이상감지지식베이스 단변량통계데이터연산
전문가이상진단 지식베이스 Y
N
통계적 분석기반 이상감지 및 이상진단모듈
전문가 지식기반 이상진단 모듈
정상
그림 3.19고장진단모듈의 흐름도
Fig.3.19Flowchartofthefaultdiagnosissystem
제
제 제 4 4 4장 장 장 이 이 이상 상 상감 감 감지 지 지 및 및 및 이 이 이상 상 상진 진 진단 단 단 시 시 시뮬 뮬 뮬레 레 레이 이 이션 션 션
4
44...111통통통계계계적적적분분분석석석기기기반반반 이이이상상상감감감지지지 및및및 이이이상상상진진진단단단을을을 위위위한한한 실실실험험험
선박용 디젤기관의 계통별 분류를 통해 계통별 계측항목 간 상관관계를 정량적으로 표현가능하다는 사실을 3장에서 알아보았다.이를 통해 구성 된 이상감지지식베이스와 이상진단지식베이스는 과거 정상운항데이터를 기반으로 설계되었으며 실시간으로 수집되는 데이터의 이상상태를 감지하 며 이상진단을 수행할 수 있을 것으로 예상된다.이상감지 및 이상진단 성능을 확인하기 위하여 본 실험에서는 실선운항데이터의 운전범위를 벗 어나지 않고 통계적 특성이 유사하도록 발생된 정규분포난수를 포함한 데 이터집합을 대상으로 이상감지와 이상진단 실험을 행한다.
본 논문에서 사용하는 운항데이터는 모두 정상상태의 데이터이므로 본 논문에서 제안한 통계적 분석기법을 이용한 이상감지 및 이상진단을 실험 하기 위하여서는 비정상적인 데이터를 발생하여야 한다.따라서 각 계측 항목의 모집단과 통계적 성질이 같은 정규분포난수를 발생하여 시뮬레이 션을 행한다.발생한 정규분포난수는 모집단과 통계적 성질은 같지만 시 스템의 특성을 포함하고 있지 않으므로 계측항목과는 상관관계가 낮게 된 다.그러나 통계적 성질은 같으므로 비정상데이터로 구분하기 어려운 데 이터집합이다.정규분포난수(NDRN)는 다음과 같이 3가지 방법에 의해 발 생하여 사용하였다.
(1)모집단 전체구간(PTR)의 평균과 표준편차로 NDRN를 발생.
(TNDRN :TotalNDRN으로 정의함)
(2)모집단을 임의구간으로 나누고 임의구간의 평균과 표준편차로 NDRN 발생.
(PNDRN :Parti alNDRN으로 정의함)
(3)부하 및 실린더 배기가스온도 등의 독립변수로부터 구해진 감지구간
에서의 MA와 SD로 NDRN 발생.
(FNDRN :Faul tNDRN으로 정의함)
그림 4.1∼4.5는 TNDRN과 PNDRN에 의한 실린더 배기가스온도와 과 급기회전수,과급기 배기가스온도,소기공기압력 및 소기공기온도에 대하 여 발생한 데이터를 그래프로 나타낸 것이다.그림 4.6∼4.9는 FNDRN에 의한 데이터를 구간별로 발생시켜 나타낸 그래프이다.그림에서 TNDRN 은 PTR에서 얻어진 계측항목의 평균과 표준편차를 이용하여 PTR 전체 에 NDRN을 발생시켜 나타낸 데이터 집합을 의미하며,PNDRN은 PTR을 50개 데이터 집합의 구간들로 나누어 각 구간의 평균과 표준편차에 해당 하는 NDRN을 발생시켜 나타낸 데이터집합이다.FNDRN은 3장에서 FDR 구간을 선정하는 알고리즘을 통해 그림 3.17에서와 같은 방법으로 구해진 FDR의 3배로 확장시켜 NDRN을 발생시킨 데이터집합으로 구성되어 있 다.예를 들면 그림 4.7에서 과급기회전수의 첫 번째 FDR이 10개 데이터 로 구성되어 있다고 가정하면 FDR 좌우로,설정된 FDR만큼 구간을 확장 하여 30개의 데이터 구간에 대하여 NDRN을 발생시켜 나타낸 것이다.
본 실험에서는 이상감지를 위해 부하와 No.1 실린더 배기가스온도 및 평균배기가스온도의 MVSD에 의해 설정된 FDR을 사용한다.또한 감지된 이상상태를 진단하기위한 독립변수로서 소기공기압력,No.1과급기회전수, 과급기 배기가스온도 및 실린더 평균배기가스온도의 MVSD에 의해 설정 된 FDR을 사용하였다.각 독립변수의 FDR구간에서 각각 3가지 방법으로 발생한 정규분포난수,즉 TNDRN,PNDRN 및 FNDRN로 계측항목간에 의 CC를 각각 구한다.구해진 CC는 3장에서 설계된 이상감지모듈에 의해 이상감지가 수행되고,이상진단모듈에 의해 이상진단이 수행된다.
표 4.1∼4.9는 각 독립변수의 MVSD에 대한 FDR에서 실험데이터와의 CC를 나타낸 것이다.표에서 ‘ReferenceCC’는 표 3.19에서 정의된 이상 감지 및 이상진단을 위한 FDCC를 나타낸 것이다.
286 304 321 339 356 374
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs No.1 Cyl Texh[℃]
Random data No.1 Cyl Texh
(a)No.1실린더 배기가스온도의 TNDRN과 OPD (a)No.1TNDRN andOPD ofthecylinderexhaustgas
temperature
286 304 321 339 356 374
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs No.1 Cyl Texh[℃]
Random data No.1 Cyl Texh
(b)No.1실린더 배기가스온도의 PNDRN과 OPD (b)PNDRN andOPD oftheNo.1Cylinderexhaustgas
temperature
그림 4.1No.1실린더 배기가스온도의 TNDRN,PNDRN과 OPD Fig.4.1TNDRN,PNDRN andOPD oftheNo.1Cylinder
exhaustgastemperature
200 240 280 320 360 400
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs
No.1 T/C Texh[℃]
Random data No.1 T/C Texh
(a)No.1과급기 배기가스온도의 TNDRN과 OPD (b)TNDRN andOPD oftheNo.1T/C exhaustgas
temperature
200 240 280 320 360 400
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs
No.1 T/C Texh[℃]
Random data No.1 T/C Texh
(b)No.1과급기 배기가스온도의 PNDRN과 OPD (b)No.1PNDRN andOPD oftheT/C exhaustgas
temperature
그림 4.2No.1과급기 배기가스온도의 TNDRN,PNDRN과 OPD Fig.4.2No.1TNDRN,PNDRN andOPD oftheT/C exhaust
gastemperature
50 68 86 104 122 140
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs
No.1 T/C SPD(x100[rpm])
Random data No.1 T/C SPD
(a)No.1과급기회전수의 TNDRN과 OPD (a)TNDRN andOPD oftheNo.1T/C speed
50 68 86 104 122 140
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs
No.1 T/C SPD(x100[rpm])
Random data No.1 T/C SPD
(b)No.1과급기회전수의 PNDRN과 OPD (b)PNDRN andOPD oftheNo.1T/C speed
그림 4.3No.1과급기회전수의 TNDRN,PNDRN과 OPD Fig.4.3TNDRN,PNDRN andOPD oftheNo.1T/C speed
20 28 36 44 52 60
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs Scav air Fwd Tin[℃]
Random data Scav air Fw d Tin
(a)Fwd소기공기온도의 TNDRN과 OPD
(a)TNDRN andOPD ofthescavengingairFwdtemperature
20 28 36 44 52 60
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs Scav air Fwd Tin[℃]
Random data Scav air Fw d Tin
(b)Fwd소기공기온도의 PNDRN과 OPD (b)PNDRN andOPD ofthescavengingairFwd
temperature
그림 4.4Fwd소기공기온도의 TNDRN,PNDRN과 OPD Fig.4.4TNDRN,PNDRN,andOPD ofthescavengingair
Fwdtemperature
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs
Scav air Pin[kg/cm2]
Random data Scav air Pin
(a)소기공기압력의 TNDRN과 OPD
(a)TNDRN andOPD ofthescavengingairpressure
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs
Scav air Pin[kg/cm2]
Random data Scav air Pin
(b)소기공기압력의 PNDRN과 OPD
(b)PNDRN andOPD ofthescavengingairpressure
그림 4.5소기공기압력의 TNDRN,PNDRN과 OPD Fig.4.5TNDRN,PNDRN,andOPD ofthescavengingair
pressure
280 304 328 352 376 400
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs No.1 Cyl Texh[℃]
200 236 272 308 344 380
No.3 Cyl Texh[℃] No.3 Cyl Texh
No.1 Cyl Texh
1 2 3 4
그림 4.6No.1실린더 배기가스온도의 FNDRN과 OPD No.3실린더 배기가스온도 OPD
Fig.4.6No.3FNDRN oftheNo.1cylinderexhaustgastemperatureand OPD oftheNo.3cylinderexhaustgastemperature
50 78 106 134 162 190
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs
No.1 T/C SPD(x100[rpm])
60 76 92 108 124 140
No.1 T/C SPD(x100[rpm])
No.2 T/C SPD No.1 T/C SPD
1 2 3 4
그림 4.7No.1과급기회전수의 FNDRN과 No.2과급기회전수의 OPD Fig.4.7FNDRN oftheNo.1T/C speedandOPD oftheNo.2T/C
speed
190 230 270 310 350 390
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs No.1 T/C Texh[℃]
250 290 330 370 410 450
No.2 T/C Texh
[℃
]
No.2 T/C Texh No.1 T/C Texh
1 2 3 4 5 6
그림 4.8No.1과급기 배기가스온도의 FNDRN과 No.2과급기 배기가스온도의 OPD
Fig.4.8FNDRN oftheNo.1T/C exhaustgastemperatureandOPD of theNo.2T/C exhaustgastemperature
0 16 32 48 64 80
0 40 80 120 160 200 240
Sample/4hrs
Scav air Fwd Tin[℃]
(2.0) (1.0) 0.0 1.0 2.0 3.0
Scav air Pin[kg/cm2]
Scav air Pin Scav air Fwd Tin
1 2 3, 4, 5 6
그림 4.9Fwd소기공기온도의 FNDRN과 소기공기압력의 OPD Fig.4.9 FNDRN ofthescavengingairFwdtemperatureandOPD of
thescavengingairpressure
No.1CylTexh
No.2CylTexh R1 R2 R3 R4 R5
ReferenceCC 0.998 0.979 0.984 0.991 0.973 TNDRN -0.565 0.325 -0.365 -0.421 0.510 변동률[%] -156.6 -66.7 -137.1 -142.5 -47.6 PNDRN -0.365 -0.066 -0.182 -0.007 -0.191 변동률[%] -136.6 -106.8 -118.5 -100.7 -119.6 표 4.1No.1실린더 배기가스온도의 TNDRN과 PNDRN에 의한 No.2실 린더 배기가스온도의 CC
Table 4.1 CC of the No.2 cylinder exhaust gas temperature in a TNDRN andPNDRN oftheNo.1cylinderexhaustgastemperature
No.1T/C SPD
No.2T/C SPD R1 R2 R3 R4
ReferenceCC 0.998 0.999 0.992 0.998 TNDRN 0.091 -0.149 0.075 0.157 변동률[%] -90.9 -115 -92.4 -82.3 PNDRN 0.770 -0.013 -0.121 0.256 변동률[%] -22.8 -101.3 -112.2 -74.3 표 4.2No.1과급기회전수의 TNDRN과 PNDRN에 의한 No.2과급기회전 수의 CC
Table4.2CC oftheNo.2T/C speedinaTNDRN andPNDRN ofthe No.1T/C speed
ScavairFwdTin
ScavairAftTin R1 R2 R3 R4
ReferenceCC 0.992 0.973 0.975 0.991 TNDRN -0.138 0.266 0.159 -0.304 변동률[%] -113.9 -72.7 -83.7 -130.7 PNDRN 0.309 0.264 -0.339 0.311 변동률[%] -68.8 -72.9 -134.8 -68.6 표 4.6Fwd 소기공기온도의 TNDRN과 PNDRN에 의한 Aft소기공기온 도의 CC
Table4.6CC ofthescavenging airAfttemperatureinaTNDRN and PNDRN ofthescavengingairFwdtemperature
No.1T/C Texh
No.2T/C Texh R1 R2 R3 R4 R5 R6 ReferenceCC 0.998 0.963 0.918 0.988 0.913 0.994 TNDRN 0.134 0.014 -0.465 0.108 0.354 0.255 변동률[%] -86.6 -98.5 -150.7 -89 -61.2 -74.3 PNDRN -0.283 0.227 -0.189 -0.113 -0.086 0.080 변동률[%] -128.4 -76.4 -120.6 -111.4 -109.4 -91.9 표 4.4No.1과급기 배기가스온도의 TNDRN과 PNDRN에 의한 No.2과 급기 배기가스온도의 CC
Table4.4CC ofT/C No.1/No.2ExhaustT(℃)inTNDRN andPNDRN
ScavairPin
ScavairFwdTin R1 R2 R3 R4 R5 R6 ReferenceCC 0.964 0.971 0.982 0.967 0.956 0.997 TNDRN -0.253 0.288 0.514 0.167 -0.017 0.210 변동률[%] -126.2 -70.3 -47.7 -82.7 -101.8 -78.9 PNDRN -0.937 0.051 0.325 0.392 0.114 -0.036 변동률[%] -197.2 -94.7 -66.9 -90.5 -88 -103.6 표 4.5 소기공기압력의 TNDRN과 PNDRN에 의한 Fwd 소기공기온도의 CC
Table4.5CC ofthescavengingairFwdtemperatureinaTNDRN and PNDRN ofthescavengingairpressure
ScavairPin
R1 R2 R3 R4 R5 R6
ReferenceCC 0.964 0.971 0.982 0.967 0.956 0.997 ScavairFwdTin -0.702 0.021 -0.149 0.432 -0.446 -0.275 변동률[%] -172.8 -97.8 -115.2 -35.5 -146.6 -127.6 표 4.3소기공기압력의 FNDRN에 의한 Fwd소기공기온도의 CC
Table4.3CC ofthescavenging airFwd temperaturein aFNDRN of thescavengingairpressure
No.3CylTexh
R1 R2 R3 R4
ReferenceCC 0.992 0.993 0.986 0.979 No.1CylTexh 0.237 0.385 -0.299 -0.352 변동률[%] -76.1 -61.2 -130.3 -015.7 표 4.7No.3실린더 배기가스온도의 FNDRN에 의한 No.1실린더배기가스 온도의 CC
Table 4.7 CC of the No.1 cylinder exhaust gas temperature in a FNDRN oftheNo.3cylinderexhaustgastemperature
No.2T/C SPD
R1 R2 R3 R4
ReferenceCC 0.998 0.998 0.991 1 No.1T/C SPD 0.240 0.297 -0.078 0.387 변동률[%] -75.9 -70.2 -107.9 -61.3 표 4.8No.2과급기회전수의 FNDRN에 의한 No.1과급기회전수의 CC Table 4.8 CC ofthe No.2 T/C speed in a FNDRN ofthe No.1 T/C speed
No.2T/C Texh
R1 R2 R3 R4 R5 R6
ReferenceCC 0.999 0.995 1 0.991 0.943 1 No.1T/C Texh -0.096 -0.137 -0.070 0.307 0.068 -0.187 변동률[%] -109.6 -113.7 -107 -69 -92.8 -118.7 표 4.9No.2과급기 배기가스온도의 FNDRN에 의한 No.1과급기배기가스 온도의 CC
Table4.9CC oftheNo.2 T/C exhaustgastemperaturein a FNDRN oftheNo.1T/C exhaustgastemperature
4
44...222실실실험험험결결결과과과 고고고찰찰찰
선박용 디젤기관의 이상감지모듈과 이상진단모듈을 설계하기 위해 3장 에서는 정상운항데이터를 기반으로 통계적 특성을 분석하여 계측항목사이 의 연관성을 CC로 표현함으로써 이상감지 및 이상진단을 위한 지식베이 스를 설계할 수 있었다.그 결과 부하와 상관관계가 높은 항목들과 동일 계열사이의 상관관계가 높은 항목들로 분류할 수 있었다.이상감지 및 이 상진단 성능을 확인하기 위해서는 우선 감시데이터로부터 이상상태를 신 뢰성 있게 감지할 필요가 있다.4.1절의 실험에서는 감시데이터가 운전범 위를 벗어나지 않고 다른 항목과 통계적 특성이 유사한 NDRN을 포함한 데이터집합을 발생하여 이상감지실험을 행하였다.이 경우 운전자는 감시 데이터가 운전범위를 벗어나지 않음으로 인해 이상데이터로 감지하기 어 려우며 시계열에 의한 그래프분석을 통해서도 통계적 성질이 같으므로 이 상상태를 찾아내기가 어렵다.하지만 실험에서는 정상운항데이터로부터 계측항목사이의 상관관계를 규정한 지식베이스를 이용하여 감시데이터의 감시구간을 선정하고,이상의 조짐이 있는 데이터 항목을 실시간으로 감 시하고 조사함으로써 이상상태가 감지되고 있음을 확인할 수 있었다.
이상감지를 위한 지식베이스는 2장에서 분류된 선박기관실의 계통에 대 하여 상관관계가 높은 항목들로만 구성되어 있다.따라서 상관관계가 높 은 계측항목이 실시간으로 계측될 때 계측항목사이의 CC가 감지구간 내 에서 FDCC이상을 유지하지 않으면 이상데이터로 분류하게 된다.예를 들 면,이상감지지식베이스를 통해 감시데이터가 이상상태로 감지되었는지를 확인하기 위하여 표 4.7에 나타낸바와 같이 실린더 배기가스온도의 경우, 실린더사이의 CC는 정상운항데이터의 통계적 분석으로부터 평균 0.95이 상의 높은 CC를 가지고 거동한다.하지만 실험에서 FNDRN로 발생된 데 이터가 입력되는 경우에는 FDR구간에서의 CC가 각각 0.237, 0.385, -0.299,그리고 -0.352와 같이 낮은 PCO와 NCO을 갖는 관계로 나타난다.