KR20230075826A - Deep-learning based fault detection apparatus and method for motor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 모터의 고장 감지 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 딥러닝 기반 모터 고장 감지 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for detecting a motor failure, and more particularly, to a device and method for detecting a motor failure based on deep learning.
공작 기계 등에 이용되는 모터에 대해서 고장을 진단하기 위한 다양한 방법들이 제안되고 있으며, 최근에는 인공 지능을 이용하여 고장을 진단하고자 하는 방식들이 제안되고 있다.Various methods for diagnosing failures of motors used in machine tools have been proposed, and recently, methods for diagnosing failures using artificial intelligence have been proposed.
종래 기술은 전류 데이터 또는 진동 데이터를 개별적으로 사용하여 특징을 추출하고, 이를 이용하여 스핀들 모터를 진단하고 있으며, 대부분의 모델들이 단순한 주파수 변환을 사용하거나 고장 데이터가 없을 경우 사용할 수 없는 지도학습 기반의 모델만 사용하고 있다.In the prior art, features are extracted using current data or vibration data individually, and spindle motors are diagnosed using this, and most models use simple frequency conversion or supervised learning-based I am only using the model.
그러나, 단일 데이터만 활용할 경우 다양한 고장에 대해 대처할 수 없어 특정 고장 또는 이상에 대해서만 진단이 가능하기 때문에 다양한 센서를 활용해야 한다.However, if only a single data is used, it is impossible to cope with various failures, and diagnosis is possible only for specific failures or abnormalities, so various sensors must be used.
또한, 일반적인 산업공정에서는 시스템 또는 장비가 고장나기 전에 유지보수를 진행하기 때문에 고장 데이터를 얻기가 매우 어렵다. 따라서, 많은 수의 고장데이터를 필요로하는 지도학습 기반 분류 모델의 경우 산업공정 고장진단에 적합하지 않다.In addition, in general industrial processes, it is very difficult to obtain failure data because maintenance is performed before a system or equipment fails. Therefore, supervised learning-based classification models that require a large number of failure data are not suitable for industrial process failure diagnosis.
그리고, 일반적인 주파수 변환 방법이나 통계적 특성(Kurtosis, Skewness 등)을 이용하는 방법은 시계열 데이터 특성을 반영할 수 없기 때문에 연속가공을 수행하는 모터 진단에 알맞지 않을 수 있으므로 시계열 특성을 반영할 수 있는 알고리즘이 필요한 실정이다.In addition, general frequency conversion methods or methods using statistical characteristics (Kurtosis, Skewness, etc.) may not be suitable for diagnosing motors that perform continuous machining because they cannot reflect time-series data characteristics, so an algorithm that can reflect time-series characteristics is needed. The situation is.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 모터가 정상 상태에서 동작하는 동안 수집된 정상 상태 데이터를 이용하여 고장 진단을 수행할 수 있는 딥러닝 기반의 모터 고장 감지 장치 및 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a deep learning-based motor failure detection device and method capable of performing failure diagnosis using steady state data collected while the motor is operating in a steady state.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 고장 감지 방법은, 모터 고장 감지 장치에서 수행되는 모터 고장 감지 방법으로서, (a) 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 이용하여 딥러닝 기반의 학습 모델을 학습하고, 판정 임계치를 설정하는 단계; (b) 고장 탐지 대상 모터로부터 특징 벡터들을 입력받는 단계; (c) 입력된 특징 벡터들을, 상기 학습 모델의 구조 및 하이퍼 파라미터를 적용한 진단 모델에 입력하여 예측치를 생성하는 단계; (d) 상기 예측치와 상기 입력된 특징 벡터들 간의 오차를 이용하여 진단지수를 생성하는 단계; 및 (e) 상기 진단지수를 상기 판정 임계치와 비교하여 모터의 고장 여부를 판정하는 단계를 포함한다. A motor failure detection method according to a preferred embodiment of the present invention for solving the above problems is a motor failure detection method performed in a motor failure detection apparatus, (a) deep using feature vectors collected from a motor in a normal state. learning a learning-based learning model and setting a decision threshold; (b) receiving feature vectors from a motor to be detected; (c) generating a predictive value by inputting the input feature vectors into a diagnosis model to which the structure of the learning model and hyperparameters are applied; (d) generating a diagnostic index using an error between the predicted value and the input feature vectors; and (e) determining whether the motor is out of order by comparing the diagnostic index with the determination threshold.
또한, 상기 (d) 단계는, (d1) 상기 수집된 특징 벡터들과 상기 예측치의 대응되는 항목들 간의 오차를 계산하는 단계; 및 (d2) 각 항목에 대한 오차의 제곱들을 합산하여 진단 지수를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the step (d) may include (d1) calculating an error between corresponding items of the collected feature vectors and the predicted value; and (d2) generating a diagnostic index by summing the squares of errors for each item.
또한, 상기 (e) 단계는, 상기 진단지수가 상기 판정 임계치보다 큰 시간이 사전에 정의된 시간 이상으로 발생하면 고장이 발생한 것으로 판정할 수 있다.Also, in the step (e), it may be determined that a failure has occurred if the diagnostic index is greater than the determination threshold value for more than a predefined time period.
또한, 상기 (c) 단계는, 상기 학습 모델의 구조 및 하이퍼 파라미터를 적용한 상기 진단 모델에 대해서 재학습을 수행한 후, 수집된 특징 벡터들을 상기 진단 모델에 입력할 수 있다.In the step (c), re-learning is performed on the diagnostic model to which the learning model structure and hyperparameters are applied, and collected feature vectors may be input to the diagnostic model.
또한, 상기 (a) 단계는, 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 이용하여 상기 학습 모델에 k-fold 교차 검증 및 Leave-one-out 검증을 순차적으로 수행하여 학습 및 검증을 수행할 수 있다.In addition, in step (a), learning and verification can be performed by sequentially performing k -fold cross-validation and leave-one-out verification on the learning model using feature vectors collected from motors in a steady state. .
또한, 상기 (a) 단계는, (a1) 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 이용하여 상기 학습 모델에 k-fold 교차 검증 및 Leave-one-out 검증을 순차적으로 수행하여 학습 및 검증을 수행하는 단계; (a2) 상기 학습 모델에 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 입력하고, 상기 학습 모델에서 출력된 예측치와 상기 입력된 특징 벡터들 간의 예측 오차를 계산하고, 제곱 예측 오차를 계산하는 단계; 및 (a3) 상기 (a1) 단계 및 (a2) 단계를 복수의 특징 벡터들에 대해서 수행하여 구해진 제곱 예측 오차들의 정규 분포를 이용하여, 사전에 정의된 임계 신뢰 구간의 신뢰 한계점을 상기 판정 임계치로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, in step (a), learning and verification are performed by sequentially performing k -fold cross-validation and leave-one-out verification on the learning model using the feature vectors collected from the motor in (a1) the steady state. doing; (a2) inputting feature vectors collected from motors in a steady state to the learning model, calculating a prediction error between a predicted value output from the learning model and the input feature vectors, and calculating a squared prediction error; and (a3) using a normal distribution of squared prediction errors obtained by performing steps (a1) and (a2) on a plurality of feature vectors, using a confidence limit of a predefined critical confidence interval as the decision threshold It may include setting steps.
한편, 상술한 과제를 이루기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은, 비일시적 저장매체에 저장되고, 프로세서를 포함하는 컴퓨터에서 실행되어, 상기 모터 고장 감지 방법을 수행한다.Meanwhile, a computer program according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object is stored in a non-temporary storage medium and executed in a computer including a processor to perform the motor failure detection method.
한편, 상술한 과제를 이루기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 고장 감지 장치는, 프로세서 및 소정의 명령어들을 저장하는 메모리를 포함하는 모터 고장 감지 장치로서, 상기 메모리에 저장된 명령어들을 실행한 상기 프로세서는 (a) 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 이용하여 딥러닝 기반의 학습 모델을 학습하고, 판정 임계치를 설정하는 단계; (b) 고장 탐지 대상 모터로부터 특징 벡터들을 입력받는 단계; (c) 입력된 특징 벡터들을, 상기 학습 모델의 구조 및 하이퍼 파라미터를 적용한 진단 모델에 입력하여 예측치를 생성하는 단계; (d) 상기 예측치와 상기 입력된 특징 벡터들 간의 오차를 이용하여 진단지수를 생성하는 단계; 및 (e) 상기 진단지수를 상기 판정 임계치와 비교하여 모터의 고장 여부를 판정하는 단계를 수행한다.On the other hand, a motor failure detection device according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object is a motor failure detection device including a processor and a memory for storing predetermined instructions, the processor executing the instructions stored in the memory (a) learning a deep learning-based learning model using feature vectors collected from motors in a steady state, and setting a decision threshold; (b) receiving feature vectors from a motor to be detected; (c) generating a predictive value by inputting the input feature vectors into a diagnosis model to which the structure of the learning model and hyperparameters are applied; (d) generating a diagnostic index using an error between the predicted value and the input feature vectors; and (e) determining whether the motor is out of order by comparing the diagnostic index with the determination threshold.
또한, 상기 (d) 단계는, (d1) 상기 수집된 특징 벡터들과 상기 예측치의 대응되는 항목들 간의 오차를 계산하는 단계; 및 (d2) 각 항목에 대한 오차의 제곱들을 합산하여 진단 지수를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the step (d) may include (d1) calculating an error between corresponding items of the collected feature vectors and the predicted value; and (d2) generating a diagnostic index by summing the squares of errors for each item.
또한, 상기 (e) 단계에서, 상기 프로세서는, 상기 진단지수가 상기 판정 임계치보다 큰 시간이 사전에 정의된 시간 이상으로 발생하면 고장이 발생한 것으로 판정할 수 있다.Also, in the step (e), the processor may determine that a failure has occurred if a time period in which the diagnosis index is greater than the determination threshold value occurs for a predetermined period of time or longer.
또한, 상기 (c) 단계에서, 상기 프로세서는, 상기 학습 모델의 구조 및 하이퍼 파라미터를 적용한 상기 진단 모델에 대해서 재학습을 수행한 후, 수집된 특징 벡터들을 상기 진단 모델에 입력할 수 있다.In the step (c), the processor may perform re-learning on the diagnostic model to which the structure of the learning model and hyperparameters are applied, and then input the collected feature vectors to the diagnostic model.
또한, 상기 (a) 단계에서, 상기 프로세서는, 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 이용하여 상기 학습 모델에 k-fold 교차 검증 및 Leave-one-out 검증을 순차적으로 수행하여 학습 및 검증을 수행할 수 있다.In addition, in the step (a), the processor sequentially performs k -fold cross-validation and leave-one-out verification on the learning model using feature vectors collected from motors in a steady state to perform learning and verification. can be done
또한, 상기 (a) 단계는, (a1) 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 이용하여 상기 학습 모델에 k-fold 교차 검증 및 Leave-one-out 검증을 순차적으로 수행하여 학습 및 검증을 수행하는 단계; (a2) 상기 학습 모델에 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 입력하고, 상기 학습 모델에서 출력된 예측치와 상기 입력된 특징 벡터들 간의 예측 오차를 계산하고, 제곱 예측 오차를 계산하는 단계; 및 (a3) 상기 (a1) 단계 및 (a2) 단계를 복수의 특징 벡터들에 대해서 수행하여 구해진 제곱 예측 오차들의 정규 분포를 이용하여, 사전에 정의된 임계 신뢰 구간의 신뢰 한계점을 상기 판정 임계치로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, in step (a), learning and verification are performed by sequentially performing k -fold cross-validation and leave-one-out verification on the learning model using the feature vectors collected from the motor in (a1) the steady state. doing; (a2) inputting feature vectors collected from motors in a steady state to the learning model, calculating a prediction error between a predicted value output from the learning model and the input feature vectors, and calculating a squared prediction error; and (a3) using a normal distribution of squared prediction errors obtained by performing steps (a1) and (a2) on a plurality of feature vectors, using a confidence limit of a predefined critical confidence interval as the decision threshold It may include setting steps.
종래의 모터 진단 기술들은 단일 센서를 이용하여 센서의 평균, 최대, 또는 최소 값이 임계치를 넘어갈 경우 고장으로 판단하는 단순한 방법을 사용하였으나, 본 발명은 다양한 센서 데이터를 활용하며 데이터의 통계적 특성 뿐만 아니라 시계열 특성도 반영할 수 있는 웨이블릿 특징을 활용하여 더욱 정밀한 진단이 가능하다. Conventional motor diagnosis technologies use a simple method of determining a failure when the average, maximum, or minimum value of a sensor exceeds a threshold using a single sensor, but the present invention utilizes various sensor data and uses not only statistical characteristics of the data, but also More precise diagnosis is possible by utilizing wavelet features that can also reflect time series characteristics.
또한, 본 발명은 다양한 센서 데이터를 한번에 처리할 수 있으며, 딥러닝 기반 고장 진단 방법을 사용하기 때문에, 데이터가 비선형적인 특성을 가지더라도 모델의 학습을 통해서 정확한 고장 진단이 가능하다.In addition, since the present invention can process various sensor data at once and uses a deep learning-based fault diagnosis method, accurate fault diagnosis is possible through model learning even if the data has nonlinear characteristics.
본 발명은 상기한 바와 같은 세부적 효과로 인하여, 모터를 사용하는 모든 시스템 및 장비의 모터 고장 진단을 실시간으로 수행할 수 있으므로, 시스템 및 장비의 비계획 정지를 방지할 수 있어 생산성 및 경제적 효과를 증대시킬 수 있다. 또한, 많은 산업현장이 다양한 업무를 진행하기 때문에 단일 조건으로 시스템 및 장비를 운용하지 않는다는 현실을 고려할 때, 본 발명의 딥러닝 기반 고장탐지 방법은 다중모드(Multimodal) 데이터 처리에 유리하기 때문에 운용 환경에 따라 동작 특성이 달라지는 스핀들모터의 고장 진단에 특히 적합하다.Due to the detailed effects described above, the present invention can perform motor failure diagnosis of all systems and equipment using motors in real time, thereby preventing unplanned stoppage of systems and equipment, thereby increasing productivity and economic effects. can make it In addition, considering the reality that many industrial sites do not operate systems and equipment under a single condition because they perform various tasks, the deep learning-based fault detection method of the present invention is advantageous for multimodal data processing, and thus the operating environment. It is particularly suitable for fault diagnosis of spindle motors whose operating characteristics vary according to
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 딥러닝 기반의 모터 고장 감지 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 스핀들 모터에 센서가 설치된 예를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 메모리에 저장된 프로그램이 프로세서에서 실행될 때, 프로세서가 수행하는 기능을 기능 블록도로 표현한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 딥러닝 기반의 모터 고장 감지 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 모터의 센서 측정값으로부터 특징 벡터를 추출하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 6은 k-폴드 교차 검증 방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 Leave-one-out 검증 방법을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에서 모터의 고장 여부를 판정하는 과정을 설명하는 도면이다.1 is a diagram showing the overall configuration of a deep learning-based motor failure detection device according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating an example in which a sensor is installed in a spindle motor according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a functional block diagram illustrating functions performed by a processor when a program stored in a memory is executed in the processor according to a preferred embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a method for detecting a motor failure based on deep learning according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a process of extracting a feature vector from a sensor measurement value of a motor according to a preferred embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a k-fold cross validation method.
7 is a diagram illustrating a leave-one-out verification method.
8 is a diagram illustrating a process of determining whether a motor is out of order in a preferred embodiment of the present invention.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
여기서, 본 발명의 상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다 음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다. 다만, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다. Here, the above objects, features and advantages of the present invention will become more apparent through the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention can apply various changes and can have various embodiments, hereinafter, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 또한, 구성요소(element) 또는 층이 다른 구성요소 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 구성요소 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 구성요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 원칙적으로 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.In the drawings, the thickness of layers and regions is exaggerated for clarity, and elements or layers may be "on" or "on" other elements or layers. What is referred to includes all cases where another layer or other component is intervened in the middle as well as immediately above another component or layer. Like reference numerals designate essentially like elements throughout the specification. In addition, components having the same function within the scope of the same idea appearing in the drawings of each embodiment are described using the same reference numerals.
본 발명과 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판정되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.If it is determined that a detailed description of a known function or configuration related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, numbers (eg, 1st, 2nd, etc.) used in the description process of this specification are only identifiers for distinguishing one component from another component.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 딥러닝 기반의 모터 고장 감지 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 스핀들 모터에 센서가 설치된 예를 설명하는 도면이다.1 is a diagram showing the overall configuration of a deep learning-based motor failure detection device according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating an example in which a sensor is installed in a spindle motor according to a preferred embodiment of the present invention. am.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 딥러닝 기반의 모터 고장 감지 장치(100)는 진동 센서(121), 전류 센서(123), 온도 센서(125), 프로세서(110), 메모리(130), 입력 수단(150) 및 출력 수단(170)을 포함한다. 1 and 2, the deep learning-based motor
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메모리(130)는 프로세서(110)에 의해 실행 가능한 명령어들, 및 프로세서(110)에 의해 실행되는 프로그램들을 저장할 수 있고, 입력 및 출력되는 데이터들을 저장할 수도 있다.The
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로세서(110)는 메모리(130)에 저장된 명령어들을 실행함으로써, 도 4를 참조하여 후술하는 딥러닝 기반의 모터 고장 감지 방법의 각 단계를 수행한다. 메모리(130)는 인터넷(internet)상에서 저장 매체의 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage) 또는 클라우드 서버로 대체 운영될 수도 있다.The
입력 수단(150)은 마우스 및 키보드와 같은 전형적인 입력 장치로 구현되어, 사용자로부터 설정 정보 및 선택 정보 등을 입력받아 프로세서(110)로 출력할 수 있다.The input means 150 is implemented as a typical input device such as a mouse and keyboard, and can receive setting information and selection information from a user and output them to the
출력 수단(170)은 모니터 등으로 구현되어 프로세서(110)에서 생성한 데이터를 사용자에게 표시할 수 있다.The
진동 센서(121)는 모터의 복수의 위치에 설치되어 모터에서 발생하는 진동을 감지하여 프로세서(110)로 출력하고, 온도 센서(125) 역시 모터의 복수의 위치에 설치되어 모터에서 발생하는 열에 의한 온도를 측정하여 프로세서(110)로 출력한다. 전류 센서(123)는 모터의 고정자에 흐르는 전류를 측정하여 프로세서(110)로 출력한다.
본 발명은 일반적인 모터에 적용이 가능하지만, 설명의 편의를 위해서 스핀들 모터의 고장을 감지하는 경우를 예시적으로 설명한다. Although the present invention can be applied to a general motor, for convenience of explanation, a case of detecting a failure of a spindle motor will be described as an example.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 메모리에 저장된 프로그램이 프로세서에서 실행될 때, 프로세서가 수행하는 기능을 기능 블록도로 표현한 도면이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 딥러닝 기반의 모터 고장 감지 방법을 설명하는 흐름도이다.3 is a functional block diagram representing functions performed by a processor when a program stored in a memory is executed in a processor according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a deep learning-based motor according to a preferred embodiment of the present invention. It is a flow chart explaining the failure detection method.
도 3 및 도 4를 참조하면, 메모리에 저장된 프로그램이 프로세서에 로딩되어 실행되면, 프로세서는 개념적으로 표현할 때, 오프라인 학습 모듈과 온라인 진단 모듈을 포함한다. 오프라인 학습 모듈은 딥러닝 학습 모델(111), 제 1 오차 계산부(112-1), 제 1 SPE 계산부(113-1), 임계치 설정부(114)를 포함한다. 온라인 진단 모듈은 진단 모델(115), 제 2 오차 계산부(112-2), 제 2 SPE 계산부(113-2), 및 판정부(116)를 포함한다.Referring to FIGS. 3 and 4 , when a program stored in a memory is loaded into a processor and executed, the processor conceptually includes an offline learning module and an online diagnosis module. The offline learning module includes a deep
먼저, 오프라인 학습 모듈은 모터가 정상 상태에서 동작할 때 수집된 과거의 데이터를 이용하여 진단 모듈에 포함된 진단 모델(115)에 적용할 바이어스 및 가중치를 구하고, 임계치를 설정한다. First, the off-line learning module obtains biases and weights to be applied to the
온라인 학습 모듈은 고장 진단 대상인 모터로부터 실시간으로 수집되는 데이터를 진단 모델(115)에 적용하여 고장을 감지한다.The online learning module detects a failure by applying data collected in real time from a motor that is a failure diagnosis target to the
이하, 각각의 세부 구성의 기능을 순차적으로 설명하면, 정상 상태에서 운전하는 모터로부터 수집된 데이터들에서 추출된 특징 벡터들은 학습 데이터 행렬의 형식으로 딥러닝 학습 모델(111)에 입력된다. Hereinafter, the function of each detailed component will be described sequentially. Feature vectors extracted from data collected from a motor operating in a steady state are input to the deep
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 딥러닝 학습 모델(111) 및 진단 모델(115)에 특징 벡터를 입력하는데, 특징 벡터는 각 센서로부터 계측된 데이터에서 특징을 추출한 것이며, 통계적 특성을 얻기 위해 중간값, 평균값 및 표준편차 등을 계산하고, 시계열 데이터의 주파수 특성을 추출하기 위해 웨이블릿 변환을 적용하여, 도 5와 같이 특징벡터(X)를 얻고, 이를 딥러닝 학습 모델(111) 및 진단 모델(115)에 입력한다.First, in a preferred embodiment of the present invention, a feature vector is input to the deep
딥러닝 학습 모델(111)은 오토인코더(Auto-encoder) 및 AAKR(Auto Associative Kernel Regression)과 같은 준지도 학습(Semi-supervisored learning) 모델로 구현되는데, 오토인코더 및 AAKR 학습 모델은 정상 상태에서 운전하는 동안 수집된 데이터를 이용하여 학습이 진행된다. The deep
오토인코더의 경우 입력된 측정값 벡터의 차원을 축소하고 확장하는 단계를 거쳐 입력 데이터를 재구축(Re-construction)하며, AAKR의 경우 입력된 측정값과의 거리를 이용한 가중평균을 구함으로써 입력 데이터를 재구축한다. In the case of an autoencoder, the input data is re-constructed by reducing and expanding the dimension of the input measured value vector, and in the case of AAKR, the input data is obtained by calculating a weighted average using the distance to the input measured value. rebuild
이 두 알고리즘은 입력된 측정값이 정상 상태 운전 데이터와 유사한 패턴을 가질 경우 패턴 학습 모델에서 입력된 측정값과 유사한 값이 출력될 것이며 유사성이 낮은 패턴은 입력된 측정값과 오차가 많이 발생하는 결과를 출력하는 방식으로 구현되며, 두 가지 딥러닝 학습 모델 자체는 공지된 알고리즘 방식으므로, 구체적인 설명은 생략한다.In these two algorithms, if the input measurement values have a similar pattern to the steady-state driving data, values similar to the input measurement values will be output from the pattern learning model, and patterns with low similarity will result in a lot of error with the input measurement values. Since the two deep learning models themselves are known algorithms, detailed descriptions are omitted.
한편, 학습 데이터 행렬을 입력받은 딥러닝 학습 모델(111)은 k-폴드 교차 검증(k-fold cross validation) 방식으로 학습 및 검증이 수행되고, 그 다음으로, Leave-one-out 방식으로 학습 및 검증이 수행된다(S411).On the other hand, the deep
k-폴드 교차 검증(k-fold cross validation) 방식은 학습 모델(111)의 구조와 하이퍼 파라미터 선정에 가장 많이 사용되는 방법 중 하나로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 전체 학습 데이터셋 D를 k개의 데이터 셋으로 나누고, k개 중 하나의 데이터셋을 검증용 데이터로 이용하고 나머지 k-1개의 데이터셋을 학습용 데이터로 이용하여 학습을 수행한다. 그 다음으로, 검증용 데이터셋을 다른 것으로 교체하고, 나머지 k-1개의 데이터셋을 학습용 데이터로 이용하여 학습을 수행한다. 이런 방식으로, k번 수행하여 모든 데이터셋을 1번씩 검증용 데이터셋으로 이용하게되면 k개의 검증 결과가 도출된다. k번째 데이터셋까지 검증이 완료되면 모델의 구조 또는 하이퍼 파라미터를 바꿔서 다시 시험을 진행하게 되며 평균 오차를 계산하여 오차가 가장 낮은 구조와 하이퍼 파라미터를 선정하게 된다.The k -fold cross validation method is one of the most used methods for selecting the structure and hyperparameters of the
Leave-one-out 검증 방법은 진단 모델(115)의 문턱값을 선정하기 위한 방법으로, 도 7과 같이 전체 데이터셋 D에서 하나의 데이터 d n 을 검증데이터로 사용하고 나머지 데이터를 학습데이터로 사용하여 학습과 검증을 반복하는 방식이다. The leave-one-out verification method is a method for selecting the threshold value of the
상기한 과정을 거쳐서 학습된 딥러닝 학습 모델(111)은 학습 데이터 이 입력되면, 이에 대응되는 예측 데이터 을 출력한다. 본 발명의 실시예에서, 학습 데이터 은 벡터 행렬 형식으로 입력되고, 예측 데이터 역시 입력 데이터에 각각 대응되는 벡터 행렬 형식으로 출력된다.The deep
제 1 오차 계산부(112-1)는 딥러닝 학습 모델(111)로부터 예측치 를 입력받고, 딥러닝 학습 모델(111)로 입력된 학습 데이터 을 각각 입력받고, 입력 데이터와 예측치 간의 예측 오차 를 계산하여 제 1 SPE 계산부(113-1)로 출력한다.The first error calculation unit 112-1 is a predicted value from the deep
제 1 SPE 계산부(113-1)는 예측 오차 를 입력받고, 예측 오차 제곱의 합(SPE:Square Prediction Error)을 계산하여 임계치 설정부(114)로 출력한다(S412). 여기서, 예측 오차 는 행렬 형식으로 입력될 수 있고, 이 경우, 예측 오차(E)는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있으며, 진단 모델(115)의 진단지수로 활용된다.The first SPE calculator 113-1 predicts error is received, and a square prediction error (SPE) is calculated and outputted to the threshold setting unit 114 (S412). Here, the prediction error may be input in a matrix form, and in this case, the prediction error (E) may be expressed as in
임계치 설정부(114)는 예측 오차(E)를 이용하여 진단 모델(115)의 판정 임계치(SPEα)를 설정하여 판정부(116)로 출력한다(S413). 임계치 설정부(114)는 학습된 모델에 정상 상태 데이터를 입력하였을 때 산출되는 SPE 결과들을 수집하고, 그 데이터들의 분포를 이용하여 임계치를 설정한다. 예를 들면, SPE 데이터들의 99번째 백분위수를 사용하거나, 정규분포의 99% 신뢰구간의 신뢰 한계점을 판정 임계치로 설정할 수 있다.The threshold
한편, 온라인 진단 모듈의 진단 모델(115)은 딥러닝 학습 모델(111)로부터 모델의 구조, 대역폭 파라미터(Bandwidth parameter)와 같은 하이퍼 파라미터 및 전이학습(Transfer learning)을 위한 바이어스(b)와 가중치(w) 등을 입력받아 재학습을 수행한다. On the other hand, the
그 후, 진단 모델(115)은 실시간으로 고장 탐지 대상 모터의 실시간 측정값으로부터 추출된 특징 벡터로 구성되는 질의 벡터(X(k))를 입력받고(S420), 이에 대한 예측치()를 생성하여 제 2 오차 계산부(112-2)로 출력한다(S430).Thereafter, the
제 2 오차 계산부(112-2)는 예측치()를 질의 벡터(X(k))와 비교하여 오차 벡터()를 계산하여 제 2 SPE 계산부(113-2)로 출력한다.The second error calculator 112-2 calculates the predicted value ( ) with the query vector (X(k)), the error vector ( ) is calculated and output to the second SPE calculator 113-2.
제 2 SPE 계산부(113-2)는 오차 벡터를 이용하여, 모터 진단 모델(115)의 진단 지수로 이용되는 예측 오차 제곱의 합(SPE:Square Prediction Error)(SPE(k))을 계산하여 판정부(116)로 출력한다(S440). 여기서, SPE(k)는 상기한 수학식 1을 이용하여 계산될 수 있다.The second SPE calculation unit 113-2 calculates the sum of square prediction errors (SPE:Square Prediction Error) (SPE(k)) used as the diagnosis index of the
그 후, 판정부(116)는 입력된 진단 지수 SPE(k)를 임계치 설정부(114)로부터 입력된 판정 임계치(SPEα)와 비교하여 모터의 고장 여부를 판정한다(S450).After that, the
도 8을 참조하면, 판정부(116)는 제 2 SPE 계산부(113-2)로부터 입력된 진단 지수 SPE(k)를, 빨간색으로 표시된 판정 임계치와 비교하여, 진단 지수 SPE(k)가 판정 임계치보다 큰 시간이 사전에 정의된 시간 이상으로 발생하면 고장이 발생한 것으로 판정한다.Referring to FIG. 8 , the
지금까지 설명한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 딥러닝 기반의 모터 고장 감지 방법은, 컴퓨터에서 실행가능한 명령어로 구현되어 비일시적 저장매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다.The method for detecting a motor failure based on deep learning according to a preferred embodiment of the present invention described so far may be implemented as a computer program executable on a computer and stored in a non-temporary storage medium.
저장매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The storage medium includes all types of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of computer-readable storage media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, and optical data storage devices. In addition, the computer-readable storage medium is distributed in computer systems connected through a network, so that computer-readable codes can be stored and executed in a distributed manner.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been looked at with respect to its preferred embodiments. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope will be construed as being included in the present invention.
100 : 모터 고장 감지 장치
121 : 진동 센서
123 : 전류 센서
125 : 온도 센서
110 : 프로세서
111 : 딥러닝 학습 모델
112-1:제 1 오차 계산부
112-2:제 2 오차 계산부
113-1:제 1 SPE 계산부
113-2:제 2 SPE 계산부
114 : 임계치 설정부
115: 진단 모델
116 : 판정부
130 : 메모리
150 : 입력 수단
170 : 출력 수단100: motor failure detection device
121: vibration sensor 123: current sensor
125: temperature sensor
110: processor 111: deep learning learning model
112-1: first error calculation unit 112-2: second error calculation unit
113-1: 1st SPE calculation unit 113-2: 2nd SPE calculation unit
114: threshold setting unit 115: diagnostic model
116: determination unit 130: memory
150: input means 170: output means
Claims (13)
(a) 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 이용하여 딥러닝 기반의 학습 모델을 학습하고, 판정 임계치를 설정하는 단계;
(b) 고장 탐지 대상 모터로부터 특징 벡터들을 입력받는 단계;
(c) 입력된 특징 벡터들을, 상기 학습 모델의 구조 및 하이퍼 파라미터를 적용한 진단 모델에 입력하여 예측치를 생성하는 단계;
(d) 상기 예측치와 상기 입력된 특징 벡터들 간의 오차를 이용하여 진단지수를 생성하는 단계; 및
(e) 상기 진단지수를 상기 판정 임계치와 비교하여 모터의 고장 여부를 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 감지 방법. A motor failure detection method performed in a motor failure detection device,
(a) learning a deep learning-based learning model using feature vectors collected from motors in a steady state, and setting a decision threshold;
(b) receiving feature vectors from a motor to be detected;
(c) generating a predictive value by inputting the input feature vectors into a diagnosis model to which the structure of the learning model and hyperparameters are applied;
(d) generating a diagnostic index using an error between the predicted value and the input feature vectors; and
(e) comparing the diagnostic index with the determination threshold to determine whether or not the motor has failed.
(d1) 상기 수집된 특징 벡터들과 상기 예측치의 대응되는 항목들 간의 오차를 계산하는 단계; 및
(d2) 각 항목에 대한 오차의 제곱들을 합산하여 진단 지수를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 감지 방법.The method of claim 1, wherein step (d) is
(d1) calculating an error between the collected feature vectors and corresponding items of the predicted value; and
(d2) generating a diagnostic index by summing the squares of errors for each item.
상기 진단지수가 상기 판정 임계치보다 큰 시간이 사전에 정의된 시간 이상으로 발생하면 고장이 발생한 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 감지 방법.The method of claim 1, wherein step (e)
A method for detecting a motor failure, characterized in that it is determined that a failure has occurred when the diagnostic index is larger than the determination threshold value for more than a predefined time period.
상기 학습 모델의 구조 및 하이퍼 파라미터를 적용한 상기 진단 모델에 대해서 재학습을 수행한 후, 수집된 특징 벡터들을 상기 진단 모델에 입력하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 감지 방법.The method of claim 1, wherein step (c) is
After performing re-learning on the diagnostic model to which the structure and hyperparameters of the learning model are applied, the collected feature vectors are input to the diagnostic model.
정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 이용하여 상기 학습 모델에 k-fold 교차 검증 및 Leave-one-out 검증을 순차적으로 수행하여 학습 및 검증을 수행하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 감지 방법.The method of claim 1, wherein step (a) is
A motor failure detection method characterized in that learning and verification are performed by sequentially performing k -fold cross-validation and leave-one-out verification on the learning model using feature vectors collected from the motor in a steady state.
(a1) 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 이용하여 상기 학습 모델에 k-fold 교차 검증 및 Leave-one-out 검증을 순차적으로 수행하여 학습 및 검증을 수행하는 단계;
(a2) 상기 학습 모델에 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 입력하고, 상기 학습 모델에서 출력된 예측치와 상기 입력된 특징 벡터들 간의 예측 오차를 계산하고, 제곱 예측 오차를 계산하는 단계; 및
(a3) 상기 (a1) 단계 및 (a2) 단계를 복수의 특징 벡터들에 대해서 수행하여 구해진 제곱 예측 오차들의 정규 분포를 이용하여, 사전에 정의된 임계 신뢰 구간의 신뢰 한계점을 상기 판정 임계치로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 감지 방법.The method of claim 5, wherein step (a)
(a1) performing learning and verification by sequentially performing k -fold cross-validation and leave-one-out verification on the learning model using feature vectors collected from motors in a steady state;
(a2) inputting feature vectors collected from motors in a steady state to the learning model, calculating a prediction error between a predicted value output from the learning model and the input feature vectors, and calculating a squared prediction error; and
(a3) Using a normal distribution of squared prediction errors obtained by performing steps (a1) and (a2) on a plurality of feature vectors, setting the confidence limit of a predefined critical confidence interval as the decision threshold Motor failure detection method comprising the step of doing.
A computer program stored in a non-transitory storage medium and executed in a computer including a processor to perform the motor failure detection method according to any one of claims 1 to 6.
상기 메모리에 저장된 명령어들을 실행한 상기 프로세서는
(a) 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 이용하여 딥러닝 기반의 학습 모델을 학습하고, 판정 임계치를 설정하는 단계;
(b) 고장 탐지 대상 모터로부터 특징 벡터들을 입력받는 단계;
(c) 입력된 특징 벡터들을, 상기 학습 모델의 구조 및 하이퍼 파라미터를 적용한 진단 모델에 입력하여 예측치를 생성하는 단계;
(d) 상기 예측치와 상기 입력된 특징 벡터들 간의 오차를 이용하여 진단지수를 생성하는 단계; 및
(e) 상기 진단지수를 상기 판정 임계치와 비교하여 모터의 고장 여부를 판정하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 감지 장치.A motor failure detection device including a processor and a memory for storing predetermined instructions,
The processor executing the instructions stored in the memory
(a) learning a deep learning-based learning model using feature vectors collected from motors in a steady state, and setting a decision threshold;
(b) receiving feature vectors from a motor to be detected;
(c) generating a predictive value by inputting the input feature vectors into a diagnosis model to which the structure of the learning model and hyperparameters are applied;
(d) generating a diagnostic index using an error between the predicted value and the input feature vectors; and
(e) comparing the diagnostic index with the determination threshold to determine whether the motor has failed.
(d1) 상기 수집된 특징 벡터들과 상기 예측치의 대응되는 항목들 간의 오차를 계산하는 단계; 및
(d2) 각 항목에 대한 오차의 제곱들을 합산하여 진단 지수를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 감지 장치.The method of claim 8, wherein step (d)
(d1) calculating an error between the collected feature vectors and corresponding items of the predicted value; and
(d2) generating a diagnostic index by summing the squares of errors for each item.
상기 프로세서는, 상기 진단지수가 상기 판정 임계치보다 큰 시간이 사전에 정의된 시간 이상으로 발생하면 고장이 발생한 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 감지 장치.The method of claim 8, wherein in step (e)
Wherein the processor determines that a failure has occurred when a time period in which the diagnostic index is greater than the determination threshold value occurs for more than a predefined time period.
상기 프로세서는, 상기 학습 모델의 구조 및 하이퍼 파라미터를 적용한 상기 진단 모델에 대해서 재학습을 수행한 후, 수집된 특징 벡터들을 상기 진단 모델에 입력하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 감지 장치.The method of claim 8, wherein in step (c)
The processor performs re-learning on the diagnostic model to which the structure and hyperparameters of the learning model are applied, and then inputs the collected feature vectors to the diagnostic model.
상기 프로세서는, 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 이용하여 상기 학습 모델에 k-fold 교차 검증 및 Leave-one-out 검증을 순차적으로 수행하여 학습 및 검증을 수행하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 감지 장치.The method of claim 1, wherein in step (a)
The processor performs learning and verification by sequentially performing k -fold cross-validation and leave-one-out verification on the learning model using feature vectors collected from the motor in a steady state. Device.
(a1) 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 이용하여 상기 학습 모델에 k-fold 교차 검증 및 Leave-one-out 검증을 순차적으로 수행하여 학습 및 검증을 수행하는 단계;
(a2) 상기 학습 모델에 정상 상태의 모터로부터 수집된 특징 벡터들을 입력하고, 상기 학습 모델에서 출력된 예측치와 상기 입력된 특징 벡터들 간의 예측 오차를 계산하고, 제곱 예측 오차를 계산하는 단계; 및
(a3) 상기 (a1) 단계 및 (a2) 단계를 복수의 특징 벡터들에 대해서 수행하여 구해진 제곱 예측 오차들의 정규 분포를 이용하여, 사전에 정의된 임계 신뢰 구간의 신뢰 한계점을 상기 판정 임계치로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 감지 장치.13. The method of claim 12, wherein step (a)
(a1) performing learning and verification by sequentially performing k -fold cross-validation and leave-one-out verification on the learning model using feature vectors collected from motors in a steady state;
(a2) inputting feature vectors collected from motors in a steady state to the learning model, calculating a prediction error between a predicted value output from the learning model and the input feature vectors, and calculating a squared prediction error; and
(a3) Using a normal distribution of squared prediction errors obtained by performing steps (a1) and (a2) on a plurality of feature vectors, setting the confidence limit of a predefined critical confidence interval as the decision threshold Motor failure detection device characterized in that it comprises the step of doing.
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