JP7537357B2 - Sewage treatment facility operation amount inference basis output device and operation amount inference basis output method - Google Patents
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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,
A neural network is used in the device of
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.
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
The
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
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
Air is supplied to the lower part of the
The
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
A portion of the sludge that has settled in the
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
The
The
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
2 is a block diagram of the driving operation amount inference
Among these components of the driving operation amount inference
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
The input to the operation amount inference
The driving
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
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
More specifically, the amount of returned sludge may be, for example, the rotation speed of the
More specifically, the amount of excess sludge extracted may be, for example, the time it takes for the excess
In this embodiment, the
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
That is, the driving operation amount inference
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
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
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
In this way, the machine learning machine 40 learns to infer the driving
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
The inference model learning
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。
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
The
The
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
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
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
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
That is, the driving operation
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
The inference target
The
The
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
The driving operation
When the driving operation
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
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
In this embodiment, the
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
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
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
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
The approximation model learning
The
The
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
As already explained, the model parameters of the approximation model are determined so as to locally approximate the
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。
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、πa)は、次の式3として表現される。
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
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a1、a2、…、anとすると、次の式5が用いられ得る。
すなわち、複数の係数w=(w1、w2、…、wn)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
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=(w1、w2、…、wn)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w1、w2、…、wn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
As explained using
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=(w1、w2、…、wn)を、推論根拠出力部33へ送信する。
The approximate
推論根拠出力部33は、近似モデルパラメータw=(w1、w2、…、wn)を受信する。
近似モデルパラメータw=(w1、w2、…、wn)に関しては、i番目の係数wiの数値が大きな正の値となる場合に、i番目の変数xiの値がai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=(w1、w2、…、wn)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wi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wi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
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
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
In this way, the inference
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
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
The inference model learning
The
The driving operation
The driving operation
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
The
The driving operation
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=(w1、w2、…、wn)が、推論根拠35となる。
Next, the driving operation amount inference
First, the learning
The
The approximation
The approximate model parameters w=(w 1 , w 2 , . . . , w n ) serve as
推論根拠出力部33は、近似モデルパラメータw=(w1、w2、…、wn)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=(w1、w2、…、wn)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
The driving operation
Based on the thus displayed
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
The method for outputting an inference basis for an operation amount of a
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
In contrast, according to the above configuration, when inferring the driving
In this way, even when the operation values 34 of the
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
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
According to the above-described configuration, it is possible to analyze and extract the basis for which parts of the
[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
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
When the driving
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
The inference
The inference
If they are the same (Yes in step S23), the driving
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
According to the above-mentioned configuration, when the driving operation amount input by the
[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
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。
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
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
[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
Here, a description will be given of the behavior of each component when the
In this modified example, as in the above embodiment, an approximation model is generated that locally represents the
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
The approximation model learning
The
The
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
The model parameters of the approximation model are determined so as to locally approximate the
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=(a1、a2、…、an)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。
ここで、z(a)は、次式9で表される。
Here, z(a) is expressed by the
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=(a1、a2、…、an)において、次式10が成立する。
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
missingnessは、存在しない説明因子ziの寄与度wi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、zi(a)=0となるようなiに対して、wi=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
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f1、f2に関し、次式11が成立する。
In this case, the following
上記の各制約を満足する寄与度wi(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。
この寄与度、すなわち複数の係数w=(w0、w1、…、wn)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
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=(w0、w1、…、wn)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
The approximate
推論根拠出力部33は、近似モデルパラメータw=(w0、w1、…、wn)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=(w0、w1、…、wn)に関しては、i番目の係数wiの数値が大きな正の値となる場合に、i番目の変数xiの値がai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=(w0、w1、…、wn)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
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
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
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
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
22 Water quality data (facility parameters)
23 Driving
Claims (6)
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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