KR102603642B1 - Fault diagnosis method of fuel cell system and digital twin device performing the same - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템의 고장 진단 방법 및 이를 수행하는 디지털 트윈 장치가 개시된다. 연료전지 시스템의 고장 진단 방법은, 연료전지 시스템에 대하여 디지털 트윈 데이터를 수집하여 미리 설정된 클라우드에 저장하는 단계, 디지털 트윈 데이터를 학습 데이터로 하여 학습을 수행한 후, 연료전지 시스템의 물리적 센서에 대응하는 가상센서의 가상센서 데이터를 산출하여 디지털 트윈 모델을 생성하는 단계, 연료전지 시스템으로부터 물리적 센서 데이터를 획득하는 단계, 획득된 물리적 센서 데이터와 산출된 가상센서 데이터의 잔차(Residual)를 계산하여 잔차 데이터를 생성하는 단계, 생성된 잔차 데이터를 학습 데이터로 하여 학습을 수행한 후, 잔차 데이터를 분류하여 고장 분류를 수행하는 단계 및 고장 분류의 수행에 따라 연료전지 시스템에 대하여 내결함성 제어(Fault tolerant control)를 수행하는 단계를 포함한다.A method for diagnosing failures in a fuel cell system and a digital twin device for performing the same are disclosed. The failure diagnosis method of the fuel cell system includes collecting digital twin data for the fuel cell system and storing it in a preset cloud, performing learning using the digital twin data as learning data, and then responding to the physical sensor of the fuel cell system. Step of generating a digital twin model by calculating virtual sensor data of the virtual sensor, Obtaining physical sensor data from the fuel cell system, Calculating the residual of the acquired physical sensor data and the calculated virtual sensor data A step of generating data, performing learning using the generated residual data as learning data, then classifying the residual data to perform fault classification, and performing fault tolerant control for the fuel cell system according to the performance of fault classification. ) includes the step of performing.

Description

연료전지 시스템의 고장 진단 방법 및 이를 수행하는 디지털 트윈 장치{Fault diagnosis method of fuel cell system and digital twin device performing the same}Fault diagnosis method of fuel cell system and digital twin device performing the same}

본 발명은 연료전지 시스템의 고장 진단 방법 및 이를 수행하는 디지털 트윈 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for diagnosing failures in a fuel cell system and a digital twin device that performs the same.

양성자 교환막 연료전지(PEMFC: Proton exchange membrane fuel cells)는 친환경성, 높은 전력 밀도 및 낮은 유지보수 요구사항으로 인하여, 최근 몇 년 동안 점점 더 관심을 받아왔다. 그럼에도 불구하고, 동적 로딩 프로세스(dynamic loading process)에는 안전하지 않은 경우에도 성능에 영향을 줄 수 있는 문제와 결함이 존재한다. 게다가, PEMFC의 고장 검출 및 분리(FDI: Fault Detection and Isolation)를 포함하는 고장 진단은 PEMFC 시스템을 제어하는데 큰 어려움을 야기한다. 전통적인 FDI 시스템은 데이터 기반이거나 물리적 모델을 기반으로 한다. 실제 기계에서 예측 유지보수 알고리즘을 학습하는데 필요한 고장 조건을 생성하는 것은 종종 매우 어렵다. 더욱이, 물리적으로 수집된 데이터는 수집 조건과 기록된 특정 요소에 의하여 제한되는 경우가 많다. 시스템의 모델이 수많은 센서과 액추에이터를 통해 실시간 데이터와 연관된 디지털 트윈 형태로 개발될 수 있다는 것은 주목할 만하다.Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) have received increasing attention in recent years due to their environmental friendliness, high power density and low maintenance requirements. Nonetheless, there are issues and flaws in the dynamic loading process that can affect performance even if they are unsafe. Moreover, fault diagnosis, including fault detection and isolation (FDI) of PEMFC, causes great difficulty in controlling the PEMFC system. Traditional FDI systems are data-driven or based on physical models. Generating the failure conditions needed to learn predictive maintenance algorithms on real machines is often very difficult. Furthermore, physically collected data is often limited by collection conditions and the specific elements recorded. It is noteworthy that a model of the system can be developed in the form of a digital twin with associated real-time data through numerous sensors and actuators.

차세대 FDI 시스템으로서, 스마트 제조 기술인 디지털 트윈은, PEMFC가 동작하는 동안 모드 고장을 감지할 뿐만 아니라, 고장을 분리할 수 있다. 이 디지털 트윈과 물리적 플랜트를 비교하면, 중요한 구성 요소의 노후화를 모니터링하고, 초기 단계에서 이상 징후를 감지 및 분리할 수 있다. 기본 물리학은 변칙적 행동의 원인을 분리할 수 있게 하여, 효과적인 자가 치유 또는 특정 하드웨어 유지 관리를 가능하게 할 수 있다.As a next-generation FDI system, digital twin, a smart manufacturing technology, can not only detect mode failures during PEMFC operation, but also isolate faults. By comparing this digital twin with the physical plant, the obsolescence of critical components can be monitored, and anomalies can be detected and isolated at an early stage. The underlying physics can enable isolation of the cause of anomalous behavior, enabling effective self-healing or maintenance of specific hardware.

대한민국등록특허공보 제10-1418180호(2014.07.03)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1418180 (2014.07.03)

본 발명은 연료전지 시스템에 대하여 디지털 트윈(DT: Digital Twin) 데이터를 수집하여 클라우드(Cloud)에 저장하고, 클라우드에 저장된 디지털 트윈 데이터를 이용하여 연료전지 시스템을 모니터링하여 고장을 감지 및 분리하고, 연료전지 시스템에 대하여 내결함성 제어(Fault tolerant control)를 하는 연료전지 시스템의 고장 진단 방법 및 이를 수행하는 디지털 트윈 장치를 제공하기 위한 것이다.The present invention collects digital twin (DT) data for a fuel cell system and stores it in the cloud, and monitors the fuel cell system using the digital twin data stored in the cloud to detect and isolate failures. The purpose is to provide a fault diagnosis method for a fuel cell system that performs fault tolerant control for the fuel cell system and a digital twin device that performs the same.

본 발명의 일 측면에 따르면, 디지털 트윈 장치가 수행하는 연료전지 시스템의 고장 진단 방법이 개시된다.According to one aspect of the present invention, a method for diagnosing a failure of a fuel cell system performed by a digital twin device is disclosed.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 고장 진단 방법은, 상기 연료전지 시스템에 대하여 디지털 트윈 데이터를 수집하여 미리 설정된 클라우드에 저장하는 단계, 상기 디지털 트윈 데이터를 학습 데이터로 하여 학습을 수행한 후, 상기 연료전지 시스템의 물리적 센서에 대응하는 가상센서의 가상센서 데이터를 산출하여 디지털 트윈 모델을 생성하는 단계, 상기 연료전지 시스템으로부터 물리적 센서 데이터를 획득하는 단계, 상기 획득된 물리적 센서 데이터와 상기 산출된 가상센서 데이터의 잔차(Residual)를 계산하여 잔차 데이터를 생성하는 단계, 상기 생성된 잔차 데이터를 학습 데이터로 하여 학습을 수행한 후, 잔차 데이터를 분류하여 고장 분류를 수행하는 단계 및 상기 고장 분류의 수행에 따라 상기 연료전지 시스템에 대하여 내결함성 제어(Fault tolerant control)를 수행하는 단계를 포함한다.A failure diagnosis method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes collecting digital twin data for the fuel cell system and storing it in a preset cloud, performing learning using the digital twin data as learning data, and then performing learning. , generating a digital twin model by calculating virtual sensor data of a virtual sensor corresponding to a physical sensor of the fuel cell system, acquiring physical sensor data from the fuel cell system, the obtained physical sensor data and the calculation Calculating the residual of the virtual sensor data to generate residual data, performing learning using the generated residual data as learning data, classifying the residual data to perform failure classification, and classifying the failure. It includes performing fault tolerant control on the fuel cell system according to the performance of.

상기 디지털 트윈 데이터는, 상기 연료전지 시스템의 각 구성에 설치된 각종 센서로부터 출력되는 센서 데이터 및 상기 센서 데이터에 따른 상기 내결함성 제어를 위하여 상기 연료전지 시스템으로 입력하는 제어입력 데이터를 포함한다.The digital twin data includes sensor data output from various sensors installed in each component of the fuel cell system and control input data input to the fuel cell system for fault tolerance control according to the sensor data.

상기 디지털 트윈 모델을 생성하는 단계는, 상기 디지털 트윈 데이터로부터 제1 다층 퍼셉트론 신경망(MLPNN: Multi-Layer Perceptron Neural Network)을 사용하는 복수의 가상센서를 설정하고, 상기 복수의 가상센서의 출력을 추정하여 상기 가상센서 데이터를 생성하되, 상기 제1 다층 퍼셉트론 신경망은 NBN(Neuron by Neuron) 알고리즘을 이용하여 학습한다.The step of generating the digital twin model involves setting a plurality of virtual sensors using a first multi-layer perceptron neural network (MLPNN) from the digital twin data and estimating the output of the plurality of virtual sensors. The virtual sensor data is generated, and the first multi-layer perceptron neural network is learned using the NBN (Neuron by Neuron) algorithm.

상기 고장 분류를 수행하는 단계는, 상기 잔차 데이터를 학습 데이터로 하여 제2 다층 퍼셉트론 신경망을 생성하고, NBN 알고리즘을 이용하여 상기 생성된 제2 다층 퍼셉트론 신경망을 학습시키고, 상기 학습이 완료되면 상기 제2 다층 퍼셉트론 신경망의 출력 데이터가 미리 설정된 임계치를 초과하는지를 판단하고, 초과하는 경우의 센서가 위치하는 상기 연료전지 시스템의 구성을 고장으로 검출한다.The step of performing the fault classification includes generating a second multi-layer perceptron neural network using the residual data as learning data, training the generated second multi-layer perceptron neural network using the NBN algorithm, and when the learning is completed, the second multi-layer perceptron neural network is trained. 2 It is determined whether the output data of the multi-layer perceptron neural network exceeds a preset threshold, and if it exceeds, the configuration of the fuel cell system where the sensor is located is detected as a failure.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료전지 시스템의 고장을 진단하는 디지털 트윈 장치가 개시된다.According to another aspect of the present invention, a digital twin device for diagnosing a failure of a fuel cell system is disclosed.

본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈 장치는, 명령어를 저장하는 메모리 및 상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되, 상기 명령어는, 상기 연료전지 시스템에 대하여 디지털 트윈 데이터를 수집하여 미리 설정된 클라우드에 저장하는 단계, 상기 디지털 트윈 데이터를 학습 데이터로 하여 학습을 수행한 후, 상기 연료전지 시스템의 물리적 센서에 대응하는 가상센서의 가상센서 데이터를 산출하여 디지털 트윈 모델을 생성하는 단계, 상기 연료전지 시스템으로부터 물리적 센서 데이터를 획득하는 단계, 상기 획득된 물리적 센서 데이터와 상기 산출된 가상센서 데이터의 잔차(Residual)를 계산하여 잔차 데이터를 생성하는 단계, 상기 생성된 잔차 데이터를 학습 데이터로 하여 학습을 수행한 후, 잔차 데이터를 분류하여 고장 분류를 수행하는 단계 및 상기 고장 분류의 수행에 따라 상기 연료전지 시스템에 대하여 내결함성 제어(Fault tolerant control)를 수행하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 고장 진단 방법을 수행한다.The digital twin device according to an embodiment of the present invention includes a memory that stores a command and a processor that executes the command, wherein the command collects digital twin data for the fuel cell system and stores it in a preset cloud. Step, performing learning using the digital twin data as learning data, and then generating a digital twin model by calculating virtual sensor data of a virtual sensor corresponding to a physical sensor of the fuel cell system, Obtaining sensor data, generating residual data by calculating the residual of the acquired physical sensor data and the calculated virtual sensor data, performing learning using the generated residual data as training data. , performing fault diagnosis by classifying residual data, and performing fault tolerant control on the fuel cell system according to the fault classification. .

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 고장 진단 방법 및 이를 수행하는 디지털 트윈 장치는, 연료전지 시스템에 대하여 디지털 트윈(DT: Digital Twin) 데이터를 수집하여 클라우드(Cloud)에 저장하고, 클라우드에 저장된 디지털 트윈 데이터를 이용하여 연료전지 시스템을 모니터링하여 고장을 감지 및 분리하고, 연료전지 시스템에 대하여 내결함성 제어(Fault tolerant control)를 함으로써, 고장의 영향을 처리하여 연료전지 시스템이 정상 동작하게 할 수 있다.The method of diagnosing a failure of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention and the digital twin device that performs the same collect digital twin (DT) data for the fuel cell system, store it in the cloud, and store it in the cloud. By monitoring the fuel cell system using stored digital twin data, detecting and isolating failures, and performing fault tolerant control on the fuel cell system, the effects of the failure can be handled and the fuel cell system operates normally. there is.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈 장치가 구현되는 시스템의 개념을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈 장치가 수행하는 연료전지 시스템의 고장 진단 방법을 나타낸 흐름도.
도 3은 연료전지 시스템의 출력 및 제어 입력을 나타낸 도면.
도 4는 도 2의 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 고장 진단 방법을 개념적으로 나타낸 도면.
도 5는 학습을 이용한 고장 진단 방법의 예를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈 장치의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
1 is a diagram showing the concept of a system in which a digital twin device is implemented according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flowchart showing a failure diagnosis method of a fuel cell system performed by a digital twin device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing the output and control input of the fuel cell system.
FIG. 4 is a diagram conceptually showing a failure diagnosis method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention of FIG. 2.
Figure 5 is a diagram showing an example of a failure diagnosis method using learning.
Figure 6 is a diagram schematically illustrating the configuration of a digital twin device according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.As used herein, singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “consists of” or “comprises” should not be construed as necessarily including all of the various components or steps described in the specification, and some of the components or steps may be included in the specification. It may not be included, or it should be interpreted as including additional components or steps. In addition, terms such as "... unit" and "module" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or as a combination of hardware and software. .

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈 장치가 구현되는 시스템의 개념을 나타낸 도면이다.Figure 1 is a diagram showing the concept of a system in which a digital twin device is implemented according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈 장치가 구현되는 시스템은, 클라우드(Cloud)에 형성되는 가상 계층 및 물리 계층으로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1, a system in which a digital twin device according to an embodiment of the present invention is implemented may be composed of a virtual layer and a physical layer formed in the cloud.

물리 계층의 내결함성 제어기(FTC: Fault Tolerant Controller)는 양성자 교환막 연료전지(PEMFC: Proton exchange membrane fuel cells, 이하 PEMFC라 함) 시스템이 고장 발생으로 파괴될 수 있는 위험을 감소시키도록 설계된다.The Fault Tolerant Controller (FTC) of the physical layer is designed to reduce the risk that the proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) system may be destroyed due to failure.

여기서, PEMFC 시스템은 수소 회로 고장, 공기 압축기 고장 및 전체 전지 고장과 같은 다양한 고장이 발생될 수 있다. 예를 들어, 수소 회로 고장에는 수소의 막힘, 누출 등이 있고, 공기 압축기 고장에는 단락, 과전압 등으로 인한 전기 고장, 크랭크축의 실속으로 인한 기계적 고장, 압축 효과의 감소로 인한 수력학적 고장 등이 있고, 전체 전지 고장에는 건조, 범람 등이 있다. Here, the PEMFC system may experience various failures such as hydrogen circuit failure, air compressor failure, and overall battery failure. For example, hydrogen circuit failures include hydrogen blockage and leakage, and air compressor failures include electrical failures due to short circuits and overvoltages, mechanical failures due to stalling of the crankshaft, and hydraulic failures due to reduced compression effectiveness. , Total battery failures include drying out, flooding, etc.

이때, PEMFC 시스템에서 입출력되는 데이터는 기록되어 클라우드 플랫폼으로 전송된다. 예를 들어, 클라우드 플랫폼에는, 마이크로소프트, 아마존 등과 같은 클라우드 플랫폼 서비스 제공업체가 제공하는 Microsoft Azure 클라우드, AWS(Amazon Web Services) 클라우드 등이 될 수 있다.At this time, data input and output from the PEMFC system is recorded and transmitted to the cloud platform. For example, the cloud platform may be Microsoft Azure cloud, AWS (Amazon Web Services) cloud, etc. provided by cloud platform service providers such as Microsoft, Amazon, etc.

도 1에서, PEMFC 시스템은 고장 진단 대상으로서 예를 든 것일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈 장치는 양성자 교환막 연료전지 시스템 뿐만 아니라 다양한 형태의 연료전지 시스템에 적용될 수 있다. 이하에서는, 발명의 이해와 설명의 편의를 위하여 고장 진단 대상을 연료전지 시스템으로 통칭하여 설명하기로 한다.In Figure 1, the PEMFC system is only an example as a failure diagnosis target and is not limited thereto. In other words, the digital twin device according to an embodiment of the present invention can be applied to various types of fuel cell systems as well as proton exchange membrane fuel cell systems. Hereinafter, for convenience of understanding and explanation of the invention, the failure diagnosis target will be collectively referred to as a fuel cell system.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈 장치가 수행하는 연료전지 시스템의 고장 진단 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 3은 연료전지 시스템의 출력 및 제어 입력을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 2의 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 고장 진단 방법을 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 학습을 이용한 고장 진단 방법의 예를 나타낸 도면이다. 이하, 본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈 장치가 수행하는 연료전지 시스템의 고장 진단 방법에 대하여 도 2을 중심으로 설명하되, 도 3 내지 도 5를 참조하기로 한다.FIG. 2 is a flowchart showing a failure diagnosis method of a fuel cell system performed by a digital twin device according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a diagram showing the output and control input of the fuel cell system, and FIG. 4 is a diagram of FIG. 2. This is a diagram conceptually showing a failure diagnosis method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and Figure 5 is a diagram showing an example of a failure diagnosis method using learning. Hereinafter, a failure diagnosis method of a fuel cell system performed by a digital twin device according to an embodiment of the present invention will be described focusing on FIG. 2, with reference to FIGS. 3 to 5.

S210 단계에서, 디지털 트윈 장치는, 연료전지 시스템에 대하여 디지털 트윈(DT: Digital Twin, 이하 DT라 함) 데이터를 수집하여 미리 설정된 클라우드에 저장한다.In step S210, the digital twin device collects digital twin (DT: hereinafter referred to as DT) data about the fuel cell system and stores it in a preset cloud.

예를 들어, 디지털 트윈 장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 각 구성에 설치된 각종 센서로부터 출력되는 센서 데이터 및 내결함성 제어기(FTC: Fault Tolerant Controller)가 센서 데이터에 따른 내결함성 제어를 위하여 연료전지 시스템으로 입력하는 제어입력 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 클라우드에 전송하여 저장시킬 수 있다. 이와 같은 DT 데이터의 수집은 클라우드에 저장 및 업데이트를 수행하는 사물 인터넷(IoT)에 의하여 이루어질 수 있다.For example, as shown in FIG. 3, the digital twin device uses sensor data output from various sensors installed in each component of the fuel cell system and a fault tolerant controller (FTC) to control fault tolerance according to sensor data. Control input data input to the fuel cell system can be collected, and the collected data can be transmitted to the cloud and stored. Collection of such DT data can be done by the Internet of Things (IoT), which stores and updates in the cloud.

S220 단계에서, 디지털 트윈 장치는, 클라우드에 저장된 DT 데이터를 이용한 학습을 통해 DT 모델을 생성한다.In step S220, the digital twin device creates a DT model through learning using DT data stored in the cloud.

즉, 디지털 트윈 장치는 클라우드에 저장된 DT 데이터를 학습 데이터로 하여 연료전지 시스템의 실제 물리적 센서에 대응하는 복수의 가상센서를 설정하고, 이를 통해 각 가상센서의 출력의 추정을 통해 가상센서 데이터를 산출하여 DT 모델을 생성할 수 있다.In other words, the digital twin device uses DT data stored in the cloud as learning data to set up multiple virtual sensors corresponding to the actual physical sensors of the fuel cell system, and through this, virtual sensor data is calculated by estimating the output of each virtual sensor. You can create a DT model by doing this.

예를 들어, 도 4를 참조하면, 디지털 트윈 장치는 클라우드에 저장된 DT 데이터로부터 다층 퍼셉트론 신경망(MLPNN: Multi-Layer Perceptron Neural Network)을 사용하는 가상센서 k(k=1~N)를 설정하고, 센서 k의 출력을 추정하여 가상센서 데이터를 생성할 수 있다. 다층 퍼셉트론 신경망은 센서 k를 제외한 모든 센서로부터 측정값을 입력으로 받을 수 있다. 다층 퍼셉트론 신경망은 NBN(Neuron by Neuron) 알고리즘을 이용하여 학습될 수 있다. NBN 알고리즘은 널리 사용되는 오류 역전파 학습 알고리즘(error back-propagation training algorithm)과 비교하여 빠르고 효율적으로 학습할 수 있다.For example, referring to Figure 4, the digital twin device sets a virtual sensor k (k = 1 to N) using a Multi-Layer Perceptron Neural Network (MLPNN) from DT data stored in the cloud, Virtual sensor data can be generated by estimating the output of sensor k. A multilayer perceptron neural network can receive measurement values as input from all sensors except sensor k. A multilayer perceptron neural network can be learned using the NBN (Neuron by Neuron) algorithm. The NBN algorithm can learn quickly and efficiently compared to the widely used error back-propagation training algorithm.

S230 단계에서, 디지털 트윈 장치는, 연료전지 시스템으로부터 물리적 센서 데이터를 획득한다.In step S230, the digital twin device acquires physical sensor data from the fuel cell system.

예를 들어, 도 4에서, 고장((f1~fN)이 발생한 물리적 센서 데이터(1~N)가 연료전지 시스템의 물리적 센서의 출력이 될 수 있다.For example, in FIG. 4 , physical sensor data (1 to N ) where a failure ((f 1 to f N ) has occurred may be the output of a physical sensor of the fuel cell system.

S240 단계에서, 디지털 트윈 장치는, 획득된 물리적 센서 데이터와 산출된 가상센서 데이터의 잔차(Residual)를 계산하여 잔차 데이터를 생성한다.In step S240, the digital twin device generates residual data by calculating the residual of the acquired physical sensor data and the calculated virtual sensor data.

즉, 디지털 트윈 장치는 생성된 DT 모델의 가상센서와 실제 연료전지 시스템의 물리적 센서를 이용하여 물리적 센서 데이터와 DT 모델 출력 간의 편차를 계산할 수 있다. 그리고, 디지털 트윈 장치는 잔차 계산을 통해 고장 위치를 조사하여 지적할 수 있다.In other words, the digital twin device can calculate the deviation between physical sensor data and DT model output using the virtual sensor of the generated DT model and the physical sensor of the actual fuel cell system. Additionally, the digital twin device can investigate and point out the location of the fault through residual calculation.

S250 단계에서, 디지털 트윈 장치는, 생성된 잔차 데이터를 분류하여 고장 분류를 수행한다.In step S250, the digital twin device classifies the generated residual data and performs failure classification.

즉, 디지털 트윈 장치는 생성된 잔차 데이터를 학습 데이터로 하여 학습을 수행한 후, 잔차 데이터를 분류하여 고장을 감지하고 감지된 고장을 다른 고장들과 분리할 수 있다.In other words, the digital twin device can perform learning using the generated residual data as learning data, then classify the residual data to detect failures and separate the detected failures from other failures.

예를 들어, 종래에는 DT 모델에 대한 고장 위치 및 수용을 지적하지 않고, 고장 감지에 중점을 두었었다. 본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈 장치는 잔차가 신중하게 선택된 임계치를 초과할 때 고장을 검출할 수 있다. 도 5를 참조하면, 디지털 트윈 장치는 잔차 데이터를 학습 데이터로 하여 다층 퍼셉트론 신경망을 생성하고, NBN 알고리즘을 이용하여 생성된 다층 퍼셉트론 신경망을 학습시키고, 학습이 완료되면 다층 퍼셉트론 신경망의 출력 데이터가 미리 설정된 임계치를 초과하는지를 판단하고, 초과하는 경우 해당 센서가 위치하는 연료전지 시스템의 구성을 고장으로 검출할 수 있다.For example, conventionally, the focus was on fault detection without pointing out fault location and acceptance for the DT model. A digital twin device according to an embodiment of the present invention can detect a failure when the residual exceeds a carefully selected threshold. Referring to FIG. 5, the digital twin device generates a multi-layer perceptron neural network using residual data as learning data, trains the multi-layer perceptron neural network created using the NBN algorithm, and when learning is completed, the output data of the multi-layer perceptron neural network is stored in advance. It is determined whether the set threshold is exceeded, and if it is exceeded, the configuration of the fuel cell system where the sensor is located can be detected as a failure.

고장이 성공적으로 검출된 후, 특정 고장을 다른 고장들과 구별하기 위한 고장 분리 절차가 수행될 수 있다.After a fault is successfully detected, a fault isolation procedure can be performed to distinguish a particular fault from other faults.

예를 들어, i번째 센서가 위치하는 연료전지 시스템의 구성에서 고장이 발생하면, 다층 퍼셉트론 신경망의 i번째 출력이 임계치보다 클 것이다. 단일 잔차 데이터는 고장을 감지하기에 충분하나, 일반적으로 고장 분리를 위해서는 잔차 데이터 세트(잔차 벡터)가 필요하다. 하나의 잔차 집합(잔차 벡터)을 이용하여 하나의 고장을 다른 고장과 구별할 수 있는 경우, 해당 고장을 해당 잔차 집합(잔차 벡터)을 이용하여 분리 가능하다고 말할 수 있다. 잔차 집합(잔차 벡터)을 이용하여 모든 고장을 분리할 수 있다면, 잔차 집합이 필요한 분리 속성을 갖는다고 말할 수 있다. 가상과 실제의 통합을 통해, 실시간 모니터링, 고장 진단 및 유지보수 의사 결정과 같은 서비스가 제공될 수 있다. 그 결과, 연료전지 시스템의 내구성 및 신뢰성이 향상될 수 있다.For example, if a failure occurs in the configuration of the fuel cell system where the ith sensor is located, the ith output of the multilayer perceptron neural network will be greater than the threshold. A single residual data is sufficient to detect a fault, but usually a set of residual data (residual vector) is required for fault isolation. If one failure can be distinguished from another failure using one residual set (residual vector), the failure can be said to be separable using that residual set (residual vector). If all faults can be separated using a set of residuals (residual vector), then the set of residuals can be said to have the necessary separation properties. Through the integration of virtual and physical, services such as real-time monitoring, fault diagnosis and maintenance decision-making can be provided. As a result, the durability and reliability of the fuel cell system can be improved.

S260 단계에서, 디지털 트윈 장치는, 연료전지 시스템의 고장을 검출하고 분리함에 따라 연료전지 시스템에 대하여 내결함성 제어(Fault tolerant control)를 수행한다.In step S260, the digital twin device performs fault tolerant control on the fuel cell system by detecting and isolating a failure of the fuel cell system.

예를 들어, 디지털 트윈 장치는, 도 4에 도시된 바와 같이, 잔차가 임계치 이하로 떨어지도록 연료전지 시스템의 냉각, 수소 공급, 온도 조정, 산소 공급 등을 제어할 수 있다.For example, as shown in FIG. 4, the digital twin device can control cooling, hydrogen supply, temperature adjustment, oxygen supply, etc. of the fuel cell system so that the residual falls below the threshold.

연료전지 시스템의 신뢰성을 향상시키기 위하여, 연료전지 시스템이 어플리케이션의 요구사항을 완료하고 임무를 완료하도록 내결함성 제어 전략이 필요하다. 이 작업에서, 가상에서의 고장 정보는 즉시, 제어 정보로 변환된다. 즉, 내결함성 제어는 연료전지 시스템의 고장 영향을 처리하기 위한 것이다.To improve the reliability of fuel cell systems, a fault-tolerant control strategy is needed to ensure that the fuel cell system fulfills the application requirements and completes its mission. In this work, virtual fault information is immediately converted into control information. In other words, fault tolerance control is intended to deal with the effects of failure in the fuel cell system.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 고장 진단 방법은 고장이나 이상이 있는 경우, 연료전지 시스템의 높은 수준의 정확도 및 신뢰성을 보장할 수 있다. 고장 검출 속도의 응답 시간을 이용한 DT 접근 방식 기반 고장 진단은 상대적으로 빠르고 견고하며 여러 고장을 식별할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 고장 진단 방법은 종래보다 더 활성화된 보다 안정적인 유지보수 전략을 제공할 수 있다.The failure diagnosis method of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention can ensure a high level of accuracy and reliability of the fuel cell system in the event of a failure or abnormality. Fault diagnosis based on DT approach using response time of fault detection speed is relatively fast and robust and can identify multiple faults. Additionally, the failure diagnosis method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention can provide a more active and stable maintenance strategy than the conventional one.

본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈 장치는, 운영절차에 따라 시스템 파라미터를 업데이트할 수 있는 DT 모델을 구축한다. 디지털 트윈 접근 방식의 장점은 주로 가상과 물리적인 것의 통합에 있다. 물리적 및 가상 연료전지 시스템을 일관성 있게 유지한다는 전제조건에서, 생성된 디지털 트윈은 진단을 위하여, 시뮬레이션 데이터, 과거 데이터 및 실제 데이터와 같이 다양한 소스의 신호를 융합할 수 있다. 물론, 지식과 정보가 더 많이 통합될수록 진단이 더 효과적이고 신뢰받을 수 있다. 예측 유지보수 시나리오에서, 디지털 트윈은 데이터를 생성하고 사용가능한 센서 데이터와 결합하여 예측 유지보수 알고리즘을 구축하고 검증하는데 강력한 역할을 할 수 있다. 또한, 디지털 트윈은 시스템의 물리적 이해를 통합하고, 연료전지 시스템의 동적 동작에 대한 설명을 제공할 수 있다. 그리고, AWS 람다와 같은 클라우드에서, 새로운 DT 접근 방식 기반 고장 진단이 개발될 수 있다. 고장이 발생하는 경우, 알림 및 유지보수 결정을 위하여 AWS Simple Notification Service(SNS)를 통해 이메일 또는 사용자 단말로 알람 메시지가 전송될 수 있다. 그리고, 가상 모델과 물리적 개체 간의 실시간 동기화를 유지하여, 환경과의 상호 작용을 고장 검출 및 진단 절차에 통합하므로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 고장 진단 방법은 데이터 기반 방식보다 더 좋을 수 있다.The digital twin device according to an embodiment of the present invention builds a DT model that can update system parameters according to operating procedures. The advantage of the digital twin approach lies mainly in the integration of the virtual and the physical. Under the prerequisite of keeping the physical and virtual fuel cell systems consistent, the created digital twin can fuse signals from various sources, such as simulated data, historical data, and real data, for diagnostic purposes. Of course, the more knowledge and information is integrated, the more effective and reliable the diagnosis. In predictive maintenance scenarios, digital twins can play a powerful role in generating data and combining it with available sensor data to build and validate predictive maintenance algorithms. Additionally, a digital twin can integrate the physical understanding of the system and provide a description of the dynamic behavior of the fuel cell system. And in clouds such as AWS Lambda, fault diagnosis based on new DT approaches can be developed. If a failure occurs, an alarm message can be sent to email or the user terminal through AWS Simple Notification Service (SNS) for notification and maintenance decisions. Additionally, by maintaining real-time synchronization between the virtual model and the physical object and integrating interaction with the environment into the fault detection and diagnosis procedure, the fault diagnosis method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention may be better than a data-based method. You can.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈 장치의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이다.Figure 6 is a diagram schematically illustrating the configuration of a digital twin device according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈 장치는 프로세서(10), 메모리(20), 통신부(30) 및 인터페이스부(40)를 포함한다.Referring to FIG. 6, the digital twin device according to an embodiment of the present invention includes a processor 10, a memory 20, a communication unit 30, and an interface unit 40.

프로세서(10)는 메모리(20)에 저장된 처리 명령어를 실행시키는 CPU 또는 반도체 소자일 수 있다.The processor 10 may be a CPU or a semiconductor device that executes processing instructions stored in the memory 20.

메모리(20)는 다양한 유형의 휘발성 또는 비휘발성 기억 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(20)는 ROM, RAM 등을 포함할 수 있다.Memory 20 may include various types of volatile or non-volatile storage media. For example, memory 20 may include ROM, RAM, etc.

예를 들어, 메모리(20)는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 고장 진단 방법을 수행하는 명령어들을 저장할 수 있다.For example, the memory 20 may store instructions for performing a failure diagnosis method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

통신부(30)는 통신망을 통해 다른 장치들과 데이터를 송수신하기 위한 수단이다.The communication unit 30 is a means for transmitting and receiving data with other devices through a communication network.

인터페이스부(40)는 네트워크에 접속하기 위한 네트워크 인터페이스 및 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다.The interface unit 40 may include a network interface and a user interface for accessing the network.

한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.Meanwhile, the components of the above-described embodiment can be easily understood from a process perspective. In other words, each component can be understood as a separate process. Additionally, the processes of the above-described embodiments can be easily understood from the perspective of the components of the device.

또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 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 실시예들을 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. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Additionally, the technical contents described above may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc., singly or in combination. Program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiments or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -Includes optical media (magneto-optical media) and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, etc. Examples of program instructions include machine language code, such as that produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc. A hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The above-described embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and such modifications, changes, and additions will be possible. should be regarded as falling within the scope of the patent claims below.

10: 프로세서
20: 메모리
30: 통신부
40: 인터페이스부
10: processor
20: memory
30: Department of Communications
40: interface part

Claims (5)

디지털 트윈 장치가 수행하는 연료전지 시스템의 고장 진단 방법에 있어서,
상기 연료전지 시스템에 대하여 디지털 트윈 데이터를 수집하여 미리 설정된 클라우드에 저장하는 단계;
상기 디지털 트윈 데이터를 학습 데이터로 하여 학습을 수행한 후, 상기 연료전지 시스템의 물리적 센서에 대응하는 가상센서의 가상센서 데이터를 산출하여 디지털 트윈 모델을 생성하는 단계;
상기 연료전지 시스템으로부터 물리적 센서 데이터를 획득하는 단계;
상기 획득된 물리적 센서 데이터와 상기 산출된 가상센서 데이터의 잔차(Residual)를 계산하여 잔차 데이터를 생성하는 단계;
상기 생성된 잔차 데이터를 학습 데이터로 하여 학습을 수행한 후, 잔차 데이터를 분류하여 고장 분류를 수행하는 단계; 및
상기 고장 분류의 수행에 따라 상기 연료전지 시스템에 대하여 내결함성 제어(Fault tolerant control)를 수행하는 단계를 포함하되,
상기 디지털 트윈 모델을 생성하는 단계는,
상기 디지털 트윈 데이터로부터 제1 다층 퍼셉트론 신경망(MLPNN: Multi-Layer Perceptron Neural Network)을 사용하는 복수의 가상센서를 설정하고, 상기 복수의 가상센서의 출력을 추정하여 상기 가상센서 데이터를 생성하되,
상기 제1 다층 퍼셉트론 신경망은 NBN(Neuron by Neuron) 알고리즘을 이용하여 학습하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 고장 진단 방법.
In the method of diagnosing a fuel cell system failure performed by a digital twin device,
Collecting digital twin data for the fuel cell system and storing it in a preset cloud;
After performing learning using the digital twin data as learning data, generating a digital twin model by calculating virtual sensor data of a virtual sensor corresponding to a physical sensor of the fuel cell system;
Obtaining physical sensor data from the fuel cell system;
generating residual data by calculating a residual of the acquired physical sensor data and the calculated virtual sensor data;
performing learning using the generated residual data as learning data, and then classifying the residual data to perform failure classification; and
Including performing fault tolerant control on the fuel cell system according to the performance of the fault classification,
The step of creating the digital twin model is,
A plurality of virtual sensors using a first multi-layer perceptron neural network (MLPNN) are set from the digital twin data, and the virtual sensor data is generated by estimating the output of the plurality of virtual sensors,
A fault diagnosis method for a fuel cell system, characterized in that the first multi-layer perceptron neural network is learned using the NBN (Neuron by Neuron) algorithm.
제1항에 있어서,
상기 디지털 트윈 데이터는,
상기 연료전지 시스템의 각 구성에 설치된 각종 센서로부터 출력되는 센서 데이터; 및
상기 센서 데이터에 따른 상기 내결함성 제어를 위하여 상기 연료전지 시스템으로 입력하는 제어입력 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 고장 진단 방법.
According to paragraph 1,
The digital twin data is,
Sensor data output from various sensors installed in each component of the fuel cell system; and
A failure diagnosis method for a fuel cell system, comprising control input data input to the fuel cell system for fault tolerance control according to the sensor data.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 고장 분류를 수행하는 단계는,
상기 잔차 데이터를 학습 데이터로 하여 제2 다층 퍼셉트론 신경망을 생성하고, NBN 알고리즘을 이용하여 상기 생성된 제2 다층 퍼셉트론 신경망을 학습시키고, 상기 학습이 완료되면 상기 제2 다층 퍼셉트론 신경망의 출력 데이터가 미리 설정된 임계치를 초과하는지를 판단하고, 초과하는 경우의 센서가 위치하는 상기 연료전지 시스템의 구성을 고장으로 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 고장 진단 방법.
According to paragraph 1,
The step of performing the fault classification is,
A second multi-layer perceptron neural network is generated using the residual data as learning data, the generated second multi-layer perceptron neural network is trained using the NBN algorithm, and when the learning is completed, the output data of the second multi-layer perceptron neural network is pre-processed. A failure diagnosis method for a fuel cell system, characterized in that it determines whether a set threshold is exceeded and, if it exceeds, detects a failure in the configuration of the fuel cell system where the sensor is located.
연료전지 시스템의 고장을 진단하는 디지털 트윈 장치에 있어서,
명령어를 저장하는 메모리; 및
상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되,
상기 명령어는,
상기 연료전지 시스템에 대하여 디지털 트윈 데이터를 수집하여 미리 설정된 클라우드에 저장하는 단계;
상기 디지털 트윈 데이터를 학습 데이터로 하여 학습을 수행한 후, 상기 연료전지 시스템의 물리적 센서에 대응하는 가상센서의 가상센서 데이터를 산출하여 디지털 트윈 모델을 생성하는 단계;
상기 연료전지 시스템으로부터 물리적 센서 데이터를 획득하는 단계;
상기 획득된 물리적 센서 데이터와 상기 산출된 가상센서 데이터의 잔차(Residual)를 계산하여 잔차 데이터를 생성하는 단계;
상기 생성된 잔차 데이터를 학습 데이터로 하여 학습을 수행한 후, 잔차 데이터를 분류하여 고장 분류를 수행하는 단계; 및
상기 고장 분류의 수행에 따라 상기 연료전지 시스템에 대하여 내결함성 제어(Fault tolerant control)를 수행하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 고장 진단 방법을 수행하고,
상기 디지털 트윈 모델을 생성하는 단계는,
상기 디지털 트윈 데이터로부터 제1 다층 퍼셉트론 신경망(MLPNN: Multi-Layer Perceptron Neural Network)을 사용하는 복수의 가상센서를 설정하고, 상기 복수의 가상센서의 출력을 추정하여 상기 가상센서 데이터를 생성하되,
상기 제1 다층 퍼셉트론 신경망은 NBN(Neuron by Neuron) 알고리즘을 이용하여 학습하는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈 장치.
In the digital twin device for diagnosing failures in the fuel cell system,
Memory for storing instructions; and
Including a processor that executes the instructions,
The command is:
Collecting digital twin data for the fuel cell system and storing it in a preset cloud;
After performing learning using the digital twin data as learning data, generating a digital twin model by calculating virtual sensor data of a virtual sensor corresponding to a physical sensor of the fuel cell system;
Obtaining physical sensor data from the fuel cell system;
generating residual data by calculating a residual of the acquired physical sensor data and the calculated virtual sensor data;
performing learning using the generated residual data as learning data, and then classifying the residual data to perform failure classification; and
Performing a fault diagnosis method for a fuel cell system, including performing fault tolerant control on the fuel cell system according to the performance of the fault classification,
The step of creating the digital twin model is,
A plurality of virtual sensors using a first multi-layer perceptron neural network (MLPNN) are set from the digital twin data, and the virtual sensor data is generated by estimating the output of the plurality of virtual sensors,
A digital twin device characterized in that the first multi-layer perceptron neural network learns using the NBN (Neuron by Neuron) algorithm.
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