KR102471427B1 - Predictive diagnosis system for mechanical and electrical failures through motor noise and thermal distribution analysis - Google Patents

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KR102471427B1
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Abstract

The present invention relates to a system for predicting and diagnosing mechanical and electrical failures through motor noise and heat distribution analysis, which automatically searches filter coefficients from the noise characteristics of field motors using a genetic algorithm (GA), applies the noise data from removing noise around the motor to the machine learning engine to diagnose the mechanical failure using the same, converts low-resolution heat data collected from field motors into high-resolution heat data using a heat distribution image learning engine, and then applies the heat data to the machine learning engine to diagnose electrical failures.

Description

모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템{PREDICTIVE DIAGNOSIS SYSTEM FOR MECHANICAL AND ELECTRICAL FAILURES THROUGH MOTOR NOISE AND THERMAL DISTRIBUTION ANALYSIS}Mechanical and electrical fault prediction and diagnosis system through motor noise and heat distribution analysis

본 발명은 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계, 장치, 제조 설비 장치로부터 소음 데이터를 수집하고 이를 분석하여 기계적 고장을 예측진단하고, 온도 데이터를 수집하고 이를 분석하여 전기적 고장을 예측진단하는 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for predicting and diagnosing mechanical and electrical failures through motor noise and thermal distribution analysis, and more particularly, by collecting and analyzing noise data from machines, devices, and manufacturing equipment, predicting and diagnosing mechanical failures, and temperature data It relates to a system for predicting and diagnosing mechanical and electrical failures through motor noise and heat distribution analysis that collects and analyzes them to predict and diagnose electrical failures.

생산성 향상을 위해 생산 설비의 자동화가 이루어짐에 따라 생산설비의 신뢰성과 안전성이 더욱 중요하게 되었으며, 생산설비의 유지관리기술에 대한 필요성이 날로 증가하고 있는 추세이다.As production facilities have been automated to improve productivity, the reliability and safety of production facilities have become more important, and the need for maintenance technology for production facilities is increasing day by day.

유지관리기술에서 결합의 검출 및 분석에 있어 일반적으로 진동 데이터를 사용하여 고장을 진단하는 방법이 사용되어 왔다. 유도전동기의 경우 진동 데이터를 이용해 고장진단을 행할 경우 유도전동기에서 발생할 수 있는 대부분의 고장을 검출하고 진단할 수 있는 매우 강력한 방법이라고 할 수 있다. 하지만 진동데이터를 이용한 고장진단이 신뢰성을 갖기 위해서는 많은 수의 센서가 필요하고 정확한 진단을 위해서는 전문적인 경험이 요구된다.In the detection and analysis of couplings in maintenance technology, a method for diagnosing failures using vibration data has been generally used. In the case of an induction motor, fault diagnosis using vibration data is a very powerful method for detecting and diagnosing most faults that may occur in an induction motor. However, for fault diagnosis using vibration data to have reliability, a large number of sensors are required and professional experience is required for accurate diagnosis.

진동 데이터를 이용해 유도전동기의 고장을 진단할 때 센서의 설치 위치와 개수에 따라 정확도의 차이가 클 뿐만 아니라 진동은 기계적 결함만 검출이 가능하기 때문에 온도 데이터를 추가하여 전기적 결함도 검출하는 추세이다. 하지만, 접촉식이고 센서 개수가 많아져서 설치와 관리가 여전히 어려운 문제가 있다.When diagnosing failures of an induction motor using vibration data, not only does the difference in accuracy depend on the number and location of sensors installed, but also temperature data is added to detect electrical defects because vibration can only detect mechanical defects. However, it is a contact type and has a large number of sensors, so installation and management are still difficult.

이에 진동 대신 마이크를 이용하여 유도전동기에서 발생하는 소음을 측정하고, 센서를 이용하여 유도전동기에서 발생하는 열화상을 측정하는 비접촉식 방식을 각각 연구하는 추세이다. 그러나 유도전동기 자체에서 발생하는 소음 뿐만 아니라 주변의 소음도 같이 측정되어 소음 데이터의 신뢰성을 확보하기가 어렵고, 열화상을 정확하게 측정하기 위해서는 고해상도 열화상 카메라를 이용해야 하는데 설치 비용의 문제가 있다.Therefore, it is a trend to study non-contact methods that measure the noise generated from the induction motor using a microphone instead of vibration and measure the thermal image generated from the induction motor using a sensor. However, it is difficult to secure the reliability of the noise data because not only the noise generated by the induction motor itself but also the ambient noise is measured, and a high-resolution thermal imaging camera must be used to accurately measure the thermal image, but there is a problem of installation cost.

대한민국 등록특허 제 10-2174722호Republic of Korea Patent No. 10-2174722

본 발명은 상기의 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 현장 유도전동기 주변의 소음을 제거하는 적응형 필터 알고리즘과 기존 열화상 카메라보다 1/10 가격인 저해상도 센서의 화상 보간 알고리즘으로 추출한 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform) 스펙토그램 이미지로 만들어 인공지능 기계학습 하는 방식으로 적용의 편의성과 고장검출의 정확성을 구현할 수 있는 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템을 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.The present invention is to solve the above problems of the prior art, and FFT data extracted by an adaptive filter algorithm that removes noise around an on-site induction motor and an image interpolation algorithm of a low-resolution sensor that is 1/10 the price of a conventional thermal imaging camera. (Fast Fourier Transform) To provide a mechanical and electrical failure prediction and diagnosis system through analysis of motor noise and heat distribution that can realize the convenience of application and accuracy of failure detection by artificial intelligence machine learning method made of spectogram images. There is a purpose.

구체적으로는, 현장 모터의 소음 특성이 나오는 필터 계수를 유전자 알고리즘(GA)을 이용하여 자동으로 검색하고, 이를 이용하여 모터 주변의 소음을 제거한 소음 데이터를 기계학습엔진에 적용하여 기계적 고장을 진단하고, 현장 모터에서 수집한 저해상도의 열 데이터를 열분포 이미지 학습엔진을 이용하여 고해상도의 열 데이터로 변환한 후 기계학습엔진에 적용하여 전기적 고장을 진단하는 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템을 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.Specifically, the filter coefficient of the noise characteristics of the motor in the field is automatically searched using a genetic algorithm (GA), and the noise data obtained by removing the noise around the motor is applied to the machine learning engine to diagnose mechanical failure. , Prediction and diagnosis of mechanical and electrical failures through motor noise and thermal distribution analysis, which converts low-resolution thermal data collected from field motors into high-resolution thermal data using a thermal distribution image learning engine and applies it to a machine learning engine to diagnose electrical failures It is an object of the invention to provide a system.

또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.In addition, the technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템은, 현장의 모터로부터 입력되는 소음 데이터를 수집하는 데이터 수집부; 현장 모터의 소음 특성이 나오는 필터 계수를 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm)을 이용하여 자동으로 검색하는 필터 계수 검색부; 상기 필터 계수 검색부가 자동으로 찾아낸 필터 계수를 적용하여 상기 데이터 수집부가 수집한 소음 데이터에서 주변 소음을 제거하는 적응형 필터부; 상기 적응형 필터부를 통해 주변 소음이 제거된 소음 데이터를 제1 기계학습엔진에 적용하여 정상 데이터인지, 비정상 데이터인지 판별하여 현장 모터의 기계적인 고장을 예측하는 기계적 고장 예측부; 열화상 카메라 또는 열감지 센서를 이용하여 현장의 모터에서 발생하는 열 데이터를 수집하는 열 데이터 수집부; 저해상도 열 이미지를 학습하여 고해상도 열 이미지를 예측하는 열분포 이미지 학습엔진을 이용하여 상기 열 데이터 수집부가 수집한 저해상도의 열 데이터를 고해상도의 열 데이터로 변환하는 열 데이터 변환부; 및 상기 열 데이터 변환부에서 변환된 고해상도의 열 데이터를 제2 기계학습엔진에 적용하여 정상 데이터인지, 비정상 데이터인지 판별하여 현장 모터의 전기적 고장을 예측하는 전기적 고장 예측부;를 포함한다.In order to achieve the above object, the system for predicting and diagnosing mechanical and electrical failures through motor noise and thermal distribution analysis of the present invention includes a data collection unit for collecting noise data input from a motor in the field; A filter coefficient search unit that automatically searches for filter coefficients from noise characteristics of field motors using a genetic algorithm; an adaptive filter unit for removing ambient noise from the noise data collected by the data collection unit by applying the filter coefficient automatically found by the filter coefficient search unit; a mechanical failure prediction unit that predicts a mechanical failure of a field motor by applying the noise data from which ambient noise has been removed through the adaptive filter unit to a first machine learning engine to determine whether the data is normal or abnormal; a thermal data collection unit that collects thermal data generated from an on-site motor using a thermal imaging camera or a thermal sensor; a thermal data converter converting the low-resolution thermal data collected by the thermal data collection unit into high-resolution thermal data using a thermal distribution image learning engine that learns a low-resolution thermal image and predicts a high-resolution thermal image; and an electrical failure prediction unit that applies the high-resolution thermal data converted by the thermal data conversion unit to a second machine learning engine to determine whether the data is normal data or abnormal data and predicts an electrical failure of the on-site motor.

또한, 복수 개의 초기 필터 계수를 저장하는 초기 필터 저장부; 및 유전자 알고리즘을 이용하여 초기 필터 계수로부터 생성된 새로운 필터 계수를 저장하는 필터 조합 생성부;를 더 포함하고, 상기 유전자 알고리즘은 초기 필터 저장부에 저장된 초기 필터 계수에 대해 정지 조건을 만족할 때까지 선택(Selection), 교차(Crossover), 돌연변이 연산(Mutation)을 반복하여 수행한 후 새로운 복수 개의 필터 계수를 생성하고, 필터 조합 생성부에 저장하는 것을 특징으로 한다.In addition, an initial filter storage unit for storing a plurality of initial filter coefficients; and a filter combination generating unit that stores new filter coefficients generated from the initial filter coefficients using a genetic algorithm, wherein the genetic algorithm selects the initial filter coefficients stored in the initial filter storage unit until a stop condition is satisfied. After repeatedly performing selection, crossover, and mutation operations, a plurality of new filter coefficients are generated and stored in the filter combination generation unit.

상기 정지 조건은 필터 시뮬레이션 수식에 선택, 교차, 돌연변이를 통해 얻어진 새로운 필터 계수를 적용하여 정상 신호와 유사한 주파수 응답 특성을 나타내는 필터 계수를 확인하는 조건인 것을 특징으로 한다.The stop condition is characterized in that a condition for confirming a filter coefficient exhibiting a frequency response characteristic similar to that of a normal signal by applying a new filter coefficient obtained through selection, crossing, and mutation to a filter simulation equation.

상기 필터 계수 검색부는 필터 조합 생성부에 저장된 복수 개의 LPF(Low Pass Filter)와 HPF(High Pass Filter)를 필터 시뮬레이션 수식에 적용하여 주파수 응답 곡선을 시뮬레이션 한 결과, 정상 신호와 가장 유사한 결과를 나타내는 LPF와 HPF를 자동으로 검색하는 것을 특징으로 한다.The filter coefficient search unit simulates a frequency response curve by applying a plurality of LPFs (Low Pass Filters) and HPFs (High Pass Filters) stored in the filter combination generation unit to a filter simulation formula, and as a result, an LPF showing a result most similar to a normal signal and HPF are automatically searched.

상기 적응형 필터부는 현장의 모터로부터 입력되는 소음 데이터를 상기 필터 계수 검색부가 자동으로 찾아낸 필터 계수 LPF와 HPF가 적용된 상, 하, 좌, 우 방향의 필터 수식에 각각 적용하여 4 개의 결과값(YHPH, YLPH, YHPV, YLPV)을 생성하고, 이를 이용하여 필터링한 4 개의 결과값(fHPH, fLPH, fHPV, fLPV)을 생성한 후 평균값을 구함으로써, 소음 데이터에서 주변 소음을 제거한 최종 결과값을 생성하는 것을 특징으로 한다.The adaptive filter unit applies the noise data input from the motor in the field to the filter equations in the up, down, left, and right directions to which the filter coefficients LPF and HPF automatically found by the filter coefficient search unit are applied, respectively, and obtains four result values (Y HPH, Y LPH, Y HPV, Y LPV ), and using it to create four filtering result values (f HPH, f LPH, f HPV, f LPV ), and then calculating the average value, It is characterized by generating a final result value from which noise is removed.

또한, 모터 종류, 용량, 설치환경에 따른 다양한 종류의 모터에 대한 열분포 이미지를 열분포 DB에 저장하는 열분포 이미지 저장부;를 더 포함하고, 상기 열분포 이미지 학습엔진은 열분포 DB에 저장된 다양한 열분포 이미지를 학습하고, 열 데이터 변환부는 열 데이터 수집부가 수집한 저해상도 열 이미지를 열분포 이미지 학습엔진에 적용하여 고해상도 이미지를 예측하는 것을 특징으로 한다.In addition, it further includes a thermal distribution image storage unit for storing thermal distribution images for various types of motors according to motor types, capacities, and installation environments in a thermal distribution DB, and the thermal distribution image learning engine learns various thermal distribution images stored in the thermal distribution DB. And, the thermal data conversion unit is characterized in that it predicts a high-resolution image by applying the low-resolution thermal image collected by the thermal data collection unit to the thermal distribution image learning engine.

본 발명에 따른 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템에 의하면, 유전자 알고리즘을 이용하여 현장 유도전동기의 소음 특성이 나오는 필터 계수를 자동으로 찾아내고, 유도전동기 주변의 소음이 제거된 소음 데이터를 기계학습하여 유도전동기의 기계적 고장을 예측할 수 있다. 그리고 현장 유도전동기에서 발생하는 저해상도의 열화상 데이터를 고해상도의 열화상 데이터로 변환 후 기계학습하여 유동전동기의 전기적 고장을 예측할 수 있다.According to the system for predicting and diagnosing mechanical and electrical failures through motor noise and thermal distribution analysis according to the present invention, by using a genetic algorithm, filter coefficients for the noise characteristics of an on-site induction motor are automatically found, and noise around the induction motor is removed. Mechanical failure of an induction motor can be predicted by machine learning of noise data. In addition, after converting the low-resolution thermal image data generated by the on-site induction motor into high-resolution thermal image data, it is possible to predict electrical failure of the induction motor through machine learning.

전형적인 소음 제거 필터는 평탄화 현상이 발생하여 고역 또는 저역이 깎여버리는 문제가 있는데, 본 발명은 이를 해결하기 위해 시운전 시 유도전동기의 소음 특성이 나오는 고역 및 저역 필터의 3-Tab 계수 중 하나를 유전 알고리즘으로 찾아내어 자동설정하고 정상동작 시에도 주변 소음이 바뀌면 거기에 따라 고역 및 저역 필터의 3-Tab 계수를 자동으로 설정변경함으로써 적응형 필터를 구현할 수가 있다.A typical noise elimination filter has a problem in which a high or low pass is cut off due to a flattening phenomenon. It is possible to implement an adaptive filter by detecting and automatically setting it, and automatically changing the 3-Tab coefficients of the high-pass and low-pass filters according to changes in ambient noise even during normal operation.

도 1은 본 발명에 따른 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템의 블록도
도 2는 본 발명에 따른 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템에서 기계적 고장을 예측하는 방법을 나타낸 순서도
도 3은 본 발명에 따른 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템에서 사용되는 3-Tap 필터 계수
도 4는 도 2의 3-Tap 필터 계수들의 주파수 응답 곡선
도 5는 본 발명에 따른 시스템에서 감지되는 아웃라이어 데이터의 예시도
도 6은 본 발명에 따른 시스템에서 이상징후 데이터를 구별하는 예시도
도 7은 본 발명에 따라 유사한 장치들로부터 수집된 데이터를 활용하여 유사학습모델을 생성한 후 전이하여 지도학습모델에서 사용하는 모습을 나타낸 개념도
도 8은 본 발명에 따른 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템에서 전기적 고장을 예측하는 방법을 나타낸 순서도
도 9는 본 발명에 따른 시스템에서 저해상도 이미지를 개선한 고해상도 이미지의 예시도
1 is a block diagram of a system for predicting and diagnosing mechanical and electrical failures through motor noise and thermal distribution analysis according to the present invention.
Figure 2 is a flow chart showing a method for predicting mechanical failure in the mechanical and electrical failure prediction and diagnosis system through motor noise and thermal distribution analysis according to the present invention
3 is a 3-Tap filter coefficient used in the system for predicting and diagnosing mechanical and electrical failures through motor noise and thermal distribution analysis according to the present invention
4 is a frequency response curve of the 3-Tap filter coefficients of FIG. 2
5 is an exemplary diagram of outlier data detected by the system according to the present invention;
6 is an exemplary diagram for distinguishing abnormal symptom data in the system according to the present invention.
7 is a conceptual diagram showing how a similar learning model is created using data collected from similar devices according to the present invention and then transferred and used in a supervised learning model.
8 is a flowchart showing a method for predicting electrical failure in the system for predicting and diagnosing mechanical and electrical failures through motor noise and thermal distribution analysis according to the present invention.
9 is an exemplary view of a high-resolution image obtained by improving a low-resolution image in a system according to the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will become clear with reference to the detailed embodiments described later in conjunction with the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various different forms.

본 명세서에서 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.This embodiment in this specification is provided to complete the disclosure of the present invention, and to completely inform those skilled in the art of the scope of the invention to which the present invention belongs.

그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.And the invention is only defined by the scope of the claims.

따라서, 몇몇 실시 예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.Thus, in some embodiments, well-known components, well-known operations and well-known techniques have not been described in detail in order to avoid obscuring the interpretation of the present invention.

또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시 예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.In addition, like reference numerals designate like components throughout the specification, and terms used (referred to) in this specification are for describing embodiments and are not intended to limit the present invention.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated in the phrase, and components and operations referred to as 'comprising (or including)' do not exclude the presence or addition of one or more other components and operations. .

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used in a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.

또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.In addition, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless they are defined.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1, 2 및 8을 참조하면, 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템(100)은 현장의 모터(M)로부터 입력되는 소음 데이터를 이용하여 기계적 고장을 진단 및 예측하고, 현장 모터의 열 이미지를 이용하여 전기적 고장을 예측한다. 여기서 현장의 모터는 빌딩, 계장시스템 등 다양한 환경에서 사용되는 것을 포함한다.1, 2 and 8, the mechanical and electrical failure prediction and diagnosis system 100 through motor noise and thermal distribution analysis diagnoses and predicts mechanical failures using noise data input from the motor M in the field, Predict electrical failures using thermal images of on-site motors. Here, on-site motors include those used in various environments such as buildings and instrumentation systems.

본 발명에 따른 기계 및 전기적 고장 예측 진단 시스템(100)은 현장의 모터에서 수집되는 소음 데이터가 부족한 문제를 해결하기 위해 시범 운영기간(t0)과 시범 운영기간 종료 후 정상 운영기간(t1) 동안 수집되는 소음 데이터에 대한 처리 및 학습 방법을 달리 적용하여 빅데이터를 확보하고, 이를 이용하여 모터의 소음 이상감지 성능을 향상시킬 수 있다. The mechanical and electrical failure prediction diagnosis system 100 according to the present invention is collected during a trial operation period (t0) and a normal operation period (t1) after the end of the trial operation period in order to solve the problem of insufficient noise data collected from motors in the field. It is possible to secure big data by applying different processing and learning methods for the noise data to be used, and to improve the noise anomaly detection performance of the motor.

본 발명에 따른 기계 및 전기적 고장 예측 진단 시스템(100)은 데이터 수집부(110), 필터 계수 검색부(130), 적응형 필터부(140), 기계적 고장 예측부(150), 열 데이터 수집부(200), 열 데이터 변환부(210), 열분포 이미지 저장부(220) 및 전기적 고장 예측부(230)를 포함하며, 데이터 증폭부(120), 유사 데이터 저장부(160), 학습모델 전이부(170), 유사 장치 검색부(180) 및 판별 데이터 증분 학습부(190)를 더 포함할 수 있다.The mechanical and electrical failure prediction and diagnosis system 100 according to the present invention includes a data collection unit 110, a filter coefficient search unit 130, an adaptive filter unit 140, a mechanical failure prediction unit 150, and a thermal data collection unit. 200, thermal data conversion unit 210, thermal distribution image storage unit 220 and electrical failure prediction unit 230, including data amplification unit 120, similar data storage unit 160, learning model transfer unit 170, a similar device search unit 180, and a discrimination data incremental learning unit 190 may be further included.

데이터 수집부(110)는 시범 운영기간(t0)과 시범 운영기간 종료 후 정상 운영기간(t1) 동안 현장의 모터(M)로부터 입력되는 소음 데이터를 수집한다. 시범 운영기간(t0)은 2~3주 정도가 될 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않으며, 정상 운영기간(t1)은 시범 운영기간(t0) 종료 후 실제 현장 모터의 가동을 통해 계속적으로 소음 데이터가 측정되어 수집되는 기간을 말한다.The data collection unit 110 collects noise data input from the motor M in the field during the trial operation period t0 and the normal operation period t1 after the trial operation period ends. The trial operation period (t0) may be about 2 to 3 weeks, but is not necessarily limited thereto, and the normal operation period (t1) is continuously measuring noise data through the operation of the actual on-site motor after the trial operation period (t0) is over. refers to the period during which it is collected.

시범 운영기간(t0)에 데이터 수집부(110)를 통해 현장의 모터(M)로부터 소음 데이터가 입력되면(S110), 데이터 증폭부(120)는 시범 운영기간(t0) 동안 입력되는 소음 데이터를 증폭시킨다(S120).When noise data is input from the motor M in the field through the data collection unit 110 during the trial operation period t0 (S110), the data amplification unit 120 converts the input noise data during the trial operation period t0. Amplify (S120).

데이터 증폭부(120)는 시범 운영기간(t0)이 대체로 단기간이므로 이 시기에 수집되는 데이터 양이 소규모이기 때문에 빅데이터 기법 기반의 이상징후 감지를 위해 수집된 데이터를 증폭시킨다.The data amplification unit 120 amplifies the collected data to detect anomalies based on the big data technique because the trial operation period t0 is generally short and the amount of data collected during this period is small.

본 발명에서 대상으로 하는 소음 데이터의 경우 주로 정상 데이터만으로 구성되는 단일 클래스인 상황을 고려할 때, VAE(Variational Auto Encoder) 알고리즘을 이용하여 수집된 소음 데이터를 증폭한다.In the case of noise data targeted in the present invention, considering a situation in which a single class mainly consists of only normal data, the collected noise data is amplified using a Variational Auto Encoder (VAE) algorithm.

VAE(Variational Auto Encoder)는 입력을 출력으로 복사하는 오토인코더(Auto encoder)의 한 종류로서 평균과 표준편차를 활용하여 잠재공간(latent space)에서 랜덤하게 입력 코드값을 샘플링하고 다시 디코딩(decoding)함으로써, 데이터 유사 복제를 통한 증폭 기능을 수행한다.VAE (Variational Auto Encoder) is a type of auto encoder that copies input to output, and uses average and standard deviation to randomly sample input code values in the latent space and decode them again. By doing so, it performs an amplification function through data-like replication.

필터 계수 검색부(130)는 현장 모터의 소음 특성이 나오는 필터 계수를 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm)을 이용하여 자동으로 검색한다(S130).The filter coefficient search unit 130 automatically retrieves filter coefficients from noise characteristics of the field motor using a genetic algorithm (S130).

유전자 알고리즘(GA)은 1975년 존 홀랜드(John Holland)가 교차, 돌연 변이, 적자생존 등의 자연적 진화 현상을 모방하여 제안한 알고리즘으로, 염색체로 표현되는 해의 집단을 대상으로 탐색을 수행하며 최적화나 기계학습 등에 널리 사용된다. 이 알고리즘에 있어서, 염색체는 주어진 문제를 해결하는 개체(본 발명에서는 소음 제거 필터 조합에 해당함)를 의미하는데, 적합도 함수를 통해 얼마나 적절한지를 평가받는다. 이 알고리즘의 기본 동작과정은 집단을 구성하는 모든 개체의 적합도를 평가한 후에 새로운 개체를 생성하기 위해 원하는 해가 발견될 때까지 선택, 교차와 돌연변이 등의 유전자 연산을 반복한다.Genetic Algorithm (GA) is an algorithm proposed by John Holland in 1975 by imitating natural evolutionary phenomena such as crossover, mutation, and survival of the fittest. It is widely used in machine learning, etc. In this algorithm, a chromosome means an individual (corresponding to a noise reduction filter combination in the present invention) that solves a given problem, and its suitability is evaluated through a fitness function. The basic operating process of this algorithm is to repeat genetic operations such as selection, crossover, and mutation until a desired solution is found to create a new individual after evaluating the suitability of all individuals constituting the group.

적응형 필터부(140)는 필터 계수 검색부(130)가 자동으로 찾아낸 필터 계수를 적용하여 데이터 증폭부(120)가 증폭한 소음 데이터에서 주변 소음을 제거한다(S140).The adaptive filter unit 140 removes ambient noise from the noise data amplified by the data amplification unit 120 by applying the filter coefficient automatically found by the filter coefficient search unit 130 (S140).

기계적 고장 예측부(150)는 적응형 필터부(140)를 통해 주변 소음이 제거된 소음 데이터를 제1 기계학습엔진에 적용하여 정상 데이터인지, 비정상 데이터인지 판별하여 현장 모터의 기계적인 고장을 예측한다. 구체적으로, 기계적 고장 예측부(150)는 시범 운영기간 이상징후 감지부(151)와 정상 운영기간 이상징후 예측부(152)를 포함한다. 시범 운영기간 이상징후 감지부(151)는 적응형 필터부(140)가 필터 계수를 적용하여 주변 소음을 제거한 소음 데이터에 대해 비지도학습(Unsupervised Learning) 기반의 알고리즘을 적용하여 이상 징후를 탐지하고(S150), 이를 통해 해당 데이터가 정상 데이터인지, 비정상 데이터인지를 판별한다(S180).The mechanical failure prediction unit 150 applies the noise data from which ambient noise has been removed through the adaptive filter unit 140 to the first machine learning engine to determine whether it is normal data or abnormal data to predict mechanical failure of the on-site motor. do. Specifically, the mechanical failure predictor 150 includes a test operation period anomaly detection unit 151 and a normal operation period anomaly symptom prediction unit 152 . During the pilot operation period, the anomaly detection unit 151 detects anomalies by applying an unsupervised learning-based algorithm to the noise data from which the adaptive filter unit 140 applies filter coefficients to remove ambient noise. (S150), it is determined whether the corresponding data is normal data or abnormal data (S180).

도 5를 참고하면, 비정상 데이터는 아웃라이어(outlier)와 같은 데이터를 의미한다. 좌측은 전역적으로 아웃라이어인 경우를 보여주고 있으며, 우측은 지역적으로 아웃라이어인 경우를 보여주고 있다. 오류 데이터(noisy data)는 전처리 과정에서 제거되어야 할 데이터이므로 아웃라이어와 같은 이상치와는 다른 데이터이다.Referring to FIG. 5 , abnormal data means data such as outliers. The left side shows the case of globally outliers, and the right side shows the case of regional outliers. Noise data is data to be removed in the preprocessing process, so it is different from outliers such as outliers.

도 6을 참고하면, 이상징후 데이터의 예를 나타내며, 좌측에서부터 막대상자 그래프(box plot), 히스토그램(histogram), 산포 그래프(scatter plot)에서 보여지는 바와 같이 정상군에 속한 데이터와 많이 떨어져 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, an example of abnormal symptom data is shown, and as shown in a box plot, a histogram, and a scatter plot from the left, it is far from the data belonging to the normal group. Able to know.

정상 운영기간 이상징후 예측부(152)는 시범 운영기간 이상징후 감지부(151)에서 정상 또는 비정상으로 판별된 데이터를 전달 받아 지도학습(Supervised Learning) 기반의 알고리즘에 적용하여 학습시키고(S170), 데이터 수집부(110)에서 정상 운영기간(t1) 동안 수집된 데이터를 상기 학습된 지도학습 기반의 알고리즘에 적용하여(S170) 정상 데이터인지, 비정상 데이터인지를 판별한다(S180).The normal operating period anomaly prediction unit 152 receives the data determined as normal or abnormal from the anomaly symptom detection unit 151 during the trial operation period and applies it to a supervised learning-based algorithm for learning (S170), The data collected during the normal operating period (t1) in the data collection unit 110 is applied to the learned supervised learning-based algorithm (S170) to determine whether it is normal data or abnormal data (S180).

만약, 정상 운영기간(t1) 동안 여러가지 이유로 현장의 모터가 운휴, 정지, 중지 상황에 해당하여 계속적으로 입력되어야 할 소음 데이터가 존재하지 않는 경우(S160) 모터의 소음 이상감지 프로세스를 종료한다.If, for various reasons during the normal operating period (t1), if the noise data to be continuously input does not exist because the motor in the field is idle, stopped, or stopped (S160), the noise anomaly detection process of the motor is terminated.

필터 계수 검색부(130)는 복수 개의 초기 필터 계수를 저장하는 초기 필터 저장부(131)와 유전자 알고리즘을 이용하여 초기 필터 계수로부터 생성된 새로운 필터 계수를 저장하는 필터 조합 생성부(132)를 포함한다.The filter coefficient search unit 130 includes an initial filter storage unit 131 that stores a plurality of initial filter coefficients and a filter combination generation unit 132 that stores new filter coefficients generated from the initial filter coefficients using a genetic algorithm. do.

유전자 알고리즘(GA)은 초기 필터 저장부(131)에 저장된 초기 필터 계수에 대해 정지 조건을 만족할 때까지 선택(Selection), 교차(Crossover), 돌연변이 연산(Mutation)을 반복하여 수행한 후 새로운 복수 개의 필터 계수를 생성하고, 필터 조합 생성부(132)에 저장한다. 도 3의 필터 계수(Filter Coefficient)는 필터 조합 생성부(132)에 저장된 복수 개의 필터 계수를 나타낸다. 초기 필터 계수는 사용자에 의해 지정된다. 사용자는 LPF 또는 HPF를 지정하거나, LPF와 HPF를 모두 지정할 수도 있다. 사용자가 지정한 복수 개(n 개)의 필터 계수를 이용하여 선택, 교차, 돌연변이 연산을 반복 수행하여 정지조건을 만족하는 복수 개(k 개)의 필터 계수를 생성한다. 생성된 k 개의 필터 계수 중 가장 좋은 해를 답으로 선택한다. 도 3은 정지조건을 만족하는 k = 7개의 필터 계수가 생성된 예이다.The genetic algorithm (GA) repeatedly performs selection, crossover, and mutation operations until the stop condition is satisfied for the initial filter coefficients stored in the initial filter storage unit 131, and then a plurality of new Filter coefficients are generated and stored in the filter combination generating unit 132 . The filter coefficients of FIG. 3 represent a plurality of filter coefficients stored in the filter combination generating unit 132 . Initial filter coefficients are specified by the user. Users can specify LPF or HPF, or both LPF and HPF. Selection, intersection, and mutation operations are repeatedly performed using a plurality of (n) filter coefficients designated by the user to generate a plurality of (k) filter coefficients that satisfy the stopping condition. The best solution among the generated k filter coefficients is selected as the answer. 3 is an example in which k = 7 filter coefficients satisfying the stop condition are generated.

여기서 정지 조건은 필터 시뮬레이션 수식에 선택, 교차, 돌연변이를 통해 얻어진 새로운 필터 계수를 적용하여 정상 신호와 유사한 주파수 응답 특성을 나타내는 필터 계수를 확인하는 것을 말한다.Here, the stopping condition refers to checking filter coefficients exhibiting frequency response characteristics similar to those of a normal signal by applying new filter coefficients obtained through selection, crossing, and mutation to the filter simulation formula.

아래의 수식 1은 필터 시뮬레이션 수식에 도 3의 필터 계수 [1 2 1]과 [-1 2 -1]을 적용한 예이다.Equation 1 below is an example in which the filter coefficients [1 2 1] and [-1 2 -1] of FIG. 3 are applied to the filter simulation equation.

[수식 1][Formula 1]

Figure 112021081273299-pat00001
Figure 112021081273299-pat00001

이를 시뮬레이션하면 도 4와 같은 주파수 응답 특성을 확인할 수 있다.By simulating this, frequency response characteristics as shown in FIG. 4 can be confirmed.

도 4는 3-Tap 필터 계수들의 주파수 응답 곡선을 나타낸 것이다. 도 4의 (a)는 LPF의 주파수 응답 곡선을 나타낸 것이며, (b)는 HPF의 주파수 응답 곡선을 나타낸 것이다.4 shows frequency response curves of 3-Tap filter coefficients. Figure 4 (a) shows the frequency response curve of the LPF, (b) shows the frequency response curve of the HPF.

필터 계수 검색부(130)는 필터 조합 생성부(132)에 저장된 복수 개의 LPF(Low Pass Filter)와 HPF(High Pass Filter)를 필터 시뮬레이션 수식에 적용하여 주파수 응답 곡선을 시뮬레이션 한 결과, 정상 신호와 가장 유사한 결과를 나타내는 LPF와 HPF를 자동으로 검색한다.The filter coefficient search unit 130 applies a plurality of LPFs (Low Pass Filters) and HPFs (High Pass Filters) stored in the filter combination generator 132 to the filter simulation formula to simulate the frequency response curve. As a result, the normal signal and The LPF and HPF with the most similar results are automatically searched.

본 발명에 따르면 필터 계수 검색부(130)는 필터 조합 생성부(132)에 저장된 7 개의 LPF와 HPF를 상기의 필터 시뮬레이션 수식 1에 적용하여 도 4와 같이 주파수 응답 곡선을 시뮬레이션 한 결과 기존 LPF의 필터 계수인 [1 1]과 본 발명에 의해 생성된 필터 계수들 중 [1 2 1] 필터 계수의 주파수 응답 곡선이 가장 유사함을 알 수 있다. HPF 역시 [-1 1]의 필터 계수와 [-1 2 -1]의 필터 계수의 주파수 응답 곡선이 가장 유사함을 알 수 있다.According to the present invention, the filter coefficient search unit 130 applies the 7 LPFs and HPFs stored in the filter combination generator 132 to the filter simulation Equation 1 to simulate the frequency response curve as shown in FIG. It can be seen that the frequency response curve of the filter coefficient [1 1] and the [1 2 1] filter coefficient among the filter coefficients generated by the present invention are the most similar. It can be seen that the frequency response curves of the [-1 1] and [-1 2 -1] filter coefficients are most similar to the HPF.

적응형 필터부(140)는 필터 계수 검색부(130)가 상기의 주파수 응답곡선 시뮬레이션을 통해 자동으로 찾아낸 필터 계수(LPF [1 2 1], HPF [-1 2 -1])를 적용하여 데이터 증폭부(120)가 증폭한 소음 데이터에서 주변 소음을 제거한다.The adaptive filter unit 140 applies the filter coefficients (LPF [1 2 1], HPF [-1 2 -1]) automatically found by the filter coefficient search unit 130 through the frequency response curve simulation to data data. Ambient noise is removed from noise data amplified by the amplifier 120 .

구체적으로, 적응형 필터부(140)는 현장의 모터로부터 입력되는 소음 데이터를 필터 계수 검색부(130)가 자동으로 찾아낸 필터 계수 LPF와 HPF가 적용된 상, 하, 좌, 우 방향의 필터 수식에 각각 적용하여 수식 1의 4 개의 결과값(YHPH, YLPH, YHPV, YLPV)을 생성하고, 이를 이용하여 필터링한 4 개의 결과값(fHPH, fLPH, fHPV, fLPV)을 생성한 후 평균값을 구함으로써, 소음 데이터에서 주변 소음을 제거한 최종 결과값을 생성한다. 최종 결과값을 생성하는 수식은 아래의 수식 2와 같다.Specifically, the adaptive filter unit 140 converts the noise data input from the motors in the field into filter equations in the up, down, left, and right directions to which the filter coefficients LPF and HPF automatically found by the filter coefficient search unit 130 are applied. 4 result values (Y HPH, Y LPH, Y HPV, Y LPV ) of Equation 1 are generated by applying each, and the four result values (f HPH, f LPH, f HPV, f LPV ) filtered using this are generated. By obtaining an average value after generation, a final result value obtained by removing ambient noise from the noise data is generated. The formula for generating the final result value is shown in Equation 2 below.

[수식 2][Equation 2]

Figure 112021081273299-pat00002
Figure 112021081273299-pat00002

유사 데이터 저장부(160)는 외부 기관으로부터 수집하여 저장하거나, 인터넷 상에 공개된 유사한 장치들로부터 수집된 데이터를 유사 데이터 DB에 저장한다.The similar data storage unit 160 collects and stores data from external institutions or stores data collected from similar devices published on the Internet in a similar data DB.

도 1 및 2를 참고하면, 유사 데이터 저장부(160)는 유사 도메인(외부 공공 기관 또는 인터넷)으로부터 유사 데이터를 수집하여 유사 데이터 DB에 저장한다.Referring to FIGS. 1 and 2 , the similar data storage unit 160 collects similar data from similar domains (external public institutions or the Internet) and stores them in a similar data DB.

시범 운영기간(t0) 중에 수집된 데이터가 소규모인 상황과 정상 운영기간(t1) 중에도 초반에 학습 데이터의 부족으로 인해 계속 수집되는 데이터의 이상징후 감지 여부 판별이 어려운 상황을 고려하여 인터넷 상에 공개된 유사한 장치들로부터 수집된 데이터를 활용하거나, 외부 공공 기관에서 가지고 있는 유사한 장치들에 관한 데이터를 활용하여 학습 모델을 생성하고 전이하여(transfer learning) 지도학습(Supervised Learning) 분류를 위한 모델로 활용한다(S170).Considering the situation in which the data collected during the pilot operation period (t0) is small and the lack of learning data at the beginning even during the normal operation period (t1), it is difficult to determine whether or not an anomaly is detected in the continuously collected data, and is disclosed on the Internet. Utilizing data collected from similar devices, or data on similar devices possessed by external public institutions, a learning model is created and transferred to be used as a model for supervised learning classification. Do (S170).

본 발명은 현장의 모터(M)로부터 입력되는 소음 데이터를 이용하여 기계적 고장을 진단 및 예측한다. 현장의 모터는 빌딩, 계장시스템 등 다양한 환경에서 사용되는 모터를 말한다.The present invention diagnoses and predicts mechanical failure using noise data input from the motor M in the field. Field motors refer to motors used in various environments such as buildings and instrumentation systems.

상기의 유사한 장치는 빌딩의 경우 공조기, 열교환기, 펌프, 엘리베이터 등의 장치가 해당하고, 계장시스템의 경우 정수장, 가압장, 배수지 등의 장치가 해당한다.The above similar devices correspond to devices such as air conditioners, heat exchangers, pumps, and elevators in the case of buildings, and devices such as water purification plants, pressurization plants, and reservoirs in the case of instrumentation systems.

학습모델 전이부(170)는 상기의 과정을 통해 유사 데이터 DB에 저장된 데이터를 활용하여 유사 학습모델을 생성하고 전이(Transfer Learning)하여 상기 지도학습(Supervised Learning)모델로 사용되도록 한다(S190). 전이학습(Transfer Learning)을 이용하면 유사 도메인으로부터 학습하고 훈련된 모델을 현재의 지도학습에 적용하여 사용할 수가 있다. The learning model transfer unit 170 uses the data stored in the similar data DB through the above process to create a similar learning model, transfer learning, and use it as the supervised learning model (S190). With transfer learning, it is possible to learn from a similar domain and apply the trained model to the current supervised learning.

전이학습의 개념을 간단하게 살펴보면, 규모가 매우 큰 딥러닝 모델을 학습시킬 때 처음부터 새로 학습시키는 경우에 학습 속도가 느린 문제가 발생한다. 이러한 경우 기존에 학습된 비슷한 모델이 있을 때 이 모델의 하위층(lower layer)을 가져와 재사용하는 것이 학습 속도를 빠르게 할 수 있을 뿐만 아니라 학습에 필요한 훈련 셋(Training set)도 훨씬 적다.Looking briefly at the concept of transfer learning, when training a large-scale deep learning model, a slow learning rate occurs when learning from scratch. In this case, when there is a previously trained similar model, importing and reusing the lower layer of this model not only speeds up the learning speed, but also reduces the training set required for learning.

학습모델 전이부(170)는 상기 유사학습모델의 하위층(Lower Layer) 일부분을 전이(Transfer Learning)하여 재사용하도록 하고, 최종 분류기 층(Classifier Layer)은 학습시킴으로써 지도학습(Supervised Learning) 모델을 생성한다.The learning model transfer unit 170 transfers and reuses a portion of the lower layer of the similar learning model, and creates a supervised learning model by learning the final classifier layer. .

도 7을 참고하면, 현장의 모터가 빌딩의 화물용 엘리베이터를 구동하는데 사용된다고 가정할 때, 유사 데이터 DB에 저장된 데이터 중 화물용 엘리베이터에 대한 소음 데이터를 활용하여 유사학습모델을 생성하고, Hidden Layer1과 Hidden Layer2를 전이하여 지도학습모델에서 재사용하도록 하고, 최종 분류기 층인 Hidden Layer3 만을 추가로 학습시킴으로써 지도학습모델을 생성하는 것을 나타내고 있다. Hidden Layer1과 Hidden Layer2는 전이하여 사용하기 때문에 가중치를 고정한다. 만약 유사 데이터 DB에 저장된 데이터 중 화물용 엘리베이터에 대한 소음 데이터가 없는 경우는 가장 유사한 소형화물용 엘리베이터나 승객용 엘리베이터에 대한 소음 데이터를 활용할 수 있다. 현장의 모터가 계장시스템의 정수장을 구동하는데 사용된다고 가정할 때도 유사 데이터 DB에 저장된 데이터 중 정수장에 대한 소음 데이터를 활용하여 유사학습모델을 생성하고 전이하여 지도학습모델에서 재사용되도록 하고, 최종 분류기 층만을 추가로 학습시킴으로써 지도학습모델을 생성한다.Referring to FIG. 7, assuming that a motor in the field is used to drive a freight elevator in a building, a similar learning model is created by using noise data for a freight elevator among data stored in a similar data DB, Hidden Layer 1 and Hidden Layer 2 are transferred to be reused in the supervised learning model, and the supervised learning model is created by additionally learning only the final classifier layer, Hidden Layer 3. Since Hidden Layer 1 and Hidden Layer 2 are used after transition, the weight is fixed. If there is no noise data for freight elevators among the data stored in the similar data DB, noise data for the most similar small freight elevators or passenger elevators may be used. Even assuming that the on-site motor is used to drive the water purification plant of the instrumentation system, a similar learning model is created and transferred by using the noise data for the water purification plant among the data stored in the similar data DB to be reused in the supervised learning model, and only the final classifier layer is used. By additionally learning, a supervised learning model is created.

이와 같이, 전이학습(Transfer Learning)을 함으로써, 처음부터 새롭게 학습하는 경우에 비해 학습의 속도가 빨라지거나 최종 모델의 성능이 높아지는 효과를 가져올 수 있다.In this way, by performing transfer learning, the speed of learning can be increased or the performance of the final model can be improved compared to the case of learning anew from the beginning.

이때, 유사 데이터 저장부(160)는 수집된 데이터를 장치의 종류 및 무게별로 구분하여 유사 데이터 DB에 저장한다. 장치의 종류(빌딩의 공조기, 열교환기, 펌프, 엘리베이터 등의 장치와 계장시스템의 정수장, 가압장, 배수지 등의 장치)와 무게(800kg, 1ton, 1.5ton 등)별로 구분하여 유사 데이터 DB에 저장한다.At this time, the similar data storage unit 160 classifies the collected data according to the type and weight of the device and stores them in the similar data DB. It is classified by type of device (air conditioner, heat exchanger, pump, elevator, etc. of a building, and water purification plant, pressurization plant, reservoir, etc. of instrumentation system) and weight (800kg, 1 ton, 1.5 ton, etc.) and stored in similar data DB. .

학습모델 전이부(170)는 시범 운영기간(t0) 중에 수집된 데이터가 소규모인 상황과 시범 운영기간 종료 후 정상 운영기간(t1) 중에도 초반에 학습 데이터의 부족으로 인해 계속 수집되는 데이터의 이상징후 감지여부 판별이 어려운 상황을 고려하여 상기 현장의 모터(M)와 종류 및 무게가 유사한 장치를 유사 데이터 DB에서 검색하고, 검색된 장치의 데이터를 활용하여 유사학습모델을 생성하고 전이하여 지도학습모델로 사용되도록 한다.The learning model transition unit 170 is a situation where the data collected during the pilot operation period (t0) is small and abnormal symptoms of data that are continuously collected due to the lack of learning data at the beginning even during the normal operation period (t1) after the end of the pilot operation period Considering the situation where it is difficult to determine whether or not detection is detected, a device similar in type and weight to the motor (M) at the site is searched in the similar data DB, and a similar learning model is created and transferred to a supervised learning model using the data of the searched device. let it be used

현장의 모터(M)가 빌딩 공조기에서 사용되는 모터라고 가정하면, 유사 데이터 DB에서 공조기에 대한 소음 데이터를 검색한 다음, 무게가 가장 근사한 데이터를 찾아서 유사학습모델을 생성하고 전이하여 사용할 것이다. 현장의 모터(M)가 계장시스템의 배수지에서 사용되는 모터라고 가정하면, 유사 데이터 DB에서 배수지에 대한 소음 데이터를 검색한 다음, 무게가 가장 근사한 데이터를 찾아서 유사학습모델을 생성하고 전이하여 사용할 것이다.Assuming that the motor (M) at the site is a motor used in a building air conditioner, noise data for the air conditioner is searched in the similar data DB, and then the data with the closest weight is found, a similar learning model is created, and it is transferred and used. Assuming that the motor (M) in the field is a motor used in the reservoir of the instrumentation system, noise data for the reservoir is searched in the similar data DB, and then the data with the closest weight is found, a similar learning model is created, and it is transferred and used. .

유사 장치 검색부(180)는 상기 유사 데이터 DB에서 기 설정된 기준에 따라 비교하여 상기 현장의 모터와 종류 및 무게가 정량적으로 유사한 장치의 데이터를 검색한다. 기 설정된 기준은 다음과 같다. The similar device search unit 180 compares the similar data DB according to a predetermined criterion to search for data of a device quantitatively similar in type and weight to the motor at the site. The preset criteria are as follows.

예를 들어, 현장의 모터가 빌딩의 엘리베이터에서 사용되는 모터라고 하면 유사 데이터 DB에서 엘리베이터에 대한 소음 데이터를 먼저 검색하고, 그 다음 무게를 검색한다. 엘리베이터에 대한 소음 데이터가 있고, 무게가 현장의 모터(M)와 15% 이하로 차이가 나는 경우는 해당 데이터를 선택하여 사용한다. For example, if the motor at the site is a motor used in an elevator in a building, the noise data for the elevator is first searched in the similar data DB, and then the weight is searched. If there is noise data about the elevator and the weight differs by less than 15% from the site motor (M), the data is selected and used.

즉, 모터(M)가 사용되는 장치(엘리베이터, 공조기, 정수장, 배수지 등)의 종류가 유사한 것이 제일 중요하며 장치의 무게가 너무 차이가 나면 유사한 장치의 데이터로 선택하여 사용하기에는 정확도가 떨어지기 때문에 장치의 무게도 중요하게 고려하는 것이다.In other words, it is most important that the type of device (elevator, air conditioner, water purification plant, reservoir, etc.) used by the motor (M) is similar. The weight of the device is also an important consideration.

학습모델 전이부(170)는 유사 장치 검색부(180)에서 검색한 장치의 데이터를 활용하여 유사학습모델을 생성하고 전이하여 지도학습모델로 사용되도록 한다. 이때 유사 장치 검색부(180)는 현장의 모터(M)와 유사 데이터 DB에 저장된 장치의 종류 및 무게에 대한 유사의 정도를 점수화하고, 유사성 점수에 따라 유사학습모델에서 지도학습모델로 전이시키는 Layer의 개수를 다르게 설정할 수 있다. 여기사 유사성 점수는 현장의 모터(M)와 종류 및 무게가 가장 유사한 장치의 점수를 기준으로 할 때를 말한다.The learning model transition unit 170 utilizes device data retrieved by the similar device search unit 180 to generate and transfer a similar learning model to be used as a supervised learning model. At this time, the similar device search unit 180 scores the degree of similarity for the type and weight of the motor M in the field and the device stored in the similar data DB, and converts the similarity learning model to the supervised learning model according to the similarity score. The number of can be set differently. Here, the similarity score is based on the score of the device most similar in kind and weight to the motor M in the field.

예를 들면, 도 7을 참고할 때 유사성 점수가 70점 이상에 해당하는 정도로 유사도가 높은 경우는 Hidden Layer1과 Hidden Layer2를 전이하여 사용하고, 최종 분류기 층인 Hidden Layer3 만을 추가로 학습시킴으로써 지도학습모델을 생성할 수 있으나, 유사성 점수가 60점 정도에 해당하는 경우는 Hidden Layer1만 전이하여 사용하고, Hidden Layer2 및 Hidden Layer3을 추가로 학습시킴으로써 지도학습모델을 생성할 수 있다. 도 7에서 지도학습모델의 Layer가 3개 인 것은 예로 든 것이며 이보다 훨씬 많은 수의 Layer를 가질 수 있고, 유사성 점수에 따라 전이하여 사용하는 Layer의 개수도 달라질 수 있다.For example, referring to FIG. 7, if the similarity is high enough to have a similarity score of 70 points or more, a supervised learning model is generated by transferring and using Hidden Layer 1 and Hidden Layer 2, and additionally learning only Hidden Layer 3, which is the final classifier layer. However, if the similarity score is about 60 points, only Hidden Layer 1 is transferred and used, and a supervised learning model can be created by additionally learning Hidden Layer 2 and Hidden Layer 3. In FIG. 7, the supervised learning model has three layers as an example, and it may have a much larger number of layers than this, and the number of layers to be transferred and used may vary according to the similarity score.

판별 데이터 증분 학습부(190)는 데이터 수집부(110)에서 정상 운영기간(t1) 동안 수집된 데이터를 지도학습 기반의 알고리즘에 적용하여(S170) 정상 데이터인지, 비정상 데이터인지를 판별한 후(S180) 이를 다시 지도학습 기반의 알고리즘에 훈련 데이터로 사용하도록 제공한다. 입력된 데이터가 정상인지, 비정상인지 예측하고 분류가 완료된 정상 데이터, 비정상 데이터를 다시 지도학습모델의 훈련 데이터로 사용하도록 제공함으로써, 학습 데이터의 양적, 질적 강화를 통해 계속 데이터 수집 상황에서 신규 데이터의 판별(또는 예측) 성능을 높일 수가 있다.The discrimination data incremental learning unit 190 applies the data collected during the normal operating period (t1) in the data collection unit 110 to a supervised learning-based algorithm (S170) to determine whether it is normal data or abnormal data ( S180) This is provided again to be used as training data for the supervised learning-based algorithm. By predicting whether the input data is normal or abnormal, and providing the classified normal and abnormal data to be used again as training data for the supervised learning model, quantitative and qualitative reinforcement of the learning data continues to improve the quality of new data in the data collection situation. Discrimination (or prediction) performance can be improved.

도 8 및 9를 참고하여, 전기적 고장을 예측하는 방법을 설명한다.Referring to FIGS. 8 and 9 , a method of predicting an electrical failure will be described.

열 데이터 수집부(200)는 열화상 카메라 또는 열감지 센서를 이용하여 현장의 모터에서 발생하는 열 데이터를 수집한다(S810).The thermal data collection unit 200 collects thermal data generated from a motor in the field using a thermal imaging camera or a thermal sensor (S810).

열 데이터 변환부(210)는 저해상도 열 이미지를 학습하여 고해상도 열 이미지를 예측하는 열분포 이미지 학습엔진을 이용하여 열 데이터 수집부(200)가 수집한 저해상도의 열 데이터를 고해상도의 열 데이터로 변환한다(S820).The thermal data conversion unit 210 converts the low-resolution thermal data collected by the thermal data collection unit 200 into high-resolution thermal data using a thermal distribution image learning engine that learns the low-resolution thermal image and predicts a high-resolution thermal image ( S820).

전기적 고장 예측부(230)는 열 데이터 변환부(210)에서 변환된 고해상도의 열 데이터를 제2 기계학습엔진에 적용하여 정상 데이터인지, 비정상 데이터인지 판별하여 현장 모터의 전기적 고장을 예측한다(S830).The electrical failure prediction unit 230 applies the high-resolution thermal data converted by the thermal data conversion unit 210 to the second machine learning engine to determine whether the data is normal or abnormal, and predicts electrical failure of the on-site motor (S830). ).

열분포 이미지 저장부(220)는 모터 종류, 용량, 설치환경에 따른 다양한 종류의 모터에 대한 열분포 이미지를 열분포 DB에 저장한다.The heat distribution image storage unit 220 stores heat distribution images of various types of motors according to motor types, capacities, and installation environments in a heat distribution DB.

상기의 열분포 이미지 학습엔진은 열분포 DB에 저장된 다양한 열분포 이미지를 학습하고, 열 데이터 변환부(210)는 열 데이터 수집부(200)가 수집한 저해상도 열 이미지를 열분포 이미지 학습엔진에 적용하여 고해상도 이미지를 예측한다.The thermal distribution image learning engine learns various thermal distribution images stored in the thermal distribution DB, and the thermal data conversion unit 210 applies the low-resolution thermal image collected by the thermal data collection unit 200 to the thermal distribution image learning engine to obtain a high-resolution image. predict

저해상도 열화상 센서는 핸드 헬드형에 비해 해상도가 낮아 80x60 정도이다. 가격이 1/10이라 유도전동기 열분포 분석에 적합하다. 단, 정확한 분석을 위해서는 전처리 과정이 필요하다. 본 발명은 고해상도 열화상 카메라로 촬영한 유도전동기 이미지로 학습한 AI를 통해 저해상도 이미지를 고해상도로 바꾸는 기능을 구현한다. 도 9을 참고하면, 열 데이터 변환부(210)가 열분포 이미지 학습엔진을 이용하여 저해상도의 유도전동기 이미지를 고해상도의 이미지로 변환한 예를 보여주고 있다.The low-resolution thermal image sensor has a lower resolution than the handheld type, and is about 80x60. As the price is 1/10, it is suitable for induction motor thermal distribution analysis. However, a preprocessing process is required for accurate analysis. The present invention implements a function of changing a low-resolution image to a high-resolution one through AI learned from an induction motor image captured by a high-resolution thermal imaging camera. Referring to FIG. 9 , an example in which the thermal data conversion unit 210 converts a low-resolution induction motor image into a high-resolution image using a thermal distribution image learning engine is shown.

AI 업스케일링 방식은 딥러닝 모델이 저해상도 이미지를 보고 고해상도 이미지를 예측하는 방식이다. 이를 위해 유사한 유도 전동기의 열분포 이미지를 다양하게 확보하여 AI가 학습하게 만들어야 한다. The AI upscaling method is a method in which a deep learning model predicts a high-resolution image by looking at a low-resolution image. To this end, it is necessary to obtain various thermal distribution images of similar induction motors and make AI learn.

전기적 고장 예측부(230)는 SRCNN을 활용하여 저해상도의 이미지를 고해상도의 이미지로 개선하는 기능을 수행한다. SRCNN(Super-Resolution Convolutional Neural Network)은 보간법인 바이큐빅을 이용해 이미지를 키운 뒤 컨볼루션 신경망을 거쳐 이미지 화질을 개선하는 방식이다.The electrical failure prediction unit 230 performs a function of improving a low-resolution image into a high-resolution image by using SRCNN. SRCNN (Super-Resolution Convolutional Neural Network) is a method of improving image quality through a convolutional neural network after growing an image using bicubic, an interpolation method.

본 발명은 유도전동기 종류/용량/설치위치 각각의 열분포 이미지 데이터베이스를 구축하여 유도전동기 형상 예측 최적화가 가능하도록 적용대상에 따라 다르게 학습하여 속도와 정확도를 높이도록 개선한다.The present invention builds a thermal distribution image database for each induction motor type/capacity/installation position to improve speed and accuracy by learning differently depending on the application target to enable induction motor shape prediction and optimization.

본 발명은 전처리 과정을 거쳐 필터링한 소음 데이터와 열 화상 데이터의 개선한 이미지를 FFT 스펙토그램으로 변환 뒤 기계학습을 통해 유도전동기의 기계적 고장과 전기적 고장을 진단한다.The present invention diagnoses mechanical failure and electrical failure of an induction motor through machine learning after converting the improved image of noise data and thermal image data filtered through a preprocessing process into an FFT spectogram.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments so far, those skilled in the art to which the present invention pertains can implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features, The embodiments are to be understood as illustrative in all respects and not limiting.

그리고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 특정되는 것이며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In addition, the scope of the present invention is specified by the claims to be described later rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts are included in the scope of the present invention. should be interpreted as

100...모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템
110...데이터 수집부
120...데이터 증폭부
130...필터 계수 검색부
131...초기 필터 저장부
132...필터 조합 생성부
140...적응형 필터부
150...기계적 고장 예측부
151...시범 운영기간 이상징후 감지부
152...정상 운영기간 이상징후 감지부
160...유사 데이터 저장부
170...학습모델 전이부
180...유사 장치 검색부
190...판별 데이터 증분 학습부
200...열 데이터 수집부
210...열 데이터 변환부
220...열분포 이미지 저장부
230...전기적 고장 예측부
100...Mechanical and electrical failure prediction and diagnosis system through motor noise and heat distribution analysis
110 ... data collection unit
120 ... data amplification unit
130 ... filter coefficient search unit
131 ... initial filter reservoir
132 ... filter combination generating unit
140 ... adaptive filter unit
150 ... mechanical failure prediction unit
151... Anomaly detection unit during pilot operation period
152 ... normal operating period abnormal symptom detection unit
160 ... similar data storage unit
170 ... learning model transfer part
180 ... similar device search unit
190 Discrimination data incremental learning unit
200 ... thermal data collection unit
210 ... thermal data conversion unit
220 ... thermal distribution image storage unit
230 ... electrical failure prediction unit

Claims (6)

현장의 모터로부터 입력되는 소음 데이터를 수집하는 데이터 수집부;
현장 모터의 소음 특성이 나오는 필터 계수를 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm)을 이용하여 자동으로 검색하는 필터 계수 검색부;
상기 필터 계수 검색부가 자동으로 찾아낸 필터 계수를 적용하여 상기 데이터 수집부가 수집한 소음 데이터에서 주변 소음을 제거하는 적응형 필터부;
상기 적응형 필터부를 통해 주변 소음이 제거된 소음 데이터를 제1 기계학습엔진에 적용하여 정상 데이터인지, 비정상 데이터인지 판별하여 현장 모터의 기계적인 고장을 예측하는 기계적 고장 예측부;
열화상 카메라 또는 열감지 센서를 이용하여 현장의 모터에서 발생하는 열 데이터를 수집하는 열 데이터 수집부;
저해상도 열 이미지를 학습하여 고해상도 열 이미지를 예측하는 열분포 이미지 학습엔진을 이용하여 상기 열 데이터 수집부가 수집한 저해상도의 열 데이터를 고해상도의 열 데이터로 변환하는 열 데이터 변환부; 및
상기 열 데이터 변환부에서 변환된 고해상도의 열 데이터를 제2 기계학습엔진에 적용하여 정상 데이터인지, 비정상 데이터인지 판별하여 현장 모터의 전기적 고장을 예측하는 전기적 고장 예측부;를 포함하되,
상기 적응형 필터부는 현장의 모터로부터 입력되는 소음 데이터를 상기 필터 계수 검색부가 자동으로 찾아낸 필터 계수 LPF와 HPF가 적용된 상, 하, 좌, 우 방향의 필터 수식에 각각 적용하여 4 개의 결과값(YHPH, YLPH, YHPV, YLPV)을 생성하고, 이를 이용하여 필터링한 4 개의 결과값(fHPH, fLPH, fHPV, fLPV)을 생성한 후 평균값을 구함으로써, 소음 데이터에서 주변 소음을 제거한 최종 결과값을 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템.
Data collection unit for collecting noise data input from the motor in the field;
A filter coefficient search unit that automatically searches for filter coefficients from noise characteristics of field motors using a genetic algorithm;
an adaptive filter unit for removing ambient noise from the noise data collected by the data collection unit by applying the filter coefficient automatically found by the filter coefficient search unit;
a mechanical failure prediction unit that predicts a mechanical failure of a field motor by applying the noise data from which ambient noise has been removed through the adaptive filter unit to a first machine learning engine to determine whether the data is normal or abnormal;
a thermal data collection unit that collects thermal data generated from an on-site motor using a thermal imaging camera or a thermal sensor;
a thermal data converter converting the low-resolution thermal data collected by the thermal data collection unit into high-resolution thermal data using a thermal distribution image learning engine that learns a low-resolution thermal image and predicts a high-resolution thermal image; and
An electrical failure prediction unit that applies the high-resolution thermal data converted by the thermal data conversion unit to a second machine learning engine to determine whether it is normal data or abnormal data and predicts an electrical failure of the on-site motor;
The adaptive filter unit applies the noise data input from the motor in the field to the filter equations in the up, down, left, and right directions to which the filter coefficients LPF and HPF automatically found by the filter coefficient search unit are applied, respectively, and obtains four result values (Y HPH, Y LPH, Y HPV, Y LPV ), and using it to create four filtering result values (f HPH, f LPH, f HPV, f LPV ), and then calculating the average value, A system for predicting and diagnosing mechanical and electrical failures through motor noise and heat distribution analysis, characterized in that the final result value is generated by removing the noise.
제1항에 있어서,
복수 개의 초기 필터 계수를 저장하는 초기 필터 저장부; 및
유전자 알고리즘을 이용하여 초기 필터 계수로부터 생성된 새로운 필터 계수를 저장하는 필터 조합 생성부;를 더 포함하고,
상기 유전자 알고리즘은 초기 필터 저장부에 저장된 초기 필터 계수에 대해 정지 조건을 만족할 때까지 선택(Selection), 교차(Crossover), 돌연변이 연산(Mutation)을 반복하여 수행한 후 새로운 복수 개의 필터 계수를 생성하고, 필터 조합 생성부에 저장하는 것을 특징으로 하는 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템.
According to claim 1,
an initial filter storage unit that stores a plurality of initial filter coefficients; and
Further comprising a filter combination generation unit for storing new filter coefficients generated from initial filter coefficients using a genetic algorithm;
The genetic algorithm repeatedly performs selection, crossover, and mutation operations on the initial filter coefficients stored in the initial filter storage until a stop condition is satisfied, and then generates a plurality of new filter coefficients, , Mechanical and electrical failure prediction and diagnosis system through motor noise and heat distribution analysis, characterized in that stored in the filter combination generation unit.
제2항에 있어서,
상기 정지 조건은 필터 시뮬레이션 수식에 선택, 교차, 돌연변이를 통해 얻어진 새로운 필터 계수를 적용하여 정상 신호와 유사한 주파수 응답 특성을 나타내는 필터 계수를 확인하는 조건인 것을 특징으로 하는 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템.
According to claim 2,
The stop condition is a condition for confirming a filter coefficient exhibiting a frequency response characteristic similar to that of a normal signal by applying a new filter coefficient obtained through selection, crossover, and mutation to the filter simulation formula. and an electrical failure prediction and diagnosis system.
제3에 있어서,
상기 필터 계수 검색부는 필터 조합 생성부에 저장된 복수 개의 LPF(Low Pass Filter)와 HPF(High Pass Filter)를 필터 시뮬레이션 수식에 적용하여 주파수 응답 곡선을 시뮬레이션 한 결과, 정상 신호와 가장 유사한 결과를 나타내는 LPF와 HPF를 자동으로 검색하는 것을 특징으로 하는 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템.
In the third,
The filter coefficient search unit simulates a frequency response curve by applying a plurality of LPFs (Low Pass Filters) and HPFs (High Pass Filters) stored in the filter combination generation unit to a filter simulation formula, and as a result, an LPF showing a result most similar to a normal signal A system for predicting and diagnosing mechanical and electrical failures through motor noise and heat distribution analysis, characterized by automatically searching for and HPF.
삭제delete 제1에 있어서,
모터 종류, 용량, 설치환경에 따른 다양한 종류의 모터에 대한 열분포 이미지를 열분포 DB에 저장하는 열분포 이미지 저장부;를 더 포함하고,
상기 열분포 이미지 학습엔진은 열분포 DB에 저장된 다양한 열분포 이미지를 학습하고, 열 데이터 변환부는 열 데이터 수집부가 수집한 저해상도 열 이미지를 열분포 이미지 학습엔진에 적용하여 고해상도 이미지를 예측하는 것을 특징으로 하는 모터 소음과 열분포 분석을 통한 기계 및 전기적 고장 예측진단 시스템.
In the first
A heat distribution image storage unit for storing heat distribution images of various types of motors according to motor types, capacities, and installation environments in a heat distribution DB;
The thermal distribution image learning engine learns various thermal distribution images stored in a thermal distribution DB, and the thermal data converter applies the low-resolution thermal image collected by the thermal data collection unit to the thermal distribution image learning engine to predict a high-resolution image. Mechanical and electrical failure prediction and diagnosis system through thermal distribution analysis.
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