KR20220114253A - 유체-고체 연성 구조물의 가상센서 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

유체-고체 연성 구조물의 가상센서 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체-고체 연성 구조물의 가상센서 장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 가상센서 장치는 유체-고체 연성 구조물에 대한 모달(modal) 실험을 통해 도출된 모달 데이터를 획득하는 실험 데이터 획득부와, 획득된 모달 데이터 및 차수 축소모델링 기법을 이용하여 유체-고체 연성 구조물을 모사하기 위한 물리모델을 업데이트하는 물리모델 업데이트부와, 유체-고체 연성 구조물의 제1 지점으로부터 실측 변위 데이터를 측정하는 실측 데이터 측정부 및 업데이트된 물리모델, 측정된 실측 변위 데이터 및 가상센싱 알고리즘을 이용하여 유체-고체 연성 구조물의 제2 지점에서의 가상 변위 데이터를 추정하고, 추정된 가상 변위 데이터에 기반한 제2 지점의 가상 센서 정보를 생성하는 가상센서 정보 생성부를 포함한다.

Description

유체-고체 연성 구조물의 가상센서 장치 및 그 동작 방법{VIRTUAL SENSING APPARATUS OF FLUID-STRUCTURE AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 유체-고체 연성 구조물의 음향진동 정보를 간접적으로 측정하는 기술로, 보다 상세하게는 유체-고체 연성 구조물에 대한 실험 데이터에 기반하여 동기화 및 업데이트된 물리모델과 가상센싱 알고리즘을 이용하여 유체-고체 연성 구조물의 미측정 지점에 대한 측정 데이터를 추정하는 기술적 사상에 관한 것이다.
최근 정보통신 기술의 급격한 발전과 사물인터넷(Internet On Things, IOT)기술의 보편화에 따라, 기계 시스템의 복잡도 또한 급증하고 있다. 특히, 기계시스템의 건전성을 실시간으로 추정하고 나아가 구조물(일례로, 유체이송 배관 구조물)의 수명을 사전에 예측해 선제적으로 대응하기 위한 고장예지 및 건전성 관리(Prognostics Health Monitoring, PHM) 기술에 대한 요구가 점차 심화되고 있다.
한편, 반도체 기술의 급격한 성장은 컴퓨터의 소형화 및 연산속도의 고도화를 이루어 내었다. 이에 따라, 매우 저렴한 비용만으로 고성능의 소형 연산 시스템을 구성할 수 있는 시대가 되었다. 이러한 기술적 배경은 4차 산업혁명의 중요 기반기술의 하나인 디지털 트윈(Digital twin)기술 연구개발의 원동력이 되고 있다.
디지털 트윈 시스템을 성공적으로 구성하기 위해서는, 실제 구조물의 상태를 물리모델로 전달하기 위한 정밀 센서 기술이 반드시 요구된다. 그러나, 고품질의 물리데이터를 측정하기 위한 다량의 센서 부착은 유체이송 배관 구조물의 특성에 영향을 미칠 수 있고, 시스템의 제작 비용을 매우 증가시킬 우려가 있다.
특히, 음향진동 시스템에서의 센서 부착은 질량 및 강성에 직접적인 변화를 일으켜 측정 데이터의 신뢰성 감소로 이어질 수 있다. 또한, 유체이송 배관의 구조가 복잡해질 경우에 검측인원의 접근이 불가능하거나 위험한 경우가 발생될 수 있다는 점도 기존 센싱 기술의 한계점으로 지목된다.
한편, 구조물의 음향진동 특성을 측정하기 위하여 물리모델의 일종인 유한요소 모델이 활용될 수 있는데, 일반적인 유한요소 모델은 하기 수학식1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식1]
Figure pat00001
여기서, M은 질량계수를 나타낼 수 있고, C는 감쇠계수를 나타낼 수 있으며, K는 강성행렬을 나타낼 수 있고, u는 변위를 나타낼 수 있으며, f는 외력을 나타낼 수 있다.
일반적인 방법으로 구축된 유한요소 모델은 구조물 설계 시 사용된 목표 물성 및 형상을 기반으로 한다. 따라서, 제조 공차, 사용 재료의 불확실성 등으로 인해 실제 측정 대상 구조물과 다소간의 차이를 나타낼 수 있으며, 유한요소 모델 기반의 수치모델의 신뢰성 확보를 위해 보정기술이 요구된다.
한국등록특허 제10-1438606호, "이종 센서의 융복합을 위한 가상 센서 네트워크 시스템" 한국등록특허 제10-2031843호, "가상의 센서 데이터를 생성하는 방법 및 장치" 한국등록특허 제10-1695562호, "센서 데이터를 활용한 유한요소 모델 동기화 및 실시간 구조 건전성 평가" 한국등록특허 제10-22045617호, "설비 이상 모니터링 장치 및 방법" 한국등록특허 제10-2006056호, "위치기반 가상센서 생성 및 센서정보 제공방법"
본 발명은 최소한의 센서 정보를 기반으로 하여 직접 측정되지 않은 지점의 구조/물리적 데이터를 소프트웨어 기반 가상센서 기술을 이용하여 간접적으로 추정할 수 있는 가상센서 장치 및 그 동작 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 물리모델을 기반으로 동작하여 구조물의 물리적 상태를 가시적으로 파악할 수 있는 가상센서 장치 및 그 동작 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 소수의 계측 정보를 기반으로 미측정 지점에 대응되는 데이터를 간접 예측하여 필요한 센서 수 및 검측 비용을 감소시킬 수 있는 가상센서 장치 및 그 동작 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 소프트웨어 기반 가상 센서를 이용하여 저비용으로 대량의 고가 센서를 대체할 수 있는 가상센서 장치 및 그 동작 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 가상센서 장치는 유체-고체 연성 구조물에 대한 모달(modal) 실험을 통해 도출된 모달 데이터를 획득하는 실험 데이터 획득부와, 획득된 모달 데이터 및 차수 축소모델링 기법을 이용하여 유체-고체 연성 구조물을 모사하기 위한 물리모델을 업데이트하는 물리모델 업데이트부와, 유체-고체 연성 구조물의 제1 지점으로부터 실측 변위 데이터를 측정하는 실측 데이터 측정부 및 업데이트된 물리모델, 측정된 실측 변위 데이터 및 가상센싱 알고리즘을 이용하여 유체-고체 연성 구조물의 제2 지점에서의 가상 변위 데이터를 추정하고, 추정된 가상 변위 데이터에 기반한 제2 지점의 가상 센서 정보를 생성하는 가상센서 정보 생성부를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 실험 데이터 획득부는 수행된 모달 실험에 기반하여 고유 진동수, 고유벡터, 감쇠계수 및 주파수 응답 중 적어도 하나를 포함하는 모달 데이터를 획득할 수 있다.
일측에 따르면, 물리모델 업데이트부는 유체-고체 연성 구조물에 대한 질량, 밀도, 강도, 강성, 유체 압력, 유속 및 유량, 고유 진동수, 감쇠 계수, 강성행렬, 변위, 형상 및 구성 물질 관련 데이터 중 적어도 하나의 데이터를 수집하고, 수집된 데이터에 기반하여 물리모델을 구축할 수 있다.
일측에 따르면, 물리모델 업데이트부는 물리모델을 유체 부분 모델과 고체 부분 모델로 구분하고, 획득된 모달 데이터에 기초하여 고체 부분 모델의 특성을 업데이트하며, 업데이트된 고체 부분 모델과 유체 부분 모델을 통합하여 유체-고체 통합 물리 모델을 구축할 수 있다.
일측에 따르면, 물리모델 업데이트부는 고유 진동수, 밀도, 강도 및 강성 중 적어도 하나의 계수를 포함하는 고체 부분 모델의 특성을 업데이트할 수 있다.
일측에 따르면, 물리모델 업데이트부는 구축된 유체-고체 통합 물리 모델의 특성을 업데이트하고, 업데이트된 유체-고체 통합 물리 모델에 차수 축소모델링 기법을 적용하여 업데이트된 물리모델을 구축할 수 있다.
일측에 따르면, 가상센서 정보 생성부는 가상센싱 알고리즘에 기반하여 업데이트된 물리 모델에 측정된 실측 변위 데이터를 반영한 후, 실측 변위 데이터가 반영된 물리모델에 대한 모델 연산치를 계산하고, 계산된 모델 연산치를 이용하여 제2 지점에서의 가상 변위 데이터인 구조물의 강도, 구조물의 하중, 구조물의 변위, 구조물의 속도, 구조물의 가속도, 유체의 유량, 유체의 압력 및 유체의 유속 중 적어도 하나의 변화를 계산할 수 있다.
일측에 따르면, 가상센싱 알고리즘은 측정된 실측 변위 데이터가 반영된 업데이트된 물리 모델을 이용하여 유체-고체 연성 구조물의 가해지는 구조물의 하중을 추정하는 작용하중 추정 알고리즘 및 추정된 하중과 업데이트된 물리 모델을 이용하여 제2 지점에서의 가상 변위 데이터를 추정하는 시간 적분 알고리즘을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 제1 지점은 유체-고체 연성 구조물에 위치하고, 실측 데이터 측정부가 부착되는 지점이며, 제2 지점은 유체-고체 연성 구조물에 위치하고, 실측 변위 데이터가 측정되지 않는 지점일 수 있다.
일측에 따르면, 가상센서 정보 생성부는 유체-고체 연성 구조물의 형상에 기반하여 제2 지점의 가상 센서 정보를 시각화할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 가상센서 장치의 동작방법은 실험 데이터 획득부에서 유체-고체 연성 구조물에 대한 모달(modal) 실험을 통해 도출된 모달 데이터를 획득하는 단계와, 물리모델 업데이트부에서 획득된 모달 데이터 및 차수 축소모델링 기법을 이용하여 유체-고체 연성 구조물을 모사하기 위한 물리모델을 업데이트하는 단계와, 실측 데이터 측정부에서 유체-고체 연성 구조물의 제1 지점으로부터 실측 변위 데이터를 측정하는 단계 및 가상센서 정보 생성부에서 업데이트된 물리모델, 측정된 실측 변위 데이터 및 가상센싱 알고리즘을 이용하여 유체-고체 연성 구조물의 제2 지점에서의 가상 변위 데이터를 추정하고, 추정된 가상 변위 데이터에 기반한 제2 지점의 가상 센서 정보를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 본 발명은 최소한의 센서 정보를 기반으로 하여 직접 측정되지 않은 지점의 구조/물리적 데이터를 소프트웨어 기반 가상센서 기술을 이용하여 간접적으로 추정할 수 있다.
일실시예에 따르면, 본 발명은 물리모델을 기반으로 동작하여 구조물의 물리적 상태를 가시적으로 파악할 수 있다.
일실시예에 따르면, 본 발명은 소수의 계측 정보를 기반으로 미측정 지점에 대응되는 데이터를 간접 예측하여 필요한 센서 수 및 검측 비용을 감소시킬 수 있다.
일실시예에 따르면, 본 발명은 소프트웨어 기반 가상 센서를 이용하여 저비용으로 대량의 고가 센서를 대체할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 가상센서 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 가상센서 장치의 구현예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 가상센서 장치의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 가상센서 장치에서 물리모델 업데이트부의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 가상센서 장치에서 가상센서 정보 생성부의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 가상센서 정보 생성부의 실시간 센싱 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7b는 일실시예에 따른 가상센서 정보 생성부에서 가상 센서 정보를 시각화하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8b는 일실시예에 따른 가상센서 장치의 성능 검증 테스트 결과를 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들면 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들면 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일실시예에 따른 가상센서 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 가상센서 장치(100)는 최소한의 센서 정보를 기반으로 하여 직접 측정되지 않은 지점의 구조/물리적 데이터를 소프트웨어 기반 가상센서 기술을 이용하여 간접적으로 추정할 수 있다.
또한, 가상센서 장치(100)는 물리모델을 기반으로 동작하여 구조물의 물리적 상태를 가시적으로 파악할 수 있다.
또한, 가상센서 장치(100)는 소수의 계측 정보를 기반으로 미측정 지점에 대응되는 데이터를 간접 예측하여 필요한 센서 수 및 검측 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 가상센서 장치(100)는 발명은 소프트웨어 기반 가상 센서를 이용하여 저비용으로 대량의 고가 센서를 대체할 수 있다.
구체적으로, 가상센서 장치(100)의 연산유닛(130)은 유체-고체 연성 구조물(110)의 제1 지점(P1)에 설치된 물리센서(111)로부터 제1 지점(P1)에 대한 실측 변위 데이터를 수신할 수 있다.
예를 들면, 유체-고체 연성 구조물(110)은 유체이송 배관 구조물일 수 있으나, 일실시예에 따른 유체-고체 연성 구조물(110)은 이에 한정되지 않고 내부에 유체를 포함하는 다양한 구조물을 포함할 수 있다.
또한, 제1 지점(P1)에 대한 실측 변위 데이터는 제1 지점(P1)에서의 변위 이외에 가속도, 속도 및 압력 중 적어도 하나의 데이터를 더 포함할 수 있다.
연산유닛(130)은 유체-고체 연성 구조물(110)에 대한 모달(modal) 실험을 통해 도출된 모달 데이터와 차수 축소모델링 기법을 이용하여 유체-고체 연성 구조물(110)을 모사하기 위한 물리모델(120)을 생성 및 업데이트할 수 있다. 바람직하게는, 물리 모델(120)은 유한요소 모델일 수 있다.
연산유닛(130)은 업데이트된 물리모델(120), 제1 지점(P1)에 대한 실측 변위 데이터 및 가상센싱 알고리즘을 이용하여 제2 지점(P2)에서의 가상 변위 데이터를 추정하고, 추정된 가상 변위 데이터에 기반한 분석을 통해 제2 지점(P2)에서의 가상 센서 정보(140)를 생성할 수 있다.
보다 구체적으로, 연산유닛(130)은 가상센싱 알고리즘을 통해 제1 지점(P1)에 대한 실측 변위 데이터가 반영된 업데이트된 물리모델(120)을 제어하여 제2 지점(P2)에서의 가상 변위 데이터를 추정할 수 있다.
한편, 연산유닛(130)은 생성된 가상 센서 정보(140)를 시각화하여 사용자에게 제공할 수 있다.
예를 들면, 연산유닛(130)은 유체-고체 연성 구조물(110)의 변형에 대한 데이터(410), 유체-고체 연성 구조물(110)의 하중 변화에 대한 데이터(420) 및 유체-고체 연성 구조물(110)의 내 유체의 압력/유동에 대한 데이터(430) 중 적어도 하나의 가상 센서 정보를 시각화할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일실시예에 따른 가상센서 장치는 이후 실시예 도 2 내지 도 8b를 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 일실시예에 따른 가상센서 장치의 구현예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 일실시예에 따른 가상센서 장치(200)는 실험 데이터 획득부(210), 물리모델 업데이트부(220), 실측 데이터 측정부(230) 및 가상센서 정보 생성부(240)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 실험 데이터 획득부(210), 물리모델 업데이트부(220) 및 가상센서 정보 생성부(240)는 도 1을 통해 설명한 연산유닛에 포함되고, 실측 데이터 측정부(230)는 도 1을 통해 설명한 물리센서에 구비될 수 있다.
일실시예에 따른 실험 데이터 획득부(210)는 유체-고체 연성 구조물에 대한 모달(modal) 실험을 통해 도출된 모달 데이터를 획득할 수 있다.
일측에 따르면, 실험 데이터 획득부(210)는 수행된 모달 실험에 기반하여 고유 진동수, 고유벡터, 감쇠계수 및 주파수 응답 중 적어도 하나를 포함하는 모달 데이터를 획득할 수 있다.
일실시예에 따른 물리모델 업데이트부(220)는 획득된 모달 데이터 및 차수 축소모델링 기법을 이용하여 유체-고체 연성 구조물을 모사하기 위한 물리모델을 업데이트할 수 있다. 바람직하게는, 물리모델은 유체-고체 연성 구조물을 모사하는 유한요소 모델일 수 있다.
일측에 따르면, 물리모델 업데이트부(220)는 유체-고체 연성 구조물에 대한 질량, 밀도, 강도, 강성, 유체 압력, 유속 및 유량, 고유 진동수, 감쇠 계수, 강성행렬, 변위, 형상 및 구성 물질 관련 데이터 중 적어도 하나의 데이터를 수집하고, 수집된 데이터에 기반하여 물리모델을 구축할 수 있다.
일측에 따르면, 물리모델 업데이트부(220)는 물리모델을 유체 부분 모델과 고체 부분 모델로 구분하고, 획득된 모달 데이터에 기초하여 고체 부분 모델의 특성을 업데이트하며, 업데이트된 고체 부분 모델과 유체 부분 모델을 통합하여 유체-고체 통합 물리 모델을 구축할 수 있다.
예를 들면, 유체-고체 연성 구조물이 유체이송 배관 구조물인 경우, 물리모델의 유체 부분 모델은 구조물 내부에 위치하는 유체의 특성에 대응되는 모델이고, 물리모델의 고체 부분 모델은 배관 구조물의 특성에 대응되는 모델일 수 있다.
일측에 따르면, 물리모델 업데이트부(220)는 고유 진동수, 밀도, 강도 및 강성 중 적어도 하나의 계수를 포함하는 고체 부분 모델의 특성을 업데이트할 수 있다.
일측에 따르면, 물리모델 업데이트부(220)는 구축된 유체-고체 통합 물리 모델의 특성을 업데이트하고, 업데이트된 유체-고체 통합 물리 모델에 차수 축소모델링 기법을 적용하여 업데이트된 물리모델을 구축할 수 있다.
보다 구체적인 예를 들면, 물리모델 업데이트부(220)는 모달 실험 기반의 고유진동수 및 고유벡터를 이용하여 수치 해석 모델에 해당하는 도 1의 유한요소 모델(물리모델)을 1차적으로 업데이트할 수 있다.
또한, 물리모델 업데이트부(220)는 차수 축소모델링 기법을 이용하여 1차적으로 업데이트된 유한요소 모델에 대한 축소 모델을 생성하고, 모달 실험 기반의 감쇠계수 및 주파수 응답을 이용하여 축소 모델을 2차적으로 업데이트하여 물리모델을 최종적으로 업데이트할 수 있다.
일측에 따르면, 물리모델 업데이트부(220)는 모달 실험 기반의 고유진동수 및 고유벡터를 이용하여 물리모델의 고유진동수 및 고유벡터와 모달 실험에 기반한 고유진동수 및 고유벡터 차이를 최소화하기 위해 MAC(Modal Assurance Criterion)값을 도입하여 고유진동수 및 고유벡터 차이를 정량화할 수 있다.
또한, 물리모델 업데이트부(220)는 차수 축소모델링 기법을 이용하여 1차적으로 업데이트된 유한요소 모델에 대한 내부자유도(Internal DOFs), 경계자유도(Boundary DOFs) 및 커플링 자유도(coupling DOFs)를 고려하고, 고려된 내부자유도(Internal DOFs)를 부구조(substrate)로 분할하여 축소 모델을 생성할 수 있다.
예를 들어, 유한요소 모델은 물리 자유도(degrees of freedom, DOFs)가 보존되어 실제 계측된 데이터와 직접 비교가 가능하고, 내부자유도(Internal DOFs), 경계자유도(Boundary DOFs) 및 커플링 자유도(coupling DOFs)로 구성되고, 전체 자유도 중 물리량이 보존되는 자유도를 경계자유도(Boundary DOFs), 이외의 자유도를 내부자유도(Internal DOFs)로 분리될 수 있다.
일측에 따르면, 물리모델 업데이트부(220)는 모달 실험 기반의 감쇠계수를 생성된 축소 모델에 적용하여 주파수 응답 함수(Frequency response function, FRF)를 계산할 수 있다.
또한, 물리모델 업데이트부(220)는 유한요소 모델의 주파수 응답과 주파수 응답 함수(Frequency response function, FRF)에 기반한 주파수 응답을 비교하여 유사성을 정량화함에 따라 축소 모델을 2차적으로 업데이트하여 물리모델을 최종적으로 업데이트할 수 있다.
즉, 물리모델 업데이트부(220)는 실제 구조물(유체-고체 연성 구조물)에 대응하는 물리모델을 생성하고, 실제 구조물에서 계측된 특성데이터를 활용하여 물리모델의 신뢰성을 향상시키며, 실시간 연산을 위해 연산량을 축소시킬 수 있다.
특히, 물리모델 업데이트부(220)는 고체 부분(배관 부분)과, 고체 내부의 유체에 의한 영향을 고려하여 물리모델을 생성 및 업데이트함으로써 물리모델의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
일실시예에 따른 실측 데이터 측정부(230)는 유체-고체 연성 구조물의 제1 지점으로부터 실측 변위 데이터를 측정할 수 있다.
예를 들면, 제1 지점은 유체-고체 연성 구조물에 위치하고, 실측 데이터 측정부(230)가 부착되는 지점일 수 있다.
또한, 실측 변위 데이터는 제1 지점에 설치된 물리센서로부터 기설정된 시간 구간에 측정된 구조물의 강도, 구조물의 하중(압력, 외력), 구조물의 변위(변형률, 응력), 구조물의 속도, 구조물의 가속도, 유체의 유량, 유체의 압력 및 유체의 유속 중 적어도 하나가 변화된 데이터를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이 밖에도 기 공지된 물리센서를 통해 측정 가능한 고체 특성 및 유체 특성에 대응되는 데이터들을 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 가상센서 정보 생성부(240)는 업데이트된 물리모델, 측정된 실측 변위 데이터 및 가상센싱 알고리즘을 이용하여 유체-고체 연성 구조물의 제2 지점에서의 가상 변위 데이터를 추정하고, 추정된 가상 변위 데이터에 기반한 제2 지점의 가상 센서 정보를 생성할 수 있다.
예를 들면, 제2 지점은 유체-고체 연성 구조물에 위치하고, 실측 변위 데이터가 측정되지 않는 지점일 수 있다.
일측에 따르면, 가상센서 정보 생성부(240)는 가상센싱 알고리즘에 기반하여 업데이트된 물리 모델에 측정된 실측 변위 데이터를 반영한 후, 실측 변위 데이터가 반영된 물리모델에 대한 모델 연산치를 계산하고, 계산된 모델 연산치를 이용하여 제2 지점에서의 가상 변위 데이터인 구조물의 강도, 구조물의 하중(압력, 외력), 구조물의 변위(변형률, 응력), 구조물의 속도, 구조물의 가속도, 유체의 유량, 유체의 압력 및 유체의 유속 중 적어도 하나의 변화를 계산할 수 있다.
예를 들면, 가상센싱 알고리즘은 측정된 실측 변위 데이터가 반영된 업데이트된 물리 모델을 이용하여 유체-고체 연성 구조물의 가해지는 구조물의 하중을 추정하는 작용하중 추정 알고리즘 및 추정된 하중과 업데이트된 물리 모델을 이용하여 제2 지점에서의 가상 변위 데이터를 추정하는 시간 적분 알고리즘을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 실측 데이터 측정부(230)는 최초 연산(initial calculation)을 통해 강도(stiffness)의 변화를 계산한 후, 반복 연산(iterative calculation)을 통해 하중(load), 변위(displacement), 속도(velocity) 또는 가속도(acceleration)의 변화를 계산할 수 있다.
즉, 실측 데이터 측정부(230)는 소수의 센서를 활용하여 실제 구조물에서 계측된 물리데이터를 활용하여, 물리모델을 기반으로 계측되지 않은 지점의 물리 특성(변위, 속도, 가속도, 변형률, 응력, 유체압력, 유량, 유속 등)을 간접적으로 추정할 수 있다.
한편, 가상센서 정보 생성부(240)는 유체-고체 연성 구조물의 형상에 기반하여 제2 지점의 가상 센서 정보를 시각화할 수 있다. 다시 말해, 가상센서 정보 생성부(240)는 구조물 상태에 대한 사용자의 이해증가, 활용성 증가를 위해 가상 센서 정보를 시각화하여 사용자에게 제공할 수 있다.
예를 들면, 가상 센서 정보 생성부(240)는 변위 정보, 속도 정보, 가속도 정보, 변형률 정보, 응력 정보, 압력 정보 및 기타 정보를 분석하여 시각화할 수 있다.
구체적으로, 가상센서 정보 생성부(240)는 변위 정보를 통해 유체-고체 연성 구조물의 변형 정도, 정상 기능에서 벗어난 정도의 변형 발생 여부, 유체-고체 연성 구조물이 작동 중 기타 부속품과의 불필요한 접촉 혹은 충돌 발생 여부를 분석할 수 있다.
또한, 가상센서 정보 생성부(240)는 가속도 정보를 통해 유체-고체 연성 구조물이 작동 중 적절한 진동 상태에 있는지 여부를 분석하고, 변형률 정보를 통해 유체-고체 연성 구조물의 작동 중 문제없을 정도의 구조 변형 발생의 여부를 분석할 수 있다.
또한, 가상센서 정보 생성부(240)는 응력 정보를 통해 유체-고체 연성 구조물의 작동 중 문제 없을 정도의 응력 발생 여부 및 파손 가능성을 분석하고, 압력 정보 및 기타 정보를 통해 유체-고체 연성 구조물 내의 유체의 압력, 유량, 속도 등의 비정상 여부, 유체-고체 연성 구조물 내의 대상 구조물의 잔존 수명, 하중 상태, 건전성 상태, 이상 작동 여부 등 정상 작동 여부를 분석할 수 있다.
이후, 가상센서 정보 생성부(240)는 분석된 정보들을 사용자에게 효과적으로 전달하기 위해, 분석된 정보를 사용자가 이해하기 쉬운 형태로 시각화(가공) 및 제공할 수 있다.
예를 들면, 가상센서 정보 생성부(240)는 현재 위험 지점을 확대하거나 특성 색상 등으로 시각화할 수 있고, 변형 형상을 증폭하여 시각적으로 확인 가능하도록 시각화할 수 있으며, 현재의 구조물 상태(응력수준, 변형량등)를 수치적으로 시각화할 수도 있다.
도 3은 일실시예에 따른 가상센서 장치의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 일실시예에 따른 가상센서 장치는 모달 실험 과정(310)을 통해 유체-고체 연성 구조물에 대한 고유 진동수(311), 고유 벡터(312), 감쇠계수(313) 및 주파수 응답(314)을 획득할 수 있다.
다음으로, 가상센서 장치는 모델 업데이트 과정(320)을 통해 유체-고체 연성 구조물을 모사하기 위한 물리모델을 업데이트할 수 있다.
구체적으로, 가상센서 장치는 획득된 고유진동수(311) 및 고유벡터(312)를 이용하여 물리모델을 1차적으로 업데이트하여(321) 유체-고체 통합 물리모델(322)을 구축하고, 생성된 유체-고체 통합 물리모델(322)에 대한 차수 축소모델링을 통해 차수 축소된 모델(323)을 도출하며, 차수 축소된 모델(323)과 획득된 감쇠계수(313)를 이용하여 감쇠계수가 업데이트된 모델(324)을 도출할 수 있다.
또한, 가상센서 장치는 감쇠계수가 업데이트된 모델(324)과 획득된 주파수응답(314)을 이용하여 주파수응답을 업데이트(325)하여 최종적으로 업데이트된 물리모델(326)을 도출할 수 있다.
다음으로, 가상센서 장치는 시간적분 과정(330)을 통해 업데이트된 물리모델(326)에서의 하중을 추정(331)하고, 시간적분 기법을 적용(332)할 수 있다.
다음으로, 가상센서 장치는 가상센싱 과정(340)을 통해 시간적분이 적용된 물리모델(341)을 도출하고, 제1 지점에 부착된 물리센서로부터 유체-고체 연성 구조물의 실측 변위 데이터를 수신(343)하며, 시간적분이 적용된 물리모델(341)에 실측 변위 데이터를 적용하여(342), 제2 지점에 대한 가상 센서 정보(344)를 생성할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 가상센서 장치에서 물리모델 업데이트부의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 일실시예에 따른 물리모델 업데이트부는 고체 부분 업데이트 과정(411)을 수행하여, 유체-고체 연성 구조물을 모사하기 위한 물리모델의 고체 부분 모델의 특성을 업데이트할 수 있다.
예를 들면, 물리모델은 유체가 봉입된 유체 이송 배관 구조물을 모사할 수 있는 수학식1의 유한요소 모델일 수 있으며, 유체를 제외한 고체 부분(배관 부분)과 배관 내에 봉입된 유체 부분으로 구분될 수 있다.
또한, 고체 부분 업데이트 과정(411)은 고체 부분을 모사한 물리모델이 실제 유체-고체 연성 구조물을 정확히 모사할 수 있도록 신뢰성을 향상 시키기 위한 업데이트 과정으로, 유체-고체 연성 구조물의 상태에 따른 적합한 업데이트 절차가 수행될 수 있으며, 고체의 특성을 반영하는 고유 진동수, 밀도, 강도, 강성과 같은 계수가 최적화될 수 있다.
구체적으로, 물리모델 업데이트부는 물리모델에서 고체 부분 모델(파이프 구조 기반 유한요소 모델)(411)을 추출하고, 추출된 고체 부분 모델(411)에 대한 민감도 기반의 물성 업데이트(412)를 수행하여 업데이트된 고체 부분 모델(413)을 도출할 수 있다.
보다 구체적으로, 물리모델 업데이트부는 하기 수학식2에 기반한 민감도 분석을 수행하고, 민감도 분석의 수행 결과를 이용한 모델 업데이트를 통해 하기 수학식3과 같이 업데이트된 고체 부분 모델(
Figure pat00002
)(413)을 생성할 수 있다. 여기서, 오차 평가 기준은 하기 수학식4를 통해 산출될 수 있다.
[수학식2]
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
는 업데이트 하려는 임의의 변수를 나타낼 수 있고,
Figure pat00005
는 고유 진동수를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00006
는 고유벡터를 나타낼 수 있고, t는 실험 계측치를 나타낼 수 있으며, n는 유한요소 모델 연산치를 나타낼 수 있고,
Figure pat00007
는 임의 차수를 나타낼 수 있으며, K는 강성 행렬을 나타낼 수 있고, M은 질량 행렬을 나타낼 수 있다.
[수학식3]
Figure pat00008
여기서, M은 질량 행렬을 나타낼 수 있고, K는 강성 행렬을 나타낼 수 있으며,
Figure pat00009
는 업데이트 하려는 임의의 변수를 나타낼 수 있고, u는 변위 벡터를 나타낼 수 있으며, f는 힘(외력) 벡터를 나타낼 수 있고,
Figure pat00010
는 1차 변환된 질량 행렬을 나타낼 수 있으며,
Figure pat00011
는 1차 변환된 강성 행렬을 나타낼 수 있다.
[수학식4]
Figure pat00012
여기서,
Figure pat00013
는 고유 진동수를 나타낼 수 있고, t는 실험 계측치를 나타낼 수 있고, n는 유한요소 모델 연산치를 나타낼 수 있다.
다음으로, 물리모델 업데이트부는 결합 모델링 과정(420)을 통해 업데이트된 고체 부분 모델(413)과 물리모델에서 추출한 유체 부분 모델을 결합하여 유체가 봉입된 유체-고체 연성 구조물 전체를 모사할 수 있는 유체-고체 통합 모델을 구축할 수 있다.
보다 구체적으로, 물리모델 업데이트부는 하기 수학식5와 같은 유체-고체 통합 모델을 구축할 수 있다.
[수학식5]
Figure pat00014
여기서, 1행 부분(
Figure pat00015
)은 업데이트된 고체 부분 모델(413)에 대응되고, 2행 부분(
Figure pat00016
)은 물리모델에서 추출한 유체 부분 모델에 대응될 수 있다.
또한, M은 질량 행렬을 나타낼 수 있고, K는 강성 행렬을 나타낼 수 있으며, u는 변위 벡터를 나타낼 수 있고, f는 힘 벡터를 나타낼 수 있으며, P는 유체부 압력 벡터를 나타낼 수 있고, 하첨자 s는 고체부를 나타낼 수 있고, 하첨자 c는 커플링 자유도를 나타낼 수 있으며, 하첨자 f는 유체부를 나타낼 수 있다.
다음으로, 물리모델 업데이트부는 통합 모델 업데이트 과정(430)을 통해, 유체-고체 통합 모델을 업데이트하여 업데이트된 물리모델을 구축할 수 있다.
예를 들면, 통합 모델 업데이트 과정(430)은 유체가 봉입된 유체-고체 연성 구조물 전체에 대한 모델의 신뢰성을 향상시키기 위한 모델 업데이트 절차로, 유체-고체 연성 구조물의 상태에 따른 적합한 업데이트 절차를 따르면, 구조물 전체 특성을 반영하는 고유 진동수, 밀도, 강성, 압력, 유속과 같은 계수를 최적화할 수 있다.
구체적으로, 물리모델 업데이트부는 유체-고체 통합 모델과 물리모델에서 추출한 유체 부분 모델을 이용하여 민감도 기반의 물성 업데이트(431)를 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 물리모델 업데이트부는 하기 수학식6에 기반한 민감도 분석을 수행하고, 수학식6에 기반한 민감도 분석의 수행 결과를 수학식3에 적용하여 유체-고체 통합 모델을 업데이트할 수 있다. 여기서, 오차 평가 기준은 수학식4를 통해 산출될 수 있다.
[수학식6]
Figure pat00017
여기서,
Figure pat00018
는 업데이트 하려는 임의의 변수를 나타낼 수 있고,
Figure pat00019
는 비대칭성의 좌고유벡터(Left eigenvector)를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00020
는 고유 진동수를 나타낼 수 있고,
Figure pat00021
는 고유벡터를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00022
는 변환행렬을 나타낼 수 있고, t는 실험 계측치를 나타낼 수 있으며, n는 유한요소 모델 연산치를 나타낼 수 있고,
Figure pat00023
는 임의 차수를 나타낼 수 있으며, K는 강성 행렬을 나타낼 수 있고, M은 질량 행렬을 나타낼 수 있다.
또한, 물리모델 업데이트부는 물성 업데이트가 수행된 통합 모델에 차수 축소모델링 기법(432)을 적용할 수 있다.
예를 들면, 차수 축소모델링 기법(432)은 실시간 작동이 가능하도록 모델의 연산량을 축소하는 기법으로, 유한요소 모델 차수 축소 기법을 활용하여 모델을 실시간 연산이 가능한 형태로 가공할 수 있다.
보다 구체적으로, 물리모델 업데이트부는 물성 업데이트가 수행된 통합 모델에 하기 수학식7에 기반한 차수 축소모델링 기법(432)을 적용할 수 있다.
[수학식7]
Figure pat00024
여기서,
Figure pat00025
은 2차 변환된 질량 행렬을 나타낼 수 있고,
Figure pat00026
는 2차 변환된 강성 행렬을 나타낼 수 있으며, u는 변위 벡터를 나타낼 수 있고,
Figure pat00027
는 1차 변환된 힘 벡터를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00028
는 1차 변환된 질량 행렬을 나타낼 수 있고,
Figure pat00029
는 1차 변환된 강성 행렬을 나타낼 수 있으며,
Figure pat00030
은 경계자유도를 나타낼 수 있고,
Figure pat00031
는 내부자유도를 나타낼 수 있다.
또한,
Figure pat00032
는 유체 부분에 대응되는 변환행렬을 나타낼 수 있고,
Figure pat00033
는 고체 부분에 대응되는 변환행렬을 나타낼 수 있으며,
Figure pat00034
는 단위행렬을 나타낼 수 있고,
Figure pat00035
는 유체 내 음속을 나타낼 수 있으며,
Figure pat00036
는 유체부 주요모드를 나타낼 수 있고,
Figure pat00037
는 고체부 주요모드를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00038
는 단위행렬을 나타낼 수 있다.
한편, 물리모델 업데이트부는 차수 축소모델링 기법이 적용된 통합 모델에 대한 감쇠계수 업데이트(433)를 수행하여 업데이트된 물리모델을 구축할 수 있다.
보다 구체적으로, 물리모델 업데이트부는 하기 수학식8과 같이 모달 감쇠계수 매트릭스를 구성할 수 있다.
[수학식8]
Figure pat00039
여기서,
Figure pat00040
는 감쇠 행렬을 나타낼 수 있고,
Figure pat00041
는 측정된 모드(measured mode)에서의 감쇠 행렬을 나타낼 수 있으며,
Figure pat00042
는 미측정된 모드(unmeasured mode)에서의 감쇠 행렬을 나타낸다.
또한,
Figure pat00043
는 감쇠계수를 나타낼 수 있고, 상첨자 t는 실험 계측치를 나타낼 수 있으며, 상첨자 p는 유한요소 모델 연산치를 나타낼 수 있다.
물리모델 업데이트부는 하기 수학식9의 모달과 GMR+ 감쇠계수 매트릭스의 관계와, 하기 수학식10의 고유 벡터 행렬의 질량 직교 정규 조건을 이용하여 하기 수학식11과 같이 감쇠 행렬을 변환시킬 수 있다.
[수학식9]
Figure pat00044
여기서,
Figure pat00045
는 변환된 감쇠 행렬을 나타낼 수 있고,
Figure pat00046
는 고유벡터를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00047
는 고유벡터의 집합을 나타낼 수 있다.
[수학식10]
Figure pat00048
여기서,
Figure pat00049
는 고유벡터의 집합을 나타낼 수 있고,
Figure pat00050
은 2차 변환된 질량 행렬을 나타낼 수 있다.
[수학식11]
Figure pat00051
여기서,
Figure pat00052
는 변환된 감쇠 행렬을 나타낼 수 있고,
Figure pat00053
는 고유벡터의 집합을 나타낼 수 있으며,
Figure pat00054
은 2차 변환된 질량 행렬을 나타낼 수 있고,
Figure pat00055
는 감쇠 행렬을 나타낼 수 있다.
이후, 물리모델 업데이트부는 수학식11을 통해 변환된 물리모델 업데이트부를 이용하여 하기 수학식12와 같이 업데이트된 물리모델을 구축할 수 있다.
[수학식12]
Figure pat00056
여기서,
Figure pat00057
은 2차 변환된 질량 행렬을 나타낼 수 있고,
Figure pat00058
는 변환된 감쇠 행렬을 나타낼 수 있으며,
Figure pat00059
는 2차 변환된 강성 행렬을 나타낼 수 있고, u는 변위 벡터를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00060
는 1차 변환된 힘 벡터를 나타낼 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 가상센서 장치에서 가상센서 정보 생성부의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 일실시예에 따른 가상센서 정보 생성부는 업데이트된 물리모델, 측정된 실측 변위 데이터 및 가상센싱 알고리즘을 이용한 센싱 과정(510)을 통해 유체-고체 연성 구조물의 제2 지점에서의 가상 변위 데이터를 추정하고, 추정된 가상 변위 데이터에 기반한 제2 지점의 가상 센서 정보(520)를 생성할 수 있다.
예를 들면, 제2 지점의 가상 센서 정보(520)는 변위정보, 속도정보, 가속도정보, 변형률정보, 응력정보 및 압력 등의 기타 응답 정보를 포함할 수 있다.
구체적으로, 가상센서 정보 생성부는 가상센싱 알고리즘에 기반하여 업데이트된 물리 모델에 측정된 실측 변위 데이터를 반영한 후, 실측 변위 데이터가 반영된 물리모델에 대한 모델 연산치를 계산하고, 계산된 모델 연산치를 이용하여 제2 지점에서의 가상 변위 데이터를 추정할 수 있다.
이를 위해, 가상센서 정보 생성부는 측정된 실측 변위 데이터가 반영된 업데이트된 물리 모델을 이용하여 유체-고체 연성 구조물의 가해지는 구조물의 하중을 추정하는 작용하중 추정 알고리즘 및 추정된 하중과 업데이트된 물리 모델을 이용하여 제2 지점에서의 가상 변위 데이터를 추정하는 시간 적분 알고리즘을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 가상센서 정보 생성부의 센싱 과정(510)은 작용하중 추정 알고리즘 및 시간 적분 알고리즘을 이용하여 순차적으로 수행되는 1단계 하중 추정 과정, 1단계 실시간 시간 적분 과정, 2단계 하중 추정 과정 및 2단계 실시간 시간 적분 과정을 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 가상센서 정보 생성부의 센싱 과정(510)은 이후 실시예 도 6을 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 6은 일실시예에 따른 가상센서 정보 생성부의 실시간 센싱 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 가상센서 정보 생성부는 1단계 변위 측정 과정(611), 1단계 무하중상태 적분 과정(612), 1단계 작용하중 추정 과정(613) 및 1단계 수치적분 과정(614)을 포함하는 1단계 센싱 과정(610)과, 2단계 변위 측정 과정(621), 2단계 무하중상태 적분 과정(622), 2단계 작용하중 추정 과정(623), 2단계 수치적분 과정(624)을 포함하는 2단계 센싱 과정(620)을 수행할 수 있다.
예를 들면, 611 내지 613 과정과 621 내지 623 과정은 물리 도메인(Physical domain)에 대응되고, 612 내지 614 과정과 622 내지 624 과정은 강결합 기반 축소 도메인(Strongly-coupled reduction domain)에 대응될 수 있으며, 여기서 물리 도메인은 측정된 실측 변위 데이터에 대응되고, 강결합 기반 축소 도메인은 강결합된 모델(업데이트된 물리모델)에 대응될 수 있다.
또한, 1단계 센싱 과정(610) 및 2단계 센싱 과정(620)에서 물리 도메인과 강결합 기반 축소 도메인간에는 도메인 변환(Domain transform)이 이루어질 수 있다.
구체적으로, 1단계 센싱 과정(610)에서 가상센서 정보 생성부는 하기 수학식13을 통해 관성변위를 계산할 수 있다.
[수학식13]
Figure pat00061
여기서,
Figure pat00062
는 시간 변화를 나타낼 수 있고,
Figure pat00063
은 시간적분 유효 하중을 나타낼 수 있으며,
Figure pat00064
는 변위 벡터를 나타낼 수 있고,
Figure pat00065
는 시간적분 유효 강성을 나타낼 수 있다.
다음으로, 1단계 센싱 과정(610)에서 가상센서 정보 생성부는 하기 수학식14를 통해 하중을 추정할 수 있다.
[수학식14]
Figure pat00066
여기서,
Figure pat00067
는 시간 변화를 나타낼 수 있고,
Figure pat00068
는 1차 변환된 힘 벡터를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00069
는 강도를 나타낼 수 있고,
Figure pat00070
는 변위 벡터를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00071
는 변환행렬을 나타낼 수 있고,
Figure pat00072
는 강결합 기반 축소 도메인의 변위행렬을 나타낼 수 있으며, 상첨자 m은 측정지점과 관련된 행렬(제1지점)을 나타낼 수 있고, 상첨자 c는 커플링 행렬을 나타낼 수 있으며, 상첨자 u는 미측정 지점과 관련된 행렬(제2지점)을 나타낼 수 있다.
다음으로, 1단계 센싱 과정(610)에서 가상센서 정보 생성부는 하기 수학식15를 통해 유효하중을 재계산할 수 있다.
[수학식15]
Figure pat00073
여기서,
Figure pat00074
는 시간 변화를 나타낼 수 있고,
Figure pat00075
는 2차 변환된 힘 벡터를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00076
는 1차 변환된 힘 벡터를 나타낼 수 있고,
Figure pat00077
은 시간적분 유효 하중을 나타낼 수 있으며, 상첨자 m은 측정된 지점(제1지점)을 나타낼 수 있다.
다음으로, 1단계 센싱 과정(610)에서 가상센서 정보 생성부는 하기 수학식16을 통해 시간적분을 수행할 수 있다.
[수학식16]
Figure pat00078
여기서,
Figure pat00079
는 시간 변화를 나타낼 수 있고,
Figure pat00080
는 변위 벡터를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00081
는 강도를 나타낼 수 있고,
Figure pat00082
는 2차 변환된 힘 벡터를 나타낼 수 있다.
2단계 센싱 과정(620)에서 가상센서 정보 생성부는 하기 수학식17을 통해 관성변위를 계산할 수 있다.
[수학식17]
Figure pat00083
여기서,
Figure pat00084
는 시간 변화를 나타낼 수 있고,
Figure pat00085
은 시간적분 유효 하중을 나타낼 수 있으며,
Figure pat00086
는 변위 벡터를 나타낼 수 있고,
Figure pat00087
는 시간적분 유효 강성을 나타낼 수 있다.
다음으로, 2단계 센싱 과정(620)에서 가상센서 정보 생성부는 하기 수학식18을 통해 하중을 추정할 수 있다.
[수학식18]
Figure pat00088
여기서,
Figure pat00089
는 시간 변화를 나타낼 수 있고,
Figure pat00090
는 1차 변환된 힘 벡터를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00091
는 강도를 나타낼 수 있고,
Figure pat00092
는 변위 벡터를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00093
는 변환행렬을 나타낼 수 있고,
Figure pat00094
는 강결합 기반 축소도메인 변위벡터를 나타낼 수 있으며, 상첨자 m은 측정지점과 관련된 행렬 및 벡터(제1지점)을 나타낼 수 있고, 상첨자 c는 커플링 행렬을 나타낼 수 있으며, 상첨자 u는 미측정지점과 관련된 행렬 및 벡터를 나타낼 수 있다.
다음으로, 2단계 센싱 과정(620)에서 가상센서 정보 생성부는 하기 수학식19를 통해 유효하중을 재계산할 수 있다.
[수학식19]
Figure pat00095
여기서,
Figure pat00096
는 시간 변화를 나타낼 수 있고,
Figure pat00097
는 2차 변환된 힘 벡터를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00098
는 1차 변환된 힘 벡터를 나타낼 수 있고,
Figure pat00099
은 시간적분 유효 하중을 나타낼 수 있으며, 상첨자 m은 측정된 지점과 관련된 행렬 및 벡터(제1지점)을 나타낼 수 있다.
다음으로, 2단계 센싱 과정(620)에서 가상센서 정보 생성부는 하기 수학식20을 통해 시간적분을 수행할 수 있다.
[수학식20]
Figure pat00100
여기서,
Figure pat00101
는 시간 변화를 나타낼 수 있고,
Figure pat00102
는 2차 변환된 힘 벡터를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00103
는 1차 변환된 힘 벡터를 나타낼 수 있고,
Figure pat00104
은 시간적분 유효 하중을 나타낼 수 있으며, 상첨자 m은 측정된 지점과 관련된 행렬 및 벡터(제1지점)을 나타낼 수 있다.
다음으로, 2단계 센싱 과정(620)에서 가상센서 정보 생성부는 하기 수학식20을 통해 시간적분을 수행할 수 있다.
[수학식20]
Figure pat00105
여기서,
Figure pat00106
는 시간 변화를 나타낼 수 있고,
Figure pat00107
는 변위 벡터를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00108
는 강도를 나타낼 수 있고,
Figure pat00109
는 2차 변환된 힘 벡터를 나타낼 수 있다.
도 7a 내지 도 7b는 일실시예에 따른 가상센서 정보 생성부에서 가상 센서 정보를 시각화하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7b를 참조하면, 참조부호 710은 유체-고체 연성 구조물의 응력 정보를 시각화하는 예시를 도시하고, 참조부호 720은 유체-고체 연성 구조물 내 유체의 압력 정보를 시각화하는 예시를 도시한다.
일실시예에 따른 가상센서 정보 생성부는 유체-고체 연성 구조물의 형상에 기반하여 제2 지점의 가상 센서 정보를 시각화할 수 있다. 다시 말해, 가상센서 정보 생성부는 구조물 상태에 대한 사용자의 이해증가, 활용성 증가를 위해 가상 센서 정보를 시각화하여 사용자에게 제공할 수 있다.
예를 들면, 가상 센서 정보 생성부는 변위 정보, 속도 정보, 가속도 정보, 변형률 정보, 응력 정보, 압력 정보 및 기타 정보를 분석하여 시각화할 수 있다.
구체적으로, 가상센서 정보 생성부는 변위 정보를 통해 유체-고체 연성 구조물의 변형 정도, 정상 기능에서 벗어난 정도의 변형 발생 여부, 유체-고체 연성 구조물이 작동 중 기타 부속품과의 불필요한 접촉 혹은 충돌 발생 여부를 분석할 수 있다.
또한, 가상센서 정보 생성부는 가속도 정보를 통해 유체-고체 연성 구조물이 작동 중 적절한 진동 상태에 있는지 여부를 분석하고, 변형률 정보를 통해 유체-고체 연성 구조물의 작동 중 문제없을 정도의 구조 변형 발생의 여부를 분석할 수 있다.
또한, 가상센서 정보 생성부는 응력 정보를 통해 유체-고체 연성 구조물의 작동 중 문제 없을 정도의 응력 발생 여부 및 파손 가능성을 분석하고, 압력 정보 및 기타 정보를 통해 유체-고체 연성 구조물 내의 유체의 압력, 유량, 속도등의 비정상 여부, 유체-고체 연성 구조물 내의 대상 구조물의 잔존 수명, 하중 상태, 건전성 상태, 이상 작동 여부 등 정상 작동 여부를 분석할 수 있다.
이후, 가상센서 정보 생성부는 분석된 정보들을 사용자에게 효과적으로 전달하기 위해, 분석된 정보를 사용자가 이해하기 쉬운 형태로 시각화(가공) 및 제공할 수 있다.
예를 들면, 가상센서 정보 생성부는 현재 위험 지점을 확대하거나 특성 색상 등으로 시각화할 수 있고, 변형 형상을 증폭하여 시각적으로 확인 가능하도록 시각화할 수 있으며, 현재의 구조물 상태(응력수준, 변형량등)를 수치적으로 시각화할 수도 있다.
도 8a 내지 도 8b는 일실시예에 따른 가상센서 장치의 성능 검증 테스트 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8b를 참조하면, 참조부호 810 내지 820은 일실시예에 따른 가상센서 장치에서 16 Hz의 랜덤 가진 테스트(random excitation test)를 수행한 결과를 도시한다. 구체적으로, 참조부호 810은 변위(displacement)의 추정 결과를 도시하고, 참조부호 820은 힘(force)의 추정 결과를 도시한다.
참조부호 810 내지 820에 따르면, 일실시예에 따른 가상센서 장치를 통해 도출된 유체-고체 연성 구조물의 제2 지점에서의 가상 센서 정보인 변위/힘 추정정보(estimated)은 제2 지점에서의 실측 데이터인 변위/힘 측정정보(measured)과 거의 유사한 결과를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
마찬가지로, 주파수를 변화(2Hz, 8Hz, 32Hz, 128Hz)시키면서 동일한 실험을 진행하였을 때에도 유사한 결과를 보이는 것을 확인할 수 있다.
다시 말해, 일실시예에 따른 가상센서 장치는 최소한의 센서 정보를 기반으로 하여 직접 계측/측정되지 않은 지점의 구조/물리적 데이터를 높은 정확도로 추정할 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 가상센서 장치의 동작방법을 설명하기 위한 도면이다.
다시 말해, 도 9는 도 1 내지 도 8b를 통해 설명한 일실시예에 따른 가상센서 장치의 동작방법을 설명하기 위한 도면으로, 이후 도 9를 통해 설명하는 내용 중 도 1 내지 도 8b와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 9를 참조하면, 910 단계에서 일실시예에 따른 가상센서 장치의 동작방법은 실험 데이터 획득부에서 유체-고체 연성 구조물에 대한 모달(modal) 실험을 통해 도출된 모달 데이터를 획득할 수 있다.
다음으로, 920 단계에서 일실시예에 따른 가상센서 장치의 동작방법은 물리모델 업데이트부에서 획득된 모달 데이터 및 차수 축소모델링 기법을 이용하여 유체-고체 연성 구조물을 모사하기 위한 물리모델을 업데이트할 수 있다.
다음으로, 930 단계에서 일실시예에 따른 가상센서 장치는 실측 데이터 측정부에서 유체-고체 연성 구조물의 제1 지점으로부터 실측 변위 데이터를 측정할 수 있다.
다음으로, 940 단계에서 일실시예에 따른 가상센서 장치는 가상센서 정보 생성부에서 업데이트된 물리모델, 측정된 실측 변위 데이터 및 가상센싱 알고리즘을 이용하여 유체-고체 연성 구조물의 제2 지점에서의 가상 변위 데이터를 추정하고, 추정된 가상 변위 데이터에 기반한 제2 지점의 가상 센서 정보를 생성할 수 있다.
결국, 본 발명을 이용하면, 최소한의 센서 정보를 기반으로 하여 직접 측정되지 않은 지점의 구조/물리적 데이터를 소프트웨어 기반 가상센서 기술을 이용하여 간접적으로 추정할 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 물리모델을 기반으로 동작하여 구조물의 물리적 상태를 가시적으로 파악할 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 소수의 계측 정보를 기반으로 미측정 지점에 대응되는 데이터를 간접 예측하여 필요한 센서 수 및 검측 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 소프트웨어 기반 가상 센서를 이용하여 저비용으로 대량의 고가 센서를 대체할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들면, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 장치, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
200: 가상센서 장치 210: 실험 데이터 획득부
220: 물리모델 업데이트부 230: 실측 데이터 측정부
240: 가상센서 정보 생성부

Claims (11)

  1. 유체-고체 연성 구조물에 대한 모달(modal) 실험을 통해 도출된 모달 데이터를 획득하는 실험 데이터 획득부;
    상기 획득된 모달 데이터 및 차수 축소모델링 기법을 이용하여 상기 유체-고체 연성 구조물을 모사하기 위한 물리모델을 업데이트하는 물리모델 업데이트부;
    상기 유체-고체 연성 구조물의 제1 지점으로부터 실측 변위 데이터를 측정하는 실측 데이터 측정부 및
    상기 업데이트된 물리모델, 상기 측정된 실측 변위 데이터 및 가상센싱 알고리즘을 이용하여 상기 유체-고체 연성 구조물의 제2 지점에서의 가상 변위 데이터를 추정하고, 상기 추정된 가상 변위 데이터에 기반한 상기 제2 지점의 가상 센서 정보를 생성하는 가상센서 정보 생성부
    를 포함하는 가상센서 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실험 데이터 획득부는,
    상기 수행된 모달 실험에 기반하여 고유 진동수, 고유벡터, 감쇠계수 및 주파수 응답 중 적어도 하나를 포함하는 상기 모달 데이터를 획득하는
    가상센서 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 물리모델 업데이트부는,
    상기 유체-고체 연성 구조물에 대한 질량, 밀도, 강도, 강성, 유체 압력, 유속 및 유량, 고유 진동수, 감쇠 계수, 강성행렬, 변위, 형상 및 구성 물질 관련 데이터 중 적어도 하나의 데이터를 수집하고, 상기 수집된 데이터에 기반하여 상기 물리모델을 구축하는
    가상센서 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 물리모델 업데이트부는,
    상기 물리모델을 유체 부분 모델과 고체 부분 모델로 구분하고, 상기 획득된 모달 데이터에 기초하여 상기 고체 부분 모델의 특성을 업데이트하며, 상기 업데이트된 고체 부분 모델과 상기 유체 부분 모델을 통합하여 유체-고체 통합 물리 모델을 구축하는
    가상센서 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 물리모델 업데이트부는,
    상기 고유 진동수, 상기 밀도, 상기 강도 및 상기 강성 중 적어도 하나의 계수를 포함하는 상기 고체 부분 모델의 특성을 업데이트하는
    가상센서 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 물리모델 업데이트부는,
    상기 구축된 유체-고체 통합 물리 모델의 특성을 업데이트하고, 상기 업데이트된 유체-고체 통합 물리 모델에 상기 차수 축소모델링 기법을 적용하여 상기 업데이트된 물리모델을 구축하는
    가상센서 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가상센서 정보 생성부는,
    상기 가상센싱 알고리즘에 기반하여 상기 업데이트된 물리 모델에 상기 측정된 실측 변위 데이터를 반영한 후, 상기 실측 변위 데이터가 반영된 물리모델에 대한 모델 연산치를 계산하고, 상기 계산된 모델 연산치를 이용하여 상기 제2 지점에서의 가상 변위 데이터인 구조물의 강도, 상기 구조물의 하중, 상기 구조물의 변위, 상기 구조물의 속도, 상기 구조물의 가속도, 유체의 유량, 상기 유체의 압력 및 상기 유체의 유속 중 적어도 하나의 변화를 계산하는
    가상센서 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가상센싱 알고리즘은,
    상기 측정된 실측 변위 데이터가 반영된 상기 업데이트된 물리 모델을 이용하여 상기 유체-고체 연성 구조물의 가해지는 상기 구조물의 하중을 추정하는 작용하중 추정 알고리즘 및 상기 추정된 하중과 상기 업데이트된 물리 모델을 이용하여 상기 제2 지점에서의 가상 변위 데이터를 추정하는 시간 적분 알고리즘을 포함하는
    가상센서 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지점은 상기 유체-고체 연성 구조물에 위치하고, 상기 실측 데이터 측정부가 부착되는 지점이며, 상기 제2 지점은 상기 유체-고체 연성 구조물에 위치하고, 상기 실측 변위 데이터가 측정되지 않는 지점인
    가상센서 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가상센서 정보 생성부는,
    상기 유체-고체 연성 구조물의 형상에 기반하여 상기 제2 지점의 가상 센서 정보를 시각화하는
    가상센서 장치.
  11. 실험 데이터 획득부에서, 유체-고체 연성 구조물에 대한 모달(modal) 실험을 통해 도출된 모달 데이터를 획득하는 단계;
    물리모델 업데이트부에서, 상기 획득된 모달 데이터 및 차수 축소모델링 기법을 이용하여 상기 유체-고체 연성 구조물을 모사하기 위한 물리모델을 업데이트하는 단계;
    실측 데이터 측정부에서, 상기 유체-고체 연성 구조물의 제1 지점으로부터 실측 변위 데이터를 측정하는 단계 및
    가상센서 정보 생성부에서, 상기 업데이트된 물리모델, 상기 측정된 실측 변위 데이터 및 가상센싱 알고리즘을 이용하여 상기 유체-고체 연성 구조물의 제2 지점에서의 가상 변위 데이터를 추정하고, 상기 추정된 가상 변위 데이터에 기반한 상기 제2 지점의 가상 센서 정보를 생성하는 단계
    를 포함하는 가상센서 장치의 동작방법.
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