KR20220160992A - System for health diagnosis and remaining usefule lifetime estimation through adaptive clustering of multidimensional signals - Google Patents

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KR20220160992A
KR20220160992A KR1020210069329A KR20210069329A KR20220160992A KR 20220160992 A KR20220160992 A KR 20220160992A KR 1020210069329 A KR1020210069329 A KR 1020210069329A KR 20210069329 A KR20210069329 A KR 20210069329A KR 20220160992 A KR20220160992 A KR 20220160992A
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clustering
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김낙우
이병탁
이준기
이현용
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한국전자통신연구원
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Abstract

The present invention relates to a state diagnosis and life prediction system through adaptive clustering of multidimensional signals. The state diagnosis and life prediction system through adaptive clustering of multidimensional signals according to the present invention may include: a dimensional conversion unit which receives multidimensional signals and converts the signals into feature vectors to extract latent variables; a cluster prediction unit which calculates and outputs prediction strength after cluster processing for latent variables; and a state diagnosis unit which compares the prediction strength with a reference value, updates the cluster model, repeatedly performs a clustering process, and calculates a RUL diagnosis score.

Description

다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명 예측 시스템{SYSTEM FOR HEALTH DIAGNOSIS AND REMAINING USEFULE LIFETIME ESTIMATION THROUGH ADAPTIVE CLUSTERING OF MULTIDIMENSIONAL SIGNALS}Condition diagnosis and life prediction system through adaptive clustering of multidimensional signals

본 발명은 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명 예측 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a health diagnosis and life prediction system through adaptive clustering of multidimensional signals.

종래 기술에 따른 RUL(Remaining Useful Life) 예측 방법으로서, 데이터 기반 방법에 따르면 RUL 분석을 위한 데이터를 확보하기 어려운 문제점이 있다. As a RUL (Remaining Useful Life) prediction method according to the prior art, it is difficult to secure data for RUL analysis according to the data-based method.

그리고, 수학적 모델 기반 방법에 따르면, 예측 정확도가 비교적 낮고 설비/장치의 개별 특성에 따라 모델 적용이 쉽지 않다는 문제점이 있다. In addition, according to the mathematical model-based method, there is a problem in that prediction accuracy is relatively low and it is not easy to apply the model according to the individual characteristics of facilities/devices.

RUL 예측 방법으로서, 이전 시점에서 취득된 데이터를 바탕으로 미래 상황을 예측하고, 미래 상황에서 취득된 데이터와 예측 데이터 간의 차분량을 이용하여 시설물 노화도를 측정하는 방식이 제안되었으나, 이 또한 실 데이터와 예측 데이터 간의 차이가 어느 정도로 커야 이상 상황이 발생한 것으로 볼 것인지, 시스템의 남은 수명은 어느 정도인지에 대해 자동으로 평가하기 어려운 문제점이 있다. As a RUL prediction method, a method of predicting the future situation based on data acquired at a previous time point and measuring the degree of facility aging using the difference between the data acquired in the future situation and the predicted data has been proposed. There is a problem in that it is difficult to automatically evaluate how large the difference between the prediction data is to determine that an abnormal situation has occurred and how much the remaining life of the system is.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 시계열 데이터의 군집화를 통한 상태 진단을 수행하되, 시계열 신호 학습 후 동적인 시스템 상태 변화를 진단하기 위해 군집 강도 측정을 통한 시스템의 잔여 사용 시간(RUL)을 예측하는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention is proposed to solve the above problems, and performs state diagnosis through clustering of time series data, but remaining use time of the system through cluster strength measurement ( Its purpose is to provide a system that predicts RUL).

본 발명은 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명 예측 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a health diagnosis and life prediction system through adaptive clustering of multidimensional signals.

본 발명에 따른 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명 예측 시스템은 다차원 신호를 입력받아 특징 벡터로 변환하여 잠재 변수를 추출하는 차원 변환부, 잠재 변수에 대한 군집 처리 후, 예측 강도를 계산하여 출력하는 군집 예측부 및 예측 강도와 기준치를 비교하고 군집 모델을 갱신하여 군집화 프로세스를 반복적으로 수행하고, RUL 진단 점수를 계산하는 상태 진단부를 포함한다. A system for diagnosing conditions and predicting life through adaptive clustering of multidimensional signals according to the present invention receives multidimensional signals and converts them into feature vectors to extract latent variables, a dimensional conversion unit, and processing of clustering for latent variables to calculate prediction strength. and a cluster prediction unit that outputs the result, and a state diagnosis unit that compares the predicted strength with a reference value, updates the cluster model, repeatedly performs the clustering process, and calculates the RUL diagnosis score.

본 발명에 따르면, 건전 상태와 노후 상태에서의 데이터 군집 패턴 비교를 통해, 수학적 모델 또는 대규모의 훈련 데이터세트가 없는 환경에서도 시스템 건전성을 평가하기 위한 효과적인 지표를 제시하는 효과가 있다. According to the present invention, there is an effect of presenting an effective index for evaluating system health even in an environment without a mathematical model or a large-scale training dataset through comparison of data cluster patterns in a healthy state and an old state.

본 발명에 따른 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단을 통해, 군집화 예측 강도를 기반으로 시스템의 현재 상태에 기반한 군집 모델을 지속적으로 갱신하여 시스템 건전성을 평가함으로써, 별도의 외부 개입 없이 시스템 자동 운용이 가능한 효과가 있다. Through state diagnosis through adaptive clustering of signals according to the present invention, system health is evaluated by continuously updating a cluster model based on the current state of the system based on the clustering prediction strength, so that the system can be automatically operated without separate external intervention. There are possible effects.

RUL 계량 점수를 직접 출력함으로써, 시스템 출력에 대한 예측 데이터와 현재 출력 데이터와의 차분을 통해 이상치를 환산하는 종래 기술에 따른 전술한 문제점을 해결하는 효과가 있다. By directly outputting the RUL metric score, there is an effect of solving the above-described problem according to the prior art of converting an outlier through a difference between predicted data for system output and current output data.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명 예측 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명 예측 방법을 도시한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시스템 노후화에 따른 다차원 신호의 군집 상태의 예를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 적응적 군집화 기반의 상태 진단부로 입력되는 신호의 예를 도시한다.
1 illustrates a condition diagnosis and life prediction system through adaptive clustering of multidimensional signals according to an embodiment of the present invention.
2 illustrates a method for diagnosing conditions and predicting life span through adaptive clustering of multidimensional signals according to an embodiment of the present invention.
3 and 4 show examples of clustering states of multidimensional signals according to system aging according to an embodiment of the present invention.
5 illustrates an example of a signal input to a state diagnosis unit based on adaptive clustering according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. The foregoing and other objects, advantages and characteristics of the present invention, and a method of achieving them will become clear with reference to the detailed embodiments described below in conjunction with the accompanying drawings.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms, and only the following embodiments provide the purpose of the invention, As only provided to easily inform the configuration and effect, the scope of the present invention is defined by the description of the claims.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.Meanwhile, terms used in this specification are for describing the embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. As used herein, “comprises” and/or “comprising” means the presence of one or more other components, steps, operations, and/or elements in which a stated component, step, operation, and/or element is present. or added.

이하에서는, 당업자의 이해를 돕기 위하여 본 발명이 제안된 배경에 대하여 먼저 서술하고, 본 발명의 실시예에 대하여 서술하기로 한다. Hereinafter, in order to help the understanding of those skilled in the art, the background in which the present invention is proposed will be described first, and then the embodiments of the present invention will be described.

시스템의 잔여시간 예측 기술은 고장예측, 유지보수 등의 건전성 관리 분야에서 널리 활용되고 있다.System remaining time prediction technology is widely used in health management fields such as failure prediction and maintenance.

베어링이나 축 등의 진동/소음, 열화상 데이터 등으로부터 설비 이상 진단을 수행하고, 누적된 이상 현상으로부터 설비의 고장 부위를 예측하거나, 유지 보수 시점을 판정하는 등의 기술이 사용되고 있다.Techniques such as performing equipment abnormality diagnosis based on vibration/noise of bearings or shafts, thermal image data, etc., predicting equipment failures based on accumulated abnormalities, and determining maintenance time points are being used.

시스템 설비의 잔여 운용 시간에 대한 효과적인 예측이 가능하다면, 사고발생 시 재운용을 위한 시간 및 비용을 크게 줄일 수 있기 때문에, RUL 예측 기술에 대한 관심은 증대되고 있으나, 운용 데이터 취득의 어려움으로 기술적 진보가 어려운 상황이다. If it is possible to effectively predict the remaining operation time of system facilities, the time and cost for re-operation in the event of an accident can be greatly reduced. Therefore, interest in RUL prediction technology is increasing, but technical progress is being made due to difficulties in acquiring operation data. is a difficult situation.

즉, 많은 파라미터를 갖는 모델을 학습시키기 위해서는 양질의 데이터를 획득하여야 하는데, RUL 분석을 위한 데이터를 얻기가 대단히 어려운 문제점이 있다. That is, in order to train a model having many parameters, good quality data must be acquired, but it is very difficult to obtain data for RUL analysis.

예를 들어, 배터리의 정확한 잔여 수명 예측을 위한 데이터를 획득하기 위해서는 배터리의 충방전을 수천 수만번 반복하면서 시간의 흐름에 따른 충방전 패턴의 에이징 커브(aging curve) 변화를 취득해야 하며, 수많은 배터리 모델마다 이러한 과정을 반복하면서, 충분한 수의 데이터 세트를 구축해야 하는 문제가 있다. For example, in order to acquire data for accurately predicting the remaining life of a battery, it is necessary to repeat charging and discharging of the battery tens of thousands of times and acquire the aging curve change of the charging and discharging pattern over time. There is a problem of building a sufficient number of data sets while repeating this process for each model.

또 다른 방법으로, 데이터 기반(Data-driven) 방법이 아닌 수학적 모델 기반 (Model-driven) 방법 또한 사용되고 있으나, 이러한 모델 기반 방법은 예측 정확도가 비교적 낮고, 설비 또는 장치의 개별 특성에 따라 모델 적용이 쉽지 않은 문제점이 있다. As another method, a mathematical model-driven method, rather than a data-driven method, is also used, but this model-based method has relatively low prediction accuracy, and model application is difficult depending on the individual characteristics of equipment or devices. There are some difficult problems.

이에, RUL 예측을 위한 전주기 데이터가 적으며, 모델 기반 해석이 적합하지 않은 대부분의 분야에서는, 현재 시점에서 기취득된 데이터를 기반으로 미래 상황을 예측하고, 미래 시점에서 취득되는 실데이터와 예측한 데이터 간의 차분량으로 비정상 지수를 진단한다. Therefore, in most fields where there is little life-cycle data for RUL prediction and model-based analysis is not suitable, the future situation is predicted based on the data already acquired at the present time, and the actual data and predictions acquired at the future time point The abnormality index is diagnosed by the amount of difference between data.

예를 들어, 태양광 설비의 시설물 진단을 위해 태양광 전력 예측을 지속적으로 시행하고, 현재의 실제 발전 전력량과 예측된 전력량과의 차이가 시간의 흐름에 따라 커질수록 시설물 노화도를 측정할 수 있다는 가정이다. For example, the assumption that solar power prediction is continuously performed for facility diagnosis of solar power facilities, and the degree of facility aging can be measured as the difference between the current actual generated power amount and the predicted power amount increases over time. to be.

이러한 방법은 시스템 설비의 전주기 데이터를 크게 요구하지 않으며, RUL 예측을 위한 적합한 수치 모델이 없는 경우에는 좋은 대안이 될 수 있으나, 시스템 상태에 대한 예측 정확도가 충분히 높아야 하고, 무엇보다 현재 측정 데이터와 예측 데이터 간의 차이가 어느 정도로 커져야 이상 상황이 발생한 것인지, 시스템의 남은 수명은 어느 정도인지에 대해 자동적으로 평가하기 어려운 문제점이 있다. This method does not require much life cycle data of the system equipment and can be a good alternative if there is no suitable numerical model for RUL prediction, but the prediction accuracy for the system state must be sufficiently high, and above all, There is a problem in that it is difficult to automatically evaluate how much the difference between prediction data must be before an abnormal situation occurs and how much the remaining life of the system is.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 건전 상태에서의 데이터 군집 패턴과 노후화 상태에서의 데이터 군집 패턴 간 시간 흐름에 따른 변화를 탐지하면서, 이에 따른 RUL 점수를 출력하는 시스템을 제공한다. The present invention has been proposed to solve the above problems, and provides a system for detecting a change over time between a data cluster pattern in a healthy state and a data cluster pattern in an aging state, and outputting a corresponding RUL score. .

본 발명에 따르면, 군집 패턴에 대한 예측 강도에 따라 모델을 갱신하여, 모델 정확도를 높이고, 누적된 시스템 노후량을 감지하여 RUL 진단을 위한 계량 점수를 출력하는 시스템을 제공한다. According to the present invention, a system is provided that updates the model according to the predicted strength of the clustering pattern, increases the model accuracy, detects the accumulated system deterioration, and outputs a metric score for RUL diagnosis.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명 예측 시스템을 도시한다. 1 illustrates a condition diagnosis and life prediction system through adaptive clustering of multidimensional signals according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명 예측 시스템은 다차원 신호를 입력받아 특징 벡터로 변환하여 잠재 변수를 추출하는 차원 변환부(110), 잠재 변수에 대한 군집 처리 후, 예측 강도를 계산하여 출력하는 군집 예측부(120) 및 예측 강도와 기준치를 비교하고 군집 모델을 갱신하여 군집화 프로세스를 반복적으로 수행하고, RUL 진단 점수를 계산하는 상태 진단부(130)를 포함한다. A system for diagnosing conditions and predicting life through adaptive clustering of multidimensional signals according to an embodiment of the present invention includes a dimension conversion unit 110 that receives multidimensional signals and converts them into feature vectors to extract latent variables, and cluster processing for latent variables. Then, a cluster prediction unit 120 that calculates and outputs the predicted strength, and a state diagnosis unit 130 that compares the predicted strength and a reference value, updates the cluster model, repeatedly performs the clustering process, and calculates the RUL diagnosis score. do.

차원 변환부(110)는 다차원 입력신호를 저차원의 특징벡터로 변환하여 데이터의 의미를 보다 명확히 표현하도록 한다. The dimensional conversion unit 110 converts the multi-dimensional input signal into a low-dimensional feature vector to more clearly express the meaning of the data.

일반적으로 다차원 입력 신호의 경우, 입력 변수 간 상관관계가 높아져 다중 공선성 문제를 야기하기 때문에, 저차원의 특징벡터로 변환하여 내재적 특성치를 추출하는 것이 필요하다. In general, in the case of a multidimensional input signal, since the correlation between input variables increases and causes a multi-collinearity problem, it is necessary to convert the signal into a low-dimensional feature vector and extract intrinsic feature values.

이러한 데이터의 내재적 특성을 포함한 저차원 특징벡터를 잠재 변수(latent variable, z)라고 부른다. A low-dimensional feature vector containing the intrinsic characteristics of such data is called a latent variable (z).

본 발명의 실시예에 따르면, 차원 변환부(110)는 PCA, LDA, SVD, NMF 등과 같은 머신러닝 기법을 사용하거나, 오토인코더 모델의 인코더 등과 같은 딥러닝 기반 모델이거나, 여러 개의 컨볼루션 레이어를 중첩시킨 딥러닝 기반 모델이다. According to an embodiment of the present invention, the dimension conversion unit 110 uses machine learning techniques such as PCA, LDA, SVD, NMF, etc., is a deep learning-based model such as an encoder of an autoencoder model, or uses several convolutional layers. It is a nested deep learning-based model.

군집 예측부(120)는 차원 축소된 잠재 변수에 대한 군집 처리 후, 군집화 정확도를 예측강도

Figure pat00001
로 계산하여 출력한다. The cluster predictor 120 calculates the clustering accuracy after cluster processing for the dimensionally reduced latent variables as the predicted strength.
Figure pat00001
Calculate and output

군집 예측부(120)는 예측강도와 함께, 잠재 변수 데이터의 군집 수

Figure pat00002
}, 군집별 첨도의 역수에 대한 특징값
Figure pat00003
을 출력한다. The cluster predictor 120 includes the number of clusters of latent variable data together with the predicted strength.
Figure pat00002
}, the feature value for the reciprocal of the kurtosis per cluster
Figure pat00003
outputs

군집 예측부(120)의 군집화 정확도를 측정하기 위한 예측강도 계산은 [수학식 1]과 같다. The prediction strength calculation for measuring the clustering accuracy of the cluster predictor 120 is as shown in [Equation 1].

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

D[…m,n은 유클리디안 거리와 같은 m,n 표본간 거리를 의미한다. D[…] m,n means the distance between m,n samples equal to the Euclidean distance.

임의의 시점(t)에서의 잠재변수 집합 X={xp}, p=1,2,...,N 을 k개의 군집으로 군집화할 경우를

Figure pat00005
로 표기한다. The case of clustering the set of latent variables X={x p }, p=1,2,...,N at a random point in time (t) into k clusters.
Figure pat00005
marked with

또한,

Figure pat00006
은 NxN 배열을 이루며, 잠재변수 m과 n이 동일 군집에 있을 경우
Figure pat00007
=1, 동일 군집이 아닐 경우,
Figure pat00008
=0로 구성하는 co-membership 함수이다. In addition,
Figure pat00006
forms an NxN array, and if latent variables m and n are in the same cluster
Figure pat00007
= 1, if not in the same cluster,
Figure pat00008
= 0 is a co-membership function.

즉,

Figure pat00009
함수는 이전 시점(t-1)에서의 k개의 군집화된 표본과 현재 잠재 변수 간의 co-membership을 구하는 함수가 된다. in other words,
Figure pat00009
The function becomes a function that finds the co-membership between k clustered samples at the previous time point (t-1) and the current latent variable.

Figure pat00010
은 t시점에서의 k개의 군집 중 i번째 군집에서의 군집 데이터를 나타내는 인덱스이다.
Figure pat00010
is an index representing cluster data in the ith cluster among k clusters at time t.

Figure pat00011
은 t시점에서의 k개의 군집 중 i번째 군집에서의 군집 데이터 수이다.
Figure pat00011
is the number of cluster data in the ith cluster among k clusters at time t.

이에, 최종적으로

Figure pat00012
는 이전 시점에서의 군집 데이터와 현재 시점에서의 군집 데이터 간 동일 군집으로 할당된 잠재 변수 쌍의 수를 계산하여 제공한다. Thus, finally
Figure pat00012
calculates and provides the number of latent variable pairs assigned to the same cluster between the cluster data at the previous time point and the cluster data at the current time point.

즉, 예측 강도가 높다는 것은 이전 시점과 현재 시점에서의 k개의 군집화 수행 모델이 효과적으로 수행되었다는 것을 의미한다. That is, high prediction strength means that the k clustering performance models at the previous time point and the current time point were effectively performed.

다만, k=1일 경우, 모든 표본이 동일 군집으로 포집되어,

Figure pat00013
이 될 수도 있으므로, 일반적으로
Figure pat00014
값을 최대로 하는 가장 큰 k를 선택하게 된다. However, when k = 1, all samples are collected in the same cluster,
Figure pat00013
can be, so in general
Figure pat00014
The largest k that maximizes the value is selected.

군집 예측부(120)는 이 때의 k값

Figure pat00015
}, 군집별 첨도의 역수에 대한 평균, 표준편차 등의 특징값
Figure pat00016
, 그리고
Figure pat00017
값을 출력한다.The cluster predictor 120 calculates the k value at this time.
Figure pat00015
}, feature values such as mean and standard deviation for the reciprocal of kurtosis by cluster
Figure pat00016
, and
Figure pat00017
print the value

본 발명의 실시예에 따르면, 군집 예측부(120)는 k-means, hierarchical 등의 군집화 기법을 사용한다. According to an embodiment of the present invention, the cluster predictor 120 uses clustering techniques such as k-means and hierarchical.

본 발명의 실시예에 따르면, 군집 예측부(120)의 예측강도 계측함수는 prediction strength, gap statistic, silhouette score, elbow (scree) plot 등의 모델이 사용될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, models such as prediction strength, gap statistic, silhouette score, and elbow (scree) plot may be used as the prediction strength measurement function of the cluster prediction unit 120.

상태 진단부(130)는

Figure pat00018
값이 기준치(th_T) 이하일 경우, 군집 모델을 재수행하여 예측강도
Figure pat00019
가 기준치를 초과하도록 군집화 프로세스를 반복적으로 수행한다. The state diagnosis unit 130
Figure pat00018
If the value is less than the reference value (th_T), the cluster model is re-performed to predict the strength
Figure pat00019
The clustering process is repeatedly performed so that A exceeds the criterion.

상태 진단부(130)는 하기 [수학식 2]와 [수학식 3]을 통해 RUL에 대한 보조계량점수를 구하고, 하기 [수학식 4]를 통해 RUL 계량점수를 출력한다. The state diagnosis unit 130 obtains an auxiliary weighing point for RUL through [Equation 2] and [Equation 3] below, and outputs the RUL weighing point through [Equation 4] below.

상태 진단부(130)의 군집 모델의 프로세스 반복은 일정 주기(T)를 기반으로 자동적으로 실행되는 것이 가능하며, 예측 강도가

Figure pat00020
값이 기준치(th_T)이하일 경우에만 실행되는 것이 가능하다. The process repetition of the cluster model of the state diagnosis unit 130 can be automatically executed based on a certain period (T), and the prediction strength is
Figure pat00020
It is possible to execute only when the value is less than the reference value (th_T).

[수학식 2] [Equation 2]

Figure pat00021
Figure pat00021

[수학식 2]는 RUL 보조계량점수 #1을 얻기 위한 것으로, 최초 시점(t0)에서의 잠재변수에 대한 군집 수와 현재 시점(t)에서의 잠재변수에 대한 군집 수의 비

Figure pat00022
이다. [Equation 2] is for obtaining the RUL auxiliary metric score #1, and the ratio of the number of clusters for the latent variable at the initial time point (t 0 ) and the number of clusters for the latent variable at the current time point (t).
Figure pat00022
to be.

여기에서, 최초 시점과 현재 시점은 상태 진단부에서

Figure pat00023
값이 기준치(th_T)이하일 경우, 군집화 프로세스가 재수행되는 최초 시점-현재 시점을 의미한다. Here, the initial time point and the current time point are determined by the state diagnosis unit.
Figure pat00023
If the value is less than or equal to the reference value (th_T), it means the initial point in time at which the clustering process is re-executed - the current point in time.

시스템이 전반적으로 노후화됨에 따라 시스템을 센싱하는 다차원 신호의 내재적 특성치는 응집도 또는 밀집도가 저하되면서, 새로운 특성을 갖는 군집들이 생성된다. As the overall system ages, the cohesion or density of the intrinsic characteristic of the multidimensional signal sensing the system decreases, and clusters with new characteristics are created.

최초 상태와 비교하여 새로이 생성되는 군집들의 수를 비교하여, 시스템 노후도를 평가하는 것이 가능하다. By comparing the number of newly created clusters compared to the initial state, it is possible to evaluate system aging.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00024
Figure pat00024

[수학식 3]은 RUL 보조계량점수 #2를 얻기 위한 것으로, 현재 시점에서의 군집별 첨도의 역수에 대한 평균, 표준편차 등의 계량값이다. [Equation 3] is for obtaining the RUL auxiliary metric score #2, which is a metric value such as the average and standard deviation of the reciprocal of the kurtosis for each cluster at the current time point.

첨도는 데이터 분포의 뾰족한 정도를 나타내는 지표로, 관측치들의 분포가 중심에 어느 정도 몰려있는지를 나타낸다. Kurtosis is an indicator of the sharpness of data distribution, indicating how close the distribution of observations is to the center.

일반적으로 첨도가 3에 가까우면 정규분포로 인식하며, 3보다 큰 양수의 경우 정규분포보다 더 뽀족한 분포로 판단한다. In general, if the kurtosis is close to 3, it is recognized as a normal distribution, and in the case of a positive number greater than 3, it is judged as a distribution that is sharper than the normal distribution.

[수학식 3]은 첨도의 역수에 비례하는 수학식으로 첨도가 낮을수록 더 큰 수를 나타내도록 수학식을 변환하였다. [Equation 3] is a mathematical equation proportional to the reciprocal of kurtosis, and the equation was converted to indicate a larger number as the kurtosis is lower.

시스템이 전반적으로 노후화됨에 따라 시스템을 센싱하는 다차원 신호의 내재적 특성치는 응집도 또는 밀집도가 저하되면서 군집 분포에서의 첨도가 낮아지게 된다. As the overall system ages, the kurtosis in the cluster distribution decreases as the cohesion or density of the intrinsic characteristic of the multidimensional signal sensing the system decreases.

최초 상태의 군집 첨도와 새로이 생성되는 군집들의 첨도를 비교함에 따라 시스템 노후도를 평가하는 것이 가능하다. It is possible to evaluate system oldness by comparing the kurtosis of the clusters in the initial state and the kurtosis of newly created clusters.

예를 들어, 현재 시점에서의 군집별 첨도의 역수에 대한 특성치 계량값은 [수학식 3]에서의 평균, 표준편차를 이용하거나, 군집 첨도의 최소값, 최대값, 합계 등 다양한 지표를 활용할 수도 있다.For example, the quantification of the characteristic value for the reciprocal of the kurtosis for each cluster at the current time point may use the average and standard deviation in [Equation 3] or use various indicators such as the minimum value, maximum value, and sum of cluster kurtosis. .

예를 들어, 현재시점에서의 군집별 첨도가 이전 시점에 비해 커지는 시스템이 있을 수 있으며, 이 시스템의 경우, RUL2

Figure pat00025
를 통해 계산될 수 있다.For example, there may be a system in which the kurtosis of each cluster at the current time point is greater than at the previous time point, and in this system, RUL 2 is
Figure pat00025
can be calculated through

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00026
Figure pat00026

[수학식 4]는 RUL 계량점수(Y)를 나타낸다. [Equation 4] represents the RUL metric score (Y).

전술한 [수학식 2]와 [수학식 3]을 앙상블하여, 최종적인 계량점수를 도출한다. [Equation 2] and [Equation 3] are ensemble to derive the final metric score.

이 때, α값은 0보다 크고 1보다 작은 값을 갖는 파라미터이다.At this time, the value of α is a parameter having a value greater than 0 and less than 1.

예를 들어, RUL1과 RUL2는 정규화된 값일 수도 있다.For example, RUL 1 and RUL 2 may be normalized values.

예를 들어, (1-α) 값은 또다른 변수 β로 치환할 수도 있다.For example, the value of (1-α) may be replaced by another variable β.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명 예측 방법을 도시한다. 2 illustrates a method for diagnosing conditions and predicting life span through adaptive clustering of multidimensional signals according to an embodiment of the present invention.

S210 단계는 다차원 신호를 수신한다. Step S210 receives a multi-dimensional signal.

S220 단계는 시스템의 다차원 신호 입력값(X)을 차원 변환부를 통해 내재적 특성을 포함하는 잠재변수(z) 값으로 변환한다. Step S220 converts the multidimensional signal input value (X) of the system into a value of a latent variable (z) including intrinsic characteristics through a dimension converter.

S230 단계는 잠재변수 기반의 데이터 군집 모델 학습을 통해 최적으로 군집화된 데이터 군집 수, 군집예측강도, 군집별 첨도(데이터 분포 형상)의 역수 등을 구한다. In step S230, the number of optimally clustered data clusters, cluster prediction strength, and reciprocal of kurtosis (data distribution shape) for each cluster are obtained through latent variable-based data cluster model learning.

이 때, 군집화 최적값은 [수학식 1]과 같은 군집 강도 예측 기법을 활용할 수 있다. At this time, the cluster strength prediction technique such as [Equation 1] can be used for the optimal clustering value.

S240 단계의 비교 결과, 최적 군집 모델 출력이 정해진 군집 강도 예측치 보다 작다면 군집모델을 갱신하여, 군집 강도 예측 성능을 높인다. As a result of the comparison in step S240, if the output of the optimal cluster model is smaller than the predetermined estimated value of the cluster strength, the cluster model is updated to improve the performance of predicting the cluster strength.

이 때, 군집모델의 갱신으로 인한 신규 군집의 생성 비율(RUL1) 및 군집 내 데이터 분포형상의 변화(RUL2)가 생기게 되는데, S250 단계는 이를 토대로 RUL 계량점수(Y)를 구한다.At this time, the new cluster generation rate (RUL 1 ) and the change in the data distribution shape within the cluster (RUL 2 ) occur due to the renewal of the cluster model. In step S250, the RUL metric score (Y) is obtained based on this.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시스템 노후화에 따른 다차원 신호의 군집 상태의 예를 도시한다. 3 and 4 show examples of clustering states of multidimensional signals according to system aging according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 시스템 노후화에 따라 시스템을 센싱하는 다차원 신호의 내재적 특성치 분포 응집도 또는 밀집도가 변화하면서 새로운 특성을 갖는 군집들이 생성되고, 신규 군집 분포에서의 첨도 역시 변화하게 된다. Referring to FIG. 3 , clusters having new characteristics are created as the inherent characteristic value distribution cohesion or density of the multidimensional signal sensing system changes as the system ages, and the kurtosis in the new cluster distribution also changes.

도 3을 참조하면, t0시점에서 3개의 군집, 높은 첨도를 갖는 데이터 분포가 t1, t2 시점을 지나면서, 내재적 특성 데이터 분포의 변화로 인해 새로운 군집이 생성되고, 각 군집별 첨도 또한 변화한다. Referring to FIG. 3, as the data distribution with high kurtosis in three clusters at time t 0 passes through time points t 1 and t 2 , new clusters are created due to changes in the intrinsic characteristic data distribution, and the kurtosis for each cluster is also It changes.

도 4를 참조하면, 시스템 노후화에 따라 시스템을 센싱하는 다차원 신호의 내재적 특성치 분포 응집도 또는 밀집도가 변화하고 이상치 등이 빈번히 발생하면서 새로운 특성을 갖는 군집들이 순차적으로 생성된다. Referring to FIG. 4 , as the system ages, the coherence or density of the inherent characteristic value distribution of the multidimensional signal sensing system changes, and outliers frequently occur, and clusters having new characteristics are sequentially generated.

도 4를 참조하면, t0시점에서 3개의 군집이 t1, t2 등의 시점을 지나면서, 내재적 특성 데이터 분포의 변화로 인해 4개, 5개의 군집으로 변화되고, 시간에 따른 노후화로 인해 데이터 군집이 최초 군집 대비 점차 변화한다. Referring to FIG. 4, 3 clusters at time t 0 are changed to 4 and 5 clusters due to changes in the distribution of intrinsic characteristic data as time passes t 1 , t 2, etc., and due to aging over time The data cluster gradually changes compared to the initial cluster.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 적응적 군집화 기반의 상태 진단부로 입력되는 신호의 예를 도시한다. 5 illustrates an example of a signal input to a state diagnosis unit based on adaptive clustering according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 시스템 노후화에 따라 시스템을 센싱하는 다차원 신호의 내재적 특성치 분포 응집도 또는 밀집도의 변화에 따라 t0, t1, t2 시점을 순차적으로 지나면서, 내재적 특성 데이터 분포의 변화로 인해

Figure pat00027
군집예측강도 저하되고, 이에 따라 군집모델이 갱신되면서
Figure pat00028
Figure pat00029
신호가 함께 변화하는 상태 진단부(130)에 대한 입력 신호의 예를 도시한다. Referring to FIG. 5, according to the change in the intrinsic characteristic value distribution cohesion or density of the multidimensional signal sensing the system according to system aging, while sequentially passing through time points t 0 , t 1 , and t 2 , due to changes in the distribution of intrinsic characteristic data
Figure pat00027
As the strength of cluster prediction decreases, the cluster model is updated accordingly.
Figure pat00028
Wow
Figure pat00029
An example of an input signal to the state diagnosis unit 130 in which the signal changes together is shown.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명예측 방법은 컴퓨터 시스템에서 구현되거나, 또는 기록매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 시스템은 적어도 하나 이상의 프로세서와, 메모리와, 사용자 입력 장치와, 데이터 통신 버스와, 사용자 출력 장치와, 저장소를 포함할 수 있다. 전술한 각각의 구성 요소는 데이터 통신 버스를 통해 데이터 통신을 한다.Meanwhile, the method for diagnosing conditions and predicting lifespan through adaptive clustering of multidimensional signals according to an embodiment of the present invention may be implemented in a computer system or recorded on a recording medium. A computer system may include at least one processor, a memory, a user input device, a data communication bus, a user output device, and a storage. Each of the aforementioned components communicates data through a data communication bus.

컴퓨터 시스템은 네트워크에 커플링된 네트워크 인터페이스를 더 포함할 수 있다. 프로세서는 중앙처리 장치(central processing unit (CPU))이거나, 혹은 메모리 및/또는 저장소에 저장된 명령어를 처리하는 반도체 장치일 수 있다. The computer system may further include a network interface coupled to the network. The processor may be a central processing unit (CPU) or a semiconductor device that processes instructions stored in memory and/or storage.

메모리 및 저장소는 다양한 형태의 휘발성 혹은 비휘발성 저장매체를 포함할 수 있다. 예컨대, 메모리는 ROM 및 RAM을 포함할 수 있다.The memory and storage may include various types of volatile or non-volatile storage media. For example, memory may include ROM and RAM.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명예측 방법은 컴퓨터에서 실행 가능한 방법으로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명예측 방법이 컴퓨터 장치에서 수행될 때, 컴퓨터로 판독 가능한 명령어들이 본 발명에 따른 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명예측 방법을 수행할 수 있다.Therefore, the method for diagnosing conditions and predicting lifespan through adaptive clustering of multidimensional signals according to an embodiment of the present invention can be implemented as a method executable on a computer. When the method for diagnosing conditions and predicting lifespan through adaptive clustering of multidimensional signals according to an embodiment of the present invention is executed in a computer device, computer readable instructions are provided for diagnosing conditions and predicting life through adaptive clustering of multidimensional signals according to an embodiment of the present invention. Life expectancy methods can be performed.

한편, 상술한 본 발명에 따른 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명예측 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.Meanwhile, the above-described method for diagnosing conditions and predicting life through adaptive clustering of multidimensional signals according to the present invention can be implemented as computer readable codes on a computer readable recording medium. Computer-readable recording media includes all types of recording media in which data that can be decoded by a computer system is stored. For example, there may be read only memory (ROM), random access memory (RAM), a magnetic tape, a magnetic disk, a flash memory, an optical data storage device, and the like. In addition, the computer-readable recording medium may be distributed in computer systems connected through a computer communication network, and stored and executed as readable codes in a distributed manner.

Claims (1)

다차원 신호를 입력받아 특징 벡터로 변환하여 잠재 변수를 추출하는 차원 변환부;
상기 잠재 변수에 대한 군집 처리 후, 예측 강도를 계산하여 출력하는 군집 예측부; 및
예측 강도와 기준치를 비교하고 군집 모델을 갱신하여 군집화 프로세스를 반복적으로 수행하고, RUL 진단 점수를 계산하는 상태 진단부
를 포함하는 다차원 신호의 적응적 군집화를 통한 상태 진단 및 수명 예측 시스템.
a dimensional conversion unit that receives multidimensional signals and converts them into feature vectors to extract latent variables;
a cluster prediction unit that calculates and outputs prediction strength after cluster processing for the latent variables; and
Condition diagnosis unit that compares the predicted strength and reference value, updates the cluster model, repeatedly performs the clustering process, and calculates the RUL diagnosis score
Condition diagnosis and life prediction system through adaptive clustering of multi-dimensional signals including.
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