Обнаружение аномалий ЧПУ с помощью машинного обучения без учителя. Часть 3: методы кластеризации данных

Выделение сигнатур деталей и создание трансформаций

Определение скрытой структуры сигнатур деталей

1. Энтропия: измеряет уровень белого шума в ваших рядах.
2. Автокорреляция первого порядка. Автокорреляция первого порядка — это показатель корреляции последовательных элементов во временных рядах. С точки зрения непрофессионала, он измеряет, насколько предсказуем ряд, если вы знаете предыдущий элемент ряда. Это актуально, потому что функции автокорреляции аномальных рядов часто очень сильно отличаются от функций неаномальных рядов. По сути, это еще одна мера случайности временного ряда, которая для аномальных рядов часто бывает чрезвычайно высокой или низкой (может быть очень низкой, если станок ведет себя хаотично, или очень высокой, если есть необычное повторение или предсказуемость).
3. Сдвиг уровня: максимальное изменение средних значений в ряду при заданном окне. Хорошо подходит для обнаружения аномалий, когда станок испытывает внезапное изменение показателей. К примеру, когда метрики внезапно перепрыгивают с одного уровня на другой.
4. Изменение дисперсии: максимальное изменение дисперсии в серии. Хорошо подходит для обнаружения аномалий, когда станок демонстрирует внезапное изменение дисперсии. Например, когда море внезапно становится спокойным после шторма или когда станок становится необычайно тихим.
5. Кривизна: сообщает, насколько «изогнута» сигнатура детали. Значение — это коэффициент многочлена второго порядка (x²) при подгонке к ряду. Это актуально, потому что циклы деталей имеют искривление из-за циклического характера механической обработки, а значение кривизны одинаково среди неаномальных кривых.
6. Остроконечность: дисперсия остатков при подгонке к линейной кривой. Называется «остроконечность», потому что ряды, которые имеют больше пиков, имеют более высокую дисперсию остатков.
7. Плоские точки: количество плоских точек в ряду с использованием дискретизации. Хорошо подходит для определения, когда станок глохнет или зависает.

Каждая сигнатура детали теперь представлена этими семью измерениями. На основе этих атрибутов обнаруживаются аномалии, которые сводятся ко всему временному ряду. Результирующая таблица выглядит следующим образом, каждая сигнатура разбита на эти характеристики. Каждая сигнатура детали — это одна строка.

Проецирование скрытых элементов на 2D-плоскость с использованием PCA

Как только мы получим эти метрики, мы применим PCA к этим семи измерениям, чтобы свести их к двум главным компонентам. Затем мы построим две главные компоненты на двумерной диаграмме рассеяния.

Почему мы не использовали преобразования?

Следует отметить, что мы протестировали несколько преобразований наших данных, в том числе логарифмические преобразования, скользящие средние, скользящее стандартное отклонение и первую производную. Мы обнаружили, что использование непреобразованной сигнатуры является наиболее эффективным способом обнаружения аномалий, как наиболее отделенных от других точек в пространстве 2D PCA. Это также имеет смысл теоретически, так как:

1. Логарифмическое преобразование ряда выравнивает остроконечности в каждом ряду, что может исключать критическую информацию;
2. Скользящее среднее делает то же самое и удаляет ключевые признаки, обнаруженные пакетом anomolous;
3. Скользящее стандартное отклонение может пренебречь важными элементами при усилении атрибутов, связанных с дисперсией, что может быть не тем, что мы хотим;
4. Первая производная может акцентировать изменения в сигнатуре, которые относительно незначительны, и, таким образом, скрыть истинную природу сигнатур.

Использование кластеризации для выявления выбросов

Мы, конечно, можем видеть выбросы, но использование кластеризации является стандартизированным способом определения, когда что-то является выбросом. Мы используем алгоритм DBSCAN, который обнаруживает кластеры, рисуя окружность вокруг каждой точки и ища другие точки в ее окрестности. Для DBSCAN требуются два критических аргумента — «эпсилон», представляющий собой круговую область, нарисованную вокруг каждой точки для определения окрестностей кластера, и «порог минимальных точек», который представляет собой число точек, которые должны находиться в этой окрестности, чтобы его можно было рассмотреть как кластер.

Иллюстрация DBSCAN приведена ниже. «Базовые» точки считаются неаномальными, «граничные» точки, которые находятся на границе круга, также являются неаномальными. Однако «шумовые» точки, которые полностью находятся за пределами центральной области, являются аномалиями.

Определение эпсилона

Мы знаем, что без учета аномальных станков средний показатель брака для клиентов MachineMetrics, включая человеческую ошибку, составляет примерно 1/1000 деталей, что означает степень успешности в 99,9% (заказчики MachineMetrics в совокупности изготовили 327 миллионов деталей, а 224 тыс. были испорчены). Хотя этот показатель может показаться высоким, мы должны помнить, что наши клиенты — это в основном небольшие механические цеха, у которых может не быть большой серийности одной и той же детали. Кроме того, большая часть наших клиентов — это специализированные мастерские, которые производят детали на заказ для других компаний, что дает им меньше времени для совершенствования производственного процесса и, таким образом, оставляет больше места для совершения ошибок.

MachineMetrics отслеживает каждую деталь, изготовленную станками, к которым мы подключены, что дает нам доступ к уникальному набору данных для интеллектуального анализа данных

При нормальном распределении 99,9% наблюдений находятся в пределах 3 стандартных отклонений, что в нашем случае составляет ± 4,5 единицы в значениях главных компонент. Принимая во внимание тот факт, что точность (предотвращение ложных срабатываний) более важна, чем отзыв (захват всех аномалий) при первом пилотировании этого метода, мы устанавливаем наш порог эпсилона равным 4 стандартным отклонениям, то есть точки должны отстоять на 6 единиц от центрального кластера, чтобы называться выбросами/аномалиями. Мы считаем точность более важной, потому что клиенты могут игнорировать уведомления, если их слишком много, и мы хотим избежать ненужной паники*.

*эта часть все еще находится в стадии пилота и параметры могут быть изменены

Определение минимального порогового значения

Таким образом, мы определяем кластер как группу, в которой должно быть минимум десять точек, а размер радиуса эпсилона равен 6 единицам. Все, что находится на расстоянии больше 6 единиц от основного облака и имеет менее 10 точек рядом, является аномалией. В этом случае мы обнаружили две аномалии, соответствующие двум деталям, которые имели «посторонние» признаки обработки. Мы можем определить, когда эти детали сделаны, и кодировать соответствующее время как время аномального поведения станка.

Проверка аномальной детали

Краткое изложение шагов

Альтернативный вариант использования

GIF был ускорен для эффекта. Детали фактически создаются за цикл ~83 секунды

Изменение вида сигнатур деталей в момент перехода к изготовлению детали другого типа

Положения инструмента на осях X и Z

Подробнее о возможностях аналитической платформы MachineMetrics и её отличиях от других систем мониторинга оборудования читайте в статье: «Почему стартап, разрабатывающий аналитическую платформу для дискретного производства, стал новостным хедлайнером».

Завершение серии: Часть 4: Применение на производстве