KR102138279B1 - Apparatus and method for monitoring vibration of rotating equipment based on deep learning time series analysis - Google Patents
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Abstract
Description
본원은 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 딥러닝 시계열 분석 모델을 기반으로 진동 센서를 분석하여 회전설비의 현재 상황을 실시간으로 파악할 수 있도록 회전설비의 상태를 실시간으로 감시하고 최적의 알람 마진을 설정하는 진동 상태 감시 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for monitoring the vibration condition of a rotating facility using time-series analysis based on deep learning. More specifically, a vibration state monitoring device and method for monitoring the state of a rotating facility in real time and setting an optimal alarm margin to analyze the vibration sensor based on a deep learning time series analysis model to grasp the current situation of the rotating facility in real time It is about.
종래의 회전설비 진동 상태감시 및 알람 시스템은 비즈니스 룰 기반으로 수집된 진동신호에 대해 전문가의 경험과 공학적 지식을 바탕으로 진동신호를 처리하고 특정 임계값을 설정하는 방식을 통해 구축되어 왔다. 그러나 설비의 상태를 나타내는 인자들은 그 종류가 매우 다양하고 설비담당자가 관리하는 설비의 대수가 많아 설비의 특성을 고려한 적합한 임계값을 설정하는 데에는 큰 어려움이 있으며 방대한 자료의 해석을 위해 신호처리 및 공학적인 배경 지식이 필수적이어서 비전문가는 어떤 결함이 발생하였는지 파악하기 어렵다.Conventional vibration monitoring system and alarm system for rotating equipment has been established through a method of processing a vibration signal and setting a specific threshold value based on expert experience and engineering knowledge on the vibration signal collected based on business rules. However, the factors that indicate the condition of the equipment are very diverse and the number of equipment managed by the equipment manager is large, making it difficult to set a suitable threshold value considering the characteristics of the equipment. Signal processing and engineering for the interpretation of vast data Due to the essential background knowledge, it is difficult for non-experts to know what defects have occurred.
또한 종래의 임계값을 통한 알람 방식은 외부의 충격으로 인해 일시적으로 임계값을 넘어선 신호와 결함으로 인한 신호를 구분하기 어려워 실제로 장비에 결함이 발생하지 않았음에도 외부의 충격 등으로 경고가 울려 설비의 가동을 중단하고 정비를 해야 하는 등의 경제적 손실을 야기할 수 있었다.In addition, the alarm method using the conventional threshold value is difficult to distinguish between the signal temporarily exceeding the threshold value and the signal due to a defect due to an external shock, but the warning is triggered by an external shock, etc., even though a defect has not actually occurred in the equipment. This could lead to economic losses, such as downtime and maintenance.
따라서, 진동 신호와 연계된 알람은 특정 임계값에 대한 초과 여부를 판단하는 것만으로는 정확한 감시 성능을 제공하기 어렵고, 이를 극복하기 위해서는 진동 신호의 시계열적 특성을 함께 고려하는 것이 중요하다. 현재 국내의 경우 진동모니터링 시스템은 일부 구현된바 있으나, 진동 신호의 시계열적 특성을 반영한 모니터링 시스템에 대하여는 그 개발이 미비한 실정이다. 따라서 딥러닝 시계열 분석 기술에 기반하여 진동 신호의 시계열적인 특성을 고려한 회전설비 진동 상태 감시 기술의 필요성이 증가하고 있다.Therefore, it is difficult to provide an accurate monitoring performance only by determining whether the alarm associated with the vibration signal exceeds a certain threshold, and it is important to consider the time series characteristics of the vibration signal together to overcome this. Currently, in Korea, the vibration monitoring system has been partially implemented, but the development of the monitoring system that reflects the time-series characteristics of the vibration signal is insufficient. Accordingly, there is an increasing need for a vibration condition monitoring technology for a rotating facility in consideration of time-series characteristics of a vibration signal based on a deep learning time series analysis technology.
본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허공보 제10-2027389호에 개시되어 있다.The background technology of the present application is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-2027389.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 회전설비의 상태를 나타내는 진동 신호를 실시간으로 모니터링 및 분석하여 결함의 신호를 탐지하고 알릴 수 있는 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 장치 및 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.The present application is intended to solve the problems of the prior art described above, and monitors and analyzes a vibration signal representing the state of a rotating facility in real time to detect and signal a defect signal. It is an object to provide a monitoring device and method.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 특정 시간에 대한 분류를 수행하는 일반적인 인공지능 알고리즘이 아닌 시간대에 대한 분류를 수행하는 시퀀스알고리즘을 적용하여 보다 엄밀한 결함 진단이 가능한 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 장치 및 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.The present application is intended to solve the problems of the prior art described above, and is based on deep learning that enables a more rigorous diagnosis of defects by applying a sequence algorithm that performs classification for a time zone rather than a general AI algorithm that performs classification for a specific time. An object of the present invention is to provide an apparatus and method for monitoring the vibration condition of a rotating facility using time series analysis.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical problems to be achieved by the embodiments of the present application are not limited to the technical problems as described above, and other technical problems may exist.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 장치는, 회전설비에 대하여 설치된 진동 센서로부터 상기 회전설비의 진동 데이터를 수신하는 데이터 수신부, 상기 진동 데이터의 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 상기 진동 데이터로부터 특질 변수를 추출하는 데이터 전처리부, 추출된 상기 특질 변수에 대하여 딥러닝 기반의 시계열 분석을 통해 상기 진동 데이터와 연계된 예측값을 생성하고, 상기 예측값 및 상기 진동 데이터의 실제값에 기초하여 오차 정보를 생성하는 학습부, 상기 오차 정보에 기초하여 상기 진동 데이터와 연계된 결함 유무 판단을 위한 마진을 설정하는 마진 설정부 및 상기 회전설비에 대한 신규 진동 데이터를 수신하고, 상기 마진에 기초하여 상기 신규 진동 데이터의 결함 유무를 판단하는 결함 탐지부를 포함할 수 있다.As a technical means for achieving the above technical problem, a vibration monitoring system for a rotating facility using a deep learning-based time series analysis according to an embodiment of the present application receives vibration data of the rotating facility from a vibration sensor installed with respect to the rotating facility. The receiving data receiving unit, a data pre-processing unit for removing noise of the vibration data and extracting characteristic variables from the vibration data from which the noise has been removed, and the vibration data and the vibration data through deep learning based time series analysis on the extracted characteristic variables A learning unit generating an associated predicted value and generating error information based on the predicted value and the actual value of the vibration data, and a margin setting for setting a margin for determining whether there is a defect associated with the vibration data based on the error information It may include a defect detection unit for receiving the new vibration data for the unit and the rotating equipment, and determines the presence or absence of defects in the new vibration data based on the margin.
또한, 상기 학습부는, 기 설정된 단위 시간 동안의 상기 진동 데이터의 변화를 추정하는 예측 시퀀스를 상기 예측값으로 생성하고, 상기 단위 시간 동안의 상기 진동 데이터의 실제 시퀀스와 상기 예측 시퀀스의 차이에 해당하는 오차 벡터를 상기 오차 정보로 생성할 수 있다.In addition, the learning unit generates a prediction sequence for estimating a change in the vibration data during a predetermined unit time as the prediction value, and an error corresponding to a difference between the actual sequence and the prediction sequence of the vibration data during the unit time. Vectors can be generated from the error information.
또한, 상기 결함 탐지부는, 상기 오차 벡터 및 상기 마진을 입력으로 하는 지도 학습 기반의 알고리즘을 통해 상기 결함 유무를 판단할 수 있다.In addition, the defect detection unit may determine the presence or absence of the defect through an algorithm based on supervised learning using the error vector and the margin as inputs.
또한, 상기 결함 탐지부는, 상기 지도 학습 기반의 알고리즘을 통해 상기 신규 진동 데이터를 상기 단위 시간을 단위로 하여 분석함으로써 결함 발생 유무를 판단할 수 있다.In addition, the defect detection unit may determine whether a defect occurs by analyzing the new vibration data in units of the unit time through the supervised learning-based algorithm.
또한, 상기 학습부는, LSTM 알고리즘, Attention 알고리즘, Transformer 알고리즘 및 BERT 알고리즘 중 적어도 하나에 기초하여 상기 딥러닝 기반의 시계열 분석을 수행할 수 있다.In addition, the learning unit may perform the deep learning-based time series analysis based on at least one of an LSTM algorithm, an Attention algorithm, a Transformer algorithm, and a BERT algorithm.
또한, 본원의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 장치는, 상기 신규 진동 데이터에 결함이 있는 것으로 판단되면, 기 설정된 알람을 출력하는 알람부를 포함할 수 있다.In addition, the apparatus for monitoring vibration state of a rotating facility using time-series analysis based on deep learning according to an embodiment of the present application may include an alarm unit that outputs a preset alarm when it is determined that the new vibration data is defective.
또한, 상기 마진 설정부는, 최대우도추정 알고리즘 및 다변량 가우스 분포 분석 중 적어도 하나에 기초하여 상기 마진을 설정할 수 있다.In addition, the margin setting unit may set the margin based on at least one of a maximum likelihood estimation algorithm and a multivariate Gaussian distribution analysis.
또한, 상기 데이터 전처리부는, 상기 진동 데이터에 대하여 로우패스 필터 또는 밴드패스 필터를 적용하여 상기 노이즈를 제거할 수 있다.In addition, the data pre-processor may remove the noise by applying a low pass filter or a band pass filter to the vibration data.
또한, 상기 데이터 전처리부는, 상기 노이즈가 제거된 상기 진동 데이터에 대하여 FFT(FFT: Fast Fourier Transform) 또는 STFT(STFTL: Short Time Fourier Transform)을 적용하여 상기 노이즈가 제거된 진동 데이터를 주파수 영역의 데이터로 변환할 수 있다.In addition, the data pre-processing unit applies the FFT (Fast Fourier Transform) or STFT (STFTL: Short Time Fourier Transform) to the vibration data from which the noise has been removed, and the noise-removed vibration data is frequency domain data. Can be converted to
한편, 본원의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 방법은, 회전설비에 대하여 설치된 진동 센서로부터 상기 회전설비의 진동 데이터를 수신하는 단계, 상기 진동 데이터의 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 상기 진동 데이터로부터 특질 변수를 추출하는 단계, 추출된 상기 특질 변수에 대하여 딥러닝 기반의 시계열 분석을 통해 상기 진동 데이터와 연계된 예측값을 생성하고, 상기 예측값 및 상기 진동 데이터의 실제값에 기초하여 오차 정보를 생성하는 단계, 상기 오차 정보에 기초하여 상기 진동 데이터와 연계된 결함 유무 판단을 위한 마진을 설정하는 단계 및 상기 회전설비에 대한 신규 진동 데이터를 수신하고, 상기 마진에 기초하여 상기 신규 진동 데이터의 결함 유무를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.On the other hand, a method for monitoring a vibration condition of a rotating facility using deep learning-based time series analysis according to an embodiment of the present application includes receiving vibration data of the rotating equipment from a vibration sensor installed with respect to the rotating equipment, and reducing noise of the vibration data. Removing, extracting a characteristic variable from the vibration data from which noise has been removed, and generating a prediction value associated with the vibration data through deep learning based time series analysis on the extracted characteristic variable, and generating the prediction value and the vibration data Generating error information based on an actual value of, setting a margin for determining the presence or absence of a defect associated with the vibration data based on the error information, and receiving new vibration data for the rotating equipment, and generating the margin And determining whether or not the new vibration data is defective.
또한, 상기 오차 정보를 생성하는 단계는, 기 설정된 단위 시간 동안의 상기 진동 데이터의 변화를 추정하는 예측 시퀀스를 상기 예측값으로 생성하는 단계 및 상기 단위 시간 동안의 상기 진동 데이터의 실제 시퀀스와 상기 예측 시퀀스의 차이에 해당하는 오차 벡터를 상기 오차 정보로 생성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the generating of the error information may include generating a prediction sequence for estimating a change in the vibration data during a predetermined unit time as the prediction value, and an actual sequence and the prediction sequence of the vibration data during the unit time. It may include generating an error vector corresponding to the difference of the as the error information.
또한, 상기 결함 유무를 판단하는 단계는, 상기 오차 벡터 및 상기 마진을 입력으로 하는 지도 학습 기반의 알고리즘을 통해 상기 신규 진동 데이터를 상기 단위 시간을 단위로 하여 분석함으로써 결함 발생 유무를 판단할 수 있다.In addition, in the determining of the presence or absence of the defect, the presence or absence of a defect may be determined by analyzing the new vibration data in units of the unit time through an algorithm based on supervised learning using the error vector and the margin as inputs. .
또한, 본원의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 방법은, 상기 신규 진동 데이터에 결함이 있는 것으로 판단되면, 기 설정된 알람을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the method for monitoring a vibration condition of a rotating facility using deep learning-based time series analysis according to an embodiment of the present application may include outputting a preset alarm when it is determined that the new vibration data is defective.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.The above-described problem solving means are merely exemplary and should not be construed as limiting the present application. In addition to the exemplary embodiments described above, additional embodiments may exist in the drawings and detailed description of the invention.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 회전설비의 상태를 나타내는 진동 신호를 실시간으로 모니터링 및 분석하여 결함의 신호를 탐지하고 알릴 수 있는 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 장치 및 방법을 제공할 수 있다.According to the above-described problem solving means of the present application, a vibration monitoring device and method using a deep learning-based time series analysis capable of detecting and notifying a signal of a defect by monitoring and analyzing a vibration signal representing a state of a rotating facility in real time Can provide
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 회전설비의 결함 유무 여부를 특정 시점이 아닌 단위 시간에 대해 분류하므로 임계값을 넘어서지 않는 전조현상을 파악할 수 있으며 이에 따라 결함에 대한 엄밀한 분류가 가능해질 수 있다.According to the above-described problem solving means of the present application, since the presence or absence of a defect in the rotating equipment is classified for a unit time rather than a specific time point, it is possible to grasp a precursor phenomenon that does not exceed a threshold value, and accordingly, a strict classification of the defect may be possible. .
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 수집되는 데이터를 자동으로 처리하고 학습하여 결함 여부를 분류하므로 설비 주변 환경의 변화 등으로 인하여 수집되는 데이터의 특성이 특정 시점에서 변화하는 경우에도 적용될 수 있어, 전문가에 의하지 않더라도 지속적으로 쉽게 회전설비를 유지, 보수 및 관리할 수 있다.According to the above-described problem solving means of the present application, since the collected data is automatically processed and learned to classify the defects, it can be applied even when the characteristics of the collected data change at a specific point in time due to changes in the environment around the facility, Even if you do not rely on experts, you can easily maintain, repair and manage rotating equipment.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.However, the effects obtainable herein are not limited to the effects described above, and other effects may exist.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 진동 데이터의 시간 영역에서의 특징 추출 결과를 시각화하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 진동 데이터의 주파수 영역으로의 변환 결과를 시각화하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 진동 데이터의 시간-주파수영역 변환 결과 시각화하여 나타낸 도면이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 통해 생성된 예측값을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 통해 생성된 예측값과 실제값의 오차 정보를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 방법에 대한 동작 흐름도이다.1 is a schematic configuration diagram of a vibration condition monitoring device for a rotating facility using time-series analysis based on deep learning according to an embodiment of the present application.
2 is a diagram visualizing a result of feature extraction in a time domain of vibration data according to an embodiment of the present application.
FIG. 3 is a diagram visualizing a result of converting vibration data into a frequency domain according to an embodiment of the present application.
4 is a diagram showing visualization of a result of time-frequency domain conversion of vibration data according to an embodiment of the present application.
5 is a diagram exemplarily showing prediction values generated through deep learning-based time series analysis according to an embodiment of the present application.
6 is a graph showing error information of predicted values and actual values generated through deep learning-based time series analysis according to an embodiment of the present application.
7 is an operation flowchart of a method for monitoring a vibration condition of a rotating facility using time-series analysis based on deep learning according to an embodiment of the present application.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present application pertains may easily practice. However, the present application may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present application in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is "connected" to another part, it is not only "directly connected", but also "electrically connected" or "indirectly connected" with another element in between. "It includes the case where it is.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when one member is positioned on another member “on”, “on top”, “top”, “bottom”, “bottom”, “bottom”, it means that one member is on another member This includes cases where there is another member between the two members as well as when in contact.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the present specification, when a part “includes” a certain component, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless otherwise stated.
본원은 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 딥러닝 시계열 분석 모델을 기반으로 진동 센서를 분석하여 회전설비의 현재 상황을 실시간으로 파악할 수 있도록 회전설비의 상태를 실시간으로 감시하고 최적의 알람 마진을 설정하는 진동 상태 감시 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for monitoring the vibration condition of a rotating facility using time-series analysis based on deep learning. More specifically, a vibration state monitoring device and method for monitoring the state of a rotating facility in real time and setting an optimal alarm margin to analyze the vibration sensor based on a deep learning time series analysis model to grasp the current situation of the rotating facility in real time It is about.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 장치의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a vibration condition monitoring device for a rotating facility using time-series analysis based on deep learning according to an embodiment of the present application.
도 1을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 장치(100)(이하, '진동 상태 감시 장치(100)'라 한다.)는, 데이터 수신부(110), 데이터 전처리부(120), 학습부(130), 마진 설정부(140), 결함 탐지부(150) 및 알람부(160)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a rotation facility vibration state monitoring device 100 (hereinafter referred to as'vibration state monitoring device 100') using a deep learning-based time series analysis according to an embodiment of the present application includes a data receiving unit. It may include a 110, a data pre-processing
진동 상태 감시 장치(100) 및 회전설비에 대하여 설치된 진동 센서(미도시) 상호간은 네트워크(미도시)를 통해 통신할 수 있다. 네트워크(미도시)는 단말들 및 서버들과 같은 각각의 노드 상호간에 정보 교환이 가능한 연결 구조를 의미하는 것으로, 이러한 네트워크(미도시)의 일 예에는, 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 네트워크, LTE(Long Term Evolution) 네트워크, 5G 네트워크, WIMAX(World Interoperability for Microwave Access) 네트워크, 인터넷(Internet), LAN(Local Area Network), Wireless LAN(Wireless Local Area Network), WAN(Wide Area Network), PAN(Personal Area Network), wifi 네트워크, 블루투스(Bluetooth) 네트워크, 위성 방송 네트워크, 아날로그 방송 네트워크, DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 네트워크 등이 포함되나 이에 한정되지는 않는다.The vibration
데이터 수신부(110)는, 회전설비에 대하여 설치된 진동 센서로부터 상기 회전설비의 진동 데이터를 수신할 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 회전설비에 대하여 설치되는 진동 센서는 회전설비의 진동 변위 정보, 가속도 정보 등을 포함하는 진동 데이터를 측정하는 센서일 수 있다. 또한, 본원의 구현예에 따라 진동 센서는 압전 가속도 방식, 외팔보 진동 방식, 광 섬유 방식 등 다양한 타입의 센서로 마련될 수 있다.The
데이터 전처리부(120)는, 진동 데이터의 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 진동 데이터로부터 특질 변수를 추출할 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 특질 변수는 회전설비에 대한 시간에 따른 진동 변위 또는 가속도 변화를 나타내는 파형으로부터 추출되는 파형의 형상(Shape), 크기(진폭, Amplitude), 위상(Phase) 등을 포함할 수 있다. 달리 말해, 데이터 전처리부(120)는 진동 데이터로부터 형상, 크기 및 위상 중 적어도 하나에 대한 특질 변수를 추출할 수 있다.The data
구체적으로 본원의 일 실시예에 따르면, 데이터 전처리부(120)는, 수신된 진동 데이터에 대하여 기 설정된 로우패스 필터(Low-Pass Filter) 또는 밴드패스 필터(Band-Pass Filter)를 적용하여 노이즈를 제거할 수 있다.Specifically, according to an embodiment of the present application, the
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 진동 데이터의 시간 영역에서의 특징 추출 결과를 시각화하여 나타낸 도면이다.2 is a diagram visualizing a result of feature extraction in a time domain of vibration data according to an embodiment of the present application.
도 2를 참조하면, 도 2의 (a)는 진동 데이터의 RMS(Root Mean Squre) 값의 시계열적인 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이고, 도 2의 (b)는 진동 데이터의 CF(Center Frequency) 값의 시계열적인 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이고, 도 2의 (c)는 진동 데이터의 Var(Variance, 분산) 값의 시계열적인 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이고, 도 2의 (d)는 진동 데이터의 IF(Intermediate Frequency) 값의 시계열적인 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이고, 도 2의 (e)는 진동 데이터의 Skewness(편포도) 값의 시계열적인 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이고, 도 2의 (f)는 진동 데이터의 MF(Medium Frequency) 값의 시계열적인 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이고, 도 2의 (g)는 진동 데이터의 Kurtosis(첨도) 값의 시계열적인 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이고, 도 2의 (h)는 진동 데이터의 PTP(Peak to Peak) 값의 시계열적인 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이다.Referring to FIG. 2, FIG. 2(a) is a graph exemplarily showing a time-series change of RMS (Root Mean Squre) values of vibration data, and FIG. 2(b) is a center frequency (CF) of vibration data. 2(c) is a graph exemplarily showing a time-series change in the value of Var (Variance, variance) of vibration data, and FIG. 2(d) is a vibration 2(e) is a graph exemplarily showing a time-series change of skewness value of vibration data, and FIG. 2 (F) is a graph exemplarily showing a time-series change of MF (Medium Frequency) values of vibration data, and FIG. 2(g) exemplarily shows a time-series change of Kurtosis values of vibration data. FIG. 2(h) is a graph exemplarily showing a time-series change of a peak to peak (PTP) value of vibration data.
도 2를 참조하면, 일반적으로 진동 데이터의 시간 영역에서의 특징은 시간의 흐름에 따라 점진적으로 증가하거나 감소하는 추세를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이렇듯, 진동 데이터(진동 신호)의 경우 단순히 특정 시점에만 적용되는 임계값의 초과 여부뿐만 아니라 진동 데이터(진동 신호)의 시계열적인 특성을 종합적으로 고려하여 결함 발생 유무 또는 진동 상태를 감시할 필요성이 크다. 이와 관련하여, 본원에서는 후술하는 바와 같이 딥러닝 기반의 시계열 분석을 통해 진동 센서에 의해 지속적으로 획득되어 모니터링 대상이 되는 회전설비 진동 데이터의 시계열적 특성을 반영한 결함 판단을 가능케 하므로, 정상 상태와 이상 상태(결함 발생 상태)의 엄밀한 분류가 가능하며, 일정 시간 구간에서의 결함 발생에 선행하는 전조 현상을 파악할 수 있도록 한다.Referring to FIG. 2, it can be seen that in general, characteristics in the time domain of vibration data indicate a trend that gradually increases or decreases over time. As described above, in the case of vibration data (vibration signal), it is necessary to monitor the presence or absence of a defect or the vibration state by comprehensively considering the time-series characteristics of the vibration data (vibration signal) as well as whether the threshold value applied only at a specific time point is exceeded . In this regard, the present application enables the determination of defects reflecting the time-series characteristics of the vibration data of the rotating equipment that is continuously monitored by the vibration sensor through deep learning-based time series analysis, as described later, so that it is in a normal state and abnormal state. Strict classification of the state (defect generation state) is possible, and it is possible to grasp the precursor phenomenon preceding the occurrence of the defect in a certain period of time.
또한, 도 2를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 데이터 전처리부(120)는, 진동 데이터에 대한 RMS 분석, 중심 주파수(CF) 분석, 분산(Var) 분석, 중간 주파수(IF) 분석, 편포도(Skewness) 분석, 중파(MF) 분석, 첨도(Kurtosis) 분석 및 PTP 분석 중 적어도 하나에 기초하여 진동 데이터로부터 하나 이상의 특질 변수를 추출할 수 있다.In addition, referring to Figure 2, the
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 진동 데이터의 주파수 영역으로의 변환 결과를 시각화하여 나타낸 도면이고, 도 4는 본원의 일 실시예에 따른 진동 데이터의 시간-주파수영역 변환 결과 시각화하여 나타낸 도면이다.3 is a diagram visualizing a result of conversion of vibration data to a frequency domain according to an embodiment of the present application, and FIG. 4 is a diagram showing a result of time-frequency domain conversion of vibration data according to an embodiment of the present application. .
도 3 및 도 4를 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 데이터 전처리부(120)는, 노이즈가 제거된 진동 데이터에 대하여 FFT(FFT: Fast Fourier Transform) 또는 STFT(STFTL: Short Time Fourier Transform)을 적용하여 노이즈가 제거된 진동 데이터를 주파수 영역의 데이터 또는 시간-주파수 영역의 데이터로 변환할 수 있다. 달리 말해, 데이터 전처리부(120)는 수집된 진동 데이터에 대한 전처리를 수행하되, 수집된 시간파형 데이터(시간 영역에서의 진동 데이터)에 대하여 고속푸리에변환(FFT)을 통한 주파수 영역으로의 변환 또는 스펙트로그램을 통한 시간-주파수 영역으로의 변환을 수행하며, 변환된 각각의 영역에서의 특징(특질 변수)를 추출하도록 동작할 수 있다. 또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 데이터 전처리부(120)에 의해 주파수 영역 또는 시간-주파수 영역으로 변환된 진동 데이터가 후술하는 학습부(130)로 전달될 수 있다. 달리 말해, 학습부(130)는 데이터 전처리부(120)에 의해 주파수 영역 또는 시간-주파수 영역으로 변환된 진동 데이터에 대하여 딥러닝 기반의 시계열 분석을 수행하는 것일 수 있다.Referring to FIGS. 3 and 4, the
도 4는 획득된 진동 데이터를 스펙트로그램 형태로 나타낸 그래프로 이해될 수 있으며, 스펙트로그램(Spectrogram)은 파동을 시각화하여 파악하기 위한 시각화 도구로, 파형(waveform)의 특성과 스펙트럼(spectrum)의 특성을 함께 확인할 수 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 스펙트로그램에서는 시간축(가로축)과 주파수축(세로축)의 변화에 따른 진폭의 변화를 농도 또는 표시 색상의 차이로 확인할 수 있다. 특히, 도 4에 도시된 상측 그래프는 정상 상태(달리 말해, 회전설비에 결함이 없는 경우) 하측 그래프는 이상 상태(달리 말해, 회전설비에 특정 결함이 발생한 경우)를 나타내며, 도 4를 참조하면, 정상상태에서의 스펙트럼과 이상 상태(예를 들면, 열화가 진행된 상태)의 스펙트럼에서 유의미한 차이를 확인할 수 있다.FIG. 4 can be understood as a graph representing the acquired vibration data in the form of a spectrogram, and the spectrogram is a visualization tool for visualizing and grasping waves, and characteristics of a waveform and a spectrum. It is characterized by being able to confirm together. In these spectrograms, the amplitude change according to the change of the time axis (horizontal axis) and the frequency axis (vertical axis) can be confirmed as a difference in density or display color. In particular, the upper graph illustrated in FIG. 4 indicates a normal state (in other words, when there is no defect in the rotating equipment) and the lower graph represents an abnormal state (in other words, when a specific defect occurs in the rotating equipment), referring to FIG. 4. , Significant differences can be confirmed in the spectrum in the normal state and the spectrum in the abnormal state (for example, a state in which degradation has progressed).
학습부(130)는, 추출된 특질 변수에 대하여 딥러닝 기반의 시계열 분석을 통해 진동 데이터와 연계된 예측값을 생성할 수 있다.The
또한, 학습부(130)는, 생성된 예측값 및 진동 데이터의 실제값에 기초하여 오차 정보를 생성할 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 학습부(130)는 추출된 특질 변수(예를 들면, 진동 데이터의 형상, 진폭, 위상 등) 각각에 대한 오차 정보를 생성할 수 있다.In addition, the
본원의 일 실시예에 따르면, 학습부(130)는, LSTM 알고리즘, Attention 알고리즘, Transformer 알고리즘 및 BERT 알고리즘 중 적어도 하나에 기초하여 딥러닝 기반의 시계열 분석을 수행하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present application, the
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 통해 생성된 예측값을 예시적으로 나타낸 도면이다. 특히, 도 5는 LSTM 알고리즘에 기초하여 수행되는 딥러닝 기반의 시계열 분석 결과 생성된 예측값을 나타낸 것이다.5 is a diagram exemplarily showing prediction values generated through deep learning-based time series analysis according to an embodiment of the present application. Particularly, FIG. 5 shows prediction values generated as a result of time-series analysis based on deep learning performed based on the LSTM algorithm.
도 5의 주황색 그래프는 딥러닝 기반의 시계열 분석 결과 생성된 예측값을 소정의 단위 시간 동안 나타낸 것이고, 도 5의 파란색 그래프는 해당 단위 시간 동안의 진동 데이터의 실제값을 나타낸 것이다.The orange graph of FIG. 5 shows the predicted value generated as a result of deep learning based time series analysis for a predetermined unit time, and the blue graph of FIG. 5 shows the actual value of vibration data during the unit time.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 통해 생성된 예측값과 실제값의 오차 정보를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing error information of predicted values and actual values generated through deep learning-based time series analysis according to an embodiment of the present application.
도 6을 참조하면, 학습부(130)는, 기 설정된 단위 시간 동안의 상기 진동 데이터의 변화를 추정하는 예측 시퀀스를 예측값으로 생성할 수 있다. 또한, 학습부(130)는, 단위 시간 동안의 진동 데이터의 실제 시퀀스와 생성된 예측 시퀀스의 차이에 해당하는 오차 벡터를 오차 정보로 생성할 수 있다.Referring to FIG. 6, the
본원의 일 실시예에 따르면, 학습부(130)가 예측값을 생성하고, 생성된 예측값과 실제값의 비교를 통해 오차 정보를 생성하는 기준이 되는 시간 범위인 기 설정된 단위 시간은 수신된 진동 데이터의 성질에 따라 결정되는 것일 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 학습부(130)는, 데이터 전처리부(120)의 진동 데이터에 대한 RMS 분석, 중심 주파수(CF) 분석, 분산(Var) 분석, 중간 주파수(IF) 분석, 편포도(Skewness) 분석, 중파(MF) 분석, 첨도(Kurtosis) 분석 및 PTP 분석 중 적어도 하나의 분석에 대한 결과값에 기초하여 단위 시간을 결정할 수 있다.According to an embodiment of the present application, the preset unit time, which is a time range in which the
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 학습부(130)는 딥러닝 기반의 시계열 분석을 통해 소정의 단위 시간에 대하여 생성된 예측값(예측 시퀀스)과 해당 단위 시간에 대하여 획득된 실제값(실제 시퀀스)의 오차를 줄이는 방향으로 학습을 반복 진행할 수 있다. 달리 말해, 학습부(130)가 딥러닝 기반의 시계열 분석을 반복 수행할수록 학습부(130)의 출력인 오차 벡터의 크기 작아지는 것일 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present application, the
이하에서는, 본원에 적용되는 딥러닝 기반의 시계열 분석 알고리즘의 각 유형을 간단히 설명하도록 한다.Hereinafter, each type of the deep learning based time series analysis algorithm applied to the present application will be briefly described.
LSTM(Long-Short Term Memory) 알고리즘은 딥러닝 분야에서 사용되는 인공 재귀 신경 네트워크(RNN) 아키텍처의 하나로, 피드 포워드 신경망과 달리 피드백 연결이 존재한다. 따라서, LSTM 알고리즘에 의하면 단일 데이터 포인트뿐만 아니라 전체 데이터 시퀀스에 대한 학습 및 처리를 수행할 수 있다.The Long-Short Term Memory (LSTM) algorithm is one of the artificial recursive neural network (RNN) architectures used in deep learning. Unlike the feed-forward neural network, there is a feedback connection. Therefore, according to the LSTM algorithm, learning and processing of not only a single data point but also an entire data sequence can be performed.
이러한 LSTM 알고리즘은 시계열 데이터를 기반으로 예측을 분류, 처리 및 예측하는 데 적합하며, LSTM은 전통적인 RNN을 통한 훈련에서 발생 가능한 Vanishing Gradient 문제를 해소하는 장점이 있다.These LSTM algorithms are suitable for classifying, processing, and predicting predictions based on time series data, and LSTMs have the advantage of solving the vanishing gradient problems that can occur in training through traditional RNNs.
Attention 알고리즘은 딥러닝 모델이 특정 벡터에 주목하도록 하여 모델의 성능을 높이는 기법으로, 학습 과정에서 모델이 중요한 부분만 집중(attention)하도록 구현된 알고리즘으로 이해될 수 있다. 달리 말해, Attention 알고리즘에 의하면 디코더가 출력을 생성할 때 각 단계별로 입력 시퀀스의 각기 다른 부분을 집중하게 할 수 있도록 하며, 하나의 고정된 컨텍스트 벡터로 인코딩 하는 대신 출력의 각 단계별로 컨텍스트 벡터를 생성하는 방법을 학습할 수 있다. 이는 모델이 입력 시퀀스와 지금까지 생성한 결과를 통해 이후의 학습에서 어떠한 부분에 집중할 것인지를 결정하는 것으로 이해될 수 있으며, 집중할 부분은 결정하는 것은 Softmax를 통해 수행될 수 있다.Attention algorithm is a technique that increases the performance of a model by making a deep learning model pay attention to a specific vector, and can be understood as an algorithm implemented to concentrate only the important part of the model in the learning process. In other words, the Attention algorithm allows the decoder to focus the different parts of the input sequence at each step when generating the output, and instead of encoding it as one fixed context vector, it creates a context vector at each step of the output. How to learn. This can be understood as determining what part of the model to focus on in the subsequent learning through the input sequence and the result generated so far, and determining the part to focus on can be performed through Softmax.
Transformer 알고리즘은 종래의 seq2seq 아키텍쳐와 같이 인코더에서 입력 시퀀스를 입력받고, 디코더에서 출력 시퀀스를 출력하는 인코더-디코더 구조를 포함할 수 있다. 다만, 종래의 seq2seq 아키텍쳐와 달리 인코더 및 디코더가 복수개 마련될 수 있다. 또한, 상술한 Attention 알고리즘은 인코더의 히든 스테이트 중 어떤 것에 집중할지 결정하고 디코더 계산에 활용하는 반면, Transformer 알고리즘은 인코더와 디코더를 연결하지 않고 내부에서만 Attention 알고리즘을 사용하며, LSTM이나 GRU 같은 RNN이 아니라 Attention 신경망으로만 이루어져 있다는 특징을 갖는다.The Transformer algorithm may include an encoder-decoder structure that receives an input sequence from an encoder and outputs an output sequence from a decoder, like a conventional seq2seq architecture. However, unlike the conventional seq2seq architecture, a plurality of encoders and decoders may be provided. In addition, while the above-mentioned Attention algorithm determines which of the encoder's hidden states to focus on and utilizes in decoder calculation, the Transformer algorithm uses the Attention algorithm only internally without connecting the encoder and decoder, and is not an RNN such as LSTM or GRU. It has the characteristic that it consists of Attention Neural Network.
BERT(Bidirectional Encoder Representations from Transformers) 알고리즘은 라벨링되지 않은 대용량 데이터로 모델을 미리 학습 시킨 후, 특정 태스크를 가지고 있는 라벨링된 데이터로 Transfer 학습을 수행하는 알고리즘이다. BERT의 아키텍처는 상술한 Transformer 알고리즘을 일부 사용하지만, Pre-training 단계와 Fine-tuning 단계의 아키텍처를 일부 다르게 하여 Transfer 학습을 용이하게 만들 수 있으며, 상술한 Transformer 알고리즘의 구조 중에서 Encoder 부분만을 사용하는 것을 특징으로 한다.The BERT (Bidirectional Encoder Representations from Transformers) algorithm is an algorithm that trains the model in advance with large amounts of unlabeled data and then performs Transfer learning with labeled data that has a specific task. BERT's architecture uses some of the above-mentioned Transformer algorithms, but the pre-training and fine-tuning steps have different architectures to make transfer learning easier, and using only the Encoder part of the above-described Transformer algorithm structure. It is characterized by.
마진 설정부(140)는, 학습부(130)에 의해 획득된 오차 정보에 기초하여 진동 데이터와 연계된 결함 유무 판단을 위한 마진을 설정할 수 있다. 여기서, 마진은 후술하는 알람이 출력되기 위한 기준으로 기능할 수 있고, 이를 고려하여 알람 마진, 결함 분류 마진 등으로 달리 지칭될 수 있다. 또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 마진 설정부(140)는, 학습부(130)에 의해 획득된 특질 변수(예를 들면, 진동 데이터의 형상, 크기, 위상 등) 각각에 대한 오차정보에 기초하여 특질 변수 각각에 대한 마진을 개별적으로 설정할 수 있다. 또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 마진 설정부(140)는 결함의 심각도에 따라 단계적인 알람을 출력하도록 설정되는 마진을 복수의 레벨로 결정할 수 있다.The
본원의 일 실시예에 따르면, 마진 설정부(140)에 의해 설정되는 마진은 시계열적 특성을 고려하여 단위 시간 동안의 시퀀스 형태로 결정되는 것일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니고, 소정의 특질 변수에 대하여는 소정의 수치값 또는 수치범위로 결정될 수 있다.According to an embodiment of the present application, the margin set by the
또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 회전설비에 대한 결함은 정렬 불량(Misalignment), 불균형(Unbalance), 크랙(Crack), 마모(Abrasion) 등의 복수의 유형을 포함할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 본원의 일 실시예에 따르면, 마진 설정부(140)는 회전설비에서 발생할 수 있는 결함 유형 각각에 대한 마진을 개별적으로 설정하도록 구현될 수 있다. 또한, 실시예에 따라 결함 탐지부(150)는 결함 유형 별로 설정된 마진에 기초하여 신규 진동 데이터에 결함이 존재하면, 해당 결함의 유형을 신규 진동 데이터의 특성에 따라 결정하고, 후술하는 알람부(160)에 의해 결함 유형 각각에 대하여 개별적으로 설정된 알람이 출력되도록 할 수 있다. 달리 말해, 알람부(160)에서 출력되는 알람은 파악된 회전설비의 결함 유형에 따라 상이하게 결정될 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present application, defects in the rotating equipment may include a plurality of types such as misalignment, unbalance, crack, and abrasion, but are limited to this. It does not work. According to one embodiment of the present application, the
참고로, 결함 유형 중 정렬 불량(Misalignment)은 회전설비의 회전축 중심이 회전설비의 무게 중심과 불일치하는 경우 발생하는 결함을 의미할 수 있고, 불균형(Unbalance)은 회전설비의 복수의 회전축을 포함하고, 복수의 회전축에 대하여 구동되는 경우, 복수의 회전축 간의 축 중심선이 동일선 상에 위치하지 않는 경우 발생하는 결함을 의미할 수 있고, 크랙(Crack)은 회전설비의 장기간 반복 운전으로 인하여 회전설비의 소정의 영역에 균열이 발생하는 결함을 의미하는 것일 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 결함이 발생한 경우에서의 진동 데이터의 특질 변수 각각에 대한 특성이 상술한 결함의 유형 별로 상이할 수 있으므로, 학습부(130)는 결함 유형 각각에 대한 진동 데이터를 고려하여 오차정보를 생성(예를 들면, 소정의 유형의 결함이 발생한 경우의 진동 데이터를 수신하고, 수신된 진동 데이터를 실제 시퀀스로 하여 오차정보를 생성하고, 예측 시퀀스를 최적화할 수 있다.)하고, 마진 설정부(140)는 결함 유형 각각에 대하여 생성된 오차정보에 기초하여 결함 유형 별 마진을 다르게 설정함으로써, 결함 탐지부(150)가 신규 진동 데이터로부터 결함 유무를 판단할 뿐만 아니라, 발생한 결함의 유형을 파악할 수 있도록 구현될 수 있다.For reference, misalignment among defect types may mean a defect that occurs when the center of rotation of the rotating equipment is inconsistent with the center of gravity of the rotating equipment, and Unbalance includes a plurality of rotating shafts of the rotating equipment. , When driven with respect to a plurality of rotating shafts, it may mean a defect that occurs when the axis centerline between the plurality of rotating shafts is not located on the same line, and cracks may be due to the long-term repetitive operation of the rotating equipment. It may mean a defect that occurs in the crack of the region. According to an embodiment of the present application, since characteristics for each characteristic variable of vibration data in a case where a defect occurs may be different for each type of defect described above, the
본원의 일 실시예에 따르면, 마진 설정부(140)는, 최대우도추정 알고리즘 및 다변량 가우스 분포 분석 중 적어도 하나에 기초하여 마진을 설정할 수 있다. 다른 예로, 마진 설정부(140)는 임의의 통계적 기법에 기초하여 학습부(130)에 의해 획득된 시계열 모델의 학습 결과인 오차벡터로부터 최적의 마진을 추정하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present application, the
본원의 일 실시예에 따르면, 최대우도추정은 주어진 데이터에 대하여 우도를 가장 크게하는 모수를 찾는 방법으로 확보된 데이터를 기반으로 최적의 마진을 선정하는데 적합한 알고리즘이다.According to one embodiment of the present application, the maximum likelihood estimation is an algorithm suitable for selecting an optimal margin based on data obtained by a method of finding a parameter having the greatest likelihood for a given data.
결함 탐지부(150)는, 회전설비에 대한 신규 진동 데이터를 수신하고, 설정된 마진에 기초하여 신규 진동 데이터의 결함 유무를 판단할 수 있다. 결함 탐지부(150)에 수신되는 신규 진동 데이터는 진동 센서로부터 데이터 수신부(110)로 전송된 후, 결함 탐지부(150)로 전달되는 것으로 이해될 수 있다.The
달리 말해, 결함 탐지부(150)는 데이터 수신부(110)로부터 실시간으로 입력되는 신규 진동 데이터의 결함 유무를 분류하기 위하여 생성된 결함 분류 모델에 기초하여 신규 진동 데이터의 결함 유무를 판별할 수 있다.In other words, the
본원의 일 실시예에 따르면, 결함 탐지부(150)는, 전술한 오차 벡터 및 설정된 마진을 입력으로 하는 지도 학습 기반의 알고리즘을 통해 결함 유무를 판단할 수 있다. 또한, 결함 탐지부(150)는, 지도 학습 기반의 알고리즘을 통해 신규 진동 데이터를 단위 시간을 단위로 하여 분석함으로써 결함 발생 유무를 판단할 수 있다.According to one embodiment of the present application, the
참고로, 지도 학습(Supervised Learning)은 데이터에 대한 명시적인 정답 정보인 라벨(Label)이 주어진 상태에서 학습시키는 방법을 의미할 수 있다. 본원에서는 종래에 이미 공지되었거나 향후 개발되는 다양한 지도 학습 알고리즘 모델이 적용될 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 결함 탐지부(150)는 학습부(130)에 의해 신규 진동 데이터가 수신되기 이전 시점의 진동 데이터를 통해 생성된 오차벡터 및 신규 진동 데이터를 입력으로 수신하고, 수신된 오차벡터 및 신규 진동 데이터에 기초하여 마진 설정부(140)에 의해 설정된 마진을 고려하여 신규 진동 데이터에서의 결함 발생 가능성 또는 신규 진동 데이터 수신 시점 이후의 결함 발생 가능성을 예측하도록 동작할 수 있다.For reference, supervised learning may mean a method of learning in a state in which a label, which is an explicit correct answer information for data, is given. In the present application, various supervised learning algorithm models that have been known or developed in the future may be applied. According to an embodiment of the present application, the
알람부(160)는, 결함 탐지부(150)의 판단 결과, 신규 진동 데이터에 결함이 있는 것으로 판단되면, 기 설정된 알람을 출력할 수 있다. 즉, 본원의 진동 상태 감시 장치(100)는 특정 시간대의 진동 데이터가 결함 탐지부(150)에서 결함으로 분류된 경우, 알람부(160)를 통해 알람을 생성하여 설비 관리자 등의 담당자가 신속하게 상황을 인지하고 필요한 조치를 취할 수 있도록 동작할 수 있다.The
이하에서는 상기에 자세히 설명된 내용을 기반으로, 본원의 동작 흐름을 간단히 살펴보기로 한다.Hereinafter, based on the details described above, the operation flow of the present application will be briefly described.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 방법에 대한 동작 흐름도이다.7 is an operation flowchart of a method for monitoring a vibration condition of a rotating facility using time-series analysis based on deep learning according to an embodiment of the present application.
도 7에 도시된 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 방법은 앞서 설명된 진동 상태 감시 장치(100)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 진동 상태 감시 장치(100)에 대하여 설명된 내용은 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.The method for monitoring the vibration state of a rotating facility using time-series analysis based on deep learning shown in FIG. 7 may be performed by the vibration
도 7을 참조하면, 단계 S710에서 데이터 수신부(110)는, 회전설비에 대하여 설치된 진동 센서로부터 회전설비의 진동 데이터를 수신할 수 있다.Referring to FIG. 7, in step S710, the
다음으로 단계 S730에서 데이터 전처리부(120)는, 진동 데이터의 노이즈를 제거할 수 있다.Next, in step S730, the
또한, 단계 S720에서 데이터 전처리부(120)는, 노이즈가 제거된 진동 데이터로부터 특질 변수를 추출할 수 있다.In addition, in step S720, the
다음으로 단계 S730에서 학습부(130)는, 추출된 특질 변수에 대하여 딥러닝 기반의 시계열 분석을 통해 진동 데이터와 연계된 예측값을 생성할 수 있다. 또한, 단계 S730에서 학습부(130)는 생성된 예측값 및 진동 데이터의 실제값에 기초하여 오차 정보를 생성할 수 있다.Next, in step S730, the
구체적으로, 본원의 일 실시예에 따르면, 단계 S730에서 학습부(130)는, 기 설정된 단위 시간 동안의 상기 진동 데이터의 변화를 추정하는 예측 시퀀스를 예측값으로 생성할 수 있다. 또한, 단계 S730에서 학습부(130)는, 단위 시간 동안의 진동 데이터의 실제 시퀀스와 생성된 예측 시퀀스의 차이에 해당하는 오차 벡터를 오차 정보로 생성할 수 있다.Specifically, according to an embodiment of the present application, in step S730, the
다음으로 단계 S740에서 마진 설정부(140)는, 오차 정보에 기초하여 진동 데이터와 연계된 결함 유무 판단을 위한 마진을 설정할 수 있다.Next, in step S740, the
다음으로 단계 S750에서 결함 탐지부(150)는, 회전설비에 대한 신규 진동 데이터를 수신할 수 있다.Next, in step S750, the
구체적으로, 본원의 일 실시예에 따르면, 단계 S750에서 결함 탐지부(150)는, 오차 벡터 및 설정된 마진을 입력으로 하는 지도 학습 기반의 알고리즘을 통해 신규 진동 데이터를 단위 시간을 단위로 하여 분석함으로써 결함 발생 유무를 판단할 수 있다.Specifically, according to an embodiment of the present application, in step S750, the
다음으로 단계 S760에서 결함 탐지부(150)는, 설정된 마진에 기초하여 신규 진동 데이터의 결함 유무를 판단할 수 있다.Next, in step S760, the
다음으로 단계 S770에서 알람부(160)는, 신규 진동 데이터에 결함이 있는 것으로 판단되면, 기 설정된 알람을 출력할 수 있다.Next, in step S770, if the
상술한 설명에서, 단계 S710 내지 S770은 본원의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.In the above description, steps S710 to S770 may be further divided into additional steps or combined into fewer steps, according to an embodiment of the present application. In addition, some steps may be omitted if necessary, and the order between the steps may be changed.
본원의 일 실시 예에 따른 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method for monitoring the vibration state of a rotating facility using time-series analysis based on deep learning according to an embodiment of the present application may be implemented in a program command form that can be executed through various computer means and may be recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the present invention or may be known and usable by those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -Hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc., as well as machine language codes produced by a compiler. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the present invention, and vice versa.
또한, 전술한 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 방법은 기록 매체에 저장되는 컴퓨터에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 또는 애플리케이션의 형태로도 구현될 수 있다.In addition, the above-described method for monitoring the vibration state of a rotating facility using time-series analysis based on deep learning may be implemented in the form of a computer program or application executed by a computer stored in a recording medium.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present application is for illustrative purposes, and those skilled in the art to which the present application pertains will understand that it is possible to easily modify to other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present application. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the claims, which will be described later, rather than the detailed description, and all modifications or variations derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be interpreted to be included in the scope of the present application.
100: 딥러닝 기반의 시계열 분석을 이용한 회전설비 진동 상태 감시 장치
110: 데이터 수신부
120: 데이터 전처리부
130: 학습부
140: 마진 설정부
150: 결함 탐지부
160: 알람부100: vibration monitoring device for rotating equipment using time-series analysis based on deep learning
110: data receiving unit
120: data pre-processing unit
130: learning department
140: margin setting unit
150: defect detection unit
160: alarm unit
Claims (12)
회전설비에 대하여 설치된 진동 센서로부터 상기 회전설비의 진동 데이터를 수신하는 데이터 수신부;
상기 진동 데이터의 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 상기 진동 데이터로부터 RMS 분석, 중심 주파수(CF) 분석, 분산(Var) 분석, 중간 주파수(IF) 분석, 편포도(Skewness) 분석, 중파(MF) 분석, 첨도(Kurtosis) 분석 및 PTP 분석 중 적어도 하나에 기초하여 하나 이상의 특질 변수를 추출하는 데이터 전처리부;
추출된 상기 특질 변수에 대하여 딥러닝 기반의 시계열 분석을 통해 상기 수신된 진동 데이터에 기초하여 상기 진동 데이터가 수신된 시점 이후의 기 설정된 단위 시간 동안의 진동 데이터의 변화를 추정한 예측 시퀀스인 예측값을 생성하고, 상기 예측값 및 상기 진동 데이터의 실제값에 기초하여 오차 정보를 생성하는 학습부;
상기 오차 정보에 기초하여 상기 진동 데이터와 연계된 결함 유무 판단을 위한 마진을 설정하는 마진 설정부;
상기 회전설비에 대한 신규 진동 데이터를 수신하고, 상기 마진에 기초하여 상기 신규 진동 데이터의 결함 유무를 판단하는 결함 탐지부; 및
상기 결함 탐지부의 판단 결과에 기초하여 기 설정된 알람을 출력하는 알람부,
를 포함하고,
상기 학습부는,
상기 단위 시간 동안의 상기 진동 데이터의 실제 시퀀스와 상기 예측 시퀀스의 차이에 해당하며 시퀀스로 표현되는 오차 벡터를 상기 오차 정보로 생성하되,
상기 오차 벡터의 크기가 작아지도록 상기 시계열 분석을 반복 수행하되,
상기 단위 시간은 상기 수신된 진동 데이터의 성질에 부합하도록 상기 RMS 분석, 상기 중심 주파수(CF) 분석, 상기 분산(Var) 분석, 상기 중간 주파수(IF) 분석, 상기 편포도(Skewness) 분석, 상기 중파(MF) 분석, 상기 첨도(Kurtosis) 분석 및 상기 PTP 분석 중 적어도 하나에 대한 분석 결과값에 기초하여 결정되고,
상기 마진 설정부는,
상기 신규 진동 데이터가 수신되는 시점 이전까지의 진동 데이터의 시계열적 특성을 반영하도록 상기 단위 시간에 대한 시퀀스 형태로 상기 마진을 결정하되, 상기 특질 변수의 유형을 고려하여 상기 특질 변수 각각에 대한 마진을 개별적으로 설정하고, 정렬 불량(Misalignment), 불균형(Unbalance), 크랙(Crack) 및 마모(Abrasion)를 포함하는 회전설비에서 발생 가능한 결함 유형 각각에 대한 상기 마진을 개별적으로 설정하되, 결함의 심각도에 따라 상기 마진을 복수의 레벨로 결정하고,
상기 알람부는,
상기 판단 결과 파악된 결함의 상기 결함 유형에 따라 상이한 알람을 출력하되, 상기 복수의 레벨에 기초하여 단계적인 알람을 출력하는 것인, 진동 상태 감시 장치.In a vibration monitoring system for rotating equipment using deep learning based time series analysis,
A data receiving unit that receives vibration data of the rotating equipment from a vibration sensor installed with respect to the rotating equipment;
Remove the noise of the vibration data, RMS analysis, center frequency (CF) analysis, variance (Var) analysis, intermediate frequency (IF) analysis, skewness analysis, medium wave (MF) from the vibration data from which the noise is removed ) Analysis, kurtosis analysis and data pre-processing unit for extracting one or more characteristic variables based on at least one of PTP analysis;
Based on the received vibration data through deep learning based time series analysis on the extracted characteristic variables, a predicted value, which is a prediction sequence that estimates a change in vibration data for a predetermined unit time after the vibration data is received, is obtained. A learning unit generating and generating error information based on the predicted value and the actual value of the vibration data;
A margin setting unit configured to set a margin for determining the presence or absence of a defect associated with the vibration data based on the error information;
A defect detection unit that receives new vibration data for the rotating equipment and determines whether the new vibration data is defective based on the margin; And
An alarm unit that outputs a preset alarm based on the determination result of the defect detection unit,
Including,
The learning unit,
An error vector represented by a sequence corresponding to the difference between the actual sequence of the vibration data and the prediction sequence during the unit time is generated as the error information,
The time series analysis is repeatedly performed so that the size of the error vector becomes small,
The unit time corresponds to the properties of the received vibration data, the RMS analysis, the center frequency (CF) analysis, the variance (Var) analysis, the intermediate frequency (IF) analysis, the skewness analysis, the It is determined based on an analysis result value for at least one of a medium wave (MF) analysis, the kurtosis analysis, and the PTP analysis,
The margin setting unit,
The margin is determined in the form of a sequence for the unit time to reflect the time series characteristics of the vibration data until the time point when the new vibration data is received, but considering the type of the characteristic variable, the margin for each of the characteristic variables is determined. Set individually and set the above margins separately for each type of defect that can occur in rotating equipment, including misalignment, unbalance, crack and abrasion. Accordingly, the margin is determined to a plurality of levels,
The alarm unit,
A vibration state monitoring device that outputs a different alarm according to the defect type of the defect identified as a result of the determination, and outputs a stepwise alarm based on the plurality of levels.
상기 결함 탐지부는,
상기 오차 벡터 및 상기 마진을 입력으로 하는 지도 학습 기반의 알고리즘을 통해 상기 결함 유무를 판단하는 것인, 진동 상태 감시 장치.According to claim 1,
The defect detection unit,
Vibration state monitoring device for determining the presence or absence of the defect through an algorithm based on supervised learning using the error vector and the margin as input.
상기 결함 탐지부는,
상기 지도 학습 기반의 알고리즘을 통해 상기 신규 진동 데이터를 상기 단위 시간을 단위로 하여 분석함으로써 결함 발생 유무를 판단하는 것인, 진동 상태 감시 장치.According to claim 3,
The defect detection unit,
Vibration state monitoring device for determining whether or not a defect occurs by analyzing the new vibration data in units of the unit time through the supervised learning-based algorithm.
상기 학습부는,
LSTM 알고리즘, Attention 알고리즘, Transformer 알고리즘 및 BERT 알고리즘 중 적어도 하나에 기초하여 상기 딥러닝 기반의 시계열 분석을 수행하는 것인, 진동 상태 감시 장치.According to claim 1,
The learning unit,
Vibration state monitoring device for performing the deep learning based time series analysis based on at least one of LSTM algorithm, Attention algorithm, Transformer algorithm and BERT algorithm.
상기 마진 설정부는,
최대우도추정 알고리즘 및 다변량 가우스 분포 분석 중 적어도 하나에 기초하여 상기 마진을 설정하는 것인, 진동 상태 감시 장치.According to claim 1,
The margin setting unit,
Vibration state monitoring device for setting the margin based on at least one of a maximum likelihood estimation algorithm and a multivariate Gaussian distribution analysis.
상기 데이터 전처리부는,
상기 진동 데이터에 대하여 로우패스 필터 또는 밴드패스 필터를 적용하여 상기 노이즈를 제거하고,
상기 노이즈가 제거된 상기 진동 데이터에 대하여 FFT(FFT: Fast Fourier Transform) 또는 STFT(STFTL: Short Time Fourier Transform)을 적용하여 상기 노이즈가 제거된 진동 데이터를 주파수 영역의 데이터로 변환하는 것인, 진동 상태 감시 장치.According to claim 1,
The data pre-processing unit,
A low-pass filter or a band-pass filter is applied to the vibration data to remove the noise,
Vibration of the vibration data from which the noise is removed is transformed into data in the frequency domain by applying Fast Fourier Transform (FFT) or Short Time Fourier Transform (STFTTL) to the vibration data from which the noise has been removed. Status monitoring device.
회전설비에 대하여 설치된 진동 센서로부터 상기 회전설비의 진동 데이터를 수신하는 단계;
상기 진동 데이터의 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 상기 진동 데이터로부터 RMS 분석, 중심 주파수(CF) 분석, 분산(Var) 분석, 중간 주파수(IF) 분석, 편포도(Skewness) 분석, 중파(MF) 분석, 첨도(Kurtosis) 분석 및 PTP 분석 중 적어도 하나에 기초하여 하나 이상의 특질 변수를 추출하는 단계;
추출된 상기 특질 변수에 대하여 딥러닝 기반의 시계열 분석을 통해 상기 수신된 진동 데이터에 기초하여 상기 진동 데이터가 수신된 시점 이후의 기 설정된 단위 시간 동안의 진동 데이터의 변화를 추정한 예측 시퀀스인 예측값을 생성하고, 상기 예측값 및 상기 진동 데이터의 실제값에 기초하여 오차 정보를 생성하는 단계;
상기 오차 정보에 기초하여 상기 진동 데이터와 연계된 결함 유무 판단을 위한 마진을 설정하는 단계;
상기 회전설비에 대한 신규 진동 데이터를 수신하고, 상기 마진에 기초하여 상기 신규 진동 데이터의 결함 유무를 판단하는 단계; 및
상기 판단 결과에 기초하여 기 설정된 알람을 출력하는 단계,
를 포함하고
상기 오차 정보를 생성하는 단계는,
상기 단위 시간 동안의 상기 진동 데이터의 실제 시퀀스와 상기 예측 시퀀스의 차이에 해당하며 시퀀스로 표현되는 오차 벡터를 상기 오차 정보로 생성하는 단계,
를 포함하되,
상기 오차 정보로 생성하는 단계는,
상기 오차 벡터의 크기가 작아지도록 상기 시계열 분석을 반복 수행하고,
상기 단위 시간은 상기 수신된 진동 데이터의 성질에 부합하도록 상기 RMS 분석, 상기 중심 주파수(CF) 분석, 상기 분산(Var) 분석, 상기 중간 주파수(IF) 분석, 상기 편포도(Skewness) 분석, 상기 중파(MF) 분석, 상기 첨도(Kurtosis) 분석 및 상기 PTP 분석 중 적어도 하나에 대한 분석 결과값에 기초하여 결정되고,
상기 마진을 설정하는 단계는,
상기 신규 진동 데이터가 수신되는 시점 이전까지의 진동 데이터의 시계열적 특성을 반영하도록 상기 단위 시간에 대한 시퀀스 형태로 상기 마진을 결정하되, 상기 특질 변수의 유형을 고려하여 상기 특질 변수 각각에 대한 마진을 개별적으로 설정하고, 정렬 불량(Misalignment), 불균형(Unbalance), 크랙(Crack) 및 마모(Abrasion)를 포함하는 회전설비에서 발생 가능한 결함 유형 각각에 대한 상기 마진을 개별적으로 설정하되, 결함의 심각도에 따라 상기 마진을 복수의 레벨로 결정하고,
상기 알람을 출력하는 단계는,
상기 판단 결과 파악된 결함의 상기 결함 유형에 따라 상이한 알람을 출력하되, 상기 복수의 레벨에 기초하여 단계적인 알람을 출력하는 것인, 진동 상태 감시 방법.In the method of monitoring vibration condition of rotating equipment using deep learning based time series analysis,
Receiving vibration data of the rotating equipment from a vibration sensor installed with respect to the rotating equipment;
Remove the noise of the vibration data, RMS analysis, center frequency (CF) analysis, variance (Var) analysis, intermediate frequency (IF) analysis, skewness analysis, medium wave (MF) from the vibration data from which the noise is removed A) extracting one or more characteristic variables based on at least one of analysis, kurtosis analysis, and PTP analysis;
Based on the received vibration data through deep learning based time series analysis on the extracted characteristic variables, a predicted value, which is a prediction sequence that estimates a change in vibration data for a predetermined unit time after the vibration data is received, is obtained. Generating and generating error information based on the predicted value and the actual value of the vibration data;
Setting a margin for determining the presence or absence of a defect associated with the vibration data based on the error information;
Receiving new vibration data for the rotating equipment, and determining whether the new vibration data is defective based on the margin; And
Outputting a preset alarm based on the determination result,
And includes
Generating the error information,
Generating an error vector represented by a sequence corresponding to the difference between the actual sequence of the vibration data and the predicted sequence during the unit time as the error information,
Including,
Generating the error information,
The time series analysis is repeatedly performed so that the size of the error vector becomes small,
The unit time corresponds to the properties of the received vibration data, the RMS analysis, the center frequency (CF) analysis, the variance (Var) analysis, the intermediate frequency (IF) analysis, the skewness analysis, the It is determined based on an analysis result value for at least one of a medium wave (MF) analysis, the kurtosis analysis, and the PTP analysis,
The step of setting the margin,
The margin is determined in the form of a sequence for the unit time to reflect the time-series characteristic of the vibration data up to the point in time at which the new vibration data is received, but considering the type of the characteristic variable, the margin for each of the characteristic variables is determined. Set individually and set the margin separately for each type of defect that can occur in rotating equipment, including misalignment, unbalance, crack, and abrasion. Accordingly, the margin is determined to a plurality of levels,
The step of outputting the alarm,
According to the defect type of the detected defect as a result of the determination, a different alarm is output, and a stepwise alarm is output based on the plurality of levels.
상기 결함 유무를 판단하는 단계는,
상기 오차 벡터 및 상기 마진을 입력으로 하는 지도 학습 기반의 알고리즘을 통해 상기 신규 진동 데이터를 상기 단위 시간을 단위로 하여 분석함으로써 결함 발생 유무를 판단하는 것인, 진동 상태 감시 방법.The method of claim 9,
Determining the presence or absence of the defect,
The vibration vector monitoring method is to determine whether or not a defect occurs by analyzing the new vibration data in units of the unit time through an algorithm based on supervised learning using the error vector and the margin as inputs.
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