KR20200043196A - Deep learning based analysis method and device for remaining useful lifetime of equipment or parts using vibration signals - Google Patents

Deep learning based analysis method and device for remaining useful lifetime of equipment or parts using vibration signals Download PDF

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KR20200043196A
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Abstract

Disclosed is an apparatus of predicting a remaining useful lifetime (RUL), which has more efficient and precise performance than that of the conventional ones. According to the present invention, the apparatus of predicting an RUL comprises: a data conversion unit converting each of a plurality of one-dimensional vibration signals into a two-dimensional image; a prediction model generation unit using the plurality of two-dimensional images generated by the data conversion unit as input data to allow an artificial neural network (ANN) model, which outputs a health indicator (HI), to learn; and an RUL prediction unit using the ANN model, which has learned, to predict the RUL of a target facility for prediction or a target part for prediction. The data conversion unit performs continuous wavelet transform (CWT) on each of the one-dimensional vibration signals to generate the two-dimensional images.

Description

진동 신호를 이용하여 설비 또는 부품의 잔여 수명을 예측하는 딥러닝 기반의 분석 장치 및 방법{DEEP LEARNING BASED ANALYSIS METHOD AND DEVICE FOR REMAINING USEFUL LIFETIME OF EQUIPMENT OR PARTS USING VIBRATION SIGNALS}DEEP LEARNING BASED ANALYSIS METHOD AND DEVICE FOR REMAINING USEFUL LIFETIME OF EQUIPMENT OR PARTS USING VIBRATION SIGNALS}

본 발명은 설비나 부품으로부터 수집되는 진동 신호(vibration signals)를 분석하여 잔여 수명(Remaining Useful Lifetime, RUL)을 예측하는 기법에 관한 것으로, 특히 진동 센서를 부착해 지속적으로 신호를 수집할 수 있는 모든 설비 또는 부품에 본 발명이 적용될 수 있으며, 특히 진동 신호를 기반으로 상태나 수명을 측정하는 베어링과 같은 부품의 교체 시기 등을 예측하고 결정할 수 있다.The present invention relates to a technique for predicting a residual useful life (RUL) by analyzing vibration signals collected from a facility or a part, and in particular, it is possible to continuously collect signals by attaching a vibration sensor. The present invention can be applied to a facility or a part, and in particular, it is possible to predict and determine when to replace a part, such as a bearing, which measures a condition or life based on a vibration signal.

잔여 수명 예측 기술은 건전성 예측 관리(Prognostics and Health Management, PHM) 분야에서 활발히 연구되고 있으며, 최근 스마트 공장(smart factory)이 대두되면서 더욱 중요하게 떠오르고 있다. 잔여 수명 예측은 주로 항공 산업, 원자력 발전, 자동차 산업, 반도체/디스플레이와 같은 첨단 산업 등에서 유용하게 사용될 수 있다. 주로 갑작스러운 이상이나 고장 발생 시에 치명적인 손상이 예상되는 설비나 부품에 적용되며, 지속해서 모니터링하면서 자료를 수집 및 분석하여 기계의 고장과 수명을 예측함으로써 예측 유지보수(Predictive Maintenance, PdM)하고자 한다. 잔여 수명 예측 기술을 적절히 활용하면 불필요한 설비의 유지보수를 감소시켜 유지비용을 절감하고 고장을 예측함으로써 안전성을 향상시킬 수 있다. 특히, 진동 모니터링의 경우 기계의 전반적인 상태를 추정하기에 간편하고 정확하여 보편적으로 널리 사용된다. 따라서, 본 발명에서는 진동 신호 기반의 잔여 수명 예측을 위한 방법 및 시스템을 제안하며, 기존 연구들에서의 단점을 개선하기 위해 최근 데이터 분석 정확도 향상에 크게 이바지하고 있는 딥러닝(deep learning) 기법을 접목해 잔여 수명 예측의 성능을 향상시키고자 한다.Residual life prediction technology is being actively researched in the field of health predictive management (PHM), and has recently emerged as a more important factor in the emergence of smart factories. Residual life prediction can be useful mainly in the aviation industry, nuclear power generation, automotive industry, high-tech industries such as semiconductor / display, etc. It is mainly applied to facilities or parts that are expected to be fatally damaged in the event of a sudden abnormality or failure, and continuously monitors to collect and analyze data to predict the failure and life of the machine to predict predictive maintenance (PdM). . Proper use of the residual life prediction technology can reduce unnecessary equipment maintenance, reduce maintenance costs, and predict failures to improve safety. In particular, vibration monitoring is widely used because it is simple and accurate to estimate the overall condition of the machine. Therefore, the present invention proposes a method and system for predicting residual life based on a vibration signal, and incorporates a deep learning technique that greatly contributes to improving the accuracy of recent data analysis to improve the shortcomings in existing studies. We want to improve the performance of the residual life prediction.

대한민국 공개특허 제2018-0040452호 (2018.04.20. 공개)Republic of Korea Patent Publication No. 2018-0040452 (published April 20, 2018) 미합중국 등록특허 제9,797,328호 (2017.10.24. 등록)United States Registered Patent No. 9,797,328 (October 24, 2017 registered) 미합중국 등록특허 제8,903,750호 (2014.03.04. 등록)U.S. Registered Patent No. 8,903,750 (registered on March 4, 2014)

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 기존의 방법들보다 효율적이고 정확한 성능을 갖는, 진동 신호를 활용한 잔여 수명 예측 기법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a residual life prediction method using a vibration signal, which has more efficient and accurate performance than existing methods.

본 발명의 일 실시 예에 따른 잔여 수명 예측 장치는 복수의 1차원 진동 신호들 각각을 2차원 이미지로 변환하는 데이터 변환부, 상기 데이터 변환부에 의해 생성된 복수의 2차원 이미지들을 입력 데이터로 이용하여 건강 지표(Health Indicator, HI)를 출력하는 ANN(Artificial Neural Network, 인공 신경망) 모델을 학습시키는 예측 모델 생성부, 및 학습된 ANN 모델을 이용하여 예측 대상 설비 또는 예측 대상 부품의 잔여 수명(Remaining Useful Lifetime, RUL)을 예측하는 잔여 수명 예측부를 포함하고, 상기 데이터 변환부는 상기 1차원 진동 신호들 각각을 연속 웨이블릿 변환(Continuous Wavelet Transform, CWT)하여 상기 2차원 이미지들을 생성하는 것을 특징으로 한다.The residual life prediction apparatus according to an embodiment of the present invention uses a data conversion unit to convert each of a plurality of 1D vibration signals into a 2D image, and a plurality of 2D images generated by the data conversion unit as input data. Predictive model generator to train ANN (Artificial Neural Network) model that outputs a health indicator (HI), and residual life of the predicted equipment or predicted component using the trained ANN model (Remaining And a residual life prediction unit for predicting Useful Lifetime (RUL), wherein the data transformation unit generates the two-dimensional images by performing continuous wavelet transformation (CWT) on each of the one-dimensional vibration signals.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 잔여 수명 예측 방법은 잔여 수명 예측 장치에 의해 수행되고, 상기 잔여 수명 예측 장치에 포함되는 데이터 변환부가 복수의 1차원 진동 신호들 각각을 2차원 이미지로 변환하는 단계, 상기 잔여 수명 예측 장치에 포함되는 예측 모델 생성부가 상기 데이터 변환부에 의해 생성된 복수의 2차원 이미지들을 입력 데이터로 이용하여 건강 지표(HI)를 출력하는 CNN 모델을 학습시키는 단계, 상기 잔여 수명 예측 장치에 포함되는 잔여 수명 예측부가 학습된 CNN 모델을 이용하여 예측 대상 설비 또는 예측 대상 부품의 잔여 수명(RUL)을 예측하는 단계를 포함하고, 상기 2차원 이미지로 변환하는 단계는 상기 1차원 진동 신호들 각각을 연속 웨이블릿 변환(CWT)하여 상기 2차원 이미지들을 생성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the residual life prediction method according to an embodiment of the present invention is performed by the residual life prediction apparatus, and the data conversion unit included in the residual life prediction apparatus converts each of a plurality of one-dimensional vibration signals into a two-dimensional image Step, learning a CNN model that outputs a health indicator (HI) by using a plurality of two-dimensional images generated by the data conversion unit as a prediction model generator included in the residual life prediction apparatus as input data, the residual And predicting a residual life (RUL) of a prediction target facility or a prediction target part using a CNN model in which the residual life prediction unit included in the life prediction apparatus is trained, and converting the 2D image into the 2D image comprises: Each of the vibration signals is characterized by generating a continuous wavelet transform (CWT) to generate the two-dimensional images.

본 발명의 실시 예에 따른 잔여 수명 예측 방법에 의할 경우, 딥러닝 기법을 적용함으로써 하나의 신호에서 자동으로 잔여 수명 예측에 필요한 특질을 탐색하여 추출할 수 있다.According to the method for predicting residual life according to an embodiment of the present invention, by applying a deep learning technique, a feature required for prediction of residual life can be automatically searched and extracted from one signal.

또한, 본 발명에서는 진동 신호를 시간-주파수 도메인의 정보를 담고 있는 2차원 이미지로 변환하여 사용함으로써 보다 효율적으로 딥러닝 기법을 활용할 수 있다.In addition, in the present invention, a deep learning technique can be utilized more efficiently by converting and using a vibration signal into a two-dimensional image containing information in a time-frequency domain.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 잔여 수명 예측 장치의 기능 블럭도이다.
도 2는 설비 또는 부품으로부터 감지된 진동 신호의 일 예를 도시한다.
도 3은 진동 신호와 연속 웨이블릿 변환(CWT)에 의해 생성된 웨이블릿 파워 스펙트럼(wavelet power spectrum)의 등고선 선도(contour plot)를 도시한다.
도 4는 도 1에 도시된 예측 모델 생성부(300)에 의해 생성된 CNN 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 예측 모델 생성부에 의해 생성된 예측 모델의 잔여 수명 예측 동작을 설명하기 위한 도면으로서, 특정 부품의 추정된 건강 지표(estimated HI)와 예측된 건강 지표(predicted HI)를 도시한다.
도 6은 도 1에 도시된 잔여 수명 예측 장치에 의해 수행되는 잔여 수명 예측 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
In order to better understand the drawings cited in the detailed description of the present invention, detailed descriptions of each drawing are provided.
1 is a functional block diagram of an apparatus for predicting residual life according to an embodiment of the present invention.
2 shows an example of a vibration signal detected from a facility or component.
3 shows a contour plot of a wavelet power spectrum generated by a vibration signal and a continuous wavelet transform (CWT).
4 is a diagram for explaining a CNN model generated by the prediction model generator 300 shown in FIG. 1.
FIG. 5 is a diagram for explaining a residual life prediction operation of the predictive model generated by the predictive model generator shown in FIG. 1, which is an estimated health indicator (estimated HI) and a predicted health indicator (predicted HI) of a specific component. It shows.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a residual life prediction method performed by the residual life prediction apparatus illustrated in FIG. 1.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the concept of the present invention disclosed in this specification are exemplified only for the purpose of explaining the embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments according to the concept of the present invention It can be implemented in various forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Embodiments according to the concept of the present invention can be applied to various changes and can have various forms, so the embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosure forms, and includes all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are only for the purpose of distinguishing one component from other components, for example, without departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, the first component can be referred to as the second component and similarly the second The component may also be referred to as the first component.

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that other components may be directly connected to or connected to the other component, but other components may exist in the middle. It should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle. Other expressions describing the relationship between the components, such as "between" and "immediately between" or "adjacent to" and "directly neighboring to," should be interpreted similarly.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that there are features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described herein, one or more other features. It should be understood that the presence or addition possibilities of fields or numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined herein. Does not.

이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. The same reference numerals in each drawing denote the same members.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 잔여 수명 예측 장치의 기능 블럭도이다.1 is a functional block diagram of an apparatus for predicting residual life according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 잔여 수명 예측 장치(10)는 데이터 변환부(100), 예측 모델 생성부(300) 및 잔여 수명 예측부(500)를 포함한다. 실시 예에 따라, 잔여 수명 예측 장치(10)는 저장부(700)를 더 포함할 수도 있다. 잔여 수명 예측 장치(10)는 복수의 진동 신호들을 이용하여 예측 모델을 생성하고, 생성된 예측 모델을 이용하여 예측 대상 진동 신호가 발생한 설비 또는 부품의 잔여 수명(Remaining Useful Lifetime, RUL)을 예측할 수 있다.Referring to FIG. 1, the residual life prediction apparatus 10 includes a data conversion unit 100, a prediction model generation unit 300, and a residual life prediction unit 500. According to an embodiment, the residual life prediction apparatus 10 may further include a storage unit 700. The residual life prediction apparatus 10 may generate a prediction model using a plurality of vibration signals, and predict the residual useful life (RUL) of a facility or component where a prediction target vibration signal is generated using the generated prediction model. have.

데이터 변환부(100)는 특정 설비 또는 상기 특정 설비를 구성하는 특정 부품에 설치된 진동 센서로부터 출력된 복수의 진동 신호들 각각을 2차원 이미지(또는 2차원 이미지 데이터)로 변환할 수 있다. 구체적으로, 데이터 변환부(100)는 1차원의 진동 신호로부터 시간-주파수 도메인 영역의 특질을 추출하고, 추출된 특질을 시간축과 주파수축으로 이루어진 2차원 이미지로 변환할 수 있다. 여기서, 상기 특질은 웨이블릿 계수(wavelet coefficients)를 의미할 수 있으며, 하나의 진동 신호는 하나의 이미지로 변환될 수 있다.The data converter 100 may convert each of a plurality of vibration signals output from a vibration sensor installed in a specific facility or a specific component constituting the specific facility into a two-dimensional image (or two-dimensional image data). Specifically, the data converter 100 may extract a characteristic of the time-frequency domain region from a one-dimensional vibration signal, and convert the extracted characteristic into a two-dimensional image composed of a time axis and a frequency axis. Here, the characteristic may mean wavelet coefficients, and one vibration signal may be converted into one image.

또한, 데이터 변환부(100)는 잔여 수명(RUL)을 예측하기 위하여 예측 대상 진동 신호를 2차원 이미지 신호로 변환할 수도 있다.Also, the data converter 100 may convert the predicted vibration signal into a two-dimensional image signal in order to predict the residual life (RUL).

예측 모델 생성부(300)는 설비 또는 부품의 잔여 수명(RUL)을 예측할 수 있는 예측 모델을 생성할 수 있다. 구체적으로, 예측 모델 생성부(300)는 ANN(Artificial Neural Network, 인공 신경망) 모델을 생성하고, 데이터 변환부(100)에 의해 생성된 2차원 이미지들을 이용하여 상기 ANN 모델을 학습할 수 있다. 상기 ANN은 CNN(Convolutional Neural Network, 콘볼루션 신경망)일 수 있으나, 본 발명이 권리 범위가 반드시 인공 신경망의 종류에 제한되는 것은 아니다. 또한, 예측 모델 생성부(300)는 소정의 예측 알고리즘, 예컨대 GPR 알고리즘(Gaussian Process Regression algorithm)을 이용하여 설비 또는 부품의 잔여 수명을 예측할 수 있다. 즉, 예측 모델 생성부(300)에 의해 생성된 예측 모델은 ANN 모델(또는 CNN 모델)과 GPR 알고리즘을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.The predictive model generator 300 may generate a predictive model capable of predicting a residual life (RUL) of equipment or parts. Specifically, the prediction model generator 300 may generate an ANN (Artificial Neural Network) model, and train the ANN model using the two-dimensional images generated by the data converter 100. The ANN may be a convolutional neural network (CNN), but the scope of the present invention is not necessarily limited to the type of artificial neural network. In addition, the prediction model generator 300 may predict a residual life of a facility or component using a predetermined prediction algorithm, for example, a GPR algorithm (Gaussian Process Regression algorithm). That is, the prediction model generated by the prediction model generator 300 may be understood as a concept including an ANN model (or CNN model) and a GPR algorithm.

잔여 수명 예측부(500)는 예측 대상 설비 또는 예측 대상 부품에 설치된 진동 센서에 의해 측정된 진동 신호를 기초로 상기 예측 대상 설비 또는 상기 예측 대상 부품의 잔여 수명(RUL)을 예측할 수 있다. 구체적으로, 예측 대상 설비 또는 예측 대상 부품의 진동 신호는 데이터 변환부(100)에 의해 2차원 이미지로 변환되고, 잔여 수명 예측부(500)는 상기 2차원 이미지를 예측 모델 생성부(300)에 의해 생성된 예측 모델의 입력으로 이용함으로써 예측 대상 설비 또는 예측 대상 부품의 잔여 수명(RUL)을 예측할 수 있다.The residual life prediction unit 500 may predict the residual life (RUL) of the predicted equipment or the predicted component based on the vibration signal measured by the vibration sensor installed in the predicted equipment or the predicted component. Specifically, the vibration signal of the prediction target facility or the prediction target component is converted into a two-dimensional image by the data conversion unit 100, and the residual life prediction unit 500 transmits the two-dimensional image to the prediction model generation unit 300. The residual life (RUL) of a predicted equipment or a predicted component can be predicted by using it as an input of the predictive model generated by the predicted model.

저장부(700)에는 복수의 진동 신호들, 데이터 변환부(100)에 의해 생성된 복수의 2차원 이미지들, 예측 대상 진동 신호, 상기 예측 대상 진동 신호로부터 생성된 2차원 이미지, 예측 모델 생성부(300)에 의해 생성된 예측 모델, 평가 대상 설비 또는 평가 대상 부품에서 발생한 진동 신호 등이 저장될 수 있다.The storage unit 700 includes a plurality of vibration signals, a plurality of two-dimensional images generated by the data conversion unit 100, a prediction target vibration signal, a two-dimensional image generated from the prediction target vibration signal, and a prediction model generator The predictive model generated by the 300, the vibration signal generated from the evaluation target facility or the evaluation target component may be stored.

도 2는 설비 또는 부품으로부터 감지된 진동 신호의 일 예를 도시한다.2 shows an example of a vibration signal detected from a facility or component.

도 2에 도시된 진동 신호는 특정 베어링(bearing)에서 전체 수명(whole lifetime)에 걸쳐 측정된 진동 신호이다. 시간 도메인(time domain)의 진동 신호에서, 가로축과 세로축은 각각 시간(time)과 진동의 크기(vibration amplitude)를 나타낸다. 중력 가속도(acceleration of gravity)를 나타내는 단위 [g]는 크기를 정의하기 위해 사용될 수 있다. 여기서 1g는 9.81 m/s2와 같다. 진동 신호의 크기는 시간이 흐름에 따라 점진적으로 증가하는 경향을 보이는데, 이는 진동 신호가 진단과 예측을 위한 많은 정보를 포함하고 있음을 의미한다.The vibration signal shown in FIG. 2 is a vibration signal measured over the whole lifetime in a specific bearing. In the vibration signal of the time domain, the horizontal axis and the vertical axis represent time and vibration amplitude, respectively. The unit [g] representing the acceleration of gravity can be used to define the size. Where 1 g is equal to 9.81 m / s 2 . The magnitude of the vibration signal tends to increase gradually with time, which means that the vibration signal contains a lot of information for diagnosis and prediction.

본 발명에서는 진동 신호로부터 특질(예컨대, 이미지 특질들(image features))을 추출하기 위하여 연속 웨이블릿 변환(continuous wavelet transform, CWT)을 사용하고자 한다. 실시 예에 따라, 연속 웨이블릿 변환은 Morlet-based CWT일 수 있다.In the present invention, a continuous wavelet transform (CWT) is used to extract features (eg, image features) from a vibration signal. According to an embodiment, the continuous wavelet transform may be a Morlet-based CWT.

도 3은 진동 신호와 연속 웨이블릿 변환(CWT)에 의해 생성된 웨이블릿 파워 스펙트럼(wavelet power spectrum)의 등고선 선도(contour plot)를 도시한다. 25.6 kHz의 주파수로 0.1 s 간격으로 샘플링된 진동 신호는 2560 개의 데이터 포인트를 갖는다.FIG. 3 shows a contour plot of the wavelet power spectrum generated by the vibration signal and continuous wavelet transform (CWT). The vibration signal sampled at 0.1 s intervals at a frequency of 25.6 kHz has 2560 data points.

도 3a는 정상 상태(normal condition)인 부품의 진동 신호를 도시하고, 도 3c는 수명이 다한 상태(fault condition)인 부품의 진동 신호를 도시한다. 부품의 수명이 다한 경우, 진동 신호의 크기가 -30 g에서 30 g 사이에 분포하며, 이는 정상 상태에서의 진동 신호에 비해 매우 큼을 알 수 있다. 웨이블릿 파워 스펙트럼에서, 가로축과 세로축은 각각 시간(time)과 주파수(frequency)를 나타낸다. 각 포인트의 색(color)은 시간-주파수 격자(time-frequency grid)에서 웨이블릿 계수(wavelet coefficients)의 크기(magnitude)를 나타낸다. 예컨대, 빨강색(red color)은 에너지 레벨(energy level)이 높음을 의미한다. 도 3의 (b)를 참조하면, 베어링이 정상 조건에서 동작하고 있을 때 에너지의 대부분은 4 kHz 주위에 집중되어 있으며, 에너지 분포에서 명확한 주기성이 없음을 알 수 있다. 반면에, 도 3의 (d)를 참조하면, 약 0.25 kHz에서 8 kHz를 초과하는 지점까지의 범위에서 에너지 버스트(energy bursts)를 보여준다. 0.25 kHz와 1 kHz 사이의 주파수 대역(frequency band)에서 정규 간격(regular interval)으로 충격이 발생한다. 저주파 대역에서 높은 에너지가 관찰되는 경우, 이는 베어링의 수명이 다해감을 의미할 수 있다. FIG. 3A shows the vibration signal of a component in a normal condition, and FIG. 3C shows the vibration signal of a component in a fault condition. When the parts have reached the end of their service life, the magnitude of the vibration signal is distributed between -30 g and 30 g, which can be seen to be very large compared to the vibration signal in the steady state. In the wavelet power spectrum, the horizontal and vertical axes represent time and frequency, respectively. The color of each point represents the magnitude of wavelet coefficients in a time-frequency grid. For example, red color means that the energy level is high. Referring to FIG. 3 (b), it can be seen that most of the energy is concentrated around 4 kHz when the bearing is operating under normal conditions, and there is no clear periodicity in the energy distribution. On the other hand, referring to (d) of FIG. 3, energy bursts are shown in a range from about 0.25 kHz to a point exceeding 8 kHz. Shock occurs at regular intervals in the frequency band between 0.25 kHz and 1 kHz. When high energy is observed in the low frequency band, this may mean that the life of the bearing is close.

상술한 바와 같이, 데이터 변환부(100)는 1차원의 진동 신호를 2차원의 이미지로 변환할 수 있다. 상기 2차원 이미지는 시간축과 주파수축으로 이루어진 직각 좌표계에서 웨이블릿 계수를 그 크기에 대응되는 색으로 표시함으로써 생성될 수 있다. 즉, 2차원의 이미지는 웨이블릿 파워 스팩트럼을 의미할 수 있다.As described above, the data converter 100 may convert a one-dimensional vibration signal into a two-dimensional image. The two-dimensional image may be generated by displaying a wavelet coefficient in a color corresponding to its size in a rectangular coordinate system consisting of a time axis and a frequency axis. That is, the 2D image may mean a wavelet power spectrum.

도 4는 도 1에 도시된 예측 모델 생성부(300)에 의해 생성된 CNN 모델을 설명하기 위한 도면이다.4 is a diagram for explaining a CNN model generated by the prediction model generator 300 shown in FIG. 1.

도 4를 참조하면, 예측 모델 생성부(300)는 CNN(Convolutional neural network) 모델을 생성할 수 있다. 특질 추출(feature extraction)을 위하여, 상기 CNN 모델에는 교대로(alternately) 연결된 4 개의 콘볼루션 레이어들(convolutional layers)과 4 개의 풀링 레이어들(pooling layers)이 포함된다. 콘볼루션 레이어의 필터 사이즈(filter size)는 3×3이고, 최대 풀링 레이어(max pooling layer)의 필터 사이즈는 2×2이다. 4 개의 콘볼루션 레이어들 각각의 채널(channel)은 32, 64, 128, 256이다. CNN 모델의 최종 레이어는 플랫튼 레이어(flatten layer), 2 개의 풀리 컨넥티드 레이어(fully connected layer) 및 출력 레이어(output layer)를 포함한다. 콘볼루션 레이어들을 거친 후, 2차원 특질 맵(feature map)은 평탄화되고(flattened) 풀리 컨넥티드 레이어에 연결된다. 풀리 컨넥티드 레이어들에서, 2560 개와 768 개의 노드들이 각각 선택된다. 마지막으로, 건강 지표(health indicator, HI)를 획득하기 위해 마지막 풀리 컨넥티드 레이어와 출력 뉴런(output neuron)이 연결된다. ReLU 함수는 콘볼루션 레이어와 풀리 컨넥티드 레이어에 적용되고, 건강 지표(HI)의 값을 0과 1 사이(0과 1을 포함할 수도 있음)의 값으로 정규화하기 위해 출력 레이어에서는 sigmoid 함수가 이용될 수 있다. 파라미터 설정이 완료된 후 CNN 모델은 수학식 1로 표현되는 손실 함수(loss function)를 최소화하기 위해 학습된다. 즉, 예측 모델 생성부(300)는 데이터 변환부(100)에 의해 생성된 이미지 데이터를 이용하여 CNN 모델을 학습할 수 있다.Referring to FIG. 4, the prediction model generator 300 may generate a convolutional neural network (CNN) model. For feature extraction, the CNN model includes four alternately connected convolutional layers and four pooling layers. The filter size of the convolution layer is 3 × 3, and the filter size of the max pooling layer is 2 × 2. The channels of each of the four convolutional layers are 32, 64, 128, and 256. The final layer of the CNN model includes a flatten layer, two fully connected layers and an output layer. After going through the convolutional layers, the two-dimensional feature map is flattened and connected to the pulley connected layer. In the pulley connected layers, 2560 and 768 nodes are selected respectively. Finally, the last pulley connected layer and the output neuron are connected to obtain a health indicator (HI). The ReLU function is applied to the convolutional layer and the pulley connected layer, and the sigmoid function is used in the output layer to normalize the value of the health indicator (HI) to a value between 0 and 1 (may include 0 and 1). Can be. After the parameter setting is completed, the CNN model is trained to minimize the loss function represented by Equation (1). That is, the prediction model generator 300 may train the CNN model using the image data generated by the data converter 100.

Figure pat00001
Figure pat00001

수학식 1에서,

Figure pat00002
는 시간
Figure pat00003
에서 CNN 모델의 예측값(predicted value)이고
Figure pat00004
는 실제값(actual value)이며,
Figure pat00005
는 고장 시간(즉, 설비 또는 부품의 수명)을 의미한다.In Equation 1,
Figure pat00002
The time
Figure pat00003
Is the predicted value of the CNN model
Figure pat00004
Is the actual value,
Figure pat00005
Means failure time (i.e., the life of the equipment or parts).

도 5는 도 1에 도시된 예측 모델 생성부에 의해 생성된 예측 모델의 잔여 수명 예측 동작을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 도 5는 특정 부품의 추정된 건강 지표(estimated HI)와 예측된 건강 지표(predicted HI)를 도시한다.FIG. 5 is a diagram for describing a residual life prediction operation of the prediction model generated by the prediction model generation unit illustrated in FIG. 1. That is, Figure 5 shows the estimated health index (estimated HI) and the predicted health index (predicted HI) of a particular component.

CNN 모델에 의한 건강 지표(HI)가 획득되면(계산되면), 잔여 수명(RUL)을 예측하기 위하여 GPR 알고리즘(Gaussian Process Regression algorithm)이 사용된다. GPR 알고리즘(또는 GPR 모델)은 커널기반의 기계 학습 기법(kernel-based machine learning technique)의 일종이다. 본 발명에서, 평균(average)과 공분산 함수들(covariance functions)은 각각 0과 선형 함수(linear function)로 가정할 수 있다. 상기 공분산 함수를 위한 하이퍼 파라미터들(hyper-parameters)은 로그 우도 함수(log-likelihood function)을 최대화함으로써 최적화될 수 있다. GPR 모델은 현재 시점(current time)까지 추정된 건강 지표(HI)로부터 미래의 건강 지표(HI)를 예측할 수 있다.When the health index (HI) by the CNN model is obtained (calculated), a GPR algorithm (Gaussian Process Regression algorithm) is used to predict the residual life (RUL). The GPR algorithm (or GPR model) is a kind of kernel-based machine learning technique. In the present invention, the average and covariance functions can be assumed to be 0 and a linear function, respectively. The hyper-parameters for the covariance function can be optimized by maximizing the log-likelihood function. The GPR model can predict the future health indicator (HI) from the estimated health indicator (HI) up to the current time.

도 5에서, CNN 모델에 의해 획득된 현재 시점(current time)까지의 건강 지표(HI)는 점(dot)으로 표시되어 있다. 도 5에서 실선(solid line)은 GPR 모델에 의해 현재 시점 이전까지의 추정된 건강 지표(HI)와 현재 시점 이후의 예측된 건강 지표(HI)를 의미한다. 점선(dotted lines)은 95%의 신뢰 구간(confidence interval)을 표시한다. 잔여 수명(RUL)은 건강 지표(HI)가 임계치(threshold)에 도달한 시점과 현재 시점의 차이로써 계산될 수 있다. 여기서, 임계치는 엔지니어의 도메인 지식에 의해 결정되거나 실험을 통해 결정될 수 있다. 또한, 임계치는 고정된 값이 아니고 상황에 따라 또는 적용되는 부품이나 설비에 따라 변화 가능한 값임은 자명하다.In FIG. 5, the health indicator HI up to the current time obtained by the CNN model is indicated by a dot. In FIG. 5, solid lines indicate estimated health indicators (HI) until the current time point and predicted health indicators (HI) after the current time point by the GPR model. The dotted lines indicate a confidence interval of 95%. Residual life (RUL) can be calculated as the difference between the time when the health indicator (HI) reaches a threshold (threshold) and the current time. Here, the threshold may be determined by the engineer's domain knowledge or may be determined through experimentation. In addition, it is obvious that the threshold value is not a fixed value, but can be changed depending on the situation or depending on the parts or equipment applied.

도 6은 도 1에 도시된 잔여 수명 예측 장치에 의해 수행되는 잔여 수명 예측 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 잔여 수명 예측 방법을 설명함에 있어 앞서 기재된 내용과 중복되는 내용에 관하여는 그 기재를 생략하기로 한다.FIG. 6 is a flowchart illustrating a residual life prediction method performed by the residual life prediction apparatus illustrated in FIG. 1. In describing the remaining life prediction method, the description will be omitted with respect to the contents overlapping with those described above.

도 6을 참조하면, 잔여 수명 예측 장치(10)의 데이터 변환부(100)는 1차원 진동 신호들 각각을 2차원의 이미지로 변환한다(S100). 즉, 데이터 변환부(100)는 1차원 진동 신호로부터 획득된 특질들(예컨대, 웨이블릿 계수들)를 시간축과 주파수축을 포함하는 직각 좌표계에 표시(또는 표현)함으로써 2차원의 이미지를 생성할 수 있다.Referring to FIG. 6, the data conversion unit 100 of the residual life prediction apparatus 10 converts each of the one-dimensional vibration signals into a two-dimensional image (S100). That is, the data converter 100 may generate a two-dimensional image by displaying (or expressing) the characteristics (eg, wavelet coefficients) obtained from the one-dimensional vibration signal in a rectangular coordinate system including a time axis and a frequency axis. .

잔여 수명 예측 장치(10)의 예측 모델 생성부(300)는 데이터 변환부(100)에 의해 생성된 2차원 이미지들을 이용하여 예측 모델을 생성할 수 있다(S300). 구체적으로, 예측 모델 생성부(300)는 데이터 변환부(100)가 생성한 2차원 이미지들을 훈련 데이터(training data)로 이용함으로써 학습된 CNN 모델을 생성하고, 학습된 CNN 모델의 결과물로부터 미래의 건강 지표(HI)를 예측하고 잔여 수명(RUL)을 예측하는 GPR 모델(또는 GPR 알고리즘)을 결합함으로써 예측 모델을 생성할 수 있다. 즉, 상기 예측 모델은 CNN 모델과 GPR 모델을 포함하는 개념으로 이해되나, 실시 예에 따라 상기 예측 모델은 CNN 모델만을 의미할 수도 있다. 이 경우, 예측 모델 생성부(300)는 학습된 CNN 모델만을 생성하고, GPR 모델을 통한 잔여 수명 예측은 잔여 수명 예측부(500)에 의해 수행될 수 있다.The prediction model generator 300 of the residual life prediction apparatus 10 may generate a prediction model using the two-dimensional images generated by the data converter 100 (S300). Specifically, the predictive model generator 300 generates a trained CNN model by using the two-dimensional images generated by the data converter 100 as training data, and the future from the output of the trained CNN model. A predictive model can be generated by combining a GPR model (or GPR algorithm) that predicts health indicators (HI) and predicts residual life (RUL). That is, the prediction model is understood as a concept including a CNN model and a GPR model, but according to an embodiment, the prediction model may mean only a CNN model. In this case, the prediction model generator 300 generates only the trained CNN model, and the residual life prediction through the GPR model may be performed by the residual life predictor 500.

S500 단계에서는 예측 대상 설비 또는 예측 대상 부품의 잔여 수명(RUL)이 예측된다. 구체적으로 예측 대상 설비 또는 예측 대상 부품으로부터 획득된 현재 시점까지의 1차원 진동 신호는 데이터 변환부(100)에 의해 2차원 이미지로 변환된다. 또한, 잔여 수명 예측부(500)는 예측 모델 생성부(300)에 의해 생성된 예측 모델을 이용하여 상기 예측 대상 설비 또는 예측 대상 부품의 잔여 수명(RUL)을 예측할 수 있다. 실시 예에 따라, 상기 예측 모델이 CNN 모델만을 포함할 수 있다. 이 경우, 잔여 수명 예측부(500)는 예측 모델, 즉 CNN 모델을 이용하여 상기 예측 대상 설비 또는 상기 예측 대상 부품의 건강 지표(HI)를 계산하고, GPR 모델을 이용하여 잔여 수명(RUL)을 예측할 수 있다.In step S500, the residual life (RUL) of the predicted equipment or the predicted component is predicted. Specifically, the one-dimensional vibration signal from the prediction target facility or the prediction target component to the current viewpoint is converted into a two-dimensional image by the data converter 100. In addition, the residual life prediction unit 500 may predict the residual life (RUL) of the prediction target facility or the prediction target component using the prediction model generated by the prediction model generation unit 300. According to an embodiment, the prediction model may include only a CNN model. In this case, the residual life prediction unit 500 calculates the health index (HI) of the prediction target facility or the prediction target part using a prediction model, that is, a CNN model, and uses the GPR model to calculate the residual life (RUL). Predictable.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성 요소, 소프트웨어 구성 요소, 및/또는 하드웨어 구성 요소 및 소프트웨어 구성 요소의 집합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시 예들에서 설명된 장치 및 구성 요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(Arithmetic Logic Unit), 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor), 마이크로컴퓨터, FPA(Field Programmable array), PLU(Programmable Logic Unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(Operation System, OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(Processing Element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(Parallel Processor)와 같은, 다른 처리 구성(Processing Configuration)도 가능하다.The device described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a set of hardware components and software components. For example, the devices and components described in the embodiments include, for example, a processor, a controller, an Arithmetic Logic Unit (ALU), a digital signal processor (MIC), a microcomputer, a field programmable array (FPA), and a PLU (Programmable Logic Unit), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to an instruction, may be implemented using one or more general purpose computers or special purpose computers. The processing device may perform an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. In addition, the processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software. For convenience of understanding, a processing device may be described as one being used, but a person having ordinary skill in the art, the processing device may include a plurality of processing elements and / or multiple types of processing elements. It can be seen that may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or a processor and a controller. In addition, other processing configurations, such as parallel processors, are possible.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(Computer Program), 코드(Code), 명령(Instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(Collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성 요소(Component), 물리적 장치, 가상 장치(Virtual Equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(Signal Wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(Embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instruction, or a combination of one or more of them, and the processing device may be configured to operate as desired or processed independently or collectively. You can command the device. Software and / or data may be interpreted by a processing device, or to provide instructions or data to a processing device, of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device. , Or may be permanently or temporarily embodied in the transmitted signal wave. The software may be distributed on networked computer systems, and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

실시 예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 좋ㅂ하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시 예를 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), 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시 예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and may be recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for an embodiment or may be known and available to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, magnetic media such as optical media such as CD-ROMs and DVDs, and floppy disks. Includes hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc., as well as machine language codes produced by a compiler. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성 요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성 요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and / or the components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form from the described method, or other components Alternatively, even if replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

10 : 잔여 수명 예측 장치
100 : 데이터 변환부
300 : 예측 모델 생성부
500 : 잔여 수명 예측부
700 : 저장부
10: residual life prediction device
100: data conversion unit
300: prediction model generator
500: residual life prediction unit
700: storage unit

Claims (10)

복수의 1차원 진동 신호들 각각을 2차원 이미지로 변환하는 데이터 변환부;
상기 데이터 변환부에 의해 생성된 복수의 2차원 이미지들을 입력 데이터로 이용하여 건강 지표(Health Indicator, HI)를 출력하는 ANN(Artificial Neural Network, 인공 신경망) 모델을 학습시키는 예측 모델 생성부; 및
학습된 ANN 모델을 이용하여 예측 대상 설비 또는 예측 대상 부품의 잔여 수명(Remaining Useful Lifetime, RUL)을 예측하는 잔여 수명 예측부를 포함하고,
상기 데이터 변환부는 상기 1차원 진동 신호들 각각을 연속 웨이블릿 변환(Continuous Wavelet Transform, CWT)하여 상기 2차원 이미지들을 생성하는,
잔여 수명 예측 장치.
A data conversion unit that converts each of the plurality of 1D vibration signals into a 2D image;
A predictive model generator that trains an artificial neural network (ANN) model that outputs a health indicator (HI) using a plurality of two-dimensional images generated by the data converter as input data; And
A residual life prediction unit for predicting a residual life (RUL) of a predicted facility or a predicted part using a trained ANN model is included,
The data conversion unit generates the two-dimensional images by performing continuous wavelet transformation (CWT) on each of the one-dimensional vibration signals,
Residual life prediction device.
제2항에 있어서,
상기 ANN 모델은 CNN(Convolutional Neural Network, 콘볼루션 신경망)인,
잔여 수명 예측 장치.
According to claim 2,
The ANN model is a CNN (Convolutional Neural Network),
Residual life prediction device.
제2항에 있어서,
상기 2차원 이미지는 시간축과 주파수축으로 이루어진 직각 좌표계에 1차원 진동 신호로부터 획득된 웨이블릿 계수들(wavelet coefficients) 각각이 크기에 대응되는 색(color)으로 표시된 이미지인,
잔여 수명 예측 장치.
According to claim 2,
In the two-dimensional image, each of wavelet coefficients obtained from a one-dimensional vibration signal in a rectangular coordinate system consisting of a time axis and a frequency axis is an image represented by a color corresponding to a size,
Residual life prediction device.
제3항에 있어서,
상기 데이터 변환부는 상기 예측 대상 설비 또는 상기 예측 대상 부품으로부터 발생한 예측 대상 진동 신호를 연속 웨이블릿 변환(CWT)하여 예측 대상 이미지를 생성하고,
상기 잔여 수명 예측부는 상기 예측 대상 이미지를 상기 학습된 CNN 모델에 입력하여 현재 시점까지의 건강 지표(HI)를 계산하고, GPR(Gaussian Process Regression) 알고리즘을 이용하여 현재 시점까지의 건강 지표를 추정하고 미래의 건강 지표를 예측하는,
잔여 수명 예측 장치.
According to claim 3,
The data converter generates a predicted target image by continuously performing wavelet transform (CWT) on a predicted target vibration signal generated from the predicted target facility or the predicted target component,
The residual life prediction unit calculates a health index (HI) up to the current time point by inputting the predicted target image into the learned CNN model, and estimates a health index up to the current time point using a GPR (Gaussian Process Regression) algorithm. To predict future health indicators,
Residual life prediction device.
제4항에 있어서,
상기 잔여 수명 예측부는 추정된 미래의 건강 지표(HI)가 임계치에 도달하는 시점과 현재 시점의 차이를 상기 예측 대상 설비 또는 상기 예측 대상 부품의 잔여 수명(RUL)으로 결정하는,
잔여 수명 예측 장치.
According to claim 4,
The residual life prediction unit determines a difference between a time point at which the estimated future health indicator (HI) reaches a threshold and a current time point as the residual life (RUL) of the predicted facility or the predicted part.
Residual life prediction device.
제5항에 있어서,
상기 건강 지표(HI)는 0과 1 사이의 값을 갖는,
잔여 수명 예측 장치.
The method of claim 5,
The health indicator (HI) has a value between 0 and 1,
Residual life prediction device.
잔여 수명 예측 장치에 의해 수행되는 잔여 수명 예측 방법에 있어서,
상기 잔여 수명 예측 장치에 포함되는 데이터 변환부가 복수의 1차원 진동 신호들 각각을 2차원 이미지로 변환하는 단계;
상기 잔여 수명 예측 장치에 포함되는 예측 모델 생성부가 상기 데이터 변환부에 의해 생성된 복수의 2차원 이미지들을 입력 데이터로 이용하여 건강 지표(HI)를 출력하는 CNN 모델을 학습시키는 단계;
상기 잔여 수명 예측 장치에 포함되는 잔여 수명 예측부가 학습된 CNN 모델을 이용하여 예측 대상 설비 또는 예측 대상 부품의 잔여 수명(RUL)을 예측하는 단계를 포함하고,
상기 2차원 이미지로 변환하는 단계는 상기 1차원 진동 신호들 각각을 연속 웨이블릿 변환(CWT)하여 상기 2차원 이미지들을 생성하는,
잔여 수명 예측 방법.
In the residual life prediction method performed by the residual life prediction device,
Converting each of a plurality of one-dimensional vibration signals into a two-dimensional image by a data conversion unit included in the residual life prediction apparatus;
Learning a CNN model outputting a health indicator (HI) by using a plurality of 2D images generated by the data conversion unit as a prediction model generator included in the residual life prediction apparatus;
And predicting a residual life (RUL) of the predicted equipment or the predicted part using the CNN model in which the residual life predicting unit included in the residual life predicting apparatus is trained,
The converting into the 2D image may include generating the 2D images by continuously performing wavelet transform (CWT) on each of the 1D vibration signals,
How to predict residual life.
제7항에 있어서,
상기 2차원 이미지는 시간축과 주파수축으로 이루어진 직각 좌표계에 1차원 진동 신호로부터 획득된 웨이블릿 계수들 각각이 크기에 대응되는 색으로 표시된 이미지인,
잔여 수명 예측 방법.
The method of claim 7,
In the two-dimensional image, each of the wavelet coefficients obtained from the one-dimensional vibration signal in a rectangular coordinate system consisting of a time axis and a frequency axis is an image represented by a color corresponding to the size,
How to predict residual life.
제8항에 있어서,
상기 잔여 수명(RUL)을 예측하는 단계는,
상기 데이터 변환부가 상기 예측 대상 설비 또는 상기 예측 대상 부품으로부터 발생한 예측 대상 진동 신호를 연속 웨이블릿 변환하여 예측 대상 이미지를 생성하는 단계;
상기 잔여 수명 예측부가 상기 예측 대상 이미지를 상기 학습된 CNN 모델에 입력하여 현재 시점까지의 건강 지표(HI)를 계산하는 단계;
상기 잔여 수명 예측부가 GPR 알고리즘을 이용하여 현재 시점까지의 건강 지표를 추정하고 미래의 건강 지표를 예측하는 단계; 및
상기 잔여 수명 예측부가 추정된 미래의 건강 지표(HI)가 임계치에 도달하는 시점과 현재 시점의 차이를 상기 예측 대상 설비 또는 상기 예측 대상 부품의 잔여 수명(RUL)로 결정하는 단계를 포함하는,
잔여 수명 예측 방법.
The method of claim 8,
The step of predicting the residual life (RUL),
Generating, by the data conversion unit, a predictive vibration signal generated from the predicted target facility or the predicted target component by performing wavelet transform;
Calculating, by the residual life prediction unit, a health index (HI) up to a current time point by inputting the prediction target image into the learned CNN model;
Estimating the health index up to the present time and predicting the future health index using the GPR algorithm; And
And determining a difference between a time point at which the residual health prediction unit estimates the estimated future health index (HI) reaches a threshold and a current time point as the residual life (RUL) of the prediction target facility or the prediction target component,
How to predict residual life.
제9항에 있어서,
상기 건강 지표(HI)는 0과 1 사이의 값을 갖는,
잔여 수명 예측 방법.
The method of claim 9,
The health indicator (HI) has a value between 0 and 1,
How to predict residual life.
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