JP2016050830A - 波形記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検索ゾーンや検索式等を含む検索条件を事前に設定することなく、測定波形同士を対比することにより、波形の異常箇所等を検索できるようにする。【解決手段】アナログの被測定信号をＡ／Ｄ変換してデジタルの測定データとして取り込む入力部２と、記憶部５と、測定データによる測定波形を表示する表示部６と、測定データを所定に処理する制御部４と、操作部３とを備え、制御部４は、操作部３より指示された一定の指定周期で測定波形を時系列順に複数の波形データ群（波形ファィル）に区分し、各波形データ群ごとに、測定データのＡ／Ｄ変換値からヒストグラムを作成して記憶部５に保存し、波形検索時に、操作部３より基準となる元波形の波形データ群が選択されると、元波形のヒストグラムと、他の波形データ群のヒストグラムとを対比して類似度を求め、その類似度に基づいて所定の波形検索（例えば異常波形検索）を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、波形記録装置に関し、さらに詳しく言えば、波形の異常箇所等を検索し得る波形検索機能を有する波形記録装置に関するものである。

波形記録装置は、その基本的な構成として、入力部、記憶部、表示部、制御部および操作部を備え、入力部より被測定対象物から測定されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換してデジタルの波形データとして取り込み、操作部にて設定された測定項目について、制御部にて所定の処理を行い、その波形データを逐次表示部に表示しながら、所定の時間軸長ごとに１波形ファイル（１波形データ群）として記憶部に格納する。

これによれば、波形ファイル名もしくは番号を指定して、記憶部から所望とする波形データを読み出して表示部に表示することができる。しかしながら、記憶部に格納される波形ファイル数が多くなると、その中から、所望とする波形（類似波形、非類似波形、異常波形等）を読み出すことは容易でない。

そこで、特許文献１に記載された発明では、時間方向（横軸方向）と測定値方向（縦軸方向）に検索ゾーン（異常領域）を設定し、この検索ゾーン内にデータがあるかどうかで、例えば異常波形を検索するようにしている。

また、特許文献２に記載された発明では、複数の波形ファィルの同じ位置（サンプリング位置）に属する波形データの平均値Ｘと、標準偏差σとを求め、各位置ごとにそれぞれＸ±Ｋ・σ（Ｋはユーザーによって設定される任意の係数）なる電圧範囲を設定し、この電圧範囲内における波形データの有無によって、同質もしくは異質の波形データを抽出（検索）するようにしている。

特開２０００−２９２４４９号公報 特開２００７−５７３０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明を実施するには、あらかじめ検索ゾーンを設定するのに手間がかかるばかりでなく、波形ファィル内に保存されている波形をある程度認識していないと検索精度の高い検索ゾーンを設定することができない。

また、特許文献２に記載された発明にしても、各波形ファィルの位置を順次ずらし、その各位置で平均値Ｘと、標準偏差σとを算出してＸ±Ｋ・σなる電圧範囲を設定するようにしているため、その演算に負担がかかる。

そこで、本発明の課題は、検索ゾーンや検索式等を含む検索条件を事前に設定することなく、測定波形同士を対比することにより、波形の異常箇所等を検索できるようにした波形記録装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、被測定対象物から測定されたアナログの被測定信号をＡ／Ｄ変換してデジタルの測定データとして取り込む入力部と、上記測定データを記憶する記憶部と、上記測定データによる測定波形を画面上に表示する表示部と、上記測定データを所定に処理するとともに、上記記憶部に対する上記測定データの書き込み、読み出しを制御する制御部と、上記制御部に対して波形検索指示を含む所定の指示を与える操作部とを備えている波形記録装置において、
上記制御部は、上記操作部より指示された一定の指定周期で上記測定波形を時系列順に複数の波形データ群に区分し、上記各波形データ群ごとに、上記測定データのＡ／Ｄ変換値からヒストグラムを作成して上記記憶部に保存し、上記波形検索時に、上記操作部より基準となる元波形の波形データ群が選択されると、上記元波形のヒストグラムと、他の波形データ群のヒストグラムとを対比して類似度を求め、上記類似度に基づいて所定の波形検索を行い、その結果を上記表示部に表示することを特徴としている。

上記制御部にて上記測定データのＡ／Ｄ変換値からヒストグラムを作成するにあたって、上記１波形データ群の測定データを上記記憶部に記憶するごとに、上記測定データのＡ／Ｄ変換値からヒストグラムを作成する第１の態様と、測定終了後もしくは測定データが所定数に達した後に、上記記憶部から上記測定データを１波形データ群単位で読み出して、その測定データのＡ／Ｄ変換値からヒストグラムを作成する第２の態様とがある。

上記波形検索の結果として、上記制御部は、上記類似度が所定の第１閾値よりも低い上記波形データ群の測定波形を異常波形として上記表示部に表示する。

また、上記波形検索の結果の別の態様として、上記制御部は、隣接する２つの上記波形データ群の類似度同士を対比し、その変化率が所定の第２閾値よりも大きい場合に、その箇所の測定波形を上記表示部に表示する。

本発明において、上記操作部より指示される指定周期は、１周期もしくはその整数倍の周期であることが好ましい。

また、上記操作部より選択される元波形が、上記測定波形内に存在する正常波形（例えば、交流電圧波形ならば、歪みやヒゲ状の突発現象等がない正弦波形）であることが好ましい。

一例として好ましくは、上記類似度は、ヒストグラム交差法に基づき、Ｈ_１を元波形データ群のＡ／Ｄ変換値によるヒストグラム値，Ｈ_２を他の波形データ群のＡ／Ｄ変換値によるヒストグラム値，ｉを階調数の変数として成り立つ次式（１）を正規化することにより求めることができる。

本発明によれば、操作部より指示された一定の指定周期で測定波形を時系列順に複数の波形データ群に区分し、その各波形データ群ごとに、測定データのＡ／Ｄ変換値からヒストグラムを作成して記憶部に保存し、波形検索時に、操作部より基準となる元波形（好ましくは、歪みやヒゲ状の突発現象等がない正常波形）の波形データ群が選択されると、元波形のＡ／Ｄ変換値によるヒストグラムと、他の波形データ群のＡ／Ｄ変換値によるヒストグラムとを対比して類似度を求めるようにしたことにより、事前に検索ゾーンや検索式等を設定することなく、その類似度に基づいて、異常波形や波形変化の大きい箇所等を素早く見つけることができる。

本発明の実施形態に係る波形記録装置の構成を概略的に示すブロック図。 （ａ）第１の測定波形（基準波形）の一部分を示す波形図、（ｂ）そのＡ／Ｄ変換値によるヒストグラムを示すグラフ。 （ａ）第２の測定波形（異常波形）の一部分を示す波形図、（ｂ）そのＡ／Ｄ変換値によるヒストグラムを示すグラフ。 （ａ）第３の測定波形（ほぼ一定波形）の一部分を示す波形図、（ｂ）そのＡ／Ｄ変換値によるヒストグラムを示すグラフ。 記憶部に保存される波形データ群の内容を示す模式図。 波形検索の対象となる測定波形の一例を示す波形図。 類似度に基づく異常波形の検索例を示す説明図。 類似度に基づく波形変化箇所の検索例を示す説明図。

次に、図１ないし図８を参照して、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、この実施形態に係る波形記録装置１は、基本的な構成として、入力部２と、操作部３と、制御部４と、記憶部５と、表示部６とを備えている。

入力部２は、Ａ／Ｄ変換器を有し、図示しない被測定対象物からの被測定信号（アナログの電気信号）をデジタルの測定データ（波形データ）に変換して後段の制御部７に送出する。

この実施形態において、入力部２は、複数の入力チャンネルＣＨ１〜ＣＨｎを有し、それら各入力チャンネルから入力される被測定信号を、図示しないマルチプレクサにより順次選択し、上記Ａ／Ｄ変換器を介してデジタルの測定データとして出力する多チャンネル入力部であるが、入力チャンネルが１つの単チャンネル入力部であってもよい。

制御部４には、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）もしくはマイクロコンピュータ等が用いられてよく、制御部４は、入力部２からの測定データを記憶部５に格納し、また、記憶部５から測定データを読み出して表示部６に送る。

この実施形態において、制御部４は、操作部３からの指示に基づいて、測定データを所定に処理して、インピーダンス，電力、実効値等を求める演算機能や判定機能の他に、測定データの圧縮機能、トリガ機能等を備えている。

記憶部５は、制御部４の動作プログラム等が格納されるＲＯＭ（リードオンリーメモリ）５ａと、測定データを逐次記憶するストレージメモリ５ｂと、所定のインターフェイスを介して接続されるＨＤＤ，ＵＳＢメモリ，ＳＤカード等の外部メモリ５ｃとを備え、操作部３からの指示により、ストレージメモリ５ｂ内の測定データが外部メモリ５ｃに保存される。

操作部３は、キーボードもしくはタッチパネル等からなり、制御部４に対して、各種の演算項目の指示やトリガ条件等の設定のほかに、後述する波形検索の指示を与える。

表示部６は、液晶表示パネル等からなる画面を備えている。画面はモノクロ表示、カラー表示のいずれであってもよいが、カラー表示であれば、各入力チャンネルの測定波形を色分けして表示することができる。

本発明において、波形記録装置１は、波形検索機能を備えている。そのため、制御部４は、測定データのＡ／Ｄ変換値によりヒストグラム（度数分布図）を作成する。

表示部６の画面に、図２（ａ）に示すように、正弦波の測定波形（基準波形）Ｗ１が表示されている場合を例にして説明すると、ヒストグラムを作成するにあたって、操作部３により、測定波形Ｗ１のヒストグラムを作成する範囲が、１周期もしくはその整数倍の周期として指定される。この範囲が１波形データ群であり、以下の説明において波形データ群を波形ファィルと言うことがある。

入力部２のＡ／Ｄ変換器で、アナログの被測定信号が１６ビットの測定データに変換されるとした場合、測定データ１ポイントのＡ／Ｄ変換値は、０〜６５５３５のうちの一つの値を取る。

このままでは、測定データの範囲（階調数）が広すぎることから、この実施形態において、制御部４は、１６ビットの測定データを２５６で除算して、図２（ｂ）に示すように、測定波形Ｗ１について、横軸を２５６階調，縦軸をＡ／Ｄ変換値のデータ数とするヒストグラムを作成する。

なお、測定データが８ビットであれば、上記のような除算を行うことなく、その生データのままヒストグラムが作成されるが、横軸の階調数は任意に選択されてよい。例えば、階調数を１２８とする場合、測定データが１６ビットであれば５１２で除算し、８ビットであれば２で除算することになる。

図３，図４に、別の測定波形についてのヒストグラム作成例を示す。図３（ａ）に示すような歪みとヒゲ状の突発現象を有する異常波形Ｗ２の場合、図３（ｂ）に示すヒストグラムが作成される。また、図４（ａ）に示すようなほぼ一定の測定波形Ｗ３の場合、図４（ｂ）に示すヒストグラムが作成される。

上記のように、測定波形の指定された１周期もしくはその整数倍の周期を１波形ファィルとしてＡ／Ｄ変換値によるヒストグラムが作成されるが、このヒストグラムは、図５に示すように、波形ファィル名を記載したヘッダ部および測定値とともに記憶部５の好ましくは外部メモリ５ｃに保存される。

ヒストグラムの作成例について説明すると、例えば１周期のデータサンプリングポイント数が１０００であるとして、まず、０〜９９９番目の測定データにより第１回目の１波形ファイルのヒストグラムが作成され、次に１０００〜１９９９番目の測定データにより第２回目の１波形ファイルのヒストグラムが作成され、以後同様に、１０００ポイントずつヒストグラムが作成される。仮に、測定データ数が５０００個であるとすれば、５個のヒストグラムが作成されることになる。

このようにヒストグラムを作成するにあたっては、ストレージメモリ５ｂに１波形ファイル分の測定データを記憶させるたびにヒストグラムを作成することが時間的に好ましいが、測定終了後もしくは測定データが所定数に達した後に、ストレージメモリ５ｂまたは外部メモリ５ｃから、測定データを１波形ファイル単位で読み出して、その測定データのＡ／Ｄ変換値からヒストグラムを作成するようにしてもよい。

波形検索時において、操作部３より、その検索基準になる元波形のファイル（元波形ファイル）および検索範囲（個別範囲もしくは全範囲等）が指定されると、制御部４は、検索基準として指定された元波形のヒストグラムと、他の波形（「被検索波形」ということがある。）のヒストグラムとを読み出し、次式（１Ａ）により類似度を算出する。

この実施形態では、ヒストグラム交差法が適用され、上記式（１）中、Ｈ_１は元波形データ群（波形ファイル）のヒストグラム値，Ｈ_２は対比される被検索波形データ群（波形ファィル）のヒストグラム値，ｉは階調数の変数で、この例においてｉ＝１〜２５６（０〜２５５）である。ｍｉｎ（Ｈ_１，Ｈ_２）は論理積演算を意味しており、ヒストグラム値とは、一つの階調におけるデータ数である。

なお、上記式（１Ａ）より求められた類似度を、次式（２）によって正規化することにより、１．０００以下の数値が得られ、その値が「１」に近いほど類似度が高く元波形に似た波形、「０」に近づくに連れて類似度が低く元波形とは異なる波形（異常波形、変化率が大きい箇所の波形）と判定することができる。

ヒストグラム交差法については、例えば、「Ｍ．Ｊ． Ｓｗａｉｎ ａｎｄ Ｄ．Ｈ． Ｂａｌｌａｒｄ ： Ｃｏｌｏｒ Ｉｎｄｅｘｉｎｇ， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ． ｖｏｌ． ７． ｎｏ． １． ｐｐ．１１−３２． １９９１．」，「岡本一志らの共著に係る（ｔ−ｎｏｒｍに基づいたヒストグラム交差法の提案と画像検索への応用）：日本感性工学会論文誌，Ｖｏｌ．１０ Ｎｏ．１ ｐｐ． １１−２１（２０１０）」等を参照。

次に、図６に示す実際に測定された測定波形Ｗを例にして、類似度による波形検索例について説明する。

まず、操作部３より、測定波形Ｗの中から正常と見なされる基準波形（検索基準となる元波形）Ｗ１を選択し、波形長として例えばその１周期を指定すると、制御部４は、基準波形（元波形）Ｗ１について、その１周期分の測定データのＡ／Ｄ変換値からヒストグラム（図２（ｂ）参照）を作成し、波形ファィル名をＦａとして記憶部５の好ましくは外部メモリ５ｃに保存する。

続いて、制御部４は、測定波形Ｗの残りの範囲を、基準波形（元波形）Ｗ１の１周期を単位波形長として分け、すなわち基準波形の測定ポイント数ずつに分け、その各々について、それらの測定データのＡ／Ｄ変換値からヒストグラムを作成し、波形ファィル名を付けて記憶部５の外部メモリ５ｃに保存する。

このようにしてヒストグラムを作成したのち、制御部４は、基準波形（元波形）Ｗ１のヒストグラムと、他の各波形のヒストグラムとをそれぞれ対比し、上記式（１Ａ）を上記式（２）で正規化して、基準波形（元波形）Ｗ１に対する他の各波形の類似度を求め、その値を記憶部５の外部メモリ５ｃに保存する。

この作業終了後に、操作部３より異常波形検索（低類似度検索）として、その類似度の閾値が例えば０．４以下に設定されると、制御部４は、その指示にしたがって、基準波形（元波形）Ｗ１に対して類似度が０．４以下である波形を表示部６の画面に表示する。その検索結果を図７に示す。

これによると、測定波形Ｗの中から、類似度が低い波形ファイルとして、Ｆｂ，Ｆｃ，Ｆｄ，Ｆｅ，Ｆｆの５波形ファイルが抽出され、この例では、図７の左から類似度が低い順に、Ｆｅ，Ｆｄ，Ｆｆ，Ｆｂ，Ｆｃの各波形が並べられ、このうちのＦｅの波形がもっとも類似度が低い異常波形として検索され、類似度が低い中でも、Ｆｄ，Ｆｆ，Ｆｂ，Ｆｃの順に類似度が高くなっていることが分かる。

次に、別の波形検索例として、図６に示した測定波形Ｗの中で、波形の変化率が大である箇所を検索する波形変化箇所検索について説明する。

この波形変化率は、測定波形Ｗの時間軸に沿って隣接する２つの波形ファイルの類似度同士を対比することにより求められる。

この波形変化率の閾値は、一例として、変化率のベースを０．０１とし、隣接する２つの波形ファイルのうちの時間軸的に前の波形ファイルの類似度をａ，その後の波形ファイルの類似度（類似度は何れも基準波形（元波形）に対する類似度）をｂとして、
変化率＝|（ａ−ｂ）／０．０１｜
により求められる。

一例として、類似度ａ，ｂがともに０．９であれば変化率０、類似度ａが０．９で類似度ｂが０．６（もしくは類似度ａが０．６で類似度ｂが０．９）であれば変化率３０となる。したがって、変化率の閾値を３０以上に設定すれば、隣接する２つの波形ファイルの間で、類似度の差が０．３以上である箇所を特定することができる。なお、閾値を類似度の変化幅（|ａ−ｂ｜）として設定してもよい。

このようにして行われた波形変化箇所検索の検索結果の一例を図８に示す。これによると、図６の測定波形Ｗの中で、波形ファイルＦｐ，Ｆｑ間、Ｆｒ，Ｆｓ間、Ｆｔ，Ｆｕ間およびＦｖ，Ｆｗ間の４箇所で波形が閾値を超えて大きく変化しており、この例では、表示部６の画面に、図８の左から波形変化率の大きい順に、（Ｆｔ，Ｆｕ）、（Ｆｖ，Ｆｗ）、（Ｆｐ，Ｆｑ）、（Ｆｒ，Ｆｓ）の各波形が表示されている。

なお、この波形変化箇所検索は、隣接する２つの波形ファイル間の類似度の差を見ていることから、検索結果の画面には、一つの波形変化箇所について、一方の波形ファイルの波形と他方の波形ファイルの波形の２波形（すなわち基準波形（元波形）の２周期分の波形）が表示されることが好ましい。

また、上記異常波形検索および上記波形変化箇所検索において、検索結果を表示部６の画面に表示する場合、検索された各波形は、表示部６に１画面として表示されることが好ましいが、一度に表示仕切れない場合には、画面を複数に分割して表示する多画面表示もしくは操作部３の図示しない例えばリターンキーを押すごとに表示部６の画面Ｄに順次表示されるようにしてもよい。

Ａ／Ｄ変換値のヒストグラムによる波形検索には、上記した異常波形検索、波形変化箇所検索の他に、類似度が高い波形を指定しての基準波形（元波形）に類似する類似波形検索も含まれる。

また、検索結果として表示する画面数（抽出画面数）については、操作部３により、例えば類似度下位ｎ画面、波形変化率大上位ｎ画面もしくは類似度上位ｎ画面（ｎは２以上の整数）のように任意に指定することができる。

なお、上記実施形態では、類似度をｍｉｎ（Ｈ_１，Ｈ_２）による論理積演算により求めているが、次式（３）のｍａｘ（Ｈ_１，Ｈ_２）による論理和演算が採用されてもよい。

また、類似度を算出する別の手法として、ファジィ演算の一種であるＡＮＤ演算やＯＲ演算を代数計算のように求める代数和、代数積の手法を採用することもできる。

１ 波形記録装置
２ 入力部
３ 操作部
４ 制御部
５ 記憶部
６ 表示部

Claims (8)

1. 被測定対象物から測定されたアナログの被測定信号をＡ／Ｄ変換してデジタルの測定データとして取り込む入力部と、上記測定データを記憶する記憶部と、上記測定データによる測定波形を画面上に表示する表示部と、上記測定データを所定に処理するとともに、上記記憶部に対する上記測定データの書き込み、読み出しを制御する制御部と、上記制御部に対して波形検索指示を含む所定の指示を与える操作部とを備えている波形記録装置において、
   上記制御部は、上記操作部より指示された一定の指定周期で上記測定波形を時系列順に複数の波形データ群に区分し、上記各波形データ群ごとに、上記測定データのＡ／Ｄ変換値からヒストグラムを作成して上記記憶部に保存し、
   上記波形検索時に、上記操作部より基準となる元波形の波形データ群が選択されると、上記元波形のヒストグラムと、他の波形データ群のヒストグラムとを対比して類似度を求め、上記類似度に基づいて所定の波形検索を行い、その結果を上記表示部に表示することを特徴とする波形記録装置。
2. 上記制御部は、上記１波形データ群の測定データを上記記憶部に記憶するごとに、上記測定データのＡ／Ｄ変換値からヒストグラムを作成することを特徴とする請求項１に記載の波形記録装置。
3. 上記制御部は、測定終了後もしくは測定データが所定数に達した後に、上記記憶部から上記測定データを１波形データ群単位で読み出して、その測定データのＡ／Ｄ変換値からヒストグラムを作成することを特徴とする請求項１に記載の波形記録装置。
4. 上記制御部は、上記類似度が所定の第１閾値よりも低い上記波形データ群の測定波形を異常波形として上記表示部に表示することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の波形記録装置。
5. 上記制御部は、隣接する２つの上記波形データ群の類似度同士を対比し、その変化率が所定の第２閾値よりも大きい場合に、その箇所の測定波形を上記表示部に表示することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の波形記録装置。
6. 上記操作部より指示される指定周期が、１周期もしくはその整数倍の周期であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の波形記録装置。
7. 上記操作部より選択される元波形が、上記測定波形内に存在する正常波形であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の波形記録装置。
8. 上記類似度は、ヒストグラム交差法に基づき、Ｈ_１を元波形データ群のＡ／Ｄ変換値によるヒストグラム値，Ｈ_２を他の波形データ群のＡ／Ｄ変換値によるヒストグラム値，ｉを階調数の変数として成り立つ次式（１）を正規化することにより求められることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の波形記録装置。