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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Diagnose einer Funktion von Gassystemaktuatoren, insbesondere zur End-of-Line-Kontrolle. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zur schnellen Erkennung von fehlerhaften Gassystemaktuatoren.
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Technischer Hintergrund
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Aktuatoren zur Gasmengenregelung werden in hohem Maße zur Steuerung von Gasströmen in Brennstoffzellen oder Verbrennungsmotoren eingesetzt. Diese Gassystemaktuatoren, insbesondere Luftsystemaktuatoren, weisen in der Regel ein Ventil oder eine Klappe auf, um einen Strömungswiderstand variabel einstellen zu können.
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Bei der End-of-Line-Kontrolle wird jeder gefertigte Gassystemaktuator an ein Steuergerät angeschlossen und in verschiedene Positionen verfahren, wobei überprüft wird, ob das Verhalten des Gassystemaktuators den kundenseitig vorgegebenen Grenzwerten genügt.
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In der Regel erfolgt die Prüfung des Gassystemaktuators in einem geschlossenen Regelkreis. Dabei wird dieser gemäß einem vorgegebenen Ansteuerprofil angesteuert und die entsprechende Reaktion des Gassystemaktuators überwacht. Dies hat jedoch den Nachteil, dass sich u.U. der Gassystemaktuator trotz negativer Eigenschaften ordnungsgemäß verhält, da Abweichungen von den Vorgaben durch die Regelung ausgeglichen werden können. Dadurch können ggfs. nicht vorgabenkonforme Gassystemaktuatoren als ordnungsgemäß klassifiziert werden, obwohl diese in bestimmten Betriebsbereichen ein ungenügendes oder fehlerhaftes Verhalten aufweisen.
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Ferner kann eine Überwachungslogik im Einsatzort von der Methodik und den Randbedingungen der End-of-Line-Kontrolle abweichen. Dadurch können Gassystemaktuatoren, die zunächst als fehlerfrei klassifiziert werden, in der späteren Anwendung ausfallen oder die Überwachungslogik identifiziert Fehler, die zuvor nicht erkannt worden sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zur Diagnose von Gassystemaktuatoren, insbesondere bei einer End-of-Line-Kontrolle, gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein computer-implementiertes Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einem Gassystemaktuator im Rahmen einer Funktionsüberprüfung, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen eines nicht-parametrischen datenbasierten Anomalie-Erkennungsmodells, das basierend auf Zeitreihen mindestens einer Ansteuergröße und mindestens einer Zustandsgröße ausgebildet ist, die sich aus einer Ansteuerung entsprechend einem vorgegebenen Ansteuerprofil ergeben;
- - Ansteuern des Gassystemaktuators gemäß dem vorgegebenen Ansteuerprofil und Erfassen von Zeitreihen der mindestens einen Ansteuergröße und der mindestens einen Zustandsgröße;
- - Feststellen eines Fehlers, abhängig von einer Auswertung des Anomalie-Erkennungsmodells mit den Zeitreihen der mindestens einen Ansteuergröße und der mindestens einen Zustandsgröße.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, mithilfe eines datenbasierten Anomalie-Erkennungsmodells eine Diagnose für Gassystemaktuatoren durchzuführen. Dazu wird ein Ansteuerprofil mit einer Zeitreihe von mindestens einer Ansteuergröße vorgegeben. Der zu diagnostizierende Gassystemaktuator wird mit der Zeitreihe der mindestens einen Ansteuergröße angesteuert und eine Zeitreihe mindestens einer resultierenden Zustandsgröße erfasst.
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Die Zeitreihe der mindestens einen Ansteuergröße und die Zeitreihe der mindestens einen resultierenden Zustandsgröße werden durch das nichtparametrische datenbasierte Anomalieerkennungsmodell ausgewertet, um eine Anomalie zu erkennen, die angibt, dass der zu diagnostizierende Gassystemaktuator nicht ordnungs- oder vorgabengemäß oder fehlerhaft ist. Entsprechend dem Ergebnis der Auswertung wird der zu diagnostizierende Gassystemaktuator bestätigt oder verworfen.
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Weiterhin kann die mindestens eine Ansteuergröße eine Stellspannung eines Stellers des Gassystemaktuators und/oder die mindestens eine Zustandsgröße eine Position eines Stellglieds und/oder einen Stellerstrom umfassen.
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Der Steller des Gassystemaktuators kann gemäß dem Ansteuerprofil angesteuert wird, wobei das Ansteuerprofil eine Abfolge von Soll-Positionen vorsieht und/oder eine Ansteuerung mit einer vorgegebenen dynamischen Spannungsverlauf, insbesondere einem Spannungssprung, bei einer oder mehreren vorgegebenen Positionen des Stellers vorsieht.
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Beispielsweise kann das Anomalie-Erkennungsmodell einen Autoencoder umfassen, der mit den Zeitreihen der mindestens einen Ansteuergröße und der mindestens eine Zustandsgröße als Eingangsgröße einer Vielzahl von gleichartigen Gassystemaktuatoren trainiert ist.
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Autoencoder sind aus dem Stand der Technik bekannt und stellen datenbasierte Modelle dar, die einen Eingangsgrößenvektor auf einen Ausgangsgrößenvektor abbilden und dabei so trainiert ist, dass Eingangsgrößenvektor und Ausgangsgrößenvektor übereinstimmen. Der Autoencoder ist mit den Zeitreihen von Ansteuer- und Zustandsgrößen des Gassystemaktuators als Eingangsgrößen trainiert.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein Fehler erkannt wird, wenn bei der Auswertung des Autoencoders mit den Zeitreihen der mindestens einen Ansteuergröße und der mindestens eine Zustandsgröße eines zu diagnostizierenden Gassystemaktuators als Eingangsgrößenvektor sich ein Rekonstruktionsfehler als Unterschied zwischen dem Eingangsgrößenvektor und einem rekonstruierten Eingangsgrößenvektor als Ausgangsgrößenvektor ergibt, der einen vorgegebenen Schwellenbetrag übersteigt. Bei der Auswertung des Autoencoders wird somit der Rekonstruktionsfehler ausgewertet und die Höhe des Rekonstruktionsfehler dient zur Feststellung eines Fehlers in dem zu diagnostizierenden Gassystemaktuator.
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Die Verwendung eines datenbasierten Anomalieerkennungsmodell basierend auf den Zeitreihen der Ansteuer- und Zustandsgrößen ermöglicht es, eine fehlerhafte Reaktion des zu diagnostizierenden Gassystemaktuators auf die Ansteuergrößen, auch dann zu erkennen, wenn die Stellung des Gassystemaktuators einer vorgegebenen Sollstellung folgt. Dieser Fall kann auftreten, wenn trotz fehlerhaftem Gassystemaktuator die Positionsregelung die durch das Ansteuerprofil vorgegebene Sollposition entsprechend anfahren bzw. folgen kann.
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Alternativ kann das Anomalie-Erkennungsmodell ein Verfahren zur abstandsbasierten Ausreißerdetektion umfassen, insbesondere einen k- Nearest-Neighbor-Algorithmus, ein local density factor-Verfahren oder ein k-means-Verfahren umfassen, der basierend auf physikalischen oder sonstigen Merkmalen, die aus den Zeitreihen der mindestens einen Ansteuergröße und der mindestens eine Zustandsgröße des zu diagnostizierenden Gassystemaktuator ermittelt werden, in Bezug zu den entsprechenden physikalischen oder sonstigen Merkmalen einer Vielzahl von gleichartigen Gassystemaktuatoren ausgewertet wird, um einen Fehler zu erkennen.
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Die Kombination einer physikalischen Systemidentifikation mit dem Anomalie-Erkennungsmodell ist dabei vorteilhaft, um im Falle eines Fehlers die Fehlerursache auffinden zu können.
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Der Vorteil eines datenbasierten Anomalie-Erkennungsmodells zum Diagnostizieren der Funktion eines Gassystemaktuators hat den Vorteil, dass dieses ausschließlich mit True-Positive gelabelten Trainingsdaten trainiert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Erkennen eines Fehlers in einem Gassystemaktuator im Rahmen einer Funktionsüberprüfung vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, zum:
- - Bereitstellen eines nicht-parametrischen datenbasierten Anomalie-Erkennungsmodells, das basierend auf Zeitreihen mindestens einer Ansteuergröße und mindestens einer Zustandsgröße ausgebildet ist, die sich aus einer Ansteuerung entsprechend einem vorgegebenen Ansteuerprofil ergeben;
- - Ansteuern des Gassystemaktuators gemäß dem vorgegebenen Ansteuerprofil und Erfassen von Zeitreihen der mindestens einen Ansteuergröße und der mindestens einen Zustandsgröße;
- - Feststellen eines Fehlers, abhängig von einer Auswertung des Anomalie-Erkennungsmodells mit den Zeitreihen der mindestens einen Ansteuergröße und der mindestens einen Zustandsgröße.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Gassystemaktuators zum Einsatz in einer Brennstoffzelle oder einem Verbrennungsmotor; und
- 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Diagnose von Gassystemaktuatoren in einer End-of-Line-Kontrolle mithilfe eines Autoencoders; und
- 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Diagnose von Gassystemaktuatoren in einer End-of-Line-Kontrolle mithilfe eines Nearest-Neighbor-Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt im Querschnitt einen Gassystemaktuator 1, insbesondere zum Einsatz in einer Brennstoffzelle und einem Verbrennungsmotor. Gassystemaktuatoren werden zur Mengensteuerung von Gasströmen eingesetzt, so dass insbesondere die Zufuhr von Frischluft aus der Umgebung variabel steuerbar ist.
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Der Gassystemaktuator 1 weist eine in einem Gasführungsrohr 2 angeordnete Klappe 3 (Stellglied) auf. Die Klappe 3 ist um eine axiale Richtung beweglich, die quer zum Verlauf des Gasführungsrohrs 2 liegt. Die Klappe 3 kann in dem Gasführungsrohr 2 variabel verstellt werden. In einer Stellung quer zur Strömungsrichtung kann das Gasführungsrohr 2 verschlossen werden und in einer Stellung parallel zur Strömungsrichtung kann der Strömungswiderstand eines darin geführten Gasstromes minimiert werden.
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Die Klappe 3 wird an einer Welle 5 gehalten und kann mithilfe eines Klappenstellers 4 (Steller) variabel verstellt werden. Der Klappensteller 4 weist einen Elektromotor auf, der abhängig von einer angelegten Gleichspannung die Klappe aus ihrer Stromlosstellung auslenken kann. Die Stromlos-Stellung kann eine vollständig geschlossene oder vollständig geöffnete Klappe sein. Der Elektromotor wirkt auf die Achse 5 der Klappe 3 gegen eine Federkraft, so dass die Klappe 3 im stromfreien Fall in die entsprechende Stromlos-Stellung zurückgeht.
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Vorzugsweise an der Welle 5 der Klappe 3 ist ein Stellungssensor 6 angeordnet, der die Stellung der Klappe 3 erfassen kann und eine entsprechende Positionsgröße als elektrisches Signal bereitstellen kann.
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Der Gassystemaktuator 1 wird durch ein Steuergerät 20 angesteuert, dass Ansteuergrößen zur Ansteuerung des Klappenstellers 4 in Form eines Spannungssignals einer Stellspannung U bereitstellt und eine Positionsangabe P des Stellungssensors 6 ausliest. Das Steuergerät 20 kann beispielsweise eine Positionsregelung gemäß einer vorgegebenen Soll-Position ausführen.
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Die Gassystemaktuatoren werden in Serienfertigung hergestellt. Zur Überprüfung der Vorgaben zur Funktion des Gassystemaktuators 1 kann dieser mit einem Diagnoseverfahren getestet werden. Das Diagnoseverfahren stellt fest, ob das Verhalten des Gassystemaktuators 1 von den bekannten ordnungsgemäßen Verhalten von Gassystemaktuatoren abweicht.
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Zur Diagnose der Funktion des Gassystemaktuators 1 wird dieser an ein Diagnosegerät 20 angeschlossen, so dass der Gassystemaktuator 1 mit der Stellspannung U versorgt werden kann und gleichzeitig die resultierenden Positionsgrößen P ausgelesen werden können. Das Diagnosegerät 20 ist weiterhin mit einem Stromsensor 11 verbunden, der den in den Elektromotor des Klappenstellers 4 fließenden Stellerstrom I messen kann. Die Ansteuergröße, nämlich die Stellspannung U, sowie die Zustandsgrößen, nämlich die Positionsgröße P und der Stellstrom I, können in einem Anomalieerkennungsverfahren ausgewertet werden. Als zusätzliche Zustandsgrößen können zudem auch eine Strömungstemperatur und die Höhe des Gasstromes durch geeignete Messvorrichtungen erfasst und als Zustandsgrößen berücksichtigt werden.
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Das Diagnosegerät 20 kann mit dem Steuergerät 10 verbunden sein, um für die Klappe 3 ein entsprechendes Ansteuerprofil vorzugeben. Zur Durchführung der Diagnose wird als Teil des Ansteuerprofils ein Positionsprofil vorgegeben, das eine Abfolge von Sollpositionen angibt. Diese Sollpositionen können Endpositionen umfassen, die den mechanischen Bewegungsbereich der Klappe 3 einschränken. Weiterhin kann Bestandteil des Positionsprofils eine Vorgabe einer langsamen Bewegung um einen sogenannten Notluftpunkt sein.
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Weiterhin kann das Positionsprofil eine Ansteuerung einer hochfrequenten Bewegung in einem bestimmten Positionsbereich durch Vorgabe entsprechend variierender Sollpositionen vorsehen, wobei der Positionsbereich so gewählt sein kann, dass dort das Systemverhalten typischerweise durch eine lineare Differentialgleichung beschrieben werden kann.
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Weiterhin kann zusätzlich in dem Ansteuerprofil vorgesehen sein, dass in einer oder mehreren der Endpositionen ein Sprung der Stellspannung vorgegeben wird.
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Die zeitliche Abfolge dieses Positionsprofils und des einen oder der mehreren Spannungssprünge der Stellspannung ist in dem Ansteuerprofil fest vorgegeben und führt zu entsprechenden Zeitreihensignalen der Stellspannung, des gemessenen Stellstroms sowie der Positionsgröße, die in dem Diagnosegerät 20 aufgezeichnet werden. Jeder der Gassystemaktuatoren wird mit einem identischen Ansteuerprofil angesteuert.
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2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Durchführung einer Diagnose an einem Gassystemaktuator 1.
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In Schritt S1 werden hierzu entsprechend dem oben beschriebenen Ansteuerprofil die Abfolge an Soll-Positionen bzw. Spannungssprünge an Endpositionen vorgegeben und die entsprechenden Zeitreihen der Ansteuergröße und der Zustandsgrößen erfasst. Diese werden gesampelt und zwischengespeichert.
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In Schritt S2 werden die Zeitreihen der Ansteuer- und Zustandsgrößen mithilfe eines Anomalie-Erkennungsmodells ausgewertet.
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In Schritt S3 wird überprüft, ob eine Anomalie erkannt worden ist. Ist eine Anomalie erkannt worden (Alternative: Ja), so wird in Schritt S4 ein Fehler signalisiert. Andernfalls (Alternative: Nein) wird in Schritt S5 der Gassystemaktuator 1 als fehlerfrei erkannt.
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Das Anomalie-Erkennungsmodell kann beispielsweise als Autoencoder ausgebildet sein.
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Zur Auswertung können dem Autoencoder die Zeitreihen der Ansteuergröße und der Zustandsgrößen als Eingangsgrößenvektor vorgegeben sein. Daraus bildet der Autoencoder einen rekonstruierten Eingangsgrößenvektor als Ausgangsgrößenvektor. Ein Rekonstruktionsfehler als Unterschiedsmaß zwischen dem Ausgangsgrößenvektor und dem Eingangsgrößenvektor kann bestimmt werden, beispielsweise als euklidische Distanz, die als Rekonstruktionsfehler die Abweichung des Eingangsgrößenvektors, d. h. der Zeitreihen der Ansteuergröße und der Zustandsgrößen, von denen eines ordnungsgemäßen Gassystemaktuators quantitativ angibt. Durch geeignete Wahl bzw. Vorgabe eines Fehlerschwellenwerts kann der Rekonstruktionsfehler bewertet werden.
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Überschreitet dieser den Fehlerschwellenwert, so kann auf einen fehlerhaften Gassystemaktuator geschlossen werden.
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Das Training des Autoencoder erfolgt basierend auf True-Positive-Zeitreihendaten in an sich bekannter Weise. Insbesondere kann so der Autoencoder mit Zeitreihendaten der Ansteuergröße und der Zustandsgrößen von bekanntermaßen fehlerfreien Gassystemaktuatoren trainiert werden.
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Ein alternatives Anomalie-Erkennungsmodell kann mithilfe eines Verfahrens zur abstandsbasierten Ausreißerdetektion, wie z.B. einem Nearest-Neighbor-Algorithmus, einem Local Outlier Factor-Verfahren oder einem k-means-Verfahren, ausgebildet werden. Ein entsprechendes Verfahren ist anhand des Flussdiagramms der 3 näher beschrieben.
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In Schritt S11 werden hierzu entsprechend dem oben beschriebenen Ansteuerprofil die Abfolge an Soll-Positionen bzw. Spannungssprünge an Endpositionen vorgegeben und die entsprechenden Zeitreihen der Ansteuergröße und der Zustandsgrößen erfasst. Diese werden gesampelt und zwischengespeichert.
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In Schritt S12 werden die Zeitreihen der Ansteuer- und Zustandsgrößen ausgewertet, um physikalische oder sonstige Merkmale zu extrahieren. Dazu können die Zeitreihendaten der Ansteuer- und Zustandsgrößen gewichtetet an das physikalische Modell angefittet werden. Die Gewichtung hängt dabei von der Ansteuerung ab. Beispielsweise wird die Federkennlinie beim langsamen („quasistationär“) Verfahren gelernt, während für Parameter des DC-Motors eine hochfrequente Anregung notwendig ist (z.B. sinusförmig oder mit verschiedenen Frequenzen/„Chirp“-Signal).
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Als physikalische Merkmale können Reib-Feder-Kennlinien, eine Federkonstante, eine Motorkonstante und/oder eine Reibung ermittelt werden.
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Die physikalischen Merkmale können in Schritt S13 mithilfe eines k-Nearest Neighbor Algorithmus ausgewertet werden. Dazu wird ein Merkmalspunkt aus physikalischen Merkmalen des zu diagnostizierenden Gassystemaktuators in Bezug zu den entsprechenden physikalischen Merkmalen einer Vielzahl von gleichartigen Gassystemaktuatoren ausgewertet. Je nach Größe des Abstandskreises um den Merkmalspunkt mit einer vorgegebenen Anzahl (von z.B. zwischen 5 und 50) von nächsten Nachbarn, kann ein Fehler erkannt werden. Der Fehler kann beispielsweise als Ergebnis eines Schwellenwertvergleichs des Radius des Abstandskreises festgestellt werden.
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Alternativ kann die die Dichtheit der Nachbarn (Local Outlier Factor) berechnet werden. Liegt ein Datenpunkt einer Zeitreihe der Ansteuer- und Zustandsgrößen in einem Bereich geringer Dichte, kann ein Fehler erkannt werden.
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Um zu verhindern, dass ein fehlerhaftes Cluster vorliegt, kann das Cluster zusätzlich mithilfe eines k-means-Verfahrens überprüft werden.
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In Schritt S14 wird überprüft, ob eine Anomalie erkannt worden ist. Ist eine Anomalie erkannt worden (Alternative: Ja), so wird in Schritt S15 ein Fehler signalisiert. Andernfalls (Alternative: Nein) wird in Schritt S16 der Gassystemaktuator als fehlerfrei erkannt.
