KR20210067108A - Fault diagnosis apparatus and method using frequency analysis based on machine-learning - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고장 진단 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 센서신호의 시간 변화에 따른 특징 및 주파수 특징을 머신러닝 기반으로 분석하여 시간에 따라 특성이 변하는 복잡한 설비의 상태를 효과적으로 진단할 수 있는 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a failure diagnosis technology, and in particular, a machine learning-based analysis that analyzes the characteristics and frequency characteristics of a sensor signal according to time change based on machine learning to effectively diagnose the state of complex equipment whose characteristics change over time. It relates to a failure diagnosis apparatus and method using frequency analysis.
최근 알파고와 이세돌 9단의 대결로 인공지능에 대한 관심이 크게 증가하였다. 특히 알파고의 핵심 기술로 알려진 딥러닝에 대한 학계와 산업계의 연구가 폭발적으로 증가하였다. Recently, interest in artificial intelligence has increased significantly due to the recent confrontation between AlphaGo and Lee Sedol. In particular, academia and industry research on deep learning, known as AlphaGo's core technology, has exploded.
딥러닝은 기존에 알려진 인공 신경망(Artificial Neural Network)의 여러 문제점(즉, vanishing problem, overfitting 등)을 활성함수(ReLU)의 개발과 드롭아웃(Drop-out)과 같은 알고리즘 개선으로 그 성능을 향상시켰고, 또한 GPU(Graphic Processing Units)와 같은 하드웨어의 발전과 복잡한 구조를 학습시킬 수 있는 빅데이터의 힘 덕분에 최근 여러 분야에 뛰어난 성능을 발휘하고 있다. Deep learning improves the performance of many known problems of artificial neural networks (ie, vanishing problem, overfitting, etc.) by developing an activation function (ReLU) and improving algorithms such as drop-out. Also, thanks to the development of hardware such as GPU (Graphic Processing Units) and the power of big data that can learn complex structures, it is showing excellent performance in various fields recently.
이러한 딥러닝 기술은 해외 많은 기업(구글, 페이스북, 애플, 마이크로소프트, 알리바바, 바이두)에 의해 빠르게 발전되고 있으며 얼굴인식, 음성인식, 자연어처리, 검색 서비스, 의료 등의 분야에 적용되고 있다. 이렇게 빠르게 발전하는 딥러닝의 최신 기술을 확보하고 더 나아가 응용 분야를 선점하고 빠르게 상용화 하는 것이 시급하다.These deep learning technologies are being developed rapidly by many overseas companies (Google, Facebook, Apple, Microsoft, Alibaba, Baidu) and are being applied to fields such as face recognition, voice recognition, natural language processing, search service, and medical care. It is urgent to secure the latest technology of deep learning, which is developing rapidly, and further preempt the application fields and rapidly commercialize it.
종래의 결함 검사 장비에서 사용되는 결함 분류 방법은 도 1과 같다. A defect classification method used in a conventional defect inspection equipment is shown in FIG. 1 .
알고리즘 개발자가 영상에서 분류가 잘 될 것 같은 특징을 영상처리 알고리즘으로 추출한 후 이러한 특징들을 분류기(SVM, Decision tree)로 학습한다. An algorithm developer extracts features that are likely to be classified well from an image with an image processing algorithm, and then learns these features with a classifier (SVM, Decision Tree).
조명과 카메라를 이용하여 광학 장치를 구성하고, 결함 부분에서 빛의 경로가 변함에 따라 카메라에 들어오는 빛의 양의 변화를 영상화하여 결함 부위의 S/N ratio를 높인다. 이러한 영상에서 결함 검출 알고리즘이 결함 후보를 검출하고, 결함 후보 영상에 대해 특징 추출 알고리즘과 분류 알고리즘을 이용해 결함을 검출 및 분류하게 된다. An optical device is constructed using lighting and a camera, and the S/N ratio of the defective area is increased by imaging the change in the amount of light entering the camera as the light path changes in the defective area. In such an image, a defect detection algorithm detects a defect candidate, and the defect is detected and classified using a feature extraction algorithm and a classification algorithm for the defect candidate image.
이러한 방법은 사람이 얼마나 특징 추출 알고리즘을 잘 디자인하여 특징을 추출하는지가 성능의 한계이다. 또한 선택된 특징에 따라 분류 성능이 제한적이고, 영상의 회전, 밝기 변화, 크기 변화 등에 따라 분류 성능이 달라지는 문제점이 있다. 제품별로 영상의 특징이 달라서 이를 분석하여 개발하는데, 시간이 많이 소요되는 단점도 존재한다.The performance limit of this method is how well a person can design a feature extraction algorithm to extract features. In addition, there is a problem in that classification performance is limited according to selected features, and classification performance varies according to rotation of an image, change in brightness, change in size, and the like. Since each product has different characteristics of the image, it is analyzed and developed, but there is a disadvantage that it takes a lot of time.
최신 기술인 딥러닝 중 CNN 방법을 응용한 분류 알고리즘은 영상에서 인공지능이 스스로 특징을 추출하고 학습하는 방법이다. 딥러닝 기술을 응용하여 결함 분류 알고리즘을 구성하면 위의 문제를 해결할 수 있다. 다양한 딥러닝 구조 중 영상 분야에서의 딥러닝은 CNN(Convolutional Neural Network)이라는 구조가 사용된다. Among the latest technologies, deep learning, a classification algorithm applying the CNN method is a method in which artificial intelligence extracts and learns features from an image by itself. The above problem can be solved by constructing a defect classification algorithm by applying deep learning technology. Among the various deep learning structures, deep learning in the image field uses a structure called Convolutional Neural Network (CNN).
CNN을 이용한 영상 분류는 CNN 스스로가 분류 성능을 높일 수 있는 특징을 추출하고 학습한다는 특징이 있다. 이러한 특징을 이용하여 영상을 기반으로 하는 결함 검출 분야에 적용한다면 획기적인 성능 향상을 기대할 수 있다. Image classification using CNN has the feature that CNN itself extracts and learns features that can improve classification performance. If this feature is applied to the image-based defect detection field, a dramatic performance improvement can be expected.
일반적인 딥러닝을 이용한 분류기의 구성은 도 2와 같다. The configuration of a general classifier using deep learning is shown in FIG. 2 .
입력 영상에 대해 컨벌루션 층(Convolution layer)과 활성함수(Activation function)를 적용시킨 후 나온 특징 맵(feature map)을 풀링 층(Pooling layer)을 통해 크기를 줄인 후 다음 컨벌루션 층(convolution layer)으로 전달한다. 이러한 기본 구조를 반복적으로 깊게 쌓아서 영상에서 결함 분류 또는 고장 진단을 위한 특징을 효과적으로 추출하게 한다. After applying a convolution layer and an activation function to the input image, the feature map is reduced in size through a pooling layer and transferred to the next convolution layer. do. By repeatedly and deeply stacking these basic structures, it is possible to effectively extract features for fault classification or fault diagnosis from images.
한편, 스마트 팩토리는 공장 자동화가 진화한 형태 즉, IoT를 활용한 설비 관리, 설비의 현재 상태 실시간 진단 및 고장을 예측하여 사전 조치가 가능한 기술을 포함한다. On the other hand, the smart factory includes technologies that are an evolved form of factory automation, that is, facility management using IoT, real-time diagnosis of the current state of the facility, and technology that can predict failures to take preemptive measures.
특히 설비의 상태 및 고장 진단은 대량 불량 방지, 안전, 안정적인 조업 조건, 제품 품질 확보를 위한 필수 기술이다. 이러한 기술은 고장 예지 및 건전성 관리 기술(PHM: Prognostics and Health management)의 큰 영역 중 하나이다. In particular, equipment status and fault diagnosis are essential technologies to prevent mass defects, ensure safety, stable operating conditions, and product quality. This technology is one of the large areas of failure prediction and health management (PHM).
일반적으로 설비의 고장진단을 위한 자동화 시스템의 구성은 다음과 같다. In general, the configuration of an automated system for equipment failure diagnosis is as follows.
진동, 변위, 온도, 초음파 등의 다양한 센서로부터 설비의 상태를 나타낼 수 있는 신호를 수집한다. 이러한 신호는 신호분석 PC로 실시간 전송된다. 신호분석 PC에서는 신호처리, 딥러닝 기술을 이용하여 설비의 다양한 상태를 추출하고 고장 여부를 진단한다. 검출된 고장 및 상태 정보는 데이터 서버로 보내지고, 이러한 정보들은 설비에 의해 생산된 제품정보와 함께 데이터 서버에 기록된다. It collects signals that can indicate the status of equipment from various sensors such as vibration, displacement, temperature, and ultrasonic waves. These signals are transmitted in real time to the signal analysis PC. Signal analysis PC uses signal processing and deep learning technology to extract various statuses of equipment and diagnose failures. The detected fault and status information is sent to the data server, and this information is recorded in the data server together with product information produced by the equipment.
종래의 고장 진단 방법은 설비의 물리적 모델을 기반으로 하여 정상인지 이상인지 여부를 판단하였다. 하지만 설비의 복잡도가 증가하고 설비 운전 상태가 여러 환경 조건에 따라 변하여 그에 따른 물리 모델이 찾기가 어려워지는 단점이 있었다. 최근에는 물리 모델이 아니라 수집된 데이터를 기반으로 머신러닝 등의 데이터 분석 방법에 따른 접근법이 많이 연구되고 있다. The conventional fault diagnosis method determines whether it is normal or abnormal based on the physical model of the facility. However, as the complexity of the facility increases and the operating state of the facility changes according to various environmental conditions, it is difficult to find a physical model accordingly. Recently, many approaches according to data analysis methods such as machine learning have been studied based on collected data rather than a physical model.
구체적으로, 대상물에서 발생되는 진동, 변위, 온도, 초음파 등의 신호를 센싱하고 이러한 센싱값을 기반으로 선형 예측 계수를 통한 시계열 분석, 고속 퓨리에 변환을 통한 주파수 분석, 이산 분석을 통해 주파수 대역별 실효값과 분산을 분석한 후 이들의 데이터에 대한 테스팅 및 타당성을 검증한 결과를 멀티레이어 퍼셉트론 네트워크를 통해 분류함으로써 고장 특징이 추출되는 방식이 채택되었다.Specifically, it senses signals such as vibration, displacement, temperature, and ultrasound generated from an object, and based on these sensed values, time series analysis through linear prediction coefficients, frequency analysis through fast Fourier transform, and discrete analysis for each frequency band are performed. After analyzing the values and variances, a method in which the failure characteristics are extracted was adopted by classifying the results of testing and validation of these data through a multi-layer perceptron network.
그러나 종래 방법은 시간 변화에 따른 센싱 신호만을 가지고 고장 특징을 추출하기 때문에 시간에 따라 특성이 다양하게 변하는 복잡한 설비에 대해서 설비 상태 및 고장 진단을 하는데 한계가 있다는 문제점이 있다.However, the conventional method has a problem in that there is a limitation in diagnosing equipment conditions and failures for complex equipment whose characteristics are variously changed according to time because the conventional method extracts the failure characteristics using only the sensing signal according to time change.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 시간에 따라 특성이 다양하게 변하는 복잡한 설비에 대한 상태 진단 성능을 향상시키기 위한 것이다. The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to improve the state diagnosis performance of complex equipment whose characteristics are variously changed over time.
이를 위해, 본 발명에 따른 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치는 설비에 대한 센싱 신호를 입력 받아 신호 입력 벡터를 생성하는 입력 벡터 생성부와, 상기 센싱 신호를 주파수 변환하여 주파수 변환 벡터를 생성하는 신호 변환부와, 상기 신호 입력 벡터 및 주파수 변환 벡터를 입력 받고 딥러닝 기반 모델을 통해 분석하여 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력하는 분석부를 포함한다.To this end, the apparatus for diagnosing a failure using machine learning-based frequency analysis according to the present invention includes an input vector generator that receives a sensing signal for a facility and generates a signal input vector, and frequency-converts the sensing signal to generate a frequency conversion vector and an analysis unit that receives the signal input vector and frequency conversion vector, analyzes it through a deep learning-based model, and outputs a state diagnosis result for the facility.
또한, 본 발명에 따른 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치는 설비에 대한 센싱 신호를 입력 받아 1차원 신호 입력 벡터를 생성하는 입력 벡터 생성부와, 상기 센싱 신호를 주파수 변환하여 주파수 변환 벡터를 생성하는 신호 변환부와, 상기 1차원 신호 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출하는 특징 추출 모듈과, 상기 신호 특징 벡터와 상기 주파수 변환 벡터를 결합하는 결합기와, 상기 결합기를 통해 결합된 벡터를 분석하여 설비의 고장 진단 결과를 출력하는 분류 모듈을 포함한다. In addition, the failure diagnosis apparatus using machine learning-based frequency analysis according to the present invention includes an input vector generator that receives a sensing signal for a facility and generates a one-dimensional signal input vector, and frequency-converts the sensing signal to generate a frequency conversion vector. A signal converter for generating, a feature extraction module for extracting a signal feature vector from the one-dimensional signal input vector, a combiner that combines the signal feature vector and the frequency transform vector, and analyzes the combined vector through the combiner It includes a classification module that outputs a failure diagnosis result of the equipment.
또한, 본 발명에 따른 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치는 설비에 대한 센싱 신호를 입력 받아 1차원 신호 입력 벡터를 생성하는 입력 벡터 생성부와, 상기 센싱 신호를 주파수 변환하여 주파수 변환 벡터를 생성하는 신호 변환부와, 상기 1차원 신호 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출하는 제1 특징 추출 모듈과, 상기 주파수 변환벡터로부터 주파수 특징 벡터를 추출하는 제2 특징 추출 모듈과, 상기 신호 특징 벡터와 상기 주파수 특징 벡터를 결합하는 결합기와, 상기 결합기를 통해 결합된 벡터를 분석하여 설비의 고장 진단 결과를 출력하는 분류 모듈을 포함한다. In addition, the failure diagnosis apparatus using machine learning-based frequency analysis according to the present invention includes an input vector generator that receives a sensing signal for a facility and generates a one-dimensional signal input vector, and frequency-converts the sensing signal to generate a frequency conversion vector. a signal converter generating a signal; a first feature extraction module for extracting a signal feature vector from the one-dimensional signal input vector; a second feature extraction module for extracting a frequency feature vector from the frequency transform vector; A combiner for combining the frequency feature vector, and a classification module for outputting a failure diagnosis result of the equipment by analyzing the vector combined through the combiner.
또한, 본 발명에 따른 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 방법은 설비의 상태 진단 결과를 출력하는 고장 진단 장치에서 머신러닝 기반으로 고장 진단을 수행하는 방법으로서, 설비에 대한 센싱 신호를 입력 받아 신호 입력 벡터를 생성하는 단계와, 상기 센싱 신호를 주파수 변환하여 주파수 변환 벡터를 생성하는 단계와, 상기 신호 입력 벡터 및 주파수 변환 벡터를 입력 받고 딥러닝 기반 모델을 통해 분석하여 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력하는 단계를 포함한다. In addition, the fault diagnosis method using machine learning-based frequency analysis according to the present invention is a method for performing fault diagnosis based on machine learning in a fault diagnosis device that outputs a state diagnosis result of a facility. Generating an input vector, frequency-converting the sensing signal to generate a frequency conversion vector, receiving the signal input vector and frequency conversion vector and analyzing it through a deep learning-based model to obtain a state diagnosis result for the facility output step.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 인공지능 기반 고장 진단 기술은 딥러닝 기반 모델에서 센싱 신호의 시간 변화에 따른 다양한 신호 특징 및 센싱 신호의 주파수 특징을 동시에 사용하기 때문에 설비의 고장 진단 성능을 높일 수 있는 효과가 있다. As described above, the AI-based fault diagnosis technology according to the present invention can increase the failure diagnosis performance of equipment because it simultaneously uses various signal characteristics according to the time change of the sensing signal and the frequency characteristics of the sensing signal in a deep learning-based model. there is an effect
또한, 본 발명은 신호 특징 및 주파수 특징을 결합한 벡터를 입력 벡터로 사용하기 때문에 신호를 주파수, 진폭 및 시간으로 시각화하는 스펙트로그램(Spectrogram)를 이용한 방법보다 연산량을 획기적으로 줄일 수 있어서 빠른 연산 속도로 고장 진단을 수행할 수 있는 효과가 있다. In addition, since the present invention uses a vector combining signal characteristics and frequency characteristics as an input vector, the amount of computation can be dramatically reduced compared to a method using a spectrogram that visualizes a signal in terms of frequency, amplitude, and time, so that the calculation speed is fast. It has the effect of performing fault diagnosis.
본 발명에 따른 딥러닝을 활용한 고장 진단 기술은 다양한 산업 설비의 고장 및 상태 진단의 핵심 기술로 사용될 뿐만 아니라 비파괴 검사와 같은 진단 분야에도 사용 될 수 있다. The failure diagnosis technology using deep learning according to the present invention can be used not only as a core technology for diagnosing failures and conditions of various industrial facilities, but also in diagnostic fields such as non-destructive testing.
또한 스마트 공장(Smart Factory) 구현의 필수기술로 생산 조업 조건에 따른 설비의 상태를 판정하고 설비 상태에 따른 제품의 품질을 예측하여 생산 조건을 최적화하는 기술에도 응용 가능할 것이다. In addition, it will be applicable to technology that optimizes production conditions by judging the state of equipment according to production operation conditions and predicting product quality according to equipment conditions as an essential technology for implementing a smart factory.
도 1은 종래 결함 분류 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 일반적인 딥러닝 기반 분류 방법을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치의 개략적 구성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치의 상세 구성도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치의 상세 구성도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 방법의 순서도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 방법의 순서도.
도 8은 본 발명에 따른 센싱 신호를 크로핑(cropping)하는 것을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 설비 상태를 측정하는 복수의 센싱 신호를 나타낸 도면.1 is a view for explaining a conventional defect classification method;
2 is a view for explaining a general deep learning-based classification method.
3 is a diagram showing a schematic configuration of a failure diagnosis apparatus using machine learning-based frequency analysis according to the present invention.
4 is a detailed configuration diagram of a failure diagnosis apparatus using machine learning-based frequency analysis according to the first embodiment of the present invention.
5 is a detailed configuration diagram of a failure diagnosis apparatus using machine learning-based frequency analysis according to the first embodiment of the present invention.
6 is a flowchart of a failure diagnosis method using machine learning-based frequency analysis according to the first embodiment of the present invention.
7 is a flowchart of a failure diagnosis method using machine learning-based frequency analysis according to a second embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating cropping a sensing signal according to the present invention.
9 is a view showing a plurality of sensing signals for measuring the equipment state according to the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
또한, 명세서에 기재된 "……부", "…… 모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, the terms "... unit" and "... module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치 및 방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a failure diagnosis apparatus and method using machine learning-based frequency analysis according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 3은 본 발명에 따른 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치의 구성을 나타낸 것이다. 3 shows the configuration of a failure diagnosis apparatus using machine learning-based frequency analysis according to the present invention.
도 1을 참조하면, 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치(이하, 고장 진단 장치)는 입력벡터 생성부(10), 신호 변환부(20), 분석부(30) 등을 주요 구성요소로 한다. Referring to FIG. 1 , a failure diagnosis apparatus using machine learning-based frequency analysis (hereinafter referred to as a failure diagnosis apparatus) includes an input
입력벡터 생성부(10)는 설비에 대한 센싱 신호를 입력 받아 신호 입력 벡터를 생성한다. 다양한 센서가 설비(공장 설비, 장비)나 대상물(복합재 구조체, 제품)에 설치되어 설비나 대상물의 상태를 나타내는 신호 즉, 센싱 신호를 출력한다. 센서로는 진동, 변위, 온도, 초음파 센서 등이 있다. The
입력 벡터 생성부는 이러한 센싱 신호를 일정한 간격마다 소정의 윈도우 크기로 크로핑(cropping)한 후 샘플링 주기마다 신호 크기를 추출하여 1차원 신호 입력 벡터를 생성하게 된다. The input vector generator generates a one-dimensional signal input vector by cropping the sensing signal to a predetermined window size at regular intervals and extracting the signal size at each sampling period.
신호 변환부(20)는 센싱 신호를 주파수 변환하여 주파수 변환 벡터를 생성한다. 신호 변환부(20)는 퓨리에 변환을 이용해 시간에 따라 변하는 센싱 신호를 주파수 성분으로 변환시킨다. The
분석부(30)는 신호 입력 벡터 및 주파수 변환 벡터를 입력 받고 딥러닝 기반 모델을 통해 분석하여 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력한다. The
분석부(30)는 컨벌루션 신경망(CNN)을 통해 1차원 신호 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출하고, 추출한 신호 특징 벡터와 주파수 변환 벡터를 결합하고 결합 벡터를 심층 신경망을 통해 분석하여 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력하게 된다. The
다른 실시예로서 분석부(30)는 제1 컨벌루션 신경망(CNN)을 통해 1차원 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출하고, 제2 컨벌루션 신경망을 통해 주파수 변환 벡터로부터 주파수 특징 벡터를 추출하여, 추출한 신호 특징 벡터와 주파수 특징 벡터를 결합하고 결합 벡터를 심층 신경망을 통해 분석하여 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력할 수 있다. As another embodiment, the
고장 진단 장치를 구성하는 입력벡터 생성부(10), 신호 변환부(20), 분석부(30) 등은 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 분석부(30)는 설비의 고장 진단을 수행하는 모델이 적용되어 있으며 이 모델은 머신러닝 기반으로 학습된 모델이다. The input
본 발명에 따른 고장 진단 장치는 설비의 고장 진단뿐만 아니라 제품의 결함 분류 분야에도 사용될 수 있다. 또한, 스마트 팩토리(smart factory) 구현의 필수 기술로서 생산 조업 조건에 따른 제품의 품질을 판정하는데도 사용될 수 있다. The failure diagnosis apparatus according to the present invention may be used in the field of product defect classification as well as equipment failure diagnosis. In addition, as an essential technology for implementing a smart factory, it can be used to determine the quality of a product according to production operating conditions.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고장 진단 장치의 구성을 구체적으로 나타낸 것이다. 4 is a detailed view of the configuration of a failure diagnosis apparatus according to the first embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 제1 실시예에 따른 고장 진단 장치의 분석부(30)는 제1 특징 추출 모듈(32), 결합기(34), 분류 모듈(36) 등을 포함한다. Referring to FIG. 4 , the
제1 특징 추출 모듈(32)은 1차원 컨벌루션 신경망(CNN)을 이용해 입력벡터 생성부(10)에서 출력된 1차원 신호 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출한다. The first
제1 특징 추출 모듈(32)은 컨벌루션(convolution), 배치 정규화(batch normalization), 활성함수(ReLU), 최대화 풀링(maxpooling)을 수행하는 다수의 층으로 구성되어 신호 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출하게 된다. The first
결합기(33)는 제1 특징 추출 모듈(32)에서 추출된 신호 특징 벡터와 신호 변환부(20)에서 출력된 주파수 변환 벡터를 결합한다. The
분류 모듈(36)은 결합기(33)를 통해 결합된 벡터를 심층 신경망(Deep Neural Network: DNN)을 통해 분석하여 설비의 고장 진단 결과를 출력한다. The
결합기(33)에서 출력된 결합 벡터는 최종 분류하고자 하는 진단 상태의 종류의 수와 동일한 크기의 완전 연결층(fully connected layer)과 연결된다. 즉, 결합 벡터의 원소 값이 완전 연결층의 신경망을 거쳐 설비의 진단 상태에 대한 분류가 수행된다. The joint vector output from the
분류 모듈(36)은 설비의 고장이나 상태를 복수 개로 분류하여 정상과 고장 1, 고장 2, ... 고장 N으로 분류할 수 있다. The
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고장 진단 장치의 구성을 구체적으로 나타낸 것이다. 5 is a detailed view of the configuration of a failure diagnosis apparatus according to a second embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 제2 실시예에 따른 고장 진단 장치의 분석부(30)는 제1 특징 추출 모듈(32), 제2 특징 추출 모듈(33), 결합기(34), 분류 모듈(36) 등을 포함한다. Referring to FIG. 4 , the
제2 실시예는 제1 실시예와 다르게 주파수 신호의 특징을 추출하는 제2 특징 추출 모듈(33)을 더 포함하고 있다. Unlike the first embodiment, the second embodiment further includes a second
제1 특징 추출 모듈(32)은 1차원 컨벌루션 신경망(CNN)을 이용해 입력벡터 생성부(10)에서 출력된 1차원 신호 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출한다. The first
제2 특징 추출 모듈(33)은 제1 특징 추출 모듈(32)에 적용된 1차원 컨벌루션 신경망(CNN)과 다른 1차원 컨벌루션 신경망을 이용해 신호 변환부(20)에서 출력된 주파수 변환 벡터로부터 주파수 특징 벡터를 추출한다. The second
결합기(33)는 제1 특징 추출 모듈(32)에서 추출된 신호 특징 벡터와 제2 특징 추출 모듈(33)에서 추출된 주파수 특징 벡터를 결합한다. The
분류 모듈(36)은 결합기(33)를 통해 결합된 벡터를 심층 신경망(Deep Neural Network: DNN)을 통해 분석하여 설비의 고장 진단 결과를 출력한다. The
센싱 신호가 적은 경우에는 주파수 변환 벡터를 그대로 심층 신경망에 입력해도 큰 문제가 없지만, 센싱 신호가 많은 경우 주파수 변환 벡터의 크기가 커져서 바로 심층 신경망에 입력하면 진단 성능을 확보하기 어렵기 때문에, 제2 실시예에서는 주파수 변환 벡터의 특징을 추출할 수 있는 별도의 특징 추출 모듈을 마련한 것이다. When there are few sensing signals, there is no big problem even if the frequency transformation vector is directly input into the deep neural network, but when there are many sensing signals, the size of the frequency transformation vector increases and it is difficult to secure diagnostic performance when input directly into the deep neural network. In the embodiment, a separate feature extraction module capable of extracting the features of the frequency transformation vector is provided.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 방법의 순서도를 나타낸 것이다. 6 is a flowchart of a failure diagnosis method using machine learning-based frequency analysis according to the first embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 먼저 설비에 설치된 센서로부터 센싱 신호를 입력받아 센싱 신호를 크로핑(cropping) 처리한다(S10).Referring to FIG. 6 , first, a sensing signal is received from a sensor installed in the facility, and the sensing signal is cropped ( S10 ).
센싱 신호에 대한 크로핑 처리는 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다. Cropping processing for the sensing signal will be described with reference to FIGS. 8 and 9 .
도 8을 참조하면, 센싱 신호는 시간에 따라 변하는 신호로서 일정한 시간 간격(stride)마다 소정의 윈도우(window) 크기로 센싱 신호를 자르게 된다. Referring to FIG. 8 , the sensing signal is a time-varying signal, and the sensing signal is cut into a predetermined window size at regular time intervals (stride).
이렇게 크로핑된 신호는 분석부(30)에 입력될 수 있도록 신호 입력 벡터로 변환된다(S12). 예를 들어, 시간 간격 50ms, 윈도우 크기 100ms, 샘플링 주기 1ms 일 때, 50ms마다 100개의 신호 값으로 구성된 신호 입력 벡터가 생성될 수 있다. The cropped signal is converted into a signal input vector to be input to the analysis unit 30 (S12). For example, when the time interval is 50 ms, the window size is 100 ms, and the sampling period is 1 ms, a signal input vector including 100 signal values may be generated every 50 ms.
만약, 도 9에 도시된 바와 같이 진동 센서처럼 하나의 센서에서 x축, y축, z축 방향으로 3개의 신호가 출력되는 경우, 3개의 신호가 각각 동일하게 크로핑 처리되어 신호 입력 벡터로 변환될 수 있다. If, as shown in FIG. 9 , when three signals are output from one sensor in the x-axis, y-axis, and z-axis directions like a vibration sensor, the three signals are cropped in the same way and converted into a signal input vector. can be
동시에 크로핑된 센싱 신호는 푸리에 변환을 통해 주파수 변환 벡터로 생성된다(S14).At the same time, the cropped sensing signal is generated as a frequency transform vector through Fourier transform (S14).
다음, 신호 입력 벡터는 컨벌루션 신경망을 거치면서 신호 특징 벡터로 추출되고(S16), 이렇게 추출된 신호 특징 벡터와 주파수 변환 벡터는 결합된다(S18).Next, the signal input vector is extracted as a signal feature vector through the convolutional neural network (S16), and the signal feature vector and the frequency conversion vector thus extracted are combined (S18).
예를 들어, 신호 특징 벡터의 크기가 100이고, 주파수 변환 벡터의 크기가 100일 때, 두 개의 벡터를 이어 붙이게 되면 크기가 200인 벡터가 된다. For example, when the magnitude of the signal feature vector is 100 and the magnitude of the frequency transformation vector is 100, concatenating two vectors results in a vector of magnitude 200.
이러한 방식으로 결합된 벡터는 심층 신경망을 통해 분석된 후(S20), 심층 심경망의 출력 층에서 설비의 고장이나 상태가 분류되어 출력된다(S22).After the vector combined in this way is analyzed through the deep neural network (S20), the failure or state of the equipment is classified and output in the output layer of the deep neural network (S22).
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 방법의 순서도를 나타낸 것이다. 7 is a flowchart of a failure diagnosis method using machine learning-based frequency analysis according to a second embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 제2 실시예는 제1 실시예와 달리 크로핑된 센싱 신호가 푸리에 변환을 통해 주파수 변환 벡터로 생성된 후 신호 특징 벡터와 바로 결합되는 것이 아니라, 주파수 변환 벡터로부터 특징 벡터가 추출되는 단계(S17)가 더 포함되어 그 추출된 주파수 특징 벡터가 신호 특징 벡터와 결합된다. Referring to FIG. 7 , in the second embodiment, unlike the first embodiment, a cropped sensing signal is generated into a frequency transform vector through Fourier transform, and then is not directly combined with a signal feature vector, but is obtained from the frequency transform vector. The step of extracting (S17) is further included so that the extracted frequency feature vector is combined with the signal feature vector.
즉, 단계 S16에서 제1 컨벌루션 신경망(CNN)을 통해 신호 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터가 추출되고, 단계 S17에서 제1 컨벌루션 신경망(CNN)과 다른 제2 컨벌루션 신경망(CNN)을 통해 주파수 변환 벡터로부터 주파수 특징 벡터가 추출된다. That is, a signal feature vector is extracted from a signal input vector through a first convolutional neural network (CNN) in step S16, and a frequency conversion vector is extracted from a second convolutional neural network (CNN) different from the first convolutional neural network (CNN) in step S17. A frequency feature vector is extracted.
이후 추출한 신호 특징 벡터와 주파수 특징 벡터를 결합하고(S18), 제1 실시예와 마찬가지로 결합한 벡터를 심층 신경망을 통해 분석하여(S20), 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력한다(S22).Thereafter, the extracted signal feature vector and frequency feature vector are combined (S18), and the combined vector is analyzed through a deep neural network as in the first embodiment (S20), and a state diagnosis result for the facility is output (S22).
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. The above description is merely illustrative of the present invention, and various modifications may be made by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains without departing from the technical spirit of the present invention.
따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다. Accordingly, the embodiments disclosed in the specification of the present invention are not intended to limit the present invention. The scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technologies within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
10: 입력벡터 생성부
20: 신호 변환부
30: 분석부
32: 제1 특징 추출 모듈
33: 제2 특징 추출 모듈
34: 결합기
36: 분류 모듈10: input vector generating unit 20: signal converting unit
30: analysis unit 32: first feature extraction module
33: second feature extraction module 34: combiner
36: classification module
Claims (12)
상기 센싱 신호를 주파수 변환하여 주파수 변환 벡터를 생성하는 신호 변환부와,
상기 신호 입력 벡터 및 주파수 변환 벡터를 입력 받고 딥러닝 기반 모델을 통해 분석하여 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력하는 분석부를 포함하는 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치.An input vector generating unit that receives a sensing signal for a facility and generates a signal input vector;
a signal converter for frequency-converting the sensing signal to generate a frequency-converted vector;
A failure diagnosis apparatus using machine learning-based frequency analysis, comprising an analysis unit that receives the signal input vector and frequency conversion vector, analyzes it through a deep learning-based model, and outputs a state diagnosis result for the facility.
상기 입력 벡터 생성부는 상기 센싱 신호를 일정한 간격마다 소정의 윈도우 크기로 크로핑(cropping)한 후 샘플링 주기마다 신호 크기를 추출하여 1차원 신호 입력 벡터를 생성하는 것을 특징으로 하는 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치.According to claim 1,
The input vector generator crops the sensing signal to a predetermined window size at regular intervals and then extracts the signal size at every sampling period to generate a one-dimensional signal input vector. fault diagnosis device used.
상기 분석부는 컨벌루션 신경망(CNN)을 통해 상기 1차원 신호 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출하고, 상기 추출한 신호 특징 벡터와 상기 주파수 변환 벡터를 결합하고 결합 벡터를 심층 신경망을 통해 분석하여 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력하는 것을 특징으로 하는 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치.3. The method of claim 2,
The analysis unit extracts a signal feature vector from the one-dimensional signal input vector through a convolutional neural network (CNN), combines the extracted signal feature vector with the frequency conversion vector, and analyzes the combined vector through a deep neural network to determine the state of the facility A failure diagnosis device using machine learning-based frequency analysis, characterized in that it outputs a diagnosis result.
상기 분석부는 제1 컨벌루션 신경망(CNN)을 통해 상기 1차원 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출하고, 제2 컨벌루션 신경망을 통해 상기 주파수 변환 벡터로부터 주파수 특징 벡터를 추출하여, 상기 추출한 신호 특징 벡터와 상기 주파수 특징 벡터를 결합하고 결합 벡터를 심층 신경망을 통해 분석하여 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력하는 것을 특징으로 하는 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치.3. The method of claim 2,
The analysis unit extracts a signal feature vector from the one-dimensional input vector through a first convolutional neural network (CNN), extracts a frequency feature vector from the frequency transform vector through a second convolutional neural network, and the extracted signal feature vector and the A failure diagnosis device using machine learning-based frequency analysis, characterized in that it outputs a state diagnosis result for a facility by combining frequency feature vectors and analyzing the combined vector through a deep neural network.
상기 센싱 신호를 주파수 변환하여 주파수 변환 벡터를 생성하는 신호 변환부와,
상기 1차원 신호 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출하는 특징 추출 모듈과,
상기 신호 특징 벡터와 상기 주파수 변환 벡터를 결합하는 결합기와,
상기 결합기를 통해 결합된 벡터를 분석하여 설비의 고장 진단 결과를 출력하는 분류 모듈을 포함하는 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치.An input vector generator that receives a sensing signal for a facility and generates a one-dimensional signal input vector;
a signal converter for frequency-converting the sensing signal to generate a frequency-converted vector;
a feature extraction module for extracting a signal feature vector from the one-dimensional signal input vector;
a combiner for combining the signal feature vector and the frequency conversion vector;
A failure diagnosis apparatus using machine learning-based frequency analysis including a classification module for outputting a failure diagnosis result of a facility by analyzing the vector combined through the combiner.
상기 센싱 신호를 주파수 변환하여 주파수 변환 벡터를 생성하는 신호 변환부와,
상기 1차원 신호 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출하는 제1 특징 추출 모듈과,
상기 주파수 변환벡터로부터 주파수 특징 벡터를 추출하는 제2 특징 추출 모듈과,
상기 신호 특징 벡터와 상기 주파수 특징 벡터를 결합하는 결합기와,
상기 결합기를 통해 결합된 벡터를 분석하여 설비의 고장 진단 결과를 출력하는 분류 모듈을 포함하는 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치.An input vector generator that receives a sensing signal for a facility and generates a one-dimensional signal input vector;
a signal converter for frequency-converting the sensing signal to generate a frequency-converted vector;
a first feature extraction module for extracting a signal feature vector from the one-dimensional signal input vector;
a second feature extraction module for extracting a frequency feature vector from the frequency transformation vector;
a combiner for combining the signal feature vector and the frequency feature vector;
A failure diagnosis apparatus using a machine learning-based frequency analysis including a classification module for outputting a failure diagnosis result of a facility by analyzing the vector combined through the combiner.
상기 입력 벡터 생성부는 상기 센싱 신호를 일정한 간격마다 소정의 윈도우 크기로 크로핑(cropping)한 후 샘플링 주기마다 신호 크기를 추출하여 1차원 신호 입력 벡터를 생성하는 것을 특징으로 하는 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치.7. The method according to claim 5 or 6,
The input vector generator crops the sensing signal to a predetermined window size at regular intervals and then extracts the signal size at every sampling period to generate a one-dimensional signal input vector. fault diagnosis device used.
상기 제1 특징 추출 모듈 또는 상기 제2 특징 추출 모듈은 1차원 컨벌루션 신경망으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 장치.7. The method according to claim 5 or 6,
The first feature extraction module or the second feature extraction module is a failure diagnosis apparatus using machine learning-based frequency analysis, characterized in that it is composed of a one-dimensional convolutional neural network.
설비에 대한 센싱 신호를 입력 받아 신호 입력 벡터를 생성하는 단계와,
상기 센싱 신호를 주파수 변환하여 주파수 변환 벡터를 생성하는 단계와,
상기 신호 입력 벡터 및 주파수 변환 벡터를 입력 받고 딥러닝 기반 모델을 통해 분석하여 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력하는 단계를 포함하는 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 방법.A method for performing fault diagnosis based on machine learning in a fault diagnosis device that outputs a state diagnosis result of a facility, comprising:
receiving a sensing signal for the facility and generating a signal input vector;
frequency-converting the sensing signal to generate a frequency-converted vector;
A failure diagnosis method using a machine learning-based frequency analysis comprising the step of receiving the signal input vector and the frequency conversion vector as input, analyzing it through a deep learning-based model, and outputting a state diagnosis result for the facility.
상기 신호 입력 벡터를 생성하는 단계는 상기 센싱 신호를 일정한 간격마다 소정의 윈도우 크기로 크로핑(cropping)한 후 샘플링 주기마다 신호 크기를 추출하여 1차원 신호 입력 벡터를 생성하는 것을 특징으로 하는 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 방법.10. The method of claim 9,
The generating of the signal input vector comprises cropping the sensing signal to a predetermined window size at regular intervals and then extracting the signal size at every sampling period to generate a one-dimensional signal input vector. Fault diagnosis method using based frequency analysis.
상기 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력하는 단계는 컨벌루션 신경망(CNN)을 통해 상기 신호 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출하는 과정과,
상기 추출한 신호 특징 벡터와 상기 주파수 변환 벡터를 결합하는 과정과,
상기 결합한 벡터를 심층 신경망을 통해 분석하여 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 방법.10. The method of claim 9,
The step of outputting the state diagnosis result for the facility includes the process of extracting a signal feature vector from the signal input vector through a convolutional neural network (CNN);
combining the extracted signal feature vector and the frequency conversion vector;
Failure diagnosis method using machine learning-based frequency analysis, characterized in that it comprises the step of analyzing the combined vector through a deep neural network and outputting a state diagnosis result for the facility.
상기 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력하는 단계는 제1 컨벌루션 신경망(CNN)을 통해 상기 신호 입력 벡터로부터 신호 특징 벡터를 추출하는 과정과,
제2 컨벌루션 신경망(CNN)을 통해 상기 주파수 변환 벡터로부터 주파수 특징 벡터를 추출하는 과정과,
상기 추출한 신호 특징 벡터와 상기 주파수 특징 벡터를 결합하는 과정과,
상기 결합한 벡터를 심층 신경망을 통해 분석하여 설비에 대한 상태 진단 결과를 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 머신러닝 기반 주파수 분석을 이용한 고장 진단 방법.10. The method of claim 9,
The step of outputting the state diagnosis result for the facility includes the process of extracting a signal feature vector from the signal input vector through a first convolutional neural network (CNN);
The process of extracting a frequency feature vector from the frequency transformation vector through a second convolutional neural network (CNN);
combining the extracted signal feature vector and the frequency feature vector;
Failure diagnosis method using machine learning-based frequency analysis, characterized in that it comprises the step of analyzing the combined vector through a deep neural network and outputting a state diagnosis result for the facility.
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