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JP7644337B2 - Machine learning device for blast furnace operation, program used therein, method for generating blast furnace operation prediction model, and method for operating a blast furnace - Google Patents
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JP7644337B2 - Machine learning device for blast furnace operation, program used therein, method for generating blast furnace operation prediction model, and method for operating a blast furnace - Google Patents

Machine learning device for blast furnace operation, program used therein, method for generating blast furnace operation prediction model, and method for operating a blast furnace Download PDF

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Description

本発明は、高炉操業用の機械学習装置等に関するものである。 The present invention relates to a machine learning device for blast furnace operation.

高炉の操業を予測・制御するシステムとして、物理モデルを利用したシステム(例えば、非定常モデルを用いて溶銑温度を予測するシステム)が知られている。この物理モデルを利用した予測システムは、境界条件が明確である場合には高い予測精度が得られるが、境界条件が不明な場合(例えば、原燃料の成分が不明の場合、炉内における充填層の充填状況が不明な場合が該当する)には予測精度が低下する。 Systems that use physical models (e.g., a system that predicts molten iron temperature using a non-steady-state model) are known as systems for predicting and controlling blast furnace operations. Prediction systems that use physical models can achieve high prediction accuracy when the boundary conditions are clear, but the prediction accuracy decreases when the boundary conditions are unknown (e.g., when the composition of the raw fuel is unknown, or when the filling status of the packed bed in the furnace is unknown).

また、別の予測システムとして、ルールによって表現された知識ベースに基づき予測を行うエキスパートモデルが知られている。エキスパートモデルの場合、ルール作成時から時間が経過して操業条件が変化している場合には、ルールの見直しが必要となる。 Another type of prediction system is the expert model, which makes predictions based on a knowledge base expressed by rules. With expert models, if time has passed since the rules were created and operating conditions have changed, the rules need to be revised.

これらの問題点の解決方法として、直近の過去データから類似例を検索し、類似例に対して局所統計モデルを生成することにより、将来予測を行う方法が知られている。しかしながら、このモデルには、従来とは異なる操業状況で操業した時の予測が難しいことや、局所統計モデルの精度を保証するだけの十分な過去類似例が蓄積されていない場合には、予測精度が低下する問題があった。 One method known to solve these problems is to search for similar examples from recent past data and generate a local statistical model for the similar examples to make future predictions. However, this model has problems in that it is difficult to make predictions when operating in operating conditions that are different from the conventional ones, and the prediction accuracy decreases when there are not enough similar past examples accumulated to guarantee the accuracy of the local statistical model.

特開2017-095761号公報JP 2017-095761 A 特開2018-193579号公報JP 2018-193579 A

本発明者等は、高炉のプロセスコンピュータが日々蓄積する操業データに着目し、これらの操業データを教師データとした機械学習により高炉操業の予測モデルを生成する方法を検討した。しかしながら、高炉の操業データは、必ずしも正規分布ではなく、偏った分布を呈するものも多い。機械学習に基づくモデルは、教師データを正規分布で仮定したものが多く、非正規分布の操業データを教師データとして選択すると、予測精度が低下する。そこで、本発明は、予測精度の高い高炉操業予測モデル等を提供することを目的とする。 The inventors focused on the operational data accumulated daily by the blast furnace process computer and investigated a method of generating a blast furnace operation prediction model by machine learning using this operational data as training data. However, blast furnace operation data is not necessarily normally distributed, and much of it exhibits a biased distribution. Many models based on machine learning assume that the training data is normally distributed, and when non-normally distributed operational data is selected as training data, the prediction accuracy decreases. Therefore, the present invention aims to provide a blast furnace operation prediction model and the like with high prediction accuracy.

上記課題を解決するために、本発明に係る高炉操業用機械学習装置は、高炉の操業データのうち、歪度が歪度閾値を超える非正規分布データを正規分布データに変換することにより、前記の高炉の操業データを正規分布データに統一するデータ事前処理部と、高炉の操業データに含まれる個々の操業データのデータ種別に基づいて、予め定められた目的変数に対応した説明変数を選択するデータ種別選択部と、選択した説明変数に対応する高炉の操業データと目的変数に対応する高炉の操業データとを教師データとした機械学習を行うことで高炉操業予測モデルを生成するモデル生成部と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above problem, the machine learning device for blast furnace operation according to the present invention is characterized by having a data pre-processing unit that converts non-normally distributed data, of the blast furnace operation data, whose skewness exceeds a skewness threshold, into normally distributed data, thereby unifying the blast furnace operation data into normally distributed data; a data type selection unit that selects an explanatory variable corresponding to a predetermined objective variable based on the data type of each operation data included in the blast furnace operation data; and a model generation unit that generates a blast furnace operation prediction model by performing machine learning using the blast furnace operation data corresponding to the selected explanatory variable and the blast furnace operation data corresponding to the objective variable as training data.

(2)前記データ事前処理部は、非正規分布データを正規分布データに変換する前に、各操業データに含まれる外れ値を除去する除去処理を行うことを特徴とする上記(1)に記載の高炉操業用機械学習装置。 (2) The machine learning device for blast furnace operation described in (1) above, characterized in that the data pre-processing unit performs a removal process to remove outliers contained in each operation data before converting non-normally distributed data into normally distributed data.

(3)前記データ事前処理部は、下記の式(1)に基づくHampel Identifierにしたがって前記の除去処理を行うことを特徴とする上記(2)に記載の高炉操業用機械学習装置。
median(xi)±cMAD(xi)・・・・・・・・式(1)
ただし、MAD(xi)=median(|xi-median(xi)|)であり、medianは中央値であり、cは3以上5以下(ただし、整数に限らない)の範囲から選ばれるパラメータである。
(3) The machine learning device for blast furnace operation described in (2) above, characterized in that the data pre-processing unit performs the removal process in accordance with a Hampel Identifier method based on the following equation (1).
median(xi)±cMAD(xi)...Formula (1)
Here, MAD(xi) = median (|xi - median(xi)|), median is the median value, and c is a parameter selected from the range of 3 to 5 (however, not limited to integers).

(4)前記データ種別選択部は、高炉の操業データに取得タイミングが互いに異なる同種の操業データが含まれている場合に、これらの操業データのデータ種別を互いに異なるデータ種別として説明変数の選択を行うことを特徴とする上記(1)乃至(3)のうちいずれか一つに記載の高炉操業用機械学習装置。 (4) The machine learning device for blast furnace operation described in any one of (1) to (3) above, characterized in that when the blast furnace operation data includes the same type of operation data that are acquired at different times, the data type selection unit selects explanatory variables by treating the data types of the operation data as different data types.

(5)上記(1)乃至(4)のうちいずれか一つ高炉操業用機械学習装置を用いて高炉の操業状態を予測し、この予測結果に基づくアクションを実行することにより高炉を操業することを特徴とする高炉の操業方法。 (5) A method for operating a blast furnace, comprising predicting the operating state of a blast furnace using any one of the machine learning devices for blast furnace operation described above in (1) to (4) and operating the blast furnace by executing an action based on the prediction result.

(6)上記(5)に記載のアクションを実施した後に得られる高炉の操業データのうち、歪度が歪度閾値を超える非正規分布データを正規分布データに変換することにより、前記の高炉の操業データを正規分布データに統一するデータ事前処理部と、高炉の操業データに含まれる個々の操業データのデータ種別に基づいて、予め定められた目的変数に対応した説明変数を選択するデータ種別選択部と、選択した説明変数に対応する高炉の操業データと目的変数に対応する高炉の操業データとを教師データとした機械学習を行うことで高炉操業予測モデルを生成するモデル生成部と、を有することを特徴とする高炉操業用機械学習装置。 (6) A machine learning device for blast furnace operation, comprising: a data pre-processing unit that converts non-normally distributed data, the skewness of which exceeds a skewness threshold, into normally distributed data among the blast furnace operation data obtained after carrying out the action described in (5) above, to unify the blast furnace operation data into normally distributed data; a data type selection unit that selects explanatory variables corresponding to a predetermined objective variable based on the data type of each piece of operation data included in the blast furnace operation data; and a model generation unit that generates a blast furnace operation prediction model by performing machine learning using the blast furnace operation data corresponding to the selected explanatory variables and the blast furnace operation data corresponding to the objective variable as training data.

(7)高炉の操業データのうち、歪度が歪度閾値を超える非正規分布データを正規分布データに変換することにより、前記の高炉の操業データを正規分布データに統一する変換ステップと、高炉の操業データに含まれる個々の操業データのデータ種別に基づいて、予め定められた目的変数に対応した説明変数を選択するデータ種別選択ステップと、前記データ種別選択ステップで選択した説明変数に対応する高炉の操業データと前記目的変数に対応する高炉の操業データとを教師データとして機械学習により高炉操業予測モデルを生成するモデル生成ステップと、をコンピュータに実行させることを特徴とする高炉操業用機械学習装置に用いられるプログラム。 (7) A program used in a machine learning device for blast furnace operation, which causes a computer to execute the following steps: a conversion step of unifying blast furnace operation data into normal distribution data by converting non-normal distribution data, the skewness of which exceeds a skewness threshold, into normal distribution data; a data type selection step of selecting explanatory variables corresponding to a predetermined objective variable based on the data type of each operation data included in the blast furnace operation data; and a model generation step of generating a blast furnace operation prediction model by machine learning using the blast furnace operation data corresponding to the explanatory variable selected in the data type selection step and the blast furnace operation data corresponding to the objective variable as training data.

(8)高炉の操業データのうち、歪度が歪度閾値を超える非正規分布データを正規分布データに変換することにより、前記の高炉の操業データを正規分布データに統一する変換工程と、高炉の操業データに含まれる個々の操業データのデータ種別に基づいて、予め定められた目的変数に対応した説明変数を選択するデータ種別選択工程と、前記データ種別選択工程で選択した説明変数に対応する高炉の操業データと前記目的変数に対応する高炉の操業データとを教師データとして機械学習により高炉操業予測モデルを生成するモデル生成工程と、を有することを特徴とする高炉操業予測モデルの生成方法。 (8) A method for generating a blast furnace operation prediction model, comprising: a conversion step of unifying the blast furnace operation data into normal distribution data by converting non-normal distribution data, the skewness of which exceeds a skewness threshold, into normal distribution data; a data type selection step of selecting an explanatory variable corresponding to a predetermined objective variable based on the data type of each operation data included in the blast furnace operation data; and a model generation step of generating a blast furnace operation prediction model by machine learning using the blast furnace operation data corresponding to the explanatory variable selected in the data type selection step and the blast furnace operation data corresponding to the objective variable as training data.

本発明によれば、予測精度の高い高炉操業予測モデルを提供することができる。 The present invention provides a blast furnace operation prediction model with high prediction accuracy.

高炉操業用機械学習装置のブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of a machine learning device for blast furnace operation. 高炉操業予測モデルの構築方法等を説明するためのフローチャートである。1 is a flowchart for explaining a method for constructing a blast furnace operation prediction model, etc. ηCOの頻度分布である。This is the frequency distribution of ηCO. 溶銑温度(℃)の頻度分布である。This is the frequency distribution of molten iron temperature (℃). 異なるパラメータcで溶銑温度の予測を行ったときの相対RMSEである。The relative RMSE when predicting the hot metal temperature with different parameters c. ソリューションロスカーボン量の頻度分布である。This is a frequency distribution of solution loss carbon amount. 一定期間に取得した全ての操業データの歪度の頻度分布である。This is the frequency distribution of skewness of all operational data obtained over a certain period of time. 炉頂平均温度(℃)の頻度分布である。This is the frequency distribution of the average furnace top temperature (℃). 高炉熱負荷(kW)の頻度分布である。This is the frequency distribution of blast furnace heat load (kW). 歪度閾値と相対RMSEとの関係図である。FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the skewness threshold and the relative RMSE. 微粉炭吹込み量の変化量と溶銑温度の変化の関係図である。FIG. 1 is a graph showing the relationship between the change in pulverized coal injection amount and the change in molten iron temperature. 各比較例及び実施例の溶銑温度の予測値の相対RMSEである。13 shows the relative RMSE of the predicted values of the molten iron temperature for each of the comparative examples and the example. 各比較例及び実施例のコークス比の変動係数である。4 shows the coefficient of variation of the coke ratio in each of the comparative examples and the examples.

図1は、本実施形態の高炉操業用機械学習装置のブロック図である。同図を参照して、高炉操業用機械学習装置1は、データ事前処理部10、データ種別選択部20、学習モデル生成部30及び記憶媒体40を含み、高炉2から取得した操業データに対して所定のデータ処理を施した後、高炉の操業データに含まれる個々の操業データのデータ種別に基づいて、予め定められた目的変数に対応した説明変数を選択し、この選択した説明変数に対応する高炉の操業データと目的変数に対応する高炉の操業データを教師データとする機械学習を行うことにより予測精度の高い高炉操業予測モデルを構築する。高炉操業予測モデルの構築方法について、図2のフローチャートを参照しながら詳細に説明する。 FIG. 1 is a block diagram of a machine learning device for blast furnace operation according to the present embodiment. Referring to the figure, the machine learning device for blast furnace operation 1 includes a data pre-processing unit 10, a data type selection unit 20, a learning model generation unit 30, and a storage medium 40, and performs a predetermined data processing on operation data acquired from a blast furnace 2, selects explanatory variables corresponding to a predetermined objective variable based on the data type of each operation data included in the blast furnace operation data, and performs machine learning using the blast furnace operation data corresponding to the selected explanatory variables and the blast furnace operation data corresponding to the objective variable as training data, thereby constructing a blast furnace operation prediction model with high prediction accuracy. A method for constructing a blast furnace operation prediction model will be described in detail with reference to the flowchart in FIG. 2.

(ステップS1:データの前処理)
ステップS1において、データ事前処理部10は、高炉2から取得した操業データの事前処理を行う。操業データの事前処理には、外れ値除去、補間処理(ステップS1-1)と正規分布化処理(ステップS1-2)とが含まれる。ただし、ステップS1―1は、省略することもできる。この場合、取得した操業データの処理フローは、ステップS2から開始される。
(Step S1: Data pre-processing)
In step S1, the data pre-processing unit 10 performs pre-processing of the operation data acquired from the blast furnace 2. The pre-processing of the operation data includes outlier removal, interpolation processing (step S1-1), and normal distribution processing (step S1-2). However, step S1-1 may be omitted. In this case, the processing flow of the acquired operation data starts from step S2.

(ステップS1-1:外れ値除去及び補間処理)
高炉の操業データは、高炉の操業中(休風中を含む)に高炉から取得される情報及び当該取得した情報から算出される情報が含まれる。高炉の操業データには、様々な理由(例えば、システムの不具合)でデータが欠損したり、外れ値が存在したりする。操業データの中に外れ値が含まれていたり、操業データの一部が欠損していたりする場合には、教師データの選択、予測モデルによる予測精度に影響が及ぶ。したがって、所定の条件にしたがって、外れ値を取り除いたり(「外れ値除去」に相当する)、欠損している操業データの一部を補間したりする(「補間処理」に相当する)ことが望ましい。所定の条件については、後述する。
(Step S1-1: Outlier Removal and Interpolation)
The operation data of a blast furnace includes information acquired from the blast furnace during operation (including blasting stoppage) and information calculated from the acquired information. The operation data of a blast furnace may contain missing data or outliers due to various reasons (e.g., system malfunctions). If the operation data contains outliers or is partially missing, it will affect the selection of training data and the prediction accuracy of a prediction model. Therefore, it is desirable to remove the outliers (corresponding to "outlier removal") or to interpolate a portion of the missing operation data (corresponding to "interpolation processing") according to a specified condition. The specified conditions will be described later.

ここで、操業データには、例えば高炉の操業条件、装入原燃料条件、出銑滓データ、センサデータ、ソリューションロスカーボン、羽口上熱バランス等のデータが含まれる。
高炉の操業条件には、羽口からの送風量、羽口から吹き込む酸素富化空気の酸素富化率(酸素富化率:(送風中酸素量+富化酸素量)/(送風量)×100-送風中酸素濃度(%))、羽口から吹き込まれるガスの送風温度、羽口から吹き込まれるガスの送風圧力、微粉炭の吹込み量、炉頂圧力等が含まれる。
装入原燃料条件には、高炉原料の装入量、高炉原料の成分等が含まれる。高炉原料には、鉱石層の形成に用いられる鉱石層装入原料、コークス層の形成に用いられるコークス層装入原料が含まれる。鉱石層装入原料には、焼結鉱、ペレット、塊鉱石、非焼成含炭塊成鉱が含まれる。また、鉱石層装入原料には、鉱石以外のもの(例えば小塊コークス等の還元補助材)が含まれていてもよい。コークス層装入原料には、フェローコークスが含まれていてもよい。
出銑滓とは高炉の出銑口から取り出された高温溶融物のことであり、出銑滓データには、溶銑排出量、溶銑温度、溶銑成分、滓排出量、滓成分等が含まれる。
センサデータとは、高炉に備え付けられたセンサから直接検出されるデータのことであり、炉頂ガスの温度データ、炉頂ガス成分(CO、CO、N、H等)の分析データ、ステーブの温度データ、炉底側壁温度の温度データ、炉底温度の温度データ、シャフト圧力のデータ等が含まれる。
羽口上熱バランスとは、所定のインプット熱量(羽口から吹込むガスの送風顕熱、炉内で燃焼するカーボンの燃焼熱)と所定のアウトプット熱量(羽口から吹込むガスの送風湿分の分解熱、直接還元反応及びソリューションロス反応による反応熱)との差分であり、炉内の熱バランスを逐次評価するための指標である。
Here, the operational data includes, for example, blast furnace operating conditions, charging raw fuel conditions, iron and slag data, sensor data, solution loss carbon, heat balance above the tuyere, and the like.
The operating conditions of the blast furnace include the amount of air blown from the tuyere, the oxygen enrichment rate of the oxygen-enriched air blown from the tuyere (oxygen enrichment rate: (amount of oxygen in blast + amount of enriched oxygen) / (amount of air blown) × 100 - oxygen concentration in blast (%)), the blast temperature of the gas blown from the tuyere, the blast pressure of the gas blown from the tuyere, the amount of pulverized coal blown, the furnace top pressure, etc.
The charging raw material fuel conditions include the amount of blast furnace raw materials charged, the components of the blast furnace raw materials, etc. The blast furnace raw materials include the ore layer charging raw materials used to form the ore layer, and the coke layer charging raw materials used to form the coke layer. The ore layer charging raw materials include sintered ore, pellets, lump ore, and non-calcined carbon-containing agglomerated ore. The ore layer charging raw materials may also include materials other than ore (e.g., reduction assistant materials such as small lump coke). The coke layer charging raw materials may also include ferro coke.
Tapping slag refers to the high-temperature molten material removed from the taphole of a blast furnace, and tapping slag data includes the amount of molten metal discharged, the molten metal temperature, the molten metal components, the amount of slag discharged, and the slag components.
Sensor data refers to data detected directly from sensors installed in the blast furnace, and includes furnace gas temperature data, analysis data of furnace gas components (CO, CO2 , N2 , H2 , etc.), stave temperature data, furnace bottom side wall temperature data, furnace bottom temperature data, shaft pressure data, etc.
The heat balance above the tuyere is the difference between a specified input heat quantity (the sensible heat of the gas blown through the tuyere, the heat of combustion of carbon burning in the furnace) and a specified output heat quantity (the heat of decomposition of the moisture in the gas blown through the tuyere, the reaction heat due to the direct reduction reaction and the solution loss reaction), and is an index for successively evaluating the heat balance in the furnace.

外れ値を除去する処理は、例えば「Hampel Identifier」等を用いて行うことができる。以下の式(1)は「Hampel Identifier」において、外れ値を除去するために用いられる式である。

ただし、MAD(xi)=median(|xi-median(xi)|)であり、medianは中央値であり、cは3以上5以下(ただし、整数に限らない。以下、同様である)の範囲から選ばれるパラメータである。
「Hampel Identifier」では、「median(xi)-cMAD(xi)」~「median(xi)+cMAD(xi)」の範囲から外れた値を、「外れ値」として扱う。
The process of removing outliers can be performed using, for example, the "Hampel Identifier method " etc. The following formula (1) is a formula used to remove outliers in the "Hampel Identifier method ".

Here, MAD(xi) = median (|xi - median(xi)|), median is the median value, and c is a parameter selected from the range of 3 to 5 (however, it is not limited to an integer; the same applies below).
In the Hampel Identifier method , values outside the range of "median(xi) - cMAD(xi)" to "median(xi) + cMAD(xi)" are treated as "outliers."

式(1)から明らかなように、パラメータcは外れ値の決定に関わる重要なパラメータであり、本発明者等は、このパラメータcを所定範囲に設定することにより、予測精度が向上することを知見した。所定範囲は、好ましくは、3以上5以下(以下、「好ましい範囲」ともいう)である。頻度が比較的少ない操業状態を予測することを主目的とする場合には、パラメータcは相対的に大きく設定する必要があり、比較的安定した操業状態を予測することを主目的とする場合には、パラメータcを相対的に小さく設定する必要がある。 As is clear from formula (1), parameter c is an important parameter related to determining outliers, and the inventors have found that setting this parameter c within a specified range improves prediction accuracy. The specified range is preferably 3 to 5 (hereinafter also referred to as the "preferred range"). If the main purpose is to predict an operating state that occurs relatively infrequently, parameter c needs to be set relatively large, and if the main purpose is to predict a relatively stable operating state, parameter c needs to be set relatively small.

外れ値を除去することによって高炉の操業データの一部が欠損した場合には、補間処理を行うことが望ましい。欠損した操業データの補間処理の手法は特に限定しないが、例えば、前回値や前後値の平均値を用いて補間する方法、前後値に基づく線形補間等の手法を用いることができる。 If some of the blast furnace operation data is missing due to the removal of outliers, it is desirable to perform an interpolation process. There are no particular limitations on the method for interpolating the missing operation data, but for example, a method of interpolating using the previous value or the average value of the previous and subsequent values, linear interpolation based on the previous and subsequent values, etc. can be used.

なお、「Hampel Identifier」は、上述の通り平均値ではなく中央値からの「外れ度合い」に基づき外れ値であるかどうかを判別する方法であるため、必ずしも正規分布に従わないデータであっても、外れ値を判別することができる。この点において「Hampel Identifier」は、高炉の操業データを処理する手段として優れている。 As described above, the Hampel Identifier method is a method for determining whether or not a value is an outlier based on the degree of deviation from the median, not the average value, so it can identify outliers even in data that does not necessarily follow a normal distribution. In this respect, the Hampel Identifier method is an excellent means for processing blast furnace operation data.

パラメータcの決定方法について、具体例を示しながら、より詳細に説明する。図3は、所定の操業条件で操業する高炉(炉容積:5000m級)から取得した炉頂COガス利用率(%)(以下、「ηCO」という)の頻度分布である。頻度は、相対頻度で表わしている。相対頻度は、それぞれの区間の頻度を全ての区間の頻度の総和で除したものである。相対頻度の定義は、図4、図6~図9も同様である。所定の操業条件は、還元材比:500kg/pig-t、コークス比:330kg/pig-t、出銑比:2.2である。横軸がηCOであり、縦軸が相対頻度である。なお、高炉操業において、ηCOが外れ値となる頻度は少ないため、縦軸は対数で表示している。パラメータcを2~6の範囲で変化させたときの外れ値の閾値を同図から看取することができる。すなわち、縦軸に平行に延びる点線と横軸との交点が、それぞれのパラメータcに対応する外れ値の閾値となる。例えば、パラメータcを2に設定した場合、c=2に対応する一対の点線によって挟まれた領域の外側(矢印で示している)の数値が外れ値と判別される。 The method of determining the parameter c will be described in more detail with a specific example. FIG. 3 shows the frequency distribution of the furnace top CO gas utilization rate (%) (hereinafter referred to as "ηCO") obtained from a blast furnace (furnace volume: 5000 m3 class) operated under predetermined operating conditions. The frequency is expressed as a relative frequency. The relative frequency is obtained by dividing the frequency of each section by the sum of the frequencies of all sections. The definition of the relative frequency is the same in FIG. 4 and FIG. 6 to FIG. 9. The predetermined operating conditions are a reducing agent ratio of 500 kg/pig-t, a coke ratio of 330 kg/pig-t, and a productivity of 2.2. The horizontal axis is ηCO, and the vertical axis is the relative frequency. In blast furnace operation, the frequency of ηCO becoming an outlier is low, so the vertical axis is displayed in logarithm. The threshold value of the outlier when the parameter c is changed in the range of 2 to 6 can be seen from the figure. That is, the intersection of the dotted line extending parallel to the vertical axis and the horizontal axis is the outlier threshold value corresponding to each parameter c. For example, when the parameter c is set to 2, the numerical values outside the area between the pair of dotted lines corresponding to c=2 (indicated by the arrows) are determined to be outliers.

ただし、パラメータcを2に設定すると、約20%のデータが外れ値に分類され、外れ値の閾値が過度に大きくなる。また、パラメータcを6に設定すると、外れ値に分類されるデータが僅か0.3%程度になり、看過できない外れ値を見逃す可能性がある。したがって、上述の通り、パラメータcは3以上5以下が好ましく、基本的にはパラメータcを「好ましい範囲」の中間値である4に設定することが考えられる。 However, if parameter c is set to 2, approximately 20% of the data will be classified as outliers, and the outlier threshold will be excessively large. Furthermore, if parameter c is set to 6, only about 0.3% of the data will be classified as outliers, and there is a possibility that significant outliers will be missed. Therefore, as mentioned above, parameter c is preferably between 3 and 5, and basically parameter c should be set to 4, which is the middle value of the "preferred range".

ただし、予測する領域に応じて、以下の考え方に基づきパラメータcを「好ましい範囲」の中で変化させることができる。具体的には中央値近傍の予測を行う場合には、パラメータcの値を3程度に設定することにより、概ね頻度が90%以上のデータを正常値として扱うことができる。頻度が比較的少ない操業状態の予測精度を向上させたい場合には、パラメータcを5程度に設定することが望ましい。これにより、頻度が0.3%~1%程度の頻度が比較的少ない操業データも利用することができる。このように、「好ましい範囲」の中で予測目的に応じて適切にパラメータcを設定することにより、予測精度を向上させることができる。 However, depending on the region to be predicted, parameter c can be changed within the "preferred range" based on the following ideas. Specifically, when making predictions near the median, parameter c can be set to a value of around 3, allowing data with a frequency of approximately 90% or more to be treated as normal values. When wishing to improve the prediction accuracy of relatively infrequent operating conditions, it is desirable to set parameter c to around 5. This makes it possible to use operational data with a relatively low frequency of around 0.3% to 1%. In this way, prediction accuracy can be improved by appropriately setting parameter c within the "preferred range" depending on the purpose of prediction.

図4は、高炉(炉容積:5000m級)から取得した溶銑温度(℃)の頻度分布であり、操業条件は図3と同じである。横軸が溶銑温度であり、縦軸が相対頻度である。なお、高炉操業において、溶銑温度が外れ値となる頻度は少ないため、縦軸は対数で表示している。パラメータcを2~6で変化させたときの外れ値の閾値を同図から看取することができる。この点については、図3のηCOの場合と同様である。 FIG. 4 shows the frequency distribution of molten iron temperature (°C) obtained from a blast furnace (furnace volume: 5000 m3 class), with the same operating conditions as in FIG. 3. The horizontal axis is molten iron temperature, and the vertical axis is relative frequency. Note that in blast furnace operation, the molten iron temperature rarely becomes an outlier, so the vertical axis is plotted in logarithm. The outlier thresholds when the parameter c is changed from 2 to 6 can be seen from the figure. This is the same as in the case of ηCO in FIG. 3.

パラメータcを2に設定すると、約20%の操業データが外れ値に分類され、外れ値の閾値が過度に大きくなる。また、パラメータcを6に設定すると、外れ値に分類される操業データが僅か0.3%程度になり、看過できない外れ値を見逃す可能性がある。したがって、ηCOの場合と同様に、パラメータcは3以上5以下が好ましく、基本的にはパラメータcを「好ましい範囲」の中間値である4に設定することが考えられる。ηCOの場合と同様に、予測目的に応じて、パラメータcを「好ましい範囲」の中で変えることができるが、この点については説明を繰り返さない。 If parameter c is set to 2, approximately 20% of the operational data will be classified as outliers, and the outlier threshold will be excessively large. Furthermore, if parameter c is set to 6, only about 0.3% of the operational data will be classified as outliers, and there is a possibility that significant outliers will be missed. Therefore, as in the case of ηCO, parameter c is preferably between 3 and 5, and it is basically considered to set parameter c to 4, which is the intermediate value of the "preferred range." As in the case of ηCO, parameter c can be changed within the "preferred range" depending on the purpose of the prediction, but this point will not be explained again.

パラメータcの値を変えて、溶銑温度の予測を行ったときの相対RMSEを図5に示す。図5は、横軸がパラメータcであり、縦軸が相対RMSEである。「RMSE」は予測誤差の指標であり、平均平方二乗誤差とも称される。相対RMSEは、基準となるRMSE(図5ではc=2の時のRMSEであり、図10では頻度閾値が0の時のRMSE)を1として規格化したものである。RMSEの一般式については後述する。相対RMSEが小さくなると、予測精度が向上する。同図から、パラメータcを4近傍に設定したときに、相対RMSEが最小となり、予測精度が最も高くなることがわかる。 Figure 5 shows the relative RMSE when predicting the molten iron temperature while changing the value of parameter c. In Figure 5, the horizontal axis is parameter c, and the vertical axis is relative RMSE. "RMSE" is an index of prediction error, and is also called the root mean square error. Relative RMSE is normalized with the reference RMSE (RMSE when c = 2 in Figure 5, and RMSE when the frequency threshold is 0 in Figure 10) set to 1. The general formula for RMSE will be described later. As the relative RMSE decreases, the prediction accuracy improves. It can be seen from this figure that the relative RMSE is smallest and the prediction accuracy is highest when parameter c is set to the neighborhood of 4.

図6は、高炉(炉容積:5000m級)から取得したソリューションロスカーボン量(kg/pt)の頻度分布であり、操業条件は図3と同じである。横軸がソリューションロスカーボン量(kg/pt)、縦軸が相対頻度である。なお、高炉操業において、ソリューションロスカーボン量が外れ値となる頻度は少ないため、縦軸は対数で表示している。高炉では羽口から吹き込まれたガスによりコークスや微粉炭が燃焼してCOガスが発生し、この発生したCOガスが炉内上昇中に鉄原料を還元することによりCOガスが生成される。そして、この生成されたCOガスが炉内のコークスと反応して再度COガスに戻る現象が起こる。この再度生成されたCOガスは、鉄原料の還元に用いられずに炉外に排出される場合があり、本明細書では、このCOガスに含まれるカーボンの量をソリューションロスカーボン量と定義する。ソリューションロスカーボン量の単位は上述の通り「kg/tp」であり、出銑量1トン当たりのカーボン量で表すことができる。 FIG. 6 shows the frequency distribution of the solution loss carbon amount (kg/pt) obtained from a blast furnace (furnace volume: 5000 m3 class), and the operating conditions are the same as those in FIG. 3. The horizontal axis shows the solution loss carbon amount (kg/pt), and the vertical axis shows the relative frequency. In blast furnace operation, the solution loss carbon amount is rarely an outlier, so the vertical axis is displayed in logarithm. In a blast furnace, gas blown in from the tuyere burns coke and pulverized coal to generate CO gas, and this generated CO gas reduces the iron raw material while rising in the furnace, generating CO 2 gas. Then, a phenomenon occurs in which this generated CO 2 gas reacts with the coke in the furnace and returns to CO gas again. This regenerated CO gas may be discharged outside the furnace without being used to reduce the iron raw material, and in this specification, the amount of carbon contained in this CO gas is defined as the solution loss carbon amount. The unit of solution loss carbon amount is "kg/tp" as described above, and it can be expressed as the amount of carbon per ton of pig iron production.

パラメータcを2~6で変化させたときの外れ値の閾値を同図から看取することができる。すなわち、縦軸に平行に延びる点線と横軸との交点が、それぞれのパラメータcにおける外れ値の閾値である。 The outlier threshold can be seen from the figure when parameter c is changed from 2 to 6. In other words, the intersection of the dotted line extending parallel to the vertical axis and the horizontal axis is the outlier threshold for each parameter c.

パラメータcを2に設定すると、約20%のデータが外れ値に分類され、外れ値の閾値が過度に大きくなる。また、パラメータcを6に設定すると、外れ値に分類されるデータが僅か0.3%程度になり、看過できない外れ値を見逃す可能性がある。したがって、ηCOの場合と同様に、パラメータcは3以上5以下が好ましく、基本的にはパラメータcを「好ましい範囲」の中間値である4に設定することが考えられる。ηCOの場合と同様に、予測目的に応じて、パラメータcを「好ましい範囲」の中で変えることができるが、この点については説明を繰り返さない。 If parameter c is set to 2, approximately 20% of the data will be classified as outliers, and the outlier threshold will be excessively large. Furthermore, if parameter c is set to 6, only about 0.3% of the data will be classified as outliers, and there is a possibility that significant outliers will be missed. Therefore, as in the case of ηCO, parameter c is preferably between 3 and 5, and it is basically considered to set parameter c to 4, which is the intermediate value of the "preferred range." As in the case of ηCO, parameter c can be changed within the "preferred range" depending on the purpose of the prediction, but this point will not be explained again.

このように、パラメータcの「好ましい範囲」は、異なる種類の操業データであっても3以上5以下であるため、全ての操業データについて同じ値のパラメータcを設定することができる。ただし、処理は煩雑となるが、操業データの種類に応じて異なるパラメータcを設定することもできる。 In this way, the "preferred range" of parameter c is 3 to 5 even for different types of operation data, so the same value of parameter c can be set for all operation data. However, it is also possible to set different parameters c depending on the type of operation data, although this will complicate the process.

(ステップS1-2:正規分布化処理)
上述の通り、高炉の操業データには、必ずしも正規分布ではなく偏った分布を呈するものも多い。高炉操業予測モデルは、機械学習用の教師データとして用いる操業データを正規分布で仮定したものが多く、非正規分布のデータを用いると、適切なモデルの構築(所望の予測精度を満足するモデルの構築)ができない。そこで、本ステップS1-2では、非正規分布を正規分布に変換する処理(変換工程及び変換ステップに相当する)を行う。なお、正規分布を用いて学習モデルを構築したほうが、予測精度が向上することは技術常識である。なお、正規分布に従う操業データについては、正規分布化処理が不要であることはいうまでもない。
(Step S1-2: normal distribution processing)
As described above, many blast furnace operation data are not necessarily normally distributed but have a biased distribution. Many blast furnace operation prediction models assume that operation data used as training data for machine learning is normally distributed, and if non-normally distributed data is used, an appropriate model (a model that satisfies the desired prediction accuracy) cannot be constructed. Therefore, in this step S1-2, a process (corresponding to a conversion process and a conversion step) is performed to convert the non-normal distribution to a normal distribution. It is technically common knowledge that the prediction accuracy is improved by constructing a learning model using a normal distribution. It goes without saying that normal distribution processing is not required for operation data that follows a normal distribution.

具体的には、データ事前処理部10は、取得した高炉の操業データのうち、歪度の絶対値が閾値(以下、歪度閾値ともいう)よりも大きいか否かを判別する。歪度の絶対値が歪度閾値を超える場合には、当該操業データを正規分布に近づける処理(以下、正規分布化処理ともいう)を行う。正規分布化処理には、例えば「Box-Cox変換」、「Yeo-Johson変換」等を用いることができる。「Box-Cox変換」及び「Yeo-Johson変換」それぞの一般式を数(2)及び数(3)に示す。
Specifically, the data pre-processing unit 10 determines whether the absolute value of skewness of the acquired blast furnace operation data is greater than a threshold value (hereinafter also referred to as the skewness threshold value). If the absolute value of skewness exceeds the skewness threshold value, a process is performed to bring the operation data closer to a normal distribution (hereinafter also referred to as a normal distribution process). For the normal distribution process, for example, the "Box-Cox transformation" and the "Yeo-Johson transformation" can be used. The general formulas of the "Box-Cox transformation" and the "Yeo-Johson transformation" are shown in Equation (2) and Equation (3), respectively.

図7は、一定期間に取得した全ての操業データの歪度の頻度分布である。この頻度分布から明らかなように、歪度が0に近い(つまり、分布が正規分布に近い)操業データもあれば、歪度の絶対値が0から離れている(つまり、非正規分布)操業データもある。図8は炉頂平均温度(℃)の頻度分布であり、横軸が炉頂平均温度(℃)であり、縦軸が頻度である。炉頂平均温度(℃)の場合、歪度の絶対値が0.01であり、概ね正規分布に従っているため、正規分布化処理を行う必要がない。
図9は高炉熱負荷(kW)の頻度分布であり、横軸が高炉熱負荷(kW)であり、縦軸が頻度である。高炉熱負荷(kW)の場合、歪度の絶対値が0.53であり、分布の偏りが大きいため、正規分布化処理を行うことが望ましい。
Fig. 7 shows the frequency distribution of the skewness of all operational data acquired over a certain period of time. As is clear from this frequency distribution, some operational data has a skewness close to 0 (i.e., the distribution is close to a normal distribution), while other operational data has an absolute value of skewness far from 0 (i.e., a non-normal distribution). Fig. 8 shows the frequency distribution of the average furnace top temperature (°C), with the horizontal axis being the average furnace top temperature (°C) and the vertical axis being the frequency. In the case of the average furnace top temperature (°C), the absolute value of the skewness is 0.01, which roughly follows a normal distribution, so there is no need to perform normal distribution processing.
9 shows the frequency distribution of the blast furnace heat load (kW), where the horizontal axis is the blast furnace heat load (kW) and the vertical axis is the frequency. In the case of the blast furnace heat load (kW), the absolute value of the skewness is 0.53, and the distribution is highly biased, so it is desirable to perform normal distribution processing.

正規分布化処理を行うべきか否かの判断基準となる「歪度閾値」の設定方法について、具体例を示しながら詳細に説明する。溶銑温度の予測結果に関して、歪度閾値を変化させながら歪度閾値と相対RMSEとの関係を図10に示した。RMSEの一般式を以下に示す。
ただし、nは溶銑温度のデータ総数であり、yiは溶銑温度の測定値、fiは溶銑温度の予測値のデータである。
The method for setting the "skewness threshold", which is the criterion for determining whether or not normal distribution processing should be performed, will be explained in detail with a concrete example. The relationship between the skewness threshold and the relative RMSE for the prediction results of the molten iron temperature is shown in Figure 10 while changing the skewness threshold. The general formula for RMSE is shown below.
Here, n is the total number of data points for the molten iron temperature, yi is the measured value of the molten iron temperature, and fi is the predicted value of the molten iron temperature.

同図に示すように、歪度閾値が0.35~0.4程度に達すると急激に相対RMSEが増大する。したがって、このデータについては、歪度閾値を0.35~0.4の範囲で適宜(例えば0.38)設定すればよい。歪度閾値は操業データの種類によって異なるものであり、一意に定まるものではない。 As shown in the figure, when the skewness threshold reaches approximately 0.35 to 0.4, the relative RMSE increases rapidly. Therefore, for this data, the skewness threshold can be set appropriately in the range of 0.35 to 0.4 (for example, 0.38). The skewness threshold differs depending on the type of operational data, and is not uniquely determined.

(ステップS2:説明変数の選択)
ステップS1を実施することにより、取得した操業データが全て正規分布データに統一され、多数の正規分布データからなる正規分布データ群を取得することができる。この正規分布データ群には、正規分布化処理が不要と判別された操業データ(つまり、元々正規分布にしたがっている操業データ)も含まれていることは上述の通りである。
(Step S2: Selection of explanatory variables)
By carrying out step S1, all the acquired operational data are standardized into normal distribution data, and a normal distribution data group consisting of a large number of normal distribution data can be acquired. As described above, this normal distribution data group also includes operational data that is determined not to require normal distribution processing (i.e., operational data that originally follows normal distribution).

ステップS2において、データ種別選択部20は、高炉の操業データに含まれる個々の操業データのデータ種別に基づいて、予め定められた目的変数に対応した説明変数を選択する(選択ステップ及び選択工程に相当する)。ここで、データ種別とは、各操業データのカテゴリーのことであり、操業データそのものを表す数値とは異なる概念である。したがって、本明細書における説明変数及び目的変数はいずれも操業データのカテゴリーを意味する。例えば、ユーザが目的変数として「微粉炭比」というデータ種(カテゴリー)を設定した場合、データ種別選択部20は、この「微粉炭比」に対応する説明変数として「微粉炭吹込み量」というデータ種(カテゴリー)を選択することができる。ここで、説明変数を選択する際に、経時的要素も考慮することができる。すなわち、取得タイミングが互いに異なる操業データはデータ種別としては異なるものとして扱うことができる。例えば、「〇時~△時の微粉炭吹込み量」と「△時~×時の微粉炭吹込み量」は互いに異なるデータ種であり、それぞれ独立した説明変数として扱うことができるため、これらが同時に説明変数として選択されることもあり得る。 In step S2, the data type selection unit 20 selects explanatory variables corresponding to the predetermined objective variables based on the data types of the individual operation data included in the blast furnace operation data (corresponding to a selection step and a selection process). Here, the data type refers to the category of each operation data, and is a concept different from the numerical value representing the operation data itself. Therefore, in this specification, both explanatory variables and objective variables refer to categories of operation data. For example, if the user sets a data type (category) of "pulverized coal ratio" as the objective variable, the data type selection unit 20 can select a data type (category) of "pulverized coal injection amount" as the explanatory variable corresponding to this "pulverized coal ratio". Here, when selecting an explanatory variable, a time-dependent factor can also be taken into consideration. In other words, operation data acquired at different times can be treated as different data types. For example, "pulverized coal injection amount from 0 o'clock to △ o'clock" and "pulverized coal injection amount from △ o'clock to x o'clock" are different data types and can be treated as independent explanatory variables, so they may be selected as explanatory variables at the same time.

説明変数を選択するに際して、目的変数を説明するのに有意かつ独立した説明変数を自動で選択する(自動選択方法)ことができる。自動選択方法には、例えば公知のRandom Forest (RF)、LASSO法、EN法など用いることができる。
Random Forest (RF):Random Forest (RF)の変数の重要度に基づき変数選択を行う手法であり、RFを実行した後の変数の重要度が大きい変数を選択する。
LASSO法:LASSOは「Least Absolute Shrinkage and Selection Operator 」の略語であり、この方法ではモデルに寄与しない変数の標準回帰係数の値が0になりやすいため、標準回帰係数の値が0でない変数のみ選択する。
EN法:ENは「Elastic Net」の略語であり、LASSO法と同様に標準回帰係数の値が0になりやすい。したがって、0でない変数を選択する。
When selecting explanatory variables, explanatory variables that are significant and independent in explaining the objective variable can be automatically selected (automatic selection method). For the automatic selection method, for example, the well-known Random Forest (RF), LASSO method, EN method, etc. can be used.
Random Forest (RF): A method for selecting variables based on the importance of variables in Random Forest (RF), and selects variables with high importance after running RF.
LASSO method: LASSO is an abbreviation for "Least Absolute Shrinkage and Selection Operator." With this method, since the standardized regression coefficients of variables that do not contribute to the model tend to be zero, only variables whose standardized regression coefficients are not zero are selected.
EN method: EN is an abbreviation for "Elastic Net", and like the LASSO method, the standard regression coefficients tend to be 0. Therefore, we select variables that are not 0.

(ステップS3:高炉操業予測モデルの構築)
学習モデル生成部30は、ステップS2で選択した説明変数に対応する操業データと予め定められた目的変数に対応する操業データとを教師データとした教師あり機械学習によって高炉操業予測モデル(言い換えると、ニューラルネットワーク)を生成する。これらの操業データは、上述した正規分布データ群から選ばれることは言うまでもない。機械学習とは、所定のデータを入力とすることで所定のデータ分析手法に基づいた予測を実現する人工知能(AI)技術の一つである。データ分析手法とは、データを分析するための分析アルゴリズムを指す。したがって、高炉操業予測モデルは、ユーザが予め定めた目的変数毎に生成され、それぞれの目的変数に応じた分析アルゴリズムに沿って、機械学習技術を用いた高炉操業予測モデルが生成される。生成した高炉操業予測モデルは、適宜チューニングすることができる。以下、チューニング方法について、説明する。教師データとして選択した操業データとは時系列の異なる同種の操業データを入力値及び実績値と定義する。そして、この入力値から高炉操業予測モデルに基づく予測値を求め、この予測値と実績値との差が所定誤差以上ある場合には、高炉予測モデルのチューニングが行われる。チューニングとは、例えばハイパーパラメータを調整することである。ハイパーパラメータは、例えばオープンソースとして公開された種々の方法を用いて調整することができる。
(Step S3: Construction of blast furnace operation prediction model)
The learning model generation unit 30 generates a blast furnace operation prediction model (in other words, a neural network) by supervised machine learning using the operation data corresponding to the explanatory variables selected in step S2 and the operation data corresponding to the predetermined objective variables as training data. It goes without saying that these operation data are selected from the above-mentioned normal distribution data group. Machine learning is one of the artificial intelligence (AI) technologies that realizes prediction based on a predetermined data analysis method by inputting predetermined data. The data analysis method refers to an analysis algorithm for analyzing data. Therefore, a blast furnace operation prediction model is generated for each objective variable predetermined by the user, and a blast furnace operation prediction model using machine learning technology is generated according to an analysis algorithm corresponding to each objective variable. The generated blast furnace operation prediction model can be tuned as appropriate. The tuning method will be described below. The same type of operation data in a different time series from the operation data selected as the training data is defined as an input value and an actual value. Then, a predicted value based on the blast furnace operation prediction model is obtained from this input value, and if the difference between this predicted value and the actual value is equal to or greater than a predetermined error, the blast furnace prediction model is tuned. Tuning means, for example, adjusting a hyperparameter. The hyperparameters can be tuned using various methods published as open source, for example.

この時系列性を考慮する手法として、以下の2つの方法が考えられる。1つ目は、過去数時間(例えば、8時間)前までのデータを別の変数と扱い、最適な教師データを選択する方法である。2つ目は、ニューラルネットワークを構築する際に教師データとして、過去の時系列情報(例えば1時間~8時間前)の情報も導入し、RNN(Recurrent Neural Network)構造として、ニューラルネットワークを構築する方法である。時系列情報とは、操業データを取得した時間のことである。これらの2つの方法のうちいずれか一方を用いて、時系列性を考慮することができる。 There are two possible methods for taking this time series into account. The first is to treat data from the past few hours (e.g., 8 hours) as a separate variable and select the optimal training data. The second is to introduce past time series information (e.g., information from 1 to 8 hours ago) as training data when building a neural network, and build the neural network as an RNN (Recurrent Neural Network) structure. Time series information refers to the time when the operational data was obtained. Time series can be taken into account using either of these two methods.

ニューラルネットワークを構築する際に、以下の方法(公知の方法)によって、過学習を回避してもよい。すなわち、ニューラルネットワークの重み係数が説明変数より多くなると過学習となるため、適宜重み係数ネットを消去する。これにより、過学習が避けられ、かつニューラルネットワークの重み係数の計算が軽減される。例えば、ドロップアウト、忘却付き構造学習を適用することによって、過学習を避けることができる。 When constructing a neural network, overfitting may be avoided by the following method (known method). That is, if the weight coefficients of the neural network become more than the explanatory variables, overfitting occurs, so the weight coefficient net is deleted as appropriate. This avoids overfitting and reduces the calculation of the weight coefficients of the neural network. For example, overfitting can be avoided by applying dropout and structural learning with forgetting.

消去する係数ネットの選択は、例えば、ブートストラップ-LASSO法により、係数が0となる頻度の高い変数を選択して、その結合係数を0にする手法を用いることができる。これによって、過学習が避けられ、より効率的に学習モデルを構築することができる。なお、消去する係数ネットの選択をランダムに行う方法を採用してもよい。 The coefficient net to be eliminated can be selected, for example, by using the bootstrap-LASSO method to select variables whose coefficients are frequently 0 and set their coupling coefficients to 0. This makes it possible to avoid overlearning and build a learning model more efficiently. It is also possible to adopt a method in which the coefficient net to be eliminated is selected randomly.

(ステップS4:アクション決定モデルの構築)
ステップS3を実施することにより、高炉操業予測モデルが構築される。この高炉操業予測モデルを用いることによって、高炉の操業状態(例えば、溶銑温度の変化等)を予測することができる。溶銑温度の変化を予測することにより、図11に図示するように、溶銑温度の変化と微粉炭吹込み量の変化量との関係情報を作成することができる。図11の縦軸が溶銑温度の変化であり、横軸が微粉炭吹込み量の変化量である。微粉炭吹込み量の変化量は、過去の操業実績から導出できる。高炉の操業を監視する作業者は、図11の関係に基づき適切な吹込み量を決定し、高炉の操業を行うことができる。
(Step S4: Building an action decision model)
By carrying out step S3, a blast furnace operation prediction model is constructed. By using this blast furnace operation prediction model, the operation state of the blast furnace (for example, change in molten pig iron temperature, etc.) can be predicted. By predicting the change in molten pig iron temperature, it is possible to create relationship information between the change in molten pig iron temperature and the change in pulverized coal injection amount, as shown in FIG. 11. The vertical axis of FIG. 11 represents the change in molten pig iron temperature, and the horizontal axis represents the change in pulverized coal injection amount. The change in pulverized coal injection amount can be derived from past operation results. An operator monitoring the operation of the blast furnace can determine an appropriate injection amount based on the relationship in FIG. 11 and operate the blast furnace.

図11に示すように、溶銑温度の変化と微粉炭吹込み量の変化量との間には概ね正の相関があるが、溶銑温度の変化に対して操業アクションを一意に決定するのは難しい。そこで、溶銑温度の変化に対するアクションを種々変化させて微粉炭吹込みのアクションを最適化するための最適アクション決定モデルを強化学習により構築し、構築した最適アクション決定モデルを用いて最適なアクションを決定してもよい。最適アクション決定モデルの構築は、学習モデル生成部30が行ってもよい。 As shown in FIG. 11, there is a generally positive correlation between the change in molten iron temperature and the change in the amount of pulverized coal injection, but it is difficult to uniquely determine an operational action for a change in molten iron temperature. Therefore, an optimal action determination model for optimizing the action of pulverized coal injection by variously changing the action for the change in molten iron temperature may be constructed by reinforcement learning, and the optimal action may be determined using the constructed optimal action determination model. The construction of the optimal action determination model may be performed by the learning model generation unit 30.

ここで、強化学習とは、状態(State)Sの時に、戦略(Policy)n(s)にしたがって、行動(Actions) A (s)を実行することであり、その際に報酬(Reward)R(s)が最大となるように戦略を決定することである。高炉操業において、状態Sは現在の操業状態のことであり、例えば溶銑温度が低下している等の操業状態が含まれる。なお、状態Sを監視するために、溶銑温度を常に監視していることは言うまでもない。行動A (s)とは、操業状態の変化に対応して起こすアクションであり、例えば、溶銑温度が低下している場合には、増加させるべき微粉炭の吹込み量を決定することに対応する。報酬は、例えば予測した溶銑温度と、実際のアクション後の結果である溶銑温度の差から決定することができる。
例えば、溶銑温度を目的変数として予め定めたときには、溶銑温度の予測値とアクション後の結果の差が0の時を1とし、目標変数の分布の1σ相当となったときを報酬が0として例えば線形補完し、それ以下であればマイナスの値としてもよい。
Here, reinforcement learning means executing actions A(s) according to a strategy n(s) at the time of state S, and determining a strategy so that reward R(s) is maximized. In blast furnace operation, state S is the current operating state, and includes, for example, an operating state in which the molten iron temperature is decreasing. It goes without saying that the molten iron temperature is constantly monitored in order to monitor state S. Action A(s) is an action taken in response to a change in the operating state, and corresponds to, for example, determining the amount of pulverized coal injection to be increased when the molten iron temperature is decreasing. The reward can be determined, for example, from the difference between the predicted molten iron temperature and the molten iron temperature that is the result after the actual action.
For example, when the molten iron temperature is predetermined as the objective variable, when the difference between the predicted value of the molten iron temperature and the result after the action is taken is set to 0, and when it is equivalent to 1σ of the distribution of the target variable, the reward is set to 0, for example, by linear interpolation, and if it is less than that, it can be set to a negative value.

そのうえで、一定期間、溶銑温度が目標値から外れた時に、吹込み量を種々調整した微粉炭吹込みアクションを試行し、その後は報酬の期待値の高いアクション(微粉炭の吹込み量の決定)を実施する。強化学習により最適アクション決定モデルを構築する場合には、モデルパラメータの更新のためには多いほうがよく、6か月程度は要する。その後は、逐次パラメータの更新を行うことにより、目的変数とアクションの対応関係の精度を向上させることにより、目的変数の制御性を向上させることができる。また制御因子や制御目的が複数ある場合には、戦略(Policy)、行動(Actions)A(s)、報酬(Reward)R(s)をテンソルとすることにより、モデル構築が可能となる。なお、ステップS4を実行する際に、操業データを記憶しておくことが望ましい。 After that, when the molten iron temperature deviates from the target value for a certain period of time, variously adjusted pulverized coal injection actions are tried, and then an action with a high expected reward (determination of the pulverized coal injection amount) is implemented. When constructing an optimal action decision model using reinforcement learning, it is better to update the model parameters more frequently, and it takes about six months. After that, by sequentially updating the parameters, the accuracy of the correspondence between the objective variable and the action can be improved, thereby improving the controllability of the objective variable. In addition, when there are multiple control factors and control objectives, a model can be constructed by treating the strategy (Policy), action (Actions) A(s), and reward (Reward) R(s) as tensors. It is desirable to store the operation data when executing step S4.

(ステップS5:予測モデルの再構築)
アクション決定モデル(ステップS4)に基づいて決定された最適アクションを用いて高炉操業を行うことによって取得された操業データは、過去の操業データ(ステップS1で用いた操業データ)に比べて、外れ値が少ない。したがって、このような操業データを用いてステップS1~S3を実行し、再度予測モデルを構築することとしてもよい。また、予測モデルを再構築するだけでなく、ステップS3で構築した予測モデルに対して、ステップS4で記録した新たな操業データを教師データとして教師あり学習を再度実行することによって、構築済の予測モデルをチューニングしてもよい。
(Step S5: Reconstruction of prediction model)
The operation data acquired by operating the blast furnace using the optimal action determined based on the action decision model (step S4) has fewer outliers than the past operation data (operation data used in step S1). Therefore, steps S1 to S3 may be executed using such operation data to reconstruct the prediction model. In addition to reconstructing the prediction model, the constructed prediction model may be tuned by executing supervised learning again for the prediction model constructed in step S3 using the new operation data recorded in step S4 as teacher data.

ステップS1~S5で説明した処理は、プログラムによって実現することができる。すなわち、各種処理を実現するために予め用意されたプログラムが記憶媒体40に格納され、CPU等のコンピュータが記憶媒体40に格納された当該プログラムを実行することで、実現することができる。 The processes described in steps S1 to S5 can be realized by a program. That is, programs prepared in advance to realize the various processes are stored in the storage medium 40, and a computer such as a CPU executes the programs stored in the storage medium 40 to realize the processes.

実施例を示しながら本発明について具体的に説明する。以下の比較例1~3及び実施例1を実施して、溶銑温度の予測値の相対RMSEと、コークス比の変動係数とを評価した。評価結果を図12及び図13に示した。 The present invention will be specifically described with reference to examples. Comparative Examples 1 to 3 and Example 1 below were carried out to evaluate the relative RMSE of the predicted value of the molten iron temperature and the coefficient of variation of the coke ratio. The evaluation results are shown in Figures 12 and 13.

(比較例1)
従来の知識ベースによる溶銑温度予測に基づき、オペレータが推定した結果に基づいて最適アクション(吹込み量)を決定した。内容積5000mクラスの高炉で、還元材比約500kg/t、コークス比約340kg/t、出銑比約2.0の操業条件下での操業を比較のベースとした。この操業では、高炉操業のオペレータが、知識ベースのガイダンスシステムが指示する溶銑温度の予測値に従って、作業標準に基づき微粉炭吹込み量を調整することにより、溶銑温度を目標値に近づける操業を行った。
(Comparative Example 1)
Based on the conventional knowledge-based prediction of molten iron temperature, the operator estimated the optimum action (injection amount) and decided on the result. The comparison was based on a blast furnace with an internal volume of 5,000 m3 , with a reducing agent rate of approximately 500 kg/t, a coke rate of approximately 340 kg/t, and a productivity rate of approximately 2.0. In this operation, the blast furnace operator adjusted the amount of pulverized coal injection based on the work standard in accordance with the predicted value of the molten iron temperature indicated by the knowledge-based guidance system, thereby operating to bring the molten iron temperature closer to the target value.

(比較例2)
ステップS1をスキップして(言い換えると、外れ値の除去及び正規分布化処理をせずに)ステップS2及びS3のみで構築した予測モデルを用いて溶銑温度を推定した。オペレータが最適アクション(吹込み量)を決定した。従来の操業をベースに、ニューラルネットワークによる予測モデルを用いて、溶銑温度を予測し、その予測値に従って、作業標準に基づき微粉炭吹込み量を調整することにより、溶銑温度を目標値に制御するように操業した。
(Comparative Example 2)
Step S1 was skipped (in other words, no outliers were removed and no normal distribution processing was performed), and the molten iron temperature was estimated using the prediction model constructed only in steps S2 and S3. The operator decided the optimal action (injection amount). Based on the conventional operation, the molten iron temperature was predicted using a prediction model based on a neural network, and the pulverized coal injection amount was adjusted based on the work standard according to the predicted value, thereby controlling the molten iron temperature to the target value.

(比較例3)
ステップS1~S3のうちステップS1の「正規分布化処理」を除いて予測モデルを構築した。ニューラルネットワーク予測モデルによる比較例2の操業をベースに、ニューラルネットワークによる予測モデルに外れ値処理機能を追加したモデルを用いて、溶銑温度を予測し、その予測値に従って、作業標準に基づき微粉炭吹込み量を調整することにより、溶銑温度を目標値に制御するような操業を行った。ただし、本モデルの実施時には、分布の正規分布化処理を行う機能は組み込まなかった。
(Comparative Example 3)
A prediction model was constructed by excluding the "normal distribution processing" of step S1 among steps S1 to S3. Based on the operation of Comparative Example 2 using the neural network prediction model, a model in which an outlier processing function was added to the neural network prediction model was used to predict the molten iron temperature, and the amount of pulverized coal injection was adjusted based on the work standard according to the predicted value, thereby controlling the molten iron temperature to the target value. However, when this model was implemented, the function of performing normal distribution processing of the distribution was not incorporated.

(実施例1)
ステップS3で構築した予測モデルに、正規分布化処理機能を追加した。ニューラルネットワーク予測モデルによる比較例3の操業をベースに、ニューラルネットワークによる予測モデルに外れ値処理機能と分布の正規分布化処理機能を追加したモデルを用いて、溶銑温度を予測し、その予測値に従って、作業標準に基づき微粉炭吹込み量を調整することにより、溶銑温度を目標値に制御するような操業を行った。図12及び図13に示す通り、溶銑温度の予測値の相対RMSEの低減と、コークス比の変動係数のより一層の低減を実現することができた。
Example 1
A normal distribution processing function was added to the prediction model constructed in step S3. Based on the operation of Comparative Example 3 using the neural network prediction model, a model in which an outlier processing function and a normal distribution processing function were added to the neural network prediction model was used to predict the molten iron temperature, and the amount of pulverized coal injection was adjusted based on the work standard in accordance with the predicted value, thereby controlling the molten iron temperature to the target value. As shown in Figures 12 and 13, it was possible to reduce the relative RMSE of the predicted value of the molten iron temperature and to further reduce the coefficient of variation of the coke rate.

1 高炉操業用機械学習用装置
2 高炉
10 データ事前処理部
20 データ種別選択部
30 学習モデル生成部
40 記憶媒体


1 Machine learning device for blast furnace operation 2 Blast furnace 10 Data pre-processing unit 20 Data type selection unit 30 Learning model generation unit 40 Storage medium


Claims (6)

高炉の操業データのうち、歪度が歪度閾値を超える非正規分布データを正規分布データに変換することにより、前記の高炉の操業データを正規分布データに統一するデータ事前処理部と、
高炉の操業データに含まれる個々の操業データのデータ種別に基づいて、予め定められた目的変数に対応した説明変数を選択するデータ種別選択部と、
選択した説明変数に対応する高炉の操業データと目的変数に対応する高炉の操業データとを教師データとした機械学習を行うことで高炉操業予測モデルを生成するモデル生成部と、
を有し、
前記データ事前処理部は、非正規分布データを正規分布データに変換する前に、各操業データに含まれる外れ値を除去する除去処理を行い、
前記データ事前処理部は、下記の式(1)に基づくHampel Identifier法にしたがって前記の除去処理を行うことを特徴とする高炉操業用機械学習装置。
median(xi)±cMAD(xi)・・・・・・・・式(1)
ただし、MAD(xi)=median(|xi-median(xi)|)であり、medianは中央値であり、cは3以上5以下(ただし、整数に限らない)の範囲から選ばれるパラメータである。
a data pre-processing unit that converts non-normally distributed data, the skewness of which exceeds a skewness threshold, into normally distributed data, thereby unifying the blast furnace operation data into normally distributed data;
a data type selection unit that selects explanatory variables corresponding to a predetermined objective variable based on a data type of each piece of operation data included in the operation data of the blast furnace;
a model generation unit that generates a blast furnace operation prediction model by performing machine learning using the blast furnace operation data corresponding to the selected explanatory variables and the blast furnace operation data corresponding to the objective variables as training data;
having
The data pre-processing unit performs a removal process to remove outliers contained in each operational data before converting the non-normally distributed data into normally distributed data;
The data pre-processing unit performs the removal process in accordance with a Hampel Identifier method based on the following equation (1) .
median(xi)±cMAD(xi)...Formula (1)
Here, MAD(xi) = median (|xi - median(xi)|), median is the median value, and c is a parameter selected from the range of 3 to 5 (however, not limited to integers).
前記データ種別選択部は、高炉の操業データに取得タイミングが互いに異なる同種の操業データが含まれている場合に、これらの操業データのデータ種別を互いに異なるデータ種別として説明変数の選択を行うことを特徴とする請求項1記載の高炉操業用機械学習装置。 2. The machine learning device for blast furnace operation according to claim 1, wherein, when the blast furnace operation data includes the same type of operation data that are acquired at different timings, the data type selection unit selects the explanatory variables by treating the data types of the operation data as different data types. 請求項1または2の高炉操業用機械学習装置を用いて高炉の操業状態を予測し、
この予測結果に基づくアクションを実行することにより高炉を操業することを特徴とする高炉の操業方法。
Predicting the operational state of a blast furnace using the machine learning device for blast furnace operation according to claim 1 or 2 ;
A method for operating a blast furnace, comprising the steps of: executing an action based on the prediction result to operate the blast furnace.
請求項3に記載のアクションを実施した後に得られる高炉のアクション後操業データのうち、歪度が歪度閾値を超える非正規分布データを正規分布データに変換することにより、前記の高炉のアクション後操業データを正規分布データに統一するデータ事前処理部と、
前記の高炉のアクション後操業データに含まれる個々のアクション後操業データのデータ種別に基づいて、予め定められた目的変数に対応した説明変数を選択するデータ種別選択部と、
選択した説明変数に対応する高炉のアクション後操業データと目的変数に対応する高炉のアクション後操業データとを教師データとした機械学習を行うことで高炉操業予測モデルを生成するモデル生成部と、
を有することを特徴とする高炉操業用機械学習装置。
a data pre-processing unit that converts non-normally distributed data having a skewness exceeding a skewness threshold into normally distributed data among post-action operation data of a blast furnace obtained after the action described in claim 3 is performed, and unifies the post-action operation data of the blast furnace into normally distributed data;
A data type selection unit that selects an explanatory variable corresponding to a predetermined objective variable based on a data type of each post-action operation data included in the post -action operation data of the blast furnace;
a model generation unit that generates a blast furnace operation prediction model by performing machine learning using as training data the post- action operation data of the blast furnace corresponding to the selected explanatory variables and the post-action operation data of the blast furnace corresponding to the objective variable;
A machine learning device for blast furnace operation comprising:
高炉の操業データのうち、歪度が歪度閾値を超える非正規分布データを正規分布データに変換することにより、前記の高炉の操業データを正規分布データに統一する変換ステップと、
高炉の操業データに含まれる個々の操業データのデータ種別に基づいて、予め定められた目的変数に対応した説明変数を選択するデータ種別選択ステップと、
前記データ種別選択ステップで選択した説明変数に対応する高炉の操業データと前記目的変数に対応する高炉の操業データとを教師データとして機械学習により高炉操業予測モデルを生成するモデル生成ステップと、
をコンピュータに実行させ
前記変換ステップにおいて、非正規分布データを正規分布データに変換する前に、各操業データに含まれる外れ値を除去する除去ステップを行い、
前記変換ステップにおいて、下記の式(1)に基づくHampel Identifier法にしたがって前記の除去ステップを行うことを特徴とする高炉操業用機械学習装置に用いられるプログラム。
median(xi)±cMAD(xi)・・・・・・・・式(1)
ただし、MAD(xi)=median(|xi-median(xi)|)であり、medianは中央値であり、cは3以上5以下(ただし、整数に限らない)の範囲から選ばれるパラメータである。
A conversion step of unifying the blast furnace operation data into normal distribution data by converting non-normal distribution data, the skewness of which exceeds a skewness threshold, into normal distribution data among the blast furnace operation data;
A data type selection step of selecting an explanatory variable corresponding to a predetermined objective variable based on a data type of each piece of operation data included in the operation data of the blast furnace;
A model generation step of generating a blast furnace operation prediction model by machine learning using the blast furnace operation data corresponding to the explanatory variables selected in the data type selection step and the blast furnace operation data corresponding to the objective variables as training data;
Run the following on your computer :
In the conversion step, before converting the non-normally distributed data into normally distributed data, a removal step is performed to remove outliers contained in each operational data;
A program used in a machine learning device for blast furnace operation, characterized in that in the conversion step, the removal step is performed according to the Hampel Identifier method based on the following equation (1) .
median(xi)±cMAD(xi)...Formula (1)
Here, MAD(xi) = median (|xi - median(xi)|), median is the median value, and c is a parameter selected from the range of 3 to 5 (however, not limited to integers).
高炉の操業データのうち、歪度が歪度閾値を超える非正規分布データを正規分布データに変換することにより、前記の高炉の操業データを正規分布データに統一する変換工程と、
高炉の操業データに含まれる個々の操業データのデータ種別に基づいて、予め定められた目的変数に対応した説明変数を選択するデータ種別選択工程と、
前記データ種別選択工程で選択した説明変数に対応する高炉の操業データと前記目的変数に対応する高炉の操業データとを教師データとして機械学習により高炉操業予測モデルを生成するモデル生成工程と、
を有し、
前記変換工程において、非正規分布データを正規分布データに変換する前に、各操業データに含まれる外れ値を除去する除去工程を行い、
前記変換工程において、下記の式(1)に基づくHampel Identifier法にしたがって前記の除去工程を行うことを特徴とする高炉操業予測モデルの生成方法。
median(xi)±cMAD(xi)・・・・・・・・式(1)
ただし、MAD(xi)=median(|xi-median(xi)|)であり、medianは中央値であり、cは3以上5以下(ただし、整数に限らない)の範囲から選ばれるパラメータである。
A conversion step of converting non-normally distributed data of the blast furnace operation data, the skewness of which exceeds a skewness threshold, into normally distributed data, thereby unifying the blast furnace operation data into normally distributed data;
A data type selection step of selecting an explanatory variable corresponding to a predetermined objective variable based on a data type of each piece of operation data included in the operation data of the blast furnace;
A model generation process of generating a blast furnace operation prediction model by machine learning using the blast furnace operation data corresponding to the explanatory variables selected in the data type selection process and the blast furnace operation data corresponding to the objective variables as teacher data;
having
In the conversion step, before converting the non-normally distributed data into normally distributed data, a removal step is performed to remove outliers contained in each operational data;
A method for generating a blast furnace operation prediction model, characterized in that in the conversion step, the removal step is performed according to a Hampel Identifier method based on the following equation (1) .
median(xi)±cMAD(xi)...Formula (1)
Here, MAD(xi) = median (|xi - median(xi)|), median is the median value, and c is a parameter selected from the range of 3 to 5 (however, not limited to integers).
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