KR102618023B1 - Failure prediction diagnosis system and method through pattern analysis according to failure type - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 고장유형에 따른 패턴 분석을 통한 고장 예지 진단 시스템 및 방법은 오일, 가스플랜트 핵심설비 고장유형에 따른 패턴 분석을 통한 고장 예지 진단 시스템을 제공한다. 실시예에서는 고장 예측 진단을 위해 머신 러닝(Machine Learning)과 딥 러닝(Deep Learning)을 사용하여 데이터를 분석하고 기기 상태나 고장을 진단하는 인공신경망 모델을 통해 고장률을 추정하여 고장의 시기를 예측하는 예지 모델을 제안한다. 진단모델에는 지도 학습인 SVM(Support Vector Machine) 기반 진단 모델과 자율 학습인 원 클래스(One-Class) SVM 기반 진단 모델을 사용하여 상태를 진단하거나 고장을 진단할 수 있다.The failure prediction diagnosis system and method through pattern analysis according to the failure type according to the embodiment provides a failure prediction diagnosis system through pattern analysis according to the failure type of oil and gas plant core equipment. In the embodiment, data is analyzed using machine learning and deep learning for failure prediction and diagnosis, and the failure rate is estimated through an artificial neural network model to diagnose device status or failure to predict the time of failure. We propose a foresight model. The diagnosis model can diagnose conditions or faults using a supervised learning SVM (Support Vector Machine)-based diagnosis model and an unsupervised learning One-Class SVM-based diagnosis model.

Description

고장유형에 따른 패턴 분석을 통한 고장 예지 진단 시스템 및 방법{FAILURE PREDICTION DIAGNOSIS SYSTEM AND METHOD THROUGH PATTERN ANALYSIS ACCORDING TO FAILURE TYPE}Failure prediction diagnosis system and method through pattern analysis according to failure type {FAILURE PREDICTION DIAGNOSIS SYSTEM AND METHOD THROUGH PATTERN ANALYSIS ACCORDING TO FAILURE TYPE}

본 개시는 고장 예지 진단 시스템 및 방법에 관한 것으로 구체적으로, 오일, 가스플랜트 핵심설비 고장유형에 따른 패턴 분석을 통한 고장 예지 진단 시스템 및 방법에 관한 것이다. This disclosure relates to a failure prediction diagnosis system and method. Specifically, it relates to a failure prediction diagnosis system and method through pattern analysis according to failure type of oil and gas plant core equipment.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.Unless otherwise indicated herein, the material described in this section is not prior art to the claims of this application, and is not admitted to be prior art by inclusion in this section.

다양한 부품으로 구성되어 있는 시설과 장비들은 운영하는 도중에 문제가 발생하기 시작하면 온도나 압력이 변하거나 진동과 소음이 증가하는 현상이 발생Facilities and equipment composed of various parts may experience changes in temperature or pressure or increase in vibration and noise when problems begin to occur during operation.

된다. 그리고 적절한 조치가 이루어지지 않을 경우 고장으로 인해 결함이나 손상do. and defects or damage due to failure if appropriate measures are not taken.

이 발생하여 가동 중단이나 사고가 발생하며 사회적, 경제적인 손실이 발생된다. 이로 인해 고장이 발생하기 전에 일정한 시간 간격을 두고 정기적인 검사나 부품 교체를 통한 예방 정비를 진행하여 고장을 미연에 방지하고 있지만 불필요한 부품 교체로 인해 비용 손실이 발생되고 갑작스러운 고장을 방지하지 못하는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 신뢰성을 기반으로 고장을 예방하는 RCM(Reliability Centered Maintenance)과 RBM(Risk-Based Maintenance) 연구가 진행되었지만 운영 중에 발생하는 전반적인 상황을 대처하기에는 어려움이 있어 현장 적용에는 한계가 있다.This can lead to shutdowns or accidents, resulting in social and economic losses. As a result, preventive maintenance through regular inspection or replacement of parts is carried out at regular intervals before a breakdown occurs to prevent breakdowns in advance, but the problem is that unnecessary replacement of parts causes cost loss and does not prevent sudden breakdowns. There is. To solve these problems, research on RCM (Reliability Centered Maintenance) and RBM (Risk-Based Maintenance), which prevent failures based on reliability, has been conducted, but field application is limited due to difficulties in coping with overall situations that occur during operation. .

최근 ICT(Information and Communication Technology) 발전으로, 시설과 장비에 다양한 센서들을 부착하여 실시간으로 데이터를 수집하고 분석 기법을 통하여 고장을 진단하고 고장 시기를 예측하는 PHM(Prognostics and Health Management)이 연구되고 있다. PHM은 운영 중인 시설과 장비의 결함이나 성능 저하를 지속적으로 모니터링하여 이상 징후를 진단하고 고장 수준이나 시기를 예지하여 예측 정비를 통해 고장으로 인해 발생하는 손실을 방지하고 유지 보수의 안전성과 가용성을 확보하여 운용 효율성을 향상하는 기술이다. 그리고 예측 정비의 시기를 위해 PHM은 데이터를 확률 통계 기반으로 접근하여 고장이 발생하기 전의 유효 시간인 RUL(Remaining Useful Life)을 측정한다. PHM은 예방정비 보다 보전성과 경제성, 신뢰성, 가용성을 향상할 수 있어 국내에서도 연구를 진행하고 있지만 아직은 미흡한 실정이다.Recently, with the development of ICT (Information and Communication Technology), PHM (Prognostics and Health Management), which collects data in real time by attaching various sensors to facilities and equipment, diagnoses failures, and predicts failure times through analysis techniques, is being studied. . PHM continuously monitors defects or performance degradation of facilities and equipment in operation, diagnoses abnormal signs, predicts the level or timing of failure, prevents losses resulting from breakdown through predictive maintenance, and ensures safety and availability of maintenance. This is a technology that improves operational efficiency. And for the timing of predictive maintenance, PHM approaches data based on probability statistics and measures RUL (Remaining Useful Life), which is the effective time before failure occurs. PHM can improve maintainability, economic efficiency, reliability, and availability over preventive maintenance, so research is being conducted domestically, but it is still insufficient.

1. 한국 특허등록 제10-2419782호 (2022.07.07)1. Korean Patent Registration No. 10-2419782 (2022.07.07) 2. 한국 특허등록 제10-1987365호 (2019.06.03)2. Korean Patent Registration No. 10-1987365 (2019.06.03)

실시예에 따른 고장유형에 따른 패턴 분석을 통한 고장 예지 진단 시스템 및 방법은 오일, 가스플랜트 핵심설비 고장유형에 따른 패턴 분석을 통한 고장 예지 진단 시스템을 제공한다.The failure prediction diagnosis system and method through pattern analysis according to the failure type according to the embodiment provides a failure prediction diagnosis system through pattern analysis according to the failure type of oil and gas plant core equipment.

실시예에서는 고장 예측 진단을 위해 머신 러닝(Machine Learning)과 딥 러닝(Deep Learning)을 사용하여 데이터를 분석하고 기기 상태나 고장을 진단하는 인공신경망 모델을 통해 고장률을 추정하여 고장의 시기를 예측하는 예지 모델을 제안한다. 진단모델에는 지도 학습인 SVM(Support Vector Machine) 기반 진단 모델과 자율 학습인 원 클래스(One-Class) SVM 기반 진단 모델을 사용하여 상태를 진단하거나 고장을 진단할 수 있다.In the embodiment, data is analyzed using machine learning and deep learning for failure prediction and diagnosis, and the failure rate is estimated through an artificial neural network model to diagnose device status or failure to predict the time of failure. We propose a foresight model. The diagnosis model can diagnose conditions or faults using a supervised learning SVM (Support Vector Machine)-based diagnosis model and an unsupervised learning One-Class SVM-based diagnosis model.

실시예에서 제공하는 건전성 예지 모델에는 TTE(Time To Event) 데이터를 비모수적 방법으로 분석하는 MCMC(Markov Chain Monte Carlo) 기반 예지 모델과 모수적 방법으로 데이터를 분석하는 LSTM(Long Short-Term Memory) 기반 예지 모델을 사용하여 시간에 따른 고장률을 추정하고 고장이 발생하기 전의 유효 시간(RUL, Remaining Useful Life)을 측정하여 고장의 시기를 예측할 수 있도록 한다. The health prediction model provided in the embodiment includes a Markov Chain Monte Carlo (MCMC)-based prediction model that analyzes Time To Event (TTE) data in a non-parametric method and a Long Short-Term Memory (LSTM) model that analyzes data in a parametric method. Using a predictive model, the failure rate over time can be estimated and the time of failure can be predicted by measuring the remaining useful life (RUL) before failure occurs.

또한, 실시예에서 제공하는 진단 모델과 건전성 예지 모델은 데이터의 상태에 따라 적합한 모델을 선택하여 적용할 수 있도록 하고, 상태를 진단하거나 고장률을 추정하여 예측 정비의 시기를 결정할 수 있도록 한다In addition, the diagnostic model and health prediction model provided in the embodiment allow the selection and application of an appropriate model according to the state of the data, and the timing of predictive maintenance can be determined by diagnosing the state or estimating the failure rate.

실시예에서는 DNN(Deep Neural Network), CNN(Convolutional Neural Network) RNN(Recurrent Neural Network) 및 BRDNN(Bidirectional Recurrent Deep Neural Network), 베이시안네트워크(Bayesian network) 중 적어도 하나를 포함하는 딥러닝 뉴럴 네트워크를 고장 진단을 위한 트레이닝 데이터 셋으로 학습시켜 고장 예측 모델을 구현한다. In an embodiment, a deep learning neural network including at least one of a Deep Neural Network (DNN), a Convolutional Neural Network (CNN), a Recurrent Neural Network (RNN), a Bidirectional Recurrent Deep Neural Network (BRDNN), and a Bayesian network. A failure prediction model is implemented by learning with a training data set for failure diagnosis.

실시예에 따른 오일, 가스 플랜트 설비 고장 예지 시스템은 오일, 가스 플랜트 내부에 설치되어, 플랜트 설비 구동 정보를 센싱하는 센서; 센서로부터 수집한 플랜트 설비 구동 정보를 공정 모니터링 정보로 취합하여 분석하고, 딥러닝 알고리즘을 통해 분석 결과에 따라 플랜트 설비 건전성을 예측하는 고장 예지 서버; 및 고장 예지 서버로부터 플랜트 설비의 건전성 예측 결과를 수신하는 관리자 단말; 을 포함한다. 바람직하게, 고장 예지 서버; 는 오일, 가스 플랜트 내부에 설치된 센서를 이용하여 공정 모니터링 정보를 실시간으로 수집하는 데이터 수집 모듈; 수집된 공정 모니터링 정보를 분석하여 이상 징후를 감지하는 이상 징후 감지 모듈; 이상징후 감지 결과 및 공정 모니터링 정보를 학습 데이터 셋으로 이용하여 플랜트 설비 고장 예지 모델을 구현하는 딥러닝 모듈; 및 플랜트 설비 고장 예지 모델에 공정 모니터링 정보를 입력하여 오일, 가스 플랜트 설비의 건전성을 예측하는 건전성 예측 모듈; 을 포함한다. The oil and gas plant equipment failure prediction system according to the embodiment includes a sensor installed inside the oil and gas plant to sense plant equipment operation information; A failure prediction server that collects and analyzes plant equipment operation information collected from sensors into process monitoring information and predicts plant equipment health according to the analysis results through a deep learning algorithm; and a manager terminal that receives the health prediction results of plant equipment from the failure prediction server. Includes. Preferably, a failure prediction server; is a data collection module that collects process monitoring information in real time using sensors installed inside the oil and gas plant; An anomaly detection module that detects abnormalities by analyzing collected process monitoring information; A deep learning module that implements a plant equipment failure prediction model using abnormal symptom detection results and process monitoring information as a learning data set; and a health prediction module that predicts the health of oil and gas plant equipment by inputting process monitoring information into a plant equipment failure prediction model; Includes.

실시예에서 고장 예지 서버는 이상진단을 위한, 플랜트 설비 구동 정보를 포함하는 이상진단 데이터를 전처리하여, 고장 예지 모델이 예측한 이상점수와 기준 간의 차이를 바탕으로 태그 별 이상치 심각도를 산출하고, 산출된 태그 별 이상치 심각도를 오름차순 또는 내림차순으로 정렬하여, 심각도 상위 태그를 심각도 상위 태그에 기반하여 점검 태그를 추천한다.In an embodiment, the failure prediction server preprocesses abnormality diagnosis data including plant equipment operation information for abnormality diagnosis, calculates the severity of outliers for each tag based on the difference between the abnormality score predicted by the failure prediction model and the standard, and calculates. Outlier severity for each tag is sorted in ascending or descending order, and inspection tags are recommended based on the tags with the highest severity.

이상에서와 같은 고장유형에 따른 패턴 분석을 통한 고장 예지 진단 시스템 및 방법은 오일 플랜트 시설 설비의 데이터의 상태에 따라 적합한 모델을 선택하여 적용하고 상태를 진단하거나 고장률을 추정하여 예측 정비의 시기를 결정함으로써, 오일 플랜트 시설 설비를 안정적으로 운용할 수 있도록 한다.The failure prediction diagnosis system and method through pattern analysis according to the failure type as described above selects and applies an appropriate model according to the state of the data of the oil plant facility and determines the timing of predictive maintenance by diagnosing the state or estimating the failure rate. By doing so, it is possible to operate oil plant facilities stably.

또한, 실시예를 통해 기존 통계적 기법이 정형 데이터 및 비정형 데이터 미활용에 따라 발생한 낮은 고장 예측률의 한계를 비정형 데이터를 적용한 머신러닝 예측 모델을 적용함으로써, 오일 플랜트 시설 설비의 고장 예측률을 향상시킬 수 있다.In addition, through examples, the failure prediction rate of oil plant facilities can be improved by applying a machine learning prediction model that applies unstructured data to overcome the limitations of the low failure prediction rate caused by the underutilization of structured and unstructured data in existing statistical techniques.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1a는 실시예에 따른 오일, 가스 플랜트 설비 고장 예지 시스템 구성을 나타낸 도면
도 1b는 실시예에 따른 고장유형에 따른 패턴 분석을 통한 고장 예지 진단 시스템의 데이터 처리 과정을 설명하기 위한 도면
도 1c는 실시예에 따른 이상진단 데이터를 이용한 고장 예지 서버의 데이터 처리 과정을 나타낸 도면
도 2는 실시예에 따른 고장 예지 서버의 데이터 처리 구성을 나타낸 도면
도 3은 실시예에 따른 센서로부터 수집되는 공정 모니터링 정보를 나타낸 도면
도 4는 드레인 라인과 버퍼 가스 라인에서 감지되는 진동 데이터를 나타낸 시계열 그래프
도 5 및 도 6은 실시예에 따른 학습 데이터 셋 데이터 구축과정을 설명하기 위한 도면
도 7은 실시예에 따른 이상 징후 판단 방법을 설명하기 위한 도면
도 8a은 실시예에 따른 DCS 경보체계 대비 패턴인식 방법을 설명하기 위한 도면
도 9는 실시예에 따른 오일, 가스 플랜트 설비 고장 예지를 위한 데이터 처리 흐름을 나타낸 도면
도 10은 실시예에 따른 고장 예지 시스템의 사용자 인터페이스를 나타낸 도면
도 11은 실시예에 따른 점검 부위 추천 화면 구성을 설명하기 위한 도면
Figure 1a is a diagram showing the configuration of an oil and gas plant equipment failure prediction system according to an embodiment
FIG. 1B is a diagram illustrating the data processing process of a failure prediction diagnosis system through pattern analysis according to failure type according to an embodiment.
Figure 1C is a diagram showing the data processing process of the failure prediction server using abnormality diagnosis data according to an embodiment.
Figure 2 is a diagram showing the data processing configuration of a failure prediction server according to an embodiment
Figure 3 is a diagram showing process monitoring information collected from a sensor according to an embodiment
Figure 4 is a time series graph showing vibration data detected in the drain line and buffer gas line.
Figures 5 and 6 are diagrams for explaining the learning data set data construction process according to an embodiment
7 is a diagram for explaining a method for determining abnormality signs according to an embodiment
Figure 8a is a diagram for explaining a pattern recognition method compared to the DCS alarm system according to an embodiment
Figure 9 is a diagram showing the data processing flow for oil and gas plant equipment failure prediction according to an embodiment
10 is a diagram illustrating a user interface of a failure prediction system according to an embodiment.
11 is a diagram for explaining the configuration of an inspection site recommendation screen according to an embodiment

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. The present embodiments are merely provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to provide common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing embodiments of the present invention, if it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. The terms described below are terms defined in consideration of functions in embodiments of the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

도 1a는 실시예에 따른 오일, 가스 플랜트 설비 고장 예지 시스템 구성을 나타낸 도면이다.Figure 1a is a diagram showing the configuration of an oil and gas plant equipment failure prediction system according to an embodiment.

도 1a를 참조하면, 실시예에 따른 오일, 가스 플랜트 설비 고장 예지 시스템은 센서(100), 고장 예지 서버(200) 및 관리자 단말(300)을 포함하여 구성될 수 있다. 실시예에서 센서(100)는 오일, 가스 플랜트에 설치되어, 플랜트 설비 구동 정보를 센싱하여 서버로 전송한다. 고장 예지 서버(200)은 센서로부터 수집한 플랜트 설비 구동 정보를 공정 모니터링 정보로 취합하여 분석하고, 딥러닝 알고리즘을 통해 분석 결과에 따라 플랜트 설비 건전성을 예측한다. 관리자 단말(300)은 고장 예지 서버로부터 플랜트 설비의 건전성 예측 결과를 수신하고 건전성 예측 결과 기반한 점검, 교체 등의 일련의 절차를 수행할 수 있도록 한다. Referring to FIG. 1A, an oil and gas plant equipment failure prediction system according to an embodiment may be configured to include a sensor 100, a failure prediction server 200, and an administrator terminal 300. In an embodiment, the sensor 100 is installed in an oil and gas plant, senses plant equipment operation information, and transmits it to the server. The failure prediction server 200 collects and analyzes plant equipment operation information collected from sensors as process monitoring information, and predicts plant equipment health according to the analysis results through a deep learning algorithm. The manager terminal 300 receives the health prediction results of plant equipment from the failure prediction server and performs a series of procedures such as inspection and replacement based on the health prediction results.

실시예에 따른 고장유형에 따른 패턴 분석을 통한 고장 예지 진단 시스템 및 방법은 오일, 가스플랜트 핵심설비 고장유형에 따른 패턴 분석을 통한 고장 예지 진단 시스템을 제공한다.The failure prediction diagnosis system and method through pattern analysis according to the failure type according to the embodiment provides a failure prediction diagnosis system through pattern analysis according to the failure type of oil and gas plant core equipment.

실시예에서는 고장 예측 진단을 위해 머신 러닝(Machine Learning)과 딥 러닝(Deep Learning)을 사용하여 데이터를 분석하고 기기 상태나 고장을 진단하는 인공신경망 모델을 통해 고장률을 추정하여 고장의 시기를 예측하는 예지 모델을 제안한다. 진단모델에는 지도 학습인 SVM(Support Vector Machine) 기반 진단 모델과 자율 학습인 원 클래스(One-Class) SVM 기반 진단 모델을 사용하여 상태를 진단하거나 고장을 진단할 수 있다.In the embodiment, data is analyzed using machine learning and deep learning for failure prediction and diagnosis, and the failure rate is estimated through an artificial neural network model to diagnose device status or failure to predict the time of failure. We propose a foresight model. The diagnosis model can diagnose conditions or faults using a supervised learning SVM (Support Vector Machine)-based diagnosis model and an unsupervised learning One-Class SVM-based diagnosis model.

실시예에서 제공하는 건전성 예지 모델에는 TTE(Time To Event) 데이터를 비모수적 방법으로 분석하는 MCMC(Markov Chain Monte Carlo) 기반 예지 모델과 모수적 방법으로 데이터를 분석하는 LSTM(Long Short-Term Memory) 기반 예지 모델을 사용하여 시간에 따른 고장률을 추정하고 고장이 발생하기 전의 유효 시간(RUL, Remaining Useful Life)을 측정하여 고장의 시기를 예측할 수 있도록 한다. The health prediction model provided in the embodiment includes a Markov Chain Monte Carlo (MCMC)-based prediction model that analyzes Time To Event (TTE) data in a non-parametric method and a Long Short-Term Memory (LSTM) model that analyzes data in a parametric method. Using a predictive model, the failure rate over time can be estimated and the time of failure can be predicted by measuring the remaining useful life (RUL) before failure occurs.

또한, 실시예에서 제공하는 진단 모델과 건전성 예지 모델은 데이터의 상태에 따라 적합한 모델을 선택하여 적용할 수 있도록 하고, 상태를 진단하거나 고장률을 추정하여 예측 정비의 시기를 결정할 수 있도록 한다In addition, the diagnostic model and health prediction model provided in the embodiment allow the selection and application of an appropriate model according to the state of the data, and the timing of predictive maintenance can be determined by diagnosing the state or estimating the failure rate.

실시예에서는 DNN(Deep Neural Network), CNN(Convolutional Neural Network) RNN(Recurrent Neural Network) 및 BRDNN(Bidirectional Recurrent Deep Neural Network), 베이시안네트워크(Bayesian network) 중 적어도 하나를 포함하는 딥러닝 뉴럴 네트워크를 고장 진단을 위한 트레이닝 데이터 셋으로 학습시켜 고장 예측 모델을 구현한다. In an embodiment, a deep learning neural network including at least one of a Deep Neural Network (DNN), a Convolutional Neural Network (CNN), a Recurrent Neural Network (RNN), a Bidirectional Recurrent Deep Neural Network (BRDNN), and a Bayesian network. A failure prediction model is implemented by learning with a training data set for failure diagnosis.

도 1b는 실시예에 따른 고장유형에 따른 패턴 분석을 통한 고장 예지 진단 시스템의 데이터 처리 과정을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 1B is a diagram illustrating a data processing process of a failure prediction diagnosis system through pattern analysis according to failure type according to an embodiment.

도 1b를 참조하면, 실시예에서 고장 예지 서버(200)는 설비 데이터를 고장 예지를 위한 딥러닝 모델의 학습 데이터로 수집하여, 라벨링, 결측값 제거 및 이상 구간 나누기 등의 전처리를 수행한다. 이후, 전처리된 설비 정제 데이터를 학습 데이터로 이용하거나, 설비 정제 데이터를 딥러닝 모델에 입력하여 딥러닝 모델을 구동 시킬 수 있다. 실시예에서 고장 예지 서버(200)는 설비 정제 데이터로 딥러닝 모델을 학습시킨 후, 모델을 저장하고, 저장된 모델을 실행 후 실행 결과를 평가한다. 이후, 고장 예지 서버(200)는 모델 실행 및 평가 결과를 시각화 하고 평가 결과를 저장한다. 실시예에서 딥러닝 모델 평가 결과는 이상 진단 데이터로 저장될 수 있다. 실시예에서는 이상진단 모델에서 반환된 이상치 점수 결과를 바탕으로 이상진단 데이터 구축하고, 이를 이상 예측 모델의 입력으로 사용할 수 있다. 실시예에서 고장 예지 서버(200)는 비지도 학습 모델 기반의 이상 탐지를 수행할 수 있다. Referring to FIG. 1B, in the embodiment, the failure prediction server 200 collects equipment data as learning data for a deep learning model for failure prediction and performs preprocessing such as labeling, removing missing values, and dividing abnormal sections. Afterwards, the preprocessed equipment purification data can be used as learning data, or the equipment purification data can be input into the deep learning model to drive the deep learning model. In an embodiment, the failure prediction server 200 learns a deep learning model using equipment purification data, stores the model, executes the stored model, and evaluates the execution results. Afterwards, the failure prediction server 200 visualizes the model execution and evaluation results and stores the evaluation results. In an embodiment, the deep learning model evaluation results may be stored as abnormal diagnosis data. In an embodiment, anomaly diagnosis data may be constructed based on the outlier score results returned from the anomaly diagnosis model and used as input to an anomaly prediction model. In an embodiment, the failure prediction server 200 may perform anomaly detection based on an unsupervised learning model.

도 1c는 실시예에 따른 이상진단 데이터를 이용한 고장 예지 서버의 데이터 처리 과정을 나타낸 도면이다.Figure 1c is a diagram showing a data processing process of a failure prediction server using abnormality diagnosis data according to an embodiment.

도 1c를 참조하면, 실시예에서 고장 예지 서버(200)는 이상진단 데이터를 전처리하여, 태그 별 이상치 심각도를 산출한다. 실시예에서 태그 별 이상치 심각도는 각 태그 별 모델이 예측한 이상점수와 이상 기준 간의 차이를 바탕으로 산출된 심각도 수치이다. 실시예에서 이상점수(Anomaly Score)는 데이터의 이상(Anomaly) 정도를 나타내는 수치이다. 실시예에서는 이상점수를 주어진 데이터 포인트가 일반적인 패턴에서 벗어난 정도를 측정하는 지표로 사용된다. 이상점수는 머신 러닝 기반의 이상 탐지(Anomaly Detection) 모델을 사용하여 계산될 수 있다. 실시예에서 이상 기준은 모델이 예측한 알람 기준 데이터 및 실제 알람이 울린 수치가 적힌 데이터로 구성될 수 있다 이후, 태그 별 이상치 심각도를 오름차순 또는 내림차순으로 정렬하여, 심각도 상위 태그를 선택한다. 실시예에서 고장 예지 서버(200)는 상위 5개 또는 10개 등의 태그를 선택할 수 있다. 이후, 고장 예지 서버(200)는 심각도 상위 태그에 기반하여 점검 태그를 추천한다. 이후 고장 예지 서버(200)는 추천된 점검 태그에 포함된 구성요소의 성능을 계산한다. 실시예에서는 추천된 태그와 실제 알림이 울린 태그 간 정확성(precision)과 리콜(recall)을 성능으로 계산할 수 있다. Referring to FIG. 1C, in the embodiment, the failure prediction server 200 preprocesses the abnormality diagnosis data and calculates the severity of the abnormality for each tag. In the embodiment, the outlier severity for each tag is a severity value calculated based on the difference between the anomaly score predicted by the model for each tag and the anomaly standard. In the embodiment, the anomaly score is a value indicating the degree of anomaly in the data. In the embodiment, the outlier score is used as an indicator to measure the degree to which a given data point deviates from a general pattern. The anomaly score can be calculated using a machine learning-based anomaly detection model. In an embodiment, the abnormality standard may consist of alarm standard data predicted by the model and data containing actual alarm ringing values. Then, the outlier severity for each tag is sorted in ascending or descending order, and the tag with the highest severity is selected. In an embodiment, the failure prediction server 200 may select the top 5 or 10 tags. Afterwards, the failure prediction server 200 recommends an inspection tag based on the tag with the highest severity. Thereafter, the failure prediction server 200 calculates the performance of the components included in the recommended inspection tag. In an embodiment, precision and recall between the recommended tag and the tag that actually alerted can be calculated as performance.

실시예에서 고장 예지 서버(200)는 이상진단을 위한 데이터를 전처리한다. 이상진단을 위한 데이터는 플랜트 설비의 구동 정보와 관련된 정보를 포함하고 전처리는 데이터의 정제, 변환, 스케일링 등을 포함한다. 이후, 고장 예지 서버(200)는 전처리된 데이터를 이용하여 고장 예지 모델을 사용하여 각 태그에 대한 이상점수를 계산한다. 이상점수는 해당 태그의 플랜트 설비 상태가 정상 상태에서 얼마나 벗어났는지를 나타내는 수치이다. 이후, 고장 예지 서버(200)는In the embodiment, the failure prediction server 200 preprocesses data for abnormality diagnosis. Data for abnormality diagnosis includes information related to the operation of plant equipment, and preprocessing includes data purification, conversion, and scaling. Afterwards, the failure prediction server 200 calculates an abnormality score for each tag using a failure prediction model using the preprocessed data. The abnormality score is a number that indicates how much the plant equipment status of the corresponding tag deviates from normal. Afterwards, the failure prediction server 200

이상점수와 기준 값을 비교하여 이상점수와 기준 간의 차이를 계산한다. 기준 값은 일반적으로 정상 범위를 나타내는 값이며, 예를 들어 기준 값이 0이고 이상점수가 양수이면 해당 태그가 정상 범위를 벗어났다는 의미이다. 이후, 고장 예지 서버(200)는 이상점수와 기준 간의 차이를 바탕으로 태그 별 이상치의 심각도를 산출한다. 실시예에서는 이상점수와 기준 간 차이가 포함된 범위에 따라 산출된 이상점수의 심각도를 평가할 수 있다. 이상점수와 기준 값의 차이가 클수록 심각도가 높다고 판단할 수 있다. 고장 예지 서버(200)는 태그 별 이상치 심각도를 산출한 후, 이를 오름차순 또는 내림차순으로 정렬한다. 이를 통해 심각도가 높은 순서대로 태그를 정렬한다. 실시예에서 고장 예지 서버(200)는 심각도가 상위인 태그를 상위에 두고, 이를 기준으로 점검 태그를 추천하는 과정을 진행한다. 이를 통해 실시예에서는 고장 예지 모델로부터 얻은 이상점수와 기준 값을 비교하여 태그 별 이상치의 심각도를 평가하고, 이를 기준으로 유지보수나 점검을 우선적으로 수행할 수 있도록 한다. Compare the ideal score with the standard value and calculate the difference between the ideal score and the standard. The reference value is generally a value that represents the normal range. For example, if the reference value is 0 and the abnormality score is a positive number, it means that the tag is outside the normal range. Afterwards, the failure prediction server 200 calculates the severity of the outlier for each tag based on the difference between the anomaly score and the standard. In an embodiment, the severity of the calculated abnormal score may be evaluated according to the range that includes the difference between the abnormal score and the standard. The greater the difference between the abnormal score and the standard value, the higher the severity can be judged. The failure prediction server 200 calculates the severity of outliers for each tag and sorts them in ascending or descending order. This sorts the tags in order of increasing severity. In the embodiment, the failure prediction server 200 places tags with higher severity at the top and proceeds with the process of recommending inspection tags based on them. Through this, the embodiment compares the abnormality score obtained from the failure prediction model with the reference value to evaluate the severity of the abnormal value for each tag, and performs maintenance or inspection preferentially based on this.

도 2는 실시예에 따른 고장 예지 서버의 데이터 처리 구성을 나타낸 도면이다.Figure 2 is a diagram showing the data processing configuration of a failure prediction server according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 실시예에 따른 고자 예지 서버(200)는 데이터 수집 모듈(210), 이상 징후 감지 모듈(220), 딥러닝 모듈(230), 건전성 예측 모듈(240), 디스플레이 모듈(250) 및 피드백 모듈(260)을 포함하여 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 '모듈' 이라는 용어는 용어가 사용된 문맥에 따라서, 소프트웨어, 하드웨어 또는 그 조합을 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 소프트웨어는 기계어, 펌웨어(firmware), 임베디드코드(embedded code), 및 애플리케이션 소프트웨어일 수 있다. 또 다른 예로, 하드웨어는 회로, 프로세서, 컴퓨터, 집적 회로, 집적 회로 코어, 센서, 멤스(MEMS; Micro-Electro-Mechanical System), 수동 디바이스, 또는 그 조합일 수 있다.Referring to FIG. 2, the eunuch prediction server 200 according to the embodiment includes a data collection module 210, an abnormality detection module 220, a deep learning module 230, a health prediction module 240, and a display module 250. ) and a feedback module 260. The term 'module' used in this specification should be interpreted to include software, hardware, or a combination thereof, depending on the context in which the term is used. For example, software may be machine language, firmware, embedded code, and application software. As another example, hardware may be a circuit, processor, computer, integrated circuit, integrated circuit core, sensor, Micro-Electro-Mechanical System (MEMS), passive device, or a combination thereof.

데이터 수집 모듈(210)은 오일, 가스 플랜트 내부에 설치된 센서를 이용하여 공정 모니터링 정보를 실시간으로 수집한다. 실시예에서 센서는 온도, 압력 측정 센서, 베어링 온도, 진동 측정 센서를 포함하고, 센서로부터 수집되는 공정 모니터링 정보는 도 3에 도시된 바와 같이, 각 설비의 작동압력(Operating Pressure) 온도(Temp), 알람 셧다운 포인트(Alarm Shutdown Point) 데이터 등을 포함할 수 있다. 또한, 실시예에서 수집하는 데이터에는 대상 설비의 건전성 감지와 관련된 빅데이터, 고장 이력 자료, 정비 이력 자료, 운용 자료 등을 포함할 수 있다. 또한, 고장빈도, 고장시간, 고장유형, 고장 원인 등의 신뢰성 정보와 유지보수자, 소요시간 등을 포함하는 유지보수 정보 및 온도, 진동, 소음, 전류 등을 포함하는 설비 각각의 상태 정보 등을 들 수 있다.The data collection module 210 collects process monitoring information in real time using sensors installed inside the oil and gas plant. In the embodiment, the sensor includes a temperature, pressure measurement sensor, a bearing temperature, and a vibration measurement sensor, and the process monitoring information collected from the sensor includes the operating pressure (Operating Pressure) and temperature (Temp) of each facility, as shown in FIG. 3. , Alarm Shutdown Point data, etc. Additionally, the data collected in the embodiment may include big data related to detecting the health of the target facility, failure history data, maintenance history data, operation data, etc. In addition, reliability information such as failure frequency, failure time, failure type, and cause of failure, maintenance information including maintenance person, time required, etc., and information on the status of each equipment including temperature, vibration, noise, and current, etc. I can hear it.

또한, 데이터 수집 모듈(210)은 고장 예지 진단 시스템에서 이용하는 딥러닝 모델의 학습 데이터를 수집한다. 예컨대, 데이터 수집 모듈(210)은 고장예측모델, 건전성 진단 모델, 이상 징후 감지 모델 등을 포함하는 딥러닝 모델의 학습 데이터를 수집한다. Additionally, the data collection module 210 collects learning data for a deep learning model used in a failure prediction diagnosis system. For example, the data collection module 210 collects learning data of deep learning models including a failure prediction model, health diagnosis model, and anomaly detection model.

전처리 모듈(215)는 수집된 인공지능 학습데이터 중 편향성이나 차별성을 가진 데이터를 제거하기 위해, 수집된 학습데이터를 전처리한다. 실시예에서 전처리부(120)는 수집된 데이터를 전처리하여 인공지능 모델 학습에 적합한 형태로 가공한다. 예컨대, 전처리부(120)는 노이즈 제거, 이상치 제거, 결측치 처리 등의 과정을 수행할 수 있다. 또한, 전처리 모듈(215)는 데이터 전처리를 통해 데이터를 정규화하거나, 이상치를 제거하거나, 데이터의 배율 조정 등을 수행하여 모델이 불필요한 패턴을 학습하는 것을 방지할 수 있다.The preprocessing module 215 preprocesses the collected learning data to remove data with bias or discrimination among the collected artificial intelligence learning data. In the embodiment, the preprocessor 120 preprocesses the collected data and processes it into a form suitable for learning an artificial intelligence model. For example, the preprocessor 120 may perform processes such as noise removal, outlier removal, and missing value processing. Additionally, the preprocessing module 215 can prevent the model from learning unnecessary patterns by normalizing data, removing outliers, or scaling data through data preprocessing.

이상징후 감지 모듈(220)은 수집된 공정 모니터링 정보를 분석하여 이상 징후를 감지한다. 실시예에서 이상 징후 감지 모듈(220)은 센서 기반의 기법을 이용하여 조기에 공정 이상 징후를 감지하기 위해, 도 7의 a에 도시된 바와 같이, 센서 측정값이 경계치보다 크거나, 변화 패턴이 정상과 다를 때 공정 이상으로 판단한다. The abnormality detection module 220 analyzes the collected process monitoring information and detects abnormalities. In the embodiment, the anomaly detection module 220 uses a sensor-based technique to detect process anomalies early, as shown in a of FIG. 7, when the sensor measurement value is greater than the threshold or when the change pattern is detected. When it differs from normal, it is judged as a process abnormality.

또한, 실시예에서 이상징후 감지 모듈(220)은 도 7의 b에 도시된 바와 같이, 정상적인 상태의 데이터로 계산한 파라미터와 실제 데이터로 계산한 파라미터가 차이가 크면 공정 이상으로 판단하는 파라미터 분석(Parameter Analysis) 방법을 통해, 이상 징후를 파악할 수 있다. 또한, 도 7의 c에 도시된 바와 같이, 정상적인 상태의 데이터로 만든 패턴 인식 모델로 예측한 값과 실제 센서로 측정한 값의 차이가 크면 공정이상 판단하는 잔차 분석(Residual Analysis)방법을 통해 이상징후를 파악할 수 있다. In addition, in the embodiment, the abnormality detection module 220 performs parameter analysis (as shown in b of FIG. 7) to determine a process abnormality when the difference between the parameters calculated with normal data and the parameters calculated with actual data is large. Through the Parameter Analysis (Parameter Analysis) method, abnormal signs can be identified. In addition, as shown in c of Figure 7, if the difference between the value predicted by the pattern recognition model made from normal data and the value measured by the actual sensor is large, the abnormality is detected through the residual analysis method that determines the process abnormality. You can recognize the signs.

실시예에서 이상 징후 감지 모듈(220)은 이상징후를 감지해야 하는 기기의 종류와 분석해야 하는 데이터 종류에 따라 이상 징후 판단을 위한 방법을 선택할 수 있다. 예컨대, 이상 징후 감지 모듈(220)은 회전기계 진동, 센서 고착이나 피크, 불꽃 상태 등의 이상징후를 감지하는 경우에는 센서 기반 기법을 이용하고, 펌프 헤드, 공정 효율, 열교환기 파울링, 반응 속도 등의 이상징후 판단에는 파라미터 분석 방법을 이용한다.In an embodiment, the anomaly detection module 220 may select a method for determining an anomaly depending on the type of device that needs to detect the anomaly and the type of data that needs to be analyzed. For example, the anomaly detection module 220 uses sensor-based techniques to detect abnormalities such as rotating machine vibration, sensor sticking, peak, or flame state, pump head, process efficiency, heat exchanger fouling, and reaction speed. Parameter analysis methods are used to determine abnormal signs such as

이를 위해, 실시예에서 이상 징후 감지 모듈(220)은 공정 효율, 열교환기 파울링, 반응 속도 등과 관련된 데이터를 수집한다. 이는 해당 시스템이나 공정의 동작에 대한 다양한 파라미터 값들을 기록하는 것이다. 이후, 수집된 데이터를 정제하고, 결측치를 처리하며, 필요한 형태로 변환한다. 데이터 전처리를 통해 데이터의 품질을 향상시키고 분석에 적합한 형태로 변환한다. 이후, 실시예에서 이상 징후 감지 모듈(220)은 데이터를 시각화하여 시계열 그래프, 히스토그램, 상자 그림 등을 활용하여 데이터의 분포와 패턴을 확인한다. 또한 기초 통계 분석을 통해 평균, 분산, 상관 관계 등을 파한다. 이후, 실시예에서 이상 징후 감지 모듈(220)은 데이터를 통해 파라미터를 추정하고, 시스템이나 공정에 영향을 미치는 요인들을 모델링한다. 예를 들어, 선형 회귀 모델, 시계열 분석 모델, 혹은 머신 러닝 모델을 활용하여 데이터와 파라미터 간의 관계를 탐색한다. 이후, 실시예에서 이상 징후 감지 모듈(220)은 추정된 파라미터를 기반으로 시스템이나 공정에서 발생하는 이상 징후를 분석한다. 예를 들어, 펌프 헤드의 이상, 열교환기 파울링, 반응 속도의 변화 등을 감지한다.To this end, in the embodiment, the anomaly detection module 220 collects data related to process efficiency, heat exchanger fouling, reaction speed, etc. This records various parameter values for the operation of the system or process. Afterwards, the collected data is cleaned, missing values are processed, and converted to the required form. Through data preprocessing, the quality of data is improved and converted into a form suitable for analysis. Thereafter, in the embodiment, the anomaly detection module 220 visualizes the data and confirms the distribution and pattern of the data using a time series graph, histogram, box plot, etc. In addition, average, variance, correlation, etc. are analyzed through basic statistical analysis. Thereafter, in the embodiment, the anomaly detection module 220 estimates parameters through data and models factors affecting the system or process. For example, use linear regression models, time series analysis models, or machine learning models to explore relationships between data and parameters. Thereafter, in the embodiment, the anomaly detection module 220 analyzes anomalies occurring in the system or process based on the estimated parameters. For example, it detects pump head abnormalities, heat exchanger fouling, and changes in reaction speed.

또한, 패턴인식 모델에 포함되는 고장으로 센서, 설비, 공정 등의 이상징후를 파악하기 위해서는 잔차 분석 방법을 이용할 수 있다. 도 4는 드레인 라인과 버퍼 가스 라인에서 감지되는 진동 데이터를 시계열 그래프로 나타낸 것으로, 실시예에서는 그래프의 패턴 및 경향성 분석을 통해 진동 데이터의 이상 지점을 파악할 수 있다. In addition, the residual analysis method can be used to identify abnormal signs of sensors, facilities, and processes as failures included in the pattern recognition model. Figure 4 shows a time series graph of vibration data detected in the drain line and buffer gas line. In the embodiment, abnormal points in the vibration data can be identified through pattern and trend analysis of the graph.

실시예에서는 잔차 분석을 위해, 센서, 설비, 공정 등의 데이터를 기반으로 적합할 모델을 선택한다. 선형 회귀, 비선형 회귀, 시계열 분석 등 다양한 모델 중에서 가장 적합한 모델을 선택하여 학습한다. 이후, 학습된 모델의 예측력을 평가한다. 실시예에서는 모델의 성능 지표, 예를 들면 평균 제곱 오차(Mean Squared Error, MSE)나 결정 계수(R-squared) 등을 사용하여 모델이 데이터를 얼마나 잘 설명하는지 평가한다. 이후, 이상 징후 감지 모듈(220)은 모델이 학습된 후에는 잔차를 산출한다. 잔차는 실제 관측값과 모델이 예측한 값을 뺀 값(잔차 = 실제 관측값 - 모델 예측값)이다. 이후, 이상 징후 감지 모듈(220)은 계산된 잔차를 시각화하여 분석한다. 실시예에서는 잔차의 정규성, 등분산성, 독립성 등을 확인하는데 중점을 둔다. 잔차가 정규분포를 따르는지 확인하고, 잔차가 일정한 분산을 가지는지, 그리고 잔차들이 서로 독립적인지를 판단한다. 이후, 이상 징후 감지 모듈(220)은 잔차 분석을 통해 이상치를 탐지한다. 잔차가 큰 값들이나 패턴이 일정하지 않은 잔차들이 이상치의 가능성이 높은 것으로 판단한다. 이후, 이상 징후 감지 모듈(220)은 잔차 분석을 통해 발견된 이상치나 모델의 적합성에 따라 모델을 개선한다. 이상치를 제거하거나 다른 모델을 시도하여 더 정확한 예측을 하도록 한다. In the embodiment, for residual analysis, an appropriate model is selected based on data from sensors, facilities, processes, etc. Select and learn the most appropriate model among various models such as linear regression, nonlinear regression, and time series analysis. Afterwards, the predictive power of the learned model is evaluated. In embodiments, performance indicators of the model, such as mean squared error (MSE) or coefficient of determination (R-squared), are used to evaluate how well the model explains the data. Afterwards, the anomaly detection module 220 calculates the residual after the model is learned. The residual is the difference between the actual observed value and the value predicted by the model (residual = actual observed value - model predicted value). Afterwards, the anomaly detection module 220 visualizes and analyzes the calculated residual. In the examples, emphasis is placed on confirming the normality, homoscedasticity, and independence of the residuals. Check whether the residuals follow a normal distribution, determine whether the residuals have constant variance, and whether the residuals are independent of each other. Afterwards, the anomaly detection module 220 detects outliers through residual analysis. Values with large residuals or residuals with inconsistent patterns are judged to have a high possibility of being outliers. Afterwards, the anomaly detection module 220 improves the model according to the outliers or model suitability found through residual analysis. Remove outliers or try a different model to make more accurate predictions.

실시예에서는 수집한 데이터의 특성과 분석 목적에 따라서 최적의 방법을 선택하기 위해, 센서 기반 기법, 파라미터 분석 방법, 그리고 잔차 분석 방법을 이상 징후 탐지에 이용한다. In the embodiment, sensor-based techniques, parameter analysis methods, and residual analysis methods are used to detect abnormalities in order to select the optimal method according to the characteristics and analysis purpose of the collected data.

센서 기반 기법은 회전기계 진동, 센서 고장, 불꽃 상태 등과 같이 시계열 데이터나 실시간 데이터를 다루는 이상 징후에 활용된다. 이는 실시간으로 데이터를 수집하고 분석하여 이상 징후를 신속하게 탐지할 수 있기 때문에다. 예를 들어, 진동 센서를 사용하여 기계의 진동이 비정상적으로 높거나 불꽃 센서를 사용하여 이상한 불꽃 상태를 감지할 수 있다.Sensor-based techniques are used for anomalies that deal with time series or real-time data, such as rotating machine vibration, sensor failure, and spark conditions. This is because data can be collected and analyzed in real time to quickly detect abnormalities. For example, a vibration sensor can be used to detect unusually high vibrations in a machine, or a flame sensor can be used to detect unusual flame conditions.

파라미터 분석 방법은 펌프 헤드, 공정 효율, 열교환기 파울링, 반응 속도 등과 같이 여러 파라미터에 의존하는 이상 징후 탐지에 이용되는데, 파라미터 분석 방법은 주어진 데이터를 이용하여 모델을 학습시키고, 해당 파라미터들의 변화와 이상 상태와의 관계를 분석하기 위함이다. 즉, 여러 파라미터에 의존하는 데이터의 이상징후를 탐지해야 할 경우, 파라미터 분석 방법을 이용한다. 이를 통해 특정 파라미터의 변화가 이상 징후와 연관되어 있는지를 파악할 수 있다.The parametric analysis method is used to detect abnormalities that depend on several parameters such as pump head, process efficiency, heat exchanger fouling, reaction speed, etc. The parametric analysis method trains a model using given data, changes in the corresponding parameters, and This is to analyze the relationship with the abnormal state. In other words, when it is necessary to detect anomalies in data that depend on multiple parameters, a parameter analysis method is used. Through this, it is possible to determine whether changes in specific parameters are associated with abnormalities.

잔차 분석 방법은 센서, 설비, 공정 등의 데이터에서 발생하는 이상 현상을 파악하고 문제를 해결하는데 활용되는데, 잔차 분석은 모델의 예측값과 실제 데이터 사이의 차이인 잔차를 분석하여 데이터의 이상 징후를 확인하고, 설비, 공정에서 사용되는 모델의 적합성을 평가하기 위함이다. 이를 통해 데이터에서 발생하는 이상치를 식별하고 이를 해결할 수 있도록 한다. The residual analysis method is used to identify and solve problems that occur in data from sensors, facilities, processes, etc. Residual analysis identifies abnormalities in the data by analyzing the residual, which is the difference between the model's predicted value and the actual data. This is to evaluate the suitability of models used in equipment and processes. This allows you to identify outliers that occur in the data and resolve them.

또한, 실시예에서 이상 징후 감지 모듈(220)은 플랜트 운전 컴퓨터인 DCS(Distributed Control System)에서 운전 변수가 제1임계치(high value) 및 제2임계치(low value) 경계를 벗어날 때 경보를 발행하는 패턴 인식 기법을 통해 이상 징후를 파악할 수 있다. 도 8은 실시예에 따른 DCS 경보체계 대비 패턴인식 방법을 설명하기 위한 도면이다. 일반적으로 정상을 비정상으로 판단하는 오류를 줄이기 위하여 경보 경계 범위를 넓게 설정하는데 실시예에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 경보 경계 범위를 좁게 설정하면 기존 방법과 새롭게 설정된 경보 경계 범위의 시간 차(Δ만큼 조기에 공정이상을 감지할 수 있다.In addition, in the embodiment, the anomaly detection module 220 issues an alarm when an operating variable exceeds the boundaries of the first threshold (high value) and the second threshold (low value) in the DCS (Distributed Control System), which is a plant operation computer. Signs of abnormalities can be identified through pattern recognition techniques. Figure 8 is a diagram for explaining a pattern recognition method compared to the DCS alarm system according to an embodiment. Generally, the alarm boundary range is set wide to reduce errors in judging normal as abnormal. In the embodiment, as shown in FIG. 8, when the alarm boundary range is set narrow, the time difference (Δ) between the existing method and the newly set alarm boundary range is This allows process abnormalities to be detected as early as possible.

딥러닝 모듈(230)은 이상징후 감지 결과 및 공정 모니터링 정보를 학습 데이터 셋으로 이용하여 플랜트 설비 고장 예지 모델을 구현한다. 실시예에서 딥러닝 모듈(230)은 DNN(Deep Neural Network), CNN(Convolutional Neural Network) RNN(Recurrent Neural Network) 및 BRDNN(Bidirectional Recurrent Deep Neural Network), 베이시안 네트워크(Bayesian network) 중 적어도 하나를 포함하는 딥러닝 뉴럴 네트워크를 공정모니터링 정보 및 이상징후 감지 정보를 포함하는 트레이닝 데이터 셋으로 학습시켜 건전성 예측 모델을 구현할 수 있다. The deep learning module 230 uses abnormal symptom detection results and process monitoring information as a learning data set to implement a plant equipment failure prediction model. In an embodiment, the deep learning module 230 uses at least one of a Deep Neural Network (DNN), a Convolutional Neural Network (CNN), a Recurrent Neural Network (RNN), a Bidirectional Recurrent Deep Neural Network (BRDNN), and a Bayesian network. A health prediction model can be implemented by learning a deep learning neural network containing a training data set containing process monitoring information and anomaly detection information.

도 5는 실시예에 따른 학습 데이터 셋 데이터 구축과정을 설명하기 위한 도면이다. 실시예에서는 도 5에 도시된 데이터 그래프 분석 결과를 텍스트로 작성하고, 작성된 텍스트를 자연어 처리 과정을 통해, 학습 데이터 셋으로 변환할 수 있다. 예컨대, 관리자 단말은 '설비 점검 및 정비 이후 1주일 이내에 발생한 진동이상이력으로, 2-3일 이전 진동 및 RTD 온도의 이상 징후가 관찰됨', 2019.09.05의 경우 진동 및 Comp 설비 정지 증상으로, 이상징후는 2019.09.03 14:00 경부터RTD 온도 및 진동 저하가 보였음' 등의 설비 모니터링 결과에 대한 텍스트를 입력하면 실시예에서 딥러닝 모듈은 해당 텍스트를 자연어 처리를 통해 인식하고 키워드를 추출하여, 학습 데이터 셋을 구축할 수 있다. 도 6은 실시예에서 구축하는 설비이력 관련 학습 데이터셋의 예를 나타낸 도면이다. 실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 공유 받은 101개 설비 이력 데이터 이슈 별 정리, 정상 상태와 비정상 상태 분석하여 학습 데이터 셋으로 구축할 수 있다.Figure 5 is a diagram for explaining a learning data set data construction process according to an embodiment. In an embodiment, the results of the data graph analysis shown in FIG. 5 may be written as text, and the written text may be converted into a learning data set through a natural language processing process. For example, the manager terminal has a history of vibration abnormalities that occurred within a week after facility inspection and maintenance, and abnormal signs of vibration and RTD temperature were observed 2-3 days ago. In the case of 2019.09.05, symptoms of vibration and Comp equipment stoppage, When you input text about equipment monitoring results, such as 'The abnormality sign was a decrease in RTD temperature and vibration from around 14:00 on 2019.09.03,' in the embodiment, the deep learning module recognizes the text through natural language processing and extracts keywords. , a learning data set can be constructed. Figure 6 is a diagram showing an example of a learning data set related to equipment history constructed in an embodiment. In the embodiment, as shown in FIG. 6, the 101 shared equipment history data can be organized by issue, analyzed in normal and abnormal states, and constructed as a learning data set.

실시예에서 딥러닝 모듈(230)은 PHM(Prognostics and Health Management)을 수행하기 위해, 실시간으로 시스템을 감시하여 이상 징후를 조기에 감지하고 고장이 발생하는 시기를 예측하여 필요한 정비 시점을 제시한다In an embodiment, the deep learning module 230 monitors the system in real time to perform Prognostics and Health Management (PHM), detects abnormal signs early, predicts when a failure occurs, and suggests the necessary maintenance time.

실시예에서 이용하는 머신 러닝과 딥러닝은 학습 데이터와 검증 데이터를 사용하여 학습을 진행하고 특징 값을 추출하거나 가중치를 구하여 분류하거나 데이터 간의 상관관계를 분석하는 기법이다. 실시예에서는 PHM의 진단 단계와 예지 단계에 머신 러닝과 딥 러닝을 적용하여 상태나 고장을 진단하고 고장률을 추정하는 모델을 제안하며 결정 지원 단계에서는 추정한 고장률과 예측한 유효시간(RUL, Remaining Useful Life)을 사용하여 예측 정비의 시기를 결정하는 방안을 제안한다. 사용하는 데이터는 C-MAPSS(Commercial Modular Aero-Propulsion System Simulation)의 식별 정보와 센서 데이터를 사용할 수 있다. 또한, 실시예에서는 분석해야 하는 데이터의 상태를 가정하기 위해 One-Class SVM 기반 진단 모델에서는 C-MAPSS에 이상치를 추가하여 고장 데이터를 생성하는 과정을 진행한다. MCMC 기반 예지 모델에서는 C-MAPSS를 시간 값과 이벤트 값으로 구성되어 있는 TTE(Time To Event)로 변환하는 과정을 진행한다. SVM(Support Vector Machine) 기반 진단 모델은 정상 데이터와 고장 데이터가 분류되어 있는 상태일 경우에 적용하여 상태를 진단하고 One-Class SVM 기반 진단 모델은 정상 데이터와 고장 데이터를 분류하지 못한 상태일 경우에 적용하여 고장을 진단한다.Machine learning and deep learning used in the embodiment are techniques for learning using training data and verification data, extracting feature values, calculating weights, classifying, or analyzing correlations between data. In the embodiment, a model for diagnosing status or failure and estimating the failure rate is proposed by applying machine learning and deep learning to the diagnosis and prediction stages of PHM, and in the decision support stage, the estimated failure rate and predicted useful time (RUL) are applied. We propose a method to determine the timing of predictive maintenance using Life). The data used can be identification information and sensor data from C-MAPSS (Commercial Modular Aero-Propulsion System Simulation). Additionally, in the embodiment, in order to assume the state of the data to be analyzed, the One-Class SVM-based diagnosis model proceeds with the process of generating failure data by adding outliers to C-MAPSS. In the MCMC-based prognostic model, the process of converting C-MAPSS into TTE (Time To Event) is performed, which consists of time value and event value. The SVM (Support Vector Machine)-based diagnosis model is applied when normal data and failure data are classified to diagnose the condition, and the One-Class SVM-based diagnosis model is applied when normal data and failure data are not classified. Apply to diagnose failure.

MCMC 기반 예지 모델은 분석해야 하는 데이터가 충분하지 않거나 불확실성을 가지고 있을 때 데이터를 TTE로 변환하여 시뮬레이션 기법으로 고장률을 추정하고 분석해야 하는 데이터가 충분한 경우 TTF(Time To Failure) 형태로 데이터를 구성하여 LSTM(Long Short-Term Memory) 기반 예지 모델에 적용하여 고장률을 추정한다. 그리고 결정 지원 단계에서는 MCMC(Markov Chain Monte Carlo)기반 예지 모델과 LSTM 기반 예지 모델로 추정한 고장률을 사용하여 RUL을 측정하고 예측 정비의 시기를 결정하는 방안을 제안한다The MCMC-based predictive model converts the data to TTE when there is insufficient data to be analyzed or has uncertainty, estimates the failure rate using simulation techniques, and configures the data in the form of TTF (Time To Failure) when there is sufficient data to be analyzed. The failure rate is estimated by applying a prediction model based on LSTM (Long Short-Term Memory). And in the decision support stage, we propose a method to measure RUL and determine the timing of predictive maintenance using the failure rate estimated by MCMC (Markov Chain Monte Carlo)-based predictive model and LSTM-based predictive model.

또한, 실시예에서 딥러닝 모듈(230)은 예지 모델을 적용하는 초기 단계이거나 분석해야 하는 데이터가 충분하지 않을 경우 데이터를 TTE로 변환하여 비모수적인 방법을 사용하는 MCMC 기반예지 모델에 적용하여 고장률을 추정할 수 있지는 실험을 통해 검증한다. 반대로 분석해야 하는 데이터가 충분할 경우 LSTM 기반 예지 모델에 적용하여 가중치 모델을 생성하고 Weibull 분포의 Alpha와 Beta를 계산하여 CDF(Cumulative Distribution Function)를 통해 고장률을 추정할 수 있는지 실험을 통해 검증할 수 있다. 또한, 모델의 성능 검증에는 모델 성능 평가 지표와 DTW(Dynamic Time Warping)를 사용하며 실시예에서 사용하는 데이터 전처리와 머신 러닝, 딥 러닝은 파이썬(Python) 모듈과 패키지 및 라이브러리를 사용하여 구현할 수 있는 체계를 제공한다. Additionally, in the embodiment, when the deep learning module 230 is in the early stages of applying a prognostic model or when there is not enough data to be analyzed, the data is converted to TTE and applied to an MCMC-based prognostic model using a non-parametric method to reduce the failure rate. Whether it can be estimated is verified through experiment. Conversely, if there is enough data to be analyzed, it can be verified through experiment whether the failure rate can be estimated through CDF (Cumulative Distribution Function) by applying it to the LSTM-based prediction model to create a weight model and calculating the Alpha and Beta of the Weibull distribution. . In addition, model performance evaluation indicators and DTW (Dynamic Time Warping) are used to verify model performance, and data preprocessing, machine learning, and deep learning used in the embodiments can be implemented using Python modules, packages, and libraries. Provides a system.

실시예에서 딥러닝 모듈(230)은 베이시안 네트워크를 통해 변수 간의 인과관계를 확률적으로 분석하여 플랜트 이상징후에 대한 다수의 가능한 원인들을 추출할 수 있다. In an embodiment, the deep learning module 230 can extract a number of possible causes for plant abnormalities by probabilistically analyzing causal relationships between variables through a Bayesian network.

건전성 예측 모듈(240)은 플랜트 설비 고장 예지 모델에 공정 모니터링 정보를 입력하여 오일, 가스 플랜트 설비의 건전성을 예측한다. 건전성 예측은 운용 중인 구조물 또는 구성품(structure or component)의 구조적 상태(structural status, health)와 성능을 연속적으로 감시하기 위해, 위해 구조물 내에서 손상(damage)을 감지(detection)하는 것이다. 이때, 건전성(health)이란 구조물이나 설비의 전 수명기간을 통해 구조물의 원래상태, 기능, 성능을 유지하는 것이라 정의할 수 있다. 건전성 예측 모듈(240)은 설비의 건전성을 진단(diagnosis) 및 예측(prognosis)하고 재료 내지 구조의 파손(failure) 또는 기능적 고장(functional failure)을 포함하는 손상(damage) 여부를 파악한다. The health prediction module 240 predicts the health of oil and gas plant equipment by inputting process monitoring information into a plant equipment failure prediction model. Health prediction is the detection of damage within a hazardous structure in order to continuously monitor the structural status (health) and performance of the structure or component in operation. At this time, health can be defined as maintaining the original state, function, and performance of a structure or facility throughout its entire lifespan. The health prediction module 240 diagnoses and predicts the health of the equipment and determines whether there is damage including failure of materials or structures or functional failure.

디스플레이 모듈(250)은 데이터 건전성 예측 범위 및 이상 감지 결과에 시각적 효과 및 객체를 매칭하여 출력한다. 실시예에서 디스플레이 모듈(250)은 건전성이 일정수준 미만인 이벤트, 파악된 이상에 대한 신속한 조치가 필요한 이벤트를 기설정된 시각 객체와 매칭하여 관리자가 우선적으로 파악할 수 있도록 한다. 예컨대, 디스플레이 모듈(250)은 실제 데이터와 실제 데이터에 대한 이상 상태 예측 점수를 그래프로 출력할 수 있다. The display module 250 matches and outputs visual effects and objects to the data health prediction range and abnormality detection results. In an embodiment, the display module 250 matches events whose health is below a certain level and events requiring prompt action for identified abnormalities with preset visual objects so that the manager can identify them first. For example, the display module 250 may output actual data and abnormal state prediction scores for the actual data in a graph.

도 8b는 실시예에 따른 실제 데이터에 대한 상태 예측 결과를 나타낸 도면이다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 실시예에서는 태그 별 이상치 심각도 및 성능 산출 수치를 이용하여 상태를 예측할 수 있다.Figure 8b is a diagram showing state prediction results for actual data according to an embodiment. As shown in FIG. 8B, in the embodiment, the state can be predicted using the outlier severity and performance calculation values for each tag.

또한, 디스플레이 모듈(250)는 고장 예지를 위한 사용자 인터페이스를 출력할 수 있다.Additionally, the display module 250 may output a user interface for failure prediction.

도 10은 실시예에 따른 고장 예지 시스템의 사용자 인터페이스를 나타낸 도면이다.Figure 10 is a diagram showing a user interface of a failure prediction system according to an embodiment.

도 10을 참조하면, 실시예에서는 사용자 인터페이스에서 예측하고자 하는 데이터 셋을 선택하고, 이를 딥러닝 모델에 입력하면, 상태 예측 결과가 그래프 등으로 출력된다. 실시예에서는 도 9에 도시된 바와 같이, 점검 부위를 추천하는 태그가 마커 등으로 표시될 수 있다. Referring to FIG. 10, in the embodiment, when the data set to be predicted is selected in the user interface and inputted into the deep learning model, the state prediction result is output as a graph. In the embodiment, as shown in FIG. 9, a tag recommending an inspection site may be displayed with a marker or the like.

도 11은 실시예에 따른 점검 부위 추천 화면 구성을 설명하기 위한 도면이다.Figure 11 is a diagram for explaining the configuration of an inspection site recommendation screen according to an embodiment.

도 11을 참조하면, 실시예에서는 점검 부위 추천 화면에서 Temp, Pressure, Vibration 등 데이터 종류별 계측값과 이상 점수를 함께 확인할 수 있다.Referring to FIG. 11, in the embodiment, the measured values and abnormality scores for each data type such as Temp, Pressure, and Vibration can be confirmed together on the inspection part recommendation screen.

실시예에서는 이상 점수에 기반한 상위 태그를 선정하고, 선정된 태그에서 점검 부위를 추천한다. 실시예에서 추천된 점검 부위의 고장 예측을 수행하면, 고장 예지 모델을 통해 이상 원인 분석 결과를 제공한다.In the embodiment, the top tag is selected based on the abnormality score, and inspection areas are recommended from the selected tag. In the embodiment, when failure prediction of the recommended inspection area is performed, abnormal cause analysis results are provided through the failure prediction model.

피드백 모듈(260)은 이상징후 판단 및 건전성 예측 결과에 대한 피드백을 관리자 단말로부터 수신하여, 건전성 예측을 위한 인공신경망 및 이상 징후 판단에 이용되는 알고리즘을 업데이트 한다. 실시예에서 관리자 단말에서 제공하는 피드백 정보에는 건전성 예측에 대한 정확성 평가와 이상징후 및 건전성이 일정 수준 미만인 이벤트에 대한 조치와 조치후의 결과 정보가 포함될 수 있다. The feedback module 260 receives feedback on abnormal symptom judgment and health prediction results from the manager terminal, and updates the artificial neural network for health prediction and the algorithm used for abnormal symptom determination. In an embodiment, the feedback information provided by the manager terminal may include accuracy assessment of health prediction, actions for abnormal signs and events where health is below a certain level, and result information after action.

피드백 모듈(260)는 학습된 인공신경망 모델 및 딥러닝 모델을 평가한다. 실시예에서 피드백 모듈(260)는 정확도(Accuracy), 정밀도 (Precision) 및 재현율 (Recall) 중 적어도 하나를 통해, 인공신경망 모델을 평가할 수 있다. 정확도는 인공 신경망 모델이 예측한 결과가 실제 결과와 얼마나 일치하는지를 측정하는 지표이다. 정밀도는 양성으로 예측한 결과 중 실제 양성인 비율을 측정하는 지표이다. 재현율은 실제 양성 중에서 모델이 양성으로 예측한 비율을 측정하는 지표이다. 실시예에서 피드백 모듈(260)는 인공신경망 모델의 정확도, 정밀도 및 재현율을 산출하고, 산출된 지표 중 적어도 하나를 기반으로 인공신경망 모델을 평가할 수 있다. The feedback module 260 evaluates the learned artificial neural network model and deep learning model. In an embodiment, the feedback module 260 may evaluate the artificial neural network model through at least one of accuracy, precision, and recall. Accuracy is an indicator that measures how well the results predicted by an artificial neural network model match the actual results. Precision is an indicator that measures the proportion of results predicted to be positive that are actually positive. Recall rate is an indicator that measures the proportion of actual positives predicted by the model as positive. In an embodiment, the feedback module 260 may calculate the accuracy, precision, and recall rate of the artificial neural network model, and evaluate the artificial neural network model based on at least one of the calculated indicators.

실시예에서 피드백 모듈(260)는 인공신경망 모델의 정확도를 평가 데이터셋을 사용하여 측정할 수 있다. 평가 데이터셋은 모델이 학습에 사용하지 않은 데이터로 구성되어 있으며, 모델의 성능을 객관적으로 평가하는 데 사용된다. 실시예에서 피드백 모듈(260)는 평가 데이터셋을 사용하여 인공신경망 모델을 실행하고, 각 입력 데이터에 대한 인공신경망 모델의 예측 값과 해당 데이터의 실제 정답 값을 비교한다. 이후, 비교 결과를 통해, 모델이 얼마나 정확하게 예측하는지를 측정할 수 있다. 예컨대, 피드백 모듈(260)에서 정확도는 전체 데이터 중에서 모델이 맞게 예측한 데이터의 비율로 계산될 수 있다.In an embodiment, the feedback module 260 may measure the accuracy of the artificial neural network model using an evaluation dataset. The evaluation dataset consists of data that the model did not use for learning, and is used to objectively evaluate the model's performance. In an embodiment, the feedback module 260 executes an artificial neural network model using an evaluation dataset and compares the predicted value of the artificial neural network model for each input data with the actual correct value of the data. Afterwards, through the comparison results, you can measure how accurately the model predicts. For example, in the feedback module 260, accuracy may be calculated as the ratio of data correctly predicted by the model among all data.

또한, 피드백 모듈(260)는 정밀도와 재현율의 조화 평균으로 계산되는 지표인 정밀도와 재현율의 균형을 나타내는 지표인 F1 스코어(F1 Score)를 산출하고, 산출된 F1 스코어를 기반으로 인공신경망 모델을 평가하고, 분류 모델의 성능을 그래프로 시각화한 지표인 AUC-ROC 곡선을 생성하고, 생성된 AUC-ROC 곡선을 기반으로 인공신경망 모델을 평가할 수 있다. 실시예에서 피드백 모듈(260)는 ROC 곡선 아래 면적 (AUC)이 1에 가까울수록 모델의 성능이 좋은 것으로 평가할 수 있다. In addition, the feedback module 260 calculates the F1 score, which is an indicator indicating the balance between precision and recall, which is an indicator calculated as the harmonic average of precision and recall, and evaluates the artificial neural network model based on the calculated F1 score. In addition, the AUC-ROC curve, which is an index that visualizes the performance of the classification model in a graph, can be generated, and the artificial neural network model can be evaluated based on the generated AUC-ROC curve. In an embodiment, the feedback module 260 may evaluate the model's performance as better as the area under the ROC curve (AUC) is closer to 1.

또한, 피드백 모듈(260)는 인공신경망 모델의 해석 가능성을 평가할 수 있다. 실시예에서 피드백 모듈(260)는 SHAP (SHapley Additive exPlanations), LIME (Local Interpretable Model-agnostic Explanations) 방법을 통해, 인공신경망 모델의 해석 가능성을 평가한다. SHAP (SHapley Additive exPlanations)는 모델이 예측한 결과에 대한 해석을 제공하는 라이브러리로서, 피드백 모듈(260)는 라이브러리에서 SHAP 값을 추출한다. 실시예에서 피드백 모듈(260)는 SHAP값 추출을 통해, 모델에 입력된 특성정보가 모델 예측에 얼마나 영향을 미쳤는지를 예측할 수 있다.Additionally, the feedback module 260 may evaluate the interpretability of the artificial neural network model. In an embodiment, the feedback module 260 evaluates the interpretability of the artificial neural network model through SHAP (SHapley Additive exPlanations) and LIME (Local Interpretable Model-agnostic Explanations) methods. SHAP (SHapley Additive exPlanations) is a library that provides interpretation of the results predicted by the model, and the feedback module 260 extracts SHAP values from the library. In an embodiment, the feedback module 260 can predict how much the characteristic information input to the model influenced the model prediction by extracting the SHAP value.

LIME (Local Interpretable Model-agnostic Explanations) 방법은 개별 샘플에 대한 모델의 예측을 설명하는 방법이다. 실시예에서 피드백 모듈(260)는 LIME 방법을 통해, 샘플을 해석 가능한 모델로 근사하여 각 특성정보의 중요도를 계산한다. 또한, 피드백 모듈(260)는 모델의 내부 가중치와 편향 값을 분석하여 각 특성 변수의 영향력을 추정할 수 있다. The LIME (Local Interpretable Model-agnostic Explanations) method is a method of explaining model predictions for individual samples. In an embodiment, the feedback module 260 calculates the importance of each characteristic information by approximating the sample to an interpretable model through the LIME method. Additionally, the feedback module 260 can estimate the influence of each characteristic variable by analyzing the internal weight and bias values of the model.

피드백 모듈(260)는 인공신경망 모델의 공정성이 낮거나 차별성을 보이는 경우, 개선 작업을 수행한다. 실시예에서 피드백 모듈(260)는 특정 집단의 데이터가 일정수준 이상 부족한 경우 상기 특정 집단을 대표하는 데이터를 추가로 수집하고, 데이터 전처리 과정을 수행한다. 실시예에서 피드백 모듈(260)는 데이터 정규화, 이상치 제거, 데이터의 배율 조정을 포함하는 데이터 전처리 과정을 수행하여 모델이 불필요한 패턴을 학습하는 것을 방지한다. 또한, 실시예에서 피드백 모듈(260)는 모델 학습 알고리즘에 특정 조건을 추가하여 차별성을 방지하거나, 공정성을 보장할 수 있다. The feedback module 260 performs improvement work when the artificial neural network model shows low fairness or discrimination. In an embodiment, when the data for a specific group is insufficient by a certain level, the feedback module 260 additionally collects data representing the specific group and performs a data preprocessing process. In an embodiment, the feedback module 260 performs a data preprocessing process including data normalization, outlier removal, and data scaling to prevent the model from learning unnecessary patterns. Additionally, in an embodiment, the feedback module 260 may prevent discrimination or ensure fairness by adding a specific condition to the model learning algorithm.

실시예에서 피드백 모듈(260)는 공정성 보장을 위해, 혼돈행렬(Confusion Matrix) 분석을 통해, 모델의 예측 결과를 실제 결과와 비교하여 모델의 성능을 평가한다. 혼돈 행렬(confusion matrix)은 지도 학습에서 모델의 분류 성능을 평가하는 행렬이다. 혼돈 행렬은 모델이 예측한 결과와 실제 결과를 비교하여 분류 결과를 표시한다. 실시예에서 피드백 모듈(260)는 혼돈행렬 분석을 통해, 각각의 클래스에 대한 정확도와 오분류율을 계산하여 모델의 성능을 평가할 수 있다. In the embodiment, the feedback module 260 evaluates the performance of the model by comparing the predicted results of the model with the actual results through confusion matrix analysis to ensure fairness. The confusion matrix is a matrix that evaluates the classification performance of a model in supervised learning. The confusion matrix displays the classification results by comparing the results predicted by the model with the actual results. In an embodiment, the feedback module 260 may evaluate the performance of the model by calculating the accuracy and misclassification rate for each class through confusion matrix analysis.

또한, 실시예에서 피드백 모듈(260)는 학습데이터에 대한 시각화 분석을 통해 데이터의 분포를 확인할 수 있도록 한다. 예를 들어, 이미지 데이터의 경우 각 클래스에 대한 이미지 샘플을 시각화 하여 데이터의 다양성과 공정성을 평가할 수 있다. Additionally, in the embodiment, the feedback module 260 allows the distribution of data to be confirmed through visual analysis of the learning data. For example, in the case of image data, the diversity and fairness of the data can be evaluated by visualizing image samples for each class.

또한, 피드백 모듈(260)는 인공신경망 모델의 편향(Bias) 검증을 수행한다. 실시예에서 피드백 모듈(260)는 학습정보에 대한 편향(Bias) 검증을 통해, 모델이 특정 클래스나 속성에 대해 편향되어 있는지 여부를 확인한다. 이를 위해 피드백 모듈(260)는 각 클래스에 대한 샘플의 수를 비교하거나, 각 클래스에 대한 분류 성능을 평가한다.Additionally, the feedback module 260 performs bias verification of the artificial neural network model. In the embodiment, the feedback module 260 verifies whether the model is biased toward a specific class or attribute through bias verification of the learning information. To this end, the feedback module 260 compares the number of samples for each class or evaluates classification performance for each class.

또한, 피드백 모듈(260)는 공정성(Fairness) 검증 및 평가 지표 계산을 통해, 학습데이터의 공정성과 다양항을 검증하고 인공신경망 모델을 개선할 수 있도록 한다. 실시예에서 공정성 검증은 학습정보에 대해 인공신경망 모델이 성별, 인종, 연령 등의 특정속성에 대해 차별성을 보이는지 여부를 확인하는 것이다. 실시예에서 피드백 모듈(260)는 각 속성에 대한 샘플의 수를 비교하거나, 각 속성에 대한 분류 성능을 평가하여, 특정 속성에 대한 차별성 여부를 확인할 수 있다.In addition, the feedback module 260 verifies the fairness and diversity of the learning data and improves the artificial neural network model through fairness verification and evaluation index calculation. In the embodiment, fairness verification is to check whether the artificial neural network model shows discrimination with respect to specific attributes such as gender, race, and age with respect to the learning information. In an embodiment, the feedback module 260 may check whether a specific attribute is differentiated by comparing the number of samples for each attribute or evaluating classification performance for each attribute.

또한, 피드백 모듈(260)는 인공신경망 모델의 성능을 평가하기 위한 다양한 지표를 계산한다. 예를 들어, 정확도, 정밀도, 재현율, F1-score 등의 지표를 계산하여 모델의 성능을 평가할 수 있다. 이때, 각 클래스에 대한 지표를 계산하여 모델의 공정성과 다양성을 평가할 수 있다.Additionally, the feedback module 260 calculates various indicators to evaluate the performance of the artificial neural network model. For example, you can evaluate model performance by calculating indicators such as accuracy, precision, recall, and F1-score. At this time, the fairness and diversity of the model can be evaluated by calculating indicators for each class.

또한, 피드백 모듈(260)는 인공신경망 모델이 실제 환경에서 사용되면서 발생하는 문제점에 대한 피드백을 수집하고, 수집된 피드백을 인공신경망 모델에 반영하여 인공신경망 모델을 지속적으로 개선한다.In addition, the feedback module 260 collects feedback on problems that occur when the artificial neural network model is used in a real environment, and continuously improves the artificial neural network model by reflecting the collected feedback into the artificial neural network model.

이하에서는 오일, 가스 플랜트 설비 고장 예지 방법에 대해서 차례로 설명한다. 실시예에 따른 오일, 가스 플랜트 설비 고장 예지 방법의 작용(기능)은 위조품 탐지 시스템의 기능과 본질적으로 같은 것이므로 도 1 내지 도 8과 중복되는 설명은 생략하도록 한다. Below, methods for predicting oil and gas plant equipment failures will be explained in turn. Since the operation (function) of the oil and gas plant equipment failure prediction method according to the embodiment is essentially the same as the function of the counterfeit product detection system, descriptions overlapping with FIGS. 1 to 8 will be omitted.

도 9는 실시예에 따른 오일, 가스 플랜트 설비 고장 예지를 위한 데이터 처리 흐름을 나타낸 도면이다.Figure 9 is a diagram showing a data processing flow for predicting oil and gas plant equipment failure according to an embodiment.

도 9를 참조하면, S100 단계에서는 데이터 수집 모듈에서 플랜트 설비내 센서로부터 운영 중 발생되는 데이터를 수집한다. S200 단계에서는 데이터 수집 모듈에서 수집된 데이터를 분석에 용이하게 하기 위해 데이 터를 변환하여 특징 값을 추출하거나 크기를 변환한다. S300 단계에서는 이상징후 판단 모듈에서 변환된 데이터로 설비 상태를 평가한다. S300 단계에서는 조기에 공정 이상 징후를 감지하기 위해, 센서 측정값이 경계치보다 크거나, 변화 패턴이 정상과 다를 때 공정 이상으로 판단 센서 기반 기법, 정상적인 상태의 데이터로 계산한 파라미터와 실제 데이터로 계산한 파라미터가 차이가 크면 공정 이상으로 판단하는 파라미터 분석(Parameter Analysis) 방법 및 정상적인 상태의 데이터로 만든 패턴 인식 모델로 예측한 값과 실제 센서로 측정한 값의 차이가 크면 공정이상 판단하는 잔차 분석(Residual Analysis)방법을 이용하여 설비 상태를 평가하여 이상 징후를 파악할 수 있다. S400 단계에서는 건전성 예측 모듈에서 상태가 저하되었는지 여부를 판별하여 고장을 진단한다. S400 단계에서는 딥러닝 모듈에서 베이시안 네트워크를 통해 변수 간의 인과관계를 확률적으로 분석하여 플랜트 이상징후에 대한 다수의 가능한 원인들을 추출하는 S500 단계에서는 건전성 예측 모듈에서 유효시간(RUL)을 통해 고장이 발생할 시기를 예측한다. 실시예에서 S500 단계는 고장이 발생하기 전의 예측 정 비를 위한 시점을 제시하는 결정 지원 단계 및 대시보드와 같은 인터페이스를 통해 이전 단계에서 발생한 데이터를 사용자 에게 알려주는 사람과 기계간의 인터페이스 단계를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 9, in step S100, the data collection module collects data generated during operation from sensors in plant equipment. In step S200, in order to facilitate analysis of the data collected from the data collection module, the data is converted to extract feature values or convert the size. In step S300, the equipment status is evaluated using data converted from the abnormal symptom judgment module. In the S300 stage, in order to detect signs of process abnormality early, a process abnormality is determined when the sensor measurement value is greater than the threshold or the change pattern is different from normal. Using sensor-based techniques, parameters calculated from normal data and actual data are used. Parameter analysis method, which determines a process abnormality if the difference between calculated parameters is large, and residual analysis, which determines a process abnormality if the difference between the value predicted by a pattern recognition model made from normal data and the value measured by the actual sensor is large. (Residual Analysis) method can be used to evaluate the condition of equipment and identify abnormal signs. In step S400, the health prediction module determines whether the condition has deteriorated and diagnoses the failure. In the S400 stage, the deep learning module probabilistically analyzes causal relationships between variables through a Bayesian network to extract a number of possible causes for plant abnormalities. In the S500 stage, the health prediction module identifies failures through effective time (RUL). Predict when it will happen. In an embodiment, step S500 may include a decision support step that suggests a time for predictive maintenance before a failure occurs, and a human-machine interface step that informs the user of data generated in previous steps through an interface such as a dashboard. You can.

이상에서와 같은 고장유형에 따른 패턴 분석을 통한 고장 예지 진단 시스템 및 방법은 오일 플랜트 시설 설비의 데이터의 상태에 따라 적합한 모델을 선택하여 적용하고 상태를 진단하거나 고장률을 추정하여 예측 정비의 시기를 결정함으로써, 오일 플랜트 시설 설비를 안정적으로 운용할 수 있도록 한다.The failure prediction diagnosis system and method through pattern analysis according to the failure type as described above selects and applies an appropriate model according to the state of the data of the oil plant facility and determines the timing of predictive maintenance by diagnosing the state or estimating the failure rate. By doing so, it is possible to operate oil plant facilities stably.

또한, 실시예를 통해 기존 통계적 기법이 정형 데이터 및 비정형 데이터 미활용에 따라 발생한 낮은 고장 예측률의 한계를 비정형 데이터를 적용한 머신러닝 예측 모델을 적용함으로써, 오일 플랜트 시설 설비의 고장 예측률을 향상시킬 수 있다. In addition, through examples, the failure prediction rate of oil plant facilities can be improved by applying a machine learning prediction model that applies unstructured data to overcome the limitations of the low failure prediction rate caused by the underutilization of structured and unstructured data in existing statistical techniques.

개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.The disclosed content is merely an example, and various modifications and implementations may be made by those skilled in the art without departing from the gist of the claims, so the scope of protection of the disclosed content is limited to the above-mentioned specific scope. It is not limited to the examples.

Claims (10)

오일, 가스 플랜트 설비 고장 예지 시스템에 있어서,
오일, 가스 플랜트 내부에 설치되어, 플랜트 설비 구동 정보를 센싱하는 센서;
상기 센서로부터 수집한 플랜트 설비 구동 정보를 공정 모니터링 정보로 취합하여 분석하고, 딥러닝 알고리즘을 통해 분석 결과에 따라 플랜트 설비 건전성을 예측하는 고장 예지 서버; 및
상기 고장 예지 서버로부터 플랜트 설비의 건전성 예측 결과를 수신하는 관리자 단말; 을 포함하고,
상기 고장 예지 서버; 는
오일, 가스 플랜트 내부에 설치된 센서를 이용하여 공정 모니터링 정보를 실시간으로 수집하는 데이터 수집 모듈;
상기 수집된 공정 모니터링 정보를 분석하여 이상 징후를 감지하는 이상 징후 감지 모듈;
이상징후 감지 결과 및 공정 모니터링 정보를 학습 데이터 셋으로 이용하여 플랜트 설비 고장 예지 모델을 구현하는 딥러닝 모듈;
상기 플랜트 설비 고장 예지 모델에 공정 모니터링 정보를 입력하여 오일, 가스 플랜트 설비의 건전성을 예측하는 건전성 예측 모듈; 및
데이터 건전성 예측 범위 및 이상 감지 결과에 시각적 효과 및 객체를 매칭하여 출력하는 디스플레이 모듈; 을 포함하고
상기 고장 예지 서버; 는
이상진단을 위한, 플랜트 설비 구동 정보를 포함하는 이상진단 데이터를 전처리하여, 고장 예지 모델이 예측한 이상점수와 기준 간의 차이를 바탕으로 태그 별 이상치 심각도를 산출하고, 산출된 태그 별 이상치 심각도를 오름차순 또는 내림차순으로 정렬하여, 심각도 상위 태그에 기반하여 점검 태그를 추천하고,
상기 이상 징후 감지 모듈; 은
조기에 공정 이상 징후를 감지하기 위해, 센서 측정값이 경계치보다 크거나, 변화 패턴이 정상과 다를 때 공정 이상으로 판단 센서 기반 기법, 정상적인 상태의 데이터로 계산한 파라미터와 실제 데이터로 계산한 파라미터가 차이가 크면 공정 이상으로 판단하는 파라미터 분석(Parameter Analysis) 방법 및 정상적인 상태의 데이터로 만든 패턴 인식 모델로 예측한 값과 실제 센서로 측정한 값의 차이가 크면 공정이상 판단하는 잔차 분석(Residual Analysis)방법을 통해 이상징후를 파악하고
상기 이상 징후 감지 모듈; 은
플랜트 운전 컴퓨터인 DCS(Distributed Control System)에서 운전 변수가 제1임계치 및 제2임계치 경계를 벗어날 때 경보를 발행하는 패턴 인식 기법을 통해 이상 징후를 파악하고
상기 딥러닝 모듈; 은
베이시안 네트워크를 통해 변수 간의 인과관계를 확률적으로 분석하여 플랜트 이상징후에 대한 다수의 가능한 원인들을 추출하고,
상기 이상징후 감지모듈; 은
평균 제곱 오차(Mean Squared Error, MSE)나 결정 계수(R-squared) 를 포함하는 모델의 성능 지표를 통해, 모델을 평가하고, 센서, 설비, 공정의 데이터를 기반으로 잔차 분석에 적합한 모델을 선택하고,
선택된 모델 학습 후, 실제 관측값과 모델이 예측한 값을 뺀 값인 잔차를 산출하고 산출된 잔차를 시각화 하고,
잔차의 정규성, 등분산성, 독립성을 확인하기 위해, 중점잔차가 정규분포를 따르는지 확인하고, 잔차가 일정한 분산을 가지는지 확인하고 잔차들이 서로 독립적인지를 판단하고,
상기 이상 징후 감지 모듈; 은
잔차 분석을 결과를 이용하여, 잔차가 일정 수준 이상인 값이나, 패턴이 일정하지 않은 잔차들을 이상치의 가능성이 있는 잔차로 판단하고,
상기 이상 징후 감지 모듈; 은
플랜트 운전 컴퓨터인 DCS(Distributed Control System)에서 운전 변수가 제1임계치(high value) 및 제2임계치(low value) 경계를 벗어날 때 경보를 발행하는 패턴 인식 기법을 통해 이상 징후를 파악하고,
상기 이상징후 감지 모듈; 은
C-MAPSS(Commercial Modular Aero-Propulsion System Simulation)의 식별 정보와 센서 데이터 및 인공지능 모델을 통해 고장률 및 유효시간을 추정하고, 추정한 고장률과 예측한 유효시간(RUL, Remaining Useful Life)을 사용하여 정비 시기를 결정하고,
상기 이상징후 감지 모듈; 은
분석해야 하는 데이터의 상태를 가정하기 위해 One-Class SVM 기반 진단 모델을 통해, C-MAPSS에 이상치를 추가하여 고장 데이터를 생성하고
상기 센서는
온도, 압력 측정 센서, 베어링 온도, 진동 측정 센서를 포함하고, 센서로부터 수집되는 공정 모니터링 정보는 각 설비의 작동압력(Operating Pressure) 온도(Temp), 알람 셧다운 포인트(Alarm Shutdown Point) 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 플랜트 설비 고장 예지 시스템.
In the oil and gas plant equipment failure prediction system,
Sensors installed inside oil and gas plants to sense plant equipment operation information;
A failure prediction server that collects and analyzes plant equipment operation information collected from the sensor into process monitoring information and predicts plant equipment health according to the analysis results through a deep learning algorithm; and
A manager terminal receiving a health prediction result of plant equipment from the failure prediction server; Including,
the failure prediction server; Is
A data collection module that collects process monitoring information in real time using sensors installed inside oil and gas plants;
An abnormality detection module that detects abnormalities by analyzing the collected process monitoring information;
A deep learning module that implements a plant equipment failure prediction model using abnormal symptom detection results and process monitoring information as a learning data set;
a health prediction module that predicts the health of oil and gas plant equipment by inputting process monitoring information into the plant equipment failure prediction model; and
A display module that matches and outputs visual effects and objects to the data health prediction range and abnormality detection results; contains
the failure prediction server; Is
For abnormality diagnosis, abnormality diagnosis data including plant equipment operation information is pre-processed, and the severity of outliers for each tag is calculated based on the difference between the abnormality score predicted by the failure prediction model and the standard. The severity of outliers for each tag is calculated in ascending order. Or sort in descending order and recommend inspection tags based on the highest severity tags,
The abnormality detection module; silver
In order to detect signs of process abnormalities early, process abnormalities are determined when sensor measurements are greater than the threshold or change patterns are different from normal. Sensor-based techniques, parameters calculated from normal data and parameters calculated from actual data Parameter Analysis, which determines a process abnormality if the difference is large, and Residual Analysis, which determines a process abnormality if the difference between the value predicted by a pattern recognition model made from normal data and the value measured by the actual sensor is large. ) method to identify abnormal signs and
The abnormality detection module; silver
DCS (Distributed Control System), a plant operation computer, identifies abnormal signs through a pattern recognition technique that issues an alarm when operating variables exceed the boundaries of the first and second thresholds.
The deep learning module; silver
By probabilistically analyzing causal relationships between variables through a Bayesian network, a number of possible causes for plant abnormalities are extracted.
The abnormality detection module; silver
Evaluate models through model performance indicators, including mean squared error (MSE) or coefficient of determination (R-squared), and select a model suitable for residual analysis based on data from sensors, facilities, and processes. do,
After learning the selected model, calculate the residual, which is the value obtained by subtracting the actual observed value from the value predicted by the model, and visualize the calculated residual.
In order to check the normality, homoscedasticity, and independence of the residuals, check whether the midpoint residuals follow a normal distribution, check whether the residuals have a certain variance, and determine whether the residuals are independent of each other.
The abnormality detection module; silver
Using the results of residual analysis, values with residuals above a certain level or residuals with inconsistent patterns are judged as residuals with the possibility of being outliers.
The abnormality detection module; silver
DCS (Distributed Control System), a plant operation computer, identifies abnormal signs through a pattern recognition technique that issues an alarm when operating variables exceed the boundaries of the first threshold (high value) and second threshold (low value).
The abnormality detection module; silver
The failure rate and effective time are estimated using the identification information of C-MAPSS (Commercial Modular Aero-Propulsion System Simulation), sensor data, and artificial intelligence model, and the estimated failure rate and predicted effective time (RUL, Remaining Useful Life) are used to estimate the failure rate and useful life. Decide on maintenance time,
The abnormality detection module; silver
In order to assume the state of the data to be analyzed, failure data is generated by adding outliers to C-MAPSS through a One-Class SVM-based diagnostic model.
The sensor is
It includes temperature and pressure measurement sensors, bearing temperature, and vibration measurement sensors, and the process monitoring information collected from the sensors includes operating pressure, temperature, and alarm shutdown point data of each facility. A plant equipment failure prediction system characterized by:
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 딥러닝 모듈; 은
DNN(Deep Neural Network), CNN(Convolutional Neural Network) RNN(Recurrent Neural Network) 및 BRDNN(Bidirectional Recurrent Deep Neural Network), 베이시안 네트워크(Bayesian network) 중 적어도 하나를 포함하는 딥러닝 뉴럴 네트워크를 공정모니터링 정보 및 이상징후 감지 정보를 포함하는 트레이닝 데이터 셋으로 학습시켜 건전성 예측 모델을 구현하는 것을 특징으로 하는 플랜트 설비 고장 예지 시스템.



The method of claim 1, further comprising: the deep learning module; silver
Process monitoring information for deep learning neural networks including at least one of DNN (Deep Neural Network), CNN (Convolutional Neural Network), RNN (Recurrent Neural Network), BRDNN (Bidirectional Recurrent Deep Neural Network), and Bayesian network. and a plant equipment failure prediction system that implements a health prediction model by learning with a training data set containing abnormal symptom detection information.



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