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JP7537357B2 - Sewage treatment facility operation amount inference basis output device and operation amount inference basis output method - Google Patents
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JP7537357B2 - Sewage treatment facility operation amount inference basis output device and operation amount inference basis output method - Google Patents

Sewage treatment facility operation amount inference basis output device and operation amount inference basis output method Download PDF

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Description

本発明は、汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置及び運転操作量推論根拠出力方法に関する。 The present invention relates to an operation amount inference basis output device and an operation amount inference basis output method for a wastewater treatment facility.

従来より、例えば下水処理施設等の汚水処理施設において、活性汚泥処理によって汚水を浄化することが、広く行われている。活性汚泥処理においては、汚水を貯留した反応槽において、汚水を曝気等により送風された空気に晒し、好気的な微生物に汚濁物質を分解させて活性汚泥を生成し、活性汚泥を増殖させて沈降分離することで、汚水が浄化される。
このような汚水処理施設では、汚泥引抜量、反応層における溶存酸素量や送風量等を、作業員が決定し、汚水処理施設中の様々な設備を操作することで、日々の運転がなされている。
上記のような設備を操作するに際し、設備の運転操作量の決定は、熟練した作業員の勘や経験、ノウハウに依るところが大きく、非常に難易度が高い作業である。このため、熟練した作業員に依らずとも運転操作量を決定可能とすることが、望まれている。
Conventionally, in wastewater treatment facilities such as sewage treatment plants, it has been common to purify wastewater by activated sludge treatment. In the activated sludge treatment, the wastewater is stored in a reaction tank, where it is exposed to air blown in by aeration or the like, causing aerobic microorganisms to decompose pollutants to produce activated sludge, which is then allowed to grow and settle out, thereby purifying the wastewater.
In such wastewater treatment facilities, daily operations are carried out by workers who determine the amount of sludge to be removed, the amount of dissolved oxygen in the reaction layer, the amount of air blown, etc., and operate various pieces of equipment in the wastewater treatment facility.
When operating the above-mentioned equipment, the decision of the operation amount of the equipment is highly dependent on the intuition, experience, and know-how of a skilled worker, and is a very difficult task. Therefore, it is desired to be able to decide the operation amount without relying on a skilled worker.

上記のような、運転操作量の決定においては、例えばニューラルネットワーク等の深層学習手法や、ランダムフォレスト(Random Forest)やXGBoost(eXtreme Gradient Boosting)等の集団学習手法をはじめとした機械学習手法を適用し、熟練した作業員の運転操作をモデル化することが考えられる。
例えば特許文献1には、過去のある時点から現在までに汚水貯留施設へ入ってきた実績流入量と、プラントデータをもとに、現在より先のある一定時間内に流入する汚水量を予測し、予め設定されたポンプ吐出量の目標値と、予測流入量と、実績流入量と、現在の貯蔵量と、現在のポンプ吐出量の情報より演算される情報を入力とし、予め決定されたメンバーシップ関数・ルールに従い、ファジィ推論によりポンプの目標吐出量を決定する、下水処理場の汚水ポンプ制御装置が開示されている。
特許文献1の装置には、ニューラルネットワークが用いられている。このニューラルネットワークは、入力としてポンプ井水位、除塵流入ゲート開度、汚水ポンプ吐出量、実績流入量等の時系列データを与えると、予測流入量を出力する。
In determining the amount of driving operation as described above, it is possible to apply a deep learning method such as a neural network, or a machine learning method including a population learning method such as Random Forest or XGBoost (eXtreme Gradient Boosting), to model the driving operation of a skilled worker.
For example, Patent Document 1 discloses a sewage pump control device for a sewage treatment plant which predicts the amount of sewage that will flow into the sewage storage facility within a certain time period based on the actual inflow volume that has flowed into the sewage storage facility from a certain point in the past to the present and on plant data, and inputs information calculated from a preset target value for pump discharge volume, the predicted inflow volume, the actual inflow volume, the current storage volume, and the current pump discharge volume, and determines the target pump discharge volume through fuzzy inference in accordance with predetermined membership functions and rules.
A neural network is used in the device of Patent Document 1. When time-series data such as the pump well water level, dust removal inflow gate opening, wastewater pump discharge rate, and actual inflow rate are input, the neural network outputs a predicted inflow rate.

特開平9-68170号公報Japanese Patent Application Publication No. 9-68170

一般に、上記のような深層学習手法を適用する場合、そのブラックボックス性が問題となり得る。人の脳内のニューロンの繋がりを模したニューラルネットワークは、多数のニューロンの線形結合と非線形関数による活性化の多層構造で表現され、その推論の結果に対して説明を与えることが難しい。しかし、下水処理施設等の汚水処理施設においては、特に公共性が非常に高いため、何らかの問題が生じた際に汚水処理施設の運営企業や当該施設の使用者に致命的な損害を与え得る。したがって、ブラックボックス性のある深層学習手法を汚水処理施設に導入するためには、運転操作量を推論する推論モデルが、どのような根拠をもって推論を行ったのかを明確に、例えば推論の根拠を出力して示すことで、結果への信頼性を高めることが必要である。
深層学習手法ではなく、集団学習手法を用いた場合においては、学習データ全体を通した推論根拠を出力することは可能ではあるが、それはあくまで全体としての傾向を示すのみである。個々の推論を行った際の、その推論に主として寄与した根拠は、全体としての傾向に従う以上に、その推論の入力となったデータの特性に対応し、依存することも多い。
したがって、例えば集団学習手法を用いた場合においても、あるいは深層学習手法や集団学習手法以外の他の推論手法を用いた場合においても、より詳細な推論の根拠を出力して示すことで、結果への信頼性を高めることが望まれる。
In general, when applying the above-mentioned deep learning method, its black box nature can be a problem. A neural network that mimics the connections of neurons in the human brain is expressed as a multi-layer structure of linear combinations of many neurons and activation by nonlinear functions, and it is difficult to explain the results of its inference. However, wastewater treatment facilities such as sewage treatment plants are particularly public, so if any problem occurs, it can cause fatal damage to the operating company of the wastewater treatment plant and the users of the facility. Therefore, in order to introduce a deep learning method with black box nature to a wastewater treatment plant, it is necessary to clearly show on what basis the inference model that infers the operation amount made the inference, for example by outputting the basis of the inference, in order to increase the reliability of the results.
When using ensemble learning methods rather than deep learning methods, it is possible to output inference grounds for the entire training data, but this only indicates the overall trend. When making an individual inference, the grounds that primarily contributed to that inference often correspond to and depend on the characteristics of the data that was input to that inference, rather than following the overall trend.
Therefore, for example, when using an ensemble learning method, or when using an inference method other than a deep learning method or an ensemble learning method, it is desirable to increase the reliability of the results by outputting and showing more detailed reasons for the inference.

他方、汚水処理施設内の処理は生物反応を伴うために非常に複雑である。例えば、溶存酸素量を増減させても、反応槽内の水の有機物、りん、窒素の量は、それぞれが非線形的に、複雑な態様で増減する。これら有機物、りん、窒素の量は、返送汚泥、循環量、余剰汚泥等の溶存酸素量以外の運転操作量を変化させることによっても、複雑な態様で増減する。
このように、汚水処理施設内の処理は非常に複雑である。したがって、機械学習手法に依らずにこれを解釈可能な単純なモデルで大域的に表現するのは、現実的ではない。
機械学習された推論モデルにより汚水処理施設の運転操作値を推論するとともに、推論結果の根拠を示して結果への信頼性を高めることが、望まれている。
On the other hand, the treatment in a wastewater treatment facility is very complicated because it involves biological reactions. For example, even if the amount of dissolved oxygen is increased or decreased, the amounts of organic matter, phosphorus, and nitrogen in the water in the reaction tank each increase or decrease in a nonlinear and complicated manner. The amounts of organic matter, phosphorus, and nitrogen also increase or decrease in a complicated manner by changing operation amounts other than the amount of dissolved oxygen, such as return sludge, circulation amount, and excess sludge.
As described above, the processes in wastewater treatment plants are extremely complex, and it is therefore unrealistic to globally represent them with a simple, interpretable model without relying on machine learning techniques.
It is desirable to infer operational values for wastewater treatment facilities using machine learning inference models, while also providing reasons for the inference results to increase reliability of the results.

本発明が解決しようとする課題は、機械学習された推論モデルにより汚水処理施設の運転操作値を推論するに際し、推論結果の根拠を示して結果への信頼性を高めることができる、汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置及び運転操作量推論根拠出力方法を提供することである。 The problem that the present invention aims to solve is to provide an operation amount inference basis output device and an operation amount inference basis output method for a wastewater treatment facility, which can increase the reliability of the results by showing the basis of the inference results when inferring the operation values of a wastewater treatment facility using a machine learning inference model.

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、汚水処理施設の運転状況を、水質の改善を目的として変更するに際し、前記汚水処理施設内の設備の運転操作量を推論し、推論の根拠を出力する、汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置であって、機械学習器を備え、前記運転状況に関連する複数の施設パラメータの各々に対応する学習データを入力とし、当該学習データに対応する運転操作量データを教師データとして前記機械学習器を機械学習し、前記運転操作量の推論に関するモデルパラメータを生成する、運転操作量学習部と、前記運転操作量の推論対象となる推論対象データを、前記モデルパラメータを用いて構築した推論モデルに入力して、前記運転操作量を推論する、運転操作量推論部と、前記推論対象データと、当該推論対象データに関連する値を有する複数の関連データを基に、前記推論対象データに対して前記推論モデルを近似する近似モデルを生成し、近似モデルパラメータを生成する、近似モデル生成部と、前記近似モデルパラメータを基に、前記推論モデルにおける前記推論対象データを基にした前記運転操作量の推論の前記根拠を出力する、推論根拠出力部と、を備えている、汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention adopts the following means. That is, the present invention provides an operation amount inference basis output device for a sewage treatment facility, which infers the operation amount of equipment in the sewage treatment facility and outputs the basis for the inference when changing the operating status of the sewage treatment facility for the purpose of improving water quality, and includes a machine learning device, which inputs learning data corresponding to each of a plurality of facility parameters related to the operating status, trains the machine learning device by machine learning using the operation amount data corresponding to the learning data as teacher data, and generates model parameters related to the inference of the operation amount, an operation amount inference unit inputs inference target data that is the subject of inference of the operation amount to an inference model constructed using the model parameters to infer the operation amount, an approximation model generation unit generates an approximation model that approximates the inference model for the inference target data based on the inference target data and a plurality of associated data having values related to the inference target data, and generates approximation model parameters, and an inference basis output unit outputs the basis for the inference of the operation amount based on the inference target data in the inference model based on the approximation model parameters.

また、本発明は、汚水処理施設の運転状況を、水質の改善を目的として変更するに際し、前記汚水処理施設内の設備の運転操作量を推論し、推論の根拠を出力する、汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力方法であって、前記運転状況に関連する複数の施設パラメータの各々に対応する学習データを入力とし、当該学習データに対応する運転操作量データを教師データとして機械学習器を機械学習し、前記運転操作量の推論に関するモデルパラメータを生成し、前記運転操作量の推論対象となる推論対象データを、前記モデルパラメータを用いて構築した推論モデルに入力して、前記運転操作量を推論し、前記推論対象データと、当該推論対象データに関連する値を有する複数の関連データを基に、前記推論対象データに対して前記推論モデルを近似する近似モデルを生成し、近似モデルパラメータを生成し、前記近似モデルパラメータを基に、前記推論モデルにおける前記推論対象データを基にした前記運転操作量の推論の前記根拠を出力する、汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力方法を提供する。 The present invention also provides a method for outputting the basis for inferring the amount of operation of a sewage treatment facility, which infers the amount of operation of equipment in the sewage treatment facility and outputs the basis for the inference when changing the operating status of the sewage treatment facility for the purpose of improving water quality, and which inputs learning data corresponding to each of a plurality of facility parameters related to the operating status, trains a machine learning device using the amount of operation corresponding to the learning data as teacher data, generates model parameters related to the inference of the amount of operation, inputs inference target data that is the subject of inference of the amount of operation of the operation to an inference model constructed using the model parameters to infer the amount of operation of the operation, generates an approximation model that approximates the inference model for the inference target data based on the inference target data and a plurality of associated data having values related to the inference target data, generates approximation model parameters, and outputs the basis for inferring the amount of operation of the operation based on the inference target data in the inference model based on the approximation model parameters.

本発明によれば、機械学習された推論モデルにより汚水処理施設の運転操作値を推論するに際し、推論結果の根拠を示して結果への信頼性を高めることができる、汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置及び運転操作量推論根拠出力方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an operation amount inference basis output device and an operation amount inference basis output method for a wastewater treatment facility, which can increase the reliability of the results by showing the basis of the inference results when inferring the operation values of a wastewater treatment facility using a machine learning inference model.

本発明の実施形態における汚水処理施設のブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of a wastewater treatment facility according to an embodiment of the present invention. 上記汚水処理施設に設けられた運転操作量推論根拠出力装置のブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of an operation amount inference basis output device provided in the wastewater treatment facility. 上記運転操作量推論根拠出力装置のデータ加工部の説明図である。4 is an explanatory diagram of a data processing unit of the driving operation amount inference basis output device. FIG. 上記運転操作量推論根拠出力装置における推論根拠の説明図である。4 is an explanatory diagram of an inference basis in the driving operation amount inference basis output device. FIG. 上記運転操作量推論根拠出力装置を用いた、運転操作量推論根拠出力方法の、推論モデルの学習時のフローチャートである。10 is a flowchart showing a method for outputting a basis for inference of a vehicle operation amount using the vehicle operation amount inference basis output device, during learning of an inference model. 上記運転操作量推論根拠出力方法の、運転操作量の推論時のフローチャートである。5 is a flowchart showing the process of inferring a vehicle operation amount in the vehicle operation amount inference basis output method. 上記運転操作量推論根拠出力方法における、推論根拠の導出処理のフローチャートである。5 is a flowchart of an inference basis deriving process in the driving operation amount inference basis output method. 上記実施形態の第1変形例における運転操作量推論根拠出力装置のブロック図である。FIG. 4 is a block diagram of a driving operation amount inference basis output device according to a first modified example of the embodiment. 上記第1変形例の運転操作量推論根拠出力装置を用いた、運転操作量推論根拠出力方法のフローチャートである。5 is a flowchart of a method for outputting basis for inferring vehicle operation amounts using the vehicle operation amount inference basis output device of the first modified example.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。 The following describes an embodiment of the present invention in detail with reference to the drawings.

図1は、本実施形態における汚水処理施設のブロック図である。汚水処理施設1は、反応槽3に貯留された汚水を微生物により浄化処理する。
汚水処理施設1は、最初沈殿池2、反応槽3、計測器4、最終沈殿池5、散気板6、ブロア7、曝気調整バルブ8、返送汚泥ポンプ9、余剰汚泥引抜ポンプ10、重力濃縮槽11、機械濃縮槽12、消化槽13、脱水槽14、運転操作量推論根拠出力装置20、及び第1~第8配管L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8を備えている。
1 is a block diagram of a wastewater treatment facility according to the present embodiment. The wastewater treatment facility 1 purifies wastewater stored in a reaction tank 3 using microorganisms.
The sewage treatment facility 1 is equipped with a primary sedimentation tank 2, a reaction tank 3, a measuring instrument 4, a final sedimentation tank 5, an aeration plate 6, a blower 7, an aeration adjustment valve 8, a return sludge pump 9, an excess sludge extraction pump 10, a gravity thickening tank 11, a mechanical thickening tank 12, a digester tank 13, a dewatering tank 14, an operation amount inference basis output device 20, and first to eighth pipes L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, and L8.

最初沈殿池2には、有機物を含む汚水が原水として導入される。最初沈殿池2においては、導入された汚水内の小さなゴミや砂等が取り除かれて、大まかな固液分離が行われる。ゴミ等が取り除かれた汚水は、第1配管L1を介して、反応槽3に送られる。最初沈殿池2に沈殿した汚泥、いわゆる生汚泥は、第2配管L2を介して、重力濃縮槽11に送られる。 Wastewater containing organic matter is introduced into the primary sedimentation tank 2 as raw water. In the primary sedimentation tank 2, small debris, sand, etc. in the introduced wastewater are removed, and rough solid-liquid separation is performed. The wastewater from which debris, etc. has been removed is sent to the reaction tank 3 via the first pipe L1. The sludge that settles in the primary sedimentation tank 2, so-called raw sludge, is sent to the gravity thickening tank 11 via the second pipe L2.

反応槽3では、微生物により汚水が生物処理され、浄化される。浄化の際に、汚水は曝気等により空気に晒されて、好気的な微生物が、有機物を分解するとともに、有機物を資化することに伴って増殖することにより、活性汚泥が形成される。活性汚泥処理された水は、第3配管L3を介して、最終沈殿池5に送られる。
反応槽3内の下部には、ブロア7から第6配管L6を介して空気が供給される。第6配管L6の、ブロア7と反応槽3との間には、曝気調整バルブ8が設けられている。曝気調整バルブ8を開閉すると、曝気量(以下においては送風量と記載する)が変化し、これにより反応槽3内の溶存酸素量が調整されて、微生物による生物処理の進行度合いが制御される。反応槽3の、第6配管L6により空気が供給される部分には、酸素の溶解効率を高めるための散気板6が設けられている。
反応槽3には、溶存酸素量(DO)、浮遊物質濃度(MLSS)、NH4濃度、及びNO3濃度等の、様々な水質データを計測する計測器4が設けられている。図1においては、計測器は反応槽3に設けられているが、実際には計測器は、汚水処理施設1内の様々な場所に設けられており、場合によってはこれら複数の計測器による計測結果が総括されて処理系全体での水質データとして、運転操作等の各作業や判断に使用される。後に説明するトレンドデータについても同様である。
In the reaction tank 3, the wastewater is biologically treated and purified by microorganisms. During purification, the wastewater is exposed to air by aeration or the like, and aerobic microorganisms decompose organic matter and grow as a result of assimilating the organic matter, forming activated sludge. The water that has been treated as activated sludge is sent to the final sedimentation tank 5 via the third pipe L3.
Air is supplied to the lower part of the reaction tank 3 from a blower 7 via a sixth pipe L6. An aeration control valve 8 is provided in the sixth pipe L6 between the blower 7 and the reaction tank 3. Opening and closing the aeration control valve 8 changes the aeration volume (hereinafter referred to as the air volume), thereby adjusting the amount of dissolved oxygen in the reaction tank 3 and controlling the progress of biological treatment by microorganisms. An aeration plate 6 for increasing the efficiency of dissolving oxygen is provided in the part of the reaction tank 3 to which air is supplied by the sixth pipe L6.
The reaction tank 3 is provided with measuring instruments 4 for measuring various water quality data such as dissolved oxygen (DO), multi-level suspended solids (MLSS), NH4 concentration, and NO3 concentration. In Fig. 1, the measuring instruments are provided in the reaction tank 3, but in reality, the measuring instruments are provided in various locations within the wastewater treatment facility 1, and in some cases, the measurement results from these multiple measuring instruments are summarized as water quality data for the entire treatment system and used for various tasks and decisions such as operation. The same applies to trend data, which will be described later.

最終沈殿池5では、反応槽3から送られた活性汚泥処理された水に含まれる活性汚泥が沈殿されて、汚水が浄化される。最終沈殿池5で活性汚泥が分離された上澄みは、処理水として系外に放流される。
最終沈殿池5で沈殿した汚泥の一部は、返送汚泥ポンプ9により第4配管L4を通じて再び反応槽3に戻され、活性汚泥処理に再利用される。残りの汚泥は余剰汚泥として汚泥引抜ポンプ10により第5配管L5を通じて排出されて、機械濃縮槽12に送られる。
In the final settling tank 5, the activated sludge contained in the activated sludge treated water sent from the reaction tank 3 is settled, and the wastewater is purified. The supernatant liquid after the activated sludge is separated in the final settling tank 5 is discharged outside the system as treated water.
A portion of the sludge that has settled in the final settling tank 5 is returned to the reaction tank 3 through the fourth pipe L4 by the return sludge pump 9 and reused in the activated sludge treatment. The remaining sludge is discharged as excess sludge by the sludge withdrawal pump 10 through the fifth pipe L5 and sent to the mechanical thickening tank 12.

重力濃縮槽11と機械濃縮槽12の各々は、最初沈殿池2から送られた生汚泥と、余剰汚泥引抜ポンプ10を介して最終沈殿池5から送られた余剰汚泥の各々を濃縮処理する。重力濃縮槽11と機械濃縮槽12により濃縮された汚泥は、第7配管L7を通じて消化槽13へ送られる。
消化槽13は、濃縮された汚泥を、例えば嫌気性消化方式により、嫌気性微生物の働きによって有機性汚泥を分解し、消化処理する。分解された汚泥は、第8配管L8を通じて脱水槽14に送られる。
脱水槽14は、分解された汚泥の含水率を下げ、減容化する。減容化された汚泥は焼却処理される。
The gravity thickening tank 11 and the mechanical thickening tank 12 thicken the raw sludge sent from the primary settling tank 2 and the excess sludge sent from the final settling tank 5 via the excess sludge withdrawal pump 10. The sludge thickened in the gravity thickening tank 11 and the mechanical thickening tank 12 is sent to the digestion tank 13 through the seventh pipe L7.
The digestion tank 13 digests the concentrated sludge, for example, by anaerobic digestion, in which the organic sludge is decomposed by the action of anaerobic microorganisms. The decomposed sludge is sent to the dewatering tank 14 through the eighth pipe L8.
The dewatering tank 14 reduces the moisture content of the decomposed sludge, thereby reducing its volume. The reduced volume sludge is then incinerated.

本実施形態における運転操作量推論根拠出力装置20は、上記のような汚水処理施設1を対象としており、汚水処理施設1の運転状況を、水質の改善を目的として変更するに際し、汚水処理施設1内の設備の運転操作量を推論し、推論の根拠を出力する。
図2は、運転操作量推論根拠出力装置20のブロック図である。運転操作量推論根拠出力装置20は、データ蓄積部24、推論モデル用学習データ取得部25、推論対象データ取得部26、近似モデル用学習データ取得部27、データ加工部28、運転操作量学習部29、推論モデルパラメータ記憶部30、運転操作量推論部31、近似モデル生成部32、及び推論根拠出力部33を備えている。
これら運転操作量推論根拠出力装置20の構成要素のうち、推論モデル用学習データ取得部25、推論対象データ取得部26、近似モデル用学習データ取得部27、データ加工部28、運転操作量学習部29、運転操作量推論部31、近似モデル生成部32、及び推論根拠出力部33は、例えば上記情報処理装置内のCPUにより実行されるソフトウェア、プログラムであってよい。また、データ蓄積部24、及び推論モデルパラメータ記憶部30は、上記情報処理装置内外に設けられた半導体メモリや磁気ディスクなどの記憶装置により実現されていてよい。
The operation control amount inference basis output device 20 in this embodiment is targeted at the wastewater treatment facility 1 as described above, and when the operating conditions of the wastewater treatment facility 1 are changed for the purpose of improving water quality, the operation control amount inference basis output device 20 infers the operation control amount of the equipment in the wastewater treatment facility 1 and outputs the basis for the inference.
2 is a block diagram of the driving operation amount inference basis output device 20. The driving operation amount inference basis output device 20 includes a data accumulation unit 24, an inference model learning data acquisition unit 25, an inference target data acquisition unit 26, an approximation model learning data acquisition unit 27, a data processing unit 28, a driving operation amount learning unit 29, an inference model parameter storage unit 30, a driving operation amount inference unit 31, an approximation model generation unit 32, and an inference basis output unit 33.
Among these components of the driving operation amount inference basis output device 20, the inference model learning data acquisition unit 25, the inference target data acquisition unit 26, the approximation model learning data acquisition unit 27, the data processing unit 28, the driving operation amount learning unit 29, the driving operation amount inference unit 31, the approximation model generation unit 32, and the inference basis output unit 33 may be software or programs executed by a CPU in the information processing device, for example. Also, the data accumulation unit 24 and the inference model parameter storage unit 30 may be realized by storage devices such as semiconductor memory and magnetic disks provided inside or outside the information processing device.

運転操作量推論根拠出力装置20の入力は、汚水処理施設1の運転状況に関連する、汚泥濃度や汚泥流量、水温等のトレンドデータ21を含む。これらトレンドデータ21の各々は、最初沈殿池2、反応槽3、最終沈殿池5等の各々において取得した値を個別に用いてもよいし、これらの値から汚水処理施設1の処理系全体として総括された値を導出し、これを用いても構わない。
また、運転操作量推論根拠出力装置20の入力は、既に説明したような、溶存酸素量(DO)、浮遊物質濃度(MLSS)、NH4濃度、及びNO3濃度等の水質データ22を含む。
運転操作量推論根拠出力装置20の入力の一つである運転操作量データ23については、後に説明する。
The input of the operation amount inference basis output device 20 includes trend data 21 such as sludge concentration, sludge flow rate, water temperature, etc., related to the operating status of the wastewater treatment facility 1. For each of these trend data 21, values acquired in the primary sedimentation tank 2, the reaction tank 3, the final sedimentation tank 5, etc. may be used individually, or a value summarized for the entire treatment system of the wastewater treatment facility 1 may be derived from these values and used.
The input to the operation amount inference basis output device 20 includes water quality data 22 such as dissolved oxygen (DO), MLSS, NH4 concentration, and NO3 concentration, as previously described.
The driving operation amount data 23, which is one of the inputs to the driving operation amount inference basis output device 20, will be described later.

運転操作量推論根拠出力装置20の出力は、上記のように、各設備の運転操作量34である。運転操作量34は、本実施形態においては、最初沈殿池2から反応槽3へと流入する汚水の流入量、送風量、最終沈殿池5から返送汚泥ポンプ9を介して反応槽3へと返送される返送汚泥の量である返送汚泥量、最終沈殿池5から余剰汚泥引抜ポンプ10を介して機械濃縮槽12へと送られる余剰汚泥の量である余剰汚泥引抜量を含む。
例えば溶存酸素量に関しては、反応槽3内の溶存酸素量を一定以上にするために、送風量が目標値として設定され得る。しかし、例えば反応槽3内の溶存酸素量自体に目標値を設定して、溶存酸素量が当該目標値以上となるように風量を調整する処理系も想定される。この場合においては、例えば運転操作量34として、送風量に替えて、溶存酸素量の設定値を出力するようにしてもよい。
返送汚泥量は、より詳細には、例えば返送汚泥ポンプ9の回転数であり得る。
余剰汚泥引抜量は、より詳細には、例えば余剰汚泥引抜ポンプ10による余剰汚泥の引抜時間であり得る。
また、本実施形態においては、運転操作量34は、脱水槽14での脱水処理において注入される高分子凝集剤の注入率を含む。
The output of the operation amount inference basis output device 20 is the operation amount 34 of each facility, as described above. In this embodiment, the operation amount 34 includes the inflow amount of wastewater flowing from the primary settling tank 2 to the reaction tank 3, the air supply amount, the returned sludge amount which is the amount of returned sludge returned from the final settling tank 5 to the reaction tank 3 via the return sludge pump 9, and the excess sludge withdrawal amount which is the amount of excess sludge sent from the final settling tank 5 to the mechanical thickening tank 12 via the excess sludge withdrawal pump 10.
For example, with regard to the amount of dissolved oxygen, the airflow rate can be set as a target value in order to maintain the amount of dissolved oxygen in the reaction tank 3 at a certain level or higher. However, a processing system may also be envisaged in which a target value is set for the amount of dissolved oxygen itself in the reaction tank 3, and the airflow rate is adjusted so that the amount of dissolved oxygen is equal to or higher than the target value. In this case, for example, instead of the airflow rate, a set value for the amount of dissolved oxygen may be output as the operation manipulated variable 34.
More specifically, the amount of returned sludge may be, for example, the rotation speed of the return sludge pump 9 .
More specifically, the amount of excess sludge extracted may be, for example, the time it takes for the excess sludge extraction pump 10 to extract the excess sludge.
In this embodiment, the operation input 34 includes the injection rate of the polymer flocculant injected in the dehydration treatment in the dehydration tank 14 .

運転操作量推論根拠出力装置20は、上記のようなトレンドデータ21及び水質データ22が入力されると、これに対応する、すなわち入力されたトレンドデータ21と水質データ22に表されるような状況下においてこれに対応して実行すべき、運転操作量34を推論する。この推論を効果的に行うために、運転操作量推論根拠出力装置20は、運転操作量学習部29に設けられた機械学習器40を機械学習することにより生成された推論モデル50を備えている。より詳細には、運転操作量学習部29は、トレンドデータ21及び水質データ22を基に生成された学習データを機械学習器40に入力して機械学習を行い、運転操作量34の推論に関するモデルパラメータを生成する。
すなわち、運転操作量推論根拠出力装置20は、運転操作量34の学習と、運転操作量34の推論を行う。また、本実施形態においては、運転操作量推論根拠出力装置20はこれに加えて、運転操作量34の推論に際し、推論モデル50がどのような根拠をもって運転操作量34を推論したのか、その推論根拠35を出力する。説明を簡単にするために、以下ではまず、運転操作量34の学習時における、運転操作量推論根拠出力装置20の各構成要素の説明をした後に、運転操作量34の推論時での各構成要素の挙動について説明し、更に、推論根拠35の出力時の各構成要素の挙動について説明する。
When the above-mentioned trend data 21 and water quality data 22 are input, the driving operation amount inference basis output device 20 infers a driving operation amount 34 that corresponds to the trend data 21 and the water quality data 22, that is, a driving operation amount 34 that should be executed correspondingly under the circumstances represented by the input trend data 21 and the water quality data 22. In order to perform this inference effectively, the driving operation amount inference basis output device 20 is provided with an inference model 50 generated by machine learning using a machine learning device 40 provided in the driving operation amount learning unit 29. More specifically, the driving operation amount learning unit 29 inputs learning data generated based on the trend data 21 and the water quality data 22 to the machine learning device 40, performs machine learning, and generates model parameters related to the inference of the driving operation amount 34.
That is, the driving operation amount inference basis output device 20 learns the driving operation amounts 34 and infers the driving operation amounts 34. In the present embodiment, the driving operation amount inference basis output device 20 also outputs inference basis 35, which indicates on what basis the inference model 50 infers the driving operation amounts 34 when inferring the driving operation amounts 34. For ease of explanation, the following will first explain each component of the driving operation amount inference basis output device 20 when learning the driving operation amounts 34, then explain the behavior of each component when inferring the driving operation amounts 34, and further explain the behavior of each component when outputting inference basis 35.

運転操作量34の学習時には、学習データを基に、運転操作量学習部29が機械学習器40を機械学習させる。この機械学習器40が機械学習されることにより、推論モデル50が生成される。
学習データは、運転操作量推論根拠出力装置20が運転操作量34を推論する際に入力される、運転状況に関連する、トレンドデータ(施設パラメータ)21と水質データ(施設パラメータ)22を基に、これらに対応して生成される。より詳細には、学習データは、運転操作量34を学習する時刻を基準時刻とすると、この学習時における基準時刻より前に実際の汚水処理施設1において計測、記録されたトレンドデータ21と水質データ22を基に生成される。
When learning the driving operation amount 34, the driving operation amount learning unit 29 causes the machine learning device 40 to perform machine learning based on the learning data. As a result of the machine learning device 40 performing machine learning, an inference model 50 is generated.
The learning data is generated based on and corresponding to trend data (facility parameters) 21 and water quality data (facility parameters) 22 related to the operating conditions, which are input when the operation operation amount inference basis output device 20 infers the operation operation amount 34. More specifically, assuming that the time when the operation operation amount 34 is learned is set as a reference time, the learning data is generated based on trend data 21 and water quality data 22 that are measured and recorded in the actual wastewater treatment facility 1 before the reference time at the time of learning.

トレンドデータ21と水質データ22を基に生成された学習データが機械学習器40に入力されて機械学習器40を機械学習する際に、機械学習器40は、学習の中途段階において、学習データに対して適していると考えられる運転操作量34を導出する。この、機械学習器40が出力した運転操作量34は、運転操作量データ23と比較される。運転操作量データ23は、汚水処理施設1が、機械学習器40に入力された学習データに対応するトレンドデータ21と水質データ22に示される状況下にあると想定したときに、熟練した作業員が汚水処理施設1の設備に対して実施すると考えられる、実際の運転の操作量である。機械学習器40の出力である運転操作量34は、入力された学習データに対応する運転操作量データ23と比較され、この比較結果を反映するように機械学習器40が機械学習される。すなわち、運転操作量データ23は、機械学習器40に入力された学習データに対応する、教師データである。
このようにして、機械学習器40は、運転操作量データ23に近い運転操作量34を推論するように学習される。
When learning data generated based on the trend data 21 and the water quality data 22 is input to the machine learning device 40 and the machine learning device 40 is trained by machine learning, the machine learning device 40 derives an operation operation amount 34 that is considered to be suitable for the learning data in the middle of the learning stage. The operation operation amount 34 output by the machine learning device 40 is compared with the operation operation amount data 23. The operation operation amount data 23 is an actual operation amount that is considered to be performed by a skilled worker on the equipment of the sewage treatment facility 1 when it is assumed that the sewage treatment facility 1 is in a situation indicated by the trend data 21 and the water quality data 22 corresponding to the learning data input to the machine learning device 40. The operation operation amount 34 that is the output of the machine learning device 40 is compared with the operation operation amount data 23 corresponding to the input learning data, and the machine learning device 40 is trained by machine learning so as to reflect the comparison result. In other words, the operation operation amount data 23 is teacher data corresponding to the learning data input to the machine learning device 40.
In this way, the machine learning machine 40 learns to infer the driving operation amount 34 that is close to the driving operation amount data 23.

データ蓄積部24は、機械学習器40の学習に使用される、トレンドデータ21、水質データ22、及び運転操作量データ23を記憶、蓄積する。
推論モデル用学習データ取得部25は、データ蓄積部24から、機械学習器40の学習に使用されるトレンドデータ21と水質データ22を取得し、データ加工部28に送信する。
The data accumulation unit 24 stores and accumulates trend data 21, water quality data 22, and operation amount data 23 used for learning by the machine learning device 40.
The inference model learning data acquisition unit 25 acquires trend data 21 and water quality data 22 used for learning the machine learning device 40 from the data storage unit 24 and transmits them to the data processing unit 28.

データ加工部28は、推論モデル用学習データ取得部25から各データを受信し、機械学習器40の入力として実際に使用される形式に加工し、学習データを生成する。図3は、データ加工部28の説明図である。
本実施形態におけるデータ加工部28は、連続値として入力されたデータを、平均値からのずれに基づいて離散値化する。例えば、本実施形態においては、図3に示されるように、対象となるデータについて平均値と標準偏差σを計算し、データ中の各値について、当該値に対応する確率変数の値xと標準偏差σとの大小関係を基にした、次の式1として示される関係式Ψにより離散値化がなされている。

Figure 0007537357000001
データ加工部28における離散値化の方法はこれに限られず、閾値を設けて閾値との大小関係により2値化するなど、データの分布の態様に応じて加工方法が決定されてよい。
データ加工部28は、上記のように生成された学習データを、運転操作量学習部29に送信する。 The data processing unit 28 receives each piece of data from the inference model learning data acquisition unit 25, processes it into a format that is actually used as an input to the machine learning device 40, and generates learning data. FIG. 3 is an explanatory diagram of the data processing unit 28.
The data processing unit 28 in this embodiment discretizes data input as continuous values based on the deviation from the average value. For example, in this embodiment, as shown in Fig. 3, the average value and standard deviation σ of the target data are calculated, and each value in the data is discretized according to the relational expression Ψ shown as the following Equation 1 based on the magnitude relationship between the value x of the random variable corresponding to the value and the standard deviation σ.
Figure 0007537357000001
The method of discretization in the data processing unit 28 is not limited to this, and the processing method may be determined according to the manner of data distribution, such as setting a threshold and binarizing the data based on its magnitude relationship with the threshold.
The data processing unit 28 transmits the learning data generated as described above to the driving operation amount learning unit 29 .

運転操作量学習部29は、学習データと教師データを受信する。運転操作量学習部29は、学習データを機械学習器40に入力する。本実施形態においては、機械学習器40は、ニューラルネットワークにより実現されている。
機械学習器40は、入力層、複数の中間層、及び出力層を備えている。入力層は、学習データの各々に対応した入力ノードを備えている。出力層は、機械学習器40が出力する運転操作量34の各々に対応した出力ノードを備えている。
運転操作量学習部29は、入力層の各入力ノードに、対応する学習データの値を入力する。
中間層は、入力層と出力層の間に設けられており、隣接する層間においては全てのノード同士が全結合し、ノード間に結合荷重を備えた構成となっている。中間層及び出力層の各々のノードにおいては、この結合荷重に基づいて、前段の層の各ノードに対して重み付け和を演算し、その結果に出力関数を適用した値が格納される。
The driving operation amount learning unit 29 receives the learning data and the teacher data. The driving operation amount learning unit 29 inputs the learning data to the machine learning device 40. In this embodiment, the machine learning device 40 is realized by a neural network.
The machine learning device 40 includes an input layer, a plurality of intermediate layers, and an output layer. The input layer includes input nodes corresponding to each of the learning data. The output layer includes output nodes corresponding to each of the driving operation amounts 34 output by the machine learning device 40.
The driving operation amount learning unit 29 inputs the corresponding learning data value to each input node of the input layer.
The intermediate layer is provided between the input layer and the output layer, and all nodes in adjacent layers are fully connected, with connection weights between the nodes. Based on the connection weights, each node in the intermediate layer and the output layer calculates a weighted sum for each node in the previous layer, and stores the result by applying an output function.

機械学習器40においては、入力された学習データが上記のように処理されて、出力ノードに処理結果が格納される。運転操作量学習部29は、この処理結果と、機械学習器40に入力された学習データに対応する教師データとの2乗誤差等により表されるコスト関数を小さくするように、誤差逆伝搬法、確率的勾配降下法等により、各結合荷重の値等を調整することで、機械学習器40を機械学習する。
結果として、機械学習器40は、学習データが入力されたときに、これに対応する教師データに近い運転操作量34を推論するように学習される。学習が終了した時点の各結合荷重の値等は、学習データに関する特徴が抽出されて反映されたものとなっている。
In the machine learning device 40, the input learning data is processed as described above, and the processing result is stored in the output node. The driving operation amount learning unit 29 adjusts the values of each connection weight by an error backpropagation method, a stochastic gradient descent method, or the like, so as to reduce a cost function represented by a squared error or the like between the processing result and the teacher data corresponding to the learning data input to the machine learning device 40, thereby training the machine learning device 40 by machine learning.
As a result, when learning data is input, the machine learning device 40 learns to infer driving operation amounts 34 close to the corresponding teacher data. When learning is completed, the values of each connection weight and the like reflect the extracted features of the learning data.

運転操作量学習部29は、学習が終了すると、調整が終了した結合荷重等のパラメータを、モデルパラメータとして、推論モデルパラメータ記憶部30に記憶する。推論モデルパラメータ記憶部30に記憶されたモデルパラメータは、後に説明する運転操作量推論部31において取得され、運転操作量34を推定する推論モデル50が構築される。
すなわち、運転操作量学習部29は、人工知能ソフトウェアの一部であるプログラムモジュールとして利用される、適切な学習パラメータが学習された学習済みの推論モデル50を生成するものである。
When the learning is completed, the driving operation amount learning unit 29 stores the adjusted connection weights and other parameters as model parameters in the inference model parameter storage unit 30. The model parameters stored in the inference model parameter storage unit 30 are obtained by a driving operation amount inference unit 31, which will be described later, and an inference model 50 that estimates the driving operation amount 34 is constructed.
That is, the driving operation amount learning unit 29 generates a learned inference model 50 in which appropriate learning parameters have been learned and which is used as a program module that is part of the artificial intelligence software.

次に、運転操作量34の推論時での各構成要素の挙動について説明する。
推論対象データ取得部26は、データ蓄積部24から、運転操作量34を推論したい時刻、例えば現在の時刻における、トレンドデータ21と水質データ22を取得する。推論対象データ取得部26は、これらトレンドデータ21と水質データ22の各々を、データ加工部28に送信する。
データ加工部28は、推論対象データ取得部26から各データを受信し、既に説明したような手順により加工して、運転操作量34の推論対象となる推論対象データを生成する。
データ加工部28は、推論対象データを、運転操作量推論部31に送信する。
Next, the behavior of each component when the driving operation amount 34 is inferred will be described.
The inference target data acquisition unit 26 acquires trend data 21 and water quality data 22 at a time when the operation amount 34 is to be inferred, for example, the current time, from the data storage unit 24. The inference target data acquisition unit 26 transmits each of the trend data 21 and water quality data 22 to the data processing unit 28.
The data processing unit 28 receives each data from the inference target data acquisition unit 26 and processes it in the manner already described, to generate inference target data that is to be used to infer the driving operation amount 34 .
The data processing unit 28 transmits the inference target data to the driving operation amount inference unit 31 .

運転操作量推論部31は、データ加工部28から、推論対象データを取得する。
運転操作量推論部31は、推論モデルパラメータ記憶部30からモデルパラメータを取得し、推論モデル50を構築する。推論モデル50は、既に説明した機械学習器40と略同等の構造を備えている。運転操作量推論部31は、この推論モデル50を、例えばCPU上でプログラムとして実行することで、運転操作量34を推論する。
運転操作量推論部31が推論モデル50に推論対象データを入力すると、推論モデル50は、入力層から出力層までを順に辿りながら、運転操作量学習部29における機械学習器40と同様な計算処理を実行する。最終的に出力ノードから、推論対象データに対応する運転操作量34が出力される。
The driving operation amount inference unit 31 acquires the inference target data from the data processing unit 28 .
The driving operation amount inference unit 31 acquires model parameters from the inference model parameter storage unit 30 and constructs the inference model 50. The inference model 50 has a structure substantially equivalent to that of the already-described machine learning device 40. The driving operation amount inference unit 31 infers the driving operation amount 34 by executing the inference model 50 as a program on a CPU, for example.
When the driving operation amount inference unit 31 inputs the inference target data to the inference model 50, the inference model 50 executes calculation processing similar to that of the machine learning device 40 in the driving operation amount learning unit 29, tracing in order from the input layer to the output layer. Finally, the driving operation amount 34 corresponding to the inference target data is output from the output node.

次に、推論根拠35の出力時での各構成要素の挙動について説明する。
概念的には、ニューラルネットワーク等の学習モデルにおいてどのような根拠で推論がなされたかを説明するに際し、例えば学習モデルの全体を単純化した説明用のモデルを構築して、これを用いることが考えられる。しかし、これは容易ではない。特に本実施形態のような汚水処理施設1内の処理は、非常に複雑であるため、この運転操作量34を推論する推論モデル50は複雑性が高く、したがって、これを解釈可能で単純なモデルで大域的に表現すること自体が、現実的ではない。
本実施形態においては、推論モデル50を単純なモデルで大域的に表現せず、その替わりに、推論モデル50を局所的に表現する近似モデルを生成する。より詳細には、近似モデルは、推論モデル50によって運転操作量34が推論された際に入力となった推論対象データに値が近い、推論対象データ周辺部分を限定して表現するように、生成される。このように、推論根拠35を説明するための近似モデルを、推論モデル50の局所的な表現にとどめることによって、比較的単純で解釈可能なものとして生成する。
また、近似モデルは、推論時に入力となった推論対象データに関連するデータを対象として生成される。すなわち、近似モデルは、推論対象データに依存するため、推論モデル50によって運転操作量34が推論される度に、その入力となった推論対象データに特化して、専用に生成される。
上記のような構成により、近似モデルは、少なくとも推論対象データに関連する部分においては、単純で解釈可能なものとなる。したがって、推論根拠35を出力するために解釈性を高めることを目的として、推論モデル50を単純化させて推論精度を低減させる必要もない。
Next, the behavior of each component when the inference basis 35 is output will be described.
Conceptually, when explaining on what basis an inference is made in a learning model such as a neural network, it is conceivable to construct an explanatory model that simplifies the entire learning model and use this. However, this is not easy. In particular, since the processing in the wastewater treatment facility 1 as in this embodiment is very complicated, the inference model 50 that infers the operation amount 34 is highly complicated, and therefore, it is not realistic to globally express this with an interpretable and simple model.
In this embodiment, the inference model 50 is not globally represented by a simple model, but instead an approximation model is generated that locally represents the inference model 50. More specifically, the approximation model is generated so as to represent a limited portion around the inference target data whose values are close to the inference target data that was input when the driving operation amount 34 was inferred by the inference model 50. In this way, the approximation model for explaining the inference basis 35 is generated as a relatively simple and interpretable one by remaining a local representation of the inference model 50.
In addition, the approximation model is generated for data related to the inference target data that was input during inference. That is, since the approximation model depends on the inference target data, the approximation model is generated specifically for the inference target data that was input each time the inference model 50 infers the driving operation amount 34.
With the above-mentioned configuration, the approximation model is simple and interpretable at least in the part related to the inference target data. Therefore, there is no need to simplify the inference model 50 and reduce the inference accuracy in order to improve the interpretability for outputting the inference basis 35.

上記のような近似モデルの生成を、本実施形態においては、既知の機械学習手法であるLIME(Local Interpretable Model-agnostic Explanations)を適用する。LIMEは、推論対象のデータに対し、当該データに関連する部分において局所的に単純かつ分析が容易な分析器で近似することにより、推論の根拠を可視化するための手法である。 In this embodiment, the generation of the above-mentioned approximation model is performed by applying LIME (Local Interpretable Model-agnostic Explanations), a known machine learning method. LIME is a method for visualizing the basis of inference by approximating the data to be inferred with an analyzer that is locally simple and easy to analyze in the part related to the data.

まず、近似モデル用学習データ取得部27は、データ蓄積部24から、データ加工部28によって生成された推論対象データに対応するトレンドデータ21と水質データ22に関連する、トレンドデータ21と水質データ22を取得する。
より詳細には、近似モデル用学習データ取得部27は、推論対象データaの各値により構成される座標空間において、推論対象データaに対し、各成分を2値化することでダミー変数化した点をa´としたときに、a´のゼロではない成分を一部だけ含むような点を、一定の数だけサンプリングする。このサンプリングは、例えば、a´の全ての成分がゼロのゼロベクトルにはならないという条件下で、a´の1となっている成分をランダムにゼロに置換するように行われる。
近似モデル用学習データ取得部27は、上記のように取得したトレンドデータ21と水質データ22をデータ加工部28に送信する。
データ加工部28は、近似モデル用学習データ取得部27から受信した各データを、既に説明したような手順により加工して、推論対象データに関連する値を有する、複数の関連データを生成する。
データ加工部28は、関連データを、近似モデル生成部32に送信する。
First, the learning data acquisition unit 27 for the approximation model acquires, from the data storage unit 24, trend data 21 and water quality data 22 related to the trend data 21 and water quality data 22 corresponding to the inference target data generated by the data processing unit 28.
More specifically, in a coordinate space formed by each value of the inference target data a, when a' is a point obtained by converting each component of the inference target data a into a dummy variable by binarizing it, the approximation model learning data acquisition unit 27 samples a certain number of points that include only a part of the non-zero components of a'. This sampling is performed, for example, by randomly replacing the components of a' that are 1 with zero under the condition that a' is not a zero vector in which all components are zero.
The approximation model learning data acquisition unit 27 transmits the trend data 21 and water quality data 22 acquired as described above to the data processing unit 28 .
The data processing unit 28 processes each piece of data received from the approximation model learning data acquisition unit 27 using the procedure already described, and generates multiple pieces of associated data having values related to the inference target data.
The data processing unit 28 transmits the associated data to the approximation model generation unit 32 .

近似モデル生成部32は、推論対象データと、複数の関連データを受信する。近似モデル生成部32は、これらのデータを基に、推論対象データ周辺において、推論対象データに対して推論モデル50を近似する近似モデルを生成し、近似モデルパラメータを生成する。
既に説明したように、近似モデルのモデルパラメータは、推論対象データに関連する部分で、推論モデル50を局所的に近似するように決定される。このため、近似モデルは、推論モデル50全体を近似するのではなく、推論モデル50が推論を行う度に、その都度、入力となった推論対象データに関連する部分を近似するように生成される。
The approximation model generating unit 32 receives the inference target data and a plurality of related data. Based on these data, the approximation model generating unit 32 generates an approximation model that approximates the inference model 50 for the inference target data around the inference target data, and generates approximation model parameters.
As already explained, the model parameters of the approximation model are determined so as to locally approximate the inference model 50 at the portion related to the inference target data. Therefore, the approximation model is generated so as to approximate the portion related to the input inference target data each time the inference model 50 performs inference, rather than approximating the entire inference model 50.

より具体的には、近似モデル生成部32は、推論対象データをa、運転操作量34を推論するための推論モデル50をfとすると、次の式2に記載された目的関数ξ(a)を最小化するように、近似モデルgを生成する。

Figure 0007537357000002
ここで、L(f、g、π)は、推論対象データaの周辺で2つのモデルf、gがどれだけ相違しているかを示す損失関数である。
上記のように、推論対象データaをサンプリングしてできた座標空間をZ、サンプリングした座標空間Z内の点をz´、このダミー変数化されたz´をもとの空間に復元したときの点をzとすると、L(f、g、π)は、次の式3として表現される。
Figure 0007537357000003
π(z)は、zが推論対象データaから離れるほど小さな値を示す関数であり、f(z)とg(z´)の誤差に重み付けを行うものである。π(z)としては、例えば次に式4として示すような指数カーネル関数が採用され得る。
Figure 0007537357000004
損失関数Lが上記のような式3で表されるため、目的関数ξ(a)を最小化して得られる近似モデルgは、推論対象データaに近いほど、推論モデル50であるモデルfをよく近似したものとなる。すなわち、このπ(z)は、zが推論対象データaから一定の距離以上離れると、急激にゼロに落ち込む関数となっているため、zは推論対象データaの周辺で近似される。 More specifically, when the inference target data is a and the inference model 50 for inferring the driving operation amount 34 is f, the approximation model generation unit 32 generates an approximation model g so as to minimize the objective function ξ(a) described in the following equation 2.
Figure 0007537357000002
Here, L(f, g, π a ) is a loss function that indicates how different two models f and g are around the inference target data a.
As described above, if the coordinate space created by sampling the inference target data a is Z, the point in the sampled coordinate space Z is z', and the point when this dummy variable z' is restored to the original space is z, then L(f, g, π a ) can be expressed as the following equation 3.
Figure 0007537357000003
π a (z) is a function that indicates a smaller value as z becomes farther away from the inference target data a, and weights the error between f(z) and g(z'). For π a (z), for example, an exponential kernel function such as that shown in the following formula 4 can be adopted.
Figure 0007537357000004
Since the loss function L is expressed by the above formula 3, the closer the approximation model g obtained by minimizing the objective function ξ(a) is to the inference target data a, the better it approximates the model f, which is the inference model 50. In other words, since this π a (z) is a function that suddenly drops to zero when z is a certain distance or more away from the inference target data a, z is approximated in the vicinity of the inference target data a.

近似モデルgは、例えば、推論対象データaを構成する各変数の値をa、a、…、aとすると、次の式5が用いられ得る。

Figure 0007537357000005
上式において、w=(w、w、…、w)は回帰係数である。また、δai(x)は、次の式6で表される。
Figure 0007537357000006
すなわち、δai(x)は、i番目の変数xと、推論対象データaのi番目の値aが等しいときに1の値となり、異なるときに0の値となる。つまり、gはダミー変数化した変数の線形和として表現されることを仮定し、その上で目的関数ξ(a)を最小化するように回帰係数wを決定する。このとき、wの値がそのまま推論モデル50の推論に寄与している各変数の寄与度と解釈することが可能である。
すなわち、複数の係数w=(w、w、…、w)が、近似モデルgを表す近似モデルパラメータである。 For example, when the values of the variables constituting the inference target data a are a 1 , a 2 , . . . , a n , the following equation 5 can be used for the approximation model g.
Figure 0007537357000005
In the above equation, w=(w 1 , w 2 , . . . , w n ) is a regression coefficient, and δ ai (x i ) is expressed by the following equation 6.
Figure 0007537357000006
That is, δ ai (x i ) is 1 when the i-th variable x i is equal to the i-th value a i of the inference target data a, and is 0 when they are different. In other words, it is assumed that g is expressed as a linear sum of dummy variables, and the regression coefficient w is determined so as to minimize the objective function ξ(a). At this time, the value of w can be interpreted as the contribution of each variable that contributes to the inference of the inference model 50.
That is, a plurality of coefficients w=(w 1 , w 2 , . . . , w n ) are approximate model parameters that represent the approximate model g.

上記の式2におけるΩ(g)は正規化項であり、近似モデルgの複雑さを示す関数である。式2に示されるように、Ω(g)が損失関数Lとともに目的関数ξ(a)に組み込まれて最小化されることにより、近似モデルgが複雑な構造となるのが抑制される。
式5を用いて説明したように、近似モデルgは、推論対象データaを構成する値の各々をダミー変数化し、これらダミー変数の各々に対して、対応する複数の係数w=(w、w、…、w)を用いた線形和として表現される。例えば、Kを固定値としたときに、説明変数の個数がK個以下のモデルを近似モデルgとして生成したい場合には、Ω(g)を、係数w、w、…、wの中で0でない係数の個数がKより大きい場合に無限大の値となり、それ以外の場合に0となるように設定する。
In the above formula 2, Ω(g) is a regularization term and is a function indicating the complexity of the approximation model g. As shown in formula 2, Ω(g) is incorporated into the objective function ξ(a) together with the loss function L and is minimized, thereby preventing the approximation model g from having a complex structure.
As explained using Equation 5, the approximation model g is expressed as a linear sum using multiple coefficients w = ( w1 , w2 , ..., wn ) corresponding to each of the values constituting the inference target data a, which are dummy variables. For example, when K is a fixed value and a model having K or less explanatory variables is to be generated as the approximation model g, Ω(g) is set to be infinite when the number of non-zero coefficients among the coefficients w1 , w2 , ..., wn is greater than K, and to be 0 otherwise.

近似モデル生成部32は、上記のように生成した近似モデルパラメータw=(w、w、…、w)を、推論根拠出力部33へ送信する。 The approximate model generating unit 32 transmits the approximate model parameters w=(w 1 , w 2 , . . . , w n ) generated as described above to the inference basis output unit 33 .

推論根拠出力部33は、近似モデルパラメータw=(w、w、…、w)を受信する。
近似モデルパラメータw=(w、w、…、w)に関しては、i番目の係数wの数値が大きな正の値となる場合に、i番目の変数xの値がaであることが、モデルfの結果がf(x)であることを強く支持していると解釈することができる。このため、近似モデルパラメータw=(w、w、…、w)を、機械学習器40の判断根拠の強さとして適用可能である。
図4は、推論根拠35の説明図である。図4においては、溶存酸素量(DO)をどの程度変化させるように汚水処理施設1を運転するのが望ましいか、その変化量が推論対象とされている。推論モデル50は、溶存酸素量の設定値を0.2(mg/L)上げる、0.1(mg/L)上げる、変化させない、0.1(mg/L)下げる、0.2(mg/L)下げるという5種類の運転操作量34を変更する選択肢の中で、最も高い確率0.57を有する運転操作量34として、0.1(mg/L)下げるのが好ましいと推定している。
本例においては、施設パラメータは、NO3濃度、NH4濃度、総窒素(T-N)、総りん(T-P)、及びPO4濃度を含む。これら施設パラメータの各々に対し、対応する係数wの値が、それぞれ、0.37、0.21、0.09、-0.02、-0.05として表示されている。ここで、NO3濃度に対応する係数wの値が最も大きな値となっている。これは、NO3濃度が通常よりやや高い範囲である4.4(mg/L)以上で7.3(mg/L)より小さい範囲の値となっていることが、推論モデル50が溶存酸素量を0.1(mg/L)下げると推論した最も主要な原因であることを示す。また、このNO3濃度の他に、NH4濃度が通常よりもやや低いこと、及び総窒素が通常よりもやや低いことも、推論モデル50が溶存酸素量を0.1(mg/L)下げると推論した他の原因であることが示されている。
このように、推論根拠出力部33は、近似モデルパラメータwを基に、推論モデル50における推論対象データaを基にした運転操作量34の推論の根拠35を、外部に、例えば図示されない表示装置等に、出力する。
The inference basis output unit 33 receives the approximate model parameters w=(w 1 , w 2 , . . . , w n ).
Regarding the approximate model parameters w = ( w1 , w2 , ..., wn ), when the numerical value of the i-th coefficient w i is a large positive value, it can be interpreted that the value of the i-th variable x i being a i strongly supports that the result of the model f is f(x). Therefore, the approximate model parameters w = ( w1 , w2 , ..., wn ) can be applied as the strength of the basis for the judgment of the machine learning device 40.
Fig. 4 is an explanatory diagram of the inference basis 35. In Fig. 4, the inference target is the amount of change in the dissolved oxygen (DO) that is desirable for operating the wastewater treatment facility 1. The inference model 50 estimates that, among five options for changing the operation control amount 34 of the dissolved oxygen set value, i.e., increasing the DO by 0.2 (mg/L), increasing the DO by 0.1 (mg/L), not changing the DO set value, decreasing the DO set value by 0.1 (mg/L), and decreasing the DO set value by 0.2 (mg/L), that the operation control amount 34 having the highest probability of 0.57 is decreased by 0.1 (mg/L).
In this example, the facility parameters include NO3 concentration, NH4 concentration, total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and PO4 concentration. The values of the corresponding coefficients w i for each of these facility parameters are displayed as 0.37, 0.21, 0.09, -0.02, and -0.05, respectively. Here, the value of the coefficient w i corresponding to the NO3 concentration is the largest. This indicates that the NO3 concentration being in the range of 4.4 (mg/L) or more and less than 7.3 (mg/L), which is a range slightly higher than normal, is the most major reason why the inference model 50 infers that the amount of dissolved oxygen is reduced by 0.1 (mg/L). In addition to this NO3 concentration, it is also shown that the NH4 concentration being slightly lower than normal and the total nitrogen being slightly lower than normal are other reasons why the inference model 50 infers that the amount of dissolved oxygen is reduced by 0.1 (mg/L).
In this way, the inference basis output unit 33 outputs the inference basis 35 of the driving operation amount 34 based on the inference target data a in the inference model 50 based on the approximation model parameter w to the outside, for example to a display device not shown.

次に、図1~図4、及び図5~図7を用いて、上記の汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置20を用いた運転操作量推論根拠出力方法を説明する。図5は、運転操作量推論根拠出力方法の、推論モデルの学習時のフローチャートである。図6は、運転操作量推論根拠出力方法の、運転操作量34の推論時のフローチャートである。図7は、運転操作量推論根拠出力方法における、推論根拠の出力処理のフローチャートである。 Next, a method for outputting reasoning basis for operation operations using the operation operation amount inference basis output device 20 for the wastewater treatment facility will be described with reference to Figures 1 to 4 and Figures 5 to 7. Figure 5 is a flowchart of the method for outputting reasoning basis for operation operations when learning an inference model. Figure 6 is a flowchart of the method for outputting reasoning basis for operation operations when inferring operation amounts 34. Figure 7 is a flowchart of the inference basis output process in the method for outputting reasoning basis for operation operations.

運転操作量34の学習時には、まず、機械学習器40の学習に使用される、トレンドデータ21、水質データ22、及び運転操作量データ23をデータ蓄積部24に記憶、蓄積する(ステップS1)。
推論モデル用学習データ取得部25は、データ蓄積部24から、機械学習器40の学習に使用されるトレンドデータ21と水質データ22を取得し、データ加工部28に送信する(ステップS3)。
データ加工部28は、推論モデル用学習データ取得部25から各データを受信し、機械学習器40の入力として実際に使用される形式に加工し、学習データを生成する(ステップS5)。
運転操作量学習部29は、学習データと、運転操作量データ23すなわち教師データを用いて、機械学習器40を機械学習し、運転操作量34の推論に関するモデルパラメータを生成する(ステップS7)。
運転操作量学習部29は、生成したモデルパラメータを、推論モデルパラメータ記憶部30に記憶する(ステップS9)。
When learning the operation control variables 34, first, the trend data 21, the water quality data 22, and the operation control variable data 23 used for learning the machine learning device 40 are stored and accumulated in the data accumulation unit 24 (step S1).
The inference model learning data acquisition unit 25 acquires the trend data 21 and water quality data 22 used for learning the machine learning device 40 from the data storage unit 24, and transmits them to the data processing unit 28 (step S3).
The data processing unit 28 receives each data from the inference model learning data acquisition unit 25, processes it into a format that will actually be used as input to the machine learning device 40, and generates learning data (step S5).
The driving operation amount learning unit 29 uses the learning data and the driving operation amount data 23, i.e., the teacher data, to train the machine learning device 40 and generate model parameters related to the inference of the driving operation amount 34 (step S7).
The driving operation amount learning unit 29 stores the generated model parameters in the inference model parameter storage unit 30 (step S9).

運転操作量34の推論時には、推論対象データ取得部26は、データ蓄積部24から、運転操作量34を推論したい時刻、例えば現在の時刻における、トレンドデータ21と水質データ22を取得する。推論対象データ取得部26は、これらトレンドデータ21と水質データ22の各々を、データ加工部28に送信する(ステップS11)。
データ加工部28は、推論対象データ取得部26から各データを受信し、加工して、運転操作量34の推論対象となる推論対象データを生成する(ステップS13)。
運転操作量推論部31は、推論モデルパラメータ記憶部30からモデルパラメータを取得し、推論モデル50を構築する。運転操作量推論部31は、推論モデル50に推論対象データを入力して、運転操作量34を推論する(ステップS15)。
When inferring the operation variables 34, the inference target data acquisition unit 26 acquires the trend data 21 and the water quality data 22 at the time when the operation variables 34 are to be inferred, for example, the current time, from the data storage unit 24. The inference target data acquisition unit 26 transmits each of the trend data 21 and the water quality data 22 to the data processing unit 28 (step S11).
The data processing unit 28 receives each data from the inference target data acquisition unit 26, processes it, and generates inference target data that is to be used as an inference target for the driving operation amount 34 (step S13).
The driving operation amount inference unit 31 acquires model parameters from the inference model parameter storage unit 30 and constructs the inference model 50. The driving operation amount inference unit 31 inputs inference target data to the inference model 50 to infer the driving operation amount 34 (step S15).

次に、運転操作量推論根拠出力装置20は、推論根拠35を導出する(ステップS17)。これは、詳細には次のように行われる。
まず、近似モデル用学習データ取得部27は、データ蓄積部24から、データ加工部28によって生成された推論対象データに対応するトレンドデータ21と水質データ22に関連する、トレンドデータ21と水質データ22を取得し、データ加工部28に送信する(ステップS31)。
データ加工部28は、近似モデル用学習データ取得部27から受信した各データを加工して、推論対象データに関連する値を有する、複数の関連データを生成する(ステップS33)。
近似モデル生成部32は、推論対象データと、複数の関連データを受信する。近似モデル生成部32は、これらのデータを基に、推論対象データ周辺において、推論対象データに対して推論モデル50を近似する近似モデルを生成し、近似モデルパラメータwを生成し、推論根拠出力部33に送信する(ステップS35)。
この近似モデルパラメータw=(w、w、…、w)が、推論根拠35となる。
Next, the driving operation amount inference basis output device 20 derives the inference basis 35 (step S17). This is performed in detail as follows.
First, the learning data acquisition unit 27 for the approximation model acquires, from the data storage unit 24, trend data 21 and water quality data 22 related to the trend data 21 and water quality data 22 corresponding to the inference target data generated by the data processing unit 28, and transmits them to the data processing unit 28 (step S31).
The data processing unit 28 processes each piece of data received from the approximation model learning data acquisition unit 27 to generate a plurality of associated data having values related to the inference target data (step S33).
The approximation model generating unit 32 receives the inference target data and a plurality of related data. Based on these data, the approximation model generating unit 32 generates an approximation model that approximates the inference model 50 for the inference target data around the inference target data, generates an approximation model parameter w, and transmits it to the inference basis output unit 33 (step S35).
The approximate model parameters w=(w 1 , w 2 , . . . , w n ) serve as inference basis 35 .

推論根拠出力部33は、近似モデルパラメータw=(w、w、…、w)を受信する。
運転操作量推論部31は、推論した運転操作量34を、外部に、例えば図示されない表示装置等に、出力する。また、推論根拠出力部33は、近似モデルパラメータw=(w、w、…、w)を、推論モデル50による運転操作量34の推論根拠35として、外部に、例えば図示されない表示装置等に、出力する(ステップS25)。
このように表示された運転操作量34と推論根拠35を基に、作業員が、最終的に汚水処理施設1を運転させる運転操作量を判断、決定し、汚水処理施設1を稼働させる(ステップS27)。
The inference basis output unit 33 receives the approximate model parameters w=(w 1 , w 2 , . . . , w n ).
The driving operation amount inference unit 31 outputs the inferred driving operation amount 34 to an external device, such as a display device (not shown). The inference basis output unit 33 outputs the approximation model parameters w = ( w1 , w2 , ..., wn ) as inference basis 35 of the driving operation amount 34 by the inference model 50 to an external device, such as a display device (not shown) (step S25).
Based on the thus displayed operation variables 34 and inference grounds 35, the operator finally judges and determines the operation variables for operating the wastewater treatment facility 1, and operates the wastewater treatment facility 1 (step S27).

次に、上記の汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置及び運転操作量推論根拠出力方法の効果について説明する。 Next, the effects of the operation amount inference basis output device and operation amount inference basis output method for the above wastewater treatment facility will be explained.

本実施形態の汚水処理施設1の運転操作量推論根拠出力装置20は、汚水処理施設1の運転状況を、水質の改善を目的として変更するに際し、汚水処理施設1内の設備の運転操作量34を推論し、推論の根拠を出力する、汚水処理施設1の運転操作量推論根拠出力装置20であって、機械学習器40を備え、運転状況に関連する複数の施設パラメータ21、22の各々に対応する学習データを入力とし、当該学習データに対応する運転操作量データ23を教師データとして機械学習器40を機械学習し、運転操作量34の推論に関するモデルパラメータを生成する、運転操作量学習部29と、運転操作量34の推論対象となる推論対象データを、モデルパラメータを用いて構築した推論モデル50に入力して、運転操作量34を推論する、運転操作量推論部31と、推論対象データと、当該推論対象データに関連する値を有する複数の関連データを基に、推論対象データに対して推論モデル50を近似する近似モデルを生成し、近似モデルパラメータを生成する、近似モデル生成部32と、近似モデルパラメータを基に、推論モデル50における推論対象データを基にした運転操作量34の推論の根拠35を出力する、推論根拠出力部33と、を備えている。
また、本実施形態の汚水処理施設1の運転操作量推論根拠出力方法は、汚水処理施設1の運転状況を、水質の改善を目的として変更するに際し、汚水処理施設1内の設備の運転操作量34を推論し、推論の根拠を出力する、汚水処理施設1の運転操作量推論根拠出力方法であって、運転状況に関連する複数の施設パラメータ21、22の各々に対応する学習データを入力とし、当該学習データに対応する運転操作量データ23を教師データとして機械学習器40を機械学習し、運転操作量34の推論に関するモデルパラメータを生成し、運転操作量34の推論対象となる推論対象データを、モデルパラメータを用いて構築した推論モデル50に入力して、運転操作量34を推論し、推論対象データと、当該推論対象データに関連する値を有する複数の関連データを基に、推論対象データに対して推論モデル50を近似する近似モデルを生成し、近似モデルパラメータを生成し、近似モデルパラメータを基に、推論モデル50における推論対象データを基にした運転操作量34の推論の根拠35を出力する。
既に説明したように、ニューラルネットワーク等の学習モデルにおいてどのような根拠で推論がなされたかを説明するに際し、例えば学習モデルの全体を単純化した説明用のモデルを構築して、これを用いることが考えられる。しかし、これは容易ではない。特に本実施形態のような汚水処理施設1内の処理は、非常に複雑であるため、この運転操作量34を推論する推論モデル50は複雑性が高く、したがって、これを解釈可能な単純なモデルで大域的に表現すること自体が、現実的ではない。
これに対し、上記のような構成によれば、推論モデル50を用いて運転操作量34を推論するに際し、推論対象データと、当該推論対象データに関連する値を有する複数の関連データを基に、推論対象データに対して推論モデル50を近似する近似モデルを生成し、これにより運転操作量34の推論根拠35を出力する。すなわち、推論根拠35を説明するための近似モデルは、推論モデル50の局所的な表現にとどめることによって、比較的単純で解釈可能なものとして生成される。
このように、機械学習された推論モデル50により汚水処理施設1の運転操作値34を推論する場合であっても、上記のように近似モデルを生成することにより、推論モデル50による運転操作量34の推論根拠35を出力することができる。これにより、推論結果の根拠を示してブラックボックス性を低減することができるため、推論結果の信頼性を高めることができる。
The operation operation amount inference basis output device 20 for a wastewater treatment facility 1 of this embodiment infers operation operation amounts 34 of equipment in the wastewater treatment facility 1 and outputs the basis for the inference when the operating status of the wastewater treatment facility 1 is changed for the purpose of improving water quality. The operation operation amount inference basis output device 20 for a wastewater treatment facility 1 includes a machine learning device 40, and receives learning data corresponding to each of a plurality of facility parameters 21, 22 related to the operating status as input, and performs machine learning on the machine learning device 40 using operation operation amount data 23 corresponding to the learning data as teacher data, thereby generating model parameters related to the inference of the operation operation amounts 34. the driving operation amount inference unit 31 inputting inference target data that is to be inferred for the driving operation amount 34 into an inference model 50 constructed using model parameters to infer the driving operation amount 34; an approximation model generation unit 32 generating an approximation model that approximates the inference model 50 for the inference target data based on the inference target data and a plurality of associated data having values related to the inference target data, and generating approximation model parameters; and an inference basis output unit 33 outputting basis 35 for inference of the driving operation amount 34 based on the inference target data in the inference model 50 based on the approximation model parameters.
The method for outputting an inference basis for an operation amount of a sewage treatment facility 1 according to the present embodiment infers an operation amount 34 of equipment in the sewage treatment facility 1 and outputs the basis for the inference when the operating status of the sewage treatment facility 1 is changed for the purpose of improving water quality, and inputs learning data corresponding to each of a plurality of facility parameters 21, 22 related to the operating status, and performs machine learning on a machine learning device 40 using operation amount data 23 corresponding to the learning data as teacher data to generate model parameters related to the inference of the operation amount 34, inputs inference target data that is the inference target of the operation amount 34 to an inference model 50 constructed using the model parameters to infer the operation amount 34, generates an approximation model that approximates the inference model 50 for the inference target data based on the inference target data and a plurality of associated data having values related to the inference target data, generates approximation model parameters, and outputs basis 35 for inference of the operation amount 34 based on the inference target data in the inference model 50 based on the approximation model parameters.
As already explained, when explaining the basis on which inference is made in a learning model such as a neural network, it is conceivable to construct an explanatory model that simplifies the entire learning model and use this. However, this is not easy. In particular, since the processing in the wastewater treatment facility 1 as in this embodiment is very complicated, the inference model 50 that infers the operation amount 34 is highly complicated, and therefore, it is not realistic to globally express this with a simple model that can be interpreted.
In contrast, according to the above configuration, when inferring the driving operation amount 34 using the inference model 50, an approximation model that approximates the inference model 50 for the inference target data is generated based on the inference target data and a plurality of associated data having values related to the inference target data, and thereby inference grounds 35 for the driving operation amount 34 are output. In other words, the approximation model for explaining the inference grounds 35 is generated as a relatively simple and interpretable model by limiting it to a local expression of the inference model 50.
In this way, even when the operation values 34 of the wastewater treatment facility 1 are inferred by the machine-learned inference model 50, an approximation model can be generated as described above to output the inference basis 35 of the operation values 34 by the inference model 50. This makes it possible to show the basis for the inference result and reduce the black-box nature of the inference result, thereby increasing the reliability of the inference result.

また、近似モデルは、推論対象データを構成する値を基にして、複数の係数を用いた線形和として表現され、近似モデルパラメータは、複数の係数である。
上記のような構成によれば、上記のような汚水処理施設1の運転操作量推論根拠出力装置20を、適切に実現可能である。
Furthermore, the approximation model is expressed as a linear sum using a plurality of coefficients based on the values constituting the inference target data, and the approximation model parameters are the plurality of coefficients.
According to the above-mentioned configuration, it is possible to appropriately realize the operation amount inference basis output device 20 of the above-mentioned wastewater treatment facility 1.

また、複数の施設パラメータ21、22は、汚泥濃度及び汚泥流量を含むトレンドデータ21と、汚水処理施設において処理される水の水質データ22を含む。
上記のような構成によれば、汚泥濃度及び汚泥流量を含むトレンドデータ21と、汚水処理施設において処理される水の水質データ22の、特にどの部分が推論に大きな影響を与えたか、その根拠を解析して抽出することができる。
The facility parameters 21, 22 include trend data 21 including sludge concentration and sludge flow rate, and water quality data 22 of the water treated in the wastewater treatment facility.
According to the above-described configuration, it is possible to analyze and extract the basis for which parts of the trend data 21 including sludge concentration and sludge flow rate, and the water quality data 22 of the water being treated in the sewage treatment facility, in particular, had a significant impact on the inference.

[実施形態の第1変形例]
次に、図8、図9を用いて、上記実施形態として示した汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置及び運転操作量推論根拠出力方法の変形例を説明する。図8は、本変形例における運転操作量推論根拠出力装置のブロック図である。図9は、本変形例における運転操作量推論根拠出力装置を用いた、運転操作量推論根拠出力方法のフローチャートである。本変形例における運転操作量推論根拠出力装置20Aは、上記実施形態の運転操作量推論根拠出力装置20とは、運転操作量の外部からの入力を受け付ける入力部60を備えており、入力部60により入力された運転操作量と、推論モデルにおいて推論された運転操作量34が異なる場合にのみ、推論根拠35を外部に出力する点が異なっている。
[First Modification of the Embodiment]
Next, a modified example of the operation operation amount inference basis output device and operation operation amount inference basis output method for a wastewater treatment facility shown as the above embodiment will be described with reference to Figures 8 and 9. Figure 8 is a block diagram of the operation operation amount inference basis output device in this modified example. Figure 9 is a flowchart of the operation operation amount inference basis output method using the operation operation amount inference basis output device in this modified example. The operation operation amount inference basis output device 20A in this modified example is different from the operation operation amount inference basis output device 20 in the above embodiment in that it includes an input unit 60 that receives an input of the operation amount from outside, and outputs an inference basis 35 to the outside only when the operation amount input by the input unit 60 differs from the operation amount 34 inferred in the inference model.

入力部60は、例えば作業員により考慮された運転操作量の入力を受け付ける。
推論根拠出力部33Aは、推論モデル50により運転操作量34を推論した際に、運転操作量推論部31から、推論モデル50により推論された運転操作量34を受信する。推論根拠出力部33Aは、推論モデル50により推論された運転操作量34を、入力部60から入力された運転操作量と比較し、異なる場合に、推論モデル50により運転操作量34と推論根拠35を、外部に、例えば図示されない表示装置等に、出力する。
The input unit 60 receives, for example, an input of an amount of operation considered by an operator.
When the driving operation amount 34 is inferred by the inference model 50, the inference basis output unit 33A receives the driving operation amount 34 inferred by the inference model 50 from the driving operation amount inference unit 31. The inference basis output unit 33A compares the driving operation amount 34 inferred by the inference model 50 with the driving operation amount input from the input unit 60, and if they differ, outputs the driving operation amount 34 and the inference basis 35 by the inference model 50 to the outside, for example, to a display device (not shown) or the like.

本変形例の運転操作量推論根拠出力方法では、上記実施形態の運転操作量推論根拠出力方法において推論根拠35を導出するステップS17の後に、入力部60による運転操作量の入力を受け付ける(ステップS19)。
推論根拠出力部33Aは、推論モデル50により推論された運転操作量34と、入力部60から入力された運転操作量と比較する(ステップS21)。
推論根拠出力部33Aは、比較の結果を判定し(ステップS23)、これらの値が異なる場合には(ステップS23のNo)、推論モデル50が推論した運転操作量34に加え、更に推論根拠35を共に、図示されない表示装置等に出力する(ステップS25)。その後、作業員が、最終的に汚水処理施設1を運転させる運転操作量34を判断、決定し、汚水処理施設1を稼働させる(ステップS27)。
同一である場合には(ステップS23のYes)、ステップS25における運転操作量34と推論根拠35の出力を行わず、ステップS27に遷移する。
In the driving operation amount inference basis output method of this modification, after step S17 of deriving the inference basis 35 in the driving operation amount inference basis output method of the above embodiment, input of the driving operation amount is accepted by the input unit 60 (step S19).
The inference basis output unit 33A compares the driving operation amount 34 inferred by the inference model 50 with the driving operation amount input from the input unit 60 (step S21).
The inference basis output unit 33A judges the result of the comparison (step S23), and if these values are different (No in step S23), outputs the operation amount 34 inferred by the inference model 50 as well as the inference basis 35 to a display device (not shown) (step S25). After that, an operator judges and determines the operation amount 34 for finally operating the wastewater treatment facility 1, and operates the wastewater treatment facility 1 (step S27).
If they are the same (Yes in step S23), the driving operation amount 34 and the inference basis 35 are not output in step S25, and the process proceeds to step S27.

本変形例が、既に説明した実施形態と同様な効果を奏することは言うまでもない。
特に本変形例においては、運転操作量の外部からの入力を受け付ける入力部60を備え、入力部60により入力された運転操作量と、推論モデル50において推論された運転操作量34が異なる場合にのみ、推論根拠35を外部に出力する。
上記のような構成によれば、入力部60により入力された運転操作量と、推論モデル50において推論された運転操作量34が一致する場合には、これらの値が外部に出力されない。このため、作業員による、出力された結果の確認の手間が軽減される。
It goes without saying that this modified example provides the same effects as the embodiment already described.
In particular, this modified example is provided with an input unit 60 that accepts external input of driving operation amounts, and outputs inference grounds 35 to the outside only when the driving operation amount input by the input unit 60 differs from the driving operation amount 34 inferred in the inference model 50.
According to the above-mentioned configuration, when the driving operation amount input by the input unit 60 matches the driving operation amount 34 inferred by the inference model 50, these values are not output to the outside. This reduces the effort required for the operator to check the output results.

[実施形態の第2変形例]
次に、上記実施形態として示した汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置及び運転操作量推論根拠出力方法の変形例を説明する。本変形例における運転操作量推論根拠出力装置は、上記第1変形例の更なる変形例であり、入力部60により入力された運転操作量と、推論モデル50において推論された運転操作量34が異なる場合に、後の推論根拠35の出力がより適切に実行されるよう、これらの差分値の大きさに応じて、近似モデルの学習データ量を変更する点が異なっている。
[Second Modification of the Embodiment]
Next, a modified example of the operation amount inference basis output device and operation amount inference basis output method for a wastewater treatment facility shown in the above embodiment will be described. The operation amount inference basis output device in this modified example is a further modified example of the above first modified example, and differs in that when the operation amount input by the input unit 60 differs from the operation amount 34 inferred in the inference model 50, the amount of learning data of the approximation model is changed according to the magnitude of the difference between them so that the subsequent output of the inference basis 35 is more appropriately executed.

例えば、推論根拠35として溶存酸素量を推論する場合には、次の式により定義されるαの値に基づいて、α倍だけ学習データを複製したものを、学習データとして登録する。

Figure 0007537357000007
For example, when the amount of dissolved oxygen is inferred as the inference basis 35, the learning data is replicated α times based on the value of α defined by the following formula, and then registered as the learning data.
Figure 0007537357000007

本変形例が、既に説明した実施形態と同様な効果を奏することは言うまでもない。
特に本変形例においては、入力部により入力された運転操作量と、推論モデル50において推論された運転操作量34が異なる場合に、これらの差分値が大きいほど、近似モデルを生成する際に用いられる複数の関連データを多く複製し増加させる。
上記のような構成によれば、作業員が想定した運転操作量とずれが大きいデータほど強く学習される。このため、後の推論においては、作業員の想定により近い推論根拠35が導出される。
It goes without saying that this modified example provides the same effects as the embodiment already described.
In particular, in this modified example, when the driving operation amount input by the input unit differs from the driving operation amount 34 inferred in the inference model 50, the larger the difference between these values is, the more the multiple related data used when generating the approximation model are duplicated and increased.
According to the above-mentioned configuration, the more the data deviates from the amount of driving operation assumed by the operator, the stronger the learning process is. Therefore, in the subsequent inference, the inference basis 35 closer to the operator's assumption is derived.

[実施形態の第3変形例]
次に、上記実施形態として示した汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置及び運転操作量推論根拠出力方法の変形例を説明する。本変形例における運転操作量推論根拠出力装置は、主に、近似モデル生成部32における近似モデルの生成方法が異なっている。本変形例における運転操作量推論根拠出力装置のブロック図は上記実施形態と同等であるため、図2を主に用いて説明する。
ここでは、推論根拠35の出力時での各構成要素の挙動について説明する。運転操作量34の学習時と、運転操作量34の推論時での各構成要素の挙動は、上記実施形態と同じである。
本変形例においても、上記実施形態と同様に、推論モデル50を局所的に表現する近似モデルを生成する。近似モデルは、推論時に入力となった推論対象データに関連するデータを対象として生成される。
[Third Modification of the Embodiment]
Next, a modified example of the operation operation amount inference basis output device and operation operation amount inference basis output method for a wastewater treatment facility shown in the above embodiment will be described. The operation operation amount inference basis output device in this modified example is mainly different in the method of generating an approximation model in the approximation model generating unit 32. The block diagram of the operation operation amount inference basis output device in this modified example is the same as that of the above embodiment, so the description will be mainly made with reference to FIG. 2.
Here, a description will be given of the behavior of each component when the inference basis 35 is output. The behavior of each component when the driving operation amount 34 is learned and when the driving operation amount 34 is inferred is the same as in the above embodiment.
In this modified example, as in the above embodiment, an approximation model is generated that locally represents the inference model 50. The approximation model is generated for data related to the inference target data that was input during inference.

上記実施形態と同様に、近似モデル用学習データ取得部27は、データ蓄積部24から、推論対象データに対応するトレンドデータ21と水質データ22に関連する、トレンドデータ21と水質データ22を取得する。
近似モデル用学習データ取得部27は、取得したトレンドデータ21と水質データ22をデータ加工部28に送信する。
データ加工部28は、近似モデル用学習データ取得部27から受信した各データを加工して、推論対象データに関連する値を有する、複数の関連データを生成する。
データ加工部28は、関連データを、近似モデル生成部32に送信する。
As in the above embodiment, the approximation model learning data acquisition unit 27 acquires, from the data storage unit 24, trend data 21 and water quality data 22 related to the trend data 21 and water quality data 22 corresponding to the inference target data.
The approximation model learning data acquisition unit 27 transmits the acquired trend data 21 and water quality data 22 to the data processing unit 28 .
The data processing unit 28 processes each piece of data received from the approximation model learning data acquisition unit 27 to generate a plurality of associated data having values related to the inference target data.
The data processing unit 28 transmits the associated data to the approximation model generation unit 32 .

近似モデル生成部32は、推論対象データと、複数の関連データを受信する。近似モデル生成部32は、これらのデータを基に、推論対象データに対して推論モデル50を近似する近似モデルを生成し、近似モデルパラメータを生成する。
近似モデルのモデルパラメータは、推論対象データに関連する部分で、推論モデル50を局所的に近似するように決定される。このため、近似モデルは、推論モデル50全体を近似するのではなく、推論モデル50が推論を行う度に、その都度、入力となった推論対象データに関連する部分を近似するように生成される。
上記のような近似モデルを、本変形例においては、SHAP(SHapley Additive exPlanations)を適用して生成する。SHAPは、推論対象のデータに対し、各特徴量を変化させたときの推論結果の変化の度合いを基に、推論対象のデータの各特徴量の重要性、すなわち寄与度を定量化しようとするものである。
The approximation model generating unit 32 receives the inference target data and a plurality of related data. Based on these data, the approximation model generating unit 32 generates an approximation model that approximates the inference model 50 for the inference target data, and generates approximation model parameters.
The model parameters of the approximation model are determined so as to locally approximate the inference model 50 at a portion related to the inference target data. Therefore, the approximation model does not approximate the entire inference model 50, but is generated so as to approximate a portion related to the input inference target data each time the inference model 50 performs inference.
In this modification, the above-mentioned approximation model is generated by applying SHAP (Shapley Additive explanations). SHAP is an approach that quantifies the importance, i.e., the contribution, of each feature of the data to be inferred based on the degree of change in the inference result when each feature is changed for the data to be inferred.

より具体的には、近似モデル生成部32は、推論対象データをa、運転操作量34を推論するための推論モデル50をfとすると、推論対象となる説明変数x=a=(a、a、…、a)に対し、次式8で表されるような簡略化されたモデルgを、fに近似する近似モデルgとして生成する。

Figure 0007537357000008
上式における複数の係数w=(w、w、…、w)が、上記実施形態と同様に、近似モデルgを表す近似モデルパラメータである。
ここで、z(a)は、次式9で表される。
Figure 0007537357000009
上式におけるδaiは、上記実施形態における式6と同様、所謂クロネッカーのデルタである。すなわち、上式においては、説明変数x=(x、x、…、x)のi番目の要素xが、推論対象データのi番目の要素の値aと等しい場合に1と、等しくない場合に0と、それぞれなるように設定されている。 More specifically, if the data to be inferred is a and the inference model 50 for inferring the driving operation amount 34 is f, the approximation model generation unit 32 generates a simplified model g, as expressed by the following equation 8, for the explanatory variable x = a = ( a1 , a2 , ..., an ) to be inferred, as an approximation model g that approximates f.
Figure 0007537357000008
The multiple coefficients w=(w 0 , w 1 , . . . , w n ) in the above equation are approximation model parameters representing the approximation model g, similarly to the above embodiment.
Here, z(a) is expressed by the following equation 9.
Figure 0007537357000009
In the above formula, δ ai is the so-called Kronecker delta, as in formula 6 in the above embodiment. That is, in the above formula, the i-th element x i of the explanatory variable x = (x 1 , x 2 , ..., x n ) is set to 1 when it is equal to the value a i of the i-th element of the inference target data, and is set to 0 when it is not equal.

SHAPにおいては、local accuracy、missingness、及びconsistencyの、3種類の性質を有することが、計算上での制約となる。
local accuracyは、説明対象となる推論モデルfと、近似モデルg(f)の、説明変数xが推論対象データaと等しくx=aとなる場合の値は等しいという制約である。すなわち、推論対象x=a=(a、a、…、a)において、次式10が成立する。

Figure 0007537357000010
In SHAP, the calculation is restricted by three properties: local accuracy, missingness, and consistency.
Local accuracy is a constraint that the values of the inference model f to be explained and the approximation model g(f) are equal when the explanatory variable x is equal to the inference target data a and x = a. That is, the following formula 10 holds for the inference target x = a = (a 1 , a 2 , ..., a n ).
Figure 0007537357000010

missingnessは、存在しない説明因子zの寄与度wはゼロであるという制約である。すなわち、上記の式8において、z(a)=0となるようなiに対して、w=0が成立する。 Missingness is a constraint that the contribution w i of a non-existent explanatory factor z i is zero. That is, in the above formula 8, for i such that z i (a)=0, w i =0 holds.

consistencyは、以下に説明するような制約である。まず、推論モデルfと近似モデルg(f)の間で、f(a)と、g(f)(z(a))が等しいとする。
このとき、2つの推論モデルf、fに関し、次式11が成立する。

Figure 0007537357000011
ここで、z(i)(a)は、上式9で表されるz(a)のうち、i番目の説明因子z(a)をゼロとしたベクトルである。すなわち、本制約は、2つの推論モデルf、fを比較したときに、i番目の説明因子が存在することによる推論モデルfの変化が推論モデルfの変化よりも大きければ、推論モデルfの、i番目の説明因子による貢献度合いw(f)は、推論モデルfの、i番目の説明因子による寄与度w(f)よりも大きいことを示すものである。 Consistency is a constraint as described below. First, between an inference model f and an approximation model g(f), it is assumed that f(a) and g(f)(z(a)) are equal.
In this case, the following equation 11 holds for the two inference models f 1 and f 2 .
Figure 0007537357000011
Here, z (i) (a) is a vector in which the i-th explanatory factor z i (a) in z(a) expressed by the above formula 9 is set to zero. In other words, this constraint indicates that when comparing two inference models f 1 and f 2 , if the change in inference model f 1 due to the presence of the i-th explanatory factor is greater than the change in inference model f 2 , then the contribution degree w i (f 1 ) of the i-th explanatory factor in inference model f 1 is greater than the contribution degree w i (f 2 ) of the i-th explanatory factor in inference model f 2 .

上記の各制約を満足する寄与度w(f)は、次式12として表すように、一意に求めることができる。

Figure 0007537357000012
上式において、|S|は、集合Sの元の数である。すなわち、i番目の要因を加えたときと加えなかったときの差を、全ての組み合わせの分だけ総和して平均したものとして、i番目の説明変数の寄与度は計算される。
この寄与度、すなわち複数の係数w=(w、w、…、w)が、近似モデルgを表す近似モデルパラメータである。 The contribution degree w i (f) that satisfies each of the above constraints can be uniquely determined as shown in the following equation 12.
Figure 0007537357000012
In the above formula, |S| is the number of elements in set S. In other words, the contribution of the i-th explanatory variable is calculated by averaging the sum of the differences between when the i-th factor is added and when it is not added for all combinations.
The contributions, that is, the multiple coefficients w=(w 0 , w 1 , . . . , w n ), are approximate model parameters that represent the approximate model g.

このように、本変形例においても、上記実施形態と同様に、近似モデル生成部32は、推論対象データと、当該推論対象データに関連する値を有する複数の関連データを基に、推論対象データに対して推論モデル50を近似する近似モデルを生成し、近似モデルパラメータを生成する。
近似モデル生成部32は、上記のように生成した近似モデルパラメータw=(w、w、…、w)を、推論根拠出力部33へ送信する。
Thus, in this modified example, as in the above embodiment, the approximation model generation unit 32 generates an approximation model that approximates the inference model 50 for the inference target data based on the inference target data and a plurality of related data having values related to the inference target data, and generates approximation model parameters.
The approximate model generating unit 32 transmits the approximate model parameters w=(w 0 , w 1 , . . . , w n ) generated as described above to the inference basis output unit 33 .

推論根拠出力部33は、近似モデルパラメータw=(w、w、…、w)を受信する。
本変形例においても、上記実施形態と同様に、近似モデルパラメータw=(w、w、…、w)に関しては、i番目の係数wの数値が大きな正の値となる場合に、i番目の変数xの値がaであることが、モデルfの結果がf(x)であることを強く支持していると解釈することができる。このため、近似モデルパラメータw=(w、w、…、w)を、機械学習器40の判断根拠の強さとして適用可能である。
推論根拠出力部33は、上記実施形態において図4を用いて説明したように、近似モデルパラメータwを基に、推論モデル50における推論対象データaを基にした運転操作量34の推論の根拠35を、外部に、例えば図示されない表示装置等に、出力する。
The inference basis output unit 33 receives the approximate model parameters w=(w 0 , w 1 , . . . , w n ).
In this modified example, as in the above embodiment, with respect to the approximate model parameters w = ( w0 , w1 , ..., wn ), when the numerical value of the i-th coefficient wi is a large positive value, it can be interpreted that the value of the i-th variable xi being ai strongly supports that the result of the model f is f(x). For this reason, the approximate model parameters w = ( w0 , w1 , ..., wn ) can be applied as the strength of the basis for the judgment of the machine learning device 40.
As explained using Figure 4 in the above embodiment, the inference basis output unit 33 outputs the inference basis 35 of the driving operation amount 34 based on the inference target data a in the inference model 50 based on the approximation model parameter w to the outside, for example to a display device not shown.

本変形例が、既に説明した実施形態と同様な効果を奏することは言うまでもない。 It goes without saying that this modification provides the same effects as the embodiment already described.

なお、本発明の汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置及び運転操作量推論根拠出力方法は、図面を参照して説明した上述の実施形態及び各変形例に限定されるものではなく、その技術的範囲において他の様々な変形例が考えられる。 The wastewater treatment facility operation amount inference basis output device and operation amount inference basis output method of the present invention are not limited to the above-mentioned embodiment and each modified example described with reference to the drawings, and various other modified examples are conceivable within the technical scope.

例えば、上記第1変形例においては、入力部60により入力された運転操作量と、推論モデルにおいて推論された運転操作量34が異なるか否かの判断は、推論根拠出力部33Aにより行われていたが、これ以外の部分により行われてもよい。例えば、近似モデル用学習データ取得部が当該判断を行い、異なる場合にのみ、近似モデル用学習データ取得部によるデータの取得、データ加工部によるデータの加工、近似モデル生成部による近似モデルの生成、及び推論根拠出力部による結果の出力を含む、推論根拠を出力する一連の処理が行われるように構成されていてもよい。
また、上記実施形態及び各変形例において、機械学習器はニューラルネットワークにより実現されていたが、ランダムフォレスト(Random Forest)やXGBoost(eXtreme Gradient Boosting)等の集団学習手法をはじめとした、他の機械学習手法により実現されていてもよい。
For example, in the above first modified example, the determination as to whether the driving operation amount input by the input unit 60 differs from the driving operation amount 34 inferred in the inference model is performed by the inference basis output unit 33A, but it may be performed by another part. For example, the approximation model learning data acquisition unit may make the determination, and only if they differ, a series of processes for outputting the inference basis may be performed, including acquisition of data by the approximation model learning data acquisition unit, processing of the data by the data processing unit, generation of the approximation model by the approximation model generation unit, and output of the results by the inference basis output unit.
In addition, in the above embodiment and each modified example, the machine learning machine is realized by a neural network, but may be realized by other machine learning methods, including ensemble learning methods such as Random Forest and XGBoost (eXtreme Gradient Boosting).

これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態及び各変形例で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、上記第2変形例は、第1変形例の更なる変形例であるため、第1変形例と同様に、入力部60により入力された運転操作量と、推論モデルにおいて推論された運転操作量34が異なる場合にのみ、推論根拠35を外部に出力するように構成されていた。これに替えて、上記第2変形例において、上記実施形態と同様に、入力部60により入力された運転操作量と、推論モデルにおいて推論された運転操作量34が同一の場合においても、推論根拠35を外部に出力するように構成されていてもよい。
In addition, without departing from the spirit of the present invention, it is possible to select and discard the configurations given in the above embodiment and each modified example, or to change them to other configurations as appropriate.
For example, since the second modified example is a further modified example of the first modified example, similarly to the first modified example, the inference basis 35 is configured to be output to the outside only when the driving operation amount input by the input unit 60 differs from the driving operation amount 34 inferred in the inference model. Alternatively, in the second modified example, similarly to the above embodiment, the inference basis 35 may be configured to be output to the outside even when the driving operation amount input by the input unit 60 and the driving operation amount 34 inferred in the inference model are the same.

1 汚水処理施設
20、20A 運転操作量推論根拠出力装置
21 トレンドデータ(施設パラメータ)
22 水質データ(施設パラメータ)
23 運転操作量データ
29 運転操作量学習部
31 運転操作量推論部
32 近似モデル生成部
33、33A 推論根拠出力部
34 運転操作量
35 推論根拠
40 機械学習器
50 推論モデル
60 入力部
1 Sewage treatment facility 20, 20A Operation operation amount inference basis output device 21 Trend data (facility parameters)
22 Water quality data (facility parameters)
23 Driving operation amount data 29 Driving operation amount learning unit 31 Driving operation amount inference unit 32 Approximation model generation unit 33, 33A Inference basis output unit 34 Driving operation amount 35 Inference basis 40 Machine learning device 50 Inference model 60 Input unit

Claims (6)

汚水処理施設の運転状況を、水質の改善を目的として変更するに際し、前記汚水処理施設内の設備の運転操作量を推論し、推論の根拠を出力する、汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置であって、
機械学習器を備え、前記運転状況に関連する複数の施設パラメータの各々に対応する学習データを入力とし、当該学習データに対応する運転操作量データを教師データとして前記機械学習器を機械学習し、前記運転操作量の推論に関するモデルパラメータを生成する、運転操作量学習部と、
前記運転操作量の推論対象となる推論対象データを、前記モデルパラメータを用いて構築した推論モデルに入力して、前記運転操作量を推論する、運転操作量推論部と、
前記推論対象データと、当該推論対象データに関連する値を有する複数の関連データを基に、前記推論対象データに対して前記推論モデルを近似する近似モデルを生成し、近似モデルパラメータを生成する、近似モデル生成部と、
前記近似モデルパラメータを基に、前記推論モデルにおける前記推論対象データを基にした前記運転操作量の推論の前記根拠を出力する、推論根拠出力部と、
を備えている、汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置。
A sewage treatment facility operation amount inference basis output device that infers an operation amount of equipment in the sewage treatment facility and outputs a basis for the inference when changing an operation state of the sewage treatment facility for the purpose of improving water quality,
a driving operation amount learning unit including a machine learning device, the machine learning device learning data corresponding to each of a plurality of facility parameters related to the driving situation as input, and driving operation amount data corresponding to the learning data as teacher data to train the machine learning device by machine learning, thereby generating model parameters related to the inference of the driving operation amount;
a driving operation amount inference unit that inputs inference target data that is to be inferred for the driving operation amount into an inference model constructed using the model parameters, and infers the driving operation amount;
an approximation model generating unit that generates an approximation model that approximates the inference model for the inference target data based on the inference target data and a plurality of related data having values related to the inference target data, and generates approximation model parameters;
an inference basis output unit that outputs the basis for inferring the driving operation amount based on the inference target data in the inference model based on the approximation model parameters;
An operation quantity inference basis output device for a sewage treatment facility, comprising:
前記近似モデルは、前記推論対象データを構成する値を基にして、複数の係数を用いた線形和として表現され、前記近似モデルパラメータは、前記複数の係数である、請求項1に記載の汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置。 The sewage treatment facility operation quantity inference basis output device according to claim 1, wherein the approximation model is expressed as a linear sum using multiple coefficients based on values constituting the inference target data, and the approximation model parameters are the multiple coefficients. 前記運転操作量の外部からの入力を受け付ける入力部を備え、
前記入力部により入力された前記運転操作量と、前記推論モデルにおいて推論された前記運転操作量が異なる場合にのみ、前記推論の根拠を外部に出力する、請求項1または2に記載の汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置。
An input unit that receives an input of the driving operation amount from an outside,
An operation operation quantity inference basis output device for a sewage treatment facility as described in claim 1 or 2, which outputs the basis of the inference to the outside only when the operation operation quantity input by the input unit differs from the operation operation quantity inferred in the inference model.
前記入力部により入力された前記運転操作量と、前記推論モデルにおいて推論された前記運転操作量が異なる場合に、これらの差分値が大きいほど、前記近似モデルを生成する際に用いられる前記複数の関連データを多く複製し増加させる、請求項3に記載の汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置。 The operation amount inference basis output device for a wastewater treatment facility according to claim 3, which, when the operation amount input by the input unit differs from the operation amount inferred in the inference model, increases the number of copies of the multiple related data used in generating the approximation model as the difference between them increases. 前記複数の施設パラメータは、汚泥濃度及び汚泥流量を含むトレンドデータと、前記汚水処理施設において処理される水の水質データを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力装置。 The operation quantity inference basis output device for a wastewater treatment facility according to any one of claims 1 to 4, wherein the plurality of facility parameters include trend data including sludge concentration and sludge flow rate, and water quality data of the water treated in the wastewater treatment facility. 汚水処理施設の運転状況を、水質の改善を目的として変更するに際し、前記汚水処理施設内の設備の運転操作量を推論し、推論の根拠を出力する、汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力方法であって、
前記運転状況に関連する複数の施設パラメータの各々に対応する学習データを入力とし、当該学習データに対応する運転操作量データを教師データとして機械学習器を機械学習し、前記運転操作量の推論に関するモデルパラメータを生成し、
前記運転操作量の推論対象となる推論対象データを、前記モデルパラメータを用いて構築した推論モデルに入力して、前記運転操作量を推論し、
前記推論対象データと、当該推論対象データに関連する値を有する複数の関連データを基に、前記推論対象データに対して前記推論モデルを近似する近似モデルを生成し、近似モデルパラメータを生成し、
前記近似モデルパラメータを基に、前記推論モデルにおける前記推論対象データを基にした前記運転操作量の推論の前記根拠を出力する、汚水処理施設の運転操作量推論根拠出力方法。
A method for outputting an inference basis for an operation amount of a sewage treatment facility, which infers an operation amount of equipment in the sewage treatment facility and outputs a basis for the inference when changing an operation state of the sewage treatment facility for the purpose of improving water quality, comprising:
learning data corresponding to each of a plurality of facility parameters related to the driving situation is input, and a machine learning device is trained by using the driving operation amount data corresponding to the learning data as teacher data to generate model parameters related to the inference of the driving operation amount;
inputting inference target data that is to be inferred as the driving operation amount into an inference model constructed using the model parameters, and inferring the driving operation amount;
generating an approximation model that approximates the inference model for the inference target data based on the inference target data and a plurality of associated data having values related to the inference target data, and generating approximate model parameters;
An operation quantity inference basis output method for a sewage treatment facility, which outputs the basis for inferring the operation quantity based on the inference target data in the inference model based on the approximation model parameters.
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Marco Tulio Ribeiro, 外2名,""Why Should I Trust You?" Explaining the Predictions of Any Classifier",[online],2016年08月09日,[検索日 2024.07.01], インターネット<URL:https://arxiv.org/pdf/1602.04938v3>
深井寛修, 外2名,"ディープラーニングを用いた社会インフラを支える技術の開発",スマートグリッド,株式会社大河出版,2018年10月15日,第8巻, 第4号,p.14-18

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