JP2015161506A - Signal analyzer, signal analysis method, degradation diagnosis apparatus, and degradation diagnosis method - Google Patents
Signal analyzer, signal analysis method, degradation diagnosis apparatus, and degradation diagnosis method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015161506A JP2015161506A JP2014034834A JP2014034834A JP2015161506A JP 2015161506 A JP2015161506 A JP 2015161506A JP 2014034834 A JP2014034834 A JP 2014034834A JP 2014034834 A JP2014034834 A JP 2014034834A JP 2015161506 A JP2015161506 A JP 2015161506A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- waveform
- comparison
- intersection
- candidate
- evaluation value
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title claims description 23
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 title claims description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 9
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 title 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 title 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims abstract description 55
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 48
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 30
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 claims description 22
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 11
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 3
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Testing Electric Properties And Detecting Electric Faults (AREA)
Abstract
Description
本発明は、機器の動作において周期性を有する信号の波形を抽出し解析する信号解析装置および信号解析方法に関する。 The present invention relates to a signal analysis apparatus and a signal analysis method for extracting and analyzing a waveform of a signal having periodicity in the operation of an apparatus.
主に鉄道分野において、車両に搭載された機器の点検を適切なタイミングで行うために機器の状態の把握が必要である。
車両に搭載された機器の状態を把握することを目的として、機器の動作において周期性を有する信号の波形から、その特徴を抽出することができる劣化診断装置並びに劣化診断方法が記載されている(特許文献1)。特許文献1に記載の劣化診断装置は、あらかじめ保持する正常時の波形と、新たに計測した波形の比較により、劣化を判定する。
また、周期的な信号を解析する方法として、フーリエ解析やウェーブレット解析が一般的に用いられている(特許文献2参照)。特許文献2では、対象波形と同種のノイズのない波形に対し、時間軸上のある区間を、ウェーブレット関数で近似した波形を基準波形として生成し、その基準波形とノイズが重畳している対象波形との相関係数に基づいた波形の抽出をする技術が記載されている。
Mainly in the railway field, it is necessary to grasp the state of the equipment in order to check the equipment mounted on the vehicle at an appropriate timing.
For the purpose of grasping the state of a device mounted on a vehicle, a deterioration diagnosis device and a deterioration diagnosis method capable of extracting the characteristics from the waveform of a signal having periodicity in the operation of the device are described ( Patent Document 1). The deterioration diagnosis apparatus described in
Further, Fourier analysis and wavelet analysis are generally used as methods for analyzing periodic signals (see Patent Document 2). In
特許文献1及び2に記載の技術は、いずれも基準波形を用意する必要があるため、その基準波形の形状が対象波形と異なり、高い相関係数が得られない場合、波形抽出を適切に行えないという問題があった。
Since the techniques described in
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、時間の関係から生じる制約も考慮した信号解析装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to obtain a signal analysis apparatus that takes into account the constraints caused by the time relationship.
本発明における信号解析装置は、信号の波形に対する交点を抽出する交点抽出部と、波形と抽出された交点とから比較対象波形を生成する対象波形生成部と、波形と抽出された交点とから候補波形を抽出する候補波形抽出部と、候補波形を反復することで生成された比較対象波形と同じ長さの比較波形と、比較対象波形との評価値を算出する評価値算出部と、算出された評価値に基づいて一周期分の波形を決定する波形決定部を備えた。 The signal analysis device according to the present invention is a candidate from an intersection extraction unit that extracts an intersection with a signal waveform, a target waveform generation unit that generates a comparison target waveform from the waveform and the extracted intersection, and a waveform and the extracted intersection A candidate waveform extraction unit for extracting a waveform, a comparison waveform having the same length as the comparison target waveform generated by repeating the candidate waveform, and an evaluation value calculation unit for calculating an evaluation value of the comparison target waveform. A waveform determining unit for determining a waveform for one period based on the evaluation value.
本発明によれば、信号の波形に対する交点を抽出する交点抽出部と、波形と抽出された交点とから比較対象波形を生成する対象波形生成部と、波形と抽出された交点とから候補波形を抽出する候補波形抽出部と、候補波形を反復することで生成された比較対象波形と同じ長さの比較波形と、比較対象波形との評価値を算出する評価値算出部と、算出された評価値に基づいて一周期分の波形を決定する波形決定部を備えるので、対象波形とは別の基準波形を予め用意する必要がなく、特定の波形形状に依存せずに一周期分の波形抽出することができる。 According to the present invention, a candidate waveform is obtained from an intersection extraction unit that extracts an intersection with respect to a waveform of a signal, a target waveform generation unit that generates a comparison target waveform from the waveform and the extracted intersection, and a waveform and the extracted intersection. A candidate waveform extraction unit to extract, a comparison waveform having the same length as the comparison target waveform generated by repeating the candidate waveform, an evaluation value calculation unit that calculates an evaluation value of the comparison target waveform, and a calculated evaluation Since it has a waveform determination unit that determines the waveform for one cycle based on the value, there is no need to prepare a reference waveform different from the target waveform in advance, and waveform extraction for one cycle is possible without depending on the specific waveform shape can do.
実施の形態1.
鉄道分野において、状態保全とは、鉄道の車両の点検時期や点検内容を、機器の状態に応じて決定するものである。機器状態を正確に把握できなければ、不適切なタイミングで保全処置が行われる、あるいは不適切な内容の保全処置が行われる、といった事態に繋がるため、状態保全においては、機器の状態の把握が必要である。
鉄道の車両に搭載された機器の動作において、機器から得られる電圧、電流、温度、振動等を示す信号は、周期性を有する波形であり、正常な状態の波形との比較をするための波形抽出を行う信号解析装置について以下説明する。
In the railway field, state maintenance is to determine the inspection timing and inspection contents of railway vehicles according to the state of the equipment. If the equipment status cannot be accurately grasped, maintenance measures are performed at inappropriate timing or maintenance procedures with inappropriate contents are performed. is necessary.
In the operation of equipment mounted on railway vehicles, signals indicating voltage, current, temperature, vibration, etc. obtained from equipment are waveforms having periodicity, and waveforms for comparison with waveforms in a normal state. A signal analysis apparatus that performs extraction will be described below.
図1は、本発明の実施の形態1における信号解析装置の構成図である。
信号解析装置1は、対象波形取得部2と、交点抽出部3と、候補波形抽出部4と、比較波形生成部5と、対象波形生成部6と、相関係数算出部7と、相関係数格納部8と、一周期分の波形を決定する波形決定部9を備える。
FIG. 1 is a configuration diagram of a signal analysis apparatus according to
The
対象波形取得部2は、機器または、機器に取り付けられているセンサなどから、電圧、電流、温度、振動等の信号の情報である状態情報を取得する。取得した機器の状態情報における値を縦軸とし、時間を横軸とした波形を対象波形とする。また、対象波形取得部2は、取得した対象波形を、交点抽出部3、候補波形抽出部4、対象波形生成部6に出力する。
The target
交点抽出部3は、対象波形取得部2から入力された状態情報である対象波形の値のうち特定の値と対象波形との交点をとり、交点の横軸方向の値を交点情報として抽出する。また、交点抽出部3は、抽出した交点情報を、候補波形抽出部4、対象波形生成部6に出力する。
The
候補波形抽出部4は、対象波形取得部2から送信された対象波形と、交点抽出部3から送信された交点情報をもとに、特定の交点を波形抽出の始点に設定し、始点以降の特定の交点を、波形抽出の終点に設定し、始点から終点までの範囲の波形を候補波形として抽出する。また、候補波形抽出部4は、抽出した候補波形群を、比較波形生成部5に送信する。
The candidate
対象波形生成部6は、対象波形取得部2から送信された対象波形と、交点抽出部3から送信された交点情報をもとに、対象波形の開始点から、交点群において時間軸である横軸方向の値が最小である交点までを取り除いた波形を、比較対象波形として抽出する。また、対象波形生成部6は、比較対象波形を相関係数算出部7に送信するとともに、比較対象波形の横軸方向の長さを比較波形生成部5に送信する。
Based on the target waveform transmitted from the target
比較波形生成部5は、候補波形抽出部4から送信された候補波形群と、比較対象波形生成部5から送信された比較対象波形の横軸方向の長さをもとに、それぞれの候補波形を複製し、比較対象波形の横軸方向の長さと同じ長さになるまで横軸方向に列挙した、比較波形群を生成する。また、比較波形生成部5は、比較波形群と、それぞれの比較波形の生成素である候補波形を組にして、相関係数算出部7に送信する。
The comparison
相関係数算出部7は、対象波形生成部6から送信された比較対象波形と、比較波形生成部5から送信された比較波形群の各々の比較波形との間の相関係数を算出する。また、算出した相関係数は、それぞれの比較波形の生成素である候補波形と共に、相関係数格納部8に出力する。
The correlation coefficient calculation unit 7 calculates a correlation coefficient between the comparison target waveform transmitted from the target
相関係数格納部8は、相関係数算出部7から送信された、比較対象波形とそれぞれの比較波形との間の相関係数と、それぞれの比較波形の生成素である候補波形を組にして格納するとともに、波形決定部9に出力する。
The correlation
波形決定部9は、相関係数格納部8に保持された相関係数のうち、設定した閾値を超えるものを一周期分の波形として抽出する。閾値を超える相関係数が存在しない場合は、候補波形抽出部4に対し、候補波形抽出の際の始点を、現在の始点の次の交点として、動作を継続するよう支持する。
The
次に、本発明の動作を説明する。
動作の概要は、機器に取り付けられているセンサなどから、電圧、電流、温度、振動等の信号の情報である状態情報を取得し、取得した状態情報からどの周期が状態情報として正しいかを決定する。取得した状態情報は複数の周期性を有する波形であり、一定の期間における波形に対し、周期の候補波形に対する評価値(本実施の形態では相関係数)を求めることで、複数の周期性を有する波形のうち、どの周期が状態情報として正しいかを決定することができる。また、その決定された周期とその状態情報を用いて状態情報の機器の状態情報についての劣化度合いなどを測るのに用いることも可能である。
以下動作手順について説明する。
Next, the operation of the present invention will be described.
The outline of the operation is to acquire state information that is signal information such as voltage, current, temperature, vibration, etc. from sensors attached to the device, and determine which cycle is correct as state information from the acquired state information. To do. The acquired state information is a waveform having a plurality of periodicities, and by obtaining an evaluation value (correlation coefficient in this embodiment) for a candidate waveform of a period for a waveform in a certain period, a plurality of periodicities can be obtained. It is possible to determine which period is correct as the state information among the waveforms having. It is also possible to use the determined period and the state information to measure the degree of deterioration of the state information of the state information device.
The operation procedure will be described below.
図2は、本発明の実施の形態1における動作を示すフローチャートである。
ステップS101において、対象波形取得部2は、機器または、機器に取り付けられているセンサなどから、電圧、電流、温度、振動等の信号の情報である状態情報を取得する。取得した機器の状態情報における値を縦軸とし、時間を横軸とした波形を対象波形とする。また、対象波形取得部2は、取得した対象波形を、交点抽出部3、候補波形抽出部4、対象波形生成部6に出力する。
FIG. 2 is a flowchart showing the operation in the first embodiment of the present invention.
In step S <b> 101, the target
ステップS102において、交点抽出部3は、対象波形取得部2から入力された状態情報である対象波形の値のうち、特定の値と対象波形との交点をとり、交点の横軸方向の値を交点情報として抽出する。また、交点抽出部3は、抽出した交点情報を、候補波形抽出部4、対象波形生成部6に出力する。
図3は、実施の形態1における対象波形から交点情報を抽出する例について示す。
図3は、対象波形と交点を取る特定の値を、対象波形の最大値及び最小値から算出した中央値とした場合について示している。縦軸は対象波形の値、横軸は時間である。特定の値については、自由に設定してよく値を0としてもよいし、例えば、最大及び最小値の間に位置する中で、交点と交点の間が最も短い区間が、対象波形の取りうる特定の値の中で最も長くなり、交点同士の近接を最も避けられるような値とすることで、不要なノイズに対する影響を避けるとともに、後述する候補波形の数を少なくすることができる。
In step S <b> 102, the
FIG. 3 shows an example of extracting intersection information from the target waveform in the first embodiment.
FIG. 3 shows a case where the specific value that intersects the target waveform is the median value calculated from the maximum value and the minimum value of the target waveform. The vertical axis represents the value of the target waveform, and the horizontal axis represents time. For a specific value, the value may be set freely, and the value may be set to 0. For example, among the positions between the maximum and minimum values, the shortest interval between the intersections can be taken by the target waveform. By setting the value to be the longest among the specific values and to avoid the proximity of the intersections most, it is possible to avoid the influence on unnecessary noise and reduce the number of candidate waveforms to be described later.
ステップS103において、対象波形生成部6が、対象波形と交点情報をもとに、対象波形の開始点から、交点群の中で横軸方向の値が最小である交点までの部分を取り除いた波形を、比較対象波形として生成し、生成した比較対象波形を相関係数算出部7に出力する。
図4に、実施の形態1における対象波形と交点情報とから比較対象波形の生成例を示す。図4の上段のグラフは対象波形を示し、下段のグラフは対象波形と交点情報とから生成された比較対象波形を示している。
In step S103, the target
FIG. 4 shows an example of generating a comparison target waveform from the target waveform and the intersection information in the first embodiment. The upper graph in FIG. 4 shows the target waveform, and the lower graph shows the comparison target waveform generated from the target waveform and the intersection information.
ステップS104及びステップS105において、候補波形抽出部4は、対象波形取得部2から送信された対象波形と、交点抽出部3から送信された交点情報をもとに、特定の交点を波形抽出の始点に設定し、始点以降の特定の交点を、波形抽出の終点に設定し、始点から終点までの範囲の波形を候補波形として抽出する。また、候補波形抽出部4は、抽出した候補波形群を、比較波形生成部5に出力する。
図5は実施の形態1における候補波形抽出部4が候補波形を抽出する例である。上段の(a)は対象波形を示し、(b)は対象波形と交点情報とから抽出された候補波形を示している。
In step S104 and step S105, the candidate
FIG. 5 shows an example in which the candidate
ステップS104においては、まず、候補波形抽出部4は、交点情報をもとに、候補波形抽出を行う始点を、交点群において横軸方向の値が最小である交点(図5(a)における(1)(丸印を()で表示し(1)とする)に定める。
次に、ステップS105において、候補波形抽出部4は、候補波形抽出を行う終点を、現在の始点の次に横軸方向の値の小さい順に交点(図5(a)における(2)〜(11))を各々定める。候補波形抽出部4は、図5(b)に示すように始点と交点とから候補波形の群((1)〜(2)、(1)〜(3)、・・・最後の交点である(1)〜(11)まで)を抽出したうえで、その候補波形群を比較波形生成部5に出力する。
In step S104, the candidate
Next, in step S105, the candidate
図2のステップS106において、比較波形生成部6が、候補波形群と、比較対象波形の横軸方向の長さをもとに、比較波形群を生成するとともに、候補波形群と比較波形群を組にして相関係数算出部7に出力する。
図6は、図5(b)の候補波形群をもとに生成される比較波形群を示す。
各々の比較波形は、各々の候補波形を横軸方向に複製し、比較対象波形の横軸方向の長さになるまで横軸方向に列挙した波形である。
2, the comparison
FIG. 6 shows a comparison waveform group generated based on the candidate waveform group of FIG.
Each comparison waveform is a waveform that is duplicated in the horizontal axis direction and enumerated in the horizontal axis direction until it reaches the length in the horizontal axis direction of the comparison target waveform.
図2のステップS107において、相関係数算出部7が、比較対象波形と各比較波形との相関係数を算出する。また、各比較波形の生成素となった候補波形と、相関係数を組にして、相関係数格納部8に出力し、相関係数格納部8が各比較波形の生成素となった候補波形と、相関係数を組にして保持する。
In step S107 of FIG. 2, the correlation coefficient calculation unit 7 calculates the correlation coefficient between the comparison target waveform and each comparison waveform. Also, the candidate waveform that is a generator of each comparison waveform and a correlation coefficient are paired and output to the correlation
ステップS108において、波形決定部9は、相関係数格納部8に保持されている相関係数内に、設定した閾値を超えるものが存在するかどうかを評価する。
ステップS109において、波形決定部9は、比較対象波形と各比較波形との相関係数から閾値を超えるものが存在する場合、閾値を超える相関係数と組になっている候補波形を一周期分の波形として抽出する。また、比較対象波形中の、抽出された波形部分は、比較対象波形から除去する。尚、閾値を超えるものが複数存在する場合、最も高い相関係数と組になっている候補波形を一周期分の波形として抽出する。
In step S <b> 108, the
In step S <b> 109, when there is a correlation coefficient between the comparison target waveform and each comparison waveform that exceeds the threshold value, the
ステップS110において、波形決定部9は、ステップS109で比較対象波形から抽出した波形の終点にあたる交点以降に、別の交点が存在するか評価する。別の交点がなければ終了となる。図5(b)で説明すると、候補波形(1)〜(11)を用いて生成された比較波形だった場合に当たる。
ステップS111において、比較対象波形において、抽出した候補波形の終点にあたる交点以降に、別の交点が存在する場合、波形決定部9は、現在の終点を新たな始点に設定する。その後、ステップS105に戻り、一周期分の波形抽出を繰り返す。
図5(b)で説明すると、例えば候補波形(1)〜(6)を用いて生成された比較波形が相関係数において閾値を超えた場合、対象波形の(6)を始点とする。
In step S110, the
In step S111, when another intersection exists after the intersection corresponding to the end point of the extracted candidate waveform in the comparison target waveform, the
In FIG. 5B, for example, when the comparison waveform generated using the candidate waveforms (1) to (6) exceeds the threshold in the correlation coefficient, the target waveform (6) is set as the starting point.
ステップS112において、波形決定部9は、ステップS108の評価で、閾値を超えるものが存在しない場合、対象波形で、現在始点としている交点以降に別の交点が存在するか評価する。
図5(b)で説明すると、例えば候補波形(1)〜(6)を用いて生成された比較波形が相関係数において閾値を超えなかった場合、対象波形の(1)以降に交点が存在するか評価する。
In step S112, the
Explaining with FIG. 5B, for example, when the comparison waveform generated using the candidate waveforms (1) to (6) does not exceed the threshold in the correlation coefficient, there is an intersection after (1) of the target waveform. Evaluate what to do.
現在始点としている交点以降に別の交点が存在する場合、波形決定部9が候補波形抽出の際の始点を、現在の始点の次の交点(図5(b)の(2))とした上で、S105に戻って波形抽出を繰り返す(S113)。
S110の評価で、抽出した波形の終点にあたる交点以降に、別の交点が存在しない場合、または、S112の評価で、現在始点としている交点以降に別の交点が存在しない場合、波形抽出を終了する。
When another intersection exists after the intersection that is the current start point, the
If there is no other intersection after the intersection corresponding to the end point of the extracted waveform in the evaluation of S110, or if there is no other intersection after the intersection that is the current start point in the evaluation of S112, the waveform extraction ends. .
以上のように、実施の形態1における信号解析装置1は、信号の波形に対する交点を抽出する交点抽出部3と、波形と抽出された交点とから比較対象波形を生成する対象波形生成部6と、波形と抽出された交点とから候補波形を抽出する候補波形抽出部4と、候補波形を反復することで比較対象波形と同じ長さの比較波形を生成する比較波形生成部5と、比較対象波形と候補波形を反復して生成した比較波形との相関係数(評価値)を算出する相関係数算出部(評価値算出部)7と、算出された相関係数(評価値)に基づいて一周期分の波形を決定する波形決定部9を備えたので対象波形とは別の基準波形を予め用意する必要がなく、特定の波形形状に依存せずに一周期分の波形抽出することができる。
As described above, the
尚、電車などの機器の劣化状態を診断するためには、比較対象波形は、機器が未使用、新品、正常時のいずれかで計測される必要があり、以下に説明する候補波形は、機器の劣化時を含む使用時に計測される必要がある。
たとえば、機器の基準時の波形を比較対象波形とし、使用段階での波形である候補波形を用いて比較波形を生成した場合、類似性を評価する利点としては、実機ベースでの評価ができる点にある。すなわち、従来例はなんらかの仮想的な波形を基準波形として一周期分の波形を抽出しているが、基準波形が実機の正常時の波形を完全に模擬できていないことから波形を適切に抽出できず、その結果、機器が正常であるにも係わらず、異常と診断してしまう可能性がある。
In addition, in order to diagnose the deterioration state of equipment such as trains, the comparison target waveform needs to be measured when the equipment is unused, new, or normal. It is necessary to measure at the time of use including the time of deterioration.
For example, if a reference waveform is used as a comparison target waveform and a comparison waveform is generated using a candidate waveform that is a waveform at the stage of use, the advantage of evaluating similarity is that it can be evaluated on an actual machine basis. It is in. In other words, the conventional example extracts a waveform for one cycle using a virtual waveform as a reference waveform. However, since the reference waveform cannot completely simulate the normal waveform of the actual machine, the waveform can be extracted appropriately. As a result, there is a possibility of diagnosing an abnormality even though the device is normal.
その点、本実施の形態の信号解析装置であれば、上記課題を解決できるものであり、かつ機器の基準時の波形を比較対象波形とし、使用段階での波形である候補波形を用いて比較波形を生成した場合の、波形決定部で一周期分の波形を決定した際の相関係数を保持することで、実機一台一台の経年変化推移を記録することも可能である。実機の基準時をベースとして経年変化を記録してくことで、基準時からの変化量も分かり、その値の変化からどこが故障しそうかなどの予測も立てやすくなるという利点もある。
信号解析装置が算出した評価値(相関係数)を劣化診断装置における劣化診断に用いることで、実機の基準時をベースした劣化の診断も行うことも可能である。
In that respect, the signal analysis apparatus according to the present embodiment can solve the above-mentioned problems, and uses the waveform at the reference time of the device as a comparison target waveform and compares it using a candidate waveform that is a waveform at the use stage. When a waveform is generated, a correlation coefficient when a waveform for one period is determined by the waveform determination unit is held, so that it is possible to record a change over time of each actual machine. By recording the secular change based on the standard time of the actual machine, there is also an advantage that the amount of change from the standard time can be known, and it is easy to predict where the failure will occur from the change in the value.
By using the evaluation value (correlation coefficient) calculated by the signal analysis apparatus for deterioration diagnosis in the deterioration diagnosis apparatus, it is possible to perform deterioration diagnosis based on the reference time of the actual machine.
実施の形態2.
実施の形態1では、比較波形と比較対象波形との間の相関係数により、一周期分の波形を生成素とする比較波形を判定しているが、次に、比較対象波形、比較波形群を入力とした特異値分解を行い、得られた第1特徴量と、第2特徴量とを座標軸とする座標空間における、比較対象波形とそれぞれの比較波形の座標空間における距離(座標距離)を算出し、一周期分の波形を生成素とする比較波形を判定することで、より波形形状が交点開始対象波形に近い比較波形を特定し、一周期分の波形を相関係数の場合より高精度に抽出する場合を示す。以下、実施の形態1に記載した内容をベースにその差異について説明する。
In the first embodiment, a comparison waveform having a waveform for one period as a generator is determined based on a correlation coefficient between the comparison waveform and the comparison target waveform. Next, a comparison target waveform and a comparison waveform group are used. Singular value decomposition is performed, and the distance (coordinate distance) in the coordinate space of the comparison target waveform and each comparison waveform in the coordinate space with the obtained first feature value and second feature value as coordinate axes is obtained. By calculating and determining the comparison waveform that uses the waveform for one cycle as a generator, the comparison waveform has a waveform shape that is closer to the intersection start target waveform, and the waveform for one cycle is higher than the correlation coefficient. The case of extracting with accuracy is shown. Hereinafter, the difference will be described based on the contents described in the first embodiment.
図7は、実施の形態2における制御装置支援装置の構成図である。
図7において、実施の形態1と異なるのは、相関係数算出部7に変えて座標距離算出部10があり、相関係数算出部8にかえて座標距離格納部11があることである。また、波形決定部9は、相関係数にもとづくのではなく座標距離に基づいて判断する点で異なる。
FIG. 7 is a configuration diagram of the control device support apparatus according to the second embodiment.
7 is different from the first embodiment in that a coordinate distance calculation unit 10 is provided instead of the correlation coefficient calculation unit 7 and a coordinate
以下、動作について説明する。
動作の概要は、実施の形態1と同様に、機器に取り付けられているセンサなどから、電圧、電流、温度、振動等の信号の情報である状態情報から基準に対する運用時の評価値(本実施の形態では座標距離)を求めることで、機器の劣化度合いなどを測るのに用いられる。したがって、以下で説明する対象波形から比較対象波形を取得する時期は機器が新品もしくは正常時のものから取得するとともに、候補波形については、機器が使用されて定期的に検査される時期などに計測して取得されることで、電車の機器の劣化の判断に用いることができる。
図8は、本発明の実施の形態2における動作を示すフローチャートである。尚、実施の形態1と同じ動作の部分については説明を割愛する。
図8におけるステップS201、ステップS202は、図2におけるステップS101、ステップS102と同じである。
図8におけるステップS203においては、図2のステップS103における対象波形生成部6が比較対象波形を相関係数算出部7へ出力する代わりに、対象波形生成部6は比較対象波形を座標距離算出部10に出力する。
The operation will be described below.
The outline of the operation is the same as in the first embodiment, from the sensor attached to the device, from the state information that is signal information such as voltage, current, temperature, vibration, etc. In this form, it is used to measure the degree of deterioration of the device by obtaining the coordinate distance). Therefore, the time to acquire the comparison target waveform from the target waveform described below is acquired from the time when the equipment is new or normal, and the candidate waveform is measured at the time when the equipment is used and periodically inspected. Can be used to determine deterioration of train equipment.
FIG. 8 is a flowchart showing the operation in the second embodiment of the present invention. Note that description of the same operation as in the first embodiment will be omitted.
Steps S201 and S202 in FIG. 8 are the same as steps S101 and S102 in FIG.
In step S203 in FIG. 8, instead of the target
図8におけるステップS204、ステップS205は、図2におけるステップS104、ステップS105と同じである。
図8におけるステップS206においては、図2のステップS106における比較波形生成部5が各々の候補波形と比較波形とを相関係数算出部7に出力する代わりに、比較波形生成部5は各々の候補波形と比較波形とを座標距離算出部10に出力する。
Steps S204 and S205 in FIG. 8 are the same as steps S104 and S105 in FIG.
In step S206 in FIG. 8, instead of the comparison
図8におけるステップS207において、座標距離算出部10は、比較対象波形と、比較波形群とを入力とした特異値分解を行う。そして、得られた第1特徴量と第2特徴量とを座標軸とする座標空間における、比較対象波形とそれぞれの比較波形との座標距離を算出する。算出した座標距離は、座標距離格納部11に出力し、座標距離格納部11が座標距離を保持する。その際、比較波形の座標距離は、それぞれの比較波形の生成素である候補波形と組にして保持される。
In step S207 in FIG. 8, the coordinate distance calculation unit 10 performs singular value decomposition using the comparison target waveform and the comparison waveform group as inputs. Then, a coordinate distance between the comparison target waveform and each comparison waveform in a coordinate space having the obtained first feature value and second feature value as coordinate axes is calculated. The calculated coordinate distance is output to the coordinate
座標距離算出部10が特異値分解を行い算出した第1特徴量と第2特徴量を座標軸とする座標空間における、比較対象波形とそれぞれの比較波形との座標距離の意義について説明する。
図9は、実施の形態2における第1特徴量と第2特徴量を座標軸とする座標空間と、比較対象波形とそれぞれの比較波形との座標距離の説明図である。
The significance of the coordinate distance between the comparison target waveform and each comparison waveform in the coordinate space having the first feature value and the second feature value calculated by performing the singular value decomposition performed by the coordinate distance calculation unit 10 as coordinate axes will be described.
FIG. 9 is an explanatory diagram of the coordinate distance between the first feature value and the second feature value as coordinate axes, and the comparison target waveform and each comparison waveform in the second embodiment.
特異値分解は、信号処理や統計学で用いられる行列分解の一手法である。特異値分解を用いることにより、多次元の数値データの各軸を合成して、特性をよく反映する、より次元数の少ない特徴空間を算出できる。一般に、入力となる行列SP、SPのi行目のデータSPi、特異値σ、特異ベクトル係数u、特異ベクトルvと置いたとき、次の関係が成り立つ。 Singular value decomposition is a method of matrix decomposition used in signal processing and statistics. By using singular value decomposition, it is possible to calculate a feature space with a smaller number of dimensions that well reflects the characteristics by combining the axes of multidimensional numerical data. In general, when the matrix SP to be input, the data SP i in the i-th row of SP, the singular value σ, the singular vector coefficient u, and the singular vector v are set, the following relationship is established.
特徴量は通常、まとめて特異ベクトルvとして表されるため、特異ベクトルvを特徴空間上の座標として、第1特徴量と第2特徴量の二次元で評価する。
特異値分解は、複数のデータパターン間の特徴の異なる成分を数値化(特徴量化)するアルゴリズムである。そのため、規則性のある変化よりも、不規則な変化に対し、大きな特徴量の差を示す。例えば、振幅や周期が一定に変化する波形データ群は特徴量の差は小さく、変化のパターンが違う波形データを含めて評価すると大きく異なる特徴量を導く。
Since the feature amounts are generally expressed as a singular vector v, the singular vector v is used as a coordinate in the feature space, and the first feature amount and the second feature amount are evaluated in two dimensions.
Singular value decomposition is an algorithm that quantifies (features) components with different characteristics between a plurality of data patterns. For this reason, a larger difference in feature amount is shown for irregular changes than for regular changes. For example, a waveform data group in which the amplitude and period change constantly has a small difference in feature amount, and when a waveform data having a different change pattern is evaluated, a significantly different feature amount is derived.
第1特徴量は、例えば、比較対象波形と比較波形との、波形の振幅成分のオフセットに関する評価値である。すなわち、比較対象波形に対し、比較波形が振幅方向にどの程度ずれているのかを示す値である。特異値分解によってえられた第1特徴量の値が大きい波形は、全体的に比較対象波形に対し、比較波形が振幅方向にずれていることになる。 The first feature amount is, for example, an evaluation value regarding the offset of the amplitude component of the waveform between the comparison target waveform and the comparison waveform. That is, the value indicates how much the comparison waveform is shifted in the amplitude direction with respect to the comparison target waveform. A waveform having a large value of the first feature value obtained by the singular value decomposition is entirely shifted in the amplitude direction with respect to the waveform to be compared.
第2特徴量は、例えば、波形の形状の差に関する評価値である。すなわち、比較対象波形と比較波形との波形の振幅成分の差異をキャンセルした状態で、それぞれの波形の振幅レベルの正負を考慮した差異を(例えば、複数の評価点について)加え合わせたものである。特異値分解によってえられた第2特徴量が大きい波形は、全体的に波形の形状そのものが他の波形と異なることになる。 The second feature amount is, for example, an evaluation value related to a difference in waveform shape. That is, in the state where the difference in amplitude component between the waveform to be compared and the comparison waveform is canceled, the difference considering the amplitude level of each waveform is added (for example, for a plurality of evaluation points). . A waveform having a large second feature value obtained by singular value decomposition generally has a different waveform shape from other waveforms.
よって、特異値分解により得られた第1特徴量(振幅方向のずれの評価値)と第2特徴量(波形形状の差の評価値)を座標軸とする座標空間における、ある波形の標本と、それとは別の波形の標本との距離は、2つの波形の類似度を表し、相関係数(波形の重なり合い)による判定よりも高精度な判定を行うことができ、一周期分の波形として抽出すべき候補波形をもとに生成した比較波形の判定をより正確に行うことができる。
具体的には、実施の形態1における相関係数を用いる場合は、周期的な信号の比較を行う場合、振幅の大きさは異なるが、位相は合致している場合、相関していることには変わりがないため、位相さえ合致していれば、振幅の大きさに起因する異常性を検知できずに正常な場合となんら変わりなく検知できてしまうのに対し、特異値分解により得られた特徴量の場合、少なくとも、第2特徴量に値として出てくるため、振幅の大きさも加味して1周期分の波形を評価することができる。
Therefore, a sample of a certain waveform in a coordinate space having the first feature value (evaluation value of deviation in amplitude direction) and the second feature value (evaluation value of waveform shape difference) obtained by singular value decomposition as coordinate axes, The distance from another waveform sample represents the similarity of the two waveforms, and can be determined with higher accuracy than the determination based on the correlation coefficient (overlapping waveform), and extracted as a waveform for one cycle. The comparison waveform generated based on the candidate waveform to be determined can be more accurately determined.
Specifically, when the correlation coefficient in the first embodiment is used, when comparing periodic signals, the amplitudes are different, but the phases are matched, the correlation is made. Since there is no change, as long as the phase matches, the anomaly due to the magnitude of the amplitude cannot be detected and it can be detected as normal, but it was obtained by singular value decomposition In the case of the feature amount, since it appears as a value at least in the second feature amount, it is possible to evaluate the waveform for one period in consideration of the magnitude of the amplitude.
図8におけるステップS208において、波形決定部9は、相関係数格納部8に保持されている座標距離内に、設定した閾値以下のものが存在するかどうかを評価する。
ステップS109において、波形決定部9は、比較対象波形と各比較波形との比較による座標距離のうち閾値以内のもの存在する場合、閾値以内の座標距離と組になっている候補波形を一周期分の波形として抽出する。また、比較対象波形中の、抽出された波形部分は、比較対象波形から除去する。尚、閾値以内の座標距離が存在する場合は最も小さい値となる座標距離と組になっている候補波形を一周期分の波形として抽出する。
In step S <b> 208 in FIG. 8, the
In step S <b> 109, if there is a coordinate distance within the threshold among the comparison distances between the comparison target waveform and each comparison waveform, the
ステップS210において、波形決定部9は、ステップS209で比較対象波形から抽出した波形の終点にあたる交点以降に、別の交点が存在するか評価する。別の交点がなければ終了となる。実施の形態1と同様に、図5(b)で説明すると、候補波形(1)〜(11)を用いて生成された比較波形だった場合に当たる。
ステップS211において、比較対象波形において、抽出した候補波形の終点にあたる交点以降に、別の交点が存在する場合、波形決定部9は、現在の終点を新たな始点に設定する。その後、ステップS205に戻り、一周期分の波形抽出を繰り返す。
実施の形態1と同様に、図5(b)で説明すると、例えば候補波形(1)〜(6)を用いて生成された比較波形が相関係数において閾値以内となる場合、対象波形の(6)を始点とする。
In step S210, the
In step S211, when another intersection exists after the intersection corresponding to the end point of the extracted candidate waveform in the comparison target waveform, the
Similar to the first embodiment, FIG. 5B illustrates, for example, when the comparison waveform generated using the candidate waveforms (1) to (6) is within the threshold value in the correlation coefficient, 6) is the starting point.
ステップS212において、波形決定部9は、ステップS108の評価で、閾値以内となるものが存在しない場合、対象波形で、現在始点としている交点以降に別の交点が存在するか評価する。
実施の形態1と同様に図5(b)で説明すると、例えば候補波形(1)〜(6)を用いて生成された比較波形が相関係数において閾値以内とならない場合、対象波形の(1)以降に交点が存在するか評価する。
In step S212, the
5B, as in the first embodiment, for example, when the comparison waveform generated using the candidate waveforms (1) to (6) does not fall within the threshold in the correlation coefficient, (1 ) Evaluate if there is an intersection after that.
現在始点としている交点以降に別の交点が存在する場合、波形決定部9が候補波形抽出の際の始点を、現在の始点の次の交点(図5(b)の(2))とした上で、S105に戻って波形抽出を繰り返す(S213)。
S210の評価で、抽出した波形の終点にあたる交点以降に、別の交点が存在しない場合、または、S112の評価で、現在始点としている交点以降に別の交点が存在しない場合、波形抽出を終了する。
When another intersection exists after the intersection that is the current start point, the
If there is no other intersection after the intersection corresponding to the end point of the extracted waveform in the evaluation of S210, or if there is no other intersection after the intersection that is the current start point in the evaluation of S112, the waveform extraction ends. .
以上のように、実施の形態2における信号解析装置1は、信号の波形に対する交点を抽出する交点抽出部3と、波形と抽出された交点とから比較対象波形を生成する対象波形生成部6と、運用時の対象波形と抽出された交点とから候補波形を抽出する候補波形抽出部4と、候補波形を反復することで比較対象波形と同じ長さの比較波形を生成する比較波形生成部5と、比較対象波形と候補波形を反復して生成した比較波形との座標距離(評価値)を算出する座標距離算出部(評価値算出部)10と、算出された座標距離(評価値)に基づいて一周期分の波形を決定する波形決定部9を備えたので対象波形とは別の基準波形を予め用意する必要がなく、特定の波形形状に依存せずに一周期分の波形抽出することができる。
As described above, the
また、第1特徴量(振幅方向のずれの評価値)と第2特徴量(波形形状の差の評価値)とから得られる座標距離を用いることで、振幅の大きさも加味して評価することが可能となる。
また、検出したい波形の内容によっては、第1特徴量または第2特徴量のいずれかのみを用いて座標距離を求めてもよく、第1特徴量または第2特徴量に対する係数を用いたうえで、座標距離を求めてもよい。
In addition, by using the coordinate distance obtained from the first feature value (evaluation value of deviation in the amplitude direction) and the second feature value (evaluation value of the difference in waveform shape), the evaluation is performed in consideration of the magnitude of the amplitude. Is possible.
Further, depending on the content of the waveform to be detected, the coordinate distance may be obtained using only the first feature value or the second feature value, and the coefficient for the first feature value or the second feature value is used. The coordinate distance may be obtained.
尚、電車などの機器の劣化状態を診断するためには、比較対象波形は、機器が未使用、新品、正常時のいずれかで計測される必要があり、以下に説明する候補波形は、機器の劣化時を含む使用時に計測される必要がある。
たとえば、機器の基準時の波形を比較対象波形とし、使用段階での波形である候補波形を用いて比較波形を生成した場合、類似性を評価する利点としては、実機ベースでの評価ができる点にある。すなわち、従来例はなんらかの仮想的な波形を基準波形としているが、基準波形が実機の正常時の波形を完全に模擬できているかという課題があり、正常な動作をしていても異常としてしまう可能性がある。
In addition, in order to diagnose the deterioration state of equipment such as trains, the comparison target waveform needs to be measured when the equipment is unused, new, or normal. It is necessary to measure at the time of use including the time of deterioration.
For example, if a reference waveform is used as a comparison target waveform and a comparison waveform is generated using a candidate waveform that is a waveform at the stage of use, the advantage of evaluating similarity is that it can be evaluated on an actual machine basis. It is in. In other words, the conventional example uses some virtual waveform as the reference waveform, but there is a problem that the reference waveform can completely simulate the normal waveform of the actual machine, and it can be abnormal even if it operates normally There is sex.
その点、本実施の形態の信号解析装置であれば、上記課題を解決できるものであり、かつ実機一台一台の経年変化推移を記録することも可能である。実機の基準時をベースとして経年変化を記録してくことで、基準時からの変化量も分かり、その値の変化からどこが故障しそうかなどの予測も立てやすくなるという利点もある。
特に、信号解析装置が算出した評価値(第1特徴量(振幅方向のずれの評価値)、第2特徴量(波形形状の差の評価値))を劣化診断装置における劣化診断に用いることで、実機の基準時をベースした劣化の診断だけでなく、センサ等の劣化原因の特定にも行うことも可能である。
In that respect, the signal analysis apparatus according to the present embodiment can solve the above-described problems and can record the aging change of each actual machine. By recording the secular change based on the standard time of the actual machine, there is also an advantage that the amount of change from the standard time can be known, and it is easy to predict where the failure will occur from the change in the value.
In particular, by using the evaluation values (first feature value (evaluation value of deviation in amplitude direction) and second feature value (evaluation value of difference in waveform shape)) calculated by the signal analysis device for deterioration diagnosis in the deterioration diagnosis device. In addition to the diagnosis of deterioration based on the reference time of the actual machine, it is also possible to identify the cause of deterioration of the sensor or the like.
1 信号解析装置
2 対象波形取得部
3 交点抽出部
4 候補波形抽出部
5 比較波形生成部
6 対象波形生成部
7 相関係数算出部
8 相関係数格納部
9 波形決定部
10 座標距離算出部
11 座標距離格納部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記波形とその交点とから比較対象波形を生成する対象波形生成部と、
前記波形とその交点とから候補波形を抽出する候補波形抽出部と、
前記候補波形を反復することで生成された前記比較対象波形と同じ長さの比較波形と、前記比較対象波形との評価値を算出する評価値算出部と、
算出された評価値に基づいて一周期分の波形を決定する波形決定部
を備えることを特徴とする信号解析装置。 An intersection extraction unit for extracting an intersection with respect to the waveform of the signal;
A target waveform generation unit that generates a comparison target waveform from the waveform and its intersection;
A candidate waveform extraction unit for extracting a candidate waveform from the waveform and its intersection;
A comparison waveform having the same length as the comparison target waveform generated by repeating the candidate waveform, and an evaluation value calculation unit that calculates an evaluation value of the comparison target waveform;
A signal analysis apparatus comprising a waveform determination unit that determines a waveform for one period based on a calculated evaluation value.
前記波形とその交点とから比較対象波形を生成する対象波形生成ステップと、
前記波形とその交点とから候補波形を抽出する候補波形抽出ステップと、
前記候補波形を反復することで生成された前記比較対象波形と同じ長さの比較波形と、前記比較対象波形との評価値を算出する評価値算出ステップと、
算出された評価値に基づいて一周期分の波形を決定する波形決定ステップ
を備えることを特徴とする信号解析方法。 An intersection extraction step for extracting an intersection with respect to the waveform of the signal;
A target waveform generation step for generating a comparison target waveform from the waveform and its intersection;
A candidate waveform extraction step of extracting a candidate waveform from the waveform and its intersection;
A comparison waveform having the same length as the comparison target waveform generated by repeating the candidate waveform, and an evaluation value calculating step of calculating an evaluation value of the comparison target waveform;
A signal analysis method comprising a waveform determining step for determining a waveform for one period based on a calculated evaluation value.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014034834A JP2015161506A (en) | 2014-02-26 | 2014-02-26 | Signal analyzer, signal analysis method, degradation diagnosis apparatus, and degradation diagnosis method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014034834A JP2015161506A (en) | 2014-02-26 | 2014-02-26 | Signal analyzer, signal analysis method, degradation diagnosis apparatus, and degradation diagnosis method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015161506A true JP2015161506A (en) | 2015-09-07 |
Family
ID=54184703
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014034834A Pending JP2015161506A (en) | 2014-02-26 | 2014-02-26 | Signal analyzer, signal analysis method, degradation diagnosis apparatus, and degradation diagnosis method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2015161506A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017122357A1 (en) * | 2016-01-15 | 2017-07-20 | 三菱電機株式会社 | Deterioration diagnosis apparatus, deterioration diagnosis system, train, deterioration diagnosis method, and deterioration diagnosis program |
WO2018146845A1 (en) * | 2017-02-08 | 2018-08-16 | 三菱電機株式会社 | Information processing device, information processing method, and information processing program |
JP2021152792A (en) * | 2020-03-24 | 2021-09-30 | 大阪瓦斯株式会社 | Abnormality analysis device |
-
2014
- 2014-02-26 JP JP2014034834A patent/JP2015161506A/en active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017122357A1 (en) * | 2016-01-15 | 2017-07-20 | 三菱電機株式会社 | Deterioration diagnosis apparatus, deterioration diagnosis system, train, deterioration diagnosis method, and deterioration diagnosis program |
WO2018146845A1 (en) * | 2017-02-08 | 2018-08-16 | 三菱電機株式会社 | Information processing device, information processing method, and information processing program |
US11435383B2 (en) | 2017-02-08 | 2022-09-06 | Mitsubishi Electric Corporation | Information processing apparatus, information processing method, and computer readable medium |
JP2021152792A (en) * | 2020-03-24 | 2021-09-30 | 大阪瓦斯株式会社 | Abnormality analysis device |
JP7391742B2 (en) | 2020-03-24 | 2023-12-05 | 大阪瓦斯株式会社 | Abnormality analyzer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhao et al. | Quantitative diagnosis of a spall-like fault of a rolling element bearing by empirical mode decomposition and the approximate entropy method | |
US20210397175A1 (en) | Abnormality detection device, abnormality detection method, and program | |
RU2704073C2 (en) | Method and system for training acoustic or vibration analysis of machine | |
JP2012251851A (en) | Abnormal sound diagnosis apparatus | |
KR101317476B1 (en) | Online system and method for diagnosis of partial discharge on cable | |
KR101539896B1 (en) | Method for diagnosis of induction motor fault | |
WO2020090767A1 (en) | Abnormality diagnostic device, abnormality diagnostic method, and program | |
KR102058841B1 (en) | Systems and methods to detect generator collector flashover | |
JP2019067197A (en) | Method for detecting trouble sign | |
CN110553789A (en) | state detection method and device of piezoresistive pressure sensor and brake system | |
JP2010266327A (en) | Facility diagnosis device and facility diagnosis method | |
CN119150154A (en) | Construction method, diagnosis method, system and equipment of bolt fault diagnosis model | |
KR20210077496A (en) | Equipment failure prediction system having multi-channel sensors for receiving acoustic signals in the ultrasonic band | |
KR20170067292A (en) | Device and method for estimating remaining life of mechanical system | |
JP2015161506A (en) | Signal analyzer, signal analysis method, degradation diagnosis apparatus, and degradation diagnosis method | |
JP6135192B2 (en) | Time series data abnormality monitoring apparatus, abnormality monitoring method and program | |
JP2013022188A (en) | Gait analyzing method, gait analyzer, and program of the same | |
KR101646981B1 (en) | Data processing system for evaluating safety of structure, and method for the same | |
JP2016045852A (en) | Abnormality diagnosis apparatus and abnormality diagnosis method | |
JP5964016B2 (en) | Abnormal event detection rule automatic extraction method, abnormal event detection rule automatic extraction device | |
CN114922806A (en) | Method and device for detecting abnormality of plunger pump | |
Hu et al. | Incipient mechanical fault detection based on multifractal and MTS methods | |
Jha et al. | Depth estimation in Markov models of time-series data via spectral analysis | |
KR20170067317A (en) | System for detecting abnormal behavior and evaluating safety of structure for merging non-periodic small-scale data, and method for the same | |
KR20130074403A (en) | Measuring instrument reliability evaluation apparatus and operating method thereof |