機械​学習​を​用​い​た​異常​検出​システム​を​LabVIEW​で​構築、​品質​工学​を​適用​する​こと​で​極めて​的確​な​良否​判定​が​可能に

鈴木 真人,

"システム​を​開発​する​ため​の​環境​として​LabVIEW​を​採用​した​こと​で、​GUI​など​も​含​め​た​すべて​の​機能​を​わずか​1​週間​ほど​で​実現​する​こと​が​でき​た。​仮に​ほか​の​プログラミング​言語​や​開発​ツール​を​選択​し​てい​た​と​したら、​おそらく​ここ​まで​の​システム​を​完成​させる​こと​は​でき​なか​っ​ただ​ろう。"

- 鈴木 真人,

課題:

何らかの​モノ​から​生じる​音​や​振動​など​を​監視​する​こと​により、​その​モノ​に​発生​し​て​いる​異常​を​検出​する​ため​の​仕組み​を​構築​する。​それ​により、​設備​で​発生​した​異常​の​検出​や、​製品​の​検査、​品質​の​分析​など​を​行える​よう​に​する。

ソリューション:

音​や​振動​の​データ​を​収集​し、​FFT​を​適用​した​うえ​で、​その​「重心」​を​算出​する。​さらに、​その​算出​結果​に​品質​工学​の​MT​法​を​適用​する​こと​で、​異常​が​生​じ​て​いるか​否​か​を​判定​する。​この​よう​な​一連​の​処理​を​実現​する​ため​の​システム​を、​LabVIEW​によって​構築​する。

背景

製造​設備​など​の​故障​や​不具合​は、​ある時、​突発​的​に​発生​する​よう​に​感じ​られる。​しかし、​実際​に​は、​その​設備​の​部品​を​はじめ​と​する​要素​に​質​的​な​変化​が​生​じ、​ある​閾​値​を​超​え​た​時点​で、​一気に​不具合​として​顕在​化​する​ケース​が​ほとんど​だ。​そうした​質​的​な​変化​が​徐々に​進行​する​場合、​その​要素​から​生じる​音​や​振動​に​微小​な​変化​が​現れる​こと​も​少​なく​ない。​その​わずか​な​変化​を​捕捉​し、​故障​や​不具合​が​発生​する​前​に​部品​の​交換​など​の​保守​作業​を​行う​こと​で、​影響​を​最小限​に​抑え​よう​という​考え方​が​ある。​それ​が、​いわゆる​予知​保全​(Predictive Maintenance)​で​ある。

 

実際、​音​や​振動​を​監視​する​こと​により、​設備​の​異常​を​検出​しよう​という​試み​は、​従来​から​数多く​行​われ​て​いる。​しかし、​異常​の​発生​モード​は​多岐​にわたり、​表​に​現れる​変化​も​画一​的​な​もの​では​ない。​そのため、​「閾​値​を​超える​振幅​(パワー)​の​音​や​振動​が​検出​さ​れ​たら​異常​が​生​じ​た​と​見なす」​といった​方法​では、​実用​性​に​乏しい​こと​が​多い。​あらゆる​異常​が​音​や​振動​の​振幅​の​増大​に​つながる​と​は​限​ら​ない​という​こと​で​ある。​また、​必ず​振幅​の​大きい​信号​が​生じる​と​は​限​ら​ない​こと​から、​閾​値​を​適切​に​設定​する​の​も​難​しく​なる。​さらに、​閾​値​が​不適切​で​ある​こと​から、​異常​が​検出​さ​れる​タイミング​が​遅​く​なり、​潜在​的​に​品質​に​劣る​製品​が​大量​に​生産​さ​れ​て​しまう​といった​こと​も​起​こ​り​得る。

 

単純​に​振幅​を​監視​する​方法​では​うまく​いか​ない​こと​から、​音​や​振動​の​周波数​成分​に​注目​が​集まる​ケース​も​多い。​音​や​振動​の​信号​を​サンプリング​し、​FFT​による​周波数​解析​を​活用​する​こと​で​異常​を​検出​しよう​という​こと​で​ある。​確か​に、​FFT​は、​音​や​振動​の​振幅​を​監視​する​こと​より​も、​分析/​解析​の​手段​として​は​優​れ​て​いる。​しかし、​FFT​を​実施​した​として​も、​周波数​と​振幅​の​対​から​成る​データ​が​大量​に​得​られる​だけ​で​ある。​この​こと​は、​振幅​を​監視​する​方法​が​抱える​課題​が​解消​さ​れる​わけ​では​ない​という​こと​を​意味​する。​振幅​を​監視​する​場合​と​同様​に、​さまざま​な​モード​で​生じる​異常​によって、​スペクトル​に​どの​よう​な​変化​が​生じる​の​か​わ​から​ない​という​こと​だ。

 

これらの​理由​から、​音​や​振動​の​監視​を​ベース​と​する​異常​検出​システム​を​実用​的​な​レベル​で​完成​させる​に​は、​多大​な​努力​を​要する​ことに​なる。

 

課題 

当社​(アマ​ノ)​も、​音​や​振動​を​監視​する​こと​で​異常​を​検出​しよう​と​試み​た​経験​を​持つ​企業​の​1​つ​で​ある。​当社​は、​工場​など​で​使用​さ​れる​集塵機​を​数多く​製品​化​し​て​いる。​この​種​の​製品​が​備える​フィルタ​が​目​詰まり​すると、​吸引​性能​が​低下​し​て​しまう。​そこで、​当社​は、​その​よう​な​状態​に​陥る​前​に​目​詰まり​を​検出​し、​適切​な​タイミング​で​フィルタ​の​交換​を​ユーザー​に​提案​できる​よう​に​する​仕組み​を​構築​した​いと​考え​てい​た。​つまり​は、​予知​保全​へ​の​対応​を​図​り​たか​っ​た​という​こと​で​ある。

 

筆者​は​そのため​の​技術​の​開発​に​携​わっ​た。​具体​的​に​は、​集塵機​の​ファン​が​発する​音​を​監視​する​こと​で、​フィルタの目詰まりの度合いを判定できるのではないかと考えて取り組みを行った。​この​とき​は、​結果​的​に​別​の​方法​で​予知​保全​を​実現​した​の​だが、​筆者​は​その後​も​音​を​ベース​と​する​異常​検出​の​方法​について​個人​的​に​検討​を​続​けた。​その​結果、​音​の​信号​を​サンプリング​し​て​FFT​を​実行​し、​その​スペクトル​図​の​「重心」​を​求める​手法​を​考案​した。​ここ​で​言う​重心​と​は、​周波数​軸​方向​の​座標​と​振幅​軸​方向​の​座標​で​表​さ​れる​もの​で​ある。​2​つ​の​座標​は、​それぞれ​以下​の​式​で​求める​こと​が​できる。

 

各​変数​の​意味​は​以下​の​とおり​だ。
​n:​周波数​スペクトル​の​個数​(0 Hz​は​除く)
​fi:​0 Hz​から​i​番目​の​周波数​(周波数​の​分解能​×i)
​Li:i​番目​の​周波数​の​強度​(振幅、​パワー)
​S:​0 Hz​を​除く​全​周波数​成分​の​強度​の​総和

 

この​重心​という​概念​を​導入​した​理由​は​次​の​よう​な​こと​で​ある。​何らかの​異常​の​兆候​が​現れ​た​場合、​FFT​の​結果​で​ある​スペクトル​図​に​も​変化​が​生じる​可能性​が​高い。​ただし、​その​変化​は​具体​的​に​どの​よう​な​形​で​現れる​の​か​は​わ​から​ない。​例えば、​音​の​主成分​と​なる​信号​の​振幅​が​増減​した​り、​正常​時には​存在​しない​周波数​成分​が​発生​した​り、​ノイズ・​フロア​が​上昇​した​り​といった​具合​で​ある。​FFT​の​結果​を​直接​的​に​監視​した​の​では、​異常​の​兆候​を​的確​に​捕捉​する​の​は​難しい​という​こと​だ。​それ​に対し、​重心に注目すれば、​この​問題​を​解消​する​こと​が​できる。​そもそも、​FFT​の​結果​は​常に​ばらつき​によって​変動​する​もの​だが、​正常​な​状態​で​ある​なら、​その​重心​は​常に​特定​の​位置​近辺​に​現れる。​一方、​音​の​発生​源​に​何らかの​変化​が​生​じ​た​場合、​それ​が​どの​よう​な​種類​の​変化​で​あっ​て​も、​その​変化​の​量​が​わずか​で​あっ​て​も、​重心​は​大​きく​離れ​た​位置​に​現れる。​そのため、​容易​に​検知​する​こと​が​可能​な​の​だ。

 

ただ、​この​重心​を​指標​に​する​だけ​で、​すべて​の​問題​を​解決​できる​わけ​では​ない。​正常​な​状態​と​比較​し​て​的確​に​閾​値​判定​を​実施​する​に​は、​もう​1​つ工夫が必要だった。​つまり、​重心​が​どれ​だけ​離れ​た​位置​に​あれ​ば​異常​だ​と​見​な​すべ​き​な​の​か、​逆に​どこ​まで​なら​正常​の​範囲​内​に​ある​可能性​が​高い​の​か、​確たる​理論​に​基​づ​い​て​判定​できる​手法​が​必要​だ​っ​た​という​こと​だ。​そこで​導入​した​の​が、​品質​工学​で​使用​さ​れる​MT(マハラノビス‐​タグチ)​法​で​ある。

 

 

MT​法​と​は、​統計​学者​で​ある​田口​玄​一氏​が​考案​した​「物事​の​判別​方法」​の​こと​だ。​それに​は、​まず​正常​な​状態​の​情報​を​収集​し、​それ​を​基​に​「均質​な​特性​の​群」​を​定義​し​て​おく。​MT​法​では、​この​均質​な​特性​の​群​の​こと​を​「単位​空間」​と​呼ぶ。​また、​収集​する​データ​について​は、​いくつか​の​「項目」​が​存在​する​可能性​が​ある。​FFT​の​重心​の​例​で​言​え​ば、​周波数​軸​方向​の​座標​と​振幅​軸​方向​の​座標​の​2​つ​が​項目​に当たる。​MT​法​では、​項目​ごと​の​平均​と​標準偏差、​項目​間​の​相​関係​数​を​基​にし​て、​「マハラノビス​距離」​という​1​次元​の​情報​を​算出​する。​これ​は、​個々​の​データ​が​単位​空間​から​どれ​だけ​離れ​た​位置​に​ある​の​か​を​表す​指標​で​ある​(図​1)。​このマハラノビス距離を閾値として使用すれば、​新た​に​取得​した​データ​(実​運用​中​の​装置​を​監視​し​て​取得​した​音​や​振動​の​データ)​が、​その​単位​空間​に​収まる​もの​で​ある​か​否​か​を​高い​精度/​信頼​性​で​判定​する​こと​が​できる​(判定​の​確か​ら​し​さ​は、​設定​した​閾​値​に​応​じ​て​統計​的​に​決まる)。​つまり、​マハラノビス​距離​を​指標​として​単位​空間​から​どれ​だけ​離れ​た​位置​に​ある​か​を​確認​する​こと​により、​正常​な​状態​な​の​か、​異常​が​生​じ​て​いる​の​か​を​的確​に​切り分け​られる​という​こと​だ。​なお、​この​手法​では、​複数​の​項目​を​マハラノビス​距離​という​1​次元​の​情報​に​集約​し​て​判定​を​行う​わけ​だが、​何​が​原因​で​問題​が​生​じ​た​の​か​(FFT​スペクトル​に​どの​よう​な​変化​が​あっ​た​の​か)​を​後​から​調べる​こと​も​可能​で​ある。

 

このように、​筆者​は、​FFT​の​重心​を​監視​し、​MT​法​を​利用​し​て​良否​判定​を​行う​こと​によって​異常​を​検出​する​システム​(以下、​FFT-​MT​システム)​の​理論​を​構築​した。​FFT-​MT​システム​で​行う​具体​的​な​作業​の​流れ​は、​以下​の​よう​に​なる

    1. 監視​の​対象​物​(各種​装置​の​部品​など)​が​正常​に​機能​し​て​いる​とき​に​生じる​音​や​振動​の​信号​を​サンプリング​し​て​データ​を​取得​する
    2. 取得​した​データ​に​FFT​を​適用​し、​重心​の​座標​を​求める
    3. 上記​の​処理​を​繰り返し​実施​し、​重心​の​座標​データ​を​多数​収集​する。​収集​した​データ​を​基​に、​単位​空間​を​定義​する
    4. 監視​の​対象​物​を​実際​に​運用​し、​その​際​に​生じる​音​や​振動​の​データ​を​取得​する。​そのうえで、​FFT​の​重心​と、​その​マハラノビス​距離​を​順次​計算​する
    5. 得​ら​れ​た​マハラノビス​距離​を、​あらかじめ​定めて​おい​た​閾​値​と​比較​し、​正常​で​ある​か​異常​で​ある​か​の​判定​を​行う

 

上記​の​流れ​で​行​って​いる​こと​は、​機械​学習​(マシンラーニング)​を​ベース​と​した​良否​判定​に​ほか​なら​ない。​この​FFT-​MT​システム​では、​FFT​の​重心​という​単純​な​情報​と​品質​工学​の​MT​法​を​連携​させる​こと​で、​良否​判定​に​必要​な​演算​量​を​非常​に​少​なく​抑え​て​いる。​また、​統計​学​を​ベース​と​する​確率​論​に​基​づ​い​て​判定​値​を​設定​する​こと​が​可能​なので、​正常​な​状態​なのに​異常​で​ある​と​判定​し​て​し​まったり、​異常​な​状態​なのに​正常​で​ある​と​判定​し​て​し​まったり、​という​状況​を​最小限​に​抑え​られる。​さらに、​非常​に​高い​検出​力​を​実現​できる、​単位​空間​の​設計​によって​検出​感度​を​制御​できる​といった​特徴​も​併せ持つ。

 

 

ソリューション/ 効果

筆者​は、​FFT-​MT​システム​の​理論​を​検証​する​ため​の​シミュレータ​を​開発​する​ことに​した。​その​シミュレータ​に​は、​監視​の​対象​物​が​発する​音​を​模擬​する​もの​として​信号​発生​機能​を​用意​する。​方形​波​や​三角波、​のこぎり​波​など​の​基本​波形、​基本​周波数、​振幅、​DC​オフセット、​ノイズ​の​量​など​を​設定​し、​正常​な​状態​の​信号​と​異常​な​状態​の​信号​を​発生​する​という​もの​で​ある。​そのうえで、​上記​の​(1)​~​(5)​の​作業​を​実施​する​ため​の​機能​も​用意​する。​各種​設定​は​GUI(グラフィカル​ユーザ​インタフェース)​によって​行える​よう​に​する​とともに、​FFT​結果​や、​重心​の​位置、​判定​結果​など​は​画面​に​表示​する。​この​よう​な​シミュレータ​を、​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​(NI)​の​グラフィカル​開発​プラットフォーム​「NI LabVIEW」​を​使用​し​て​開発​した​(図​2)。

 

テキスト​ベース​の​プログラミング​言語​を​使用​する​場合​と​は​異​なり、​LabVIEW​では、​直感​的​な​操作​によって​部品​を​並べて​いく​こと​で​システム​を​構築​できる。​この​よう​な​グラフィカル​な​開発​手法​を​利用​できる​こと​は​大きな​魅力​だ。​実際、​GUI​など​も​含​め​て​わずか​1​週間​ほど​で​FFT-​MT​システム​の​シミュレータ​を​開発​する​こと​が​でき​た。​この​よう​な​短期​開発​を​実現​でき​た​の​は、​LabVIEW​が​信号​処理​や​GUI​など​を​実現​する​ため​の​数多く​の​機能​モジュール​を​提供​し​てく​れ​た​からだ。​仮に​ほか​の​プログラミング​言語​や​開発​ツール​を​選択​し​てい​た​と​したら、​おそらく​ここ​まで​の​システム​を​完成​させる​こと​は​でき​なか​っ​ただ​ろう。

 

 

この​シミュレータ​によって、​FFT-​MT​システム​の​原理​を​検証​する​こと​が​でき​た。​また、​信号​収集​用​の​ハードウェア​を​シミュレータ​に​接続​し、​実際​に​音​や​振動​を​監視​する​システム​も​構築​した​(図​3)。​信号​収集​用​の​ハードウェア​として​は、​任意​の​製品​を​選択​する​こと​が​できる。​もちろん、​NI​製のハードウェアを採用すれば、​LabVIEW​を​使​って、​より​高い​開発​生産​性​を​得る​こと​が​可能​で​ある。​また、​FFT-​MT​システム​の​アルゴリズム​は​少ない​演算​量​で​実現​さ​れ​て​いる。​そのため、​オフライン​で​実行​する​必要​は​なく、​PC​上​で​実行​する​こと​により、​ほぼ​リアルタイム​で​結果​を​得る​こと​が​できる。​この​こと​から、​予知​保全​の​アプリケーション​に​も​適用​可能​で​ある。

 

 

音響​製品​の​出荷​検査

ある​企業​が​製造​し​て​いる​音響​製品​の​例​で​ある。​その​製品​では、​音質​自体​が​製品​の​品質​に​直結​する。​従来​は、​実際​に​人​が​音​を​聞​き、​その​良しあし​を​判別​する​という​官能​評価​によって​出荷​検査​(全数​検査)​を​行​って​い​た。​官能​評価​の​技能​を​身​につけ​た​検査​員​が​数​十人​も​必要​に​なる​ため、​この​企業​は​その​検査​を​自動化​した​いと​考え​てい​た。​音質​を​扱う​こと​も​あり、​FFT​を​利用​した​選別​方法​を​検討​し​てい​た​の​だが、​適切な判定を行える仕組みを構築することができなかった。​そこで、​筆者​は​この​企業​に対し、​FFT-​MT​システム​を​提案​した。​同​システム​を​採用​した​結果、​従来​の​方法​で​検査​済み​の​多数​の​サンプル​について、​良品​は​良品、​不良​品​は​不良​品​として​すべて​判別​でき​て​いる​という。​なお、​FFT-​MT​システム​は、​製品​の​良否​判定​だけ​なく、​原因​の​解析​に​も​利用​できる。​連続​的​に​不良​品​が​発生​した​場合​に、​その​原因​に​な​って​いる​製造​設備​の​特定​に​役立てる​といった​こと​も​可能​で​ある。

 

 

回転​機械​の​出荷​検査

回転​機械​を​製造​する​企業​の​事例​で​ある。​従来、​この​企業​は、​回転​機械​の​出荷​検査​として​回転​数​に​応​じ​て​正しい​トル​ク​が​得​られる​か​否​か​といった​こと​を​チェック​し​てい​た。​この​よう​な​検査​を​行う​に​は、​相応​の​規模​の​装置​が​必要​に​なる。​この​検査​手法​を​代替​する​もの​として、​FFT-​MT​システム​が​導入​さ​れつ​つ​ある。​良品​を​動作​さ​せ​た​とき​に​生じる​音​を​収集​し​て​単位​空間​を​作り、​そこ​から​外れる​もの​を​不良​品​として​判定​する​という​こと​だ。​これ​で​あれ​ば、​マイクロ​フォン​を​用意​し​て​おき、​単純​に​回転​動作​を​させる​だけ​で、​非​接触​で​判定​が​行える。​重厚​な​検査​装置​は​不要​だし、​テスト​に​かかる​時間​も​大幅​に​短縮​する​こと​が​可能​だ。​従来​の​検査​方法​は​将来​的​に​は​廃止​する​方向​で​あり、​現在​は​新旧​の​方法​で​検査​を​行​っ​た​結果​を​比較​し​て​いる​段階​に​ある。​比較​の​結果​は、​完璧​だ​という。

 

 

旋盤​機器​の​予知​保全

ある​県​の​工業​試験場​では、​旋盤​加工​によって​生産​する​製品​の​表面​粗​さ​の​悪化​を​加工​中​に​把握​する​手段​を​模索​し​てい​た。​その​目的​は、​製造​に​使用​する​刃物​の​劣化​を​なるべく​早く​検出​し​て​即座​に​交換​する​こと​で、​不良​品​が​大量​に​生産​さ​れる​の​を​防ぐ​こと​で​ある。​この​例​では、​音​では​なく、​振動​の​監視​を​行う​こと​で​予知​保全​を​実現​した。​切削​動力​計​によって​旋盤​に​生じる​XYZ​方向​の​振動​を​計測​し、​得​ら​れ​た​データ​を​基​に​FFT-​MT​システム​で​判定​を​実施​する。​製品​の​表面​粗​さ​が​わずか​3μm​悪​く​な​っ​た​だけ​でも、​異常​が​発生​した​として​検出​でき​て​いる​という。

 

 

プラスチック​材​の​品質​の​解析

プラスチック​材​に​長時間​にわたって​力​を​掛け​続ける​と、​応力​緩和​という​現象​によって​復元​性​や​バネ​性​が​劣化​する。​当社​では、​これ​に関する​解析​手法​として​FFT-​MT​システム​を​利用​し​て​いる。​応力​緩和​を​起こす​と​音​や​振動​の​伝達​特性​も​変化​する​の​では​ない​か​という​仮説​の​下、​FFT-​MT​システム​を​使​って​検証​を​実施​した。​具体​的​に​は、​プラスチック材にスピーカーを接触させ、​チャープ​信号​を​音響​化​し​て​鳴動​させる。​スピーカー​と​反対​の​面​に​は​加速度​ピックアップ​を​取り付け​て、​振動​の​データ​を​収集​する。​まずは​この​状態​で​FFT-​MT​システム​を​使用​し、​振動​に関する​単位​空間​を​定義​した。​続​い​て、​高温環境下でプラスチック材に力をかけ続ける加速試験を行った。​その後、​FFT-​MT​システム​で​振動​の​データ​を​取得​すると、​マハラノビス距離がかなり大きな値になることがわかった。​つまり、​応力​緩和​によって、​新品​の​状態​と​は​明らか​に​異なる​伝達​特性​を​示す​よう​に​な​っ​た​という​こと​で​ある。​この​事例​から、​FFT-​MT​システム​は、​非破壊​検査​の​手法​として​利用​できる​可能性​も​ある​こと​が​わかる。

 

今後​の​展開

ここ​まで​に​説明​した​よう​に、​FFT-​MT​システムを利用すれば、​機械​学習​を​ベース​と​した​予知​保全​を​実現​する​こと​が​できる。​あるいは、​製品​の​検査​の​手法​として​も​使用​できる​し、​品質​の​分析​手法​として​活用​する​こと​も​可能​で​ある。​FFT-​MT​システム​は、​筆者​の​個人​的​な​取り組み​によって​開発​した​もの​なので、​適用​可能​な​用途​が​あれ​ば、​自由​に​活用​し​て​ほしい​と​考え​て​いる。

 

産業​分野​では、​ビッグ・​データ​や​IoT(Internet of Things)​といった​概念​に​大きな​注目​が​集​ま​って​いる。​しかし、​データ​を​大量​に​収集​した​り、​インターネット​に​接続​する​仕組み​を​デバイス​に​付加​した​り​する​だけ​では​成果​を​期待​する​こと​は​でき​ない。​収集​した​データ​を​どの​よう​に​分析​し、​その​結果​を​基​に​何​を​する​の​か。​あるいは、​インターネット​に​接続​した​機器​から​どの​よう​な​情報​を​収集​し、​それら​を​どの​よう​に​分析​し​て、​どの​よう​な​こと​を​フィードバック​する​の​か。​こうした​こと​が​重要​な​の​だ。​MT​法​は​ビッグ・​データ​の​分析​に​も​非常​に​有効​な​手法​だ​と​言える。​その​分析​結果​を​基​に、​判定、​判別、​診断、​認識、​予測​といった​こと​を​行い、​さらに​その​結果​を​基​にし​て​制御​を​実施​する​という​流れ​を​確立​でき​た​とき​こそ、​ビッグ・​データ​や​IoT​が​本当​の​意味​で​花開く​の​では​ない​だ​ろう​か。

 

著者​情報:

鈴木 真人
​Yokohama 222-8558
​Japan
masato_suzuki2@amano.co.jp

【周波数​軸​方向​の​座標】
【振幅​軸​方向​の​座標】
図​1. ​単位​空間​と​マハラノビス​距離​の​関係
図​2. ​FFT-​MT​システム​の​シミュレータ
図​3. ​音​を​対象​と​した​システム​の​構成​例