KR20230167589A - Fault Diagnosis System based on Deep Learning Model for Smart IoT Valve - Google Patents

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KR20230167589A
KR20230167589A KR1020220067614A KR20220067614A KR20230167589A KR 20230167589 A KR20230167589 A KR 20230167589A KR 1020220067614 A KR1020220067614 A KR 1020220067614A KR 20220067614 A KR20220067614 A KR 20220067614A KR 20230167589 A KR20230167589 A KR 20230167589A
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fault diagnosis
deep learning
diagnosis system
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윤성훈
김진영
선준호
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(주)코젠
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Abstract

본 발명은 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 설명하면, DDC(Digital Direct Control)에서 센서를 통해 설비 데이터를 추출한 후, FFT(Fast Fourier Transform) 변환을 통해 시계열 데이터를 주파수 데이터로 변환하고, 신호의 유사도 분석과 그래프 신경망 모델을 사용하여 신호의 고장을 판단하고 유형을 분류하는 것이 가능한 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves. Specifically, equipment data is extracted from DDC (Digital Direct Control) through sensors, and then time series data is converted through FFT (Fast Fourier Transform). This is about a deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves that converts to frequency data and uses signal similarity analysis and a graph neural network model to determine signal failure and classify the type.

Description

스마트 IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템{Fault Diagnosis System based on Deep Learning Model for Smart IoT Valve}Fault Diagnosis System based on Deep Learning Model for Smart IoT Valve}

본 발명은 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 설명하면, DDC(Digital Direct Control)에서 센서를 통해 설비 데이터를 추출한 후, FFT(Fast Fourier Transform) 변환을 통해 시계열 데이터를 주파수 데이터로 변환하고, 신호의 유사도 분석과 그래프 신경망 모델을 사용하여 신호의 고장을 판단하고 유형을 분류하는 것이 가능한 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves. Specifically, equipment data is extracted from DDC (Digital Direct Control) through sensors, and then time series data is converted through FFT (Fast Fourier Transform). This is about a deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves that converts to frequency data and uses signal similarity analysis and a graph neural network model to determine signal failure and classify the type.

최근 IoT(Internet of Things) 분야에 적용 가능한 센서를 통한 고장 진단 시스템은 실시간 모니터링을 통해 설비의 고장 진단하는 기술로써 고장으로 야기될 수 있는 손실을 사전에 방지해 IoT 환경에 중요한 기술로 주목을 받고 있다. Recently, the sensor-based fault diagnosis system applicable to the IoT (Internet of Things) field is a technology that diagnoses equipment faults through real-time monitoring, and is attracting attention as an important technology in the IoT environment by preventing losses that may be caused by faults in advance. there is.

특히 딥러닝 알고리즘이 급격하게 발전하면서 딥러닝 기반 분류 모델들이 고장 진단을 위해 많이 연구되고 있다. In particular, as deep learning algorithms are rapidly developing, deep learning-based classification models are being widely studied for fault diagnosis.

한편, 고장 진단을 위한 딥러닝 모델들은 합성곱 신경망(CNN: Convolutional Neural Network) 구조를 주로 사용하고 있다. Meanwhile, deep learning models for fault diagnosis mainly use the convolutional neural network (CNN) structure.

그러나 이러한 합성곱 신경망 모델은 커널을 사용하여 주변 문맥(context)만을 중요시 하는 특징을 가지기에 유클리디안(Euclidean) 거리적 구조를 가지지 않는 데이터에 적절하지 않을 수 있다. However, this convolutional neural network model uses a kernel and has the characteristic of only focusing on the surrounding context, so it may not be appropriate for data that does not have a Euclidean distance structure.

특히 일반적인 합성곱 신경망 구조는 다변량의 시계열 데이터의 특징이 적절하게 추출하지 못할 수 있다. 그래서 유클리디안 거리를 가지지 않는 구조를 가지는 데이터 환경에 적용 가능한 신경망 구조를 가지는 모델들의 개발이 요구되고 있다.In particular, general convolutional neural network structures may not be able to properly extract features of multivariate time series data. Therefore, there is a need to develop models with a neural network structure that can be applied to a data environment with a structure that does not have a Euclidean distance.

등록특허 제10-2364215호Registered Patent No. 10-2364215

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명은 수집되는 스마트빌딩 설비의 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform)를 기반으로 시계열 데이터를 주파수 축 신호로 변환하고 유사도를 분석하여 행렬 형태의 그래프를 생성하고 그래프 행렬을 기반으로 학습을 진행하여 설비의 고장여부를 판단하고 데이터의 특징 추출을 용이하게 하는 스마트 IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was created to solve the above problems. The present invention converts collected data from smart building equipment into frequency axis signals based on FFT (Fast Fourier Transform) and analyzes the similarity. The purpose is to provide a deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves that generates a graph in the form of a matrix and conducts learning based on the graph matrix to determine whether the equipment is broken and facilitate the extraction of data features.

또한, 본 발명은 그래프 합성곱 신경망(Graph Neural Network) 모델에 변환부와 생성부를 통해 생성된 그래프를 적용하여 전체 문맥의 특징을 고려하고 상호 관계의 정보를 사용함으로써 스마트빌딩 설비의 고장 유형을 추론하는 성능을 개선하는 것이 가능한 스마트 IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention applies the graph generated through the conversion unit and the generation unit to the graph convolutional neural network model to infer the failure type of smart building equipment by considering the characteristics of the entire context and using the information of the interrelationship. The purpose is to provide a deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves that can improve performance.

본 발명의 이러한 목적은, 스마트IoT 밸브의 데이터를 측정하는 측정부; 시계열 데이터를 주파수로 변환하는 변환부; 변환된 데이터를 통해 유사도 분석을 통한 그래프 행렬을 생성하는 생성부; 그래프 행렬을 저장하는 저장부; 저장된 그래프 행렬을 기반으로 그래프 합성곱 신경망 모델의 학습을 진행하는 학습부; 학습된 그래프 합성곱 신경망 모델과 계측된 데이터를 기반으로 설비/기기의 고장 여부를 판단하고 유형을 분류하는 추론부; 를 포함하는 본 발명에 따른 스마트 IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템에 의하여 달성한다.This purpose of the present invention is to include a measuring unit that measures data from a smart IoT valve; A conversion unit that converts time series data into frequency; A generator that generates a graph matrix through similarity analysis using the converted data; A storage unit that stores a graph matrix; A learning unit that trains a graph convolutional neural network model based on the stored graph matrix; An inference unit that determines whether equipment/equipment is broken and classifies the type based on the learned graph convolutional neural network model and measured data; This is achieved by a deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves according to the present invention, which includes.

또한, 상기 측정부는 스마트빌딩 DDC(Direct Digital Control)에서 디지털/아날로그 로 변환되는 신호를 감지하여 설비의 정보를 측정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the measuring unit is characterized by measuring equipment information by detecting signals converted into digital/analog from the smart building DDC (Direct Digital Control).

또한, 상기 변환부는 측정부에서 측정된 시계열 데이터를 주파수 데이터로 변환하는 것을 특징으로 한다.Additionally, the conversion unit converts the time series data measured by the measurement unit into frequency data.

또한, 상기 생성부는 변환된 주파수 데이터들 사이의 유사도를 분석해 그래프 행렬을 생성하는 것을 특징으로 한다. In addition, the generator is characterized in that it generates a graph matrix by analyzing the similarity between the converted frequency data.

또한, 상기 저장부는 생성부에서 구축된 그래프 행렬을 저장하는 것을 특징으로 한다. In addition, the storage unit is characterized by storing the graph matrix constructed in the generation unit.

또한, 상기 학습부는 저장부에서 구축된 그래프 행렬을 기반으로 그래프 합성곱 신경망 모델을 학습하는 것을 특징으로 한다. In addition, the learning unit is characterized in that it learns a graph convolutional neural network model based on the graph matrix constructed in the storage unit.

또한, 상기 추론부는 학습된 그래프 합성곱 신경망 모델과 변환된 주파수 데이터를 사용하여 설비의 고장 여부를 판단하고 유형을 분류하는 것을 특징으로 한다.In addition, the inference unit determines whether the equipment is broken and classifies the type using the learned graph convolutional neural network model and converted frequency data.

본 발명에 따른 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템은, 스마트IoT 밸브의 데이터를 측정하는 측정부; 시계열 데이터를 주파수로 변환하는 변환부; 변환된 데이터를 통해 유사도 분석을 통한 그래프 행렬을 생성하는 생성부; 그래프 행렬을 저장하는 저장부; 저장된 그래프 행렬을 기반으로 그래프 합성곱 신경망 모델의 학습을 진행하는 학습부; 학습된 그래프 합성곱 신경망 모델과 계측된 데이터를 기반으로 설비/기기의 고장 여부를 판단하고 유형을 분류하는 추론부; 를 포함하여, 수집되는 스마트빌딩 설비의 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform)를 기반으로 시계열 데이터를 주파수 축 신호로 변환하고 유사도를 분석하여 행렬 형태의 그래프를 생성하고 그래프 행렬을 기반으로 학습을 진행하여 고장 유형 분류 모델에 그래프 합성곱 신경망을 적용하여 고장 유형의 추론 정확도를 개선시키는 효과가 있으며, 스마트IoT 설비의 고장을 신속하게 진단함으로써 고장의 발생이 현저하게 줄어들게 되어 고장으로 야기될 수 있는 금적 손실을 절감하는 효과가 있다.The deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves according to the present invention includes a measuring unit that measures data of the smart IoT valve; A conversion unit that converts time series data into frequency; A generator that generates a graph matrix through similarity analysis using the converted data; A storage unit that stores a graph matrix; A learning unit that trains a graph convolutional neural network model based on the stored graph matrix; An inference unit that determines whether equipment/equipment is broken and classifies the type based on the learned graph convolutional neural network model and measured data; Including, the data from smart building equipment collected is converted into a frequency axis signal based on FFT (Fast Fourier Transform), the similarity is analyzed, a graph in the form of a matrix is created, and learning is performed based on the graph matrix. Applying a graph convolutional neural network to the failure type classification model has the effect of improving the inference accuracy of failure types, and by quickly diagnosing failures in smart IoT equipment, the occurrence of failures is significantly reduced, reducing financial losses that may be caused by failures. It has the effect of reducing.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템의 학습 알고리즘을 통해 그래프 합성곱 신경망을 학습하고 고장 유형 분류 모델을 생성하여 분류하는 단계에 대한 흐름도이다.
도 3은 GCN(Graph Convolutional Network) 학습 모델의 epoch 수행에 따른 학습 데이터와 검증 데이터의 손실(Loss) 이미지가 도시된 그래프
도 4는 유량과 차압의 상관관계가 도시된 그래프
Figure 1 is a block diagram of a deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flowchart of the steps of learning a graph convolutional neural network through a learning algorithm of a deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves and generating and classifying a fault type classification model according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph showing loss images of training data and verification data according to the epoch performance of the GCN (Graph Convolutional Network) learning model.
Figure 4 is a graph showing the correlation between flow rate and differential pressure

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 후술되어 있는 본 발명에 따른 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템의 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.The above-described purpose, features and advantages will become clearer through a detailed description of the deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves according to the present invention, which is described later with reference to the attached drawings, and accordingly, the technical field to which the present invention belongs. A person skilled in the art will be able to easily implement the technical idea of the present invention.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.Additionally, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of known technologies related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템의 블록 구성도이다.Figure 1 is a block diagram of a deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템(A)은 DDC(Direct Digital Control)(100)과, 그래프 합성곱 신경망 모델 생성 모듈(140)과, 이들을 연결시키는 네트워크(130)를 포함한다.Referring to Figure 1, the deep learning model-based fault diagnosis system (A) for smart IoT valves according to an embodiment of the present invention includes a Direct Digital Control (DDC) 100 and a graph convolutional neural network model generation module 140. and a network 130 connecting them.

상기 DDC(Direct Digital Control)(100)는 측정부(105), 변환부(110), 추론부(115)를 포함한다. The DDC (Direct Digital Control) 100 includes a measurement unit 105, a conversion unit 110, and an inference unit 115.

그리고, 상기 DDC(100)는 통합 센서들을 통해 수신된 설비 신호를 측정하고, 상기 측정된 시간 축 신호를 주파수 축 신호로 변환하고, 상기 변환된 데이터를 통해 생성된 고장 유형 분류 모델을 통해 고장 유형을 분류하고, 분류된 결과를 출력한다.In addition, the DDC 100 measures equipment signals received through integrated sensors, converts the measured time axis signal into a frequency axis signal, and types the failure type through a failure type classification model generated through the converted data. Classifies and outputs the classified results.

상기 그래프 합성곱 신경망 모델 생성 모듈(140)은 생성부(145), 저장부(150), 학습부(155)를 포함한다. The graph convolutional neural network model generation module 140 includes a creation unit 145, a storage unit 150, and a learning unit 155.

그리고, 상기 그래프 합성곱 신경망 모델 생성 모듈(150)은 상기 DDC(100)에서 변환된 시계열 데이터를 사용해 주파수로 변환하고 그래프 행렬을 구축하며 합성곱 신경망(Convolution Neural Network) 학습 기반 그래프 신경망 모델을 통해 고장 유형 분류 모델을 생성하고, 상기 생성된 고장 유형 분류 모델을 학습하고 상기 네트워크(130)를 통해 상기 DDC(100)의 추론부로 전달한다.In addition, the graph convolutional neural network model generation module 150 uses the time series data converted from the DDC 100 to convert it to frequency, builds a graph matrix, and uses a convolution neural network learning-based graph neural network model. A failure type classification model is generated, the generated failure type classification model is learned, and transmitted to the inference unit of the DDC 100 through the network 130.

그럼 이하에서는 상기 DDC((100)과 상기 그래프 합성곱 신경망 모델 생성 모듈(140)의 각 구성들을 상세히 설명하기로 한다.Next, each configuration of the DDC (100) and the graph convolutional neural network model generation module (140) will be described in detail.

상기 DDC((100)의 측정부(105)는 스마트빌딩 내 부착되어 있는 DDC(Direct Digital Control)(100)에 배관/선을 통해 들어오는 신호를 IoT 밸브(105a)를 통하여 측정하고 이와 같이 측정된 신호가 변환부(110)로 전달되고, 상기 변환부(110)는 측정부(105)에서 측정된 시간 축 신호를 주파수 축 신호로 변환하고, 이와 같이 변환된 신호들이 그래프 합성곱 신경망 모델 생성 모듈(140)의 생성부(145)로 전달되게 되는 것이다.The measuring unit 105 of the DDC (100) measures the signal coming through the pipe/line to the DDC (Direct Digital Control) (100) attached in the smart building through the IoT valve (105a) and measures the signal thus measured. The signal is transmitted to the conversion unit 110, and the conversion unit 110 converts the time axis signal measured in the measurement unit 105 into a frequency axis signal, and the converted signals are converted into a graph convolutional neural network model generation module. It is transmitted to the generating unit 145 of (140).

상기 IoT 밸브(105a)의 데이터는 유량, 압력, 온도에 대한 데이터 항목으로 설정되어 측정된 것으로, 각 운영 범위를 벗어나는 값(데이터)을 고장으로 설정하여 추론부(115)를 통하여 통지하게 되는 것이다.The data of the IoT valve 105a is set and measured as data items for flow rate, pressure, and temperature, and values (data) outside each operating range are set as failures and notified through the inference unit 115. .

상기 생성부(145)는 네트워크(130)을 통해 변환부(110)에서 얻은 신호들을 사용해 그래프 행렬을 생성하고 이를 저장부(150)로 전달하고, 상기 저장부(150)는 생성부(145)에서 생성된 그래프들을 저장시키게 된다.The generation unit 145 generates a graph matrix using signals obtained from the conversion unit 110 through the network 130 and transmits it to the storage unit 150, and the storage unit 150 generates the graph matrix 145. The graphs created are saved.

상기 학습부(155)는, 필요시에, 저장부(150)내에 저장된 저장부(150)의 그래프 합성곱 신경망 모델에 데이터들을 불러내어 사용하여 고장 유형 분류 모델을 학습하게 된다. 이와 같이 하여 학습된 고장 유형 분류 모델들은 네트워크(130)를 통하여 다시 상기 DDC((100)의 추론부(160)로 전달되게 되는 것이다.When necessary, the learning unit 155 learns a failure type classification model by loading and using data in the graph convolutional neural network model of the storage unit 150 stored in the storage unit 150. The failure type classification models learned in this way are transmitted back to the inference unit 160 of the DDC (100) through the network 130.

상기 추론부(160)는 네트워크(130)를 통해 고장 유형 분류 모델을 전달 받은 후, 상기 변환부(110)으로부터 정상적인 신호가 아닌 범위에서 벗어나게 되는 이상신호가 입력되면, 입력된 상기 이상신호를 학습한 상기 고장 유형 분류 모델을 이용하여 설비의 고장 유형 분류 결과를 출력하게 되는 것이다. After receiving the failure type classification model through the network 130, the inference unit 160 learns the input abnormal signal when an abnormal signal that falls outside the range of the normal signal is input from the conversion unit 110. The failure type classification result of the equipment is output using the failure type classification model.

그리고, 상기 변환부(110)은 주파수 변환(Fourier Transform)을 이용하여 시간 축 신호를 주파수 축 신호로 변환할 수 있다. Additionally, the converter 110 can convert a time axis signal into a frequency axis signal using a frequency transform (Fourier Transform).

이때, 푸리에 변환은 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리즘으로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니나, 이하에서, 주파수 변환 알고리즘은 FFT 알고리즘으로 명명한다.At this time, the Fourier transform may be implemented with a Fast Fourier Transform (FFT) algorithm, and is not necessarily limited thereto, but hereinafter, the frequency transform algorithm is referred to as the FFT algorithm.

FFT 알고리즘은, 아래의 수학식 1을 사용한다.The FFT algorithm uses equation 1 below.

여기서, fi 는 수학식 1에 따라 결정되는 값(수치)이고, k는 0 ~ n-1까지 가정되는 정수이고, x는 이산적인 수이며 복소수라고 가정하고, n은 데이터의 개수, 이며 시계열 데이터는 특정 길이로 x에 들어가 O(nlogn)의 복잡도로 주파수 축의 신호로 계산될 수 있고, 이고, 2πf 는 주파수이다. Here, f i is a value (numerical value) determined according to Equation 1, k is an integer assumed from 0 to n-1, x is a discrete number and is assumed to be a complex number, n is the number of data, Time series data can be entered into x with a certain length and calculated as a signal on the frequency axis with a complexity of O(nlogn), and 2πf is the frequency.

그리고,본 발명의 일 실시예에 따른 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템(A)의 그래프 합성곱 신경망 모델 생성 모듈(140)의 생성부(145)는 전달받은 데이터를 사용하여 이웃 행렬(Adjacency Matrix)과 노드 특징 행렬(Node Feature Matrix)을 구축하고, 구축된 그래프를 저장부(150)로 전달한다. And, the generator 145 of the graph convolutional neural network model generation module 140 of the deep learning model-based fault diagnosis system (A) for smart IoT valves according to an embodiment of the present invention uses the received data to create a neighbor matrix. An Adjacency Matrix and a Node Feature Matrix are constructed, and the constructed graph is delivered to the storage unit 150.

이때 상기 노드 특징 행렬은 주파수 축 데이터를 행렬의 노드로써 이용해 구축하고 이웃 행렬을 구축하기 위해 아래의 수학식 2를 사용한다.At this time, the node feature matrix is constructed using frequency axis data as a node of the matrix, and Equation 2 below is used to construct a neighborhood matrix.

여기서 는 인접 행렬을 의미하고 는 각각 그래프의 노드로 표현되는 신호를 뜻한다. 상기의 수학식 2를 통해 노드 간의 거리를 구하여 유사도를 구하고 모든 노드 간의 유사도를 구하여 노드 간의 인접 행렬을 구할 수 있다.here means the adjacency matrix and Each refers to a signal expressed as a node in a graph. Through Equation 2 above, the distance between nodes can be obtained to obtain similarity, and the similarity between all nodes can be obtained to obtain an adjacency matrix between nodes.

GCN(Graph Convolutional Network) 학습 모델의 성능 검증을 위해 수학식 3에 의하여 정확도(accuracy)를 확인할 수 있다.To verify the performance of the Graph Convolutional Network (GCN) learning model, the accuracy can be checked using Equation 3.

TP(True Positive): 정답이라 예측할 때 실제 값이 정답인 경우TP (True Positive): When predicted to be the correct answer, the actual value is the correct answer.

TN(True Negatives): 오답이라 예측할 때 실제 값이 오답인 경우TN (True Negatives): When the actual value is incorrect when predicted to be incorrect.

FP(False Positives): 정답이라 예측하였을 때 실제 값이 오답인 경우FP (False Positives): When the correct answer is predicted to be correct, the actual value is incorrect.

FN(False Negatives): 오답이라 예측하였을 때 실제 값이 정답인 경우FN (False Negatives): When the actual value is the correct answer when predicted to be incorrect

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 학습 알고리즘을 통해 그래프 합성곱 신경망을 학습하고 고장 유형 분류 모델을 생성하여 분류하는 단계에 대한 흐름도이다.Figure 2 is a flowchart of the steps of learning a graph convolutional neural network and generating and classifying a failure type classification model through a learning algorithm according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, DDC(100)의 측정부(105)는 설비/기기의 신호를 획득할 수 있고(S105), 변환부(110)는 시간 축 신호를 주파수 축 신호를 변환할 수 있고(S110), 생성부(145)는 변환된 신호를 기반으로 그래프를 생성할 수 있고(S145), 학습부(155)는 그래프 합성곱 신경망을 통해 고장 유형 분류 모델을 학습할 수 있고(S155), 추론부(115)는 학습된 모델을 이용하여 고장 유형을 분류할 수 있고(115), 고장발생 시 유형을 출력한다(S116).Referring to FIG. 2, the measurement unit 105 of the DDC 100 can acquire the signal of the facility/device (S105), and the conversion unit 110 can convert the time axis signal into a frequency axis signal ( S110), the generation unit 145 may generate a graph based on the converted signal (S145), and the learning unit 155 may learn a failure type classification model through a graph convolutional neural network (S155). The inference unit 115 can classify the failure type using the learned model (115) and outputs the type when a failure occurs (S116).

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템의 작동을 이하에 상세하게 설명한다.The operation of the deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves according to an embodiment of the present invention having such a configuration will be described in detail below.

(데이터수집)(data collection)

상기 DDC(100)의 측정부(105)에 설치된 IoT 밸브(105a) 내 유량 계측하여 유량시험장치 내 기준 순간 유량 값을 측정하였다. DDC(100)의 제어장치(도시되지 않음)를 통하여 IoT 밸브(105a)의 100% 개도 명령을 실행하고 유량시험장치 내 기준 순간 유량 값 측정 하였다.The flow rate within the IoT valve (105a) installed in the measuring unit 105 of the DDC (100) was measured to measure the reference instantaneous flow rate value within the flow test device. A 100% opening command for the IoT valve (105a) was executed through the control device (not shown) of the DDC (100) and the standard instantaneous flow rate value was measured in the flow test device.

상기 DDC(100)의 측정부(105)에 설치된 IoT 밸브(105a) 내 압력 계측하여 이를 측정하였다. 상기 DDC(100)와 연계된 IoT 밸브(105a) 내 압력을 계측하여 상기 IoT 밸브(105a)에 연결되어 있는 표시부로 압력 값을 송부하여 이를 측정하였다. This was measured by measuring the pressure within the IoT valve (105a) installed in the measuring unit 105 of the DDC (100). The pressure within the IoT valve (105a) connected to the DDC (100) was measured and the pressure value was transmitted to the display unit connected to the IoT valve (105a) and measured.

상기 DDC(100)의 측정부(105)에 설치된 IoT 밸브(105a) 내 온도를 계측하여 측정하였다. 상기 DDC(100)와 연계된 IoT 밸브(105a) 내 온도 모니터링과 관련된 Chamber내의 온도 값을 모니터링하여 이를 측정하였다. The temperature inside the IoT valve (105a) installed in the measuring unit 105 of the DDC (100) was measured and measured. This was measured by monitoring the temperature value in the chamber related to temperature monitoring in the IoT valve (105a) linked to the DDC (100).

이와 같이 상기 DDC(100)의 측정부(105)에 설치된 IoT 밸브(105a)의 데이터는 유량, 압력, 온도에 대한 데이터 항목으로 설정하여 실시하였다.In this way, the data of the IoT valve 105a installed in the measuring unit 105 of the DDC 100 was set to data items for flow rate, pressure, and temperature.

실시예에서 측정된 상기 IoT 밸브(105a)는 직경 15mm 이고, 유량은 25 l/min 이고,압력이 25 kPa 이고 밸브 표면 온도는 20℃ 이었다.The IoT valve 105a measured in the example had a diameter of 15 mm, a flow rate of 25 l/min, a pressure of 25 kPa, and a valve surface temperature of 20°C.

(데이터설정)(data settings)

상기 IoT 밸브 고장과 유사한 상황에 적용할 수 있는 실험을 진행하기 위해 공공 데이터셋인 CWRU(Case Western Reserve University)를 기반으로 시뮬레이션을 시행하였다. To conduct an experiment applicable to situations similar to the IoT valve failure above, a simulation was conducted based on CWRU (Case Western Reserve University), a public dataset.

이 때, CWRU 데이터셋을 7:2:1의 비율로 훈련, 검증, 테스트 데이터셋으로 나누어 사용하였다. CWRU 데이터셋으로부터 얻은 센서 데이터 시퀀스의 전처리를 위해 Python 라이브러리인 Pandas와 Numpy를 통해 전처리를 진행하였다. 이 과정을 통해 얻어진 CWRU 시퀀스들은 각 2048의 길이를 가지게 되며 2개의 채널로 이루어져 있다. At this time, the CWRU dataset was divided into training, validation, and test datasets at a ratio of 7:2:1. To preprocess the sensor data sequence obtained from the CWRU dataset, preprocessing was performed using the Python libraries Pandas and Numpy. The CWRU sequences obtained through this process each have a length of 2048 and consist of two channels.

고장을 검출하기 위한 학습용 시계열 데이터는 노이즈로 인해 많은 변동성을 지니고 있다. 데이터의 변동성을 완화함으로써 학습 효율을 높이기 위해 데이터를 주파수 축으로 변환되고, 이러한 주파수 축으로의 변환은 DDC(100)의 변환부(110)에서 수행된다. Time series data for learning to detect failures have a lot of variability due to noise. In order to increase learning efficiency by alleviating data variability, the data is converted to the frequency axis, and this conversion to the frequency axis is performed in the conversion unit 110 of the DDC 100.

주파수 축 전환을 위한 기법으로는 FFT(Fast Fourier Transform)을 사용한다. 엔지니어링을 위해 사용되는 Python 라이브러리 인 Scipy의 fft을 사용하여 시계열 시퀀스를 푸리에 변환을 적용함으로써 주파수 축 신호를 얻는다. FFT를 사용함으로써 얻어진 주파수 데이터는 음의 주파수 측을 제거함으로써 기존 시퀀스의 절반이 된다. 따라서 시퀀스들은 기존 길이인 2048의 절반인 1024의 길이를 가지게 되지만 채널의 개수는 유지된다. FFT (Fast Fourier Transform) is used as a technique for frequency axis conversion. The frequency axis signal is obtained by applying Fourier transform to the time series sequence using fft from Scipy, a Python library used for engineering. By using FFT, the obtained frequency data becomes half of the original sequence by removing the negative frequency side. Therefore, the sequences have a length of 1024, which is half of the existing length of 2048, but the number of channels is maintained.

데이터 고장 유형을 분석하기 위해서 데이터 사이의 유사성 정도를 분석한다. 데이터 간의 유사도를 분석하기 위해 Python 라이브러리인 Scipy의 spatial에서 거리 분석 방법을 사용한다. 데이터 간의 유클리드 거리를 분석하고 유사도 정도에 따라 추가적인 가중치를 주어 이웃 행렬을 가중치 행렬로 변환한다. To analyze data failure types, the degree of similarity between data is analyzed. To analyze the similarity between data, we use the distance analysis method in spatial of Scipy, a Python library. The Euclidean distance between data is analyzed and additional weights are given according to the degree of similarity to convert the neighbor matrix into a weight matrix.

이러한 이웃 행렬을 가중치 행렬로 변환하는 기능은 상기 그래프 합성곱 신경망 모델 생성 모듈(140)은 생성부(145)에서 수행된다.The function of converting this neighborhood matrix into a weight matrix is performed in the generation unit 145 of the graph convolutional neural network model generation module 140.

(인공신경망 구조)(Artificial neural network structure)

상기 저장부(150)는 생성부(145)에서 구축된 그래프 행렬을 저장하고, 상기 학습부(155)는 저장부(150)에서 구축된 그래프 행렬을 기반으로 그래프 합성곱 신경망 모델을 학습하며, 상기 학습부(155)는, 필요시에, 저장부(150)내에 저장된 저장부(150)의 그래프 합성곱 신경망 모델에 데이터들을 불러내어 사용하여 고장 유형 분류 모델을 학습하게 된다. 이와 같이 하여 학습된 고장 유형 분류 모델들은 네트워크(130)를 통하여 다시 상기 DDC((100)의 추론부(160)로 전달되게 되는 것이다.The storage unit 150 stores the graph matrix constructed in the generation unit 145, and the learning unit 155 learns a graph convolutional neural network model based on the graph matrix constructed in the storage unit 150, When necessary, the learning unit 155 learns a failure type classification model by loading and using data in the graph convolutional neural network model of the storage unit 150 stored in the storage unit 150. The failure type classification models learned in this way are transmitted back to the inference unit 160 of the DDC (100) through the network 130.

상기 학습부(155)에서 실행되는 인공신경망 구조는 그래프의 특징 행렬과 이웃 구조 간의 행렬을 사용하여 합성곱을 구하기 위해 오픈소스 딥러닝 프레임워크인 tensorflow를 사용한 graph 모듈인 Specktral을 활용하여 GCN(Graph Convolutional Network)를 구축하였다. 각 층의 출력은 가중치가 계산된 특징 그래프와 이웃 그래프의 집합이 나오게 된다. 해당 가중치 계산 과정은 합성곱 계산 과정과 유사하며, 해당 계산 과정을 진행함으로써 이웃 간의 정보를 계산할 수 있다. 최종 출력 이전에 permutation에 invariance 하도록 전역 연결 계층을 추가함으로써 Readout layer의 역할 수행이 가능하다. 최종 출력으로는 노드가 각 클래스의 속할 확률을 출력한다. The artificial neural network structure executed in the learning unit 155 uses Specktral, a graph module using tensorflow, an open source deep learning framework, to obtain a convolution using a matrix between the feature matrix of the graph and the neighboring structure, and uses GCN (Graph Convolutional Network). Network) was built. The output of each layer is a set of feature graphs and neighbor graphs with calculated weights. The weight calculation process is similar to the convolution calculation process, and by proceeding with the calculation process, information between neighbors can be calculated. It is possible to perform the role of a readout layer by adding a global connection layer to ensure invariance in permutation before final output. The final output is the probability that the node belongs to each class.

(인공신경망 학습)(Artificial neural network learning)

상기 학습부(155)에서 학습되는 GCN 모델의 학습은 400 epoch 동안 수행되었다. 적절한 gradient의 수렴을 위해 batch 크기는 64로 설정하였으며 대중적으로 주로 사용되는 Adam optimizer을 적용하였다. 학습 비율(learning rate)은 1e-3로 설정하였으며 이외의 파라미터는 tensorflow에서 제공하는 초기설정을 사용하였다. 학습은 CPU 기반으로 진행하였으며 학습을 진행하였던 PC의 CPU 사양은 i5-8400이다. Learning of the GCN model learned in the learning unit 155 was performed for 400 epochs. For appropriate gradient convergence, the batch size was set to 64 and the popular Adam optimizer was applied. The learning rate was set to 1e-3, and other parameters used the initial settings provided by tensorflow. Learning was conducted based on CPU, and the CPU specifications of the PC where learning was conducted were i5-8400.

(학습 모델 성능 검증)(Learning model performance verification)

GCN 학습 모델의 성능 검증을 위해 정확도(accuracy)를 사용하며 이는 위에 제시된 수학식 3과 같다. GCN 학습 모델 정확도의 결과는 총 5번의 test를 통해 확인하였으며 이 결과는 표 1에 표기되어있다. epoch에 따른 학습 데이터와 검증 데이터의 loss 이미지는 도 3에 나타나 있으며, epoch에 따른 학습 회수가 증가되면서 loss의 수치가 거의 O 에 수렴하게 되는 것을 알 수 있어 이미지를 통해 GCN 학습 모델이 적절하게 학습되고 있음을 확인할 수 있다.Accuracy is used to verify the performance of the GCN learning model, which is as shown in Equation 3 above. The results of the GCN learning model accuracy were confirmed through a total of 5 tests, and the results are shown in Table 1. The loss image of the training data and verification data according to the epoch is shown in Figure 3. It can be seen that as the number of learning times according to the epoch increases, the loss value almost converges to O, so the GCN learning model is properly learned through the image. You can confirm that this is happening.

Test 1Test 1 Test 2Test 2 Test 3Test 3 Test 4Test 4 Test 5Test 5 평균average 정확도(%)accuracy(%) 99.899.8 100100 99.599.5 98.998.9 99.799.7 99.5899.58

본 실시예에서 사용되는 유량의 설정범위는 하기의 <표 2>에 표기되어 있다.The setting range of the flow rate used in this example is shown in <Table 2> below.

하기 <표 2>에 표기된 Cv 값은 밸브 선정시 사용되는 유량값을 의미한다.The Cv value indicated in <Table 2> below refers to the flow rate value used when selecting the valve.

본 발명에서, 압력 계측 범위는 0 ~ 1.0 MPa*3 이고, 온도 계측 범위는 0 ~ 80℃ 이다.In the present invention, the pressure measurement range is 0 to 1.0 MPa *3 and the temperature measurement range is 0 to 80°C.

상기 IoT 밸브(105a)의 온도측정은 상기 IoT 밸브(105a)의 표면온도를 측정하였으며, 계측 범위는 0 ~ 80℃ 이고, 온도차에 대한 정밀도는 계측온도에서 주위온도를 뺀 온도차는 -25 ~ + 40℃ 에서 ±1.0℃*5 이다.The temperature of the IoT valve (105a) was measured by measuring the surface temperature of the IoT valve (105a). The measurement range is 0 to 80°C, and the precision of the temperature difference is -25 to +. It is ±1.0℃ *5 at 40℃.

본 발명에서 적용하는 열량 계산은 다음 <표 3> 과 같다.Calorie calculations applied in the present invention are shown in <Table 3> below.

이상과 같이, 본 발명에 따른 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템은, 수집되는 스마트빌딩 설비의 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform)를 기반으로 시계열 데이터를 주파수 축 신호로 변환하고 유사도를 분석하여 행렬 형태의 그래프를 생성하고 그래프 행렬을 기반으로 학습을 진행하여 고장 유형 분류 모델에 그래프 합성곱 신경망을 적용하여 고장 유형의 추론 정확도를 개선시키는 효과가 있으며, 스마트IoT 설비의 고장을 신속하게 진단함으로써 고장의 발생이 현저하게 줄어들게 되어 고장으로 야기될 수 있는 금적 손실을 절감하게 되는 것이다.As described above, the deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves according to the present invention converts the collected data of smart building equipment into a frequency axis signal based on FFT (Fast Fourier Transform) and analyzes the similarity. By creating a graph in the form of a matrix and learning based on the graph matrix, the graph convolutional neural network is applied to the failure type classification model, which has the effect of improving the inference accuracy of the failure type and quickly diagnosing failures in smart IoT equipment. By doing so, the occurrence of breakdowns is significantly reduced, thereby reducing financial losses that may be caused by breakdowns.

본 발명에 따른 스마트 IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템은 일반적인 스마트 IoT 밸브를 제조하는 산업분야에서 동일한 제품을 반복적으로 제조하는 것이 가능하다고 할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이라고 할 것이다.The deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves according to the present invention can be said to be an invention with industrial applicability because it can be said that it is possible to repeatedly manufacture the same product in the industrial field that manufactures general smart IoT valves.

100 : DDC(Direct Digital Control)
105 : 측정부
110 : 변환부
115 : 추론부
130 : 네트워크
140 : 그래프 합성곱 신경망 모델 생성 모듈
145 : 생성부
150 : 저장부
155 : 학습부
100: DDC (Direct Digital Control)
105: measuring unit
110: conversion unit
115: reasoning unit
130: network
140: Graph convolutional neural network model generation module
145: Generation unit
150: storage unit
155: Learning Department

Claims (7)

스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템에 있어서,
설비 상태를 측정하는 측정부;
측정된 신호를 시간축 데이터에서 주파수 데이터로 변환시키는 변환부;
변환된 데이터를 사용하여 그래프 행렬을 생성하는 생성부;
구축된 그래프 행렬을 저장하는 저장부;
그래프 행렬을 사용하여 고장 분류 모델을 학습시키는 학습부;
헉숩된 모델로 설비의 고장 상태를 추론하는 추론부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템
In a deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves,
A measuring unit that measures the equipment status;
A conversion unit that converts the measured signal from time data to frequency data;
A generation unit that generates a graph matrix using the converted data;
A storage unit that stores the constructed graph matrix;
A learning unit that trains a failure classification model using a graph matrix;
an inference unit that infers the failure state of equipment using the gasped model;
Deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves, comprising:
제 1항에 있어서,
상기 측정부는,
DDC를 통해 연결된 스마트IoT 밸브의 신호를 감지하여 측정하는 것을 특징으로 하는 스마트 IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템
According to clause 1,
The measuring unit,
A deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves, characterized by detecting and measuring signals from smart IoT valves connected through DDC.
제 1항에 있어서,
상기 변환부는,
측정된 설비의 시간 축 신호를 주파수 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 스마트 IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템
According to clause 1,
The conversion unit,
A deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves, characterized by converting the time axis signal of the measured equipment into a frequency signal.
제 1항에 있어서,
상기 생성부는,
변환된 주파수 신호를 유사도 분석하여 그래프 행렬을 생성하는 것을 특징으로 하는 스마트 IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템
According to clause 1,
The generating unit,
A deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves that generates a graph matrix by analyzing the similarity of the converted frequency signal.
제 1항에 있어서,
상기 저장부는,
구축된 그래프 행렬 데이터를 저장하는 것을 특징으로 하는 스마트 IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템
According to clause 1,
The storage unit,
Deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves, characterized by storing constructed graph matrix data
제 1항에 있어서,
상기 학습부는,
저장된 그래프 행렬 데이터를 사용하여 그래프 합성곱 신경망 모델을 학습시키는 것을 특징으로 하는 스마트 IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템
According to clause 1,
The learning department,
A deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves, characterized by learning a graph convolutional neural network model using stored graph matrix data.
제 1항에 있어서,
상기 추론부는,
학습된 그래프 합성곱 신경망 모델의 입력으로 측정되는 설비 데이터를 통해 기기의 고장을 판단 및 분류하는 것을 특징으로 하는 스마트 IoT 밸브용 딥러닝 모델 기반 고장 진단 시스템
According to clause 1,
The inference unit,
A deep learning model-based fault diagnosis system for smart IoT valves, characterized by determining and classifying device failures through facility data measured as input to a learned graph convolutional neural network model.
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