Diagnosis of Valve Internal Leakage for Ship Piping System using Acoustic Emission Signal-based Machine Learning Approach

선박용 밸브의 내부 누설 진단을 위한 음향방출신호의 머신러닝 기법 적용 연구

Valve internal leakage is caused by damage to the internal parts of the valve, resulting in accidents and shutdowns of the piping system. This study investigated the possibility of a real-time leak detection method using the acoustic emission (AE) signal generated from the piping system during the internal leakage of a butterfly valve. Datasets of raw time-domain AE signals were collected and postprocessed for each operation mode of the valve in a systematic manner to develop a data-driven model for the detection and classification of internal leakage, by applying machine learning algorithms. The aim of this study was to determine whether it is possible to treat leak detection as a classification problem by applying two classification algorithms: support vector machine (SVM) and convolutional neural network (CNN). The results showed different performances for the algorithms and datasets used. The SVM-based binary classification models, based on feature extraction of data, achieved an overall accuracy of 83% to 90%, while in the case of a multiple classification model, the accuracy was reduced to 66%. By contrast, the CNN-based classification model achieved an accuracy of 99.85%, which is superior to those of any other models based on the SVM algorithm. The results revealed that the SVM classification model requires effective feature extraction of the AE signals to improve the accuracy of multi-class classification. Moreover, the CNN-based classification can be a promising approach to detect both leakage and valve opening as long as the performance of the processor does not degrade.

밸브의 내부 누설 현상은 밸브의 내부 부품의 손상에 의해 발생하며 배관 시스템의 사고와 운전정지를 일으키는 주요 요인이다. 본 연구는 버터플라이형 밸브의 내부 누설에 따라 배관계에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 배관 가동 중 실시간 누설 진단의 가능성을 검토하였다. 이를 위해 밸브의 작동 모드별로 측정한 시간영역의 AE 원시신호를 취득하였으며 이로부터 구축한 데이터셋은 데이터 기반의 인공지능 알고리즘에 적용하여 밸브의 내부 누설 유무를 진단하는 모델을 생성하였다. 누설 유무진단을 분류의 문제로 정의하여 SVM 기반의 머신러닝과 CNN 기반의 딥러닝 분류 알고리즘을 적용하였다. 데이터의 특징 추출에 기반한 SVM 분류 모델의 경우, 이진분류 모델에서 구축된 모델에 따라 83~90%의 정확도를 나타냈으며, 다중 클래스인 경우 분류 정확도가 66%로 감소하였다. 반면, CNN 기반의 다중 클래스 분류 모델의 경우 99.85%의 분류 정확도를 얻을 수 있었다. 결론적으로 밸브 내부 누설 진단을 위한 SVM 분류모델은 다중 클래스의 정확도 향상을 위해 적절한 특징 추출이 필요하며, CNN 기반의 분류모델은 프로세서의 성능 저하만 없다면 누설진단과 밸브 개도 분류에 효율적인 접근방법임을 확인하였다.