KR102361423B1 - 인공지능 기반의 정비 수요 예측 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

시계열 데이터의 특성을 고려한 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템에 관한 것이며, 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템은 장비와 관련된 정비 이력 데이터 및 상태 데이터를 포함하는 기본 정보 데이터를 수집하는 데이터 수집부, 상기 기본 정보 데이터를 신경망 모델에 적용하여 인코딩 데이터를 추출하는 인코딩 데이터 추출부, 상기 기본 정보 데이터인 현재 시점 데이터와, 상기 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터 내지 상기 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터의 제 k번째 이전 인코딩 데이터를 병합하여 통합 데이터 세트로 재구성하는 데이터 재구성부, 상기 통합 데이터 세트를 인공지능 기반의 학습 알고리즘에 입력하기 위하여 전처리를 수행하는 데이터 전처리부 및 전처리가 수행된 상기 통합 데이터 세트를 상기 인공지능 기반의 학습 알고리즘에 적용하여 상기 정비 수요 예측값을 생성하는 예측부를 포함할 수 있다.

Description

인공지능 기반의 정비 수요 예측 시스템 및 방법{ARTIFICIAL INTELLIGENCE SYSTEM AND METHOD FOR PREDICTING MAINTENANCE DEMAND}

본원은 인공지능 기반의 정비 수요 예측 시스템 및 방법에 관한 것이다.

시계열 데이터는 시간을 통해 순차적으로 발생하는 데이터이기 때문에 전과 후의 관측치가 서로 관련이 있다. RNN(Recurrent neural network)은 이러한 시계열 데이터의 순차적 특성을 고려한 모델이며, LSTM(Long short-term memory)은 RNN의 기울기가 소실되는 단점을 개선해 시계열 데이터 분석의 성능을 더욱 향상시킨 모델이다.

인코딩(encoding)이란 원본 데이터를 대표하는 특정 값으로 변환하는 작업이며, 디코딩(decoding)이란 특정 값으로 변환된 데이터를 다시 재구축하는 작업이다. 즉, 인코더(encoder)의 출력은 입력의 모든 정보가 축약된 벡터를 의미하며, 디코더(decoder)는 인코더를 통해 출력된 벡터 값을 토대로 데이터를 재구성한다.

정비 수요 예측의 목적은 장비의 정비 발생 여부를 미리 예측하여 조기에 유지 보수함으로써 운영 비용을 절감하고, 장비 사용 계획 수립에 유용한 정보를 제시함으로써 운영 효율성을 극대화하는 것이다. 예방정비는 정상적으로 운영하고 있는 장비에 대해 정기적인 계획에 따라 주요 항목을 검사하는 것임으로 정비 수요 예측과는 차이가 있다.

본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허공보 제10-1966557호에 개시되어 있다.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 장비와 관련한 데이터의 시계열적 특성을 반영해 데이터 세트를 구성하여 현재 상태와 미래를 고려한 인코딩 값을 추출해내고, 추출된 인코딩 데이터를 통해 장비의 정비 발생 여부를 예측하는 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 시계열 데이터의 특성을 고려한 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템은, 장비와 관련된 정비 이력 데이터 및 상태 데이터를 포함하는 기본 정보 데이터를 수집하는 데이터 수집부, 상기 기본 정보 데이터를 신경망 모델에 적용하여 인코딩 데이터를 추출하는 인코딩 데이터 추출부, 상기 기본 정보 데이터인 현재 시점 데이터와, 상기 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터 내지 상기 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터의 제 k번째 이전 인코딩 데이터를 병합하여 통합 데이터 세트로 재구성하는 데이터 재구성부, 상기 통합 데이터 세트를 인공지능 기반의 학습 알고리즘에 입력하기 위하여 전처리를 수행하는 데이터 전처리부 및 전처리가 수행된 상기 통합 데이터 세트를 상기 인공지능 기반의 학습 알고리즘에 적용하여 상기 정비 수요 예측값을 생성하는 예측부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 신경망 모델은, Encoder-Decoder LSTM 알고리즘일 수 있다.

또한, 상기 인공지능 기반의 학습 알고리즘은, 로지스틱 회귀(Logistic Regression) 알고리즘, LightGBM 알고리즘, 랜덤 포레스트(Random forest) 알고리즘, 신경망 모델(neural networks model) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 데이터 전처리부는, 상기 기본 정보 데이터 중 정형 데이터를 분석하여 예측에 필요한 예측 변수를 도출하고, 상기 기본 정보 데이터 중 비정형 데이터를 정형 데이터로 변환하여 예측에 필요한 상기 예측 변수를 도출하되, 상기 예측 변수를 분석에 필요한 데이터로서 일정 기준으로 변형하는 데이터 정규화를 수행하는 전처리를 수행할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 시계열 데이터의 특성을 고려한 인공지능 기반 정비 수요 예측 방법으로서, 장비와 관련된 정비 이력 데이터 및 상태 데이터를 포함하는 기본 정보 데이터를 수집하는 단계, 상기 기본 정보 데이터를 신경망 모델에 적용하여 인코딩 데이터를 추출하는 단계, 상기 기본 정보 데이터인 현재 시점 데이터와, 상기 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터 내지 상기 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터의 제 k번째 이전 인코딩 데이터를 병합하여 통합 데이터 세트로 재구성하는 단계, 상기 통합 데이터 세트를 인공지능 기반의 학습 알고리즘에 입력하기 위한 전처리를 수행하는 단계 및 전처리가 수행된 상기 통합 데이터 세트를 상기 인공지능 기반의 학습 알고리즘을 이용하여 상기 정비 수요 예측값을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 전처리를 수행하는 단계는, 상기 기본 정보 데이터 중 정형 데이터를 분석하여 예측에 필요한 예측 변수를 도출하고, 상기 기본 정보 데이터 중 비정형 데이터를 정형 데이터로 변환하여 예측에 필요한 상기 예측 변수를 도출하되, 상기 예측 변수를 분석에 필요한 데이터로서 일정 기준으로 변형하는 데이터 정규화를 수행하는 전처리를 수행할 수 있다.

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.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 장비와 관련된 정비 이력 및 상태 데이터를 통합한 시계열 데이터에 Encoder-Decoder LSTM 모델을 적용하여 인코딩 데이터를 추출하고, 수집된 데이터와 인코딩된 데이터를 재구성하며, 이로부터 특징을 추출해 정비 발생 여부를 예측함으로써, 보다 효율적이고 계획적인 장비의 사용을 도모할 수 있다.

다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템의 인코딩 데이터 추출에 관한 도면이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템의 데이터 재구성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 인공지능 기반 정비 수요 예측 방법에 대한 동작 흐름도이다.

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.

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.

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.

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.

이하에서 설명되는 장비는 전차, 항공기, 공장 설비, 로봇, 원자력 발전기와 같은 외부 환경에 노출되고, 극한 환경 내에서 운용되는 장비일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템의 개략적인 블록도이다.

인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템(100)은 Encoder-Decoder LSTM을 기반으로 한 정비 수요 예측 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 장비와 관련된 시계열 데이터를 재구성하여 현재 장비 상태의 특징을 추출하고, 머신러닝/딥러닝 기법을 사용하여 정비 수요를 예측하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템(100)은 예측된 정비 수요 예측값에 대한 결과를 사용자 단말(미도시)을 통해 출력할 수 있다.

도 1을 참조하면, 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템(100)은 데이터 수집부(110), 인코딩 데이터 추출부(120), 데이터 재구성부(130), 데이터 전처리부(140) 및 예측부(150)를 포함할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 데이터 수집부(110)는 장비와 관련된 정비 이력 데이터 및 상태 데이터를 포함하는 기본 정보 데이터를 수집할 수 있다. 여기서, 기본 정보 데이터는 시계열 데이터일 수 있다. 또한, 데이터 수집부(110)는 진단대상 장비에 관한 정비 이력 데이터 및 상태 데이터를 수집, 통합 및 정제 중 적어도 어느 하나를 수행할 수 있다.

한편, 데이터 수집부(110)는 빅데이터를 포함한 데이터베이스(미도시)일 수 있다. 빅데이터는, 정비 이력 데이터 및 상태 데이터와 관련하여, 정형데이터, 비정형데이터, 로그 데이터, 센서 데이터, 이미지 데이터 등을 포함할 수 있다. 일예로, 데이터베이스(미도시)는 수치형 데이터 및 문자형 데이터를 포함하는 복수의 데이터 셋을 포함할 수 있다.

또한, 정비 이력 데이터는, 과거의 장비 고장 및 정비 이력에 관련된 데이터를 포함할 수 있다. 또한, 정비 이력 데이터는, 교체 품목, 교체 일시, 교체 주기 및 결함내역, 환경에 기반한 부품들의 노후 속도 등을 포함하는 데이터일 수 있다. 또한, 정비 이력 데이터는 정형 데이터 및 비정형 데이터로 형성될 수 있다. 데이터 수집부(110)는 장비의 복수의 부품을 각각에 대한 정비 데이터를 데이터베이스를 통해 연결하여 정비 데이터 셋을 구성하여 정비 데이터를 수집할 수 있다. 예시적으로, 데이터 셋은 복수의 레코드를 포함할 수 있다. 여기서, 레코드는, 장비의 정비 품목, 정비 주기, 정비 일시, 정비 이미지, 정비 텍스트, 환경(예를 들어, 온도에 따른 장비의 노후 속도) 등을 기준으로 연결함으로써 생성될 수 있다.

또한, 상태 데이터는, 장비의 내부 및 외부에 구비된 센서로부터 수집되는 센서 데이터일 수 있다. 데이터 수집부(110)는 미리 설정된 모니터링 주기에 따라 시계열 적으로 수집되는 상태 데이터(센서 데이터)를 획득할 수 있다. 일예로, 데이터 수집부(110)는 소정의 장비에 대하여 설치되는 센서 모듈(미도시)로부터 해당 장비의 운영과 연계된 상태 데이터(센서 데이터)를 수신할 수 있다. 데이터 수집부(110)에서 수집되는 상태 데이터는 장비의 운영(운행)에 따른 온도 정보, 압력 정보, 위치 정보 등에 대한 시계열적인 변화를 반영하도록 수집되는 것일 수 있다. 참고로, 상태 데이터(센서 데이터)는 센서 데이터의 입력(수집) 시간 정보, 센서 모듈의 식별 정보, 장비의 소정 영역(하위 부품 등)에서 측정된 변위 정보, 압력 정보, 온도 정보 등을 포함할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 데이터 수집부(110)는 미리 설정된 모니터링 주기에 따라 시계열적으로 수집되는 센서 데이터(상태 데이터)를 획득할 수 있다. 구체적으로, 데이터 수집부(110)는 소정의 장비에 대하여 설치되는 센서 모듈(미도시)로부터 해당 장비의 운영과 연계된 센서 데이터를 수신하는 것일 수 있다. 본원의 구현예에 따라 모니터링 대상이 되는 장비의 유형, 장비에 의해 제작되는 제품 유형 등에 기초하여 센서 데이터가 수집되는 모니터링 주기는 가변될 수 있으며, 이해를 돕기 위해 예시하면, 센서 데이터의 수집을 위한 모니터링 주기는 1분, 5분 등 수 분 단위로 결정될 수 있다.

또한, 데이터 수집부(110)는 모니터링 대상이 되는 소정의 장비의 운영 시간 정보를 포함하는 장비운영 데이터를 획득할 수 있다. 이와 관련하여, 소정의 장비의 운영 시간 정보란 해당 장비가 예를 들어, 금형 제작 장비인 경우, 해당 장비에서 생산되는 금형의 유형 및 장비의 동작 시간대 정보에 기초하여 복수의 사이클로 분할되는 것일 수 있다. 장비운영 데이터는 'Product-Cycle Data'로 지칭될 수 있다.

소정의 장비에 대하여 수집되는 센서 데이터(상태 데이터)는 장비의 운영(운행)에 따른 온도 정보, 압력 정보, 위치 정보 등에 대한 시계열적인 변화를 반영하도록 수집되는 것일 수 있다. 구체적으로, 센서 데이터(상태 데이터)는 센서 데이터의 입력(수집) 시간 정보, 센서 모듈의 식별 정보, 장비의 소정 영역(하위 부품 등)에서 측정된 변위 정보, 압력 정보, 온도 정보 등을 포함할 수 있다. 또한, 센서 데이터(상태 데이터)는 해당 장비에 의한 하위 공정별 수행 시간 정보(공정 개시 시간 정보, 공정 수행기간 정보 등)를 포함할 수 있다.

소정의 장비에 대한 장비운영 데이터는 장비운영 사이클에 대한 식별 정보, 사이클 내의 상대적 시간 정보, 해당 사이클에서 생산되는 제품에 대한 정보 등이 포함될 수 있다. 또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 장비운영 데이터는 소정의 장비를 통해 제작되는 금형의 유형 정보를 포함할 수 있다. 또한, 운영 시간 정보는 금형의 유형 정보에 대응하여 복수의 시간대로 구분되는 것일 수 있다.

도 2는 본원의 일 실시예에 따른 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템의 인코딩 데이터 추출에 관한 도면이다.

본원의 일 실시예에 따르면, 인코딩 데이터 추출부(120)는 기본 정보 데이터를 신경망 모델에 적용하여 인코딩 데이터를 추출할 수 있다. 달리 말해, 인코딩 데이터 추출부(120)는 데이터 수집부(110)에 저장된 데이터를 기반으로, Encoder-Decoder LSTM 모델(신경망 모델)을 통해 인코딩 데이터를 추출할 수 있다. 인코딩 데이터 추출부(120)는 수집된 정비 이력 데이터 및 상태 데이터 각각에 대하여 시계열적으로 수집된 정보를 신경망 모델(예를 들어, LSTM)에 적용하여 인코딩 데이터를 추출할 수 있다.

이하에서 설명되는 Encoder-Decoder LSTM 모델(신경망 모델)은, LSTM 모델 내에서 어느 기능을 담당하는 Encoder 와 Decoder를 의미한다 LSTM Encoder는 고정된 길이의 입력 벡터로부터 정보를 압축하고, LSTM Decoder는 압축된 정보로부터 시계열 신호를 재구성하는 생성모델이다. LSTM 모델의 학습은 재구성된 값과 실제값을 비교하여 오차를 최소화하는 목점함수를 가지고 훈련한다.

도 2를 참조하면, 인코딩 데이터 추출부(120)는 시계열적으로 수집되는 기본 정보 데이터에 대하여 t시점 기본 정보 데이터를 신경망 모델에 적용하여 t시점 데이터의 인코딩 데이터를 생성할 수 있습니다. 인코딩 데이터 추출부(120)는 시계열적으로 수집되는 기본 정보 데이터에 대하여 t시점 내지 t시점 이전의 t-n번째 각각의 기본 정보 데이터를 신경망 모델에 적용하여 인코딩 데이터를 생성할 수 있다.

예를 들어, 인코딩 데이터 추출부(120)는 시계열적 기본 정보 데이터가 텍스트(text) 데이터인 경우, 인코더(1)는 입력 문장의 모든 단어들을 순차적으로 입력받은 뒤에 마지막에 이 모든 단어 정보들을 압축해서 하나의 벡터를 만드는데, 이를 컨테스트 벡터(context vector, 2)라 할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 입력 데이터를 받은 LSTM 셀을 인코더(1)라고 하고, 출력 데이터를 출력하는 LSTM셀을 디코더(3)라고 할 수 있다. 예시적으로, 기본 정보 데이터가 텍스트(TEXT) 데이터, 문장 데이터인 경우, 단어 토큰화를 통해서 단어 단위로 쪼개지고 단어 토큰 각각은 LSTM 셀의 각 시점에 입력될 수 있다. 인코더 LSTM 셀(1)의 마지막 시점의 은닉 상태를 디코더 LSTM 셀(3)로 넘겨줄 수 있는데 이를 벡터(2)라 할 수 있다. 벡터는 디코더 LSTM셀의 첫 번째 은닉 상태로 사용될 수 있다. 다만, 앞서 설명한 내용은 일 실시예에 일뿐 이에 한정되는 것은 아니다.

예시적으로, Encoder-Decoder LSTM 모델(신경망 모델)은 2개의 모듈, Encoder모듈과 Decoder 모듈을 포함할 수 있다. Encoder 모듈은 입력 데이터를 인코딩(부호화)하고 Decoder은 인코딩된 데이터를 디코딩(복호화)할 수 있다.

본원에서 개시하는 신경망 모델은 시계열적 기본 정보 데이터에서 인코딩 데이터의 특성을 추출하기 위하여 시계열 분석 알고리즘인 LSTM 기반 모델의 구조를 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다. 특히, LSTM(Long Short Term Memory networks) 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 있다는 이점이 있다.

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.

한편, Encoder-Decoder LSTM 모델에서 반드시 입력과 출력 데이터의 형태가 같을 필요는 없다. 즉, 입력 데이터의 window size와 출력 데이터의 window size를 다르게 설정할 수 있다. 일예로, 정비 수요 예측 시스템(100)은 4주 이내 정비 발생 여부 예측이 목표로 과거 8주간의 데이터를 입력 데이터로 구성하고 미래 4주간의 데이터를 출력 데이터로 구성해 학습을 수행할 수 있다. Encoder-Decoder LSTM 모델은 각각의 인코더와 디코더 부분이 하나의 은닉층으로 이루어진 것이 아닌, 다수의 은닉층으로 구성되었다. 따라서 인코딩된 데이터를 추출하기 위해서는 다수의 은닉층으로 이루어진 인코더 부분의 마지막 층의 출력 값을 선택해야 하며, 이 값을 저장해 활용할 수 있다.

도 3은 본원의 일 실시예에 따른 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템의 데이터 재구성 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본원의 일 실시예에 따르면, 데이터 재구성부(130)는 기본 정보 데이터인 현재 시점 데이터와, 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터 내지 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터의 제 k번째 이전 인코딩 데이터를 병합하여 통합 데이터 세트로 재구성할 수 있다. 달리 말해, 데이터 재구성부(130)는 데이터 수집부(110)에서 수집한 기본 정보 데이터와 인코딩 데이터 추출부(120)를 통해 추출한 인코딩 데이터를 과거 정보가 반영되도록 병합하여 통합 데이터 세트로 재구성할 수 있다. 데이터 재구성부(130)는 기본 정보 데이터와 인코딩 데이터 추출부(120)에서 시계열적으로 수집되는 기본 정보 데이터에 대하여 생성된 t시점 내지 t시점 이전의 t-n번째 각각의 인코딩 데이터만을 병합하여 통합 데이터 세트로 재구성할 수 있다.

예시적으로 도 3을 참조하면, 데이터 재구성부(130)는 통합 데이터 세트를 생성하기 위해, 기본 정보 데이터(제1 데이터)와 과거 k개의 인코딩 데이터를 병합할 수 있다. 과거 k개의 인코딩 데이터는 현재 시점의 인코딩 데이터(t 시점 인코딩 데이터) 내지 현재 시점의 k번째 이전 시점 데이터(t-k 시점 인코딩 데이터)를 포함할 수 있다. 데이터 재구성부(130)는 통합 데이터 세트를 생성하여, 데이터 전처리부(140)로 제공할 수 있다.

본원의 일 실시에에 따르면, 데이터 전처리부(140)는 통합 데이터 세트를 인공지능 기반의 학습 알고리즘에 입력하기 위하여 전처리를 수행할 수 있다. 또한, 데이터 전처리부(140)는 데이터 재구성부(130)를 통해 재구성된 데이터 세트에 다양한 기법을 적용하여 정비 수요 예측에 유의미한 특징을 추출할 수 있다. 달리 말해, 데이터 전처리부(140)는 인공지능 기반의 학습 알고리즘에 포함된 로지스틱 회귀(Regression, LightGBM) 알고리즘, 포레스트(Random forest) 알고리즘, 신경망 모델(neural networks model) 중 적어도 어느 하나의 알고리즘에 적용하기 적합하도록 통합 데이터 세트의 전처리를 수행할 수 있다.

일예로, 데이터 전처리부(140)는 통합 데이터 세트에 대하여 데이터를 탐색하고, 정제하고, 특질을 정의(추출)할 수 있다.

또한, 데이터 전처리부(140)는 통합 데이터 세트에 포함된 정형 데이터에 대하여, 정형 데이터를 분석하여 예측에 필요한 예측 변수를 도출할 수 있다. 정형 데이터는 숫자형

또한, 데이터 전처리부(140)는 통합 데이터 세트에 포함된 비정형 데이터에 대하여, 비정형인 텍스트와 이미지로부터 필요한 피처를 추출하고 이를 정형데이터로 변수화하여 인공지능 기반의 학습 알고리즘에 활용하도록 전처리를 수행할 수 있다.

데이터 전처리부(140)는 통합 데이터 세트에서 정비 수요 예측에 필요한 변수만을 도출하여, 예측부(150)로 제공할 수 있다. 예측에 필요한 변수는 예를 들어, 장비의 구성요소(예를 들어, 엔진)의 교체 품목, 교체 시기, 교체 주기, 교체 일시, 교체 부품 교체 이미지, 교체 부품 설명, 상태 데이터 등에 해당하는 데이터 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

데이터 전처리부(140)는 통합 데이터 세트에 저장된 데이터를 정규화하는 전처리를 수행할 수 있다. 즉, 데이터 전처리부(140)는 통합 데이터 세트에 저장된 데이터의 변수 값들을 일정 기준으로 맞춰주는 데이터 정규화를 수행할 수 있다. 구체적으로, 데이터 전처리부(140)는 정비예측 모델의 안정성과 정확성을 향상시키고 데이터 셋에 저장된 데이터가 갖는 오차를 효과적으로 줄이기 위해, 데이터 셋 내의 데이터에서 일정하지 않은 부분, 즉 일정하지 않은 변수 값을 갖는 데이터를 MIN/MAX 방법으로 정규화할 수 있다. 데이터 전처리부(140)는 MIN/MAX 방법을 통한 정규화로 하여금, 데이터 셋에 저장된 데이터의 변수 값을 최소값 0 내지 최대값 1 사이의 범위 내에서 어느 하나의 값을 갖도록 변환시킬 수 있다. 또한, 전처리부(140)는 정규화된 데이터(즉, 데이터 셋에 저장된 정규화된 데이터)를 기반으로 하여 통합 데이터 세트 내의 레코드별로 정비 패턴 및 정비 주기를 산정할 수 있다.

또한, 데이터 전처리부(140)는 정규화된 데이터(즉, 통합 데이터 세트에 저장된 정규화된 데이터)를 기반으로 하여 정비 수요 예측값의 생성을 위한 적어도 하나의 변수를 선정할 수 있다. 달리 표현하여, 데이터 전처리부(140)는 정규화된 데이터를 기반으로 하여 정비 예측에 필요한 변수(중요 변수)를 선정할 수 있다. 이러한 변수의 선정은 인공지능 기반의 학습 알고리즘을 이용하여 정비 수요 예측값을 생성할 때 영향력 있는 변수만을 사용하기 위해 이루어질 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 데이터 전처리부(140)는 수집된 센서 데이터(상태 데이터)를 장비운영 데이터에 기초하여 분할할 수 있다. 구체적으로, 데이터 전처리부(140)는 시계열적으로 연속하여 수집되는 센서 데이터(상태 데이터)를 수집된 장비운영 데이터에 기초하여 복수의 사이클에 대응하도록 분할할 수 있다. 예를 들어, 장비운영 데이터에 포함된 복수의 사이클 별로 사이클 번호가 할당되고, 센서 데이터는 복수의 사이클에 대응하는 시간대로 분할되어 각각 대응하는 사이클 번호가 할당되는 형태로 센서 데이터에 대한 전처리가 수행되는 것일 수 있다.

또한, 데이터 전처리부(140)는 센서 데이터(상태 데이터)의 수집 오류에 대한 전처리를 수행할 수 있다. 구체적으로, 센서 데이터(상태 데이터)의 수집 오류는 하나의 모니터링 주기에 대하여 복수 개의 센서 데이터가 중복하여 수집된 경우에 해당하는 제1유형 오류 및 센서 데이터가 수집되지 않은 모니터링 주기가 존재하는 경우에 해당하는 제2유형 오류를 포함할 수 있다.

일예로, 센서 데이터가 수집되는 소정의 모니터링 주기가 1분일 때, '3/29/2019 19:51'에 대응하는 모니터링 주기에 대하여 복수 개의 센서 데이터가 2.04와 2.16으로 중복하여 수집되었고(제1유형 오류), '3/29/2019 20:56'에 대응하는 모니터링 주기에 대하여는 센서 데이터가 수집되지 않았고(제2유형 오류), '3/29/2019 20:58'과 '3/29/2019 22:00' 사이의 시간 구간에 대응되는 모니터링 주기에 대하여 센서 데이터가 수집되지 않았음을 확인할 수 있다(제2유형 오류).

이와 관련하여, 데이터 전처리부(140)는 수집 오류가 제1유형 오류이면, 해당 모니터링 주기에 대하여 중복하여 수집된 복수 개의 센서 데이터에 대한 평균을 계산하는 전처리를 수행할 수 있다. 또한, 데이터 전처리부(140)는 수집 오류가 제2유형 오류이되 센서 데이터의 미수집 기간이 미리 설정된 기간 이하이면, 선형 보간법을 적용하는 전처리를 수행할 수 있다. 또한, 데이터 전처리부(140)는 수집 오류가 제2유형 오류이되 센서 데이터의 미수집 기간이 미리 설정된 기간을 초과하면, 센서 데이터의 수집을 위한 장비가 미운영된 것으로 판단하여 운영 사이클을 구분하는 전처리를 수행할 수 있다.

예시적으로, 데이터 전처리부(140)는 제1유형 오류가 발생한 '3/29/2019 19:51'의 모니터링 주기에서의 복수 개의 센서 데이터에 대한 평균 값(즉, 2.04와 2.16의 평균인 2.10)으로 해당 모니터링 주기에 대한 센서 데이터를 갱신할 수 있다. 또한, 데이터 전처리부(140)는 제2유형 오류가 발생한 '3/29/2019 20:56'의 모니터링 주기에 대하여는 센서 데이터가 확보된 전후 모니터링 주기('3/29/2019 20:55' 및 '3/29/2019 20:57')에서의 센서 데이터에 선형 보간법을 적용하여 미수집된 센서 데이터를 확보할 수 있다. 또한, 데이터 전처리부(140)는 운영 사이클의 구분을 위한 미리 설정된 기간이 1시간일 때, '3/29/2019 20:58'과 '3/29/2019 22:00' 사이의 시간 구간에 대응되는 모니터링 주기에 대하여 운영 사이클을 구분할 수 있다. 구체적으로, 데이터 전처리부(140)는 '3/29/2019 20:58'에 수집된 센서 데이터가 이전 운영 사이클(예를 들면, 사이클 1)에 대하여 마지막으로 수집된 센서 데이터이고, '3/29/2019 22:00'에 수집된 센서 데이터가 다음 운영 사이클(예를 들면, 사이클 2)에 대해 최초로 수집된 센서 데이터인 것으로 처리하는 전처리를 수행할 수 있다.

또한, 데이터 전처리부(140)는 센서 데이터를 운영 시간 정보에 기초하여 구분되는 운영 사이클에 기초하여 분할하되, 운용 사이클 각각의 개시 시점으로부터 미리 설정된 구간 동안 수집된 초반부 센서 데이터와 운용 사이클 각각의 종료 시점까지 미리 설정된 구간 동안 수집된 후반부 센서 데이터는 제거하는 전처리를 수행할 수 있다.

이와 관련하여, 운영 사이클이 분리되는 시점 주변(달리 말해, 운영 사이클이 개시되는 시점 근방 및 운영 사이클이 종료되는 시점 근방)에서는 센서 데이터의 변동이 큰 폭으로 발생할 수 있으므로, 전처리부(140)는 운영 사이클에 대응하도록 분할된 센서 데이터에 대하여 추가적으로 초반부 센서 데이터 및 후반부 센서 데이터를 제거하여 운영 사이클 변동에 따른 센서 데이터의 불측의 변화가 이상패턴 및 정상패턴을 정의하는 과정 및 실제로 이상 탐지를 수행하는 과정에서 반영되지 않도록 전처리할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 제거될 초반부 센서 데이터와 후반부 센서 데이터의 결정을 위한 미리 설정된 구간은 운영 사이클의 구분을 위한 설정 기간의 길이 정보에 기초하여 결정될 수 있다. 예시적으로, 초반부 및 후반부 센서 데이터 제거를 위한 미리 설정된 구간은 5분일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 다른 예로, 미리 설정된 구간은 해장 분석대상 장비에 대한 탐구 데이터 분석(Exploratory Data Analysis, EDA)에 의해 적절하게 결정되는 것일 수 있다.

또한, 데이터 전처리부(140)는 후술하는 탐지 모델의 구축 시, 손실(loss) 함수 값이 균등하게 계산되도록 서로 다른 센서 데이터를 정규화하는 전처리를 수행할 수 있다. 예시적으로, 정규화 전처리는 MinMax Scale을 의미하는 것일 수 있다.

한편, 데이터 전처리부(140)는 전처리가 완료된 센서 데이터(상태 데이터)를 적어도 둘 이상의 미리 생성된 이상치 판단 알고리즘에 입력하여 센서 데이터(상태 데이터)중 정상으로 분류된 센서 데이터를 학습 데이터로 결정할 수 있다. 일예로, 데이터 전처리부(140)는 적어도 둘 이상의 이상치 판단 알고리즘이 모두 정상으로 분류한 상기 센서 데이터를 선별하여 학습 데이터로 결정할 수 있다. 여기서, 이상치 판단 알고리즘은 군집 기반 알고리즘, 밀도 기반 알고리즘, 분포 기반 알고리즘, 확률 기반 알고리즘 및 트리 기반 알고리즘을 포함할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 이상치 판단 알고리즘은 마할라노비스 거리(Mahalanobis distance)와 연계된 분포 기반 알고리즘인 제1알고리즘, K-NN 알고리즘 및 전술한 마할라노비스 거리(Mahalanobis distance) 알고리즘이 결합된 군집 기반 알고리즘인 제2알고리즘, 가우시안 혼합 모델(Gaussian Mixture Model)과 연계된 확률 기반 알고리즘인 제3알고리즘, LOF(Local Outlier Factor)과 연계된 밀도 기반 알고리즘인 제4알고리즘 및 Isolation Forest와 연계된 트리 기반 알고리즘인 제5알고리즘 중 적어도 둘 이상을 포함할 수 있다.

예시적으로, 마할라노비스 거리(Mahalanobis distance)는 다변량 변수간의 상관관계의 분포를 고려하여 측정되며, 마할라노비스 거리(Mahalanobis distance)를 기초로 한 제1알고리즘에 의하면, 데이터가 밀집하여 분포된 영역으로부터 멀리 떨어진 데이터일수록 이상치로 판단할 수 있다. 구체적으로, 다변량 데이터인 u와 v의 마할라노비스 거리는 하기 식 1에 의해 계산될 수 있다.

[식 1]

이와 관련하여, 상기 식 1의 변수 u에 마할라노비스 거리를 계산하고자 하는 센서 데이터를 입력하고, 변수 v에 해당 센서 데이터에 대한 평균을 입력하여 계산하면, 중심으로부터 해당 센서 데이터가 얼마나 떨어져있는지를 평가할 수 있으며, 유클리디언 상으로는 동일한 거리에 위치하는 경우에도 다변량 변수 간의 상관 관계(correlation)에 따라 중심까지의 거리가 다르게 측정될 수 있는 특징을 갖는다. 마할라노비스 거리는 가로축(X 축)의 데이터를 중심에서 더 가까운 데이터로 판단할 수 있다.

제2알고리즘은 마할라노비스 거리의 계산에 선행하여, K-최근접 이웃 알고리즘(K-nearest neighbors algorithm, K-NN)에 기초하여 센서 데이터를 군집화할 수 있다. 이는 각 상태를 대표하는 군집을 생성하여 아무런 군집에 속하지 않고 군집에서 가장 벗어난 값을 탐색하기 위한 것으로, 달리 말해, 제2알고리즘은 데이터가 정규분포의 형태로 조밀한 군집을 이루는 경우에는 상대적으로 이상 상태를 탐색하기 용이하나, 현실적으로 정규분포로 이루어진 데이터가 획득될 가능성이 낮다는 것과 마할라노비스 거리만을 기초로 이상치를 판단하는 경우에는 단순히 중심에서 멀리 떨어진 값으로만 이상치가 선정될 가능성이 높다는 것을 함께 고려하여 마할라노비스 거리 및 K-NN 알고리즘을 병합한 것일 수 있다.

또한, 제3알고리즘과 관련하여, 가우시안 혼합 모형은 실수 값을 출력하는 확률변수(X)가 k개 클래스의 카테고리 확률변수(Z)의 값에 따라 상이한 기댓값과 분산을 가지는 복수의 가우시안 정규분포들로 이루어진 모형을 의미할 수 있다. 또한, 이러한 가우시안 혼합 모형(모델)은 모든 데이터가 유한개의 가우스 분포를 혼합하여 생성된 것으로 가정하는 확률론적 모델로서, 주어진 데이터를 가지고 기댓값 최대화(Expectation Maximization, EM) 알고리즘을 적용해 파라미터를 추정하도록 동작할 수 있다.

또한, 제4알고리즘과 관련하여, Local Outlier Factor(LOF)는 주변부에 위치한 데이터(샘플)들보다 작은 밀도를 가진 데이터를 이상치로 판단하는 기법으로, 통계적으로 평균 및 표준편차를 연산하고, 이에 크게 벗어나는 값을 이상치로 판단하는 것으로 이해될 수 있다. 구체적으로, LOF에 의하면, 소정의 데이터에 대한 근접 이웃 데이터까지의 거리인 K-거리(K-distance)에 기초하여 도달 거리(reachability distance) 및 국부 도달 밀도(local reachability density)를 계산하고, 이에 기초하여 LOF를 연산할 수 있다.

구체적으로, 도달 거리는 하기 식 2-1에 의해, 국부 도달 밀도는 하기 식 2-2에 의해, LOF는 하기 식 2-3에 의해 연산될 수 있다.

[식 2-1]

[식 2-2]

[식 2-3]

또한, 제5알고리즘과 관련하여, Isolation Forest는 회귀 트리(Regression tree) 기반의 스플릿(split)으로 모든 데이터 관측치를 고립시키는 기법으로서, 임의로 선택된 차원을 통해 공간을 분할할 수 있다. 군집 내부에 있는 정상치의 경우 공간 내에 한 점만 남기고 완전히 고립시키려면 많은 횟수의 공간 분할을 수행해야 하지만, 군집에서 멀리 떨어진 이상치는 적은 횟수의 공간 분할만으로 고립시킬 수 있는 특징을 이용하여 비정상 데이터는 기준 노드(root node)로부터 가까운 뎁스(depth)로 고립될 수 있고, 정상 데이터는 트리 종단 노드(tree terminal node)에 가까운 뎁스(depth)로 고립될 수 있다. 따라서, 소정의 데이터가 고립되는 종단 노드(terminal node; leaf node)까지의 거리를 이상치 척도(outlier score)로 정의하며, 그 평균거리(depth)가 짧을수록 이상치 척도가 높아질 수 있다. 또한, 이상치 척도는 0 내지 1의 범위로 정규화되므로, 통상적으로 1에 가까운 데이터일수록 이상치로 정의될 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 데이터 전처리부(140)는 로딩된 데이터를 인공지능 기반의 학습 알고리즘에 적합한 데이터로 변화시킬 수 있다. 데이터 전처리부(140)는 5가지의 방법을 순차적으로 진행하여 로딩된 데이터의 전처리를 수행할 수 있다.

먼저, 데이터 전처리부(140)는 변수 특징 추출 및 차원축소 기법 적용 전처리(1단계)를 수행할 수 있다. 인공지능 알고리즘 모델 적용 시, 사용하는 변수의 개수가 너무 많으면 전역의 최적 해(global optimization)에 도달하지 못하고 국소 부분의 최적 해(local optimization)에 수렴해버리는 차원의 저주에 빠질 수 있다. 이를 방지하기 위해 데이터 전처리부(140)는 주성분 분석(PCA) 등을 적용해 변수를 추출하고 차원을 축소하는 전처리를 수행할 수 있다.

또한, 데이터 전처리부(140)는 비정상 발생 여부를 추출하는 전처리(2단계)를 수행할 수 있다. 데이터 전처리부(140)는 본 모듈의 목표 변수가 되는 비정상 여부 칼럼을 생성할 수 있다. 데이터 전처리부(140)는 비정상 여부 칼럼의 데이터가 1일 경우 해당 일자에 비정상이 발생했음을 알 수 있고, 0일 경우 해당 일자에 정상만이 발생했음을 알 수 있다. 데이터 전처리부(140)는 시계열적으로 수집되는 데이터에 1 또는 0의 포함 여부를 기반으로 해당 일자의 비정상 발생 여부를 추출할 수 있다.

또한, 데이터 전처리부(140)는 Data Cleansing 전처리(3단계)를 수행할 수 있다. 대부분의 머신러닝 알고리즘은 데이터가 누락되었을 때 제대로 학습하지 못하는 경향이 있다. 따라서 데이터 전처리부(140)는 이러한 결측 데이터를 평균, 중앙값, 보간법 등을 통해 처리하고, 학습에 사용하지 않을 불필요한 변수를 제거해 예측 모델에 입력할 예측 데이터 세트를 구성하는 전처리를 수행할 수 있다.

또한, 데이터 전처리부(140)는 카테고리형 데이터 전처리(제4단계)를 수행할 수 있다. 대부분의 인공지능 알고리즘들은 숫자형 데이터를 입력받는다. 따라서 데이터 전처리부(140)는 기존에 텍스트 데이터가 있는 경우, 이를 더미(dummy)변수화 또는 인코딩하여 숫자형 데이터로 변환하는 전처리를 수행할 수 있다.

또한, 데이터 전처리부(140)는 Scaling 전처리(5단계)를 수행할 수 있다. 데이터 세트에서 각 변수의 범위가 상이할 경우, 의도치 않게 특정 변수 값이 결과에 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한, 모델 학습과정에서 가중치를 업데이트할 때, 데이터 값의 범위가 너무 크거나 혹은 작은 경우, 변화량이 0으로 수렴하거나 무한으로 발산할 수 있다. 따라서 데이터 전처리부(140)는 적용할 인공지능 알고리즘의 특성에 따라, 데이터세트에 Standard Scaler, MinMax Scaler, Robust Scaler, Normalizer 중 적어도 어느 하나를 기반으로 데이터 스케일링 전처리를 수행할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 예측부(150)는 전처리가 수행된 통합 데이터 세트를 인공지능 기반의 학습 알고리즘을 이용하여 정비 수요 예측값을 생성할 수 있다. 달리 말해, 예측부(150)는 추출된 인코딩 데이터의 특징을 기반으로 머신러닝 및 딥러닝 알고리즘을 통한 예측을 수행할 수 있다. 일예로, 예측 모델 안에는 다수의 머신러닝 알고리즘이 사용될 수 있다. 인공지능 기반의 학습 알고리즘은 로지스틱 회귀(Regression, LightGBM) 알고리즘, 포레스트(Random forest) 알고리즘, 신경망 모델(neural networks model) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 다만, 이에만 한정되는 것은 아니고 다양한 머신러닝 알고리즘이 적용될 수 있다. 예시적으로, 정비 수요 예측값은 수리부속의 정확한 수요예측으로 적정 재고량을 산출한 값, 수리부속수요와 정비수요의 예측 등을 포함할 수 있다.

참고로, 로지스틱 회귀(Regression, LightGBM) 알고리즘은 선형 예측에 사용되는 Linear 모델에 Sigmoid 함수를 적용하여 분류 문제를 해결하는 알고리즘이고, Random Forest 알고리즘은 여러 개의 의사결정 트리(Decision Tree)들이 Froes를 구성하여 각각의 예측결과를 하나의 결과 변수로 평균화하는 알고리즘이다.

또한, 예측부(150)는 전처리가 수행된 통합 데이터 세트에 포함된 데이터 특성을 고려하여 복수의 인공지능 기반의 학습 알고리즘 중 적어도 어느 하나의 인공지능 알고리즘에 적용하여 정비 수요 예측값을 생성할 수 있다.

또한, 예측부(150)는 신규 통합 데이터에 대한 예측을 수행하고, 미리 설정된 시간(예를 들어, 한달)에 따라 정해진 시간에 학습을 수행하여 정비 수요 예측값을 생성할 수 있다. 예측부(150)에서 생성된 정비 수요 예측값을 시각화부(미도시)에서 시각화하여 사용자 단말(미도시)로 제공함으로써, 사용자가 보다 빠르게, 예측정비, 위험 예측, 운영 비용 예측 등을 고려하여 장비를 운용할 수 있다.

또한, 예측부(150)는 복수의 인공지능 학습 알고리즘 각각에 통합 데이터 세트에 포함된 데이터를 각각 입력하고, 복수의 인공지능 학습 알고리즘의 정확도에 기반하여 통합 데이터 세트에 적합한 인공지능 학습 모델을 선정할 수 있다. 예를 들어, 예측부(150)는 통합 데이터 세트에 포함된 항목이 장비의 정비 예측 일시일 경우 제1알고리즘(예를 들어, XGBoost알고리즘)에 적용하여 정비 수요 예측 값을 생성할 수 있다.

예측부(150)는 인공지능 학습 알고리즘을 기반으로 장비의 고장을 예측할 수 있다. 일 예로, 예측부(150)는 제1알고리즘(예를 들어, Random Forest알고리즘)에 기반하여 생성된 정비 예측 모델을 기반으로 장치의 예측 품목 및 예측 주기를 예측할 수 있다. 또한, 예측부(150)는 제2알고리즘(예를 들어, XGBoost알고리즘)에 기반하여 생성된 정비 예측 모델을 기반으로 장비의 정비 예측 일시를 예측할 수 있다. 예측부(150)는 다양한 입력값에 대응하는 인공지능 학습 알고리즘의 결과값을 고려하여 정비 수요 예측값을 생성할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 예측부(150)는 결정된 학습 데이터(달리 말해, 적어도 둘 이상의 이상치 판단 알고리즘이 모두 정상으로 분류한 센서 데이터)를 기초로 학습을 수행하여 입력되는 분석 대상 데이터를 정상패턴 또는 이상패턴으로 구분하는 탐지 모델을 생성할 수 있다. 예시적으로, 탐지 모델은 LSTM 기반 모델 및 오토인코더(AutoEncoder, AE) 기반 모델이 병합된 모델로 생성될 수 있다.

예시적으로, 예측부(150)는 분석 대상 데이터가 탐지 모델에 기초하여 이상패턴으로 분류되면, 분석 대상 데이터에 대한 탐지 모델의 복원 결과에 기초하여 산출되는 평균 제곱 오차(MSE) 값 및 평균 제곱 오차(MSE)의 변화량에 기초하여 발생한 이상패턴의 유형을 판단할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 시각화부(미도시)는 예측부(150)에서 예측된 정비 수요 예측값을 시각화하여 사용자 단말(미도시)로 제공할 수 있다. 시각화부(미도시)는 장비의 정비 발생에 대응하는 수요 예측값, 운영 비용 예측 등 특정 정비에 대하여 발생할 수 있는 비용의 결과를 그래픽적으로 출력하여 사용자 단말(미도시)로 제공할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 정비 수요 예측 시스템(100)은 장비의 정비 발생 여부를 미리 예측하여 조기에 유지 보수함으로써 운영 비용을 절감하고, 장비 사용 계획 수립에 유용한 정보를 제시할 수 있다. 또한, 정비 수요 예측 시스템(100)은 정비 데이터 및 상태 데이터로부터 다양한 특질을 도출하고, 부품 수요와 정비 수요를 예측할 수 있다. 또한, 정비 수요 예측 시스템(100)은 부품의 정확한 수요예측으로 적정 재고량을 산출하고, 예측 정비를 통해 장비 가동률을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본원의 다른 일 실시예에 따르면, 정비 수요 예측 시스템(100)은 센서 데이터(상태 데이터)를 이용하여 이상패턴 탐지 모델을 구축할 수 있다. 정비 수요 예측 시스템(100)은 미리 설정된 모니터링 주기에 따라 시계열적으로 수집되는 센서 데이터를 획득할 수 있다. 또한, 정비 수요 예측 시스템(100)은 센서 데이터를 획득한 이후에 센서 데이터의 수집 오류에 대한 전처리를 수행하되, 수집 오류는, 하나의 모니터링 주기에 대하여 복수 개의 센서 데이터가 중복하여 수집된 경우에 해당하는 제1유형 오류 및 센서 데이터가 수집되지 않은 모니터링 주기가 존재하는 경우에 해당하는 제2유형 오류를 포함할 수 있다. 또한, 정비 수요 예측 시스템(100)은 센서 데이터를 획득한 이후에 센서 데이터의 수집 오류에 대한 전처리를 수집 오류가 상기 제1유형 오류이면, 상기 복수 개의 센서 데이터에 대한 평균을 계산하고, 상기 수집 오류가 상기 제2유형 오류이되 센서 데이터의 미수집 기간이 미리 설정된 기간 이하이면, 선형 보간법을 적용하고, 수집 오류가 상기 제2유형 오류이되 상기 미수집 기간이 상기 미리 설정된 기간을 초과하면, 센서 데이터의 수집을 위한 장비가 미운영된 것으로 판단하여 운영 사이클을 구분할 수 있다.

또한, 정비 수요 예측 시스템(100)은 센서 데이터를 적어도 둘 이상의 미리 생성된 이상치 판단 알고리즘에 입력하여 센서 데이터 중 정상으로 분류된 센서 데이터를 학습 데이터로 결정할 수 있다. 일예로, 이상치 판단 알고리즘은, 군집 기반 알고리즘, 밀도 기반 알고리즘, 분포 기반 알고리즘, 확률 기반 알고리즘 및 트리 기반 알고리즘 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 정비 수요 예측 시스템(100)은 적어도 둘 이상의 상기 이상치 판단 알고리즘이 모두 정상으로 분류한 상기 센서 데이터를 선별하여 상기 학습 데이터로 결정할 수 있다. 또한, 정비 수요 예측 시스템(100)은 학습 데이터를 기초로 학습을 수행하여, 입력되는 분석 대상 데이터를 정상패턴 또는 이상패턴으로 구분하는 탐지 모델을 생성할 수 있다. 또한, 정비 수요 예측 시스템(100)은 학습 데이터에 대한 복원율의 분포 정보에 기초하여 정상패턴과 상기 이상패턴의 구분을 위한 기준인 임계 복원율을 결정할 수 있다. 일예로, 탐지 모델은 LSTM 기반 모델 및 AutoEncoder 기반 모델이 병합된 모델이고, 복원율은 평균 제곱 오차(Mean Squared Error, MSE)에 기초하여 계산될 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 정비 수요 예측 시스템(100)은 사용자 단말(미도시)로 정비 수요 예측 정보와 관련된 선택 메뉴를 제공할 수 있다. 예를 들어, 정비 수요 예측 시스템(100)이 제공하는 어플리케이션 프로그램을 사용자 단말(미도시)이 다운로드하여 설치하고, 설치된 어플리케이션을 통해 정비 수요 예측 정보와 관련된 선택 메뉴가 제공될 수 있다.

정비 수요 예측 시스템(100)은 사용자 단말(미도시)과 데이터, 콘텐츠, 각종 통신 신호를 네트워크를 통해 송수신하고, 데이터 저장 및 처리의 기능을 가지는 모든 종류의 서버, 단말, 또는 디바이스를 포함할 수 있다.

사용자 단말(미도시)은 네트워크를 통해 정비 수요 예측 시스템(100)과 연동되는 디바이스로서, 예를 들면, 스마트폰(Smartphone), 스마트패드(Smart Pad), 태블릿 PC, 웨어러블 디바이스 등과 PCS(Personal Communication System), GSM(Global System for Mobile communication), PDC(Personal Digital Cellular), PHS(Personal Handyphone System), PDA(Personal Digital Assistant), IMT(International Mobile Telecommunication)-2000, CDMA(Code Division Multiple Access)-2000, W-CDMA(W-Code Division Multiple Access), Wibro(Wireless Broadband Internet) 단말기 같은 모든 종류의 무선 통신 장치 및 데스크탑 컴퓨터, 스마트 TV와 같은 고정용 단말기일 수도 있다.

정비 수요 예측 시스템(100) 및 사용자 단말(미도시) 간의 정보 공유를 위한 네트워크의 일 예로는 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 네트워크, LTE(Long Term Evolution) 네트워크, 5G 네트워크, WIMAX(World Interoperability for Microwave Access) 네트워크, 유무선 인터넷(Internet), LAN(Local Area Network), Wireless LAN(Wireless Local Area Network), WAN(Wide Area Network), PAN(Personal Area Network), 블루투스(Bluetooth) 네트워크, Wifi 네트워크, NFC(Near Field Communication) 네트워크, 위성 방송 네트워크, 아날로그 방송 네트워크, DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 네트워크 등이 포함될 수 있으며, 이에 한정된 것은 아니다.

이하에서는 상기에 자세히 설명된 내용을 기반으로, 본원의 동작 흐름을 간단히 살펴보기로 한다.

도 4는 본원의 일 실시예에 따른 인공지능 기반 정비 수요 예측 방법에 대한 동작 흐름도이다.

도 4에 도시된 인공지능 기반 정비 수요 예측 방법은 앞서 설명된 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템(100)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템(100)에 대하여 설명된 내용은 인공지능 기반 정비 수요 예측 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.

단계 S410에서, 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템(100)은 장비와 관련된 정비 이력 데이터 및 상태 데이터를 포함하는 기본 정보 데이터를 수집할 수 있다.

단계 S420에서, 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템(100)은 기본 정보 데이터를 신경망 모델에 적용하여 인코딩 데이터를 추출할 수 있다.

단계 S430에서, 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템(100)은 기본 정보 데이터인 현재 시점 데이터와, 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터 내지 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터의 제 k번째 이전 인코딩 데이터를 병합하여 통합 데이터 세트로 재구성할 수 있다.

단계 S440에서, 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템(100)은 통합 데이터 세트를 인공지능 기반의 학습 알고리즘에 입력하기 위하여 전처리를 수행할 수 있다.

단계 S450에서, 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템(100)은 인공지능 기반의 학습 알고리즘을 이용하여 정비 수요 예측값을 생성할 수 있다.

상술한 설명에서, 단계 S410 내지 S450은 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.

본원의 일 실시 예에 따른 인공지능 기반 정비 수요 예측 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.

또한, 전술한 인공지능 기반 정비 수요 예측 방법은 기록 매체에 저장되는 컴퓨터에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 또는 애플리케이션의 형태로도 구현될 수 있다.

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.

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.

100: 정비 수요 예측 시스템
110: 데이터 수집부
120: 인코딩 데이터 추출부
130: 데이터 재구성부
140: 데이터 전처리부
150: 예측부

Claims (6)

1. 시계열 데이터의 특성을 고려한 인공지능 기반 정비 수요 예측 시스템으로서,
   장비와 관련된 정비 이력 데이터 및 상태 데이터를 포함하는 기본 정보 데이터를 수집하는 데이터 수집부;
   상기 기본 정보 데이터를 Encoder-Decoder LSTM 알고리즘에 적용하여 인코딩 데이터를 추출하는 인코딩 데이터 추출부;
   상기 기본 정보 데이터인 현재 시점 데이터와, 상기 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터 내지 상기 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터의 제 k번째 이전 인코딩 데이터를 병합하여 통합 데이터 세트로 재구성하는 데이터 재구성부;
   상기 통합 데이터 세트를 인공지능 기반의 학습 알고리즘에 입력하기 위하여 전처리를 수행하는 데이터 전처리부; 및
   전처리가 수행된 상기 통합 데이터 세트를 상기 인공지능 기반의 학습 알고리즘에 적용하여 정비 수요 예측값을 생성하는 예측부,
   를 포함하되,
   상기 데이터 전처리부는,
   상기 상태 데이터의 수집 오류에 대한 전처리를 수행하되, 상기 상태 데이터의 수집 오류는 하나의 모니터링 주기에 대하여 복수개의 센서 데이터가 중복하여 수집된 경우에 해당하는 제1유형 오류 및 센서 데이터가 수집되지 않은 모니터링 주기가 존재하는 경우에 해당하는 제2유형 오류를 포함하고,
   상기 제1유형 오류에 대응하여 해당 모니터링 주기에 대하여 중복하여 수집된 복수 개의 센서 데이터에 대한 평균을 계산하는 전처리를 수행하고,
   상기 제2유형 오류에 대응하여 센서 데이터의 미수집 기간이 미리 설정된 기간 이하이면, 선형 보간법을 적용하는 전처리를 수행하고,
   상기 제2유형 오류에 대응하여 센서 데이터의 미수집 기간이 미리 설정된 기간을 초과하면, 상기 센서 데이터의 수집을 위한 장비가 미운영된 것으로 판단하여 운영 사이클을 구분하는 전처리를 수행하고,
   상기 운영 사이클에 대응하도록 분할된 센서 데이터에 대하여 추가적으로 초반부 센서 데이터 및 후반부 센서 데이터를 제거하고,
   로딩된 데이터를 인공 지능 기반의 학습 알고리즘에 적합한 데이터로 변화시키되, 변수 특징 추출 및 차원축소 기법 적용을 수행하고,
   비정상 발생 여부를 추출하고,
   상기 예측부는 상기 통합 데이터에 대한 예측을 수행하고, 미리 설정 된 시간에 따라 정해진 시간에 학습을 수행하여 정비 수요 예측 값을 생성하는 것인, 정비 수요 예측 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 인공지능 기반의 학습 알고리즘은,
   로지스틱 회귀(Logistic Regression) 알고리즘, LightGBM 알고리즘, 랜덤 포레스트(Random forest) 알고리즘, 신경망 모델(neural networks model) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 정비 수요 예측 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 데이터 전처리부는,
   상기 기본 정보 데이터 중 정형 데이터를 분석하여 예측에 필요한 예측 변수를 도출하고, 상기 기본 정보 데이터 중 비정형 데이터를 정형 데이터로 변환하여 예측에 필요한 상기 예측 변수를 도출하되,
   상기 예측 변수를 분석에 필요한 데이터로서 일정 기준으로 변형하는 데이터 정규화를 수행하는 전처리를 수행하는 것인, 정비 수요 예측 시스템.
5. 컴퓨터로 구현되는 정비 수요 예측 시스템에 의해 각 단계가 수행되는 시계열 데이터의 특성을 고려한 인공지능 기반 정비 수요 예측 방법으로서,
   장비와 관련된 정비 이력 데이터 및 상태 데이터를 포함하는 기본 정보 데이터를 수집하는 단계;
   상기 기본 정보 데이터를 신경망 모델에 적용하여 인코딩 데이터를 추출하는 단계;
   상기 기본 정보 데이터인 현재 시점 데이터와, 상기 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터 내지 상기 현재 시점 데이터의 인코딩 데이터의 제 k번째 이전 인코딩 데이터를 병합하여 통합 데이터 세트로 재구성하는 단계;
   상기 통합 데이터 세트를 인공지능 기반의 학습 알고리즘에 입력하기 위한 전처리를 수행하는 단계; 및
   전처리가 수행된 상기 통합 데이터 세트를 상기 인공지능 기반의 학습 알고리즘을 이용하여 정비 수요 예측값을 생성하는 단계,
   를 포함하되,
   상기 전처리를 수행하는 단계는,
   상기 상태 데이터의 수집 오류에 대한 전처리를 수행하되, 상기 상태 데이터의 수집 오류는 하나의 모니터링 주기에 대하여 복수개의 센서 데이터가 중복하여 수집된 경우에 해당하는 제1유형 오류 및 센서 데이터가 수집되지 않은 모니터링 주기가 존재하는 경우에 해당하는 제2유형 오류를 포함하고,
   상기 제1유형 오류에 대응하여 해당 모니터링 주기에 대하여 중복하여 수집된 복수 개의 센서 데이터에 대한 평균을 계산하는 전처리를 수행하고,
   상기 제2유형 오류에 대응하여 센서 데이터의 미수집 기간이 미리 설정된 기간 이하이면, 선형 보간법을 적용하는 전처리를 수행하고,
   상기 제2유형 오류에 대응하여 센서 데이터의 미수집 기간이 미리 설정된 기간을 초과하면, 상기 센서 데이터의 수집을 위한 장비가 미운영된 것으로 판단하여 운영 사이클을 구분하고,
   상기 운영 사이클에 대응하도록 분할된 센서 데이터에 대하여 추가적으로 초반부 센서 데이터 및 후반부 센서 데이터를 제거하고,
   로딩된 데이터를 인공 지능 기반의 학습 알고리즘에 적합한 데이터로 변화시키되, 변수 특징 추출 및 차원축소 기법 적용을 수행하고,
   비정상 발생 여부를 추출하고,
   상기 정비 수요 예측값을 생성하는 단계는 상기 통합 데이터에 대한 예측을 수행하되, 미리 설정 된 시간에 따라 정해진 시간에 학습을 수행하여 정비 수요 예측 값을 생성하는 것인, 정비 수요 예측 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 전처리를 수행하는 단계는,
   상기 기본 정보 데이터 중 정형 데이터를 분석하여 예측에 필요한 예측 변수를 도출하고, 상기 기본 정보 데이터 중 비정형 데이터를 정형 데이터로 변환하여 예측에 필요한 상기 예측 변수를 도출하되,
   상기 예측 변수를 분석에 필요한 데이터로서 일정 기준으로 변형하는 데이터 정규화를 수행하는 전처리를 수행하는 것인, 정비 수요 예측 방법.
   

Images