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JP7638154B2 - PLANT STATE PREDICTION APPARATUS AND PLANT STATE PREDICTION METHOD - Google Patents
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JP7638154B2 - PLANT STATE PREDICTION APPARATUS AND PLANT STATE PREDICTION METHOD - Google Patents

PLANT STATE PREDICTION APPARATUS AND PLANT STATE PREDICTION METHOD Download PDF

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Description

本開示は、プラント状態予測装置、及び、プラント状態予測方法に関する。 This disclosure relates to a plant state prediction device and a plant state prediction method.

様々な分野において、互いに因果関係にある説明変数と目的変数との関係を表す予測モデルを用いた、将来的な事象の予測が行われている。例えば、プラント制御の分野では、プラントに設置されたセンサ等の計測結果(以下、適宜「状態量計測値」と称する)を説明変数とするとともに、プラントの動作状態に関するパラメータを目的変数とする予測モデルを構築し、当該予測モデルを用いてパラメータの予測値を算出することで、プラントの将来的な挙動を検証することができる。 In various fields, future events are predicted using a predictive model that represents the relationship between explanatory variables and objective variables that are causally related to each other. For example, in the field of plant control, a predictive model is constructed in which the measurement results of sensors installed in the plant (hereinafter referred to as "state quantity measurements") are used as explanatory variables, and parameters related to the operating state of the plant are used as objective variables. The future behavior of the plant can be verified by calculating predicted values of the parameters using the predictive model.

このような予測モデルは、例えば特許文献1のようにLasso回帰や重回帰のような線形回帰手法によって構築できる。しかしながら線形回帰手法は、予測対象の挙動が比較的シンプルなものに適しており、蒸気タービンにおける非同期振動のように発生メカニズムが明確になっておらず、非線形的な振る舞いを示す現象には適用が難しい場合がある。このような対象については、例えば特許文献2のように、全結合層型のニューラルネットワークを用いた予測モデルの構築が行われる。ニューラルネットワークを用いる場合、訓練データを入力した際の予測モデルの出力値が教師データの値に近づくように、ニューラルネットワークの重みやバイアスといったパラメータを学習することで、予測モデルの構築がなされる。 Such a prediction model can be constructed by a linear regression method such as Lasso regression or multiple regression, as in Patent Document 1. However, linear regression methods are suitable for prediction targets with relatively simple behavior, and may be difficult to apply to phenomena that exhibit nonlinear behavior, such as asynchronous vibrations in steam turbines, whose occurrence mechanism is unclear. For such targets, a prediction model is constructed using a fully connected layer type neural network, as in Patent Document 2. When using a neural network, the prediction model is constructed by learning parameters such as the weights and biases of the neural network so that the output value of the prediction model when training data is input approaches the value of the teacher data.

特開2007-2673号公報JP 2007-2673 A 特開2013-40565号公報JP 2013-40565 A

上記特許文献2のようなニューラルネットワークを用いた手法では、線形回帰法では扱えない対象を扱うことができるが、ネットワーク構造が複雑であるため構造の解釈が困難である。 Methods using neural networks such as those described in Patent Document 2 can handle objects that cannot be handled by linear regression methods, but the network structure is complex and difficult to interpret.

本開示の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、複数の状態量計測値に対して非線形的な振る舞いを有するプラントの状態を、良好な解釈性を確保しながら、精度よく予測可能なプラント状態予測装置、及び、プラント状態予測方法を提供することを目的とする。 At least one embodiment of the present disclosure has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a plant state prediction device and a plant state prediction method that can accurately predict the state of a plant that has nonlinear behavior with respect to multiple state quantity measurements while ensuring good interpretability.

本開示の少なくとも一実施形態に係るプラント状態予測装置は、上記課題を解決するために、
プラントに関する複数の状態量計測値をニューラルネットワークに入力することで、プラントの状態を予測するためのプラント状態予測装置であって、
前記ニューラルネットワークは、
入力層と、
前記入力層を構成する各ノードに入力される前記複数の状態量計測値を線形結合することにより中間出力値を算出可能な線形結合層と、
層間のノードが互いに結合し、非線形関数を含むネットワークに、前記中間出力値を入力することで前記プラントの状態に関する予測値を算出可能な全結合層と、
を備える。
In order to solve the above problems, a plant state prediction device according to at least one embodiment of the present disclosure includes:
A plant state prediction device for predicting a state of a plant by inputting a plurality of state quantity measurement values related to the plant into a neural network, comprising:
The neural network comprises:
An input layer;
a linear combination layer capable of calculating an intermediate output value by linearly combining the plurality of state quantity measurement values input to each node constituting the input layer;
a fully connected layer in which nodes between layers are connected to each other and a predicted value regarding the state of the plant can be calculated by inputting the intermediate output value into a network including a nonlinear function;
Equipped with.

本開示の少なくとも一実施形態に係るプラント状態予測方法は、上記課題を解決するために、
プラントに関する複数の状態量計測値をニューラルネットワークに入力することで、プラントの状態を予測するためのプラント状態予測方法であって、
各ノードに入力される前記複数の状態量計測値を前記ニューラルネットワークの線形結合層に入力して線形結合することにより中間出力値を算出する工程と、
層間のノードが互いに結合し、非線形関数を含む前記ニューラルネットワークの全結合層に、前記中間出力値を入力することで前記プラントの状態に関する予測値を算出する工程と、
を備える。
In order to solve the above problem, a plant state prediction method according to at least one embodiment of the present disclosure includes:
A plant state prediction method for predicting a state of a plant by inputting a plurality of state quantity measurement values related to the plant into a neural network, comprising:
a step of inputting the plurality of state quantity measurement values input to each node into a linear combination layer of the neural network and linearly combining the input state quantity measurement values to calculate an intermediate output value;
A step of calculating a predicted value regarding a state of the plant by inputting the intermediate output value into a fully connected layer of the neural network in which nodes between layers are connected to each other and include a nonlinear function;
Equipped with.

本開示の少なくとも一実施形態によれば、複数の状態量計測値に対して非線形的な振る舞いを有するプラントの状態を、良好な解釈性を確保しながら、精度よく予測可能なプラント状態予測装置、及び、プラント状態予測方法を提供できる。 At least one embodiment of the present disclosure provides a plant state prediction device and a plant state prediction method that can accurately predict the state of a plant that has nonlinear behavior with respect to multiple state quantity measurements while ensuring good interpretability.

一実施形態に係るプラント状態予測装置を概略的に示す構成図である。1 is a configuration diagram illustrating a plant state prediction device according to an embodiment. 従来の全結合型ニューラルネットワークの構成図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a conventional fully connected neural network. 図1のニューラルネットワークの構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of the neural network of FIG. 1. 図1のプラント状態予測装置においてニューラルネットワークに代えて線形回帰を採用した参考例で得られた予測結果を実測結果と比較して示す図である。1. FIG. 4 is a diagram showing a comparison of prediction results obtained in a reference example in which linear regression is used instead of a neural network in the plant state prediction device of FIG. 1 with actual measurement results. 図1のプラント状態予測装置で得られた予測結果を実測結果と比較して示す図である。2 is a diagram showing a comparison of prediction results obtained by the plant state prediction device of FIG. 1 with actual measurement results. FIG. 図1のプラント状態予測装置で得られた予測値と実測値との相関係数を参考例と比較した検証結果である。2 is a verification result in which a correlation coefficient between a predicted value and an actual measurement value obtained by the plant state prediction device of FIG. 1 is compared with a reference example. 図1のプラント状態予測装置において全結合層のノード層数を変化させた場合における予測値の時間変化を示す図である。2 is a diagram showing a change over time in a predicted value when the number of node layers in a fully connected layer is changed in the plant state prediction device of FIG. 1 . FIG.

以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。 Below, several embodiments of the present disclosure will be described with reference to the attached drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative positions, etc. of the components described as the embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present disclosure and are merely illustrative examples.

図1は一実施形態に係るプラント状態予測装置1を概略的に示す構成図である。プラント状態予測装置1は、プラントの状態を予測するための装置であって、例えば、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。尚、プログラムは、ROMやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、DVD-ROM、半導体メモリ等である。 Figure 1 is a schematic diagram of a plant state prediction device 1 according to an embodiment. The plant state prediction device 1 is a device for predicting the state of a plant, and is composed of, for example, a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), and a computer-readable storage medium. A series of processes for realizing various functions is stored in a storage medium or the like in the form of a program, for example, and the CPU reads this program into the RAM or the like and executes information processing and arithmetic processing to realize various functions. The program may be installed in a ROM or other storage medium in advance, provided in a state stored in a computer-readable storage medium, or distributed via a wired or wireless communication means. The computer-readable storage medium may be a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a semiconductor memory, or the like.

このようなプラント状態予測装置1には、予測対象であるプラントに設置されたセンサ等の計測手段(不図示)によって計測されたプラントに関する複数の状態量(状態量計測値)x1、x2、・・・が入力される。これらの複数の状態量計測値x1、x2、・・・は、プラント状態予測装置1が備えるニューラルネットワークNNに入力され、プラントの状態に関するパラメータの予測値Vpを出力する。 Such a plant state prediction device 1 receives as input a plurality of state quantities (state quantity measurements) x1, x2, ... related to the plant, which is the prediction target, measured by a measuring means (not shown) such as a sensor installed in the plant. These plurality of state quantity measurements x1, x2, ... are input to a neural network NN included in the plant state prediction device 1, which outputs a predicted value Vp of a parameter related to the plant state.

以下の実施形態では、プラントの状態に関するパラメータの一例として、プラントが備えるタービンの翼振動値について予測値Vpを求め、当該予測値Vpに基づいてタービンの非同期振動の発生を予測する場合について述べる。タービンの非同期振動は発生メカニズムが明確になっておらず、非線形的な振る舞いを示すが、プラント状態予測装置1、及び、当該装置によって実施されるプラント状態予測方法によって好適に予測することができる。尚、このような予測対象は一例に過ぎず、例えばプラント内部の温度や圧力などのプラント状態に関するパラメータを広く含むことができる。 In the following embodiment, a case will be described in which a predicted value Vp is obtained for the blade vibration value of a turbine equipped in a plant as an example of a parameter related to the plant state, and the occurrence of asynchronous vibration of the turbine is predicted based on the predicted value Vp. The mechanism by which asynchronous vibration of a turbine occurs is unclear and it exhibits nonlinear behavior, but it can be suitably predicted by the plant state prediction device 1 and the plant state prediction method implemented by said device. Note that such a prediction target is merely an example, and can broadly include parameters related to the plant state, such as the temperature and pressure inside the plant.

ここで図1のニューラルネットワークNNの前提技術として、従来の全結合型ニューラルネットワークNN´について説明する。図2は従来の全結合型ニューラルネットワークNN´の構成図である。 Here, we will explain a conventional fully connected neural network NN' as the underlying technology for the neural network NN in Figure 1. Figure 2 is a configuration diagram of a conventional fully connected neural network NN'.

全結合型ニューラルネットワークNN´は、入力層2と、隠れ層4´と、出力層6とを備える。入力層2には、前述の複数の状態量計測値x1、x2、・・・が入力される。入力層2に入力された複数の状態量計測値x1、x2、・・・は、入力層2の各ノードN(ニューロン)を起点として、隠れ層4´を構成する各層のノードNを介して、その結果が出力層6から予測値Vpとして出力されるように構成される。 The fully connected neural network NN' comprises an input layer 2, a hidden layer 4', and an output layer 6. The aforementioned multiple state quantity measurements x1, x2, ... are input to the input layer 2. The multiple state quantity measurements x1, x2, ... input to the input layer 2 are configured so that, starting from each node N (neuron) of the input layer 2, the results are output from the output layer 6 as a predicted value Vp via the nodes N of each layer constituting the hidden layer 4'.

隠れ層4´は少なくとも1つのノード層を有する。全結合型ニューラルネットワークNN´では、隠れ層4´は複数のノード層を有しており、各ノード層のノードNが互い全結合した構成を有する。各ノードN間の結合強度は重みによって設定される。各ノードN間の重みは、学習を行うことで、ネットワーク出力値(出力層からの出力値)と正解との誤差とが小さくなるようにチューニングすることで設定される。 The hidden layer 4' has at least one node layer. In a fully connected neural network NN', the hidden layer 4' has multiple node layers, and the nodes N in each node layer are fully connected to each other. The connection strength between each node N is set by weights. The weights between each node N are set by tuning through learning so that the error between the network output value (output value from the output layer) and the correct answer is small.

図3は図1のニューラルネットワークNNの構成図である。ニューラルネットワークNNは、前述の全結合型ニューラルネットワークNN´と同様に入力層2及び出力層6を有するが、隠れ層4の構成が異なる。具体的には、ニューラルネットワークNNの隠れ層4は、線形結合層8、及び、全結合層10を含んで構成される。 Figure 3 is a diagram showing the configuration of the neural network NN in Figure 1. The neural network NN has an input layer 2 and an output layer 6, similar to the fully connected neural network NN' described above, but the configuration of the hidden layer 4 is different. Specifically, the hidden layer 4 of the neural network NN is configured to include a linear connection layer 8 and a fully connected layer 10.

線形結合層8は、ニューラルネットワークNNの各ノードNに入力される複数の状態量計測値x1、x2、・・・を線形結合することにより中間出力値zを算出可能に構成される。具体的には、中間出力値zは、入力層2の各ノードNに入力された複数の状態量計測値x1、x2、・・・xnを重みw1、w2、・・・を用いた線形結合により、次式により算出される。
z=w1・x1+w2・x2+・・・・wn・xn+w0 (1)
The linear combination layer 8 is configured to be able to calculate an intermediate output value z by linearly combining a plurality of state quantity measurement values x1, x2, ... input to each node N of the neural network NN. Specifically, the intermediate output value z is calculated by linearly combining a plurality of state quantity measurement values x1, x2, ..., xn input to each node N of the input layer 2 using weights w1, w2, ..., according to the following equation.
z=w1・x1+w2・x2+...wn・xn+w0 (1)

全結合層10は、隣接するノード層間の各ノードNが互いに結合し、非線形関数nfを含むネットワークに、中間出力値zを入力することでプラントの状態に関する予測値を算出可能に構成される。全結合層10に含まれる非線形関数nfは、例えばReLU関数、sigmoid関数、tanh関数のような任意の非線形関数nfを用いることができる。これらの非線形関数nfの選択は、データに対して行われる前処理(正規化処理(最大値を1、最小値を0にするようにデータを変換する処理)、標準化処理(平均値を0、分散を1にするようにデータを変換する処理))の方法に基づいて行ってもよい。本実施形態では、非線形関数の一例としてReLU関数が用いられる。ReLU関数は他の非線形関数に比べて単純な形を有するため、全結合層10における演算負荷を効果的に軽減することができる。また勾配消失(ネットワークの学習が進行しない状態に陥ること)の可能性がない点も有利である。 The fully connected layer 10 is configured such that each node N between adjacent node layers is connected to each other, and a predicted value regarding the state of the plant can be calculated by inputting an intermediate output value z to a network including a nonlinear function nf. The nonlinear function nf included in the fully connected layer 10 can be any nonlinear function nf such as a ReLU function, a sigmoid function, or a tanh function. The selection of these nonlinear functions nf may be based on the method of preprocessing performed on the data (normalization processing (processing to convert data so that the maximum value is 1 and the minimum value is 0), standardization processing (processing to convert data so that the average value is 0 and the variance is 1)). In this embodiment, the ReLU function is used as an example of a nonlinear function. Since the ReLU function has a simple form compared to other nonlinear functions, it can effectively reduce the computational load in the fully connected layer 10. Another advantage is that there is no possibility of gradient disappearance (a state in which the network learning does not progress).

また前述の全結合型ニューラルネットワークNN´では学習が安定せず期待する予測精度が得られない場合もあった。それに対して、本実施形態のようなニューラルネットワークNNでは、実質的に全結合型ニューラルネットワークNN´の一部を線形結合層8として構成することで、学習がより安定する点でも有利である。 In addition, in the above-mentioned fully connected neural network NN', learning is unstable and the expected prediction accuracy may not be obtained. In contrast, in the neural network NN of the present embodiment, a part of the fully connected neural network NN' is essentially configured as the linear connection layer 8, which is advantageous in that learning becomes more stable.

このような構成を有するニューラルネットワークNNでは、線形結合層8の重みw1、w2、・・・、wnは、ニューラルネットワークNNを学習し、出力される予測値Vpの誤差が小さくなるようにチューニングすることで設定される。線形結合層8では、このようにチューニングされた重みw1、w2、・・・、wnを用いた線形結合によって中間出力値zが算出されるため、良好な解釈性を有する。具体的には、チューニングによって得られた各重みw1、w2、・・・、wnを比較することにより、評価対象となるプラント状態に対して各状態量計測値x1、x2、・・・、xnの寄与度(又は重要度)を評価することができる。例えば、状態量計測値x1、x2、x3、・・・xnに対応する重みがw1=3.5、w2=0.05、w3=10、・・・、wn=-1にチューニングされた場合には、重みが比較的大きな状態計測値w3が予測値Vpに対して寄与度が大きい要因であり、一方で重みが最も小さい状態量計測値w2が予測値Vpに対して寄与度が小さい要因であることがわかる。また、負の重みを有する状態量計測値wnは、予測値Vpに対して正の重みを有する他の状態量計測値とは逆方向に寄与する要因であることがわかる。 In the neural network NN having such a configuration, the weights w1, w2, ..., wn of the linear combination layer 8 are set by learning the neural network NN and tuning it so that the error of the output predicted value Vp is small. In the linear combination layer 8, the intermediate output value z is calculated by a linear combination using the weights w1, w2, ..., wn tuned in this way, so that it has good interpretability. Specifically, by comparing the weights w1, w2, ..., wn obtained by tuning, the contribution (or importance) of each state quantity measurement value x1, x2, ..., xn to the plant state to be evaluated can be evaluated. For example, when the weights corresponding to the state quantity measurements x1, x2, x3, ..., xn are tuned to w1 = 3.5, w2 = 0.05, w3 = 10, ..., wn = -1, it can be seen that the state measurement value w3 with a relatively large weight is a factor with a large contribution to the predicted value Vp, while the state quantity measurement value w2 with the smallest weight is a factor with a small contribution to the predicted value Vp. It can also be seen that the state quantity measurement value wn with a negative weight is a factor that contributes in the opposite direction to the predicted value Vp compared to other state quantity measurement values with positive weights.

例えば、前述したタービン翼における振動振幅を予測値Vpとした場合、複数の状態量計測値x1、x2、x3、・・・xnとして、プラントが備えるタービンの真空度、出力、ロータ熱伸び差、タービン弁開度、入口蒸気温度などの各種パラメータを設定し、各状態量計測値x1、x2、x3、・・・xnに対応する重みw1、w2、・・・、wnを比較することにより、評価目的となる現象である非同期振動に対する各状態量計測値x1、x2、・・・、xnの寄与度を評価することができる。例えば、各重みw1、w2、・・・、wnを予め設定された閾値と比較することにより、閾値より大きな重みを有する寄与度の大きなグループと、閾値以下の重みを有する寄与度の小さなグループとに分類することで、プラント評価を行ってもよい。この場合、最も大きな重みを有する状態量計測値を非同期振動の主要因子として特定してもよい。 For example, if the vibration amplitude of the turbine blade is the predicted value Vp, various parameters such as the degree of vacuum, output, rotor thermal expansion difference, turbine valve opening, and inlet steam temperature of the turbine equipped in the plant are set as multiple state quantity measurements x1, x2, x3, ..., xn, and the weights w1, w2, ..., wn corresponding to each state quantity measurement value x1, x2, x3, ..., xn are compared to evaluate the contribution of each state quantity measurement value x1, x2, ..., xn to the asynchronous vibration, which is the phenomenon to be evaluated. For example, the plant may be evaluated by classifying the weights w1, w2, ..., wn into a group with a large contribution degree having a weight greater than the threshold value and a group with a small contribution degree having a weight equal to or less than the threshold value by comparing them with a preset threshold value. In this case, the state quantity measurement value with the largest weight may be identified as the main factor of the asynchronous vibration.

ここで上記構成を有するプラント状態予測装置1で得られる予測結果について、線形回帰を用いた参考例と比較して説明する。尚、以下の説明では、プラントが備えるタービンに発生し得る非線形的現象である非同期振動を予測対象とし、予測値Vpとしてタービン翼の振動振幅を取り扱うが、予測対象はこれに限定されない。 Here, the prediction results obtained by the plant state prediction device 1 having the above configuration will be explained in comparison with a reference example using linear regression. In the following explanation, the prediction target is asynchronous vibration, which is a nonlinear phenomenon that can occur in a turbine equipped in a plant, and the vibration amplitude of the turbine blades is treated as the predicted value Vp, but the prediction target is not limited to this.

図4は、図1のプラント状態予測装置1においてニューラルネットワークNNに代えて線形回帰(Lasso回帰)を採用した参考例で得られた予測結果を実測結果と比較して示す図である。図4では、タービン翼の振動振幅について予測値Vpと実測値の時間的変化が示されており、サークルC1で囲む領域において予測値Vpが実測値に比べて過少評価されていることが示されている。これは、線形回帰ではタービンの非同期翼振動のような非線形的な現象を精度よく予測することが難しいことを示している。 Figure 4 is a diagram showing a comparison of prediction results obtained in a reference example in which linear regression (Lasso regression) is used instead of the neural network NN in the plant state prediction device 1 of Figure 1 with actual measurement results. Figure 4 shows the temporal changes in the predicted value Vp and the actual measurement value for the vibration amplitude of the turbine blade, and shows that the predicted value Vp is underestimated compared to the actual measurement value in the area surrounded by circle C1. This shows that it is difficult to accurately predict nonlinear phenomena such as asynchronous turbine blade vibration using linear regression.

一方で図5は図1のプラント状態予測装置1で得られた予測結果を実測結果と比較して示す図である。図5では、サークルC2で囲んで示すように、実測値において振動振幅が大きくなることで非同期振動が生じていることを示す領域において、予測値Vpも同等の値が得られている。これは、タービン翼の非同期振動のような非線形的な振る舞いを有する現象を精度よく予測できていることを示している。 On the other hand, Figure 5 is a diagram comparing the prediction results obtained by the plant state prediction device 1 in Figure 1 with the actual measurement results. In Figure 5, as shown by the circle C2, in the region where the vibration amplitude increases in the actual measurement values, indicating the occurrence of asynchronous vibration, the predicted value Vp also has an equivalent value. This shows that phenomena with nonlinear behavior, such as asynchronous vibration of turbine blades, can be predicted with high accuracy.

続いて図6は、図1のプラント状態予測装置1で得られた予測値と実測値との相関係数を参考例と比較した検証結果である。図6では、プラントが備えるタービンに発生し得る非線形的現象である非同期振動を予測対象とし、参考例として図2に示す全結合型ニューラルネットワークNN´による検証結果を併せて示している。また図6では、同様の検証を複数回にわたって行った結果が示されている。この相関係数は、予測値と実測値との誤差が小さいほど「1」に近づく指標であり、ニューラルネットワークNN(又は参考例では全結合型ニューラルネットワークNN´)に対して学習を行わせる学習区間と、学習済のニューラルネットワークNN(又は参考例では全結合型ニューラルネットワークNN´)を用いて実際に予測を行う検証区間における相関係数がそれぞれ示されている。 Next, FIG. 6 shows the results of a verification comparing the correlation coefficient between the predicted value and the actual measured value obtained by the plant state prediction device 1 in FIG. 1 with a reference example. In FIG. 6, the prediction target is asynchronous vibration, which is a nonlinear phenomenon that can occur in a turbine equipped in a plant, and the verification result using the fully connected neural network NN' shown in FIG. 2 is also shown as a reference example. FIG. 6 also shows the results of a similar verification performed multiple times. This correlation coefficient is an index that approaches "1" as the error between the predicted value and the actual measured value becomes smaller, and the correlation coefficient is shown in the learning section in which the neural network NN (or the fully connected neural network NN' in the reference example) is made to learn, and in the verification section in which predictions are actually made using the trained neural network NN (or the fully connected neural network NN' in the reference example).

図6に示すように、いずれの検証結果においても、学習区間・検証区間に関わらず、本実施形態に係るプラント状態予測装置1による予測結果では、全結合型ニューラルネットワークNN´を用いる参考例と同等の相関係数が得られている。これは、プラント状態予測装置1ではニューラルネットワークNNの一部を線形結合部にしても、十分な予測精度が得られることを示している。 As shown in FIG. 6, in all verification results, regardless of the learning interval or the verification interval, the prediction results by the plant state prediction device 1 according to this embodiment have correlation coefficients equivalent to those of the reference example using the fully connected neural network NN'. This shows that the plant state prediction device 1 can obtain sufficient prediction accuracy even if part of the neural network NN is a linear combination section.

続いてプラント状態予測装置1が有するニューラルネットワークNNのノード層数に関する検証結果について説明する。図7は図1のプラント状態予測装置において全結合層のノード層数mを変化させた場合における予測値Vpの時間変化を示す図である。図7では、全結合層のノード層数がm=5の場合と、m=50の場合とが示されている。両者とも実測値に対して良好な再現性が得られているが、m=5の場合は平均二乗誤差(MSE:Mean Squared Error)が0.0046であり、R値が0.83であるのに対して、m=50の場合は平均二乗誤差が0.0040であり、R値が0.85であった。これにより、ニューラルネットワークNNでは全結合層のノード層数mが多いほど、ニューラルネットワークNNの表現力が増すことで予測精度が向上していることを示している。 Next, the verification results regarding the number of node layers of the neural network NN of the plant state prediction device 1 will be described. FIG. 7 is a diagram showing the time change of the predicted value Vp when the number of node layers m of the fully connected layer is changed in the plant state prediction device of FIG. 1. FIG. 7 shows the cases where the number of node layers of the fully connected layer is m=5 and m=50. In both cases, good reproducibility is obtained with respect to the actual measured value, but in the case of m=5, the mean squared error (MSE) is 0.0046 and the R value is 0.83, whereas in the case of m=50, the mean squared error is 0.0040 and the R value is 0.85. This shows that in the neural network NN, the more the number of node layers m of the fully connected layer, the more the expressive power of the neural network NN increases, and the more the prediction accuracy improves.

以上説明したように上記実施形態によれば、線形結合層8と全結合層10を備えるニューラルネットワークNNを用いて、複数の状態量計測値からプラントの状態を予測することができる。このようなニューラルネットワークNNでは、線形結合層8で算出された中間出力値zを、全結合層10において非線形関数nfを含むネットワークに入力することで予測値Vpを算出するため、従来の線形回帰では表現不能な非線形的な現象を考慮した状態予測を精度よく行うことができる。また、予測値Vpを算出する際に、複数の状態量計測値x1、x2、・・・、xnを中間出力値zに圧縮することで、全体が全結合型である従来のニューラルネットワークNN´に比べて構造が単純化され、学習の安定性が向上する。一方で、線形結合層8で算出される中間出力値zは、複数の状態量計測値x1、x2、・・・、xnの線形結合として求められるため、中間出力値zに対する各状態量計測値x1、x2、・・・、xnの重みw1、w2、・・・、wnを確認することで、良好な解釈性が得られる。これにより、例えば、各状態量計測値x1、x2、・・・、xnの重みw1、w2、・・・、wnを比較することで、予測値Vpに対する寄与度や感度方向などの評価が可能である。 As described above, according to the above embodiment, the state of the plant can be predicted from a plurality of state quantity measurements using a neural network NN having a linear coupling layer 8 and a fully coupled layer 10. In such a neural network NN, the intermediate output value z calculated in the linear coupling layer 8 is input to a network including a nonlinear function nf in the fully coupled layer 10 to calculate a predicted value Vp, so that a state prediction can be performed with high accuracy, taking into account nonlinear phenomena that cannot be expressed by conventional linear regression. In addition, when calculating the predicted value Vp, the structure is simplified compared to the conventional neural network NN', which is a fully coupled type overall, by compressing the plurality of state quantity measurements x1, x2, ..., xn into the intermediate output value z, and the stability of learning is improved. On the other hand, since the intermediate output value z calculated in the linear coupling layer 8 is obtained as a linear combination of a plurality of state quantity measurements x1, x2, ..., xn, good interpretability can be obtained by checking the weights w1, w2, ..., wn of each state quantity measurement value x1, x2, ..., xn with respect to the intermediate output value z. This makes it possible to evaluate the contribution and sensitivity direction of the predicted value Vp, for example, by comparing the weights w1, w2, ..., wn of each state quantity measurement value x1, x2, ..., xn.

その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態を適宜組み合わせてもよい。 In addition, the components in the above-described embodiments may be replaced with well-known components as appropriate without departing from the spirit of this disclosure, and the above-described embodiments may be combined as appropriate.

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。 The contents described in each of the above embodiments can be understood, for example, as follows:

(1)一態様に係るプラント状態予測装置は、
プラントに関する複数の状態量計測値(例えば上記実施形態の状態量計測値x1、x2、・・・、xn)をニューラルネットワーク(例えば上記実施形態のニューラルネットワークNN)に入力することで、プラントの状態を予測するためのプラント状態予測装置(例えば上記実施形態のプラント状態予測装置1)であって、
前記ニューラルネットワークは、
入力層と、
前記入力層を構成する各ノードに入力される前記複数の状態量計測値を線形結合することにより中間出力値(例えば上記実施形態の中間出力値z)を算出可能な線形結合層(例えば上記実施形態の線形結合層8)と、
層間のノードが互いに結合し、非線形関数(例えば上記実施形態の非線形関数nf)を含むネットワークに、前記中間出力値を入力することで前記プラントの状態に関する予測値(例えば上記実施形態の予測値Vp)を算出可能な全結合層(例えば上記実施形態の全結合層10)と、
を備える。
(1) A plant state prediction device according to one aspect includes:
A plant state prediction device (e.g., the plant state prediction device 1 of the above embodiment) for predicting a state of a plant by inputting a plurality of state quantity measurement values (e.g., state quantity measurement values x1, x2, ..., xn of the above embodiment) related to a plant to a neural network (e.g., the neural network NN of the above embodiment),
The neural network comprises:
An input layer;
a linear combination layer (e.g., the linear combination layer 8 in the above embodiment) capable of calculating an intermediate output value (e.g., the intermediate output value z in the above embodiment) by linearly combining the plurality of state quantity measurement values input to each node constituting the input layer;
a fully connected layer (e.g., the fully connected layer 10 in the above embodiment) capable of calculating a predicted value regarding the state of the plant (e.g., the predicted value Vp in the above embodiment) by inputting the intermediate output value into a network in which nodes between layers are connected to each other and which includes a nonlinear function (e.g., the nonlinear function nf in the above embodiment);
Equipped with.

上記(1)の態様によれば、線形結合層と全結合層を備えるニューラルネットワークを用いて、複数の状態量計測値からプラントの状態を予測することができる。このようなニューラルネットワークでは、線形結合層で算出された中間出力値を、全結合層において非線形関数を含むネットワークに入力することで予測値を算出するため、従来の線形回帰では表現不能な非線形的な現象を考慮した状態予測を精度よく行うことができる。また、予測値を算出する際に、複数の状態量計測値を中間出力値に圧縮することで、全体が全結合型である従来のニューラルネットワークに比べて構造が単純化され、学習の安定性が向上する。一方で、線形結合層で算出される中間出力値は、複数の状態量計測値の線形結合として求められるため、中間出力値に対する各状態量計測値の重みを確認することで、良好な解釈性が得られる。これにより、例えば、各状態量計測値の重みを比較することで、予測値に対する寄与度や感度方向などの評価が可能である。 According to the above aspect (1), the state of the plant can be predicted from a plurality of state quantity measurements using a neural network having a linear combination layer and a fully connected layer. In such a neural network, the intermediate output value calculated in the linear combination layer is input to a network including a nonlinear function in the fully connected layer to calculate a predicted value, so that a state prediction can be performed with high accuracy, taking into account nonlinear phenomena that cannot be expressed by conventional linear regression. In addition, when calculating a predicted value, the plurality of state quantity measurements are compressed into an intermediate output value, so that the structure is simplified compared to conventional neural networks that are fully connected as a whole, and the stability of learning is improved. On the other hand, since the intermediate output value calculated in the linear combination layer is obtained as a linear combination of a plurality of state quantity measurements, good interpretability can be obtained by checking the weight of each state quantity measurement value relative to the intermediate output value. As a result, for example, by comparing the weight of each state quantity measurement value, it is possible to evaluate the contribution to the predicted value, the sensitivity direction, and the like.

(2)他の態様では、上記(1)の態様において、
前記複数の状態量計測値の各々について前記中間出力値における重み(例えば上記実施形態の重みw1、w2、・・・、wn)を算出することにより、前記複数の状態量計測値の重要度をそれぞれ評価するように構成される。
(2) In another embodiment, in the above embodiment (1),
The importance of each of the plurality of state quantity measurement values is evaluated by calculating a weight (for example, weights w1, w2, ..., wn in the above embodiment) in the intermediate output value for each of the plurality of state quantity measurement values.

上記(2)の態様によれば、線形結合部において複数の状態量計測値の線形結合によって算出される中間出力値に対する各状態量計測値の重みに基づいて重要度を評価することで、良好な解釈性が得られる。 According to the above aspect (2), good interpretability can be obtained by evaluating the importance based on the weight of each state quantity measurement value with respect to the intermediate output value calculated by the linear combination unit through the linear combination of multiple state quantity measurement values.

(3)他の態様では、上記(2)の態様において、
前記重みが予め設定された閾値より大きいか否かに基づいて、前記プラントの状態における主要因子を特定するように構成される。
(3) In another embodiment, in the above embodiment (2),
The system is configured to identify a major factor in the state of the plant based on whether the weight is greater than a preset threshold.

上記(3)の態様によれば、複数の状態量計測値の線形結合によって算出される中間出力値から求められる各状態量計測値の重みを閾値と比較することによって、複数の状態量計測値から予測対象となるプラントの状態をもたらす主要因子を特定できる。 According to the above aspect (3), the weight of each state quantity measurement value obtained from an intermediate output value calculated by a linear combination of multiple state quantity measurement values is compared with a threshold value, whereby the main factors that cause the state of the plant to be predicted can be identified from the multiple state quantity measurement values.

(4)他の態様では、上記(1)から(3)のいずれか一態様において、
前記線形結合層は、前記入力層の直後に設けられる。
(4) In another aspect, in any one of the above (1) to (3),
The linear combination layer is provided immediately after the input layer.

上記(4)の態様によれば、入力層の直後に線形結合層を設けることで、線形結合層では、入力層を構成する各ノードに入力される状態量計測値を線形結合して出力するため、良好な解釈性が得られる。 According to the above aspect (4), by providing a linear combination layer immediately after the input layer, the linear combination layer linearly combines and outputs the state quantity measurements input to each node constituting the input layer, thereby achieving good interpretability.

(5)他の態様では、上記(1)から(4)のいずれか一態様において、
前記全結合層は、前記線形結合層より一層当たりのニューロン数が多い。
(5) In another aspect, in any one of the above (1) to (4),
The fully connected layer has more neurons per layer than the linearly connected layer.

上記(5)の態様によれば、全結合層の一層当たりのニューロン数を、線形結合層より十分に多くすることで、ネットワークの表現力が増し、予測精度を向上できる。 According to the above aspect (5), by making the number of neurons per layer of the fully connected layer sufficiently greater than that of the linearly connected layer, the expressive power of the network is increased, and prediction accuracy can be improved.

(6)他の態様では、上記(1)から(5)のいずれか一態様において、
前記線形結合層は一層あたりのニューロンの数が1つである。
(6) In another aspect, in any one of the above (1) to (5),
The linearly connected layer has one neuron per layer.

上記(6)の態様によれば、線形結合層を一層あたりのニューロンの数が1つである層から構成することで、より良好な解釈性が得られる。 According to the above aspect (6), better interpretability can be obtained by configuring the linear combination layer with one neuron per layer.

(7)他の態様では、上記(1)から(6)のいずれか一態様において、
前記非線形関数はReLU関数である。
(7) In another aspect, in any one of the above (1) to (6),
The nonlinear function is the ReLU function.

上記(7)の態様によれば、ReLU関数は他の非線形関数に比べて単純な形を有するため、演算負荷を軽減することができる。また勾配消失の可能性がない点も有利である。 According to the above aspect (7), the ReLU function has a simpler form than other nonlinear functions, so the computational load can be reduced. Another advantage is that there is no possibility of gradient loss.

(8)他の態様では、上記(1)から(7)のいずれか一態様において、
前記予測値は、前記プラントが備えるタービンの非同期振動に関するパラメータである。
(8) In another aspect, in any one of the above (1) to (7),
The predicted value is a parameter related to asynchronous vibration of a turbine included in the plant.

上記(8)の態様によれば、予測対象として、プラントに備えるタービンに生じる非同期振動に関するパラメータを好適に予測できる。このような非同期振動は、計測可能な状態量計測値に対して非線形な振る舞いを有するため、経験的に相関があるといわれている状態量計測値(例えば出力や真空度など)では説明がつかない場合があるが、前述の構成を有するニューラルネットワークを用いることで精度よく予測することが可能となる。 According to the above aspect (8), it is possible to suitably predict parameters related to asynchronous vibrations occurring in a turbine installed in a plant as a prediction target. Such asynchronous vibrations have nonlinear behavior with respect to measurable state quantity values, and therefore may not be explained by state quantity measurements (e.g., output, vacuum level, etc.) that are said to have empirical correlations. However, by using a neural network having the above-mentioned configuration, it is possible to make accurate predictions.

(9)一態様に係るプラント状態予測方法は、
プラントに関する複数の状態量計測値(例えば上記実施形態の状態量計測値x1、x2、・・・、xn)をニューラルネットワーク(例えば上記実施形態のニューラルネットワークNN)に入力することで、プラントの状態を予測するためのプラント状態予測方法であって、
各ノードに入力される前記複数の状態量計測値を前記ニューラルネットワークの線形結合層(例えば上記実施形態の線形結合層8)に入力して線形結合することにより中間出力値(例えば上記実施形態の中間出力値z)を算出する工程と、
層間のノードが互いに結合し、非線形関数(例えば上記実施形態の非線形関数nf)を含む前記ニューラルネットワークの全結合層(例えば上記実施形態の全結合層10)に、前記中間出力値を入力することで前記プラントの状態に関する予測値(例えば上記実施形態の予測値Vp)を算出する工程と、
を備える。
(9) A plant state prediction method according to one aspect includes:
A plant state prediction method for predicting a state of a plant by inputting a plurality of state quantity measurement values (e.g., state quantity measurement values x1, x2, ..., xn) related to a plant to a neural network (e.g., the neural network NN of the above embodiment), comprising:
a step of inputting the plurality of state quantity measurement values input to each node into a linear combination layer (e.g., the linear combination layer 8 in the above embodiment) of the neural network and linearly combining the input state quantity measurement values to calculate an intermediate output value (e.g., the intermediate output value z in the above embodiment);
a step of inputting the intermediate output value into a fully connected layer (e.g., the fully connected layer 10 in the above embodiment) of the neural network in which nodes between layers are connected to each other and which includes a nonlinear function (e.g., the nonlinear function nf in the above embodiment), thereby calculating a predicted value regarding the state of the plant (e.g., the predicted value Vp in the above embodiment);
Equipped with.

上記(9)の態様によれば、線形結合層と全結合層を備えるニューラルネットワークを用いて、複数の状態量計測値からプラントの状態を予測することができる。このようなニューラルネットワークでは、線形結合層で算出された中間出力値を、全結合層において非線形関数を含むネットワークに入力することで予測値を算出するため、従来の線形回帰では表現不能な非線形的な現象を考慮した状態予測を精度よく行うことができる。また、予測値を算出する際に、複数の状態量計測値を中間出力値に圧縮することで、全体が全結合型である従来のニューラルネットワークに比べて構造が単純化され、学習の安定性が向上する。一方で、線形結合層で算出される中間出力値は、複数の状態量計測値の線形結合として求められるため、中間出力値に対する各状態量計測値の重みを確認することで、良好な解釈性が得られる。これにより、例えば、各状態量計測値の重みを比較することで、予測値に対する寄与度や感度方向などの評価が可能である。 According to the above aspect (9), the state of the plant can be predicted from a plurality of state quantity measurements using a neural network having a linear combination layer and a fully connected layer. In such a neural network, the intermediate output value calculated in the linear combination layer is input to a network including a nonlinear function in the fully connected layer to calculate a predicted value, so that a state prediction can be performed with high accuracy, taking into account nonlinear phenomena that cannot be expressed by conventional linear regression. In addition, when calculating a predicted value, the structure is simplified compared to conventional neural networks that are fully connected as a whole by compressing a plurality of state quantity measurements into intermediate output values, and the stability of learning is improved. On the other hand, since the intermediate output value calculated in the linear combination layer is obtained as a linear combination of a plurality of state quantity measurements, good interpretability can be obtained by checking the weight of each state quantity measurement value relative to the intermediate output value. As a result, for example, by comparing the weight of each state quantity measurement value, it is possible to evaluate the contribution to the predicted value, the sensitivity direction, and the like.

1 プラント状態予測装置
2 入力層
4 隠れ層
6 出力層
8 線形結合層
10 全結合層
NN ニューラルネットワーク
NN´ 全結合型ニューラルネットワーク
N ノード
z 中間出力値
x1、x2、・・・、xn 状態量計測値
w1、w2、・・・、wn 重み
1 Plant state prediction device 2 Input layer 4 Hidden layer 6 Output layer 8 Linearly connected layer 10 Fully connected layer NN Neural network NN' Fully connected neural network N Node z Intermediate output values x1, x2, ..., xn State quantity measurement values w1, w2, ..., wn Weight

Claims (6)

プラントに関する複数の状態量計測値をニューラルネットワークに入力することで、プラントの状態を予測するためのプラント状態予測装置であって、
前記ニューラルネットワークは、
入力層と、
前記入力層の直後に設けられ、一層あたりのニューロンの数が1つであり、前記入力層を構成する各ノードに入力される前記複数の状態量計測値を線形結合することにより中間出力値を算出可能な線形結合層と、
層間のノードが互いに結合し、非線形関数を含むネットワークに、前記中間出力値を入力することで前記プラントの状態に関する予測値を算出可能な全結合層と、
を備え
前記複数の状態量計測値の各々について前記中間出力値における重みを算出することにより、前記複数の状態量計測値の重要度をそれぞれ評価するように構成された、プラント状態予測装置。
A plant state prediction device for predicting a state of a plant by inputting a plurality of state quantity measurement values related to the plant into a neural network, comprising:
The neural network comprises:
An input layer;
a linear combination layer provided immediately after the input layer, the linear combination layer having one neuron per layer, and capable of calculating an intermediate output value by linearly combining the plurality of state quantity measurement values input to each node constituting the input layer;
a fully connected layer in which nodes between layers are connected to each other and a predicted value regarding the state of the plant can be calculated by inputting the intermediate output value into a network including a nonlinear function;
Equipped with
a weight in the intermediate output value for each of the plurality of state quantity measurement values, thereby evaluating the importance of each of the plurality of state quantity measurement values .
前記重みが予め設定された閾値より大きいか否かに基づいて、前記プラントの状態における主要因子を特定するように構成された、請求項に記載のプラント状態予測装置。 2. The plant state prediction device according to claim 1 , configured to identify a main factor in the state of the plant based on whether or not the weight is greater than a preset threshold value. 前記全結合層は、前記線形結合層より一層当たりのニューロン数が多い、請求項1又は2に記載のプラント状態予測装置。 3. The plant state prediction device according to claim 1 , wherein the fully connected layer has a greater number of neurons per layer than the linearly connected layer. 前記非線形関数はReLU関数である、請求項1からのいずれか一項に記載のプラント状態予測装置。 The plant state prediction device according to claim 1 , wherein the nonlinear function is a ReLU function. 前記予測値は、前記プラントが備えるタービンの非同期振動に関するパラメータである、請求項1からのいずれか一項に記載のプラント状態予測装置。 The plant state prediction device according to claim 1 , wherein the predicted value is a parameter related to asynchronous vibration of a turbine included in the plant. プラントに関する複数の状態量計測値をニューラルネットワークに入力することで、プラントの状態を予測するためのプラント状態予測方法であって、
入力層の各ノードに入力される前記複数の状態量計測値を前記ニューラルネットワークのうち前記入力層の直後に設けられ、一層あたりのニューロンの数が1つである線形結合層に入力して線形結合することにより中間出力値を算出する工程と、
層間のノードが互いに結合し、非線形関数を含む前記ニューラルネットワークの全結合層に、前記中間出力値を入力することで前記プラントの状態に関する予測値を算出する工程と、
を備え
前記複数の状態量計測値の各々について前記中間出力値における重みを算出することにより、前記複数の状態量計測値の重要度をそれぞれ評価する、プラント状態予測方法。
A plant state prediction method for predicting a state of a plant by inputting a plurality of state quantity measurement values related to the plant into a neural network, comprising:
a step of inputting the plurality of state quantity measurement values input to each node of an input layer into a linear combination layer provided immediately after the input layer of the neural network, the linear combination layer having one neuron per layer, and linearly combining the input state quantity measurement values to calculate an intermediate output value;
A step of calculating a predicted value regarding a state of the plant by inputting the intermediate output value into a fully connected layer of the neural network in which nodes between layers are connected to each other and include a nonlinear function;
Equipped with
a weight in the intermediate output value is calculated for each of the plurality of state quantity measurement values, thereby evaluating the importance of each of the plurality of state quantity measurement values .
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