TY  - THES
A3  - Van Laerhoven, Kristof
AB  - Heutige Anforderungen an Effizienz und Qualität von Fertigungsprozessen bedingen eine ständige Überwachung von Werkzeugmaschinen und Bearbeitungsprozessen. Obwohl automatisierte, sensorbasierte Maschinenüberwachungssysteme in der Literatur bestehen, sind reale Produktionsstätten weiterhin durch einen hohen Anteil menschlicher Beteiligung gekennzeichnet, was teuer und fehleranfällig zu sein tendiert. Dies ist durch drei Herausforderungen bedingt, denen sich solche Überwachungssysteme ausgesetzt sehen und welche in dieser Arbeit adressiert werden:
Zunächst einmal erfordern Überwachungssysteme im Langzeitbetrieb robuste, prädiktive Modelle. Die Modelle müssen über nutzerbedingte Anpassungen von Prozessparametern und Wechsel von Werkstücktypen hinweg generalisieren,sodass trainierte Modelle weiterhin zur Verteilung neu aufgenommener Testdaten passen und damit unabhängig gegenüber des Covariate Shifts zwischen Trainings- und Testdatenverteilungen sind. Die Varianz in Sensordaten ist häufig stärker von derartigen Parameteranpassungen und Werkstücktypwechseln beeinflusst als von tatsächlichen Anomalien. Diese Dominanz des Covariate Shifts gegenüber signalklassenunterscheidender Information in Sensordaten ist herausfordernd.
Zweitens sind die leistungsstärksten prädiktiven Modelle (teil)überwacht und erfordern große Mengen annotierter Sensordaten. Die Annotation von Anomalien in Sensordaten ist teuer und bedingt mögliche Folgeschäden an den Maschinen, wenn die Anomalien bewusst herbeigeführt werden. Zu guter Letzt benötigen die leistungsfähigsten Modelle viel Speicherplatz, lange Trainings- und Modellausführungszeiten oder spezielle Hardware wie GPUs im Trainingsprozess.
Diese Anforderungen stehen im Widerspruch zu fertigungsbetrieblichen Wünschen nach industriell robusten, kompakten eingebetteten Sensorsystemen und kurzen Modellausführungszeiten, welche sowohl zeitnahe Warnungen von als auch schnelle Reaktion auf potentiell kritische Anomalien ermöglichen. Die Datenauswertung innerhalb des eingebetteten Sensorsystems ermöglicht eine höhere Datensicherheit, die Kompaktheit des Systems erlaubt nachträgliche Ausstattung von Maschinen mit diesen Sensorsystemen.
Der erste Teil der Arbeit umfasst die Definition maßgeschneiderter Merkmale, welche über den Covariate Shift der Daten hinweg generalisieren, für spezifische Maschinenüberwachungsaufgaben. Dafür wird Fachexpertenwissen über Maschinen- und Prozesscharakteristika in maßgeschneiderten Vorverarbeitungsmodellen zur Segmentierung von Sensordaten und Nachverfolgung diskreter Frequenzkomponenten abgebildet. Der zweite Teil konzentriert sich auf die kostengünstige Annotation und Erkennung von im realen Bearbeitungsprozess aufgenommenen Anomalien. Ein prototypisches Auswertungssystem, welches speziell auf raue industrielle Umgebungen abgestimmt ist, wurde entwickelt und in einer solchen Umgebung eingesetzt. Dieses System ermöglicht Datenaufnahme, Datenauswertung
im System und Meldung potentieller Anomalien. Damit unterstützt es sowohl Maschinenbediener in Entscheidungsprozessen und ermöglicht eine Annotation der Sensordaten über die Rückmeldung der Bediener auf gemeldete Anomalien. Auswertungen dieses prototypischen Systems und der resultierenden Daten legten eine allzu simple Art der eingesetzten Anomalieerkennungsmodelle nahe, weswegen ausgefeiltere, unüberwachte neuronale Anomalieerkennungsmodelle getestet wurden. Zusätzlich wurden zwei teilüberwachte Modellerweiterungen mit Expertenlabels sowie automatisch generierten und damit schwächeren Labels trainiert. Sowohl die unüberwachten als auch die teilüberwachten neuronalen Anomalieerkennungsmodelle bewiesen sich als geeignet, sie generalisierten über einige Wochen von Daten und den auftretenden Covariate Shift hinweg.
Alle vorgestellten Methoden beachten die Einschränkungen, welche durch die für die Maschinenüberwachung eingesetzten eingebetteten Systeme und den Bedarf an zeitnahen Reaktionen gegenüber Anomalien bedingt sind.
AU  - Reich, Christian
DA  - 2020
DO  - 10.25819/ubsi/5479
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Machine Learning
KW  - Signal Processing
KW  - Condition Monitoring
KW  - Process Monitoring
KW  - Predictive Maintenance
LA  - eng
PY  - 2020
TI  - Learning machine monitoring models from sparse and noisy sensor data annotations
TT  - Lernen von Modellen zur Maschinenüberwachung aus spärlichen und verrauschten Sensordatenannotationen
UR  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:467-17183
Y2  - 2024-12-26T20:52:00
ER  -