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JP2019191836A - Abnormality detection system and program - Google Patents

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JP2019191836A
JP2019191836A JP2018082636A JP2018082636A JP2019191836A JP 2019191836 A JP2019191836 A JP 2019191836A JP 2018082636 A JP2018082636 A JP 2018082636A JP 2018082636 A JP2018082636 A JP 2018082636A JP 2019191836 A JP2019191836 A JP 2019191836A
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JP
Japan
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observation data
data
detection system
time
unit
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Application number
JP2018082636A
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Japanese (ja)
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敏夫 佐々木
Toshio Sasaki
敏夫 佐々木
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Toyo Electric Manufacturing Ltd
Original Assignee
Toyo Electric Manufacturing Ltd
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Application filed by Toyo Electric Manufacturing Ltd filed Critical Toyo Electric Manufacturing Ltd
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Abstract

To provide an abnormality detection system and program, capable of rapidly detecting an abnormal state in an object to be monitored.SOLUTION: The abnormality detection system includes: an observation data update section 31 which collects observation data on an object 1 to be monitored and stores the data as time-sequence observation data; an observation data classification section 33 which classifies the observation data into any of training data and verification data; a system identification section 35 which identifies a model parameter of a linear state space model of the object to be monitored on the basis of training data; an estimation section 36 which calculates an estimate value of probability distribution of a state variable of the object to be monitored with the model parameter and verification data as inputs; and an abnormality degree calculation section 37 which calculates an abnormality degree of the object to be monitored, based on the estimate value. The observation data update section 31, after collecting observation data, adds the collected observation data to time-sequence observation data and when the data number of the time-sequence observation data is larger than a threshold value, discards the earliest collected observation data.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、線形状態空間モデルによってモデル化が可能な監視対象に関する異常検知システムおよびプログラムに関するものである。   The present invention relates to an anomaly detection system and program related to a monitoring target that can be modeled by a linear state space model.

近年、電気設備および機械設備には、状態監視機能が備えられ、いわゆるCBM(Condition Based Maintenance:状態基準保全)実現への取組みが進んでいる。   In recent years, electrical equipment and mechanical equipment are provided with a state monitoring function, and efforts to realize so-called CBM (Condition Based Maintenance) have been advanced.

一般的な異常検知システムの原理については、非特許文献1において統一的に記述されており、特に時系列データの異常検知についての高度なアプローチのひとつとして、状態空間モデルによる異常検知方法が論じられている。   The principle of a general anomaly detection system is described uniformly in Non-Patent Document 1, and an anomaly detection method based on a state space model is discussed as one of advanced approaches for anomaly detection of time series data. ing.

状態空間モデルによる異常検知方法とは、監視対象を状態空間モデルで表現し、当該監視対象に対する観測データから監視対象の内部状態を推定するとともに、内部状態の推定値に基づく異常度を算出するものである。   Anomaly detection method based on a state space model expresses a monitoring target with a state space model, estimates the internal state of the monitoring target from observation data for the monitoring target, and calculates the degree of abnormality based on the estimated value of the internal state It is.

図5は、非特許文献1において、「状態空間モデルによる異常検知」として記載された異常検知手法に基づく異常検知システムの構成を表したものである。   FIG. 5 shows a configuration of an anomaly detection system based on an anomaly detection method described as “abnormality detection by a state space model” in Non-Patent Document 1.

符号1は監視対象を表す。符号2は監視対象1に対する観測データを一定周期で収集記録する観測データ収集部を表す。符号21は観測データ収集部により生成される時系列観測データDが保存されるデータベースを表す。符号22と符号23とは、それぞれ時系列観測データDを分割して生成される訓練用データDtrと検証用データDvrが保存されるデータベースを表す。   Reference numeral 1 represents a monitoring target. Reference numeral 2 represents an observation data collection unit that collects and records observation data for the monitoring target 1 at a constant period. Reference numeral 21 represents a database in which time-series observation data D generated by the observation data collection unit is stored. Reference numerals 22 and 23 respectively represent databases in which training data Dtr and verification data Dvr generated by dividing the time-series observation data D are stored.

符号3は、従来の異常検知システムを表す。異常検知システム3は、システム同定部35、カルマンフィルタ推定部36および異常度計算部37を備える。   Reference numeral 3 represents a conventional abnormality detection system. The abnormality detection system 3 includes a system identification unit 35, a Kalman filter estimation unit 36, and an abnormality degree calculation unit 37.

監視対象1の時刻tにおける内部状態(状態変数)はz(t)というm次元ベクトルで表される。観測可能な状態量(以下「観測データ」と呼ぶ)はx(t)というM次元ベクトルで表される。このとき、監視対象に対応する線形状態空間モデルは、監視対象に対する入力が無い場合に、下記の式で表すことができる。   The internal state (state variable) of the monitoring target 1 at time t is represented by an m-dimensional vector z (t). Observable state quantities (hereinafter referred to as “observation data”) are represented by an M-dimensional vector x (t). At this time, the linear state space model corresponding to the monitoring target can be expressed by the following equation when there is no input to the monitoring target.

Figure 2019191836
Figure 2019191836

Figure 2019191836
Figure 2019191836

図6は、非特許文献1に掲載された異常検知アルゴリズムをフローチャートの形で示したものである。   FIG. 6 shows an abnormality detection algorithm published in Non-Patent Document 1 in the form of a flowchart.

この異常検知アルゴリズムによれば、十分なサンプリング数(データ数)から成る監視対象1の時系列観測データDが最初に用意され、観測データ収集部2は、時系列観測データDを訓練用データDtrと検証用データDvrとに分割する(S61)。   According to this abnormality detection algorithm, the time series observation data D of the monitoring target 1 having a sufficient number of samplings (data number) is prepared first, and the observation data collection unit 2 converts the time series observation data D into the training data Dtr. And verification data Dvr (S61).

ここで、訓練用データDtrのデータ数をT、検証用データDvrのデータ数をTとし、時系列観測データDのデータ数をT+Tとする。 Here, T 1 the number of data of the training data Dtr, the number of data of the verification data Dvr and T 2, when the number of data series observed data D and T 1 + T 2.

次にシステム同定部35は、上記の訓練用データDtrを用いて、監視対象1のモデルパラメータA、C、Q、R、Q、zを、部分空間同定法などのシステム同定法を用いて求める(ステップS62)。この処理の詳細については後述する。ここで、Qは内部状態の遷移のばらつきを表すm×mの共分散行列である。Rは観測データのばらつきを表すM×Mの共分散行列である。Qは時刻0でのQである。zは時刻0でのz(t)である。 Next, using the training data Dtr, the system identification unit 35 uses the system identification method such as the subspace identification method for the model parameters A, C, Q, R, Q 0 , and z 0 of the monitoring target 1. (Step S62). Details of this processing will be described later. Here, Q is an m × m covariance matrix representing variation in internal state transition. R is an M × M covariance matrix representing the variation of the observation data. Q 0 is Q at time 0. z 0 is z (t) at time 0.

次に、システム同定部35は、式Aμ=zにより、μを得る(ステップS63)。 Next, the system identification unit 35 obtains μ 0 by the expression Aμ 0 = z 0 (step S63).

カルマンフィルタ推定部36は、検証用データDvrに含まれる観測値x(t)(t=1,...,T)について、非特許文献1で定義されるカルマンフィルタによる状態推定演算を実行する。まずは、t=1とする(ステップS64)。カルマンフィルタ推定部36は、tがT以下であるか判定する(ステップS65)。ここでは、tがT以下であるため、次のステップS66に進む。 The Kalman filter estimation unit 36 performs state estimation calculation using the Kalman filter defined in Non-Patent Document 1 for the observed value x (t) (t = 1,..., T 2 ) included in the verification data Dvr. First, t = 1 is set (step S64). Kalman filter estimator 36, t is judged whether it is T 2 or less (step S65). Here, since t is T 2 or less, the process proceeds to the next step S66.

カルマンフィルタ推定部36は、下記の式でt=1として、K、μ、VおよびQを求める(ステップS66)。 The Kalman filter estimation unit 36 obtains K 1 , μ 1 , V 1, and Q 1 with t = 1 in the following equation (step S 66).

Figure 2019191836
Figure 2019191836

カルマンフィルタ推定部36は、式Aμ=zから、zを求める。 Kalman filter estimator 36, from the equation Aμ 1 = z 1, determine the z 1.

更に異常度計算部37は、数3により定義した異常度a(x(t))を算出することによって、監視対象1の異常状態を定量的に評価する(ステップS67)。   Further, the abnormality degree calculation unit 37 quantitatively evaluates the abnormality state of the monitoring target 1 by calculating the abnormality degree a (x (t)) defined by Equation 3 (step S67).

Figure 2019191836
なお上述した式で、記号「≡」は「定義」を表している。
Figure 2019191836
In the above formula, the symbol “≡” represents “definition”.

さらに、カルマンフィルタ推定部36は、tを1増加させる(ステップS68)。   Further, the Kalman filter estimation unit 36 increases t by 1 (step S68).

ここまで説明したステップS65からS68を繰り返すことで、カルマンフィルタ推定部36は、各時刻t=1,...,Tにおける状態変数z(t)の確率分布(平均と分散(μt、Vt))の推定値を計算することができる。また異常度計算部37は、カルマンフィルタ推定部36が計算した推定値に基づき、監視対象1の異常度を計算することができる。 By repeating the steps S65 to S68 described so far, the Kalman filter estimation unit 36 makes each time t = 1,. . . , T 2 , an estimate of the probability distribution (mean and variance (μt, Vt)) of the state variable z (t) can be calculated. Further, the abnormality degree calculation unit 37 can calculate the abnormality degree of the monitoring target 1 based on the estimated value calculated by the Kalman filter estimation unit 36.

図7は、非特許文献1で説明される部分空間同定法によるシステム同定(図6のステップS62)をより詳細なフローチャートの形で示したものである。このシステム同定は、異常検知システム3において、システム同定部35によって実装されるものである。   FIG. 7 shows the system identification (step S62 in FIG. 6) by the subspace identification method described in Non-Patent Document 1 in the form of a more detailed flowchart. This system identification is implemented by the system identification unit 35 in the abnormality detection system 3.

ここで、長さTのM次元時系列観測データDが与えられているとする。また窓幅wと部分時系列の数Nについて、NがMwより十分大きくなるように選ばれているとする。そして時系列のおおよその中間点を時刻tに設定する。   Here, it is assumed that M-dimensional time-series observation data D having a length T is given. Further, it is assumed that N is selected to be sufficiently larger than Mw for the window width w and the number N of partial time series. Then, the approximate midpoint of the time series is set at time t.

システム同定部35は、次式で示す行列X(t)、XおよびXを求める(ステップS71)。 The system identification unit 35 obtains matrices X (t), Xp, and Xf represented by the following equations (step S71).

Figure 2019191836
Figure 2019191836

システム同定部35は、次式で定義する行列Spf、Spp、SfpおよびSffを求める(ステップS72)。 The system identification unit 35 obtains matrices S pf , S pp , S fp and S ff defined by the following equations (step S72).

Figure 2019191836
Figure 2019191836

システム同定部35は、次式で定義する行列Wを求める。そしてWに対して特異値が大きい順にm個の、長さが1に規格化された左右特異ベクトルを求める(ステップS73)。   The system identification unit 35 obtains a matrix W defined by the following equation. Then, m left and right singular vectors with a length normalized to 1 are obtained in descending order of singular values with respect to W (step S73).

Figure 2019191836
Figure 2019191836

Figure 2019191836
Figure 2019191836

Figure 2019191836
Figure 2019191836

システム同定部35は、下記の式を用いて、αおよびβから状態変数系列の推定値を求める(ステップS75)。 The system identification unit 35 obtains an estimated value of the state variable series from α i and β i using the following equation (step S75).

Figure 2019191836
Figure 2019191836

システム同定部35は、下記の式で定義される、観測データからなるデータD’と状態変数の推定値Z’とを求める。なお、T’=T−wとする。   The system identification unit 35 obtains data D ′ including observation data and an estimated value Z ′ of a state variable defined by the following formula. Note that T ′ = T−w.

Figure 2019191836
Figure 2019191836

システム同定部35は、下記の式で定義するベクトルX、Z、ZおよびZを求める(ステップS77)。 The system identification unit 35 obtains vectors X, Z, Z + and Z defined by the following equations (step S77).

Figure 2019191836
Figure 2019191836

システム同定部35は、モデルパラメータA、Q、CおよびRの推定値を下記の式から求める。   The system identification unit 35 obtains estimated values of the model parameters A, Q, C, and R from the following equations.

Figure 2019191836
Figure 2019191836

ここまで説明したように、図7に示す部分空間同定法によるシステム同定によれば、線形状態空間モデルのパラメータA,C,Q,R、Q、zの推定値を、時系列観測データx(t)から求めることができる。 As described so far, according to the system identification by the subspace identification method shown in FIG. 7, the estimated values of the parameters A, C, Q, R, Q 0 , and z 0 of the linear state space model are converted into time series observation data. It can be obtained from x (t).

井出剛、「入門機械学習による異常検知」、コロナ社、2015年Tsuyoshi Ide, “Anomaly Detection by Introductory Machine Learning”, Corona, 2015

上述した従来の異常検知アルゴリズムは、予め用意された時系列観測データを、訓練用データと検証用データとに分割し、監視対象の状態空間モデルに係るモデルパラメータの推定を、オフラインで一括処理する必要があった。この一括処理は例えば、時系列観測データが一定量蓄積された後に行われていた。   The conventional abnormality detection algorithm described above divides time-series observation data prepared in advance into training data and verification data, and performs offline batch processing of estimation of model parameters related to the state space model to be monitored. There was a need. This batch processing has been performed, for example, after a certain amount of time-series observation data has been accumulated.

したがって、例えば経年劣化によって監視対象の特性に変動が生じた場合に、言い換えれば状態空間モデルのモデルパラメータに変化が生じた場合に、監視対象のシステム同定をやり直す必要があった。   Therefore, for example, when a change occurs in the characteristics of the monitoring target due to deterioration over time, in other words, when a model parameter of the state space model changes, it is necessary to redo the system identification of the monitoring target.

そこで本発明は、監視対象の状態異常を速やかに検知することができる異常検知システムおよびプログラムを提供することを目的とするものである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an abnormality detection system and program capable of quickly detecting an abnormal state of a monitoring target.

本発明は、非特許文献1において示された状態空間モデルによる異常検知アルゴリズムを発展させ、同アルゴリズムのオンライン化を図ったものである。   The present invention has been developed by developing the anomaly detection algorithm based on the state space model shown in Non-Patent Document 1 and bringing the algorithm online.

第1の観点による異常検知システムは、線形状態空間モデルによりモデル化が可能な監視対象の異常を検知する異常検知システムであって、前記監視対象に対する観測データを収集して時系列観測データとしてデータベースに保存する観測データ更新部と、前記時系列観測データの少なくとも一部の観測データを、訓練用データおよび検証用データのいずれかに分類する観測データ分類部と、前記訓練用データに基づき、前記監視対象の線形状態空間モデルのモデルパラメータを同定するシステム同定部と、前記システム同定部により同定されるモデルパラメータ、および前記検証用データを入力として、前記監視対象の状態変数の確率分布の推定値を計算する推定部と、前記推定部が計算した前記推定値に基づき、前記監視対象の異常度を計算する異常度計算部とを備え、前記観測データ更新部は、監視対象の観測データを収集すると、新しく収集した観測データを前記時系列観測データに追加するとともに、前記時系列観測データのデータ数がしきい値よりも大きい場合に、前記時系列観測データにおける最も前に収集した観測データを破棄することを特徴とするものである。   An anomaly detection system according to a first aspect is an anomaly detection system that detects an anomaly of a monitoring target that can be modeled by a linear state space model, and collects observation data for the monitoring target and creates a database as time-series observation data Based on the observation data update unit, the observation data classification unit that classifies at least part of the observation data of the time-series observation data into either training data or verification data, and the training data, A system identification unit for identifying a model parameter of a linear state space model to be monitored, a model parameter identified by the system identification unit, and the verification data as inputs, and an estimate of the probability distribution of the state variable to be monitored Based on the estimated value calculated by the estimating unit and the estimating unit, the abnormality degree of the monitoring target is calculated. The observation data update unit, when collecting the observation data to be monitored, adds the newly collected observation data to the time series observation data and the number of data of the time series observation data When is larger than a threshold value, the earliest collected observation data in the time series observation data is discarded.

また、第2の観点による異常検知システムにおいては、前記複数の管理単位それぞれで有する、電力供給機器の供給余力に基づいて、前記管理単位それぞれの達成困難度を求めることが好ましい。   In the anomaly detection system according to the second aspect, it is preferable to obtain the degree of difficulty in achieving each management unit based on the supply capacity of the power supply device included in each of the plurality of management units.

上述したように本発明の解決手段を異常検知システムとして説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する装置、プログラムまたは当該プログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。   As described above, the solution of the present invention has been described as an abnormality detection system. However, the present invention can also be realized as a device, a program, or a storage medium that records the program substantially equivalent to these. It should be understood that these are included in the scope of the invention.

例えば、第3の観点によるプログラムは、第1または第2の観点による異常検知システムにおいて、線形状態空間モデルによりモデル化が可能な監視対象の異常を検知するためのプログラムである。   For example, the program according to the third aspect is a program for detecting an abnormality of a monitoring target that can be modeled by a linear state space model in the abnormality detection system according to the first or second aspect.

本発明によれば、監視対象の特性に変動が生じた場合に、監視対象のモデルパラメータの再学習処理のため、異常検知システムの動作を停止しなければならないという制約をなくすことができる。   According to the present invention, it is possible to remove the restriction that the operation of the abnormality detection system must be stopped for the relearning process of the model parameter of the monitoring target when the characteristic of the monitoring target changes.

そして本発明の異常検知システムは、観測データを収集した後、監視対象の内部状態の推定値に基づく異常度を速やかに算出することができる。   And the abnormality detection system of this invention can calculate the abnormality degree rapidly based on the estimated value of the internal state of a monitoring object after collecting observation data.

本発明に係る異常検知システムの実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of embodiment of the abnormality detection system which concerns on this invention. 本実施形態の観測データのサンプリング処理を示す図である。It is a figure which shows the sampling process of the observation data of this embodiment. 本発明に係る異常検知システムの実施形態のアルゴリズムを表す図である。It is a figure showing the algorithm of embodiment of the abnormality detection system which concerns on this invention. 本実施形態の異常検知システムの実施例を表す図である。It is a figure showing the Example of the abnormality detection system of this embodiment. 或る時点での各ポインタの指示位置と、新しい観測データがサンプリングされた後の各ポインタの指示位置とを表す図である。It is a figure showing the indication position of each pointer in a certain time, and the indication position of each pointer after new observation data is sampled. 従来の異常検知システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional abnormality detection system. 従来の異常検知システムのアルゴリズムを表す図である。It is a figure showing the algorithm of the conventional abnormality detection system. 部分空間同定法の学習アルゴリズムを示す図である。It is a figure which shows the learning algorithm of a subspace identification method.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図1は、異常検知システムの実施形態の構成を表したものである。符号1は、監視対象を表す。符号3は、本実施形態の異常検知システムを表す。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of an embodiment of an abnormality detection system. Reference numeral 1 represents a monitoring target. The code | symbol 3 represents the abnormality detection system of this embodiment.

本実施形態の異常検知システム3は、観測データ更新部31と、観測データが保存されるデータベース32と、観測データを訓練用データおよび検証用データのいずれかに分類する観測データ分類部33と、訓練用データおよび検証用データがそれぞれ保存されるデータベース34aおよび34bと、システム同定部35と、カルマンフィルタ推定部36と異常度計算部37とを備える。   The anomaly detection system 3 of this embodiment includes an observation data update unit 31, a database 32 in which observation data is stored, an observation data classification unit 33 that classifies observation data into either training data or verification data, Databases 34a and 34b in which training data and verification data are respectively stored, a system identification unit 35, a Kalman filter estimation unit 36, and an abnormality degree calculation unit 37 are provided.

図2は、監視対象1の観測量をサンプリングして、観測データx(t)として保存する過程を示す図である。任意の絶対的な時刻kにおける監視対象1の観測データをξ(k)で表すと、上記の線形状態空間モデルの観測データx(t)は、次式で定義される。   FIG. 2 is a diagram illustrating a process of sampling the observation amount of the monitoring target 1 and storing it as observation data x (t). When the observation data of the monitoring object 1 at an arbitrary absolute time k is represented by ξ (k), the observation data x (t) of the linear state space model is defined by the following equation.

Figure 2019191836
Figure 2019191836

以下、異常検知システム3が行う異常検出のアルゴリズムを、図3を参照して説明する。監視対象1の新たな観測データξ(k+T+T)が得られたとき(ステップS31)、観測データx(t)の時系列観測データを、次式により更新する(ステップS32)。 Hereinafter, an abnormality detection algorithm performed by the abnormality detection system 3 will be described with reference to FIG. When new observation data ξ (k + T 1 + T 2 ) of the monitoring object 1 is obtained (step S31), the time series observation data of the observation data x (t) is updated by the following equation (step S32).

Figure 2019191836
Figure 2019191836

上述した処理により、時系列観測データDがDに更新される。図2に示すように、更新後の時系列観測データDでは、更新前の時系列観測データの中で最も古い観測データ、すなわち最も前に収集された観測データであったξ(k)が破棄されている。観測データ更新部31は、このデータ破棄処理を、時系列観測データのデータ数がしきい値(この実施形態ではT+T)よりも大きい場合に行う。更新前の時系列観測データDと更新後の時系列観測データDとのデータ数は同じである。 The above-described processing, the time-series observation data D 0 is updated to D 1. As shown in FIG. 2, in the time series observation data D 1 after the update, the oldest observation data among the time series observation data before the update, that is, ξ (k) that was the earliest collected observation data is It has been destroyed. The observation data update unit 31 performs this data discarding process when the number of time-series observation data is larger than a threshold value (T 1 + T 2 in this embodiment). The number of data of the time-series observation data D 1 of the updated time series observed data D 0 before update is the same.

次に、観測データ分類部33は、時系列観測データDを訓練用データDtrと検証用データDvrに分ける(ステップS33)。なお、時系列観測データDのすべてを訓練用データDtrと検証用データDvrのいずれかに分けることができ、また時系列観測データDの一部を訓練用データDtrと検証用データDvrのいずれかに分けることもできる。 Then, the observation data classifying unit 33, when dividing the series observed data D 1 in the training data Dtr and the verification data Dvr (step S33). In addition, time-series observation all of the data D 1 can be divided into any of the verification data Dvr and training for data Dtr, and when a part of the series observed data D 1 and training for data Dtr of verification data Dvr It can be divided into either.

その後、システム同定部35は、上述し図7に示したフローチャートで詳細に示すシステム同定を行い、新たなモデルパラメータA、C、Q、R、Q、zを得る(ステップS34)。 Thereafter, the system identification unit 35 performs system identification shown in detail in the flowchart described above and shown in FIG. 7 to obtain new model parameters A, C, Q, R, Q 0 , and z 0 (step S34).

次に、システム同定部35は、式Aμ=zにより、μを得る(ステップS35)。 Next, the system identification unit 35 obtains μ 0 by the expression Aμ 0 = z 0 (step S35).

カルマンフィルタ推定部36は、検証用データDvrに含まれる観測データx(t)(t=1,...,T)に対して、カルマンフィルタによる状態推定演算を実行する。まずは、t=1とする(ステップS36)。カルマンフィルタ推定部36は、tがT以下であるか判定する(ステップS37)。ここでは、tがT以下であるため、次のステップS38に進む。 The Kalman filter estimation unit 36 performs a state estimation calculation by the Kalman filter on the observation data x (t) (t = 1,..., T 2 ) included in the verification data Dvr. First, t = 1 is set (step S36). Kalman filter estimator 36, t is judged whether it is T 2 or less (step S37). Here, since t is T 2 or less, the process proceeds to the next step S38.

カルマンフィルタ推定部36は、下記の式でt=1として、K、μ、VおよびQを求める(ステップS38)。 The Kalman filter estimation unit 36 obtains K 1 , μ 1 , V 1, and Q 1 with t = 1 in the following equation (step S38).

Figure 2019191836
Figure 2019191836

カルマンフィルタ推定部36は、式Aμ=zから、zを求める。 Kalman filter estimator 36, from the equation Aμ 1 = z 1, determine the z 1.

更に異常度計算部37は、下記の式により定義した異常度a(x(t))を算出することにより、監視対象1の異常状態を定量的に評価する(ステップS39)。   Furthermore, the abnormality degree calculation unit 37 quantitatively evaluates the abnormality state of the monitoring target 1 by calculating the abnormality degree a (x (t)) defined by the following equation (step S39).

Figure 2019191836
Figure 2019191836

異常度a(x(t))が所定のしきい値を越える場合には、例えば異常度計算部37はオペレータに警告を行うことができる。このように、異常検知システム3は、速やかに状態異常を検知してオペレータに警告することができる。   When the degree of abnormality a (x (t)) exceeds a predetermined threshold value, for example, the degree of abnormality calculation unit 37 can warn the operator. Thus, the abnormality detection system 3 can promptly detect a state abnormality and warn the operator.

さらに、カルマンフィルタ推定部36は、tを1増加させる(ステップS40)。   Further, the Kalman filter estimation unit 36 increases t by 1 (step S40).

ここまで説明したステップS37からS40を繰り返すことで、カルマンフィルタ推定部36は、各時刻t=1,...,Tにおける状態変数z(t)の確率分布(平均と分散(μt、Vt))の推定値を計算することができる。また異常度計算部37は、カルマンフィルタ推定部36が計算した前記推定値に基づき、前記監視対象の異常度を計算することができる。 By repeating the steps S37 to S40 described so far, the Kalman filter estimation unit 36 performs each time t = 1,. . . , T 2 , an estimate of the probability distribution (mean and variance (μt, Vt)) of the state variable z (t) can be calculated. Further, the abnormality degree calculation unit 37 can calculate the abnormality degree of the monitoring target based on the estimated value calculated by the Kalman filter estimation unit 36.

t=T+1であるときに、カルマンフィルタ推定部36は、ステップS37で、tがT以下でないと判定する。その後処理はステップS31に戻る。 When t = T 2 +1, the Kalman filter estimation unit 36 determines that t is not equal to or less than T 2 in step S37. Thereafter, the process returns to step S31.

なお、本実施形態では、カルマンフィルタ推定部36がカルマンフィルタに基づいて状態推定演算を行っているが、他の同定法で状態推定演算を行うこともできる。   In this embodiment, the Kalman filter estimation unit 36 performs the state estimation calculation based on the Kalman filter, but the state estimation calculation can also be performed by other identification methods.

その後、監視対象に対する本実施形態では一定のサンプリング周期が経過し、監視対象1の新たな観測データξ(k+T+T+1)が得られたときには(ステップS31)、前記と同様に、観測データx(t)の時系列データを、次式により更新する(ステップS32)。 Thereafter, in this embodiment for the monitoring target, when a certain sampling period has elapsed and new observation data ξ (k + T 1 + T 2 +1) of the monitoring target 1 is obtained (step S31), the observation data is the same as described above. The time series data of x (t) is updated by the following equation (step S32).

Figure 2019191836
Figure 2019191836

これにより、図2に示すように時系列観測データDがDに更新される。その後、上述したシステム同定と異常度計算(ステップS38)とを含むステップS33からS40を実行することにより、異常検知システム3は新たな時系列観測データDに基づく異常度を得ることができる。 Thus, time-series observation data D 1 is updated to D 2 as shown in FIG. Then, by executing S40 from step S33 including the above-described system identification and abnormality calculation (step S38), the abnormality detection system 3 can obtain a degree of abnormality based on the time-series observation data D 2 new.

このように、監視対象の新たな観測データが得られるごとに、時系列観測データを更新し、上述したシステム同定と異常度計算を繰り返すことによって、最新の観測データに基づいた異常度をリアルタイムで得ることができる。   In this way, every time new observation data to be monitored is obtained, the time series observation data is updated, and the above-mentioned system identification and abnormality degree calculation are repeated, so that the abnormality degree based on the latest observation data is obtained in real time. Obtainable.

前記の如く、本実施形態の異常検知システムを適用することによって、異常検知アルゴリズムにおいて、状態空間モデルのシステム同定をオンライン化することができ、システム同定のための期間を別途設ける必要が無くなる。例えば具体的には、時系列観測データを車両外のシステムに移して車両外システムで異常度を求める必要がなくなる。   As described above, by applying the abnormality detection system of the present embodiment, the system identification of the state space model can be brought online in the abnormality detection algorithm, and it is not necessary to provide a period for system identification separately. For example, specifically, it is not necessary to transfer the time-series observation data to a system outside the vehicle and obtain the degree of abnormality by the system outside the vehicle.

更に、監視対象の直近の観測データに基づいて、状態空間モデルのシステム同定が行われるため、監視対象1の特性変動にも追従可能となる。そのため、本実施形態の異常検知システム3によれば、状態異常の検知精度を向上させることができる。   Furthermore, since the system identification of the state space model is performed based on the latest observation data of the monitoring target, it is possible to follow the characteristic variation of the monitoring target 1. Therefore, according to the abnormality detection system 3 of this embodiment, the detection accuracy of a state abnormality can be improved.

図4Aは、本発明の異常検知システムの実施例における構成を示したものである。   FIG. 4A shows a configuration in an embodiment of the abnormality detection system of the present invention.

符号4は異常検知システムを表す。この実施例の異常検知システムの基本的な構成は図1に示した異常検知システム3と同じであるが、図1において観測データが保存されるデータベース32と訓練用データが保存されるデータベース34aと検証用データが保存されるデータベース34bとは、具体的なメモリ装置42として実装されている。また、図4Aには、図1に示す観測データ分類部33は設けられておらず、後述するように、観測データ更新部31が観測データを訓練用データおよび検証用データのいずれかに分類する。   Reference numeral 4 represents an abnormality detection system. The basic configuration of the anomaly detection system of this embodiment is the same as that of the anomaly detection system 3 shown in FIG. 1, but in FIG. 1, a database 32 storing observation data and a database 34a storing training data The database 34b in which the verification data is stored is implemented as a specific memory device 42. 4A is not provided with the observation data classification unit 33 shown in FIG. 1, and the observation data update unit 31 classifies the observation data into either training data or verification data, as will be described later. .

メモリ装置42は、観測データ1点分(ある時刻に取得した観測データ)のエリアごとにアドレッシングされている。符号42aは訓練用データDtrの開始位置を指示するポインタを表す。符号42bは検証用データDvrの開始位置を指示するポインタを表す。符号42cは、次に取得する新しい観測データを書き込む位置を指示するポインタを表す。   The memory device 42 is addressed for each area of one point of observation data (observation data acquired at a certain time). Reference numeral 42a represents a pointer that indicates the start position of the training data Dtr. Reference numeral 42b represents a pointer indicating the start position of the verification data Dvr. Reference numeral 42c represents a pointer that indicates a position where new observation data to be acquired next is written.

ここで、観測データ用のメモリエリアは有限であるため、論理的なリングバッファを構成するように、前記の各ポインタのアドレッシングが管理されているものとする。   Here, since the memory area for observation data is limited, it is assumed that the addressing of each pointer is managed so as to form a logical ring buffer.

図4Bは、或る時点での各ポインタの指示位置と、新しい観測データがサンプリングされて観測データ更新部41によって時系列観測データが更新された後の各ポインタの指示位置とを表している。例えば図4Bにおいて左側に示す、或る時点での時系列観測データは、図2の時系列観測データDに対応する。また、図4Bにおいて右側に示す、時系列観測データが更新された後の時系列観測データは、図2の時系列観測データDに対応する。 FIG. 4B shows the designated position of each pointer at a certain time point and the designated position of each pointer after the new observation data is sampled and the time series observation data is updated by the observation data update unit 41. For example shown in the left side in FIG. 4B, the time-series observation data at a certain point in time, corresponds to the time-series observation data D 0 in FIG. Further, time-series observation data after shown on the right, the time-series observation data is updated in FIG. 4B corresponds to the time-series observation data D 1 of the FIG.

図4Bに示すポインタ42a’は、ポインタ42aが指すデータの次のデータを指している。ポインタ42b’および42c’についても同様である。新しい観測データがサンプリングされた際に、観測データ更新部41は、ポインタをこのようにずらして、最も古い観測データ、すなわち最も前に収集された観測データが参照されないようにする。そして、更に新しく収集する観測データが最も古い観測データが記憶されている位置に書き込まれるようにする。   A pointer 42a 'shown in FIG. 4B points to data next to the data pointed to by the pointer 42a. The same applies to the pointers 42b 'and 42c'. When new observation data is sampled, the observation data update unit 41 shifts the pointer in this way so that the oldest observation data, that is, the observation data collected earliest is not referred to. Further, newly collected observation data is written at a position where the oldest observation data is stored.

上記のように、各ポインタのアドレッシングを用いて時系列観測データの一部が更新される。これにより、訓練用データと検証用データのそれぞれの内容を一サンプリング時間ずつシフトすることが可能となり、各データの更新およびシステム同定部で使用される行列演算を効率よく実行することができる。   As described above, a part of the time series observation data is updated using the addressing of each pointer. As a result, the contents of the training data and the verification data can be shifted by one sampling time, and the updating of each data and the matrix operation used in the system identification unit can be executed efficiently.

以上、異常検知システム3,4について説明したが、異常検知システム3,4として機能させるためにコンピュータを好適に用いることが可能である。そのようなコンピュータは、異常検知システム3,4の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを該コンピュータの記憶部に格納しておき、該コンピュータのCPUによってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。   Although the abnormality detection systems 3 and 4 have been described above, a computer can be suitably used to function as the abnormality detection systems 3 and 4. Such a computer stores a program describing the processing contents for realizing the functions of the abnormality detection systems 3 and 4 in a storage unit of the computer, and the CPU of the computer reads and executes the program. Can be realized.

また、このプログラムは、コンピュータ読取り可能媒体に記録されていてもよい。コンピュータ読取り可能媒体を用いれば、コンピュータにインストールすることが可能である。ここで、プログラムが記録されたコンピュータ読取り可能媒体は、非一過性の記録媒体であってもよい。非一過性の記録媒体は、特に限定されるものではないが、例えば、CD−ROMまたはDVD−ROMなどの記録媒体であってもよい。   The program may be recorded on a computer readable medium. If a computer-readable medium is used, it can be installed on a computer. Here, the computer-readable medium on which the program is recorded may be a non-transitory recording medium. The non-transitory recording medium is not particularly limited, but may be a recording medium such as a CD-ROM or a DVD-ROM.

上述の実施形態は代表的な例として説明した。しかしながら、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形または変更が可能である。例えば、実施形態の構成図に記載の複数の構成ブロックを1つに組み合わせたり、あるいは1つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。   The above-described embodiment has been described as a representative example. However, it will be apparent to those skilled in the art that many changes and substitutions can be made within the spirit and scope of the invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited by the above-described embodiments, and various modifications or changes can be made without departing from the scope of the claims. For example, it is possible to combine a plurality of constituent blocks described in the configuration diagram of the embodiment into one, or to divide one constituent block.

本発明は、線形状態空間モデルによるモデリングが可能なシステムであれば電子装置のみに適用されるものではなく、適切なセンサを備えることにより機械系(例えば駆動系)の異常診断システムへも適用可能である。   The present invention can be applied not only to an electronic device as long as the system can be modeled by a linear state space model, but also to an abnormality diagnosis system for a mechanical system (for example, a drive system) by including an appropriate sensor. It is.

1…監視対象
3…異常検知システム
31…観測データ更新部
32…データベース
33…観測データ分類部
34a…データベース
34b…データベース
35…システム同定部
36…カルマンフィルタ推定部
37…異常度計算部
4…異常検知システム
41…観測データ更新部
42…メモリ装置
42a,42a’…ポインタ
42b,42b’…ポインタ
42c,42c’…ポインタ
45…システム同定部
46…カルマンフィルタ推定部
47…異常度計算部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Monitoring object 3 ... Abnormality detection system 31 ... Observation data update part 32 ... Database 33 ... Observation data classification part 34a ... Database 34b ... Database 35 ... System identification part 36 ... Kalman filter estimation part 37 ... Abnormality degree calculation part 4 ... Abnormality detection System 41 ... Observation data update unit 42 ... Memory device 42a, 42a '... Pointer 42b, 42b' ... Pointer 42c, 42c '... Pointer 45 ... System identification unit 46 ... Kalman filter estimation unit 47 ... Abnormality degree calculation unit

Claims (3)

線形状態空間モデルによりモデル化が可能な監視対象の異常を検知する異常検知システムであって、
前記監視対象に対する観測データを収集して時系列観測データとしてデータベースに保存する観測データ更新部と、
前記時系列観測データの少なくとも一部の観測データを、訓練用データおよび検証用データのいずれかに分類する観測データ分類部と、
前記訓練用データに基づき、前記監視対象の線形状態空間モデルのモデルパラメータを同定するシステム同定部と、
前記システム同定部により同定されるモデルパラメータ、および前記検証用データを入力として、前記監視対象の状態変数の確率分布の推定値を計算する推定部と、
前記推定部が計算した前記推定値に基づき、前記監視対象の異常度を計算する異常度計算部とを備え、
前記観測データ更新部は、監視対象の観測データを収集すると、新しく収集した観測データを前記時系列観測データに追加するとともに、前記時系列観測データのデータ数がしきい値よりも大きい場合に、前記時系列観測データにおける最も前に収集した観測データを破棄することを特徴とする、異常検知システム。
An anomaly detection system for detecting an anomaly of a monitoring target that can be modeled by a linear state space model,
An observation data update unit that collects observation data for the monitoring target and stores it in a database as time-series observation data;
An observation data classification unit for classifying at least a part of the observation data of the time series observation data into one of training data and verification data;
A system identification unit for identifying a model parameter of the linear state space model to be monitored based on the training data;
An estimation unit that calculates an estimated value of a probability distribution of the state variable to be monitored, using the model parameter identified by the system identification unit and the verification data as inputs, and
Based on the estimated value calculated by the estimation unit, an abnormality degree calculation unit that calculates the abnormality degree of the monitoring target,
The observation data update unit, when collecting observation data to be monitored, adds newly collected observation data to the time series observation data, and when the number of data of the time series observation data is larger than a threshold value, An anomaly detection system, wherein the observation data collected most recently in the time-series observation data is discarded.
前記推定部は、カルマンフィルタに基づいて前記確率分布の推定値を計算する、請求項1に記載の異常検知システム。   The anomaly detection system according to claim 1, wherein the estimation unit calculates an estimated value of the probability distribution based on a Kalman filter. コンピュータを請求項1または2に記載の異常検知システムとして機能させるためのプログラム。   The program for functioning a computer as an abnormality detection system of Claim 1 or 2.
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