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딥 러닝 및 서포트 벡터 머신기반 센서 고장 검출 기법
Sensor Fault Detection Scheme based on Deep Learning and Support Vector Machine 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.18 no.2, 2018년, pp.185 - 195  

양재완 (울산대학교 전기공학부) ,  이영두 (울산대학교 전기공학부) ,  구인수 (울산대학교 전기공학부)

초록
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최근 산업현장에서 기계의 자동화가 크게 가속화됨에 따라 자동화 기계의 관리 및 유지보수에 대한 중요성이 갈수록 커지고 있다. 자동화 기계에 부착된 센서의 고장이 발생할 경우 기계가 오동작함으로써 공정라인 운용에 막대한 피해가 발생할 수 있다. 이를 막기 위해 센서의 상태를 모니터링하고 고장의 진단 및 분류를 하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 센서에서 발생하는 대표적인 고장 유형인 erratic fault, drift fault, hard-over fault, spike fault, stuck fault를 기계학습 알고리즘인 SVM과 CNN을 적용하여 검출하고 분류하였다. SVM의 학습 및 테스트를 위해 데이터 샘플들로부터 시간영역 통계 특징들을 추출하고 최적의 특징을 찾기 위해 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 적용하였다. Multi-class를 분류하기 위해 multi-layer SVM을 구성하여 센서 고장을 분류하였다. CNN에 대해서는 데이터 샘플들을 사용하여 학습시키고 성능을 높이기 위해 앙상블 기법을 적용하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 유전 알고리즘에 의해 선별된 특징들을 사용한 SVM의 분류 결과는 모든 특징이 사용된 SVM 분류기 보다는 성능이 향상되었으나 전반적으로 CNN의 성능이 SVM보다 우수한 것을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

As machines have been automated in the field of industries in recent years, it is a paramount importance to manage and maintain the automation machines. When a fault occurs in sensors attached to the machine, the machine may malfunction and further, a huge damage will be caused in the process line. ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 erratic, drift, hard-over, spike, stuck의 총 5가지 센서 고장유형들을 SVM과 CNN으로 분류한 진단 결과를 분석 및 기술하였다. SVM의 입력은 시간영역 데이터로부터 추출한 특징을 사용하였고 최적의 특징을 선정하기 위해 유전 알고리즘이 사용되었다.
  • SVM에서는 대부분 그림 2의 경우와는 달리 비선형적 특징을 가지는 데이터들을 분류하는 경우가 많기 때문에 선형적 특징을 가지는 데이터뿐만 아니라 비선형적 특징을 가지는 데이터를 분류할 수 있도록 커널 함수(kernel function)을 사용한다. 본 연구에서는 linear, RBF, polynomial 세 가지 종류의 커널 함수가 SVM을 학습시키기 위해 사용되었다[12].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
SVM의 분류 성능에 영향을 주는 요소는 무엇이 있는가? 최근에는 SVM(support vector machine) 그리고 NN(neural network) 같은 지능형 분류기법이 고장진단에 사용되고 있다[10-11]. SVM의 분류 성능은 고장 데이터로부터 추출한 입력 데이터 특징들의 종류에 영향을 받을 뿐만 아니라 추출된 특징의 선택에 따라서도 달라진다. 따라서 성능을 높이기 위해유전 알고리즘과 같은 최적화 기법이 SVM에 사용되기도 한다[10].
SVM이란 무엇인가? SVM은 Vapnik에 의해 개발되었으며 주로 지도 학습에 의한 패턴인식분야에서 사용되었으나 최근 음성인식, 영상인식, 뇌 신호처리, 금융데이터 분석 등 다양한 분야에 적용되어 우수한 성능을 보여주고 있다[11-13]. SVM은 두 개의 클래스를 가진 학습 데이터들을 구분하기 위해 결정경계와 가장 인접한 서포트 벡터를 이용하여 두 범주 사이의 거리를 최대화시키는 최적의 초평면을 찾는 이진 분류기법으로 본 논문에서 센서 고장 진단을 위해 사용되었다. 그림 2는 두 개의 클래스를 선형으로 분류하는 예를 보여주며, 최적의 초평면은 식은 다음과 같이 표현된다.
Pooling layer에서 주로 사용되는 방법은 무엇이 있는가? Pooling layer에서는 sub-sampling을 이용하여 feature map에서 대표 특징 값을 추출한다. 주로 사용되는 방법은 max pooling과 average pooling이 있다[17]-[19].
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (21)

  1. Don-Ha Hwang, Young-Woo Youn, Jong-Ho Sun, Kyeong-Ho Choi, Jong-Ho Lee and Yong-Hwa Kim, "Support Vector Machine Based Bearing Fault Diagnosis for Induction Motors Using Vibration Signals", Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 10, no. 4, pp. 1558-1565, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5370/JEET.2015.10.4.1558 

  2. WadeA.Smith, RobertB.Randall , "Rolling element bearing diagnostics using the Case Western Reserve University data: A benchmark study", Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 64-65, pp. 100-131, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2015.04.021 

  3. Subhasis Nandi, Hamid A. Toliyat and Xiaodong Li, "Condition Monitoring and Fault Diagnosis of Electrical Motors", IEEE Transactions On Energy Conversion, Vol. 20, no. 4, pp. 719-729, 2005. DOI: http://doi.org/10.1109/TEC.2005.847955 

  4. J. L. Yang, Y. S. Chen, L. L. Zhang, and Z. Sun, "Fault detection, isolation, and diagnosis of self-validating multifunctional sensors," Rev. Sci. Instrum., vol. 87, no. 6, 2016. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4954184 

  5. R. Dunia, S. J. Qin, T. F. Edgar, and T. J. Mcavoy, "Identification of Faulty Sensors Using Principal Component Analysis," Process Syst. Eng., vol. 42, no. 10, pp. 2797-2812, 1996. DOI: https://doi.org/10.1002/aic.690421011 

  6. J. Kullaa, "Detection, identification, and quantification of sensor fault in a sensor network," Mech. Syst. Signal Process., vol. 40, no. 1, pp. 208 -221, 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2013.05.007 

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  8. Ming Liu, Xibin Cao, and Peng Shi, "Fuzzy-Model-Based Fault-Tolerant Design for Nonlinear Stochastic Systems Against Simultaneous Sensor and Actuator Faults," IEEE Transactions on Fuzzy Ststems, vol. 21, no. 5, pp. 789-799, 2015. DOI: https://doi.org/10.1109/TFUZZ.2012.2224872 

  9. Gilbert Hock Beng Foo, Xinan Zhang, and D. M. Vilathgamuwa, "A Sensor Fault Detection and Isolation Method in Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor Drives Based on an Extended Kalman Filter," IEEE Transactions on Electonics, vol. 60, no 8, pp. 3485-3495, 2013 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2013.2244537 

  10. B. Samanta, "Gear fault detection using artificial neural networks and support vector machines with genetic algorithms," Mech. Syst. Signal Process., vol. 18, no. 3, pp. 625-644, 2004. DOI: https://doi.org/10.1016/S0888-3270(03)00020-7 

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  12. Sana Ullah Jan, Young Doo Lee, Jungpil Shin and Insoo Koo, "Sensor Fault Classification Based on Support Vector Machine and Statistical Time-Domain Features", IEEE Access, Vol. 5, pp. 8682-8690, 2017. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2017.2705644 

  13. Seung-Jae Kim, Jung-Jae Lee, "A Study on Face Recognition using Support Vector Machine", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 16, No. 6, pp. 183-190, Jun. 2016. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2016.16.6.183 

  14. L.V. Ganyun, Cheng Haozhong, Zhai Haibao and Dong Lixin , "Fault diagnosis of power transformer based on multi-layer SVM classifier", Electric Power Systems Research, Vol. 74, no 1, pp. 1-7, 2005. DOI: https://doi.org/10.1016/j.epsr.2004.07.008 

  15. David E. Goldberg and John H. Holland, "Genetic Algorithms and Machine Learning", Machine Learning, Vol. 3, no 2-3, pp. 95-99, 1988. DOI: https://doi.org/10.1023/A:1022602019183 

  16. Hideyuki Ishigami, Toshio Fukuda, Takanori Shibata and Fumihito Arai, "Structure optimization of fuzzy neural network by genetic algorithm", Fuzzy Sets and Systems, Vol. 71, no 3, pp. 257-264, 1995. DOI: https://doi.org/10.1016/0165-0114(94)00283-D 

  17. Shahrzad Faghih-Roohi, Siamak Hajizadeh and Alfredo Nunez, "Deep Convolutional Neural Networks for Detection of Rail Surface Defects", International Joint Conference on In Neural Networks(IJCNN), pp. 2584-2589, 2016. DOI: https://doi.org/10.1109/IJCNN.2016.7727522 

  18. Dean Lee, Vincent Siu, Rick Cruz, and Charles Yetman, "Convolutional Neural Net and Bearing Fault Analysis", in Proc. Int. Conf. Data Min., Las Vegas, NV, USA, 2016, pp. 194-200. 

  19. Min Meng, Yiting jacqueline Chua, Erwin Wouterson, and Chin Peng Kelvin Ong, "Ultrasonic signal classification and imaging system for composite materials via deep convolutional neural networks", Neurocomputing, Vol. 257, pp. 128-135, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.neucom.2016.11.066 

  20. Seok-Cheon Park, "Design and Implementation of Personal Information Identification and Masking System Based on Image Recognition", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 17, No. 5, pp. 1-8, May. 2017. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2017.17.5.1 

  21. Seo-Hyeon Ryu, Jae-Bok Yoon, "The Effect of regularization and identity mapping on the performance of activation functions", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 18, No. 10, pp. 75-80, 2017. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2017.18.10.75 

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