KR20230103861A - 음향방출/진동 버스트 신호 검출 방법 및 장치 - Google Patents

음향방출/진동 버스트 신호 검출 방법 및 장치 Download PDF

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KR20230103861A
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김종면
김재영
임기창
손동구
최현균
유대승
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울산대학교 산학협력단
한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 측정된 음향/진동 신호에서 버스트 신호를 검출하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음향 신호를 측정하는 신호측정부, 기설정된 단위로 상기 신호를 복수의 분할신호로 분할하는 신호분할부, 상기 복수의 분할신호 중 하나 이상을 버스트 후보로 선택하는 후보선택부, 상기 버스트 후보 내에 포함된 버스트 신호의 시작점과 끝점을 검출하는 버스트 신호 검출부 및 상기 시작점과 끝점을 기준으로 버스트 신호를 추출하는 버스트 신호 추출부를 포함하며, 버스트 신호의 시작점 및 끝점을 정확하게 검출할 수 있다.

Description

음향방출/진동 버스트 신호 검출 방법 및 장치{A Method And Apparatus For Acoustic emission/Vibration Burst Signal Detection}
본 발명은 버스트 신호를 검출하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 획득한 음향방출/진동 신호를 분석하여 버스트 신호의 시작점과 끝점을 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
버스트 신호는 ns(nanosecond) 이하의 아주 짧은 시간 동안에만 신호가 존재하고 나머지 대부분 시간 동안은 신호가 존재하지 않는 특성을 가지고 있다. 이러한 특성으로 버스트 신호는 다양한 설비, 장치 등의 상태를 모니터링하는데 사용될 수 있다. 이를 통해 각종 설비, 기계장치를 구성하는 부품의 열화나 고장 상태를 발견하여 정지나 동작 중 발생할 수 있는 문제들을 방지할 수 있는 것이다.
그러나 각종 센서(음향/진동 등)가 감지한 신호에서 버스트 신호를 정확하게 추출하는 과정은 어렵다. 버스트 신호를 추출하는 목적은 버스트 신호의 특성 자체를 분석하는 것도 있지만, 추출된 버스트 신호를 이용하여 그 신호가 발생했던 위치 등을 추정하기 위한 것이다. 그런데, 기존 방법은 추출된 버스트 신호를 그대로 사용하고 있어 신호발생 위치를 잘못 추정하는 오류가 발생할 수 있다.
버스트 신호의 시작시점 및 끝점을 잘못 검출하게 되면 궁극적으로 버스트 신호가 발생한 위치를 잘못 추정하는 오류가 발생하는 것이다. 그래서 종래에는 여러 개의 센서들로부터 신호가 들어올 때, 각 신호들이 어디서 발생한 것인지를 정확하게 알지 못하는 문제가 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10- 2016-0136371호 (2016년10월20일 공개)
본 발명은 상기 기술적 과제에 대한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 측정된 음향/진동 신호에서 버스트 신호를 검출하는 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
다른 측면에서 본 발명은 각 설비에 설치된 신호(음향 방출, 진동, 음향 등)를 측정하고, 측정된 신호에서 버스트 신호의 시작점과 끝점을 정확하게 검출하는 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치는 음향 신호를 측정하는 신호측정부, 기설정된 단위로 상기 신호를 복수의 분할신호로 분할하는 신호분할부, 상기 복수의 분할신호 중 하나 이상을 버스트 후보로 선택하는 후보선택부, 상기 버스트 후보 내에 포함된 버스트 신호의 시작점과 끝점을 검출하는 버스트 신호 검출부 및 상기 시작점과 끝점을 기준으로 버스트 신호를 추출하는 버스트 신호 추출부로 구성될 수 있다.
또한, 상기 신호측정부는 각종 설비에 설치된 센서를 이용하여 음향 방출, 진동 음향 신호 중 어느 하나 이상을 측정할 수 있다.
또한, 상기 신호분할부는 상기 음향 신호를 기설정된 범위로 중첩하며 분할할 수 있다.
또한, 상기 후보선택부는 상기 분할신호와 이웃한 상기 분할신호의 에너지를 비교하여 임계치 이상 클 경우 버스트 후보로 선택할 수 있다.
또한, 상기 버스트 신호 검출부는 상기 버스트 신호의 시작점을 검출하는 버스트 신호 시작점 검출부 및 상기 버스트 신호의 끝점을 검출하는 버스트 신호 끝점 검출부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 버스트 신호 시작점 검출부는 상기 버스트 후보에 대해 복수의 가중치 윈도우를 생성하고, 상기 가중치 윈도우와 상기 신호를 곱하여 분할 에너지를 계산하는 분할 에너지 계산부, 상기 분할 에너지의 평균 및 표준편차를 계산하여 에너지 임계치를 계산하는 에너지 임계치 계산부 및 상기 분할 에너지가 상기 에너지 임계치를 초과하는 시점을 상기 버스트 신호의 시작점으로 검출하는 시작점 검출부를 포함 할 수 있다.
또한, 상기 버스트 신호 끝점 검출부는 상기 버스트 후보에 대해 복수의 윈도우를 생성하고 상기 윈도우 별로 교차율을 계산하는 신호 교차율 계산부, 상기 교차율의 평균 및 표준편차를 계산하여 교차율 임계치를 계산하는 교차율 임계치 계산부 및 상기 윈도우에서 교차율 임계치를 초과하는 시점을 상기 버스트 신호의 끝점으로 검출하는 끝점 검출부를 포함 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 방법은 신호측정부에서 음향 신호를 측정하는 단계, 신호분할부에서 기설정된 단위로 상기 신호를 복수의 분할신호로 분할하는 단계, 후보선택부에서 상기 복수의 분할신호 중 하나 이상을 버스트 후보로 선택하는 단계, 버스트 신호 검출부에서 상기 버스트 후보 내에 포함된 버스트 신호의 시작점과 끝점을 검출하는 버스트 신호 검출 단계 및 버스트 신호 추출부에서 상기 시작점과 끝점을 기준으로 버스트 신호를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 음향 신호는 각종 설비에 설치된 센서를 이용하여 음향 방출, 진동 음향 신호 중 어느 하나 이상을 측정할 수 있다.
또한, 상기 분할하는 단계는 상기 음향 신호를 기설정된 범위로 중첩하며 분할할 수 있다.
또한, 상기 버스트 후보로 선택하는 단계는 상기 분할신호와 이웃한 상기 분할신호의 에너지를 비교하여 임계치 이상 클 경우 버스트 후보로 선택할 수 있다.
또한, 상기 버스트 신호 검출단계에서 상기 버스트 신호의 시작점을 검출하는 방법은 상기 버스트 후보에 대해 복수의 가중치 윈도우를 생성하고, 상기 가중치 윈도우와 상기 신호를 곱하여 분할 에너지를 계산하는 단계, 상기 분할 에너지의 평균 및 표준편차를 계산하여 에너지 임계치를 계산하는 단계 및 상기 분할 에너지가 상기 에너지 임계치를 초과하는 시점을 상기 버스트 신호의 시작점으로 검출하는 단계를 포함 할 수 있다.
또한, 상기 버스트 신호 검출단계에서 상기 버스트 신호의 끝점을 검출하는 방법은 상기 버스트 후보에 대해 복수의 윈도우를 생성하고 상기 윈도우 별로 교차율을 계산하는 단계, 상기 교차율의 평균 및 표준편차를 계산하여 교차율 임계치를 계산하는 단계 및 상기 윈도우에서 교차율 임계치를 초과하는 시점을 상기 버스트 신호의 끝점으로 검출하는 단계를 포함 할 수 있다.
상기한 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치 및 방법에 따르면 버스트 신호가 발생한 시작점 및 끝점의 위치를 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 버스트 신호가 발생한 시작점 및 끝점의 위치를 정확하게 추출할 수 있어 다양한 설비의 정상/고장과 같은 상태를 효율적으로 모니터링 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치를 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치의 버스트 신호 검출부를 구체화한 블록 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치의 신호분할부를 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치의 후보선택부의 동작을 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치의 분할 에너지 계산부를 예시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치의 시작점 검출부를 예시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치의 신호 교차율 계산부를 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치의 끝점 검출부를 예시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치의 버스트 신호 추출부를 예시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 방법 중 버스트 신호 추출 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
정보통신 용어 상으로 버스트 신호(burst signal)란 어느 신호발생에 있어서 인접한 2개의 발생시간 간격이 미리 지정된 시간간격 이내에 있는 신호를 의미하며, 일반적으로 그림과 같이 어떤 신호를 다중화하기 위하여 일시적으로 클록 레이트를 올려 집중적으로 신호를 보내는 것을 의미하는 것이나, 본 발명의 일 실시예에서 버스트(Burst) 신호는 측정된 신호에서 일반 신호와 파형이 상이한 신호를 의미할 수 있으며, 임펄스 신호(impulse signal)과 유사한 의미를 가지고 있다고 할 수 있으나, 안정되지 않은 모든 신호를 모두 포함한다고 할 수 있다.
이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에서는 측정된 신호에서 버스트 신호를 검출하는 방법에 대한 것으로서, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치를 나타내는 블록 다이어그램이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치는 신호측정부(100), 신호분할부(200), 후보선택부(300), 버스트 신호 검출부(400) 및 버스트 신호 추출부(500)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 설명하고자 하는 신호는 하나 이상의 센서를 이용하여 각종 다양한 설비, 장비 등 기어, 모터 등에 의해 발생되는 신호, 건물의 하중에 의해 발생되는 신호 등 모든 신호를 포함할 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에서는 음향방출 신호에 대하여 대표 실시예로서 설명한다.
신호측정부(100)는 하나 이상의 센서를 이용하여 음향방출 신호, 진동, 음향 신호 등을 측정할 수 있다.
신호를 측정하는 방법으로는 설비, 장비 등에 직접 부착하여 신호를 수집하거나 일정 거리를 두고 떨어져 위치하여 마이크 등의 장치를 이용하여 신호를 수집할 수 있으며, 설비, 장비 등에서 발생하는 신호를 측정할 수 있다면 한정하지 않고 모든 신호를 포함할 수 있다.
신호분할부(200)는 신호측정부(100)에서 측정한 신호를 기설정된 단위로 분할할 수 있다.
신호분할부(200)는 취득한 신호에 대하여 하기의 수학식 1과 같이 N개(단, N은 자연수)의 신호로 분할할 수 있다.
Figure pat00001
도 3을 참조하면, 취득한 신호에 대해 50%의 중첩도로 중첩 분할하여 N개의 영역으로 분할하여 분할신호(C1 내지 CN)를 생성하는 예시를 나타내고 있다.
취득한 신호에 대하여 기 설정된 개수로 분할할 수도 있으나, 검출의 정확성을 향상시키기 위하여 하나의 분할된 신호 길이는 10ms 정도의 시간 단위로 분할하는 것이 좋다.
또한, 신호의 분할은 버스트 신호의 50%의 중첩도로 분할함으로써 동일 영역의 신호가 2회 이상 중첩하여 측정 정확도를 향상시킬 수 있으며, 필요에 따라 중첩도를 변경하여 측정 속도를 향상시킬 수도 있다.
후보선택부(300)는 신호분할부(200)에서 분할된 분할신호(C1 내지 CN) 중 버스트 신호를 포함하고 있는 것으로 예상되는 분할신호를 검출할 수 있다.
구체적으로, 후보선택부(300)는 버스트 신호를 포함하고 있는 것으로 예상되는 분할신호(이하, 버스트 후보)를 검출하기 위하여 하기의 수학식 2를 이용하여 분할신호(C1 내지 CN)의 에너지(E1 내지 EN)를 각각 계산할 수 있다.
Figure pat00002
각각의 에너지(E1 내지 EN)는 계산된 에너지는 이웃한 분할신호의 에너지와 비교하여 이웃한 분할신호의 에너지보다 대상 분할신호의 에너지가 제1 에너지 임계치 이상 클 경우 버스트 후보로 등록할 수 있다.
제1 에너지 임계치는 하기의 수학식 3을 이용하여 계산될 수 있다.
Figure pat00003
상기 수학식 3에서 std(E)는 제1 에너지의 표준편차이다.
도 4는 분할신호 중 C2에 대해 버스트 신호의 검출 여부를 확인하가 위한 동작을 예시하는 도면으로서, 후보선택부(300)는 신호분할부(200)에서 분할된 분할신호(C1 내지 CN) 각각에 대한 에너지(E1 내지 EN)를 계산하고, 그 중 C2에 대하여 버스트 신호를 포함하고 있는지 확인하기 위하여 C1과 C3의 에너지와 비교를 수행할 수 있다. C1, C3의 에너지와 C2의 에너지를 비교한 결과 상기 수학식 3을 이용하여 계산한 제1 에너지 임계치보다 차이가 큰 경우 후보선택부(300)는 C2 내에 버스트 신호가 포함되어 있다고 판단하고 버스트 후보로 선택할 수 있다.
다른 방법으로, 도 3을 참조하면 검정색 박스로 분할된 분할신호(C1, C3, … , CN -2, CN)와 빨간색 박스로 분할된 분할신호(C2, C4, … , CN - 1)의 두 종류의 분할신호로 나눌 수 있다. 이러한 분할 신호에 대해 각각의 이웃한 분할신호의 에너지와 비교하여 버스트 후보를 선택할 수 있다.
예를 들어, C3에 대해 버스트 신호 포함 여부를 판단하기 위해서는 검은색 박스를 기준으로 이웃한 분할영역은 C1과 C5가 될 수 있으며, C3는 이웃한 C1 및 C5와 비교하여 버스트 후보로 판단할 수 있다.
또한, 마찬가지로 C4에 대해 버스트 신호 포함 여부를 판단하기 위해서 빨간색 박스를 기준으로 이웃한 분할영역인 C2 및 C6와의 비교를 통해 버스트 후보 선택 여부를 결정할 수 있다.
그러나, 가장 최초 및 최종 분할영역인 C1과 CN은 일 측에만 분할신호가 포함되어 있어 양측의 분할영역의 에너지와 비교를 수행할 수 없다. 이러한 경우에는 모든 에너지의 평균(제1 에너지 평균값)을 일 측의 이웃한 분할영역의 에너지와 함께 이용하여 버스트 후보 결정에 이용하거나 또는 양측 모두 위치하는 분할영역을 모두 검사한 후 제1 에너지 평균값을 함께 이용하여 버스트 후보 결정에 활용할 수 있다.
또 다른 방법으로는, 모든 분할영역에 대해 상기 제1 에너지 평균값을 이웃한 분할영역과 함께 이용하거나, 제1 에너지 평균값과의 비교만을 통해 빠르게 버스트 후보를 결정할 수도 있다.
버스트 신호 검출부(400)는 가중치 윈도우를 이용하여 분할 에너지를 계산하고, 분할 에너지를 이용하여 버스트 신호 시작점을 검출할 수 있으며, 버스트 후보에 대해 분할된 각 윈도우에 대해 교차율을 계산하여 교차율을 기반으로 버스트 신호 끝점을 검출할 수 있다.
버스트 신호 검출부(400)는 하기의 도 2에 대한 설명에서 구체적으로 설명하도록 한다.
버스트 신호 추출부(500)는 버스트 신호 검출부(400)에서 검출한 버스트 신호의 시작점과 끝점을 기준으로 버스트 신호 영역을 추출할 수 있다.
추출된 버스트 신호는 도면 상에는 표시하지 않았으나, 저장부(미도시)에 버스트 신호가 형성된 시간 정보 및 버스트 신호의 파형 정보 등의 버스트 신호와 관련된 정보를 저장할 수 있으며, 디스플레이(미도시)를 통해 관리자 또는 사용자에게 정보를 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치의 버스트 신호 검출부를 구체화한 블록 다이어그램이다.
버스트 신호 검출부(400)는 버스트 신호 시작점 검출부(410) 및 버스트 신호 끝점 검출부(420)를 포함할 수 있다.
버스트 신호 시작점 검출부(410)는 후보선택부(300)에서 선택된 버스트 후보에 대하여 버스트 신호가 발생한 시작점(시작 시간, 위치)을 검출할 수 있다.
버스트 신호 시작점 검출부(410)는 분할 에너지 계산부(411), 에너지 임계치 계산부(412) 및 시작점 검출부(413)를 포함할 수 있다.
도 5는 분할 에너지 계산부(411)를 예시하는 도면이다.
분할 에너지 계산부(411)는 버스트 후보에 대한 에너지를 계산할 수 있다.
도 5를 참조하여 예를 들면, 분할 에너지 계산부(411)는 버스트 후보인 C4에 대해 가중치 윈도우를 생성할 수 있다.
분할 에너지 계산부(411)는 가중치 윈도우와 가중치 윈도우 내에 포함되어 있는 음향 신호를 곱하여 분할 에너지를 계산할 수 있으며, 가중치 윈도우는 기 설정된 만큼 이동하며 반복적으로 분할 에너지를 계산하며 버스트 후보에 대한 분할 에너지(E4, 1, E4, 2, E4, 3, … , E4, M-1, E4, M)를 계산할 수 있다.
가중치 윈도우의 가중치는 포물선 형태로 형성될 수 있으며, 가중치 값은 경험 또는 실험 등 다양한 방법을 통해 지정될 수 있고, 가중치 윈도우를 이동함에 있어서 일부 중첩되게 이동시킴으로써 검출 정확도를 향상시킬 수 있다.
에너지 임계치 계산부(412)는 버스트 후보에서 시작점을 검출하기 위한 기준값인 제2 에너지 임계치를 계산할 수 있다.
제2 에너지 임계치는 분할신호 중 버스트 후보가 아닌 신호들에 대하여 하기의 수학식 4 내지 6과 같이 제2 에너지 평균 및 제2 에너지 표준편차를 계산하고, 제2 에너지 평균 및 제2 에너지 표준편차를 이용하여 제2 에너지 임계치를 계산할 수 있다.
하기의 수학식 4 내지 6은 도 5에서와 같이 분할신호 중 C4만이 버스트 후보인 경우의 예시이다.
Figure pat00004
상기 수학식 4에서 Emean은 에너지 평균이고, where i≠4는 C4가 버스트 후보이므로 이를 제외한다는 의미이다.
Figure pat00005
상기 수학식 5에서 Estd은 에너지 표준편차이고, where i≠4는 C4가 버스트 후보이므로 이를 제외한다는 의미이다.
Figure pat00006
상기 수학식 6에서 Eth는 에너지 임계치이고, α는 가중치이다.
시작점 검출부(413)는 분할 에너지 계산부(411)의 계산 결과와 에너지 임계치 계산부(412)의 계산 결과를 비교하여 버스트 신호의 시작점을 검출할 수 있다.
구체적으로, 분할 에너지 계산부(411)에서 계산한 분할 에너지(E4, 1, E4, 2, E4, 3, … , E4, M-1, E4, M) 각각에 대해 에너지 임계치 계산부(412)에서 계산한 에너지 임계치를 비교하여 분할 에너지가 임계치를 최초로 초과하는 시점을 계산함으로써 버스트 신호의 시작점을 검출할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치의 시작점 검출부를 예시하는 도면이다.
상기 분할 에너지는 각 분할 에너지와 에너지 임계치를 비교한 결과이며, 에너지 임계치가 기준값을 초과하는 순간이 신호의 버스트 시작점과 일치함을 확인할 수 있다.
버스트 신호 끝점 검출부(420)는 후보선택부(300)에서 선택된 버스트 후보에 대하여 버스트 신호가 종료되는 끝점(종료 시간, 위치)을 검출할 수 있다.
버스트 신호 끝점 검출부(420)는 신호 교차율 계산부(421), 교차율 임계치 계산부(422) 및 끝점 검출부(423)를 포함할 수 있다.
도 7은 신호 교차율 계산부(421)를 예시하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 신호 교차율 계산부(421)는 버스트 후보에 대하여 기 설정된 간격(L)으로 잘라 복수의 윈도우로 분할하고, 분할된 각 윈도우의 교차율을 계산할 수 있다.
교차율이란 신호의 파형이 평균점(0)을 지나는 횟수를 의미할 수 있다.
예를 들면, 도 7의 하단은 상단에 표시된 복수의 윈도우 중 하나를 확대한 것으로, 기 설정된 간격(L)내에서 형성되는 파형에 대해 0을 교하차는 지점(빨간색 원)의 발생 횟수를 의미할 수 있다.
이러한 교차율은 하기의 수학식 7을 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00007
상기 수학식 7에서 R는 교차율이고, L은 윈도우의 길이(시간)이며, sgn(si)는 부호함수이다.
교차율 임계치 계산부(422)는 버스트 후보에서 끝점을 검출하기 위한 기준값인 교차율 임계치를 계산할 수 있다.
교차율 임계치는 복수의 윈도우 중 버스트 후보가 아닌 신호들에 대하여 하기의 수학식 8 내지 10과 같이 교차율 평균 및 표준편차를 계산하고, 교차율 평균 및 표준편차를 이용하여 교차율 임계치를 계산할 수 있다.
하기의 수학식 8 내지 10은 도 5에서와 같이 분할신호 중 C4만이 버스트 후보인 경우의 예시이다.
Figure pat00008
상기 수학식 8에서 Rmean은 교차율 평균이고, where i≠4는 C4가 버스트 후보이므로 이를 제외한다는 의미이다.
Figure pat00009
상기 수학식 9에서 Rstd은 교차율 표준편차이고, where i≠4는 C4가 버스트 후보이므로 이를 제외한다는 의미이다.
Figure pat00010
상기 수학식 10에서 Rth는 교차율 임계치이고, α는 가중치이다.
도 8은 끝점 검출부(433)의 동작 결과를 예시하는 도면으로서, 끝점 검출부(423)는 신호 교차율 계산부(421)의 계산 결과와 교차율 임계치 계산부(422)의 계산 결과를 비교하여 각 윈도우 별 교차율 중 임계치를 초과하는 시점을 버스트 신호의 끝점으로 검출할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 장치의 버스트 신호 추출부(500)를 예시하는 도면이다.
버스트 신호 추출부(500)는 버스트 신호 검출부(400)의 시작점 검출부(413)에서 검출한 버스트 신호의 시작점 및 끝점 검출부(423)에서 검출한 버스트 신호의 끝점 정보를 받아 버스트 신호를 검출할 수 있다.
도 9를 참조하면, 가장 위의 그래프는 시작점 검출부(413)의 시작점 검출 결과이며, 중간의 그래프는 끝점 검출부(423)의 끝점 검출 결과이다. 이를 원래 신호인 버스트 후보와 대비하면 버스트 신호의 시작점 및 끝점을 정확하게 검출하여 버스트 신호 발생 시간, 종료 시간 및 지속 시간을 정확하게 검출할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 신호 추출 방법을 나타내는 순서도이다.
신호측정부(100)에서 하나 이상의 센서를 이용하여 음향방출 신호, 진동, 음향 신호 등을 수집할 수 있다(S100).
측정된 신호는 신호분할부(200)에서 기설정된 단위로 분할하여 N개의 분할신호를 생성할 수 있다(S200).
신호를 분할함에 있어서 버스트 신호의 측정 정확도를 향상시키기 위하여 일부 영역을 중첩하여 분할할 수 있다.
각각의 분할영역에 대하여 각각의 분할영역 에너지를 계산하고, 각 분할영역은 이웃한 양옆의 분할영역과 비교하여 임계치보다 큰 경우 버스트 후보로 검출할 수 있다(S300).
또한, 가장 앞의 분할영역과 가장 마지막 분할영역은 이웃한 분할영역이 하나밖에 없어 양측의 분할영역과 비교가 불가능한데, 이러한 경우에는 분할영역의 평균값을 함께 이용하는 방법을 활용할 수 있다.
각각의 버스트 후보는 버스트 신호 검출부(400)에서 버스트 신호의 시작점과 끝점을 검출할 수 있다(S400).
버스트 신호 추출부(500)는 상기 S400단계에서 검출한 버스트 신호의 시작점과 끝점을 추출하여 버스트 신호의 크기, 지속시간(길이), 발생 횟수 등의 버스트 신호 정보를 저장부(미도시)에 저장하고, 관리자(사용자)에게 디스플레이(미도시)를 통해 버스트 신호 정보를 제공할 수 있다.
도 11은 상기 S400단계인 버스트 신호 추출 단계를 구체화한 순서도이다.
S300단계에서 버스트 후보가 결정되면, 버스트 후보에 대한 분할 에너지를 계산할 수 있다(S410).
분할 에너지는 버스트 후보 영역 내에 가중치 윈도우를 생성하고, 가중치 윈도우와 신호를 곱하여 에너지를 계산한 뒤에 가중치 윈도우를 기설정된 거리만큼 이동시켜 분할 에너지 계산을 반복하여 구할 수 있다.
상기 기설정된 거리는 이전 가중치 윈도우와 일부 영역이 겹치도록 설정할 수 있으며, 관리자 또는 설계자의 필요에 따라 조절할 수 있다.
버스트 후보가 아닌 나머지 분할영역에 대하여 에너지 평균 및 표준편차를 계산하고, 계산된 에너지 평균 및 표준편차를 이용하여 제2 에너지 임계치를 계산할 수 있다(S420).
각각의 분할 에너지와 제2 에너지 임계치를 비교하여 분할 에너지의 값이 제2 에너지 임계치를 초과하는 시점을 버스트 신호 시작점으로 검출할 수 있다(S430).
이후, 버스트 후보에 대해 기설정된 간격(L)을 갖는 복수의 윈도우로 분할하고, 복수의 윈도우 각각에 대해 교차율을 계산할 수 있다(S440).
상기 복수의 윈도우 교차율의 평균 및 표준편차를 구하고, 교차율 평균 및 교차율 표준편차를 이용하여 교차율 임계치를 계산할 수 있다(S450).
상기 교차율 평균 및 교차율 표준편차를 구하는 과정에서 모든 복수의 윈도우를 이용하여 계산할 수도 있으나, 정확한 검출을 위하여 버스트 신호가 포함된 것으로 판단되는 윈도우를 배제한 상태로 계산하는 것이 좋다.
교차율 임계값을 계산하면, 복수의 윈도우의 교차율과 교차율 임계값을 각각 비교하여 임계치를 초과하는 시점을 버스트 신호의 끝점으로 검출할 수 있다(S460).
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은 측정한 음향방출 신호를 분할하고, 후보 버스트(임펄스) 신호를 검출한 뒤에 후보 버스트 신호의 분할 에너지와 에너지 임계치를 비교하여 버스트 신호 시작점을 검출하며, 후보 버스트 신호의 교차율과 교차율 임계치를 비교하여 버스트 신호 끝점을 검출함으로써 버스트 신호가 발생한 시작점 및 끝점을 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 버스트 신호의 시작점과 끝점을 정확하게 검출함으로써 버스트 신호의 지속시간, 발생 위치 등 다양한 정보를 획득함에 따라 설비의 정상/고장과 같은 상태를 효율적으로 모니터링할 수 있다.
상술한 실시 예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.
따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시 예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 신호측정부
200: 신호분할부
300: 후보선택부
400: 버스트 신호 검출부
500: 버스트 신호 추출부

Claims (13)

  1. 음향 신호를 측정하는 신호측정부;
    기설정된 단위로 상기 신호를 복수의 분할신호로 분할하는 신호분할부;
    상기 복수의 분할신호 중 하나 이상을 버스트 후보로 선택하는 후보선택부;
    상기 버스트 후보 내에 포함된 버스트 신호의 시작점과 끝점을 검출하는 버스트 신호 검출부; 및
    상기 시작점과 끝점을 기준으로 버스트 신호를 추출하는 버스트 신호 추출부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스트 신호 추출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호측정부는 각종 설비에 설치된 센서를 이용하여 음향 방출, 진동 음향 신호 중 어느 하나 이상을 측정하는 것을 특징으로 하는 버스트 신호 추출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신호분할부는 상기 음향 신호를 기설정된 범위로 중첩하며 분할하는 것을 특징으로 하는 버스트 신호 추출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 후보선택부는 상기 분할신호와 이웃한 상기 분할신호의 에너지를 비교하여 임계치 이상 클 경우 버스트 후보로 선택하는 것을 특징으로 하는 버스트 신호 추출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 버스트 신호 검출부는,
    상기 버스트 신호의 시작점을 검출하는 버스트 신호 시작점 검출부; 및
    상기 버스트 신호의 끝점을 검출하는 버스트 신호 끝점 검출부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스트 신호 추출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 버스트 신호 시작점 검출부는
    상기 버스트 후보에 대해 복수의 가중치 윈도우를 생성하고, 상기 가중치 윈도우와 상기 신호를 곱하여 분할 에너지를 계산하는 분할 에너지 계산부;
    상기 분할 에너지의 평균 및 표준편차를 계산하여 에너지 임계치를 계산하는 에너지 임계치 계산부; 및
    상기 분할 에너지가 상기 에너지 임계치를 초과하는 시점을 상기 버스트 신호의 시작점으로 검출하는 시작점 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스트 신호 추출 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 버스트 신호 끝점 검출부는
    상기 버스트 후보에 대해 복수의 윈도우를 생성하고 상기 윈도우 별로 교차율을 계산하는 신호 교차율 계산부;
    상기 교차율의 평균 및 표준편차를 계산하여 교차율 임계치를 계산하는 교차율 임계치 계산부; 및
    상기 윈도우에서 교차율 임계치를 초과하는 시점을 상기 버스트 신호의 끝점으로 검출하는 끝점 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스트 신호 추출 장치.
  8. 신호측정부에서 음향 신호를 측정하는 단계;
    신호분할부에서 기설정된 단위로 상기 신호를 복수의 분할신호로 분할하는 단계;
    후보선택부에서 상기 복수의 분할신호 중 하나 이상을 버스트 후보로 선택하는 단계;
    버스트 신호 검출부에서 상기 버스트 후보 내에 포함된 버스트 신호의 시작점과 끝점을 검출하는 버스트 신호 검출 단계; 및
    버스트 신호 추출부에서 상기 시작점과 끝점을 기준으로 버스트 신호를 추출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스트 신호 추출 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 음향 신호는 각종 설비에 설치된 센서를 이용하여 음향 방출, 진동 음향 신호 중 어느 하나 이상을 측정하는 것을 특징으로 하는 버스트 신호 추출 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 분할하는 단계는 상기 음향 신호를 기설정된 범위로 중첩하며 분할하는 것을 특징으로 하는 버스트 신호 추출 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 버스트 후보로 선택하는 단계는 상기 분할신호와 이웃한 상기 분할신호의 에너지를 비교하여 임계치 이상 클 경우 버스트 후보로 선택하는 것을 특징으로 하는 버스트 신호 추출 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 버스트 신호 검출단계에서 상기 버스트 신호의 시작점을 검출하는 방법은
    상기 버스트 후보에 대해 복수의 가중치 윈도우를 생성하고, 상기 가중치 윈도우와 상기 신호를 곱하여 분할 에너지를 계산하는 단계;
    상기 분할 에너지의 평균 및 표준편차를 계산하여 에너지 임계치를 계산하는 단계; 및
    상기 분할 에너지가 상기 에너지 임계치를 초과하는 시점을 상기 버스트 신호의 시작점으로 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스트 신호 추출 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 버스트 신호 검출단계에서 상기 버스트 신호의 끝점을 검출하는 방법은
    상기 버스트 후보에 대해 복수의 윈도우를 생성하고 상기 윈도우 별로 교차율을 계산하는 단계;
    상기 교차율의 평균 및 표준편차를 계산하여 교차율 임계치를 계산하는 단계; 및
    상기 윈도우에서 교차율 임계치를 초과하는 시점을 상기 버스트 신호의 끝점으로 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스트 신호 추출 방법.
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