KR20240011355A

KR20240011355A - 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치

Info

Publication number: KR20240011355A
Application number: KR1020220088703A
Authority: KR
Inventors: 김대상; 최석환; 권현선; 류현준; 신석호; 방근대; 신필용
Original assignee: 한국남동발전 주식회사; 주식회사 디엔에스코리아
Priority date: 2022-07-19
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2024-01-26

Abstract

본 발명은 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치에 관한 것으로, 분진이 많은 물체를 컨베이어 벨트를 이용하여 원거리로 이동시키고자 하는 경우, 상기 컨베이어 벨트를 움직이는 수많은 아이들러 중 특정 비정상적인 아이들러를 원격에서 비접촉식으로 감지할 수 있는 센서 장치에 관한 것이다.

Description

컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치{CONTACTLESS SENSOR DEVICE FOR FAULT DIAGNOSIS OF IDLERS IN CONVEYOR BELT}

석탄, 골재, 시멘트 등과 같이 분진이 많고 무거운 물체를 현장에서 장거리 이송하기 위해서 컨베이어 벨트가 주로 사용된다.

컨베이어 벨트를 동작시키기 위해서는 모터에 의해 컨베이어 벨트가 회전하도록 복수의 아이들러가 구비되는데, 그 중 일부가 고장이 나더라도 뚜렷한 성능 감소가 없어 고장에 따른 비정상적인 아이들러를 감지하는 것이 매우 어렵다. 즉, 작업자가 모든 아이들러에 대해서 일일이 점검하는 것은 매우 비효율적이다.

비정상적인 아이들러를 장시간 방치하면 컨베이어 벨트에서 마찰이 발생될 수 있으며 상기 마찰로 인해 화재를 포함한 사고가 발생하거나 비정상적인 아이들러의 고장여부를 점검하다가 인명사고가 발생될 수 있는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 컨베이어 벨트의 주변에 열화상 카메라, CCTV 카메라와 이미지 센서를 설치하여 컨베이어 벨트의 동작을 감시하는 기술이 있으나, 이미지 센서를 이용하는 경우, 화재의 발생 등과 같이 사고 이후의 상황을 감시하는 정도로만 이용되고 있다.

즉, 종래의 이미지 센서를 이용하여 컨베이어 벨트의 동작을 감시하는 기술은 사고 발생 후의 상황을 감지하기 위한 것일 뿐, 아이들러의 기계적인 고장을 미리 감지하지 못하는 한계가 있다.

따라서 비정상적인 아이들러를 감지하기 위해서 직관적으로 각 아이들러에 센서를 설치하는 방법을 고려해볼 수 있다.

그러나 특정 물체를 장거리 이송하기 위한 컨베이어 벨트는 그 길이가 매우 길기 때문에 컨베이어 벨트에 구성되는 수많은 아이들러에 센서를 각각 설치하는 경우 엄청난 비용이 소요될 수밖에 없다.

또한 컨베이어 벨트를 사용하는 환경이 분진으로 점철되어 있어, 각 아이들러에 대해 고장유무를 감지하기 위해서, 각 아이들러에 센서를 직접적으로 설치하는 것이 어려울 뿐만 아니라, 설치한 각 센서를 유지보수하려면 접근이 어렵고 위험하여 인명사고 등과 같은 다양한 2차 사고를 유발할 수 있는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는 컨베이어 벨트와 일정 거리 떨어진 곳에 비정상적인 아이들러의 발생을 감지하기 위한 센서 장치를 간헐적으로 설치하여, 상기 센서 장치를 통해 전체적인 컨베이어 벨트에서, 복수의 아이들러에 대한 고장 여부를 동시에 비접촉식으로 감지할 수 있도록 함으로써 적은 비용으로도 매우 효율적으로 비정상적인 아이들러의 발생을 감지할 수 있도록 하는 방안을 제안하고자 한다.

또한 본 발명은 복수의 마이크로폰으로부터 수신한 컨베이어 벨트의 음향신호로부터 고장으로 인한 비정상적인 아이들러에 의해 생성되는 비정상 음향신호를 감지하여, 상기 비정상 음향신호가 발생한 위치를 추정함으로써 비정상적인 아이들러에 대한 위치를 감지하는 방안을 제안하고자 한다.

즉, 본 발명은 두개 이상의 마이크로폰을 통해 수신되는 컨베이어 벨트가 움직이는 전체적인 음향신호 중 비정상적인 아이들러에 의한 비정상 음향신호의 음원 위치를 추정함으로써 비정상적인 아이들러의 위치를 감지하는 것이다.

다음으로 본 발명의 기술분야에 존재하는 선행기술에 대하여 간단하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행기술에 비해서 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해서 기술하고자 한다.

먼저 한국등록특허 제2339397호(2021.12.09.)는 홀센서를 이용한 아이들러 회전감지장치에 관한 것으로, 컨베이어 시스템에 적용되는 아이들러 각각에 복수의 자석과 홀센서를 구비하여, 홀센서에서 감지된 자기장 세기의 변화와 극성의 변화 중 적어도 하나를 사용하여 각 아이들러의 회전 상태를 판별하는 홀센서를 이용한 아이들러 회전감지장치에 관한 것이다.

즉, 한국등록특허 제2339397호(2021.12.09.)는 컨베이어 벨트에 구성되는 복수의 아이들러 각각에 홀센서를 구비하도록 구성하여, 각 홀센서를 통해 각 아이들러의 회전 상태를 감지하는 것으로, 컨베이어 벨트가 매우 길게 형성되는 경우에는 많은 비용이 소모될 수 있는 문제점이 있다.

그러나 본 발명은 컨베이어 벨트의 상부에 비정상적인 아이들러의 발생을 감지하기 위한 센서 장치를 간헐적으로 설치하여, 음향신호를 통해 복수의 아이들러에 대한 고장 여부를 동시에 감지하도록 구성되는 것으로, 한국등록특허 제2339397호는 이러한 본 발명의 기술적 특징을 전혀 기재하거나 시사 혹은 그 어떠한 암시도 없다.

또한 한국등록특허 제1597337호(2016.02.18.)는 고장 진단이 가능한 컨베이어 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것으로, 컨베이어에 설치되는 다수의 캐리어 롤러의 양측에 캐리어 롤러의 회전수와 각 케리어 롤러의 양측에 설치된 베어링의 온도를 감지하여, 상기 캐리어 롤러의 고장 발생 상태를 진단하는 고장 진단이 가능한 컨베이어 시스템에 관한 것이다.

즉, 한국등록특허 제1597337호(2016.02.18.)는 복수의 캐리어 롤러(즉, 아이들러)마다 회전수와 온도를 감지하기 위한 감지부를 각각 구성하여 각 캐리어 롤러에 대해서 감지한 회전수와 온도에 따라 고장 발생 여부를 진단하는 것일 뿐, 본 발명에서 제안하고 있는 컨베이어 벨트와 이격하여 간헐적으로 설치되는 센서 장치를 통해 음향신호를 이용하여 비정상적인 아이들러의 위치를 추정함으로써 비정상적인 아이들러를 감지하는 것과 그 기술적 구성이나 효과에 있어서 현저한 차이점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 컨베이어 벨트가 움직이는 전체적인 음향신호(컨베이어 벨트의 음향신호)를 두개 이상의 마이크로폰을 통해 각각 수신하고, 상기 수신한 컨베이어 벨트의 각 음향신호를 이용하여 상기 컨베이어 벨트에 구비되는 복수의 아이들러에서 비정상적인 아이들러의 발생을 동시에 비접촉식으로 감지하고, 상기 비정상적인 아이들러의 위치를 추정하는 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 각 마이크로폰으로부터 수신한 컨베이어벨트의 음향신호로부터 사전에 설정한 주파수 범위(즉, 비정상적인 아이들러에 따른 음향신호의 주파수 범위)의 비정상 음향신호를 각각 분리하고, 상기 비정상 음향신호에 대한 음향 인텐시티 벡터를 계산하여 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정함으로써 비정상적인 아이들러의 위치를 추정하는 센서 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 동일한 비정상 음향신호가 각 마이크로폰에 수신되는 시간 차이를 이용하여, 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정함으로써 비정상적인 아이들러의 위치를 추정하는 센서 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 서로 다른 적어도 하나 이상의 비정상적인 아이들러에 따른 음향신호를 포함하는 컨베이어 벨트의 복수의 음향신호에 대한 각 주파수 스펙트럼 분포를 기계학습하여 생성한 학습모델에 비정상 음향신호를 감지한 특정 마이크로폰으로부터 수신되는 실제 컨베이어 벨트의 음향신호를 적용하여 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정함으로써 비정상적인 아이들러의 위치를 추정하는 센서 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치는, 복수의 마이크로폰으로부터 컨베이어 벨트의 음향신호를 수신하는 음향신호 수신부, 상기 수신한 컨베이어 벨트의 각 음향신호에서 비정상적인 아이들러가 생성하는 비정상 음향신호가 존재하는지 감지하는 비정상 아이들러 감지부 및 상기 감지한 비정상적인 아이들러가 생성하는 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 비정상 아이들러 위치 추정부를 포함하며, 상기 컨베이어 벨트를 동작시키는 복수의 아이들러의 고장을 원격에서 비접촉식으로 동시에 감지하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 센서 장치는, 상기 컨베이어 벨트의 음향신호로부터 소스 로컬리제이션(source localization)을 통해서 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 센서 장치는, 상기 컨베이어 벨트의 각 음향신호로부터 경험적 모드 분해법 혹은 변동 모드 분해법을 통해 상기 비정상 음향신호를 각각 분리하는 비정상 음향신호 분리부를 더 포함하며, 상기 비정상 아이들러 위치 추정부는, 상기 분리한 결과 동일한 비정상 음향신호에 대해서 상기 마이크로폰 사이의 음향 인텐시티 벡터를 계산하고, 상기 마이크로폰 사이의 중앙점을 기준으로 상기 계산한 음향 인텐시티 벡터의 역방향에 해당하는 상기 컨베이어 벨트의 특정 위치에 대한 각도를 계산하여, 상기 중앙점으로부터 상기 비정상 음향신호에 대한 음원으로의 방향벡터를 산출함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 컨베이어 벨트의 각 음향신로부터 경험적 모드 분해법 혹은 변동 모드 분해법을 통해 상기 비정상 음향신호를 각각 분리하는 비정상 음향신호 분리부를 더 포함하며, 상기 비정상 아이들러 위치 추정부는, 상기 분리한 결과 동일한 비정상 음향신호에 대해서, 각 상기 마이크로폰에 수신된 시간 차이, 각 상기 마이크로폰의 위치 및 음속을 이용하여 상기 마이크로폰 사이의 중앙점으로부터 상기 비정상 음향신호에 대한 음원으로의 방향벡터를 산출함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 비정상 아이들러 위치 추정부는, 상기 비정상 음향신호가 존재하는 것으로 감지되면, 사전에 생성한 학습모델에 특정 마이크로폰을 통해 수신한 상기 컨베이어 벨트의 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포를 적용하여 상기 학습모델의 출력결과에 따라 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 학습모델은, 상기 특정 마이크로폰을 통해 사전에 수집한 서로 다른 비정상 아이들러에 의한 비정상 음향신호를 포함하는 컨베이어 벨트에 대한 복수의 음향신호를 기계학습하여 생성되며, 상기 사전에 수집한 복수의 음향신호는, 각 상기 마이크로폰의 중앙점을 기준으로 상기 비정상 음향신호에 대한 각도가 레이블링되어 상기 기계학습에 이용되고, 상기 특정 마이크로폰을 통해 수신한 상기 컨베이어 벨트의 실제 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포가 입력되면 상기 비정상 음향신호에 대한 각도를 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러 본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단 방법은, 복수의 마이크로폰으로부터 컨베이어 벨트의 음향신호를 수신하는 음향신호 수신 단계, 상기 수신한 컨베이어 벨트의 각 음향신호에서 비정상적인 아이들러가 생성하는 비정상 음향신호가 존재하는지 감지하는 비정상 아이들러 감지 단계 및 상기 감지한 비정상적인 아이들러가 생성하는 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 비정상 아이들러 위치 추정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 방법은, 상기 컨베이어 벨트의 음향신호로부터 소스 로컬리제이션을 통해서 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 방법은, 상기 컨베이어 벨트의 각 음향신호로부터 경험적 모드 분해법 혹은 변동 모드 분해법을 통해 상기 비정상 음향신호를 각각 분리하는 비정상 음향신호 분리 단계를 더 포함하며, 상기 비정상 아이들러 위치 추정 단계는, 상기 분리한 결과 동일한 비정상 음향신호에 대해서, 상기 마이크로폰 사이의 음향 인텐시티 벡터를 계산하고, 상기 마이크로폰 사이의 중앙점을 기준으로 상기 계산한 음향 인텐시티 벡터의 역방향에 해당하는 상기 컨베이어 벨트의 특정 위치에 대한 각도를 계산하여, 상기 중앙점으로부터 상기 비정상 음향신호에 대한 음원으로의 방향벡터를 산출함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 방법은, 상기 컨베이어 벨트의 각 음향신로부터 경험적 모드 분해법 혹은 변동 모드 분해법을 통해 상기 비정상 음향신호를 각각 분리하는 비정상 음향신호 분리 단계를 더 포함하며, 상기 비정상 아이들러 위치 추정 단계는, 상기 분리한 결과 동일한 비정상 음향신호에 대해서, 각 상기 마이크로폰에 수신된 시간 차이, 각 상기 마이크로폰의 위치 및 음속을 이용하여 상기 마이크로폰 사이의 중앙점으로부터 상기 비정상 음향신호에 대한 음원으로의 방향벡터를 산출함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 비정상 아이들러 위치 추정 단계는, 상기 비정상 음향신호가 존재하는 것으로 감지되면, 사전에 생성한 학습모델에 특정 마이크로폰을 통해 수신한 상기 컨베이어 벨트의 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포를 적용하여 상기 학습모델의 출력결과에 따라 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이 본 발명의 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치는 컨베이어 벨트와 일정 거리 이격하여 설치되는 두개 이상의 마이크로폰을 통해 수신되는 컨베이어 벨트에 대한 전체적인 음향신호를 이용하여, 비정상적인 아이들러에서 생성하는 비정상 음향신호의 음원 위치를 추정함으로써 비정상적인 아이들러의 발생을 효율적으로 감지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치를 설명하기 위해 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 인텐시티 벡터를 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 인텐시티 벡터를 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰에 대한 비정상 음향신호의 수신시간 차이를 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 학습모델을 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 학습모델을 생성하는 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 벨트 아이들러의 고장을 진단하는 절차를 나타낸 흐름도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치에 대한 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 또한 본 발명의 실시예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 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 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는 것이 바람직하다. 또한 본 발명에서는 두개의 마이크로폰으로 설명하고 있지만, 두개 이상의 마이크로폰을 사용하여도 무방하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치를 설명하기 위해 나타낸 개념도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치(이하, 센서 장치라 칭함)(10)는 복수의 마이크로폰 및 비정상 아이들러 고장 진단부(100)를 포함하여 구성된다.

이때, 복수의 마이크로폰은 MEMS(micro electro mechanical systems) 마이크로폰으로 구성될 수 있다.

또한 복수의 마이크로폰은 두개의 마이크로폰으로 구성되는 것이 바람직하지만, 두개 이상의 마이크로폰으로 구성될 수 있다. 이하에서는 두개의 마이크로폰을 포함하는 센서 장치(10)를 일예로 하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1에 나타낸 것과 같이, 각 마이크로폰은 컨베이어 벨트의 상부에 일정 거리 이격하여 컨베이어 벨트의 길이 방향으로 동일 선상에 구비되며, 컨베이어 벨트의 음향신호를 각각 수신하여 비정상 아이들러 고장 진단부(100)로 전송하도록 구성된다. 이때 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 상기 마이크로폰 사이의 중앙점에 설치될 수 있다. 다만 이에 한정하지 않으며 다양한 위치에 설치되어 각 마이크로폰으로부터 컨베이어 벨트의 음향신호를 수신하도록 구성된다.

이때, 컨베이어 벨트의 음향신호는 각 아이들러 동작에 의한 음향신호, 주변 노이즈에 따른 음향신호를 포함하게 된다.

또한 마이크로폰과 상기 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 유선 혹은 무선통신을 통해 컨베이어 벨트의 음향신호를 송수신하도록 구성될 수 있다.

상기 센서 장치(10)의 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 각 마이크로폰을 통해 수신되는 컨베이어벨트의 음향신호를 이용하여, 상기 컨베이어 벨트를 동작시키는 복수의 아이들러에서 고장으로 인한 비정상적인 아이들러의 발생을 동시에 감지하는 기능을 수행한다.

이를 위해, 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 각 마이크로폰을 통해 수신한 컨베이어 벨트의 각 음향신호에서 비정상적인 아이들러가 생성하는 비정상 음향신호가 존재하는지를 감지하여, 비정상 음향신호가 존재하면 비정상적인 아이들러가 발생한 것으로 감지한다.

이때, 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 컨베이어 벨트의 각 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포에서, 사전에 설정한 주파수 범위에 해당하는 비정상 음향신호가 존재하는지를 감지함으로써 비정상적인 아이들러의 발생을 감지한다.

상기 사전에 설정한 주파수 범위는 비정상적인 아이들러가 생성하는 비정상 음향신호에 대한 주파수의 범위를 말한다.

또한 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 비정상 음향신호가 감지되면, 소스 로컬리제이션(source localization)이나 사전에 생성한 학습모델을 통해 비정상 음향신호에 대한 위치를 추정함으로써 비정상적인 아이들러의 위치를 추정한다.

이때, 비정상 음향신호에 대한 위치를 추정하는 것은 비정상적인 아이들러가 생성하는 비정상 음향신호의 음원(즉, 음향신호의 근원)에 대한 위치를 추정하는 것을 의미한다.

한편, 본 발명에서의 소스 로컬리제이션은 비정상 음향신호에 따라 각 마이크로폰 사이의 음향 인텐시티 벡터(acoustic intensity vector)를 계산하여 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하거나, 상기 비정상 음향신호가 각 마이크로폰에 수신되는 수신시간 차이를 이용하여 상기 비정상 음향신호에 대한 위치를 추정하는 방법을 말한다.

상기 비정상 음향신호에 대한 위치를 추정하는 것은, 소스 로컬리제이션이나 학습모델을 이용하여 비정상 음향신호의 음원에 대한 방향벡터를 산출함으로써 수행된다.

상기 방향벡터는 각 마이크로폰 사이의 중앙점을 기준으로 상기 음원에 대한 각도를 계산함으로써 산출되며, 상기 각도는 중앙점을 기준으로 우측방향을 +각도(최대 +90도)로 설정하고, 좌측방향을 -각도(최대 -90도)로 설정되거나 이와 반대로 설정될 수 있다.

즉, 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 컨베이어 벨트의 음향신호로부터 적어도 하나 이상의 비정상 음향신호의 존재를 감지하여, 상기 감지한 각 비정상 음향신호의 위치를 추정함으로써 복수의 아이들러의 고장을 원격에서 비접촉식으로 동시에 감지하고 그 위치를 추정하는 것이다.

한편, 상기 음향 인텐시티 벡터를 계산하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 방법은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하고, 비정상 음향신호에 대한 각 마이크로폰의 수신시간 차이를 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 방법은 도 4를 참조하여 설명하도록 한다. 또한 학습모델을 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 방법은 도 5 및 도 6을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

또한 도 1에는 하나의 센서 장치(10)만 도시하였으나, 상기 컨베이어 벨트의 길이에 따라 일정 범위를 커버링하는 복수의 센서 장치(10)가 구비될 수 있다.

또한 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 비정상 음향신호의 위치를 추정한 결과를 유지보수 시스템(200)으로 제공하여, 상기 추정한 결과에 따라 비정상적인 아이들러의 유지보수를 수행할 수 있도록 한다.

한편, 유지보수 시스템(200)은 복수의 센서 장치(10)를 관리하고, 각 센서 장치(10)로부터 수신되는 비정상 음향신호의 위치를 추정한 결과를 관리자 단말(미도시)에 알람으로 제공하여 해당 위치에 존재하는 아이들러에 대한 유지보수를 수행할 수 있도록 한다.

또한 유지보수 시스템(200)은 센서 장치(10)와 PoE(power of ethernet)로 각각 연결되어 각 센서 장치(10)로부터 비정상 음향신호의 위치를 추정한 결과를 수신하거나 각 센서 장치(10)의 동작에 필요한 전원을 제공할 수 있도록 구성될 수 있다. 다만 이에 한정하지 않으며 각 센서 장치(10)와 유지보수 시스템(200)은 다양한 유무선 통신방법을 통해 서로 연결되어 비정상 음향신호의 위치를 추정한 결과를 송수신할 수 있으며, 각 센서 장치(10)는 별도의 전원에 연결되거나 배터리로 구동되도록 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 인텐시티 벡터를 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치(10)의 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 각 마이크로폰으로부터 수신한 컨베이어 벨트의 음향신호에서 비정상 음향신호가 감지되면, 상기 마이크로폰 사이의 상기 비정상 음향신호에 대한 음향 인텐시티 벡터를 계산한다.

즉, 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 전체적인 컨베이어 벨트의 음향신호에 대한 음향 인텐시티 벡터를 계산하는 것이 아니라, 비정상적인 아이들러에서 생성되는 비정상 음향신호에 대한 음향 인텐시티 벡터를 계산하는 것이다.

음향 인텐시티 벡터는 에너지의 크기와 방향에 대한 정보를 모두 포함하므로 특정 음원(즉, 아이들러)에 의해 생성된 음향 인텐시티 벡터를 계산하면 상기 음원의 위치를 추정하는 것이 가능해진다.

따라서 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 마이크로폰의 사이에서 비정상 음향신호에 대한 음향 인텐시티 벡터를 계산하고, 상기 계산한 음향 인텐시티 벡터를 이용하여 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정한다.

상기 비정상 음향신호에 대한 음향 인텐시티 벡터는 다음의 [수학식 1]에 따라 계산된다.

[수학식 1]

I(w) =

여기서, I는 비정상 음향신호의 음향 인텐시티 벡터를 의미하고, p는 유체(즉, 공기)의 밀도, w는 2πf, d는 마이크로폰 사이의 간격을 의미한다.

또한 Gm1m2(w)는 m1(제1 마이크포론)과 m2(제2 마이크로폰) 사이의 비정상 음향신호에 대한 단일 방향 파워 스펙트럼 밀도함수(cross power spectral density)를 의미하며, Im은 파워 스펙트럼 밀도함수의 결과에 대한 허수부를 의미한다.

상기 [수학식 1]에 따라 계산한 음향 인텐시티 벡터는 비정상 음향신호가 발생되는 음원(아이들러)에서 센서 장치(10)쪽 방향으로 마이크로폰 사이에 형성될 것이 자명하다.

또한 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 마이크로폰 사이의 중앙점을 기준으로 상기 음향 인텐시티 벡터의 역방향에 해당하는 컨베이어 벨트의 특정 위치(즉, 음원)에 대한 각도를 계산하여 상기 중앙점에서 상기 비정상 음향신호에 대한 음원으로의 방향벡터를 산출함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정함으로써 비정상적인 아이들러의 위치를 추정한다.

상기 각도는 마이크로폰 사이의 중앙점에서 컨베이어 벨트에 대한 수직방향으로 형성한 수직선분과 상기 중앙점에서 상기 음향 인텐시티 벡터의 역방향에 해당하는 상기 컨베이어 벨트의 특정 위치에 따라 형성한 선분의 내각의 각도를 의미한다.

이때, 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 마이크로폰의 위치와 컨베이어 벨트의 위치 및 마이크로폰과 컨베이어 벨트간의 거리를 이미 알고 있기 때문에 음향 인텐시티 벡터의 역방향에 해당하는 컨베이어 벨트의 특정 위치를 알 수 있다. 따라서 상기 특정 위치와 상기 중앙점을 연결한 선분에 대한 각도를 계산함으로써 비정상 음향신호의 위치에 대한 방향벡터를 산출하는 것이 가능하다.

상기 각도는 +값(0 내지 +90도) 혹은 -값(0 내지 -90)을 가짐은 상술한 바와 같다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 인텐시티 벡터를 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 절차를 나타낸 흐름도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 인텐시티 벡터를 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 절차는 우선, 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 복수의 마이크로폰(예: 두개)을 통해 컨베이어 벨트의 음향신호를 각각 수신하는 음향신호 수신 단계를 수행한다(S110).

다음으로 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 상기 컨베이어 벨트의 각 음향신호의 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 단계를 수행한다(S120).

상기 노이즈를 제거하는 것은 사전에 설정한 차단 주파수를 가지는 하이패스 필터를 통해 수행된다. 이를 통해 컨베이어 벨트의 각 음향신호에 포함된 저주파 노이즈를 제거하여 보다 정확하게 비정상 음향신호의 위치를 추정할 수 있도록 한다.

다음으로 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 컨베이어 벨트의 각 음향신호로부터 비정상적인 아이들러로 인해 생성되는 비정상 음향신호의 존재여부를 감지하여 비정상적인 아이들러의 발생을 감지하는 비정상 아이들러 감지 단계를 수행한다(S130).

이때, 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 노이즈를 제거한 컨베이어 벨트의 각 음향신호로부터 비정상 음향신호의 존재여부를 감지한다.

상기 비정상 음향신호의 존재여부를 감지하는 것은 푸리에 변환(fourier transform)을 통해 컨베이어 벨트의 각 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포를 생성하고, 상기 생성한 주파수 스펙트럼 분포에서 사전에 설정한 주파수 범위의 음향신호가 존재하는지 여부를 감지함으로써 수행된다.

다음으로 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 비정상 음향신호가 존재하면(S140), 노이즈를 제거한 컨베이어 벨트의 각 음향신호로부터 비정상 음향신호를 각각 분리하는 비정상 음향신호 분리 단계를 수행한다(S150).

상기 비정상 음향신호를 분리하는 것은 경험적 모드 분해법(empirical mode decomposition) 혹은 변동 모드 분해법(variational mode decomposition)을 이용하여 수행될 수 있다.

상기 경험적 모드 분해법은 특정 신호를 채거름 과정을 통하여 고주파부터 저주파 신호까지 순차적으로 추출하여 상기 특정 신호로부터 복수의 신호를 분리하는 방법을 말하며, 상기 변동 모드 분해법은 신호가 여러 개의 모드의 합으로 이루어져 있다고 가정하고 각각의 모드를 분해함으로써 특정 신호로부터 복수의 신호를 분리하는 방법을 말한다.

상기 경험적 모드 분해법이나 변동 모드 분해법은 주파수별로 신호를 분리하는 방법으로써, 특정 신호를 복수의 신호로 분리하는데 주로 사용되는 방법이므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.

다음으로 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 S150 단계를 통해 분리한 동일한 비정상 음향신호에 따라 비정상 음향신호의 위치를 추정하여 비정상적인 아이들러의 위치를 추정하는 비정상 아이들러 위치 추정 단계를 수행한다.

상기 비정상 아이들러 위치 추정 단계는 분리한 비정상 음향신호에 대한 마이크로폰 사이의 음향 인텐시티 벡터를 계산하는 단계와 상기 계산한 비정상 음향신호의 음향 인테시티 벡터를 이용하여 마이크로폰 사이의 중앙점을 기준으로 음향 인텐시티 벡터의 역방향에 해당하는 컨베이어 벨트의 특정 위치(즉, 음원)에 대한 각도를 계산함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치에 대한 방향벡터를 산출하여 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 단계를 포함하여 구성된다.

한편, 비정상 음향신호의 음향 인텐시티 벡터를 계산하는 것과, 상기 음향 인텐시티 벡터를 이용하여 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것은 도 2를 참조하여 설명하였으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰에 대한 비정상 음향신호의 수신시간 차이를 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 마이크로폰에 대한 비정상 음향신호의 수신시간 차이를 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하도록 구성될 수 있다.

이를 위해, 우선 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 각 마이크로폰으로부터 수신되는 컨베이어 벨트의 각 음향신호로부터 노이즈를 제거하여, 비정상 음향신호를 각각 감지한 후, 상기 노이즈를 제거한 컨베이어 벨트의 각 음향신호로부터 상기 감지한 비정상 음향신호를 각각 분리한다.

상기 노이즈를 제거하는 것과 상기 비정상 음향신호를 각각 분리하는 것은 도 3을 참조하여 설명한 것과 동일한 과정을 통해 수행된다.

또한 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 각 분리한 동일한 비정상 음향신호에 대해서 각 마이크로폰의 수신시간 차이를 이용하여 상기 비정상 음향신호의 방향벡터를 산출함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정한다.

이때, 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 컨베이어 벨트의 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포를 통해 비정상 음향신호의 존재를 감지하게 되므로, 상기 감지한 비정상 음향신호를 포함하는 컨베이어 벨트의 음향신호가 각 마이크로폰에 각각 수신되는 시간을 알 수 있기 때문에 상기 수신시간 차이를 알 수 있다.

보다 상세하게는 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 각 마이크로폰간의 관계를 정의한 다음의 [수학식 2]에 따라 각 마이크로폰에 수신되는 비정상 음향신호의 수신시간 차이를 이용하여 비정상 음향신호에 대한 방향벡터를 산출함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정한다.

[수학식 2]

Pm1m2 · S = CTm1m2

여기서, Pm1m2는 마이크로폰(m1,m2)의 위치(위치벡터)를 의미하며, S는 마이크로폰 사이의 중앙점에서 비정상 음향신호에 대한 음원으로의 방향벡터를 의미하며, C는 음속, Tm1m2는 마이크로폰 사이의 비정상 음향신호의 수신시간에 대한 차이를 의미한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 학습모델을 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 사전에 생성한 학습모델을 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하도록 구성될 수 있다.

이를 위해, 우선 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 각 마이크로폰으로부터 수신되는 컨베이어 벨트의 각 음향신호에서 노이즈를 제거하고, 상기 노이즈를 제거한 컨베이어 벨트의 각 음향신호로부터 비정상 음향신호를 각각 감지한다.

이때, 노이즈를 제거하는 것과 비정상 음향신호를 각각 감지하는 것은 도 3을 참조하여 설명한 것과 동일한 과정을 통해 수행된다.

이후, 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 비정상 음향신호를 감지하기 위해서 생성한 컨베이어 벨트의 각 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포 중 특정 마이크로폰을 통해 수신한 컨베이어 벨트의 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포를 사전에 생성한 학습모델에 적용(입력)하여 학습모델의 출력결과에 따라 상기 마이크로폰의 중앙점을 기준으로 상기 비정상 음향신호에 대한 음원으로의 방향벡터를 산출함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정한다.

한편, 학습모델은 특정 마이크로폰을 통해 사전에 수집한 서로 다른 비정상 아이들러에 의한 비정상 음향신호를 포함하는 컨베이어 벨트에 대한 복수의 음향신호에 대한 각 주파수 스펙트럼 분포로 구성된 학습데이터를 학습네트워크를 통해 기계학습함으로써 생성된다.

상기 학습데이터를 구성하는 컨베이어 벨트의 각 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포에는 마이크로폰 사이의 중앙점을 기준으로 상기 비정상 음향신호의 음원에 대한 각도가 레이블링되어 있다. 상기 각도의 범위는 -90도 내지 +90 사이로 설정된다.

상기 학습네트워크는 CNN(convolutional neural network)으로 구성되는 것이 바람직하지만 DCNN(deep CNN) 등과 같은 다양한 학습네트워크를 이용할 수 있다. 이때, 학습데이터는 각 학습네트워크의 적용되기 위한 데이터의 형태(예: 그레이 스케일의 이미지)로 전처리될 수 있다.

또한 학습모델은 실제 컨베이어 벨트의 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포가 입력되면 마이크로폰 사이의 중앙점을 기준으로 비정상 음향신호의 음원에 대한 각도 중 제일 높은 확률을 가지는 각도를 출력하도록 구성된다.

따라서 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 학습모델에서 출력하는 각도에 따라 비정상 음향신호의 음원에 대한 방향벡터를 산출함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 학습모델을 생성하는 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

한편, 도 6은 학습네트워크 중의 하나인 CNN을 통해 기계학습하여 학습모델을 생성하는 과정을 도시한 것이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 학습네트워크는 비정상적인 아이들러에 의해 생성되는 비정상 음향신호를 포함하여 상기 비정상 음향신호의 음원에 대한 각도가 레이블링된 컨베이어 벨트에 대한 복수의 음향신호에 대한 각 주파수 스펙트럼 분포로 구성된 학습데이터를 기계학습하여 생성된다.

이때, 주파수 스펙트럼 분포는 하이패스 필터를 통해 노이즈를 제거한 컨베이어 벨트의 각 음향신호를 기반으로 생성된다.

상기 학습네트워크는 학습데이터를 구성하는 주파수 스펙트럼 분포가 입력되는 입력 레이어(input layer), 상기 입력한 주파수 스펙트럼 분포에 대한 컨볼루션을 수행하는 컨볼루션 레이어(convolution layer), 상기 컨볼루션한 결과를 풀링하는 풀링 레이어(pool layer) 및 완전연관 레이어(fully connected layer)를 포함하여 구성된다.

상기 컨볼루션 레이어는 가중치를 가지는 커널을 사전에 설정한 스트라이드(stride)에 따라 입력 레이어를 통해 입력되는 주파수 스펙트럼 분포 상에서 이동시켜가면서, 상기 주파수 스펙트럼 분포의 특정 부분과 상기 커널의 가중치를 컨볼루션하여 복수의 특징맵을 생성하여 출력하도록 구성된다.

상기 풀링 레이어는 컨볼루션 레이어에서 출력되는 특징맵을 최대값 또는 평균값으로 풀링함으로써 서브 샘플링하는 기능을 수행한다.

상기 컨볼루션 레이어와 풀링 레이어는 하나의 쌍으로 구성되어 적어도 하나 이상으로 구비될 수 있다.

상기 완전연관 레이어는 상기 서브 샘플링한 결과를 연결시켜 비정상 음향신호에 대한 음원 위치의 각도에 대한 확률을 계산하고, 확률이 최대인 각도를 출력하도록 구성된다.

또한 완전연관 레이어는 풀링 레이어를 통해 출력되는 복수의 서브 생플링한 결과가 각각 입력되는 입력노드, 각 입력노드와 연결되는 복수의 히든노드 및 각 히든노드에서 출력되는 결과를 소프트 맥스를 통해 정규화하여 복수의 각도에 대한 확률을 계산하고, 확률이 제일 높은 각도를 출력하는 출력노드를 포함하여 구성된다.

한편, 학습네트워크를 통해 기계학습을 수행할 때, 상기 기계학습이 학습데이터에만 치우쳐 수행되어, 실제 생성한 학습모델에 실제 주파수 스펙트럼 분포를 적용하였을 때, 실제 주파수 스펙트럼 분포에 대한 상기 학습모델의 출력결과에서 오차가 현저하게 증가하는 현상인 과적합(overfitting)이 발생될 수 있다.

이를 방지하기 위해 본 발명은 기계학습을 수행할 때, 완전연관 레이어의 적어도 하나 이상의 히든노드를 일정 확률로 선택하여, 상기 선택한 적어도 하나 이상의 히든노드의 출력을 0으로 설정하는 드롭아웃(Drop out) 기법을 적용하여, 상기 과적합을 방지할 수 있도록 한다.

이러한 드롭아웃 기법을 통해, 상기 기계학습의 결과로 발생될 수 있는 과적합을 방지하여, 상기 생성한 학습모델의 출력결과에 대한 오차를 줄여 신뢰성을 높일 수 있도록 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 장치(10)는 복수의 마이크로폰, 비정상 아이들러 고장 진단부(100)를 포함하여 구성된다.

상기 복수의 마이크로폰(예: 두개)은 컨베이어 벨트의 음향신호를 서로 다른 위치에서 수신하여 비정상 아이들러 고장 진단부(100)로 전송하는 기능을 수행한다.

상기 비정상 아이들러 고장 진단부(100)는 컨베이어 벨트를 동작시키는 복수의 아이들러에 대한 고장을 원격에서 비접촉식으로 동시에 감지하기 위한 것으로, 음향신호 수신부(110), 노이즈 제거부(120), 비정상 아이들러 감지부(130), 비정상 음향신호 분리부(140), 비정상 아이들러 위치 추정부(150) 및 위치 추정 결과 제공부(160)를 포함하여 구성된다.

상기 음향신호 수신부(110)는 각 마이크로폰으로부터 컨베이어 벨트의 음향신호를 각각 수신하는 기능을 수행하며, 노이즈 제거부(120)는 컨베이어 벨트의 각 음향신호에 대한 노이즈를 제거하는 기능을 수행한다.

상기 노이즈 제거부(120)는 사전에 설정한 차단 주파수를 가지는 하이패스 필터를 통해 컨베이어 벨트의 각 음향신호에 포함된 저주파수 노이즈를 제거하도록 구성된다.

상기 비정상 아이들러 감지부(130)는 컨베이어 벨트의 각 음향신호에서 비정상적인 아이들러가 생성하는 비정상 음향신호가 존재하는지 감지함으로써 적어도 복수의 아이들러에서 적어도 하나 이상의 비정상적인 아이들러의 발생을 감지하는 기능을 수행한다. 즉, 비정상 아이들러 감지부(130)는 컨베이어 벨트의 각 음향신호에서 적어도 하나 이상의 비정상 음향신호의 존재여부를 감지하여 적어도 하나 이상의 비정상적인 아이들러의 발생을 감지하는 것이다.

이때, 비정상 아이들러 감지부(130)는 노이즈를 제거한 컨베이어 벨트의 각 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포를 생성하고, 상기 생성한 주파수 스펙트럼 분포를 참조하여 사전에 설정한 주파수 범위의 비정상 음향신호가 존재하는지를 감지하여 비정상적인 아이들러의 발생을 감지하도록 구성된다.

상기 비정상 음향신호 분리부(140)는 비정상 아이들러 감지부(130)를 통해 비정상 음향신호가 존재하는 것으로 감지되면, 컨베이어 벨트의 각 음향신호로부터 상기 비정상 음향신호를 각각 분리하는 기능을 수행한다.

상기 분리는 경험적 모드 분해법 혹은 변동 모드 분해법을 통해 수행됨은 상술한 바와 같다.

상기 비정상 아이들러 위치 추정부(140)는 본 발명의 소스 로컬리제이션이나 사전에 생성한 학습모델을 통해 비정상 음향신호에 대한 위치를 추정하는 기능을 수행한다.

상기 소스 로컬리제이션은 비정상 음향신호 분리부(140)를 통해 분리한 비정상 음향신호에 대한 음향 인텐시티 벡터를 이용하거나, 상기 분리한 비정상 음향신호가 각 마이크로폰에 수신되는 수신시간 차이를 이용하여 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것으로 상기 소스 로컬리제이션을 통해 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것은 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하였으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.

또한 학습모델을 통해 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것은 비정상 음향신호를 포함하여 특정 마이크로폰으로부터 수신한 컨베이어 벨트의 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포를 상기 학습모델에 적용함으로써 수행되는 것으로, 도 5를 참조하여 설명하였으므로 여기서는 생략하도록 한다.

상기 위치 추정 결과 제공부(160)는 비정상 아이들러 위치 추정부(150)에서 비정상 음향신호의 위치를 추정한 결과를 유지보수 시스템(200)으로 제공하는 기능을 수행한다.

상기 추정한 결과는 마이크로폰 사이의 중앙점을 기준으로 비정상 음향신호의 음원에 대한 각도, 상기 각도에 따른 방향벡터 또는 이들의 조합으로 제공되거나, 혹은 사전에 저장된 컨베이어 벨트와 센서 장치(10)를 나타낸 맵에 상기 각도, 방향벡터 또는 이들의 조합을 표시하여 제공될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 벨트 아이들러의 고장을 진단하는 절차를 나타낸 흐름도이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨베이어 벨트 아이들러의 고장을 진단하는 절차는 우선, 센서 장치(10)에서 복수의 마이크로폰을 통해 컨베이어 벨트의 음향신호를 각각 수신하는 음향신호 수신 단계를 수행한다(S210).

다음으로 센서 장치(10)는 컨베이어 벨트의 각 음향신호에서 비정상 음향신호를 감지하여 비정상적인 아이들러의 발생을 감지하는 비정상 아이들러 감지 단계를 수행한다(S220).

이때, 센서 장치(10)는 컨베이어 벨트의 각 음향신호에 대한 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 단계를 수행하며, 상기 비정상 아이들러 감지 단계는 노이즈를 제거한 컨베이어 벨트의 각 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포를 생성하여, 상기 주파수 스펙트럼 분포에서 사전에 설정한 주파수 범위의 비정상 음향신호의 존재여부를 감지함으로써 비정상 아이들러의 발생을 감지한다.

다음으로 센서 장치(10)는 비정상 음향신호가 감지되면(S230), 상기 비정상 음향신호에 대한 위치를 추정하여 비정상적인 아이들러의 위치를 추정하는 비정상 아이들러 위치 추정 단계를 수행한다(S240).

상기 비정상 아이들러 위치 추정 단계는 소스 로컬리제이션이나 학습모델을 통해서 비정상 음향신호에 대한 위치를 추정하도록 구성될 수 있다. 소스 로컬리제이션이나 학습모델을 통해서 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것은 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명하였으므로 여기서는 생략하도록 한다.

한편, 소스 로컬리제이션을 통해 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 경우, 센서 장치(10)는 컨베이어 벨트의 음향신호로부터 비정상 음향신호를 분리하는 비정상 음향신호 분리 단계를 수행하도록 구성된다.

다음으로 센서 장치(10)는 S240 단계를 통해 비정상 음향신호의 위치를 추정한 결과를 유지보수 시스템(200)으로 제공하는 위치 추정 결과 제공 단계를 수행한다(S250).

이처럼, 본 발명은 컨베이어 벨트와 일정 거리만큼 이격하여 설치되는 센서 장치를 통해 컨베이어 벨트를 동작시키는 복수의 아이들러에 대한 고장을 원격에서 비접촉식으로 동시에 감지하여 고장으로 인한 비정상적인 아이들러의 유지보수를 신속하게 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.

10: 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치
100: 비정상 아이들러 고장 진단부 110: 음향신호 수신부
120: 노이즈 제거부 130: 비정상 아이들러 감지부
140: 비정상 음향신호 분리부 150: 비정상 아이들러 위치 추정부
160: 위치 추정 결과 제공부 200: 유지보수 시스템

Claims

복수의 마이크로폰으로부터 컨베이어 벨트의 음향신호를 수신하는 음향신호 수신부;
상기 수신한 컨베이어 벨트의 각 음향신호에서 비정상적인 아이들러가 생성하는 비정상 음향신호가 존재하는지 감지하는 비정상 아이들러 감지부; 및
상기 감지한 비정상적인 아이들러가 생성하는 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 비정상 아이들러 위치 추정부;를 포함하며,
상기 컨베이어 벨트를 동작시키는 복수의 아이들러의 고장을 원격에서 비접촉식으로 동시에 감지하는 것을 특징으로 하는 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 센서 장치는,
상기 컨베이어 벨트의 음향신호로부터 소스 로컬리제이션(source localization)을 통해서 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 센서 장치는,
상기 컨베이어 벨트의 각 음향신호로부터 경험적 모드 분해법 혹은 변동 모드 분해법을 통해 상기 비정상 음향신호를 각각 분리하는 비정상 음향신호 분리부;를 더 포함하며,
상기 비정상 아이들러 위치 추정부는,
상기 분리한 결과 동일한 비정상 음향신호에 대해서 상기 마이크로폰 사이의 음향 인텐시티 벡터를 계산하고, 상기 마이크로폰 사이의 중앙점을 기준으로 상기 계산한 음향 인텐시티 벡터의 역방향에 해당하는 상기 컨베이어 벨트의 특정 위치에 대한 각도를 계산하여, 상기 중앙점으로부터 상기 비정상 음향신호에 대한 음원으로의 방향벡터를 산출함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 센서 장치는,
상기 컨베이어 벨트의 각 음향신로부터 경험적 모드 분해법 혹은 변동 모드 분해법을 통해 상기 비정상 음향신호를 각각 분리하는 비정상 음향신호 분리부;를 더 포함하며,
상기 비정상 아이들러 위치 추정부는,
상기 분리한 결과 동일한 비정상 음향신호에 대해서, 각 상기 마이크로폰에 수신된 시간 차이, 각 상기 마이크로폰의 위치 및 음속을 이용하여 상기 마이크로폰 사이의 중앙점으로부터 상기 비정상 음향신호에 대한 음원으로의 방향벡터를 산출함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 비정상 아이들러 위치 추정부는,
상기 비정상 음향신호가 존재하는 것으로 감지되면, 사전에 생성한 학습모델에 특정 마이크로폰을 통해 수신한 상기 컨베이어 벨트의 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포를 적용하여 상기 학습모델의 출력결과에 따라 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 학습모델은,
상기 특정 마이크로폰을 통해 사전에 수집한 서로 다른 비정상 아이들러에 의한 비정상 음향신호를 포함하는 컨베이어 벨트에 대한 복수의 음향신호를 기계학습하여 생성되며,
상기 사전에 수집한 복수의 음향신호는, 각 상기 마이크로폰의 중앙점을 기준으로 상기 비정상 음향신호에 대한 각도가 레이블링되어 상기 기계학습에 이용되고,
상기 특정 마이크로폰을 통해 수신한 상기 컨베이어 벨트의 실제 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포가 입력되면 상기 비정상 음향신호에 대한 각도를 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단용 비접촉식 센서 장치.
복수의 마이크로폰으로부터 컨베이어 벨트의 음향신호를 수신하는 음향신호 수신 단계;
상기 수신한 컨베이어 벨트의 각 음향신호에서 비정상적인 아이들러가 생성하는 비정상 음향신호가 존재하는지 감지하는 비정상 아이들러 감지 단계; 및
상기 감지한 비정상적인 아이들러가 생성하는 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 비정상 아이들러 위치 추정 단계;를 포함하며,
상기 컨베이어 벨트를 동작시키는 복수의 아이들러의 고장을 원격에서 비접촉식으로 동시에 감지하는 것을 특징으로 하는 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 방법은,
상기 컨베이어 벨트의 음향신호로부터 소스 로컬리제이션(source localization)을 통해서 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 방법은,
상기 컨베이어 벨트의 각 음향신호로부터 경험적 모드 분해법 혹은 변동 모드 분해법을 통해 상기 비정상 음향신호를 각각 분리하는 비정상 음향신호 분리 단계;를 더 포함하며,
상기 비정상 아이들러 위치 추정 단계는,
상기 분리한 결과 동일한 비정상 음향신호에 대해서, 상기 마이크로폰 사이의 음향 인텐시티 벡터를 계산하고, 상기 마이크로폰 사이의 중앙점을 기준으로 상기 계산한 음향 인텐시티 벡터의 역방향에 해당하는 상기 컨베이어 벨트의 특정 위치에 대한 각도를 계산하여, 상기 중앙점으로부터 상기 비정상 음향신호에 대한 음원으로의 방향벡터를 산출함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 방법은,
상기 컨베이어 벨트의 각 음향신로부터 경험적 모드 분해법 혹은 변동 모드 분해법을 통해 상기 비정상 음향신호를 각각 분리하는 비정상 음향신호 분리 단계;를 더 포함하며,
상기 비정상 아이들러 위치 추정 단계는,
상기 분리한 결과 동일한 비정상 음향신호에 대해서, 각 상기 마이크로폰에 수신된 시간 차이, 각 상기 마이크로폰의 위치 및 음속을 이용하여 상기 마이크로폰 사이의 중앙점으로부터 상기 비정상 음향신호에 대한 음원으로의 방향벡터를 산출함으로써 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 비정상 아이들러 위치 추정 단계는,
상기 비정상 음향신호가 존재하는 것으로 감지되면, 사전에 생성한 학습모델에 특정 마이크로폰을 통해 수신한 상기 컨베이어 벨트의 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포를 적용하여 상기 학습모델의 출력결과에 따라 상기 비정상 음향신호의 위치를 추정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 학습모델은,
상기 특정 마이크로폰을 통해 사전에 수집한 서로 다른 비정상 아이들러에 의한 비정상 음향신호를 포함하는 컨베이어 벨트에 대한 복수의 음향신호를 기계학습하여 생성되며,
상기 사전에 수집한 복수의 음향신호는, 각 상기 마이크로폰의 중앙점을 기준으로 상기 비정상 음향신호에 대한 각도가 레이블링되어 상기 기계학습에 이용되고,
상기 특정 마이크로폰을 통해 수신한 상기 컨베이어 벨트의 실제 음향신호에 대한 주파수 스펙트럼 분포가 입력되면 상기 비정상 음향신호에 대한 각도를 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 컨베이어 벨트 아이들러 고장 진단 방법.