関に付随した可動部を適切に制御することができる。 Further, since the prime mover is an internal combustion engine and/or a movable part attached to the internal combustion engine, the internal combustion engine And/or movable parts associated with the internal combustion engine can be appropriately controlled.

また、前記出力ステップにおいて、前記作動状態の前記判断情報として、前記内燃機関のノッキング状態の判断情報を出力することによって、内燃機関のノッキング状態を適切に判断することができる。 Furthermore, in the output step, the knocking state of the internal combustion engine can be appropriately determined by outputting determination information on the knocking state of the internal combustion engine as the determination information on the operating state.

また、前記出力ステップにおいて、前記ノッキング状態の前記判断情報としてノッキング指標を導出して出力することによって、内燃機関のノッキング状態を示す判断結果をノッキング指標として得ることができる。 Furthermore, in the output step, by deriving and outputting a knocking index as the determination information on the knocking state, a determination result indicating the knocking state of the internal combustion engine can be obtained as the knocking index.

また、前記出力ステップにおける前記ノッキング状態の前記判断情報に基づいて、前記作動制御ステップで前記内燃機関及び/又は前記内燃機関に付随した可動部の前記作動を制御することによって、内燃機関のノッキング状態を適切に判断した判断結果に基づいて内燃機関を適切に制御することができる。 Further, the knocking state of the internal combustion engine is controlled by controlling the operation of the internal combustion engine and/or a movable part attached to the internal combustion engine in the operation control step based on the determination information of the knocking state in the output step. The internal combustion engine can be appropriately controlled based on the result of the appropriate judgment.

本発明の実施の形態における状態判断装置の構成を示す機能ブロック図である。FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of a state determining device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における状態判断装置の構成を示す図である。1 is a diagram showing the configuration of a state determination device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における機械学習処理を示すフローチャートである。It is a flow chart showing machine learning processing in an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における学習用データの例を示す図である。It is a figure showing an example of data for learning in an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態におけるウェーブレット変換及び特異値分解処理を施した学習用データの例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of learning data subjected to wavelet transform and singular value decomposition processing according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における変換特異値分解処理を施した学習用データの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the data for learning which performed the conversion singular value decomposition process in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態において学習用データから抽出された特異値(特徴量)の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the singular value (feature amount) extracted from the data for learning in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における学習用データに対する特徴量空間の例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a feature space for learning data in an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態においてファジィ・シー・ミーンズ法を適用してクラスタへの帰属度を求めた例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of determining the degree of membership to a cluster by applying the fuzzy sea means method in the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態におけるサポートベクターマシンによる機械学習の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of machine learning by the support vector machine in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における自己組織化写像による機械学習の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of machine learning by self-organizing mapping in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における作動状態の判断処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the judgment process of the operating state in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における内燃機関のノッキング発生に対する判断結果の例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a determination result regarding the occurrence of knocking in an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. 内燃機関の運転状態を示す状態図である。FIG. 3 is a state diagram showing the operating state of the internal combustion engine. 内燃機関の燃焼室内の圧力の時間変化(クランク軸角度変化)を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing temporal changes in pressure within a combustion chamber of an internal combustion engine (crankshaft angle changes).

[基本構成]
本発明の実施の形態における原動機の状態判断装置100は、図1に示すように、学習用データ取得手段10、周波数解析手段12、特異値分解手段14、機械学習手段16、判断対象データ取得手段18及び判断予測手段20を含んで構成される。
[Basic configuration]
As shown in FIG. 1, a prime mover state determination device 100 according to an embodiment of the present invention includes a learning data acquisition means 10, a frequency analysis means 12, a singular value decomposition means 14, a machine learning means 16, and a determination target data acquisition means. 18 and judgment prediction means 20.

状態判断装置100は、原動機(図示せず)の作動に伴って発生する音、振動、圧力変動の少なくとも1つのデータを取得することによって、当該データに基づいて原動機の作動状態を判断する処理を行う。 The condition determining device 100 performs a process of determining the operating state of the prime mover (not shown) based on the data, by acquiring at least one data of sound, vibration, and pressure fluctuation that occurs with the operation of the prime mover (not shown). conduct.

本実施の形態において、原動機とは、自然界に存在するエネルギーを機械動力に変換する機械や変換したエネルギーを利用する機械全般を意味する。例えば、原動機は、熱機関、流体機械、電動機等、又はそれらに付随する軸受やプロペラ等の可動部を含むものである。 In this embodiment, a prime mover means a machine that converts energy existing in the natural world into mechanical power, and a machine that uses the converted energy in general. For example, the prime mover includes a heat engine, a fluid machine, an electric motor, or the like, or a movable part such as a bearing or a propeller associated therewith.

状態判断装置100は、図2に示すように、処理部30、記憶部32、入力部34、出力部36及び通信部38を含んで構成されるコンピュータによって実現することができる。 The state determination device 100 can be realized by a computer including a processing section 30, a storage section 32, an input section 34, an output section 36, and a communication section 38, as shown in FIG.

処理部30は、CPU等を含んで構成され、状態判断装置100における処理を統合的に行う。処理部30は、記憶部32に記憶されている状態判断プログラムを実行することにより、本実施の形態における状態判断方法を実現することを可能にする。すなわち、コンピュータを学習用データ取得手段10、周波数解析手段12、特異値分解手段14、機械学習手段16、判断対象データ取得手段18及び判断予測手段20として機能させる。記憶部32は、状態判断装置100における状態判断処理において用いられる状態判断プログラムや機械学習に用いられる学習用データや状態判断する対象となる判断対象データ等の処理に用いられる情報を記憶する。記憶部32は、例えば、半導体メモリ、ハードディスク等で構成することができる。入力部34は、状態判断装置100に対して情報を入力するための手段を含む。入力部34は、例えば、キーボードやマウス等を含んで構成される。出力部36は、状態判断装置100で処理された情報を表示させる手段を含む。出力部36は、例えば、ディスプレイとすることができる。通信部38は、外部の装置との情報交換を行うためのインターフェースを含んで構成される。通信部38は、例えば、インターネット等の情報通信網や専用回線に接続されることによって外部の装置との通信を可能にする。なお、状態判断装置100として、処理部30を除く組み合わせは、この構成に限定されない。 The processing unit 30 includes a CPU and the like, and performs processing in the state determination device 100 in an integrated manner. The processing unit 30 makes it possible to implement the state determination method in this embodiment by executing the state determination program stored in the storage unit 32. That is, the computer functions as the learning data acquisition means 10, the frequency analysis means 12, the singular value decomposition means 14, the machine learning means 16, the judgment target data acquisition means 18, and the judgment prediction means 20. The storage unit 32 stores information used for processing, such as a state judgment program used in the state judgment processing in the state judgment device 100, learning data used for machine learning, and judgment target data to be subjected to state judgment. The storage unit 32 can be configured with, for example, a semiconductor memory, a hard disk, or the like. The input unit 34 includes means for inputting information to the state determining device 100. The input unit 34 includes, for example, a keyboard, a mouse, and the like. The output unit 36 includes means for displaying information processed by the state determining device 100. The output unit 36 can be, for example, a display. The communication unit 38 includes an interface for exchanging information with external devices. The communication unit 38 enables communication with external devices by being connected to an information communication network such as the Internet or a dedicated line, for example. Note that the combination of the state determination device 100 excluding the processing unit 30 is not limited to this configuration.

[機械学習処理]
以下、図3のフローチャートを参照して、状態判断装置100における原動機の作動状態に関する機械学習処理について説明する。状態判断装置100は、記憶部32に記憶されている状態判断プログラムを実行することによって以下の機械学習処理を行う。
[Machine learning processing]
The machine learning process regarding the operating state of the prime mover in the state determining device 100 will be described below with reference to the flowchart of FIG. The state determination device 100 performs the following machine learning process by executing the state determination program stored in the storage unit 32.

ステップS10では、原動機の作動状態に関する機械学習を行うための学習用データの取得処理が行われる。当該ステップにおける処理によって、状態判断装置100は学習用データ取得手段10として機能する。処理部30は、入力部34又は通信部38を介して、機械学習を行うためのデータを取得する。例えば、解析対象である原動機や周辺に設けられたセンサによって原動機の作動に伴って発生する音、振動、圧力変動の少なくとも1つの時間的な変化を示す時系列データを取得する。取得されたデータは、記憶部32に記憶される。 In step S10, processing for acquiring learning data for performing machine learning regarding the operating state of the prime mover is performed. Through the processing in this step, the state determining device 100 functions as the learning data acquisition means 10. The processing unit 30 acquires data for performing machine learning via the input unit 34 or the communication unit 38. For example, time-series data indicating temporal changes in at least one of the sounds, vibrations, and pressure fluctuations generated in conjunction with the operation of the prime mover is acquired by sensors installed on or around the prime mover to be analyzed. The acquired data is stored in the storage unit 32.

図4は、学習用データの一例として、内燃機関のクランク軸角度に対する燃焼室内の圧力変化を示す。ただし、学習用データは、これに限定されるものではなく、原動機の作動に伴って発生する音響データや振動データとしてもよい。 FIG. 4 shows, as an example of learning data, changes in pressure within the combustion chamber with respect to the crankshaft angle of the internal combustion engine. However, the learning data is not limited to this, and may also be acoustic data or vibration data generated with the operation of the prime mover.

ステップS12では、学習用データに対して周波数解析処理が行われる。当該ステップにおける処理によって、状態判断装置100は周波数解析手段12として機能する。処理部30は、ステップS10において取得された時系列データを周波数空間における周波数データに変換する周波数解析処理を施す。周波数解析処理としては、例えば、ウェーブレット変換(Wavelet Transformation)を適用することが好適である。ウェーブレット変換は、周波数解析の手法の一つであり、基底関数としてウェーブレット関数を用いた周波数解析である。基本的には、小さい波(ウェーブレット)を拡大縮小及び平行移動して足し合わせることで、与えられた学習用データの波形を表現するものである。ウェーブレット変換では、基底関数の拡大縮小を行うので、広い周波数領域の解析が可能である。 In step S12, frequency analysis processing is performed on the learning data. Through the processing in this step, the state determination device 100 functions as the frequency analysis means 12. The processing unit 30 performs frequency analysis processing to convert the time series data acquired in step S10 into frequency data in a frequency space. As the frequency analysis process, it is preferable to apply, for example, wavelet transformation. Wavelet transform is one of the methods of frequency analysis, and is frequency analysis using a wavelet function as a basis function. Basically, the waveform of the given learning data is expressed by scaling and translating small waves (wavelets) and adding them together. In wavelet transform, the basis functions are scaled up and down, so it is possible to analyze a wide frequency domain.

ステップS14では、学習用データに対して特異値分解処理が行われる。当該ステップにおける処理によって、状態判断装置100は特異値分解手段14の一部として機能する。処理部30は、ステップS12において周波数解析された学習用データに対して特異値分解処理(SVD:Singular Value Decomposition)を施す。特異値分解とは、線形代数学において複素数又は実数を成分とする行列に対する行列分解の手法である。なお、特異値分解(SVD)は、行列の特異値分解の際に特異値をより強調する変換特異値分解(TSVD)であることが好適である。 In step S14, singular value decomposition processing is performed on the learning data. Through the processing in this step, the state determination device 100 functions as a part of the singular value decomposition means 14. The processing unit 30 performs singular value decomposition processing (SVD) on the learning data subjected to frequency analysis in step S12. Singular value decomposition is a method of matrix decomposition for matrices whose components are complex numbers or real numbers in linear algebra. Note that the singular value decomposition (SVD) is preferably a transformed singular value decomposition (TSVD) that emphasizes singular values more when performing singular value decomposition of a matrix.

図5は、ウェーブレット変換及び特異値分解処理された学習用データの一例を示す。また、図6は、図5に示した学習用データの空間変換を行う変換特異値分解処理(TSVD:Transformed SVD)された学習用データの一例を示す。 FIG. 5 shows an example of learning data that has been subjected to wavelet transformation and singular value decomposition processing. Further, FIG. 6 shows an example of the learning data that has been subjected to a transformed singular value decomposition process (TSVD) that performs spatial transformation of the learning data shown in FIG. 5 .

ステップS16では、特異値分解処理された学習用データから特徴量の抽出処理が行われる。当該ステップにおける処理によって、状態判断装置100は特異値分解手段14の一部として機能する。特異値分解処理された学習用データにおいて所定の基準値以上の信号エネルギーを有する状態を学習用データの特徴を示す特徴量として抽出する。 In step S16, feature amount extraction processing is performed from the learning data that has been subjected to singular value decomposition processing. Through the processing in this step, the state determination device 100 functions as a part of the singular value decomposition means 14. In the learning data subjected to the singular value decomposition process, a state having a signal energy equal to or higher than a predetermined reference value is extracted as a feature amount indicating the feature of the learning data.

図7は、図6に示した学習用データの例から抽出された特徴量の例を示す。図7において、σi(チルト)は信号エネルギー、ti(バー)はクランク軸角度(時間)、fi(バー)は周波数、ti(ハット)はクランク軸角度幅(時間スパン)を示している。図7では、信号エネルギーに対する基準値を0.65として、0.65以上のエネルギーを有する5つの状態が特徴量として抽出された例を示している。 FIG. 7 shows an example of the feature amount extracted from the example of the learning data shown in FIG. In FIG. 7, σi (tilt) indicates signal energy, ti (bar) indicates crankshaft angle (time), fi (bar) indicates frequency, and ti (hat) indicates crankshaft angle width (time span). FIG. 7 shows an example in which the reference value for signal energy is 0.65, and five states having energy of 0.65 or more are extracted as feature quantities.

機械学習には様々な学習用データに対する特徴量の抽出が必要であるので、必要に応じてステップS10からステップS16までの処理を繰り返すことが好適である。図8は、多くの学習用データから抽出された特徴量を特徴量空間にプロットした例を示す。図8に示す例では、原動機の作動に伴って発生する音、振動、圧力変動の少なくとも1つの学習用データから抽出された特徴量がクランク軸角度及び周波数で表される特徴量空間において2つのクラスタ(分類群)に分かれている。 Since machine learning requires extraction of feature amounts from various learning data, it is preferable to repeat the processes from step S10 to step S16 as necessary. FIG. 8 shows an example in which feature quantities extracted from a large amount of learning data are plotted in a feature space. In the example shown in FIG. 8, the feature quantity extracted from at least one learning data of sound, vibration, and pressure fluctuation generated with the operation of the prime mover is divided into two in the feature quantity space expressed by the crankshaft angle and frequency. It is divided into clusters (taxonomic groups).

ステップS18では、特異値分解によって得られた学習用データの特徴量を入力データとして原動機の作動状態に判断するための機械学習が行われる。当該ステップにおける処理によって、状態判断装置100は機械学習手段16として機能する。機械学習は、原動機の作動状態を複数の状態のいずれかに分類するためのクラスタ分類が可能なものであれば特に限定されるものではないが、例えばサポートベクターマシン(SVM:Support Vector Machine)、自己組織化写像(SOM:Self-Organizing Maps)等から選択して適用することができる。 In step S18, machine learning is performed to determine the operating state of the prime mover using the feature amount of the learning data obtained by singular value decomposition as input data. Through the processing in this step, the state determining device 100 functions as the machine learning means 16. Machine learning is not particularly limited as long as it is capable of cluster classification to classify the operating state of the prime mover into one of a plurality of states, but for example, support vector machine (SVM), It is possible to select and apply from Self-Organizing Maps (SOM) and the like.

機械学習としてサポートベクターマシン(SVM)を適用する場合、学習に使用する入力データとなる特徴量に対して予めクラスタ(分類群)への帰属度を求めて特徴量とクラスタへの帰属度を関連付けて教師あり学習用データとして使用する。例えば、ファジィ・シー・ミーンズ法(FuzzyC-Means)を特異値分解で得られた特徴量空間に適用することによって特徴量に対してクラスタへの帰属度を求めることができる。 When applying support vector machine (SVM) as machine learning, the degree of belonging to a cluster (taxonomic group) is determined in advance for the feature values that are the input data used for learning, and the degree of belonging to the cluster is associated with the feature values. and used as data for supervised learning. For example, by applying the Fuzzy C-Means method to the feature space obtained by singular value decomposition, the degree of membership of the feature to a cluster can be determined.

図9は、図8に示した特徴量空間に対してファジィ・シー・ミーンズ法(FuzzyC-Means)を適用して各特徴量に対してクラスタへの帰属度を求めた例を示す。図9における等高線は、特徴量の各々に対して求められたクラスタ1(Cluster1)とクラスタ2(Cluster2)への帰属度を示している。 FIG. 9 shows an example in which the degree of membership of each feature to a cluster is determined by applying the Fuzzy C-Means method to the feature space shown in FIG. 8. The contour lines in FIG. 9 indicate the degree of belonging to cluster 1 (Cluster 1) and cluster 2 (Cluster 2) determined for each feature amount.

このようにして得られたクラスタへの帰属度を教師データとして特異値分解で得られた特徴量と組み合わせて教師あり学習用データとしてサポートベクターマシンを適用する。サポートベクターマシンは、線形入力素子を利用してクラスのパターン識別器を構成する。具体的には、教師あり学習用データに基づいて各特徴量との距離が最大となるマージン最大化超平面を求めるという基準(超平面分離定理)で線形入力素子のパラメータを学習する。これによって、図10に示すように、入力データをクラスタ1とクラスタ2とにクラスタ化する識別器(本実施の形態では判断予測手段20)を得ることができる。 The degrees of membership to clusters obtained in this way are used as teacher data in combination with the feature quantities obtained by singular value decomposition, and a support vector machine is applied as data for supervised learning. Support vector machines utilize linear input elements to construct pattern discriminators for classes. Specifically, the parameters of the linear input element are learned based on the criterion (hyperplane separation theorem) of finding a margin-maximizing hyperplane that maximizes the distance to each feature based on supervised learning data. As a result, as shown in FIG. 10, it is possible to obtain a discriminator (judgment prediction means 20 in this embodiment) that clusters input data into cluster 1 and cluster 2.

また、機械学習として、サポートベクターマシン(SVM)に代えて自己組織化写像(SOM)を適用してもよい。機械学習として自己組織化写像(SOM)を適用する場合、特異値分解で得られた特徴量空間からなる教師なし学習用データを入力データとして機械学習を行う。自己組織化写像は、ニューラルネットワークの一種であり、教師なし学習によって入力データを任意の次元へ写像して入力データをクラスタ1とクラスタ2とにクラスタ化する識別器(本実施の形態では判断予測手段20)を得ることができる。図11は、図8に示した特徴量空間に対して自己組織化写像を適用した場合の学習結果の例を示す。図11に示すように、自己組織化写像を適用することによって、入力データを複数のクラスタにクラスタ化する識別器(本実施の形態では判断予測手段20)を得ることができる。 Further, as machine learning, self-organizing mapping (SOM) may be applied instead of support vector machine (SVM). When applying self-organizing mapping (SOM) as machine learning, machine learning is performed using unsupervised learning data consisting of a feature space obtained by singular value decomposition as input data. Self-organizing mapping is a type of neural network, and is a discriminator (in this embodiment, a discriminator (judgment prediction) that maps input data to an arbitrary dimension by unsupervised learning and clusters the input data into cluster 1 and cluster 2. Means 20) can be obtained. FIG. 11 shows an example of a learning result when self-organizing mapping is applied to the feature space shown in FIG. 8. As shown in FIG. 11, by applying self-organizing mapping, it is possible to obtain a classifier (in this embodiment, the judgment prediction means 20) that clusters input data into a plurality of clusters.

以上のように、状態判断装置100は、機械学習処理によって原動機の作動に伴って発生する音、振動、圧力変動の少なくとも1つを学習用データとして、当該データに基づいて原動機の作動状態を複数のクラスタ(分類群)のいずれかに属するかを判断する識別器(判断予測手段20)を生成する。 As described above, the state determination device 100 uses at least one of sound, vibration, and pressure fluctuation that occurs with the operation of the prime mover as learning data through machine learning processing, and determines a plurality of operating states of the prime mover based on the data. A classifier (judgment prediction means 20) is generated that determines which cluster (classification group) belongs to.

[作動状態の判断処理]
以下、図12のフローチャートを参照して、機械学習処理によって得られた識別器(判断予測手段20)を用いて入力データから原動機の作動状態を判断する処理について説明する。状態判断装置100は、記憶部32に記憶されている状態判断プログラムを実行することによって以下の作動状態の判断処理を行う。
[Operation status judgment processing]
Hereinafter, with reference to the flowchart of FIG. 12, a process of determining the operating state of the prime mover from input data using a classifier (judgment prediction means 20) obtained by machine learning processing will be described. The state determining device 100 executes the state determining program stored in the storage unit 32 to perform the following operation state determining process.

ステップS20では、作動状態を判断する対象となる原動機の作動状態を示す入力データの取得処理が行われる。当該ステップにおける処理によって、状態判断装置100は判断対象データ取得手段18として機能する。処理部30は、入力部34又は通信部38を介して、原動機の作動状態を示す判断対象データを取得する。例えば、原動機に設けられたセンサによって原動機の作動に伴って発生する音、振動、圧力変動の少なくとも1つの時間的な変化を示す時系列データを取得する。取得されたデータは、記憶部32に記憶される。当該処理によって得られる判断対象データは、図4に示した学習用データと同様のデータとなる。 In step S20, a process is performed to obtain input data indicating the operating state of the prime mover whose operating state is to be determined. Through the processing in this step, the state determination device 100 functions as the determination target data acquisition means 18. The processing unit 30 acquires judgment target data indicating the operating state of the prime mover via the input unit 34 or the communication unit 38. For example, time-series data indicating temporal changes in at least one of sound, vibration, and pressure fluctuations generated with the operation of the prime mover is acquired by a sensor provided on the prime mover. The acquired data is stored in the storage unit 32. The judgment target data obtained by this process is similar to the learning data shown in FIG. 4.

ステップS22では、判断対象データに対して周波数解析処理が行われる。当該ステップにおける処理によって、状態判断装置100は周波数解析手段12として機能する。当該処理は、上記ステップS12と同様の処理であるので説明を省略する。 In step S22, frequency analysis processing is performed on the judgment target data. Through the processing in this step, the state determination device 100 functions as the frequency analysis means 12. This process is similar to step S12 above, so the explanation will be omitted.

ステップS24では、判断対象データに対して特異値分解処理が行われる。当該ステップにおける処理によって、状態判断装置100は特異値分解手段14の一部として機能する。当該処理は、上記ステップS14と同様の処理であるので説明を省略する。 In step S24, singular value decomposition processing is performed on the judgment target data. Through the processing in this step, the state determination device 100 functions as a part of the singular value decomposition means 14. This process is similar to step S14 above, so the explanation will be omitted.

ステップS26では、特異値分解処理された判断対象データから特徴量の抽出処理が行われる。当該ステップにおける処理によって、状態判断装置100は特異値分解手段14の一部として機能する。当該処理は、上記ステップS16と同様の処理であるので説明を省略する。 In step S26, feature amount extraction processing is performed from the judgment target data that has been subjected to singular value decomposition processing. Through the processing in this step, the state determination device 100 functions as a part of the singular value decomposition means 14. This process is similar to step S16 above, so the explanation will be omitted.

ステップS28では、特異値分解によって得られた判断対象データの特徴量を入力データとして原動機の作動状態を判断する処理が行われる。当該ステップにおける処理によって、状態判断装置100は判断予測手段20として機能する。このとき、上記ステップS18における機械学習によって得られた識別器(判断予測手段20)に判断対象データの特徴量を入力することによって原動機の作動状態を判断した結果を示す判断結果が出力される。 In step S28, a process is performed to determine the operating state of the prime mover using the feature amount of the determination target data obtained by singular value decomposition as input data. Through the processing in this step, the state judgment device 100 functions as the judgment prediction means 20. At this time, a determination result indicating the result of determining the operating state of the prime mover is output by inputting the feature amount of the determination target data to the discriminator (determination prediction means 20) obtained by machine learning in step S18.

判断予測手段20から出力された判断結果は、原動機の作動を制御するために利用することができる。例えば、原動機の作動状態に異常が発生しているという判断結果が得られた場合、原動機の作動条件を調整して異常が解消されるように制御してもよい。また、原動機の作動状態に異常が発生しているという判断結果が得られた場合、出力部36又は通信部38を用いてアラームを出力し、アラームに応じて原動機をメンテナンスするようにしてもよい。作動状態を常時表示し、異常時は表示方法を変えるなどの方法を採ってもよい。 The judgment result output from the judgment prediction means 20 can be used to control the operation of the prime mover. For example, when it is determined that an abnormality has occurred in the operating state of the prime mover, the operating conditions of the prime mover may be adjusted so that the abnormality is resolved. Furthermore, if a determination result is obtained that an abnormality has occurred in the operating state of the prime mover, an alarm may be output using the output unit 36 or the communication unit 38, and maintenance of the prime mover may be performed in response to the alarm. . A method may be adopted in which the operating status is always displayed and the display method is changed when an abnormality occurs.

図13は、内燃機関のクランク軸角度に対する燃焼室内の圧力変化を学習用データとして機械学習させた識別器(判断予測手段20)に当該内燃機関のクランク軸角度に対する燃焼室内の圧力変化を判断対象データとして入力させてノッキング発生の有無を判断させた結果を示す。図13では、横軸は判断対象データを取得して判断を行った判断回数(Analysed Instance:1プロットが10燃焼サイクルを示す)、縦軸はノッキングが発生していないことを示す指数(Non-knocking Index)及びノッキングが発生していることを示す指数(Knocking Index)を示している。図13では、燃焼サイクル数が増加することによって、判断回数が500を超える辺りからノッキング発生を示す判断結果が出力されている。 FIG. 13 shows a discriminator (judgment/prediction means 20) that has been machine-learned using learning data to determine pressure changes in the combustion chamber with respect to the crankshaft angle of the internal combustion engine. This shows the results of inputting data to determine whether knocking has occurred. In FIG. 13, the horizontal axis indicates the number of judgments made by acquiring judgment target data (Analysed Instances: one plot indicates 10 combustion cycles), and the vertical axis indicates the index indicating that knocking has not occurred (Non- Knocking Index) and an index indicating that knocking has occurred (Knocking Index). In FIG. 13, as the number of combustion cycles increases, the determination result indicating the occurrence of knocking is output around the time when the number of determinations exceeds 500.

状態判断装置100では、当該ノッキング発生を示す判断結果に基づいて内燃機関のノッキングを解消する制御を行うようにしてもよい。例えば、ノッキングが発生していることを示す指数に応じて、内燃機関の燃料空気比を調整してノッキングが発生しないように制御すればよい。 The state determining device 100 may perform control to eliminate knocking in the internal combustion engine based on the determination result indicating the occurrence of knocking. For example, the fuel-air ratio of the internal combustion engine may be adjusted in accordance with an index indicating that knocking is occurring to prevent knocking from occurring.

本発明は、原動機の作動状態を判断するために利用することができる。特に、ガスエンジンは熱効率を上げるためにノッキング発生に近い状態で運転されることが多く、負荷変動を起こし易い船舶で用いられるガスエンジンに利用することが有効である。硫黄成分規制によってディーゼル機関では船舶燃料として適合重油を使うが、低負荷状態においてノッキングを起こし易いのでディーゼル油に換える必要がある。そこで、本発明をディーゼル機関のノッキング発生の判断に利用することで燃料の切り替えを適切に制御することができる。 INDUSTRIAL APPLICATION This invention can be utilized for determining the operating state of a prime mover. In particular, gas engines are often operated in conditions close to the occurrence of knocking in order to increase thermal efficiency, and it is effective to use this method in gas engines used in ships where load fluctuations are likely to occur. Due to regulations on sulfur content, diesel engines use compliant heavy oil as marine fuel, but it tends to cause knocking under low load conditions, so it is necessary to switch to diesel oil. Therefore, by utilizing the present invention to determine the occurrence of knocking in a diesel engine, it is possible to appropriately control fuel switching.

10 学習用データ取得手段、12 周波数解析手段、14 特異値分解手段、16 機械学習手段、18 判断対象データ取得手段、20 判断予測手段、30 処理部、32 記憶部、34 入力部、36 出力部、38 通信部、100 状態判断装置。 10 learning data acquisition means, 12 frequency analysis means, 14 singular value decomposition means, 16 machine learning means, 18 judgment target data acquisition means, 20 judgment prediction means, 30 processing section, 32 storage section, 34 input section, 36 output section , 38 communication section, 100 status determination device.

Claims (20)

原動機の作動状態を示す音、振動、圧力変動の少なくとも1つの学習用データを取得し、取得した前記学習用データの周波数解析を行い、前記周波数解析の結果に対して特異値分解(SVD)を行い、さらに前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間を入力データとして前記原動機の作動状態を出力とする機械学習を行い、前記機械学習の結果に基づいて前記原動機の作動状態の判断情報を導出して入力データをクラスタ化する判断予測手段を構築し、前記原動機の前記作動状態を示す判断対象データを取得し、取得した前記判断対象データの前記周波数解析を行い、前記周波数解析の結果に対して前記特異値分解(SVD)を行い、さらに前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴量を前記入力データとして前記判断予測手段に入力し、前記原動機の前記判断対象データに対する前記判断情報を導出することを特徴とする原動機の状態判断方法。 Acquire at least one learning data of sound, vibration, and pressure fluctuation indicating the operating state of the prime mover, perform frequency analysis of the acquired learning data, and perform singular value decomposition (SVD) on the result of the frequency analysis. Then, machine learning is performed using the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD) as input data and the operating state of the prime mover as an output, and judgment information on the operating state of the prime mover is determined based on the result of the machine learning. construct a judgment prediction means that clusters the input data by deriving the above, obtains judgment target data indicating the operating state of the prime mover, performs the frequency analysis of the acquired judgment target data, and calculates the result of the frequency analysis. The singular value decomposition (SVD) is performed on the above-mentioned singular value decomposition (SVD), and the feature quantity extracted by the singular value decomposition (SVD) is inputted as the input data to the judgment prediction means, and the judgment on the judgment target data of the prime mover is performed. A method for determining the state of a prime mover characterized by deriving information. 前記周波数解析として、ウェーブレット変換を用いた解析を行うことを特徴とする請求項1に記載の原動機の状態判断方法。 2. The method for determining the state of a prime mover according to claim 1, wherein the frequency analysis is an analysis using wavelet transform. 前記機械学習として、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、教師あり学習を用いてパターン認識を行うサポートベクターマシン(SVM)を用いた学習を行うことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の原動機の状態判断方法。 A claim characterized in that, as the machine learning, learning is performed using a support vector machine (SVM) that performs pattern recognition using supervised learning on the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD). The method for determining the state of a prime mover according to claim 1 or claim 2. 前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、ファジイ・シー・ミーンズ(FuzzyC-Means)法を用いてクラスタへの帰属度を求めて、前記サポートベクターマシン(SVM)へ適用することを特徴とする請求項3に記載の原動機の状態判断方法。 For the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD), the degree of membership to a cluster is determined using the Fuzzy C-Means method and applied to the support vector machine (SVM). 4. The method for determining the state of a prime mover according to claim 3. 前記機械学習として、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、教師なし学習である自己組織化写像(SOM)を用いることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の原動機の状態判断方法。 According to claim 1 or claim 2, the machine learning uses self-organizing mapping (SOM), which is unsupervised learning, for the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD). How to judge the condition of the prime mover. 前記作動状態の前記判断情報に基づいて、さらに前記原動機の作動を制御することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の原動機の状態判断方法。 6. The method for determining the condition of a prime mover according to claim 1, further comprising controlling the operation of the prime mover based on the determination information of the operating condition. 前記原動機は、内燃機関及び/又は内燃機関に付随した可動部であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の原動機の状態判断方法。 The method for determining the state of a prime mover according to any one of claims 1 to 6, wherein the prime mover is an internal combustion engine and/or a movable part attached to the internal combustion engine. 前記作動状態の前記判断情報として、前記内燃機関のノッキング状態の判断情報を導出することを特徴とする請求項に記載の原動機の状態判断方法。 8. The method for determining the state of a prime mover according to claim 7 , further comprising deriving determination information on a knocking state of the internal combustion engine as the determination information on the operating state. 前記ノッキング状態の前記判断情報として、ノッキング指標を導出することを特徴とする請求項8に記載の原動機の状態判断方法。 9. The method for determining the condition of a prime mover according to claim 8, further comprising deriving a knocking index as the determination information of the knocking condition. 前記ノッキング状態の前記判断情報に基づいて、前記内燃機関の前記ノッキング状態を解消する制御を行うことを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の原動機の状態判断方法。 The method for determining the state of a prime mover according to claim 8 or 9, wherein control is performed to eliminate the knocking state of the internal combustion engine based on the determination information of the knocking state. コンピュータに、
原動機の作動状態を示す音、振動、圧力変動の少なくとも1つの学習用データを取得させる学習用データ取得ステップと、
取得した前記学習用データの周波数解析を行う周波数解析ステップと、
前記周波数解析の結果に対して特異値分解(SVD)を行う特異値分解ステップと、
前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間を入力データとして前記原動機の作動状態を出力とする機械学習を行う機械学習ステップと、
前記機械学習の結果に基づいて前記原動機の作動状態の判断情報を導出して入力データをクラスタ化する判断予測手段を構築する構築ステップと、
前記原動機の前記作動状態を示す判断対象データを取得し、取得した前記判断対象データの前記周波数解析を行い、前記周波数解析の結果に対して前記特異値分解(SVD)を行い、さらに前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴量を前記入力データとして前記判断予測手段に入力し、前記原動機の前記判断対象データに対する前記判断情報を出力する出力ステップを実行させることを特徴とする原動機の状態判断プログラム。
to the computer,
a learning data acquisition step of acquiring at least one learning data of sound, vibration, and pressure fluctuation indicating the operating state of the prime mover;
a frequency analysis step of performing frequency analysis of the acquired learning data;
a singular value decomposition step of performing singular value decomposition (SVD) on the result of the frequency analysis;
a machine learning step of performing machine learning using the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD) as input data and outputting the operating state of the prime mover;
a construction step of constructing a judgment prediction means for clustering input data by deriving judgment information about the operating state of the prime mover based on the result of the machine learning;
Obtain judgment target data indicating the operating state of the prime mover, perform the frequency analysis of the obtained judgment target data, perform the singular value decomposition (SVD) on the result of the frequency analysis, and further perform the singular value decomposition (SVD) on the result of the frequency analysis. A state of the prime mover, characterized in that the feature quantity extracted by decomposition (SVD) is input to the judgment prediction means as the input data, and an output step is executed for outputting the judgment information for the judgment target data of the prime mover. judgment program.
前記周波数解析ステップにおける前記周波数解析として、ウェーブレット変換を用いた解析を行うことを特徴とする請求項11に記載の原動機の状態判断プログラム。 12. The program for determining the state of a prime mover according to claim 11, wherein the frequency analysis in the frequency analysis step is an analysis using wavelet transform. 前記機械学習ステップにおける前記機械学習として、前記特異値分解ステップの前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、教師あり学習を用いてパターン認識を行うサポートベクターマシン(SVM)を用いた学習を行なうことを特徴とする請求項11又は請求項12に記載の原動機の状態判断プログラム。 The machine learning in the machine learning step includes a support vector machine (SVM) that performs pattern recognition using supervised learning on the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD) in the singular value decomposition step. 13. The program for determining the state of a prime mover according to claim 11 or 12, wherein the program performs learning using the following methods. 前記特異値分解ステップにおいて、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、ファジイ・シー・ミーンズ(FuzzyC-Means)法を用いて、前記サポートベクターマシン(SVM)へ適用するためのクラスタへの帰属度を求めることを特徴とする請求項13に記載の原動機の状態判断プログラム。 In the singular value decomposition step, the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD) is applied to the support vector machine (SVM) using a fuzzy C-Means method. 14. The program for determining the state of a prime mover according to claim 13, wherein the program determines the degree of belonging to a cluster. 前記機械学習ステップにおける前記機械学習として、前記特異値分解(SVD)により抽出された特徴空間に対して、教師なし学習である自己組織化写像(SOM)を用いた学習を行なうことを特徴とする請求項11又は請求項12に記載の原動機の状態判断プログラム。 The machine learning in the machine learning step is characterized in that learning using self-organizing mapping (SOM), which is unsupervised learning, is performed on the feature space extracted by the singular value decomposition (SVD). The program for determining the state of a prime mover according to claim 11 or 12. 前記出力ステップにおける前記作動状態の前記判断情報に基づいて、前記原動機の作動を制御する作動制御ステップをさらに備えたことを特徴とする請求項11から請求項15のいずれか1項に記載の原動機の状態判断プログラム。 The prime mover according to any one of claims 11 to 15, further comprising an operation control step of controlling the operation of the prime mover based on the judgment information of the operating state in the output step. status determination program. 前記原動機は、内燃機関及び/又は内燃機関に付随した可動部であることを特徴とする請求項11から請求項16のいずれか1項に記載の原動機の状態判断プログラム。 The prime mover status determination program according to any one of claims 11 to 16, wherein the prime mover is an internal combustion engine and/or a movable part attached to the internal combustion engine. 前記出力ステップにおいて、前記作動状態の前記判断情報として、前記内燃機関のノッキング状態の判断情報を出力することを特徴とする請求項17に記載の原動機の状態判断プログラム。 18. The program for determining the state of a prime mover according to claim 17, wherein in the output step, determination information on a knocking state of the internal combustion engine is output as the determination information on the operating state. 前記出力ステップにおいて、前記ノッキング状態の前記判断情報としてノッキング指標を導出して出力することを特徴とする請求項18に記載の原動機の状態判断プログラム。 19. The engine state determination program according to claim 18, wherein in the output step, a knocking index is derived and outputted as the determination information of the knocking state. 前記出力ステップにおける前記ノッキング状態の前記判断情報に基づいて、前記作動制御ステップで前記内燃機関及び/又は前記内燃機関に付随した可動部の作動を制御することを特徴とする請求項16を引用する請求項17をさらに引用する請求項18又は請求項19に記載の原動機の状態判断プログラム。 Referring to claim 16, the operation control step controls the operation of the internal combustion engine and/or a movable part attached to the internal combustion engine based on the determination information of the knocking state in the output step. The program for determining the state of a prime mover according to claim 18 or 19 , which further cites claim 17 .
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