KR20210077496A - 초음파 대역의 음향 신호를 수신하는 다채널 감지 센서를 구비한 설비 고장 예측 시스템 - Google Patents

초음파 대역의 음향 신호를 수신하는 다채널 감지 센서를 구비한 설비 고장 예측 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 대역의 음향 신호를 수신하는 다채널 감지 센서를 구비한 설비 고장 예측 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일례에 따른 설비 고장 예측 시스템은 설비에 인접하여 위치하고, 상기 설비가 동작할 때 발생되는 소리로부터 음파 신호를 수집하는 센서부; 상기 음파 신호를 샘플링하고 노이즈를 제거하여 샘플링 데이터를 추출하는 샘플링 데이터 추출기; 상기 샘플링 데이터가 정상 신호인지 이상 신호인지 여부를 판별하여 복수의 판별 정보를 생성하는 신호 판별기; 상기 복수의 판별 정보 중 이상 신호로 판별된 이상 신호 판별 정보에 대응되는 상기 샘플링 데이터를 분석하여 이상 신호 분석 정보를 생성하는 이상 신호 분석기; 및 상기 복수의 판별 정보 중 상기 정상 신호로 판별된 정상 신호 판별 정보와 상기 이상 신호 분석 정보에 대한 패턴을 분석하여 상기 설비에 대한 고장 예측 정보를 제공하는 패턴 분석기;를 포함하고, 상기 센서부는 상기 설비를 중심으로 서로 다른 지점에 위치하는 복수의 감지 센서를 포함한다.

Description

초음파 대역의 음향 신호를 수신하는 다채널 감지 센서를 구비한 설비 고장 예측 시스템{Equipment failure prediction system having multi-channel sensors for receiving acoustic signals in the ultrasonic band}
본 발명은 초음파 대역의 음향 신호를 수신하는 다채널 감지 센서를 구비한 설비 고장 예측 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 산업현장에서 안정적이고 연속적으로 운전되어야 하는 설비는 설비라인 자체에 치명적인 손상을 주는 돌발 고장과, 예기치 못한 고장으로 설비라인이 중지되어 이로 인한 생산량 감소를 사전에 미리 방지하기 위해 설비고장을 미리 예측하는 방법이 연구 개발되고 있다.
현재 사용되고 있는 고장 예측방법은 설비의 이상 상태 변화를 감지하고, 이때 나타나는 결함을 검출하여 설비나 부품의 상태를 판정하고 수명을 예측하는 방식을 사용하고 있다.
그러나, 종래의 설비의 고장 예측 시스템 내지 방법은 설비의 결함과 관련된 신호를 센싱하는 센서가 설비에 직접 부착되어, 설비의 소리나 진동, 열, 또는 전류 변화를 계측하여 설비의 문제를 탐지하는 것이 대부분이 이었다.
그러나, 이와 같이 설비에 부착되는 센서의 경우, 설비의 지속적인 진동으로 인하여, 센서의 감지에 방해하는 하나의 요소로 작용하여, 정확한 고장 예측에 문제를 발생시켰다.
아울러, 설비의 동작 중 소리를 센싱하여, 설비의 문제를 탐지하는 고장 예측 시스템은 가청 주파수 내에서 설비의 이상음을 감지하는 기존의 사례가 있으나, 이와 같은 경우, 설비의 이상음을 가청 주파수 내에서만 감지하여, 고장 예측의 정확성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 초음파 대역의 음향 신호를 수신하는 다채널 감지 센서를 구비한 설비 고장 예측 시스템을 제공하는데, 그 목적이 있다.
보다 구체적으로 본 발명은 초음파 대역의 음향 신호를 수신하는 감지 센서를 복수 개로 구비되도록 하여, 고장 예측의 정확도를 보다 향상시킬 수 있는 초음파 대역의 음향 신호를 수신하는 다채널 감지 센서를 구비한 설비 고장 예측 시스템을 제공하는데, 그 목적이 있다.
본 발명의 일례에 따른 설비 고장 예측 시스템은 설비에 인접하여 위치하고, 상기 설비가 동작할 때 발생되는 소리로부터 음파 신호를 수집하는 센서부; 상기 음파 신호를 샘플링하고 노이즈를 제거하여 샘플링 데이터를 추출하는 샘플링 데이터 추출기; 상기 샘플링 데이터가 정상 신호인지 이상 신호인지 여부를 판별하여 복수의 판별 정보를 생성하는 신호 판별기; 상기 복수의 판별 정보 중 이상 신호로 판별된 이상 신호 판별 정보에 대응되는 상기 샘플링 데이터를 분석하여 이상 신호 분석 정보를 생성하는 이상 신호 분석기; 및 상기 복수의 판별 정보 중 상기 정상 신호로 판별된 정상 신호 판별 정보와 상기 이상 신호 분석 정보에 대한 패턴을 분석하여 상기 설비에 대한 고장 예측 정보를 제공하는 패턴 분석기;를 포함하고, 상기 센서부는 상기 설비를 중심으로 서로 다른 지점에 위치하는 복수의 감지 센서를 포함한다.
일례로, 상기 센서부는 상기 복수의 감지 센서를 구비하고, 상기 복수의 감지 센서는 8bit, 16bit 또는 24bit 중 어느 하나가 선택되어, 상기 음파 신호에 대해 서로 다른 진폭의 해상도를 가질 수 있다.
상기 복수의 감지 센서 각각은 상기 음파 신호를 수집하는 센싱부를 포함하고, 상기 복수의 감지 센서 중 적어도 하나는 아날로그 신호 형태로 수집된 음파 신호를 디지털 신호로 변환하는 샘플링부를 포함할 수 있다.
일례로, 상기 복수의 감지 센서는 상기 샘플링부를 포함하는 메인 감지 센서와 상기 샘플링부를 구비하지 않는 보조 감지 센서를 포함하고, 상기 보조 감지 센서는 상기 메인 감지 센서와 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다.
상기 복수의 감지 센서 각각으로 수집되는 상기 음파 신호의 시간차를 이용하여 상기 설비에서 상기 음파 신호를 발생시킨 음원의 위치값이 산출될 수 있다.
상기 복수의 감지 센서 각각으로 수집되는 상기 음파 신호의 진폭에 대한 크기 차이를 이용하여 상기 설비에서 발생된 상기 음파 신호의 지향 방향에 대한 정보인 지향값이 산출될 수 있다.
상기 샘플링 데이터를 저장하는 샘플링 데이터 DB와 상기 샘플링 데이터가 정상 신호 또는 이상 신호로 판별된 판별 정보를 저장하는 감지된 신호 정보 DB를 구비하는 데이터 베이스부를 더 포함할 수 있다.
상기 신호 판별기, 상기 이상 신호 분석기 및 상기 패턴 분석기는 하나의 서버에 구비될 수 있다.
상기 신호 판별기로 입력되는 상기 샘플링 데이터는 미리 결정된 시간 기준으로 세분화된 정보일 수 있다.
상기 이상 신호 분석기는 상기 이상 신호 판별 정보에 대응되는 샘플링 데이터에 대해, 딥 러닝 알고리즘을 이용하여 이상 유형의 종류와 정도에 대해 분석할 수 있다.
상기 이상 신호 분석기는 상기 이상 신호 판별 정보에 대응되는 샘플링 데이터와 상기 샘플링 데이터에 대한 음원의 위치값을 이용하여, 상기 설비에 대한 이상 유형의 종류와 정도에 대해 분석할 수 있다.
상기 패턴 분석기는 상기 정상 신호 판별 정보를 상기 감지된 신호 정보 DB로부터 입력받고, 상기 이상 신호 분석 정보를 상기 이상 신호 분석기로부터 입력받아 정보의 패턴을 분석할 수 있다.
상기 패턴 분석기는 상기 정상 신호 판별 정보와 상기 이상 신호 분석 정보를 시간의 순서에 따라 시계열적으로 배열하여, 패턴을 분석할 수 있다.
상기 센서부는 상기 설비로부터 이격될 수 있다.
상기 샘플링부가 디지털 변환시의 샘플링비(sampling rate)는 35KHz ~ 300KHz 사이일 수 있다.
초음파 대역의 음향 신호를 수신하는 다채널 감지 센서를 구비한 설비 고장 예측 시스템은 설비의 동작 과정에서 발생되는 음파 신호 중 초음파 대역의 신호를 3개의 채널로 수신하여, 설비에 대한 고장 예측 정보를 제공함으로써, 사용자가 공장 내의 설비에 대해 신속한 대응을 하도록 안내할 수 있고, 이로 인하여 공장의 가동 중단에 따른 손해 비용을 최소화하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일례에 따른 설비 고장 예측 시스템의 개요를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 도 1에 도시된 센서부의 일례에 대해 설명하기 위한 도이다.
도 3은 센서부에서 메인 감지 센서와 보조 감지 센서의 연결 관계의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 4는 본 발명이 음원의 위치를 산출하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 본 발명이 음원에서 발생된 상기 음파 신호의 지향 방향에 대한 정보인 지향값을 산출하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 6은 도 1에 도시된 서버(200)의 일례에 서버(200)의 일례에 대해 설명하기 위한 도이다.
도 7 내지 도 9은 본 발명의 일례에 따른 설비 고장 예측 방법의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 10은 본 발명의 일례에 따른 설비 고장 예측 시스템이 제공하는 고장 예측 정보의 일례를 설명하기 위한 도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하는데 있어서, 해당 분야에 이미 공지된 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명을 부가하는 것이 본 발명의 요지를 불분명하게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명에서 이를 일부 생략하도록 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 실시예들을 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 해당 분야의 관련된 사람 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 설비 고장 예측 시스템 및 설비 고장 예측 방법에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일례에 따른 설비(10) 고장 예측 시스템의 개요를 설명하기 위한 도이다.
제조 현장에서 설비(10)의 결함이나 손상이 발생할 경우, 설비(10)의 가동 중단을 야기할 수 있으며 이로 인해 발생하는 경제적 피해의 규모는 막대하기 때문에 고장이 발생하기 전에 조치를 취하는 것이 비용 절감을 위해 매우 중요하게 인식되어 있다.
설비(10) 고장 예측이란 설비(10)의 상태를 실시간으로 진단하여 이상 상태를 조기에 발견하고 미래에 발생할 고장까지 미리 예측하여 적절한 조치를 취할 수 있게 하는 기술로 설비(10)의 안정성을 높일 수 있다.
최근에는 이와 같은 설비(10) 고장 예측을 적용하고자 하는 산업 분야도 확대되고 있는 추세이며, 설비(10) 고장 예측은 생산 매출에 크게 기여될 것으로 전망된다.
이를 위해, 본 발명의 일례에 따른 설비(10) 고장 예측 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 설비(10) 고장 예측을 위해 필요한 센서부(100)와 서버(200)를 포함할 수 있다.
센서부(100)는 설비(10)를 중심으로 서로 다른 지점에 위치하는 복수의 감지 센서(100a, 100b, 100c)를 구비할 수 있으며, 각각의 감지 센서(100a, 100b, 100c)는 설비(10)에 인접하여 위치하되, 각각이 설비(10)로부터 물리적으로 이격되어 위치할 수 있고, 설비(10)가 동작할 때 발생되는 소리로부터 음파 신호를 수집할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일례에 따른 설비(10) 고장 예측 시스템은 센서부(100)에 복수의 감지 센서(100a, 100b, 100c)가 구비되도록 하여, 설비(10)에서 고장에 의해 발생되는 음파 신호에 대한 음원의 위치를 파악할 수 있고, 복수의 감지 센서(100a, 100b, 100c) 각각으로 수신되는 음파 신호의 진폭 크기를 파악하여, 음원으로부터 음파 신호가 진행하는 지향 방향을 파악할 수 있고, 이로부터 해당 음파의 원인을 분석하여, 설비(10)의 고장 원인을 보다 면밀하고 세밀하게 파악할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일례에 따른 센서부(100)는 초음파 음파 신호를 수집하기 때문에 설비(10)에 직접적인 접촉을 하지 않아도 되며 설비(10) 작동 중 발생하는 충격이 제품에 전달되지 않아 상대적으로 내구성을 보다 향상시킬 수 있다. 일례로, 복수의 감지 센서(100a, 100b, 100c)는 모두 설비(10)를 중심으로 이격되어 위치할 수 있다.
여기서, 센서부(100)에 구비된 복수의 감지 센서는 적어도 2개 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이, 3개를 구비할 수 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 3개 이상을 구비하는 것도 가능하다.
여기서, 감지 센서가 2개인 경우, 음파 신호를 발생시키는 음원의 위치를 2차원의 평면상에서 파악할 수 있으나, 감지 센서가 3개인 경우, 음원의 위치를 3차원 상에서 파악할 수 있어, 설비(10)의 고장 원인이 되는 음원의 위치를 더욱 정확하게 파악할 수 있다.
센서부(100)에서 수집된 음파 신호를 무선 또는 유선을 통하여 서버(200)로 전송할 수 있다. 도 1에서는 센서부(100)와 서버(200)가 유선으로 연결된 경우를 일례로 도시하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 센서부(100)가 서버(200)가 인터넷 망을 통하여 무선으로 연동되는 것도 가능하다.
이와 같이, 센서부(100)로 수집된 음파 신호가 신호 처리되어 샘플링되고 초음파 대역의 신호로 필터링되고, 노이즈 제거된 샘플링 데이터에 대해, 서버(200)는 정상 신호인지 이상 신호인지 판별하고, 이상 신호로 판별된 이상 신호 판별 정보에 대한 샘플링 데이터를 분석하여 이상 신호 분석 정보를 생성하고, 이상 신호 분석 정보의 시계열적 패턴을 분석하여 설비(10)에 대한 고장 예측 정보를 제공할 수 있다.
이를 위해, 서버(200)는 (1) 샘플링 데이터가 정상 신호인지 이상 신호인지 여부를 판별하여 복수의 판별 정보를 생성하여, (2) 복수의 판별 정보 중 이상 신호로 판별된 이상 신호 판별 정보에 대응되는 샘플링 데이터에 대해 분석된 이상 신호 분석 정보를 생성하고, (3) 복수의 판별 정보 중 정상 신호로 판별된 정상 신호 판별 정보와 이상 신호 분석 정보에 대한 패턴을 분석하여 설비(10)에 대한 고장 예측 정보를 관리자에게 제공하여 설비(10)가 완전히 고장 나기 전에 미리 조치할 수 있도록 할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일례에 따른 설비(10) 고장 예측 시스템은 일반적인 기계 설비(10)의 경우 물리적 고장 발생시 고장 부분뿐만 아니라 연결된 부분의 손상까지 동반하므로 사전 조치를 통해 수리비용 절감 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명의 일례에 따른 설비(10) 고장 예측 시스템은 설비(10)의 고장 발생 시, 고장 설비(10)의 수리에 상당한 시간이 소요되기 때문에 사전 조치를 통해 설비(10)의 고장을 예방하여 가동률이 저하되는 상황을 차단할 수 있으므로 제품 생산성 향상 효과를 기대할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일례에 따른 설비(10) 고장 예측 시스템은 설비(10) 고장 예측을 통해 설비(10)의 이상 상태에 대한 사전 조치가 가능하여 설비(10) 고장의 전조 증상 중 하나인 제품 품질 저하를 예방할 수 있어 생산 제품의 품질 유지 및 향상을 기대할 수 있다.
이와 같은 설비(10) 고장 예측 시스템에서는 미세한 감지를 위해 초음파 대역에 대해 측정 가능한 고감도 오디오 카드가 센서부(100)에 포함될 수 있다.
또한, 효율적인 데이터 분석을 위해, 음파 신호를 분석하기 이전에 공장 환경의 노이즈가 제거된 샘플링 데이터가 추출될 수 있으며, 추출된 샘플링 데이터가 정상 신호인지 이상 신호인지 판별하기 위하여 머신 러닝(Machine learning)이 적용될 수 있다.
아울러, 샘플링 데이터가 이상 신호인 것으로 판별된 경우, 해당 이상 신호에 대한 로우 데이터(low data)인 샘플링 데이터를 이용하여 딥러닝 알고리즘(Deep learning algorithm)이 적용되어, 보다 정확하고 효율적으로 이상 신호를 발생시키는 설비(10)의 이상 유형의 종류와 정도에 대한 이상 신호 분석 정보를 제공할 수 있다.
더불어, 복수의 판별 정보 중 정상 신호로 핀별된 정상 신호 판별 정보와 이상 신호 분석 정보를 이용하여, 서버 내에 미리 설치된 패턴 분석 프로그램을 실행하여, 설비(10)에 대한 고장 예측 정보를 제공할 수 있다.
이하에서는 이와 같은 본 발명의 일례에 적용되는 센서부(100)와 서버(200)의 구성에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 센서부(100)의 일례에 대해 설명하기 위한 도이고, 도 3은 센서부(100)에서 메인 감지 센서(100a)와 보조 감지 센서(100b, 100c)의 연결 관계의 일례를 설명하기 위한 도이고, 도 4는 본 발명이 음원의 위치를 산출하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도이고, 도 5는 본 발명이 음원에서 발생된 음파 신호의 지향 방향에 대한 정보인 지향값을 산출하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2 및 도 6에서는 센서부(100)가 초음파 대역 필터링 모듈(130)을 구비하고, 서버(200)는 초음파 대역 필터링 모듈(130)을 구비하지 않는 경우를 일례로 도시하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 도 2 및 도 6과 다르게 초음파 대역 필터링 모듈(130)은 감시 센서가 아닌 서버(200)에 구비되는 것도 가능하다.
다만, 이하에서는 설명의 편의상 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 센서부(100)가 초음파 대역 필터링 모듈(130)을 구비하고, 서버(200)는 초음파 대역 필터링 모듈(130)을 구비하지 않는 경우를 일례로 설명한다.
또한, 도 2 및 도 6에서는 서버(200)가 샘플링 데이터 추출기(213)을 구비하고, 센서부(100)는 샘플링 데이터 추출기(213)을 구비하지 않는 경우를 일례로 도시하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 도 2 및 도 6과 다르게, 센서부(100)가 샘플링 데이터 추출기(213)을 구비하고, 서버(200)가 샘플링 데이터 추출기(213)을 구비하지 않는 경우도 가능하다.
다만, 이하에서는 설명의 편의상 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 서버(200)가 샘플링 데이터 추출기(213)을 구비하고, 센서부(100)는 샘플링 데이터 추출기(213)을 구비하지 않는 경우를 일례로 설명한다.
또한, 도 6에서는 신호 판별기(214), 이상 신호 분석기(215) 및 패턴 분석기(216)가 하나의 서버에 구비된 경우를 일례로 도시하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 신호 판별기(214), 이상 신호 분석기(215) 및 패턴 분석기(216) 각각은 서로 이격되어 서로 다른 서버에 구비되는 것도 가능하다.
센서부(100)는 도 1에서 전술한 바와 같이, 복수의 감지 센서(100a, 100b, 100c)를 포함할 수 있다.
이와 같은 복수의 감지 센서(100a, 100b, 100c)는 메인 감지 센서(100a)와 보조 감지 센서(100b, 100c)를 포함할 수 있다. 메인 감지 센서(100a)는 보조 감지 센서(100b, 100c)와 무선 또는 유선으로 연결될 수 있다.
일례로, 메인 감지 센서(100a)는 설비(10)가 동작할 때 발생되는 소리로부터 음파 신호를 수집하기 위한 센싱부(110)와 신호 처리부를 구비하며, 보조 감지 센서(100b, 100c)는 신호 처리부를 제외한 센싱부(110)를 구비할 수 있으며, 메인 감지 센서(100a)와 보조 감지 센서(100b, 100c) 모두 상호 통신을 위한 통신부(150)를 구비할 수 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 이와 다르게 구비되는 것도 얼마든지 가능하다.
여기서, 신호 처리부는 일례로, 샘플링부(120), 초음파 대역 필터링 모듈(130), 위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140)과 같은 구성을 포함할 수 있다.
이에 따라, 메인 감지 센서(100a)는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 샘플링부(120), 초음파 대역 필터링 모듈(130), 위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140) 및 통신부(150)를 포함할 수 있으며, 보조 감지 센서(100b, 100c)는 센싱부(110)와 통신부(150)를 구비할 수 있으며, 보조 감지 센서(100b, 100c)는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 센싱부(110)와 통신부(150)를 구비할 수 있다.
그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 보조 감지 센서(100b, 100c) 역시 메인 감지 센서(100a)와 동일하게, 샘플링부(120), 초음파 대역 필터링 모듈(130), 위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140)을 구비하는 것도 얼마든지 가능하다. 그러나, 이하에서는 설명의 편의상 보조 감지 센서(100b, 100c)가 센싱부(110)와 통신부(150)를 구비하는 경우를 일례로 설명한다.
메인 감지 센서(100a)와 보조 감지 센서(100b, 100c) 각각에 구비되는 센싱부(110)는 설비(10)와 물리적으로 이격된 상태에서 설비(10)가 동작할 때 발생되는 소리로부터 음파 신호를 수집할 수 있다. 일례로, 센싱부(110)에는 MEMS 마이크로 회로가 구비될 수 있다. 이와 같은 센싱부(110)에서 음파 신호를 수신하는 데이터 용량은 8bit, 16bit 또는 24bit 중 적어도 하나일 수 있고, 각각의 감지 센서(100a, 100b, 100c)에서 음파 신호를 수신하는 수신 감도가 다르게 설정될 수 있다.
일례로, 메인 감지 센서(100a)의 센싱부(110)는 음파 신호를 수신하는 용량이 보조 감지 센서(100b, 100c)의 센싱부(110)가 음파 신호를 수신하는 용량보다 더 클 수 있다. 일례로, 메인 감지 센서(100a)의 센싱부(110)는 24bit가 사용될 수 있고, 보조 감지 센서(100b, 100c)의 센싱부(110)는 16bit 또는 8bit 중 어느 하나가 사용되거나, 또는 어느 하나의 보조 감지 센서(100b)의 센싱부(110)는 16bit를 다른 하나의 보조 감지 센서(100c)의 센싱부(110)는 8bit가 사용될 수 있다. 이에 따라, 복수의 감지 센서(100a, 100b, 100c)는 서로 다른 해상도로 음파를 수신하여, 고장 진단을 보다 명확하게 할 수 있다.
다른 일례로, 메인 감지 센서(100a)는 24bit로 음파 신호를 감지할 수 있고, 어느 하나의 보조 감지 센서(100b)는 16bit로, 다른 하나의 보조 감지 센서(100c)는 8bit로 음파 신호를 감지할 수 있다.
이와 같은 경우, 각각의 감지 센서(100a, 100b, 100c)에서 감지하는 음파 신호의 수신 감도가 8bit, 16bit, 24bit로 달라질 수 있고, 각각의 감지 센서(100a, 100b, 100c)에서 감지한 음파 신호의 진폭에 대한 해상도도 달라질 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 서로 다른 해상도로 음파 신호를 수신하여, 고장 진단을 보다 명확하게 할 수 있다.
그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 메인 감지 센서(100a) 및 보조 감지 센서(100b, 100c)의 각 센싱부(110)에 모두 동일한 24bit의 데이터 용량이 적용되는 것도 가능하다.
이와 같은 센싱부(110)는 메인 감지 센서(100a)와 보조 감지 센서(100b, 100c) 모두에 구비될 수 있으며, 메인 감지 센서(100a)와 보조 감지 센서(100b, 100c)가 서로 다른 지점에 위치하므로, 설비(10)의 어느 한 지점에서 발생한 동일한 음원으로부터 발생되는 동일한 음파 신호에 대해 메인 감지 센서(100a)에서 수신하는 신호와 보조 감지 센서(100b, 100c)에서 수신하는 신호가 서로 다를 수 있다.
일례로, 동일한 음파 신호에 대해 메인 감지 센서(100a)의 센싱부(110)에서 감지하는 신호의 수신 시간과 보조 감지 센서(100b, 100c)의 센싱부(110)에서 감지하는 신호의 수신 시간이 서로 다를 수 있으며, 음파 신호가 특정 방향으로 지향되는 경우, 메인 감지 센서(100a)의 센싱부(110)에서 감지하는 신호의 진폭 크기와 보조 감지 센서(100b, 100c)의 센싱부(110)에서 감지하는 신호의 진폭 크기가 서로 다를 수 있다.
통신부(150)는 메인 감지 센서(100a)와 보조 감지 센서(100b, 100c) 모두에 구비될 수 있으며, 메인 감지 센서(100a)의 통신부(150)는 보조 감지 센서(100b, 100c)의 통신부(150)와 상호 통신이 가능하도록 연결될 수 있다.
일례로, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 센서부(100)에 포함되는 2개의 보조 감지 센서(100b, 100c)는 메인 감지 센서(100a)에 유선으로 연결될 수 있다. 도 3의 (a)에서는 2개의 보조 감지 센서(100b, 100c) 각각이 메인 감지 센서(100a)에 유선으로 연결되는 경우를 일례로 도시하였으나, 이와 다르게, 2개의 보조 감지 센서(100b, 100c)가 메인 감지 센서(100a)에 직렬 연결되는 것도 가능하다. 일례로, 어느 하나의 보조 감지 센서(일례로, 100b)가 메인 감지 센서(100a)에 유선으로 연결되고, 나머지 하나의 보조 감지 센서(일례로, 100b)가 어느 하나의 보조 감지 센서(100b)에 유선으로 연결되는 것도 가능하다.
또는, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 센서부(100)에 포함되는 2개의 보조 감지 센서(100b, 100c)는 메인 감지 센서(100a)에 무선으로 연결되는 것도 가능하다.
아울러, 메인 감지 센서(100a)의 통신부(150)는 음파 신호에 대한 신호 처리가 완료된 이후, 신호 처리된 음파 신호를 서버로 전송할 수 있다.
이에 따라, 메인 감지 센서(100a)의 통신부(150)는 메인 감지 센서(100a)의 내부 신호 처리부에서 음파 신호에 대해 신호 처리된 결과값을 서버로 전송할 수 있다.
이에 따라, 보조 감지 센서(100b, 100c)의 센싱부(110)를 통하여 수신된 음파 신호는 메인 감지 센서(100a)로 전송되어, 메인 감지 센서(100a)의 신호 처리부에서 신호 처리될 수 있다.
이에 따라, 메인 감지 센서(100a)의 신호 처리부에서는 메인 감지 센서(100a) 및 보조 감지 센서(100b, 100c)의 센싱부(110)로 수신되는 음파 신호를 신호 처리할 수 있다.
이와 같은 메인 감지 센서(100a)의 신호 처리부는 일례로, 샘플링부(120), 초음파 대역 필터링 모듈(130), 위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140)과 같은 구성을 포함할 수 있다. 도 2에서는 위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140)이 메인 감지 센서(100a)에 구비된 경우를 일례로 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140)이 서버에 구비되는 것도 가능하다. 그러나, 설명의 편의상 도 2와 같이 설명한다.
샘플링부(120)는 센싱부(110)에서 아날로그 신호 형태로 수집된 음파 신호를 디지털 신호로 변환하는 역할을 할 수 있으며, 고감도 측정 및 분석이 가능하도록 하기 위하여, 별도의 필터와 증폭 회로를 구비하여, 디지털 신호로 변환하기 위한 샘플링비(sampling rate)를 35KHz 보다 높게 할 수 있다.
일례로, 샘플링비는 35KHz ~ 300KHz 사이일 수 있으며, 바람직하게는 100KHz ~ 300KHz, 보다 바람직하게는 190KHz ~ 300KHz 사이일 수 있다.
초음파 대역 필터링 모듈(130)은 고감도로 샘플링된 디지털 음파 신호로부터 초음파 대역의 신호를 필터링하여 추출할 수 있다. 즉, 음파 신호에서 초음파 대역보다 낮은 대역의 신호를 제거하고, 초음파 대역의 음파 신호만 추출할 수 있다.
이와 같이 추출되는 초음파 대역의 음파 신호는 35KHz 이상일 수 있으며, 일례로 35KHz~300KHz 대역의 음파 신호를 포함할 수 있다.
위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140)은 메인 감지 센서(100a)의 센싱부(110)에서 센싱한 음파 신호와 보조 감지 센서(100b, 100c)에서 센싱한 음파 신호의 사이의 시간차를 이용하여 설비(10)에서 음파 신호를 발생시킨 음원의 위치값을 산출할 수 있다.
아울러, 위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140)은 메인 감지 센서(100a)의 센싱부(110)에서 센싱한 음파 신호의 진폭에 대한 크기와 보조 감지 센서(100b, 100c)에서 센싱한 음파 신호의 진폭에 대한 크기 차이를 이용하여, 설비(10)에서 발생된 음파 신호의 지향 방향에 대한 정보인 지향값이 산출할 수 있다. 이에 대해서는 도 8 이하에서 구체적으로 설명한다.
이에 따라, 메인 감지 센서(100a)는 음파 신호가 신호 처리된 초음파 신호, 해당 초음파 신호에 대한 위치값과 지향값을 함께 서버로 전송할 수 있고, 서버는 초음파 신호, 위치값 및 지향값을 함께 수신할 수 있다.
그러나, 이는 일례이고, 위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140)이 서버에 구비되는 것도 가능하고, 위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140)이 서버에 구비된 경우, 메인 감지 센서(100a)는 메인 감지 센서(100a)에서 센싱되어 디지털 변환된 초음파 신호와 보조 감지 센서(100b, 100c)에서 센싱되어 디지털 변환된 초음파 신호를 모두 서버로 전송할 수 있고, 서버에서 위치값과 지향값을 산출하는 것도 가능하다.
위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140)은 메인 감지 센서(100a)의 센싱부(110)에서 센싱한 음파 신호와 보조 감지 센서(100b, 100c)에서 센싱한 음파 신호의 사이의 시간차를 이용하여 설비(10)에서 음파 신호를 발생시킨 음원의 위치값이 산출할 수 있다.
일례로, 도 4에 도시된 바와 같이, 설비(10)에서 음원을 발생시키는 복수의 지점(P1, P2, P3, P4)가 있다고 가정한 경우, 복수의 지점 중 어느 하나의 특정 지점(P2)에서 음파 신호가 발생될 경우, 메인 감지 센서(100a)와 2개의 보조 감지 센서(100b, 100c) 각각이 해당 음원(P2)에서 발생된 음파 신호를 감지하는 시간이 서로 다르고, 음파 신호의 파형은 거의 동일할 수 있다.
이와 같은 경우, 위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140)은 메인 감지 센서(100a)와 2개의 보조 감지 센서(100b, 100c)로 수신되는 음파 신호의 수신 시간(t1, t2, t3)을 감지하고, 각 수신된 시간의 차이값을 이용하여, 일례로, 삼각 측량법을 이용하여, 해당 음파가 발생된 음원에 대한 위치(P2)를 파악할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 이와 같이 음원의 위치(P2)를 파악하여, 설비(10)의 고장 원인을 세밀하게 분석할 수 있다.
또한, 위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140)은 메인 감지 센서(100a)의 센싱부(110)에서 센싱한 음파 신호의 진폭에 대한 크기와 보조 감지 센서(100b, 100c)에서 센싱한 음파 신호의 진폭에 대한 크기 차이를 이용하여, 설비(10)에서 발생된 음파 신호의 지향 방향에 대한 정보인 지향값이 산출할 수 있다.
일례로, 음원인 P2 지점에서 발생한 음파 신호가 도 5에 도시된 바와 같이, 특정 방향으로 지향성을 가지는 경우, 본 발명의 각 감지 센서(100a, 100b, 100c)에서 수신되는 음파 신호는 서로 다른 진폭의 크기를 가질 수 있다.
일례로, 서로 유사한 음파 신호의 파형에 대해, 100b 보조 감시 센서에서는 가장 큰 진폭을 가지는 음파 신호가 수신될 수 있으며, 100a 감지 센서(100a, 100b, 100c)에서는 중간 정도 크기의 진폭을 가지는 음파 신호가, 100c 감지 센서(100a, 100b, 100c)에서는 가장 작은 크기의 진폭을 가지는 음파 신호가 수신될 수 있다.
이에 따라, 위치값 및 지향 정보값 산출 모듈(140)은 각 감지 센서(100a, 100b, 100c)로 수신되는 동일한 파형을 갖는 음파 신호의 진폭 차이를 계산하여, 해당 음파가 어느 방향을 지향하는지 산출할 수 있다.
이와 같은 경우, 도 4와 비교하여, 동일한 P2 지점이라도, 음파 신호의 지향 방향이 서로 상이함을 계산할 수 있으며, 도 5와 같이 해당 음파의 지향 방향을 계산하여, P2 지점에서 고장 원인과 관련된 음파 신호가 발생하더라도, 보다 구체적으로 P2 지점에서 어떤 부분이 고장을 발생시키는지, 고장 원인을 더욱 세밀하게 분석할 수 있다.
이하에서는 이와 같이, 본 발명의 센서부(100)에서 센싱한 초음파 신호가 서버에서 어떠한 방법으로 분석되는지에 대해 설명한다.
도 6은 도 1에 도시된 서버(200)의 일례에 서버(200)의 일례에 대해 설명하기 위한 도이다.
서버(200)는 도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(210)와 데이터 베이스부(220)를 포함할 수 있다.
데이터 베이스부(220)는 센서부(100)로부터 수신된 초음파 신호가 샘플링 데이터로 추출된 샘플링 데이터와 각 샘플링 데이터에 대응되는 위치값과 지향값을 저장하고, 샘플링 데이터에 대해 신호 판별을 수행하여, 정상 신호인지 이상 신호인지 판별된 데이터 정보인 판별 정보가 저장될 수 있다.
이를 위해, 데이터 베이스부(220)는 샘플링 데이터 DB(221)와 감지된 신호 정보 DB(223)를 포함할 수 있다.
샘플링 데이터 DB(221)는 초음파 신호가 샘플링 데이터로 추출된 로우 데이터(low-data) 형태를 갖는 샘플링 데이터와 각 샘플링 데이터에 대응되는 위치값과 지향값이 저장될 수 있으며, 감지된 신호 정보 DB(223)는 샘플링 데이터 DB(221)와 샘플링 데이터에 대해 신호 판별이 수행되어 생성된 판별 정보가 저장될 수 있다.
여기서, 데이터 베이스부(220)에 저장되는 샘플링 데이터는 아나로그 형태의 음파 신호가 디지털 변환되어 초음파 필터링된 초음파 신호에 대해, 샘플링 데이터 추출기에 의해 미리 결정된 시간 기준 동안에 대해 추출된 로우 데이터(low-data) 형태를 가질 수 있다.
이와 같은 각각의 샘플링 데이터는 미리 결정된 시간 기준으로 세분화되어 저장될 수 있다. 일례로, 세분화된 시간 기준이 0.5msec 단위로 결정된 경우, 샘플링 데이터 DB(221)에 저장된 샘플링 데이터는 0.5msec의 시간 길이를 가질 수 있으며, 세분화된 시간 기준이 1초인 경우, 샘플링 데이터 DB(221)에 저장된 샘플링 데이터는 1초의 시간 길이를 가질 수 있다.
이와 같이, 샘플링 데이터 DB(221)에 저장되는 샘플링 데이터는 미리 결정된 시간 기준 동안 해당 음파 신호가 샘플링된 샘플링 데이터와 샘플링 데이터에 대한 시간 정보 및 샘플링 데이터에 대응되는 위치값과 지향값을 포함할 수 있다.
이와 같이, 샘플링 데이터 DB(221)에 저장된 샘플링 데이터의 시간 길이는 서버에 미리 설정될 수 있으며, 최적화를 위해 따라 서버 관리자에 의해 얼마든지 변경될 수 있다.
이와 같은 샘플링 데이터 DB(221)는 신호 판별을 위해 초기에 샘플링 데이터의 트레이닝(training)과 테스트(test)에 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 설비(10) 고장 예측 시스템이 초기 이후 동작하는 내내 사용 가능하고, 샘플링 데이터의 이상 신호 여부를 판별하는데 이용될 수 있다.
감지된 신호 정보 DB(223)는 샘플링 데이터 DB(221)에 있는 샘플링 데이터에 대해 신호 판별을 수행한 판별 정보가 저장될 수 있다.
이와 같은 판별 정보는 샘플링 데이터 DB(221)에 저장된 복수의 샘플링 데이터 각각에 대해 신호 판별된 정보이므로, 각각의 판별 정보에는 해당되는 샘플링 데이터가 정상 신호인지 또는 이상 신호인지에 대한 판별 정보와, 샘플링 데이터 자체에 대한 식별 정보 또는 시간 정보가 포함될 수 있다.
일례로, 샘플링 데이터가 정상 신호로 판별된 경우, 해당 샘플링 데이터에 대해 정상 신호로 판별한 정상 신호 판별 정보가 저장될 수 있으며, 샘플링 데이터가 이상 신호로 판별된 경우, 해당 샘플링 데이터에 대해 이상 신호로 판별한 이상 신호 판별 정보가 저장될 수 있다.
따라서, 감지된 신호 정보 DB(223)에 저장되는 정상 신호 판별 정보의 개수와 이상 신호 판별 정보의 총 개수의 합은 샘플링 데이터 DB(221)에 저장된 샘플링 데이터의 총 개수의 합과 같을 수 있고, 각각의 정상 신호 판별 정보와 이상 신호 판별 정보는 샘플링 데이터 각각과 매칭될 수 있다.
서버가 감지된 신호 정보 DB(223)에서 어떤 하나의 이상 신호 판별 정보를 선택하는 경우, 해당 이상 신호 판별 정보에 대한 로우 데이터 형태를 갖는 샘플링 데이터도 샘플링 데이터 DB(221)에서 선택할 수 있다.
제어부(210)는 초음파 신호로부터 샘플링 데이터를 추출하여 신호 처리된 샘플링 데이터가 정상 신호인지 이상 신호인지 여부를 판별하고, 이상 신호로 판별된 샘플링 데이터에 대해서는 이상 신호 분석을 수행하여, 해당 샘플링 데이터에 대한 이상 신호 분석 정보를 생성하고, 정상 신호 샘플링 정보와 이상 신호 분석 정보를 시계열적으로 배열하여, 정상 신호 샘플링 정보와 이상 신호 분석 정보의 시계열적 패턴을 분석하여, 설비(10)의 고장에 대한 예측 정보를 제공할 수 있다.
이를 위해, 제어부(210)는 통신 모듈(211), 샘플링 데이터 추출기(213), 신호 판별기(214), 이상 신호 분석기(215), 패턴 분석기(216) 및 출력 모듈(217)을 포함할 수 있다.
통신 모듈(211)은 센서부(100)와 유선 또는 무선으로 연동되어, 센서부(100)(일례로, 메인 감지 센서(100a))로부터 디지털 변환되어 초음파 대역으로 필터링된 초음파 신호와 해당 초음파 신호에 대한 음원의 위치값 및 지향값을 수신할 수 있다.
샘플링 데이터 추출기(213)는 초음파 신호로부터 노이즈를 제거하여 샘플링 데이터를 추출하여, 샘플링 데이터 DB(221)에 저장할 수 있다. 구체적으로, 설비(10)가 위치한 공장 환경에서 들어오는 초음파 신호는 설비(10)의 물리적 기계음 및 인적 소음과 같은 불필요한 노이즈 정보가 합성된 신호일 수 있다.
이와 같은 샘플링 데이터 추출기(213)는 입력된 초음파 신호에서 노이즈를 필터링하여 제거하고, 설비(10)의 특정 부분이 발생시키는 초음파 신호로부터 샘플링 데이터를 추출하고, 추출된 샘플링 데이터를 데이터 분석에 사용하여, 분석의 정확도를 높일 수 있다.
이와 같이, 제어부는 초음파 신호에 대해 노이즈를 제거하고, 특정 기간으로 세분화한 로우 데이터(low-data) 형태의 샘플링 데이터를 이용하여, 샘플링 데이터를 판별하고 분석하여, 시계열적으로 패턴을 사용자 또는 관리자에게 설비(10)에 대한 예측 정보를 제공할 수 있다.
이를 수행하기 위해, 제어부는 전술한 바와 같이, 신호 판별기(214), 이상 신호 분석기(215) 및 패턴 분석기(216)를 포함할 수 있다.
신호 판별기(214)는 샘플링 데이터 DB(221)에 저장된 샘플링 데이터 각각에 대해 정상 신호인지, 이상 신호인지 판별하고, 각각의 판별된 샘플링 데이터에 대해 판별 정보를 생성할 수 있다.
여기서, 판별 정보는 일례로, 어떤 샘플링 데이터가 정상 신호로 판별된 경우, 해당 샘플링 데이터에 대해 정상 신호 판별 정보(Sn)를 생성할 수 있다. 또한, 어떤 샘플링 데이터가 이상 신호로 판별된 경우, 해당 샘플링 데이터에 대해 이상 신호 판별 정보(Sa)를 생성할 수 있다.
이와 같이, 복수의 샘플링 데이터에 대해 신호 판별기(214)가 판별된 정상 신호 판별 정보와 이상 신호 판별 정보는 감지된 신호 정보 DB(223)에 업데이트 및 저장될 수 있다.
이와 같은 신호 판별기(214)는 일례로, 머신 러닝(Machine Learning) 기술 중 Unsupervised Learning의 K-mean Algorithm을 적용하여, 복수의 샘플링 데이터에 대해 정상 신호 인지 이상 신호인지 여부를 판별할 수 있다. 그러나 본 발명이 반드시 전술한 머신 러닝만 적용되는 것에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 머신 러닝 기술의 샘플링 데이터의 판별에 대한 정확도를 보다 향상되도록 하기 위하여, 머신 러닝 기술을 실제 적용함에 있어, 샘플링 데이터 DB(221)에 저장된 샘플링 데이터를 이용하여 샘플링 데이터 각각에 대하여, 정상 신호인지, 아니면 이상 신호인지 여부를 반복적으로 판별하는 트레이닝(training)과 테스트(test)가 수행될 수 있다.
이와 같이, 신호 판별기(214)는 샘플링 데이터 DB(221)에 저장된 각각의 샘플링 데이터에 대해 이상 신호 여부를 판별하여, 판별 정보를 생성하고, 생성된 판별 정보를 감지된 신호 정보 DB(223)에 저장할 수 있다.
이상 신호 분석기(215)는 신호 판별기(214)에서 이상 신호로 판별된 이상 신호 판별 정보에 대응되는 샘플링 데이터 및 해당 샘플링 데이터의 위치값 및 지향값에 대해 이상 유형의 종류와 정도에 대해 분석하여, 이상 신호 분석 정보를 생성할 수 있다.
이에 따라, 이상 신호 분석기(215)에서 생성되는 이상 신호 분석 정보는 해당 샘플링 데이터(위치값 및 지향값 포함)에 대한 이상 유형의 종류와 정도에 대해 분석된 값이 포함될 수 있다. 이와 같이, 이상 신호 분석기(215)가 샘플링 데이터를 분석함에 있어서, 딥 러닝 알고리즘(Deep Learning Algorithms)이 적용될 수 있다.
패턴 분석기(216)는 신호 판별기(214)에서 판별되어, 데이터 베이스부(220)에 저장된 정보 중에서 정상 신호 판별 정보와 이상 신호 분석기(215)에서 분석된 이상 신호 판별 정보의 샘플링 데이터에 대한 이상 신호 분석 정보를 시계열적으로 배열하고, 이에 대한 패턴 분석을 수행할 수 있다.
이와 같이, 패턴 분석기(216)가 패턴 분석을 수행함에 있어, 미리 설치된 패턴 분석 프로그램이 이용될 수 있다. 일례로, HMM(Hidden Markov Model), Deep Learning 학습 모델 중 시계열 데이터 분석에 특화되어 있는 Recurrent Neural Network를 학습 모델, 장기간 또는 단기간 데이터의 정보를 활용하여 다양한 경우의 데이터 패턴 학습을 위해 LSTM(Long-Short Term Memory) 중 적어도 하나가 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 패턴 분석기(216)가 정상 신호 판별 정보와 이상 신호 분석 정보를 이용하여, 그 패턴 정보를 분석함으로써, 설비(10) 고장의 정도를 판단할 수 있으며, 설비(10) 고장의 원인을 판단할 수 있다.
출력 모듈(217)은 패턴 분석기(216)에서 분석된 설비(10) 고장의 정도와 원인을 이용하여 설비(10)에 대한 고장 예측 정보를 제공할 수 있다.
이하에서는 이와 같은 고장 설비(10) 예측 시스템이 동작하는 방법의 일례에 대해 설명한다.
도 7 내지 도 9은 본 발명의 일례에 따른 설비(10) 고장 예측 방법의 일례를 설명하기 위한 도이다.
구체적으로, 도 7는 본 발명의 일례에 따른 설비(10) 고장 예측 방법에 대한 플로우 차트를 도시한 것이고, 도 8는 도 7에 기재된 신호 판별 단계(S4), 이상 신호 분석 단계(S5), 패턴 분석 단계(S6)를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도이고, 도 9은 본 발명의 일례에 따른 설비(10) 고장 예측 시스템 상에서 설비(10) 고장 예측 방법이 수행될 때의 신호의 흐름을 설명하기 위한 도이다.
본 발명의 일례에 따른 설비(10) 고장 예측 방법은 도 7에 도시된 바와 같이, 음파 수집 단계(S1), 초음파 대역 필터링 단계(S2), 샘플링 데이터 추출 단계(S3), 신호 판별 단계(S4), 이상 신호 분석 단계(S5), 패턴 분석 단계(S6) 및 출력 단계(S7)를 포함할 수 있다.
음파 수집 단계(S1)에서는 센서부(100)가 설비(10)가 동작할 때 발생되는 소리로부터 음파 신호를 수집할 수 있다. 여기서 수집되는 음파 신호는 아나로그 신호일 수 있으며, 디지털 신호로 변환될 수 있다.
음파 수집 단계(S1)에서는 수집된 음파 신호를 디지털 신호로 변환될 때, 디지털 신호로 변환하기 위한 샘플링비(sampling rate)는 35KHz ~ 300KHz 사이일 수 있으며, 바람직하게는 100KHz ~ 300KHz, 보다 바람직하게는 190KHz ~ 300KHz 사이일 수 있다.
초음파 대역 필터링 단계(S2)에서는 디지털 신호로 변환된 음파 신호에서 초음파 대역이 필터링되어, 디지털 변환된 초음파 신호가 추출될 수 있다.
샘플링 데이터 추출 단계(S3)는 추출된 초음파 대역의 신호로부터 노이즈를 제거하여 특정 기간으로 분할된 샘플링 데이터를 추출할 수 있다.
일례로, 노이즈 필터링 방법은 음파 신호가 수집되기 이전에, 환경 소음 또는 배경 소음에 대한 노이즈 신호 정보를 미리 취득하여, 해당 음파 신호에 대한 노이즈 필터로 적용할 수 있다. 그러나, 본 발명의 노이즈 필터링 방법은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 얼마든지 다른 방법으로 수행될 수 있다.
이와 같이, 샘플링 데이터 추출 단계에서 추출되는 샘플링 데이터는 미리 결정된 시간 기준으로 세분화된 데이터일 수 있다.
이와 같이, 미리 결정된 시간 기준으로 세분화된 샘플링 데이터가 도 9에 도시된 바와 같이, 샘플링 데이터 DB(221)에 저장될 수 있다. 이와 같이, 샘플링 데이터 DB(221)에 저장되는 샘플링 데이터는 해당 신호의 파형에 대한 정보, 샘플링 데이터의 생성 시간 정보, 위치값 및 지향값을 포함할 수 있다.
신호 판별 단계(S4)에서는 신호 판별기(214)가 샘플링 데이터 DB(221)로부터 샘플링 데이터를 입력받아, 샘플링 데이터가 정상 신호인지 이상 신호인지 판별하여 판별 정보를 생성하고, 생성된 판별 정보를 감지된 신호 정보 DB(223)에 저장할 수 있다.
여기서, 신호 판별기(214)는 일례로, 머신 러닝(Machine Learning) 기술 중 Unsupervised Learning의 K-mean Algorithm을 적용하여, 복수의 샘플링 데이터에 대해 정상 신호 인지 이상 신호인지 여부를 판별할 수 있다. 그러나 본 발명이 반드시 전술한 머신 러닝만 적용되는 것에 한정되는 것은 아니다.
감지된 신호 정보 DB(223)에 저장되는 판별 정보는 샘플링 데이터가 정상 신호인지 또는 이상 신호인지에 대한 판별 정보와, 샘플링 데이터 자체에 대한 식별 정보 또는 시간 정보, 위치값 및 지향값이 포함될 수 있다.
아울러, 판별 정보는 샘플링 데이터가 정상 신호임을 나타내는 정상 신호 판별 정보(Sn)와 샘플링 데이터가 이상 신호임을 나타내는 이상 신호 판별 정보(Sa)를 포함할 수 있다.
일례로, 신호 판별 단계(S4)에서는 도 9에 도시된 바와 같이, 샘플링 데이터 DB(221)에 저장된 복수의 샘플링 데이터에 대해 정상 신호인지 또는 이상 신호인지 판별하여, 일례로, 샘플링 데이터 1 => 정상 신호 판별 정보(Sn), 샘플링 데이터 2 => 정상 신호 판별 정보(Sn), 샘플링 데이터 3 => 이상 신호 판별 정보(Sa)로 판별된 판별 정보가 생성될 수 있고, 도시되지는 않았지만, 각각의 판별 정보는 해당 샘플링 데이터 자체에 대한 식별 정보가 포함될 수 있다.
신호 판별 단계(S4)에서, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 감지된 신호 정보 DB(223)에 저장되는 판별 정보는 샘플링 데이터에 대한 판별 정보가 정상 신호 판별 정보(Sn)인지 또는 이상 신호 판별 정보(Sa)인지 구별하여, 판별 정보가 정상 신호 판별 정보(Sn)인 경우(도 8의 S41), 제어부(210)는 감지된 신호 정보 DB(223)에 저장된 정상 신호 판별 정보(Sn)를 패턴 분석기(216)로 출력할 수 있다.
또한, 판별 정보가 이상 신호 판별 정보(Sa)인 경우(도 8의 S42), 제어부(210)는 감지된 신호 정보 DB(223)에 이상 신호 판별 정보(Sa)에 대응되는 샘플링 데이터 DB(221)의 샘플링 데이터를 이상 신호 분석기(215)에 제공할 수 있다. 이상 신호 분석기(215)로 샘플링 데이터가 제공될 때, 샘플링 데이터와 함께, 해당 샘플링 데이터에 대한 위치값과 지향값이 함께 제공될 수 있다.
즉, 도 9과 같이, 판별 정보가 이상 신호 판별 정보(Sa)인 경우, 제어부(210)는 이상 신호 판별 정보(Sa)의 해당 샘플링 데이터를 보다 면밀하게 분석하기 위하여, 이상 신호 분석기(215)로 해당 샘플링 데이터(위치값과 지향값 포함)를 출력하여, 이상 신호 분석 단계(S5)가 수행될 수 있다.
이상 신호 분석 단계(S5)는 판별 정보 중 이상 신호 판별 정보(Sa)에 대응하는 샘플링 데이터와 함께 해당 샘플링 데이터의 위치값과 지향값을 입력받아 분석하여, 이상 신호 분석 정보를 생성할 수 있다.
일례로, 신호 판별 단계(S4)에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 샘플링 데이터 3이 이상 신호로 판별된 경우, 해당 이상 신호 판별 정보(Sa)에 대응되는 샘플링 데이터 3(샘플링 데이터 3의 위치값과 지향값 포함)을 샘플링 데이터 DB(221)로부터 출력하여, 이상 신호 분석기(215)로 입력할 수 있다.
여기서, 샘플링 데이터 3은 대한 미리 결정된 시간 기준 동안의 로우 데이터(low-data) 형태를 가질 수 있으며, 이상 신호 분석기(215)는 이와 같은 샘플링 데이터 3에 포함된 로우 데이터를 분석할 수 있다.
이상 신호 분석기(215)는 샘플링 데이터 3의 로우 데이터, 샘플링 데이터 3의 위치값, 샘플링 데이터 3의 지향값을 이용하여 샘플링 데이터 3을 분석할 수 있다. 이를 위해 이상 신호 분석기(215)는 딥 러닝 알고리즘(Deep Learning Algorithms)을 적용할 수 있다.
이와 같이, 이상 신호 분석기(215)에서 샘플링 데이터, 위치값 및 지향값을 분석한 이상 신호 분석 정보는 이상 신호 판별 정보(Sa)에 대응되는 샘플링 데이터에 대한 이상 유형의 종류와 정도를 나타낼 수 있다.
예를 들어, 이상 신호 분석기(215)는 이상 신호 분석 정보로 R1-50%, R3-60%, R5-30% 등의 이상 신호 분석 정보를 생성할 수 있다. 이상 신호 분석기(215)는 하나의 샘플링 데이터에 대해 하나의 이상 유형의 종류와 정도를 생성할 수 있다.
예를 들어, 샘플링 데이터 3에 대해서는 이상 유형 종류 1, 정도 50%를 나타내는 R1-50%이 이상 신호 분석 정보로 생성될 수 있다. 따라서, R1-50%, R3-60%, R5-30%는 3개의 샘플링 데이터 각각에 대해 분석된 이상 신호 분석 정보를 의미할 수 있다.
여기서, R1, R3, R5 등은 이상 유형의 종류를 의미할 수 있다. 즉, 이상 신호로 판별된 해당 샘플링 데이터를 발생시키는 유형을 의미할 수 있다. 이와 같은 이상 유형은 설비(10)의 고장을 발생시키는 여러가지 원인 중 하나의 원인일 수 있다.
또한, R1-50%, R3-60%, R5-30% 각각에 표시되는 백분율을 해당 이상 유형의 정도 또는 심각성을 의미할 수 있다.
따라서, R3-60%라는 의미는 이상 유형 3에 해당되고, 그 정도가 60%임을 의미하고, R5-30%라는 의미는 이상 유형 5에 해당되고, 그 정도가 30%임을 의미할 수 있다.
이와 같이, 이상 신호 분석기(215)에서 분석하는 이상 유형은 설비(10) 각각에 따라 다르게 설정될 수 있으며, 관리자 또는 사용자에 의해 얼마든지 변경될 수 있다.
이와 같이, 이상 신호 분석 단계(S5)에서 이상 신호 분석기(215)에 의해 분석된 이상 신호 분석 정보는 패턴 분석기(216)로 출력될 수 있고, 이후, 패턴 분석 단계(S6)가 수행될 수 있다.
패턴 분석 단계(S6)에서는 패턴 분석기(216)가 복수의 판별 정보 중 정상 신호로 판별된 정상 신호 판별 정보(Sn)를 감지된 신호 정보 DB(223)로부터 입력받고, 이상 신호 분석 정보를 이상 신호 분석기(215)로부터 입력받아 설비(10) 고장의 패턴을 분석할 수 있다.
이를 위해, 패턴 분석기(216)는 정상 신호 판별 정보(Sn)와 이상 신호 분석 정보를 시간의 순서에 따라 시계열적으로 배열할 수 있다.
예를 들어, 시간의 순서에 따라 R1-50%, Sn, R3-60%, R5-30%, R3-60%, …, Sn, Sn의 순서로 복수의 정상 신호 판별 정보(Sn)와 이상 신호 분석 정보(R1-50%, R3-60%, R5-30%, R3-60%)가 시계열적으로 배열될 수 있으며, 이와 같은 배열된 패턴을 패턴 분석기(216)가 분석할 수 있다.
이와 같이, 시계열적으로 배열된 패턴은 시간 순서대로 입력되는 샘플링 데이터 각각에 대한 신호의 특성을 분석한 정보일 수 있다.
패턴 분석기(216)는 이와 같은 정상 신호 판별 정보(Sn)와 이상 신호 분석 정보의 시계열적 패턴을 분석하여, 설비(10)의 고장 정도와 설비(10)의 고장 원인을 판단할 수 있다.
이와 같은 패턴 분석기(216)가 시계열적 패턴을 분석함에 있어, HMM(Hidden Markov Model), Deep Learning 학습 모델 중 시계열 데이터 분석에 특화되어 있는 Recurrent Neural Network를 학습 모델, 장기간 또는 단기간 데이터의 정보를 활용하여 다양한 경우의 데이터 패턴 학습을 위해 LSTM(Long-Short Term Memory) 중 적어도 하나가 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
출력 단계(S7)에서는 패턴 분석기(216)에서 분석된 설비(10)의 고장 정도와 설비(10)의 고장 원인을 설비(10)의 고장 예측 정보로 출력할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일례에 따른 설비(10) 고장 예측 시스템이 제공하는 고장 예측 정보의 일례를 설명하기 위한 도이다.
본 발명의 일례에 따른 설비(10) 고장 예측 시스템은 도 10에 도시된 바와 같이, 고장 예측 정보를 제공할 수 있다.
구체적으로, 고장 예측 정보는 적어도 설비(10)의 현재 상태 및 설비(10)의 고장이 발생될 때까지의 예측 정보를 포함할 수 있다.
일례로, 도 10에 도시된 바와 같이, 고장 예측 정보는 설비(10)의 이름, 고장이 발생될 때까지의 가능성을 퍼센트로 표시한 예측 정보, 정상 신호 발생 횟수, 이상 신호 발생 횟수, 이상 유형의 각 종류에 따른 정도, 발생 간격, 설비(10) 고장시까지의 예측 백분율 등이 표시될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일례에 따른 설비(10) 고장 예측 시스템 및 방법은 설비(10)의 동작 과정에서 발생되는 음파 신호 중 초음파 대역의 신호를 이용하여 설비(10)에 대한 고장 예측 정보를 제공함으로써, 사용자가 공장 내의 설비(10)에 대해 신속한 대응을 하도록 안내할 수 있고, 이로 인하여 공장의 가동 중단에 따른 손해 비용을 최소화하도록 할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 관점에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서의 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 설비 100: 센서부
100a, 100b, 100c: 감지 센서
110: 센싱부 120: 샘플링부
130: 초음파 대역 필터링 모듈
140: 통신부 200: 서버
210: 제어부 220: 데이터 베이스부

Claims (15)

  1. 설비에 인접하여 위치하고, 상기 설비가 동작할 때 발생되는 소리로부터 음파 신호를 수집하는 센서부;
    상기 음파 신호를 샘플링하고 노이즈를 제거하여 샘플링 데이터를 추출하는 샘플링 데이터 추출기;
    상기 샘플링 데이터가 정상 신호인지 이상 신호인지 여부를 판별하여 복수의 판별 정보를 생성하는 신호 판별기;
    상기 복수의 판별 정보 중 이상 신호로 판별된 이상 신호 판별 정보에 대응되는 상기 샘플링 데이터를 분석하여 이상 신호 분석 정보를 생성하는 이상 신호 분석기; 및
    상기 복수의 판별 정보 중 상기 정상 신호로 판별된 정상 신호 판별 정보와 상기 이상 신호 분석 정보에 대한 패턴을 분석하여 상기 설비에 대한 고장 예측 정보를 제공하는 패턴 분석기;를 포함하고,
    상기 센서부는 상기 설비를 중심으로 서로 다른 지점에 위치하는 복수의 감지 센서를 포함하는 설비 고장 예측 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 복수의 감지 센서를 구비하고,
    상기 복수의 감지 센서는 8bit, 16bit 또는 24bit 중 어느 하나가 선택되어, 상기 음파 신호에 대해 서로 다른 진폭의 해상도를 갖는 설비 고장 예측 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 감지 센서 각각은 상기 음파 신호를 수집하는 센싱부를 포함하고,
    상기 복수의 감지 센서 중 적어도 하나는 아나로그 신호 형태로 수집된 음파 신호를 디지털 신호로 변환하는 샘플링부를 포함하는 설비 고장 예측 시스템.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 감지 센서는
    상기 샘플링부를 포함하는 메인 감지 센서와 상기 샘플링부를 구비하지 않는 보조 감지 센서를 포함하고,
    상기 보조 감지 센서는 상기 메인 감지 센서와 유선 또는 무선으로 연결되는 설비 고장 예측 시스템.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 감지 센서 각각으로 수집되는 상기 음파 신호의 시간차를 이용하여 상기 설비에서 상기 음파 신호를 발생시킨 음원의 위치값이 산출되는 설비 고장 예측 시스템.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 감지 센서 각각으로 수집되는 상기 음파 신호의 진폭에 대한 크기 차이를 이용하여 상기 설비에서 발생된 상기 음파 신호의 지향 방향에 대한 정보인 지향값이 산출되는 설비 고장 예측 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 샘플링 데이터를 저장하는 샘플링 데이터 DB와 상기 샘플링 데이터가 정상 신호 또는 이상 신호로 핀별된 판별 정보를 저장하는 감지된 신호 정보 DB를 구비하는 데이터 베이스부를 더 포함하는 설비 고장 예측 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 신호 판별기, 상기 이상 신호 분석기 및 상기 패턴 분석기는 하나의 서버에 구비되는 설비 고장 예측 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 신호 판별기로 입력되는 상기 샘플링 데이터는 미리 결정된 시간 기준으로 세분화된 정보인 설비 고장 예측 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 이상 신호 분석기는
    상기 이상 신호 판별 정보에 대응되는 샘플링 데이터에 대해, 딥 러닝 알고리즘을 이용하여 이상 유형의 종류와 정도에 대해 분석하는 설비 고장 예측 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 이상 신호 분석기는
    상기 이상 신호 판별 정보에 대응되는 샘플링 데이터와 상기 샘플링 데이터에 대한 음원의 위치값을 이용하여, 상기 설비에 대한 이상 유형의 종류와 정도에 대해 분석하는 설비 고장 예측 시스템.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 패턴 분석기는
    상기 정상 신호 판별 정보를 상기 감지된 신호 정보 DB로부터 입력받고, 상기 이상 신호 분석 정보를 상기 이상 신호 분석기로부터 입력받아 정보의 패턴을 분석하는 설비 고장 예측 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 패턴 분석기는
    상기 정상 신호 판별 정보와 상기 이상 신호 분석 정보를 시간의 순서에 따라 시계열적으로 배열하여, 패턴을 분석하는 설비 고장 예측 시스템.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 설비로부터 이격되어 있는 설비 고장 예측 시스템.
  15. 제3 항에 있어서,
    상기 샘플링부가 디지털 변환시의 샘플링비(sampling rate)는 35KHz ~ 300KHz 사이인 설비 고장 예측 시스템.
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