WO2024003994A1 - 正常モデル生成プログラム、正常モデル生成装置および正常モデル生成方法 - Google Patents
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Abstract
正常モデル生成プログラムは、反復的に行われる一連の複数のモードを有する作業を行っている作業主体の状態をセンサで検出することによって生成される時系列のセンサデータを取得するコンピュータを、センサデータをモード分割したモードデータを生成するモード分割部(12)、モードデータに基づいて、サイクル区間を示すサイクルデータを生成するサイクル分割部(13)、サイクルデータおよびモードデータに基づいて、正常なサイクル区間を判定するサイクル判定部(14)、正常なサイクル区間に含まれるモードデータに基づいて、複数のモードごとの正常モデルを生成する正常モデル生成部(15)、として機能させる。
Description
本開示は、正常モデル生成プログラム、正常モデル生成装置および正常モデル生成方法に関する。
設備、作業者、作業ロボットなどの作業主体の異常を検知する方法に、作業主体の状態を検出した時系列のセンサデータと、作業主体が正常であるときに収集された正常時のセンサデータとを比較する方法がある。例えば、特許文献1には、複数の稼動状態別のモードを有する設備が出力するセンサデータに対し、設備からのイベント信号に基づいてモード毎に分割し、モード毎に選択したデータで学習した正常モデルとの比較により、異常を検知する装置が開示されている。以下、モード毎に分割することをモード分割という。
特許文献1に記載の技術では、正常モデルの学習において、学習データに異常データが含まれる場合、モード毎の特徴量ベクトルの比較により、正常なデータをモード毎に選択するため、計算負荷が大きい。
本開示は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、複数のモードを有する作業を行う作業主体の状態を検出した時系列のセンサデータをモード分割し、モード毎の正常モデルを学習する計算負荷を軽減することを目的とする。
上記目的を達成するため、本開示に係る正常モデル生成プログラムは、反復的に行われる一連の複数のモードを有する作業を行っている作業主体の状態をセンサで検出することによって生成される時系列のセンサデータを取得するコンピュータを、モード分割部、サイクル分割部、サイクル判定部、および、正常モデル生成部、として機能させる。モード分割部は、センサデータをモード分割したモードデータを生成する。サイクル分割部は、モードデータに基づいて、一連の複数のモードが繰り返されるサイクル区間を示すサイクルデータを生成する。サイクル判定部は、サイクルデータおよびモードデータに基づいて、正常なサイクル区間を判定する。正常モデル生成部は、正常なサイクル区間に含まれるモードデータに基づいて、複数のモードごとの正常モデルを生成する。
本開示によれば、複数のモードを有する作業を行う作業主体の状態を検出した時系列のセンサデータをモード分割し、正常なサイクル区間に含まれるモードデータに基づいて正常モデルを生成することにより、モード毎の正常モデルを学習する計算負荷を軽減することが可能になる。
以下に、本実施の形態に係る正常モデル生成プログラム、正常モデル生成装置および正常モデル生成方法について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中同一または相当する部分には同じ符号を付す。本実施の形態では、反復的に行われる一連の複数のモードを有する作業を行っている作業主体の状態をセンサで検出することによって生成される時系列のセンサデータに基づいて、異常を検知する例について説明する。一連の複数のモードは、モード数および順番が決まっている。作業主体は、1つまたは複数の機械、あるいは、1人または複数の人物であってもよいし、それらの組み合わせであってもよい。
図1に示すように、異常検知システム100は、反復的に行われる一連の複数のモードを有する作業を行っている作業主体の状態を検出するセンサ2と、センサ2によって生成される時系列のセンサデータに基づいて異常を検知する正常モデル生成装置1と、を備える。正常モデル生成装置1は、センサ2からセンサデータを取得するセンサデータ取得部11と、センサデータをモードで分割したモードデータを生成するモード分割部12と、モードデータに基づいて、一連の複数のモードが繰り返されるサイクルの区間を示すサイクルデータを生成するサイクル分割部13と、サイクルデータおよびモードデータに基づいて、正常なサイクルの区間を判定するサイクル判定部14と、正常なサイクルの区間に含まれるモードデータに基づいて、正常モデルを生成する正常モデル生成部15と、を備える。以下、センサデータをモードで分割することをモード分割といい、一連の複数のモードが繰り返されるサイクルの区間をサイクル区間という。
また、正常モデル生成装置1は、正常モデルを記憶する正常モデル記憶部16と、モードデータおよび正常モデルに基づいて、モードデータの区間毎に異常を検知し、異常を検知したモードデータの区間を示す異常検知データを生成する異常検知部17と、異常検知データを出力する出力部18を備える。
センサデータ取得部11がセンサ2から取得するセンサデータについて図2を用いて説明する。センサデータは、例えば、温度、圧力、速度、電圧、動きなど、作業主体の状態をセンサ2が検出して得られる物理量のデータである。センサ2は、作業主体の状態を検出する1つまたは複数のセンサである。1つのセンサから得られたセンサデータは、1次元の時系列データであり、複数のセンサから得られたセンサデータは、多次元の時系列データである。図2の例では、センサデータは7次元の時系列データである。図2に示すグラフは、縦軸が物理量の値、横軸が時間である。物理量の値は、次元ごとに平均値0、標準偏差1に標準化されている。
図1に戻り、センサデータ取得部11は、取得したセンサデータをモード分割部12に送る。モード分割部12は、センサデータ取得部11から受け取ったセンサデータをモード分割して、モードデータを生成する。モード分割部12は、センサデータを分割したそれぞれの区間に対して、一連の複数のモードを周期的に割り当ててモードデータを生成する。
正常モデル記憶部16が正常モデルを記憶していない場合に、モード分割部12が生成するモードデータについて、図3を用いて説明する。正常モデル記憶部16が正常モデルを記憶していない場合、モード分割部12は、予め決められたパラメータを用いて、センサデータをモード分割し、モードデータを生成する。
モード分割部12は、予め決められたパラメータとして、例えば、1つのサイクルに期待される長さ(時間)であるサイクル期待長さと、1つのサイクルに含まれるモード数とを用いる。モード分割部12は、サイクル期待長さをモード数で除することで、1つのモードに期待される長さ(時間)であるモード期待長さを算出する。モード分割部12は、センサデータを、モード期待長さを有する複数の区間に分割し、一連の複数のモードを周期的に割り当てることでモードデータを生成する。図3の例では、センサデータをモード期待長さで分割した区間に9つのモードa~iを周期的に割り当てている。図3では、モードa~iを濃淡で表しているが、モードデータの各モードの区間にはセンサデータが含まれている。
正常モデル記憶部16が正常モデルを記憶している場合に、モード分割部12が生成するモードデータについて、図4を用いて説明する。モード分割部12は、正常モデル記憶部16が正常モデルを記憶している場合、正常モデルに含まれる各モードのテンプレートと比較することで、センサデータをモード分割し、モードデータを生成する。正常モデルの詳細については後述する。
モード分割部12は、例えば、FF-BS(Forward filtering-Backward sampling)を用いて、正常モデルに含まれる各モードのテンプレートに基づいてセンサデータを複数の区間に分割し、分割された区間のそれぞれにおけるセンサデータを対応するモードに分類することでモードデータを生成する。FF-BSを用いたモードデータの生成方法の詳細は、例えば、文献WO2019/229943の段落0036~段落0040に記載されており、クラスデータ列がモードデータに相当する。図4の例では、センサデータをFF-BSを用いて分割した区間に対応する9つのモードa~iを周期的に割り当てている。図4では、図3と同様に、モードa~iを濃淡で表しているが、モードデータの各モードの区間にはセンサデータが含まれている。
モード分割部12が正常モデルを用いてセンサデータをモード分割することにより、作業主体からのイベント信号が得られない場合であっても、モード分割が可能になる。
通常のFF-BSによるモードデータ(クラスデータ列)の生成方法では、隣接する区間に割り当てられる2つのモードは、すべての組み合わせを考える必要がある。例えば、9つのモードa~iのモードデータの生成方法を考える場合、前の区間にモードaが割り当てられた場合、後の区間にはa~iの9通りのモードが割り当てられうる。しかし、本実施の形態では、モードデータにおいて9つのモードa~iが周期的に割り当てられるため、例えば前の区間にモードaが割り当てられた場合、後の区間にはモードbが割り当てられる。すなわち隣接する区間に割り当てられうる2つのモードの組み合わせが決まっているため、モード分割部12の計算負荷を大きく低減できる。
図1に戻り、モード分割部12は、生成したモードデータをサイクル分割部13および異常検知部17に送る。サイクル分割部13は、モード分割部12から受け取ったモードデータに基づいて、センサデータにおけるサイクル区間を特定する。サイクル分割部13は、特定したサイクル区間を示すサイクルデータを生成する。
サイクル分割部13は、まず、モードデータに含まれる複数のモードのそれぞれに対して、そのモードが割り当てられた複数の区間の長さ(時間)の変動係数を算出する。変動係数とは、標準偏差を平均値で除した値である。次に、サイクル分割部13は、複数のモードのうち算出された変動係数が最大であり、かつ予め決められた基準値を超えているモードが存在した場合、これを非稼働モードとして検出する。この非稼働モードの検出方法は、モードが割り当てられた複数の区間の長さについて、作業中は再現性がある(区間の長さのばらつきが小さい)が、作業をしていない非稼働状態のときは再現性がない(区間の長さのばらつきが大きい)場合を想定している。非稼働モードの検出方法はこれに限らず、例えば、作業主体が非稼働状態のときにはセンサデータの値が変化しない場合、センサデータの値の変化に基づいて非稼働モードを検出してもよい。すなわち、センサデータの値が変化しない区間に割り当てられたモードを非稼働モードとする。あるいは、作業主体が非稼働状態のときのセンサデータに再現性がある場合、予め生成された非稼働モードのテンプレートと比較して、非稼働モードを検出してもよい。
非稼働モードを検出した場合、サイクル分割部13は、モードデータにおいて特定した非稼働モードが割り当てられている区間の終了時刻をサイクル区間が切り替わる時刻として、サイクル区間を特定する。非稼働モードを検出しなかった場合、サイクル分割部13は、予め決められたモードを選択し、当該モードが割り当てられている区間の終了時刻をサイクル区間が切り替わる時刻として、サイクル区間を特定する。
サイクル分割部13が生成するサイクルデータについて、図5を用いて説明する。図5に示すサイクルデータは、図4に示すモードデータに対して、モードiが非稼働モードとして検出され、サイクル区間0~5が特定されている。
図1に戻り、サイクル分割部13は、モードデータと生成したサイクルデータとをサイクル判定部14に送る。サイクル判定部14は、サイクル分割部13から受け取ったモードデータおよびサイクルデータに基づいて、正常なサイクル区間を判定する。まず、サイクル判定部14は、サイクルデータに基づいてモードデータをサイクル区間ごとに分割する。次に、サイクル判定部14は、サイクル区間ごとに分割された複数のモードデータに基づいて、それぞれのサイクル区間が正常であるか異常であるかを判定する。サイクル判定部14は、予め決められた判定条件を満たすサイクル区間を正常と判定する。
判定条件は、そのサイクル区間に含まれるすべてのモードデータの各区間の長さが、それぞれのモードに対して設定された標準範囲内にあることである。標準範囲は、当該モードが割り当てられた複数の区間の長さに基づいて、例えば「偏差値30以上70以下」、「30パーセンタイル以上70パーセンタイル以下」などと設定できる。ただし、非稼働モードとして特定されているモードに対しては標準範囲を適用しない。
サイクル判定部14は、各サイクル区間について正常か異常かを判定した判定結果を示す判定結果データを生成する。サイクル判定部14が生成する判定結果データについて、図6を用いて説明する。図6に示す判定結果データは、図5で示したサイクルデータによって図4で示したモードデータをサイクル区間ごとに分割し、サイクル区間毎に分割された複数のモードデータに基づいて、それぞれのサイクル区間が正常であるか異常であるかを判定した結果である。例えば、サイクル区間2においてモードcの区間の長さが標準範囲内になかったため、サイクル区間2は異常であると判定されている。
図1に戻り、サイクル判定部14は、モードデータとサイクルデータと生成した判定結果データとを正常モデル生成部15に送る。正常モデル生成部15は、サイクル判定部14から受け取ったサイクルデータおよび判定結果データが示す正常なサイクル区間に含まれるモードデータに基づいて、正常モデルを生成し、正常モデル記憶部16に記憶する。なお、正常モデル記憶部16は、外部の装置またはシステムが備える構成にしてもよい。
モード分割部12、サイクル分割部13、サイクル判定部14および正常モデル生成部15は、上記の処理を繰り返して、正常モデルを学習する。正常モデル生成部15は、生成した正常モデルが予め決められた学習終了条件を満たす場合に、正常モデルの生成を終了する。学習終了条件とは、例えば、正常モデル生成部15が生成した学習モデルが、既に正常モデル記憶部16が記憶している正常モデルと一致することである。ここでの「一致」は完全一致でなくてもよく、例えば類似度が一定値以上でもよい。学習終了条件はこれに限らず、モード分割部12、サイクル分割部13、サイクル判定部14および正常モデル生成部15が上記の処理を繰り返す回数などで規定してもよい。
具体的には、正常モデル生成部15は、ガウス過程回帰を用いて、各モードに分類された区間におけるセンサデータのガウス分布のパラメータであるテンプレートを算出する。ガウス過程回帰を用いたテンプレートの算出方法の詳細は、例えば、文献WO2019/229943の段落0030~段落0035に記載されており、標準パターンがテンプレートに相当する。また、正常モデル生成部15は、各モードに分類された複数の区間の長さに基づいて、各モードに対応する複数の閾値を算出する。例えば、正常モデル生成部15は、各モードに分類された複数の区間の長さの平均値、パーセンタイル値、偏差値といった統計量を閾値として算出することができる。なお、非稼働モードとして特定されたモードの区間は異常検知の対象外であるので、閾値を設定しない。正常モデル生成部15は、複数のモードにそれぞれ対応するテンプレートおよび閾値を正常モデルとして正常モデル記憶部16に記憶する。
正常モデル記憶部16が記憶する正常モデルについて、図7および図8を用いて説明する。図7は、正常モデルに含まれる複数のモードにそれぞれ対応するテンプレートの例である。テンプレートは、各モードに分類された区間におけるセンサデータのガウス分布のパラメータである。すなわち、テンプレートは、各モードに分類された区間における各時刻のセンサデータの平均値および分散として算出される。図7の例では、テンプレートを時系列のグラフで表している。図8は、正常モデルに含まれる閾値の例である。図8の例では、閾値は、複数のモードのそれぞれに対して、当該モードが割り当てられた複数の区間の長さの平均値である。また、モードiは非稼働モードとして特定されており、閾値が設定されていない。図8では、モードごとに1つの閾値が設定されているが、例えば、閾値は下限および上限を表す値であってもよい。
図1に戻り、異常検知部17は、モード分割部12から受け取ったモードデータおよび正常モデル記憶部16が記憶する正常モデルに基づいて、モードデータの区間毎に異常を検知する。異常検知部17は、モードデータの各区間の長さと、各区間に割り当てられたモードに対応する正常モデルの閾値とを比較して、閾値を超えるか否かで各区間が異常であるか否かを検知する。または、異常検知部17は、モードデータの各区間に含まれるセンサデータと、各区間に割り当てられたモードに対応する正常モデルのテンプレートとを比較して、類似度を異常側度として異常を検知してもよい。あるいは、異常検知部17は、閾値との比較およびテンプレートとの比較の両方を行って、各区間が異常であるか否かを検知してもよい。異常検知部17が異常の検知に閾値を用いない場合は、正常モデルに閾値を含まなくてもよい。
異常検知部17は、非稼働モードが割り当てられた区間に対しては、異常を検知しない。これにより、作業主体が非稼働状態である場合に生じうる異常の検知(誤検知)を防ぐことが可能であり、異常検知性能の低下を抑制することができる。異常検知部17は、異常を検知したモードデータの区間がある場合、異常を検知したモードデータの区間を示す異常検知データを生成する。
異常検知部17が生成する異常検知データについて、図9を用いて説明する。図9の例では、モードデータのうち、モードcの区間の長さが閾値を超えていたため、モードcの区間が異常であると検知されている。図9の例では、異常検知はモードデータに含まれる区間の長さ(時間)のみで判定しているが、モードデータの各区間に含まれるセンサデータとテンプレートとの類似度を異常測度として異常を検知してもよい。
図1に戻り、異常検知部17は、生成した異常検知データを出力部18に送る。出力部18は、異常検知部17から受け取った異常検知データを出力する。異常検知データの出力方法は、例えば、画面表示でもよいし、音声出力でもよい。あるいは、ユーザが使用するユーザ端末に送信してもよい。
上述のとおり、正常モデル生成装置1が行う処理には、センサデータに基づいて正常モデルを学習する学習フェーズと、センサデータに基づいて異常を検知して出力する異常検知フェーズとがある。
ここで、正常モデル生成装置1が学習フェーズで実行する学習処理の流れについて、図10を用いて説明する。図10に示す学習処理は、正常モデル生成装置1が学習フェーズに切り替えられた時に開始する。センサデータ取得部11は、センサ2からセンサデータを取得する(ステップS11)。このとき、センサデータ取得部11は、バッチ処理でひとまとめのセンサデータを取得する。センサデータ取得部11は、取得したセンサデータをモード分割部12に送る。
例えば、図2に示すセンサデータは作業主体の状態をセンサ2が検出して得られる物理量を示す7次元の時系列データである。図2に示すグラフは、縦軸が物理量の値、横軸が時間である。また、物理量の値は、次元ごとに平均値0、標準偏差1に標準化されている。
図10に戻り、正常モデル記憶部16が正常モデルを記憶していない場合(ステップS12;NO)、モード分割部12は、予め決められたパラメータを用いて、センサデータ取得部11から受け取ったセンサデータをモード分割し、モードデータを生成する(ステップS13)。
ステップS13で生成されるモードデータの例を図3に示す。モード分割部12は、予め決められたパラメータとして、例えば、1つのサイクルに期待される長さ(時間)であるサイクル期待長さと、1つのサイクルに含まれるモード数とを用いる。モード分割部12は、サイクル期待長さをモード数で除することで、1つのモードに期待される長さ(時間)であるモード期待長さを算出する。図3の例では、モード分割部12は、センサデータをモード期待長さで分割した区間に9つのモードa~iを周期的に割り当てており、図示しないがモードデータの各モードの区間にはセンサデータが含まれている。
正常モデル記憶部16が正常モデルを記憶している場合(ステップS12;YES)、モード分割部12は、正常モデルに含まれる各モードのテンプレートと比較して、センサデータ取得部11から受け取ったセンサデータをモード分割し、モードデータを生成する(ステップS14)。モード分割部12は、生成したモードデータをサイクル分割部13に送る。
ステップS14で生成されるモードデータの例を図4に示す。モード分割部12は、例えば、FF-BSを用いて、正常モデルに含まれる各モードのテンプレートに基づいてセンサデータを複数の区間に分割し、分割された区間のそれぞれにおけるセンサデータを対応するモードに分類することでモードデータを生成する。図4の例では、センサデータをFF-BSを用いて分割した区間に対応する9つのモードa~iを周期的に割り当てており、図示しないがモードデータの各モードの区間にはセンサデータが含まれている。
図10に戻り、サイクル分割部13は、モードデータに含まれる複数のモードから、非稼働モードを検出する(ステップS15)。非稼働モードがあった場合(ステップS16;YES)、サイクル分割部13は、モードデータにおいて検出した非稼働モードが割り当てられている区間の終了時刻をサイクル区間が切り替わる時刻とし、非稼働モードの終了時刻で区切ったサイクル区間を特定する(ステップS17)。非稼働モードがなかった場合(ステップS16;NO)、サイクル分割部13は、予め決められたモードを選択し、当該モードが割り当てられている区間の終了時刻をサイクル区間が切り替わる時刻とし、予め決められたモードの終了時刻で区切ったサイクル区間を特定する(ステップS18)。サイクル分割部13は、特定したサイクル区間を示すサイクルデータを生成する(ステップS19)。サイクル分割部13は、モードデータと生成したサイクルデータとをサイクル判定部14に送る。
例えば、図5に示すサイクルデータでは、図4に示すモードデータに対して、モードiが非稼働モードとして検出され、サイクル区間が特定されている。
図10に戻り、サイクル判定部14は、サイクル分割部13から受け取ったモードデータおよびサイクルデータに基づいて、正常なサイクル区間を判定する(ステップS20)。ステップS20で、サイクル判定部14は、そのサイクル区間に含まれるすべてのモードデータの各区間の長さが、それぞれのモードに対して設定された標準範囲内にあるという判定条件を満たすサイクル区間を正常なサイクル区間と判定する。サイクル判定部14は、各サイクル区間について正常か異常かを判定した判定結果を示す判定結果データを生成する(ステップS21)。サイクル判定部14は、モードデータとサイクルデータと生成した判定結果データとを正常モデル生成部15に送る。
例えば、図6に示す判定結果データは、図5で示したサイクルデータによって図4で示したモードデータがサイクル区間ごとに分割され、サイクル区間毎に分割された複数のモードデータに基づいて、それぞれのサイクル区間が正常であるか異常であるかを判定された結果である。
図10に戻り、正常モデル生成部15は、サイクルデータおよび判定結果データが示す正常なサイクル区間に含まれるモードデータに基づいて、正常モデルを生成する(ステップS22)。
具体的には、正常モデル生成部15は、ガウス過程回帰を用いて、各モードに分類された区間におけるセンサデータのガウス分布のパラメータであるテンプレートを算出する。また、正常モデル生成部15は、各モードに分類された複数の区間の長さに基づいて、各モードに対応する複数の閾値を算出する。例えば、各モードに分類された複数の区間の長さの平均値、パーセンタイル値、偏差値といった統計量を閾値として算出することができる。なお、非稼働モードとして特定されたモードの区間は異常検知の対象外であるので、閾値を設定しない。正常モデル生成部15は、複数のモードにそれぞれ対応するテンプレートおよび閾値を正常モデルとして正常モデル記憶部16に記憶する。
正常モデル記憶部16が記憶する正常モデルについて、図7および図8を用いて説明する。図7は、正常モデルに含まれる複数のモードにそれぞれ対応するテンプレートの例である。図7の例では、テンプレートは、各モードに分類された区間におけるセンサデータのガウス分布のパラメータである。すなわち、テンプレートは、各モードに分類された区間における各時刻のセンサデータの平均値および分散として算出される。図8は、正常モデルに含まれる閾値の例である。図8の例では、閾値は、複数のモードのそれぞれに対して、当該モードが割り当てられた複数の区間の長さの平均値である。また、モードiは非稼働モードとして特定されており、閾値が設定されていない。
図10に戻り、正常モデル生成部15は、学習終了条件を満たすか否かを判定する(ステップS23)。学習終了条件は、例えば、正常モデル生成部15が生成した学習モデルが、既に正常モデル記憶部16が記憶している正常モデルと一致することである。学習終了条件を満たさない場合(ステップS23;NO)、処理はステップS14に戻り、ステップS14~ステップS23を繰り返す。学習終了条件を満たす場合(ステップS23;YES)、処理は終了する。
続いて、正常モデル生成装置1が異常検知フェーズで実行する異常検知処理の流れについて、図11を用いて説明する。図11に示す異常検知処理は、正常モデル生成装置1が異常検知フェーズに切り替えられた時に開始する。センサデータ取得部11は、センサ2からセンサデータを取得する(ステップS31)。このとき、センサデータ取得部11は、センサ2から逐次センサデータを取得する。センサデータ取得部11は、取得したセンサデータをモード分割部12に送る。
モード分割部12は、正常モデルに含まれる各モードのテンプレートと比較して、センサデータ取得部11から受け取ったセンサデータをモード分割し、モードデータを生成する(ステップS32)。モード分割部12は、生成したモードデータを異常検知部17に送る。
異常検知部17は、モード分割部12から受け取ったモードデータおよび正常モデル記憶部16が記憶する正常モデルに基づいて、モードデータの区間毎に異常を検知する(ステップS33)。ステップS33で、異常検知部17は、例えば、モードデータの各区間の長さと、各区間に割り当てられたモードに対応する正常モデルの閾値とを比較して、閾値を超えるか否かで各区間が異常であるか否かを検知する。または、異常検知部17は、モードデータの各区間に含まれるセンサデータと、各区間に割り当てられたモードに対応する正常モデルのテンプレートとを比較することで、各区間が異常であるか否かを検知する。あるいは、異常検知部17は、閾値との比較およびテンプレートとの比較の両方を行って、各区間が異常であるか否かを検知してもよい。
異常検知部17は、非稼働モードが割り当てられた区間に対しては、異常を検知しない。これにより、作業主体が非稼働状態である場合に生じうる異常の検知(誤検知)を防ぐことが可能であり、異常検知性能の低下を抑制することができる。
異常を検出したモードデータの区間がなかった場合(ステップS34;NO)、処理はステップ31に戻り、ステップS31~ステップS34を繰り返す。異常を検知したモードデータの区間があった場合(ステップS34;YES)、異常検知部17は、異常を検知したモードデータの区間を示す異常検知データを生成する(ステップS35)。
異常検知部17が生成する異常検知データについて、図9を用いて説明する。図9の例では、モードデータのうち、モードcの区間が異常であると検知されている。
図11に戻り、異常検知部17は、生成した異常検知データを出力部18に送る。出力部18は、異常検知部17から受け取った異常検知データを出力し(ステップS36)、処理を終了する。
図11のフローチャートでは、異常を検知すると異常検知データを出力して処理を終了する流れになっているが、異常を検知しても、ステップS31~ステップS36を繰り返す構成にしてもよい。この場合、例えば、正常モデル生成装置1の電源がOFFになったとき、または、学習フェーズに切り替えられたときに処理を終了する。
上記の説明では、図10に示す学習処理が実行された後に、図11に示す異常検知処理が実行されるものとして説明したが、これに限らない。例えば、最初に正常モデルが正常モデル記憶部16に記憶された後は、異常検知処理と並行して、定期的にあるいはユーザが指定したタイミングで学習処理を実行して、正常モデルを更新する構成にしてもよい。
実施の形態に係る正常モデル生成装置1によれば、複数のモードを有する作業を行う作業主体の状態を検出した時系列のセンサデータをモード分割し、正常なサイクル区間に含まれるモードデータに基づいて正常モデルを生成することにより、モード毎の正常モデルを学習する計算負荷を軽減することが可能になる。
正常モデル生成装置1のハードウェア構成について図12を用いて説明する。図12に示すように、正常モデル生成装置1は、一時記憶部111、記憶部112、計算部113、入力部114、送受信部115および表示部116を備える。一時記憶部111、記憶部112、入力部114、送受信部115および表示部116はいずれもBUSを介して計算部113に接続されている。
計算部113は、例えばCPU(Central Processing Unit)である。計算部113は、記憶部112に記憶されている制御プログラムに従って、正常モデル生成装置1のモード分割部12、サイクル分割部13、サイクル判定部14、正常モデル生成部15および異常検知部17の各処理を実行する。
一時記憶部111は、例えばRAM(Random-Access Memory)である。一時記憶部111は、記憶部112に記憶されている制御プログラムをロードし、計算部113の作業領域として用いられる。
記憶部112は、フラッシュメモリ、ハードディスク、DVD-RAM(Digital Versatile Disc - Random Access Memory)、DVD-RW(Digital Versatile Disc - ReWritable)などの不揮発性メモリである。記憶部112は、正常モデル生成装置1の処理を計算部113に行わせるためのプログラムを予め記憶し、また、計算部113の指示に従って、このプログラムが記憶するデータを計算部113に供給し、計算部113から供給されたデータを記憶する。正常モデル記憶部16は、記憶部112に構成される。
入力部114は、キーボード、ポインティングデバイスなどの入力装置と、キーボード、ポインティングデバイスなどの入力装置をBUSに接続するインタフェース装置である。入力部114を介して、ユーザが入力した情報が計算部113に供給される。正常モデル生成装置1の学習フェーズと異常検知フェーズをユーザが切り替える構成では、ユーザは入力部114に切り替え指示を入力する。
送受信部115は、ネットワークに接続する網終端装置または無線通信装置、およびそれらと接続するシリアルインタフェースまたはLAN(Local Area Network)インタフェースである。送受信部115は、センサデータ取得部11として機能する。出力部18が、異常検知データをユーザ端末に送信する構成では、送受信部115は、出力部18として機能する。
表示部116は、CRT(Cathode Ray Tube)、LCD(Liquid Crystal Display)などの表示装置である。例えば、表示部116は、ユーザが情報を入力する操作画面を表示する。正常モデル生成装置1の学習フェーズと異常検知フェーズをユーザが切り替える構成では、表示部116は、切り替え指示を入力する画面を表示する。出力部18が、異常検知データを画面表示する構成では、表示部116は、出力部18として機能する。
図1に示す正常モデル生成装置1のセンサデータ取得部11、モード分割部12、サイクル分割部13、サイクル判定部14、正常モデル生成部15、正常モデル記憶部16、異常検知部17および出力部18の処理は、制御プログラムが、一時記憶部111、計算部113、記憶部112、入力部114、送受信部115および表示部116などを資源として用いて処理することによって実行する。
その他、前記のハードウェア構成およびフローチャートは一例であり、任意に変更および修正が可能である。
計算部113、一時記憶部111、記憶部112、入力部114、送受信部115、表示部116などの正常モデル生成装置1の処理を行う中心となる部分は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、前記の動作を実行するためのコンピュータプログラムを、フレキシブルディスク、CD-ROM(Compact Disc - Read Only Memory)、DVD-ROM(Digital Versatile Disc - Read Only Memory)などのコンピュータが読み取り可能な記録媒体に格納して配布し、当該コンピュータプログラムをコンピュータにインストールすることにより、前記の処理を実行する正常モデル生成装置1を構成してもよい。また、インターネットに代表される通信ネットワーク上のサーバ装置が有する記憶装置に当該コンピュータプログラムを格納しておき、通常のコンピュータシステムがダウンロードすることで正常モデル生成装置1を構成してもよい。
また、正常モデル生成装置1の機能を、OS(Operating System)とアプリケーションプログラムの分担、またはOSとアプリケーションプログラムとの協働により実現する場合などには、アプリケーションプログラム部分のみを記録媒体、記憶装置に格納してもよい。
また、搬送波にコンピュータプログラムを重畳し、通信ネットワークを介して提供することも可能である。例えば、通信ネットワーク上の掲示板(BBS, Bulletin Board System)に前記コンピュータプログラムを掲示し、通信ネットワークを介して前記コンピュータプログラムを提供してもよい。そして、このコンピュータプログラムを起動し、OSの制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、前記の処理を実行できる構成にしてもよい。
上記の実施の形態では、サイクル区間に含まれる一連の複数のモードのモード数および順番が決まっている場合について説明したが、サイクル区間に含まれる一連の複数のモードは順番のみが決まっている構成にしてもよい。この場合、モード分割部12が実行するFF-BSを用いるモードデータの生成方法では、例えば前の区間にモードaが割り当てられた場合、後の区間にはモードaまたはモードbが割り当てられる。また、1つのサイクル区間に含まれる一連の複数のモードのモード数は1以上となり、サイクル区間ごとに異なる場合がある。以下、1つのサイクル区間に含まれる一連の複数のモードのモード数および順番をモード記号列という。サイクル判定部14がサイクル区間を正常と判定する判定条件に次の条件が追加される。追加される条件は、そのサイクル区間のモード記号列が標準モード記号列と一致することである。標準モード記号列は、例えば、各サイクル区間に含まれるモード記号列のうち、出現頻度が最大のモード記号列とする。
上記の実施の形態では、図10に示す学習処理において、ステップS14~ステップS23を繰り返すが、2回目以降でサイクルデータが既に存在する場合、ステップS14で、サイクル区間ごとに分割したセンサデータをモード分割してモードデータを生成してもよい。この場合、ステップS16~ステップS19は、予め決められた解除条件を満たすまで実行しなくてもよい。予め決められた解除条件は、例えば、ステップS14で生成されるモードデータが既に存在するモードデータと類似している(類似度が一定値以上である)、前回ステップS16~ステップS19を実行してから、ステップS14~ステップS23を一定回数以上繰り返している、などである。このように、サイクルデータを一定期間固定することで、正常モデルのテンプレートが収束しやすくなる。テンプレートがある程度まで収束したときに、サイクル区間を新たに特定して、ステップS14~ステップS23を繰り返せば、正常モデルの精度を高めつつ、処理速度を早くすることができる。
上記の実施の形態では、モード分割部12は、正常モデルを用いてセンサデータをモード分割するが、作業主体からのイベント信号が得られる場合は、イベント信号に基づいてモード分割してもよい。
上記の実施の形態では、正常モデル生成装置1は、センサデータ取得部11と、モード分割部12と、サイクル分割部13と、サイクル判定部14と、正常モデル生成部15と、正常モデル記憶部16と、異常検知部17と、出力部18とを備えるが、正常モデル生成装置1が、センサデータ取得部11と、モード分割部12と、サイクル分割部13と、サイクル判定部14と、正常モデル生成部15のみを備える構成にしてもよい。
上記の実施の形態では、正常モデル生成装置1が学習フェーズと異常検知フェーズとを有するが、これに限らず、正常モデル生成装置1を、センサデータに基づいて正常モデルを生成する学習装置とセンサデータに基づいて異常を検知して出力する異常検知装置とで実現してもよい。この変形例に係る学習装置3および異常検知装置4について、図13Aおよび図13Bを用いて説明する。
図13Aに示すように、学習装置3は、センサ2からセンサデータを取得するセンサデータ取得部11と、センサデータをモード分割したモードデータを生成するモード分割部12と、モードデータに基づいて、一連の複数のモードが繰り返されるサイクル区間を示すサイクルデータを生成するサイクル分割部13と、サイクルデータおよびモードデータに基づいて、正常なサイクル区間を判定するサイクル判定部14と、正常なサイクル区間に含まれるモードデータに基づいて、正常モデルを生成する正常モデル生成部15と、正常モデルを記憶する正常モデル記憶部16と、を備える。
図13Bに示すように、異常検知装置4は、センサ2からセンサデータを取得するセンサデータ取得部11と、センサデータをモード分割したモードデータを生成するモード分割部12と、正常モデルを記憶する正常モデル記憶部16と、モードデータおよび正常モデルに基づいて、モードデータの区間毎に異常を検知し、異常を検知したモードデータの区間を示す異常検知データを生成する異常検知部17と、異常検知データを出力する出力部18を備える。異常検知装置4は、学習装置3が生成した正常モデルを正常モデル記憶部16に記憶する。
なお、本開示は、本開示の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。即ち、本開示の範囲は、実施の形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、この開示の範囲内とみなされる。
1 正常モデル生成装置、2 センサ、3 学習装置、4 異常検知装置、11 センサデータ取得部、12 モード分割部、13 サイクル分割部、14 サイクル判定部、15 正常モデル生成部、16 正常モデル記憶部、17 異常検知部、18 出力部、100 異常検知システム、111 一時記憶部、112 記憶部、113 計算部、114 入力部、115 送受信部、116 表示部、a~i モード。
Claims (11)
- 反復的に行われる一連の複数のモードを有する作業を行っている作業主体の状態をセンサで検出することによって生成される時系列のセンサデータを取得するコンピュータを、
前記センサデータをモード分割したモードデータを生成するモード分割部、
前記モードデータに基づいて、一連の複数のモードが繰り返されるサイクル区間を示すサイクルデータを生成するサイクル分割部、
前記サイクルデータおよび前記モードデータに基づいて、正常なサイクル区間を判定するサイクル判定部、および、
前記正常なサイクル区間に含まれる前記モードデータに基づいて、前記複数のモードごとの正常モデルを生成する正常モデル生成部、
として機能させる正常モデル生成プログラム。 - 前記コンピュータを、
前記モードデータと前記正常モデルとを比較して、前記モードデータの区間毎に異常を検知し、異常を検知した前記モードデータの区間を示す異常検知データを生成する異常検知部、
としてさらに機能させる請求項1に記載の正常モデル生成プログラム。 - 前記モード分割部は、前記複数のモードごとのテンプレートを含む前記正常モデルを用いて、前記センサデータを分割したそれぞれの区間に対して、前記一連の複数のモードを周期的に割り当てて前記モードデータを生成する、
請求項1または2に記載の正常モデル生成プログラム。 - 前記サイクル分割部は、前記モードデータに含まれる前記複数のモードから、モードの区間の長さ、または、モードに含まれる前記センサデータの値の変化に基づいて、非稼働モードを検出し、前記非稼働モードの終了時刻で区切ったサイクル区間を特定し、前記サイクルデータを生成する、
請求項1から3のいずれか1項に記載の正常モデル生成プログラム。 - 前記モード分割部、前記サイクル分割部、前記サイクル判定部、および、前記正常モデル生成部はそれぞれ、予め決められた学習終了条件を満たすまで、前記モードデータの生成、前記サイクルデータの生成、前記正常なサイクル区間の判定、前記正常モデルの生成の処理を繰り返す、
請求項1から4のいずれか1項に記載の正常モデル生成プログラム。 - 前記モード分割部、前記サイクル分割部、前記サイクル判定部、および、前記正常モデル生成部の処理の繰り返しにおいて、
前記サイクル分割部は、前記サイクルデータが既にある場合には、予め決められた解除条件を満たすまで、前記サイクルデータの生成を実行しない、
請求項5に記載の正常モデル生成プログラム。 - 前記モード分割部、前記サイクル分割部、前記サイクル判定部、および、前記正常モデル生成部の処理の繰り返しにおいて、
前記モード分割部は、前記サイクルデータが既にある場合には、前記サイクルデータが示すサイクル区間ごとに分割した前記センサデータをモード分割して前記モードデータを生成する、
請求項5または6に記載の正常モデル生成プログラム。 - 反復的に行われる一連の複数のモードを有する作業を行っている作業主体の状態をセンサで検出することによって生成される時系列のセンサデータを取得するセンサデータ取得部と、
前記センサデータをモード分割したモードデータを生成するモード分割部と、
前記モードデータに基づいて、一連の複数のモードが繰り返されるサイクル区間を示すサイクルデータを生成するサイクル分割部と、
前記サイクルデータおよび前記モードデータに基づいて、正常なサイクル区間を判定するサイクル判定部と、
前記正常なサイクル区間に含まれる前記モードデータに基づいて、前記複数のモードごとの正常モデルを生成する正常モデル生成部と、
を備える、正常モデル生成装置。 - 前記正常モデルと、前記モードデータとを比較して、前記モードデータの区間毎に異常を検知し、異常を検知した前記モードデータの区間を示す異常検知データを生成する異常検知部と、
前記異常検知データを出力する出力部と、
をさらに備える、
請求項8に記載の正常モデル生成装置。 - 反復的に行われる一連の複数のモードを有する作業を行っている作業主体の状態をセンサで検出することによって生成される時系列のセンサデータを取得する正常モデル生成装置が実行する、
前記センサデータをモード分割したモードデータを生成し、
前記モードデータに基づいて、一連の複数のモードが繰り返されるサイクル区間を示すサイクルデータを生成し、
前記サイクルデータおよび前記モードデータに基づいて、正常なサイクル区間を判定し、
前記正常なサイクル区間に含まれる前記モードデータに基づいて、前記複数のモードごとの正常モデルを生成する、
正常モデル生成方法。 - 前記正常モデルと、前記モードデータとを比較して、前記モードデータの区間毎に異常を検知し、異常を検知した前記モードデータの区間を示す異常検知データを生成する、
請求項10に記載の正常モデル生成方法。
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