회전수가 변하는 기기의 고장진단에 있어서 특성 기반 분류와 합성곱 기반 알고리즘의 예측 정확도 비교

Comparison of Prediction Accuracy Between Classification and Convolution Algorithm in Fault Diagnosis of Rotatory Machines at Varying Speed

본 연구는 정상 가동 중에도 회전수가 변하는 기기의 이상 및 고장 진단 방안을 다루고 있다. 회전수가 변함에 따라 비정상적 시계열 특성을 내포한 센서 데이터에 기계학습을 적용할 수 있는 절차를 제시하고자 하였다. 기계학습으로는 k-Nearest Neighbor(k-NN), Support Vector Machine(SVM), Random Forest을 사용하여 이상 및 고장 진단을 수행하였다. 또한 진단 정확성을 비교할 목적으로 이상 감지에 오토인코더, 고장진단에는 합성곱 기반의 Conv1D도 추가로 이용하였다. 비정상적 시계열로부터 통계 및 주파수 속성으로 구성된 시계열 특징 벡터를 추출하고, 추출된 특징 벡터에 정규화 및 차원 축소 기법을 적용하였다. 특징 벡터의 선택과 정규화, 차원 축소 여부에 따라 달라지는 기계학습의 진단 정확도를 비교하였다. 또한, 적용된 학습 알고리즘 별로 초매개변수 최적화 과정과 적층 구조를 설명하였다. 최종적으로 기존의 심층학습과 비교하여, 기계학습도 가변 회전기기의 고장을 정확하게 진단할 수 있는 절차를 제시하였다.

This study examined the diagnostics of abnormalities and faults of equipment, whose rotational speed changes even during regular operation. The purpose of this study was to suggest a procedure that can properly apply machine learning to the time series data, comprising non-stationary characteristics as the rotational speed changes. Anomaly and fault diagnosis was performed using machine learning: k-Nearest Neighbor (k-NN), Support Vector Machine (SVM), and Random Forest. To compare the diagnostic accuracy, an autoencoder was used for anomaly detection and a convolution based Conv1D was additionally used for fault diagnosis. Feature vectors comprising statistical and frequency attributes were extracted, and normalization & dimensional reduction were applied to the extracted feature vectors. Changes in the diagnostic accuracy of machine learning according to feature selection, normalization, and dimensional reduction are explained. The hyperparameter optimization process and the layered structure are also described for each algorithm. Finally, results show that machine learning can accurately diagnose the failure of a variable-rotation machine under the appropriate feature treatment, although the convolution algorithms have been widely applied to the considered problem.