WO2023041458A2 - Computer-implemented method, modules, and system for detecting anomalies in industrial manufacturing processes - Google Patents

Computer-implemented method, modules, and system for detecting anomalies in industrial manufacturing processes Download PDF

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WO2023041458A2
WO2023041458A2 PCT/EP2022/075214 EP2022075214W WO2023041458A2 WO 2023041458 A2 WO2023041458 A2 WO 2023041458A2 EP 2022075214 W EP2022075214 W EP 2022075214W WO 2023041458 A2 WO2023041458 A2 WO 2023041458A2
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anomaly
data
analysis model
module
expert
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PCT/EP2022/075214
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WO2023041458A3 (en
Inventor
Georg Schneider
Nicolas Thewes
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Zf Friedrichshafen Ag
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Publication date
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Publication of WO2023041458A3 publication Critical patent/WO2023041458A3/en

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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0218Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults
    • G05B23/0243Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults model based detection method, e.g. first-principles knowledge model
    • G05B23/0254Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults model based detection method, e.g. first-principles knowledge model based on a quantitative model, e.g. mathematical relationships between inputs and outputs; functions: observer, Kalman filter, residual calculation, Neural Networks

Definitions

  • the invention relates to computer-implemented methods, modules and a system for anomaly detection in industrial manufacturing processes.
  • the object of the invention was how industrial manufacturing processes and/or individual steps of an industrial manufacturing process can be monitored in order to better detect deviations or anomalies.
  • the invention provides a computer-implemented method for obtaining an analysis model for anomaly detection in an industrial manufacturing process.
  • the procedure includes the steps
  • the invention also provides a computer program for obtaining an analysis model for anomaly detection in an industrial manufacturing process.
  • the computer program includes instructions that cause a computer to carry out the steps of the inventive method for obtaining an analysis model for anomaly detection in an industrial manufacturing process when the computer program runs on the computer.
  • annotation requests are sent to the validation entity.
  • the data is enriched with annotations received from the reviewer.
  • the distribution of normal states is determined as a reference and/or patterns are determined in the data based on historical data, which are classified at least into the classes normal and abnormal by corresponding annotations.
  • the reference is determined as follows:
  • the data from each of N states is ordered by h ⁇ k positions, each entry of one of the N states at one of the h ⁇ k positions with the entry of another of the N states at the same position is comparable.
  • the h ⁇ k positions correspond to a matrix of times and frequencies.
  • It N training states are thus obtained in the form of an N xhxk arrangement.
  • At least one reference image is applied to the training states, with a value of a position in a reference state being calculated from the values of the position in the training states according to a predetermined calculation rule. For example, for each position in the reference state, the mean is calculated as a first reference image and the standard deviation is calculated as a second reference image over all corresponding positions in the training states, respectively.
  • the accuracy of the trained analysis model is increased by removing anomalies that were not recognized in the past from historical data that were initially fed into the analysis model.
  • the training is monitored and/or further analysis models are released based on an achieved accuracy.
  • the steps of the method according to the invention are carried out iteratively and analysis models are retrained and/or retrained.
  • the invention provides a first module for obtaining an analysis model for anomaly detection in an industrial manufacturing process.
  • the first module includes
  • a data processing module designed to receive data from states of a process, a component and/or a production machine in at least one process step of the industrial manufacturing process to be monitored at a specific point in time or in a specific time interval, from similar process steps and/or from downstream processes, comprising sensorially measured data and/or data obtained from simulating the process;
  • a first data memory which stores the data and, based on the data, a state definition and data extensions in the form of annotations of a checking instance;
  • a training module that trains at least one analysis model for anomaly detection, the analysis model being based on the state definition determines a distribution of the states and, based on the distribution, classifies as anomalies the states that are rare and/or deviate from other states based on the data;
  • a second data store storing the trained analysis model and an evaluation of the analysis model based on a test data set or on an evaluation by the verification authority.
  • the first module further comprises
  • a monitoring module for increasing the accuracy of the trained analysis model, in which historical data that the training module initially fed into the analysis model is cleaned of anomalies that were not recognized in the past, and/or
  • a control module for monitoring the training and/or for enabling further analysis models based on an achieved accuracy.
  • the computer-implemented method, the computer program and the first module can receive analysis models for anomaly detection in the case of a failing/damaging production machine (scenario 1) and/or when testing components (scenario 2).
  • the invention provides a computer-implemented method for determining at least one anomaly value in an industrial manufacturing process.
  • the procedure includes the steps
  • the invention also provides a computer program for determining at least one anomaly value in an industrial manufacturing process.
  • the computer program includes instructions that cause a computer to carry out the steps of the method according to the invention for determining at least one anomaly value in an industrial manufacturing process when the computer program runs on the computer.
  • the analysis model has been obtained according to the method for obtaining an analysis model according to the invention or by means of a first module according to the invention.
  • the anomaly value checked by the checking instance flows into a training of the analysis model.
  • the invention provides a second module for determining at least one anomaly value in an industrial manufacturing process.
  • the second module includes
  • a data input Zcontrol module executed, o sensor-measured data from states of a process, a component and/or a production machine in at least one process step to be monitored of the industrial manufacturing process and o at least one analysis model based on historical data of the data on data from similar process steps and/or on data from downstream processes, comprising data measured by sensors and/or data obtained from simulating the process, to obtain anomaly detection; o input the data into the at least one analysis model to obtain at least one anomaly score;
  • the second module further comprises a unifier module for combining an anomaly value obtained from an annotation-based analysis model and an anomaly value obtained from the reference-based analysis model.
  • the second module is designed to determine anomaly values according to the method according to the invention for determining at least one anomaly value.
  • the computer-implemented method, the computer program and the second module can determine an anomaly value in scenario 1 and/or in scenario 2.
  • the invention provides a computer-implemented method for providing anomalies detected in an industrial manufacturing process to a verification authority.
  • the procedure includes the steps
  • Whether a state classified as normal is sent to the checking instance can be made dependent on the degree of normality/abnormality, for example, which is represented by the level of the calculated anomaly value.
  • the invention also provides a computer program for providing anomalies detected in an industrial manufacturing process to a verification authority.
  • the computer program includes instructions that cause a computer, the steps of the method for providing to carry out anomalies detected in an industrial manufacturing process to a checking instance when the computer program is running on the computer.
  • the state is annotated as a function
  • Metadata comprising identity of the human reviewer, quality of annotations already made by that reviewer, time of day, day of week and/or degree of anomaly.
  • annotation requests relating to states are sent to the verification authority and data from the states are supplemented with annotations received from the verification authority.
  • a state that has already been provided to a verification authority is provided again at a different time for the same verification authority and/or is provided to further verification authorities, and the annotations are compared and/or evaluated.
  • the anomaly value is obtained according to the method according to the invention for determining at least one anomaly value or by means of the second module according to the invention.
  • the invention provides a third module for providing anomalies detected in an industrial manufacturing process to a verification authority.
  • the third module is designed to carry out the method according to the invention for providing anomalies detected in an industrial manufacturing process to a checking authority.
  • the computer-implemented method, the computer program and the third module can provide detected anomalies to the verification authority in scenario 1 and/or in scenario 2.
  • the invention provides a computer-implemented method for controlling anomalies in industrial manufacturing processes, comprising the steps
  • the invention also provides a computer program for controlling anomalies in industrial manufacturing processes.
  • the computer program comprises instructions which cause a computer to carry out the steps of the method according to the invention for checking anomalies in industrial manufacturing processes when the computer program runs on the computer.
  • the analysis model is trained according to the method according to the invention for obtaining an analysis model for anomaly detection, an anomaly is recognized according to the method according to the invention for determining at least one anomaly value and/or the checking instance according to the method according to the invention for providing anomalies recognized in an industrial manufacturing process to a Verification instance according to one of Claims 15 to 19 integrated.
  • the invention provides a system for controlling anomalies in industrial manufacturing processes.
  • the system includes a first module according to the invention, a second module according to the invention and a third module according to the invention.
  • the system is designed to carry out the inventive method for checking anomalies.
  • the computer-implemented method, computer program and system can control anomalies in scenario 1 and/or in scenario 2.
  • the claimed objects and the present disclosure can monitor all steps of an industrial manufacturing process, as well as component quality tests carried out during/after production, with the help of recorded data and detect deviations from the normal Ztarget state of a sub-process or a test, so-called anomalies, and send them to a checking authority, including a human reviewer.
  • the system according to the invention for checking anomalies in industrial manufacturing processes is an overall system for detecting anomalies.
  • the analysis models, or anomaly detection models form the brain of the overall system.
  • the anomaly detection models assess a condition based on the data and calculate an anomaly score.
  • the anomaly value reflects the degree of the anomaly.
  • anomalies in industrial manufacturing processes are thus determined in a data-driven manner, in particular by ordered, numerical data.
  • human reviewer For functions that are exclusively performed by a human reviewer, the term human reviewer is used.
  • review instance is used for all other functions that a reviewer computer program could perform in addition to or as an alternative to a human reviewer.
  • the reviewer will assess the anomaly and report back his assessment, for example in the form of an annotation. This will create a continuous Improvement achieved during use of the items as well as an adaptation to changing processes and components.
  • annotations are binary annotations, for example "good” and "bad", which are identified in the form of labels.
  • an annotation is divided into several (detail) levels, for example three levels.
  • a first level includes a binary classification of the reviewer. If, for example, the second module detects an anomaly (positive) and the verifier comes to the conclusion that it is in fact not an anomaly, he enters a no/false on the first level, for example. This is a false positive event.
  • the inspector can, for example, specify the affected component in more detail.
  • the reviewer can, for example, provide more details about his review/result.
  • the annotations are reported back online in the form of a table/file, for example.
  • the invention uses sensors and/or sensor models that are used in industrial processes.
  • Sensor models simulate real sensors.
  • the term sensor includes real sensors and sensor models.
  • One way to categorize these sensors is based on their physical measurand, e.g. temperature sensors, vibration sensors, force and pressure sensors, optical sensors including camera, infrared, lidar and radar sensors, measuring the size of a component including its geometry, current and voltage sensors and others. Which sensors are used in a specific case depends on the respective process step.
  • functions of a machine and also the properties of a component are monitored by means of sensors, including the aforementioned sensors.
  • the invention includes the following sensor configurations:
  • Machine-related measurement vibrations and temperatures of one or more components
  • the sensors use Internet of Things technology to transmit data, for example to one another, to individual components/modules of the solution according to the invention and/or to a cloud infrastructure. Automated or autonomous anomaly detection can thus be implemented.
  • the cloud infrastructure includes cloud-based data storage.
  • the cloud infrastructure is, for example, a public, private or hybrid cloud infrastructure.
  • the definition of what constitutes an anomaly can be based on the definition of what is to be understood by a state in the industrial manufacturing process.
  • Part of the solution according to the invention is based on the definition of the status of the production step or component to be monitored with regard to the data describing the status.
  • the status definition can form the basis for further steps up to the detection of anomalies by defining the data basis for the training of models and the use of the solution according to the invention.
  • the definition of both a state and the associated anomalies are not static concepts, but can be subject to change over time, for example because new sensors are available, quality requirements are changed, or materials involved in the process or product are changed.
  • Condition describes the condition/properties of a process, a component and/or a (production) machine at a specific point in time or in a specific time interval.
  • This state is detected by measurements using suitable sensors as described above. Which sensors are suitable depends on the definition of the state as well as the system to be described (component, machine, ). Conversely, the availability of appropriate sensors also influences the definition of the state.
  • a state that is not accessible by appropriate sensors is not a meaningful definition of a state.
  • a state can have different characteristics in the industrial manufacturing process, the invention includes the following state definitions: • The state of a machine can be defined by all of the sensor data within a time interval, for example the last 10 seconds, and also by component-specific parameters.
  • the condition of a component can be defined by the results of a test, as well as by other component parameters, including different component variants.
  • a distribution of the states is determined depending on the respective state definition.
  • An anomaly is a condition, specified by corresponding (sensor) data, that is both rare and, based on the recorded data, deviates from almost all other conditions.
  • An anomaly is rare and different. Nevertheless, it can often be difficult to draw a precise distinction between normal and abnormal, and in many cases even not possible with the available data, so that ultimately a condition is only abnormal with a certain probability. In order to accommodate this fact, the human reviewer is proposed as part of the solution according to the invention.
  • the modules according to the solution according to the invention include hardware and/or software modules, including hardware and/or software modules for regulating and/or controlling industrial manufacturing processes and/or for anomaly detection.
  • the hardware modules include electronic units, integrated circuits, embedded systems, microcontrollers, multiprocessor systems-on-chip, central processors and/or hardware accelerators, e.g. graphics processors, data storage units and connectivity elements, e.g. WLAN modules, RFID modules, Bluetooth modules, NFC modules .
  • the anomaly detection is implemented as functional software in the cloud infrastructure.
  • the commands of the computer programs according to the invention include machine instructions, source text or object code written in assembly language, an object-oriented programming language, such as C ++, or in a procedural programming language, such as C.
  • the computer programs are after a Aspect of the invention Hardware-independent application program that is provided, for example, via a data carrier or a data carrier signal using software over the air technology.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a system according to the invention for industrial anomaly detection
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a system according to the invention for industrial anomaly detection
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a first module according to the invention of the system according to the invention
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a false positive rate after the selection of a limit value based on the anomalis scores from FIG. 5,
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of an optimal limit value for the costs of incorrect classification as an anomaly based on FIG. 6,
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of a second module according to the invention of the system according to the invention
  • 9 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for obtaining an analysis model for anomaly detection
  • 10 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for determining at least one anomaly value
  • FIG. 11 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for providing anomalies detected in an industrial manufacturing process to a checking authority
  • FIG. 12 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for checking anomalies.
  • a production line has a certain production capacity, for example 100 products per day. Production is also scaled up by using several production lines of the same type, in which the same product is then manufactured. In addition to a main line, there are secondary lines in which individual components of the main product are manufactured. A single production step can have different characteristics, for example a component can be screwed together, a component can be milled or a quality inspection can be carried out on a component.
  • 1 shows an industrial manufacturing process IF comprising a main line and two secondary lines.
  • the main line includes the production steps PS1, PS2, PS3.
  • One of the secondary lines also includes three production steps PS1, PS2, PS3 and relates, for example, to the production step PS2 of the main line.
  • the other side lines also include, for example, three production steps PS1, PS2, PS3 and relate, for example, to the production step PS3 of the main line.
  • an end-of-line test EOL is carried out.
  • the system IF-Anom according to the invention monitors, for example, the production steps PS, PS1, PS2, PS3 and/or the respectively associated production machines PM with regard to any anomalies that occur, see FIG. 2 (scenario 1).
  • the system IF-Anom according to the invention carries out quality checks with regard to any anomalies that occur, see FIG. 3 (scenario 2).
  • the IF-Anom system integrates the following steps or modules: Data-based definition of the state Z of the system to be monitored, data storage and processing of all necessary data Data1 -Data5, training an anomaly detection based on historical data Datal, integration of a human reviewer Expert to control the detected Anomalies NOK and to generate further annotations for the targeted expansion of the training database Datal, detection of anomalies, processing of the evaluation of the human reviewer Expert and based on this continuous adjustment and improvement of the anomaly detection.
  • the basic functionalities such as saving and expanding the database Data, Data1 -Data5, Training Ref, Anno of models, setting up configurations of trained models Config-Model, requesting annotations to expand the data basis Data, Data1 -Data5, are handled by a first module IF-Anom Core adopted, see Fig. 4.
  • the task of detecting potential anomalies NOK is carried out by a second module IF-Anom anomaly detector, see FIG .
  • the response from IF-Anom then contains a classification of the state Z as "normal/abnormal", optionally with confidence estimation, and is sent to a human expert for verification via a third module IF-Anom annotation manager.
  • IF-Anom's suggestions are actually verified by a human depends on both the use case and how far the training of IF-Anom has progressed, i.e. how high the expected accuracies of the assessments of IF-Anom are.
  • the IF-Anom system includes the option of integrating further data sources into a production step PS.
  • This can, for example, be an additional vibration sensor coupled to a special excitation.
  • the data generated in this way can be transmitted to the IF-Anom system during operation and, as soon as a sufficient amount of data has been generated, serve as an additional data source for model training.
  • Scenario 1 shown in FIG. 2 could, for example, relate to the case of a broken production machine. So far, in such a case, a repair has only been carried out after the production machine has failed and costs for a production downtime have thus arisen. If the production machine does not fail immediately, faulty components can still be produced unnoticed, which can be further processed and then lead to problems in downstream production steps PS, PS1, PS2, PS3 or products.
  • Scenario 2 shown in FIG. 3 could relate to the testing of components, for example.
  • Component also refers to finished products.
  • Scenario 2 shown in FIG. 3 thus also includes, in particular, the end-of-production inspection EOL of a product.
  • EOL end-of-production inspection
  • This plays a central role in the industrial manufacturing process IF and ensures consistent, high quality of the components produced.
  • the challenge here is to quantify the requirements for a good component, which leads to initial difficulties in testing, especially for new components. If the corresponding requirements are not defined precisely enough, there is a risk of too many rejects on the one hand, and on the other hand there is a risk that defective components will be further processed and/or delivered.
  • the system IF-Anom according to the invention can carry out the method according to the invention for checking anomalies NOK.
  • the penetration of the industrial manufacturing process IF and/or the tests with sensors and the corresponding availability of data Data2 offers the possibility of the intelligent system IF-Anom and/or its respective modules IF-Anom Core, IF-Anom anomaly detector, IF-Anom annotation manager, using artificial intelligence, among other things, to record the status Z of a production step PS, PS1, PS2, PS3 or a test based on data and subsequently to detect and report abnormal behavior.
  • this enables an early reaction to changes that occur, ideally before a process comes to a standstill or a defective component continues in the process chain, and on the other hand, better identification of the underlying error.
  • Machine learning is a technology that teaches computers and other data processing devices to perform tasks by learning from data rather than being programmed to do the tasks.
  • the solution according to the invention corresponds to a data-based application, for which machine learning can advantageously be used.
  • the individual computer-implemented methods and modules according to the invention and the system according to the invention execute machine learning algorithms.
  • the analysis models for anomaly detection are based on machine learning algorithms.
  • Examples of machine learning algorithms covered by the invention are artificial neural networks, for example convolutional networks, support vector machines and random forest models.
  • process step should be used as a general term for a production step as well as for a test.
  • the system IF-Anom monitors a production step PS or a production machine PM, for example. This could be, for example, a lathe machining a component or a component being screwed together by a human being.
  • the procedure for using the IF-Anom system is, for example, as follows. After the process step to be monitored has been determined, the relevant database Data 2 is assessed. Based on this, a data-based definition of the state Z to be monitored is established. Then the initial training data Datal for the system IF-Anom is selected.
  • the main data source of the training data Datal regularly consists of the historical data of the process in question and the upstream processes insofar as these are relevant for the assessment of the state Z. This can be, for example, geometry information from the components involved.
  • data from comparable processes can be used as a second data source for the training data Datal.
  • synthetic data can be used as third data sources of the training data DataB. In this case, data, for example via a physical model of the process in question, is artificially generated/simulated.
  • a transfer learning can be used, for example.
  • the processing of the data Data1 -Data4 and the model training are taken over by the first module IF-Anom Core, see Fig. 4.
  • data Data2 is continuously sent from the monitored process to the second IF-Anom anomaly detector module.
  • the second module IF-Anom anomaly detector receives the current models from the first module IF-Anom Core, as well as an application-specific configuration Config-Model, in which, for example, the necessary pre-processing of the incoming data Data2 is specified. Using these models, the current state Z is then assessed by the second module IF-Anom anomaly detector.
  • This assessment is passed on to the third module IF-Anom annotation manager.
  • the third module IF-Anom annotation manager takes over the task decide whether and when a state Z is given to one, or to which, human expert for assessment. For example, roughly speaking, detected anomalies are almost always propagated, and additionally detected-normal samples under certain circumstances.
  • the evaluations by the human expert go back to the third module IF-Anom Annotation Manager, which decides in what form annotations go back to the first module IF-Anom Core in order to expand the database there accordingly.
  • the third module IF-Anom annotation manager has access to meta information regarding the assessment, for example an anonymous identification of the assessing expert, especially if necessary for data protection reasons, as well as a time stamp when the assessment was written. Details of the third module IF-Anom Annotation Manager are described below.
  • the data sent to the second module IF-Anom Anomaly Detector are passed on to the first module IF-Anom Core Module for processing and data storage.
  • the first module, IF-AnomCore regularly retrains or retrains anomaly detection models.
  • the first module IF-Anom Core also has the possibility to send annotation requests to the third module IF-Anom Annotationsmanager.
  • an NOK anomaly is confirmed by the expert reviewer as an NOK anomaly or if the detected NOK anomaly is released without checking, two reactions are set in motion, for example.
  • the monitored production step PS is examined more closely based on the state Z recognized as abnormal, in order to decide whether/when maintenance/repair must be carried out.
  • the components that were processed during and after the occurrence of the NOK anomaly can be sorted out as a precaution and/or examined separately.
  • An exemplary application of the fourth module IF-Anom Data for additional data generation in this scenario is a specially designed test program that
  • Machine states generated that are not under standard production conditions occur, but contain a high level of information about the health of the components of the production machine PM to be monitored.
  • Fig. 3 shows the application of the IF-Anom system to industrial test methods, for example the end-of-production test EOL of gears. While there are hardly any differences between the scenarios shown in FIGS. 2, 3 at the level of algorithmic anomaly detection, there are significant differences with regard to the data.
  • Test methods carry out an annotation according to OK and non-OK NOK.
  • the main area of application of the IF-Anom system in this scenario is to search for anomalies NOK within the OK components that are not recognized as NOK by the current test procedure. These are also often referred to as unknown anomalies, in contrast to the known anomalies, the NOC.
  • the use of the IF-Anom system can lead to the replacement of the existing test procedure, which would then mean that all components would be assessed by the IF-Anom system.
  • the fourth data source is data Data4 from the later use of products, so-called field data. If problems or failures occur during the use of products, this is a possible indication of NOK anomalies that are not detected by the current test procedure and thus an opportunity to test and train anomaly detection algorithms.
  • An important step in data generation here is the generation of special suggestions within test procedures by the fourth module IF-Anom data, for example driving through a transmission in different gears over a certain period of time in different load states.
  • the under this suggestion The generated data often has a much higher information content of the process step to be analyzed than without this targeted suggestion.
  • a recognized, confirmed anomaly NOK leads to the sorting out and repair or dismantling of the component in question.
  • the first module IF-Anom Core includes two essential functions of the IF-Anom system, on the one hand the processing and data storage of incoming data Data1 -Data4 using a data processing module, on the other hand the training and evaluation of models for anomaly detection using a training module module 2. Both functions are subject to a temporal aspect, ie at the beginning of the use of the IF-Anom system, existing data Data2 from the process to be monitored is first accessed and/or data from comparable processes or synthetically generated data. Based on this, a status definition is developed. Data and state definition are brought into a form suitable for the subsequent steps and stored.
  • a first data memory Mem1 stores the data and/or configurations of the data processing module.
  • the training module Modul2 reads in the data from the first data memory Mem1.
  • the existing data is used for the initial training of anomaly detection models.
  • a suitable separation of the existing data into training, validation and test data is assumed here as a standard procedure and is therefore not mentioned explicitly.
  • the IF-Anom system has two different approaches to anomaly detection.
  • the normal state of a process step PS is recorded. This is based on the assumption that abnormal states in a process step PS are rare. Based on this assumption, a quantitative characterization of the distribution of the training states, i.e. almost exclusively normal states, is calculated. This characterization of normal states is called the reference state, or reference for short. The degree of deviation between a questionable state and the reference is then calculated for anomaly detection.
  • conspicuous i.e. potentially abnormal
  • behavior from the past must be known and corresponding data must be available, i.e. historical data must at least be divided into the classes normal/abnormal.
  • the IF-Anom system learns to recognize patterns that are associated with conspicuous or inconspicuous behavior in the data.
  • patterns are then sought that indicate abnormal behavior and their occurrence is quantified.
  • the more detailed the annotations available the more accurate the output. If only annotations of the form normal/abnormal are present, the IF-Anom system will only classify states into these classes, as in the reference-based methodology.
  • the advantage of the reference-based methodology is a potentially more generic anomaly detection, which can be particularly beneficial when detecting unknown anomalies.
  • Benefits of the annotation-based methodology is a higher level of detail in anomaly detection and potentially a better compromise between false-positive and false-negative predictions on known anomalies.
  • the system IF-Anom can combine the results of a reference-based and an annotation-based approach Ref, Anno to train meta models Meta.
  • the type of combination depends on the application, the quality of the available models and the current data.
  • Various types of combination are possible, from a simple weighted sum to specially developed models, which are also trained on historical data/anomaly predictions and are used by the second module IF-Anom Anomaly Detector.
  • the trained reference models, annotation-based models, the combined meta-models and/or the results of the model evaluation are stored or temporarily stored in a second data memory Mem2 of the training module Module2.
  • the released models are reloaded for use in the second module IF-Anom anomaly detector.
  • the IF-Anom system can be put into operation. This opens up further sources of information for the IF-Anom system.
  • the current process step or test data which is sent to the second module IF-Anom Anomaly Detector, is made available to the system.
  • the IF-Anom system receives the manual evaluations of the potential anomalies, which are carried out at least statistically.
  • the IF-Anom system can send annotation requests to the third module IF-Anom Annotation Manager during the training of models, in order to expand the database with annotations, for example in the context of active learning.
  • the IF-Anom system thus builds up an annotated database during operation. This contains at least the classes normal/abnormal, but can also have a higher level of detail if the human reviewer Expert provides appropriate annotations. As a result, the IF-Anom system will always have an annotated dataset available over time.
  • the database which is expanded during operation, is used to regularly train new models. Even if only reference-based models Ref were used at the beginning, due to the absence of an annotated data set, annotation-based models Anno can now also be used. These can then replace or supplement the models currently used in the company. In addition, successfully trained and tested models can be used in an iterative process to clean the historical data, which was used for the initial training of a frequently reference-based model Ref, from anomalies that were not recognized in the past. By improving the quality of the initial training set, an additional improvement in model accuracy can be achieved.
  • the monitoring of the model training and the release of new models for productive anomaly detection can be automated using the monitoring module Moduli and/or the control module Modulß or manually based on the accuracy achieved and can be controlled by the control module Modulß as a function of a user interface.
  • the control module Modulß is also used to display the data in the past, for example the last x days, achieved accuracy of anomaly detection, including the proportion of actual anomalies to the proposed anomalies, and thus fulfills a monitoring function.
  • the monitoring module module reads the data from the first data memory Mem1 and can exchange data with the control module module B.
  • Employed models can make errors in two directions, a condition recognized as abnormal is in fact normal, which corresponds to a false positive result. Or a condition that is actually abnormal has been classified as normal, which corresponds to a false negative result. In most cases there is competition between the two errors, i.e. a lower number of false negative predictions is accompanied by a higher number of false positive predictions and vice versa.
  • the challenge at this point is that for a meaningful assessment of the usability of a model, the cost/cost function that an undetected anomaly or a normal state that is recognized as an anomaly entails must be taken into account.
  • the IF-Anom system offers quantitative support for this.
  • the IF-Anom system offers the possibility of a detailed examination, in which the respective costs of the possible errors can be taken into account and thus an optimal decision can be made under the given circumstances, see Fig. 5.
  • the first module IF-Anom Core performs the method of obtaining analysis models according to the invention.
  • a model here logistic regression, assigns an anomaly score AS1, AS2, AS3 to test examples.
  • the number of states is plotted on the abscissa.
  • the anomalies score is plotted on the ordinate.
  • the points marked as normal/abnormal represent ground truth.
  • the normal/abnormal classification would now be based on a limit value or threshold related to the anomalies score AS1, AS2, AS3. For example, if the cutoff is determined to be 0.8, any anomalis scores determined by the model that are greater than 0.8 correspond to an anomaly. That is, the points marked as normal above 0.8 correspond to false positive events.
  • Figure 6 is a threshold optimization curve, also known as a receiver operating characteristic.
  • the AUC value ie the size of the area under the curve, is a quality measure for the model. If the costs, including material costs, for an unrecognized anomaly, i.e. false negative, and a wrong classification as an anomaly, i.e. false positive, are known, an optimal limit value, i.e. an optimal model, can be calculated for productive use see dashed line in FIG. 7.
  • the limit value is set too small, for example all components whose received anomaly value is above the limit value are sorted out, including many components with incorrect classification. This leads to high costs. If the threshold value is too large, many components will be retained, including many components with undetected anomalies. The optimal limit obtained by optimizing the cost function balances these two trends.
  • Logistic regression is just one example of an analysis model here.
  • the solution according to the invention is not limited to a specific analysis model.
  • Further analysis models for carrying out the invention include, for example, isolation trees, also known as isolation forests, autoencoders, generative adversarial networks, also known as generative adversarial networks, convolution networks or support vector machines.
  • Isolation Forest denotes an anomaly detection algorithm that identifies anomalies through isolation. Anomalies are isolated using binary trees. Isolation forest works well in situations where the training set contains no or few anomalies. This means that the isolation forest is an advantageous analysis model for the solution according to the invention.
  • the second challenge is usually that there are few or, in the extreme case of unknown anomalies, no test anomalies that can be used for the evaluation. This leads at least to the fact that the evaluation of different models gets a statistical significance problem and in extreme cases it is even not possible to evaluate models at first.
  • the IF-Anom system solves this problem by linking it to a human expert evaluator. If there are not enough test anomalies at the beginning, various models are used by manually evaluating the ones found anomalies evaluated. As a result, an initial evaluation of models takes place, by means of which a model can be selected for the first productive use.
  • an initial set of annotated examples is generated, which can be used to evaluate models in the further course of using the IF-Anom system.
  • the exchange between examples for annotation and the corresponding assessments by a human expert reviewer is carried out by the third module IF-Anom annotation manager.
  • the second module IF-Anom anomaly detector takes on the task of processing incoming data comprehensively Data2 according to the existing status definition and data pre-processing routines.
  • the incoming data is processed in the same way as the historical data Datal used for model training.
  • An assessment is then carried out using the available anomaly detection models.
  • the output of each model includes an anomaly score, the anomalies score AS1, AS2, AS3.
  • the anomaliscore AS1, AS2, AS3 indicates how abnormal the evaluated state Z is, usually but not necessarily, the higher the more abnormal. Which methodology and which models are used depends on the application and the availability of models of sufficient quality.
  • the anomaly value calculated by this model is sent to the third module IF-Anom annotation manager.
  • this value is passed through by the combiner module Modul5. This case usually occurs at the beginning of the use of the IF-Anom system, when not enough annotated data is available and only a reference-based model is used.
  • a data entry/control module module 4 determines fifth data Data5 from the data of the first module IF-Anom Core and/or from the configuration of trained models Config-Model.
  • the fifth data Data5 includes the status data and models.
  • the second module IF-Anom anomaly identifier carries out a reference-based anomaly identifier Ref-anomaly and/or an annotation based anomaly detection Anno anomaly by.
  • a first anomaly score AS1 is determined in the reference-based anomaly detection Ref-anomaly.
  • a second anomaly score AS2 is determined.
  • the unifier module Module5 takes on the task of calculating a final, third anomaly score AS3 from the first and second anomaly scores AS1, AS2 .
  • the following procedure can be used:
  • the annotation-based model detects an anomaly, ie the anomaliscore AS2 belonging to an anomaly class is greater than a set limit value, then this assessment is given to the third module IF-Anom annotation manager.
  • the unifier module Modul5 simply passes on the result.
  • the unifier module also receives the assessment of the reference-based model. Then there are two possible approaches:
  • the unifier module takes over the assessment of the reference-based model and gives the calculated first anomaly score AS1 together with a classification based on a limit value as normal/abnormal to the third module IF-Anom annotation manager.
  • the unifier module takes the assessments of the annotation-based and the reference-based approach to generate a meta-prediction from them.
  • a separate model Meta can be trained for this purpose.
  • meta-information about the state Z in question as well as historical test accuracies of the models used can also be included in this model.
  • an anomalies score here the third anomalies score AS3, as well as a threshold-based assessment normal/abnormal passed to the third module IF-Anom annotation manager.
  • the communication between the IF-Anom system and the manual check of the predicted anomaly values/anomaly classes is taken over by the third module IF-Anom annotation manager.
  • the data pre-processed by the second IF-Anom anomaly detector module are sent to the first IF-Anom Core module for data storage and further processing.
  • the second module IF-Anom anomaly identifier carries out the method according to the invention for determining at least one anomaly value AS1, AS2, AS3.
  • the third module IF-Anom Annotation Manager takes over the tasks related to the generation of annotations, including:
  • the third module IF-Anom annotation manager carries out the method according to the invention for providing recognized anomalies to the checking instance Expert.
  • the models of the second module IF-Anom anomaly detector assign an anomaly value AS1, AS2, AS3 to a state Z to be examined, as well as a classification based on a limit value, at least into the classes normal/abnormal; in the case of training data with a higher level of detail, into the correspondingly more detailed classes. Based on this assessment, the third module IF-Anom annotation manager decides how to proceed.
  • condition Z has been assessed as abnormal, a decision is made as to whether a check by a human expert takes place or, usually if the expected accuracy is high, whether the condition Z is reported as an anomaly NOK without further checking.
  • the state Z can still be sent to an Expert for verification, flagged as a potential anomaly, in order to subject the modeling carried out by the IF-Anom system to a statistical control and at the same time to ensure the attention of the Expert verifiers.
  • the probability of whether a normal state is sent to a checker Expert can be made dependent on the calculated anomaly value AS1, AS2, AS3, for example the more abnormal, the more likely a check will take place.
  • the continuous improvement of the IF-Anom system is achieved by using the annotations of the reviewers Expert for further training of models, and thus the knowledge of the human experts Expert flows into the anomaly detection.
  • a characteristic of many of the models used here, especially those from the field of artificial intelligence is that a certain number of examples of a class must be present for the class to be successfully learned and consequently recognized. In the operation of the IF-Anom system, this can lead to a human reviewer Expert very often having to classify very similar states Z as a true-positive or false-positive prediction before a model is able to recognize a comparable state Z as surely sufficiently abnormal or as not abnormal.
  • the third module IF-Anom annotation manager can calculate the similarity of a state Z to already recognized ones before there is a potential anomaly to a verifier expert. If there is a high level of agreement, the state Z in question can then be given the annotation of the already known similar state Z without further checking.
  • the degree of the necessary similarity is defined via a limit value to be set.
  • the first module can send annotation requests to receive annotations to improve the models during training, for example in the context of active learning.
  • a model calculates that the annotation of certain training states can particularly increase the model quality and these states Z are then given to a verifier expert by the third module IF-Anom annotation manager in order to specifically expand the annotated database.
  • the first module IF-Anom Core can also send annotation requests to the third module IF-Anom Annotation Manager for the purpose of model evaluation.
  • the final evaluation of a trained model requires a test data set. If this is incomplete or too small, the first module IF-Anom Core can make specific annotation requests to evaluate a model.
  • These are then sent by the third module IF-Anom annotation manager to a verifier Expert. This case plays a major role in particular at the beginning of the use of the IF-Anom system or after process changes, if not enough suitable test states Z are available.
  • Another functionality of the IF-Anom system, more precisely of the third module IF-Anom annotation manager, is that different human reviewers Expert are systematically tested.
  • a status Z that has already been checked is given again to an expert for annotation.
  • This can be the same Verifier Expert, for example at a different time of day, or it can be a different Verifier Expert.
  • This essentially serves to weight the annotations given by the Expert reviewers accordingly and, if necessary, to continuously improve the annotation quality and thus the accuracy of the IF-Anom system by asking other Expert reviewers and/or at other times.
  • a basic goal when performing the annotations described above is to improve the existing database and thus the accuracy of the anomaly detection models.
  • the IF-Anom system performs an evaluation of the incoming annotations. This evaluation is based firstly on an assessment of the accuracy of an annotation by the expert reviewer himself, i.e. an expert reviewer states how certain he is of an annotation, for example in the three levels very certain, certain, unsure.
  • the IF-Anom system performs its own assessment of the quality of an annotation based on metadata such as the ID of the Verifier Expert and the quality of the annotations made by this Verifier Expert in the past, including time of day, day of the week, degree of anomaly, self-assessment and other relevant variables as well as the assessment by the reviewer Expert associated with an annotation.
  • metadata such as the ID of the Verifier Expert and the quality of the annotations made by this Verifier Expert in the past, including time of day, day of the week, degree of anomaly, self-assessment and other relevant variables as well as the assessment by the reviewer Expert associated with an annotation.
  • the IF-Anom system decides whether an annotation is trustworthy enough to immediately send it to the first IF-Anom module Core to expand the training data set there, or whether the state Z is sent to a human reviewer Expert for further annotation. This usually involves selecting a different person, but it can also select the same person at a different time of day.
  • a third annotation is requested. If there is a majority, the annotation can be sent to the first module IF-Anom Core or one of the next steps can also be carried out.
  • a state Z is not 100% assigned an annotation, but a state Z can have several, even contradictory, annotations, with each annotation being weighted, i.e. a state is, for example, 80% not okay and 20% okay .
  • This weight can be assigned by the IF-Anom system based on its assessment of the annotation quality.
  • the weighted annotations are then sent to the first module IF-Anom Core to extend the training data set.
  • the flawless condition Z of a finished transmission is determined as part of an end-of-line test EOL.
  • This test includes a functional and acoustic test.
  • a Speed ramp driven and meanwhile the resulting structure-borne noise is measured on the gearbox housing.
  • the established assessment of the transmission condition then occurs in the following manner.
  • the time signal is converted into a sonogram using a Fast Fourier Transform.
  • areas can be assigned to specific transmission components and provided with limit values that must not be exceeded. Based on these areas, so-called characteristics, and the associated limit values, the condition Z of a transmission is determined as OK if no limit value is exceeded and as Not OK (NOK) if at least a limit is exceeded.
  • NOK Not OK
  • the established transmission acoustic test is expanded to include anomaly detection using the IF-Anom system according to the invention.
  • the data basis of the IF-Anom system consists of the time signals that are recorded during the acoustic test and other meta information including the variant of the transmission, the ID of the testing test station, the ID of the production line, and the result of the established test NOK or OK . All of this data then also defines the state Z of a transmission, i.e. the state Z of a transmission in the sense of the IF-Anom system is defined by the acoustic signal from the EOL test, the result of the EOL test N IO/IO, the Transmission variant, the checking test station and the production line.
  • the historical acoustic test data of various transmission variants, test stations and production lines are available as training data Datal, as well as the annotation in OK and NOK according to the established one described above test procedure.
  • the training data set Datal for reference-based models can thus be optimized to the extent that the known NOK are already removed.
  • the existing annotations can also be used to train annotation-based models. However, these are then only applied to IO cases in order to find unrecognized NOK.
  • Data4 Complaints from the operation of the gearbox are used as Data4 as a further data source for checking the anomaly detection. It is checked to what extent the anomalies recognized in the historical data are related to complaints in the field.
  • the data pre-processing includes a transformation of the acoustic time signal into the frequency space by means of Fourier transformation or wavelet transformation. Furthermore, normalization steps, for example to the speed, can be added.
  • the anomaly detection models described below are trained with the initially available data.
  • a model that is based on the statistical recording of the distribution of the training data and calculates the deviation from the statistically observed normal state for anomaly detection. This model thus falls into the category of reference-based models.
  • An autoencoder is a model with a two-part neural network architecture. One part of the model learns to create a low-dimensional representation of a state, for example a sonagram, and the second part of the model learns to restore the original state from this. The mistake that is made in doing this is for infrequently occurring ones States larger than for the majority of the occurring states Z. This model can thus be used for anomaly detection. The anomalies score AS1 then results from the difference between the original sonagram and the restored sonagram calculated by the model.
  • This model is also a reference-based model.
  • a convolution network can be trained to differentiate between OK and NOK states.
  • the trained model can only be used for states Z that have been classified as IO by the established method.
  • the model looks for patterns in the IO states that actually belong to NIO cases.
  • the probability calculated by the model that the condition in question belongs to the NOK class then serves as the anomaly score AS2.
  • This model can be classified in the class of annotation-based models.
  • the models described are trained at the level of transmission variants and production lines. There is one version of each model for each transmission variant and production line. This restriction is always recorded in the associated configuration Config-Model, so that the model associated with the transmission in question is always loaded later on.
  • the accuracy of the developed models is tested in two ways. As a quick test, the accuracy with which a model would have found the known NOK of a test data set is calculated. If the result is promising, annotation requests are sent to an Expert human reviewer for analysis of the accuracy with which unknown anomalies are detected.
  • the model for the unifier module Modul5 is kept simple here. If an annotation-based model does not detect an anomaly, the assessment of the reference-based model is used, ie in this case no additional model training for the unifier module Module5 is required.
  • the threshold values used to decide whether an anomalies score leads to classification as abnormal are set very narrowly in this case, for the following reasons:
  • the IF-Anom system is only used as an additional safety net.
  • Verifying the potential anomalies is laborious, so it is beneficial to focus on the very anomalous states Z.
  • the data belonging to its state Z are sent to the second IF-Anom anomaly detector module for each EOL-tested transmission.
  • the statistical model is used as a reference-based model and, in addition, the annotation-based model described.
  • the final anomaly prediction is then sent to the third module IF-Anom annotation manager and, if an anomaly is detected, always, since the thresholds are set correspondingly high, on to the human reviewer Expert.
  • a gearbox classified as not abnormal will be sent for expert checking with a certain probability. The probability depends on the distance to the set anomaly score limit.
  • an explainability output can be generated using the models used. This makes it transparent for the expert reviewer which areas of the sonagram were relevant for the normal/abnormal decision.
  • a transmission that is actually abnormal is then sorted out and repaired in a rework process.
  • two accuracies are manually monitored, which can be calculated from the manually annotated states Z requested by IF-Anom.
  • this is the rate of false positives in relation to the states Z classified as abnormal, and on the other hand the rate of anomalies, i.e. false negatives, among the states Z classified as normal.
  • the false positive rate and /or the false negative rate can be counteracted either by changing the set limit values or by retraining the models, preferably on more recent data.
  • FIG. 9 schematically shows the computer-implemented method according to the invention for obtaining an analysis model for anomaly detection in an industrial manufacturing process IF.
  • data Data1, Data2, Dataß, Data4 are obtained from states Z, for example of a production machine PM, P in, for example, a process step PS to be monitored.
  • a state definition is determined from the data in a method step C2.
  • the data and the state definition are stored in a first data memory Mem1.
  • an analysis model for anomaly detection in the form of an artificial intelligence K1 for example an artificial neural network, is trained on the data Data1, Data2, Data3, Data4.
  • the analysis model learns to classify states Z that are rare and/or deviate from other states Z as anomalies.
  • the trained analysis model is evaluated by the checking instance Expert using an annotation of the anomalies found.
  • the data Data1, Data2, Data3, Data4 are expanded with the annotations in a method step C6 and stored.
  • the trained analysis model and its evaluation are stored in a method step C7.
  • the first module IF-Anom Core is a software module, a hardware module or a combination of software and hardware module.
  • the first module IF-Anom Core executes the method steps C1 -C7, for example.
  • 10 schematically shows the computer-implemented method according to the invention for determining at least one anomaly value AS1, AS2, AS3 in an industrial manufacturing process IF.
  • sensor-measured data from states Z for example of the production machine PM
  • a reference-based analysis model Ref-Anomaly is obtained, for example, which was trained, for example, on historical data of the data for anomaly detection.
  • the data is fed into the Ref-Anomaly analysis model.
  • the analysis model Ref-Anomaly receives the anomaly value AS1, AS2, AS3.
  • the anomaly value AS1, AS2, AA3 is made available to the checking instance Expert for further checking.
  • the second module IF-Anom anomaly identifier is a software module, a hardware module or a combination of software and hardware module.
  • the second module IF-Anom anomaly detector carries out the method steps E1-E4, for example.
  • FIG. 11 schematically shows the computer-implemented method according to the invention for providing recognized anomalies to the checking instance Expert.
  • a method step M1 an anomaly value AS1, AS2, AS3 is obtained. If the received anomaly value AS1, AS2, AS3 classifies an abnormal state with high accuracy, the state is reported as an anomaly in a method step M2 without further checking. If the received anomaly value AS1, AS2, AS3 classifies an abnormal state that is to be checked further, a similarity to a state already recognized as an anomaly is determined in a method step M3. In the case of high similarity, the annotation of the previously recognized and annotated state is adopted in a method step M4. If the condition recognized earlier was a false positive, this annotation is of course also adopted.
  • a method step M5 the status is made available to the checking instance Expert. Furthermore, the state is annotated accordingly by the checking instance Expert. Conditions classified as normal can also occasionally be reported to the verification authority for the purpose of statistical control of the anomaly detection algorithms and/or to ensure the attention of the verification authority.
  • the third module IF-Anom annotation manager is a software module or a combination of software and hardware module.
  • the third module IF-Anom annotation manager executes the method steps M1-M5, for example.
  • a data-based status Z for example of the process step PS to be monitored, is defined.
  • the data are stored and processed.
  • an analysis model for anomaly detection is trained based on at least historical data, for example using the first module IF-Anom Core.
  • the checking instance is integrated to check detected anomalies and to generate annotations for expanding the database, for example using the third module IF-Anom anomaly detector.
  • the anomalies are detected, for example by means of the second module IF-Anom anomaly detector.
  • the monitored process step PS is checked if an anomaly is detected. For example, the monitored process step PS is examined more closely based on the detected anomaly in order to decide whether and/or when maintenance or repairs need to be carried out. A component that was processed during or after the occurrence of an anomaly can, for example, be sorted out and/or examined separately.
  • the method is carried out, for example, by the system IF-Anom according to the invention for checking anomalies NOK in industrial manufacturing processes IF.
  • Reference sign

Abstract

The invention relates to a computer-implemented method for controlling anomalies (NOK) in industrial manufacturing processes (IF), said method comprising the steps of: data-based definition of a state (Z) of a process step (PS, PS1, PS2, PS3) to be monitored of the industrial manufacturing process (IF) or of a system (A1); storing and processing data measured using a sensor and/or obtained from simulations according to the data-based state definition (A2); training an analysis model (Ref, Anno) to detect anomalies based on at least historical data (A3); integrating a verification instance (Expert) in order to control detected anomalies and generate annotations so as to extend the database (A4); detecting anomalies (A5); controlling the monitored process step (PS, PS1, PS2, PS3) or system if an anomaly is detected (A6).

Description

Computerimplementierte Verfahren, Module und System zur Anomalieerkennunq in industriellen Fertiqunqsprozessen Computer-implemented methods, modules and systems for anomaly detection in industrial manufacturing processes
Die Erfindung betrifft computerimplementierte Verfahren, Module und ein System zur Anomalieerkennung in industriellen Fertigungsprozessen. The invention relates to computer-implemented methods, modules and a system for anomaly detection in industrial manufacturing processes.
Industrielle Fertigungsprozesse sind variable und komplexe Prozesse, die entsprechend anfällig für Fehler und Ausfälle sind. Gleichzeit nimmt im Rahmen der sog. 4. industriellen Revolution die Durchdringung der Fertigungsprozesse mit Sensoren zu, wodurch eine flächendeckende Abbildung der Prozesse durch Daten gewährleistet ist. Die Sicherstellung eines einwandfreien Ablaufs eines industriellen Prozessschrittes ist mit hohem Aufwand und hohen Kosten verbunden, da Fehlerfeststellung als auch Fehlerbeseitigung häufig manuelle Prozesse sind und zudem reaktiv stattfinden. Industrial manufacturing processes are variable and complex processes that are correspondingly prone to errors and failures. At the same time, as part of the so-called 4th industrial revolution, the penetration of manufacturing processes with sensors is increasing, which ensures that the processes are comprehensively mapped by data. Ensuring that an industrial process step runs smoothly is associated with a great deal of effort and high costs, since error detection and error elimination are often manual processes and also take place reactively.
Aufgabe der Erfindung war es, wie industrielle Fertigungsprozesse und/oder einzelne Schritte eines industriellen Fertigungsprozesses überwacht werden können, um verbessert Abweichungen oder Anomalien zu erkennen. The object of the invention was how industrial manufacturing processes and/or individual steps of an industrial manufacturing process can be monitored in order to better detect deviations or anomalies.
Die Gegenstände der Ansprüche 1 , 7, 9, 12, 15, 20, 21 und 23 lösen diese Aufgabe. The objects of claims 1, 7, 9, 12, 15, 20, 21 and 23 solve this problem.
Nach einem Aspekt stellt die Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren bereit zum Erhalten eines Analysemodells für Anomalieerkennung in einem industriellen Fertigungsprozess. Das Verfahren umfasst die Schritte In one aspect, the invention provides a computer-implemented method for obtaining an analysis model for anomaly detection in an industrial manufacturing process. The procedure includes the steps
• Erhalten von Daten von Zuständen eines Prozesses, eines Bauteils und/oder einer Produktionsmaschine in wenigstens einem zu überwachenden Prozessschritt des industriellen Fertigungsprozesses zu einem vorgegebenen Zeitpunkt oder in einem vorgegebenen Zeitintervall, aus gleichartigen Prozessschritten und/oder aus nachgelagerten Prozessen umfassend sensoriell gemessene Daten und/oder aus Simulieren des Prozesses erhaltene Daten;• Obtaining data on states of a process, a component and/or a production machine in at least one process step of the industrial manufacturing process to be monitored at a specified point in time or in a specified time interval, from similar process steps and/or from downstream processes, including data measured by sensors and/or or data obtained from simulating the process;
• Bestimmen einer Zustandsdefinition basierend auf den Daten; • determining a state definition based on the data;
• Speichern der Daten und der Zustandsdefinition; • Trainieren wenigstens eines Analysemodells zur Anomalieerkennung, wobei die Daten in das Analysemodell gespeist werden und das Analysemodell basierend auf der Zustandsdefinition eine Verteilung der Zustände bestimmt und basierend auf der Verteilung die Zustände, die basierend auf den Daten selten sind und/oder von anderen Zuständen abweichen, als Anomalien klassifiziert; • Saving the data and the state definition; • Training at least one analysis model for anomaly detection, the data being fed into the analysis model and the analysis model based on the state definition determines a distribution of the states and based on the distribution the states that are rare based on the data and / or deviate from other states , classified as anomalies;
• Bewerten des trainierten Analysemodells, wobei eine Überprüfungsinstanz Wahr-Positive-Ergebnisse und/oder Falsch-Positive-Ergebnisse unter den klassifizierten Anomalien annotiert; • evaluating the trained analysis model, wherein a verification entity annotates true positives and/or false positives among the classified anomalies;
• Erweitern der Daten mit den Annotationen und Speichern der erweiterten Daten; • augmenting the data with the annotations and storing the augmented data;
• Speichern des trainierten Analysemodells und dessen Bewertung. • Saving the trained analysis model and its evaluation.
Nach einem Aspekt stellt die Erfindung auch ein Computerprogramm bereit zum Erhalten eines Analysemodells für Anomalieerkennung in einem industriellen Fertigungsprozess. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die einen Computer veranlassen, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erhalten eines Analysemodells für Anomalieerkennung in einem industriellen Fertigungsprozess auszuführen, wenn das Computerprogramm auf dem Computer läuft. According to one aspect, the invention also provides a computer program for obtaining an analysis model for anomaly detection in an industrial manufacturing process. The computer program includes instructions that cause a computer to carry out the steps of the inventive method for obtaining an analysis model for anomaly detection in an industrial manufacturing process when the computer program runs on the computer.
Nach einem Aspekt werden während des Trainierens Annotationsanfragen an die Überprüfungsinstanz gesendet. Die Daten werden mit von der Überprüfungsinstanz erhaltenen Annotationen erweitert. According to one aspect, during training, annotation requests are sent to the validation entity. The data is enriched with annotations received from the reviewer.
Nach einem weiteren Aspekt wird zur Anomalieerkennung die Verteilung von Normalzuständen als Referenz bestimmt und/oder Muster werden in den Daten bestimmt basierend auf historischen Daten, die durch entsprechende Annotationen wenigstens in die Klassen normal und anormal klassifiziert sind. According to a further aspect, for anomaly detection, the distribution of normal states is determined as a reference and/or patterns are determined in the data based on historical data, which are classified at least into the classes normal and abnormal by corresponding annotations.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird die Referenz folgendermaßen bestimmt: Die Daten von jedem von N Zuständen werden nach h ■ k Positionen geordnet, wobei jeder Eintrag eines der N Zustände an einer der h ■ k Positionen mit dem Eintrag eines anderen der N Zustände an derselben Position vergleichbar ist. Beispielsweise entsprechen die h ■ k Positionen einer Matrix aus Zeitpunkten und Frequenzen. Es werden damit N Trainingszustände in Form einer N x h x k Anordnung erhalten. Auf die Trainingszustände wird zumindest eine Referenzabbildung angewendet, wobei nach einer vorgegebenen Berechnungsvorschrift ein Wert einer Position in einem Referenzzustand aus den Werten der Position in den Trainingszuständen berechnet wird. Beispielsweise wird für jede Position im Referenzzustand der Mittelwert als eine erste Referenzabbildung und die Standardabweichung als zweite Referenzabbildung jeweils über alle entsprechenden Positionen in den Trainingszuständen berechnet. According to one aspect of the invention, the reference is determined as follows: The data from each of N states is ordered by h·k positions, each entry of one of the N states at one of the h·k positions with the entry of another of the N states at the same position is comparable. For example, the h·k positions correspond to a matrix of times and frequencies. It N training states are thus obtained in the form of an N xhxk arrangement. At least one reference image is applied to the training states, with a value of a position in a reference state being calculated from the values of the position in the training states according to a predetermined calculation rule. For example, for each position in the reference state, the mean is calculated as a first reference image and the standard deviation is calculated as a second reference image over all corresponding positions in the training states, respectively.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Genauigkeit des trainierten Analysemodells erhöht, in dem historische Daten, die initial in das Analysemodell gespeist wurden, von in der Vergangenheit nicht erkannten Anomalien bereinigt werden. According to a further aspect, the accuracy of the trained analysis model is increased by removing anomalies that were not recognized in the past from historical data that were initially fed into the analysis model.
Nach einem weiteren Aspekt wird das Trainieren überwacht und/oder eine Freigabe von weiteren Analysemodellen erfolgt basierend auf einer erzielten Genauigkeit. According to a further aspect, the training is monitored and/or further analysis models are released based on an achieved accuracy.
Nach einem weiteren Aspekt werden die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens iterativ durchgeführt und Analysemodelle neu- und/oder nachtrainiert. According to a further aspect, the steps of the method according to the invention are carried out iteratively and analysis models are retrained and/or retrained.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein erstes Modul bereit zum Erhalten eines Analysemodells für Anomalieerkennung in einem industriellen Fertigungsprozess. Das erste Modul umfasst According to a further aspect, the invention provides a first module for obtaining an analysis model for anomaly detection in an industrial manufacturing process. The first module includes
• ein Datenverarbeitungsmodul, ausgeführt, Daten von Zuständen eines Prozesses, eines Bauteils und/oder einer Produktionsmaschine in wenigstens einem zu überwachenden Prozessschritt des industriellen Fertigungsprozesses zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem bestimmten Zeitintervall, aus gleichartigen Prozessschritten und/oder aus nachgelagerten Prozessen zu erhalten, umfassend sensoriell gemessene Daten und/oder aus Simulieren des Prozesses erhaltene Daten; • a data processing module designed to receive data from states of a process, a component and/or a production machine in at least one process step of the industrial manufacturing process to be monitored at a specific point in time or in a specific time interval, from similar process steps and/or from downstream processes, comprising sensorially measured data and/or data obtained from simulating the process;
• einen ersten Datenspeicher, der die Daten und basierend auf den Daten eine Zustandsdefinition und Datenerweiterungen in Form von Annotationen einer Überprüfungsinstanz speichert; • a first data memory, which stores the data and, based on the data, a state definition and data extensions in the form of annotations of a checking instance;
• ein Trainingsmodul, das wenigstens ein Analysemodell zur Anomalieerkennung trainiert, wobei das Analysemodell basierend auf der Zustandsdefinition eine Verteilung der Zustände bestimmt und basierend auf der Verteilung die Zustände, die basierend auf den Daten selten sind und/oder von anderen Zuständen abweichen, als Anomalien klassifiziert; • a training module that trains at least one analysis model for anomaly detection, the analysis model being based on the state definition determines a distribution of the states and, based on the distribution, classifies as anomalies the states that are rare and/or deviate from other states based on the data;
• eine Schnittstelle zu der Überprüfungsinstanz, um die Annotationen von Wahr- Positiven-Ergebnissen und/oder Falsch-Positiven-Ergebnissen unter den klassifizierten Anomalien zu erhalten; • an interface to the verification entity to obtain the annotations of true positives and/or false positives among the classified anomalies;
• einen zweiten Datenspeicher, der das trainierte Analysemodells und eine Bewertung des Analysemodells basierend auf einem Testdatensatz oder auf einer Bewertung durch die Überprüfungsinstanz speichert. • a second data store storing the trained analysis model and an evaluation of the analysis model based on a test data set or on an evaluation by the verification authority.
Nach einem Aspekt umfasst das erste Modul ferner According to one aspect, the first module further comprises
• ein Überwachungsmodul zur Erhöhung einer Genauigkeit des trainierten Analysemodells, in dem historische Daten, die das Trainingsmodul initial in das Analysemodell gespeist hat, von in der Vergangenheit nicht erkannten Anomalien bereinigt werden, und/oder • a monitoring module for increasing the accuracy of the trained analysis model, in which historical data that the training module initially fed into the analysis model is cleaned of anomalies that were not recognized in the past, and/or
• ein Kontrollmodul zum Überwachen des Trainings und/oder zum Freigeben von weiteren Analysemodellen basierend auf einer erzielten Genauigkeit. • a control module for monitoring the training and/or for enabling further analysis models based on an achieved accuracy.
Das computerimplementierte Verfahren, das Computerprogramm und das erste Modul können Analysemodelle für Anomalieerkennung im Fall einer ausfallenden/Scha- den nehmenden Produktionsmaschine (Szenario 1 ) und/oder bei der Prüfung von Bauteilen (Szenario 2) erhalten. The computer-implemented method, the computer program and the first module can receive analysis models for anomaly detection in the case of a failing/damaging production machine (scenario 1) and/or when testing components (scenario 2).
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren bereit zum Bestimmen wenigstens eines Anomaliewertes in einem industriellen Fertigungsprozess. Das Verfahren umfasst die Schritte According to a further aspect, the invention provides a computer-implemented method for determining at least one anomaly value in an industrial manufacturing process. The procedure includes the steps
• Erhalten von sensoriell gemessenen Daten von Zuständen eines Prozesses, eines Bauteils und/oder einer Produktionsmaschine in wenigstens einem zu überwachenden Prozessschritt des industriellen Fertigungsprozesses; • Obtaining sensor-measured data from states of a process, a component and/or a production machine in at least one process step to be monitored of the industrial manufacturing process;
• Erhalten wenigstens eines Analysemodells, das auf historischen Daten der Daten, auf Daten aus gleichartigen Prozessschritten und/oder auf Daten aus nachgelagerten Prozessen, umfassend sensoriell gemessene Daten und/oder aus Simulieren des Prozesses erhaltene Daten, trainiert wurde zur Anomalieerkennung und Eingeben der Daten in das wenigstens eine Analysemodell;• Obtaining at least one analysis model based on historical data of the data, on data from similar process steps and/or on data from downstream processes, comprising data measured by sensors and/or data obtained from simulating the process trained to detect anomalies and inputting the data into the at least one analysis model;
• Erhalten des wenigstens eines Anomaliewertes als Ausgabe des wenigstens einen Analysemodells; • obtaining the at least one anomaly score as an output of the at least one analysis model;
• Bereitstellen des wenigstens einen Anomaliewertes an eine Überprüfungsinstanz zur Überprüfung des wenigstens einen Anomaliewertes. • Providing the at least one anomaly value to a verification authority for verification of the at least one anomaly value.
Nach einem Aspekt stellt die Erfindung auch ein Computerprogramm bereit zum Bestimmen wenigstens eines Anomaliewertes in einem industriellen Fertigungsprozess. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die einen Computer veranlassen, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen wenigstens eines Anomaliewertes in einem industriellen Fertigungsprozess auszuführen, wenn das Computerprogramm auf dem Computer läuft. According to one aspect, the invention also provides a computer program for determining at least one anomaly value in an industrial manufacturing process. The computer program includes instructions that cause a computer to carry out the steps of the method according to the invention for determining at least one anomaly value in an industrial manufacturing process when the computer program runs on the computer.
Nach einem Aspekt wurde das Analysemodell nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erhalten eines Analysemodells oder mittels eines erfindungsgemäßen ersten Moduls erhalten. Der von der Überprüfungsinstanz überprüfte Anomaliewert fließt in ein Training des Analysemodells ein. According to one aspect, the analysis model has been obtained according to the method for obtaining an analysis model according to the invention or by means of a first module according to the invention. The anomaly value checked by the checking instance flows into a training of the analysis model.
Nach einem weiteren Aspekt wird für den Fall, dass ein Referenz-basiertes Analysemodell, das die Verteilung von Normalzuständen als Referenz bestimmt, und ein An- notation-basiertes Analysemodell, das Muster in den Daten bestimmt basierend auf historischen Daten, die durch entsprechende Annotationen wenigstens in die Klassen normal und anormal klassifiziert sind, bereitstehen, According to a further aspect, in the event that a reference-based analysis model that determines the distribution of normal states as a reference, and an annotation-based analysis model that determines the pattern in the data based on historical data, by corresponding annotations at least classified into the classes normal and abnormal, are available,
• ein von dem Annotation-basierten Analysemodell erhaltener Anomaliewert, der größer als ein vorgegebener Grenzwert ist, der Überprüfungsinstanz bereitgestellt; • an anomaly value obtained from the annotation-based analysis model, which is greater than a predetermined limit value, is provided to the verification authority;
• für den Fall, dass das Annotation-basierte Analysemodell keinen Anomaliewert größer als ein vorgegebener Grenzwert erhält oder einen fraglichen Zustand als normalen Zustand klassifiziert, o ein von dem Referenz-basierten Analysemodell erhaltener Anomaliewert der Überprüfungsinstanz bereitgestellt oder o der von dem Annotation-basierten Analysemodell erhaltenen Anomaliewert und der von dem Referenz-basierten Analysemodell erhaltene Anomaliewert werden kombiniert und der kombinierte Anomaliewert der Überprüfungsinstanz bereitgestellt. • in the event that the annotation-based analysis model does not receive an anomaly value greater than a predetermined limit value or classifies a questionable state as a normal state, o an anomaly value obtained from the reference-based analysis model is provided to the checking instance or o the anomaly value obtained from the annotation-based analysis model and the anomaly value obtained from the reference-based analysis model are combined and the combined anomaly value is provided to the verification authority.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein zweites Modul bereit zum Bestimmen wenigstens eines Anomaliewertes in einem industriellen Fertigungsprozess. Das zweite Modul umfasst According to a further aspect, the invention provides a second module for determining at least one anomaly value in an industrial manufacturing process. The second module includes
• ein Dateneingabe-ZSteuermodul, ausgeführt, o sensoriell gemessenen Daten von Zuständen eines Prozesses, eines Bauteils und/oder einer Produktionsmaschine in wenigstens einem zu überwachenden Prozessschritt des industriellen Fertigungsprozesses und o wenigstens eines Analysemodells, das auf historischen Daten der Daten, auf Daten aus gleichartigen Prozessschritten und/oder auf Daten aus nachgelagerten Prozessen, umfassend sensoriell gemessene Daten und/oder aus Simulieren des Prozesses erhaltene Daten, trainiert wurde zur Anomalieerkennung zu erhalten; o die Daten in das wenigstens eine Analysemodell einzugeben wenigstens einen Anomaliewert zu erhalten; • a data input Zcontrol module, executed, o sensor-measured data from states of a process, a component and/or a production machine in at least one process step to be monitored of the industrial manufacturing process and o at least one analysis model based on historical data of the data on data from similar process steps and/or on data from downstream processes, comprising data measured by sensors and/or data obtained from simulating the process, to obtain anomaly detection; o input the data into the at least one analysis model to obtain at least one anomaly score;
• eine Schnittstelle zu einer Überprüfungsinstanz zum Bereitstellen des wenigstens einen Anomaliewertes die Überprüfungsinstanz zur Überprüfung des wenigstens einen Anomaliewertes. • an interface to a checking instance for providing the at least one anomaly value the checking instance for checking the at least one anomaly value.
Nach einem Aspekt umfasst das zweite Modul ferner ein Vereinigermodul zum Kombinieren eines von einem Annotation-basierten Analysemodell erhaltenen Anomaliewertes und eines von dem Referenz-basierten Analysemodell erhaltenen Anomaliewertes. According to one aspect, the second module further comprises a unifier module for combining an anomaly value obtained from an annotation-based analysis model and an anomaly value obtained from the reference-based analysis model.
Nach einem weiteren Aspekt ist das zweite Modul ausgeführt, Anomaliewerte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Anomaliewertes zu bestimmen. Das computerimplementierte Verfahren, das Computerprogramm und das zweite Modul können einen Anomaliewert in Szenario 1 und/oder in Szenario 2 bestimmen. According to a further aspect, the second module is designed to determine anomaly values according to the method according to the invention for determining at least one anomaly value. The computer-implemented method, the computer program and the second module can determine an anomaly value in scenario 1 and/or in scenario 2.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren bereit zum Bereitstellen von in einem industriellen Fertigungsprozess erkannten Anomalien an eine Überprüfungsinstanz. Das Verfahren umfasst die SchritteAccording to a further aspect, the invention provides a computer-implemented method for providing anomalies detected in an industrial manufacturing process to a verification authority. The procedure includes the steps
• Erhalten wenigstens eines Anomaliewertes; • obtaining at least one anomaly score;
• falls der erhaltene Anomaliewert einen anormalen Zustand klassifiziert: o falls der erhaltene Anomaliewert einen anormalen Zustand klassifiziert mit hoher Genauigkeit, Melden des Zustands als Anomalie ohne weitere Überprüfung; o oder falls der erhaltene Anomaliewert einen anormalen Zustand klassifiziert Bereitstellen des Anomaliewertes an eine Überprüfungsinstanz; o Berechnung der Ähnlichkeit zwischen dem fraglichen anormalen Zustand und bereits früher als anormal klassifizierten und durch die Überprüfungsinstanz annotierten Zuständen mittels einer gegebenen Metrik und bei hinreichender Gleichheit Übernahme der Annotation des bereits klassifizierten Zustandes ohne weitere Überprüfung; • if the obtained anomaly score classifies an abnormal condition: o if the obtained anomaly score classifies an abnormal condition with high accuracy, reporting the condition as an anomaly without further verification; o or if the obtained anomaly value classifies an abnormal state, providing the anomaly value to a verification authority; o Calculation of the similarity between the abnormal state in question and states previously classified as abnormal and annotated by the verification authority using a given metric and, if there is sufficient equality, taking over the annotation of the already classified state without further verification;
• falls der erhaltene Anomaliewert einen normalen Zustand klassifiziert: o in einem Teil der Fälle keine Meldung; o in einem anderen Teil der Fälle trotzdem Meldung an die Überprüfungsinstanz, zum Zwecke der statistischen Kontrolle der Anomalieerkennungsalgorithmen und/oder zur Gewährleistung der Aufmerksamkeit der Überprüfungsinstanz. • if the anomaly value obtained classifies a normal state: o no report in a part of the cases; o In another part of the cases, nevertheless, report to the verification body, for the purpose of statistical control of the anomaly detection algorithms and/or to ensure the attention of the verification body.
Ob ein als normal klassifizierter Zustand zur Überprüfungsinstanz geschickt wird, kann beispielsweise vom Grad der Normalität/Anormalität abhängig gemacht werden, welcher durch die Höhe des errechneten Anomaliewertes repräsentiert wird. Whether a state classified as normal is sent to the checking instance can be made dependent on the degree of normality/abnormality, for example, which is represented by the level of the calculated anomaly value.
Nach einem Aspekt stellt die Erfindung auch ein Computerprogramm bereit zum Bereitstellen von in einem industriellen Fertigungsprozess erkannten Anomalien an eine Überprüfungsinstanz. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die einen Computer veranlassen, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen von in einem industriellen Fertigungsprozess erkannten Anomalien an eine Überprüfungsinstanz auszuführen, wenn das Computerprogramm auf dem Computer läuft. According to one aspect, the invention also provides a computer program for providing anomalies detected in an industrial manufacturing process to a verification authority. The computer program includes instructions that cause a computer, the steps of the method for providing to carry out anomalies detected in an industrial manufacturing process to a checking instance when the computer program is running on the computer.
Nach einem Aspekt erfolgt das Annotieren des Zustandes in Abhängigkeit According to one aspect, the state is annotated as a function
• einer Einschätzung der Genauigkeit der Annotation durch einen menschlichen Überprüfer und/oder • an assessment of the accuracy of the annotation by a human reviewer and/or
• von Metadaten umfassend Identität des menschlichen Überprüfers, Qualität der von diesem Überprüfer bereits getätigten Annotationen, Tageszeit, Wochentag und/oder Grad der Anomalität. • Metadata comprising identity of the human reviewer, quality of annotations already made by that reviewer, time of day, day of week and/or degree of anomaly.
Nach einem weiteren Aspekt werden Annotationsanfragen zu Zuständen an die Überprüfungsinstanz gesendet und Daten von den Zuständen mit von der Überprüfungsinstanz erhaltenen Annotationen erweitert. According to a further aspect, annotation requests relating to states are sent to the verification authority and data from the states are supplemented with annotations received from the verification authority.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Zustand, der bereits einer Überprüfungsinstanz bereitgestellt wurde, zu einer anderen Zeit derselben Überprüfungsinstanz nochmals bereitgestellt und/oder weiteren Überprüfungsinstanzen bereitgestellt und die Annotationen werden verglichen und/oder bewertet. According to a further aspect, a state that has already been provided to a verification authority is provided again at a different time for the same verification authority and/or is provided to further verification authorities, and the annotations are compared and/or evaluated.
Nach einem weiteren Aspekt wird der Anomaliewert nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Anomaliewertes oder mittels des erfindungsgemäßen zweiten Moduls erhalten werden. According to a further aspect, the anomaly value is obtained according to the method according to the invention for determining at least one anomaly value or by means of the second module according to the invention.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein drittes Modul bereit zum Bereitstellen von in einem industriellen Fertigungsprozess erkannten Anomalien an eine Überprüfungsinstanz. Das dritte Modul ist ausgeführt, das erfindungsgemäße Verfahren zum Bereitstellen von in einem industriellen Fertigungs prozess erkannten Anomalien an eine Überprüfungsinstanz durchzuführen. According to a further aspect, the invention provides a third module for providing anomalies detected in an industrial manufacturing process to a verification authority. The third module is designed to carry out the method according to the invention for providing anomalies detected in an industrial manufacturing process to a checking authority.
Das computerimplementierte Verfahren, das Computerprogramm und das dritte Modul können erkannte Anomalien an die Überprüfungsinstanz in Szenario 1 und/oder in Szenario 2 bereitstellen. Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren bereit zum Kontrollieren von Anomalien in industriellen Fertigungsprozessen umfassend die Schritte The computer-implemented method, the computer program and the third module can provide detected anomalies to the verification authority in scenario 1 and/or in scenario 2. According to a further aspect, the invention provides a computer-implemented method for controlling anomalies in industrial manufacturing processes, comprising the steps
• datenbasierte Definition eines Zustandes eines zu überwachenden Prozessschrittes des industriellen Fertigungsprozesses oder eines Systems; • data-based definition of a status of a process step to be monitored in the industrial manufacturing process or a system;
• Speichern und Verarbeiten von Daten, die gemäß der datenbasierten Zustandsdefinition sensoriell gemessen und/oder aus Simulationen erhalten werden; • Storage and processing of data that are sensorially measured according to the data-based state definition and/or obtained from simulations;
• Trainieren eines Analysemodells zur Anomalieerkennung basierend auf zumindest historischen Daten; • Training an analysis model for anomaly detection based on at least historical data;
• Integrieren einer Überprüfungsinstanz zur Kontrolle von erkannten Anomalien und zum Generieren von Annotationen zur Erweiterung des Datenbestandes; • Integrate a verification instance to control detected anomalies and to generate annotations to expand the database;
• Erkennen von Anomalien; • detecting anomalies;
• Kontrollieren des überwachten Prozessschrittes oder Systems bei erkannter Anomalie. • Checking the monitored process step or system if an anomaly is detected.
Nach einem Aspekt stellt die Erfindung auch ein Computerprogramm bereit zum Kontrollieren von Anomalien in industriellen Fertigungsprozessen. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die einen Computer veranlassen, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kontrollieren von Anomalien in industriellen Fertigungsprozessen auszuführen, wenn das Computerprogramm auf dem Computer läuft. In one aspect, the invention also provides a computer program for controlling anomalies in industrial manufacturing processes. The computer program comprises instructions which cause a computer to carry out the steps of the method according to the invention for checking anomalies in industrial manufacturing processes when the computer program runs on the computer.
Nach einem Aspekt wird das Analysemodell nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erhalten eines Analysemodells für Anomalieerkennung trainiert, eine Anomalie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Anomaliewertes erkannt und/oder die Überprüfungsinstanz nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bereitstellen von in einem industriellen Fertigungsprozess erkannten Anomalien an eine Überprüfungsinstanz nach einem der Ansprüche 15 bis 19 integriert. According to one aspect, the analysis model is trained according to the method according to the invention for obtaining an analysis model for anomaly detection, an anomaly is recognized according to the method according to the invention for determining at least one anomaly value and/or the checking instance according to the method according to the invention for providing anomalies recognized in an industrial manufacturing process to a Verification instance according to one of Claims 15 to 19 integrated.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein System bereit zum Kontrollieren von Anomalien in industriellen Fertigungsprozessen. Das System umfasst ein erfindungsgemäßes erstes Modul, ein erfindungsgemäßes zweites Modul und ein erfindungsgemäßes drittes Modul. Das System ist ausgeführt, das erfindungsgemäße Verfahren zum Kontrollieren von Anomalien auszuführen. According to a further aspect, the invention provides a system for controlling anomalies in industrial manufacturing processes. The system includes a first module according to the invention, a second module according to the invention and a third module according to the invention. The system is designed to carry out the inventive method for checking anomalies.
Das computerimplementierte Verfahren, das Computerprogramm und das System können Anomalien in Szenario 1 und/oder in Szenario 2 kontrollieren. The computer-implemented method, computer program and system can control anomalies in scenario 1 and/or in scenario 2.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Definitionen, Zeichnungen und der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. Advantageous configurations of the invention result from the following definitions, drawings and the description of preferred exemplary embodiments.
Die beanspruchten Gegenstände und die vorliegende Offenbarung können alle Schritte eines industriellen Fertigungsprozesses, sowie während/nach der Produktion durchgeführte Bauteilqualitätsprüfungen, mit Hilfe von erfassten Daten überwachen und Abweichungen vom Normal-ZSollzustand eines Teilprozess oder einer Prüfung, sogenannte Anomalien, erkennen und an eine Überprüfungsinstanz, umfassend einen menschlichen Überprüfer, weiterleiten. The claimed objects and the present disclosure can monitor all steps of an industrial manufacturing process, as well as component quality tests carried out during/after production, with the help of recorded data and detect deviations from the normal Ztarget state of a sub-process or a test, so-called anomalies, and send them to a checking authority, including a human reviewer.
Das erfindungsgemäße System zum Kontrollieren von Anomalien in industriellen Fertigungsprozessen ist ein Gesamtsystem zur Erkennung von Anomalien. Das Gehirn des Gesamtsystems bilden die Analysemodelle, oder auch Anomalieerkennungsmodelle. Die Anomalieerkennungsmodelle bewerten basierend auf den Daten einen Zustand und berechnen einen Anomaliewert. Der Anomaliewert bildet den Grad der Anomalie ab. Damit werden Anomalien in industriellen Fertigungsprozessen erfindungsgemäß datengetrieben ermittelt, insbesondere durch geordnete, numerische Daten. The system according to the invention for checking anomalies in industrial manufacturing processes is an overall system for detecting anomalies. The analysis models, or anomaly detection models, form the brain of the overall system. The anomaly detection models assess a condition based on the data and calculate an anomaly score. The anomaly value reflects the degree of the anomaly. According to the invention, anomalies in industrial manufacturing processes are thus determined in a data-driven manner, in particular by ordered, numerical data.
Bei Funktionen, die ausschließlich ein menschlicher Überprüfer wahrnimmt, wird der Begriff menschlicher Überprüfer verwendet. Bei allen anderen Funktionen, die neben oder alternativ zu einem menschlichen Überprüfer auch ein Überprüfer-Computerpro- gramm wahrnehmen könnte, wird der Begriff Überprüfungsinstanz verwendet. For functions that are exclusively performed by a human reviewer, the term human reviewer is used. The term review instance is used for all other functions that a reviewer computer program could perform in addition to or as an alternative to a human reviewer.
Der Überprüfer wird die Anomalie beurteilen und seine Einschätzung, zum Beispiel in Form einer Annotation, zurückmelden. Dadurch wird eine kontinuierliche Verbesserung während des Einsatzes der Gegenstände sowie eine Anpassung an sich ändernde Prozesse und Bauteile erreicht. The reviewer will assess the anomaly and report back his assessment, for example in the form of an annotation. This will create a continuous Improvement achieved during use of the items as well as an adaptation to changing processes and components.
Nach einem Aspekt sind die Annotationen binäre Annotationen, zum Beispiel „gut“ und „schlecht“, die in Form von Labels gekennzeichnet werden. Nach einem weiteren Aspekt gliedert sich eine Annotation in mehrere (Detail-)Ebenen, zum Beispiel in drei Ebenen. Dabei umfasst eine erste Ebene eine binäre Klassifikation des Überprüfers. Erkennt beispielsweise das zweite Modul eine Anomalie (positive) und der Überprüfer kommt zu dem Schluss, dass es sich in Wahrheit um keine Anomalie handelt, trägt er auf erster Ebene beispielsweise ein Nein/False ein. Damit liegt ein false-posi- tive-Ereignis vor. In der zweiten Ebene kann der Überprüfer beispielsweise das betroffene Bauteil näher spezifizieren. In der dritten Ebene kann der Überprüfer beispielsweise nähere Angaben zu seiner Überprüfung/seinem Ergebnis machen. Nach einem weiteren Aspekt werden die Annotationen beispielsweise online in Form einer Tabelle/Datei zurückgemeldet. According to one aspect, the annotations are binary annotations, for example "good" and "bad", which are identified in the form of labels. According to a further aspect, an annotation is divided into several (detail) levels, for example three levels. A first level includes a binary classification of the reviewer. If, for example, the second module detects an anomaly (positive) and the verifier comes to the conclusion that it is in fact not an anomaly, he enters a no/false on the first level, for example. This is a false positive event. In the second level, the inspector can, for example, specify the affected component in more detail. In the third level, the reviewer can, for example, provide more details about his review/result. According to a further aspect, the annotations are reported back online in the form of a table/file, for example.
Zum Erfassen von Daten und deren Weiterverarbeitung greift die Erfindung auf Sensoren und/oder Sensormodelle zurück, die in industriellen Prozessen Anwendung finden. Sensormodelle simulieren reale Sensoren. Der Begriff Sensor umfasst reale Sensoren und Sensormodelle. Eine Möglichkeit, diese Sensoren zu kategorisieren, ist anhand ihrer physikalischen Messgröße, beispielsweise Temperatursensoren, Vibrationssensoren, Kraft- und Drucksensoren, Optiksensoren umfassend Kamera-, Infrarot-, Lidar- und Radarsensoren, Messung der Größe eines Bauteils, umfassend dessen Geometrie, Strom- und Spannungssensoren und weitere. Welche Sensoren in einem konkreten Fall zur Anwendung kommen, ist abhängig vom jeweiligen Prozessschritt. Nach einem Aspekt der Erfindung werden Funktionen einer Maschine, als auch die Eigenschaften eines Bauteils, mittels Sensoren, umfassend die voran genannten Sensoren, überwacht. Nach einem Aspekt umfasst die Erfindung folgende Sensorkonfigurationen: In order to acquire data and process it further, the invention uses sensors and/or sensor models that are used in industrial processes. Sensor models simulate real sensors. The term sensor includes real sensors and sensor models. One way to categorize these sensors is based on their physical measurand, e.g. temperature sensors, vibration sensors, force and pressure sensors, optical sensors including camera, infrared, lidar and radar sensors, measuring the size of a component including its geometry, current and voltage sensors and others. Which sensors are used in a specific case depends on the respective process step. According to one aspect of the invention, functions of a machine and also the properties of a component are monitored by means of sensors, including the aforementioned sensors. According to one aspect, the invention includes the following sensor configurations:
• Bauteil-bezogene Sensormessung: Geometrie, Aussehen; • Component-related sensor measurement: geometry, appearance;
• Maschinen-bezogene Messung: Vibrationen und Temperaturen einer oder mehrerer Komponenten; • Machine-related measurement: vibrations and temperatures of one or more components;
• Sensor in einem Bauteiltest: Geräusch, Vibration, Stromstärke, Druck. Nach einem Aspekt übertragen die Sensoren mittels Internet of Things Technologie, beispielsweise untereinander, zu einzelnen Komponenten/Modulen der erfindungsgemäßen Lösung und/oder zu einer Cloud-Infrastruktur, Daten. Damit kann eine automatisierte oder autonome Anomalieerkennung realisiert werden. Die Cloud-Infra- struktur umfasst einen Cloud-basierten Datenspeicher. Die Cloud-Infrastruktur ist beispielsweise eine Public, Private oder Hybrid Cloud Infrastruktur. • Sensor in a component test: noise, vibration, current, pressure. According to one aspect, the sensors use Internet of Things technology to transmit data, for example to one another, to individual components/modules of the solution according to the invention and/or to a cloud infrastructure. Automated or autonomous anomaly detection can thus be implemented. The cloud infrastructure includes cloud-based data storage. The cloud infrastructure is, for example, a public, private or hybrid cloud infrastructure.
Die Definition, was eine Anomalie, kann nach einem Aspekt der Erfindung auf der Definition basieren, was unter einem Zustand im industriellen Fertigungsprozess zu verstehen ist. According to one aspect of the invention, the definition of what constitutes an anomaly can be based on the definition of what is to be understood by a state in the industrial manufacturing process.
Ein Teil der erfindungsgemäßen Lösung basiert auf der Definition des Zustandes des zu überwachenden Fertigungsschrittes oder Bauteiles hinsichtlich der den Zustand beschreibenden Daten. Die Zustandsdefinition kann die Grundlage für weitere Schritte bis hin zur Erkennung von Anomalien bilden, indem die Datengrundlage für das Training von Modellen sowie Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung definiert wird. Die Definition sowohl eines Zustandes als auch der damit verbundenen Anomalien sind dabei keine statischen Konzepte, sondern können einem zeitlichen Wandel unterlegen sein, beispielsweise weil neue Sensoren verfügbar sind, Qualitätsanforderungen geändert werden, oder am Prozess oder Produkt beteiligte Materialen geändert werden. Part of the solution according to the invention is based on the definition of the status of the production step or component to be monitored with regard to the data describing the status. The status definition can form the basis for further steps up to the detection of anomalies by defining the data basis for the training of models and the use of the solution according to the invention. The definition of both a state and the associated anomalies are not static concepts, but can be subject to change over time, for example because new sensors are available, quality requirements are changed, or materials involved in the process or product are changed.
Zustand beschreibt die Beschaffenheit/Eigenschaften eines Prozesses, eines Bauteils und/oder einer (Produktions-)Maschine zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem bestimmten Zeitintervall. Dieser Zustand wird durch Messungen mittels geeigneter Sensoren wie voran beschrieben erfasst. Welche Sensoren geeignet sind, hängt dabei von der Definition des Zustandes als auch des zu beschreibenden Systems ab (Bauteil, Maschine, ...). In umgekehrter Weise beeinflusst auch die Verfügbarkeit entsprechender Sensoren die Definition des Zustandes. Ein Zustand, der nicht durch entsprechende Sensoren zugänglich ist, ist keine sinnvolle Definition eines Zustandes. Ein Zustand kann im industriellen Fertigungsprozess unterschiedliche Ausprägungen haben, die Erfindung umfasst u.a. folgende Zustandsdefinitionen: • Der Zustand einer Maschine kann durch Gesamtheit der Sensordaten innerhalb eines Zeitintervalls, beispielsweise der letzten 10 Sekunden, definiert sein, sowie zusätzlich durch Bauteil-spezifische Parameter. Condition describes the condition/properties of a process, a component and/or a (production) machine at a specific point in time or in a specific time interval. This state is detected by measurements using suitable sensors as described above. Which sensors are suitable depends on the definition of the state as well as the system to be described (component, machine, ...). Conversely, the availability of appropriate sensors also influences the definition of the state. A state that is not accessible by appropriate sensors is not a meaningful definition of a state. A state can have different characteristics in the industrial manufacturing process, the invention includes the following state definitions: • The state of a machine can be defined by all of the sensor data within a time interval, for example the last 10 seconds, and also by component-specific parameters.
• Der Zustand eines Bauteils kann durch die Ergebnisse eines Tests definiert sein, sowie durch weitere Bauteilparameter, umfassend unterschiedliche Bauteil-Varianten. • The condition of a component can be defined by the results of a test, as well as by other component parameters, including different component variants.
In Abhängigkeit der jeweiligen Zustandsdefinition wird eine Verteilung der Zustände bestimmt. A distribution of the states is determined depending on the respective state definition.
Eine Anomalie ist ein Zustand, spezifiziert durch entsprechende (Sensor-)Daten, der sowohl selten ist als auch, basierend auf den aufgezeichneten Daten, von fast allen anderen Zuständen abweicht. Eine Anomalie ist selten und anders. Trotzdem kann eine genaue Abgrenzung zwischen normal und anormal häufig schwierig und in vielen Fällen mit den verfügbaren Daten sogar nicht eindeutig möglich sein, sodass letztendlich ein Zustand immer nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit anormal ist. Um diesem Umstand gerecht zu werden, wird der menschliche Überprüfer als Teil der erfindungsgemäßen Lösung vorgeschlagen. An anomaly is a condition, specified by corresponding (sensor) data, that is both rare and, based on the recorded data, deviates from almost all other conditions. An anomaly is rare and different. Nevertheless, it can often be difficult to draw a precise distinction between normal and abnormal, and in many cases even not possible with the available data, so that ultimately a condition is only abnormal with a certain probability. In order to accommodate this fact, the human reviewer is proposed as part of the solution according to the invention.
Die Module gemäß der erfindungsgemäßen Lösung umfassen Hardware- und/oder Softwaremodule, umfassend Hardware- und/oder Softwaremodule zur Regelung und/oder Steuerung industrieller Fertigungsprozesse und/oder zur Anomalieerkennung. Die Hardwaremodule umfassen Elektronikeinheiten, integrierte Schaltkreise, eingebettete Systeme, Mikrocontroller, Multiprozessor-Systems-on-Chip, Zentralprozessoren und/oder Hardwarebeschleuniger, beispielsweise Graphikprozessoren, Datenspeichereinheiten und Konnektivitätselemente, beispielsweise WLAN-Module, RFID-Module, Bluetooth-Module, NFC-Module. Nach einem Aspekt der Erfindung wird die Anomalieerkennung als Funktionssoftware in der Cloud-Infrastruktur ausgeführt. The modules according to the solution according to the invention include hardware and/or software modules, including hardware and/or software modules for regulating and/or controlling industrial manufacturing processes and/or for anomaly detection. The hardware modules include electronic units, integrated circuits, embedded systems, microcontrollers, multiprocessor systems-on-chip, central processors and/or hardware accelerators, e.g. graphics processors, data storage units and connectivity elements, e.g. WLAN modules, RFID modules, Bluetooth modules, NFC modules . According to one aspect of the invention, the anomaly detection is implemented as functional software in the cloud infrastructure.
Die Befehle der erfindungsgemäßen Computerprogramme umfassen Maschinenbefehle, Quelltext oder Objektcode geschrieben in Assemblersprache, einer objektorientierten Programmiersprache, beispielsweise C++, oder in einer prozeduralen Programmiersprache, beispielsweise C. Die Computerprogramme sind nach einem Aspekt der Erfindung Hardware unabhängige Anwendungsprogramm, die beispielsweise über einen Datenträger oder ein Datenträgersignal mittels Software Over The Air Technologie bereitgestellt wird. The commands of the computer programs according to the invention include machine instructions, source text or object code written in assembly language, an object-oriented programming language, such as C ++, or in a procedural programming language, such as C. The computer programs are after a Aspect of the invention Hardware-independent application program that is provided, for example, via a data carrier or a data carrier signal using software over the air technology.
Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen verdeutlicht. Es zeigen: The invention is illustrated in the following exemplary embodiments. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines industriellen Fertigungsprozesses, 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an industrial manufacturing process,
Fig. 2 ein erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur industriellen Anomalieerkennung, 2 shows a first exemplary embodiment of a system according to the invention for industrial anomaly detection,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur industriellen Anomalieerkennung 3 shows a second exemplary embodiment of a system according to the invention for industrial anomaly detection
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen ersten Moduls des erfindungsgemäßen Systems, 4 shows an exemplary embodiment of a first module according to the invention of the system according to the invention,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiels von Anomaliescores, 5 shows an exemplary embodiment of anomaly scores,
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Falsch-Positiv-Rate nach Wahl eines Grenzwertes bezogen auf die Anomaliscores aus Fig. 5, 6 shows an exemplary embodiment of a false positive rate after the selection of a limit value based on the anomalis scores from FIG. 5,
Fig.7 ein Ausführungsbeispiel eines optimalen Grenzwertes für die Kosten einer falschen Einordnung als Anomalie basierend auf Fig. 6, 7 shows an exemplary embodiment of an optimal limit value for the costs of incorrect classification as an anomaly based on FIG. 6,
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen zweiten Moduls des erfindungsgemäßen Systems, 8 shows an exemplary embodiment of a second module according to the invention of the system according to the invention,
Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erhalten eines Analysemodells für Anomalieerkennung, Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen wenigstens eines Anomaliewertes, 9 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for obtaining an analysis model for anomaly detection, 10 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for determining at least one anomaly value,
Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen von in einem industriellen Fertigungsprozess erkannten Anomalien an eine Überprüfungsinstanz und 11 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for providing anomalies detected in an industrial manufacturing process to a checking authority and
Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kontrollieren von Anomalien. 12 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for checking anomalies.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. Übersichtshalber werden in den einzelnen Figuren nur die jeweils relevanten Bezugsteile hervorgehoben. In the figures, the same reference symbols denote the same or functionally similar reference parts. For the sake of clarity, only the relevant reference parts are highlighted in the individual figures.
Die industrielle Fertigung gliedert sich in der Regel in sogenannte Produktionslinien, die wiederum in einzelne auf einander aufbauende Produktionsschritte unterteilt sind. Eine Produktionslinie hat dabei eine bestimmte Produktionskapazität, zum Beispiel 100 Produkte pro Tag. Eine Skalierung der Produktion darüber hinaus geschieht durch den Einsatz mehrerer gleichartiger Produktionslinien, in welchen dann das gleiche Produkt gefertigt wird. Neben einer Hauptlinie existieren Nebenlinien, in den einzelne Komponenten des Hauptproduktes gefertigt werden. Ein einzelner Produktionsschritt kann unterschiedliche Ausprägungen haben, es kann beispielsweise eine Komponente verschraubt werden, ein Bauteil gefräst werden oder eine Qualitätsprüfung eines Bauteils durchgeführt werden. Fig. 1 zeigt einen industriellen Fertigungsprozess IF umfassend eine Hauptlinie und zwei Nebenlinien. Die Hauptlinie umfasst die Produktionsschritte PS1 , PS2, PS3. Eine der Nebenlinien umfasst beispielsweise ebenfalls drei Produktionsschritte PS1 , PS2, PS3 und betrifft beispielsweise den Produktionsschritte PS2 der Hauptlinie. Die weitere Nebenlinien umfasst beispielsweise ebenfalls drei Produktionsschritte PS1 , PS2, PS3 und betrifft beispielsweise den Produktionsschritte PS3 der Hauptlinie. Am Ende der Hauptlinie wird eine End Of Line Prüfung EOL durchgeführt. Das erfindungsgemäße System IF-Anom überwacht beispielsweise die Produktionsschritte PS, PS1 , PS2, PS3 und/oder die jeweils zugehörigen Produktionsmaschinen PM im Hinblick auf auftretende Anomalien, siehe Fig. 2 (Szenario 1 ). Außerdem führt das erfindungsgemäße System IF-Anom Qualitätsprüfungen durch im Hinblick auf auftretende Anomalien, siehe Fig. 3 (Szenario 2). Industrial production is usually divided into so-called production lines, which in turn are divided into individual production steps that build on one another. A production line has a certain production capacity, for example 100 products per day. Production is also scaled up by using several production lines of the same type, in which the same product is then manufactured. In addition to a main line, there are secondary lines in which individual components of the main product are manufactured. A single production step can have different characteristics, for example a component can be screwed together, a component can be milled or a quality inspection can be carried out on a component. 1 shows an industrial manufacturing process IF comprising a main line and two secondary lines. The main line includes the production steps PS1, PS2, PS3. One of the secondary lines, for example, also includes three production steps PS1, PS2, PS3 and relates, for example, to the production step PS2 of the main line. The other side lines also include, for example, three production steps PS1, PS2, PS3 and relate, for example, to the production step PS3 of the main line. At the end of the main line, an end-of-line test EOL is carried out. The system IF-Anom according to the invention monitors, for example, the production steps PS, PS1, PS2, PS3 and/or the respectively associated production machines PM with regard to any anomalies that occur, see FIG. 2 (scenario 1). In addition, the system IF-Anom according to the invention carries out quality checks with regard to any anomalies that occur, see FIG. 3 (scenario 2).
Das System IF-Anom integriert folgende Schritte bzw. Module: Datenbasierte Definition des Zustandes Z des zu überwachenden Systems, Datenspeicherung und Verarbeitung aller notwendigen Daten Data1 -Data5, Training einer Anomalieerkennung basierend auf historischen Daten Datal , Integration eines menschlichen Überprüfers Expert zur Kontrolle der erkannten Anomalien NOK sowie zur Generierung weiterer Annotationen zur gezielten Erweiterung des Trainingsdatenbestandes Datal , Erkennung von Anomalien, Verarbeitung der Bewertung des menschlichen Überprüfers Expert und basierend darauf kontinuierlich Anpassung und Verbesserung der Anomalieerkennung. The IF-Anom system integrates the following steps or modules: Data-based definition of the state Z of the system to be monitored, data storage and processing of all necessary data Data1 -Data5, training an anomaly detection based on historical data Datal, integration of a human reviewer Expert to control the detected Anomalies NOK and to generate further annotations for the targeted expansion of the training database Datal, detection of anomalies, processing of the evaluation of the human reviewer Expert and based on this continuous adjustment and improvement of the anomaly detection.
Die Grundfunktionalitäten, wie Speichern und erweitern des Datenbestandes Data, Data1 -Data5, Training Ref, Anno von Modellen, Einrichten von Konfigurationen trainierter Modelle Konfig-Model, Anfrage von Annotationen zur Erweiterung der Datengrundlage Data, Data1 -Data5, werden dabei von einem ersten Modul IF-Anom Core übernommen, siehe Fig. 4. The basic functionalities, such as saving and expanding the database Data, Data1 -Data5, Training Ref, Anno of models, setting up configurations of trained models Config-Model, requesting annotations to expand the data basis Data, Data1 -Data5, are handled by a first module IF-Anom Core adopted, see Fig. 4.
Die Aufgabe der Erkennung potenzieller Anomalien NOK wird durch ein zweites Modul IF-Anom Anomalieerkenner durchgeführt, siehe Fig. 8. Dabei werden vom zu überwachenden Produktionsschritt PS oder Produktionsmaschine PM kontinuierlich Daten bzw. Prüfungsergebnisse, entsprechenden dem definierten Zustand Z, an IF- Anom geschickt. Die Antwort von IF-Anom enthält dann eine Einordnung des Zustandes Z in „normal/anormal“, optional mit Konfidenzschätzung, und wird über ein drittes Modul IF-Anom Annotationsmanager zur Überprüfung an einen menschlichen Experten Expert geschickt. The task of detecting potential anomalies NOK is carried out by a second module IF-Anom anomaly detector, see FIG . The response from IF-Anom then contains a classification of the state Z as "normal/abnormal", optionally with confidence estimation, and is sent to a human expert for verification via a third module IF-Anom annotation manager.
In welchem Ausmaß die Vorschläge von IF-Anom tatsächlich durch einen Menschen überprüft werden, ist sowohl abhängig vom Anwendungsfall als auch davon, wie weit das Training von IF-Anom fortgeschritten ist, das heißt wie hoch die erwartbaren Genauigkeiten der Einschätzungen von IF-Anom sind. The extent to which IF-Anom's suggestions are actually verified by a human depends on both the use case and how far the training of IF-Anom has progressed, i.e. how high the expected accuracies of the assessments of IF-Anom are.
Als zusätzliches optionales viertes Modul IF-Anom Daten umfasst das System IF- Anom die Möglichkeit, weitere Datenquellen in einen Produktionsschritt PS zu integrieren. Das kann zum Beispiel ein zusätzlicher Vibrationssensor gekoppelt an eine spezielle Anregung sein. Die so erzeugten Daten können im Betrieb an das System IF-Anom übermittelt werden und dienen, sobald eine ausreichende Menge an Daten erzeugt wurde, als weitere Datenquelle für das Modelltraining. As an additional, optional fourth module, IF-Anom data, the IF-Anom system includes the option of integrating further data sources into a production step PS. This can, for example, be an additional vibration sensor coupled to a special excitation. The data generated in this way can be transmitted to the IF-Anom system during operation and, as soon as a sufficient amount of data has been generated, serve as an additional data source for model training.
Das in Fig. 2 dargestellte Szenario 1 könnte beispielsweise den Fall einer kaputt-gehenden Produktionsmaschine betreffen. Bisher wird in einem solchen Fall erst eine Reparatur durchgeführt, nachdem die Produktionsmaschine ausgefallen ist und damit Kosten für einen Fertigungsstillstand entstanden sind. Falls die Produktionsmaschine nicht sofort ausfällt, kann es trotzdem zur unbemerkten Produktion fehlerhafter Bauteile kommen, die weiterverarbeitet werden und dann zu Problemen in nachgelagerten Produktionsschritten PS, PS1 , PS2, PS3 oder Produkten führen können. Scenario 1 shown in FIG. 2 could, for example, relate to the case of a broken production machine. So far, in such a case, a repair has only been carried out after the production machine has failed and costs for a production downtime have thus arisen. If the production machine does not fail immediately, faulty components can still be produced unnoticed, which can be further processed and then lead to problems in downstream production steps PS, PS1, PS2, PS3 or products.
Das in Fig. 3 dargestellte Szenario 2 könnte beispielsweise die Prüfung von Bauteilen betreffen. Bauteil bezeichnet auch fertige Produkte. Damit beinhaltet das in Fig. 3 gezeigte Szenario 2 insbesondere auch die Fertigungsendprüfung EOL eines Produktes. Diese nimmt in dem industriellen Fertigungsprozess IF eine zentrale Rolle ein und sorgt für gleichmäßige, hohe Qualität der produzierten Bauteile. Die Herausforderung besteht hier darin, die Anforderungen an ein gutes Bauteil zu quantifizieren, was insbesondere bei neuen Bauteilen zu Startschwierigkeiten in der Prüfung führt. Sind die entsprechenden Anforderungen nicht genau genug definiert, drohen auf der einen Seite zu viel Ausschuss, und auf der anderen Seite besteht die Gefahr, dass fehlerhafte Bauteile weiterverarbeitet und/oder ausgeliefert werden. Scenario 2 shown in FIG. 3 could relate to the testing of components, for example. Component also refers to finished products. Scenario 2 shown in FIG. 3 thus also includes, in particular, the end-of-production inspection EOL of a product. This plays a central role in the industrial manufacturing process IF and ensures consistent, high quality of the components produced. The challenge here is to quantify the requirements for a good component, which leads to initial difficulties in testing, especially for new components. If the corresponding requirements are not defined precisely enough, there is a risk of too many rejects on the one hand, and on the other hand there is a risk that defective components will be further processed and/or delivered.
Das erfindungsgemäße System IF-Anom kann in Szenario 1 und/oder Szenario 2 das erfindungsgemäße Verfahren zum Kontrollieren von Anomalien NOK durchführen. In den Fällen der Fig. 2, 3 bietet die Durchdringung des industriellen Fertigungsprozesses IF und/oder der Prüfungen mit Sensoren und die entsprechende Verfügbarkeit von Daten Data2 die Möglichkeit, dem intelligenten System IF-Anom und/oder dessen jeweiligen Modulen IF-Anom Core, IF-Anom Anomalieerkenner, IF-Anom Annotationsmanager, u.a. mittels künstlicher Intelligenz, den Zustand Z eines Produktionsschrittes PS, PS1 , PS2, PS3 oder eine Prüfung datenbasiert zu erfassen und in der Folge anormales Verhalten zu detektieren und zu melden. Das ermöglicht, zum einen, eine frühzeitige Reaktion auf auftretende Veränderungen, im Idealfall bevor ein Prozess zum Erliegen kommt oder ein fehlerhaftes Bauteil die Prozesskette weiterläuft, und zum anderen eine bessere Identifikation des zugrundeliegenden Fehlers. In scenario 1 and/or scenario 2, the system IF-Anom according to the invention can carry out the method according to the invention for checking anomalies NOK. In the cases of FIGS. 2, 3, the penetration of the industrial manufacturing process IF and/or the tests with sensors and the corresponding availability of data Data2 offers the possibility of the intelligent system IF-Anom and/or its respective modules IF-Anom Core, IF-Anom anomaly detector, IF-Anom annotation manager, using artificial intelligence, among other things, to record the status Z of a production step PS, PS1, PS2, PS3 or a test based on data and subsequently to detect and report abnormal behavior. On the one hand, this enables an early reaction to changes that occur, ideally before a process comes to a standstill or a defective component continues in the process chain, and on the other hand, better identification of the underlying error.
Künstliche Intelligenz umfasst maschinelles Lernen. Maschinelles Lernen ist eine Technologie, die Computern und anderen Datenverarbeitungsvorrichtungen die Ausführung von Aufgaben durch Lernen aus Daten lehrt, anstatt für die Aufgaben programmiert zu werden. Die erfindungsgemäße Lösung entspricht einem datenbasierten Einsatz, wofür maschinelles Lernen vorteilhafterweise einsetzbar ist. Die einzelnen erfindungsgemäßen computerimplementierten Verfahren und Module als auch das erfindungsgemäße System führen nach einem Aspekt der Erfindung Maschinenlernalgorithmen aus. Beispielsweise basieren die Analysemodelle zur Anomalieerkennung auf Maschinenlernalgorithmen. Von der Erfindung umfasste Beispiele für Maschinenlernalgorithmen sind künstliche neuronale Netzwerke, beispielsweise Faltungsnetzwerke, Support Vector Machines und Random Forest Modelle. Artificial intelligence includes machine learning. Machine learning is a technology that teaches computers and other data processing devices to perform tasks by learning from data rather than being programmed to do the tasks. The solution according to the invention corresponds to a data-based application, for which machine learning can advantageously be used. According to one aspect of the invention, the individual computer-implemented methods and modules according to the invention and the system according to the invention execute machine learning algorithms. For example, the analysis models for anomaly detection are based on machine learning algorithms. Examples of machine learning algorithms covered by the invention are artificial neural networks, for example convolutional networks, support vector machines and random forest models.
Wenn nicht explizit aufgeführt gelten die folgenden Beschreibungen für beide Szenarien und als allgemeine Bezeichnung für einen Produktionsschritt als auch für eine Prüfung soll die Bezeichnung Prozessschritt verwendet werden. If not explicitly stated, the following descriptions apply to both scenarios and the term process step should be used as a general term for a production step as well as for a test.
In Fig. 2 überwacht das System IF-Anom beispielsweise einen Produktionsschritt PS oder eine Produktionsmaschine PM. Das könnte beispielsweise eine Drehmaschine sein, die ein Bauteil bearbeitet oder auch das Verschrauben eines Bauteils durch einen Menschen. Der Ablauf der Anwendung des System IF-Anom gestaltet sich beispielsweise wie folgt. Nachdem der zu überwachende Prozessschritt festgelegt ist, wird die infrage kommende Datenbasis Data 2 begutachtet. Basierend darauf wird eine datenbasierte Definition des zu überwachenden Zustandes Z festgelegt. Dann werden die initialen Trainingsdaten Datal für das System IF-Anom ausgewählt. In FIG. 2 the system IF-Anom monitors a production step PS or a production machine PM, for example. This could be, for example, a lathe machining a component or a component being screwed together by a human being. The procedure for using the IF-Anom system is, for example, as follows. After the process step to be monitored has been determined, the relevant database Data 2 is assessed. Based on this, a data-based definition of the state Z to be monitored is established. Then the initial training data Datal for the system IF-Anom is selected.
Die Hauptdatenquelle der Trainingsdaten Datal besteht regelmäßig aus den historischen Daten des betreffenden Prozesses sowie der vorgelagerten Prozesse soweit diese für die Beurteilung des Zustandes Z relevant sind. Das können zum Beispiel Geometrieinformation von involvierten Bauteilen sein. Daneben, beispielsweise weil für den zu überwachenden Prozess keine ausreichenden Daten zur Verfügung stehen, können Daten vergleichbarer Prozesse als zweite Datenquelle der Trainingsdaten Datal herangezogen werden. Als dritte Datenquellen der Trainingsdaten Dataß können in einigen Fällen synthetische Daten verwendet werden. Dabei werden Daten, beispielsweise über ein physikalisches Modell des fraglichen Prozesses, künstlich erzeugt/simuliert. The main data source of the training data Datal regularly consists of the historical data of the process in question and the upstream processes insofar as these are relevant for the assessment of the state Z. This can be, for example, geometry information from the components involved. In addition, for example because insufficient data is available for the process to be monitored, data from comparable processes can be used as a second data source for the training data Datal. In some cases synthetic data can be used as third data sources of the training data DataB. In this case, data, for example via a physical model of the process in question, is artificially generated/simulated.
Betreffend die zweite und dritte Datenquelle der Trainingsdaten Datal kann beispielsweise ein Transfer Learning zum Einsatz kommen. Die Verarbeitung der Daten Data1 -Data4 sowie das Modelltraining werden von dem ersten Modul IF-Anom Core übernommen, siehe Fig. 4. Regarding the second and third data source of the training data Data1, a transfer learning can be used, for example. The processing of the data Data1 -Data4 and the model training are taken over by the first module IF-Anom Core, see Fig. 4.
Während des Betriebes des System IF-Anom werden kontinuierlich Daten Data2 vom überwachten Prozess an das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner gesendet. Das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner erhält von dem ersten Modul IF-Anom Core die aktuellen Modelle, sowie eine Anwendungsfall-spezifische Konfiguration Konfig-Model, in der zum Beispiel die notwendige Vorverarbeitung der ankommenden Daten Data2 spezifiziert wird. Unter Verwendung dieser Modelle wird dann eine Beurteilung des aktuellen Zustandes Z durch das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner vorgenommen. During operation of the IF-Anom system, data Data2 is continuously sent from the monitored process to the second IF-Anom anomaly detector module. The second module IF-Anom anomaly detector receives the current models from the first module IF-Anom Core, as well as an application-specific configuration Config-Model, in which, for example, the necessary pre-processing of the incoming data Data2 is specified. Using these models, the current state Z is then assessed by the second module IF-Anom anomaly detector.
Diese Beurteilung wird an das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager weitergegeben. Das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager übernimmt die Aufgabe zu entscheiden, ob und wann ein Zustand Z zur Beurteilung an einen, oder an welchen, menschlichen Experten Expert gegeben wird. Grob gesagt werden erkannte Anomalien beispielsweise fast immer weitergegeben und zusätzlich als normal erkannte Beispiele unter gewissen Umständen. Die Bewertungen durch den/die menschlichen Experten Expert gehen zurück an das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager, das entscheidet, in welcher Form Annotationen zurück an das erste Modul IF-Anom Core gehen, um dort die Datenbasis entsprechend zu erweitern. Im Idealfall stehen dem dritten Modul IF-Anom Annotationsmanager dabei Metainformation bezüglich der Beurteilung zur Verfügung, zum Beispiel eine, insbesondere wenn aus Datenschutzgründen notwendige, anonymisierte Identifikation des Beurteilenden Expert sowie ein Zeitstempel, wann die Beurteilung verfasst wurde. Details des dritten Moduls IF- Anom Annotationsmanager werden nachfolgend beschrieben. This assessment is passed on to the third module IF-Anom annotation manager. The third module IF-Anom annotation manager takes over the task decide whether and when a state Z is given to one, or to which, human expert for assessment. For example, roughly speaking, detected anomalies are almost always propagated, and additionally detected-normal samples under certain circumstances. The evaluations by the human expert go back to the third module IF-Anom Annotation Manager, which decides in what form annotations go back to the first module IF-Anom Core in order to expand the database there accordingly. In the ideal case, the third module IF-Anom annotation manager has access to meta information regarding the assessment, for example an anonymous identification of the assessing expert, especially if necessary for data protection reasons, as well as a time stamp when the assessment was written. Details of the third module IF-Anom Annotation Manager are described below.
Zum Aufbau einer erweiterten Datenbasis werden die an das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner gesendeten Daten von diesem zu Verarbeitung und Datenspeicherung an das erste Modul IF-Anom Core Modul weitergegeben. Das erste Modul IF-AnomCore übernimmt das regelmäßig neu- oder nachtrainieren von Anomalieerkennungsmodellen. Zu diesem Zweck hat das erste Modul IF-Anom Core auch die Möglichkeit, Annotationsanfragen an das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager zu senden. In order to set up an expanded database, the data sent to the second module IF-Anom Anomaly Detector are passed on to the first module IF-Anom Core Module for processing and data storage. The first module, IF-AnomCore, regularly retrains or retrains anomaly detection models. For this purpose, the first module IF-Anom Core also has the possibility to send annotation requests to the third module IF-Anom Annotationsmanager.
Wird eine Anomalie NOK vom Überprüfer Expert als Anomalie NOK bestätigt oder wird die erkannte Anomalie NOK ohne Überprüfung freigegeben, werden beispielsweise zwei Reaktionen in Gang gesetzt. Zum einen wird der überwachte Produktionsschritt PS basierend auf dem als anormal erkannten Zustand Z näher begutachtet, um zu entscheiden ob/wann eine Wartung/Reparatur durchgeführt werden muss. Zum anderen können die Bauteile, die während und nach dem Auftreten der Anomalie NOK verarbeitet wurden, vorsorglich aussortiert und/oder gesondert begutachtet werden. If an NOK anomaly is confirmed by the expert reviewer as an NOK anomaly or if the detected NOK anomaly is released without checking, two reactions are set in motion, for example. On the one hand, the monitored production step PS is examined more closely based on the state Z recognized as abnormal, in order to decide whether/when maintenance/repair must be carried out. On the other hand, the components that were processed during and after the occurrence of the NOK anomaly can be sorted out as a precaution and/or examined separately.
Eine beispielhafte Anwendung des vierten Moduls IF-Anom Daten zur zusätzlichen Datenerzeugung in diesem Szenario ist ein speziell entworfenes Testprogramm, dasAn exemplary application of the fourth module IF-Anom Data for additional data generation in this scenario is a specially designed test program that
Maschinenzustände erzeugt, die unter Standardproduktionsbedingungen nicht vorkommen, aber ein hohes Maß an Informationen über den Gesundheitszustand der Komponenten der zu überwachenden Produktionsmaschine PM enthalten. Machine states generated that are not under standard production conditions occur, but contain a high level of information about the health of the components of the production machine PM to be monitored.
Fig. 3 zeigt die Anwendung des Systems IF-Anom auf industrielle Prüfverfahren, beispielsweise die Fertigungsendprüfung EOL von Getrieben. Während auf Ebene der algorithmischen Anomalieerkennung kaum Unterschiede zwischen den in Fig. 2, 3 dargestellten Szenarien bestehen, ergeben sich wesentliche Unterschiede in Bezug auf die Daten. Fig. 3 shows the application of the IF-Anom system to industrial test methods, for example the end-of-production test EOL of gears. While there are hardly any differences between the scenarios shown in FIGS. 2, 3 at the level of algorithmic anomaly detection, there are significant differences with regard to the data.
Prüfverfahren führen eine Annotation nach OK und Nicht-OK NOK durch. Insofern liegt das Hauptanwendungsgebiet des Systems IF-Anom in diesem Szenario darin, innerhalb der OK Bauteile nach Anomalien NOK zu suchen, die vom aktuellen Prüfverfahren nicht als NOK erkannt werden. Diese werden häufig auch als unbekannte Anomalien bezeichnet, im Gegensatz zu den bekannten Anomalien, den NOK. Der Einsatz des Systems IF-Anom kann prinzipiell zu Ablösung des bestehenden Prüfverfahrens führen, wodurch dann alle Bauteile durch das System IF-Anom begutachtet werden würden. Test methods carry out an annotation according to OK and non-OK NOK. In this respect, the main area of application of the IF-Anom system in this scenario is to search for anomalies NOK within the OK components that are not recognized as NOK by the current test procedure. These are also often referred to as unknown anomalies, in contrast to the known anomalies, the NOC. In principle, the use of the IF-Anom system can lead to the replacement of the existing test procedure, which would then mean that all components would be assessed by the IF-Anom system.
Auch in diesem Szenario ergeben sich wesentliche Anwendungen von Transfer Learning durch die Verwendung von Daten aus vergleichbaren Prozessen, das heißt vergleichbaren Prüfstationen P oder vergleichbaren Produkten, sowie synthetischen Daten aus der Simulation von Prüfprozessen. Als vierte Datenquelle ergeben sich hier zudem Daten Data4 aus dem späteren Einsatz von Produkten, sogenannten Felddaten. Kommt es während des Einsatzes von Produkten zu Problemen oder Ausfällen, ist das ein möglicher Hinweis auf Anomalien NOK, die durch das aktuelle Prüfverfahren nicht erkannt werden und somit eine Möglichkeit Anomalieerkennungsalgorithmen zu testen und zu trainieren. In this scenario, too, significant applications of transfer learning result from the use of data from comparable processes, i.e. comparable test stations P or comparable products, as well as synthetic data from the simulation of test processes. The fourth data source is data Data4 from the later use of products, so-called field data. If problems or failures occur during the use of products, this is a possible indication of NOK anomalies that are not detected by the current test procedure and thus an opportunity to test and train anomaly detection algorithms.
Ein wichtiger Schritt zur Datenerzeugung ist hier die Erzeugung spezieller Anregungen innerhalb von Prüfverfahren durch das vierte Modul IF-Anom Daten, beispielsweise das Durchfahren eines Getriebes in unterschiedlichen Gängen über eine bestimmte Zeit in unterschiedlichen Lastzuständen. Die unter dieser Anregung erzeugten Daten weisen vielfach einen wesentlich höheren Informationsgehalt des zu analysierenden Prozessschrittes auf als ohne diese gezielte Anregung. An important step in data generation here is the generation of special suggestions within test procedures by the fourth module IF-Anom data, for example driving through a transmission in different gears over a certain period of time in different load states. The under this suggestion The generated data often has a much higher information content of the process step to be analyzed than without this targeted suggestion.
In Fig. 3 führt eine erkannte, bestätigte Anomalie NOK zur Aussortierung und Reparatur oder Demontage des betreffenden Bauteils. In FIG. 3, a recognized, confirmed anomaly NOK leads to the sorting out and repair or dismantling of the component in question.
Fig. 4 zeigt das erste Modul IF-Anom Core. Das erste Modul IF-Anom Core umfasst zwei wesentliche Funktionen des Systems IF-Anom, zum einen die Verarbeitung und Datenspeicherung ankommender Daten Data1 -Data4 mittels eines Datenverarbeitungsmoduls, zum anderen das Trainieren und Evaluieren von Modellen zur Anomalieerkennung mittels eines Trainingsmoduls Moduls 2. Beide Funktionen unterliegen einem zeitlichen Aspekt, das heißt zu Beginn des Einsatzes des Systems IF-Anom wird zunächst auf vorhandene Daten Data2 aus dem zu überwachenden Prozess zugegriffen, und/oder auf Daten aus vergleichbaren Prozessen oder synthetisch erzeugte Daten. Basierend darauf wird eine Zustandsdefinition erarbeitet. Daten und Zustandsdefinition werden in eine für die nachfolgenden Schritte geeignete Form gebracht und gespeichert. 4 shows the first module IF-Anom Core. The first module IF-Anom Core includes two essential functions of the IF-Anom system, on the one hand the processing and data storage of incoming data Data1 -Data4 using a data processing module, on the other hand the training and evaluation of models for anomaly detection using a training module module 2. Both functions are subject to a temporal aspect, ie at the beginning of the use of the IF-Anom system, existing data Data2 from the process to be monitored is first accessed and/or data from comparable processes or synthetically generated data. Based on this, a status definition is developed. Data and state definition are brought into a form suitable for the subsequent steps and stored.
Ein erster Datenspeicher Mem1 speichert die Daten und/oder Konfigurationen des Datenverarbeitungsmoduls. Das Trainingsmodul Modul2 liest die Daten des ersten Datenspeichers Mem1 ein. A first data memory Mem1 stores the data and/or configurations of the data processing module. The training module Modul2 reads in the data from the first data memory Mem1.
Dabei ist die Verarbeitung der vorhandenen Daten im Hinblick auf das spätere Modelltraining sowie die äquivalente Verarbeitung von eingehenden Daten während des Betriebes des Systems IF-Anom abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall. The processing of the existing data with regard to the later model training as well as the equivalent processing of incoming data during the operation of the IF-Anom system depends on the respective application.
Beispielsweise im Folgenden keine vollständige Aufzählung werden hochfrequente Zeitsignale oft mittels Fast-Fourier Transformation oder Wavelet-Transformation in den Frequenzraum transformiert. Bei Zeitsignalen im Allgemeinen kann es notwendig sein, diese vor der Verarbeitung zu synchronisieren, um die Vergleichbarkeit sicherzustellen. Eine grundlegend andere Datenquelle mit wiederum spezifischen Verarbeitungsschritten stellen Bilddaten dar. Diese Schritte sind in hohem Maße abhängig von der jeweiligen Anwendung, die hier beschriebenen Grundprinzipen des Systems IF-Anom bleiben aber davon unberührt. For example, in the following not a complete list, high-frequency time signals are often transformed into the frequency domain by means of fast Fourier transformation or wavelet transformation. With time signals in general, it may be necessary to synchronize them before processing to ensure comparability. Image data represents a fundamentally different data source, again with specific processing steps. These steps are highly dependent of the respective application, but the basic principles of the IF-Anom system described here remain unaffected.
Die vorhandenen Daten werden zum initialen Training von Anomalieerkennungs-Modellen verwendet. Eine geeignete Trennung der vorhandenen Daten in Trainings-, Validierungs- und Testdaten wird hier als Standardvorgehen angenommen und daher nicht explizit erwähnt. Das System IF-Anom verfügt über zwei verschiedene Ansätze zur Anomalieerkennung. The existing data is used for the initial training of anomaly detection models. A suitable separation of the existing data into training, validation and test data is assumed here as a standard procedure and is therefore not mentioned explicitly. The IF-Anom system has two different approaches to anomaly detection.
Beim Training Referenz-basierte Modelle Ref wird der Normalzustand eines Pro- zesseschrittes PS erfasst. Dabei liegt die Annahme zu Grunde, dass anormale Zustände in einem Prozessschritt PS selten sind. Basierend auf dieser Annahme wird eine quantitative Charakterisierung der Verteilung der Trainingszustände, das heißt von fast ausschließlich Normalzuständen, berechnet. Diese Charakterisierung der Normalzustände wird als Referenzzustand bezeichnet, kurz Referenz. Zur Anomalieerkennung wird dann der Grad der Abweichung zwischen einem fraglichen Zustand und der Referenz berechnet. When training reference-based models Ref, the normal state of a process step PS is recorded. This is based on the assumption that abnormal states in a process step PS are rare. Based on this assumption, a quantitative characterization of the distribution of the training states, i.e. almost exclusively normal states, is calculated. This characterization of normal states is called the reference state, or reference for short. The degree of deviation between a questionable state and the reference is then calculated for anomaly detection.
Die Anforderungen an die vorhanden Trainingsdaten Datal sind dabei gering. Neben normalen Datenqualitätsanforderungen sind keine weiteren Annotationen notwendig. Das stellt einen großen Vorteil im industriellen Umfeld dar, da ein Annotieren oft nicht nur schwierig und potenziell fehlerbehaftet, sondern im Allgemeinen auch personalaufwändig und damit teuer ist. The requirements for the existing training data Datal are low. Apart from normal data quality requirements, no further annotations are necessary. This represents a great advantage in the industrial environment, since annotation is often not only difficult and potentially error-prone, but also generally labor-intensive and therefore expensive.
Beim Training Annotations-basierte Modelle Anno muss auffälliges, das heißt potenziell anormales, Verhalten aus der Vergangenheit bekannt sein und entsprechende Daten müssen verfügbar sein, das heißt historische Daten müssen mindestens in die Klassen normal/anormal eingeteilt sein. Dann lernt das System IF-Anom, Muster zu erkennen, die mit auffälligem bzw. unauffälligem Verhalten in den Daten verbunden sind. Während des Einsatzes des Systems IF-Anom wird dann nach Mustern gesucht, die auf anormales Verhalten hindeuten und deren Auftreten wird quantifiziert. Bei dieser Methodik ist die Ausgabe umso genauer, je detaillierter die verfügbaren Annotationen sind. Sind nur Annotationen der Form normal/anormal vorhanden, wird das System IF- Anom, wie bei der referenz-basierten Methodik, Zustände nur in eben diese Klassen einordnen. Wenn jedoch detailliertere Fehler/Gut-Klassen annotiert wurden, ist eine entsprechend detaillierte Aussage des Systems IF-Anom möglich. Die Anforderungen an die initialen Trainingsdaten Datal sind dabei höher als bei der referenzbasierten Methodik, da annotierte historische Daten hoher Qualität vorhanden sein müssen. When training annotation-based models Anno, conspicuous, i.e. potentially abnormal, behavior from the past must be known and corresponding data must be available, i.e. historical data must at least be divided into the classes normal/abnormal. Then the IF-Anom system learns to recognize patterns that are associated with conspicuous or inconspicuous behavior in the data. During the use of the IF-Anom system, patterns are then sought that indicate abnormal behavior and their occurrence is quantified. With this methodology, the more detailed the annotations available, the more accurate the output. If only annotations of the form normal/abnormal are present, the IF-Anom system will only classify states into these classes, as in the reference-based methodology. However, if more detailed error/good classes were annotated, a correspondingly detailed statement from the IF-Anom system is possible. The requirements for the initial training data Datal are higher than for the reference-based methodology, since high-quality annotated historical data must be available.
Der Vorteil der referenz-basierten Methodik besteht in einer potenziell generischeren Anomalieerkennung, was insbesondere bei der Erkennung von unbekannten Anomalien von Vorteil sein kann. Vorteile der annotations-basierte Methodik ist ein höherer Detailgrad bei der Erkennung von Anomalien und potenziell ein besserer Kompromiss zwischen falsch-positiven und falsch-negativen Vorhersagen auf bekannten Anomalien. The advantage of the reference-based methodology is a potentially more generic anomaly detection, which can be particularly beneficial when detecting unknown anomalies. Benefits of the annotation-based methodology is a higher level of detail in anomaly detection and potentially a better compromise between false-positive and false-negative predictions on known anomalies.
Als zweite Ebene kann das System IF-Anom die Ergebnisse eines referenz-basierten und eines annotations-basierten Ansatzes Ref, Anno zu einem Training von Metamodellen Meta kombinieren. Die Art der Kombination ist dabei abhängig vom Anwendungsfall, der Qualität der verfügbaren Modelle und den aktuellen Daten. Dabei sind verschieden Arten der Kombination möglich, von einer einfachen gewichteten Summe bis hin zu eigens entwickelten Modellen, die auch auf historischen Da- ten/Anomalievorhersagen trainiert werden und vom zweiten Modul IF-Anom Anomalieerkenner angewandt werden. As a second level, the system IF-Anom can combine the results of a reference-based and an annotation-based approach Ref, Anno to train meta models Meta. The type of combination depends on the application, the quality of the available models and the current data. Various types of combination are possible, from a simple weighted sum to specially developed models, which are also trained on historical data/anomaly predictions and are used by the second module IF-Anom Anomaly Detector.
Die trainierten Referenzmodelle, annotationsbasierten Modelle, die kombinierten Metamodelle und/oder die Ergebnisse der Modellevaluation werden in einem zweiten Datenspeicher Mem2 des Trainingsmoduls Modul2 gespeichert oder zwischengespeichert. Die freigegebenen Modelle werden für die Anwendung in dem zweiten Modul IF-Anom Anomalieerkenner erneut geladen. The trained reference models, annotation-based models, the combined meta-models and/or the results of the model evaluation are stored or temporarily stored in a second data memory Mem2 of the training module Module2. The released models are reloaded for use in the second module IF-Anom anomaly detector.
Nach einem initialen Training kann das System IF-Anom in Betrieb genommen werden. Dadurch eröffnen sich dem System IF-Anom weitere Informationsquellen. Zum einen werden dem System die aktuellen Prozessschritt- oder Prüfungsdaten, die an das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner geschickt werden, zur Verfügung gestellt. Zum anderen bekommt das System IF-Anom die, mindestens statistisch durchgeführten, manuellen Bewertungen der potenziellen Anomalien. After an initial training, the IF-Anom system can be put into operation. This opens up further sources of information for the IF-Anom system. For the On the one hand, the current process step or test data, which is sent to the second module IF-Anom Anomaly Detector, is made available to the system. On the other hand, the IF-Anom system receives the manual evaluations of the potential anomalies, which are carried out at least statistically.
Zusätzlich kann das System IF-Anom während des Trainings von Modellen Annotationsanfragen an das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager abschicken, um damit den Datenbestand gezielt um Annotationen zu erweitern, beispielsweise im Kontext von Active Learning. Damit baut das System IF-Anom während des Betriebs einen annotierten Datenbestand auf. Dieser enthält mindestens die Klassen nor- mal/anormal, kann aber auch einen höheren Detailgrad aufweisen, wenn der menschliche Überprüfer Expert entsprechende Annotationen zur Verfügung stellt. Infolgedessen wird das System IF-Anom mit zunehmender Betriebsdauer immer einen annotierten Datensatz zur Verfügung haben. In addition, the IF-Anom system can send annotation requests to the third module IF-Anom Annotation Manager during the training of models, in order to expand the database with annotations, for example in the context of active learning. The IF-Anom system thus builds up an annotated database during operation. This contains at least the classes normal/abnormal, but can also have a higher level of detail if the human reviewer Expert provides appropriate annotations. As a result, the IF-Anom system will always have an annotated dataset available over time.
Der während des Betriebes erweiterte Datenbestand dient dazu, regelmäßig neue Modelle zu trainieren. Auch wenn zu Beginn nur referenz-basierte Modelle Ref genutzt wurden, aufgrund der Abwesenheit eines annotierten Datensatzes, können nun auch annotations-basierte Modelle Anno zum Einsatz kommen. Diese können dann die aktuell genutzten Modelle im Betrieb ersetzen oder ergänzen. Darüber hinaus können erfolgreich trainierte und getestete Modelle dazu verwendet werden, in einem iterativen Prozess die historischen Daten, die zum initialen Training eines, häufig re- ferenz-basierten Modells Ref verwendet wurden, von in der Vergangenheit unerkannten Anomalien zu säubern. Durch die Verbesserung der Qualität der initialen Trainingsmenge kann eine zusätzliche Verbesserung der Modellgenauigkeiten erreicht werden. The database, which is expanded during operation, is used to regularly train new models. Even if only reference-based models Ref were used at the beginning, due to the absence of an annotated data set, annotation-based models Anno can now also be used. These can then replace or supplement the models currently used in the company. In addition, successfully trained and tested models can be used in an iterative process to clean the historical data, which was used for the initial training of a frequently reference-based model Ref, from anomalies that were not recognized in the past. By improving the quality of the initial training set, an additional improvement in model accuracy can be achieved.
Die Überwachung des Modell-Trainings sowie die Freigabe von neuen Modellen für die produktive Anomalieerkennung kann mittels des Überwachungsmoduls Moduli und/oder des Kontrollmoduls Modulß automatisiert erfolgen oder manuell basierend auf der erzielten Genauigkeit und kann durch das Kontrollmodul Modulß in Funktion eines User Interfaces gesteuert werden. Das Kontrollmodul Modulß dient darüber hinaus der Darstellung der in der Vergangenheit, zum Beispiel letzte x-Tage, erreichten Genauigkeit der Anomalieerkennung, umfassend den Anteil tatsächlicher Anomalien an den vorgeschlagenen Anomalien, und erfüllt so eine Monitoring-Funktion. The monitoring of the model training and the release of new models for productive anomaly detection can be automated using the monitoring module Moduli and/or the control module Modulß or manually based on the accuracy achieved and can be controlled by the control module Modulß as a function of a user interface. The control module Modulß is also used to display the data in the past, for example the last x days, achieved accuracy of anomaly detection, including the proportion of actual anomalies to the proposed anomalies, and thus fulfills a monitoring function.
Das Überwachungsmodul Modul liest die Daten des ersten Datenspeichers Mem1 ein und kann in Datenaustausch mit dem Kontrollmodul Modulß stehen. The monitoring module module reads the data from the first data memory Mem1 and can exchange data with the control module module B.
Bei der Evaluation von Anomalieerkennungs-Modellen existieren zwei Herausforderungen. There are two challenges in evaluating anomaly detection models.
Eingesetzten Modelle können Fehler in zwei Richtungen machen, ein als anormal erkannter Zustand ist in Wirklichkeit normal, was einem falsch-positiven Ergebnis entspricht. Oder ein in Wirklichkeit anormaler Zustand wurde als normal eingeordnet, was einem falsch-negativen Ergebnis entspricht. In den allermeisten Fällen besteht zwischen beiden Fehlem eine Konkurrenz, das heißt eine geringere Anzahl an falsch-negativen Vorhersagen geht mit einer höheren Anzahl an falsch-positiven Vorhersagen einher und umgekehrt. Die Herausforderung an dieser Stelle besteht nun darin, dass für eine sinnvolle Abschätzung der Einsatzfähigkeit eines Modells, die Kosten/Kostenfunktion, die eine nicht erkannte Anomalie oder ein als Anomalie erkannter Normalzustand mit sich bringt, in Betracht gezogen werden müssen. Das System IF-Anom bietet dazu quantitative Unterstützung. Employed models can make errors in two directions, a condition recognized as abnormal is in fact normal, which corresponds to a false positive result. Or a condition that is actually abnormal has been classified as normal, which corresponds to a false negative result. In most cases there is competition between the two errors, i.e. a lower number of false negative predictions is accompanied by a higher number of false positive predictions and vice versa. The challenge at this point is that for a meaningful assessment of the usability of a model, the cost/cost function that an undetected anomaly or a normal state that is recognized as an anomaly entails must be taken into account. The IF-Anom system offers quantitative support for this.
Grundsätzlich führt eine bessere Anomalieerkennung, wie sie erfindungsgemäß mit dem System IF-Anom erzielt wird, zu einer geringeren Konkurrenz zwischen falschpositiven und falsch-negativen Ergebnisses, wodurch es grundsätzlich einfacher wird, einen vertretbaren Kompromiss zwischen beiden zu finden. In principle, better anomaly detection, as is achieved according to the invention with the IF-Anom system, leads to less competition between false-positive and false-negative results, making it fundamentally easier to find an acceptable compromise between the two.
Darüber hinaus bietet das System IF-Anom die Möglichkeit einer detaillierten Betrachtung, in der die jeweiligen Kosten der möglichen Fehler berücksichtigt werden können und somit eine unter den gegebenen Umständen optimale Entscheidung getroffen werden kann, siehe Fig. 5. Nach einem Aspekt der Erfindung führt das erste Modul IF-Anom Core das erfindungsgemäße Verfahren zum Erhalten von Analysemodellen durch. In addition, the IF-Anom system offers the possibility of a detailed examination, in which the respective costs of the possible errors can be taken into account and thus an optimal decision can be made under the given circumstances, see Fig. 5. According to one aspect of the invention, the first module IF-Anom Core performs the method of obtaining analysis models according to the invention.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für die optimierte Auswahl eines Modells basierend auf den Kosten für falsch-positive und falsch-negative Einordnungen. Ein Modell, hier Logistische Regression, ordnet Test-Beispielen einen Anomaliescore AS1 , AS2, AS3 zu. Auf der Abszisse ist die Anzahl an Zuständen aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Anomaliescore aufgetragen. Die als normal/anormal gekennzeichneten Punkte stellen eine ground truth dar. Während der Anwendung würde die Einordnung normal/anormal nun basierend auf einem Grenzwert oder threshold bezogen auf den Anomaliescore AS1 , AS2, AS3 getroffen werden. Wird der Grenzwert beispielsweise als 0.8 bestimmt, entsprechen alle von dem Modell bestimmten Anomaliscores, die größer als 0.8 sind, einer Anomalie. Das heißt, die als normal gekennzeichneten Punkte oberhalb von 0.8 entsprechen falsch-positiv Ereignissen. Alle von dem Modell bestimmten Anomaliescores, die kleiner als 0.8 sind, stellen keine Anomalie dar. Das heißt, die als anormal gekennzeichneten Punkte unterhalb von 0.8 entsprechen falsch-negativ Ereignissen. Bei falsch-negativ Ereignissen werden tatsächlich vorhandene Anomalien nicht erkannt, wohingegen bei falsch-positiven Ereignissen Zustände als anormal bestimmt werden, obwohl diese in Wahrheit normal sind. Falschnegativ Ereignisse wirken sich damit auf den Prozess entsprechend teurer aus und werden in den Kosten entsprechend stärker gewichtet. Beispielsweise sind die Kosten für falsch-negativ Ereignisse 500, die für falsch positive 100, beispielsweise in der Währung Euro. 5 shows an example of the optimized selection of a model based on the costs of false positive and false negative classifications. A model, here logistic regression, assigns an anomaly score AS1, AS2, AS3 to test examples. The number of states is plotted on the abscissa. The anomalies score is plotted on the ordinate. The points marked as normal/abnormal represent ground truth. During use, the normal/abnormal classification would now be based on a limit value or threshold related to the anomalies score AS1, AS2, AS3. For example, if the cutoff is determined to be 0.8, any anomalis scores determined by the model that are greater than 0.8 correspond to an anomaly. That is, the points marked as normal above 0.8 correspond to false positive events. All anomaly scores determined by the model that are less than 0.8 do not represent an anomaly. This means that the points marked as abnormal below 0.8 correspond to false-negative events. In the case of false-negative events, actual anomalies that are present are not detected, whereas in the case of false-positive events, conditions are determined to be abnormal when in fact they are normal. False negative events thus have a correspondingly more expensive effect on the process and are weighted accordingly more heavily in the costs. For example, the cost of false negative events is 500, that of false positive is 100, for example in the euro currency.
Die Wahl dieses Grenzwertes, siehe gestrichelte Linie, führt zu einer Änderung der Anzahl oder der Rate an falsch-positiven und falsch-negativen Einordnungen, siehe Fig. 6. Statt der Auswahl eines Grenzwertes könnten hier äquivalent auch verschiedene Modelle verglichen werden. Fig. 6 ist eine Grenzwertoptimierungskurve, auch als receiver operating characteristic bekannt. Der AUC -Wert, das heißt die Größe der Fläche unter der Kurve, oder area under curve, ist ein Qualitätsmaß für das Modell. Sind die Kosten, umfassend Materialkosten, für eine nicht erkannte Anomalie, das heißt falsch-negativ, und eine falsche Einordnung als Anomalie, das heißt falsch-positiv, bekannt, kann ein optimaler Grenzwert, das heißt ein optimales Modell, für den produktiven Einsatz berechnet werden, siehe gestrichelte Linie in Fig. 7. Wird der Grenzwert zu klein gesetzt, werden beispielsweise alle Bauteile, deren erhaltener Anomaliewert über dem Grenzwert liegt, aussortiert, darunter auch viele Bauteile mit falscher Einordnung. Dies führt zu hohen Kosten. Wird der Grenzwert zu groß gewählt, werden viele Bauteile beibehalten, darunter auch viele Bauteile mit nicht erkannter Anomalie. Der optimale Grenzwert, der durch Optimierung der Kostenfunktion erhalten wird, gleicht diese beiden Trends aus. The selection of this limit value, see dashed line, leads to a change in the number or the rate of false positive and false negative classifications, see FIG. 6. Instead of selecting a limit value, different models could also be compared here. Figure 6 is a threshold optimization curve, also known as a receiver operating characteristic. The AUC value, ie the size of the area under the curve, is a quality measure for the model. If the costs, including material costs, for an unrecognized anomaly, i.e. false negative, and a wrong classification as an anomaly, i.e. false positive, are known, an optimal limit value, i.e. an optimal model, can be calculated for productive use see dashed line in FIG. 7. If the limit value is set too small, for example all components whose received anomaly value is above the limit value are sorted out, including many components with incorrect classification. This leads to high costs. If the threshold value is too large, many components will be retained, including many components with undetected anomalies. The optimal limit obtained by optimizing the cost function balances these two trends.
Logistische Regression ist hier nur ein Beispiel für ein Analysemodell. Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht beschränkt auf ein konkretes Analysemodell. Weitere Analysemodelle zur Durchführung der Erfindung umfassen beispielsweise Isolationsbäume, auch isolation forest genannt, Autoencoder, generative adversariale Netzwerke, auch generative adversarial networks genannt, Faltungsnetzwerke oder support vector machines. Logistic regression is just one example of an analysis model here. The solution according to the invention is not limited to a specific analysis model. Further analysis models for carrying out the invention include, for example, isolation trees, also known as isolation forests, autoencoders, generative adversarial networks, also known as generative adversarial networks, convolution networks or support vector machines.
Isolationswald bezeichnet einen Anomalieerkennungsalgorithmus, der Anomalien durch Isolierung identifiziert. Dabei werden Anomalien mithilfe von Binärbäumen isoliert. Isolationswald funktioniert in Situationen gut, in denen der Trainingssatz keine oder wenige Anomalien enthält. Damit ist Isolationswald ein vorteilhaftes Analysemodell für die erfindungsgemäße Lösung. Isolation Forest denotes an anomaly detection algorithm that identifies anomalies through isolation. Anomalies are isolated using binary trees. Isolation forest works well in situations where the training set contains no or few anomalies. This means that the isolation forest is an advantageous analysis model for the solution according to the invention.
Bei der algorithmischen Erkennung von Anomalien besteht in der Regel als zweite Herausforderung, als direkte Folge aus der Definition einer Anomalie, dass es nur wenige oder, im Extremfall unbekannter Anomalien keine, Test-Anomalien gibt, die zur Bewertung herangezogen werden können. Dies führt mindestens dazu, dass die Bewertung verschiedener Modelle ein statistisches Signifikanzproblem bekommt und im Extremfall es sogar zunächst nicht möglich ist, Modelle zu Bewerten. Das System IF-Anom löst dieses Problem durch die vorhandene Kopplung an einen menschlichen Bewerter Expert. Sind zu Beginn nicht genügend Test-Anomalien vorhanden, werden verschiedene Modelle durch eine manuelle Evaluation der gefundenen Anomalien bewertet. Dadurch findet zunächst eine initiale Bewertung von Modellen statt, mittels der ein Modell für den ersten Produktiveinsatz ausgewählt werden kann. Des Weiteren wird eine initiale Menge annotierter Beispiele erzeugt, die im weiteren Verlauf des Einsatzes des Systems IF-Anom zur Evaluation von Modellen verwendet werden kann. Der Austausch zwischen Beispielen zur Annotation und der entsprechenden Beurteilungen durch einen menschlichen Überprüfer Expert wird durch das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager durchgeführt. In the algorithmic detection of anomalies, the second challenge, as a direct consequence of the definition of an anomaly, is usually that there are few or, in the extreme case of unknown anomalies, no test anomalies that can be used for the evaluation. This leads at least to the fact that the evaluation of different models gets a statistical significance problem and in extreme cases it is even not possible to evaluate models at first. The IF-Anom system solves this problem by linking it to a human expert evaluator. If there are not enough test anomalies at the beginning, various models are used by manually evaluating the ones found anomalies evaluated. As a result, an initial evaluation of models takes place, by means of which a model can be selected for the first productive use. Furthermore, an initial set of annotated examples is generated, which can be used to evaluate models in the further course of using the IF-Anom system. The exchange between examples for annotation and the corresponding assessments by a human expert reviewer is carried out by the third module IF-Anom annotation manager.
Fig. 8 zeigt das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner des Systems IF-Anom.8 shows the second module IF-Anom anomaly detector of the system IF-Anom.
Das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner übernimmt die Aufgabe, eingehende Daten umfassend Data2 gemäß der bestehenden Zustandsdefinition und Datenvorverarbeitungsroutinen zu verarbeiten. Dabei werden die ankommenden Daten in der gleichen Art und Weise verarbeitet wie die historischen Daten Datal , die für das Modelltraining verwendet wurden. Anschließend wird mittels der verfügbaren Anomalieerkennungs-Modelle eine Bewertung durchgeführt. Die Ausgabe jedes Modells umfasst einen Anomaliewert, den Anomaliescore AS1 , AS2, AS3. Der Anomaliscore AS1 , AS2, AS3 gibt an, wie anormal der bewertete Zustand Z ist, in der Regel, aber nicht zwangsläufig, je höher, desto anormaler. Welche Methodik und welche Modelle zur Anwendung kommen, hängt dabei vom Anwendungsfall und der Verfügbarkeit von Modellen ausreichender Güte ab. The second module IF-Anom anomaly detector takes on the task of processing incoming data comprehensively Data2 according to the existing status definition and data pre-processing routines. The incoming data is processed in the same way as the historical data Datal used for model training. An assessment is then carried out using the available anomaly detection models. The output of each model includes an anomaly score, the anomalies score AS1, AS2, AS3. The anomaliscore AS1, AS2, AS3 indicates how abnormal the evaluated state Z is, usually but not necessarily, the higher the more abnormal. Which methodology and which models are used depends on the application and the availability of models of sufficient quality.
Ist nur ein Modell einer Methodik verfügbar, wird der durch dieses Modell berechnete Anomaliewert an das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager geschickt. In diesem Fall wird dieser Wert vom Vereinigermodul Modul5 durchgeschleust. Dieser Fall tritt in der Regel zu Beginn des Einsatzes des Systems IF-Anom auf, wenn noch nicht genügend annotierte Daten zur Verfügung stehen und lediglich ein referenz-basiertes Modell eingesetzt wird. If only one model of a methodology is available, the anomaly value calculated by this model is sent to the third module IF-Anom annotation manager. In this case, this value is passed through by the combiner module Modul5. This case usually occurs at the beginning of the use of the IF-Anom system, when not enough annotated data is available and only a reference-based model is used.
Ein Dateneingabe-ZSteuermodul Modul 4 bestimmt aus den Daten des ersten Moduls IF-Anom Core und/oder aus der Konfiguration trainierter Modelle Konfig-Model fünfte Daten Data5. Die fünften Daten Data5 umfassen die Zustandsdaten und Modelle. Mit den fünften Daten Data5 führt das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner eine Re- ferenz-basierten Anomalieerkennung Ref-Anomalie und/oder eine Annotations- basierte Anomalieerkennung Anno-Anomalie durch. In der Referenz-basierten Anomalieerkennung Ref-Anomalie wird ein erster Anomaliescore AS1 bestimmt. In der Annotations-basierte Anomalieerkennung Anno-Anomalie wird ein zweiter Anomaliescore AS2 bestimmt. A data entry/control module module 4 determines fifth data Data5 from the data of the first module IF-Anom Core and/or from the configuration of trained models Config-Model. The fifth data Data5 includes the status data and models. With the fifth data Data5, the second module IF-Anom anomaly identifier carries out a reference-based anomaly identifier Ref-anomaly and/or an annotation based anomaly detection Anno anomaly by. A first anomaly score AS1 is determined in the reference-based anomaly detection Ref-anomaly. In the annotation-based anomaly detection anno-anomaly, a second anomaly score AS2 is determined.
Stehen dem zweiten Modul IF-Anom Anomalieerkenner sowohl ein referenz-basier- tes als auch ein annotations-basiertes Modell zu Verfügung, übernimmt das Vereini- germodul Modul5 die Aufgabe, aus dem ersten und zweiten Anomaliescore AS1 , AS2 einen finalen dritten Anomaliescore AS3 zu berechnen. Dabei kann beispielsweise das folgende Vorgehen angewendet werden: If the second module IF-Anom anomaly detector has both a reference-based and an annotation-based model available, the unifier module Module5 takes on the task of calculating a final, third anomaly score AS3 from the first and second anomaly scores AS1, AS2 . For example, the following procedure can be used:
Wenn das annotations-basierte Modell eine Anomalie erkennt, das heißt der zu einer Anomalieklasse gehörende Anomaliscore AS2 ist größer als ein eingestellter Grenzwert, so wird diese Einschätzung an das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager gegeben. Auch hier gibt das Vereinigermodul Modul5 das Ergebnis einfach weiter. If the annotation-based model detects an anomaly, ie the anomaliscore AS2 belonging to an anomaly class is greater than a set limit value, then this assessment is given to the third module IF-Anom annotation manager. Here, too, the unifier module Modul5 simply passes on the result.
Wenn das annotations-basierte Modell nicht mit ausreichender Konfidenz eine Anomalieklasse erkennt oder einen fraglichen Zustand Z als normal einordnet, wird dieses Ergebnis an das Vereinigermodul Modul5 gegeben. Das Vereinigermodul Moduls erhält zusätzlich die Einschätzung des referenz-basierten Modells. Dann ergeben sich wiederum zwei mögliche Vorgehensweisen: If the annotation-based model does not recognize an anomaly class with sufficient confidence or classifies a questionable state Z as normal, this result is given to the unification module Module5. The unifier module also receives the assessment of the reference-based model. Then there are two possible approaches:
Das Vereinigermodul Moduls übernimmt die Einschätzung des referenz-basierten Modells und gibt den errechneten ersten Anomaliescore AS1 zusammen mit einer, auf einem Grenzwert basierenden, Klassifikation als normal/anormal an das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager. The unifier module takes over the assessment of the reference-based model and gives the calculated first anomaly score AS1 together with a classification based on a limit value as normal/abnormal to the third module IF-Anom annotation manager.
Oder das Vereinigermodul Moduls nimmt die Einschätzungen des annotations-ba- sierten und des referenzbasierten Ansatzes, um daraus eine Meta-Vorhersage zu generieren. Zu diesem Zweck kann ein eigenes Modell Meta trainiert werden. Neben den Modellvorhersagen können in dieses Modell auch Meta-Informationen über den fraglichen Zustand Z sowie historische Testgenauigkeiten der verwendeten Modelle eingehen. Auch in diesem Fall wird ein Anomaliescore, hier der dritte Anomaliescore AS3, sowie eine Grenzwert-basierte Einschätzung normal/anormal an das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager übergeben. Or the unifier module takes the assessments of the annotation-based and the reference-based approach to generate a meta-prediction from them. A separate model Meta can be trained for this purpose. In addition to the model predictions, meta-information about the state Z in question as well as historical test accuracies of the models used can also be included in this model. In this case, too, an anomalies score, here the third anomalies score AS3, as well as a threshold-based assessment normal/abnormal passed to the third module IF-Anom annotation manager.
Die Kommunikation zwischen dem System IF-Anom und der manuellen Überprüfung der vorhergesagten Anomaliewerte/Anomalieklassen wird durch das dritte Modul IF- Anom Annotationsmanager übernommen. The communication between the IF-Anom system and the manual check of the predicted anomaly values/anomaly classes is taken over by the third module IF-Anom annotation manager.
Die von dem zweiten Modul IF-Anom Anomalieerkenner vorverarbeiteten Daten werden zur Datenspeicherung und weiteren Verarbeitung an das erste Modul IF-Anom Core gesendet. The data pre-processed by the second IF-Anom anomaly detector module are sent to the first IF-Anom Core module for data storage and further processing.
Nach einem Aspekt führt das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Anomaliewertes AS1 , AS2, AS3 durch. According to one aspect, the second module IF-Anom anomaly identifier carries out the method according to the invention for determining at least one anomaly value AS1, AS2, AS3.
Das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager übernimmt die Aufgaben, die in Verbindung mit der Generierung von Annotationen stehen, dazu gehören: The third module IF-Anom Annotation Manager takes over the tasks related to the generation of annotations, including:
• Verarbeitung eingehender, vom zweiten Modul IF-Anom Anomalieerkenner bewerteter Zustände Z und basierend darauf Entscheidung, ob ein Zustand Z an einen menschlichen Überprüfer Expert gesendet wird; o Einbeziehen der Ähnlichkeit zu bereits annotierten Anomalien; • processing incoming states Z evaluated by the second module IF-Anom anomaly detector and based thereon deciding whether a state Z is sent to a human verifier Expert; o Inclusion of similarity to already annotated anomalies;
• Anfrage von Annotation an Überprüfer Expert über die Online-Anomalieerkennung hinaus, zum Zwecke der gezielten Erweiterung der Trainingsmenge, der Modellevaluation und zum systematischen Testen der Überprüfer Expert; • Request of annotation to expert verifier beyond the online anomaly detection, for the purpose of targeted expansion of the training set, model evaluation and for systematic testing of the expert verifier;
• Handling der Annotationen. • Handling of the annotations.
Nach einem Aspekt führt das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager das erfindungsgemäße Verfahren zum Bereitstellen von erkannten Anomalien an die Überprüfungsinstanz Expert durch. According to one aspect, the third module IF-Anom annotation manager carries out the method according to the invention for providing recognized anomalies to the checking instance Expert.
Zur Verarbeitung bewerteter Zustände Z: Die Modelle des zweiten Moduls IF-Anom Anomalieerkenner vergeben einen Anomaliewert AS1 , AS2, AS3 an einen zu untersuchenden Zustand Z, sowie eine, auf einem Grenzwert basierende, Klassifikation mindestens in die Klassen normal/anor- mal; bei Trainingsdaten höheren Detailgrades in die entsprechend detaillierteren Klassen. Basierend auf dieser Einschätzung entscheidet das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager über das weitere Vorgehen. For processing evaluated states Z: The models of the second module IF-Anom anomaly detector assign an anomaly value AS1, AS2, AS3 to a state Z to be examined, as well as a classification based on a limit value, at least into the classes normal/abnormal; in the case of training data with a higher level of detail, into the correspondingly more detailed classes. Based on this assessment, the third module IF-Anom annotation manager decides how to proceed.
Wenn der Zustand Z als anormal bewertet wurde, wird entschieden, ob eine Überprüfung durch einen Menschen Expert stattfindet oder, in der Regel bei hoher erwarteter Genauigkeit, ob der Zustand Z ohne weitere Überprüfung als Anomalie NOK gemeldet wird. If the condition Z has been assessed as abnormal, a decision is made as to whether a check by a human expert takes place or, usually if the expected accuracy is high, whether the condition Z is reported as an anomaly NOK without further checking.
Wird der Zustand Z als normal bewertet, kann er trotzdem als potentielle Anomalie gekennzeichnet zur Überprüfung an einen Experten Expert gesendet werden, um die durch das System IF-Anom durchgeführte Modellierung einer statistischen Kontrolle zu unterwerfen und gleichzeitig die Aufmerksamkeit der Überprüfer Expert zu gewährleisten. Die Wahrscheinlichkeit, ob ein normaler Zustand an einen Überprüfer Expert gesendet wird, kann dabei vom errechneten Anomaliewert AS1 , AS2, AS3 abhängig gemacht werden, zum Beispiel je anormaler, desto wahrscheinlicher findet eine Überprüfung statt. If the state Z is assessed as normal, it can still be sent to an Expert for verification, flagged as a potential anomaly, in order to subject the modeling carried out by the IF-Anom system to a statistical control and at the same time to ensure the attention of the Expert verifiers. The probability of whether a normal state is sent to a checker Expert can be made dependent on the calculated anomaly value AS1, AS2, AS3, for example the more abnormal, the more likely a check will take place.
Zum Einbeziehen der Ähnlichkeit zu bereits annotierten Anomalien: To include similarity to already annotated anomalies:
Die kontinuierliche Verbesserung des Systems IF-Anom wird dadurch erreicht, dass die Annotationen der Überprüfer Expert für das weitere Training von Modellen verwendet werden, und so das Wissen der menschlichen Experten Expert in die Anomalieerkennung einfließt. Ein Kennzeichen vieler hier verwendeter Modelle, insbesondere jenen aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz, ist jedoch, dass eine gewisse Menge an Bespielen einer Klasse vorhanden sein muss, damit die Klasse erfolgreich gelernt und folglich erkannt wird. Im Betrieb des Systems IF-Anom kann das dazu führen, dass ein menschlicher Überprüfer Expert sehr oft sehr ähnliche Zustände Z als richtig-positive oder falsch-positive Vorhersage einordnen muss, bevor ein Modell in der Lage ist, einen vergleichbaren Zustand Z als sicher genug anormal oder eben als nicht anormal zu erkennen. Um diesen Aufwand für einen Überprüfer Expert zu verringern, kann das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager, bevor es eine potenzielle Anomalie an einen Überprüfer Expert gibt, die Ähnlichkeit eines Zustandes Z zu bereits erkannten berechnen. Bei hoher Übereinstimmung kann dann, ohne weitere Überprüfung, der fragliche Zustand Z die Annotation des bereits bekannten ähnlichen Zustandes Z bekommen. Der Grad der notwendigen Ähnlichkeit wird über einen einzustellenden Grenzwert festgelegt. The continuous improvement of the IF-Anom system is achieved by using the annotations of the reviewers Expert for further training of models, and thus the knowledge of the human experts Expert flows into the anomaly detection. However, a characteristic of many of the models used here, especially those from the field of artificial intelligence, is that a certain number of examples of a class must be present for the class to be successfully learned and consequently recognized. In the operation of the IF-Anom system, this can lead to a human reviewer Expert very often having to classify very similar states Z as a true-positive or false-positive prediction before a model is able to recognize a comparable state Z as surely sufficiently abnormal or as not abnormal. In order to reduce this effort for a verifier expert, the third module IF-Anom annotation manager can calculate the similarity of a state Z to already recognized ones before there is a potential anomaly to a verifier expert. If there is a high level of agreement, the state Z in question can then be given the annotation of the already known similar state Z without further checking. The degree of the necessary similarity is defined via a limit value to be set.
Zur Anfrage von Annotationen: To request annotations:
Neben der Annotation von während des Betriebes aussortierten Zuständen Z erfordert der optimale Betrieb des Systems IF-Anom weiteren Annotationsaufwand. In addition to the annotation of states Z sorted out during operation, the optimal operation of the system IF-Anom requires further annotation effort.
Das erste Modul IF-Anom Core kann Annotationsanfragen senden, um Annotationen zur Verbesserung der Modelle während des Trainings zu erhalten, beispielsweise im Kontext von Active Learning. Dabei errechnet ein Modell, dass die Annotation von bestimmten Trainingszuständen die Modellqualität besonders erhöhen kann und diese Zustände Z werden dann durch das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager an einen Überprüfer Expert gegeben, um den annotierten Datenbestand gezielt auszubauen. The first module, IF-Anom Core, can send annotation requests to receive annotations to improve the models during training, for example in the context of active learning. A model calculates that the annotation of certain training states can particularly increase the model quality and these states Z are then given to a verifier expert by the third module IF-Anom annotation manager in order to specifically expand the annotated database.
Das erste Modul IF-Anom Core kann auch Annotationsanfrage an das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager senden zum Zwecke der Modellevaluation. Die finale Evaluation eines trainierten Modells erfordert einen Testdatensatz. Wenn dieser unvollständig oder zu klein ist, kann das erste Modul IF-Anom Core gezielt Annotationsanfragen stellen, um ein Modell zu evaluieren. Diese werden dann von dem dritten Modul IF-Anom Annotationsmanager an einen Überprüfer Expert gegen. Dieser Fall spielt insbesondere zu Beginn des Einsatzes des Systems IF-Anom oder nach Prozessänderungen eine große Rolle, wenn noch nicht genügend geeignete Test-Zu- stände Z vorhanden sind. Eine weitere Funktionalität des Systems IF-Anom, genauer des dritten Moduls IF- Anom Annotationsmanager, besteht darin, dass unterschiedliche menschliche Überprüfer Expert systematisch getestet werden. Beispielsweise wird ein Zustand Z, der bereits überprüft wurde, nochmal zur Annotation an einen Überprüfer Expert gegeben. Das kann der gleiche Überprüfer Expert sein, beispielsweise zu einer anderen Tageszeit, oder aber ein anderer Überprüfer Expert. Dies dient im Wesentlichen dazu, die vergebenen Annotationen der Überprüfer Expert entsprechend zu gewichten und gegebenenfalls durch das Querfragen von anderen Überprüfern Expert und/oder zu anderen Zeiten die Annotationsqualität und damit die Genauigkeit des Systems IF-Anom kontinuierlich zu verbessern. The first module IF-Anom Core can also send annotation requests to the third module IF-Anom Annotation Manager for the purpose of model evaluation. The final evaluation of a trained model requires a test data set. If this is incomplete or too small, the first module IF-Anom Core can make specific annotation requests to evaluate a model. These are then sent by the third module IF-Anom annotation manager to a verifier Expert. This case plays a major role in particular at the beginning of the use of the IF-Anom system or after process changes, if not enough suitable test states Z are available. Another functionality of the IF-Anom system, more precisely of the third module IF-Anom annotation manager, is that different human reviewers Expert are systematically tested. For example, a status Z that has already been checked is given again to an expert for annotation. This can be the same Verifier Expert, for example at a different time of day, or it can be a different Verifier Expert. This essentially serves to weight the annotations given by the Expert reviewers accordingly and, if necessary, to continuously improve the annotation quality and thus the accuracy of the IF-Anom system by asking other Expert reviewers and/or at other times.
Zum Handling der Annotationen: To handle the annotations:
Ein grundlegendes Ziel bei der Durchführung der oben beschriebenen Annotationen ist die Verbesserung der bestehenden Datenbasis und damit der Genauigkeit der Anomalieerkennungsmodelle. A basic goal when performing the annotations described above is to improve the existing database and thus the accuracy of the anomaly detection models.
Um zu gewährleisten, dass die durchgeführten Annotationen von hoher Qualität sind, führt das System IF-Anom eine Bewertung der eingehenden Annotationen durch. Diese Bewertung basiert erstens auf einer Einschätzung der Genauigkeit einer Annotation durch den Überprüfer Expert selbst, das heißt ein Überprüfer Expert gibt an, wie sicher er sich bei einer Annotation ist, beispielsweise in den drei Stufen sehr sicher, sicher, unsicher. To ensure that the annotations performed are of high quality, the IF-Anom system performs an evaluation of the incoming annotations. This evaluation is based firstly on an assessment of the accuracy of an annotation by the expert reviewer himself, i.e. an expert reviewer states how certain he is of an annotation, for example in the three levels very certain, certain, unsure.
Zweitens führt das System IF-Anom eine eigene Einschätzung der Qualität einer Annotation durch, basierend auf Metadaten, wie ID des Überprüfers Expert und Qualität der von diesem Überprüfer Expert getätigten Annotationen in der Vergangenheit umfassend Tageszeit, Wochentag, Grad der Anomalität, selbst getätigter Einschätzung und weiteren relevanten Größen sowie der mit einer Annotation verbunden Einschätzung durch den Überprüfer Expert. Second, the IF-Anom system performs its own assessment of the quality of an annotation based on metadata such as the ID of the Verifier Expert and the quality of the annotations made by this Verifier Expert in the past, including time of day, day of the week, degree of anomaly, self-assessment and other relevant variables as well as the assessment by the reviewer Expert associated with an annotation.
Basierend auf der errechneten Einschätzung entscheidet das System IF-Anom, ob eine Annotation vertrauenswürdig genug ist, um sofort an das erste Modul IF-Anom Core gesendet zu werden, um dort den Trainingsdatensatz zu erweitern, oder ob der Zustand Z für eine weitere Annotation an einen menschlichen Überprüfer Expert gesendet wird. Dabei wird in der Regel eine andere Person ausgewählt, es kann aber auch die gleiche Person zu einer anderen Tageszeit ausgewählt werden. Based on the calculated assessment, the IF-Anom system decides whether an annotation is trustworthy enough to immediately send it to the first IF-Anom module Core to expand the training data set there, or whether the state Z is sent to a human reviewer Expert for further annotation. This usually involves selecting a different person, but it can also select the same person at a different time of day.
Ergeben sich bei einer Mehrfachüberprüfung widersprüchliche Annotationen, bietet das System IF-Anom mehrere Vorgehensweisen umfassend: If contradictory annotations result from a multiple check, the IF-Anom system offers several comprehensive procedures:
Es wird eine dritte Annotation angefordert. Ergibt sich dann eine Mehrheit, kann die Annotation an das erste Modul IF-Anom Core gesendet werden oder auch zusätzlich einer der nächsten Schritte durchgeführt werden. A third annotation is requested. If there is a majority, the annotation can be sent to the first module IF-Anom Core or one of the next steps can also be carried out.
Widersprüchlich Annotationen werden gesammelt und in der Monitoring Applikation angezeigt. Dort kann eine finale Entscheidung bezüglich der Annotation angegeben werden, zum Beispiel nachdem fragliche Zustände Z in einer Team-Runde besprochen wurden. Die finale Annotation wird dann an das erste Modul IF-Anom Core zur Erweiterung des Trainingsdatensatzes gegeben. Conflicting annotations are collected and displayed in the monitoring application. A final decision regarding the annotation can be given there, for example after questionable states Z have been discussed in a team round. The final annotation is then given to the first module IF-Anom Core to extend the training data set.
Es kann ein Ansatz verwendet werden, der durch die Technik Label-Smoothing inspiriert ist. Dabei wird einem Zustand Z nicht eine Annotation zu 100% zugewiesen, sondern ein Zustand Z kann mehrere, auch widersprüchliche, Annotationen bekommen, wobei jede Annotation gewichtet wird, das heißt ein Zustand ist beispielsweise zu 80% nicht in Ordnung und zu 20% in Ordnung. Dieses Gewicht kann von dem System IF-Anom basierend auf seiner Einschätzung der Annotations-Qualität vergeben werden. Die gewichteten Annotationen werden dann an das erste Modul IF- Anom Core zur Erweiterung des Trainingsdatensatzes geschickt. An approach inspired by the label smoothing technique can be used. A state Z is not 100% assigned an annotation, but a state Z can have several, even contradictory, annotations, with each annotation being weighted, i.e. a state is, for example, 80% not okay and 20% okay . This weight can be assigned by the IF-Anom system based on its assessment of the annotation quality. The weighted annotations are then sent to the first module IF-Anom Core to extend the training data set.
Zur Veranschaulichung wird nun eine mögliche Verwendung des Systems IF-Anom als Ausführungsbeispiel beschrieben, beschränkt auf die wesentlichen Aspekte. A possible use of the IF-Anom system will now be described as an exemplary embodiment, limited to the essential aspects, for the sake of illustration.
Der einwandfreie Zustand Z eines fertigen Getriebes wird im Rahmen einer End Of Line Prüfung EOL festgestellt. Diese Prüfung beinhaltet eine Funktions- und Akustikprüfung. Im Rahmen der Akustikprüfung wird in verschiedenen Gängen eine Drehzahlrampe gefahren und währenddessen wird der entstehende Körperschall am Getriebegehäuse gemessen. The flawless condition Z of a finished transmission is determined as part of an end-of-line test EOL. This test includes a functional and acoustic test. As part of the acoustic test, a Speed ramp driven and meanwhile the resulting structure-borne noise is measured on the gearbox housing.
Die etablierte Beurteilung des Getriebezustandes geschieht dann auf folgende Weise. The established assessment of the transmission condition then occurs in the following manner.
Zunächst wird das Zeitsignal mittels einer Fast-Fourier Transformation in ein Sona- gramm umgewandelt. Innerhalb dieses Sonagramms können Bereiche bestimmten Getriebebauteilen zugeordnet und mit Grenzwerten versehen werden, die nicht überschritten werden dürfen. Basierend auf diesen Bereichen, sogenannten Merkmalen, und den zugehörigen Grenzwerten wird der Zustand Z eines Getriebes als In-Ord- nung (IO) festgestellt, wenn kein Grenzwert überschritten wird, und als Nicht-in-Ord- nung (NIO), wenn mindestens ein Grenzwert überschritten wird. First, the time signal is converted into a sonogram using a Fast Fourier Transform. Within this sonagram, areas can be assigned to specific transmission components and provided with limit values that must not be exceeded. Based on these areas, so-called characteristics, and the associated limit values, the condition Z of a transmission is determined as OK if no limit value is exceeded and as Not OK (NOK) if at least a limit is exceeded.
Die Festlegung der Merkmale und der zugehörigen Grenzen ist ein komplexer Prozess, der zum einen aus dem Aufbau des Getriebes resultiert und zum anderen aus Erfahrungen während des Einsatzes. Daraus resultiert, dass es immer auch auffällige Getriebe gibt, die nicht erkannt werden. Aus diesem Grund wird die etablierte Getriebe-Akustikprüfung durch eine Anomalieerkennung mittels des erfindungsgemäßen Systems IF-Anom erweitert. Defining the characteristics and the associated limits is a complex process that results from the structure of the transmission on the one hand and from experience during use on the other. As a result, there are always conspicuous gears that are not recognized. For this reason, the established transmission acoustic test is expanded to include anomaly detection using the IF-Anom system according to the invention.
Die Datengrundlage des Systems IF-Anom besteht hierbei in den Zeitsignalen, die während der Akustikprüfung aufgezeichnet werden und weiteren Meta-Information umfassend die Variante des Getriebes, die ID der prüfenden Teststation, die ID der Produktionslinie, sowie das Ergebnis der etablierten Prüfung NIO oder IO. Die Gesamtheit dieser Daten definiert dann auch den Zustand Z eines Getriebes, das heißt der Zustand Z eines Getriebes im Sinne des Systems IF-Anom wird definiert durch das Akustiksignal aus der EOL-Prüfung, das Ergebnis der EOL-Prüfung N IO/IO, die Getriebe-Variante, die prüfende Teststation und die Produktionslinie. The data basis of the IF-Anom system consists of the time signals that are recorded during the acoustic test and other meta information including the variant of the transmission, the ID of the testing test station, the ID of the production line, and the result of the established test NOK or OK . All of this data then also defines the state Z of a transmission, i.e. the state Z of a transmission in the sense of the IF-Anom system is defined by the acoustic signal from the EOL test, the result of the EOL test N IO/IO, the Transmission variant, the checking test station and the production line.
Als Trainingsdaten Datal stehen in diesem Fall die historischen Akustikprüfdaten verschiedener Getriebevarianten, Teststationen und Produktionslinien zur Verfügung, zudem die Annotation in IO und NIO gemäß des oben beschriebenen etablierten Prüfverfahrens. Der Trainingsdatensatz Datal für referenz-basierte Modelle kann damit insofern optimiert werden, dass die bekannten NIO bereits entfernt werden. In this case, the historical acoustic test data of various transmission variants, test stations and production lines are available as training data Datal, as well as the annotation in OK and NOK according to the established one described above test procedure. The training data set Datal for reference-based models can thus be optimized to the extent that the known NOK are already removed.
Die vorhandenen Annotationen können zusätzlich zum Trainieren von annotationsbasierten Modellen verwendet werden. Diese werden dann jedoch nur auf IO Fällen angewendet, um unerkannte NIO zu finden. The existing annotations can also be used to train annotation-based models. However, these are then only applied to IO cases in order to find unrecognized NOK.
Als weitere Datenquelle zur Überprüfung der Anomalieerkennung werden Beanstandungen aus dem Betrieb der Getriebe als Data4 herangezogen. Es wird überprüft, inwiefern die in den historischen Daten erkannten Anomalien mit Beanstandungen im Feld Zusammenhängen. Complaints from the operation of the gearbox are used as Data4 as a further data source for checking the anomaly detection. It is checked to what extent the anomalies recognized in the historical data are related to complaints in the field.
Eine Trennung der vorhandenen Daten in Trainings-, Validierungs- und Testdaten wird hier als Standardvorgehen vorausgesetzt und daher nicht im Detail erwähnt. A separation of the existing data into training, validation and test data is assumed here as a standard procedure and is therefore not mentioned in detail.
Die Datenvorverarbeitung umfasst in diesem Fall eine Transformation des akustischen Zeitsignals in den Frequenzraum mittels Fouriertransformation oder Wavelet- Transformation. Ferner können Normierungsschritte, beispielsweise auf die Drehzahl, hinzukommen. In this case, the data pre-processing includes a transformation of the acoustic time signal into the frequency space by means of Fourier transformation or wavelet transformation. Furthermore, normalization steps, for example to the speed, can be added.
Mit den initial vorhandenen Daten werden die im Folgenden beschriebenen Anomalieerkennungsmodelle trainiert. The anomaly detection models described below are trained with the initially available data.
Ein Modell, das auf der statistischen Erfassung der Verteilung der Trainingsdaten beruht und zur Anomalieerkennung die Abweichung vom statistisch beobachteten Normalzustand berechnet. Dieses Modell fällt damit in die Kategorie der referenz-basier- ten Modelle. A model that is based on the statistical recording of the distribution of the training data and calculates the deviation from the statistically observed normal state for anomaly detection. This model thus falls into the category of reference-based models.
Ein Modell, das zur Abbildung der in den Trainingsdaten üblicherweise beobachteten Zustände Z einen Autoencoder verwendet. Ein Autoencoder ist ein Modell mit einer zweigeteilten neuronalen Netzwerk Architektur. Ein Teil des Modells lernt eine niedrig dimensionale Repräsentation eines Zustandes, beispielsweise ein Sonagramm zu erzeugen, und der zweite Teil des Modells lernt aus dieser den Ursprungszustand wiederherzustellen. Der Fehler, der dabei gemacht wird, ist für selten vorkommende Zustände größer als für die Mehrheit der vorkommenden Zustände Z. Dadurch kann dieses Modell zu Anomalieerkennung eingesetzt werden. Der Anomaliescore AS1 ergibt sich dann aus der Differenz zwischen dem ursprünglichen Sonagramm und dem durch das Modell errechneten wiederhergestellten Sonagramm. Auch dieses Modell ist ein referenz-basiertes Modell. A model that uses an autoencoder to map the Z states commonly observed in the training data. An autoencoder is a model with a two-part neural network architecture. One part of the model learns to create a low-dimensional representation of a state, for example a sonagram, and the second part of the model learns to restore the original state from this. The mistake that is made in doing this is for infrequently occurring ones States larger than for the majority of the occurring states Z. This model can thus be used for anomaly detection. The anomalies score AS1 then results from the difference between the original sonagram and the restored sonagram calculated by the model. This model is also a reference-based model.
Nutzen der vorhandenen Annotationen IO und NIO. Dabei kann beispielsweise ein Faltungsnetzwerk darauf trainiert werden, IO und NIO Zustände zu unterscheiden. Um anschließend unbekannte Anomalien zu erkennen, kann das trainierte Modell ausschließlich für Zustände Z, die vom etablierten Verfahren als IO klassifiziert wurden, verwendet werden. Das Modell sucht dann in den IO Zuständen nach Mustern, die eigentlich zu NIO Fällen gehören. Als Anomaliescore AS2 dient dann die vom Modell errechnete Wahrscheinlichkeit, dass der fragliche Zustand zur NIO Klasse gehört. Dieses Modell kann in die Klasse der annotations-basierten Modelle eingeordnet werden. Use of the existing OK and NOK annotations. For example, a convolution network can be trained to differentiate between OK and NOK states. In order to subsequently recognize unknown anomalies, the trained model can only be used for states Z that have been classified as IO by the established method. The model then looks for patterns in the IO states that actually belong to NIO cases. The probability calculated by the model that the condition in question belongs to the NOK class then serves as the anomaly score AS2. This model can be classified in the class of annotation-based models.
Das Training der beschriebenen Modelle wird auf der Ebene Getriebevarianten und Produktionslinien durchgeführt. Pro Getriebevariante und Produktionslinie existiert jeweils eine Version der Modelle. Diese Einschränkung wird jeweils in der zugehörigen Konfiguration Konfig-Model festgehalten, sodass im späteren Einsatz immer das zu einem fraglichen Getriebe gehörige Modell geladen wird. The models described are trained at the level of transmission variants and production lines. There is one version of each model for each transmission variant and production line. This restriction is always recorded in the associated configuration Config-Model, so that the model associated with the transmission in question is always loaded later on.
Da im hier beschriebenen Anwendungsfall keine echten Testanomalien vorhanden sind, wird die Genauigkeit der entwickelten Modelle auf zwei Arten getestet. Als Schnelltest wird die Genauigkeit berechnet, mit der ein Modell die bekannten NIO eines Testdatensatzes gefunden hätte. Ergibt sich dabei ein vielversprechender Wert, werden für eine Analyse der Genauigkeit, mit der unbekannte Anomalien erkannt werden, Annotationsanfragen an einen menschlichen Überprüfer Expert gesendet. Since there are no real test anomalies in the use case described here, the accuracy of the developed models is tested in two ways. As a quick test, the accuracy with which a model would have found the known NOK of a test data set is calculated. If the result is promising, annotation requests are sent to an Expert human reviewer for analysis of the accuracy with which unknown anomalies are detected.
Das Modell für das Vereinigermodul Modul5 wird hier einfach gehalten. Wenn ein an- notations-basiertes Modell keine Anomalie erkennt, wird die Einschätzung des refe- renz-basierten Modells verwendet, das heißt in diesem Fall wird kein zusätzliches Modelltraining für das Vereinigermodul Modul5 benötigt. Die Grenzwerte, nach denen entschieden wird, ob ein Anomaliescore zu einer Klassifikation als anormal führt, werden in diesem Fall sehr eng gesetzt, aus den folgenden Gründen: The model for the unifier module Modul5 is kept simple here. If an annotation-based model does not detect an anomaly, the assessment of the reference-based model is used, ie in this case no additional model training for the unifier module Module5 is required. The threshold values used to decide whether an anomalies score leads to classification as abnormal are set very narrowly in this case, for the following reasons:
Das System IF-Anom wird in dieser Anwendung nur als zusätzliches Sicherheitsnetz genutzt. In this application, the IF-Anom system is only used as an additional safety net.
Da in der Vergangenheit keine Anomalieerkennung durchgeführt wurde, ist jede gefundene Anomalie ein Erfolg, eine nicht erkannte Anomalie entspricht nur dem bisher gelebten Vorgang. Since no anomaly detection was carried out in the past, every anomaly found is a success, an anomaly that is not detected only corresponds to the process lived up to now.
Die Überprüfung der potenziellen Anomalien ist aufwändig, weswegen es vorteilhaft ist, sich auf die sehr anormalen Zustände Z zu konzentrieren. Verifying the potential anomalies is laborious, so it is beneficial to focus on the very anomalous states Z.
Während des Einsatzes des Systems IF-Anom werden für jedes EOL-geprüfte Getriebe die zu seinem Zustand Z gehörigen Daten an das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner gesendet. Von den beschriebenen Modellen wird beispielsweise das statistische Modell als Referenz-basiertes Modell verwendet und zusätzlich das beschriebene Annotations-basierte Modell. Die endgültige Anomalievorhersage wird dann an das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager gesendet und, falls eine Anomalie erkannt wird, immer, da die Grenzwerte entsprechend hoch eingestellt sind, weiter zum menschlichen Überprüfer Expert. Ein als nicht anormal klassifiziertes Getriebe wird mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zum Überprüfen Expert gesendet. Die Wahrscheinlichkeit ist abhängig vom Abstand zu dem gesetzten Anoma- liescore-Grenzwert. Zur Unterstützung der Überprüfungen kann eine Erklärbarkeitsausgabe mit Hilfe der eingesetzten Modelle erzeugt werden. Diese macht es für den Überprüfer Expert transparent, welche Bereiche des Sonagramms für die Entscheidung normal/anormal relevant waren. During the use of the IF-Anom system, the data belonging to its state Z are sent to the second IF-Anom anomaly detector module for each EOL-tested transmission. Of the models described, for example, the statistical model is used as a reference-based model and, in addition, the annotation-based model described. The final anomaly prediction is then sent to the third module IF-Anom annotation manager and, if an anomaly is detected, always, since the thresholds are set correspondingly high, on to the human reviewer Expert. A gearbox classified as not abnormal will be sent for expert checking with a certain probability. The probability depends on the distance to the set anomaly score limit. To support the checks, an explainability output can be generated using the models used. This makes it transparent for the expert reviewer which areas of the sonagram were relevant for the normal/abnormal decision.
Ein tatsächlich anormales Getriebe wird dann aussortiert und in einem Nacharbeitsverfahren repariert. Im laufenden Betrieb des Systems IF-Anom werden zwei Genauigkeiten manuell überwacht, die sich aus den, durch IF-Anom angeforderten, manuell annotierten Zuständen Z berechnen lassen. Das ist zum einen die Rate an Falsch-Positiven bezogen auf die als anormal klassifizierten Zuständen Z, zum anderen die Rate an Anomalien, also Falsch-Negativen, unter den als normal klassifizierten Zuständen Z. Zeigt sich ein Anstieg der Falsch-Positiv-Rate und/oder der Falsch-Negative-Rate, kann entweder über eine Änderung der eingestellten Grenzwerte oder über ein Nachtrainieren der Modelle, vorzugsweise auf neueren Daten gegengesteuert werden. A transmission that is actually abnormal is then sorted out and repaired in a rework process. During operation of the IF-Anom system, two accuracies are manually monitored, which can be calculated from the manually annotated states Z requested by IF-Anom. On the one hand, this is the rate of false positives in relation to the states Z classified as abnormal, and on the other hand the rate of anomalies, i.e. false negatives, among the states Z classified as normal. There is an increase in the false positive rate and /or the false negative rate can be counteracted either by changing the set limit values or by retraining the models, preferably on more recent data.
Fig. 9 zeigt schematisch das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren zum Erhalten eines Analysemodells für Anomalieerkennung in einem industriellen Fertigungsprozess IF. In einem Verfahrensschritt C1 werden Daten Datal , Data2, Dataß, Data4 von Zuständen Z beispielsweise einer Produktionsmaschine PM, P in beispielsweise einem zu überwachenden Prozessschritt PS erhalten. Aus den Daten wird in einem Verfahrensschritt C2 eine Zustandsdefinition bestimmt. In einem Verfahrensschritt C3 werden die Daten und die Zustandsdefinition in einem ersten Datenspeicher Mem1 gespeichert. In einem Verfahrensschritt C4 wird ein Analysemodell zur Anomalieerkennung in Form einer künstlichen Intelligenz Kl, beispielsweise einem künstlichen neuronalen Netzwerk, trainiert auf den Daten Datal , Data2, Data3, Data4. Das Analysemodell lernt datengetrieben die Zustände Z, die selten sind und/oder von anderen Zuständen Z abweichen, als Anomalien zu klassifizieren. In einem Verfahrensschritt C5 wird das trainierte Analysemodell bewertet mittels einer Annotation der gefundenen Anomalien durch die Überprüfungsinstanz Expert. Die Daten Datal , Data2, Data3, Data4 werden in einem Verfahrensschritt C6 mit den Annotationen erweitert und gespeichert. In einem Verfahrensschritt C7 wird das trainierte Analysemodell und dessen Bewertung gespeichert. 9 schematically shows the computer-implemented method according to the invention for obtaining an analysis model for anomaly detection in an industrial manufacturing process IF. In a method step C1, data Data1, Data2, Dataß, Data4 are obtained from states Z, for example of a production machine PM, P in, for example, a process step PS to be monitored. A state definition is determined from the data in a method step C2. In a method step C3, the data and the state definition are stored in a first data memory Mem1. In a method step C4, an analysis model for anomaly detection in the form of an artificial intelligence K1, for example an artificial neural network, is trained on the data Data1, Data2, Data3, Data4. Driven by data, the analysis model learns to classify states Z that are rare and/or deviate from other states Z as anomalies. In a method step C5, the trained analysis model is evaluated by the checking instance Expert using an annotation of the anomalies found. The data Data1, Data2, Data3, Data4 are expanded with the annotations in a method step C6 and stored. The trained analysis model and its evaluation are stored in a method step C7.
Beispielsweise ist das erste Modul IF-Anom Core ein Softwaremodul, ein Hardwaremodul oder eine Kombination aus Software- und Hardwaremodul. Das erste Modul IF-Anom Core führt beispielsweise die Verfahrensschritte C1 -C7 aus. Fig. 10 zeigt schematisch das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Anomaliewertes AS1 , AS2, AS3 in einem industriellen Fertigungsprozess IF. In einem Verfahrensschritt E1 werden sensoriell gemessenen Daten von Zuständen Z beispielsweise der Produktionsmaschine PM in dem zu überwachenden Prozessschritt PS erhalten. In einem Verfahrensschritt E2 wird beispielsweise ein Referenz-basiertes Analysemodell Ref-Anomalie erhalten, das beispielsweise auf historischen Daten der Daten trainiert wurde zur Anomalieerkennung. Die Daten werden in das Analysemodell Ref-Anomalie eingegeben. In einem Verfahrensschritt E3 erhält das Analysemodell Ref-Anomalie den Anomaliewert AS1 , AS2, AS3. In einem Verfahrensschritt E4 wird der Anomaliewertes AS1 , AS2, AA3 an die Überprüfungsinstanz Expert zur weiteren Überprüfung bereitgestellt. For example, the first module IF-Anom Core is a software module, a hardware module or a combination of software and hardware module. The first module IF-Anom Core executes the method steps C1 -C7, for example. 10 schematically shows the computer-implemented method according to the invention for determining at least one anomaly value AS1, AS2, AS3 in an industrial manufacturing process IF. In a method step E1, sensor-measured data from states Z, for example of the production machine PM, is obtained in the process step PS to be monitored. In a method step E2, a reference-based analysis model Ref-Anomaly is obtained, for example, which was trained, for example, on historical data of the data for anomaly detection. The data is fed into the Ref-Anomaly analysis model. In a method step E3, the analysis model Ref-Anomaly receives the anomaly value AS1, AS2, AS3. In a method step E4, the anomaly value AS1, AS2, AA3 is made available to the checking instance Expert for further checking.
Beispielsweise ist das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner ein Softwaremodul, ein Hardwaremodul oder eine Kombination aus Software- und Hardwaremodul. Das zweite Modul IF-Anom Anomalieerkenner führt beispielsweise die Verfahrensschritte E1 -E4 aus. For example, the second module IF-Anom anomaly identifier is a software module, a hardware module or a combination of software and hardware module. The second module IF-Anom anomaly detector carries out the method steps E1-E4, for example.
Fig. 11 zeigt schematisch das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren zum Bereitstellen erkannten Anomalien an die Überprüfungsinstanz Expert. In einem Verfahrensschritt M1 wird ein Anomaliewert AS1 , AS2, AS3 erhalten. Falls der erhaltene Anomaliewert AS1 , AS2, AS3 einen anormalen Zustand klassifiziert mit hoher Genauigkeit, wird in einem Verfahrensschritt M2 der Zustand als Anomalie gemeldet ohne weitere Überprüfung. Falls der erhaltene Anomaliewert AS1 , AS2, AS3 einen anormalen Zustand klassifiziert, der weiter überprüft werden soll, wird in einem Verfahrensschritt M3 eine Ähnlichkeit zu einem bereits als Anomalie erkanntem Zustand bestimmt. Im Falle hoher Ähnlichkeit wird in einem Verfahrensschritt M4 die Annotation des bereits früher erkannten und annotierten Zustandes übernommen. Wenn der bereits früher erkannte Zustand ein Falsch-positiv war, wird natürlich auch diese Annotation übernommen. Andernfalls wird in einem Verfahrensschritt M5 der Zustand an die Überprüfungsinstanz Expert bereitgestellt. Ferner wird der Zustand entsprechend annotiert von der Überprüfungsinstanz Expert. Auch als normal klassifizierte Zustände können gelegentlich an die Überprüfungsinstanz gemeldet werden zum Zwecke der statistischen Kontrolle der Anomalieerkennungsalgorithmen und/oder zur Gewährleistung der Aufmerksamkeit der Überprüfungsinstanz. FIG. 11 schematically shows the computer-implemented method according to the invention for providing recognized anomalies to the checking instance Expert. In a method step M1, an anomaly value AS1, AS2, AS3 is obtained. If the received anomaly value AS1, AS2, AS3 classifies an abnormal state with high accuracy, the state is reported as an anomaly in a method step M2 without further checking. If the received anomaly value AS1, AS2, AS3 classifies an abnormal state that is to be checked further, a similarity to a state already recognized as an anomaly is determined in a method step M3. In the case of high similarity, the annotation of the previously recognized and annotated state is adopted in a method step M4. If the condition recognized earlier was a false positive, this annotation is of course also adopted. Otherwise, in a method step M5, the status is made available to the checking instance Expert. Furthermore, the state is annotated accordingly by the checking instance Expert. Conditions classified as normal can also occasionally be reported to the verification authority for the purpose of statistical control of the anomaly detection algorithms and/or to ensure the attention of the verification authority.
Beispielsweise ist das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager ein Softwaremodul oder eine Kombination aus Software- und Hardwaremodul. Das dritte Modul IF-Anom Annotationsmanager führt beispielsweise die Verfahrensschritte M1 -M5 aus. For example, the third module IF-Anom annotation manager is a software module or a combination of software and hardware module. The third module IF-Anom annotation manager executes the method steps M1-M5, for example.
Fig. 12 zeigt schematisch das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren zum Kontrollieren von Anomalien NOK. In einem Verfahrensschritt A1 wird datenbasierte ein Zustandes Z beispielsweise des zu überwachenden Prozessschrittes PS definiert. In einem Verfahrensschritt A2 werden die Daten gespeichert und verarbeitet. In einem Verfahrensschritt A3 wird ein Analysemodells zur Anomalieerkennung basierend auf zumindest historischen Daten trainiert, beispielsweise mittels des ersten Modul IF-Anom Core. In einem Verfahrensschritt A4 wird die Überprüfungsinstanz integriert zur Kontrolle von erkannten Anomalien und zum Generieren von Annotationen zur Erweiterung des Datenbestandes, beispielsweise mittels des dritten Moduls IF-Anom Anomalieerkenner. In einem Verfahrensschritt A5 werden die Anomalien erkannt, beispielsweise mittels des zweiten Moduls IF-Anom Anomalieerkenner. In einem Verfahrensschritt A6 wird der überwachte Prozessschritt PS kontrolliert bei erkannter Anomalie. Beispielsweise wird der überwachte Prozessschritt PS basierend auf der erkannten Anomalie näher begutachtet, um zu entscheiden, ob und/oder wann eine Wartung oder Reparatur durchgeführt werden muss. Ein Bauteil, das während oder nach dem Auftreten einer Anomalie verarbeitet wurde, kann beispielsweise aussortiert und/oder gesondert begutachtet werden. 12 schematically shows the computer-implemented method according to the invention for checking anomalies NOK. In a method step A1, a data-based status Z, for example of the process step PS to be monitored, is defined. In a method step A2, the data are stored and processed. In a method step A3, an analysis model for anomaly detection is trained based on at least historical data, for example using the first module IF-Anom Core. In a method step A4, the checking instance is integrated to check detected anomalies and to generate annotations for expanding the database, for example using the third module IF-Anom anomaly detector. In a method step A5, the anomalies are detected, for example by means of the second module IF-Anom anomaly detector. In a method step A6, the monitored process step PS is checked if an anomaly is detected. For example, the monitored process step PS is examined more closely based on the detected anomaly in order to decide whether and/or when maintenance or repairs need to be carried out. A component that was processed during or after the occurrence of an anomaly can, for example, be sorted out and/or examined separately.
Das Verfahren wird beispielsweise von dem erfindungsgemäßen System IF-Anom zum Kontrollieren von Anomalien NOK in industriellen Fertigungsprozessen IF durchgeführt. Bezugszeichen The method is carried out, for example, by the system IF-Anom according to the invention for checking anomalies NOK in industrial manufacturing processes IF. Reference sign
IF industrieller Fertigungsprozess IF industrial manufacturing process
PS1-PS3 Produktionsschritte PS1-PS3 production steps
PS Produktionsschritt PS production step
PM Produktionsmaschine PM production machine
P Prüfstation P test station
EOL End Of Line Prüfung EOL end of line check
IF-Anom System zur industriellen AnomalieerkennungIF-Anom system for industrial anomaly detection
IF-Anom Core erstes Modul IF-Anom Core first module
IF-Anom Anomalieerkenner zweites Modul IF-Anom anomaly detector second module
IF-Anom Annotationsmanager drittes Modul IF-Anom annotation manager third module
IF-Anom Daten viertes Modul IF-Anom data fourth module
NOK Anomalie NOK anomaly
Expert Überwacher Expert Supervisor
Datal erste Daten Datal first data
Data2 zweite Daten Data2 second data
Data3 dritte Daten Data3 third data
Data4 vierte Daten Data4 fourth data
Data5 fünfte Daten Data5 fifth data
Data Datenverarbeitungsmodul Data data processing module
Moduli Überwachungsmodul Moduli monitoring module
Modul2 Trainingsmodul Module2 training module
Modul3 Kontrollmodul Module3 control module
Modul4 Dateneingabe-ZSteuermodul Module4 Data Entry ZControl Module
Modul 5 Vereinigermodul Module 5 combiner module
Ref Training Referenz-basierte Modelle Ref Training Reference-based models
Ref-Anomalie Referenz-basierte AnomalieerkennungRef-Anomaly Reference-based anomaly detection
Anno Training Annotations-basierte Modelle Anno-Anomalie Annotations-basierte Anomalieerkennung Anno Training annotation-based models Anno-Anomaly Annotation-based anomaly detection
AS1 erster Anomaliescore AS1 first anomalies score
AS2 zweiter Anomaliescore AS2 second anomaly score
AS3 dritter Anomaliescore AS3 third anomalies score
Meta Training Metamodell Meta training meta model
Mem1 erster Datenspeicher Mem1 first data store
Mem2 zweiter Datenspeicher Mem2 second data storage
Z Zu stand Z state
Konfig-Model Konfiguration trainierter Modelle Config-Model Configuration of trained models
C1 -C7 Verfahrensschritte C1 -C7 process steps
E1 -E4 Verfahrensschritte E1 -E4 process steps
M1-M5 Verfahrensschritte M1-M5 procedural steps
A1 -A6 Verfahrensschritte A1 -A6 process steps
Kl Künstliche Intelligenz Kl Artificial Intelligence

Claims

Patentansprüche patent claims
1 . Computerimplementiertes Verfahren zum Erhalten eines Analysemodells für Anomalieerkennung in einem industriellen Fertigungsprozess (IF) umfassend die Schritte1 . Computer-implemented method for obtaining an analysis model for anomaly detection in an industrial manufacturing process (IF), comprising the steps
• Erhalten von Daten (Datal , Data2, Data3, Data4) von Zuständen (Z) eines Prozesses, eines Bauteils und/oder einer Produktionsmaschine (PM, P) in wenigstens einem zu überwachenden Prozessschritt (PS, PS1 , PS2, PS3) des industriellen Fertigungsprozesses (IF) zu einem vorgegebenen Zeitpunkt oder in einem vorgegebenen Zeitintervall, aus gleichartigen Prozessschritten und/oder aus nachgelagerten Prozessen umfassend sensoriell gemessene Daten und/oder aus Simulieren des Prozesses erhaltene Daten (C1 ); • Obtaining data (Data1, Data2, Data3, Data4) from states (Z) of a process, a component and/or a production machine (PM, P) in at least one process step to be monitored (PS, PS1, PS2, PS3) of the industrial Manufacturing process (IF) at a predetermined point in time or in a predetermined time interval, from process steps of the same type and/or from downstream processes comprising data measured by sensors and/or data (C1) obtained from simulating the process;
• Bestimmen einer Zustandsdefinition basierend auf den Daten (Datal , Data2, Data3, Data4) (C2); • determining a state definition based on the data (Data1, Data2, Data3, Data4) (C2);
• Speichern der Daten und der Zustandsdefinition (C3); • storing the data and the state definition (C3);
• Trainieren wenigstens eines Analysemodells zur Anomalieerkennung, wobei die Daten (Datal , Data2, Data3, Data4) in das Analysemodell gespeist werden und das Analysemodell basierend auf der Zustandsdefinition eine Verteilung der Zustände (Z) bestimmt und basierend auf der Verteilung die Zustände (Z), die basierend auf den Daten (Datal , Data2, Data3, Data4) selten sind und/oder von anderen Zuständen (Z) abweichen, als Anomalien klassifiziert (C4); • Training at least one analysis model for anomaly detection, the data (Data1, Data2, Data3, Data4) being fed into the analysis model and the analysis model based on the state definition determines a distribution of the states (Z) and based on the distribution the states (Z) that are rare and/or deviate from other states (Z) based on the data (Data1 , Data2, Data3, Data4) are classified (C4) as anomalies;
• Bewerten des trainierten Analysemodells, wobei eine Überprüfungsinstanz (Expert) Wahr-Positive-Ergebnisse und/oder Falsch-Positive-Ergebnisse unter den klassifizierten Anomalien (NOK) annotiert (C5); • Assessing the trained analysis model, wherein a verification entity (Expert) annotates true-positive results and/or false-positive results among the classified anomalies (NOK) (C5);
• Erweitern der Daten (Datal , Data2, Data3, Data4) mit den Annotationen und Speichern der erweiterten Daten (C6); • Extending the data (Datal , Data2, Data3, Data4) with the annotations and storing the extended data (C6);
• Speichern des trainierten Analysemodells und dessen Bewertung (C7). • Saving the trained analysis model and its evaluation (C7).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei während des Trainierens Annotationsanfragen an die Überprüfungsinstanz (Expert) gesendet werden und die Daten (Datal , Data2, Data3, Data4) mit von der Überprüfungsinstanz (Expert) erhaltenen Annotationen erweitert werden. 2. The method as claimed in claim 1, wherein annotation requests are sent to the checking instance (expert) during the training and the data (Data1, Data2, Data3, Data4) are expanded with annotations obtained from the checking instance (expert).
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3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Anomalieerkennung 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein for anomaly detection
• die Verteilung von Normalzuständen als Referenz bestimmt wird (Ref) und/oder • the distribution of normal states is determined as a reference (Ref) and/or
• Muster in den Daten (Datal , Data2, Data3, Data4) bestimmt werden (Anno) basierend auf historischen Daten, die durch entsprechende Annotationen wenigstens in die Klassen normal und anormal klassifiziert sind. • Patterns in the data (Data1, Data2, Data3, Data4) are determined (Anno) based on historical data, which are classified at least into the classes normal and abnormal by appropriate annotations.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Genauigkeit des trainierten Analysemodells erhöht wird, in dem historische Daten, die initial in das Analysemodell gespeist wurden, von in der Vergangenheit nicht erkannten Anomalien bereinigt werden. 4. The method as claimed in one of the preceding claims, in which the accuracy of the trained analysis model is increased by removing anomalies that were not recognized in the past from historical data which were initially fed into the analysis model.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Trainieren überwacht wird und/oder eine Freigabe von weiteren Analysemodellen basierend auf einer erzielten Genauigkeit erfolgt. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the training is monitored and/or further analysis models are released based on an achieved accuracy.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schritte des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche iterativ durchgeführt werden und Analysemodelle neu- und/oder nachtrainiert werden. 6. Method according to one of the preceding claims, wherein the steps of the method according to one of the preceding claims are carried out iteratively and analysis models are retrained and/or retrained.
7. Erstes Modul (IF-Anom Core) zum Erhalten eines Analysemodells für Anomalieerkennung in einem industriellen Fertigungsprozess (IF) umfassend 7. First module (IF-Anom Core) for obtaining an analysis model for anomaly detection in an industrial manufacturing process (IF) comprising
• ein Datenverarbeitungsmodul (Data), ausgeführt, Daten (Datal , Data2, Data3, Data4) von Zuständen (Z) eines Prozesses, eines Bauteils und/oder einer Produktionsmaschine (PM, P) in wenigstens einem zu überwachenden Prozessschritt (PS, PS1 , PS2, PS3) des industriellen Fertigungsprozesses (IF) zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem bestimmten Zeitintervall, aus gleichartigen Prozessschritten und/oder aus nachgelagerten Prozessen zu erhalten, umfassend sensoriell gemessene Daten und/oder aus Simulieren des Prozesses erhaltene Daten; • a data processing module (Data), running data (Data1, Data2, Data3, Data4) from states (Z) of a process, a component and/or a production machine (PM, P) in at least one process step (PS, PS1) to be monitored PS2, PS3) of the industrial manufacturing process (IF) at a specific point in time or in a specific time interval, from similar process steps and/or from downstream processes, comprising data measured by sensors and/or data obtained from simulating the process;
• einen ersten Datenspeicher (Mem1 ), der die Daten (Datal , Data2, Data3, Data4) und basierend auf den Daten (Datal , Data2, Data3, Data4) eine • a first data memory (Mem1) containing the data (Datal, Data2, Data3, Data4) and based on the data (Datal, Data2, Data3, Data4).
46 Zustandsdefinition und Datenerweiterungen in Form von Annotationen einer Überprüfungsinstanz (Expert) speichert; 46 saves state definition and data extensions in the form of annotations of a checking instance (expert);
• ein Trainingsmodul (Modul2), das wenigstens ein Analysemodell (Ref, Anno) zur Anomalieerkennung trainiert, wobei das Analysemodell (Ref, Anno) basierend auf der Zustandsdefinition eine Verteilung der Zustände (Z) bestimmt und basierend auf der Verteilung die Zustände (Z), die basierend auf den Daten (Datal , Data2, Dataß, Data4) selten sind und/oder von anderen Zuständen (Z) abweichen, als Anomalien klassifiziert; • a training module (Modul2) that trains at least one analysis model (Ref, Anno) for anomaly detection, with the analysis model (Ref, Anno) determining a distribution of the states (Z) based on the state definition and the states (Z) based on the distribution that are rare and/or deviate from other states (Z) based on the data (Data1, Data2, Dataß, Data4) are classified as anomalies;
• eine Schnittstelle zu der Überprüfungsinstanz (Expert), um die Annotationen von Wahr-Positiven-Ergebnissen und/oder Falsch-Positive-Ergebnissen unter den klassifizierten Anomalien zu erhalten; • an interface to the verification entity (Expert) to obtain the annotations of true-positives and/or false-positives among the classified anomalies;
• einen zweiten Datenspeicher (Mem2), der das trainierte Analysemodells (Ref, Anno) und eine Bewertung des Analysemodells (Ref, Anno) basierend auf einem Testdatensatz oder auf einer Bewertung durch die Überprüfungsinstanz (Expert) speichert. • a second data memory (Mem2) storing the trained analysis model (Ref, Anno) and an evaluation of the analysis model (Ref, Anno) based on a test data set or on an evaluation by the verification authority (Expert).
8. Erstes Modul (IF-Anom Core) nach Anspruch 7, umfassend 8. First module (IF-Anom Core) according to claim 7, comprising
• ein Überwachungsmodul (Moduli ) zur Erhöhung einer Genauigkeit des trainierten Analysemodells (Ref, Anno), in dem historische Daten (Datal ), die das Trainingsmodul (Modul2) initial in das Analysemodell (Ref, Anno) gespeist hat, von in der Vergangenheit nicht erkannten Anomalien bereinigt werden, und/oder • a monitoring module (Moduli ) to increase the accuracy of the trained analysis model (Ref, Anno) in which historical data (Datal ) that the training module (Modul2) initially fed into the analysis model (Ref, Anno) from in the past did not detected anomalies are cleaned up, and/or
• ein Kontrollmodul (Modulß) zum Überwachen des Trainings und/oder zum Freigeben von weiteren Analysemodellen (Meta) basierend auf einer erzielten Genauigkeit. • a control module (module β) for monitoring the training and/or for releasing further analysis models (meta) based on an achieved accuracy.
9. Computerimplementiertes Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Anomaliewertes (AS1 , AS2, AS3) in einem industriellen Fertigungsprozess (IF) umfassend die Schritte 9. Computer-implemented method for determining at least one anomaly value (AS1, AS2, AS3) in an industrial manufacturing process (IF) comprising the steps
• Erhalten von sensoriell gemessenen Daten von Zuständen (Z) eines Prozesses, eines Bauteils und/oder einer Produktionsmaschine (P, PM) in wenigstens einem zu überwachenden Prozessschritt (PS, PS1 , PS2, PS3) des industriellen Fertigungsprozesses (IF) (E1 ); • Obtaining sensor-measured data from states (Z) of a process, a component and/or a production machine (P, PM) in at least one process step to be monitored (PS, PS1, PS2, PS3) of the industrial manufacturing process (IF) (E1) ;
47 • Erhalten wenigstens eines Analysemodells (Ref-Anomalie, Anno-Anomalie), das auf historischen Daten der Daten, auf Daten aus gleichartigen Prozessschritten und/oder auf Daten aus nachgelagerten Prozessen, umfassend sensoriell gemessene Daten und/oder aus Simulieren des Prozesses erhaltene Daten, trainiert wurde zur Anomalieerkennung und Eingeben der Daten in das wenigstens eine Analysemodell (Ref-Anomalie, Anno-Anomalie) (E2); 47 • obtaining at least one analysis model (ref anomaly, anno anomaly) based on historical data of the data, on data from similar process steps and/or on data from downstream processes, comprising data measured by sensors and/or data obtained from simulating the process, was trained to recognize anomalies and enter the data into the at least one analysis model (ref anomaly, anno anomaly) (E2);
• Erhalten des wenigstens eines Anomaliewertes (AS1 , AS2, AS3) als Ausgabe des wenigstens einen Analysemodells (Ref-Anomalie, Anno-Anomalie) (E3); • Obtaining the at least one anomaly value (AS1, AS2, AS3) as the output of the at least one analysis model (ref anomaly, anno anomaly) (E3);
• Bereitstellen des wenigstens einen Anomaliewertes (AS1 , AS2, AA3) an eine Überprüfungsinstanz (Expert) zur Überprüfung des wenigstens einen Anomaliewertes (AS1 , AS2, AS3) (E4). • Providing the at least one anomaly value (AS1, AS2, AA3) to a checking instance (Expert) for checking the at least one anomaly value (AS1, AS2, AS3) (E4).
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Analysemodell (Ref-Anomalie, Anno-Anomalie) nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder mittels eines ersten Moduls (IF-Anom Core) nach einem der Ansprüche 7 oder 8 erhalten wurde und der von der Überprüfungsinstanz (Expert) überprüfte Anomaliewert (AS1 , AS2, AS3) in ein Training des Analysemodells (Re, Anno)) einfließt. 10. The method according to claim 9, wherein the analysis model (ref anomaly, anno anomaly) was obtained according to the method according to one of claims 1 to 6 or by means of a first module (IF-Anom Core) according to one of claims 7 or 8 and the anomaly value (AS1, AS2, AS3) checked by the checking instance (Expert) flows into a training of the analysis model (Re, Anno)).
11 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei für den Fall, dass ein Referenz-ba- siertes Analysemodell (Ref-Anomalie), das die Verteilung von Normalzuständen als Referenz bestimmt, und ein Annotation-basiertes Analysemodell (Anno-Anomalie), das Muster in den Daten bestimmt basierend auf historischen Daten, die durch entsprechende Annotationen wenigstens in die Klassen normal und anormal klassifiziert sind, bereit stehen, 11 . The method of claim 9 or 10, wherein in the event that a reference-based analysis model (Ref anomaly) that determines the distribution of normal states as a reference, and an annotation-based analysis model (anno-anomaly), the pattern in the data are available based on historical data, which are classified at least into the classes normal and abnormal by appropriate annotations,
• ein von dem Annotation-basierten Analysemodell (Anno-Anomalie) erhaltener Anomaliewert (AS2), der größer als ein vorgegebener Grenzwert ist, der Überprüfungsinstanz (Expert) bereitgestellt wird; • an anomaly value (AS2) obtained from the annotation-based analysis model (anno-anomaly), which is greater than a predetermined limit value, is made available to the verification instance (expert);
• für den Fall, dass das Annotation-basierte Analysemodell (Anno-Anomalie) keinen Anomaliewert (AS2) größer als ein vorgegebener Grenzwert erhält oder einen fraglichen Zustand (Z) als normalen Zustand (Z) klassifiziert, o ein von dem Referenz-basierten Analysemodell (Ref-Anomalie) erhaltener Anomaliewert (AS1 ) der Überprüfungsinstanz (Expert) bereitgestellt wird oder o der von dem Annotation-basierten Analysemodell (Anno-Anomalie) erhaltenen Anomaliewert (AS2) und der von dem Referenz-basierten Analysemodell (Ref-Anomalie) erhaltene Anomaliewert (AS1 ) kombiniert werden und der kombinierte Anomaliewert (AS3) der Überprüfungsinstanz (Expert) bereitgestellt wird. • in the event that the annotation-based analysis model (anno-anomaly) does not receive an anomaly value (AS2) greater than a predetermined limit value or classifies a questionable state (Z) as a normal state (Z), o one from the reference-based analysis model (Ref-Anomaly) received anomaly value (AS1) of the verification instance (Expert) is provided or o the anomaly value (AS2) obtained from the annotation-based analysis model (Anno-Anomaly) and the anomaly value (AS1) obtained from the reference-based analysis model (Ref-Anomaly) are combined and the combined anomaly value (AS3) of the verification instance (Expert) provided.
12. Zweites Modul (IF-Anom Anomalieerkenner) zum Bestimmen wenigstens eines Anomaliewertes (AS1 , AS2, AS3) in einem industriellen Fertigungsprozess (IF) umfassend 12. Second module (IF-Anom anomaly identifier) for determining at least one anomaly value (AS1, AS2, AS3) in an industrial manufacturing process (IF).
• ein Dateneingabe-ZSteuermodul (Modul4), ausgeführt, o sensoriell gemessenen Daten von Zuständen (Z) eines Prozesses, eines Bauteils und/oder einer Produktionsmaschine (P, PM) in wenigstens einem zu überwachenden Prozessschritt (PS, PS1 , PS2, PS3) des industriellen Fertigungsprozesses (IF) und o wenigstens eines Analysemodells (Ref-Anomalie, Anno-Anomalie), das auf historischen Daten der Daten, auf Daten aus gleichartigen Prozessschritten und/oder auf Daten aus nachgelagerten Prozessen, umfassend sensoriell gemessene Daten und/oder aus Simulieren des Prozesses erhaltene Daten, trainiert wurde zur Anomalieerkennung zu erhalten; o die Daten in das wenigstens eine Analysemodell (Ref-Anomalie, Anno- Anomalie) einzugeben und wenigstens einen Anomaliewert (AS1 , AS2, AS3) zu erhalten; • a data input Z control module (Modul4), executed, o sensorially measured data of states (Z) of a process, a component and / or a production machine (P, PM) in at least one process step to be monitored (PS, PS1, PS2, PS3) of the industrial manufacturing process (IF) and o at least one analysis model (ref anomaly, anno anomaly) based on historical data of the data, on data from similar process steps and/or on data from downstream processes, comprising data measured by sensors and/or from simulating the process obtained data that was trained to obtain anomaly detection; o to enter the data into the at least one analysis model (ref anomaly, annoanomaly) and to obtain at least one anomaly value (AS1, AS2, AS3);
• eine Schnittstelle zu einer Überprüfungsinstanz (Expert) zum Bereitstellen des wenigstens einen Anomaliewertes (AS1 , AS2, AS3) an die Überprüfungsinstanz (Expert) zur Überprüfung des wenigstens einen Anomaliewertes (AS1 , AS2, AS3). • an interface to a checking authority (expert) for providing the at least one anomaly value (AS1, AS2, AS3) to the checking authority (expert) for checking the at least one anomaly value (AS1, AS2, AS3).
13. Zweites Modul (IF-Anom Anomalieerkenner) nach Anspruch 12 umfassend ein Vereinigermodul (Modul5) zum Kombinieren eines von einem Annotation-basierten Analysemodell (Anno-Anomalie) erhaltenen Anomaliewertes (AS2) und eines von dem Referenz-basierten Analysemodell (Ref-Anomalie) erhaltenen Anomaliewertes (AS1 ). 13. The second module (IF-Anom anomaly detector) according to claim 12, comprising a unifier module (Modul5) for combining an anomaly value (AS2) obtained from an annotation-based analysis model (anno-anomaly) and one from the reference-based analysis model (ref-anomaly ) obtained anomaly value (AS1 ).
14. Zweites Modul (IF-Anom Anomalieerkenner) nach Anspruch 12 oder 13, ausgeführt, Anomaliewerte (AS1 , AS2, AS3) gemäß des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zu bestimmen. 14. Second module (IF-Anom anomaly detector) according to claim 12 or 13, designed to determine anomaly values (AS1, AS2, AS3) according to the method according to one of claims 9 to 11.
15. Computerimplementiertes Verfahren zum Bereitstellen von in einem industriellen Fertigungsprozess (IF) erkannten Anomalien an eine Überprüfungsinstanz (Expert) umfassend die Schritte 15. Computer-implemented method for providing anomalies detected in an industrial manufacturing process (IF) to a verification instance (expert) comprising the steps
• Erhalten wenigstens eines Anomaliewertes (AS1 , AS2, AS3) (M1 ); • Obtaining at least one anomaly value (AS1, AS2, AS3) (M1);
• falls der erhaltene Anomaliewert (AS1 , AS2, AS3) einen anormalen Zustand klassifiziert: o falls der erhaltene Anomaliewert (AS1 , AS2, AS3) einen anormalen Zustand (Z) klassifiziert mit hoher Genauigkeit, Melden des Zustands (Z) als Anomalie (NOK) ohne weitere Überprüfung (M2);oder falls der erhaltene Anomaliewert (AS1 , AS2, AS3) einen anormalen Zustand (Z) klassifiziert Bereitstellen des Anomaliewertes (AS1 , AS2, AS3) an eine Überprüfungsinstanz (Expert); o Berechnung der Ähnlichkeit zwischen dem fraglichen anormalen Zustand und bereits früher als anormal klassifizierten und durch die Überprüfungsinstanz (Expert) annotierten Zuständen mittels einer gegebenen Metrik und bei hinreichender Gleichheit Übernahme der Annotation des bereits klassifizierten Zustandes ohne weitere Überprüfung; • if the obtained anomaly value (AS1 , AS2, AS3) classifies an abnormal condition: o if the obtained anomaly value (AS1 , AS2, AS3) classifies an abnormal condition (Z) with high accuracy, reporting the condition (Z) as an anomaly (NOK ) without further checking (M2);or if the received anomaly value (AS1, AS2, AS3) classifies an abnormal state (Z), providing the anomaly value (AS1, AS2, AS3) to a checking instance (Expert); o Calculation of the similarity between the abnormal state in question and states previously classified as abnormal and annotated by the checking instance (expert) using a given metric and, if there is sufficient equality, adopting the annotation of the already classified state without further checking;
• falls der erhaltene Anomaliewert einen normalen Zustand klassifiziert: o in einem Teil der Fälle keine Meldung; o in einem anderen Teil der Fälle trotzdem Meldung an die Überprüfungsinstanz, zum Zwecke der statistischen Kontrolle der Anomalieerkennungsalgorithmen und/oder zur Gewährleistung der Aufmerksamkeit der Überprüfungsinstanz. • if the anomaly value obtained classifies a normal state: o no report in a part of the cases; o In another part of the cases, nevertheless, report to the verification body, for the purpose of statistical control of the anomaly detection algorithms and/or to ensure the attention of the verification body.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Annotieren des Zustandes (Z) in Abhängigkeit 16. The method according to claim 15, wherein the annotating of the state (Z) as a function
• einer Einschätzung der Genauigkeit der Annotation durch einen menschlichen Überprüfer (Expert) und/oder von Metadaten umfassend Identität des menschlichen Überprüfers, Qualität der von diesem Überprüfer bereits getätigten Annotationen, Tageszeit, Wochentag und/oder Grad der Anomalität erfolgt. • an assessment of the accuracy of the annotation by a human reviewer (expert) and/or of metadata comprising identity of the human reviewer, quality of the annotations already made by this reviewer, time of day, day of the week and/or degree of anomaly.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei Annotationsanfragen zu Zuständen (Z) an die Überprüfungsinstanz (Expert) gesendet werden und Daten von den Zuständen (Z) mit von der Überprüfungsinstanz (Expert) erhaltenen Annotationen erweitert werden. 17. The method according to claim 15 or 16, wherein annotation requests for states (Z) are sent to the verification authority (expert) and data from the states (Z) are expanded with annotations obtained from the verification authority (expert).
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 17, wobei ein Zustand (Z), der bereits einer Überprüfungsinstanz (Expert) bereitgestellt wurde, zu einer anderen Zeit derselben Überprüfungsinstanz (Expert) nochmals bereitgestellt wird und/oder weiteren Überprüfungsinstanzen (Expert) bereitgestellt wird und die Annotationen verglichen und/oder bewertet werden. 18. The method according to any one of claims 15 or 17, wherein a state (Z), which has already been provided to a verification authority (expert), is provided again at another time of the same verification authority (expert) and/or is provided to further verification authorities (expert). and the annotations are compared and/or evaluated.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei der Anomaliewert (AS1 , As2, AS3) nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 oder mittels des zweiten Moduls (IF-Anom Anomalieerkenner) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 erhalten wird. 19. The method according to any of claims 15 to 18, wherein the anomaly value (AS1, As2, AS3) is obtained using the method according to any of claims 9 to 11 or by means of the second module (IF-Anom anomaly detector) according to any of claims 12 to 14 becomes.
20. Drittes Modul (IF-Anom Annotationsmanager) zum Bereitstellen von in einem industriellen Fertigungsprozess (IF) erkannten Anomalien an eine Überprüfungsinstanz (Expert), ausgeführt, das Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19 durchzuführen. 20. Third module (IF-Anom annotation manager) for providing anomalies detected in an industrial manufacturing process (IF) to a checking instance (expert), designed to carry out the method according to one of claims 15 to 19.
21. Computerimplementiertes Verfahren zum Kontrollieren von Anomalien (NOK) in industriellen Fertigungsprozessen (IF) umfassend die Schritte 21. Computer-implemented method for controlling anomalies (NOK) in industrial manufacturing processes (IF) comprising the steps
• datenbasierte Definition eines Zustandes (Z) eines zu überwachenden Prozessschrittes (PS, PS1 , PS2, PS3) des industriellen Fertigungsprozesses (IF) oder eines Systems (A1 ); • data-based definition of a state (Z) of a process step to be monitored (PS, PS1, PS2, PS3) of the industrial manufacturing process (IF) or a system (A1);
51 • Speichern und Verarbeiten von Daten, die gemäß der datenbasierten Zustandsdefinition sensoriell gemessen und/oder aus Simulationen erhalten werden (A2); 51 • Storage and processing of data that are sensorially measured according to the data-based state definition and/or obtained from simulations (A2);
• Trainieren eines Analysemodells (Ref, Anno) zur Anomalieerkennung basierend auf zumindest historischen Daten (A3); • Training an analysis model (Ref, Anno) for anomaly detection based on at least historical data (A3);
• Integrieren einer Überprüfungsinstanz (Expert) zur Kontrolle von erkannten Anomalien und zum Generieren von Annotationen zur Erweiterung des Datenbestandes (A4); • Integration of a verification instance (Expert) to control detected anomalies and to generate annotations to expand the database (A4);
• Erkennen von Anomalien (A5); • Anomaly detection (A5);
• Kontrollieren des überwachten Prozessschrittes (PS, PS1 , PS2, PS3) oder Systems bei erkannter Anomalie (A6). • Checking of the monitored process step (PS, PS1, PS2, PS3) or system when an anomaly is detected (A6).
22. Verfahren nach Anspruch 21 , wobei das Analysemodell (Ref, Anno) nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 trainiert wird, eine Anomalie nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 erkannt wird und/oder die Überprüfungsinstanz (Expert) nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19 integriert wird. 22. The method according to claim 21, wherein the analysis model (Ref, Anno) is trained according to the method according to one of claims 1 to 6, an anomaly is detected according to the method according to one of claims 9 to 11 and/or the verification authority (expert) integrated according to the method of any one of claims 15 to 19.
23. System (IF-Anom) zum Kontrollieren von Anomalien (NOK) in industriellen Fertigungsprozessen (IF) umfassend ein erstes Modul (IF-Anom Core) nach Anspruch 7 oder 8, ein zweites Modul (IF-Anom Anomalieerkenner) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 und ein drittes Modul (IF-Anom Annotationsmanager) nach Anspruch 20, wobei das System ausgeführt ist, das Verfahren nach Anspruch 21 oder 22 auszuführen. 23. System (IF-Anom) for controlling anomalies (NOK) in industrial manufacturing processes (IF) comprising a first module (IF-Anom Core) according to claim 7 or 8, a second module (IF-Anom anomaly detector) according to one of the claims 12 to 14 and a third module (IF-Anom annotation manager) according to claim 20, wherein the system is designed to perform the method according to claim 21 or 22.
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