CNN 기반 딥러닝을 이용한 베어링 고장 진단의 정확도 및 계산 복잡도 분석 (Analysis of Accuracy and Computation Complexity of Bearing Fault Diagnosis Methods using CNN-based Deep Learning)

산업 현장에서 사용되는 기계 설비 고장의 상당 부분을 베어링의 고장이 차지하고 있는 상황에서, 베어링 고장으로 인해 발생하는 경제적/시간적 손실을 최소화하기 위해서는 빠르고 정확한 베어링 고장 진단 시스템 구축이 요구된다. 본 논��에서는 베어링의 상태 정보를 담고 있는 음향 방출 신호를 시간-주파수 영역의 스펙트로그램 이미지로 변환한 후에, CNN 기반 딥러닝을 적용하여 베어링의 상태를 정확하게 판단할 수 있는 베어링 고장 진단 기법을 제안한다. 제안된 고장 진단 기법을 다양한 CNN 모델을 활용하여 구현함으로써 CNN 모델에 따른 딥러닝 기반 베어링 고장 진단의 정확성을 평가하고자 한다. 또한, 실제 산업 현장에서의 실시간 고장 진단 가능성을 판단하기 위해 CNN 모델에 따른 고장 진단 계산 복잡도를 분석한다. 이를 위해, 적용되는 CNN 모델에 따른 고장 진단 연산의 Multiply-Accumulate 복잡도를 구하고 실제 현장 적용에 적합할 것으로 판단되는 CNN 모델을 선택한 후, 해당 CNN 모델이 적용된 고장 진단을 라즈베리파이보드에서 동작시켜 봄으로써 산업 현장에 적용 가능한 임베디드시스템에서의 실시간 진단 가능성을 확인하고자 한다. 실험 결과, 기존의 신호 처리를 기반으로 하는 베어링 고장 진단 기법들이 약 80%의 정확도를 보여주는 반면 제안하는 딥러닝을 적용한 베어링 고장 진단 기법은 100%에 가까운 높은 진단 정확도를 제공한다. 하지만, 가장 낮은 계산 복잡도를 요구하는 ShuffleNet을 적용하는 제안 기법의 경우에도 라즈베리파이보드에서 진단을 수행하는데 24,270ms를 소요하여, 산업 현장에서 사용되기 위해서는 계산 복잡도를 더욱 낮출 수 있는 방안이 개발되어야 함을 알 수 있다.

Bearing faults account for a large portion of machine faults in real industrial sites. To minimize the damages caused by bearing faults, it is necessary to provide an accurate real-time bearing faults diagnosis system. In this work, we propose a new bearing fault diagnosis method using deep learning with various CNN models, where acoustic emission signals from working bearings are used to analyze the status of bearings. In the proposed method, the acoustic emission signals acquired from the bearings are converted into spectrogram images in the time-frequency domain, and then the status of bearings can be diagnosed through deep learning with various CNN models. Traditional signal processing based bearing fault diagnosis methods show the accuracy of about 80%, while our proposed deep learning based method provides very high fault diagnosis accuracy of about 100%. We also apply the proposed deep learning based fault diagnosis method to Raspberry Pi to test the availability for the working conditions in real industrial sites. We measured the multiply-accumulate complexity of the fault diagnosis process with various CNN models to find the CNN model suitable for real working conditions, and then the selected ShuffleNet CNN model was implanted and operated in Raspberry Pi to check the possibility of real-time bearing fault diagnosis.