KR102416474B1 - Fault diagnosis apparatus and method based on machine-learning - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고장 진단 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 정상 상태 데이터만을 이용해 학습하더라도 시간에 따라 특성이 변하는 설비에 대한 고장 진단을 효과적으로 수행할 수 있는 기계학습 기반 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 기계학습 기반 고장 진단 장치는 설비에 대한 센싱 신호를 입력 받아 센싱 신호의 일정 시간 구간 내 각 타임 스텝에 대한 정상 또는 비정상을 출력하는 제1 분석부와, 상기 센싱 신호를 각 타임 스텝에 대해 주파수 변환하여 각 타임 스텝의 주파수를 출력하는 신호 변환부와, 상기 신호 변환부로부터 각 타임 스텝의 주파수를 입력 받아 각 타임 스텝의 주파수에 대한 정상 또는 비정상을 출력하는 제2 분석부와, 상기 제1 분석부의 출력값 및 상기 제2 분석부의 출력값에 근거해 설비의 고장 여부를 출력하는 분류부를 포함한다.The present invention relates to a failure diagnosis technology, and more particularly, to a machine learning-based failure diagnosis apparatus and method that can effectively perform a failure diagnosis for equipment whose characteristics change over time even when learning only using steady state data.
To this end, the machine learning-based failure diagnosis apparatus according to the present invention includes a first analyzer that receives a sensing signal for a facility and outputs normal or abnormal for each time step within a predetermined time period of the sensing signal, and the sensing signal. A signal conversion unit that performs frequency conversion for each time step and outputs the frequency of each time step, and a second analysis that receives the frequency of each time step from the signal conversion unit and outputs normal or abnormal for the frequency of each time step and a classification unit configured to output whether or not the equipment has failed based on the output value of the first analysis unit and the output value of the second analysis unit.
Description
본 발명은 고장 진단 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 정상 상태 데이터만을 이용해 학습하더라도 시간에 따라 특성이 변하는 설비에 대한 고장 진단을 효과적으로 수행할 수 있는 기계학습 기반 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a failure diagnosis technology, and more particularly, to a machine learning-based failure diagnosis apparatus and method that can effectively perform a failure diagnosis for equipment whose characteristics change over time even when learning only using steady state data.
딥러닝은 기존에 알려진 인공 신경망(Artificial Neural Network)의 여러 문제점(즉, vanishing problem, overfitting 등)을 활성함수(ReLU)의 개발과 드롭아웃(Drop-out)과 같은 알고리즘 개선으로 그 성능을 향상시켰고, 또한 GPU(Graphic Processing Units)와 같은 하드웨어의 발전과 복잡한 구조를 학습시킬 수 있는 빅데이터의 힘 덕분에 최근 여러 분야에 뛰어난 성능을 발휘하고 있다. Deep learning improves the performance of many known problems of artificial neural networks (i.e., vanishing problem, overfitting, etc.) by developing an activation function (ReLU) and improving algorithms such as drop-out. Also, thanks to the development of hardware such as GPU (Graphic Processing Units) and the power of big data that can learn complex structures, it is showing excellent performance in various fields recently.
이러한 딥러닝 기술은 해외 많은 기업(구글, 페이스북, 애플, 마이크로소프트, 알리바바, 바이두)에 의해 빠르게 발전되고 있으며 얼굴인식, 음성인식, 자연어처리, 검색 서비스, 의료 등의 분야에 적용되고 있다. 이렇게 빠르게 발전하는 딥러닝의 최신 기술을 확보하고 더 나아가 응용 분야를 선점하고 빠르게 상용화 하는 것이 시급하다.Such deep learning technology is being developed rapidly by many overseas companies (Google, Facebook, Apple, Microsoft, Alibaba, Baidu) and is being applied to fields such as face recognition, voice recognition, natural language processing, search service, and medical care. It is urgent to secure the latest technology of deep learning, which is developing rapidly, and further preempt the application fields and rapidly commercialize it.
종래의 결함 검사 장비에서 사용되는 결함 분류 방법은 도 1과 같다. A defect classification method used in a conventional defect inspection equipment is shown in FIG. 1 .
알고리즘 개발자가 영상에서 분류가 잘 될 것 같은 특징을 영상처리 알고리즘으로 추출한 후 이러한 특징들을 분류기(SVM, Decision tree)로 학습한다. An algorithm developer extracts features that are likely to be classified well from an image with an image processing algorithm, and then learns these features with a classifier (SVM, Decision Tree).
조명과 카메라를 이용하여 광학 장치를 구성하고, 결함 부분에서 빛의 경로가 변함에 따라 카메라에 들어오는 빛의 양의 변화를 영상화하여 결함 부위의 S/N ratio를 높인다. 이러한 영상에서 결함 검출 알고리즘이 결함 후보를 검출하고, 결함 후보 영상에 대해 특징 추출 알고리즘과 분류 알고리즘을 이용해 결함을 검출 및 분류하게 된다. An optical device is constructed using lighting and a camera, and the S/N ratio of the defective area is increased by imaging the change in the amount of light entering the camera as the light path changes in the defective area. In such an image, a defect detection algorithm detects a defect candidate, and the defect is detected and classified using a feature extraction algorithm and a classification algorithm for the defect candidate image.
이러한 방법은 사람이 얼마나 특징 추출 알고리즘을 잘 디자인하여 특징을 추출하는지가 성능의 한계이다. 또한 선택된 특징에 따라 분류 성능이 제한적이고, 영상의 회전, 밝기 변화, 크기 변화 등에 따라 분류 성능이 달라지는 문제점이 있다. 제품별로 영상의 특징이 달라서 이를 분석하여 개발하는데, 시간이 많이 소요되는 단점도 존재한다.The performance limit of this method is how well a person can design a feature extraction algorithm to extract features. In addition, there is a problem in that classification performance is limited according to selected features, and classification performance varies according to image rotation, brightness change, size change, and the like. Since each product has different characteristics of the image, it is analyzed and developed, but there is a disadvantage that it takes a lot of time.
최신 기술인 딥러닝 중 CNN 방법을 응용한 분류 알고리즘은 영상에서 인공지능이 스스로 특징을 추출하고 학습하는 방법이다. 딥러닝 기술을 응용하여 결함 분류 알고리즘을 구성하면 위의 문제를 해결할 수 있다. 다양한 딥러닝 구조 중 영상 분야에서의 딥러닝은 CNN(Convolutional Neural Network)이라는 구조가 사용된다. Among the latest technologies, deep learning, a classification algorithm applying the CNN method is a method in which artificial intelligence extracts and learns features from an image by itself. The above problem can be solved by constructing a defect classification algorithm by applying deep learning technology. Among the various deep learning structures, deep learning in the image field uses a structure called Convolutional Neural Network (CNN).
CNN을 이용한 영상 분류는 CNN 스스로가 분류 성능을 높일 수 있는 특징을 추출하고 학습한다는 특징이 있다. 이러한 특징을 이용하여 영상을 기반으로 하는 결함 검출 분야에 적용한다면 획기적인 성능 향상을 기대할 수 있다. Image classification using CNN has the feature that CNN itself extracts and learns features that can improve classification performance. If this feature is applied to the image-based defect detection field, a dramatic performance improvement can be expected.
일반적인 딥러닝을 이용한 분류기의 구성은 도 2와 같다. The configuration of a general classifier using deep learning is shown in FIG. 2 .
입력 영상에 대해 컨벌루션 층(Convolution layer)과 활성함수(Activation function)를 적용시킨 후 나온 특징 맵(feature map)을 풀링 층(Pooling layer)을 통해 크기를 줄인 후 다음 컨벌루션 층(convolution layer)으로 전달한다. 이러한 기본 구조를 반복적으로 깊게 쌓아서 영상에서 결함 분류 또는 고장 진단을 위한 특징을 효과적으로 추출하게 한다. After applying a convolution layer and an activation function to the input image, the feature map is reduced in size through a pooling layer and transferred to the next convolution layer. do. By repeatedly and deeply stacking these basic structures, it is possible to effectively extract features for fault classification or fault diagnosis from images.
한편, 스마트 팩토리는 공장 자동화가 진화한 형태 즉, IoT를 활용한 설비 관리, 설비의 현재 상태 실시간 진단 및 고장을 예측하여 사전 조치가 가능한 기술을 포함한다. On the other hand, the smart factory includes technologies that are an evolved form of factory automation, that is, facility management using IoT, real-time diagnosis of the current state of the facility, and technology that can predict failures to take preemptive measures.
특히 설비의 상태 및 고장 진단은 대량 불량 방지, 안전, 안정적인 조업 조건, 제품 품질 확보를 위한 필수 기술이다. 이러한 기술은 고장 예지 및 건전성 관리 기술(PHM: Prognostics and Health management)의 큰 영역 중 하나이다. In particular, equipment status and fault diagnosis are essential technologies to prevent mass defects, ensure safety, stable operating conditions, and product quality. This technology is one of the large areas of failure prediction and health management (PHM: Prognostics and Health management).
일반적으로 설비의 고장진단을 위한 자동화 시스템의 구성은 다음과 같다. In general, the configuration of an automated system for equipment failure diagnosis is as follows.
진동, 변위, 온도, 초음파 등의 다양한 센서로부터 설비의 상태를 나타낼 수 있는 신호를 수집한다. 이러한 신호는 신호분석 PC로 실시간 전송된다. 신호분석 PC에서는 신호처리, 딥러닝 기술을 이용하여 설비의 다양한 상태를 추출하고 고장 여부를 진단한다. 검출된 고장 및 상태 정보는 데이터 서버로 보내지고, 이러한 정보들은 설비에 의해 생산된 제품정보와 함께 데이터 서버에 기록된다. It collects signals that can indicate the status of equipment from various sensors such as vibration, displacement, temperature, and ultrasonic waves. These signals are transmitted in real time to the signal analysis PC. Signal analysis PC uses signal processing and deep learning technology to extract various statuses of equipment and diagnose failures. The detected fault and status information is sent to the data server, and this information is recorded in the data server together with product information produced by the equipment.
종래의 고장 진단 방법은 설비의 물리적 모델을 기반으로 하여 정상인지 이상인지 여부를 판단하였다. 하지만 설비의 복잡도가 증가하고 설비 운전 상태가 여러 환경 조건에 따라 변하여 그에 따른 물리 모델이 찾기가 어려워지는 단점이 있었다. 최근에는 물리 모델이 아니라 수집된 데이터를 기반으로 머신러닝 등의 데이터 분석 방법에 따른 접근법이 많이 연구되고 있다. The conventional fault diagnosis method determines whether it is normal or abnormal based on the physical model of the facility. However, as the complexity of the facility increases and the operating state of the facility changes according to various environmental conditions, it is difficult to find a physical model accordingly. Recently, many approaches according to data analysis methods such as machine learning have been studied based on collected data rather than a physical model.
구체적으로, 대상물에서 발생되는 진동, 변위, 온도, 초음파 등의 신호를 센싱하고 이러한 센싱값을 기반으로 선형 예측 계수를 통한 시계열 분석, 고속 퓨리에 변환을 통한 주파수 분석, 이산 분석을 통해 주파수 대역별 실효값과 분산을 분석한 후 이들의 데이터에 대한 테스팅 및 타당성을 검증한 결과를 멀티레이어 퍼셉트론 네트워크를 통해 분류함으로써 고장 특징이 추출되는 방식이 채택되었다.Specifically, it senses signals such as vibration, displacement, temperature, and ultrasound generated from an object, and based on these sensed values, time series analysis through linear prediction coefficients, frequency analysis through fast Fourier transform, and discrete analysis for each frequency band are performed. After analyzing the values and variances, the method of extracting the failure characteristics was adopted by classifying the results of testing and validation of these data through a multi-layer perceptron network.
일반적으로 딥러닝을 이용한 설비진단을 위해서는 정상상태와 이상상태의 데이터가 모두 확보되어야 한다. 그런데 정상 상태 데이터는 확보가 용이한 반면, 비정상 상태 데이터를 확보하는 것은 어려운 일이다. In general, for facility diagnosis using deep learning, both normal and abnormal data must be secured. However, while it is easy to obtain steady state data, it is difficult to secure abnormal state data.
정상상태 데이터 만을 이용하여 고장진단을 하는 방법은 정상상태 데이터를 입력 받아 다음 타임 스텝을 예측하는 모델을 이용하는 것이다. 즉, 예측한 다음 데이터와 실제 입력된 데이터의 차이를 구해서 특정 차이 이상이 나면 이상 데이터라고 판단하는 방법이다. 이러한 방법은 특정 차이 이상이 난다는 판단 기준이 되는 임계치(threshold)를 최적화해야 하는 어려움이 있고, 이로 인해서 우수한 진단 성능을 확보하기 어렵다. 또한 임계치를 정하기 위해서는 비정상 데이터가 있어야 하므로, 실제 정상 데이터만으로 학습하기에는 어려움이 있다. The method for fault diagnosis using only steady-state data is to use a model that receives steady-state data and predicts the next time step. In other words, it is a method of determining the difference between the predicted data and the actual input data, and if there is more than a certain difference, it is determined that the data is abnormal. In this method, there is a difficulty in optimizing a threshold, which is a criterion for determining that a specific difference or more occurs, and thus it is difficult to secure excellent diagnostic performance. In addition, in order to set the threshold, there must be abnormal data, so it is difficult to learn only from the actual normal data.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 정상상태 데이터만을 사용해서 학습하더라도 시간에 따라 특성이 다양하게 변하는 복잡한 설비에 대한 상태 진단을 효과적으로 하기 위한 것이다. The present invention was devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to effectively diagnose the condition of a complex facility whose characteristics are variously changed over time even when learning using only steady state data.
이를 위해, 본 발명에 따른 기계학습 기반 고장 진단 장치는 설비에 대한 센싱 신호를 입력 받아 센싱 신호의 일정 시간 구간 내 각 타임 스텝에 대한 정상 또는 비정상을 출력하는 제1 분석부와, 상기 센싱 신호를 각 타임 스텝에 대해 주파수 변환하여 각 타임 스텝의 주파수를 출력하는 신호 변환부와, 상기 신호 변환부로부터 각 타임 스텝의 주파수를 입력 받아 각 타임 스텝의 주파수에 대한 정상 또는 비정상을 출력하는 제2 분석부와, 상기 제1 분석부의 출력값 및 상기 제2 분석부의 출력값에 근거해 설비의 고장 여부를 출력하는 분류부를 포함한다.To this end, the machine learning-based failure diagnosis apparatus according to the present invention includes a first analyzer that receives a sensing signal for a facility and outputs normal or abnormal for each time step within a predetermined time section of the sensing signal, and the sensing signal. A signal conversion unit that performs frequency conversion for each time step and outputs the frequency of each time step, and a second analysis that receives the frequency of each time step from the signal conversion unit and outputs normal or abnormal for the frequency of each time step and a classification unit configured to output whether or not the equipment has failed based on the output value of the first analysis unit and the output value of the second analysis unit.
또한, 본 발명에 따른 계학습 기반 고장 진단 방법은 컴퓨터로 구현된 기계학습 기반 고장 진단 장치에서 각 단계가 수행되는 기계학습 기반 고장 진단 방법으로서, 설비 센싱 신호의 일정 시간 구간 내 각 타임 스텝에 대한 정상 또는 비정상 값을 출력하는 제1 분석 단계와, 상기 설비 센싱 신호의 일정 시간 구간 내 각 타임 스텝의 주파수 변환된 주파수를 입력 받아 각 타임 스텝의 주파수에 대한 정상 또는 비정상 값을 출력하는 제2 분석 단계와, 상기 제1 분석 단계 및 제2 분석 단계에서 출력한 정상 또는 비정상 값들에 근거해 설비의 고장 여부를 출력하는 분류 단계를 포함한다. In addition, the machine learning-based failure diagnosis method according to the present invention is a machine learning-based failure diagnosis method in which each step is performed in a machine learning-based failure diagnosis apparatus implemented with a computer, A first analysis step of outputting a normal or abnormal value, and a second analysis of receiving the frequency-converted frequency of each time step within a predetermined time section of the facility sensing signal and outputting a normal or abnormal value for the frequency of each time step and a classification step of outputting whether the equipment has failed based on the normal or abnormal values output in the first and second analysis steps.
또한, 본 발명에 따른 계학습 기반 고장 진단 방법은 컴퓨터로 구현된 기계학습 기반 고장 진단 장치에서 각 단계가 수행되는 기계학습 기반 고장 진단 방법으로서, 센싱 신호를 입력 받아 센싱 신호의 일정 시간 구간 내 각 타임 스텝 값이 정상 상태인지 비정상 상태인지 RNN(Recurrent Neural Networks) 또는 LSTM(Long Short-Term Memory) 기반의 모델을 통해 판단하는 단계와, 상기 센싱 신호의 일정 시간 구간 내 각 타임 스텝 값의 주파수 변환된 주파수를 입력 받아 각 타임 스텝의 주파수가 정상 상태인지 비정상 상태인지 CNN(Convolutional Neural Network) 기반 모델을 통해 판단하는 단계와, 상기 두 모델을 통해 판단된 정상 또는 비정상 상태에 근거해 설비의 고장 여부를 판단하는 단계를 포함한다. In addition, the machine learning-based failure diagnosis method according to the present invention is a machine learning-based failure diagnosis method in which each step is performed in a machine learning-based failure diagnosis apparatus implemented with a computer. Determining whether the time step value is in a normal state or an abnormal state through a Recurrent Neural Networks (RNN) or Long Short-Term Memory (LSTM)-based model, and frequency conversion of each time step value within a predetermined time period of the sensing signal A step of receiving the input frequency and determining whether the frequency of each time step is in a normal state or an abnormal state through a CNN (Convolutional Neural Network)-based model, and whether the equipment is malfunctioning based on the normal or abnormal state determined through the two models It includes the step of judging.
또한, 본 발명에 따른 컴퓨터 판독 기록매체는 시계열 데이터의 일정 시간 구간 내 각 타임 스텝 값을 입력 받아 각 타임 스텝에 대한 0 또는 1을 출력하는 제1 분석 단계와, 상기 시계열 데이터의 일정 시간 구간 내 각 타임 스텝 값의 주파수 변환된 주파수를 입력 받아 각 타임 스텝의 주파수에 대한 0 또는 1을 출력하는 제2 분석 단계와, 상기 제1 분석 단계 및 제2 분석 단계에서 출력한 값들의 평균을 산출하는 단계를 수행하는 프로그램을 저장한다. In addition, the computer-readable recording medium according to the present invention includes a first analysis step of receiving each time step value within a predetermined time interval of time series data and outputting 0 or 1 for each time step, and within a predetermined time interval of the time series data A second analysis step of receiving the frequency-converted frequency of each time step value as input and outputting 0 or 1 for the frequency of each time step, and calculating an average of the values output in the first and second analysis steps Stores the program that performs the steps.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 기계학습 기반 고장 진단 기술은 정상상태 데이터만으로 학습 가능한 이중 구조의 딥러닝 기반 모델을 사용하기 때문에 비정상 상태 데이터를 확보하거나 임계치를 최적화해야 하는 어려움을 해결할 수 있는 효과가 있다. As described above, since the machine learning-based failure diagnosis technology according to the present invention uses a deep learning-based model with a dual structure that can be learned only with steady-state data, it is possible to solve the difficulty of securing abnormal-state data or optimizing the threshold. there is
또한 본 발명은 센싱 신호를 시간 영역뿐만 아니라 주파수 영역에서도 분석하기 때문에 설비의 고장 진단 성능을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다. In addition, since the present invention analyzes the sensing signal not only in the time domain but also in the frequency domain, there is an effect of further enhancing the failure diagnosis performance of the equipment.
본 발명에 따른 딥러닝을 활용한 고장 진단 기술은 다양한 산업 설비의 고장 및 상태 진단의 핵심 기술로 사용될 뿐만 아니라 비파괴 검사와 같은 진단 분야에도 사용 될 수 있다. The failure diagnosis technology using deep learning according to the present invention can be used not only as a core technology for diagnosing failures and conditions of various industrial facilities, but also in diagnostic fields such as non-destructive testing.
또한 스마트 공장(Smart Factory) 구현의 필수기술로 생산 조업 조건에 따른 설비의 상태를 판정하고 설비 상태에 따른 제품의 품질을 예측하여 생산 조건을 최적화하는 기술에도 응용 가능할 것이다. In addition, it will be applicable to technology that optimizes production conditions by judging the state of equipment according to production operating conditions and predicting product quality according to equipment conditions as an essential technology for implementing a smart factory.
또한 본 발명에 따른 고장 진단 장치는 설비의 고장 진단뿐만 아니라 제품의 결함 분류 분야에도 사용될 수 있다. 즉, 스마트 팩토리(smart factory) 구현의 필수 기술로서 생산 조업 조건에 따른 제품의 품질을 판정하는데도 사용될 수 있다. In addition, the failure diagnosis apparatus according to the present invention can be used in the field of product defect classification as well as equipment failure diagnosis. That is, as an essential technology for implementing a smart factory, it can also be used to determine product quality according to production operating conditions.
도 1은 종래 결함 분류 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 일반적인 딥러닝 기반 분류 방법을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 기계학습 기반 고장 진단 장치의 개략적 구성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 제1 분석부를 학습시키기 위한 구성을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 제2 분석부를 학습시키기 위한 구성을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 기계학습 기반 고장 진단 방법의 처리 과정을 나타낸 순서도.1 is a view for explaining a conventional defect classification method.
2 is a view for explaining a general deep learning-based classification method.
3 is a diagram showing a schematic configuration of a machine learning-based failure diagnosis apparatus according to the present invention.
4 is a view showing a configuration for learning the first analysis unit according to the present invention.
5 is a diagram showing a configuration for learning a second analysis unit according to the present invention.
6 is a flowchart illustrating a processing process of a machine learning-based failure diagnosis method according to the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
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 specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
또한, 명세서에 기재된 "……부", "…… 모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, the terms "... unit" and "... module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 기계학습 기반 고장 진단 장치 및 방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a machine learning-based failure diagnosis apparatus and method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 3은 본 발명에 따른 기계학습 기반 고장 진단 장치의 구성을 나타낸 것이다. 3 shows the configuration of a machine learning-based failure diagnosis apparatus according to the present invention.
도 3을 참조하면, 기계학습 기반 고장 진단 장치는 제1 분석부(10), 신호 변환부(20), 제2 분석부(30), 분류부(40) 등을 포함한다. Referring to FIG. 3 , the machine learning-based failure diagnosis apparatus includes a
제1 분석부(10)는 설비에 대한 센싱 신호를 입력 받아 센싱 신호의 일정 시간 구간 내 각 타임 스텝(time step)에 대한 정상 또는 비정상을 출력한다. 제1 분석부(10)는 타임 스텝의 값이 정상인 경우 0을 출력하고, 비정상인 경우 1을 출력하게 된다. The
본 발명의 실시예에 따른 제1 분석부(10)에는 RNN(Recurrent Neural Networks) 또는 LSTM(Long Short-Term Memory) 기반의 모델이 적용된다. A model based on Recurrent Neural Networks (RNN) or Long Short-Term Memory (LSTM) is applied to the
도 3에는 도시되어 있지 않으나, 센싱 신호는 전처리부에 의해 일정한 간격마다 소정의 윈도우로 크로핑(cropping)된 후 샘플링 주기(즉, 타임 스텝)마다 신호 크기가 추출되어 1차원 신호 벡터로 변환되어 제1 분석부(10)로 입력된다. Although not shown in FIG. 3, the sensing signal is cropped to a predetermined window at regular intervals by the preprocessor, and then the signal magnitude is extracted at every sampling period (ie, time step) and converted into a one-dimensional signal vector. It is input to the
여기서 센싱 신호는 다양한 센서가 설비(공장 설비, 장비)나 대상물(복합재 구조체, 제품)에 설치되어 설비나 대상물의 상태를 나타내는 신호를 말한다. 설비에 부착되는 센서로는 진동, 변위, 온도, 초음파 센서 등이 있다. Here, the sensing signal refers to a signal indicating the state of the facility or object by installing various sensors in a facility (factory equipment, equipment) or an object (composite structure, product). Sensors attached to equipment include vibration, displacement, temperature, and ultrasonic sensors.
신호 변환부(20)는 센싱 신호를 주파수 변환하여 주파수를 생성한다. 신호 변환부(20)는 퓨리에 변환(FFT)을 이용해 시간에 따라 변하는 센싱 신호를 각 타임 스텝에 대해 주파수 변환하여 각 타임 스텝의 주파수를 출력한다. The
제2 분석부(30)는 각 타임 스텝의 주파수를 입력 받아 각 타임 스텝의 주파수에 대한 정상 또는 비정상을 출력한다. 제2 분석부(10)는 타임 스텝의 주파수가 정상인 경우 0을 출력하고, 비정상인 경우 1을 출력하게 된다. The
본 발명의 실시예에 따른 제2 분석부(10)에는 CNN(Convolutional Neural Network) 기반의 모델이 적용된다. A Convolutional Neural Network (CNN)-based model is applied to the
도 3에는 도시되어 있지 않으나, 각 타임 스텝의 주파수 신호는 전처리부에 의해 1차원 주파수 신호 벡터로 변환되어 제2 분석부(30)로 입력된다. Although not shown in FIG. 3 , the frequency signal of each time step is converted into a one-dimensional frequency signal vector by the preprocessor and input to the
분류부(40)는 제1 분석부(10)의 출력값과 제2 분석부(20)의 출력값에 근거해 설비의 고장 여부를 출력한다. 제1 분석부(10) 및 제2 분석부(20)의 출력값은 0, 1이므로, 분류부(40)는 출력값들의 평균을 산출하여 그 평균값이 0에 가까우면 정상으로 분류하고, 그 평균값이 1에 가까우면 비정상으로 분류하게 된다. The
도 4는 본 발명의 제1 분석부(10)에 적용되는 모델을 학습시키는 과정을 나타낸 것이다. 4 shows a process of learning the model applied to the
도 4를 참조하면, 제1 모델(12)은 입력된 시계열 데이터(실제 데이터)에 대해 다음 타임 스텝의 데이터를 예측하는 모듈이다. 제1 모델(12)은 시계열 데이터의 t=n-1일 때의 데이터인 X(n-1)를 입력받아 다음 타임 스텝인 t=n일 때의 예측 데이터인 X'(n)을 출력한다. 제1 모델(10)로 입력되는 시계열 데이터는 정상상태 데이터이다. 제1 모델(12)은 제2 모델(20)에서 출력되는 값이 0(정상 값)이 되도록 학습된다. Referring to FIG. 4 , the
제2 모델(14)은 실제 데이터와 예측 데이터를 구분하는 모듈이다. 제2 모델(20)은 t=n일 때의 실제 데이터인 X(n)과 예측 데이터인 X'(n)을 입력 받아 실제 데이터와 예측 데이터를 구분한다. The
제2 모델(14)은 실제 데이터와 제1 모델(12)로부터 출력된 예측 데이터를 입력 받아 실제 데이터에 대해서 0(정상 값)을 출력하고, 예측 데이터에 대해서는 1(비정상 값)을 출력하도록 학습된다. 만약 예측 데이터가 실제 데이터와 동일하게 되면 제2 모델(20)은 입력되는 모든 데이터에 대해 0을 출력할 것이다. The
이와 같이 제1 모델(12)은 제2 모델(14)이 입력되는 모든 데이터에 대해 0을 출력하도록 즉, 예측 데이터가 실제 데이터가 되도록 학습되고, 제2 모델(14)은 실제 데이터에 대해서 0을 출력하고 예측 데이터에 대해서 1을 출력하도록 즉, 실제 데이터와 예측 데이터를 정확히 분류하도록 학습된다.In this way, the
제1 모델(12) 및 제2 모델(14)의 학습이 완료되면, 제1 모델(12)은 제2 분석부(30)에 적용할 모델을 학습하는데 사용하게 되고, 제2 모델(14)은 제1 분석부(30)에 적용할 모델로 사용된다. When the learning of the
제1 모델(12) 및 제2 모델(14)은 RNN(Recurrent Neural Networks) 또는 LSTM(Long Short-Term Memory) 등의 모델을 이용하여 학습될 수 있다. The
도 5는 본 발명의 제2 분석부(10)에 적용되는 모델을 학습시키는 과정을 나타낸 것이다. 5 shows a process of learning a model applied to the
도 5를 참조하면, 제3 모델(30)은 실제 데이터의 주파수 변환 데이터(이하, 실제 주파수)와 예측 데이터의 주파수 변환 데이터(이하, 예측 주파수)를 구분하는 모듈이다. Referring to FIG. 5 , the
제1 모델(12)은 시계열 데이터의 t=n-1일 때의 데이터인 X(n-1)를 입력받아 다음 타임 스텝인 t=n일 때의 예측 데이터인 X'(n)을 출력한다. The
신호 변환부(20)는 제1 모델(12)로부터 X'(n)을 입력 받고 시계열 데이터의 t=n일 때의 데이터인 X(n)를 입력 받아, X'(n) 및 X(n)를 주파수 변환한다. The
제3 모델(32)은 신호 변환부(20)로부터 주파수 변환된 값을 입력 받아 X'(n)의 주파수 변환된 값(예측 주파수)과 X(n)의 주파수 변환된 값(실제 주파수)을 구분한다. 제3 모델(30)은 실제 주파수에 대해서 0(정상 값)을 출력하고, 예측 주파수에 대해서는 1(비정상 값)을 출력하도록 학습된다. The
제1 모델(12) 및 제3 모델(32)의 학습이 완료되면, 제3 모델(32)은 제3 분석부(30)에 적용할 모델로 사용된다. 제3 모델(32)은 CNN(Convolutional Neural Network) 등의 모델을 이용해 학습될 수 있다.When the learning of the
CNN 모델을 이용해 제3 모델(32)을 구성하는 경우, 제3 모델(32)은 컨벌루션(convolution), 배치 정규화(batch normalization), 활성함수(ReLU), 최대화 풀링(maxpooling)을 수행하는 다수의 층으로 구성되어 각 타임 스텝의 주파수 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출하게 된다. 이렇게 추출된 신호 특징 벡터의 원소 값은 완전 연결층의 신경망을 거쳐 실제 주파수 또는 예측 주파수로 분류된다. When configuring the
도 6은 본 발명에 따른 기계학습 기반 고장 진단 방법의 처리 과정을 나타낸 것이다. 6 shows a processing process of a machine learning-based failure diagnosis method according to the present invention.
도 6을 참조하면, 먼저 도 4 및 도 5에서 상술한 바와 같이, 제1 모델(12), 제2 모델(14), 제3 모델(32)에 대한 학습 단계(S10)이 수행된다.Referring to FIG. 6 , first, as described above with reference to FIGS. 4 and 5 , a learning step S10 for the
학습 단계(S10)에서 제1 모델(12)은 제2 모델(14)이 입력되는 모든 데이터에 대해 0을 출력할 수 있게 시계열 데이터의 다음 타임 스텝의 데이터가 예측되도록 학습되고, 제2 모델(14)은 실제 데이터에 대해서 0을 출력하고 예측 데이터에 대해서 1을 출력할 수 있게 실제 데이터와 예측 데이터가 정확하게 분류되도록 학습되고, 제3 모델(32)은 실제 주파수에 대해서 0을 출력하고 예측 데이터에 대해서 1을 출력할 수 있게 실제 주파수와 예측 주파수가 정확하게 분류되도록 학습된다. In the learning step (S10), the
이렇게 학습 과정이 완료되면, 제2 모델(14)은 제1 분석부(10)에 적용되고, 제3 모델(32)은 제2 분석부(30)에 적용되어, 제1 분석부(10) 및 제2 분석부(30)가 각각 시계열 데이터(센싱 신호)에 대한 분석을 수행한다(S20, S30).When the learning process is completed in this way, the
즉, 제1 분석부(10)가 센싱 신호의 일정 시간 구간 내 각 타임 스텝에 대한 정상 값(0) 또는 비정상 값(1)을 출력하는 제1 분석 단계(S20)를 수행한다. That is, the
이와 함께 제2 분석부(20)가 센싱 신호의 일정 시간 구간 내 각 타임 스텝의 주파수 변환된 주파수를 입력 받아 각 타임 스텝의 주파수에 대한 정상 값(0) 또는 비정상 값(1)을 출력하는 제2 분석 단계(S30)를 수행한다. In addition, the
다음, 제1 분석 단계(S20) 및 제2 분석 단계(S30)에서 출력한 정상 또는 비정상 값들의 평균을 산출하고(S40), 출력값의 평균에 근거해 설비의 고장 진단 결과를 출력한다(S50).Next, the average of the normal or abnormal values output in the first analysis step (S20) and the second analysis step (S30) is calculated (S40), and a fault diagnosis result of the equipment is output based on the average of the output values (S50) .
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. The above description is merely illustrative of the present invention, and various modifications may be made by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains without departing from the technical spirit of the present invention.
따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다. Therefore, the embodiments disclosed in the specification of the present invention do not limit the present invention. The scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technologies within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
10: 제1 분석부 12: 제1 모델
14: 제2 모델 20: 제1 분석부
20: 신호 변환부 30: 제2 분석부
32: 제3 모델 40: 분류부10: first analysis unit 12: first model
14: second model 20: first analysis unit
20: signal conversion unit 30: second analysis unit
32: third model 40: classification unit
Claims (13)
상기 센싱 신호를 각 타임 스텝에 대해 주파수 변환하여 각 타임 스텝의 주파수를 출력하는 신호 변환부와,
상기 제1 모델에서 출력한 예측 데이터의 주파수 변환된 예측 주파수 및 실제 데이터의 주파수 변환된 실제 주파수를 입력 받아 실제 주파수에 대해서 0을 출력하고 예측 주파수에 대해서 1을 출력하도록 학습된 제3 모델을 이용해 상기 신호 변환부로부터 각 타임 스텝의 주파수를 입력 받아 각 타임 스텝의 주파수에 대한 정상 또는 비정상을 출력하는 제2 분석부와,
상기 제1 분석부의 출력값 및 상기 제2 분석부의 출력값에 근거해 설비의 고장 여부를 출력하는 분류부를 포함하는 기계학습 기반 고장 진단 장치.To predict the data of the next time step of the time series data, which is the equipment sensing signal in a steady state, receive the predicted data and actual data output from the first model trained to output 0 for the actual data and output 1 for the predicted data A first analysis unit that receives a sensing signal for a facility using the learned second model and outputs normal or abnormal for each time step within a predetermined time section of the sensing signal;
a signal converter for frequency-converting the sensing signal for each time step and outputting a frequency for each time step;
Using the third model trained to receive the frequency-converted prediction frequency of the prediction data output from the first model and the frequency-converted actual frequency of the actual data, and output 0 for the actual frequency and 1 for the predicted frequency a second analysis unit that receives the frequency of each time step from the signal conversion unit and outputs normal or abnormal for the frequency of each time step;
and a classification unit configured to output whether the equipment has failed based on the output value of the first analysis unit and the output value of the second analysis unit.
상기 제1 분석부에 적용된 제2 모델은 RNN(Recurrent Neural Networks) 또는 LSTM(Long Short-Term Memory)인 것을 특징으로 하는 기계학습 기반 고장 진단 장치.The method of claim 1,
The second model applied to the first analysis unit is a machine learning-based failure diagnosis apparatus, characterized in that it is a Recurrent Neural Networks (RNN) or a Long Short-Term Memory (LSTM).
상기 제2 분석부에 적용된 제3 모델은 CNN(Convolutional Neural Network)인 것을 특징으로 하는 기계학습 기반 고장 진단 장치.The method of claim 1,
The third model applied to the second analysis unit is a machine learning-based failure diagnosis apparatus, characterized in that it is a Convolutional Neural Network (CNN).
정상 상태의 설비 센싱 신호인 시계열 데이터의 다음 타임 스텝의 데이터를 예측하는 제1 모델에서 예측한 데이터에 대해서는 1을 출력하고 실제 데이터에 대해서는 0을 출력하도록 학습된 제2 모델을 이용해 설비 센싱 신호의 일정 시간 구간 내 각 타임 스텝에 대한 정상 또는 비정상 값을 출력하는 제1 분석 단계와,
상기 제1 모델에서 예측한 데이터를 주파수 변환한 예측 주파수에 대해서는 1을 출력하고 실제 데이터를 주파수 변환한 실제 주파수에 대해서는 0을 출력하도록 학습된 제3 모델을 이용해 상기 설비 센싱 신호의 일정 시간 구간 내 각 타임 스텝의 주파수 변환된 주파수를 입력 받아 각 타임 스텝의 주파수에 대한 정상 또는 비정상 값을 출력하는 제2 분석 단계와,
상기 제1 분석 단계 및 제2 분석 단계에서 출력한 정상 또는 비정상 값들에 근거해 설비의 고장 여부를 출력하는 분류 단계를 포함하는 기계학습 기반 고장 진단 방법.In a machine learning-based failure diagnosis method in which each step is performed in a computer-implemented machine learning-based failure diagnosis device,
Using the second model trained to output 1 for the data predicted by the first model that predicts the data of the next time step of the time series data, which is the equipment sensing signal in a steady state, and 0 for the actual data, A first analysis step of outputting a normal or abnormal value for each time step within a predetermined time interval;
Using the third model learned to output 1 for the predicted frequency obtained by frequency-converting the data predicted by the first model and output 0 for the actual frequency obtained by frequency-converting the actual data within a predetermined time interval of the facility sensing signal a second analysis step of receiving the frequency-converted frequency of each time step and outputting a normal or abnormal value for the frequency of each time step;
and a classification step of outputting whether the equipment has failed based on the normal or abnormal values output in the first and second analysis steps.
상기 주파수 변환된 주파수는 푸리에 변환(FFT)에 의한 주파수인 것을 특징으로 하는 기계학습 기반 고장 진단 방법7. The method of claim 6,
The frequency-converted frequency is a machine learning-based failure diagnosis method, characterized in that it is a frequency by a Fourier transform (FFT).
상기 분류 단계는 상기 출력한 정상 또는 비정상 값들의 평균값을 산출하여 평균값에 근거해 설비의 정상 또는 비정상 상태를 출력하는 것을 특징으로 하는 기계학습 기반 고장 진단 방법.7. The method of claim 6,
The classification step calculates an average value of the output normal or abnormal values and outputs a normal or abnormal state of the equipment based on the average value.
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