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JP7712151B2 - Skin loss prediction device, machine learning device, skin loss prediction method, and machine learning method - Google Patents
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JP7712151B2 - Skin loss prediction device, machine learning device, skin loss prediction method, and machine learning method - Google Patents

Skin loss prediction device, machine learning device, skin loss prediction method, and machine learning method

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JP7712151B2 JP2021141123A JP2021141123A JP7712151B2 JP 7712151 B2 JP7712151 B2 JP 7712151B2 JP 2021141123 A JP2021141123 A JP 2021141123A JP 2021141123 A JP2021141123 A JP 2021141123A JP 7712151 B2 JP7712151 B2 JP 7712151B2
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Description

本発明は、トンネル切羽における肌落ちの可能性を予測する肌落ち予測装置、肌落ち予測装置に用いられる学習モデルを生成する機械学習装置、トンネル切羽における肌落ちの可能性を予測する肌落ち予測方法、及び、肌落ち予測方法に用いられる学習モデルを生成する機械学習方法に関する。 The present invention relates to a skin-fall prediction device that predicts the possibility of skin-fall at a tunnel face, a machine learning device that generates a learning model used in the skin-fall prediction device, a skin-fall prediction method that predicts the possibility of skin-fall at a tunnel face, and a machine learning method that generates a learning model that is used in the skin-fall prediction method.

山岳トンネル工事における掘削の最先端(切羽)においては、岩石の落下など(肌落ち)による重大災害を可能な限り抑制することが肝要となる。このため、切羽観察を行い、剥落が予測される箇所を推定し、あらかじめ当該箇所をたたき落としたり、当該箇所に対してコンクリート吹き付けを行ったりなどの対策が講じられる。切羽観察は熟練の技術者の目視判断に依存しているため、見落としや個人差が発生しやすい。そこで、非特許文献1においては、人工知能技術を用いて、切羽における肌落ちを予測する技術が提案されている。 At the very tip of the excavation (face) in mountain tunnel construction, it is essential to prevent serious accidents caused by falling rocks (skin falls) as much as possible. For this reason, the face is observed, locations where spalling is predicted are estimated, and measures are taken such as knocking off the locations in advance or spraying concrete at those locations. Face observation relies on the visual judgment of experienced engineers, so oversights and individual differences are likely to occur. Therefore, Non-Patent Document 1 proposes a technology that uses artificial intelligence to predict skin falls at the face.

西沢ほか「マルチモーダル深層学習による切羽崩落予測」2019年人工知能学会全国大会第33回論文集Nishizawa et al., "Prediction of Tunnel Face Collapse Using Multimodal Deep Learning," Proceedings of the 33rd Annual Conference of the Japanese Society for Artificial Intelligence, 2019

非特許文献1記載の従来技術では、切羽画像、風化変質度数値、割目交差密度数値をResnet50で特徴抽出し、ニューラルネットワークで肌落ちの可能性あり、なしの二択を検出するものであり、肌落ちの危険性がある位置を予測することができない、という課題があった。 In the conventional technology described in Non-Patent Document 1, features of the face image, weathering deterioration degree value, and crack intersection density value are extracted using Resnet 50, and a neural network is used to detect whether or not there is a possibility of skin shedding, but there was an issue that it was not possible to predict locations where there was a risk of skin shedding.

また、従来技術は、切羽画像の他には、風化変質度数値、割目交差密度数値だけから肌落ちの可能性を評価するものであり、精度と汎用性が低い、という課題もあった。さらに、従来技術のようにResnet50で特徴量を抽出するだけでは、肌落ち予測の要因がブラックボックス化してしまう、という課題もあった。 In addition, the conventional technology evaluates the possibility of skin shedding only from the weathering deterioration degree value and the crack intersection density value in addition to the face image, which has the problem of low accuracy and versatility. Furthermore, there is also the problem that the factors for skin shedding prediction become a black box when only extracting features with Resnet50 as in the conventional technology.

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、肌落ちの危険性がある位置を予測することが可能な肌落ち予測装置、肌落ち予測装置に用いられる学習モデルを生成する機械学習装置、肌落ちの危険性がある位置を予測することが可能な肌落ち予測方法、及び、肌落ち予測方法に用いられる学習モデルを生成する機械学習方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a skin-fall prediction device capable of predicting positions at risk of skin-fall, a machine learning device that generates a learning model to be used in the skin-fall prediction device, a skin-fall prediction method capable of predicting positions at risk of skin-fall, and a machine learning method that generates a learning model to be used in the skin-fall prediction method.

上記目的を達成するために、本発明に係る肌落ち予測装置は、トンネル切羽における肌落ちを予測する肌落ち予測装置であって、トンネル切羽が撮像された予測用画像を含む判定データを取得する判定データ取得部と、前記トンネル切羽が撮像された学習用画像を含む入力データと、当該学習用画像に含まれる肌落ち予測指摘箇所と肌落ち要因パターン指摘箇所とに関するデータを含む出力データとの相関関係を機械学習させた学習モデルを記憶する学習済みモデル記憶部と、前記判定データ取得部により取得された前記判定データを前記学習モデルに入力し、前記予測用画像に撮像された前記トンネル切羽の肌落ち予測箇所を推論する推論部とを備え、前記予測用画像は、複数の画像データに切り出され用いられると共に、複数の画像データのそれぞれは、他の画像データとの重複部を有し、複数の画像データそれぞれは重み係数を有し、画像データと共に当該画像データの重み係数が前記学習モデルに入力され、重複部はグリッド状に分割された画像を複数含み、重み係数はトンネル切羽の中央部より周縁部の方が高いことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the skin fall prediction device of the present invention is a skin fall prediction device that predicts skin falls at a tunnel face, and includes a judgment data acquisition unit that acquires judgment data including a prediction image in which the tunnel face is captured, a learned model storage unit that stores a learning model that has been machine-learned to learn the correlation between input data including a learning image in which the tunnel face is captured and output data including data related to the skin fall prediction indication points and the skin fall factor pattern indication points contained in the learning image, and an inference unit that inputs the judgment data acquired by the judgment data acquisition unit into the learning model and infers the skin fall prediction points of the tunnel face captured in the prediction image , and the prediction image is cut out into a plurality of image data and used, each of the plurality of image data has an overlapping portion with other image data, each of the plurality of image data has a weighting coefficient, and the weighting coefficient of the image data is input to the learning model together with the image data, the overlapping portion includes a plurality of images divided into a grid shape, and the weighting coefficient is higher at the peripheral portion of the tunnel face than at the central portion .

また、本発明に係る肌落ち予測装置は、前記予測用画像において、前記肌落ち予測箇所が標識されることを特徴とする。 The skin loss prediction device according to the present invention is also characterized in that the predicted skin loss areas are marked in the prediction image.

また、本発明に係る肌落ち予測装置は、前記予測用画像において、前記肌落ち予測箇所の予測根拠が可視化されることを特徴とする。 The skin loss prediction device according to the present invention is also characterized in that the prediction basis for the predicted skin loss areas is visualized in the prediction image.

また、本発明に係る機械学習装置は、トンネル切羽における肌落ちを予測する肌落ち予測装置に用いられる学習モデルを生成する機械学習装置であって、前記トンネル切羽が撮像された学習用画像を含む入力データと、当該学習用画像に含まれる肌落ち予測指摘箇所と肌落ち要因パターン指摘箇所とに関するデータを含む出力データとで構成される学習データを複数組記憶する学習データ記憶部と、前記学習モデルに前記学習データを複数組入力することで、前記入力データと前記出力データとの相関関係を前記学習モデルに機械学習させる機械学習部と、前記機械学習部により機械学習させた前記学習モデルを記憶する学習済みモデル記憶部とを備え、前記学習用画像は、複数の画像データに切り出され用いられると共に、複数の画像データのそれぞれは、他の画像データとの重複部を有し、複数の画像データそれぞれは重み係数を有し、画像データと共に当該画像データの重み係数が前記学習モデルに入力され、重複部はグリッド状に分割された画像を複数含み、重み係数はトンネル切羽の中央部より周縁部の方が高いことを特徴とする。
Further, the machine learning device according to the present invention is a machine learning device that generates a learning model used in a skin fall prediction device that predicts skin fall at a tunnel face, and includes a learning data storage unit that stores multiple sets of learning data consisting of input data including a learning image in which the tunnel face is captured, and output data including data related to skin fall prediction indication points and skin fall factor pattern indication points included in the learning image, a machine learning unit that inputs multiple sets of the learning data to the learning model to machine learn the correlation between the input data and the output data, and a learned model storage unit that stores the learning model machine-learned by the machine learning unit , and the learning image is cut out into multiple image data and used, each of the multiple image data has an overlapping portion with other image data, each of the multiple image data has a weighting coefficient, and the weighting coefficient of the image data is input to the learning model together with the image data, the overlapping portion includes multiple images divided into a grid shape, and the weighting coefficient is higher at the peripheral portion than at the center portion of the tunnel face .

また、本発明に係る肌落ち予測方法は、トンネル切羽における肌落ちを予測する肌落ち予測方法であって、トンネル切羽が撮像された予測用画像を含む判定データを取得する判定データ取得工程と、前記判定データ取得工程により取得された前記判定データを、前記トンネル切羽が撮像された学習用画像を含む入力データと、当該学習用画像に含まれる肌落ち予測指摘箇所と肌落ち要因パターン指摘箇所とに関するデータを含む出力データとの相関関係を機械学習させた学習モデルに入力し、前記予測用画像に撮像された前記トンネル切羽の肌落ち予測箇所推論する推論工程とを備え、前記予測用画像は、複数の画像データに切り出され用いられると共に、複数の画像データのそれぞれは、他の画像データとの重複部を有し、複数の画像データそれぞれは重み係数を有し、画像データと共に当該画像データの重み係数が前記学習モデルに入力され、重複部はグリッド状に分割された画像を複数含み、重み係数はトンネル切羽の中央部より周縁部の方が高いことを特徴とする。
In addition, the skin fall prediction method of the present invention is a skin fall prediction method for predicting skin falls at a tunnel face, and includes a judgment data acquisition process for acquiring judgment data including a prediction image in which the tunnel face is captured, and an inference process for inputting the judgment data acquired by the judgment data acquisition process into a learning model that has been machine-learned to learn the correlation between input data including a learning image in which the tunnel face is captured and output data including data related to skin fall prediction indication points and skin fall factor pattern indication points contained in the learning image, and inferring the skin fall prediction points of the tunnel face captured in the prediction image , wherein the prediction image is cut out into a plurality of image data and used, each of the plurality of image data has an overlapping portion with other image data, each of the plurality of image data has a weighting coefficient, and the weighting coefficient of the image data is input to the learning model together with the image data, the overlapping portion includes a plurality of images divided into a grid shape, and the weighting coefficient is higher at the peripheral portion of the tunnel face than at the central portion .

また、本発明に係る機械学習方法は、トンネル切羽における肌落ちを予測する肌落ち予測方法に用いられる学習モデルを生成する機械学習方法であって、前記トンネル切羽が撮像された学習用画像を含む入力データと、当該学習用画像に含まれる肌落ち予測指摘箇所と肌落ち要因パターン指摘箇所とに関するデータを含む出力データとで構成される学習データを学習データ記憶部に複数組記憶する学習データ記憶工程と、前記学習モデルに前記学習データを複数組入力することで、前記入力データと前記出力データとの相関関係を前記学習モデルに機械学習させる機械学習工程と、前記機械学習工程により機械学習させた前記学習モデルを学習済みモデル記憶部に記憶する学習済みモデル記憶工程とを備え、前記学習用画像は、複数の画像データに切り出され用いられると共に、複数の画像データのそれぞれは、他の画像データとの重複部を有し、複数の画像データそれぞれは重み係数を有し、画像データと共に当該画像データの重み係数が前記学習モデルに入力され、重複部はグリッド状に分割された画像を複数含み、重み係数はトンネル切羽の中央部より周縁部の方が高いことを特徴とする。 Further, the machine learning method according to the present invention is a machine learning method for generating a learning model used in a skin fall prediction method for predicting skin fall at a tunnel face, and includes a learning data storage step for storing multiple sets of learning data in a learning data storage unit, the learning data being composed of input data including a learning image in which the tunnel face is captured, and output data including data relating to skin fall prediction indication points and skin fall factor pattern indication points included in the learning image; a machine learning step for inputting multiple sets of the learning data into the learning model, thereby making the learning model learn by machine learning the correlation between the input data and the output data; and a learned model storage step for storing the learning model machine-learned by the machine learning step in a learned model storage unit , the learning image being cut out into multiple image data, each of the multiple image data having an overlapping portion with other image data, each of the multiple image data having a weighting coefficient, the weighting coefficient of the image data being input to the learning model together with the image data, the overlapping portion including multiple images divided into a grid shape, and the weighting coefficient being higher in the peripheral portion than in the central portion of the tunnel face .

本発明に係る肌落ち予測装置によれば、肌落ち予測指摘箇所に加え、肌落ち要因パターン指摘箇所に基づいて、肌落ち予測箇所が推論されるので、より精度高く肌落ちの危険性がある箇所を予測することができる。また、肌落ち要因パターン指摘箇所に基づく推論がなされるために、肌落ち予測要因がブラックボックス化してしまうことを防止できる。 According to the skin loss prediction device of the present invention, the predicted skin loss locations are inferred based on the indicated skin loss factor patterns in addition to the indicated skin loss predicted locations, so it is possible to predict locations at risk of skin loss with greater accuracy. In addition, because inference is made based on the indicated skin loss factor patterns, it is possible to prevent skin loss prediction factors from becoming a black box.

また、本発明に係る機械学習装置によれば、より精度高く肌落ちの危険性がある箇所を予測可能な肌落ち予測装置に用いられる学習モデルを生成することができる。 In addition, the machine learning device according to the present invention can generate a learning model to be used in a skin loss prediction device that can predict areas at risk of skin loss with greater accuracy.

本発明に係る肌落ち予測方法によれば、肌落ち予測指摘箇所に加え、肌落ち要因パターン指摘箇所に基づいて、肌落ち予測箇所が推論されるので、より精度高く肌落ちの危険性がある箇所を予測することができる。また、肌落ち要因パターン指摘箇所に基づく推論がなされるために、肌落ち予測要因がブラックボックス化してしまうことを防止できる。 According to the skin loss prediction method of the present invention, the predicted skin loss locations are inferred based on the indicated skin loss factor patterns in addition to the indicated skin loss predicted locations, so that it is possible to predict locations at risk of skin loss with greater accuracy. In addition, because inference is made based on the indicated skin loss factor patterns, it is possible to prevent skin loss prediction factors from becoming a black box.

また、本発明に係る機械学習方法によれば、より精度高く肌落ちの危険性がある箇所を予測可能な肌落ち予測方法に用いられる学習モデルを生成することができる。 In addition, the machine learning method according to the present invention can generate a learning model to be used in a skin loss prediction method that can predict areas at risk of skin loss with greater accuracy.

本発明の実施形態に係る肌落ち予測システム1の一例を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing an example of a skin fall prediction system 1 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る機械学習装置4の一例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of a machine learning device 4 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る肌落ち予測システム1における学習データの作成工程例を説明する図である。10A to 10C are diagrams illustrating an example of a process for creating learning data in the skin fall prediction system 1 according to an embodiment of the present invention. 肌落ち要因パターン指摘箇所の分類表を示している。This shows a classification table of the areas that indicate skin sagging causes. トンネル切羽10が撮像された学習用画像30の処理例を説明する図である。1 is a diagram illustrating an example of processing a learning image 30 in which a tunnel face 10 is captured. FIG. 学習データのデータセット例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a data set of learning data. 学習モデル2で用いられる重み係数を説明する図である。FIG. 13 is a diagram illustrating weighting coefficients used in learning model 2. 本発明の実施形態に係る学習モデル2に適用されるニューラルネットワークモデル20の一例を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing an example of a neural network model 20 applied to a learning model 2 according to an embodiment of the present invention. FIG. 各出力層で得られる推論結果を説明する図である。FIG. 2 is a diagram explaining the inference results obtained at each output layer. 本発明の実施形態に係る肌落ち予測装置5の一例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of a skin fall prediction device 5 according to an embodiment of the present invention. 肌落ち予測システム1の各装置3~6を構成するコンピュータ900の一例を示すハードウエア構成図である。9 is a hardware configuration diagram showing an example of a computer 900 constituting each of the devices 3 to 6 of the skin fall prediction system 1. FIG. 本発明の実施形態に係る機械学習装置4による機械学習方法の一例を示すフローチャートであるA flowchart showing an example of a machine learning method by the machine learning device 4 according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る肌落ち予測装置5による肌落ち予測方法の一例を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing an example of a skin fall prediction method performed by the skin fall prediction device 5 according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る肌落ち予測装置5による出力表示例を示す図である。11A and 11B are diagrams illustrating an example of an output display by the skin fall prediction device 5 according to the embodiment of the present invention.

以下、図面を参照して本発明を実施するための実施形態について説明する。以下では、本発明の目的を達成するための説明に必要な範囲を模式的に示し、本発明の該当部分の説明に必要な範囲を主に説明することとし、説明を省略する箇所については公知技術によるものとする。
(本発明の実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る肌落ち予測システム1の一例を示す全体構成図である。肌落ち予測システム1は、山岳トンネル工事における掘削の最先端のトンネル切羽10に関する情報を取得し、これに基づいて、トンネル切羽10における肌落ちを予測するシステムである。このために、肌落ち予測システム1は、人工知能技術を用いた機械学習装置4と、この機械学習装置4によって学習された学習データに基づいて推論を行う肌落ち予測装置5とを有している。
Hereinafter, an embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the scope necessary for the explanation to achieve the object of the present invention will be shown in a schematic manner, and the scope necessary for the explanation of the relevant part of the present invention will be mainly explained, and the parts that are omitted from the explanation will be based on the publicly known technology.
(Embodiments of the present invention)
1 is an overall configuration diagram showing an example of a skin fall prediction system 1 according to an embodiment of the present invention. The skin fall prediction system 1 is a system that obtains information about a tunnel face 10 at the forefront of excavation in mountain tunnel construction, and predicts a skin fall at the tunnel face 10 based on the information. For this purpose, the skin fall prediction system 1 has a machine learning device 4 using artificial intelligence technology, and a skin fall prediction device 5 that performs inference based on learning data learned by the machine learning device 4.

肌落ち予測システム1は、トンネル切羽10を撮像する撮像装置3と、機械学習の学習フェーズの主体として動作する機械学習装置4と、機械学習における推論フェーズの主体として動作する肌落ち予測装置5と、肌落ち予測システム1の管理者や作業者が使用する端末装置6を備える。肌落ち予測システム1の各装置3~6は、ネットワーク7により相互に通信可能に接続される。なお、図1に示す肌落ち予測システム1のシステム構成は一例であり、適宜変更することができる。例えば、本実施形態においては、肌落ち予測装置5と機械学習装置4と端末装置6とをそれぞれ独立した情報処理装置により構成しているが、これらを一つの情報処理装置で構成することもできる。 The skin fall prediction system 1 includes an imaging device 3 that images the tunnel face 10, a machine learning device 4 that operates as the subject of the learning phase of the machine learning, a skin fall prediction device 5 that operates as the subject of the inference phase of the machine learning, and a terminal device 6 used by the manager or worker of the skin fall prediction system 1. The devices 3 to 6 of the skin fall prediction system 1 are connected to each other via a network 7 so that they can communicate with each other. Note that the system configuration of the skin fall prediction system 1 shown in FIG. 1 is an example, and can be changed as appropriate. For example, in this embodiment, the skin fall prediction device 5, the machine learning device 4, and the terminal device 6 are each configured as independent information processing devices, but they can also be configured as a single information processing device.

撮像装置3は、例えば、CMOSセンサやCCDセンサ等のイメージセンサで構成されるカメラを備え、トンネル切羽10の全体を撮像する。なお、撮像装置3は、手持ち式又は固定設置式のカメラであって、例えば、作業者が操作して画像を撮像するものでもよいし、所定の撮像条件が満たされたときに自動で画像を撮像するものでもよい。また、本実施形態では、一つの撮像装置3によって、トンネル切羽10全体を撮像するようにしているが、複数の撮像装置3によって、トンネル切羽10を撮像するようにしてもよい。 The imaging device 3 includes a camera configured with an image sensor such as a CMOS sensor or a CCD sensor, and captures an image of the entire tunnel face 10. The imaging device 3 may be a handheld or fixed camera, and may be operated by an operator to capture an image, or may capture an image automatically when a predetermined imaging condition is met. In this embodiment, the entire tunnel face 10 is captured by one imaging device 3, but the tunnel face 10 may be captured by multiple imaging devices 3.

撮像装置3は、撮像装置3の画角内にトンネル切羽10を撮像し、所定の画像形式に基づいてデジタルデータとしての画像を出力する。なお、撮像装置3は、図1に示すように、機械学習装置4に接続された撮像装置3と、肌落ち予測装置5に接続された撮像装置3とが別々に設けられてもよいし、1つの撮像装置3が機械学習装置4及び肌落ち予測装置5の双方に接続されて共用されてもよい。また、図1では、簡略化のため、1つの撮像装置3が、機械学習装置4及び肌落ち予測装置5にそれぞれ接続されているが、複数の撮像装置3がそれぞれ接続されていてもよい。 The imaging device 3 captures an image of the tunnel face 10 within the angle of view of the imaging device 3, and outputs the image as digital data based on a predetermined image format. As shown in FIG. 1, the imaging device 3 may be provided as an imaging device 3 connected to the machine learning device 4 and an imaging device 3 connected to the skin fall prediction device 5, or one imaging device 3 may be connected to both the machine learning device 4 and the skin fall prediction device 5 and used in common. Also, in FIG. 1, for the sake of simplicity, one imaging device 3 is connected to each of the machine learning device 4 and the skin fall prediction device 5, but multiple imaging devices 3 may be connected to each.

機械学習装置4は、汎用又は専用のコンピュータ等で構成され、機械学習における学習フェーズの主体として動作する。機械学習装置4は、撮像装置3により撮像された画像(学習用画像)を含む学習データを用いて、学習モデル2の機械学習を実施する。機械学習装置4は、学習済みの学習モデル2をネットワーク7や記録媒体等を介して肌落ち予測装置5に提供する。なお、コンピュータの構成例については、後述する。 The machine learning device 4 is composed of a general-purpose or dedicated computer, etc., and operates as the subject of the learning phase in machine learning. The machine learning device 4 performs machine learning of the learning model 2 using learning data including images (learning images) captured by the imaging device 3. The machine learning device 4 provides the learned learning model 2 to the skin fall prediction device 5 via the network 7, a recording medium, etc. An example of the computer configuration will be described later.

肌落ち予測装置5は、汎用又は専用のコンピュータ等で構成され、機械学習における推論フェーズの主体として動作する。肌落ち予測装置5は、機械学習装置4により学習済みの学習モデル2を用いて、撮像装置3により撮像された画像(予測用画像)からトンネル切羽10の予測を行う。 The skin fall prediction device 5 is composed of a general-purpose or dedicated computer, etc., and operates as the main body of the inference phase in machine learning. The skin fall prediction device 5 predicts the tunnel face 10 from the image (prediction image) captured by the imaging device 3 using the learning model 2 that has been trained by the machine learning device 4.

端末装置6は、汎用又は専用のコンピュータ等で構成される。端末装置6は、肌落ち予測システム1にて、学習データの準備、学習モデル2の機械学習、トンネル切羽10の肌落ち予測を行うために、入力画面を介して各種の操作入力を受け付けるとともに、アプリケーションやブラウザ等の表示画面を介して各種の情報を表示する。また、図1では、簡略化のため、1つの端末装置6を図示しているが、端末装置6は複数でもあってもよい。
(機械学習装置4)
図2は、本発明の実施形態に係る機械学習装置4の一例を示すブロック図である。機械学習装置4は、制御部40、通信部41、学習データ記憶部42、及び、学習済みモデル記憶部43を備える。
The terminal device 6 is composed of a general-purpose or dedicated computer, etc. The terminal device 6 accepts various operation inputs via an input screen in order to prepare learning data, perform machine learning of the learning model 2, and predict the fall of the tunnel face 10 in the fall prediction system 1, and displays various information via a display screen such as an application or a browser. In addition, although one terminal device 6 is illustrated in FIG. 1 for simplification, a plurality of terminal devices 6 may be provided.
(Machine learning device 4)
2 is a block diagram showing an example of the machine learning device 4 according to an embodiment of the present invention. The machine learning device 4 includes a control unit 40, a communication unit 41, a training data storage unit 42, and a trained model storage unit 43.

撮像装置3は学習用画像30を撮像し、機械学習装置4に送信する。機械学習装置4の制御部40は、学習データ取得部400及び機械学習部401として機能する。通信部41は、ネットワーク7を介して外部装置(例えば、撮像装置3、肌落ち予測装置5及び端末装置6等)と接続され、各種のデータを送受信する通信インターフェースとして機能する。 The imaging device 3 captures a learning image 30 and transmits it to the machine learning device 4. The control unit 40 of the machine learning device 4 functions as a learning data acquisition unit 400 and a machine learning unit 401. The communication unit 41 is connected to an external device (e.g., the imaging device 3, the skin fall prediction device 5, and the terminal device 6, etc.) via the network 7, and functions as a communication interface for transmitting and receiving various data.

学習データ取得部400は、外部装置と通信部41及びネットワーク7を介して接続され、入力データ及び出力データが対応付けられて構成される学習データを取得する。 The learning data acquisition unit 400 is connected to an external device via the communication unit 41 and the network 7, and acquires learning data that is composed of corresponding input data and output data.

学習データ記憶部42は、学習データ取得部400で取得した学習データを複数組記憶するデータベースである。なお、学習データ記憶部42を構成するデータベースの具体的な構成は適宜設計すればよい。 The learning data storage unit 42 is a database that stores multiple sets of learning data acquired by the learning data acquisition unit 400. The specific configuration of the database that constitutes the learning data storage unit 42 may be designed as appropriate.

機械学習部401は、学習データ記憶部42に記憶された学習データを用いて機械学習を実施する。すなわち、機械学習部401は、学習モデル2に学習データを複数組入力することで、学習データを構成する入力データと出力データとの相関関係を学習モデル2に機械学習させることで、学習モデル2を生成する。 The machine learning unit 401 performs machine learning using the learning data stored in the learning data storage unit 42. That is, the machine learning unit 401 generates the learning model 2 by inputting multiple sets of learning data to the learning model 2 and having the learning model 2 learn the correlation between the input data and output data that constitute the learning data.

学習済みモデル記憶部43は、機械学習部401により機械学習させた学習済みの学習モデル2を記憶するデータベースである。学習済みモデル記憶部43に記憶された学習モデル2は、ネットワーク7や記録媒体等を介して実システム(例えば、肌落ち予測装置5)に提供される。なお、学習モデル2は、外部コンピュータ(例えば、サーバ型コンピュータやクラウド型コンピュータ)に提供されて、外部コンピュータの記憶部に記憶されてもよい。また、図2では、学習データ記憶部42と、学習済みモデル記憶部43とが別々の記憶部として示されているが、これらは単一の記憶部で構成されてもよい。 The trained model storage unit 43 is a database that stores the trained learning model 2 trained by the machine learning unit 401. The trained model 2 stored in the trained model storage unit 43 is provided to the actual system (e.g., skin fall prediction device 5) via the network 7 or a recording medium. The trained model 2 may be provided to an external computer (e.g., a server-type computer or a cloud-type computer) and stored in the storage unit of the external computer. Also, although the trained data storage unit 42 and the trained model storage unit 43 are shown as separate storage units in FIG. 2, they may be configured as a single storage unit.

図3は本発明の実施形態に係る肌落ち予測システム1における学習データの作成工程例を説明する図である。図3(A)は撮像装置3により撮像されたトンネル切羽10の全体の画像である。また、図3(B)は当該画像について熟練技術者によって指摘された肌落ち予測指摘箇所のラベリングを示す図であり、図中点線で囲まれた部分がた肌落ち予測指摘箇所のラベリング部を示している。このようなラベリングが、本発明の実施形態に係る肌落ち予測システム1における学習データとなる。 Figure 3 is a diagram illustrating an example of the process for creating learning data in the skin fall prediction system 1 according to an embodiment of the present invention. Figure 3 (A) is an image of the entire tunnel face 10 captured by the imaging device 3. Figure 3 (B) is a diagram showing the labeling of predicted skin fall areas pointed out by a skilled technician in the image, with the area surrounded by a dotted line in the figure showing the labeling of the predicted skin fall areas. This labeling becomes the learning data in the skin fall prediction system 1 according to an embodiment of the present invention.

また、図3(C)は当該画像について熟練技術者によって指摘された肌落ち要因パターン指摘箇所のラベリングを示す図であり、図中枠で囲まれた部分が肌落ち要因パターン指摘箇所のラベリング部を示している。また、図4は、肌落ち要因パターン指摘箇所の分類表を示しており、このような分類に基づいて、熟練技術者がトンネル切羽10の学習用画像において、肌落ちの要因となりそうな箇所を、当該分類と共に指定を行う。 Figure 3(C) shows the labeling of the areas where the skin-fall pattern was pointed out by the skilled technician in the image, and the area surrounded by a frame in the figure shows the labeled area where the skin-fall pattern was pointed out. Figure 4 shows a classification table of the areas where the skin-fall pattern was pointed out, and based on this classification, the skilled technician specifies areas in the learning image of the tunnel face 10 that are likely to be the cause of skin-fall, along with the classification.

本発明の実施形態に係る肌落ち予測システム1においては、肌落ち要因パターンとしては、地質に起因する肌落ち要因パターンである(1)岩塊の抜け落ち跡、(2)割れ目に沿って切羽凸凹、(3)割れ目細かく入る、(4)割れ目に粘土・介在物、(5)周囲より風化変色、風化変色著しい、(6)破砕帯、破砕状、土砂化、(7)滲水、湧水あり、(8)その他、の8つの要因パターンに分類し、これに基づいた学習データとすることで、肌落ち予測の要因がブラックボックス化してしまうことを防いでいる。肌落ち要因パターンの分類としては、これらの8つの要因パターンに限定されることはなく、適宜選択することができる。要は、少なくとも2つ以上の肌落ち要因パターンが設定されていれば、本発明に係る肌落ち予測システム1を構成することができる。図3(C)では、肌落ち要因パターンとして、熟練技術者によって、(2)割れ目に沿って切羽凸凹、(3)割れ目細かく入る、が指摘されているケースを示すものであり、これらの肌落ち要因パターンが肌落ち予測システム1における学習データとなる。 In the skin fall prediction system 1 according to the embodiment of the present invention, the skin fall factor patterns are classified into eight factor patterns, which are skin fall factor patterns caused by geology: (1) traces of rock masses falling off, (2) uneven face along the cracks, (3) fine cracks, (4) clay/inclusions in the cracks, (5) weathered discoloration compared to the surrounding area, severe weathered discoloration, (6) fractured zone, fractured, sedimentation, (7) seepage, spring water, (8) others, and learning data based on these is used to prevent the factors of skin fall prediction from becoming a black box. The classification of skin fall factor patterns is not limited to these eight factor patterns and can be selected appropriately. In short, as long as at least two or more skin fall factor patterns are set, the skin fall prediction system 1 according to the present invention can be configured. FIG. 3(C) shows a case in which a skilled technician has pointed out (2) uneven face along the cracks, and (3) fine cracks as skin fall factor patterns, and these skin fall factor patterns become learning data in the skin fall prediction system 1.

入力データに含まれる学習用画像30は、撮像装置3によりトンネル切羽10全体が撮像されたものである。ここで、トンネル切羽10全体が撮像された学習用画像30は分割されて、学習のためのデータとして利用されると共に、本発明に係る肌落ち予測システム1の推論時の予測用画像としても、分割されて推論に供される。 The learning image 30 included in the input data is an image of the entire tunnel face 10 captured by the imaging device 3. Here, the learning image 30 capturing the entire tunnel face 10 is divided and used as data for learning, and is also divided and provided for inference as a prediction image during inference by the surface fall prediction system 1 according to the present invention.

図5はトンネル切羽10が撮像された学習用画像30の処理例を説明する図である。トンネル切羽10が撮像された学習用画像30或いは予測用画像31は、周知の画像解析技術などに基づいて、トンネル切羽10が認識された後、複数の方眼のグリッド状に分割される。このようなグリッドに分割された画像は、図5(A)に示すように、例えば、左隅上の4つのグリッドからなる画像G1が切り出されて、この画像データG1が学習等に供される。続いて、図5(B)に示すように、画像データG2が切り出されて、この画像データが学習等に供される。 Figure 5 is a diagram for explaining an example of processing a learning image 30 in which a tunnel face 10 has been captured. The learning image 30 or prediction image 31 in which the tunnel face 10 has been captured is divided into a grid of multiple squares after the tunnel face 10 has been recognized based on well-known image analysis techniques. From an image divided into such grids, as shown in Figure 5(A), for example, an image G1 consisting of four grids in the upper left corner is cut out, and this image data G1 is used for learning, etc. Next, as shown in Figure 5(B), image data G2 is cut out, and this image data is used for learning, etc.

ここで、図5(A)と図5(B)からも分かるように、画像データG1と、画像データG2とは、2つのグリッド(画像データG1における右2つのグリッドと画像データG2における左2つのグリッド)が重複するようにして切り出される。以下、同様に、左上から、右下にかけてスキャンするように(図5(C)→図5(D)に示すように)、それぞれの画像データは、上下・左右で隣接した画像データと、重複したグリッドを含むようにして、順次切り出され、学習・判定等に用いられるようになっている。本発明に係る肌落ち予測システム1においては、このように重複するグリッドが含まれる画像データが、学習・判定等に用いられるので、取りこぼしがなく、精度高く、肌落ちの危険箇所を予測することが可能となる。 As can be seen from Figures 5(A) and 5(B), image data G1 and image data G2 are cut out so that two grids (the two right grids in image data G1 and the two left grids in image data G2) overlap. Similarly, each image data is cut out successively so as to scan from the top left to the bottom right (as shown in Figures 5(C) to 5(D)), with adjacent image data above and below and to the left and right, and overlapping grids included, and used for learning, judgment, etc. In the skin loss prediction system 1 according to the present invention, image data including such overlapping grids is used for learning, judgment, etc., so that no areas are missed and risky areas for skin loss can be predicted with high accuracy.

なお、図5に示す例では、切り出される一つの画像データを4つのグリッドで構成するようにしたが、切り出される画像データをいくつのグリッドで構成するかは任意である。 In the example shown in FIG. 5, one piece of cut-out image data is configured with four grids, but the number of grids that the cut-out image data is configured with is arbitrary.

上記のように学習用画像、予測用画像からグリッドに基づいて切り出されたデータを、本明細書では「画像データ」と称する。 The data extracted from the learning images and prediction images based on the grid as described above is referred to as "image data" in this specification.

さて、以上のように学習用画像30から切り出された画像データ(以下、一般化しGnとする。nは自然数。)を用いて、機械学習装置4が学習を行う。図6は学習データのデータセット例を示す図である。ここで、入力データが画像データGnであり、出力データは、教師あり学習において、例えば、正解ラベルと呼ばれるものである。 Now, the machine learning device 4 performs learning using image data (hereinafter, generalized as Gn, where n is a natural number) cut out from the learning image 30 as described above. FIG. 6 is a diagram showing an example of a dataset of learning data. Here, the input data is image data Gn, and the output data is, for example, what is called a correct answer label in supervised learning.

画像データGn中において、肌落ち予測指摘箇所が所定面積以上ある場合、出力データとして、肌落ち予測箇所「あり」の正解ラベルが設定される。また、画像データGn中において、肌落ち予測指摘箇所が所定面積より小さい場合には、出力データとして、肌落ち予測箇所「なし」の正解ラベルが設定される。 If the area of the predicted skin loss in the image data Gn is equal to or larger than the specified area, a correct answer label of "Predicted skin loss" is set as the output data. Also, if the area of the predicted skin loss in the image data Gn is smaller than the specified area, a correct answer label of "No predicted skin loss" is set as the output data.

また、画像データGn中における肌落ち要因パターンの(1)~(8)の比率に応じて正解ラベルが設定される。図6の例では、肌落ち要因パターンとして(2)の比率(例えば、面積比)が、また、肌落ち要因パターンとして(1)~(8)のいずれにも該当しない比率(例えば、面積比)が、正解ラベルとして設定される。肌落ち要因パターンの分類に基づく、それぞれの正解ラベルの和は1となる。 In addition, a correct label is set according to the ratio of skin loss factor patterns (1) to (8) in the image data Gn. In the example of FIG. 6, the ratio (2) (e.g., area ratio) is set as the correct label as the skin loss factor pattern, and the ratio (e.g., area ratio) that does not fall into any of (1) to (8) is set as the correct label as the skin loss factor pattern. The sum of the respective correct labels based on the classification of skin loss factor patterns is 1.

また、画像データGn中の肌落ち予測指摘箇所が所定面積以上ある場合、肌落ち可能性として、正解ラベル「1」が設定される。また、画像データGn中において、肌落ち予測指摘箇所が所定面積より小さい場合には、肌落ち可能性として「0」の正解ラベルが設定される。 In addition, if the area of the predicted skin loss in the image data Gn is equal to or larger than a predetermined area, the correct answer label "1" is set as the possibility of skin loss. In addition, if the area of the predicted skin loss in the image data Gn is smaller than a predetermined area, the correct answer label "0" is set as the possibility of skin loss.

次に、本発明に係る肌落ち予測システム1で用いられる重み係数について説明する。図7は本発明に係る肌落ち予測システム1の学習モデル2で用いられる重み係数を説明する図である。トンネル切羽10における肌落ちの確率は、トンネル切羽10の中央部より周縁部の方がより高く、さらに、トンネル切羽10の下方部より上方部の方がより高いことが経験的に知られている。 Next, the weighting coefficients used in the skin fall prediction system 1 according to the present invention will be explained. FIG. 7 is a diagram explaining the weighting coefficients used in the learning model 2 of the skin fall prediction system 1 according to the present invention. It is empirically known that the probability of skin fall at the tunnel face 10 is higher at the periphery than at the center of the tunnel face 10, and furthermore, is higher at the upper part of the tunnel face 10 than at the lower part.

そこで、画像データGnを学習モデル2で処理する際には、どの4つのグリッドで画像データGnが構成されているかに応じて、重み係数によって重み付けを行うようにする。図7示す例では、重み係数として1.3を有するグリッド、重み係数として1.0を有するグリッド、重み係数として0.7を有するグリッドの3種類が設定されている。重み係数の値や、種類は任意であるが、重み係数の値としては、トンネル切羽10の中央部より周縁部の方がより高く、さらに、トンネル切羽10の下方部より上方部の方がより高くなるように設定される。 Therefore, when image data Gn is processed by learning model 2, weighting is performed using a weighting factor depending on which of the four grids the image data Gn is composed of. In the example shown in FIG. 7, three types of grids are set: a grid with a weighting factor of 1.3, a grid with a weighting factor of 1.0, and a grid with a weighting factor of 0.7. The value and type of weighting factor are arbitrary, but the weighting factor value is set so that the peripheral part of the tunnel face 10 is higher than the center, and further, the upper part of the tunnel face 10 is higher than the lower part.

重み係数が異なるグリッドで構成される画像データについては、例えば、4つの重み係数の平均値を、その画像データにとっての重み係数として、利用することができる。例えば、図7で示されている画像データGnの重み係数としては、(1.0+1.0+1.0+1.3)/4=1.075を用いることができる。 For image data that is composed of grids with different weighting factors, for example, the average value of the four weighting factors can be used as the weighting factor for that image data. For example, the weighting factor for the image data Gn shown in FIG. 7 can be (1.0+1.0+1.0+1.3)/4=1.075.

図8は、本発明の実施形態に係る学習モデル2に適用されるニューラルネットワークモデル20の一例を示す概略図である。ニューラルネットワークモデル20は、機械学習の具体的な手法として、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)を採用したものである。ニューラルネットワークモデル20は、入力層21、第1の中間層22a、第2の中間層22b、第1の出力層23a、第2の出力層23b、及び、第3の出力層23cを備える。 Figure 8 is a schematic diagram showing an example of a neural network model 20 applied to the learning model 2 according to an embodiment of the present invention. The neural network model 20 employs a convolutional neural network (CNN) as a specific method of machine learning. The neural network model 20 includes an input layer 21, a first intermediate layer 22a, a second intermediate layer 22b, a first output layer 23a, a second output layer 23b, and a third output layer 23c.

ニューラルネットワークモデル20において、第1の中間層22a、第1の出力層22
aでは、肌落ち予測指摘箇所に関するデータ処理がなされ、第2の中間層22b、第2の出力層23bでは、肌落ち要因パターン指摘箇所に関するデータ処理がなされる。第1の出力層23aからの出力は、先に説明した重み係数によって重み付けされた上で、第3の出力層23cを有する全結合層222cに入力される。また、第2の出力層23bからの出力は、第3の出力層23cを有する全結合層222cに入力される。
In the neural network model 20, a first intermediate layer 22a, a first output layer 22
In the first intermediate layer 22a, data processing is performed on the predicted skin fall location, and in the second intermediate layer 22b and the second output layer 23b, data processing is performed on the skin fall cause pattern location. The output from the first output layer 23a is weighted by the weighting coefficient described above and input to the fully connected layer 222c having the third output layer 23c. The output from the second output layer 23b is also input to the fully connected layer 222c having the third output layer 23c.

入力層21は、入力データとしての画像データGnの画素数に対応する数のニューロンを有し、各ピクセルの画素値が各ニューロンにそれぞれ入力される。 The input layer 21 has neurons whose number corresponds to the number of pixels in the image data Gn as input data, and the pixel value of each pixel is input to each neuron.

第1の中間層22a、第2の中間層22bは、それぞれ畳み込み層220a、220bプーリング層221a、221b及び全結合層222a、222bから構成されている。それぞれの畳み込み層、プーリング層としては共通のものを利用できる。畳み込み層220a、220b及びプーリング層221a、221bは、例えば、交互に複数層設けられている。畳み込み層220a、220b及びプーリング層221a、221bは、入力層21を介して入力された画像から特徴量を抽出する。 The first intermediate layer 22a and the second intermediate layer 22b are respectively composed of convolutional layers 220a, 220b, pooling layers 221a, 221b, and fully connected layers 222a, 222b. The same convolutional layers and pooling layers can be used for each layer. The convolutional layers 220a, 220b and the pooling layers 221a, 221b are, for example, arranged in multiple alternating layers. The convolutional layers 220a, 220b and the pooling layers 221a, 221b extract features from the image input via the input layer 21.

それぞれの全結合層222a、222bは、それぞれの畳み込み層220a、220b及びプーリング層221a、221bにより画像から抽出された二次元配列の特徴量を、例えば、活性化関数によって変換し、一次元配列の特徴ベクトルとして出力する。なお、全結合層222a、222bは、複数層設けられていてもよい。 Each of the fully connected layers 222a and 222b converts the two-dimensional array of features extracted from the image by the respective convolution layers 220a and 220b and pooling layers 221a and 221b, for example, using an activation function, and outputs the converted features as a one-dimensional array of feature vectors. Note that multiple fully connected layers 222a and 222b may be provided.

出力層23aは、全結合層222aから出力された特徴ベクトルに基づいて、画像データGnに含まれる肌落ち予測指摘箇所の判定結果を含む出力データを出力する。また、出力層23bは、全結合層222bから出力された特徴ベクトルに基づいて、画像データGnに含まれる肌落ち要因パターン指摘箇所の判定結果を含む出力データを出力する。 The output layer 23a outputs output data including the results of determining the predicted areas of skin loss included in the image data Gn based on the feature vectors output from the fully connected layer 222a. The output layer 23b outputs output data including the results of determining the areas of skin loss pattern included in the image data Gn based on the feature vectors output from the fully connected layer 222b.

図9は各出力層で得られる推論結果を説明する図である。図9に示すように、出力層23aは、「肌落ち予測箇所あり」、「肌落ち予測箇所あり」が出力される。また、出力層23bからは「分類(1)の比率」、「分類(2)の比率」、「分類(3)の比率」、「分類(4)の比率」、「分類(5)の比率」、「分類(6)の比率」、「分類(7)の比率」、「分類(8)の比率」、「分類(1)-(8)のいずれにも該当しない比率」が出力される。 Figure 9 is a diagram explaining the inference results obtained at each output layer. As shown in Figure 9, output layer 23a outputs "Skin fall predicted areas present", "Skin fall predicted areas present". In addition, output layer 23b outputs "Ratio of category (1)", "Ratio of category (2)", "Ratio of category (3)", "Ratio of category (4)", "Ratio of category (5)", "Ratio of category (6)", "Ratio of category (7)", "Ratio of category (8)", and "Ratio not falling into any of categories (1)-(8)".

第1の出力層23aからの出力は、重み係数によって重み付けされた上で、全結合層222cに入力される。また、第2の出力層23bからの出力は、全結合層222cに入力される。第3の出力層23cからは、「肌落ち可能性」が0から1の間の値で、出力されるように設定されている。 The output from the first output layer 23a is weighted by a weighting coefficient and then input to the fully connected layer 222c. The output from the second output layer 23b is input to the fully connected layer 222c. The third output layer 23c is set to output a "skin drop possibility" value between 0 and 1.

ニューラルネットワークモデル20a、20bの各層の間には、層間のニューロンをそれぞれ接続するシナプスが張られており、中間層22a、22bの畳み込み層220a、220b及び全結合層222a、222bの各シナプスには、重みが対応付けられている。 Between each layer of the neural network models 20a, 20b, there are synapses that connect the neurons between the layers, and weights are assigned to each synapse in the convolutional layers 220a, 220b and the fully connected layers 222a, 222b of the intermediate layers 22a, 22b.

機械学習部401は、学習データをニューラルネットワークモデル20に入力し、入力データ(学習用画像30から切り出された画像データGn)と、出力データとの相関関係をニューラルネットワークモデル20に機械学習させる。具体的には、機械学習部401は、学習データを構成する画像データGnを入力データとして、ニューラルネットワークモデル20の入力層21に入力する。なお、機械学習部401は、学習用画像30を入力層21に入力する際の前処理として、所定の画像調整(例えば、画像フォーマット、画像サイズ、画像フィルタ、画像マスク等)を画像データGnに施してもよい。 The machine learning unit 401 inputs the training data into the neural network model 20, and causes the neural network model 20 to machine-train the correlation between the input data (image data Gn cut out from the training image 30) and the output data. Specifically, the machine learning unit 401 inputs the image data Gn constituting the training data as input data to the input layer 21 of the neural network model 20. Note that the machine learning unit 401 may apply a predetermined image adjustment (e.g., image format, image size, image filter, image mask, etc.) to the image data Gn as pre-processing when inputting the training image 30 to the input layer 21.

機械学習部401は、出力層23から推論結果として出力された出力データと、当該学習データを構成する出力データ(正解ラベル)とを比較する誤差関数を用いて、誤差関数の評価値が小さくなるように、各シナプスに対応付けられた重みを調整する(バックプロバケーション)ことを反復する。 The machine learning unit 401 uses an error function that compares the output data output from the output layer 23 as an inference result with the output data (correct label) that constitutes the learning data, and iteratively adjusts (backpropagation) the weights associated with each synapse so as to reduce the evaluation value of the error function.

機械学習部401は、上記の一連の処理を所定の回数反復実施することや、誤差関数の評価値が許容値より小さくなること等の所定の学習終了条件が満たされたと判断した場合には、機械学習を終了し、そのときのニューラルネットワークモデル20(各シナプスのそれぞれに対応付けられた全ての重みからなる重みパラメータ群)を、学習済みの学習モデル2として学習済みモデル記憶部43に格納する。なお、機械学習部401は、学習モデル2の機械学習を実施する際、重みを調整する手法として、例えば、オンライン学習、バッチ学習、ミニバッチ学習等を採用してもよいし、複数組の学習データを訓練データとテストデータに分割して学習モデル2を評価する手法として、例えば、ホールドアウト法、交差検証等を採用してもよいし、所定の学習終了条件として、誤判定率が最小であることを判定するようにしてもよい。
(肌落ち予測装置5)
図10は、本発明の実施形態に係る肌落ち予測装置5の一例を示すブロック図である。肌落ち予測装置5は、制御部50、通信部51、及び、学習済みモデル記憶部52を備える。
When the machine learning unit 401 determines that a predetermined learning termination condition, such as the above series of processes being repeated a predetermined number of times or the evaluation value of the error function being smaller than a tolerance, is satisfied, the machine learning unit 401 terminates the machine learning and stores the neural network model 20 at that time (a weight parameter group consisting of all weights associated with each synapse) in the trained model storage unit 43 as the trained learning model 2. Note that when performing machine learning of the learning model 2, the machine learning unit 401 may adopt, for example, online learning, batch learning, mini-batch learning, or the like as a method for adjusting the weights, or may adopt, for example, a hold-out method, cross-validation, or the like as a method for dividing a plurality of sets of learning data into training data and test data and evaluating the learning model 2, or may determine that the misclassification rate is minimum as a predetermined learning termination condition.
(Skin fall prediction device 5)
10 is a block diagram showing an example of a skin fall prediction device 5 according to an embodiment of the present invention. The skin fall prediction device 5 includes a control unit 50, a communication unit 51, and a trained model storage unit 52.

制御部50は、判定データ取得部500、推論部501及び出力処理部502として機能する。通信部51は、ネットワーク7を介して外部装置(例えば、撮像装置3、機械学習装置4及び端末装置6等)と接続され、各種のデータを送受信する通信インターフェースとして機能する。 The control unit 50 functions as a judgment data acquisition unit 500, an inference unit 501, and an output processing unit 502. The communication unit 51 is connected to an external device (e.g., the imaging device 3, the machine learning device 4, and the terminal device 6, etc.) via the network 7, and functions as a communication interface for transmitting and receiving various types of data.

判定データ取得部500は、外部装置と通信部51及びネットワーク7を介して接続され、トンネル切羽10が撮像された予測用画像31を含む判定データを取得する。予測用画像31は、学習の際と同様に、4つのグリッドからなる画像データとして切り出されて肌落ち予測に用いるようにする。予測用画像31から切り出された画像データをHn(nは自然数)と称することとする。肌落ち予測装置5からは、予測用画像31から切り出された画像データHnに対して「肌落ち可能性」が0から1の間の値で出力される。予測用画像31は、機械学習装置4にて学習モデル2を機械学習させたときの学習用画像30に相当するものである。また、それぞれのHnに対しては、学習の際と同様に、重み係数が算出されて、学習モデル2に対して入力される。なお、判定データには、少なくとも予測用画像31が含まれるが、肌落ちの予測に有用なその他のデータも含めることができる。 The judgment data acquisition unit 500 is connected to an external device via the communication unit 51 and the network 7, and acquires judgment data including a prediction image 31 in which the tunnel face 10 is captured. The prediction image 31 is cut out as image data consisting of four grids, as in the case of learning, and used for skin fall prediction. The image data cut out from the prediction image 31 is referred to as Hn (n is a natural number). The skin fall prediction device 5 outputs a "skin fall possibility" between 0 and 1 for the image data Hn cut out from the prediction image 31. The prediction image 31 corresponds to the learning image 30 when the learning model 2 is machine-learned by the machine learning device 4. In addition, for each Hn, a weight coefficient is calculated and input to the learning model 2, as in the case of learning. The judgment data includes at least the prediction image 31, but can also include other data useful for skin fall prediction.


推論部501は、判定データ取得部500により取得された画像データHnを学習モデル2に入力することにより、トンネル切羽10の「肌落ち可能性」を推論する推論処理を行う。

The inference unit 501 performs an inference process to infer the “possibility of skin falling” of the tunnel face 10 by inputting the image data Hn acquired by the judgment data acquisition unit 500 into the learning model 2.

学習済みモデル記憶部52は、推論部501の推論処理にて用いられる学習済みの学習モデル2を記憶するデータベースである。なお、学習済みモデル記憶部52に記憶される学習モデル2の数は1つに限定されず、例えば、機械学習の手法が異なる複数の学習済みモデルが記憶され、選択的に利用可能としてもよい。また、学習済みモデル記憶部52は、外部コンピュータ(例えば、サーバ型コンピュータやクラウド型コンピュータ)の記憶部で代用されてもよく、その場合には、推論部501は、当該外部コンピュータにアクセスすることで、上記の推論処理を行ってもよい。 The trained model storage unit 52 is a database that stores trained learning models 2 used in the inference process of the inference unit 501. The number of trained models 2 stored in the trained model storage unit 52 is not limited to one, and for example, multiple trained models with different machine learning methods may be stored and selectively available. The trained model storage unit 52 may also be substituted by a storage unit of an external computer (e.g., a server-type computer or a cloud-type computer), and in that case, the inference unit 501 may perform the above-mentioned inference process by accessing the external computer.

出力処理部502は、推論部501により推論されたトンネル切羽10の画像データHnに対する「肌落ち可能性」の予測結果を出力するための出力処理を行う。予測結果を出力するための具体的な出力手段は、種々の手段を採用することが可能である。例えば、出力処理部502は、判定結果を端末装置6に送信したり、さらに画面表示したりしてもよいし、判定結果を肌落ち予測装置5の記憶部に記憶したりしてもよい。 The output processing unit 502 performs output processing to output the prediction result of the "skin-fall possibility" for the image data Hn of the tunnel face 10 inferred by the inference unit 501. As the specific output means for outputting the prediction result, various means can be adopted. For example, the output processing unit 502 may transmit the judgment result to the terminal device 6, further display it on the screen, or may store the judgment result in the memory unit of the skin-fall prediction device 5.

ここでの学習モデル2は、機械学習装置4にて複数組の学習データを用いて、学習用画像30から切り出された画像データGnと、肌落ち予測指摘箇所、肌落ち要因パターン指摘箇所とのの関関係を機械学習させたものであり、重みパラメータ群が調整済み(学習済み)の学習モデル2である。したがって、推論部501は、予測用画像31から切り出された画像データHnと、重み係数とを学習モデル2に入力することにより、当該予測用画像31の画像データHnにおける「肌落ち可能性」を推論することができる。 The learning model 2 here is a learning model 2 in which the weighting parameter group has been adjusted (trained) by using multiple sets of learning data in the machine learning device 4 to machine-learn the relationship between the image data Gn cut out from the learning image 30 and the predicted skin loss indication areas and the skin loss cause pattern indication areas. Therefore, the inference unit 501 can infer the "skin loss possibility" in the image data Hn of the prediction image 31 by inputting the image data Hn cut out from the prediction image 31 and the weighting coefficient to the learning model 2.

なお、予測用画像31に含まれる画像データHnに対する肌落ちの予測結果は、学習済みモデル記憶部52や他の記憶装置(不図示)に記憶されることが好ましく、過去の予測結果は、例えば、学習済みの学習モデル2の推論精度の更なる向上のため、オンライン学習や再学習に用いられる学習データとして利用してもよい。
(コンピュータ900の構成)
図11は、肌落ち予測システム1の各装置3~6を構成するコンピュータ900の一例を示すハードウエア構成図である。
In addition, it is preferable that the prediction results of skin fall for the image data Hn contained in the prediction image 31 are stored in the learned model memory unit 52 or another memory device (not shown), and past prediction results may be used as learning data to be used for online learning or re-learning, for example, to further improve the inference accuracy of the learned learning model 2.
(Configuration of computer 900)
FIG. 11 is a hardware configuration diagram showing an example of a computer 900 constituting each of the devices 3 to 6 of the skin fall prediction system 1. As shown in FIG.

肌落ち予測システム1の各装置3~6は、汎用又は専用のコンピュータ900により構成される。コンピュータ900は、その主要な構成要素として、バス910、プロセッサ912、メモリ914、入力デバイス916、出力デバイス917、表示デバイス918、ストレージ装置920、通信I/F(インターフェース)部922、外部機器I/F部924、I/O(入出力)デバイスI/F部926、及び、メディア入出力部928を備える。なお、上記の構成要素は、コンピュータ900が使用される用途に応じて適宜省略されてもよい。 Each of the devices 3 to 6 in the skin fall prediction system 1 is composed of a general-purpose or dedicated computer 900. The main components of the computer 900 include a bus 910, a processor 912, a memory 914, an input device 916, an output device 917, a display device 918, a storage device 920, a communication I/F (interface) unit 922, an external device I/F unit 924, an I/O (input/output) device I/F unit 926, and a media input/output unit 928. Note that the above components may be omitted as appropriate depending on the purpose for which the computer 900 is used.

プロセッサ912は、1つ又は複数の演算処理装置(CPU(Central Processing Unit)、MPU(Micro-processing unit)、DSP(digital signal processor)、GPU(Graphics Processing Unit)等)で構成され、コンピュータ900全体を統括する制御部として動作する。メモリ914は、各種のデータ及びプログラム930を記憶し、例えば、メインメモリとして機能する揮発性メモリ(DRAM、SRAM等)と、不揮発性メモリ(ROM、フラッシュメモリ等)とで構成される。 The processor 912 is composed of one or more arithmetic processing devices (such as a CPU (Central Processing Unit), MPU (Micro-processing unit), DSP (Digital signal processor), GPU (Graphics Processing Unit)) and operates as a control unit that controls the entire computer 900. The memory 914 stores various data and programs 930, and is composed of, for example, a volatile memory (DRAM, SRAM, etc.) that functions as a main memory, and a non-volatile memory (ROM, flash memory, etc.).

入力デバイス916は、例えば、キーボード、マウス、テンキー、電子ペン等で構成され、入力部として機能する。出力デバイス917は、例えば、音(音声)出力装置、バイブレーション装置等で構成され、出力部として機能する。表示デバイス918は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、電子ペーパー、プロジェクタ等で構成され、出力部として機能する。入力デバイス916及び表示デバイス918は、タッチパネルディスプレイのように、一体的に構成されていてもよい。ストレージ装置920は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)等で構成され、記憶部として機能する。ストレージ装置920は、オペレーティングシステムやプログラム930の実行に必要な各種のデータを記憶する。 The input device 916 is, for example, a keyboard, a mouse, a numeric keypad, an electronic pen, etc., and functions as an input unit. The output device 917 is, for example, a sound (audio) output device, a vibration device, etc., and functions as an output unit. The display device 918 is, for example, a liquid crystal display, an organic EL display, electronic paper, a projector, etc., and functions as an output unit. The input device 916 and the display device 918 may be integrated, such as a touch panel display. The storage device 920 is, for example, a hard disk drive (HDD), a solid state drive (SSD), etc., and functions as a memory unit. The storage device 920 stores various data necessary for the execution of the operating system and the program 930.

通信I/F部922は、インターネットやイントラネット等のネットワーク940(図1のネットワーク7と同じでもよい)に有線又は無線により接続され、所定の通信規格に従って他のコンピュータとの間でデータの送受信を行う通信部として機能する。外部機器I/F部924は、カメラ、プリンタ、スキャナ、リーダライタ等の外部機器950に有線又は無線により接続され、所定の通信規格に従って外部機器950との間でデータの送受信を行う通信部として機能する。I/OデバイスI/F部926は、各種のセンサ、アクチュエータ等のI/Oデバイス960に接続され、I/Oデバイス960との間で、例えば、センサによる検出信号やアクチュエータへの制御信号等の各種の信号やデータの送受信を行う通信部として機能する。メディア入出力部928は、例えば、DVD(Digital Versatile Disc)ドライブ、CD(Compact Disc)ドライブ等のドライブ装置で構成され、DVD、CD等のメディア(非一時的な記憶媒体)970に対してデータの読み書きを行う。 The communication I/F unit 922 is connected to a network 940 (which may be the same as the network 7 in FIG. 1) such as the Internet or an intranet by wire or wirelessly, and functions as a communication unit that transmits and receives data to and from other computers according to a predetermined communication standard. The external device I/F unit 924 is connected to an external device 950 such as a camera, printer, scanner, or reader/writer by wire or wirelessly, and functions as a communication unit that transmits and receives data to and from the external device 950 according to a predetermined communication standard. The I/O device I/F unit 926 is connected to an I/O device 960 such as various sensors and actuators, and functions as a communication unit that transmits and receives various signals and data, such as detection signals from sensors and control signals to actuators, between the I/O device 960. The media input/output unit 928 is composed of a drive device such as a DVD (Digital Versatile Disc) drive or a CD (Compact Disc) drive, and reads and writes data to media (non-transient storage media) 970 such as DVDs and CDs.

上記構成を有するコンピュータ900において、プロセッサ912は、ストレージ装置920に記憶されたプログラム930をメモリ914に呼び出して実行し、バス910を介してコンピュータ900の各部を制御する。なお、プログラム930は、ストレージ装置920に代えて、メモリ914に記憶されていてもよい。プログラム930は、インストール可能なファイル形式又は実行可能なファイル形式でメディア970に記録され、メディア入出力部928を介してコンピュータ900に提供されてもよい。プログラム930は、通信I/F部922を介してネットワーク940経由でダウンロードすることによりコンピュータ900に提供されてもよい。また、コンピュータ900は、プロセッサ912がプログラム930を実行することで実現する各種の機能を、例えば、FPGA(field-programmable gate array)、ASIC(application specific integrated circuit)等のハードウエアで実現するものでもよい。 In the computer 900 having the above configuration, the processor 912 calls up the program 930 stored in the storage device 920 into the memory 914, executes it, and controls each part of the computer 900 via the bus 910. The program 930 may be stored in the memory 914 instead of the storage device 920. The program 930 may be recorded on the medium 970 in an installable file format or an executable file format, and provided to the computer 900 via the media input/output unit 928. The program 930 may be provided to the computer 900 by downloading it via the network 940 via the communication I/F unit 922. In addition, the computer 900 may realize various functions realized by the processor 912 executing the program 930 using hardware such as an FPGA (field-programmable gate array) or an ASIC (application specific integrated circuit).

コンピュータ900は、例えば、据置型コンピュータや携帯型コンピュータで構成され、任意の形態の電子機器である。コンピュータ900は、コンピュータ900の使用用途に応じて、クライアント型コンピュータやエッジ型コンピュータで構成されてもよいし、サーバ型コンピュータやクラウド型コンピュータで構成されてもよい。
(機械学習方法)
図12は、本発明の実施形態に係る機械学習装置4による機械学習方法の一例を示すフローチャートである。
The computer 900 is, for example, a stationary computer or a portable computer, and is an electronic device of any type. The computer 900 may be a client computer or an edge computer, or may be a server computer or a cloud computer, depending on the use of the computer 900.
(Machine learning methods)
FIG. 12 is a flowchart showing an example of a machine learning method performed by the machine learning device 4 according to an embodiment of the present invention.

まず、ステップS100において、学習データ取得部400は、機械学習を開始するための事前準備として、所望の数の学習データを準備し、その準備した学習データを学習データ記憶部42に記憶する。ここで準備する学習データの数は、最終的に得られる学習モデル2に求められる推論精度を考慮して設定すればよい。 First, in step S100, the learning data acquisition unit 400 prepares a desired number of pieces of learning data as a preliminary step for starting machine learning, and stores the prepared learning data in the learning data storage unit 42. The number of pieces of learning data to be prepared here may be set in consideration of the inference accuracy required for the learning model 2 that is ultimately obtained.

学習データを準備する方法には、いくつかの方法を採用することができる。例えば、撮像装置3を用いてトンネル切羽10の学習用画像30を撮像し、端末装置6を用いて、熟練技術者が、学習用画像30中に肌落ち予測指摘箇所、肌落ち要因パターン指摘箇所を記録していく。このような作業を、新たなトンネル切羽10が出現する毎に繰り返すことで学習データを複数組準備することが可能である。 There are several methods that can be used to prepare the learning data. For example, the imaging device 3 is used to capture a learning image 30 of the tunnel face 10, and an experienced technician uses the terminal device 6 to record the predicted areas of skin fall and the areas of skin fall cause patterns in the learning image 30. By repeating this process every time a new tunnel face 10 appears, it is possible to prepare multiple sets of learning data.

次に、ステップS110において、機械学習部401は、機械学習を開始すべく、学習前の学習モデル2を準備する。ここで準備する学習前の学習モデル2は、図8に例示した畳み込みニューラルネットワークを採用したものであり、各シナプスの重みが初期値に設定されている。入力層21の各ニューロンには、学習データを構成する入力データとしての学習用画像30から切り出された画像データGnの各画素が対応付けられる。
第1の出力層23aの各ニューロンには、学習データを構成する出力データとしての肌落ち予測指摘箇所のあり、なしが対応付けられる。第2の出力層23bの各ニューロンには、学習データを構成する出力データとしての肌落ち要因パターン指摘箇所に基づいた各分類の比率が対応付けられる。第3の出力層23cの各ニューロンには、学習データを構成する出力データとしての肌落ち可能性が対応付けられる。
Next, in step S110, the machine learning unit 401 prepares a pre-learning learning model 2 to start machine learning. The pre-learning learning model 2 prepared here employs the convolutional neural network illustrated in Fig. 8, and the weights of each synapse are set to an initial value. Each neuron in the input layer 21 is associated with each pixel of image data Gn cut out from the learning image 30 as input data constituting the learning data.
Each neuron in the first output layer 23a is associated with the presence or absence of a predicted skin loss point as output data constituting the learning data. Each neuron in the second output layer 23b is associated with the ratio of each classification based on the predicted skin loss pattern point as output data constituting the learning data. Each neuron in the third output layer 23c is associated with the possibility of skin loss as output data constituting the learning data.

次に、ステップS120において、機械学習部401は、学習データ記憶部42に記憶された複数組の学習データから、例えば、ランダムに1組の学習データを取得する。 Next, in step S120, the machine learning unit 401 acquires, for example, one set of learning data randomly from the multiple sets of learning data stored in the learning data storage unit 42.

次に、ステップS130において、機械学習部401は、1組の学習データに含まれる入力データを、準備された学習前(又は学習中)の学習モデル2の入力層に入力する。その結果、学習モデル2の出力層から推論結果として出力データが出力されるが、当該出力データは、学習前(又は学習中)の学習モデル2によって生成されたものである。そのため、学習前(又は学習中)の状態では、推論結果として出力された出力データは、学習データに含まれる出力データ(正解ラベル)とは異なる情報を示す。 Next, in step S130, the machine learning unit 401 inputs the input data included in the set of learning data to the input layer of the prepared learning model 2 before learning (or during learning). As a result, output data is output as an inference result from the output layer of the learning model 2, but this output data was generated by the learning model 2 before learning (or during learning). Therefore, in the pre-learning (or during learning) state, the output data output as an inference result indicates information different from the output data (correct answer label) included in the learning data.

次に、ステップS140において、機械学習部401は、ステップS120において取得された1組の学習データに含まれる出力データ(正解ラベル)と、ステップS130において出力層から推論結果として出力された出力データとを比較し、各シナプスの重みを調整することで、機械学習を実施する。これにより、機械学習部401は、入力データと出力データとの相関関係を学習モデル2に学習させる。 Next, in step S140, the machine learning unit 401 performs machine learning by comparing the output data (correct label) included in the set of learning data acquired in step S120 with the output data output from the output layer as an inference result in step S130 and adjusting the weight of each synapse. In this way, the machine learning unit 401 causes the learning model 2 to learn the correlation between the input data and the output data.

次に、ステップS150において、機械学習部401は、所定の学習終了条件が満たされたか否かを、例えば、推論結果と、学習データに含まれる出力データ(正解ラベル)とに基づく誤差関数の評価値や、学習データ記憶部42内に記憶された未学習の学習データの残数に基づいて判定する。 Next, in step S150, the machine learning unit 401 determines whether a predetermined learning termination condition has been met, for example, based on the evaluation value of an error function based on the inference result and the output data (correct answer label) included in the learning data, or the remaining amount of unlearned learning data stored in the learning data storage unit 42.

ステップS150において、機械学習部401が、学習終了条件が満たされておらず、機械学習を継続すると判定した場合(ステップS150でNo)、ステップS120に戻り、学習中の学習モデル2に対してステップS120~S140の工程を未学習の学習データを用いて複数回実施する。一方、ステップS150において、機械学習部401が、学習終了条件が満たされて、機械学習を終了すると判定した場合(ステップS150でYes)、ステップS160に進む。 If, in step S150, the machine learning unit 401 determines that the learning termination condition is not satisfied and machine learning is to be continued (No in step S150), the process returns to step S120, and steps S120 to S140 are performed multiple times on the learning model 2 being trained using untrained learning data. On the other hand, in step S150, if the machine learning unit 401 determines that the learning termination condition is satisfied and machine learning is to be terminated (Yes in step S150), the process proceeds to step S160.

そして、ステップS160において、機械学習部401は、各シナプスに対応付けられた重みを調整することで機械学習させた学習済みの学習モデル2(調整済みの重みパラメータ群)を学習済みモデル記憶部43に記憶し、図8に示す一連の機械学習方法を終了する。機械学習方法において、ステップS100が学習データ記憶工程、ステップS110~S150が機械学習工程、ステップS160が学習済みモデル記憶工程に相当する。なお、図12に示す一連の機械学習方法では、重みを調整する手法として、オンライン学習を採用した場合について説明したが、バッチ学習やミニバッチ学習(例えば、100組の学習データ単位)等が採用されてもよい。また、複数組の学習データを訓練データとテストデータに分割した場合には、図12に示す一連の機械学習方法は、訓練データを用いて実行されればよい。さらに、所定の学習終了条件が満たされたか否かを誤判定率に基づいて判定するようにしてもよい。 In step S160, the machine learning unit 401 stores the trained learning model 2 (adjusted weight parameter group) trained by adjusting the weights associated with each synapse in the trained model storage unit 43, and ends the series of machine learning methods shown in FIG. 8. In the machine learning method, step S100 corresponds to the training data storage process, steps S110 to S150 correspond to the machine learning process, and step S160 corresponds to the trained model storage process. Note that in the series of machine learning methods shown in FIG. 12, the case where online learning is adopted as a method for adjusting the weights has been described, but batch learning or mini-batch learning (for example, 100 sets of training data units) may also be adopted. In addition, when multiple sets of training data are divided into training data and test data, the series of machine learning methods shown in FIG. 12 may be executed using the training data. Furthermore, it may be determined whether a predetermined learning end condition is met based on the misjudgment rate.

以上のように、本実施形態に係る機械学習装置4及び機械学習方法によれば、撮像装置3よりトンネル切羽10の少なくとも一部が撮像された学習用画像30から、トンネル切羽10の肌落ち予測を高精度に推論(判定、予測)することが可能な学習モデル2を提供することができる。
(肌落ち予測方法)
図13は、本発明の実施形態に係る肌落ち予測装置5による肌落ち予測方法の一例を示すフローチャートである。なお、図13に示す一連の肌落ち予測方法は、肌落ち予測装置5により所定のタイミングにて繰り返し実行される。所定のタイミングは、任意のタイミングでよく、例えば、撮像装置3が予測用画像31を新たに撮像したときでもよいし、所定の事象発生時(端末装置6から管理者や作業者による判定操作を受け付けた時、肌落ち予測システム1から判定指令を受信した時等)でもよい。
As described above, according to the machine learning device 4 and machine learning method of this embodiment, it is possible to provide a learning model 2 that can infer (judge, predict) with high accuracy a prediction of the surface fall of the tunnel face 10 from a learning image 30 in which at least a portion of the tunnel face 10 is captured by the imaging device 3.
(Skin loss prediction method)
Fig. 13 is a flow chart showing an example of a skin fall prediction method by the skin fall prediction device 5 according to an embodiment of the present invention. The series of skin fall prediction methods shown in Fig. 13 are repeatedly executed at a predetermined timing by the skin fall prediction device 5. The predetermined timing may be any timing, and may be, for example, when the imaging device 3 captures a new prediction image 31, or when a predetermined event occurs (when a judgment operation by an administrator or worker is accepted from the terminal device 6, when a judgment command is received from the skin fall prediction system 1, etc.).



ステップS200において、トンネル切羽10が撮像装置3により撮像されて、予測用画像31が肌落ち予測装置5に送信されることで、判定データ取得部500が、当該予測用画像31を含む判定データを取得する。


In step S200, the tunnel face 10 is imaged by the imaging device 3, and the prediction image 31 is transmitted to the surface fall prediction device 5, whereby the judgment data acquisition unit 500 acquires judgment data including the prediction image 31.

続いて、ステップS210から予測用画像から、これまで説明したようにグリッドに基づいて複数の画像データHnを切り出す処理を実行する。そして、ステップS220においては、各画像データHnの重み係数を、これまで説明した要領で算出する。 Next, in step S210, a process is performed to extract multiple image data Hn from the prediction image based on the grid as described above. Then, in step S220, the weighting coefficient for each image data Hn is calculated in the manner described above.

次に、ステップS230において、推論部501は、画像データHn、その重み係数を学習済みの学習モデル2の入力層に入力し、その学習モデル2の出力層から推論結果として、画像データHnに対する「肌落ち可能性」を0から1の間の値で得る。 Next, in step S230, the inference unit 501 inputs the image data Hn and its weighting coefficient to the input layer of the trained learning model 2, and obtains the "skin loss possibility" for the image data Hn as a value between 0 and 1 from the output layer of the learning model 2 as an inference result.

ステップS240においては、全ての画像データHnについて、推論結果を得たか否かが判定される。当該判定の結果がNoであれば、ステップS280で、次の対象となる画像データを選択して、再びステップS230に進む。一方、当該判定の結果がYesであれば、ステップS250に進む。 In step S240, it is determined whether or not an inference result has been obtained for all image data Hn. If the result of this determination is No, in step S280, the next target image data is selected, and the process proceeds to step S230 again. On the other hand, if the result of this determination is Yes, the process proceeds to step S250.

ステップS250では、画像データHnに基づく推論結果を、予測用画像に対応するものに復元する。推論結果として、画像データHn毎に「肌落ち可能性」の値が得られているが、画像データHnには重複するグリッドが存在するので、あるグリッドに対しては、異なる「肌落ち可能性」の値が得られることがある。そのような場合は、安全サイドに振るために、「肌落ち可能性」の値としてより高い値のものをそのグリッドに対応させるようにするのがよい。 In step S250, the inference results based on the image data Hn are restored to those corresponding to the prediction image. As an inference result, a "skin removal possibility" value is obtained for each image data Hn, but since there are overlapping grids in the image data Hn, a different "skin removal possibility" value may be obtained for a certain grid. In such a case, in order to err on the safe side, it is better to assign a higher "skin removal possibility" value to that grid.

また、ステップS250では、上記のようにして、各グリッドに「肌落ち可能性」の値が対応付けられた予測用画像において、肌落ち可能性の値が所定値以上の箇所を「肌落ち予測箇所」として表示できるように標識を生成する。 In addition, in step S250, in the prediction image in which a "skin loss possibility" value is associated with each grid as described above, a marker is generated so that areas where the skin loss possibility value is equal to or greater than a predetermined value can be displayed as "skin loss predicted areas."

続く、ステップS260においては、予測用画像において肌落ち可能性の値が所定値以上の箇所が存在する場合には、予測根拠の可視化する処理を実行する。これにより、肌落ち予測箇所として、ニューラルネットワークでどのような観点で選択されたかについての知見を得ることができ、この意味でも、肌落ち予測のブラックボックス化を防止することが可能となる。なお、予測根拠の可視化について処理は、Grad―CAM(Gradient-weightend Class Actvation Mapping)などの周知のアルゴリズムを用いることができる。 In the next step S260, if there is a location in the prediction image where the skin loss possibility value is equal to or greater than a predetermined value, a process is executed to visualize the prediction basis. This provides insight into the perspectives used by the neural network to select the skin loss prediction location, and in this sense, it is possible to prevent skin loss prediction from becoming a black box. Note that the process for visualizing the prediction basis can use well-known algorithms such as Gradient-weighted Class Activation Mapping (Grad-CAM).

ステップS270では、出力処理部502により、例えば、表示等の出力を実行する。このようなステップS270に基づく、出力表示例を図14に示す。図14(A)は、ステップS250で肌落ち予測箇所として標識された予測用画像の例を示している。図14(A)の例では、肌落ち予測箇所が、枠などの標識で囲まれて、認識できるようになっている。また、図14(B)は、ステップS260で予測根拠の可視化する処理された予測用画像の例を示している。図14(B)の例では、学習モデル2がどのような根拠で予測を行ったかを濃淡(或いは、色の別など)によって、認識できるようになっている。 In step S270, the output processing unit 502 executes output such as display. FIG. 14 shows an example of an output display based on such step S270. FIG. 14(A) shows an example of a prediction image marked as a predicted skin loss area in step S250. In the example of FIG. 14(A), the predicted skin loss area is surrounded by a mark such as a frame so that it can be recognized. FIG. 14(B) shows an example of a prediction image that has been processed to visualize the prediction basis in step S260. In the example of FIG. 14(B), it is possible to recognize the basis on which learning model 2 made its prediction by shading (or different colors, etc.).

以上、本発明に係る肌落ち予測装置5によれば、肌落ち予測指摘箇所に加え、肌落ち要因パターン指摘箇所に基づいて、肌落ち予測箇所が推論されるので、より精度高く肌落ちの危険性がある箇所を予測することができる。また、肌落ち要因パターン指摘箇所に基づく推論がなされるために、肌落ち予測要因がブラックボックス化してしまうことを防止できる。 As described above, according to the skin loss prediction device 5 of the present invention, the predicted skin loss locations are inferred based on the indicated skin loss factor patterns in addition to the indicated skin loss predicted locations, so that it is possible to predict the locations at risk of skin loss with higher accuracy. In addition, because inference is made based on the indicated skin loss factor patterns, it is possible to prevent skin loss prediction factors from becoming a black box.

また、本発明に係る機械学習装置4によれば、より精度高く肌落ちの危険性がある箇所を予測可能な肌落ち予測装置5に用いられる学習モデルを生成することができる。 In addition, the machine learning device 4 according to the present invention can generate a learning model to be used in the skin loss prediction device 5, which can predict areas at risk of skin loss with higher accuracy.

本発明に係る肌落ち予測方法によれば、肌落ち予測指摘箇所に加え、肌落ち要因パターン指摘箇所に基づいて、肌落ち予測箇所が推論されるので、より精度高く肌落ちの危険性がある箇所を予測することができる。また、肌落ち要因パターン指摘箇所に基づく推論がなされるために、肌落ち予測要因がブラックボックス化してしまうことを防止できる。 According to the skin loss prediction method of the present invention, the predicted skin loss locations are inferred based on the indicated skin loss factor patterns in addition to the indicated skin loss predicted locations, so that it is possible to predict locations at risk of skin loss with greater accuracy. In addition, because inference is made based on the indicated skin loss factor patterns, it is possible to prevent skin loss prediction factors from becoming a black box.

また、本発明に係る機械学習方法によれば、より精度高く肌落ちの危険性がある箇所を予測可能な肌落ち予測方法に用いられる学習モデルを生成することができる。 In addition, the machine learning method according to the present invention can generate a learning model to be used in a skin loss prediction method that can predict areas at risk of skin loss with greater accuracy.

また、本発明に係る肌落ち予測装置5及び肌落ち予測方法によれば、経験の浅い技術者や作業員でも、地質専門家の技能と同様の人工知能に基づく知見を得ることにより、肌落ち可能性のある箇所を事前に認識できるため、当該技術者や作業員が経験を積むことができるようになると共に、作業の安全性が確保できる。 In addition, with the skin-fall prediction device 5 and skin-fall prediction method of the present invention, even inexperienced engineers and workers can gain knowledge based on artificial intelligence similar to the skills of geological experts and recognize areas where skin-fall is likely to occur in advance, allowing the engineers and workers to gain experience while ensuring work safety.

また、本発明に係る肌落ち予測装置5及び肌落ち予測方法によれば、撮像装置により写真を撮るだけで、肌落ち可能性のある個所がわかるため、熟練技術でなくても、切羽観察や切羽監視ができるため、熟練技術者の省人化がはかれる。 In addition, with the skin fall prediction device 5 and skin fall prediction method according to the present invention, locations where skin fall may occur can be identified simply by taking a photograph with an imaging device, so that even those without advanced skills can observe and monitor the face, thereby reducing the number of skilled technicians required.

また、本発明に係る肌落ち予測装置5及び肌落ち予測方法によれば、コソク(岩塊など落下させる浮石落しの作業)が十分であるかを確認可能となるため、コソクの作業時間を短縮できる。 In addition, the skin fall prediction device 5 and skin fall prediction method according to the present invention make it possible to check whether the work of removing loose rocks (the work of removing loose rocks, etc.) is sufficient, thereby shortening the work time of removing loose rocks.

また、本発明に係る肌落ち予測装置5及び肌落ち予測方法によれば、コソクが徹底され、浮石が除去されるので品質が向上する。 In addition, the skin-fall prediction device 5 and skin-fall prediction method according to the present invention thoroughly clean the skin and remove loose stones, improving quality.

また、本発明に係る肌落ち予測装置5及び肌落ち予測方法によれば、適切な吹付厚が提案できるので、合理的な鏡吹付ができる。 In addition, the skin fall prediction device 5 and skin fall prediction method according to the present invention can suggest an appropriate spray thickness, allowing for rational mirror spraying.

また、本発明に係る肌落ち予測装置5及び肌落ち予測方法によれば、肌落ち防止設備が不要となり、経済的になるとともに、切羽作業効率が向上する。 In addition, the skin fall prediction device 5 and skin fall prediction method according to the present invention eliminate the need for skin fall prevention equipment, which is economical and improves the efficiency of face work.

トンネル切羽と類似した状況は、岩盤の大規模切土法面掘削時、採石場残壁斜面、自然斜面などにも見られる。本発明に係る肌落ち予測装置5及び肌落ち予測方法は、山岳トンネルの切羽だけに限定するのではなく、これらののり面や斜面にも適用可能であり、肌落ちおよび落石災害防止のためのモニタリング方法の一つとなる。 Situations similar to those of a tunnel face can also be seen during large-scale cut slope excavation of rock mass, on quarry wall slopes, and on natural slopes. The face fall prediction device 5 and face fall prediction method of the present invention are not limited to mountain tunnel faces, but can also be applied to these face and slopes, and are one of the monitoring methods for preventing face falls and rockfall disasters.

これまで説明した実施形態では、機械学習の学習手法として、トンネル切羽10の肌落ちの予測・判定を分類問題として扱うニューラルネットワークモデル(深層学習を含む)20、により学習モデル2を構成した場合について説明したが、回帰問題として扱うニューラルネットワークモデルにより学習モデルを構成してもよい。さらに、上記実施形態における入力データ及び出力データの相関関係を学習データから機械学習するものであれば、上記の例に限られるものでなく、他の学習手法を採用してもよい。例えば、学習モデルは、再帰型ニューラルネットワーク(RNN)やアンサンブル学習を用いたものでもよい。また、回帰問題として扱う場合には、学習モデルは、統計的な学習手法を採用したものでもよく、例えば、自己回帰和分移動平均(ARIMA)モデルやベイズ推定等の統計的モデルを用いたものでもよい。 In the embodiment described so far, the learning model 2 is configured by a neural network model (including deep learning) 20 that treats the prediction and judgment of the skin drop of the tunnel face 10 as a classification problem as a machine learning learning method. However, the learning model may be configured by a neural network model that treats it as a regression problem. Furthermore, as long as the correlation between the input data and the output data in the above embodiment is machine-learned from the learning data, other learning methods may be adopted without being limited to the above examples. For example, the learning model may use a recurrent neural network (RNN) or ensemble learning. Furthermore, when it is treated as a regression problem, the learning model may use a statistical learning method, for example, a statistical model such as an autoregressive integrated moving average (ARIMA) model or Bayesian estimation.

また、上記実施形態における機械学習装置4の制御部40、又は、肌落ち予測装置5の制御部50が備える各部は、図11に示すコンピュータ900のプロセッサ912にプログラムで実行させることで実現されるものでもよい。
きる。
Furthermore, each unit of the control unit 40 of the machine learning device 4 or the control unit 50 of the skin fall prediction device 5 in the above embodiment may be realized by having the processor 912 of the computer 900 shown in Figure 11 execute a program.
Cut.

また、上記実施形態に係る肌落ち予測装置5の態様に代えて、トンネル切羽10の肌落ちの予測・判定するために用いられる推論装置(推論方法又は推論プログラム)の態様で提供してもよい。この場合、推論装置は、メモリと、プロセッサとを含み、このうちのプロセッサが、一連の処理を実行する。 In addition, instead of the aspect of the surface fall prediction device 5 according to the above embodiment, it may be provided in the form of an inference device (inference method or inference program) used to predict and determine the surface fall of the tunnel face 10. In this case, the inference device includes a memory and a processor, and the processor executes a series of processes.

当該一連の処理には、予測用画像31を含む判定データを取得するデータ取得処理と、データ取得処理にて判定データを取得すると、予測用画像31を学習モデルに入力し、予測用画像31に撮像されたトンネル切羽の肌落ち予測箇所を推論する推論処理とが含まれる。 This series of processes includes a data acquisition process for acquiring judgment data including a prediction image 31, and, once the judgment data has been acquired in the data acquisition process, an inference process for inputting the prediction image 31 into a learning model and inferring the predicted location of the skin drop of the tunnel face captured in the prediction image 31.

上記の推論装置(推論方法又は推論プログラム)の態様で提供することで、肌落ち予測装置5を実装する場合に比して簡単に種々の装置への適用が可能となる。なお、推論装置(推論方法又は推論プログラム)がトンネル切羽10の肌落ちを予測・判定する際、上記実施形態に係る機械学習装置4により生成された学習済みの学習モデル2を用いて、肌落ち予測装置5の推論部501が実施する推論手法を適用してもよいことは、当業者にとって当然に理解され得るものである。 By providing the inference device (inference method or inference program) as described above, it is possible to easily apply it to various devices compared to implementing the skin fall prediction device 5. It should be obvious to those skilled in the art that when the inference device (inference method or inference program) predicts and determines the skin fall of the tunnel face 10, it may apply the inference method implemented by the inference unit 501 of the skin fall prediction device 5 using the trained learning model 2 generated by the machine learning device 4 according to the above embodiment.

1・・・肌落ち予測システム、
2、2a、2b・・・学習モデル、
3・・・撮像装置、
4・・・機械学習装置、
5・・・肌落ち予測装置、
6・・・端末装置、
7・・・ネットワーク、
8A・・・環境観測装置、
8B・・・環境情報提供装置、
10・・・トンネル切羽、
20・・・ニューラルネットワークモデル、
21・・・入力層、
22a・・・第1の中間層、
22b・・・第2の中間層、
23a・・・第1の出力層、
23b・・・第2の出力層、
23c・・・第3の出力層
30・・・学習用画像、
31・・・予測用画像、
40・・・制御部、
41・・・通信部、
42・・・学習データ記憶部、
43・・・学習済みモデル記憶部、
50・・・制御部、
51・・・通信部、
52・・・学習済みモデル記憶部、
80・・・学習用環境情報、
81・・・判定用環境情報、
220a、220b・・・畳み込み層、
221a、221b・・・プーリング層、
222a、222b、222c・・・全結合層、
400、400a、400b・・・学習データ取得部、
401、401a、401b・・・機械学習部、
500、500a・・・判定データ取得部、
501、501a、501b・・・推論部、
502・・・出力処理部、
900・・・コンピュータ
910・・・バス、
912・・・プロセッサ、
914・・・メモリ、
916・・・入力デバイス、
917・・・出力デバイス、
918・・・表示デバイス、
920・・・ストレージ装置、
922・・・通信I/F(インターフェース)部、
924・・・外部機器I/F部、
926・・・I/O(入出力)デバイスI/F部、
928・・・メディア入出力部
1. Skin loss prediction system,
2, 2a, 2b...Learning model,
3...imaging device,
4...Machine learning device,
5... Skin loss prediction device,
6... Terminal device,
7. Network,
8A: Environmental monitoring device,
8B...Environmental information providing device,
10...Tunnel face,
20...Neural network model,
21...input layer,
22a...first intermediate layer,
22b: second intermediate layer;
23a...first output layer,
23b... second output layer,
23c... third output layer 30... learning image,
31... Prediction image,
40: Control unit,
41...Communication department,
42: learning data storage unit,
43... trained model storage unit,
50: Control unit,
51: Communication unit,
52... trained model storage unit,
80...Learning environment information,
81...Environmental information for judgment,
220a, 220b...convolutional layers,
221a, 221b...pooling layer,
222a, 222b, 222c... fully connected layers,
400, 400a, 400b...learning data acquisition unit,
401, 401a, 401b...machine learning unit,
500, 500a...judgment data acquisition unit,
501, 501a, 501b... Reasoning section,
502: Output processing unit,
900... Computer 910... Bus,
912...Processor,
914...Memory,
916...input device,
917...output device,
918...Display device,
920...Storage device,
922: Communication I/F (interface) unit,
924...external device I/F section,
926: I/O (input/output) device I/F unit,
928...Media input/output unit

Claims (6)

トンネル切羽における肌落ちを予測する肌落ち予測装置であって、
トンネル切羽が撮像された予測用画像を含む判定データを取得する判定データ取得部と、
前記トンネル切羽が撮像された学習用画像を含む入力データと、当該学習用画像に含まれる肌落ち予測指摘箇所と肌落ち要因パターン指摘箇所とに関するデータを含む出力データとの相関関係を機械学習させた学習モデルを記憶する学習済みモデル記憶部と、
前記判定データ取得部により取得された前記判定データを前記学習モデルに入力し、前記予測用画像に撮像された前記トンネル切羽の肌落ち予測箇所を推論する推論部とを備え
前記予測用画像は、複数の画像データに切り出され用いられると共に、
複数の画像データのそれぞれは、他の画像データとの重複部を有し、
複数の画像データそれぞれは重み係数を有し、画像データと共に当該画像データの重み係数が前記学習モデルに入力され、
重複部はグリッド状に分割された画像を複数含み、
重み係数はトンネル切羽の中央部より周縁部の方が高いことを特徴とする肌落ち予測装置。
A skin fall prediction device for predicting skin fall at a tunnel face,
A judgment data acquisition unit that acquires judgment data including a prediction image of a tunnel face;
A learned model storage unit that stores a learned model that machine-learns a correlation between input data including a learning image of the tunnel face and output data including data on a predicted skin fall indication point and a skin fall cause pattern indication point included in the learning image;
An inference unit that inputs the judgment data acquired by the judgment data acquisition unit into the learning model and infers a predicted location of the skin fall of the tunnel face captured in the prediction image ,
The prediction image is cut out into a plurality of image data for use, and
Each of the plurality of image data has an overlapping portion with other image data,
Each of the plurality of image data has a weighting coefficient, and the weighting coefficient of the image data is input to the learning model together with the image data;
The overlapping portion includes a plurality of images divided into a grid pattern,
A skin fall prediction device characterized in that the weighting coefficient is higher at the periphery of a tunnel face than at the center .
前記予測用画像において、前記肌落ち予測箇所が標識されることを特徴とする請求項1に記載の肌落ち予測装置。 2. The skin defect prediction device according to claim 1 , wherein the skin defect prediction portion is marked in the prediction image. 前記予測用画像において、前記肌落ち予測箇所の予測根拠が可視化されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の肌落ち予測装置。 3. The skin defect prediction device according to claim 1 , wherein a prediction basis for the predicted skin defect portion is visualized in the prediction image. トンネル切羽における肌落ちを予測する肌落ち予測装置に用いられる学習モデルを生成する機械学習装置であって、
前記トンネル切羽が撮像された学習用画像を含む入力データと、当該学習用画像に含まれる肌落ち予測指摘箇所と肌落ち要因パターン指摘箇所とに関するデータを含む出力データとで構成される学習データを複数組記憶する学習データ記憶部と、
前記学習モデルに前記学習データを複数組入力することで、前記入力データと前記出力データとの相関関係を前記学習モデルに機械学習させる機械学習部と、
前記機械学習部により機械学習させた前記学習モデルを記憶する学習済みモデル記憶部とを備え
前記学習用画像は、複数の画像データに切り出され用いられると共に、
複数の画像データのそれぞれは、他の画像データとの重複部を有し、
複数の画像データそれぞれは重み係数を有し、画像データと共に当該画像データの重み係数が前記学習モデルに入力され、
重複部はグリッド状に分割された画像を複数含み、
重み係数はトンネル切羽の中央部より周縁部の方が高いことを特徴とする機械学習装置。
A machine learning device that generates a learning model used in a skin fall prediction device that predicts skin falls at a tunnel face,
A learning data storage unit that stores a plurality of sets of learning data including input data including learning images of the tunnel face and output data including data on predicted skin fall indication points and skin fall cause pattern indication points included in the learning images;
a machine learning unit that inputs a plurality of sets of the learning data into the learning model to machine-learn the correlation between the input data and the output data;
a trained model storage unit that stores the trained model trained by the machine learning unit ;
The learning image is cut out into a plurality of image data for use, and
Each of the plurality of image data has an overlapping portion with other image data,
Each of the plurality of image data has a weighting coefficient, and the weighting coefficient of the image data is input to the learning model together with the image data;
The overlapping portion includes a plurality of images divided into a grid pattern,
A machine learning device characterized in that the weighting coefficient is higher at the periphery of a tunnel face than at the center .
トンネル切羽における肌落ちを予測する肌落ち予測方法であって、
トンネル切羽が撮像された予測用画像を含む判定データを取得する判定データ取得工程と、
前記判定データ取得工程により取得された前記判定データを、前記トンネル切羽が撮像された学習用画像を含む入力データと、当該学習用画像に含まれる肌落ち予測指摘箇所と肌落ち要因パターン指摘箇所とに関するデータを含む出力データとの相関関係を機械学習させた学習モデルに入力し、前記予測用画像に撮像された前記トンネル切羽の肌落ち予測箇所推論する推論工程とを備え
前記予測用画像は、複数の画像データに切り出され用いられると共に、
複数の画像データのそれぞれは、他の画像データとの重複部を有し、
複数の画像データそれぞれは重み係数を有し、画像データと共に当該画像データの重み係数が前記学習モデルに入力され、
重複部はグリッド状に分割された画像を複数含み、
重み係数はトンネル切羽の中央部より周縁部の方が高いことを特徴とする肌落ち予測方法。
A method for predicting a skin fall at a tunnel face, comprising:
A judgment data acquisition process for acquiring judgment data including a prediction image of a tunnel face;
The judgment data acquired by the judgment data acquisition process is input to a learning model that has been machine-learned to learn the correlation between input data including a learning image of the tunnel face and output data including data related to a skin fall prediction indication point and a skin fall cause pattern indication point included in the learning image, and an inference process is provided to infer the skin fall prediction point of the tunnel face captured in the prediction image ,
The prediction image is cut out into a plurality of image data for use, and
Each of the plurality of image data has an overlapping portion with other image data,
Each of the plurality of image data has a weighting coefficient, and the weighting coefficient of the image data is input to the learning model together with the image data;
The overlapping portion includes a plurality of images divided into a grid pattern,
A method for predicting skin fall, characterized in that the weighting coefficient is higher at the periphery of a tunnel face than at the center .
トンネル切羽における肌落ちを予測する肌落ち予測方法に用いられる学習モデルを生成する機械学習方法であって、
前記トンネル切羽が撮像された学習用画像を含む入力データと、当該学習用画像に含まれる肌落ち予測指摘箇所と肌落ち要因パターン指摘箇所とに関するデータを含む出力データとで構成される学習データを学習データ記憶部に複数組記憶する学習データ記憶工程と、
前記学習モデルに前記学習データを複数組入力することで、前記入力データと前記出力データとの相関関係を前記学習モデルに機械学習させる機械学習工程と、
前記機械学習工程により機械学習させた前記学習モデルを学習済みモデル記憶部に記憶する学習済みモデル記憶工程とを備え
前記学習用画像は、複数の画像データに切り出され用いられると共に、
複数の画像データのそれぞれは、他の画像データとの重複部を有し、
複数の画像データそれぞれは重み係数を有し、画像データと共に当該画像データの重み係数が前記学習モデルに入力され、
重複部はグリッド状に分割された画像を複数含み、
重み係数はトンネル切羽の中央部より周縁部の方が高いことを特徴とする機械学習方法。
A machine learning method for generating a learning model used in a skin fall prediction method for predicting skin falls at a tunnel face,
a learning data storage step of storing a plurality of sets of learning data in a learning data storage unit, the learning data being composed of input data including learning images of the tunnel face and output data including data on predicted skin-fall indication points and skin-fall factor pattern indication points included in the learning images;
a machine learning process for inputting a plurality of sets of the learning data into the learning model, thereby making the learning model learn the correlation between the input data and the output data by machine learning;
a trained model storage step of storing the trained model trained by the machine learning step in a trained model storage unit ;
The learning image is cut out into a plurality of image data for use, and
Each of the plurality of image data has an overlapping portion with other image data,
Each of the plurality of image data has a weighting coefficient, and the weighting coefficient of the image data is input to the learning model together with the image data;
The overlapping portion includes a plurality of images divided into a grid pattern,
A machine learning method characterized in that the weighting coefficient is higher at the periphery of the tunnel face than at the center .
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