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JP7604412B2 - Method and system for identifying leakage phenomena using machine learning - Google Patents
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JP7604412B2 - Method and system for identifying leakage phenomena using machine learning - Google Patents

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Description

本発明は、単一センサによってAE波を計測するとともに、機械学習によって加圧パイプラインにおける流体の漏洩現象を同定することが可能な、漏洩現象の同定方法及び同定システムに関する。 The present invention relates to a method and system for identifying leakage phenomena that can measure AE waves using a single sensor and identify fluid leakage phenomena in pressurized pipelines using machine learning.

近年、上水道や産業用水に代表される内水圧を利用した送配水パイプラインでは、老朽化に伴う漏水事故が多く発生しており、漏水現象を同定する手法の開発が進められている。具体的には、漏水の有無及び漏水位置の同定手法として、複数地点にセンサを設置し、計測された漏水波形の相違から、漏水箇所を推定する手法が多く提案されており、例えば特許文献1には、低周波成分に対する高周波成分の比率を算出することで、漏水箇所を推定する方法が開示されている。 In recent years, many water leakage accidents due to aging have occurred in water transmission and distribution pipelines that use internal water pressure, such as those used for drinking water and industrial water, and methods to identify leakage phenomena are being developed. Specifically, many methods have been proposed to identify the presence or absence of leakage and its location by installing sensors at multiple points and estimating the location of the leakage from differences in the measured leakage waveforms. For example, Patent Document 1 discloses a method of estimating the location of a leakage by calculating the ratio of high-frequency components to low-frequency components.

また特許文献2には、単一センサを1地点に設置して、漏水経路や漏水位置を推定する漏水位置推定システムの発明が開示されている。 Patent document 2 also discloses an invention for a water leak location estimation system that estimates the leak path and location by installing a single sensor at one location.

特開2019-039858号公報JP 2019-039858 A 特開2021-183936号公報JP 2021-183936 A

しかしながら、特許文献1に開示された方法では、2地点に設置されたセンサで同程度の精度で漏水波を検出する必要があることに加えて、作業負担が単一センサの場合と比較して大きいといった課題がある。また、特許文献2に開示されているシステムにあっても、漏水規模の同定手法については確認されておらず、さらに、漏水の有無や漏水位置の同定における有用な波形パラメータも十分に明らかになっていない。 However, the method disclosed in Patent Document 1 requires sensors installed at two locations to detect leak waves with the same degree of accuracy, and has the problem of a greater workload than when using a single sensor. Furthermore, even with the system disclosed in Patent Document 2, a method for identifying the scale of leaks has not been confirmed, and useful waveform parameters for identifying the presence or absence of a leak and its location have not been fully clarified.

すなわち、従来技術においては、漏水の有無や漏水位置、漏水の規模を単一のセンサで正確に同定できる手法が依然として確立されていない。 In other words, in conventional technology, there is still no established method for accurately identifying the presence or absence of a leak, its location, and its size using a single sensor.

そこで本願発明は、単一センサによってAE波を計測するとともに、機械学習によって送配水パイプラインを含む加圧パイプラインにおける流体の漏洩現象を同定することが可能な、漏洩現象の同定方法及び同定システムを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method and system for identifying leakage phenomena that can measure AE waves using a single sensor and identify fluid leakage phenomena in pressurized pipelines, including water transmission and distribution pipelines, using machine learning.

本発明は、単一の漏洩センサによって計測したAE波によって加圧パイプラインにおける流体の漏洩現象を同定することが可能な機械学習による漏洩現象の同定方法であって、前記加圧パイプラインに設置した前記単一の漏洩センサによってAE波を計測する計測ステップと、計測したAE波を機械学習する学習ステップと、前記学習ステップにおいてAEパラメータを抽出する抽出ステップと、抽出された前記AEパラメータに基づいて前記加圧パイプラインにおける流体の漏洩現象を同定する漏洩現象同定ステップと、を少なくとも有することを特徴とする。 The present invention is a method for identifying leakage phenomena by machine learning, capable of identifying a fluid leakage phenomenon in a pressurized pipeline by AE waves measured by a single leakage sensor, and is characterized by having at least a measurement step of measuring AE waves by the single leakage sensor installed in the pressurized pipeline, a learning step of machine learning the measured AE waves, an extraction step of extracting AE parameters in the learning step, and a leakage phenomenon identification step of identifying a fluid leakage phenomenon in the pressurized pipeline based on the extracted AE parameters.

本発明の構成によれば、これまで明確になっていなかった、漏洩の有無や漏洩位置、漏洩の規模を同定する際に有効なAEパラメータを特定することにより、単一の漏洩センサで各漏洩現象を高精度に同定することが可能となる。 The configuration of the present invention makes it possible to identify each leakage phenomenon with high accuracy using a single leakage sensor by identifying AE parameters that are effective in identifying the presence or absence of leakage, the location of the leakage, and the size of the leakage, which have not been clearly identified until now.

本発明の実施形態における、漏水現象の同定フローである。4 is a flow chart showing a procedure for identifying a water leakage phenomenon in an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態において、モデル配水パイプラインにおける漏水センサの配置態様を示した模式平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view showing the arrangement of water leakage sensors in a model water distribution pipeline in an embodiment of the present invention. 検出した連続するAE波の波形の一例であって、(a)はモデル配水パイプラインに漏水孔がある場合の波形であり、(b)はモデル配水パイプラインに漏水が無い場合の波形である。1A and 1B are examples of waveforms of detected continuous AE waves, where (a) is a waveform when there is a leak in the model water distribution pipeline, and (b) is a waveform when there is no leak in the model water distribution pipeline. 本発明の実施形態における、説明変数であるAEパラメータを説明するためのAE波の波形等である。2 shows waveforms of AE waves for explaining AE parameters that are explanatory variables in an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における、漏水有無の判別結果について、モデルの精度となるF値を示した表である。11 is a table showing an F value, which indicates the accuracy of a model, for the determination result of the presence or absence of water leakage in an embodiment of the present invention. 漏水有無の判別精度が高かった決定木とランダムフォレストにおける重要度の高いAEパラメータ上位3つを示した表である。This is a table showing the top three AE parameters with high importance in the decision tree and random forest that had the highest accuracy in determining whether or not there was a leak. 本発明の実施形態における、漏水位置の同定結果について、モデルの精度となるF値を示した表である。11 is a table showing an F value, which indicates the accuracy of a model, for the results of identifying a water leakage position in an embodiment of the present invention. 漏水位置の同定精度が高かった決定木とランダムフォレストにおける重要度の高いAEパラメータ上位3つを示した表である。This is a table showing the top three important AE parameters in the decision tree and random forest that had the highest accuracy in identifying the leak location. 漏水位置の同定精度が高かった決定木とランダムフォレストにおける重要度の最も高いAEパラメータを示した表である。This is a table showing the AE parameters with the highest importance in the decision tree and random forest that had high accuracy in identifying the leak location. 本発明の実施形態における、漏水規模の同定結果について、モデルの精度となるF値を示した表である。13 is a table showing an F value, which indicates the accuracy of a model, for the results of identification of the scale of leakage in an embodiment of the present invention. 漏水規模の同定精度が高かった決定木とランダムフォレストにおける重要度の高いAEパラメータ上位3つを示した表である。This is a table showing the top three important AE parameters in the decision tree and random forest that had high accuracy in identifying the scale of leakage. 漏水規模の同定精度が高かった決定木とランダムフォレストにおける重要度の最も高いAEパラメータを示した表である。13 is a table showing the AE parameters with the highest importance in the decision tree and random forest that had high accuracy in identifying the scale of leakage. (a)は実構造物における検証によって得られた決定木における説明変数の重要度を示すグラフであり、(b)はランダムフォレストにおける説明変数の重要度を示すグラフである。13A is a graph showing the importance of explanatory variables in a decision tree obtained by verification on an actual structure, and FIG. 13B is a graph showing the importance of explanatory variables in a random forest. 実構造物である送水パイプラインにおける漏水箇所の漏水状況写真である。This is a photograph of the leakage state at a leak point in a water transmission pipeline, which is an actual structure. 本発明の実施形態における、漏水現象の同定システムの概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram of a water leakage phenomenon identification system according to an embodiment of the present invention.

以下、図面を参照しつつ、本発明の機械学習による漏洩現象の同定方法及び同定システムについて、送配水パイプラインにおける漏水現象の同定方法を例に、その実施形態を説明する。 Below, with reference to the drawings, an embodiment of the leakage phenomenon identification method and identification system using machine learning according to the present invention will be described, taking as an example a method for identifying a leakage phenomenon in a water transmission/distribution pipeline.

そして本実施形態の送配水パイプラインにおける漏水現象の同定方法及び同定システムは、送配水パイプラインにおけるAcoustic Emission波(以下、単に「AE波」と称する。)を機械学習することで、送配水パイプライン上における漏水の有無や漏水位置、漏水の規模を、単一の漏水センサ1で同定可能とするものである。 The method and system for identifying leakage phenomena in water transmission/distribution pipelines of this embodiment uses machine learning to learn acoustic emission waves (hereinafter simply referred to as "AE waves") in water transmission/distribution pipelines, making it possible to identify the presence or absence of leakage in a water transmission/distribution pipeline, as well as the location and magnitude of the leakage, using a single leakage sensor 1.

すなわち、これまで明確になっていなかった、漏水の有無や漏水位置、漏水の規模を同定する際に有効なAEパラメータを特定することにより、単一の漏水センサ1で各漏洩現象を高精度に同定することを可能にするものである。 In other words, by identifying AE parameters that are effective in identifying the presence or absence of a leak, the location of the leak, and the scale of the leak, which have not been clearly defined until now, it is possible to identify each leak phenomenon with high accuracy using a single leak sensor 1.

(漏水現象の同定フロー)
図1には、本実施形態における漏水現象の同定フローが図示されている。まず簡単にフローを説明すると、ステップS100では、公知の弾性波計測器と共振型センサから成る漏水センサ1を使用して、送配水パイプラインにおけるAE波の計測を行う。
(Leakage phenomenon identification flow)
The flow of identifying a water leakage phenomenon in this embodiment is shown in Fig. 1. To briefly explain the flow, in step S100, AE waves are measured in a water transmission/distribution pipeline using a water leakage sensor 1 that is composed of a known elastic wave measuring device and a resonance type sensor.

続くステップS101では、AE波の検出の有無が判断され、AE波の検出が無ければステップS102において計測条件の再設定が行われる。計測条件の再設定では、周波数帯の調整のほか、プリアンプの調整、図4に示される振幅の検出閾値の調整などが行われる。ステップS101でAE波の検出があると判断されると、ステップ103においてクラスラベルの付与が行われる。 In the next step S101, it is determined whether AE waves have been detected, and if no AE waves have been detected, the measurement conditions are reset in step S102. Resetting the measurement conditions involves adjusting the frequency band, preamplifier, and amplitude detection threshold shown in FIG. 4. If it is determined in step S101 that AE waves have been detected, a class label is assigned in step S103.

続いてステップS104では本実施形態の機械学習モデルによって、漏水の有無が判別される。漏水有りの判断がされると、当該判断に有効なAEパラメータがステップS105で抽出される。 Next, in step S104, the machine learning model of this embodiment determines whether or not there is a leak. If it is determined that there is a leak, AE parameters that are effective for that determination are extracted in step S105.

次に、ステップS106では本実施形態の機械学習モデルによって、漏水位置の同定ができたか否かが判断される。漏水位置の同定ができたと判断されると、当該判断に有効なAEパラメータがステップS107で抽出される。漏水位置の同定ができないと判断された場合は、前述したように、ステップS102において計測条件の再設定が行われる。 Next, in step S106, the machine learning model of this embodiment determines whether the leak location has been identified. If it is determined that the leak location has been identified, AE parameters that are effective for this determination are extracted in step S107. If it is determined that the leak location cannot be identified, the measurement conditions are reset in step S102, as described above.

続いてステップS108では本実施形態の機械学習モデルによって、漏水規模の同定ができたか否かが判断される。漏水規模の同定ができたと判断されると、当該判断に有効なAEパラメータがステップS109で抽出される。漏水規模の同定ができないと判断された場合は、前述したように、ステップS102において計測条件の再設定が行われる。 Next, in step S108, the machine learning model of this embodiment determines whether or not the scale of the leak has been identified. If it is determined that the scale of the leak has been identified, AE parameters that are effective for this determination are extracted in step S109. If it is determined that the scale of the leak cannot be identified, the measurement conditions are reset in step S102, as described above.

(モデル配水パイプラインにおける調査・検証)
本実施形態では、各種漏水現象の同定及び有効なAEパラメータを検証するため、図2に示されるようなモデル配水パイプラインPを設置して検証を行った。当該モデル配水パイプラインPの上流側には地上高2.9mの架台を設け、当該架台上に不図示の水槽を設置している。また、下流側には不図示の末端バルブが設けられ、放流の有無を切替え可能に構成している。すなわち、当該モデル配水パイプラインPは、高圧の送水パイプラインから枝分かれする、比較的に低圧の配水パイプラインを想定したものとなる。また、各漏水センサ1の漏水孔Hとの配置関係は図2に示されるとおりである。モデル配水パイプラインPにおけるAE波の計測に際しては、漏水孔Hが有るモデル配水パイプラインP及び漏水孔Hの無い無損傷のモデル配水パイプラインPを対象にしてAE波の計測を実施している。なお参考までに、本実施形態のモデル配水パイプラインPは、内径100.8mmのVP管を使用したものである。
(Survey and verification on a model water distribution pipeline)
In this embodiment, in order to identify various water leakage phenomena and to verify effective AE parameters, a model water distribution pipeline P as shown in FIG. 2 was installed and verification was performed. A stand 2.9 m above ground was installed on the upstream side of the model water distribution pipeline P, and a water tank (not shown) was installed on the stand. In addition, a terminal valve (not shown) was installed on the downstream side, and it was configured to be able to switch on and off the discharge. That is, the model water distribution pipeline P is assumed to be a relatively low-pressure water distribution pipeline branching off from a high-pressure water supply pipeline. In addition, the arrangement relationship between each water leakage sensor 1 and the water leakage hole H is as shown in FIG. 2. When measuring the AE wave in the model water distribution pipeline P, the AE wave was measured for the model water distribution pipeline P with the water leakage hole H and the undamaged model water distribution pipeline P without the water leakage hole H. For reference, the model water distribution pipeline P in this embodiment uses a VP pipe with an inner diameter of 100.8 mm.

計測ケースとしては下の表1に示すとおりであり、モデル配水パイプラインPの末端バルブ(不図示)を閉塞し、漏水孔Hからの排水のみであるケースが「Case A」、末端バルブの開度を11.3°とし、漏水孔Hと末端バルブの両方から排水を行ったケースを「Case B」、 漏水孔Hの無い無損傷のモデルパイプラインPにおいて、末端バルブの開度を11.3°とし、末端バルブのみから排水を行ったケースを「Case C」としている。 The measurement cases are as shown in Table 1 below. Case A is when the end valve (not shown) of the model water distribution pipeline P is blocked and water is only drained from the leak hole H. Case B is when the end valve was opened to 11.3° and water was drained from both the leak hole H and the end valve. Case C is when the end valve was opened to 11.3° in an undamaged model pipeline P without a leak hole H and water was drained only from the end valve.

Figure 0007604412000001
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また、漏水孔Hに対して各漏水センサ1を図2に示されるように配置し、「ch1」、「ch4」、「ch5」、「ch8」には150kHzの共振型センサ(R15α)を、「ch2」、「ch6」には60kHzの共振型センサ(R6α)を、「ch3」、「ch7」には30kHzの共振型センサ(R3α)を取り付けている。 Furthermore, each water leakage sensor 1 is positioned relative to the water leakage hole H as shown in FIG. 2, with 150 kHz resonant type sensors (R15α) attached to "ch1", "ch4", "ch5", and "ch8", 60 kHz resonant type sensors (R6α) attached to "ch2" and "ch6", and 30 kHz resonant type sensors (R3α) attached to "ch3" and "ch7".

なお、上記各漏水センサ1は、高真空シール用オイルコンパウンドを用いてモデル配水パイプラインPの管体下部に接着し、さらにバンドを巻いて管体に固定している。 Each of the water leakage sensors 1 is attached to the bottom of the pipe of the model water distribution pipeline P using a high vacuum sealing oil compound, and is further fixed to the pipe by wrapping a band around it.

また、計測条件として、プリアンプの増幅値は40dbとし、後述する検出閾値を30dbとしている。AE波の計測間隔は1MHzとしている。なお、水圧による影響を確認するために、モデル配水パイプラインPの上流部と下流部に、それぞれ圧力センサを配置し、AE波の計測と併せて同期信号としてそれぞれの水圧の計測を行っている。以上、AE波の計測条件については表2に示すとおりである。 As for the measurement conditions, the preamplifier amplification value is 40 db, and the detection threshold, described below, is 30 db. The measurement interval for AE waves is 1 MHz. To confirm the effects of water pressure, pressure sensors are placed at the upstream and downstream parts of the model water distribution pipeline P, and the water pressures are measured at each part as a synchronization signal in addition to the measurement of AE waves. The measurement conditions for AE waves are as shown in Table 2.

Figure 0007604412000002
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そして、モデル配水パイプラインPにおける漏水センサ1が検出したAE波を機械学習することで、各漏水現象の同定及び有効なAEパラメータの抽出が可能となっている。参考として、図3には、検出した連続するAE波の波形の一例が示されており、(a)にはモデル配水パイプラインPに漏水孔Hがある場合の波形が、(b)にはモデル配水パイプラインPに漏水が無い場合の波形がそれぞれ示されている。 By applying machine learning to the AE waves detected by the water leakage sensor 1 in the model water distribution pipeline P, it is possible to identify each water leakage phenomenon and extract effective AE parameters. For reference, FIG. 3 shows an example of the waveform of a continuous detected AE wave, where (a) shows the waveform when there is a water leakage hole H in the model water distribution pipeline P, and (b) shows the waveform when there is no water leakage in the model water distribution pipeline P.

(機械学習における解析手法)
次に、機械学習による漏水の有無の同定及び有効なAEパラメータの抽出に関し、その解析方法を説明する。図4には、説明変数であるAEパラメータを説明するためのAE波の波形等が図示されている。
(Analysis methods in machine learning)
Next, a method of analysis will be described regarding identification of the presence or absence of a water leak and extraction of effective AE parameters by machine learning. Fig. 4 shows the waveform of an AE wave for explaining the AE parameters, which are explanatory variables.

図示されるように、本実施形態ではAEパラメータとして、最大振幅値である「AMP」、立ち上がり時間である「RISE」、継続時間である「DURATION」、所定の検出閾値との交点のカウント値となる「COUNT」に加え、平均周波数である「A-FRQ」、重心周波数である「C-FRQ」、実効値電圧である「RMS」、ピーク周波数である「P-FRQ」、以上8つのAEパラメータを計測したAE波から抽出している。 As shown in the figure, in this embodiment, the AE parameters extracted from the measured AE waves are "AMP", which is the maximum amplitude value, "RISE", which is the rise time, "DURATION", which is the duration, and "COUNT", which is the count value of the intersection with a predetermined detection threshold, as well as "A-FRQ", which is the average frequency, "C-FRQ", which is the centroid frequency, "RMS", which is the effective voltage, and "P-FRQ", which is the peak frequency.

続いて、「漏水の有無の判別」、「漏水位置の同定」、「漏水規模(漏水孔直径)の同定」について、設定したそれぞれのクラスラベルを表3~5に示す。 Next, the class labels set for "determining the presence or absence of a leak," "identifying the location of the leak," and "identifying the scale of the leak (leak hole diameter)" are shown in Tables 3 to 5.

Figure 0007604412000003
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Figure 0007604412000004
Figure 0007604412000004

Figure 0007604412000005
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AE波の計測によって取得した計測データは、訓練用データと評価用データに分割してアルゴリズムを構築するとともに、アルゴリズムの評価精度を検証した。データサイズは「漏水の有無の判別」においては、訓練用データを70、評価用データを50とした。「漏水位置の同定」と「漏水規模(漏水孔直径)の同定」においては、訓練用データを40と200の2ケース、評価用データを200とし、データサイズが評価精度に及ぼす影響を検討している。 The measurement data obtained by measuring AE waves was divided into training data and evaluation data to construct an algorithm and verify the evaluation accuracy of the algorithm. For "determining the presence or absence of a leak," the training data was 70, and the evaluation data was 50. For "identifying the location of the leak" and "identifying the scale of the leak (leak hole diameter)," there were two cases of training data, 40 and 200, and the evaluation data was 200, and the effect of data size on the evaluation accuracy was examined.

アルゴリズムの構築に際して、教師あり学習のひとつである「決定木」、「ランダムフォレスト」、「サポートベクタマシン(以下、「線形SVM」と称す。)」を用いてアルゴリズムを構築している。 When constructing the algorithm, we use "decision trees," "random forests," and "support vector machines (hereafter referred to as "linear SVMs")," which are types of supervised learning.

以上のようにして機械学習モデルを構築し、当該機械学習モデルによる各種漏水現象の同定精度と、有効なAEパラメータの特定について以下に説明する。 A machine learning model was constructed in the manner described above, and the accuracy of identifying various water leakage phenomena using this machine learning model and the identification of effective AE parameters are described below.

(1)漏水有無の判別
放流(末端バルブのバルブ開度11.3°)を行った状態の漏水の無いモデル配水パイプラインPと、漏水孔Hを有するモデル配水パイプラインPにて計測した計測データをもとに、機械学習による漏水有無の判別結果について、モデルの精度となるF値を図5に示している。図示されるように、アルゴリズムごとの精度を比較すると、決定木及びランダムフォレストが線形SVMと比較して高い精度が得られることが判る。
(1) Determining whether there is a leak
Fig. 5 shows the F value, which indicates the accuracy of the model, for the results of determining the presence or absence of leakage using machine learning, based on measurement data measured in a model water distribution pipeline P with no leakage when discharging (valve opening of the terminal valve: 11.3°) and a model water distribution pipeline P with a leakage hole H. As shown in the figure, when comparing the accuracy of each algorithm, it can be seen that the decision tree and random forest provide higher accuracy than the linear SVM.

漏水孔Hの直径ごとの精度を比較すると、漏水孔Hの直径が大きいほど判別精度が高く(図示破線A部)、漏水孔Hの直径が3mm以上のとき、F値が0.9以上を示して正確に漏水の有無が判別できることが判る。また、漏水センサ1の共振周波数によらず、漏水孔Hに近い「ch5」、「ch6」、「ch7」による判別精度が他の漏水センサ1と比較して高い傾向にある(図示実線B部)。 When comparing the accuracy for each diameter of the leak hole H, it can be seen that the larger the diameter of the leak hole H, the higher the discrimination accuracy (dashed line A in the figure), and when the diameter of the leak hole H is 3 mm or more, the F value is 0.9 or more, and it can be seen that the presence or absence of a leak can be accurately determined. Furthermore, regardless of the resonant frequency of the leak sensor 1, the discrimination accuracy of "ch5", "ch6", and "ch7", which are close to the leak hole H, tends to be higher than that of other leak sensors 1 (solid line B in the figure).

また、図6には判別精度の高かった決定木とランダムフォレストの判別における重要度の高いAEパラメータ上位3つを示している。図示されるように、両アルゴリズムに共通して重要度の高いパラメータは、実効値電圧である「RMS」、ピーク周波数である「P-FRQ」、重心周波数である「C-FRQ」であることが明らかとなっている。 Figure 6 also shows the top three AE parameters with high importance in discriminating between decision trees and random forests, which had high discrimination accuracy. As shown in the figure, it is clear that the parameters with high importance common to both algorithms are "RMS", which is the effective voltage, "P-FRQ", which is the peak frequency, and "C-FRQ", which is the center of gravity frequency.

決定木における重要度1位のAEパラメータの大部分が、実効値電圧である「RMS」であることから、1つのAEパラメータでも一定の判別精度が得られることが判る。 Since the majority of the AE parameters with the highest importance in the decision tree are "RMS," which is the effective voltage, it can be seen that a certain level of discrimination accuracy can be obtained with just one AE parameter.

また、漏水孔Hの直径によって重要なAEパラメータは異なり、漏水孔Hの直径が1mmの場合は、ピーク周波数である「P-FRQ」、漏水孔Hの直径が5mmの場合は、実効値電圧である「RMS」の重要度が高くなることが判る。 In addition, the important AE parameters differ depending on the diameter of the leak hole H. When the diameter of the leak hole H is 1 mm, the peak frequency "P-FRQ" is more important, and when the diameter of the leak hole H is 5 mm, the effective voltage "RMS" is more important.

以上により、決定木又はランダムフォレストを用いることで、漏水の有無を高精度で判別できることが明らかになった。加えて、判別に有効なAEパラメータは主として実効値電圧である「RMS」とピーク周波数である「P-FRQ」であることが明らかになった。 From the above, it became clear that the presence or absence of water leakage can be determined with high accuracy by using a decision tree or random forest. In addition, it became clear that the AE parameters that are effective for determination are mainly "RMS", which is the effective voltage, and "P-FRQ", which is the peak frequency.

(2)漏水位置の同定
放流(末端バルブのバルブ開度11.3°)有りの「Case B」と、放流なしの「Case A」の2条件において、漏水位置を同定することができるかをそれぞれ検討した。機械学習による漏水位置の同定結果についてモデルの精度となるF値を、上記の条件ごとに図7に示している。アルゴリズムごとの同定精度を比較すると、漏水有無の判別時と同様に、決定木及びランダムフォレストが線形SVMより高い精度が得られることが判る。
(2) Identification of leak location We examined whether it was possible to identify the leak location in two conditions: "Case B" with discharge (valve opening of terminal valve: 11.3°) and "Case A" without discharge. Figure 7 shows the F value, which is the model accuracy, for the results of leak location identification by machine learning for each of the above conditions. Comparing the identification accuracy for each algorithm, it can be seen that decision trees and random forests provide higher accuracy than linear SVM, just as in determining the presence or absence of leaks.

また、データサイズで同定精度を比較すると、データサイズ200の方が高い同定精度が得られる傾向にあるものの、30kHz共振型センサ(R3α)を用いることで、データサイズによらず、F値0.9以上の高い同定精度が得られることが明らかとなっている(図示実線A部)。さらに、「放流なし」のケースで同定精度が高い傾向が確認され、加えて、漏水孔Hの直径が1mmのとき、60kHz及び150kHzの共振型センサで同定精度が低下することが示された。 In addition, when comparing identification accuracy by data size, although there is a tendency for data size 200 to provide higher identification accuracy, it is clear that by using a 30 kHz resonant sensor (R3α), high identification accuracy with an F value of 0.9 or more can be obtained regardless of data size (solid line A in the figure). Furthermore, it was confirmed that there is a tendency for identification accuracy to be high in the "no discharge" case, and in addition, it was shown that when the diameter of the water leakage hole H is 1 mm, the identification accuracy decreases with the 60 kHz and 150 kHz resonant sensors.

図8には、高い同定精度を示した決定木とランダムフォレストにおける重要度の高いAEパラメータ上位3つを示している。図示されるように、両アルゴリズムに共通して重要度の高いパラメータは、実効値電圧である「RMS」、ピーク周波数である「P-FRQ」、重心周波数である「C-FRQ」、所定の閾値との交点のカウント値となる「COUNT」である。 Figure 8 shows the top three important AE parameters in the decision tree and random forest that showed high identification accuracy. As shown in the figure, the important parameters common to both algorithms are "RMS" which is the effective voltage, "P-FRQ" which is the peak frequency, "C-FRQ" which is the centroid frequency, and "COUNT" which is the count value of the intersection with a predetermined threshold.

なお、放流の有無によって重要なAEパラメータは異なり、図9に示されるように、「放流なし」のケースでは 実効値電圧である「RMS」、「放流あり」のケースではピーク周波数である「P-FRQ」が重要度の高いAEパラメータとなることが判る。 The important AE parameters differ depending on whether or not there is discharge. As shown in Figure 9, in the case of "no discharge," the important AE parameter is "RMS," which is the effective voltage, and in the case of "discharge," the important parameter is "P-FRQ," which is the peak frequency.

以上により、30kHz共振型センサ(R3α)を用いることで、高精度に漏水位置を同定できることが明らかになった。加えて、「RMS」、「P-FRQ」、「C-FRQ」、「COUNT」が有効なAEパラメータであることが示された。 The above results demonstrate that the use of a 30 kHz resonant sensor (R3α) makes it possible to identify the location of a leak with high accuracy. In addition, it was shown that "RMS", "P-FRQ", "C-FRQ", and "COUNT" are effective AE parameters.

(3)漏水規模の同定
放流(末端バルブのバルブ開度11.3°)有りの「Case B」と、放流なしの「Case A」の2条件において、漏水孔Hの直径を同定することができるかをそれぞれ検討した。アルゴリズムごとの同定精度を比較すると、図10に示されるように、これまでの前述(1)及び(2)の検討ケースと同様に、決定木及びランダムフォレストが線形SVMと比較して高い同定精度が得られた。
(3) Identification of the Leakage Scale We examined whether the diameter of the leakage hole H could be identified in two conditions: "Case B" with discharge (valve opening of the terminal valve: 11.3°) and "Case A" without discharge. When comparing the identification accuracy of each algorithm, as shown in Figure 10, the decision tree and random forest achieved higher identification accuracy than the linear SVM, as in the above-mentioned cases (1) and (2).

また、データサイズで同定精度を比較すると、データサイズ200の方が高い同定精度が得られた。放流の有無で同定精度を比較すると、「放流なし」の方が高精度であることが示された。特に、データサイズが200で「放流なし」の場合、決定木とランダムフォレストの同定精度はどの共振型センサにおいてもF値0.94以上の非常に高い同定精度を示した。図10の実線A部に示されるように、「ch5」、「ch6」、「ch7」の同定精度が他の共振型センサよりも高いことから、「放流あり」の場合でも共振センサが漏水孔Hに近ければ漏水孔Hの規模は同定できる。 Furthermore, when comparing the identification accuracy by data size, a data size of 200 provided higher identification accuracy. When comparing the identification accuracy by the presence or absence of discharge, it was shown that "no discharge" provided higher accuracy. In particular, when the data size was 200 and "no discharge" was provided, the identification accuracy of the decision tree and random forest was extremely high, with an F-value of 0.94 or higher for all resonant sensors. As shown by the solid line A in Figure 10, the identification accuracy of "ch5", "ch6", and "ch7" was higher than that of the other resonant sensors, so even when "discharge" is provided, the size of leak hole H can be identified if the resonant sensor is close to leak hole H.

図11には、高い同定精度を示した決定木とランダムフォレストにおける重要度の高いAEパラメータ上位3つを示している。両アルゴリズムに共通して重要度の高いパラメータは、実効値電圧である「RMS」、ピーク周波数である「P-FRQ」、所定の閾値との交点のカウント値となる「COUNT」である。 Figure 11 shows the top three important AE parameters in the decision tree and random forest that showed high identification accuracy. The important parameters common to both algorithms are "RMS", which is the effective voltage, "P-FRQ", which is the peak frequency, and "COUNT", which is the count value of the intersection with a specified threshold.

また、図12に示されるように、AEパラメータである「RMS」は、放流の有無に関わらず重要な指標であることが示される一方、「放流あり」の場合は「COUNT」、「放流なし」の場合は「P-FRQ」の重要度も高くなることが示された。 As shown in Figure 12, the AE parameter "RMS" was shown to be an important indicator regardless of whether or not release was performed, while the importance of "COUNT" was also high when "release was performed" and "P-FRQ" was also high when "no release was performed."

以上により、漏水規模を高精度で同定できることが明らかとなり、その際に有効なAEパラメータは「RMS」、「P-FRQ」、「COUNT」であることが判った。 From the above, it became clear that the scale of the leak could be identified with high accuracy, and that the AE parameters that were effective in this case were "RMS," "P-FRQ," and "COUNT."

(実構造物における検証)
前述した機械学習モデルによって、実際に埋設され共用されている鋳鉄製の送水パイプライン(φ250mm)に対して、漏水現象の同定精度を検証した。検証の対象となる送水パイプラインでは、漏水センサ1の計測点から3.0mの位置に直径3mmの漏水孔Hが確認された。また、送水パイプラインの内水圧は、計測期間中0.8MPa(最大値:水頭78m)という非常に高圧の状態から0.01MPa(水頭1m)までの止水条件で計測した。なお、図14には実構造物である送水パイプラインの漏水孔Hから、勢いよく漏水している状況写真が示されているが、このようなジェット流に伴うAE波を計測することとなる。
(Verification on actual structures)
The machine learning model described above was used to verify the accuracy of identifying water leakage phenomena in a cast iron water pipeline (φ250 mm) that is actually buried and in common use. In the water pipeline to be verified, a water leakage hole H with a diameter of 3 mm was confirmed at a position 3.0 m from the measurement point of the water leakage sensor 1. In addition, the internal water pressure of the water pipeline was measured under water-stop conditions from a very high pressure state of 0.8 MPa (maximum value: water head 78 m) to 0.01 MPa (water head 1 m) during the measurement period. Note that FIG. 14 shows a photograph of a situation in which water is leaking vigorously from a water leakage hole H of a water pipeline, which is an actual structure, and the AE waves associated with such a jet flow will be measured.

送水パイプラインの管内水は、漏水孔Hからのみ排水させ、満水状態から漏水孔Hまでの排水に33時間を要した。AE波の計測は、漏水孔H近傍の揚水機場及び漏水孔H近傍で実施し、15分間隔で計測を行った。1回の計測は30秒/回、計測条件としては、検出閾値を20db、プリアンプによる増幅値を60dbとした。送水パイプラインの内水圧については、AE波の計測を揚水機場で行ったことから、近接ポンプ設備に設置されている水圧計を用いてAE波の計測と同時に評価した。なお、本検証では漏水センサ1として広帯域型センサを用いている。 Water inside the water transmission pipeline was drained only from leak hole H, and it took 33 hours for the water to be drained from a full-water state to leak hole H. AE wave measurements were taken at a pumping station near leak hole H and near leak hole H, at 15-minute intervals. Measurements were taken for 30 seconds each, and the measurement conditions were a detection threshold of 20 db and an amplification value by the preamplifier of 60 db. As AE wave measurements were taken at the pumping station, the internal water pressure of the water transmission pipeline was evaluated simultaneously with the AE wave measurements using a water pressure gauge installed in the nearby pump equipment. Note that in this verification, a wideband sensor was used as the water leak sensor 1.

次に検証における解析方法を説明する。説明変数となるAEパラメータとして、最大振幅値である「AMP」、立ち上がり時間である「RISE」、継続時間である「DURATION」、所定の検出閾値との交点のカウント値となる「COUNT」に加え、平均周波数である「A-FRQ」、重心周波数である「C-FRQ」、実効値電圧である「RMS」、ピーク周波数である「P-FRQ」、以上8つのAEパラメータを抽出した。 Next, the analysis method used in the verification will be explained. Eight AE parameters were extracted as explanatory variables: "AMP", which is the maximum amplitude value; "RISE", which is the rise time; "DURATION", which is the duration; and "COUNT", which is the count value of the intersection with a predetermined detection threshold. In addition, the following parameters were extracted: "A-FRQ", which is the average frequency; "C-FRQ", which is the centroid frequency; "RMS", which is the effective voltage; and "P-FRQ", which is the peak frequency.

さらに、水頭によるAE波の相違を検討するため、クラスラベルを下の表6に示すように設定し、取得したAE波の計測データを訓練用データと評価用データに分割してアルゴリズムを構築するとともに、アルゴリズムの評価精度を検証した。なお、データサイズは訓練用データを75、評価用データを58とし、前述したモデルパイプラインPと同様に線形SVM、決定木、ランダムフォレストをそれぞれ用いてアルゴリズムを構築して評価精度を比較した。 Furthermore, to examine the differences in AE waves due to the water head, the class labels were set as shown in Table 6 below, and the acquired AE wave measurement data was divided into training data and evaluation data to construct an algorithm and verify the evaluation accuracy of the algorithm. The data size was set to 75 for training data and 58 for evaluation data, and similar to the model pipeline P described above, linear SVM, decision tree, and random forest were used to construct algorithms and compare the evaluation accuracy.

Figure 0007604412000006
Figure 0007604412000006

表7には、実構造物の送水パイプラインにおける検証結果が示されている。アルゴリズムごとの評価精度については、決定木とランダムフォレストにおいて、すべての指標で0.98以上の高い評価精度が得られている。このことから、本実施形態の機械学習による送配水パイプラインの漏水現象の同定方法によれば、前述のモデル配水パイプラインPのような低圧の配水パイプラインに限らず、高圧の送水パイプラインにおいても有効であることが判る。また、ノイズの影響を大きく受ける実構造物においても、漏水現象を高い精度で同定できることが判る。 Table 7 shows the verification results for a water supply pipeline of an actual structure. Regarding the evaluation accuracy for each algorithm, a high evaluation accuracy of 0.98 or more was obtained for all indices for decision trees and random forests. From this, it can be seen that the method for identifying leakage phenomena in water supply and distribution pipelines using machine learning according to this embodiment is effective not only for low-pressure water supply pipelines such as the model water supply pipeline P described above, but also for high-pressure water supply pipelines. It can also be seen that leakage phenomena can be identified with high accuracy even in actual structures that are significantly affected by noise.

Figure 0007604412000007
Figure 0007604412000007

また、図13(a)には本検証によって得られた決定木における説明変数の重要度が、図13(b)にはランダムフォレストにおける説明変数の重要度が示されている。図示されるように、どちらのアルゴリズムにおいてもAEパラメータとして「COUNT」 が最も重要度が高いことが判る。これにより、「COUNT」を指標とすることで、水頭差ごとの漏水現象を高い精度で同定できると言える。 Figure 13(a) shows the importance of explanatory variables in the decision tree obtained in this verification, and Figure 13(b) shows the importance of explanatory variables in the random forest. As shown in the figure, it can be seen that "COUNT" is the most important AE parameter in both algorithms. This means that by using "COUNT" as an index, it is possible to identify leakage phenomena for each head difference with high accuracy.

(システム構成)
以上、本実施形態の機械学習による漏水現象の同定方法について説明したが、当然ながら、これら一連の処理をシステム化することができる。例えば、図15には本実施形態の漏水現象の同定システム100の概略ブロック図が示されている。漏水現象の同定システム100は、送配水パイプラインに設置する単一の漏水センサ1とプリアンプ2を有し、当該漏水センサ1によって計測された計測データは通信手段(有線又は無線)を介して解析手段となるPC又はアプリケーションサーバへと入力される。
(System Configuration)
The method for identifying a water leakage phenomenon by machine learning according to this embodiment has been described above, but it is needless to say that this series of processes can be systematized. For example, Fig. 15 shows a schematic block diagram of a water leakage phenomenon identification system 100 according to this embodiment. The water leakage phenomenon identification system 100 has a single water leakage sensor 1 and a preamplifier 2 that are installed in a water transmission/distribution pipeline, and the measurement data measured by the water leakage sensor 1 is input to a PC or application server that serves as an analysis means via a communication means (wired or wireless).

PC又はアプリケーションサーバ内には、漏水センサ1によって計測した計測データを解析する計測データ解析部101と、前述した表2のような計測条件を設定する計測条件設定部102と、漏水現象を同定するためのAEパラメータを抽出するパラメータ抽出部103と、教師あり学習によって所定のアルゴリズムを構築する機械学習部104と、漏水の有無や漏水の位置、漏水の規模等の同定情報を出力する漏水情報出力部106と、計測対象となる送配水パイプラインの管径や水圧などの施設情報を入力する計測施設情報入力部105と、を少なくとも備えている。 The PC or application server includes at least a measurement data analysis unit 101 that analyzes the measurement data measured by the water leakage sensor 1, a measurement condition setting unit 102 that sets the measurement conditions as shown in Table 2 above, a parameter extraction unit 103 that extracts AE parameters for identifying the water leakage phenomenon, a machine learning unit 104 that constructs a predetermined algorithm by supervised learning, a water leakage information output unit 106 that outputs identification information such as the presence or absence of a water leakage, the location of the leakage, and the scale of the leakage, and a measurement facility information input unit 105 that inputs facility information such as the pipe diameter and water pressure of the water distribution pipeline to be measured.

上記のようなデバイス構成又はプログラム構成により、前述した漏水現象の同定方法を実行することで、漏水現象を高い精度で同定することが可能となる。 By executing the above-mentioned method for identifying a water leakage phenomenon using the device configuration or program configuration described above, it becomes possible to identify the water leakage phenomenon with high accuracy.

また、漏水現象の同定システム100によって調査した共用中の実構造物において、実際に確認した漏水孔Hの位置(漏水センサ1からの距離)や漏水孔Hの径、水圧などの情報を、都度、教師有りデータとして機械学習部104へ入力することで、次第に漏水現象の同定精度を向上させることが可能となる。 In addition, in an actual structure currently in use that has been investigated using the water leakage phenomenon identification system 100, information such as the position of the actually confirmed water leakage hole H (distance from the water leakage sensor 1), the diameter of the water leakage hole H, and the water pressure is input to the machine learning unit 104 as supervised data each time, which makes it possible to gradually improve the accuracy of identifying water leakage phenomena.

(その他の実施態様)
以上、本発明の機械学習による漏洩現象の同定方法及び同定システムについて、送配水パイプラインにおける漏水現象の同定方法を例に、その実施形態を説明したが、本発明は必ずしも上記したような構成に限定されるものではなく、以下のような種々の変更が可能となっている。
Other Embodiments
The above describes an embodiment of the leakage phenomenon identification method and identification system using machine learning of the present invention, taking as an example a method for identifying a leakage phenomenon in a water transmission/distribution pipeline. However, the present invention is not necessarily limited to the configuration described above, and various modifications such as those described below are possible.

例えば、本発明の機械学習による漏洩現象の同定方法及び同定システムは、必ずしも送配水パイプラインに限定されるものではなく、燃料配管やガス管、蒸気配管など、種々の流体を移送する加圧パイプラインに適用することが可能であり、流体の特性を考慮するとともに、加圧パイプラインに単一の漏洩センサを設置することにより、高精度に流体の漏洩現象(漏洩現象の有無、漏洩位置、漏洩規模(漏洩孔の径)など)を同定することが可能である。 For example, the leakage phenomenon identification method and identification system of the present invention using machine learning is not necessarily limited to water supply and distribution pipelines, but can be applied to pressurized pipelines that transport various fluids, such as fuel pipes, gas pipes, and steam pipes. By taking into account the characteristics of the fluid and installing a single leakage sensor in the pressurized pipeline, it is possible to identify the leakage phenomenon of the fluid (presence or absence of leakage, leakage location, leakage scale (diameter of the leakage hole), etc.) with high accuracy.

以上、本発明の実施形態について図面にもとづいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。また、上記実施例に記載された具体的な材質、寸法形状等は本発明の課題を解決する範囲において、変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated by the claims, not by the description of the above embodiments, and further includes all modifications that are equivalent in meaning to and within the scope of the claims. In addition, the specific materials, dimensions, shapes, etc. described in the above examples may be modified within the scope of the present invention.

1 漏水センサ(漏洩センサ)
2 プリアンプ
100 漏水現象の同定システム
101 計測データ解析部
102 計測条件設定部
103 パラメータ抽出部
104 機械学習部
105 計測施設情報入力部
106 漏水情報出力部
1. Water leakage sensor (leakage sensor)
2 Preamplifier 100 Leakage phenomenon identification system 101 Measurement data analysis unit 102 Measurement condition setting unit 103 Parameter extraction unit 104 Machine learning unit 105 Measurement facility information input unit 106 Leakage information output unit

Claims (4)

単一の漏洩センサによって計測したAE波によって加圧パイプラインにおける流体の漏洩現象を同定することが可能な機械学習による漏洩現象の同定方法であって、
前記加圧パイプラインに設置した前記単一の漏洩センサによってAE波を計測する計測ステップと、
計測したAE波を機械学習する学習ステップと、
前記学習ステップに基づいて構築された機械学習モデルによって漏洩現象の有無、漏洩位置、漏洩規模(漏洩孔の径)を同定する漏洩現象同定ステップと、を有し、
前記漏洩現象同定ステップでは、
前記漏洩現象の有無の判定に有効なAEパラメータであるRMSとP-FRQとのうちの少なくともいずれかの抽出と、
前記漏洩位置の判定に有効なAEパラメータであるRMSとP-FRQとC-FRQとのうちの少なくともいずれかの抽出と、
前記漏洩規模の判定に有効なAEパラメータであるRMSとP-FRQとCOUNTとのうちの少なくともいずれかの抽出と、に基づいて前記加圧パイプラインにおける流体の漏洩現象を同定する
ことを特徴とする機械学習による漏洩現象の同定方法。
A method for identifying leakage phenomena by machine learning, capable of identifying a fluid leakage phenomenon in a pressurized pipeline by an AE wave measured by a single leakage sensor, comprising:
a measuring step of measuring an AE wave by the single leak sensor installed in the pressurized pipeline;
A learning step of machine learning the measured AE waves;
A leakage phenomenon identification step of identifying the presence or absence of a leakage phenomenon, a leakage position, and a leakage scale (diameter of a leakage hole) by a machine learning model constructed based on the learning step,
In the leakage phenomenon identifying step,
Extraction of at least one of RMS and P-FRQ, which are AE parameters effective for determining the presence or absence of the leakage phenomenon;
Extracting at least one of RMS, P-FRQ, and C-FRQ, which are AE parameters effective for determining the leak location;
Identifying a fluid leakage phenomenon in the pressurized pipeline based on extraction of at least one of RMS, P-FRQ, and COUNT, which are AE parameters effective for determining the leakage magnitude.
A method for identifying leakage phenomena using machine learning, comprising:
前記学習ステップでは、アルゴリズムを決定木又はランダムフォレストとする
請求項1に記載の機械学習による漏洩現象の同定方法。
The method for identifying a leakage phenomenon by machine learning according to claim 1 , wherein in the learning step, an algorithm is a decision tree or a random forest .
前記加圧パイプラインは送配水パイプラインであり、前記流体は水である
請求項1又は2に記載の機械学習による漏洩現象の同定方法。
The method for identifying leakage phenomena using machine learning according to claim 1 or 2 , wherein the pressurized pipeline is a water transmission/distribution pipeline, and the fluid is water .
加圧パイプラインにおける流体の漏洩現象を同定することが可能な機械学習による漏洩現象の同定システムであって、A machine learning leak phenomenon identification system capable of identifying a fluid leak phenomenon in a pressurized pipeline, comprising:
前記加圧パイプラインに設置される単一の漏洩センサと、a single leak sensor installed in the pressurized pipeline;
前記単一の漏洩センサによって計測した計測データを解析する計測データ解析部と、a measurement data analysis unit that analyzes measurement data measured by the single leak sensor;
前記単一の漏洩センサによる計測条件を設定する計測条件設定部と、a measurement condition setting unit that sets measurement conditions for the single leak sensor;
前記加圧パイプラインにおける漏洩現象を同定するためのAEパラメータを抽出するパラメータ抽出部と、A parameter extraction unit extracts AE parameters for identifying a leakage phenomenon in the pressurized pipeline;
教師あり学習によって所定のアルゴリズムを構築する機械学習部と、A machine learning unit that constructs a predetermined algorithm through supervised learning;
前記加圧パイプラインにおける漏洩現象の同定情報を出力する漏洩情報出力部と、A leakage information output unit that outputs identification information of a leakage phenomenon in the pressurized pipeline;
計測対象となる前記加圧パイプラインの施設情報を入力する計測施設情報入力部と、を少なくとも有し、The measuring facility information input unit inputs facility information of the pressurized pipeline to be measured.
前記パラメータ抽出部は、The parameter extraction unit
漏洩現象の有無の判定に有効なAEパラメータであるRMSとP-FRQとのうちの少なくともいずれかの抽出と、Extraction of at least one of RMS and P-FRQ, which are AE parameters effective for determining the presence or absence of a leakage phenomenon;
漏洩位置の判定に有効なAEパラメータであるRMSとP-FRQとC-FRQとのうちの少なくともいずれかの抽出と、Extraction of at least one of RMS, P-FRQ, and C-FRQ, which are AE parameters effective for determining a leak location;
漏洩規模の判定に有効なAEパラメータであるRMSとP-FRQとCOUNTとのうちの少なくともいずれかの抽出と、を実行するExtraction of at least one of RMS, P-FRQ, and COUNT, which are AE parameters effective for determining the leak size.
ことを特徴とする機械学習による漏洩現象の同定システム。A leakage phenomenon identification system using machine learning.


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