수동 이상을 넣고 두 모델 비교하기

RTU의 「수동 이상 데이터」로 비정상 값을 넣고, PDM의 「이상 알람」에서 두 모델이 어떻게 판정하는지 봅니다. 화면 기본값 일곱 개를 넣으면 2초 만에 「위험」이 뜹니다. 하지만 값 하나만 바꾸어 보면 두 모델의 차이가 드러납니다. 기존 방식은 pH와 밸브를 보지 못하고, PCA는 값이 정상인데 멈춰 있기만 한 센서도 잡습니다.

무엇을 · 왜#

RTU는 평소에 정상값만 만듭니다. 「수동 이상 적용」을 누르면 그때부터 입력칸의 값을 그대로 상수로 내보내고, 그 시점들에 이상 라벨(label = 1)을 붙입니다. PDM은 이 라벨을 판정에 쓰지 않고 「RTU 주입 라벨 · 시험용 정답 표시」로만 보여 줍니다.

화면 코드는 PDM의 알람 단계를 다음과 같이 정합니다.

화면 기본값은 모두 정상 범위를 크게 벗어나 있습니다.

따라 하기#

1. PDM이 RTU에 연결되어 있고 「실시간 자동 갱신」이 켜져 있는지 확인합니다(2장). 「이상 알람」 메뉴를 열어 둡니다. 소리를 들으려면 「경고음 사용」을 한 번 누릅니다. 브라우저 정책 때문에 사람이 한 번 눌러야 소리가 납니다.

2. RTU 화면 오른쪽의 「수동 이상 데이터」에서 기본값을 그대로 두고 수동 이상 적용을 누릅니다. 위쪽 줄의 MODE가 MANUAL ANOMALY로, 오른쪽 위 상태가 「적용 중」으로 바뀝니다. 일곱 카드의 값이 입력값으로 고정되고, 그래프 끝이 수직으로 튑니다.

   

   「수동 이상 적용」은 RTU가 멈춰 있으면 운전도 다시 시작합니다.

3. PDM의 「이상 알람」을 봅니다. 이번 실행에서는 적용하고 3.1초 뒤에 화면이 「위험」으로 바뀌었습니다.

   칸	값
   Isolation Forest	1.13 · 이상
   PCA T²/Q	20,019,526.12 · 이상
   RTU 주입 라벨	수동 이상

   

   두 숫자의 크기는 매우 다릅니다. 이 차이는 이상의 심각성이 아니라 점수를 만드는 방식에서 비롯됩니다. Isolation Forest의 점수는 「몇 번 나눠야 따로 떨어지는가」에서 나오므로 상한이 있습니다. 재생 실행에서 임계값은 원점수 0.578이었고, 이상일 때 점수는 그 1.13배까지만 올라갔습니다. PCA의 T²와 Q는 표준화한 특징의 제곱 거리라서 한계가 없습니다. 값이 멈추면 표준편차·기울기 같은 특징이 학습 때 본 적 없는 0이 됩니다. 그 결과 거리가 수천만 배로 커집니다.

4. 30초쯤 뒤 RTU에서 정상 운전 복귀를 누릅니다. 값은 바로 정상 파형으로 돌아오지만, PDM은 약 16~18초 동안 「위험」을 유지합니다. 아래 화면은 복귀하고 6초 뒤입니다. 라벨은 이미 「정상 입력」인데 두 모델 모두 이상입니다.

   

   20시점 창 때문입니다. 마지막 시점이 정상이어도 창 안의 앞쪽 19시점에 이상값이 남아 있습니다. 창에서 이상값이 완전히 빠져야 점수가 내려갑니다. KANG 판에서도 같은 「꼬리」가 있었습니다.

5. 같은 실험을 2초 간격으로 기록하면 아래와 같습니다. 그림은 RTU를 1초씩 직접 진행시키며 화면과 같은 규칙으로 판정하는 재생 도구로 그렸습니다(프로그램 수정 없음).

   

   세 가지가 보입니다.

   • 변화가 창 안에 있을 때 점수가 가장 큽니다. 이상이 20초 넘게 이어져 창 전체가 같은 상수로 채워지면 두 점수가 내려갑니다(IF 1.01, PCA 1,827). 그래도 임계값보다는 높습니다. 복귀한 뒤 18초 동안은 창에 「이상 → 정상」 변화가 들어 있어 다시 최고치로 오릅니다.
   • 이상이 없는 구간에도 주의·위험이 있습니다. 그림의 −44초, +50~58초, +100~120초가 그렇습니다. 5장에서 원인과 해결 방법을 다룹니다.
   • 두 모델의 판정이 늘 같지는 않습니다. +52~58초에는 PCA(T²)만, +100~106초에는 Isolation Forest만 1.0을 넘었습니다.

한 변수만 바꿔 보기#

교육 자료(PPT 10쪽)는 「한 번에 한 변수만 바꾼 뒤 여러 변수를 함께 바꿔 보라」고 권합니다. 그런데 화면의 「수동 이상 적용」은 입력칸 일곱 개를 모두 보냅니다. 값 하나만 바꾸고 나머지에 정상값을 적어도, 그 여섯 값도 상수로 고정됩니다. 정확히 한 채널만 바꾸려면 RTU API에 바꿀 채널만 보냅니다. 보내지 않은 채널은 정상 파형을 계속 따릅니다.

# pH 하나만 10.2 로(나머지 여섯 채널은 정상 파형 그대로)
curl -X POST http://127.0.0.1:8776/api/manual -H 'Content-Type: application/json' \
     -d '{"enabled": true, "values": {"ph": 10.2}}'
# 정상 운전 복귀
curl -X POST http://127.0.0.1:8776/api/manual -H 'Content-Type: application/json' \
     -d '{"enabled": false, "values": {}}'

연결하고 10분 뒤 60초 동안 이상을 넣어 비교했습니다(재생 도구, 2초마다 판정 30번).

결과에서 주목할 점은 세 가지입니다.

• 기존 방식은 pH와 밸브를 보지 못합니다. 입력이 온도·압력뿐이기 때문입니다. pH만, 밸브만 바꾼 실험에서 IF 점수는 평소처럼 0.97 근처에 머물렀습니다. 화학 공정에서 이 두 값이 중요하다면, 기존 방식만으로는 그 이상을 놓칩니다.
• PCA는 멈춘 센서를 잡습니다. pH를 정상값인 7.15로 고정하기만 했는데도 PCA는 2초 만에 이상으로 판정했습니다(최대 338). 값의 크기가 아니라 「흔들림이 사라진 것」(표준편차·기울기 0)을 본 것입니다. 현장에서 계기가 멈추거나 통신이 끊겨 마지막 값이 반복될 때 유용한 특성입니다.
• 화면으로 하는 실험에는 「멈춤」이 늘 섞입니다. 화면에서 pH만 바꾸면 나머지 여섯 채널도 멈춥니다. 그래서 기존 방식도 20초 뒤에는 이상을 잡았습니다(온도·압력이 멈췄기 때문입니다). 「한 변수」 실험은 위의 curl로 해야 정확합니다.

확인 문제#

1. RTU API로 밸브 개도만 95%로 바꿨습니다. 「이상 알람」의 Isolation Forest 칸이 계속 0.97 「정상」입니다. 프로그램이 고장 난 건가요?

   정답

   아닙니다. 기존 방식 재현 모델은 온도·압력 채널(특징 10개)만 입력으로 받습니다. 밸브 채널은 아예 보지 않습니다. 밸브 이상은 일곱 채널을 모두 보는 PCA T²/Q가 잡습니다(이번 실험에서 2초).

2. 「정상 운전 복귀」를 눌렀는데 16~18초 동안 「위험」이 이어졌습니다. 왜 그런가요? 이 시간을 줄이면 무엇을 잃나요?

   정답

   특징을 최근 20시점 창으로 계산하므로, 복귀한 뒤에도 창 안에 이상값이 남아 있는 동안은 점수가 높습니다. 창을 줄이면 꼬리는 짧아집니다. 대신 평균·표준편차·기울기를 더 적은 점으로 계산하므로 정상적인 변동에도 점수가 크게 흔들려 헛알람이 늘 수 있습니다. 창 크기는 측정 간격과 이상이 지속되는 시간을 고려해 정해야 합니다(배포본 화면에서는 20으로 고정입니다).

3. pH를 정상값(7.15)으로 고정만 했는데 PCA가 이상이라고 했습니다. 헛알람인가요?

   정답

   값의 크기로는 정상이지만, 정상 운전에서는 pH가 늘 조금씩 움직이므로 「전혀 움직이지 않는 pH」는 평소와 다른 상태입니다. 계기 고착이나 통신 끊김으로 마지막 값이 반복되는 상황이라면 잡아야 할 이상입니다. 다만 RTU 데이터에 잡음이 없어 실제보다 훨씬 쉽게 잡혔다는 점도 함께 기억해야 합니다.