閾値で足りる設備は多い、判断基準は運転条件の変動

予知保全の第一歩は、振動や温度に上限値を決めてアラームを出す閾値管理で十分なことが多いです。ISO 20816の振動評価ゾーンや温度の上限値は、説明しやすく、導入も速く、現場が理由を理解しやすいという利点があります。

閾値管理が苦手なのは、運転条件が変わる設備です。品種によって負荷が変わる、回転数が時間帯で変わる、季節で周囲温度が変わる、といった設備では、正常時の値そのものが動くため、一つの閾値では誤報か見逃しのどちらかが増えます。機械学習が力を発揮するのは主にこの領域です。

閾値管理と機械学習の比較

観点固定閾値機械学習(正常モデル)
導入の速さ速い。設定値を決めればすぐ運用できる正常データの収集に数週間〜数か月
説明のしやすさ高い。「振動が○を超えた」低い。異常度の根拠を別途示す工夫が要る
運転条件の変化弱い。条件ごとに閾値を分ける必要条件を入力に入れれば対応できる
初期兆候の検出総合値が動くまで検出できない複数信号の組み合わせのずれで早く捉えられることがある
運用の手間閾値の見直し再学習、正常データの代表性の維持、モデル管理

実務では二者択一ではなく、閾値で一次アラームを出し、機械学習の異常度で優先度を付ける併用が多く見られます。振動監視での具体的な段階分けは振動データの予知保全AIを参照してください。

機械学習が要る4つの条件

次の条件のうち1つ以上に当てはまり、かつ閾値管理で誤報や見逃しが実際に問題になっている設備から、機械学習を検討してください。

  1. 運転条件の変動が大きい:品種・負荷・回転数・周囲温度で正常時の値が大きく変わり、条件別の閾値設定が現実的でない
  2. 複数の信号の関係で異常が現れる:振動単独では正常範囲でも、温度や電流との組み合わせで見ると異常、という故障モードがある
  3. 同型設備が多数ある:設備ごとに閾値を手で決める工数が大きく、同型機のデータをまとめて学習した方が効率的
  4. 総合値が動く前の初期兆候を捉えたい:停止損失が非常に大きく、数日でも早く気づく価値がある

逆に、設備が1台で運転条件がほぼ一定、故障モードが単純な場合は、機械学習を入れても閾値管理との差はほとんど出ません。

誤報率10%の壁:効果を消すのは見逃しより誤報

予知保全の失敗で見落とされがちなのが、誤報のコストです。McKinseyが2021年に挙げた例として、誤報率10%で、ある予知保全プログラムの節約効果が消えたケースが紹介されています(Reliable誌による二次情報で、原典の詳細は確認できていません)。

誤報1件ごとに、保全担当者が現場に出向いて点検する工数、場合によっては設備を止める損失が発生します。さらに深刻なのは、誤報が続くと担当者がアラームを信用しなくなり、本当の異常を見逃すことです。音の異常検知の国際コンペDCASE2020が、評価指標に誤報率の低い範囲での検出力(pAUC)を採用したのも、誤報が多いと現場の信頼を失うという同じ理由からです。

閾値を下げると見逃しが減り誤報が増え、上げると逆になる関係と、誤報上限を先に決める設計 閾値を下げる 見逃し:減る 誤報:増える → 現場がアラームを無視 設計の順序 ① 誤報の上限を決める ② その範囲で閾値を置く ③ 検出できた異常を数える 閾値を上げる 誤報:減る 見逃し:増える → 突発停止が残る 誤報の上限は「保全担当者が1か月に対応できる空振り点検の件数」から決める
閾値の設定と誤報・見逃しの関係。誤報の許容件数を先に決め、その範囲で検出力を最大にする。

誤報率を設計指標に置く方法

誤報を後から減らそうとするのではなく、最初から設計の目標に入れます。

  1. 誤報の許容件数を決める:保全担当者の人数と業務量から、1か月に対応できる空振り点検の件数を決める。設備台数で割れば、1台あたりの許容誤報率が出る
  2. 誤報のコストを見積もる:1件あたりの点検工数と、点検のために設備を止める場合の損失
  3. 許容範囲で閾値を決める:正常データで閾値を動かし、誤報件数が許容範囲に収まる閾値を探す
  4. 検出力を評価する:その閾値で、過去の異常事例や疑似異常をどれだけ検出できたかを数える
  5. 結果を記録して見直す:アラームごとに「点検で何が見つかったか」を保全記録に残し、誤報率と的中率を毎月集計する

5番目の記録がないと、誤報か的中かを判断できず、閾値の見直しもできません。保全記録の書式に「アラームの結果」欄を設け、点検結果をコードで選べるようにしておくことが欠かせません。誤報の評価方法は異常検知の誤報を減らすで詳しく扱っています。

データ基盤の観点:運転条件を一緒に残す

閾値を運転条件別に分けるにも、機械学習で条件を入力に入れるにも、センサデータと同じ時刻の品種・負荷・回転数が必要です。これらはMESの作業実績や制御系のタグにあることが多く、センサデータと同じ時刻基準・同じ設備IDで結べるかが前提になります。時刻がずれていると、品種切り替えの瞬間のデータが前の品種として扱われ、誤報の原因になります。

よくある質問

機械学習を使えば誤報はなくなりますか?

なくなりません。機械学習でも閾値を決める必要があり、誤報と見逃しのトレードオフは残ります。運転条件の変化による誤報は減らせますが、正常データに含まれていない状態(新しい品種、季節の変化)が来ると誤報が出ます。

閾値はどのくらいの頻度で見直すべきですか?

最初の3か月は毎月、その後は四半期ごとが目安です。設備の改造、部品交換、新品種の追加など、正常状態が変わるイベントがあったときは、その都度見直します。

誤報率は何%以下を目標にすればよいですか?

一律の正解はありません。設備台数と保全担当者の対応能力で決まります。設備1,000台を監視し、1台あたり月1%の誤報率なら月10件の空振り点検になります。この件数を現場が受け入れられるかで判断してください。

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この記事を書いた人

株式会社サオス

株式会社サオス 製造DX部

DELMIA Apriso を中核とした MES / 製造DX の導入・運用・人材育成と、製造業向けAIの調査・開発・教育を手がけるITコンサルティング企業。ISO 9001:2015 / ISO 27001:2022 認証取得。 日本・中国・米国で製造業のMES・データ基盤・AI導入を手がけた実務者が、欧米・中国の一次情報にあたって書いています。