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KR102093929B1 - Apparatus and Method for Diagnosing Mechanical System Health based on CIM - Google Patents

Apparatus and Method for Diagnosing Mechanical System Health based on CIM Download PDF

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KR102093929B1
KR102093929B1 KR1020180155491A KR20180155491A KR102093929B1 KR 102093929 B1 KR102093929 B1 KR 102093929B1 KR 1020180155491 A KR1020180155491 A KR 1020180155491A KR 20180155491 A KR20180155491 A KR 20180155491A KR 102093929 B1 KR102093929 B1 KR 102093929B1
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KR
South Korea
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cim
signal
spectrogram
subtracted
signals
Prior art date
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KR1020180155491A
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Korean (ko)
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Inventor
최해진
허지웅
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중앙대학교 산학협력단
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Publication date
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Abstract

The present invention relates to an apparatus for diagnosing the health of a system based on a critical information map (CIM), which can use the CIM to find out an area including a signal affecting a malfunction in time-frequency representations (TFRs), and method thereof. According to the present invention, the apparatus for diagnosing the health of the system based on the CIM comprises: a data synchronization unit which extracts only the signals of a relevant frequency representing a non-stationary movement by a band-pass filter, and uses the cross-correlation analysis as a way to identify the degree to which two types of serial signals are equal to each other; a subtracted spectrogram unit which uses the wavelet packet decomposition (WPD) as a TFRs method for expressing the CIM, makes the signals into a spectrum, and performs an inversion after subtracting; and a map value optimization unit which determines parameters which determine the positions of important areas and the size of each area in the subtracted spectrogram to make the CIM.

Description

CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치 및 방법{Apparatus and Method for Diagnosing Mechanical System Health based on CIM}Apparatus and Method for Diagnosing Mechanical System Health based on CIM

본 발명은 시스템 건전성 진단에 관한 것으로, 구체적으로 CIM(Critical Information Map)을 이용하여 TFRs(Time Frequency Representations)에서 고장에 영향을 주는 신호가 포함된 영역을 찾아낼 수 있도록 한 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to system health diagnosis, specifically, CIM-based system health diagnosis that enables to find a region including a signal affecting a failure in TFRs (Time Frequency Representations) using a CIM (Critical Information Map). It relates to a device and method for.

공학 분야에서 큰 손해를 일으키거나 막대한 사고로 이어질 수 있는 불확실성에 대한 해결은 지속적인 과제로 간주되어왔다.In the field of engineering, the resolution of uncertainties that can cause serious damage or lead to serious accidents has been regarded as an ongoing task.

특히, 제조업에서는 생산 장비 하나의 갑작스러운 고장이 일어나게 되면 생산라인 전체의 중단으로 이어질 수 있다. 제조업에서는 이와 같이 불확실성이 강한 장비의 고장이나 수명 등을 예측하는 것에 대한 요구가 계속되고 있다.In particular, in the manufacturing industry, a sudden failure of one production equipment can lead to the suspension of the entire production line. In the manufacturing industry, there is a continuing demand for predicting the failure or longevity of equipment having such uncertainty.

이와 같은 산업적인 요구와 함께 데이터 사이언스의 발전과 더불어 컴퓨터 성능이 향상되어 기계장비의 고장 예후 진단 시스템에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.With such industrial demands, with the development of data science, computer performance has improved, and research into a diagnosis system for prognosis of failure of mechanical equipment has been actively conducted.

일반적으로 기계의 진단을 위해서는 기계의 상태를 알려주는 신호와 그것을 측정할 센서 즉, 온도, 전압, 압력, 가속도 등 다양한 센서의 사용이 필요하다.In general, in order to diagnose a machine, it is necessary to use various signals such as a signal indicating the state of the machine and a sensor to measure the temperature, voltage, pressure, and acceleration.

이 중 전압 센서와 가속도 센서가 많이 사용되는데 온도, 압력과 같이 큰 변화가 적은 데이터와 달리 즉각적으로 변하며 동적인 특성 때문에 높은 샘플링 주파수로 데이터를 받을 수 있다.Among them, a voltage sensor and an acceleration sensor are frequently used. Unlike data with small changes such as temperature and pressure, data can be received at a high sampling frequency due to its instantaneous change and dynamic characteristics.

이는 짧은 시간의 측정 데이터로만 많은 정보를 얻을 수 있어 기계를 진단하는데 매우 유용한 데이터로 사용될 수 있음을 의미한다.This means that a lot of information can be obtained only with short-term measurement data, which can be used as very useful data for diagnosing machines.

종래 기술의 진동을 이용한 진단공학에서는 주로 기어박스와 베어링의 데이터를 주로 사용했다.In the diagnostic engineering using the vibration of the prior art, data of the gearbox and the bearing were mainly used.

Mitchell Lebold는 기어박스 진동으로부터 상태를 진단하기 위한 특징요소를 추출하기 위한 신호처리 방법을 정리하였다.Mitchell Lebold wrote a signal processing method to extract feature elements for diagnosing conditions from gearbox vibrations.

첫 번째 단계로 비 가공(raw) 신호 상태에서는 rms, kurtosis, skweness와 같은 통계적 수치들을 고장의 중요 정보로써 추출하여 데이터를 활용한다.As a first step, in the raw signal state, statistical data such as rms, kurtosis, and skweness are extracted as important information of the failure and data are utilized.

두 번째 단계에는 기어의 가동속도를 알 수 있는 엔코더나 타코미터를 이용하여 반복된 신호의 노이즈를 제거하는 방법인 TSA(Time Synchronous Averaging)의 처리를 한 신호로부터 대푯값을 추출한다.In the second step, a representative value is extracted from a signal subjected to the processing of Time Synchronous Averaging (TSA), which is a method of removing noise of a repeated signal using an encoder or tachometer that can know the speed of the gear.

이후 기어 매쉬 주파수를 제거하여 RES(Residual Signal)를 만들거나 기어 매쉬 주파수의 사이드 밴드를 추가 제거하여 남아 있는 신호인 DIF(Difference Signal)에서 또는 TSA 신호에서 밴드 주파수만 추출한 BPM(Band-pass Mesh Signal)에서 특징요소를 뽑아내는 것으로 설명되고 있다.Subsequently, the gear mesh frequency is removed to make a residual signal (RES), or the side band of the gear mesh frequency is additionally removed to extract the band frequency from the remaining signal, DIF (Difference Signal) or TSA signal, and a band-pass mesh signal. ).

또한, Wei He at al은 Bearing characteristic frequencies라고 불리우는 베어링의 부위 별 관련된 주파수 밀도 지수를 통합하여 고장의 특징요소로 활용하였으며 kurtosis와 같은 통계적 수치도 결합하여 베어링의 Degradation 과 결함 정도를 파악하였다. In addition, Wei He at al incorporated the related frequency density index for each part of the bearing called bearing characteristic frequencies and utilized it as a characteristic factor of failure, and also combined statistical values such as kurtosis to grasp the degree of bearing degradation and defects.

하지만, 이와 같은 종래 기술의 진동을 이용한 진단 방법들은 작동 수파수와 베어링의 특성이나 기어의 특성을 직접 알아야만 사용할 수 있는 방법이며 stationary상태의 신호에서만 적용이 가능한 방법이다.However, these conventional diagnostic methods using vibration are methods that can be used only by knowing the operating frequency and the characteristics of the bearing or the gear directly, and are applicable only to signals in a stationary state.

진동신호를 데이터 자체로 접근하기 위해서 TFRs(Time-Frequency Representations)과 CNN(Convolutional Neural Network) 을 사용하여 베어링의 진단의 방법을 사용하는 경우도 있다.In order to access the vibration signal as data itself, a bearing diagnosis method may be used using Time-Frequency Representations (TFRs) and Convolutional Neural Network (CNN).

David Verstraete는 STFT(Short Time Fourier Transform), WT(Wavelet Transform) 그리고 HHT(Hilbert-Huang Transform) 세 가지의 방법으로 일차원 신호를 2차원 이미지로 변경하여 CNN의 입력으로 사용하였다.David Verstraete transformed a one-dimensional signal into a two-dimensional image using three methods: Short Time Fourier Transform (STFT), Wavelet Transform (WT) and Hilbert-Huang Transform (HHT), and used it as an input to CNN.

이는 진단의 정확도는 높았으나 데이터를 직접 처리하지 않아 노이즈가 많았기 때문에 직접적으로 학습하기 위해서는 엄청난 수의 데이터를 필요로 하고, 2차원 이미지화의 방식에 따라 결과의 편차가 매우 커 강건도가 많이 떨어지는 문제가 있다.This is because the accuracy of diagnosis was high, but because the data was not processed directly, there was a lot of noise. Therefore, a large amount of data is required to learn directly, and the variation in results is very large according to the 2D imaging method. there is a problem.

따라서, 작동 수파수 및 진단 대상체의 특성을 알지 못한 상태에서도 강건한 진단 결과를 출력하고, 학습을 위한 엄청난 수의 데이터를 필요로 하지 않는 새로운 시스템 건전성 진단 기술의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, there is a need to develop a new system health diagnosis technology that outputs robust diagnosis results even without knowing the operating frequency and characteristics of the diagnosis object and does not require a huge number of data for learning.

대한민국 공개특허 제10-2012-0027733호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2012-0027733 대한민국 등록특허 제10-1129466호Republic of Korea Registered Patent No. 10-1129466

본 발명은 종래 기술의 시스템 건전성 진단 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, CIM(Critical Information Map)을 이용하여 TFRs(Time Frequency Representations)에서 고장에 영향을 주는 신호가 포함된 영역을 찾아낼 수 있도록 한 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the system health diagnosis technology of the prior art, by using a CIM (Critical Information Map) to find the region containing the signal affecting the failure in the TFRs (Time Frequency Representations) The aim is to provide an apparatus and method for diagnosing system health based on CIM.

본 발명은 데이터 기반의 접근을 사용하는 것에 의해 장비의 내부 정보를 상세하게 알지 못한 상태에서도 강건한 진단 결과를 출력할 수 있도록 한 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for system health diagnosis based on CIM that enables robust diagnostic results to be output even without knowing the internal information of the equipment in detail by using a data-based approach. .

본 발명은 TFRs의 도메인을 보존하여 사용하는 것에 의해 비정상(non-stationary) 신호에서도 효과적으로 진단 결과를 출력할 수 있도록 한 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for system health diagnosis based on CIM that can effectively output a diagnosis result even in a non-stationary signal by conserving and using a domain of TFRs.

본 발명은 CNN-TFRs 방법보다 적은 수의 데이터를 이용하여 학습을 했을 경우에도 시스템 건전성 진단이 가능하도록 한 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for system health diagnosis based on CIM that enables system health diagnosis even when learning is performed using fewer data than the CNN-TFRs method.

본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치는 비정상 움직임(Non-stationary Movement)을 대표하는 해당 주파수의 신호만을 밴드 패스 필터로 추출하고, 두 종류의 시계열 신호의 일치 정도를 파악하는 방법으로 교차 상관 분석(Cross Correlation)을 이용하는 데이터 동기화부;CIM(Critical Information Map) 표현을 위한 TFRs(Time Frequency Representations) 방법으로 WPD(Wavelet Packet Decomposition)를 사용하고, 신호를 스펙트럼화 하여 차감한 후에 역 변환하는 스펙트럼 차감법(Spectral Subtraction)을 이용하는 차감 스펙트로그램부;CIM(Critical Information Map)을 만들기 위해서 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram)에서 중요 영역의 위치와 각 영역의 크기를 결정하는 파라미터들을 결정하는 맵값 최적화부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the apparatus for diagnosing system health based on CIM according to the present invention extracts only signals of a corresponding frequency representing a non-stationary movement with a band pass filter, and two types of time series signals. A data synchronization unit that uses Cross Correlation as a method of grasping the degree of agreement of the data; using Wavelet Packet Decomposition (WPD) as a Time Frequency Representations (TPRs) method for expressing a Critical Information Map (CIM), and Subtracted spectrogram unit that uses spectral subtraction to reverse transform after spectralization and subtraction; to create a critical information map (CIM), determine the location of the important region and the size of each region in the subtracted spectrogram. Characterized in that it comprises; a map value optimization unit for determining the parameters to determine.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 방법은 비정상 움직임(Non-stationary Movement)을 대표하는 해당 주파수의 신호만을 밴드 패스 필터로 추출하고, 두 종류의 시계열 신호의 일치 정도를 파악하는 방법으로 교차 상관 분석(Cross Correlation)을 이용하는 데이터 동기화(Data Synchronization) 단계;CIM(Critical Information Map) 표현을 위한 TFRs(Time Frequency Representations) 방법으로 WPD(Wavelet Packet Decomposition)를 사용하고, 신호를 스펙트럼화 하여 차감한 후에 역 변환하는 스펙트럼 차감법(Spectral Subtraction)을 이용하는 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram) 생성 단계;CIM(Critical Information Map)을 만들기 위해서 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram)에서 중요 영역의 위치와 각 영역의 크기를 결정하는 파라미터들을 결정하는 맵값 최적화(Map Value Optimization) 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for diagnosing system health based on CIM according to the present invention for achieving another object extracts only signals of a corresponding frequency representing a non-stationary movement with a band pass filter and matches two types of time series signals. Data Synchronization step using Cross Correlation as a method to grasp the degree; Wavelet Packet Decomposition (WPD) is used as a Time Frequency Representations (TPRs) method for representing a Critical Information Map (CIM), Generating a subtracted spectrogram using spectral subtraction, which inversely transforms the signal after spectralizing the signal; generating a critical information map in the subtracted spectrogram to create a critical information map (CIM) Map value optimization to determine parameters that determine the location and size of each area (Map V alue Optimization) step; characterized in that it comprises a.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.An apparatus and method for diagnosing system health based on CIM according to the present invention as described above has the following effects.

첫째, CIM(Critical Information Map)을 이용하여 TFRs(Time Frequency Representations)에서 고장에 영향을 주는 신호가 포함된 영역을 효율적으로 찾아낼 수 있다.First, by using a CIM (Critical Information Map), it is possible to efficiently find a region including a signal affecting a failure in Time Frequency Representations (TFRs).

둘째, 데이터 기반의 접근을 사용하는 것에 의해 장비의 내부 정보를 상세하게 알지 못한 상태에서도 강건한 진단 결과를 출력할 수 있도록 한다.Second, by using a data-based approach, it is possible to output robust diagnostic results even without knowing the internal information of the equipment in detail.

셋째, TFRs의 도메인을 보존하여 사용하는 것에 의해 비정상(non-stationary) 신호에서도 효과적으로 진단 결과를 출력할 수 있도록 한다.Third, by preserving and using the domain of TFRs, it is possible to effectively output a diagnosis result even in a non-stationary signal.

넷째, CNN-TFRs 방법보다 적은 수의 데이터를 이용하여 학습을 했을 경우에도 시스템 건전성 진단이 가능하도록 한다.Fourth, system health diagnosis is possible even when learning is performed using fewer data than the CNN-TFRs method.

도 1은 본 발명에 따른 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치의 구성도
도 2는 신호에서 TFRs를 나타내는 스펙트럼 형태 (a)STFF, (b)WT, (c)WPD
도 3은 차감된 스펙트로그램의 일 예를 나타낸 구성도
도 4는 두 번째 및 세 번째 변수 설정의 예를 나타낸 구성도
도 5는 다관절 로봇의 두 번째 축의 입력 기어 및 가속도계 위치를 나타낸 구성도
도 6은 로봇의 데이터 취득 모션을 나타낸 구성도
도 7a 내지 도 7c는 취득된 로우(Raw) 데이터 및 로우 데이터의 스펙트로그램 및 필터링된 데이터 그래프
도 8은 로우 신호 데이터의 시간 동기화 그래프
도 9a 내지 도 9c는 기준 스펙트로그램 및 N-R 스펙트로그램 및 A-R 스펙트로그램
도 10은 피팅 정도에 따른 데이터 분류 과정을 나타낸 플로우 차트
도 11a는 학습되어 나타낸 CIM 결과(N-R), 도 11b는 학습되어 나타낸 CIM 결과(S-R 및 H-R), 도 11c는 CIM의 윈도우(N-R 및 A-R), 도 11d는 CIM의 윈도우(S-R 및 H-R)를 나타낸 구성도
도 12a는 학습 데이터 세트의 SS 계수(N-R 윈도우), 도 12b는 학습 데이터 세트의 SS 계수(A-R 원도우) 그래프
1 is a block diagram of an apparatus for diagnosing system health based on CIM according to the present invention;
Figure 2 shows the spectral form (a) STFF, (b) WT, (c) WPD showing TFRs in the signal.
3 is a block diagram showing an example of a subtracted spectrogram
4 is a configuration diagram showing an example of the second and third parameter settings
5 is a block diagram showing the position of the input gear and the accelerometer of the second axis of the articulated robot
6 is a configuration diagram showing a robot data acquisition motion
7A to 7C are acquired raw data and raw data spectrograms and filtered data graphs.
8 is a time synchronization graph of low signal data
9A to 9C are reference spectrograms and NR spectrograms and AR spectrograms.
10 is a flow chart showing a data classification process according to the fitting degree
FIG. 11A shows the learned CIM results (NR), FIG. 11B shows the learned CIM results (SR and HR), FIG. 11C shows the CIM windows (NR and AR), and FIG. 11D shows the CIM windows (SR and HR). Structure shown
FIG. 12A is a SS coefficient (NR window) of the training data set, and FIG. 12B is a SS coefficient (AR window) graph of the training data set.

이하, 본 발명에 따른 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of an apparatus and method for diagnosing system health based on CIM according to the present invention will be described in detail as follows.

본 발명에 따른 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.The features and advantages of the apparatus and method for CIM-based system health diagnosis according to the present invention will become apparent through detailed description of each embodiment below.

도 1은 본 발명에 따른 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a device for diagnosing system health based on CIM according to the present invention.

본 발명에 따른 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치 및 방법은 CIM(Critical Information Map)을 이용하여 TFRs(Time Frequency Representations)에서 고장에 영향을 주는 신호가 포함된 영역을 찾아낼 수 있도록 한 것이다.An apparatus and method for diagnosing system health based on CIM according to the present invention is such that a region including a signal affecting a failure can be found in time frequency representations (TFRs) using a CIM (Critical Information Map).

이와 같은 본 발명은 CIM(Critical Information Map)을 이용하는 것에 의해 내부 정보를 모르는 상태에서도 적은 데이터를 활용하며 비정상(non-stationary) 신호에서도 적용 가능한 신호 처리 방법을 제공할 수 있다.The present invention can provide a signal processing method applicable to a non-stationary signal using less data even without knowing internal information by using a CIM (Critical Information Map).

본 발명은 CIM(Critical Information Map)을 이용하여 TFRs에서 고장에 심대한 영향을 주는 신호가 포함된 영역을 찾아내는 것으로,The present invention is to find a region containing a signal that significantly affects the failure in the TFRs by using a CIM (Critical Information Map),

(i)밴드 패스 필터(Band Pass Filter) 추출 및 교차 상관 분석(Cross Correlation)을 이용하는 데이터 동기화(Data Synchronization)(i) Data Synchronization using Band Pass Filter extraction and Cross Correlation

(ii)WPD(Wavelet Packet Decomposition)를 사용하고, 스펙트럼 차감법(Spectral Subtraction)을 이용하는 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram)(ii) Subtracted Spectrogram using Wavelet Packet Decomposition (WPD) and Spectral Subtraction

(iii)차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram)에서 중요 영역의 위치와 각 영역의 크기를 결정하는 파라미터들을 결정하는 맵값 최적화(Map Value Optimization)을 구성을 포함한다.(iii) In the subtracted spectrogram, it includes the configuration of Map Value Optimization, which determines the parameters of the location of important areas and the size of each area.

본 발명에 따른 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치는 도 1에서와 같이, 비정상 움직임(Non-stationary Movement)을 대표하는 해당 주파수의 신호만을 밴드 패스 필터로 추출하고, 두 종류의 시계열 신호의 일치 정도를 파악하는 방법으로 교차 상관 분석(Cross Correlation)을 이용하는 데이터 동기화(Data Synchronization)부(100)와, CIM(Critical Information Map) 표현을 위한 TFRs(Time Frequency Representations) 방법으로 WPD(Wavelet Packet Decomposition)를 사용하고, 신호를 스펙트럼화 하여 차감한 후에 역 변환하는 스펙트럼 차감법(Spectral Subtraction)을 이용하는 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram)부(200)와, CIM(Critical Information Map)을 만들기 위해서 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram)에서 중요 영역의 위치와 각 영역의 크기를 결정하는 파라미터들을 결정하는 맵값 최적화(Map Value Optimization)부(300)를 포함한다.The apparatus for diagnosing system health based on CIM according to the present invention, as shown in FIG. 1, extracts only signals of a corresponding frequency representing a non-stationary movement with a band pass filter, and matches two types of time series signals. Data Synchronization (100) using Cross Correlation as a method of grasping the degree, and Wavelet Packet Decomposition (WPD) as a Time Frequency Representations (TPRs) method for representing a Critical Information Map (CIM) Subtracted Spectrogram (200) using Spectral Subtraction, which transforms the signal after spectralizing and subtracting the signal, and a Subtracted Spectrogram (CIM) to create a Critical Information Map (CIM) Subtracted Spectrogram: Map Value Optimi, which determines parameters that determine the location of important areas and the size of each area zation) unit 300.

먼저, 데이터 동기화(Data Synchronization) 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.First, the data synchronization (Data Synchronization) process in detail as follows.

무작위로 수집된 데이터는 시간 딜레이가 존재하며 이는 같은 동작 상태(state)가 아닌 데이터끼리의 차감(subtraction)이 일어날 수 있다.The randomly collected data has a time delay, which may cause subtraction between data rather than the same operating state.

이를 해결하기 위하여 데이터의 싱크를 맞추어 주어야 하며, 이후 데이터의 싱크를 맞추기 위해 교차 상관 분석(Cross Correlation)을 이용한다.In order to solve this, it is necessary to synchronize the data, and then cross-correlation is used to synchronize the data.

먼저, 주파수 필터링(Frequency Filtering)은 교차 상관 분석(Cross Correlation)만 사용하여 데이터의 싱크를 맞추었을때 비정상 움직임(Non-stationary Movement)과 관련 없는 신호들이 노이즈가 되어 싱크를 방해한다.First, in frequency filtering, signals that are not related to non-stationary movement become noise and interfere with the sync when data is synchronized by using only cross correlation.

따라서, 해당 비정상 움직임(Non-stationary Movement)을 대표하는 신호만을 추출하기 위해 해당 주파수의 신호만을 밴드 패스 필터로 추출한다.Therefore, in order to extract only signals representative of the non-stationary movement, only signals of the corresponding frequency are extracted with a band pass filter.

신호를 가공할 때 신호의 싱크가 일치해야 하는 경우가 종종 등장한다.When processing signals, it is often the case that the sync of the signals must match.

이럴 경우에 두 종류의 시계열 신호의 일치 정도를 파악하는 방법으로 교차 상관 분석(Cross Correlation)을 이용한다.In this case, Cross Correlation is used as a method to determine the degree of agreement between two types of time series signals.

이는 특정 샘플링 지연(delay)에서 두 신호의 연관성에 대한 값을 도출 해 주는데 이 값이 최대가 되는 지연 값을 찾아 신호에 적용하여 두 신호의 싱크를 일치시킬 수 있다.This derives a value for the correlation between two signals at a specific sampling delay, and it is possible to match the sync of the two signals by finding the delay value that has the maximum value and applying it to the signal.

로봇과 같이 비정상(non-stationary)신호를 갖고 있는 데이터의 경우에는 이를 통하여 특정 모션을 찾아 낼 수 있다. In the case of data having a non-stationary signal such as a robot, a specific motion can be found through this.

Figure 112018122031002-pat00001
Figure 112018122031002-pat00001

여기서 f는 원함수 g는 필터링 함수이며 τ는 두 신호의 시간 딜레이를 의미한다. 해당 정의의 값이 나타내는 바는 두 그래프의 일치정도를 보여준다. 이는 convolution과 다르게 교환법칙이 성립하지 않는다. Where f is the original function g is a filtering function and τ is the time delay of the two signals. The bar indicated by the value of the definition shows the degree of agreement between the two graphs. Unlike convolution, the law of exchange does not hold.

Figure 112018122031002-pat00002
Figure 112018122031002-pat00002

τmax는 교차상관(Cross-correlation)의 값이 최대가 될 때의 시간 지연이며 Argmax 함수는 괄호 안의 수식이 최대가 되게 하는 정의역을 값을 도출 해 주는 식이다. Raw Signal에 τmax 만큼의 딜레이를 적용시켜 데이터의 싱크를 맞추어 준다.τ max is the time delay when the value of cross-correlation is the maximum, and the Argmax function is an expression that derives the value of the domain where the expression in parentheses becomes the maximum. Synchronize data by applying the delay of τ max to the raw signal.

차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram)에 관하여 설명하면 다음과 같다.The subtracted spectrogram is as follows.

도 2는 신호에서 TFRs를 나타내는 스펙트럼 형태 (a)STFF, (b)WT, (c)WPD이고, 도 3은 차감된 스펙트로그램의 일 예를 나타낸 구성도이다.2 is a spectral form (a) STFF, (b) WT, (c) WPD showing TFRs in a signal, and FIG. 3 is a configuration diagram showing an example of subtracted spectrogram.

CIM을 만들기 위하여 2차원 데이터 표현방식인 TFRs로의 데이터 변환이 필요하다. 이후 중요 정보를 포함하는 영역을 추출하기 위한 1차적 데이터 처리 방법으로 SS(Spectral Subtraction)을 사용한다.In order to make CIM, data conversion to TFRs, which is a two-dimensional data representation method, is required. Thereafter, SS (Spectral Subtraction) is used as a primary data processing method for extracting an area including important information.

신호에서 TFRs를 나타내는 방법은 여러가지가 있다.There are several ways to represent TFRs in a signal.

그 중 선형적인 방법으로는 STFT(Short Time Fourier Transform), WT(Wavelet Transform), WPD(Wavelet Packet Decomposition) 등이 대표적이다.Among them, the linear method is representative of a Short Time Fourier Transform (STFT), a Wavelet Transform (WT), and a Wavelet Packet Decomposition (WPD).

이 방법들의 가장 큰 차이점은 필터의 형태와 그로부터 도출되는 스펙트럼의 tile(window)의 형태이다.The main difference between these methods is the shape of the filter and the shape of the resulting tile (window) of the spectrum.

STFT의 경우에는 미리 tile 사이즈를 일정한 모양으로 정해 놓고 각각 tile에서 하나의 주파수 밀도 수치를 도출해낸다. 이는 필터의 요구 tile 사이즈를 충족하지 않은 경우가 생기기 때문에 상대적 고주파영역과 상대적 저주파 영역의 신뢰도가 하락되는 현상이 발생한다.In the case of STFT, the tile size is determined in a predetermined shape in advance, and a frequency density value is derived from each tile. This occurs because the filter does not meet the required tile size, resulting in a decrease in the reliability of the relative high-frequency region and the relatively low-frequency region.

David Verstraete의 논문의 결과에서도 보면 CNN학습을 위한 2차원 이미지로의 변환으로 STFT를 사용했을 때 진단 알고리즘의 강건도가 매우 떨어졌음을 보여주었다. 이를 보완하기 위해 각 주파수마다 tile의 크기를 다르게 표현한 방법이 WT이다.The results of David Verstraete's paper also showed that the robustness of the diagnostic algorithm was very poor when STFT was used as a conversion to a two-dimensional image for CNN learning. To compensate for this, the method of expressing the tile size differently for each frequency is WT.

하지만, 이 방법은 분할 수에 따라 타일의 시간 도메인 및 주파수 도메인의 해상도가 달라진다. 이는 균일하게 창을 나누어 주지 않아 맵 생성에서는 적절하지 않다.However, in this method, the resolution of the time domain and the frequency domain of the tile varies depending on the number of divisions. This is not appropriate for map creation because it does not divide the window evenly.

이와 같은 문제점들을 보완한 것이 WPD이다.WPD complements these problems.

이는 각각의 분할 주파수 마다 필터가 존재한다. 이는 다시 말해서 각각의 영역에서 tile을 원하는 모양으로 설정이 가능하다는 말이며 하나의 필터로 일괄 변환한 STFT와 다르게 더 신뢰도 높은 주파수 밀도 값을 얻을 수 있다는 의미이다.It has a filter for each divided frequency. This means that the tile can be set to the desired shape in each area, and it means that a more reliable frequency density value can be obtained, unlike STFT, which is collectively converted into one filter.

따라서, 본 발명에서는 WPD를 CIM 표현을 위한 TFRs 방법으로 사용한다.Therefore, in the present invention, WPD is used as a TFRs method for CIM expression.

WPD에서 신호를 여러 주파수로 분해하는 웨이브렛 패킷의 커널 기능은 다음과 같다.The kernel function of a wavelet packet that decomposes a signal into multiple frequencies in WPD is as follows.

Figure 112018122031002-pat00003
Figure 112018122031002-pat00003

수학식 3은 3 개의 양의 정수를 포함하고, j는 인덱스 스케일, k는 변환 연산 및 n은 변조 파라미터 또는 진동 파라미터이다.Equation 3 includes three positive integers, j is an index scale, k is a transform operation and n is a modulation parameter or vibration parameter.

제 1 및 제 2 웨이브렛 패킷 함수들은 미리 정의될 필요가 있다.The first and second wavelet packet functions need to be predefined.

수학식 4 및 수학식 5를 각각 통상의 스케일링 함수 및 모체 함수라 한다.Equations 4 and 5 are referred to as a normal scaling function and a parent function, respectively.

Figure 112018122031002-pat00004
Figure 112018122031002-pat00004

Figure 112018122031002-pat00005
Figure 112018122031002-pat00005

더 많은 함수가 다음과 같이 생성될 수 있다.More functions can be created like this:

Figure 112018122031002-pat00006
Figure 112018122031002-pat00006

Figure 112018122031002-pat00007
Figure 112018122031002-pat00007

여기서, h(k)g(k)는 서로 직교하는 직교 미러 필터이다.Here, h (k) and g (k) are orthogonal mirror filters orthogonal to each other.

필터의 밀도를 나타내는 j, n, k 상태의 웨이브렛 패킷 계수는 다음과 같다.The wavelet packet coefficients in the j, n, and k states indicating the density of the filter are as follows.

Figure 112018122031002-pat00008
Figure 112018122031002-pat00008

여기서 f(t)는 분석될 시간 신호이다.Where f (t) is the time signal to be analyzed.

웨이블릿 패킷 계수의 값은 CIM을 구현하는데 사용될 도 2의 (c)의 WPD 스펙트로그램에 표시된다.The value of the wavelet packet count is indicated in the WPD spectrogram of FIG. 2 (c) to be used to implement CIM.

스펙트럼 차감법(Spectral Subtraction)을 설명하면 다음과 같다.The spectral subtraction is as follows.

음향학에서 노이즈를 제거하기 위해서 음성이 없는 영역의 신호를 추출하여 음성이 있는 곳의 음질을 향상시키는 방법을 사용한다.In order to remove noise in acoustics, a method of improving the sound quality of a voice-existing area by extracting a signal in a voiceless area is used.

이때 사용하는 방법이 신호를 스팩트럼화 하여 차감한 후에 역 변환하는 SS(Spectral Subtraction) 이다.At this time, the method used is SS (Spectral Subtraction), which inverse transforms the signal after it is subtracted.

Figure 112018122031002-pat00009
Figure 112018122031002-pat00009

여기서, Ps(w)는 노이즈가 섞인 음성 스펙트럼이고, Pn(w)은 무음성 상태에서 측정된 노이즈 스펙트럼이고, P's(w)를 푸리에 역 변환하여 노이즈가 제거된 음성신호를 얻을 수 있다.Here, P s (w) is a noise spectrum mixed with noise, P n (w) is a noise spectrum measured in a silent state, and P ' s (w) is Fourier inverse transformed to obtain a noise-removed voice signal. You can.

SS를 시간을 반영하는 TFRs 중 하나인 WT으로 확장하여 사용하고 식으로 표현하면 다음과 같다.SS is extended to WT, which is one of the TFRs that reflect time, and is expressed as follows.

Figure 112018122031002-pat00010
Figure 112018122031002-pat00010

여기서,

Figure 112018122031002-pat00011
는 강조된 음성(enhanced speech)의 웨이브렛 스펙트럼,
Figure 112018122031002-pat00012
는 관찰된 신호의 웨이브렛 스펙트럼,
Figure 112018122031002-pat00013
는 노이즈의 웨이브렛 스펙트럼이다.here,
Figure 112018122031002-pat00011
Is the wavelet spectrum of the enhanced speech,
Figure 112018122031002-pat00012
Is the wavelet spectrum of the observed signal,
Figure 112018122031002-pat00013
Is the wavelet spectrum of the noise.

또한, α는 축소계수이다. 그리고 a, b는 웨이브렛 변환(wavelet transform)의 하나의 계수를 뽑아 내기 위한 필터 위치 및 스케일 파라미터이다.In addition, α is a reduction factor. And a and b are filter position and scale parameters for extracting one coefficient of the wavelet transform.

본 발명은 스펙트럼 차감법(Spectral Subtraction)을 맵에서 중요영역을 선정하기 위한 한 가지 수단으로 사용한다.The present invention uses spectral subtraction as one means for selecting an important area in a map.

정상적으로 작동하는 장비의 신호를 차감하였다는 사실은 그 데이터가 갖고 있는 특정 성분들을 제거하였다는 의미가 있다.The fact that the signal from a working device is subtracted means that the specific components of the data have been removed.

하지만, 정상적으로 작동하는 데이터 간의 차감도 사용하였는데, 이는 랜덤 에러나 측정 에러와 같이 동일한 조건에서도 등장할 수 있는 에러 정보를 얻을 수 있기 때문이었다.However, the difference between the normally operating data was also used because it is possible to obtain error information that can appear even under the same conditions, such as random error or measurement error.

이하에서 정상 기어 데이터에서 기준 신호를 차감한 스펙트로그램(spectrogram)을 N-R(Normal-Reference)이라 하고, 고장 기어 데이터에서 기준 신호를 차감한 것은 A-R(Abnormal-Reference)이라 한다.Hereinafter, a spectrogram obtained by subtracting a reference signal from normal gear data is referred to as N-R (Normal-Reference), and a reference signal subtracted from faulty gear data is referred to as A-R (Abnormal-Reference).

맵값 최적화(Map Value Optimization)에 관하여 설명하면 다음과 같다.The description of Map Value Optimization is as follows.

도 3은 차감된 스펙트로그램의 일 예를 나타낸 구성도이고, 도 4는 두 번째 및 세 번째 변수 설정의 예를 나타낸 구성도이다.3 is a block diagram showing an example of a subtracted spectrogram, and FIG. 4 is a block diagram showing an example of setting second and third variables.

CIM을 만들기 위해서 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram)에서 중요 영역의 위치와 각 영역의 크기를 결정하는 파라미터들을 결정해야 한다.In order to make a CIM, it is necessary to determine the parameters of the location of the important region and the size of each region in the subtracted spectrogram.

랜덤 혹은 측정 에러 때문에 모든 데이터가 각각 상이하게 나올 수 있는 영역을 제거하는 과정을 이번 단계에서 수행하며, 최소한의 정보 손실을 위해 선정하는 영역이 최대화되는 것을 목적함수로 설정하여 최적화를 한다.In this step, the process of removing areas where all data can be different due to random or measurement errors is performed in this step, and the area selected for minimum information loss is optimized by setting the objective function to be maximized.

Figure 112018122031002-pat00014
Figure 112018122031002-pat00014

표 1에서와 같이, 세개의 변수를 선정한다.As shown in Table 1, three variables are selected.

첫 번째 변수가 앞에서 언급한 영역의 크기를 결정하는 요소이다.The first variable is the factor that determines the size of the area mentioned above.

두 번째로 하나의 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram)의 밀도계수가 유효 값으로 간주되기 위한 기준이 되는 역치를 변수 2로 선정한다.Second, the variable 2 is selected as a threshold for the density coefficient of one subtracted spectrogram to be considered as an effective value.

마지막으로 나누어진 직사각형 안의 유효값 수에 대한 역치(number threshold)를 세 번째 변수로 선정한다.Finally, the number threshold for the number of valid values in the divided rectangle is selected as the third variable.

도 4에서와 같이, 첫 번째 변수로 윈도우가 결정되어서 한 윈도우 안에 10개의 주파수 밀도 값이 있다고 가정한다.As in FIG. 4, it is assumed that the window is determined by the first variable, and thus there are 10 frequency density values in one window.

그러면 변수 2는 밀도 수치 중 선정할 값에 대한 기준을 제시하여 값들을 선정한다. 선정된 값의 개수로부터 변수 3이 해당 윈도우가 유효한지를 결정한다.Then, variable 2 presents the criteria for the value to be selected among the density values to select the values. The variable 3 determines whether the corresponding window is valid from the number of values selected.

결정된 값으로 목적함수를 구성해야 한다. 일단 이 최적화의 목적은 두가지에 있다.The objective function should be constructed with the determined values. First, the purpose of this optimization is twofold.

첫 번째로 정보의 손실을 최소화하기 위해 최대한 넓은 영역을 선정하는 것이다. 넓이에 대한 식은 다음과 같이 표현할 수 있다.The first is to select the widest possible area to minimize the loss of information. The expression for area can be expressed as follows.

Figure 112018122031002-pat00015
Figure 112018122031002-pat00015

y는 선정된 윈도우의 개수이다. 이를 윈도우 분할 개수의 변수인 x1으로 나누어 줌으로써 정규화 된 넓이를 계산할 수 있다.y is the number of windows selected. The normalized area can be calculated by dividing this by the variable x 1 of the number of window divisions.

두 번째 최적화의 목적은 최대한 N-R에서 신호가 나타나는 영역들을 제거하는 것이다. 이 영역에서 신호가 나타내는 의미는 고장과 관련 없으나 신호의 수집 중에서 발생할 수 있는 변수라고 할 수 있다. The purpose of the second optimization is to eliminate areas where signals appear in the N-R as much as possible. The meaning of the signal in this area is not related to failure, but it can be said to be a variable that can occur during signal acquisition.

도 4는 x2와 x3 변수의 정의를 설명하는 간단한 예제 나타낸 것이다.Figure 4 shows a simple example illustrating the definition of x 2 and x 3 variables.

이 예에서의 윈도우는 도면에 도시 된 바와 같이 할당된 값을 갖는 10 개의 파라미터(즉, 셀)를 포함한다.The window in this example contains 10 parameters (ie, cells) with assigned values as shown in the figure.

CIM 최적화에서의 문제를 공식화하면 표 2에서와 같다.Table 2 summarizes the problems in CIM optimization.

Figure 112018122031002-pat00016
Figure 112018122031002-pat00016

표 2는 CIM을 구축하기 위한 최적화 문제 공식을 나타낸 것이다.Table 2 shows the formula for the optimization problem to build the CIM.

이 문제의 목표는 중요한 정보의 손실을 최소화하는 것이다.The goal of this problem is to minimize the loss of important information.

따라서, 목적 함수는 정규화된 의미 있는 영역(즉, 중요한 영역)을 최대화하는 것이고, 이는 시간 영역에서 분할 수에 의해 표준화된 의미 있는 윈도우의 수이다.Thus, the objective function is to maximize a normalized meaningful region (i.e., an important region), which is the number of meaningful windows normalized by the number of divisions in the time domain.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 방법은 비정상 움직임(Non-stationary Movement)을 대표하는 해당 주파수의 신호만을 밴드 패스 필터로 추출하고, 두 종류의 시계열 신호의 일치 정도를 파악하는 방법으로 교차 상관 분석(Cross Correlation)을 이용하는 데이터 동기화(Data Synchronization) 단계;CIM(Critical Information Map) 표현을 위한 TFRs(Time Frequency Representations) 방법으로 WPD(Wavelet Packet Decomposition)를 사용하고, 신호를 스펙트럼화 하여 차감한 후에 역 변환하는 스펙트럼 차감법(Spectral Subtraction)을 이용하는 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram) 생성 단계;CIM(Critical Information Map)을 만들기 위해서 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram)에서 중요 영역의 위치와 각 영역의 크기를 결정하는 파라미터들을 결정하는 맵값 최적화(Map Value Optimization) 단계;를 포함한다In the method for diagnosing system health based on CIM according to the present invention having such a configuration, only signals of a corresponding frequency representing a non-stationary movement are extracted with a band pass filter, and the degree of agreement between the two types of time series signals Data Synchronization step using Cross Correlation as a method of grasping; using Wavelet Packet Decomposition (WPD) as a Time Frequency Representations (TFRs) method for representing a Critical Information Map (CIM), and signaling Subtracted Spectrogram generation step using Spectral Subtraction, which is inversely transformed after spectralizing and subtracting; Positioning of important regions in the Subtracted Spectrogram to create a Critical Information Map (CIM) And map value optimization to determine parameters that determine the size of each area (Map Value O ptimization) includes;

이상에서 설명한 본 발명에 따른 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치 및 방법을 적용한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.When explaining an embodiment to which the apparatus and method for diagnosing system health based on the CIM according to the present invention described above is applied, as follows.

도 6은 로봇의 데이터 취득 모션을 나타낸 구성도이고, 도 7a 내지 도 7c는 취득된 로우(Raw) 데이터 및 로우 데이터의 스펙트로그램 및 필터링된 데이터 그래프이다.6 is a configuration diagram illustrating a data acquisition motion of a robot, and FIGS. 7A to 7C are graphs of the acquired raw data and raw data, and filtered data graphs.

그리고 도 8은 로우 신호 데이터의 시간 동기화 그래프이다.And Figure 8 is a time synchronization graph of the raw signal data.

본 발명에 따른 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치 및 방법을 제조 로봇 시스템에 적용하였다.Apparatus and method for CIM-based system health diagnosis according to the present invention were applied to a manufacturing robot system.

로봇 시스템은 모터 및 기어 단계의 주기에서 비정상(non-stationary) 신호를 보여주며 여러 기어와 벨트의 조합으로 복잡한 신호를 나타내기에 본 발명을 적용하기에 적합하다.The robot system is suitable for applying the present invention to show a non-stationary signal in the cycle of the motor and gear stages and a complex signal with a combination of multiple gears and belts.

고장 진단 대상으로 사용한 로봇에서 도 5에서와 같이 로봇의 2축 인풋기어를 대상으로 삼았다.In the robot used as a fault diagnosis object, a 2-axis input gear of the robot was targeted as shown in FIG. 5.

다관절 로봇에서 2축은 로봇의 두번째로 큰 축이며 수직방향의 운동에 관여한다. 총 세개의 인풋기어 중 2개의 기어에 손상을 입혔다.In an articulated robot, the 2nd axis is the second largest axis of the robot and is involved in the vertical motion. Two of the three input gears were damaged.

이후 가속도계를 2축의 radial 방향인 도 5의 위치에 부착하여 데이터를 취득하였다.Thereafter, the accelerometer was attached to the position of FIG. 5, which is a radial direction of 2 axes, to acquire data.

데이터 취득 모션은 도 6에서와 같이 기본 정지 상태에서 2축을 60deg로 3회 왕복 운동을 시켰다.As shown in Fig. 6, the data acquisition motion was reciprocated 3 times with 60 deg on 2 axes in the basic stop state.

각 인풋 기어마다 300회의 데이터 취득 모션을 수행하여 총 900셋의 가속도 데이터를 얻었다. 길이는 20초로 획득 샘플링 주파수는 12.8kHz로 데이터를 취득하였다. 상세 내용은 아래 표에 나타내었다.A total of 900 sets of acceleration data were obtained by performing 300 data acquisition motions for each input gear. Acquired data at a length of 20 seconds and a sampling frequency of 12.8 kHz. The details are shown in the table below.

Figure 112018122031002-pat00017
Figure 112018122031002-pat00017

도 7a는 정상적인 인풋기어를 장착한 로봇으로부터 취득한 신호다.7A is a signal obtained from a robot equipped with a normal input gear.

짧고 크기가 큰 신호는 로봇이 아래로 움직일 때 취득된 것이며 길게 측정된 신호는 로봇이 윗방향으로 움직일 때 취득된 신호이다.The short and large signal is acquired when the robot moves down, and the long measured signal is the signal acquired when the robot moves upward.

해당신호에서 동기화에 유리한 주파수 영역을 찾기 위해 도 7b에 나타나 있는 Continuous Spectrogram을 그려 band-pass 필터로 붉은 사각형이 가리키는 주파수 대역을 추출하여 도 7c에 나타내었다.In order to find a frequency region advantageous for synchronization in the corresponding signal, a continuous spectrum shown in FIG. 7B is drawn, and the frequency band indicated by the red square is extracted with a band-pass filter and shown in FIG. 7C.

해당 추출된 신호로 부터 딜레이를 계산한 것을 Raw Signal에 적용하여 그 중 일부를 도 8에 나타내었다.Fig. 8 shows some of the delay calculated from the extracted signal by applying it to the raw signal.

동기화 시킨 데이터들과 기준신호와의 SS를 수행하면 다음과 같다.The SS of the synchronized data and the reference signal is as follows.

도 9a 내지 도 9c는 기준 스펙트로그램 및 N-R 스펙트로그램 및 A-R 스펙트로그램이다.9A to 9C are reference spectrograms and N-R spectrograms and A-R spectrograms.

해당 과정을 수행한 데이터들을 표시했는데, 보라색으로 나타난 부분이 높은 값을 가지는 영역이다.The data that performed the corresponding process are displayed, and the area indicated in purple is a region having a high value.

N-R 신호는 유효 영역이 적은 영역에 거쳐 나타나지만 A-R은 넓은 영역에 거쳐 유효값이 등장한다. 앞의 장에서 언급했던 모든 데이터에서 랜덤적으로 나타나는 영역을 제거하기 위해서 도 9b에서 나타나는 영역은 제거해 줄 필요가 있다.The N-R signal appears over an area with a small effective area, but the A-R has an effective value over a large area. In order to remove randomly appearing areas from all the data mentioned in the previous chapter, it is necessary to remove the areas shown in FIG. 9B.

그런 관점에서 이후에 수행할 최적화 목적함수에서 해당 영역으로부터 나오는 패널티에 가중치를 부여하였다.From that point of view, the optimization objective function to be performed later is weighted by the penalty from the relevant area.

도 10은 피팅 정도에 따른 데이터 분류 과정을 나타낸 플로우 차트이고, 도 11a는 학습되어 나타낸 CIM 결과(N-R), 도 11b는 학습되어 나타낸 CIM 결과(S-R 및 H-R), 도 11c는 CIM의 윈도우(N-R 및 A-R), 도 11d는 CIM의 윈도우(S-R 및 H-R)를 나타낸 구성도이다.FIG. 10 is a flow chart showing a data classification process according to the fitting degree, FIG. 11A is a learned CIM result (NR), FIG. 11B is a learned CIM result (SR and HR), and FIG. 11C is a CIM window (NR) And AR), FIG. 11D is a configuration diagram showing CIM windows SR and HR.

도 10에서와 같이 기어의 결함 조건(즉, 소프트 및 하드 피팅)을 분류한다.As shown in FIG. 10, the defect conditions of the gear (ie, soft and hard fitting) are classified.

먼저 입력 장치를 정상 또는 비정상 상태로 분류 한 다음 비정상적인 기어를 소프트 피팅 또는 하드 피팅 결함으로 분류한다.First, the input device is classified as normal or abnormal, and then the abnormal gear is classified as a soft fitting or hard fitting defect.

측정 한 900개의 데이터 세트 중에서 정상적인 소프트 피팅과 하드 피팅의 15개 데이터 세트인 2개의 CIM을 구현하는데 5%만 사용한다.Of the 900 data sets measured, only 5% are used to implement two CIMs, which are 15 data sets of normal soft fitting and hard fitting.

나머지 데이터 세트(즉, 855 세트)는 유효성 검증을 위하여 사용될 수 있다.The remaining data sets (ie, 855 sets) can be used for validation.

CIM 구현을 위한 데이터 세트는 데이터 동기화(Data Synchronization) 단계; 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram) 생성 단계; 맵값 최적화(Map Value Optimization) 단계;에 따라 사전 처리가 이루어진다.The data set for CIM implementation includes a data synchronization step; Generating a subtracted spectrogram; Pre-processing is performed according to the Map Value Optimization step.

CIM 최적화를 위해, 2 개의 파라미터 C p 가 사용자에 의해 지정될 필요가 있다.For CIM optimization, two parameters C p need to be specified by the user.

이러한 매개 변수의 값이 증가함에 따라 의미있는 윈도우(outstanding window;OW)이 보수적인 방식으로 선택된다.As the value of these parameters increases, a meaningful window (OW) is selected in a conservative way.

일반적으로, C p 는 감도 랜덤 오류를 줄이기 위해 하나 이상으로 설정된다.Generally, C p is set to one or more to reduce the sensitivity random error.

이 공식에서 C p = 1.5로 설정하고 R c ≥ 0.95 인 OW를 선택한다.In this formula, set C p = 1.5 and select OW with R c ≥ 0.95.

표 4는 CIM에 대한 최적 설계를 나타낸 것이다.Table 4 shows the optimal design for CIM.

Figure 112018122031002-pat00018
Figure 112018122031002-pat00018

도 11a와 도 11b는 학습되어 나타난 CIM 결과이고, 표 4는 최적화 과정에서 결정된 설계 변수를 나타낸 것이다.11A and 11B are learned CIM results, and Table 4 shows design variables determined in the optimization process.

두 개의 CIM이 각 윈도우의 의미있는 R c 로 채색되어 있음을 보여준다.It shows that the two CIMs are colored with the meaningful R c of each window.

윈도우의 컬러가 적색 (즉, 1에 가깝다)이면, 윈도우는 의미있는 윈도우일 수 있다. 그림의 윈도우에는 많은 수의 SS 매개 변수가 포함될 수 있다.If the color of the window is red (ie close to 1), the window can be a meaningful window. The window in the figure can contain a large number of SS parameters.

이 CIM에는 350 및 951 SS 매개 변수가 도 11a와 도 11b의 각 윈도우에 포함된다.The CIM includes 350 and 951 SS parameters in each window of FIGS. 11A and 11B.

학습에서 사용한 R c 기준인 0.95를 넘는 윈도우(OW)를 하일라이트하여 나타내면 도 11c와 도 11d에서와 같다.If the window (OW) over 0.95, which is the R c criterion used in learning, is highlighted, it is as in FIGS. 11C and 11D.

도 11c에 나타낸 N-R 대 A-R에 관한 CIM의 OW의 수는 38이고, 도 11d에 나타낸 S-R 대 H-R에 관한 CIM의 수는 20이다.The number of CIM OWs for N-R to A-R shown in FIG. 11C is 38, and the number of CIMs for S-R to H-R shown in FIG. 11D is 20.

도 12a는 학습 데이터 세트의 SS 계수(N-R 윈도우), 도 12b는 학습 데이터 세트의 SS 계수(A-R 원도우) 그래프이다.12A is a graph of SS coefficients (N-R windows) of the training data set, and FIG. 12B is a graph of SS coefficients (A-R windows) of the training data set.

CIM을 기반으로하는 분류에 대한 자세한 내용을 특정 윈도우를 예로 설명하면 다음과 같다.The details of CIM-based classification are as follows when a specific window is described as an example.

도 12a는 11번째 시간 영역과 주파수 레벨에서 17번째 윈도우에 포함된 SS (spectral subtracted) 계수를 나타낸 것이다.FIG. 12A shows a spectral subtracted (SS) coefficient included in the 17th window in the 11th time domain and frequency level.

도 12a는 정상 신호로부터 얻어진 N-R 감산된 스펙트로그램의 윈도우에서의 350개의 계수의 값을 나타내고, 도 12b는 비정상 신호로부터의 A-R 감산된 스펙트로그램의 동일한 윈도우의 동일한 값을 나타낸 것이다.FIG. 12A shows the values of 350 coefficients in the window of the N-R subtracted spectrogram obtained from the normal signal, and FIG. 12B shows the same values of the same window of the A-R subtracted spectrogram from the abnormal signal.

붉은 색 라인은 학습의 결과로 나타난 문턱값 0.0089이다.The red line is a threshold of 0.0089 as a result of learning.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치 및 방법은 CIM(Critical Information Map)을 이용하여 TFRs(Time Frequency Representations)에서 고장에 영향을 주는 신호가 포함된 영역을 찾아낼 수 있도록 한 것이다.An apparatus and method for diagnosing system health based on CIM according to the present invention described above can use CIM (Critical Information Map) to find an area including signals affecting failures in Time Frequency Representations (TFRs). It is done.

이와 같은 본 발명은 CIM(Critical Information Map)을 이용하는 것에 의해 내부 정보를 모르는 상태에서도 적은 데이터를 활용하며 비정상(non-stationary) 신호에서도 적용 가능한 신호 처리 방법을 제공할 수 있다.The present invention can provide a signal processing method applicable to a non-stationary signal using less data even without knowing internal information by using a CIM (Critical Information Map).

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be understood that the present invention is implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention as described above.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the specified embodiments should be considered in terms of explanation rather than limitation, and the scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent range are included in the present invention. Should be interpreted.

100. 데이터 동기화부
200. 차감 스펙트로그램부
300. 맵값 최적화부
100. Data synchronization unit
200. Subtract Spectrogram
300. Map value optimization unit

Claims (10)

비정상 움직임(Non-stationary Movement)을 대표하는 해당 주파수의 신호만을 밴드 패스 필터로 추출하고, 두 종류의 시계열 신호의 일치 정도를 파악하는 방법으로 교차 상관 분석(Cross Correlation)을 이용하는 데이터 동기화부;
CIM(Critical Information Map) 표현을 위한 TFRs(Time Frequency Representations) 방법으로 WPD(Wavelet Packet Decomposition)를 사용하고, 신호를 스펙트럼화 하여 차감한 후에 역 변환하는 스펙트럼 차감법(Spectral Subtraction)을 이용하는 차감 스펙트로그램부;
CIM(Critical Information Map)을 만들기 위해서 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram)에서 중요 영역의 위치와 각 영역의 크기를 결정하는 파라미터들을 결정하는 맵값 최적화부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치.
A data synchronization unit using a cross-correlation as a method of extracting only signals of a corresponding frequency representing a non-stationary movement with a band pass filter and determining the degree of agreement between two types of time-series signals;
Subtraction Spectrogram using Spectral Subtraction that uses WPD (Wavelet Packet Decomposition) as a TFRs (Time Frequency Representations) method for CIM (Critical Information Map) representation, and inversely transforms the signal after spectralizing the signal. part;
CIM-based system health diagnosis, characterized in that it comprises; a map value optimizer for determining parameters for determining the location of the important region and the size of each region in the subtracted spectrogram (Subtracted Spectrogram) to create a CIM (Critical Information Map) Device for.
제 1 항에 있어서, 상기 데이터 동기화부에서,
특정 샘플링 지연(delay)에서 두 신호의 연관성에 대한 값이 최대가 되는 지연 값을 찾아 신호에 적용하여 두 신호의 싱크를 일치시키기 위하여,
비정상(non-stationary)신호를 갖고 있는 데이터에서 특정 모션을
Figure 112018122031002-pat00019
으로 찾아내고,
여기서, f는 원함수 g는 필터링 함수이며 τ는 두 신호의 시간 딜레이를 의미하는 것을 특징으로 하는 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치.
According to claim 1, In the data synchronization unit,
In order to match the sync of the two signals by finding the delay value at which the value of the correlation between the two signals becomes the maximum at a specific sampling delay and applying it to the signal,
Certain motions in data with non-stationary signals
Figure 112018122031002-pat00019
Find with,
Here, f is the original function g is a filtering function and τ is a device for diagnosing system health based on CIM, characterized in that it means a time delay of two signals.
제 2 항에 있어서, 데이터의 싱크를 맞추기 위하여,
Figure 112018122031002-pat00020
을 이용하고,
여기서, τmax는 교차상관(Cross-correlation)의 값이 최대가 될 때의 시간 지연이며 Argmax 함수는 괄호 안의 수식이 최대가 되게 하는 정의역을 값을 도출해 주는 식이고, Raw Signal에 τmax 만큼의 딜레이를 적용시키는 것을 특징으로 하는 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치.
The method of claim 2, to synchronize the data,
Figure 112018122031002-pat00020
And
Here, τ max is the time delay when the value of cross-correlation is the maximum, and the Argmax function is an expression that derives the value of the domain in which the expression in parentheses becomes the maximum, and τ max is equal to the raw signal. Device for diagnosing system health based on CIM, characterized by applying a delay.
제 1 항에 있어서, WPD에서 신호를 여러 주파수로 분해하는 웨이브렛 패킷의 커널 기능은,
Figure 112018122031002-pat00021
으로 정의되고,
j는 인덱스 스케일, k는 변환 연산 및 n은 변조 파라미터 또는 진동 파라미터인 것을 특징으로 하는 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein the kernel function of the wavelet packet to decompose the signal into multiple frequencies in the WPD,
Figure 112018122031002-pat00021
Is defined as,
A device for diagnosing system health based on CIM, wherein j is an index scale, k is a transformation operation, and n is a modulation parameter or a vibration parameter.
제 4 항에 있어서, 스케일링 함수를
Figure 112018122031002-pat00022
으로 정의하고,
모체 함수를
Figure 112018122031002-pat00023
으로 정의하여,
함수
Figure 112018122031002-pat00024

Figure 112018122031002-pat00025
를 생성하고,
여기서, h(k)g(k)는 서로 직교하는 직교 미러 필터인 것을 특징으로 하는 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치.
The method of claim 4, wherein the scaling function
Figure 112018122031002-pat00022
Defined as
Matrix function
Figure 112018122031002-pat00023
Defined as,
function
Figure 112018122031002-pat00024
And
Figure 112018122031002-pat00025
Create
Here, h (k) and g (k) are orthogonal mirror filters orthogonal to each other.
제 5 항에 있어서, 필터의 밀도를 나타내는 j, n, k 상태의 웨이브렛 패킷 계수는,
Figure 112018122031002-pat00026
으로 정의되고,
여기서 f(t)는 분석될 시간 신호인 것을 특징으로 하는 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치.
6. The wavelet packet coefficients of states j, n, and k indicating the density of the filter,
Figure 112018122031002-pat00026
Is defined as,
Here, f (t) is a device for diagnosing system health based on CIM, characterized in that it is a time signal to be analyzed.
제 1 항에 있어서, 차감 스펙트로그램부에서 신호를 스펙트럼화하여 차감한 후에 역 변환하는 스펙트럼 차감법(Spectral Subtraction)을,
Figure 112018122031002-pat00027
으로 정의하고,
여기서, Ps(w)는 노이즈가 섞인 음성 스펙트럼이고, Pn(w)은 무음성 상태에서 측정된 노이즈 스펙트럼이고, P's(w)를 푸리에 역 변환하여 노이즈가 제거된 음성신호를 얻는 것을 특징으로 하는 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치.
According to claim 1, Spectral subtraction (Spectral Subtraction) to inverse transform after the signal is spectrally subtracted by the subtraction spectrogram unit,
Figure 112018122031002-pat00027
Defined as
Here, P s (w) is a noise spectrum mixed with noise, P n (w) is a noise spectrum measured in a silent state, and Fourier inverse transform of P ' s (w) to obtain a noise-removed voice signal Device for diagnosing system health based on a CIM.
제 7 항에 있어서, SS를 시간을 반영하는 TFRs 중 하나인 WT으로 확장하여 사용하고 식으로 표현하면,
Figure 112018122031002-pat00028
이고,
여기서,
Figure 112018122031002-pat00029
는 강조된 음성(enhanced speech)의 웨이브렛 스펙트럼,
Figure 112018122031002-pat00030
는 관찰된 신호의 웨이브렛 스펙트럼,
Figure 112018122031002-pat00031
는 노이즈의 웨이브렛 스펙트럼, α는 축소계수, a,b는 웨이브렛 변환(wavelet transform)의 하나의 계수를 추출하기 위한 필터 위치 및 스케일 파라미터인 것을 특징으로 하는 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치.
The method of claim 7, wherein SS is extended to WT, which is one of the TFRs reflecting time, and expressed as an equation:
Figure 112018122031002-pat00028
ego,
here,
Figure 112018122031002-pat00029
Is the wavelet spectrum of the enhanced speech,
Figure 112018122031002-pat00030
Is the wavelet spectrum of the observed signal,
Figure 112018122031002-pat00031
A is a wavelet spectrum of noise, α is a reduction factor, a, b is a filter position and scale parameter for extracting one coefficient of a wavelet transform. .
제 1 항에 있어서, 상기 맵값 최적화부는 최소한의 정보 손실을 위해 선정하는 영역이 최대화 되는 것을 목적함수로 설정하여 최적화를 하기 위하여,
영역의 크기를 결정하는 제 1 변수,
하나의 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram)의 밀도계수가 유효 값으로 간주되기 위한 기준이 되는 역치를 제 2 변수,
나누어진 직사각형 안의 유효값 수에 대한 역치(number threshold)를 제 3 변수로 선정하는 것을 특징으로 하는 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein the map value optimizer performs optimization by setting a target function to maximize a region selected for minimum information loss,
The first variable that determines the size of the region,
The second parameter is the threshold that is the basis for the density coefficient of one subtracted spectrogram to be considered as an effective value.
Device for diagnosing system health based on CIM, characterized in that a threshold for a number of valid values in a divided rectangle is selected as a third variable.
비정상 움직임(Non-stationary Movement)을 대표하는 해당 주파수의 신호만을 밴드 패스 필터로 추출하고, 두 종류의 시계열 신호의 일치 정도를 파악하는 방법으로 교차 상관 분석(Cross Correlation)을 이용하는 데이터 동기화(Data Synchronization) 단계;
CIM(Critical Information Map) 표현을 위한 TFRs(Time Frequency Representations) 방법으로 WPD(Wavelet Packet Decomposition)를 사용하고, 신호를 스펙트럼화 하여 차감한 후에 역 변환하는 스펙트럼 차감법(Spectral Subtraction)을 이용하는 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram) 생성 단계;
CIM(Critical Information Map)을 만들기 위해서 차감 스펙트로그램(Subtracted Spectrogram)에서 중요 영역의 위치와 각 영역의 크기를 결정하는 파라미터들을 결정하는 맵값 최적화(Map Value Optimization) 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 CIM 기반의 시스템 건전성 진단을 위한 방법.

Data Synchronization using Cross Correlation as a method of extracting only the signals of the corresponding frequency representing the non-stationary movement with a band pass filter and determining the degree of agreement between two types of time series signals ) step;
Subtraction Spectrogram using Spectral Subtraction that uses WPD (Wavelet Packet Decomposition) as a TFRs (Time Frequency Representations) method for CIM (Critical Information Map) representation, and inversely transforms the signal after spectralizing the signal. (Subtracted Spectrogram) generation step;
CIM (Critical Information Map) in order to create a Critical Information Map (Subtracted Spectrogram) in the subtracted spectrogram (Map Value Optimization) step of determining the parameters to determine the location of each region and the size of each area; CIM characterized in that it comprises a Method for diagnosis of system-based health.

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