KR100275849B1

KR100275849B1 - 비정상신호 해석장치 및 비정상신호 해석프로그램을 기록한매체

Info

Publication number: KR100275849B1
Application number: KR1019980703562A
Authority: KR
Inventors: 유타카 이이노; 마사노리 유키토모
Original assignee: 니시무로 타이죠; 가부시끼가이샤 도시바; 이토 가즈히코; 도시바 엘리베이터 테크노스 가부시키가이샤
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 2001-03-02
Also published as: KR19990067540A; HK1018643A1; US6199019B1; CH693568A5; CH693568A9; CN1143127C; FI981016A; WO1998011417A1; FI981016A0; MY118297A; CN1207170A; FI120060B

Abstract

본 발명은 감시대상(10)으로부터 발생하는 비정상신호를 해석하기 위한 비정상신호 해석장치이다. 비정상신호를 웨이브렛 변환하여 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 작성하는 웨이브렛 변환 계산수단(2)을 갖고 있다. 감시대상(10)에 있어서의 특정 상태량의 시간변화를 나타낸 상태량 변화함수를 설정하는 상태량 변화함수 설정수단(4, 6)을 갖고 있다. 상태량 변화함수의 역함수에 의해 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 특정 상태량의 좌표로 비선형 변환하는 시간좌표 비선형 변환수단(3)을 갖고 있다.

Description

비정상신호 해석장치 및 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체

종래, 감시대상인 메커니컬 시스템, 프로세스 등으로부터 발생한 신호를 측정기로 측정하고, 측정에 의해 얻어진 신호데이터를 해석함으로써 감시대상의 이상을 검지하여 조작원(오퍼레이터 또는 유저)에게 이상상태를 경고표시하는 진단시스템으로서 여러 가지가 제안되어 있다.

이들 진단시스템은 일반적으로 감시대상으로부터 얻어진 신호데이터를 푸리에 변환하여 스펙트럼을 감시한다거나, 감시대상의 입출력데이터로부터 시스템 동정(同定; Identification) 수법에 의해 특성 모델을 추정한다거나 하는 방법이 주류이다.

그러나, 감시대상의 운전상태가 급격하게 변화하는 비정상상태에 있어서 측정된 비정상신호에 대해서는 푸리에 변환에 의해 시시각각 변화하는 스펙트럼을 구한다거나, 시스템 동정에 의해 변동하는 특성 모듈을 구한다거나 하는 것은 불가능하였다.

그래서, 비정상신호를 해석하여 감시대상의 이상을 검지하는 수법으로서, 웨이브렛 변환(Wavelet 變換)을 이용한 웨이브렛 해석수법이 주목되고 있다. 이하, 이 웨이브렛 해석수법에 대해 설명한다.

감시대상으로부터 측정된 신호데이터를 x(t)로 하면, 종래의 푸리에 변환은 하기 식(1)

(1)에 의해 표현된다. 이에 대해 웨이브렛 변환은, 하기 식(2)

(2)에 의해 표현된다. 여기에서, ø(·)는 마더 웨이브렛(Mother Wavelet)이라 불리우는 변환을 위한 기저함수(基底函數)이다.

푸리에 변환은 웨이브렛 변환에서의 기저함수를 ø(t)=e^-jt, b=0, a=ω^-1로 한 경우에 상당하고, 그 기저함수는 도 2a에 나타낸 것처럼 무한원의 과거로부터 미래로 펼쳐진 함수이다. 따라서, 푸리에 변환에 의해 얻어진 스펙트럼은 예컨대 도 2b에 나타낸 것처럼 주파수축(周波數軸)만의 1차원 함수로 되어, 관측데이터의 어떤 부분의 특징인가라는 시간의존성을 판별할 수 없다.

이에 대해 웨이브렛 변환에서는, 예컨대 하기 식(3)

ø(t)=e^-(t/T)2e^-jt

(3)으로 나타내어지는 가보 함수(Gabor 函數)라 불리우는 함수를 기저함수로서 이용함으로써, 이 기저함수는 도 3a에 나타낸 것과 같은 시간적으로 국소존재하는 함수로 된다.

이 때문에 웨이브렛 변환에 의해 얻어진 스펙트럼은, 예컨대 도 3b에 나타낸 것처럼 주파수축 및 시간축에 대한 2차원 함수로 되고, 이 2차원 함수에 기초하여 신호내의 각 주파수성분의 시간의존성을 판별할 수 있다.

상술한 것처럼 웨이브렛 변환은 관측된 데이터의 각 시각에서의 스펙트럼 분포를 추출할 수 있기 때문에, 비정상신호에 대한 해석수단으로서 유효하고, 따라서 감시대상의 운전상태가 시시각각으로 변환하는 경우에도 유효하다고 되어 있다.

그런데, 상술한 종래의 진단시스템은 감시대상으로부터 얻어진 비정상신호에 대해 단지 단순하게 웨이브렛 변환을 행하도록 한 것이기 때문에, 그 해석결과는 주파수 스펙트럼의 시간의존성을 나타냄에 그치는 것이어서, 해석대상의 이상진단을 위한 해석수법으로서는 불충분하였다.

예컨대 도 3b에 나타낸 것과 같은 종래의 진단시스템에 의한 해석결과를 보아도, 그 해석결과가 감시대상의 상태변화와 어떻게 관련되어 있는 가에 대해서는 판독할 수 없다.

본 발명은 감시대상인 각종 메커니컬 시스템, 프로세스 등으로부터 발생하는 비정상신호를 해석하기 위한 비정상신호 해석장치에 관한 것으로, 특히, 엘리베이터로부터 발생하는 비정상신호를 해석하기 위한 비정상신호 해석장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 감시대상으로부터 발생하는 비정상신호를 컴퓨터에 의해 해석하기 위한 프로그램을 기록한 매체에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시형태에 의한 비정상신호 해석장치의 개략을 나타낸 구성도,

도 2a는 푸리에 변환의 기저함수를 나타낸 그래프,

도 2b는 푸리에 변환에 의한 파워 스펙트럼을 나타낸 그래프,

도 3a는 웨이브렛 변환의 기저함수를 나타낸 그래프,

도 3b는 웨이브렛 변환에 의한 웨이브렛 파워 스펙트럼을 나타낸 그래프,

도 4는 본 발명의 제1실시형태의 변형례에 있어서의 상태량 추정수단의 개략을 나타낸 구성도,

도 5는 본 발명의 제1실시형태의 제1실시예의 해석대상인 엘리베이터의 개략을 나타낸 구성도,

도 6은 본 발명의 제1실시형태의 제1실시예의 하드웨어 구성을 나타낸 구성도,

도 7은 본 발명의 제1실시형태의 제1실시예에 있어서의 확장 웨이브렛 변환에 기초하는 엘리베이터 이상진단 알고리즘을 나타낸 플로우 차트,

도 8a, 도 8b, 도 8c는 각각 모터축 편심 이상시의 엘리베이터의 모터 토크, 캡속도, 캡위치를 나타낸 그래프,

도 9a, 도 9b, 도 9c는 각각 모터축 편심 이상시의 엘리베이터의 캡내 가속도, 회전토크 변동, 캡내 가속도의 푸리에 변환 결과를 나타낸 그래프,

도 10은 모터축 편심 이상시의 엘리베이터의 캡내 가속도 데이터를 종래의 웨이브렛 변환수법에 의해 해석한 결과를 나타낸 그래프,

도 11a, 도 11b는 각각 모터축 편심 이상시의 엘리베이터의 캡내 가속도 데이터를 캡속도에 대해 확장 웨이브렛 변환한 결과를 나타낸 그래프,

도 12는 모터축 편심 이상시의 엘리베이터의 캡내 가속도 데이터를 캡위치에 대해 확장 웨이브렛 변환한 결과를 나타낸 그래프,

도 13a, 도 13b, 도 13c는 각각 가이드 레일 이상시의 엘리베이터의 모터 토크, 캡속도, 캡위치를 나타낸 그래프,

도 14a, 도 14b는 각각 가이드 레일 이상시의 엘리베이터의 캡내 가속도, 캡내 가속도의 푸리에 변환 결과를 나타낸 그래프,

도 15는 가이드 레일 이상시의 엘리베이터의 캡내 가속도의 캡위치에 대한 확장 웨이브렛 변환 결과를 나타낸 그래프,

도 16은 본 발명의 제1실시형태의 제2실시예에 의한 비정상신호 해석장치의 개략을 나타낸 구성도,

도 17은 본 발명의 제1실시형태의 제2실시예에 의한 비정상신호 해석장치를 열차에 장치한 상태를 설명하기 위한 설명도,

도 18은 본 발명의 제1실시형태의 제3실시예에 의한 비정상신호 해석장치의 외관을 나타낸 사시도,

도 19는 본 발명의 제1실시형태의 제3실시예에 의한 비정상신호 해석장치 내부의 시스템 구성을 나타낸 구성도,

도 20은 본 발명의 제1실시형태의 제3실시예에 의한 비정상신호 해석장치의 표시부의 표시상태의 일례를 나타낸 도면,

도 21은 본 발명의 제1실시형태의 제3실시예에 의한 비정상신호 해석장치의 개략을 나타낸 구성도,

도 22는 본 발명의 제2실시형태에 의한 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체로부터 프로그램을 독출하기 위한 컴퓨터 시스템을 나타낸 사시도,

도 23은 본 발명의 제2실시형태에 의한 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체로부터 프로그램을 독출하기 위한 컴퓨터 시스템을 나타낸 블록도이다.

그래서 본 발명은 상술한 문제점을 해소하고, 감시대상으로부터 얻어진 비정상신호를 해석함으로써 감시대상의 이상상태를 정확하고 확실하게 진단할 수 있는 비정상신호 해석장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 개시

본 발명의 한 형태에 의한 비정상신호 해석장치는, 감시대상으로부터 발생하는 비정상신호를 해석하기 위한 비정상신호 해석장치에 있어서, 상기 비정상신호를 웨이브렛 변환하여 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 작성하는 웨이브렛 변환 계산수단과, 상기 감시대상에 있어서의 특정 상태량의 시간변화를 나타낸 상태량 변화함수를 설정하는 상태량 변화함수 설정수단, 상기 상태량 변화함수의 역함수에 의해 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 상기 특정 상태량의 좌표로 비선형 변환하는 시간좌표 비선형 변환수단을 갖춘 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 형태에 의한 비정상신호 해석장치는, 감시대상이 엘리베이터이고, 이 엘리베이터의 캡(Cab)에 있어서 측정된 비정상신호인 가속도신호를 해석하기 위한 비정상신호 해석장치에 있어서, 상기 가속도신호를 웨이브렛 변환하여 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 작성하는 웨이브렛 변환 계산수단과, 상기 캡의 특정 상태량인 승강위치 또는 승강속도의 시간변화를 나타낸 상태량 변화함수를 설정하는 상태량 변화함수 설정수단, 상기 상태량 변화함수의 역함수에 의해 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 상기 승강위치 또는 상기 승강속도의 좌표로 비선형 변환하는 시간좌표 비선형 변환수단을 갖춘 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치는 바람직하게는 상기 시간좌표 비선형 변환수단이 확장 웨이브렛 변환식

에 의해 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 상기 특정 상태량의 좌표로 비선형 변환한 스펙트럼 데이터를 계산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치는 바람직하게는 상기 시간좌표 비선형 변환수단이 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 각 시간마다 분할하고, 시간과 상기 특정 상태량의 관계를 기억한 데이터 테이블 혹은 상기 상태량 변화함수에 기초하여, 분할된 데이터를 상태량순으로 재배열하고, 각 데이터간을 보간 혹은 평활화 처리함으로써, 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 상기 특정 상태량의 좌표로 비선형 변환한 스펙트럼 데이터를 계산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치는 바람직하게는 상기 비정상신호를 측정하기 위한 응답데이터 측정수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치는 바람직하게는 상기 상태량 변화함수 설정수단이 상기 특정 상태량 이외의 상태량에 관한 측정데이터에 기초하여 상기 상태량 변화함수를 추정하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치는 바람직하게는 상기 특정 상태량 이외의 상태량에 관한 측정데이터가 상기 비정상신호에 관한 측정데이터인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치는 바람직하게는 상기 상태량 변화함수 설정수단이 상기 감시대상의 동특성 모델에 기초하는 상태관측기 또는 칼만 필터(Kalman Filter)를 이용하여, 상기 특정 상태량의 시간변화를 상기 특정 상태량 이외의 상태량의 측정데이터에 기초하여 추정함으로써 상기 상태량 변화함수를 추정하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치는 바람직하게는 상기 상태량 변화함수 설정수단이 상기 특정 상태량의 측정데이터에 기초하여 상기 상태량 변화함수를 구하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치는 바람직하게는 상기 상태량 변화함수 설정수단이 미리 구해 놓은 상기 상태량 변화함수를 사용하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치는 바람직하게는 적어도 상기 특정 상태량의 좌표 및 주파수의 좌표를 갖춘 좌표계에 의해 상기 시간좌표 비선형 변환수단의 해석결과를 표시하는 표시수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치는 바람직하게는 상기 시간좌표 비선형 변환수단의 해석결과에 기초하여 상기 감시대상에 있어서의 이상의 발생 유무를 판정하는 이상판정수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치는 바람직하게는 상기 시간좌표 비선형 변환수단의 해석결과인 스펙트럼 데이터에 대한 상기 표시수단에 의한 표시에 대해, 표시 전체중의 특정 영역을 지정하기 위한 영역지정수단과, 상기 영역지정수단에 의해 지정된 영역에 대응하는 스펙트럼 데이터를 추출하여 상기 이상판정수단으로 보내기 위한 데이터 추출수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치는 바람직하게는 상기 이상판정수단에 의한 판정결과를 상기 표시수단에 표시하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치는 바람직하게는 상기 이상판정수단에 의한 판정결과를 표시하는 이상표시수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 형태에 의한 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체는 감시대상으로부터 발생하는 비정상신호를 컴퓨터에 의해 해석하기 위한 프로그램을 기록한 매체로서, 이 비정상신호 해석프로그램은 컴퓨터에, 상기 비정상신호를 웨이브렛 변환하여 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 작성하는 웨이브렛 변환 계산기능과, 상기 감시대상에 있어서의 특정 상태량의 시간변화를 나타낸 상태량 변화함수를 설정하는 상태량 변화함수 설정기능, 상기 상태량 변화함수의 역함수에 의해 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 상기 특정 상태량의 좌표로 비선형 변환하는 시간좌표 비선형 변환기능을 실현시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체는 바람직하게는 상기 감시대상이 엘리베이터이고, 상기 비정상신호는 상기 엘리베이터의 캡(Cab)에 있어서 측정된 가속도신호이며, 상기 특정 상태량은 상기 캡의 승강위치 또는 승강속도인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체는 바람직하게는 상기 시간좌표 비선형 변환수단이 확장 웨이브렛 변환식

에 의해 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 비선형 변환한 스펙트럼 데이터를 계산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체는 바람직하게는 상기 시간좌표 비선형 변환수단이 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 각 시간마다 분할하고, 시간과 상기 특정 상태량의 관계를 기억한 데이터 테이블 혹은 상기 상태량 변화함수에 기초하여, 분할된 데이터를 상태량순으로 재배열하고, 각 데이터간을 보간 혹은 평활화 처리함으로써, 시간좌표를 상기 특정 상태량의 좌표로 비선형 변환한 스펙트럼 데이터를 계산하는 것을 특징으로 한다.

그리 하여, 본 발명에 의하면, 감시대상의 특정 상태량에 대한 주파수 변화의 의존성, 상관함수를 구할 수 있으므로, 감시대상의 이상상태를 정확하고 확실하게 진단할 수 있다.

발명을 실시하기 위한 가장 좋은 형태

제1실시형태

이하, 본 발명에 의한 비정상신호 해석장치의 제1실시형태에 대해 도 1 및 도 3a, 도 3b를 참조하여 설명한다.

도 1은 본 실시형태에 의한 비정상신호 해석장치 전체의 개략구성을 나타내고 있고, 이 비정상신호 해석장치는 해석대상으로부터 발생하는 비정상신호를 측정하기 위한 응답데이터 측정수단(1)을 갖추고 있다. 이 응답데이터 측정수단(1)은 센서 및 A/D변환기, 각종 노이즈제거 필터 등으로 구성되어 있다.

응답데이터 측정수단(1)에 의해 얻어진 비정상신호 데이터[응답데이터 시계열(時系列)] x(t)는 웨이브렛 변환 계산수단(2)으로 보내진다.

이 웨이브렛 변환 계산수단(2)은 예컨대 상술한 웨이브렛 변환식 (2)

(2)를 보유하고 있다. 여기에서 a는 주파수 ω의 역수이고, b는 시간 t이다.

그리고, 웨이브렛 변환 계산수단(2)에 있어서, 상기 식 (2)를 이용하여 비정상신호 데이터 x(t)를 웨이브렛 변환하고, 도 3b에 나타낸 것과 같은 웨이브렛 스펙트럼 데이터(웨이브렛 변환 데이터) wt(a, b)를 산출한다.

웨이브렛 변환 계산수단(2)에 의해 얻어진 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(a, b)는 시간좌표 비선형 변환수단(3)으로 보내진다. 이 시간좌표 비선형 변환수단(3)은 웨이브렛 변환 계산수단(2)에 의해 얻어진 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(a, b)의 시간좌표를 감시대상의 특정 상태량(물리량)에 관해 비선형 좌표변환하기 위한 수단이다.

여기에서, 특정 상태량이란, 예컨대 응답데이터 측정수단(1)에 의해 측정되는 비정상신호가 가속도에 관한 신호라고 한다면, 특정 상태량은, 예컨대 속도이거나 혹은 위치이다. 이점에 대해서는 후술할 제1실시예 및 제2실시예에 있어서 엘리베이터 및 철도열차를 예로 들어 상세히 설명한다.

또한, 본 실시형태에 의한 비정상신호 해석장치는 시간과 특정 상태량의 관계를 나타내는 상태량 변화함수 데이터 {z(t₁), z(t₂) ---- z(t_N)}을 기입하기 위한 시간~상태량 변환테이블(4)을 갖추고 있다. 이 시간~상태량 변환테이블(4)은 후술할 상태량 추정수단(6)과 더불어, 감시대상에 있어서의 특정 상태량의 시간변화를 나타낸 상태량 변화함수를 설정하는 상태량 변화함수 설정수단을 구성한다.

그리고, 이 시간~상태량 변환테이블(4)에 기입되는 상태량 변화함수 데이터 {z(t₁), z(t₂) ---- z(t_N)}을 얻기 위한 방법으로서는 몇 개의 방법이 고려되어 지는데, 본 실시형태에 있어서는 미리 구해 놓은 상태량 변화함수 데이터 {z(t₁), z(t₂) ---- z(t_N)}을 입력수단(5)에 의해 시간~상태량 변환테이블(4)에 기입하도록 한다.

한편, 상태량 변화함수 데이터 {z(t₁), z(t₂) ---- z(t_N)}을 얻기 위한 다른 방법으로서는, 예컨대 특정 상태량 z(예컨대 속도)를 직접 측정하여 상태량 측정치를 얻음으로써, 특정 상태량 z의 시간변화를 직접적으로 취득하는 방법, 혹은 특정 상태량 z(예컨대 속도) 이외의 상태량(예컨대 가속도)에 관한 측정데이터에 기초하여 특정 상태량 z의 시간변화를 추정하는 방법 등이 고려된다.

후자인 특정 상태량 이외의 상태량으로부터 특정 상태량 z의 시간변화를 추정하는 방법은 도 1에 나타낸 상태량 추정수단(6)을 사용하는 방법으로, 이것에 대해서는 본 실시형태의 변형례로서 후술하겠다.

시간좌표 비선형 변환수단(3)은 시간~상태량 변환테이블(4)에 기입된 상태량 변화함수 데이터 {z(t₁), z(t₂) ---- z(t_N)}을 독출하고, 독출한 상태량 변화함수 데이터에 기초하여 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(a, b)의 시간좌표 b를 상태량 z의 좌표로 변환한다. 구체적으로는, 시간좌표 비선형 변환수단(3)은 특정 상태량 z의 시간 t에 대한 함수(상태량 변화함수) z(t)의 역함수 t(z)을 구하고, 이 역함수 t(z)에 기초하여 상술한 웨이브렛 변환식 (2)를 시간 t로부터 특정 상태량 z로 변수변환(變數變換)한다.

이와 같이 하여 특정 상태량 z로 변수변환된 웨이브렛 변환식 (2)는 하기 식 (4)와 같이 된다.

(4)

이하에서는 상기 식 (4)에 의해 나타내어진 변환을 편의상 확장 웨이브렛 변환이라 칭하기로 한다. 이 확장 웨이브렛 변환식 (4)에 의해 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(a, b)의 시간좌표 b를 상태량 z의 좌표로 변환함으로써, 특정 상태량에 대한 주파수의 변화를 나타낸 확장 웨이브렛 스펙트럼 wt(a, z)가 얻어진다.

한편, 상술한 웨이브렛 스펙트럼 wt(a, b)는 주파수 ω의 함수라는 의미를 강조하기 위해, 이하에서는 ω=a^-1을 이용하여 wt(ω, b), wt(a^-1, b)라는 표기도 사용하기로 한다. 또한, 이하에서는 종래의 웨이브렛 스펙트럼을 wt(ω, t), 확장 웨이브렛 스펙트럼을 wt(ω, z)로 표기하여 구별하기로 한다.

또한, 확장 웨이브렛 스펙트럼 wt(ω, z)의 다른 계산방법으로서, 종래의 웨이브렛 변환에 의해 얻어진 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(ω, t)를 각 시간 {t₁, t₂--- t_n)의 데이터 {wt(ω, t₁), wt(ω, t₂) --- wt(ω, t_n)}으로 분할하고, 시간과 특정 상태량의 관계를 나타낸 상태량 변화함수 z(t) 혹은 그 관계를 기억한 데이터 테이블 {z(t₁), z(t₂) --- z(t_n)}에 기초하여, 상기 분할데이터를 상태량 z의 순으로 재배열하고, 데이터간을 보간 또는 평활화 처리함으로써, 시간좌표를 상태량 좌표로 비선형 변환한 확장 웨이브렛 스펙트럼 wt(ω, z)를 얻는 방법도 있다.

다음으로, 시간좌표 비선형 변환수단(3)에 의해 구한 확장 웨이브렛 스펙트럼 wt(a, z)는 표시수단(7)으로 보내진다. 이 표시수단(7)은 확장 웨이브렛 스펙트럼 wt(a, z)에 기초하여, 시간좌표축을 변수변환된 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터(웨이브렛 해석데이터)로 하여 주파수 좌표 ω=a^-1(또는 그 역수 a) 및 상태량 좌표 z에 대한 2차원 함수 wt(ω, z)를 표시한다.

구체적으로는, 예컨대, {ω, z, |wt(ω, z)|} 혹은 {ω, z, ∠wt(ω, z)}에 의한 3차원 그래프를 디스플레이장치상에 표시한다. 여기에서, |a|는 a의 절대치를 의미하고, ∠a는 a의 위상각을 의미한다.

더욱이, 본 실시형태에 의한 비정상신호 해석장치는 시간좌표 비선형 변환수단(3)에 의해 산출된 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터에 기초하여 감시대상에 있어서의 이상 발생의 유무를 자동적으로 판정하는 이상판정수단(8)을 갖추고 있다. 이 이상판정수단(8)은 소정의 이상진단방식을 이용하여 감시대상의 정상·이상을 자동판정하고, 판정결과인 알람정보·이상모드정보 등을 표시수단(7)으로 보내서 오퍼레이터에게 경고표시하는 것이다.

여기에서, 소정의 이상진단방식으로서는, 예컨대 해석결과인 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(ω, z)의 특정 부분의 파워 스펙트럼 값 {|wt(ω₁, z₁)|, ---, |wt(ω_m, z_m)|}에 기초하여, 다음 식 (5)

if (|wt(ω_i, z_i)|＞ε_i) then 이상 i (5) 등의 문턱치 판정이나, 각종 복합적 수단에 의한 판정을 행하도록 한다.

또한, 이상판정수단(8)에 의한 판정결과는 표시수단(7)에 표시할 뿐만 아니라, 표시수단(7)과는 별도로 설치된 이상표시수단(9)에 알람표시할 수도 있다.

또한, 시간좌표 비선형 변환수단(3)의 해석결과인 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터에 대한 표시수단(7)의 표시에 대해, 포인팅 디바이스 등에 의해 사용자가 표시 전체중에서 특정영역을 지정하고, 그 특정영역에 대응하는 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터만을 추출하여 이상판정수단(8)으로 보내고, 그 데이터만을 이용하여 이상판정수단(8)에 의해 상기 감시대상에 있어서의 이상 발생의 유무를 판정할 수도 있다.

이로써, 표시수단(7)에 한번 표시된 확장 웨이브렛 스펙트럼중에서 통상시와 다른 특징을 갖는 부분을 사용자가 판단하여 추출하고, 그 부분에 대해서만 해석을 하는 것으로, 다른 부분에 포함되는 노이즈나 외란(外亂), 그 밖의 인자의 영향을 받는 일 없이 직접적인 해석작업이 가능해지고, 그 결과, 이상판정의 정밀도가 향상된다.

이상 설명한 것처럼, 본 실시형태의 비정상신호 해석장치에 의하면, 감시대상으로부터 측정된 비정상신호 데이터를 웨이브렛 변환하여 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 구하고, 이들 웨이브렛 스펙트럼 데이터에 대해 시간좌표축을 특정 상태량(물리량)의 좌표축으로 좌표변환하도록 했으므로, 주파수 스펙트럼의 시간변화뿐만 아니라 특정 상태량(예컨대 메커니컬 시스템에 있어서의 위치, 속도, 가속도 등)과 주파수 스펙트럼의 상관관계·인과관계를 용이하게 파악할 수 있다.

이 때문에, 감시대상에 있어서 이상현상이 발생한 경우에 그 이상현상을 물리법칙의 관점에서 이해하기 쉬운 해석결과·표시가 얻어지는 바, 예컨대 이상현상의 발생장소를 용이하게 특정할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 비정상신호 해석장치에 의하면, 감시대상의 운전상태, 내부상태 등이 빈번하게 변화하는 비정상상태에 있어서, 변화하는 상태마다 스펙트럼 분포를 해석할 수 있으므로, 비정상신호의 해석에 극히 유효하고, 결과로서 짧은 단편적인 데이터에 대해서도 유효한 해석을 행하는 것이 가능해진다.

변형례

다음으로, 상술한 제1실시형태의 변형례에 대해 도 4를 참조하여 설명한다.

본 변형례에 의한 비정상신호 해석장치는 시간~상태량 변환테이블(4)에 기입하기 위한 상태량 변화함수 데이터 {z(t₁), z(t₂) ---- z(t_N)}을 특정 상태량 z 이외의 상태량에 관한 측정데이터에 기초하여, 상태량 추정수단(6)에 의해 추정하여 작성하도록 한 것이다. 따라서, 특정 상태량 z를 직접 측정할 수 없는 경우에 있어서 극히 유효하다.

본 변형례에 있어서의 상태량 추정수단(6)은 감시대상의 동특성 모델에 기초한 상태 추정수단을 이용하여 특정 상태량 z의 시간변화를 측정데이터로부터 실시간으로 추정함으로써, 상태량 변화함수 데이터 {z(t₁), z(t₂) ---- z(t_N)}을 얻는 것이다.

도 4는 본 실시예에 있어서의 상태량 추정수단(6)의 개략적인 구성을 나타내고 있다. 이 상태량 추정수단(6)에 있어서는 감시대상(10)의 입력신호 u(t)를 출력신호 예측모델(11)에 입력한 때의 출력 예측치 와 실제출력신호 y(t)의 차인 추정오차신호 e(t)에 기초하여, 추정상태량 수정수단(12)에 의해 출력신호 예측모델(11)내의 상태량 추정치를 순차적으로 수정함으로써, 직접적으로는 측정할 수 없는 특정 상태량 z(t)를 실시간으로 추정할 수 있다.

상태추정수단의 일례로서, 칼만 필터 혹은 상태관측기에 의한 구성에서는, 출력신호 예측모델이 하기 식 (6), (7), 추정상태량 수정수단이 하기 식 (8)로 된다.

z(k|k-1)=Az(k-1|k-1)+Bu(k-1)

(6)

(7)

(8)

여기에서, A, B, C는 감시대상의 동특성 모델에 관한 계수행렬, K는 칼만 게인(혹은 상태관측기 게인)이다.

이 순차 계산에 의해 감시대상의 입력신호 u(k), 출력신호 y(k)의 관측데이터 계열로부터 감시대상의 내부상태량 벡터 z(k|k)를 추정할 수 있다. 이와 같이 하여 추정된 상태량 벡터중 몇 개의 요소를 특정 상태량 z로서 추출하고, 그 시계열 {z(t₁), z(t₂) ---- z(t_N)}으로부터 시간~상태량 변환테이블(4)을 작성한다.

한편, 상술한 상태량의 추정은 미리 오프라인으로 처리해 놓는 방법과, 데이터를 관측하면서 실시간으로 처리하는 방법이 있다.

이상 설명한 것처럼 본 변형례에 의하면, 특정 상태량 z를 직접 측정할 수 없는 경우이더라도, 상태량 추정수단(6)에 의해 특정 상태량 z와 관측데이터 스펙트럼의 관계를 파악할 수 있다. 또한, 웨이브렛 해석수법에 다른 해석수법을 조합시키는 것이 용이해진다.

제1실시예

다음으로, 상기 제1실시형태에 의한 비정상신호 해석장치의 제1실시예로서, 감시대상이 메커니컬 시스템인 엘리베이터인 경우에 대해 도 5 내지 도 15를 참조하여 설명한다. 본 실시예에 있어서는 측정신호(비정상신호)가 엘리베이터의 캡(Cab)내에서 측정되는 가속도신호이고, 비선형 변환을 이용하는 특정 상태량은 캡의 승강위치 혹은 승강속도이다.

감시대상인 엘리베이터는 도 5에 나타낸 것처럼 모터(51)와 시브[Sheave(활차); 52a, 52b, 52c, 52d], 캡 프레임(53), 캡(54), 가이드 롤러(55), 가이드 레일(56), 카운터웨이트(Counterweight; 57)로 구성되어 있다.

또한, 본 실시예에 의한 비정상신호 해석장치는 도 6에 나타낸 것처럼 캡(54)내에 배치된 가속도 센서(20)를 갖추고 있다. 이 가속도 센서(20)에 의해 측정된 가속도신호는 A/D변환기(21)로 보내져서 변환된 후, 해석·표시장치(예컨대 퍼스컴; 22)로 거두어 들여진다. 가속도 센서(20) 및 A/D변환기(21)는 도 1에 나타낸 응답데이터 측정수단(1)을 구성한다.

해석·표시장치(22)의 내부에서는 도 1에 나타낸 처리에 의해 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터가 산출되고, 산출된 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터가 해석·표시장치(22)의 화면에 표시된다. 또한, 해석결과 또는 이상진단결과는 모뎀(23, 23) 및 공중회선을 통해 원격지의 감시센터로 보내지고, 이 감시센터의 집중감시단말(24)에 표시되며, 더욱이 이상상태에 따라 알람이 발생한다.

도 7은 해석·표시장치(22)에 있어서의 구체적인 플로우 차트를 나타낸 것이다.

우선, 진단개시와 더불어, 가속도 센서(20)에 의해 캡(54)내의 가속도신호 x(t)를 측정한다(스텝 1). 다음으로, 상술한 식 (2) 및 식 (3)을 이용하여, 측정된 가속도신호 x(t)에 기초하여 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(a, b)를 계산한다(스텝 2).

그리고, 그 해석결과인 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(a, b) 또는 wt(ω, b)를 시간축 및 주파수축에 대해 디스플레이 단말에 표시한다(스텝 3). 여기에서, ω=a^-1은 웨이브렛 스펙트럼의 주파수이다. 다음으로, 해석대상의 특정 상태량으로서, 캡속도 또는 캡위치중 어떤 것인가를 사용자가 선택한다(스텝 4). 한편, 이 스텝 4에 대해서는 캡속도 및 캡위치의 양쪽의 수순을 자동적으로 처리하도록 할 수도 있다.

다음으로, 스텝 4의 특정 상태량의 선택에 있어서 캡위치를 선택한 경우에는 가속도신호 x(t)를 2층 적분함으로써, 캡위치신호 p(t)를 생성한다(스텝 5). 그리고, 스텝 5에서 생성된 캡위치신호 데이터 {p(t₁), p(t₂) ---- p(t_N)}에 기초하여, 시간 t 및 위치 p의 함수테이블을 작성한다(스텝 6).

다음으로, 스텝 2에서 산출된 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 스텝 6에서 작성된 함수테이블에 기초하여 캡위치 p의 좌표로 변환하고, 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(ω, p)를 구한다(스텝 7). 그리고, 해석결과인 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(ω, p)를 디스플레이에 표시한다(스텝 8).

더욱이, 하기 식 (9)에 나타낸 것처럼 wt(ω, p)에서 위치 p에 대한 변화율을 계산하고, 변화율이 소정의 문턱치를 넘는가 아닌가를 판정식에 의해 판정하여, 파워 스펙트럼의 위치에 대한 급변의 유무를 판정한다(스텝 9).

|wt(ω,p(t_i))-wt(ω,p(t_i+1))|／|p(t_i)-p(t_i+1)|＞εp

(9)

그리고, 스텝 9에 있어서 급변이 있다고 판정된 경우에는 급변장소 p(t_i)를 검출하고, 엘리베이터계의 레일 혹은 롤러의 이상으로 디스플레이에 표시한다(스텝 10). 한편, 급변이 없다고 판정된 경우에는 디스플레이에 「이상 없슴」을 표시하고(스텝 11), 진단을 종료 혹은 다음의 동작주기까지 대기한다.

또한, 스텝 4에 있어서 특정 상태량으로서 캡속도를 선택한 경우에는, 가속도신호 x(t)를 1층 적분함으로써 캡속도신호 v(t)를 생성한다(스텝 12). 그리고, 스텝 12에서 생성된 캡속도신호 데이터 {v(t₁), v(t₂) ---- v(t_N)}에 기초하여, 시간 t 및 속도 v의 함수테이블을 작성한다(스텝13).

다음으로, 스텝 2에서 산출된 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(a, b)의 시간좌표를 스텝 13에서 작성된 함수테이블에 기초하여 캡속도 v의 좌표로 변환하고, 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(ω, v)를 구한다(스텝 14). 그리고, 해석결과인 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(ω, v)를 디스플레이에 표시한다(스텝 15).

더욱이, 하기 식 (10)에 나타낸 것처럼 |wt(ω, v)|의 문턱치 판정

|wt(ω_i,v_i)|＞εv

(10)에 의해, 문턱치를 넘는 파워 스펙트럼을 갖는 부분의 데이터(피크 스펙트럼) {wt(ω₁, v₁), wt(ω₂, v₂), ---, wt(ω_m, v_m)}을 검출한다.

더욱이, 주파수 ω와 캡속도 v간의 비례관계식 (11)

vi=rω_i+e_i

(11)을 가정하고, 오차 e_i의 2승합 ∑ei²이 최소로 되는 계수 r의 최소 2승 해

(12)를 구한다.

이 때, 각 데이터점 {(ω₁, v₁), (ω₂, v₂), ---, (ω_m, v_m)}의 비례관계식 (11)의 직선으로부터의 거리 d의 분산에 대한 판정식

(13)이 성립하면 속도 v와 주파수 ω에 강한 상관(비례)관계가 있다고 판단한다(스텝 16).

그리고, 이 경우는 엘리베이터의 회전계(모터, 시브, 각 축의 베어링, 가이드 롤러 등)중 어느 것인 가에 이상이 있다고 판단된다. 왜냐 하면, 회전계의 편심 등에 의한 토크 변동의 주파수는 회전수에 비례하고, 또한 캡속도도 회전수에 비례하기 때문이다.

더욱이, 비례계수 r로부터 어떤 회전계인가를 판정하고, 판정결과를 디스플레이에 표시한다(스텝 17). 예컨대, (r/2π)가 시브(활차)의 반경에 일치하면,

캡속도=2π(시브 반경)×(시브 회전주파수) (14)로 되는 관계로부터 시브의 편심에 의한 토크 변동이 원인이라고 판단된다. 한편, 스텝 16에 있어서 상관관계는 없다고 판단된 경우에는 디스플레이에 「이상 없슴」을 표시하고(스텝 11), 진단을 종료 혹은 다음의 동작주기까지 대기한다.

다음으로, 도 1에 나타낸 시간좌표 비선형 변환수단(3)에 있어서의 처리에 대응하는 스텝 6 또는 스텝 13에 있어서의 좌표변환의 구체적인 수순에 대해 설명한다.

우선, 캡위치신호 p(t) 혹은 캡속도신호 v(t)를 여기에서는 상태량신호 z(t)로 표시하는 것으로 하고, 데이터열 {z(t₁), z(t₂) ---- z(t_N)}으로 이루어진 함수테이블(시간~상태량 변환테이블 4)이 얻어지고 있다고 한다. 그리고, 통상의 웨이브렛 변환에 의해 얻어진 데이터

wt(a, b) = {wt(a_i, b_j) |i=1,....,n1, j=1,....,n2) (15)에 대해, 우선, 주파수 ω=a^-1의 관계를 대입하고,

wt(ω, b) = {wt(ω_i, b_j) |ω_i,=a_i ^-1, i=1,....,n1, j=1,...., n2} (16)로 되는 데이터로 변환한다.

다음으로, 각 데이터요소의 시간좌표 b_j에 대해,

t_k≤b_j≤t_k+1(17)로 되는 t_k를 {t₁, t₂---t_N}으로부터 찾아내고, 선형 보간식

(18)에 의해, 대응하는 상태량 z(b_j)를 구함으로써, 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터 wt(ω, z) = {wt(ω_i, z(b_j)) |ω_i=a_i ^-1, i=1,..,n1, j=1,.., n2} (19)를 얻을 수 있다.

또한, 다른 수단으로서는, 시간~상태량 변환테이블(4)로부터 함수 z(t)를 추정한다. 예컨대,

z(t) = z₀+ z₁t + ---z_pt^p(20)으로 이루어진 다항식을 가정하고, 계수 z₀, z₁--- z_p를 데이터 {z(t₁), z(t₂) --- z(t_N)}으로부터 최소 2승 추정한다. 다음으로, 그 역함수 t(z)를 구한다.

최후로, 관측데이터 x(t)에 대해,

(21)을 직접, 수치적분함으로써, 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 얻을 수도 있다.

도 8a 내지 도 15는 본 실시예에 의한 비정상신호 해석장치를 이용하여 엘리베이터의 캡(54)의 가속도 데이터를 해석한 결과를 나타내고 있다.

도 8a 내지 도 12는 엘리베이터의 모터(51)의 축이 편심된 것에 의한 회전 토크 변동이 원인으로 캡(54)에 있어서 이상진동이 생긴 케이스를 나타내고 있다. 도 8a는 모터(51)의 토크 사령치, 도 8b는 그 때의 캡가속도신호 x(t)의 적분계산으로부터 추정한 캡속도신호 v(t), 도 8c는 마찬가지로 캡가속도신호 x(t)의 2층 적분계산으로부터 추정한 캡위치신호 p(t)이다.

이 때, 캡(54)의 내부에서 관측된 가속도 데이터 x(t)는 도 9a에 나타낸 것처럼 속도와 더불어 주파수특성이 변화하는 비정상신호이다. 그 이유는, 모터축의 편심에 의한 토크 변동의 주파수가 도 9b에 나타낸 것처럼 캡속도에 비례하여 변화하기 때문이다. 따라서, 가속도 데이터 x(t)를 단순히 푸리에 변환해도 도 9c에 나타낸 것처럼 전체 스펙트럼 분포을 얻을 수 있을 뿐, 속도신호로의 의존성은 판별할 수 없다.

도 10, 도 11a, 도 11b, 도 12는 각각, 가속도신호 x(t)를 종래형으로 웨이브렛 변환한 결과, 속도신호 v(t)에 기초하는 확장 웨이브렛 변환한 결과, 위치신호 p(t)에 기초하는 확장 웨이브렛 변환한 결과를 나타내고 있다.

예컨대, 도 11a, 도 11b의 속도신호에 기초하는 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 보면, 스펙트럼의 산(山; 피크 스펙트럼)이 속도신호 v(t)와 주파수 ω=a^-1의 비례관계를 나타내는 일직선상으로 나란히 있는 것을 판별할 수 있다. 이 결과로부터, 엘리베이터의 회전계가 이상이라는 것이 판별되고, 더욱이, 속도와 주파수의 비례관계로부터 모터(51)의 축이 이상이라는 것이 판별된다.

또한, 도 13a 내지 도 15는 엘리베이터의 가이드 레일(56)에 이상이 있는 경우의 해석결과를 나타내고 있다. 도 13a, 도 13b, 도 13c는 각각 모터 토크신호, 캡속도신호 v(t), 캡위치신호 p(t)를 나타내고 있다. 도 14a, 도 14b는 각각 캡내 가속도신호 x(t), 그 푸리에 변환결과를 나타내고 있다.

그리고, 캡(54)의 상승중에 높이 약 10.7m의 부분에 가이드 레일(56)의 이음매에 의한 단차(段差)가 있고, 이 단차에 의해 캡(54)이 임펄스 형상의 외력을 받아 진동을 시작한다. 그러나 도 14b에 나타낸 푸리에 변환의 결과로부터는 어느 부분에서 외력을 받았는지를 판별할 수 없다.

다음으로, 가속도신호 x(t)의 위치신호 p(t)에 대한 확장 웨이브렛 변환의 결과를 도 15에 나타냈다. 도 15로부터 풀이할 수 있듯이, 캡위치 p축 방향에 대해 p=10.7m의 부분에서 스펙트럼의 급변을 볼 수 있다. 따라서, 이 p=10.7m의 부분에서 가이드 레일(56)의 이상이 발생하고 있다는 것이 판별된다.

이상에서 설명한 것처럼 본 실시예에 의하면, 엘리베이터의 캡(54)의 가속도신호를 캡속도에 대해 확장 웨이브렛 변환하고, 얻어진 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터에 있어서의 피크 스펙트럼의 주파수와 캡속도의 비례관계로부터 회전계의 토크 변동이 발생하고 있는 것을 판별할 수 있고, 더욱이 비례계수로부터 원인으로 되는 회전계의 반경을 특정할 수 있다.

마찬가지로, 가속도신호의 캡위치에 대한 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 스펙트럼의 위치변화로부터, 레일, 롤러 등의 손상의 유무를 판별할 수 있고, 그 위치를 특정할 수 있다.

따라서, 엘리베이터의 이상진단, 유지보수업무 등의 효율을 대폭 향상시킬 수 있다. 또한, 엘리베이터의 이동거리가 짧고 관측데이터 길이가 짧은 경우에도 정밀도가 높은 해석·이상진단을 행하는 것이 가능하다.

한편, 본 실시예의 이상판정수단은 엘리베이터의 캡가속도신호를 한번 기억하고 그에 대해 오프라인 처리로 이상해석을 행하는 경우와, 실시간으로 데이터의 측정, 특정 상태량인 캡속도·가속도의 추정, 확장 웨이브렛 계산, 이상의 판정을 모두 실시간으로 행하는 경우가 있다.

특히, 엘리베이터 시스템의 이상진단으로의 적용에 관해서는, 가속도신호에 포함되는 진동 스펙트럼의 캡위치, 캡속도의 상관관계를 명확히 파악할 수 있고, 진단, 이상장소의 특정을 용이하게 행할 수 있다.

제2실시예

다음으로, 상기 제1실시형태에 의한 비정상신호 해석장치의 제2실시예로서, 감시대상이 열차인 경우에 대해 도 16 및 도 17을 참조하여 설명한다.

철도 등의 열차, 전차는 차륜의 마찰 혹은 레일의 비틀림, 변형 등에 의해 이상진동이나 이상음을 발하는 경우가 있는 바, 이는 탑승 안락감의 저하, 승객의 불쾌감, 더욱이는 열차사고의 원인으로 된다.

그래서 이하에서는 비정상신호 해석장치를 열차의 이상진단 시스템으로 사용하는 경우에 대해 설명한다.

도 16은 본 실시예에 의한 비정상신호 해석장치의 개략을 나타낸 구성도이고, 도 17은 본 실시예에 의한 비정상신호 해석장치를 열차에 장치한 상태를 설명하기 위한 설명도이다.

도 16에 나타낸 것처럼 본 실시형태에 의한 비정상신호 해석장치는 응답데이터 측정수단(1)을 구성하는 가속도 센서(30) 및 음향 센서(31)를 갖추고 있고, 이들 센서(30, 31)는 도 17에 나타낸 것처럼 열차(32)에 장치되어 있다. 가속도 센서(30) 및 음향 센서(31)로 이루어진 응답데이터 측정수단(1)의 검출신호는 웨이브렛 변환 계산수단(2)으로 보내어져 여기에서 웨이브렛 스펙트럼으로 변환된다.

또한, 열차(32)에는 종래부터 위치 센서(33) 및 인코더(34)가 장치되어 있고, 위치 센서(33)는 지상에 설치된 지상식별자(35)를 인식하는 것이며, 한편, 인코더(34)는 열차(32)의 차륜축에 장치되어 차륜축의 회전을 검출하는 것이다.

더욱이, 본 실시예에 의한 비정상신호 해석장치는 도 16에 나타낸 것처럼 속도·위치 검출수단(36)을 갖추고 있고, 이 속도·위치 검출수단(36)은 상술한 위치 센서(33) 및 인코더(34)로부터의 신호에 기초하여 특정 상태량인 열차의 속도 및 위치를 검출하고, 시간~위치 데이터 혹은 시간~속도 데이터를 작성한다. 이들 시간~위치 데이터 혹은 시간~속도 데이터는 시간~상태량 변환테이블(4)로 보내져서 그곳에 격납된다.

웨이브렛 변환 계산수단(2)에 의해 산출된 웨이브렛 스펙트럼은 시간좌표 비선형 변환수단(3)으로 보내지고, 이 시간좌표 비선형 변환수단(3)은 시간~상태량 변환테이블(4)로부터의 시간~위치 데이터 혹은 시간~속도 데이터에 기초하여 웨이브렛 스펙트럼의 시간좌표를 열차위치좌표 혹은 열차속도좌표로 변환하여 확장 웨이브렛 스펙트럼을 생성한다.

시간좌표 비선형 변환수단(3)의 변환결과는 이상판정수단(8)으로 보내지고, 이 이상판정수단(8)에 있어서 정상인가 이상인가의 판정이 이루어진다. 여기에서, 이상판정의 방법으로서는, 우선 위치~주파수에 대한 확장 웨이브렛 스펙트럼을 과거의 정상시의 스펙트럼 데이터와 비교하고, 그 차이가 문턱치 이상으로 된 경우에 선로의 레일 이상이라 판정하고, 더욱이, 이상이 발생한 레일의 장소를 특정한다.

또한, 다른 이상판정방법으로서는, 속도~주파수에 대한 확장 웨이브렛 스펙트럼을 과거의 정상시의 스펙트럼 데이터와 비교하고, 그 차이가 문턱치 이상으로 된 경우에 열차의 차륜 이상이라 판정하고, 이상이 발생한 차륜을 특정한다.

한편, 이상판정시에 사용되는 정상시의 데이터는 통상운전시의 데이터 혹은 열차시험시의 데이터에 기초하여 별도로 작성하여 미리 준비해 놓도록 한다.

이상판정수단(8)에 의한 판정결과는 열차(32)내에 설치된 표시경보장치(이상표시수단; 9)로 보내지고, 이상인 경우에는 운전원에 대해 경보가 발해진다. 또한, 이상판정수단(8)의 판정결과는 유선 또는 무선의 통신수단(37)에 의해 열차관제센터내의 수신수단(38)으로 보내지고, 더욱이 열차관제센터내의 표시수단(7)으로 보내져서 그곳에 표시된다.

한편, 상기 실시예에 있어서는 실시간으로 처리를 실행하는 것을 전제로 하고 있지만, 실시간이 아니라 오프라인에 의해 처리를 실행하는 것도 가능하다.

또한, 상기 실시예에 있어서는 이상진단 시스템인 비정상신호 해석장치를 열차의 내부에 설치하도록 하고 있지만, 비정상신호 해석장치를 열차 외부에 설치하고, 가속도 센서(30) 및 음향 센서(31)를 노선측에 장치하는 것에 의해서도 상기한 것과 마찬가지의 기능을 실현할 수 있다.

제3실시예

다음으로, 상기 제1실시형태에 의한 비정상신호 해석장치의 제3실시예로서, 불특정 감시대상의 이상을 해석하기 위한 범용 이상진단 툴(Tool)인 비정상신호 해석장치에 대해 도 18 내지 도 21을 참조하여 설명한다. 본 실시예에 의한 비정상신호 해석장치는 센서, 연산기능 및 표시기능 등이 일체화된 휴대형 해석장치 혹은 이상진단장치이다.

도 18은 본 실시예에 의한 비정상신호 해석장치(범용 이상진단장치; 40)의 외관을 나타낸 사시도이고, 도 19는 이 비정상신호 해석장치의 내부의 시스템 구성을 나타낸 구성도이다.

도 18 및 도 19에 나타낸 것처럼 이 비정상신호 해석장치(40)는 해석결과인 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 표시하기 위한 표시부(41)를 갖추고 있고, 이 표시부(41)는 전자 펜으로 이루어진 포인팅 디바이스(42)에 의해 사용자가 화면상의 특정 영역을 지정할 수 있도록 되어 있다. 한편, 포인팅 디바이스로서는 전자 펜 대신에 마우스를 설치할 수도 있다.

또한, 본 실시예에 의한 비정상신호 해석장치(40)는 응답데이터 측정수단인 가속도 센서(43)를 내장하고 있고, 더욱이, 감시대상의 상태량 신호를 거두어 들이기 위한 외부신호 입력단자(44)를 갖추고 있다. 가속도 센서(43)로부터의 검출신호 및 외부신호 입력단자(44)로부터의 입력신호는 비정상신호 해석장치(40)의 내부에 설치된 중앙처리장치(CPU; 45)로 보내지도록 되어 있다. CPU(45)에는 메모리(46)가 접속되어 있고, 센서 정보는 이 메모리(46)에 기억되어 CPU(45)에 의해 확장 웨이브렛 변환계산이 실행된다.

도 20은 CPU(45)에 의해 얻어진 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 표시부(41)에 표시한 상태의 일례를 나타내고 있는 바, 화면상의 횡축이 특정 상태량(감시대상의 위치, 속도 등)을 나타내고, 종축이 주파수를 나타내며, 더욱이 스펙트럼의 파워의 세기를 등고선으로 표시한 것이다. 한편, 등고선 대신에 색깔별로 스펙트럼의 파워를 표시하는 것도 가능하다.

그리고 사용자는 전자 펜 또는 마우스 등으로 이루어진 포인팅 디바이스(42)를 조작하여, 표시부(41)의 화면상에서 영역지정선에 의해 이상진단의 실시를 희망하는 특정 영역을 지정한다. 한편, 지정하는 영역의 모양은 장방형에 한정되지 않고, 임의의 형상이 가능하다.

이와 같이 하여 표시부(41)의 화면상에서 특정 영역을 지정하면, 지정된 영역에 상당하는 확장 웨이브렛 데이터만이 잘라내어지고, 잘라내어진 데이터만에 대해 계속해서 이상진단처리가 실시된다. 또한, 지정영역 이외 부분의 데이터를 0으로 간주한 뒤, 이후의 이상진단처리를 실시하도록 해도 된다.

다음으로, 도 21을 참조하여, 영역지정후의 이상진단처리에 대해 설명한다. 도 21에 있어서 부호 47은 포인팅 디바이스(42)를 포함하는 영역지정수단인 바, 이 영역지정수단(47)에 의해 이상진단해야 할 영역이 지정되면, 데이터 추출수단(48)에 의해, 지정된 영역에 대응하는 확장 웨이브렛 스펙트럼 데이터가 추출되던가, 혹은 지정영역 이외 부분의 데이터가 0으로 세트된다.

이와 같이 하여 가공된 데이터는 이상판정수단(8)으로 보내지고, 이들 데이터에 기초하여, 예컨대 전술한 식 (12) 및 식 (13)에 나타낸 수순 등에 의해 이상의 유무가 판정된다. 이상판정수단(8)에 의한 판정결과는 표시수단(7)으로 보내져서 그곳에 표시된다. 한편, 표시부(41)를 표시수단(7)으로서 겸용할 수도 있다.

이상 설명한 것처럼 본 실시예에 있어서는, 영역지정수단(47) 및 데이터 추출수단(48)에 의해, 표시부(41)에 표시된 모든 스펙트럼 데이터중의 일부를 지정할 수 있도록 했으므로, 표시부(41)에 표시된 모든 스펙트럼 데이터중에서 통상시와 다른 특징을 나타내고 있는 부분을 사용자가 판단하여 추출하고, 추출된 부분만에 대해 이상판정수단(8)에 의해 해석할 수 있다. 이 때문에, 이상진단해석시에 지정영역 이외의 부분에 포함되는 노이즈나 외란, 기타 인자의 영향을 받는 일 없이 이상판정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

제2실시형태

다음으로, 본 발명의 제2실시형태에 의한 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체에 대해 도 22 및 도 23을 참조하여 설명한다.

본 실시형태에 의한 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체는 상술한 제1실시형태에 있어서의 웨이브렛 변환 계산수단(2), 시간좌표 비선형 변환수단(3) 및 상태량 변화함수 설정수단[시간~상태량 변환테이블(4), 상태량 추정수단(6)]의 각각의 기능을 컴퓨터에 실현시키기 위한 비정상신호 해석프로그램을 기록한, 기계판독가능한 또는 컴퓨터판독가능한 기록매체(기억매체)이다.

또한, 비정상신호 해석프로그램에 더욱이, 상술한 제1실시형태에 있어서의 이상판정수단(8)의 기능에 대한 프로그램을 추가할 수도 있다.

본 실시형태에 있어서의 비정상신호 해석프로그램에 의한 해석수순은 상기 제1실시형태 및 그 변형례, 혹은 제1실시형태의 제1 내지 제3실시예에 있어서 설명한 해석수순과 마찬가지이다.

도 22는 본 실시형태에 의한 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체로부터 프로그램을 독출하기 위한 컴퓨터 시스템을 나타낸 사시도로서, 기록매체에 기록되어 있는 프로그램은 컴퓨터 시스템(50)에 탑재된 기록매체 구동장치에 의해 독출되어 비정상신호의 해석에 이용된다.

컴퓨터 시스템(50)은 도 22에 나타낸 것처럼, 미니 타워 등의 몸체에 수납된 컴퓨터 본체(51)와, CRT(음극선관), 플라즈마 디스플레이나 액정표시장치(LCD) 등의 표시장치(52), 기록출력장치로서의 프린터(53), 입력장치로서의 키보드(54a) 및 마우스(54b), 플렉시블 디스크 드라이브장치(56), CD-ROM 드라이브장치(57)를 갖추고 있다.

도 23은 본 실시형태에 의한 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체로부터 프로그램을 독출하기 위한 컴퓨터 시스템을 나타낸 블록도이다. 도 23에 나타낸 것처럼, 컴퓨터 본체(51)가 수납된 몸체내에는 RAM 등으로 이루어진 내부 메모리(55)와, 하드 디스크 드라이브 유닛(58) 등의 외부 메모리가 더 설치되어 있다.

비정상신호 해석프로그램이 기록된 플렉시블 디스크(61)는 도 22에 나타낸 것처럼 플렉시블 디스크 드라이브장치(56)의 슬롯에 삽입되어, 소정의 어플리케이션 프로그램에 기초하여 독출가능하도록 된 것이다. 한편, 프로그램을 기록한 매체로서는 플렉시블 디스크(61)에만 한정되지 않고, CD-ROM(62)이어도 된다. 또한, 기록매체는 도시하지 않은 MO(Magneto Optical) 디스크, 광디스크, DVD(Digital Versatile Disk), 카드 메모리, 자기테이프 등이어도 된다.

본 발명에 의한 비정상신호 해석장치 및 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체는 감시대상의 특정 상태량에 대한 주파수 변화의 의존성, 상관함수를 구할 수 있으므로, 엘리베이터나 열차 등의 감시대상의 이상상태를 진단하기 위해 널리 이용할 수 있다.

Claims

감시대상으로부터 발생하는 비정상신호를 해석하기 위한 비정상신호 해석장치에 있어서, 상기 비정상신호를 웨이브렛 변환하여 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 작성하는 웨이브렛 변환 계산수단과; 상기 감시대상에 있어서의 특정 상태량의 시간변화를 나타낸 상태량 변화함수를 설정하는 상태량 변화함수 설정수단, 상기 상태량 변화함수의 역함수에 의해 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 상기 특정 상태량의 좌표로 비선형 변환하는 시간좌표 비선형 변환수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
감시대상이 엘리베이터이고, 이 엘리베이터의 캡에 있어서 측정된 비정상신호인 가속도신호를 해석하기 위한 비정상신호 해석장치에 있어서, 상기 가속도신호를 웨이브렛 변환하여 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 작성하는 웨이브렛 변환 계산수단과, 상기 캡의 특정 상태량인 승강위치 또는 승강속도의 시간변화를 나타낸 상태량 변화함수를 설정하는 상태량 변화함수 설정수단, 상기 상태량 변화함수의 역함수에 의해 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 상기 승강위치 또는 상기 승강속도의 좌표로 비선형 변환하는 시간좌표 비선형 변환수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제1항에 있어서, 상기 시간좌표 비선형 변환수단은 확장 웨이브렛 변환식

에 의해 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 상기 특정 상태량의 좌표로 비선형 변환한 스펙트럼 데이터를 계산하는 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제1항에 있어서, 상기 시간좌표 비선형 변환수단은 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 각 시간마다 분할하고, 시간과 상기 특정 상태량의 관계를 기억한 데이터 테이블 혹은 상기 상태량 변화함수에 기초하여, 분할된 데이터를 상태량순으로 재배열하고, 각 데이터간을 보간 혹은 평활화 처리함으로써, 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 상기 특정 상태량의 좌표로 비선형 변환한 스펙트럼 데이터를 계산하는 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제1항에 있어서, 상기 비정상신호를 측정하기 위한 응답데이터 측정수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제1항에 있어서, 상기 상태량 변화함수 설정수단은 상기 특정 상태량이외의 상태량에 관한 측정데이터에 기초하여 상기 상태량 변화함수를 추정하도록 한 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제6항에 있어서, 상기 특정 상태량 이외의 상태량에 관한 측정데이터는 상기 비정상신호에 관한 측정데이터인 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 상태량 변화함수 설정수단은 상기 감시대상의 등특성 모델에 기초하는 상태관측기 또는 칼만 필터를 이용하여, 상기 특정상태량의 시간변화를 상기 특정 상태량 이외의 상태량의 측정데이터에 기초하여 추정함으로써 상기 상태량 변화함수를 추정하도록 한 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제1항에 있어서, 상기 상태량 변화함수 설정수단은 상기 특정 상태량의 측정데이터에 기초하여 상기 상태량 변화함수를 구하도록 한 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제1항에 있어서, 상기 상태량 변화함수 설정수단은 미리 구해 놓은 상기 상태량 변화함수를 사용하도록 한 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제1항에 있어서, 적어도 상기 특정 상태량의 좌표 및 주파수의 좌표를 갖춘 좌표계에 의해 상기 시간좌표 비선형 변환수단의 해석결과를 표시하는 표시수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제11항에 있어서, 상기 시간좌표 비선형 변환수단의 해석결과에 기초하여 상기 감시대상에 있어서의 이상의 발생 유무를 판정하는 이상판정수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제12항에 있어서, 상기 시간좌표 비선형 변환수단의 해석결과인 스펙트럼 데이터에 대한 상기 표시수단에 의한 표시에 대해, 표시 전체중의 특정 영역을 지정하기 위한 영역지정수단과, 상기 영역지정수단에 의해 지정된 영역에 대응하는 스펙트럼 데이터를 추출하여 상기 이상판정수단으로 보내기 위한 데이터 추출수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 이상판정수단에 의한 판정결과를 상기 표시수단에 표시하도록 한 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 이상판정수단에 의한 판정결과를 표시하는 이상표시수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
감시대상으로부터 발생하는 비정상신호를 컴퓨터에 의해 해석하기 위한 프로그램을 기록한 매체로서, 이 비정상신호 해석프로그램은 컴퓨터에, 상기 비정상신호를 웨이브렛 변환하여 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 작성하는 웨이브렛 변환 계산기능과, 상기 감시대상에 있어서의 특정 상태량의 시간변화를 나타낸 상태량 변화함수를 설정하는 상태량 변화함수 설정기능, 상기 상태량 변화함수의 역함수에 의해 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 상기 특정 상태량의 좌표로 비선형 변환하는 시간좌표 비선형 변환기능을 실현시키는 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체.
제16항에 있어서, 상기 감시대상은 엘리베이터이고, 상기 비정상신호는 상기 엘리베이터의 캡에 있어서 측정된 가속도신호이며, 상기 특정 상태량은 상기 캡의 승강위치 또는 승강속도인 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체.
제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 시간좌표 비선형 변환수단은 확장 웨이브렛 변환식

에 의해 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 비선형 변환한 스펙트럼 데이터를 계산하는 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체.
제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 시간좌표 비선형 변환수단은 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 각 시간마다 분할하고, 시간과 상기 특정 상태량의 관계를 기억한 데이터 테이블 혹은 상기 상태량 변화함수에 기초하여, 분할된 데이터를 상태량순으로 재배열하고, 각 데이터간을 보간 혹은 평활화 처리함으로써, 시간좌표를 상기 특정 상태량의 좌표로 비선형 변환한 스펙트럼 데이터를 계산하는 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석프로그램을 기록한 매체.
제2항에 있어서, 상기 시간좌표 비선형 변환수단은 확장 웨이브렛 변환식

에 의해 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 상기 특정 상태량의 좌표로 비선형 변환한 스펙트럼 데이터를 계산하는 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제2항에 있어서, 상기 시간좌표 비선형 변환수단은 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터를 각 시간마다 분할하고, 시간과 상기 특정 상태량의 관계를 기억한 데이터 테이블 혹은 상기 상태량 변화함수에 기초하여, 분할된 데이터를 상태량순으로 재배열하고, 각 데이터간을 보간 혹은 평활화 처리함으로써, 상기 웨이브렛 스펙트럼 데이터의 시간좌표를 상기 특정 상태량의 좌표로 비선형 변환한 스펙트럼 데이터를 계산하는 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제2항에 있어서, 상기 비정상신호를 측정하기 위한 응답데이터 측정수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제2항에 있어서, 상기 상태량 변화함수 설정수단은 상기 특정 상태량 이외의 상태량에 관한 측정데이터에 기초하여 상기 상태량 변화함수를 추정하도록 한 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제23항에 있어서, 상기 특정 상태량 이외의 상태량에 관한 측정데이터는 상기 비정상신호에 관한 측정데이터인 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 상태량 변화함수 설정수단은 상기 감시대상의 동특성 모델에 기초하는 상태관측기 또는 칼만 필터를 이용하여, 상기 특정 상태량의 시간변화를 상기 특정 상태량 이외의 상태량의 측정데이터에 기초하여 추정함으로써 상기 상태량 변화함수를 추정하도록 한 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제2항에 있어서, 상기 상태량 변화함수 설정수단은 상기 특정 상태량의 측정데이터에 기초하여 상기 상태량 변화함수를 구하도록 한 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제2항에 있어서, 상기 상태량 변화함수 설정수단은 미리 구해 놓은 상기 상태량 변화함수를 사용하도록 한 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제2항에 있어서, 적어도 상기 특정 상태량의 좌표 및 주파수의 좌표를 갖춘 좌표계에 의해 상기 시간좌표 비선형 변환수단의 해석결과를 표시하는 표시수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제28항에 있어서, 상기 시간좌표 비선형 변환수단의 해석결과에 기초하여 상기 감시대상에 있어서의 이상의 발생 유무를 판정하는 이상판정수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제29항에 있어서, 상기 시간좌표 비선형 변환수단의 해석결과인 스펙트럼 데이터에 대한 상기 표시수단에 의한 표시에 대해, 표시 전체중의 특정 영역을 지정하기 위한 영역지정수단과, 상기 영역지정수단에 의해 지정된 영역에 대응하는 스펙트럼 데이터를 추출하여 상기 이상판정수단으로 보내기 위한 데이터 추출수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 이상판정수단에 의한 판정결과를 상기 표시수단에 표시하도록 한 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.
제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 이상판정수단에 의한 판정결과를 표시하는 이상표시수단을 더욱이 갖춘 것을 특징으로 하는 비정상신호 해석장치.