JP6882397B2 - Abnormal noise detection system, equipment, method and program - Google Patents
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Description
この発明は、所定の時系列信号から異常区間を検出するシステム等に関する。 The present invention relates to a system or the like that detects an abnormal section from a predetermined time series signal.
従前より、自動車や電線等の工業製品の出荷前や定期点検の際に当該製品の異常の有無を検査することが行われている。その検査手法の一つとして、例えば、検査対象物たる工業製品を作動させたり外力(振動など)を与える等して特定の状態へとおき、その状態にて生成される様々な時系列信号の性状に基づいて、検査対象物の異常の有無を推定するという手法がある。 Traditionally, industrial products such as automobiles and electric wires have been inspected for abnormalities before shipping or during periodic inspections. As one of the inspection methods, for example, an industrial product that is an inspection target is operated or an external force (vibration, etc.) is applied to put it in a specific state, and various time-series signals generated in that state are displayed. There is a method of estimating the presence or absence of an abnormality in the inspection object based on the properties.
特許文献1には、時系列信号として検査対象物から発せられる音信号に着目し、異音の有無から検査対象物の異常の有無を推定する手法が開示されている。より詳細には、この例にあっては、異音を含む有異音サンプル音と異音を含まない無異音サンプル音に基づいて異音の有無を識別し、それにより検査対象物の異常の有無を推定している。
すなわち、従前の手法にあっては、所定の時系列信号中の異常区間を特定する場合には、まず、下処理として異常に相当するサンプル、音の場合では異音サンプルを特定し、それとの比較において異常区間の特定を行っていた。これらの作業は、従来、作業者により人手で行われていた。 That is, in the conventional method, when specifying an abnormal section in a predetermined time-series signal, first, a sample corresponding to the abnormality is specified as a pretreatment, and in the case of sound, an abnormal sound sample is specified, and then the abnormal sound sample is specified. The abnormal section was identified in the comparison. Conventionally, these operations have been performed manually by an operator.
しかしながら、そもそも多量の検査対象データの中から異常を示すサンプルを特定することは大きな手間であり、また、そもそも異常を示すサンプルであるか否かの判断自体が困難である場合もあった。これにより、検査対象物から取得された時系列信号から異常区間を検出する作業は、作業者にとって過大な負担となっていた。 However, it is a lot of work to identify a sample showing an abnormality from a large amount of data to be inspected, and it may be difficult to judge whether or not the sample shows an abnormality in the first place. As a result, the work of detecting the abnormal section from the time-series signal acquired from the inspection object has become an excessive burden on the operator.
本発明は、上述の技術的背景の下になされたものであり、その目的とすることころは、検査対象物から取得された時系列信号から異常区間を検出する際の作業者の負担を軽減することにある。 The present invention has been made under the above-mentioned technical background, and an object of the present invention is to reduce the burden on the operator when detecting an abnormal section from a time-series signal acquired from an inspection object. To do.
本発明のさらに他の目的並びに作用効果については、明細書の以下の記述を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。 Still other objects of the invention, as well as effects, will be readily understood by those skilled in the art by reference to the following description of the specification.
上述の技術的課題は、以下の構成を有する異常検出システム、方法、プログラムにより解決することができる。 The above-mentioned technical problems can be solved by an abnormality detection system, a method, and a program having the following configurations.
すなわち、本発明に係る異常検出システムは、検査対象物を特定の状態へとおくことにより生成される時系列信号を取得する時系列信号取得部と、前記時系列信号に基づいて、所定の特徴量を生成する特徴量生成部と、前記特徴量を所定のクラスタリングアルゴリズムに基づいてクラスタリングするクラスタリング処理部と、前記クラスタリングの結果に基づいて、前記時系列信号中の異常区間を検出する検出部と、を備えている。 That is, the abnormality detection system according to the present invention has a time-series signal acquisition unit that acquires a time-series signal generated by placing an inspection object in a specific state, and a predetermined feature based on the time-series signal. A feature amount generation unit that generates a quantity, a clustering processing unit that clusters the feature quantity based on a predetermined clustering algorithm, and a detection unit that detects an abnormal section in the time series signal based on the result of the clustering. , Is equipped.
このような構成によれば、クラスタリング結果に基づいて検査対象物に係る時系列信号中の異常の有無を検出するので、時系列信号そのものに基づいて教師なし学習により異常検出を行うことができる。これにより、異常を示すサンプルの準備や当該サンプルとの対比の手間が不要となるため、異常検出作業を行う作業者の負担が軽減される。また、時系列信号から所定の特徴量を生成してからクラスタリングを行うので、クラスタリングの精度が向上する。なお、特定の状態には、例えば、検査対象物を物理的に動作させた状態、検査対象物を電気的に作動させた状態、振動等の外力が加えられた状態などが含まれる。また、検査対象物を特定の状態へとおくことにより生成される時系列信号には、例えば、マイクや各種センサにより取得される時系列の音信号やセンサ信号が含まれる。 According to such a configuration, since the presence or absence of an abnormality in the time-series signal related to the inspection object is detected based on the clustering result, the abnormality can be detected by unsupervised learning based on the time-series signal itself. As a result, it is not necessary to prepare a sample showing an abnormality and to compare it with the sample, so that the burden on the operator who performs the abnormality detection work is reduced. Further, since clustering is performed after generating a predetermined feature amount from the time series signal, the accuracy of clustering is improved. The specific state includes, for example, a state in which the inspection object is physically operated, a state in which the inspection object is electrically operated, a state in which an external force such as vibration is applied, and the like. Further, the time-series signals generated by placing the inspection object in a specific state include, for example, time-series sound signals and sensor signals acquired by a microphone or various sensors.
前記時系列信号は、前記検査対象物から発生する音に関する時系列信号である時系列音信号を含む、ものであってもよい。 The time-series signal may include a time-series sound signal which is a time-series signal relating to a sound generated from the inspection object.
このような構成によれば、検査対象物から発生する音に基づいて異常検出を行うので、非破壊で検査を行うことができる。また、異常状態の場合の音サンプルの準備や当該音サンプルとの対比の手間が不要となるため、異常検出作業を行う作業者の負担が軽減される。 According to such a configuration, since the abnormality is detected based on the sound generated from the inspection object, the inspection can be performed non-destructively. Further, since it is not necessary to prepare a sound sample in the case of an abnormal state and to compare the sound sample with the sound sample, the burden on the operator who performs the abnormality detection work is reduced.
前記時系列信号は、さらに、前記検査対象物の作動状態を示すセンサ情報に係る時系列信号である時系列センサ信号を含む、ものであってもよい。 The time-series signal may further include a time-series sensor signal which is a time-series signal related to sensor information indicating an operating state of the inspection object.
このような構成によれば、対象物から発せられる音のみならず、異常と因果関係の生じ得る対象物の作動状態を示すセンサ情報(例えば、加速度など)も活用することで、異常の検出精度をさらに向上させることができる。 According to such a configuration, not only the sound emitted from the object but also the sensor information (for example, acceleration) indicating the operating state of the object that may have a causal relationship with the abnormality is utilized to detect the abnormality accurately. Can be further improved.
前記特徴量生成部は、さらに、前記時系列音信号と前記時系列センサ信号とを周波数領域に変換して、周波数領域音信号と周波数領域センサ信号とを生成する周波数領域信号生成部と、前記周波数領域音信号に基づいて、音のラウドネスに関するラウドネス特徴量、音のシャープネスに関するシャープネス特徴量、音の変動強度に関する変動強度特徴量、及び、音のラフネスに関するラフネス特徴量を生成する心理音響評価特徴量生成部と、前記周波数領域音信号と前記周波数領域センサ信号とに基づいて、メル周波数ケプストラム係数を含むMFCC特徴量を生成するMFCC特徴量生成部と、を備えるものであってもよい。 The feature amount generation unit further includes a frequency region signal generation unit that converts the time-series sound signal and the time-series sensor signal into a frequency region to generate a frequency region sound signal and a frequency region sensor signal. Psychoacoustic evaluation features that generate loudness features related to sound loudness, sharpness features related to sound sharpness, fluctuation intensity features related to sound fluctuation intensity, and roughness features related to sound roughness based on frequency region sound signals. It may include a quantity generation unit and an MFCC feature quantity generation unit that generates an MFCC feature quantity including a mel frequency Keptram coefficient based on the frequency region sound signal and the frequency region sensor signal.
このような構成によれば、音の特徴を人の聴感特性を考慮した特徴量を用いるので、特に人が知覚しやすい異音を伴う異常の検出精度を向上させることができる。 According to such a configuration, since the feature amount in consideration of the human hearing characteristic is used for the sound feature, it is possible to improve the detection accuracy of the abnormality accompanied by the abnormal sound which is particularly easy for the human to perceive.
前記特徴量生成部は、さらに、入力ニューロン、出力ニューロン及びそれらの間の中間ニューロンとを備え、オートエンコーダとして機能するよう学習させた学習済ニューラルネットワークに基づき、前記周波数領域音信号と前記周波数領域センサ信号とを入力としたときの前記中間ニューロンの発火値を符号化特徴量として出力する、符号化特徴量生成部を、備えるものであってもよい。 The feature amount generation unit further includes an input neuron, an output neuron, and an intermediate neuron between them, and is based on a trained neural network trained to function as an autoencoder, and the frequency domain sound signal and the frequency domain. It may be provided with a coded feature amount generation unit that outputs the firing value of the intermediate neuron when the sensor signal is input as a coded feature amount.
このような構成によれば、中間ニューロン(隠れ層のニューロン)に特徴が圧縮される性質を利用してクラスタリング精度を向上させ、さらに、異常の検出精度を向上させることができる。 According to such a configuration, the clustering accuracy can be improved by utilizing the property that the feature is compressed in the intermediate neuron (the neuron in the hidden layer), and the abnormality detection accuracy can be further improved.
前記検査対象物は回転体であり、前記時系列センサ信号は、前記回転体の時系列回転数信号を含み、前記特徴量生成部は、さらに、前記時系列回転数信号と前記周波数領域音信号とに基づき、所定の回転次数を特徴量として生成する回転次数特徴量生成処理部と、を備えるものであってもよい。 The inspection object is a rotating body, the time-series sensor signal includes a time-series rotation speed signal of the rotating body, and the feature amount generator further comprises the time-series rotation speed signal and the frequency domain sound signal. Based on the above, a rotation order feature quantity generation processing unit that generates a predetermined rotation order as a feature quantity may be provided.
このような構成によれば、回転状態を示す回転数を回転次数へと変換して特徴量として用いるので、回転体における異常検出精度を向上させることができる。 According to such a configuration, since the rotation speed indicating the rotation state is converted into the rotation order and used as the feature quantity, the abnormality detection accuracy in the rotating body can be improved.
前記検査対象物は回転体であり、前記時系列センサ信号は、加速度、トルク、回転数に係る時系列信号である、ものであってもよい。 The inspection object may be a rotating body, and the time-series sensor signal may be a time-series signal related to acceleration, torque, and rotation speed.
このような構成によれば、回転体の異常検出を精度よく行うことができる。 According to such a configuration, abnormality detection of the rotating body can be performed with high accuracy.
前記クラスタリングアルゴリズムは、クラスタ数を予め決定する第1のクラスタリングアルゴリズムと、クラスタ数を予め決定しない第2のクラスタリングアルゴリズムを含む、ものであってもよい。 The clustering algorithm may include a first clustering algorithm that predetermines the number of clusters and a second clustering algorithm that does not predetermine the number of clusters.
このような構成によれば、クラスタ数が有る程度予想できる場合と、そうでない場合の両方の場合に対応することができ、より堅牢に異常検出を行うことができる。 According to such a configuration, it is possible to deal with both the case where the number of clusters can be predicted to some extent and the case where the number of clusters is not, and it is possible to perform anomaly detection more robustly.
前記第1のクラスタリングアルゴリズムは、k平均法、GMMのうちのいずれか1つ又はその両方であり、前記第2のクラスタリングアルゴリズムは、DBSCANである、ものであってもよい。 The first clustering algorithm may be one or both of k-means clustering and GMM, and the second clustering algorithm may be DBSCAN.
このような構成によれば、異音検出に好適なアルゴリズムを用いることで、より異常検出精度を向上させることができる。 According to such a configuration, the abnormality detection accuracy can be further improved by using an algorithm suitable for abnormal noise detection.
前記異常検出システムは、さらに、異常検出モードを取得する異常検出モード取得部と、前記異常検出モードに基づいて、検出の基礎とする前記特徴量と前記クラスタリングアルゴリズムを決定する検出基礎決定部と、を備えるものであってもよい。 The abnormality detection system further includes an abnormality detection mode acquisition unit that acquires an abnormality detection mode, a detection basis determination unit that determines the feature amount and the clustering algorithm that are the basis of detection based on the abnormality detection mode. It may be provided with.
このような構成によれば、異常種別に応じて検出の基礎となるクラスタリングアルゴリズムが変更されるので、対象となる異常をより精度良く検出することができる。 According to such a configuration, since the clustering algorithm which is the basis of the detection is changed according to the abnormality type, the target abnormality can be detected more accurately.
前記異常検出システムは、さらに、前記検出部における異常検出の結果特定された異常区間を有する前記時系列音信号をグラフ表示するための表示用データを生成するグラフ出力データ生成部、を備えるものであってもよい。 The abnormality detection system further includes a graph output data generation unit that generates display data for displaying a graph of the time-series sound signal having an abnormality section specified as a result of abnormality detection in the detection unit. There may be.
このような構成によれば、異常箇所をグラフを介して視覚的に確認できるため、異常箇所の特定がより直観的かつ容易となる。 According to such a configuration, since the abnormal portion can be visually confirmed through the graph, the identification of the abnormal portion becomes more intuitive and easy.
前記特徴量生成部は、さらに、前記時系列音信号を周波数領域に変換して、周波数領域音信号を生成する周波数領域信号生成部と、前記周波数領域音信号に基づいて、音のラウドネスに関するラウドネス特徴量、音のシャープネスに関するシャープネス特徴量、音の変動強度に関する変動強度特徴量、及び、音のラフネスに関するラフネス特徴量を生成する心理音響評価特徴量生成部と、を備えるものであってもよい。 The feature amount generation unit further converts the time-series sound signal into a frequency region to generate a frequency region sound signal, and a loudness regarding sound loudness based on the frequency region sound signal. It may be provided with a feature amount, a sharpness feature amount related to sound sharpness, a fluctuation intensity feature amount related to sound fluctuation intensity, and a psychoacoustic evaluation feature amount generation unit that generates a roughness feature amount related to sound roughness. ..
このような構成によれば、音の特徴を人の聴感特性を考慮した特徴量を用いるので、特に、人が知覚しやすい異音を伴う異常の検出精度を向上させることができる。 According to such a configuration, since the feature amount in consideration of the human hearing characteristic is used for the sound feature, it is possible to improve the detection accuracy of an abnormality accompanied by an abnormal sound that is easily perceived by a human.
前記異常検出システムは、さらに、前記クラスタリングの結果に基づいて、クラスタリング精度を判定するクラスタリング精度判定部を備え、前記検出部は、前記クラスタリング精度判定部において所定基準以上の精度を有すると判定された前記クラスタリングの結果に基づいて、前記時系列信号中の異常区間を検出する、ものであってもよい。 The abnormality detection system further includes a clustering accuracy determination unit that determines the clustering accuracy based on the result of the clustering, and the detection unit is determined by the clustering accuracy determination unit to have an accuracy equal to or higher than a predetermined reference. Based on the result of the clustering, the abnormal section in the time series signal may be detected.
このような構成によれば、クラスタリング精度が所定基準値以上のクラスタリング結果に基づいて異常検出を行うことができるので、より適切な異常検出を行うことができる。また、異常検出に使用するデータ数が削減されることから処理時間を短縮することができる。 According to such a configuration, abnormality detection can be performed based on the clustering result in which the clustering accuracy is equal to or higher than a predetermined reference value, so that more appropriate abnormality detection can be performed. In addition, the processing time can be shortened because the number of data used for abnormality detection is reduced.
前記クラスタリング精度判定部は、前記クラスタリングの結果について算出されたシルエット係数に基づいて、前記クラスタリングの結果の精度を判定する、ものであってもよい。 The clustering accuracy determination unit may determine the accuracy of the clustering result based on the silhouette coefficient calculated for the clustering result.
このような構成によれば、クラスタの凝集度と乖離度に基づいて各データが適切に分類されたか否かを判定することができる。 According to such a configuration, it is possible to determine whether or not each data is properly classified based on the degree of cluster cohesion and the degree of divergence.
前記クラスタリング精度判定部は、前記クラスタリングの結果の外れ値の割合に基づいて前記クラスタリングの結果の精度を判定する、ものであってもよい。 The clustering accuracy determination unit may determine the accuracy of the clustering result based on the ratio of outliers of the clustering result.
このような構成によれば、外れ値の量に応じて各データが適切に分類されたか否かを判定することができる。 According to such a configuration, it is possible to determine whether or not each data is properly classified according to the amount of outliers.
本発明は異常検出装置としても観念することができる。すなわち、本発明に係る異常検出装置は、検査対象物を特定の状態へとおくことにより生成される時系列信号を取得する時系列信号取得部と、前記時系列信号に基づいて、所定の特徴量を生成する特徴量生成部と、前記特徴量を所定のクラスタリングアルゴリズムに基づいてクラスタリングするクラスタリング処理部と、前記クラスタリングの結果に基づいて、前記時系列信号中の異常区間を検出する検出部と、を備えている。 The present invention can also be conceived as an abnormality detection device. That is, the abnormality detection device according to the present invention has a time-series signal acquisition unit that acquires a time-series signal generated by placing an inspection object in a specific state, and a predetermined feature based on the time-series signal. A feature amount generation unit that generates a quantity, a clustering processing unit that clusters the feature quantity based on a predetermined clustering algorithm, and a detection unit that detects an abnormal section in the time series signal based on the result of the clustering. , Is equipped.
本発明は異常検出方法としても観念することができる。すなわち、本発明に係る異常検出方法は、検査対象物を特定の状態へとおくことにより生成される時系列信号を取得する時系列信号取得ステップと、前記時系列信号に基づいて、所定の特徴量を生成する特徴量生成ステップと、前記特徴量を所定のクラスタリングアルゴリズムに基づいてクラスタリングするクラスタリング処理ステップと、前記クラスタリングの結果に基づいて、前記時系列信号中の異常区間を検出する検出ステップと、を備えている。 The present invention can also be considered as an abnormality detection method. That is, the abnormality detection method according to the present invention has a predetermined feature based on a time-series signal acquisition step of acquiring a time-series signal generated by placing an inspection object in a specific state and the time-series signal. A feature quantity generation step for generating a quantity, a clustering processing step for clustering the feature quantity based on a predetermined clustering algorithm, and a detection step for detecting an abnormal section in the time series signal based on the result of the clustering. , Is equipped.
本発明は異常検出プログラムとしても観念することができる。すなわち、本発明に係る異常検出プログラムは、コンピュータを、検査対象物を特定の状態へとおくことにより生成される時系列信号を取得する時系列信号取得部と、前記時系列信号に基づいて、所定の特徴量を生成する特徴量生成部と、前記特徴量を所定のクラスタリングアルゴリズムに基づいてクラスタリングするクラスタリング処理部と、前記クラスタリングの結果に基づいて、前記時系列信号中の異常区間を検出する検出部と、を備える異常検出装置として機能させるものである。 The present invention can also be thought of as an abnormality detection program. That is, the abnormality detection program according to the present invention is based on a time-series signal acquisition unit that acquires a time-series signal generated by placing an inspection object in a specific state and the time-series signal. A feature amount generation unit that generates a predetermined feature amount, a clustering processing unit that clusters the feature amount based on a predetermined clustering algorithm, and an abnormal section in the time series signal are detected based on the result of the clustering. It functions as an abnormality detection device including a detection unit.
本発明は異音検出システムとしても観念することができる。すなわち、本発明に係る異常検出システムは、ドライブトレインから発生する音に関する時系列信号である時系列音信号と前記ドライブトレインの作動状態を示すセンサ情報に係る時系列信号である時系列センサ信号を取得する時系列信号取得部と、前記時系列信号に基づいて、所定の特徴量を生成する特徴量生成部と、前記特徴量を所定のクラスタリングアルゴリズムに基づいてクラスタリングするクラスタリング処理部と、前記クラスタリングの結果に基づいて、前記時系列音信号中の異常区間を検出する検出部と、を備えている。 The present invention can also be thought of as an abnormal noise detection system. That is, the abnormality detection system according to the present invention transmits a time-series sound signal which is a time-series signal related to the sound generated from the drive train and a time-series sensor signal which is a time-series signal related to sensor information indicating the operating state of the drive train. A time-series signal acquisition unit to be acquired, a feature amount generation unit that generates a predetermined feature amount based on the time-series signal, a clustering processing unit that clusters the feature amount based on a predetermined clustering algorithm, and the clustering. Based on the result of the above, the detection unit for detecting an abnormal section in the time-series sound signal is provided.
本発明によれば、検査対象物から取得された時系列信号から異常区間を検出する際の作業者の負担を軽減することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the burden on the operator when detecting an abnormal section from a time-series signal acquired from an inspection object.
以下、本発明に係る異常検出システム、装置、方法、及びプログラムの実施の一形態を、添付の図面を参照しつつ、詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the abnormality detection system, apparatus, method, and program according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<1.第1の実施形態>
図1〜図5を参照しつつ、本発明の第1の実施形態について説明する。第1の実施形態では、自動車のエンジンからの回転動力を伝達するドライブトレイン(動力伝達機構)を検査対象物とし、当該検査対象物から発生する音の時系列データや当該検査対象物の回転加速度、トルク、回転数などの時系列センサデータを計測し、それらのデータに基づいて異常区間を検出し、それにより、ドライブトレインの異常を推定しようとするものである。
<1. First Embodiment>
The first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5. In the first embodiment, a drive train (power transmission mechanism) that transmits rotational power from an automobile engine is set as an inspection object, and time-series data of sounds generated from the inspection object and rotational acceleration of the inspection object are used. , Torque, rotation speed, and other time-series sensor data are measured, and an abnormality section is detected based on these data, thereby estimating an abnormality in the drive train.
<1.1 構成>
まず、図1及び図2を参照しつつ、本実施形態に係るデータ計測システム50及び異常検出装置10の構成について説明する。
<1.1 Configuration>
First, the configurations of the
<1.1.1 データ計測システムの構成>
図1は、検査対象物51たるドライブトレインの作動状態に関連する時系列データを計測するためのデータ計測システム50の全体構成について示している。
<1.1.1 Data measurement system configuration>
FIG. 1 shows the overall configuration of a
同図から明らかな通り、データ計測システム50は、検査対象物51、フロントエンド53、計測システム54、制御サーバ52、及び記憶装置55とから構成されている。制御サーバ52は、自動計測プログラムに従ってドライブトレインへと接続されるエンジンの制御を行う。具体的には、所定のテストパターンの生成、測定条件の設定などを行って自動計測を行う。また、それらの測定条件等に関する情報は計測システム54へと送信され、記憶装置55へと記憶される。フロントエンド53は、検査対象物51に対して設置された図示しないマイク及び各種センサから取得された音、加速度、回転数及びトルクに関する時系列信号を各チャンネル信号として読み出して計測システム54へと出力する。計測システム54は、フロントエンド53に対して、サンプリング周波数やチャンネルの設定などの所定の前処理を行う。また、フロントエンドを介して取得されたデータの記憶装置55への記憶処理や、所定のデータの後処理を行う。
As is clear from the figure, the
すなわち、データ計測システム50を動作させることで、検査対象物51たるドライブトレインに対して設置された図示しないマイク及び各種センサから取得された音、加速度、回転数及びトルクに関する時系列信号が、記憶装置55へと蓄積されることとなる。
That is, by operating the
<1.1.2 異常検出装置の構成>
図2は、データ計測システム50で計測されたデータから異常検出を行うための異常検出装置10の構成図である。
<1.1.2 Configuration of anomaly detection device>
FIG. 2 is a configuration diagram of an
同図から明らかな通り、異常検出装置10は、内部に制御部1、表示出力部2、記憶部3、操作入力部4、音声出力部5、通信部6、及びI/O部7を備えている。制御部1は、CPU等から成り、各種プログラムの実行処理を行う。表示出力部2は、接続される図示しないディスプレイ等に表示するための画像出力処理を行う。記憶部3は、ROM、RAM等から成り、各種のプログラムやデータを記憶する。操作入力部4は、キーボード等を介して入力された操作信号の処理を行う。音声出力部5は、図示しないスピーカ等の音声出力機器に対して音声を出力する処理を行う。通信部6は、通信ユニット等から成り、外部装置との間の通信処理を行う。I/O部7は、外部機器との接続による入出力処理を行う。
As is clear from the figure, the
すなわち、異常検出装置10は、データ計測システム50により計測された各種時系列データが記憶された記憶装置55から、各種時系列データを逐次読み出して、又は、予め記憶部3へと読み出し、制御部1にて同時系列データ中に異常区間が含まれているかの検出処理を行う。
That is, the
なお、本実施形態では、上述の通り、データ計測システム50及び異常検出装置10を構成したが、本発明はこのような構成に限定されず、既知の種々の構成を採用可能である。従って、例えば、記憶装置55に代えて、異常検出装置10へと直接記憶する構成としてもよい。
In the present embodiment, the
<1.2 異常検出装置の動作>
次に、図3〜図5を参照しつつ、異常検出装置10の動作について説明する。
<1.2 Operation of abnormality detection device>
Next, the operation of the
<1.2.1 時系列信号の取得>
図3は、異常検出装置10の動作に関するゼネラルフローチャートである。また、図4は、異常検出装置1の機能に着目した機能ブロック図である。
<1.2.1 Acquisition of time series signals>
FIG. 3 is a general flowchart relating to the operation of the
同図から明らかな通り、処理が開始すると、記憶装置55又は記憶部3から音に関する時系列信号、加速度、トルク、回転数に関する時系列信号が、それぞれ、制御部1へと読み出される(S1)。すなわち、音に関する時系列信号は音信号時系列データ取得部111、加速度に関する時系列信号は加速度信号時系列データ取得部112、トルクに関する時系列信号はトルク信号時系列データ取得部113、及び回転数に関する時系列信号は回転数信号時系列データ取得部114を介して制御部1へと読み込まれる。このとき、後述の種々の動作を規定するパラメータも、パラメータ取得部115を介して読み込まれる。
As is clear from the figure, when the processing is started, the time-series signals related to sound, the acceleration, the torque, and the time-series signals related to the rotation speed are read out from the
<1.2.2 スペクトログラムへの変換処理>
制御部1へと読み出された各時系列信号は、所定の単位で周波数領域へと変換(スペクトル変換)され、スペクトログラムが生成される(S2)。具体的には、音に関する時系列信号は、スペクトログラム変換部131を経て周波数領域の音信号へと変換され、加速度に関する時系列信号は、スペクトログラム変換部132を経て周波数領域の加速度信号へと変換され、トルクに関する時系列信号は、スペクトログラム変換部133を経て周波数領域のトルク信号へと変換され、回転数に関する時系列信号は、スペクトログラム変換部134を経て周波数領域の回転数信号へと変換される。
<1.2.2 Conversion process to spectrogram>
Each time-series signal read out to the
<1.2.3 特徴量の生成処理>
各時系列信号についてスペクトログラム変換処理(S2)を行った後、それらに基づいて特徴量を生成する処理が行われる(S3)。本実施形態においては、特徴量として、MFCC特徴量、心理音響評価特徴量、回転次数特徴量、及び符号化特徴量の4つの特徴量が採用される。
<1.2.3 Feature generation process>
After performing spectrogram conversion processing (S2) for each time-series signal, processing for generating features is performed based on them (S3). In the present embodiment, four feature quantities, MFCC feature quantity, psychoacoustic evaluation feature quantity, rotation order feature quantity, and coded feature quantity, are adopted as the feature quantity.
<MFCC特徴量>
MFCC(Mel−Frequency Cepstrum Coefficients)(メル周波数ケプストラム係数)特徴量は、スペクトルグラム変換(S2)された後の周波数領域の音、加速度、トルク及び回転数信号をそれぞれ入力として、MFCC特徴量生成処理部135にて生成される。
<MFCC features>
The MFCC (Mel-Frequency Cepstrum Cooperatives) feature quantity is an MFCC feature quantity generation process in which the sound, acceleration, torque, and rotation frequency signals in the frequency domain after spectral gram conversion (S2) are input. Generated in
MFCC特徴量は、人間の音の知覚特性から得られた尺度を応用したケプストラムに関する特徴量である。本実施形態において、MFCC特徴量は、メル周波数ケプストラム係数のみならず、その微分値とそのエネルギを含む。具体的には、MFCC特徴量には、本実施形態において26次元であるメルケプストラム係数のみならず、それを一回微分したΔMFCC(26次元)、二回微分したΔΔMFCC(26次元)も含まれ、さらに、対応する時系列信号の二乗平均平方根エネルギ(RMSE(Root Mean Squared Energy))、その一階微分(ΔRMSE)及び、その二階微分(ΔΔRMSE)がそれぞれ1次元ずつ含まれ、合計81次元(26×3+3)の特徴量である。 The MFCC feature quantity is a feature quantity related to cepstrum to which a scale obtained from the perceptual characteristics of human sound is applied. In the present embodiment, the MFCC feature quantity includes not only the mel frequency cepstrum coefficient but also its derivative value and its energy. Specifically, the MFCC feature amount includes not only the 26-dimensional Melkeptrum coefficient in the present embodiment, but also ΔMFCC (26 dimensions) obtained by differentiating it once and ΔΔMFCC (26 dimensions) obtained by differentiating it twice. Further, the root mean square energy (RMSE (Root Mean Squared Energy)) of the corresponding time-series signal, its first derivative (ΔRMSE), and its second derivative (ΔΔRMSE) are included one dimension each, for a total of 81 dimensions (ΔΔRMSE). It is a feature amount of 26 × 3 + 3).
このような構成によれば、人の聴感特性を考慮した特徴量を用いるので、特に、人が知覚しやすい異常区間の検出精度を向上させることができる。 According to such a configuration, since the feature amount in consideration of the human hearing characteristic is used, it is possible to improve the detection accuracy of the abnormal section that is easily perceived by the human.
<心理音響評価特徴量>
心理音響評価特徴量は、周波数領域の音信号を入力として、心理音響評価特徴量生成部136にて生成される。
<Psychoacoustic evaluation features>
The psychoacoustic evaluation feature amount is generated by the psychoacoustic evaluation feature
心理音響評価特徴量は、音の聴こえを定量化する音質評価パラメータを含み、音の大きさに関するラウドネス([sone])、音の甲高さに関するシャープネス([acum])、音のゆっくりとした変動に関する変動強度([vacil])及び、音のざらざら感に関するラフネス([asper])に相当する4種の特徴量を含む。具体的には、心理音響評価特徴量は、ラウドネス、シャープネス、変動強度、及びラフネスの4つの特徴量についてそれぞれ、平均値(AVE)、平均値の一回微分(ΔAVE)、平均値の二回微分(ΔΔAVE)、標準偏差(STDEV)、標準偏差の一回微分(ΔSTDEV)、標準偏差の二回微分(ΔΔSTDEV)を算出した数値を含む合計24次元(4×6)の特徴量として定義される。 Psychoacoustic evaluation features include sound quality evaluation parameters that quantify the hearing of sound, such as loudness ([sone]) for loudness, sharpness ([acum]) for pitch, and slow sound. It contains four types of feature quantities corresponding to the fluctuation intensity ([vacil]) related to the fluctuation and the roughness ([asper]) related to the roughness of the sound. Specifically, the psychoacoustic evaluation feature values are the average value (AVE), the one-time differentiation of the average value (ΔAVE), and the average value twice for each of the four feature quantities of loudness, sharpness, fluctuation intensity, and roughness, respectively. Defined as a total of 24 dimensions (4 x 6) features including the calculated values of the differential (ΔΔAVE), standard deviation (STDEV), standard deviation single differential (ΔSTDEV), and standard deviation double differential (ΔΔSTDEV). To.
このような構成によれば、音の聴こえを考慮した特徴量を用いるので、特に、人が気になる異音を伴う異常の検出精度を向上させることができる。 According to such a configuration, since the feature amount in consideration of the audibility of the sound is used, it is possible to improve the detection accuracy of an abnormality accompanied by an abnormal sound that is particularly noticeable to humans.
<回転次数特徴量>
回転次数特徴量は、時系列回転数信号と周波数領域の音信号を入力として、回転次数特徴量生成部137にて生成される。
<Rotation order feature amount>
The rotation order feature amount is generated by the rotation order feature
回転次数特徴量は、回転次数トラッキング解析に基づいて抽出される1次元の特徴量である。回転次数トラッキングとは、検査対象物の回転数([RPM])とその時の周波数領域の音信号([Hz])との関係を求めたもので、そこから信号強度に基づいて特異な信号成分を検出し、その対応する回転次数を特徴量として抽出したものが回転次数特徴量である。 The rotation order feature amount is a one-dimensional feature amount extracted based on the rotation order tracking analysis. The rotation order tracking is to find the relationship between the rotation speed ([RPM]) of the inspection object and the sound signal ([Hz]) in the frequency domain at that time, and from there, a peculiar signal component based on the signal strength. Is detected, and the corresponding rotation order is extracted as a feature quantity, which is the rotation order feature quantity.
このような構成によれば、回転状態を示す回転数を回転次数へと変換して特徴量として用いるので、回転体における異常検出精度を向上させることができる。 According to such a configuration, since the rotation speed indicating the rotation state is converted into the rotation order and used as the feature quantity, the abnormality detection accuracy in the rotating body can be improved.
<符号化特徴量>
符号化特徴量は、周波数領域の音、加速度、トルク及び回転数信号をそれぞれ入力として、符号化特徴量生成処理部138にてそれぞれ生成される。
<Coded features>
The coded feature amount is generated by the coded feature amount
符号化特徴量は、入力層、中間層(隠れ層)及び出力層から成る人工ニューラルネットワークを用いたオートエンコーダの中間層のニューロンの発火値に相当する特徴量である。オートエンコーダは、入力と同一の教師データによりニューラルネットワークを教師あり学習することにより獲得され、入力に対応する特徴がその中間層のニューロンに表現されることが知られている。すなわち、中間層のニューロンの発火値を用いて特徴抽出又は次元圧縮を行うことができる。 The coded feature amount is a feature amount corresponding to the firing value of the neurons in the intermediate layer of the autoencoder using the artificial neural network composed of the input layer, the intermediate layer (hidden layer) and the output layer. It is known that an autoencoder is acquired by supervised learning of a neural network using the same supervised data as an input, and features corresponding to the input are expressed in neurons in the intermediate layer. That is, feature extraction or dimensional compression can be performed using the firing values of neurons in the middle layer.
なお、本実施形態では、1フレームあたり入出力層の次元数は1025個であり、中間層(出力次元)の次元数は32次元である。すなわち、周波数領域の音、加速度、トルク及び回転数信号のそれぞれに対応して、それぞれ32次元の特徴量が生成されることとなる。また、本実施形態では、符号化特徴量として、さらに、ダイナミックレンジが所定の閾値以上である一又は複数の中間層ニューロンの発火値に相当する特徴量(1次元又は複数次元)が加えられる。 In the present embodiment, the number of dimensions of the input / output layer is 1025 per frame, and the number of dimensions of the intermediate layer (output dimension) is 32. That is, 32 dimensional features are generated corresponding to each of the sound, acceleration, torque, and rotation speed signals in the frequency domain. Further, in the present embodiment, a feature amount (one-dimensional or multiple-dimensional) corresponding to the firing value of one or a plurality of intermediate layer neurons having a dynamic range equal to or higher than a predetermined threshold value is further added as the coded feature amount.
このような構成によれば、中間層に特徴が圧縮される性質を利用してクラスタリング精度を向上させ、異常の検出精度を向上させることができる。 According to such a configuration, the clustering accuracy can be improved by utilizing the property that the feature is compressed in the intermediate layer, and the abnormality detection accuracy can be improved.
<1.2.4 クラスタリング処理>
各特徴量が生成されると(S3)、次に、クラスタリング処理部139にて各特徴量のクラスタリング処理が行われる(S4)。本実施形態においては、k平均法、GMM(Gaussian mixture model)、DBSCAN(Density−based spatial clustering of applications with noise)の3つのクラスタリング手法を用いて、各特徴量のクラスタリング処理が行われる。
<12.4 Clustering process>
When each feature amount is generated (S3), the
k平均法は、予めクラスタ数を設定することで各サンプルがいずれか一つのクラスタに属することとなるクラスタリング手法であり、クラスタ数等のパラメータは、予めパラメータ取得部115等により設定される。GMMは、予めクラスタ数を設定することで各サンプルがいずれか一つのクラスタに確率的に属することとなるクラスタリング手法であり、クラスタ数等のパラメータは、予めパラメータ取得部115等により設定される。DBSCANは、サンプル点の密度を元にクラスタ数を自動的に決定するクラスタリング手法であり、半径(ε)等のパラメータは、予めパラメータ取得部115等により設定される。
The k-means clustering method is a clustering method in which each sample belongs to any one cluster by setting the number of clusters in advance, and parameters such as the number of clusters are set in advance by the
このような構成によれば、クラスタリング結果に基づいて検査対象物から取得された時系列信号中の異常の有無を検出するので、時系列信号そのものに基づいて教師なし学習により異常検出を行うことができる。これにより、異常を示すサンプルの準備や当該サンプルとの対比の手間が不要となるため、異常検出作業を行う作業者の負担が軽減される。また、時系列信号から所定の特徴量を生成してからクラスタリングを行うので、クラスタリングの精度が向上する。 According to such a configuration, the presence or absence of an abnormality in the time-series signal acquired from the inspection object is detected based on the clustering result, so that the abnormality can be detected by unsupervised learning based on the time-series signal itself. it can. As a result, it is not necessary to prepare a sample showing an abnormality and to compare it with the sample, so that the burden on the operator who performs the abnormality detection work is reduced. Further, since clustering is performed after generating a predetermined feature amount from the time series signal, the accuracy of clustering is improved.
<1.2.5 異常検出モードの取得処理>
各特徴量のクラスタリング処理(S4)終了後、異常検出モードの取得処理が行われる(S5)。ユーザ等により設定されて記憶部3へと記憶されていた異常検出モードは、異常検出モード取得部116により読み出されて異常検出モード設定部141へと出力される。この出力に応じて、異常検出モード設定部141は、異常検出部140に対して異常検出モードを設定する。
<1.2.5 Abnormality detection mode acquisition process>
After the clustering process (S4) for each feature amount is completed, the abnormality detection mode acquisition process is performed (S5). The abnormality detection mode set by the user or the like and stored in the storage unit 3 is read out by the abnormality detection
異常検出モードとは、検出対象となる異常の特性に応じて設定されるものであり、後述するように、異常検出モードに応じて異常検出を行う際の基礎となる特徴量とクラスタリングアルゴリズムが決定される。本実施形態においては、いずれの異常検出モードも非定常性の異常信号を検出することを目的とし、異常検出モードは、対象信号中の継続時間が極めて短い衝撃性の異常(分離衝撃騒音)の有無を検出する第1の異常検出モード、対象信号の定常性や間欠性に関する異常(間欠騒音)の有無を検出する第2の異常検出モード、対象信号中から検査対象の加減速中の回転上昇又は回転下降に伴う衝撃性の異常(変動騒音)の有無を検出する第3の異常検出モード、及び、対象信号中の継続時間が極めて短い衝撃性の異常(準定常衝撃騒音)の有無をより精度良く検出する第4の異常検出モード、を含んでいる。 The anomaly detection mode is set according to the characteristics of the anomaly to be detected, and as will be described later, the feature amount and the clustering algorithm that are the basis for performing anomaly detection according to the anomaly detection mode are determined. Will be done. In the present embodiment, the purpose of each anomaly detection mode is to detect a non-stationary anomaly signal, and the anomaly detection mode is an impact anomaly (separated impact noise) having an extremely short duration in the target signal. A first abnormality detection mode for detecting the presence or absence, a second abnormality detection mode for detecting the presence or absence of an abnormality (intermittent noise) related to the steadyness or intermittentness of the target signal, and an increase in rotation during acceleration / deceleration of the inspection target from the target signal. Alternatively, the presence or absence of an impact abnormality (quasi-steady impact noise) in the target signal, which has an extremely short duration in the target signal, and the third abnormality detection mode for detecting the presence or absence of an impact abnormality (fluctuation noise) due to the rotation descent It includes a fourth anomaly detection mode, which detects with high accuracy.
<1.2.6 異常検出処理>
異常検出モードが設定されると(S5)、異常検出部140は、異常の検出処理を行う(S6)。より詳細には、異常検出部140は、異常検出モードに応じて異常検出の基礎となる特徴量及びクラスタリングアルゴリズムを特定し、そのクラスタリング結果に基づいて異常検出を行う。
<12.6 Abnormality detection processing>
When the abnormality detection mode is set (S5), the
第1の異常検出モードが設定されると、異常検出部140は、音、加速度、トルク及び回転数に係るMFCC特徴量と、心理音響評価特徴量と、音、加速度、トルク及び回転数に係る符号化特徴量に対して、それぞれクラスタリングアルゴリズムとしてDBSCANを適用した結果を異常検出の基礎として特定する。その後、異常検出部140は、異常検出の基礎とした各分類結果のいずれかにおいて、外れ値を示す特徴量が特定された場合、当該特徴量及び当該特徴量と対応する時系列信号区間を異常として検出する。
When the first abnormality detection mode is set, the
第2の異常検出モードが設定されると、異常検出部140は、音、加速度、トルク及び回転数に係るMFCC特徴量と、心理音響評価特徴量と、音、加速度、トルク及び回転数に係る符号化特徴量に対して、それぞれクラスタリングアルゴリズムとしてk平均法及びGMMを適用した結果を異常検出の基礎として特定する。その後、異常検出部140は、異常検出の基礎とした各分類結果のいずれかにおいて、所定のクラスへの所属を示す特徴量が特定された場合、当該特徴量及び当該特徴量と対応する時系列信号区間を異常として検出する。本実施形態においては、当該所定のクラスは、所定の時間区間(例えば60秒に相当する時間フレーム)において各クラスが占める割合により定義される。例えば、所定の時間区間において占める割合の小さいクラスを異常を示す所定のクラスとして特定してもよい。なお、当該所定のクラスは、他の手法で定義してもよく、例えば、定常状態で属するクラスを先に特定し、それ以外のクラスを異常を示す所定のクラスとして定義してもよい。
When the second abnormality detection mode is set, the
第3の異常検出モードが設定されると、異常検出部140は、音、加速度、トルク及び回転数に係るMFCC特徴量と、心理音響評価特徴量と、音、加速度、トルク及び回転数に係る符号化特徴量に対して、それぞれクラスタリングアルゴリズムとしてk平均法及びGMMを適用した結果と、回転次数特徴量に対してクラスタリングアルゴリズムとしてk平均法、GMM及びDBSCANを適用した結果と、を異常検出の基礎として特定する。その後、異常検出部140は、異常検出の基礎とした各分類結果のいずれかにおいて、k平均法及びGMMの場合には所定のクラスへの所属を示す特徴量、又は、DBSCANの場合には外れ値を示す特徴量が発見された場合、当該特徴量及び当該特徴量と対応する時系列信号区間を異常として検出する。本実施形態においては、当該所定のクラスは、所定の時間区間(例えば60秒に相当する時間フレーム)において各クラスが占める割合により定義される。例えば、所定の時間区間において占める割合の小さいクラスを異常を示す所定のクラスとして特定してもよい。なお、当該所定のクラスは、他の手法で定義してもよく、例えば、定常状態で属するクラスを先に特定し、それ以外のクラスを異常を示す所定のクラスとして定義してもよい。
When the third abnormality detection mode is set, the
第4の異常検出モードが設定されると、異常検出部140は、音、加速度、トルク及び回転数に係るMFCC特徴量と、心理音響評価特徴量と、音、加速度、トルク及び回転数に係る符号化特徴量に対して、それぞれクラスタリングアルゴリズムとしてk平均法及びGMMを適用した結果と、ダイナミックレンジが所定の閾値以上であるとして抽出された符号化特徴量に対してクラスタリングアルゴリズムとしてk平均法及びGMMを適用した結果と、を異常検出の基礎として特定する。その後、異常検出部140は、異常検出の基礎とした各分類結果のいずれかにおいて、k平均法及びGMMの場合には所定のクラスへの所属を示す特徴量、又は、DBSCANの場合には外れ値を示す特徴量が特定された場合、当該特徴量及び当該特徴量と対応する時系列信号区間を異常として検出する。本実施形態においては、当該所定のクラスは、所定の時間区間(例えば60秒に相当する時間フレーム)において各クラスが占める割合により定義される。例えば、所定の時間区間において占める割合の小さいクラスを異常を示す所定のクラスとして特定してもよい。なお、当該所定のクラスは、他の手法で定義してもよく、例えば、定常状態で属するクラスを先に特定し、それ以外のクラスを異常を示す所定のクラスとして定義してもよい。
When the fourth abnormality detection mode is set, the
図5は、異常区間の検出処理に関する例示のための説明図である。同図は、第1の異常検出モードにおいて、音に関するMFCC特徴量をDBSCANによりクラスタリングした場合を表し、時間([min])に対する音信号の周波数強度(上段)と、そのときのクラス遷移の様子(下段)がグラフで表されている。 FIG. 5 is an explanatory diagram for exemplifying the detection process of the abnormal section. The figure shows the case where MFCC features related to sound are clustered by DBSCAN in the first abnormality detection mode, and the frequency intensity (upper row) of the sound signal with respect to time ([min]) and the state of class transition at that time. (Lower) is represented by a graph.
同図から明らかな通り、時間‐クラスグラフの中央やや右寄りの時点において、クラスが0から−1へと2度遷移していることが確認される。同グラフにおいて−1は外れ値を示している。従って、当該音に関するMFCC特徴量及び当該特徴量と対応する時系列信号区間が異常(すなわち、この場合には異音)として検出される。 As is clear from the figure, it is confirmed that the class has transitioned twice from 0 to -1 at a time slightly to the right of the center of the time-class graph. In the graph, -1 indicates an outlier. Therefore, the MFCC feature amount related to the sound and the time-series signal section corresponding to the feature amount are detected as abnormalities (that is, abnormal sounds in this case).
なお、本実施形態においてはいずれかの特徴量のクラスタリング結果において、異常が検出された場合に、当該時間区間を異常として検出する構成としたが、このような形態に限定されない。従って、例えば、同一の時間区間について複数の又は全ての特徴量において異常検出された場合に限り、当該時間区間を異常として検出する構成としてもよい。 In the present embodiment, when an abnormality is detected in the clustering result of any of the features, the time interval is detected as an abnormality, but the present embodiment is not limited to such an embodiment. Therefore, for example, only when an abnormality is detected in a plurality of or all feature quantities in the same time interval, the time interval may be detected as an abnormality.
<1.2.7 出力処理>
異常検出処理(S6)が終了すると、検出結果を出力する処理が行われる(S7)。出力態様として、異常出力部151を介した出力と、グラフ出力部152を介した出力がある。これらの出力処理の後、処理は終了する。
<12.7 Output processing>
When the abnormality detection process (S6) is completed, a process of outputting the detection result is performed (S7). As an output mode, there are an output via the
異常出力部151を介した出力によれば、これまでに得られた各種のデータをCSV(Comma Seperated Values)等の任意のデータ形式で出力することができる。また、グラフ出力部152を介した出力によれば、表示出力部2を介してディスプレイ等に異常区間を含み得る各信号(音、加速度、トルク、回転数)の時系列データやスペクトログラムを表示することができる。このとき、特徴量毎に異常個所を強調して表示してもよい。また、複数の特徴量において異常と認められる部分についてのみ異常箇所として表示してもよい。さらに、音声出力部5を介して異常信号に相当する箇所の音信号を再生し、異常個所に異音等が含まれていないかを確認できるよう構成してもよい。
According to the output via the
このような構成によれば、異常箇所をグラフや音声を介して視覚的又は聴覚的に確認できるため、異常箇所の特定がより直観的かつ容易となる。 According to such a configuration, since the abnormal portion can be visually or audibly confirmed via a graph or voice, the identification of the abnormal portion becomes more intuitive and easy.
すなわち、本実施形態に係る構成によれば、クラスタリング結果に基づいて検査対象物に係る時系列信号中の異常の有無を検出するので、時系列信号そのものに基づいて教師なし学習により異常検出を行うことができる。これにより、異常を示すサンプルの準備や当該サンプルとの対比の手間が不要となるため、異常検出作業を行う作業者の負担が軽減される。また、時系列信号から所定の特徴量を生成してからクラスタリングを行うので、クラスタリングの精度が向上する。 That is, according to the configuration according to the present embodiment, since the presence or absence of an abnormality in the time-series signal related to the inspection object is detected based on the clustering result, the abnormality is detected by unsupervised learning based on the time-series signal itself. be able to. As a result, it is not necessary to prepare a sample showing an abnormality and to compare it with the sample, so that the burden on the operator who performs the abnormality detection work is reduced. Further, since clustering is performed after generating a predetermined feature amount from the time series signal, the accuracy of clustering is improved.
また、本実施形態に係る構成によれば、検査対象物から発生する音に基づいて異常検出を行うので、非破壊で検査を行うことができる。また、異常状態の場合の音サンプルの準備や当該音サンプルとの対比の手間が不要となるため、異常検出作業を行う作業者の負担が軽減される。 Further, according to the configuration according to the present embodiment, since the abnormality detection is performed based on the sound generated from the inspection target object, the inspection can be performed non-destructively. Further, since it is not necessary to prepare a sound sample in the case of an abnormal state and to compare the sound sample with the sound sample, the burden on the operator who performs the abnormality detection work is reduced.
さらに、本実施形態に係る構成によれば、対象物から発せられる音のみならず、異常と因果関係の生じ得る対象物の作動状態を示すセンサ情報(例えば、加速度など)も活用することで(マルチセンシング)、異常の検出精度をさらに向上させることができる。 Further, according to the configuration according to the present embodiment, not only the sound emitted from the object but also the sensor information (for example, acceleration) indicating the operating state of the object that may have a causal relationship with the abnormality is utilized (for example). Multi-sensing), the accuracy of abnormality detection can be further improved.
<2.第2の実施形態>
次に、図6〜図9を参照しつつ、本発明の第2の実施形態について説明する。
<2. Second embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 9.
第1の実施形態においては、クラスタリング処理(S4)を行った後、当該クラスタリング結果に基づいて異常検出(S5)を行った。しかしながら、データの性質によっては、クラスタリングを行っても適切にクラスタリングが進まない場合がある。そのようなクラスタリング結果に基づく場合、適切に異常検出を行うことができないおそれがある。また、適切にクラスタリングが進まなかった結果も含めてすべてのクラスタリング結果を参照する場合、無用な処理時間が発生するおそれもある。本実施形態では、クラスタリング結果を選択的に使用することで、異常検出の精度を高めると共に処理時間を短縮化する。 In the first embodiment, after performing the clustering process (S4), anomaly detection (S5) was performed based on the clustering result. However, depending on the nature of the data, clustering may not proceed properly even if clustering is performed. Based on such clustering results, it may not be possible to properly detect anomalies. In addition, when referring to all clustering results including the result of clustering not progressing properly, unnecessary processing time may occur. In the present embodiment, by selectively using the clustering result, the accuracy of abnormality detection is improved and the processing time is shortened.
本実施形態においては、ハードウェア構成は、第1の実施形態と略同一であるので記載を省略する。なお、第1の実施形態と同一の構成については、同一の符号が付されることに留意されたい。 In this embodiment, the hardware configuration is substantially the same as that in the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted. It should be noted that the same reference numerals are given to the same configurations as those in the first embodiment.
図6は、本実施形態に係る機能ブロック図である。同図から明らかな通り、本実施形態においては、第1の実施形態の機能構成に加えて、クラスタリング処理部139と異常検出部162との間にデータ選択部161が設けられている。データ選択部161は、後述の通り、適切なクラスタリング結果を選択する処理を行う。
FIG. 6 is a functional block diagram according to the present embodiment. As is clear from the figure, in this embodiment, in addition to the functional configuration of the first embodiment, a
図7は、本実施形態に係る異常検出判定装置の動作に関するゼネラルフローチャートである。処理が開始されると、第1の実施形態と同様に時系列信号の取得処理(S1)、スペクトログラムへの変換処理(S2)、特徴量の生成処理(S3)、及びクラスタリング処理(S4)が行われる。本実施形態においては、クラスタリング処理(S4)が完了した後、データ選択部161にてデータ選択処理(S11)が行われる。
FIG. 7 is a general flowchart relating to the operation of the abnormality detection determination device according to the present embodiment. When the processing is started, the time series signal acquisition processing (S1), the spectrogram conversion processing (S2), the feature amount generation processing (S3), and the clustering processing (S4) are performed as in the first embodiment. Will be done. In the present embodiment, after the clustering process (S4) is completed, the data selection process (S11) is performed by the
図8は、データ選択処理(S11)の詳細フローチャートである。同図から明らかな通り、処理が開始すると、分類結果に基づいてシルエットスコア(−1から1の数値)を算出する処理が行われる。 FIG. 8 is a detailed flowchart of the data selection process (S11). As is clear from the figure, when the process is started, the process of calculating the silhouette score (numerical value from -1 to 1) is performed based on the classification result.
シルエットスコアの算出方法について説明する。まず、対象となるクラスタリング結果に対して、クラスタの凝集度を表す値(a(i))とクラスタ乖離度を表す値(b(i))に基づいて、次式より所定のサンプル数だけシルエット係数S(i)を算出する。 The calculation method of the silhouette score will be described. First, for the target clustering result, a predetermined number of samples are silhouetted from the following equation based on the value (a (i) ) representing the degree of cluster cohesion and the value (b (i) ) representing the degree of cluster dissociation. Calculate the coefficient S (i).
なお、クラスタの凝集度を表す値(a(i))は、同じクラスタ内のその他すべてのサンプルとの平均距離であり、クラスタ乖離度(b(i))は、最も近くにあるクラスタ内のすべてのサンプルとの平均距離である。また、max{a(i),b(i)}は、a(i)とb(i)のいずれか大きい方を表す。さらに、iはサンプル番号を示している。 The value (a (i) ) representing the degree of cluster cohesion is the average distance from all other samples in the same cluster, and the degree of cluster divergence (b (i) ) is in the nearest cluster. Average distance to all samples. Further, max {a (i) , b (i) } represents the larger of a (i) and b (i). Further, i indicates a sample number.
シルエット係数S(i)を算出した後、シルエットスコアを算出する。シルエットスコアは、シルエット係数S(i)の相加平均値として算出される。 After calculating the silhouette coefficient S (i) , the silhouette score is calculated. The silhouette score is calculated as the arithmetic mean value of the silhouette coefficient S (i).
図8に戻り、算出されたシルエットスコアに基づいて参照データを特定する処理が行われる(S113)。より詳細には、各特徴量に基づいて算出された複数のシルエットスコアのうち所定の閾値以上のシルエットスコアを有するデータを参照データとして特定する。 Returning to FIG. 8, a process of specifying the reference data based on the calculated silhouette score is performed (S113). More specifically, among the plurality of silhouette scores calculated based on each feature amount, data having a silhouette score equal to or higher than a predetermined threshold value is specified as reference data.
図9は、複数のシルエットスコアを昇順(数値が大きい順)で並び替えた時の分布を示す説明図である。同図から明らかな通り、昇順で並び替えられたシルエットスコアのうち、第40番目のシルエットスコア(モデル番号が40)をおよそ超えたあたりでシルエットスコアが急落している。データ選択部161は、この急落する変曲点を傾き等を利用して自動的に検出することにより、閾値Thを設定する。そして、シルエットスコアが閾値Th以上(同図の例にあっては、およそ0.3以上)となるシルエットスコアを有するデータを参照データとして選択する。なお、閾値Thは、固定値であってもよいし、ユーザにより設定されてもよい。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the distribution when a plurality of silhouette scores are sorted in ascending order (in descending order of numerical values). As is clear from the figure, among the silhouette scores sorted in ascending order, the silhouette score drops sharply when it exceeds the 40th silhouette score (model number is 40). The
参照データが特定された後、当該参照データに対してフラグを立てる(フラグON)処理(S115)が行われ、データ選択処理(S11)は終了する。 After the reference data is specified, a flag setting (flag ON) process (S115) is performed on the reference data, and the data selection process (S11) ends.
図7に戻り、データ選択処理(S11)が終了すると、第1の実施形態と同様に、異常検出モードの取得処理が行われる(S5)。すなわち、ユーザ等により設定されて記憶部3へと記憶されていた異常検出モードは、異常検出モード取得部116により読み出されて異常検出モード設定部141へと出力される。
Returning to FIG. 7, when the data selection process (S11) is completed, the abnormality detection mode acquisition process is performed (S5) as in the first embodiment. That is, the abnormality detection mode set by the user or the like and stored in the storage unit 3 is read out by the abnormality detection
その後、異常検出部140は、異常検出モードと、データ選択処理(S11)によりフラグが立てられたクラスタリング結果に基づいて異常検出処理を行う(S16)。すなわち、第1の実施形態と同様に、異常検出部140は、異常検出モードに応じて異常検出の基礎となる特徴量及びクラスタリングアルゴリズムを特定し、フラグが立てられたクラスタリング結果に基づいて異常検出を行う。その後、第1の実施形態と同様に出力処理が行われて(S7)、処理は終了する。
After that, the
このような構成によれば、クラスタリングが良好に進んだ結果のみに基づいて異常検出を行うことができるので、より適切に異常検出を行うことができる。また、異常検出に使用するデータ数が減るので処理時間を短縮することができる。 According to such a configuration, anomaly detection can be performed based only on the result of good clustering, so that anomaly detection can be performed more appropriately. Moreover, since the number of data used for abnormality detection is reduced, the processing time can be shortened.
<3.変形例>
上述の実施形態においては、音、加速度、トルク及び回転数に関する時系列信号を用いて、異常検出を行った。しかしながら、本発明の適用対象は、上述の信号に限定されず、種々の時系列信号に対して適用可能である。従って、他の時系列信号であっても異常検出を行うことができる。また、必ずしも音に関する信号を含まなくてもよい。
<3. Modification example>
In the above-described embodiment, abnormality detection is performed using time-series signals relating to sound, acceleration, torque, and rotation speed. However, the application target of the present invention is not limited to the above-mentioned signals, and can be applied to various time series signals. Therefore, abnormality detection can be performed even with other time-series signals. Also, it does not necessarily have to include a signal related to sound.
また、上述の実施形態においては、自動車のエンジンからの回転動力を伝達するドライブトレイン(動力伝達機構)を検査対象物としたが、本発明の検査対象はそれに限定されず、また、回転体にも限定されない。従って、本発明は、例えば、他の回転を伴わない動作を行う対象、又は物理的な動作を伴わない対象の異常検出にも適用可能である。 Further, in the above-described embodiment, the drive train (power transmission mechanism) that transmits the rotational power from the engine of the automobile is the inspection target, but the inspection target of the present invention is not limited to this, and the rotating body is also used. Is not limited. Therefore, the present invention can be applied to, for example, abnormality detection of an object that performs other motions without rotation or an object that does not involve physical motions.
さらに、上述の実施形態においては、クラスタリング手法として、k平均法、GMM及びDBSCANを用いることとした。しかしながら、本発明には、他のクラスタリング手法を適用することも可能であり、例えば、SOM(Self−Organizing Maps)等を利用することもできる。 Further, in the above-described embodiment, the k-means method, GMM and DBSCAN are used as the clustering method. However, other clustering methods can be applied to the present invention, and for example, SOM (Self-Organizing Maps) and the like can also be used.
加えて、上述の実施形態においては、クラスタリング対象となる特徴量としてMFCC特徴量、心理音響評価特徴量、回転次数特徴量、及び、符号化特徴量を使用した。しかしながら、本発明はこのような構成に限定されない。従って、例えば、上記特徴量のうちの一部のみを使用してもよいし、全く別異の他の特徴量を採用してもよい。 In addition, in the above-described embodiment, the MFCC feature amount, the psychoacoustic evaluation feature amount, the rotation order feature amount, and the coded feature amount are used as the feature amount to be clustered. However, the present invention is not limited to such a configuration. Therefore, for example, only a part of the above-mentioned feature amounts may be used, or another completely different feature amount may be adopted.
また、第2の実施形態においては、シルエットスコアを利用してデータ選択処理を行ったが、本発明はこのような構成に限定されない。従って、例えば、クラスタリングの精度を示す他の指標を用いてデータ選択を行ってもよい。また、例えば、DBSCAN等を用いて外れ値の割合を算出して外れ値の割合が高いデータを排除するよう選択してもよい。 Further, in the second embodiment, the data selection process is performed using the silhouette score, but the present invention is not limited to such a configuration. Therefore, for example, data selection may be performed using another index indicating the accuracy of clustering. Alternatively, for example, DBSCAN or the like may be used to calculate the outlier ratio and select to exclude data having a high outlier ratio.
本発明は、工業製品の検査等を必要とするすべての産業において利用可能である。 The present invention can be used in all industries that require inspection of industrial products and the like.
1 制御部
2 表示出力部
3 記憶部
4 操作入力部
5 音声出力部
6 通信部
7 I/O部
10 異常検出装置
50 データ計測システム
51 検査対象
52 制御サーバ
53 フロントエンド
54 計測システム
55 記憶装置
1 Control unit 2 Display output unit 3 Storage unit 4 Operation input unit 5
Claims (17)
前記時系列信号に基づいて、所定の特徴量を生成する特徴量生成部と、
前記特徴量を所定のクラスタリングアルゴリズムに基づいてクラスタリングするクラスタリング処理部と、
前記クラスタリングの結果に基づいて、前記時系列信号中の異常区間を検出する検出部と、を備え、
前記時系列信号は、前記検査対象物から発生する音に関する時系列信号である時系列音信号と、前記検査対象物の作動状態を示すセンサ情報に係る時系列信号である時系列センサ信号とを含む、異常検出システム。 A time-series signal acquisition unit that acquires a time-series signal generated by placing the inspection object in a specific state, and
A feature amount generation unit that generates a predetermined feature amount based on the time-series signal,
A clustering processing unit that clusters the features based on a predetermined clustering algorithm,
A detection unit that detects an abnormal section in the time-series signal based on the result of the clustering is provided .
The time-series signal includes a time-series sound signal which is a time-series signal related to a sound generated from the inspection object and a time-series sensor signal which is a time-series signal related to sensor information indicating an operating state of the inspection object. Including anomaly detection system.
前記時系列音信号と前記時系列センサ信号とを周波数領域に変換して、周波数領域音信号と周波数領域センサ信号とを生成する周波数領域信号生成部と、
前記周波数領域音信号に基づいて、音のラウドネスに関するラウドネス特徴量、音のシャープネスに関するシャープネス特徴量、音の変動強度に関する変動強度特徴量、及び、音のラフネスに関するラフネス特徴量を生成する心理音響評価特徴量生成部と、
前記周波数領域音信号と前記周波数領域センサ信号とに基づいて、メル周波数ケプストラム係数を含むMFCC特徴量を生成するMFCC特徴量生成部と、を備える、請求項1に記載の異常検出システム。 The feature amount generation unit further
A frequency domain signal generator that converts the time-series sound signal and the time-series sensor signal into a frequency domain to generate a frequency domain sound signal and a frequency domain sensor signal.
Psychoacoustic evaluation that generates loudness features related to sound loudness, sharpness features related to sound sharpness, fluctuation intensity features related to sound fluctuation intensity, and roughness features related to sound roughness based on the frequency region sound signal. Feature amount generator and
The abnormality detection system according to claim 1 , further comprising an MFCC feature amount generation unit that generates an MFCC feature amount including a mel frequency cepstrum coefficient based on the frequency domain sound signal and the frequency domain sensor signal.
入力ニューロン、出力ニューロン及びそれらの間の中間ニューロンとを備え、オートエンコーダとして機能するよう学習させた学習済ニューラルネットワークに基づき、前記周波数領域音信号と前記周波数領域センサ信号とを入力としたときの前記中間ニューロンの発火値を符号化特徴量として出力する、符号化特徴量生成部を、備える請求項2に記載の異常検出システム。 The feature amount generation unit further
When the frequency domain sound signal and the frequency domain sensor signal are input based on a trained neural network having an input neuron, an output neuron, and an intermediate neuron between them and trained to function as an autoencoder. The abnormality detection system according to claim 2 , further comprising a coded feature amount generator that outputs the firing value of the intermediate neuron as a coded feature amount.
前記時系列センサ信号は、前記回転体の時系列回転数信号を含み、
前記特徴量生成部は、さらに、
前記時系列回転数信号と前記周波数領域音信号とに基づき、所定の回転次数を特徴量として生成する回転次数特徴量生成処理部と、を備える請求項3に記載の異常検出システム。 The object to be inspected is a rotating body.
The time-series sensor signal includes a time-series rotation speed signal of the rotating body.
The feature amount generation unit further
The abnormality detection system according to claim 3 , further comprising a rotation order feature quantity generation processing unit that generates a predetermined rotation order as a feature quantity based on the time-series rotation speed signal and the frequency domain sound signal.
前記時系列センサ信号は、加速度、トルク、回転数に係る時系列信号である、請求項1に記載の異常検出システム。 The object to be inspected is a rotating body.
The abnormality detection system according to claim 1 , wherein the time-series sensor signal is a time-series signal related to acceleration, torque, and rotation speed.
前記第2のクラスタリングアルゴリズムは、DBSCANである、請求項6に記載の異常検出システム。 The first clustering algorithm is one or both of k-means clustering and GMM.
The anomaly detection system according to claim 6 , wherein the second clustering algorithm is DBSCAN.
異常検出モードを取得する異常検出モード取得部と、
前記異常検出モードに基づいて、検出の基礎とする前記特徴量と前記クラスタリングアルゴリズムを決定する検出基礎決定部と、を備える請求項1に記載の異常検出システム。 The anomaly detection system further
Anomaly detection mode acquisition unit that acquires anomaly detection mode,
The abnormality detection system according to claim 1, further comprising the feature amount as a basis for detection and a detection basis determination unit for determining the clustering algorithm based on the abnormality detection mode.
前記検出部における異常検出の結果特定された異常区間を有する前記時系列音信号をグラフ表示するための表示用データを生成するグラフ出力データ生成部、を備える請求項1に記載の異常検出システム。 The anomaly detection system further
Anomaly detection system according to claim 1, further comprising a graphical output data generating unit, for generating display data for displaying the time chart series sound signal having the results identified the abnormal section of the abnormality detection in the detection unit.
前記時系列音信号を周波数領域に変換して、周波数領域音信号を生成する周波数領域信号生成部と、
前記周波数領域音信号に基づいて、音のラウドネスに関するラウドネス特徴量、音のシャープネスに関するシャープネス特徴量、音の変動強度に関する変動強度特徴量、及び、音のラフネスに関するラフネス特徴量を生成する心理音響評価特徴量生成部と、を備える、請求項1に記載の異常検出システム。 The feature amount generation unit further
A frequency domain signal generator that converts the time-series sound signal into a frequency domain and generates a frequency domain sound signal.
Psychoacoustic evaluation that generates loudness features related to sound loudness, sharpness features related to sound sharpness, fluctuation intensity features related to sound fluctuation intensity, and roughness features related to sound roughness based on the frequency region sound signal. It includes a feature amount generating unit, the abnormality detection system according to claim 1.
前記クラスタリングの結果に基づいて、クラスタリング精度を判定するクラスタリング精度判定部を備え、
前記検出部は、前記クラスタリング精度判定部において所定基準以上の精度を有すると判定された前記クラスタリングの結果に基づいて、前記時系列信号中の異常区間を検出する、請求項1に記載の異常検出システム。 The anomaly detection system further
A clustering accuracy determination unit for determining clustering accuracy based on the clustering result is provided.
The abnormality detection according to claim 1, wherein the detection unit detects an abnormality section in the time-series signal based on the result of the clustering determined by the clustering accuracy determination unit to have an accuracy equal to or higher than a predetermined reference. system.
前記時系列信号に基づいて、所定の特徴量を生成する特徴量生成部と、
前記特徴量を所定のクラスタリングアルゴリズムに基づいてクラスタリングするクラスタリング処理部と、
前記クラスタリングの結果に基づいて、前記時系列信号中の異常区間を検出する検出部と、を備え、
前記時系列信号は、前記検査対象物から発生する音に関する時系列信号である時系列音信号と、前記検査対象物の作動状態を示すセンサ情報に係る時系列信号である時系列センサ信号とを含む、異常検出装置。 A time-series signal acquisition unit that acquires a time-series signal generated by placing the inspection object in a specific state, and
A feature amount generation unit that generates a predetermined feature amount based on the time-series signal,
A clustering processing unit that clusters the features based on a predetermined clustering algorithm,
A detection unit that detects an abnormal section in the time-series signal based on the result of the clustering is provided .
The time-series signal includes a time-series sound signal which is a time-series signal related to a sound generated from the inspection object and a time-series sensor signal which is a time-series signal related to sensor information indicating an operating state of the inspection object. Including anomaly detector.
前記時系列信号に基づいて、所定の特徴量を生成する特徴量生成ステップと、
前記特徴量を所定のクラスタリングアルゴリズムに基づいてクラスタリングするクラスタリング処理ステップと、
前記クラスタリングの結果に基づいて、前記時系列信号中の異常区間を検出する検出ステップと、を備え、
前記時系列信号は、前記検査対象物から発生する音に関する時系列信号である時系列音信号と、前記検査対象物の作動状態を示すセンサ情報に係る時系列信号である時系列センサ信号とを含む、異常検出方法。 A time-series signal acquisition step for acquiring a time-series signal generated by placing an inspection object in a specific state, and
A feature amount generation step for generating a predetermined feature amount based on the time-series signal, and
A clustering process step for clustering the features based on a predetermined clustering algorithm, and
A detection step for detecting an abnormal section in the time-series signal based on the result of the clustering is provided .
The time-series signal includes a time-series sound signal which is a time-series signal related to a sound generated from the inspection object and a time-series sensor signal which is a time-series signal related to sensor information indicating an operating state of the inspection object. Abnormality detection method including.
検査対象物を特定の状態へとおくことにより生成される時系列信号を取得する時系列信号取得部と、
前記時系列信号に基づいて、所定の特徴量を生成する特徴量生成部と、
前記特徴量を所定のクラスタリングアルゴリズムに基づいてクラスタリングするクラスタリング処理部と、
前記クラスタリングの結果に基づいて、前記時系列信号中の異常区間を検出する検出部と、を備える異常検出装置として機能させるものであって、
前記時系列信号は、前記検査対象物から発生する音に関する時系列信号である時系列音信号と、前記検査対象物の作動状態を示すセンサ情報に係る時系列信号である時系列センサ信号とを含む、異常検出プログラム。 Computer,
A time-series signal acquisition unit that acquires a time-series signal generated by placing the inspection object in a specific state, and
A feature amount generation unit that generates a predetermined feature amount based on the time-series signal,
A clustering processing unit that clusters the features based on a predetermined clustering algorithm,
Based on the result of the clustering, a shall to function as the abnormality detection apparatus and a detection unit for detecting the abnormal section in the series signals,
The time-series signal includes a time-series sound signal which is a time-series signal related to a sound generated from the inspection object and a time-series sensor signal which is a time-series signal related to sensor information indicating an operating state of the inspection object. Including anomaly detection program.
前記時系列信号に基づいて、所定の特徴量を生成する特徴量生成部と、
前記特徴量を所定のクラスタリングアルゴリズムに基づいてクラスタリングするクラスタリング処理部と、
前記クラスタリングの結果に基づいて、前記時系列音信号中の異常区間を検出する検出部と、を備える異音検出システム。 A time-series signal acquisition unit that acquires a time-series sound signal that is a time-series signal related to a sound generated from a drive train and a time-series sensor signal that is a time-series signal related to sensor information indicating an operating state of the drive train.
A feature amount generation unit that generates a predetermined feature amount based on the time-series signal,
A clustering processing unit that clusters the features based on a predetermined clustering algorithm,
An abnormal sound detection system including a detection unit that detects an abnormal section in the time-series sound signal based on the result of the clustering.
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