JP7801766B2 - Chemical component determination device, chemical component determination method, chemical component determination program, and recording medium - Google Patents
Chemical component determination device, chemical component determination method, chemical component determination program, and recording mediumInfo
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Description
本発明は、化学成分判定装置、化学成分判定方法、化学成分判定プログラムおよび記録媒体に関する。 The present invention relates to a chemical component determination device, a chemical component determination method, a chemical component determination program, and a recording medium.
ガスに含まれるニオイを判定する先行技術として、PID(Photo Ionization Detector:光イオン化式検知器)と半導体ガスセンサを検出器に用い、クロマトカラムでニオイ成分を分離しモニタする手法がある(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に開示された技術では、得られた波形をニューラルネットワークに入力してニオイを判定している。 Prior art for determining the odor contained in gas involves using a PID (Photo Ionization Detector) and a semiconductor gas sensor as detectors, and separating and monitoring odor components using a chromatographic column (see, for example, Patent Document 1). The technology disclosed in Patent Document 1 inputs the obtained waveform into a neural network to determine the odor.
特許文献1に開示された技術は、ニオイの質および強度を、それぞれ別個のニューラルネットワークを用いて判定している。すなわちこの技術では、ニオイの質および強度を一度に判定することはできない。さらにここで出力される強度は、段階的(不連続的)な飛び飛びの値であり、濃度のような連続的な値ではない。 The technology disclosed in Patent Document 1 determines the quality and intensity of an odor using separate neural networks. This means that this technology cannot determine both the quality and intensity of an odor at the same time. Furthermore, the intensity output here is a stepped (discontinuous) discrete value, not a continuous value like concentration.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、化学センサが検出した試料のセンサ信号を用いて、当該試料に含まれる化学成分およびその濃度を一度に判定することにある。 The present invention was made in light of these circumstances, and its purpose is to simultaneously determine the chemical components and concentrations contained in a sample using the sensor signal of the sample detected by a chemical sensor.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の化学成分判定装置は、候補となる化学成分の数がn個の試料から複数の化学センサが検出したセンサ信号が入力される入力層と、中間層と、基準値y0および試料に関連する化学成分値yt(t=1~n)を機械学習して出力する出力層と、試料に関連する化学成分の濃度st(t=1~n)を計算する濃度計算部と、を含み、
Σi=0
n yi=1
yt / y0=st
である。
In order to solve the above problems, a chemical component determination device according to one embodiment of the present invention includes an input layer to which sensor signals detected by a plurality of chemical sensors from a sample containing n candidate chemical components are input, an intermediate layer, an output layer that performs machine learning to obtain a reference value y 0 and a chemical component value y t (t=1 to n) associated with the sample and outputs the result, and a concentration calculation unit that calculates the concentration s t (t=1 to n) of the chemical component associated with the sample,
Σ i=0 n y i =1
y t / y 0 =s t
is.
ある実施の形態では、化学センサはガスセンサであってもよい。 In one embodiment, the chemical sensor may be a gas sensor.
ある実施の形態では、化学センサは試料のニオイを検出してもよい。 In some embodiments, the chemical sensor may detect the odor of the sample.
ある実施の形態では、化学成分判定装置は、化学センサが検出したセンサ信号値を対数化および/または標準化する前処理部をさらに含んでもよい。 In one embodiment, the chemical component determination device may further include a pre-processing unit that logarithms and/or standardizes the sensor signal values detected by the chemical sensor.
ある実施の形態では、複数の化学センサは、入力層から中間層のノードへの重みの標準偏差がより大きいものとして、化学センサの候補の中から選ばれたものであってもよい。 In one embodiment, the multiple chemical sensors may be selected from the candidate chemical sensors based on the largest standard deviation of weights from the input layer to the hidden layer nodes.
本発明の別の態様は、化学成分判定方法である。この方法は、入力層と、中間層と、出力層と、濃度計算部と、を含む化学成分判定装置を用いて試料の化学成分および化学成分の濃度を判定する方法であって、入力層に、候補となる化学成分の数がn個の試料から複数の化学センサが検出したセンサ信号を入力するステップと、出力層から、基準値y0および試料に関連する化学成分値yt(t=1~n)を機械学習して出力するステップと、濃度計算部を用いて、試料に関連する化学成分の濃度st(t=1~n)を計算するステップと、を含み、
Σi=0
n yi=1
yt / y0=st
である。
Another aspect of the present invention is a chemical component determination method for determining the chemical components and concentrations of the chemical components of a sample using a chemical component determination device including an input layer, an intermediate layer, an output layer, and a concentration calculation unit, the method including the steps of: inputting sensor signals detected by a plurality of chemical sensors from a sample containing n candidate chemical components to the input layer; outputting a reference value y 0 and a chemical component value y t (t=1 to n) associated with the sample from the output layer through machine learning; and calculating the concentration s t (t=1 to n) of the chemical component associated with the sample using the concentration calculation unit.
Σ i=0 n y i =1
y t / y 0 =s t
is.
本発明のさらに別の態様は、化学成分判定プログラムである。このプログラムは、入力層と、中間層と、出力層と、濃度計算部と、を含む化学成分判定装置を用いて試料の化学成分および化学成分の濃度を判定する方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、入力層に、候補となる化学成分の数がn個の試料から複数の化学センサが検出したセンサ信号を入力するステップと、出力層から、基準値y0および試料に関連する化学成分値yt(t=1~n)を機械学習して出力するステップと、濃度計算部を用いて、試料に関連する化学成分の濃度st(t=1~n)を計算するステップと、を含み、
Σi=0
n yi=1
yt / y0=st
である方法をコンピュータに実行させる。
Yet another aspect of the present invention is a chemical component determination program that causes a computer to execute a method for determining the chemical components and concentrations of the chemical components of a sample using a chemical component determination device including an input layer, an intermediate layer, an output layer, and a concentration calculation unit, the program including the steps of: inputting sensor signals detected by a plurality of chemical sensors from a sample containing n candidate chemical components to the input layer; outputting a reference value y 0 and a chemical component value y t (t=1 to n) associated with the sample from the output layer through machine learning; and calculating the concentration s t (t=1 to n) of the chemical component associated with the sample using the concentration calculation unit.
Σ i=0 n y i =1
y t / y 0 =s t
The method is performed by a computer.
本発明のさらに別の態様は、記録媒体である。この記録媒体は、入力層と、中間層と、出力層と、濃度計算部と、を含む化学成分判定装置を用いて試料の化学成分および化学成分の濃度を判定する方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録した記録媒体であって、入力層に、候補となる化学成分の数がn個の試料から複数の化学センサが検出したセンサ信号を入力するステップと、出力層から、基準値y0および試料に関連する化学成分値yt(t=1~n)を機械学習して出力するステップと、濃度計算部を用いて、試料に関連する化学成分の濃度st(t=1~n)を計算するステップと、を含み、
Σi=0
n yi=1
yt / y0=st
である方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録する。
Yet another aspect of the present invention is a recording medium storing a program for causing a computer to execute a method for determining chemical components and the concentrations of the chemical components of a sample using a chemical component determination device including an input layer, an intermediate layer, an output layer, and a concentration calculation unit, the method including the steps of: inputting sensor signals detected by a plurality of chemical sensors from a sample containing n candidate chemical components to the input layer; outputting a reference value y 0 and a chemical component value y t (t=1 to n) associated with the sample from the output layer through machine learning; and calculating the concentration s t (t=1 to n) of the chemical component associated with the sample using the concentration calculation unit.
Σ i=0 n y i =1
y t / y 0 =s t
A program for causing a computer to execute the method is recorded.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 In addition, any combination of the above components, and any transformation of the present invention into an apparatus, method, system, recording medium, computer program, etc., are also valid aspects of the present invention.
本発明によれば、化学センサが検出した試料のセンサ信号から、当該試料に含まれる化学成分および当該化学成分の濃度を一度に判定することができる。 According to the present invention, the chemical components contained in a sample and their concentrations can be determined simultaneously from the sensor signal of the sample detected by the chemical sensor.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに各図面を参照しながら説明する。実施の形態及び変形例では、同一又は同等の構成要素、部材には同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示す。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要でない部材の一部は省略して表示する。また、第1、第2などの序数を含む用語が多様な構成要素を説明するために用いられるが、こうした用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられ、この用語によって構成要素が限定されるものではない。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. In the embodiments and variations, identical or equivalent components and parts will be given the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted where appropriate. The dimensions of the components in each drawing will be enlarged or reduced as appropriate to facilitate understanding. Some components that are not important for explaining the embodiments will be omitted from the drawings. Furthermore, terms including ordinal numbers such as first and second are used to describe various components, but these terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another, and do not limit the components.
[第1の実施の形態]
図1に、第1の実施の形態に係る化学成分判定装置1の機能ブロック図を示す。化学成分判定装置1は、入力層10と、中間層20と、出力層30と、濃度計算部40と、を含む。入力層10、中間層20および出力層30によってニューラルネットワークが形成される。以下では混乱のない限り、ニューラルネットワークでデータを表す記号とノードを表す記号に同じものを用いることもある。例えば同じx1という記号を用いて、データx1と表したり、ノードx1と表したりすることがある。
[First embodiment]
FIG. 1 shows a functional block diagram of a chemical component determination device 1 according to a first embodiment. The chemical component determination device 1 includes an input layer 10, an intermediate layer 20, an output layer 30, and a concentration calculation unit 40. The input layer 10, the intermediate layer 20, and the output layer 30 form a neural network. In the following, unless there is confusion, the same symbol may be used to represent data and nodes in a neural network. For example, the same symbol x1 may be used to represent data x1 and node x1 .
図1の例では、候補となる化学成分の数がn個の試料を対象とする。化学成分判定装置1には、m個の異なる化学センサ101、102、103、…、10mが接続されている。化学センサ101、102、103、…、10mの各々は、上記の成分1、2、3、…、nに対して一定の感度を持つことが望ましい。 In the example shown in Figure 1, a sample with n candidate chemical components is being considered. m different chemical sensors 101, 102, 103, ..., 10m are connected to the chemical component determination device 1. It is desirable that each of the chemical sensors 101, 102, 103, ..., 10m has a certain sensitivity to the above components 1, 2, 3, ..., n.
入力層10には、化学センサ101、102、103、…、10mが検出したセンサ信号x1、x2、x3、…、xmが入力される。ただし、図1で入力層10の中にx0で示されるものはバイアスノードである。バイアスノードを除けば、入力層のノード数mは、化学センサの数m(すなわち化学センサからのセンサ信号の数m)に等しい。 Sensor signals x1 , x2 , x3 , ..., xm detected by chemical sensors 101, 102, 103, ..., 10m are input to the input layer 10. Note that in Fig. 1, the node indicated by x0 in the input layer 10 is a bias node. Excluding the bias node, the number m of nodes in the input layer is equal to the number m of chemical sensors (i.e., the number m of sensor signals from the chemical sensors).
入力層10に入力されたセンサ信号x1、x2、x3、…、xmは、中間層20の各ノードb1、b2、b3、…、bkに渡される。中間層20の層の数および各中間層のノードの数(この例ではk)は、機械学習の精度や計算コストに応じて、任意の好適なものを選んでよい。中間層20の各ノードは、ReLUなどの活性化関数を用いて、値b1、b2、b3、…、bkをそれぞれz1、z2、z3、…、zkに変換してもよい。図のz0はバイアスノードである。 The sensor signals x1 , x2 , x3 , ..., xm input to the input layer 10 are passed to each node b1 , b2 , b3 , ..., bk in the hidden layer 20. The number of layers in the hidden layer 20 and the number of nodes in each hidden layer (k in this example) may be selected arbitrarily and suitably depending on the accuracy of machine learning and the calculation cost. Each node in the hidden layer 20 may convert the values b1 , b2 , b3 , ..., bk into z1 , z2 , z3 , ..., zk , respectively, using an activation function such as ReLU. z0 in the figure is a bias node.
出力層30は、入力層10に入力されたセンサ信号x1、x2、x3、…、xmから機械学習された当該試料に関連する化学成分値y1、y2、y3、…、ynおよび基準値y0を出力する。基準値y0については後述する。ここで、出力層のノード数(n+1)は、候補となる化学成分の数nに1を足したものである点に注意する。 The output layer 30 outputs chemical component values y1 , y2 , y3 , ..., yn and a reference value y0 associated with the sample, which are machine-learned from the sensor signals x1 , x2 , x3 , ... , xm input to the input layer 10. The reference value y0 will be described later. Note that the number of nodes in the output layer (n+1) is the number n of candidate chemical components plus 1.
濃度計算部40は、当該試料に関連する化学成分の濃度s1、s2、s3、…、snを計算する。ここで、当該試料に関連する化学成分値yt(t=1~n)と濃度st(t=1~n)は以下を満たす。
Σi=0
n yi=1 (1)
yt / y0=st (2)
ここで、y0およびyt(t=1~n)は、(1)および(2)より以下のように求められることに注意する。
y0=1/(1+Σt=1
n st) (3)
yt= st /(1+Σt=1
n st) (4)
The concentration calculation unit 40 calculates concentrations s 1 , s 2 , s 3 , ..., s n of chemical components associated with the sample, where the chemical component values y t (t=1 to n) and concentrations s t (t=1 to n) associated with the sample satisfy the following:
Σ i=0 n y i =1 (1)
yt / y0 = st (2)
It should be noted that y 0 and y t (t=1 to n) can be obtained from (1) and (2) as follows:
y 0 =1/(1+Σ t=1 n s t ) (3)
y t = s t /(1+Σ t=1 n s t ) (4)
このように化学成分判定装置1は、化学センサ101、102、103、…、10mが検出した試料のセンサ信号x1、x2、x3、…、xmから、当該試料に含まれる化学成分値yt(t=1~n)および当該化学成分の濃度st(t=1~n)を一度に判定する。 In this way, the chemical component determination device 1 simultaneously determines the chemical component values yt (t=1 to n) and the concentrations st (t=1 to n) of the chemical components contained in the sample from the sensor signals x1 , x2 , x3 , ..., xm of the sample detected by the chemical sensors 101, 102, 103, ..., 10m.
本実施の形態の特徴の1つは、出力層に活性化関数を置いて分類・識別を行うだけでなく、回帰も同時に行えるニューラルネットワークである点にある。従来の一般的な回帰モデルでは、教師データとして入力する濃度値が、そのまま出力される濃度値に対応する。この場合、化学成分の種類の識別を行うことはできない。これに対し本実施の形態は、出力層に新たに基準値のノードを設けることにより、化学成分の種類の識別と濃度の予測とを同時に行うことができるという顕著な利点を持つ。 One of the features of this embodiment is that it is a neural network that not only performs classification and identification by placing an activation function in the output layer, but also simultaneously performs regression. In conventional general regression models, the concentration values input as training data correspond directly to the concentration values output. In this case, it is not possible to identify the type of chemical component. In contrast, this embodiment has the significant advantage of being able to simultaneously identify the type of chemical component and predict the concentration by adding a new reference value node to the output layer.
本実施の形態によれば、化学センサが検出した試料のセンサ信号を用いて、当該試料に含まれる化学成分およびその濃度を一度に判定する装置を実現することができる。 This embodiment makes it possible to realize a device that simultaneously determines the chemical components and concentrations contained in a sample using the sensor signal of the sample detected by a chemical sensor.
[第2の実施の形態]
第2の実施の形態では、試料はガスである。この場合、候補となる化学成分は、例えば候補1がアンモニア、候補2が硫化水素、候補3がLPガス、…、候補nがエタノール、といったようにガス成分である。試料のガスは、これらのガス成分のいずれかを1種類のみを含む純粋なガスであってもよいし、これらのガス成分の複数を含む混合ガスであってもよい。この場合化学センサ101、102、103、…、10mはガスセンサであってもよい。例えばガスセンサは一般的な市販のガスセンサであってもよい。ガスセンサ101、102、103、…、10mの各々は、試料のガス成分1、2、3、…、nに対して、一定の感度を持つことが望ましい。
Second Embodiment
In the second embodiment, the sample is a gas. In this case, the candidate chemical components are gas components, such as candidate 1 being ammonia, candidate 2 being hydrogen sulfide, candidate 3 being LP gas, ..., and candidate n being ethanol. The sample gas may be a pure gas containing only one of these gas components, or a mixed gas containing multiple of these gas components. In this case, chemical sensors 101, 102, 103, ..., 10m may be gas sensors. For example, the gas sensors may be general commercially available gas sensors. It is desirable that each of gas sensors 101, 102, 103, ..., 10m has a certain sensitivity to sample gas components 1, 2, 3, ..., n.
本実施の形態によれば、ガスセンサが検出した試料ガスのセンサ信号を用いて、当該試料ガスに含まれる成分ガスおよびその濃度を一度に判定することができる。 According to this embodiment, the component gases contained in the sample gas and their concentrations can be determined simultaneously using the sensor signal of the sample gas detected by the gas sensor.
[第3の実施の形態]
第3の実施の形態では、化学センサは試料のニオイを検出する。例えば第2の実施の形態の例であれば、化学成分判定装置1に接続された化学センサ101、102、103、…、10mの各々は、アンモニア、硫化水素、LPガス、…、エタノールのニオイを検出してもよい。
[Third embodiment]
In the third embodiment, the chemical sensors detect the odor of the sample. For example, in the example of the second embodiment, each of the chemical sensors 101, 102, 103, ..., 10m connected to the chemical component determination device 1 may detect the odor of ammonia, hydrogen sulfide, LP gas, ..., ethanol.
本実施の形態は、ニオイの識別が求められる分野、例えば、呼気計測による疾患スクリーニング、におい計測による食品の鮮度評価、室内空気質評価、などに有効に適用することができる。 This embodiment can be effectively applied to fields where odor identification is required, such as disease screening using breath measurement, evaluating food freshness using odor measurement, and indoor air quality evaluation.
[第4の実施の形態]
図2に、第4の実施の形態に係る化学成分判定装置2の機能ブロック図を示す。化学成分判定装置2は、入力層10と、中間層20と、出力層30と、濃度計算部40と、前処理部50と、を含む。すなわち化学成分判定装置2は、図1の化学成分判定装置1に対して、前処理部50をさらに含む。化学成分判定装置2のその他の構成は、化学成分判定装置1の構成と共通する。以下、化学成分判定装置1と相違する点について焦点を当てて説明する。
[Fourth embodiment]
2 shows a functional block diagram of a chemical component determination apparatus 2 according to a fourth embodiment. The chemical component determination apparatus 2 includes an input layer 10, an intermediate layer 20, an output layer 30, a concentration calculation unit 40, and a preprocessing unit 50. That is, the chemical component determination apparatus 2 further includes the preprocessing unit 50 in addition to the components of the chemical component determination apparatus 1 in FIG. The remaining configuration of the chemical component determination apparatus 2 is the same as that of the chemical component determination apparatus 1. The following description will focus on the differences from the chemical component determination apparatus 1.
前処理部50は、化学センサ101、102、103、…、10mが検出したセンサ信号値を対数化および/または標準化する。 The pre-processing unit 50 logarithms and/or standardizes the sensor signal values detected by the chemical sensors 101, 102, 103, ..., 10m.
化学センサ101、102、103、…、10mの中には、一部のデータに対してのみ非常に大きなセンサ応答値を示すものがある。このようなデータをそのまま使うと、計算上の誤差が大きくなる可能性がある。これに対し、例えば10を底として元のデータを対数化することにより、極端に大きな応答値を緩和することができる。 Some chemical sensors 101, 102, 103, ..., 10m exhibit extremely large sensor response values for only a portion of the data. Using such data as is can result in large calculation errors. However, by converting the original data to a logarithm, for example, using 10 as the base, it is possible to mitigate extremely large response values.
さらに化学センサ101、102、103、…、10mは、センサ毎に平均的な応答の大小が異なる。このとき、得られる出力が、応答の大きいセンサに偏ったものとなる可能性がある。これに対し、例えば元のデータを、平均が0で標準偏差が1の標準化データに変換することにより、極端に大きな応答の偏りを緩和することができる。 Furthermore, the average response of chemical sensors 101, 102, 103, ..., 10m varies from sensor to sensor. In this case, the output obtained may be biased toward sensors with large responses. In response to this, for example, by converting the original data into standardized data with a mean of 0 and a standard deviation of 1, it is possible to mitigate the bias of extremely large responses.
このように化学センサから取得したデータを対数化データ、標準化データまたはその両方に変換する処理を行うことにより、機械学習の結果をより正確なものとすることができる。すなわち本実施の形態によれば、試料に含まれる化学成分およびその濃度をより正確に判定することができる。 By converting the data obtained from the chemical sensor into logarithmic data, standardized data, or both, the machine learning results can be made more accurate. In other words, this embodiment makes it possible to more accurately determine the chemical components and their concentrations contained in a sample.
[第5の実施の形態]
第5の実施の形態では、化学センサを、入力層から中間層のノードへの重みの標準偏差がより大きいものとして化学センサの候補の中から選ばれたものとする。例えば、最初に多数の化学センサの候補を用いてニューラルネットワークを構成した後、各センサデータの入力層から中間層のノードへの重み同士を比較する。その結果、重みの標準偏差がより大きいものを所定の数だけ実際に使用する化学センサとして選び、残りの化学センサは使用しない、といった使い方ができる。この場合、重みの標準偏差が大きいほど、対応する化学センサの寄与が大きいと考えられる。従って、重みの標準偏差が大きいものを実際に使用する化学センサとして選ぶことにより、精度をあまり損なうことなく、化学センサの数を削減することができる。
Fifth Embodiment
In the fifth embodiment, a chemical sensor is selected from among candidate chemical sensors based on the largest standard deviation of the weights from the input layer to the nodes in the intermediate layer. For example, a neural network is first constructed using a large number of candidate chemical sensors, and then the weights of each sensor data from the input layer to the nodes in the intermediate layer are compared. As a result, a predetermined number of chemical sensors with larger standard deviations of the weights can be selected as the chemical sensors to be actually used, and the remaining chemical sensors can be left unused. In this case, the larger the standard deviation of the weights, the greater the contribution of the corresponding chemical sensor. Therefore, by selecting chemical sensors with larger standard deviations of the weights as the chemical sensors to be actually used, the number of chemical sensors can be reduced without significantly sacrificing accuracy.
本実施の形態によれば、化学センサの数を削減することができるので、構成全体をコンパクトにし、コストを削減することができる。 This embodiment allows for a reduction in the number of chemical sensors, making the overall configuration more compact and reducing costs.
[第6の実施の形態]
図3に、第6の実施の形態に係る化学成分判定方法の処理フローを示す。この方法は、入力層と、中間層と、出力層と、濃度計算部と、を含む化学成分判定装置を用いて、試料の化学成分および前記化学成分の濃度を判定する方法である。この方法は、ステップS10と、ステップS20と、ステップS30と、を含む。
Sixth Embodiment
3 shows a process flow of a chemical component determination method according to a sixth embodiment. This method determines the chemical components and concentrations of the chemical components in a sample using a chemical component determination device including an input layer, an intermediate layer, an output layer, and a concentration calculation unit. This method includes steps S10, S20, and S30.
ステップS10で本方法は、入力層に、候補となる化学成分の数がn個の試料から複数の化学センサが検出したセンサ信号x1、x2、x3、…、xmを入力する。 In step S10, the method inputs sensor signals x 1 , x 2 , x 3 , . . . , x m detected by a plurality of chemical sensors from a sample containing n candidate chemical components to the input layer.
ステップ20で本方法は、ステップS10で入力されたセンサ信号x1、x2、x3、…、xmから機械学習された当該試料に関連する化学成分値y1、y2、y3、…、ynおよび基準値y0を出力層から出力する。 In step 20, the method outputs from the output layer the chemical component values y1 , y2 , y3 , ..., yn and the reference value y0 associated with the sample, which have been machine-learned from the sensor signals x1 , x2 , x3 , ..., xm input in step S10.
ステップS30で本方法は、濃度計算部を用いて、当該試料に関連する化学成分の濃度s1、s2、s3、…、snを計算する。ここで、当該試料に関連する化学成分値yt(t=1~n)と濃度st(t=1~n)は以下を満たす。
Σi=0
n yi=1
yt / y0=st
y0=1/(1+Σt=1
n st)
ただし、
yt= st /(1+Σt=1
n st)
In step S30, the method uses a concentration calculation unit to calculate concentrations s 1 , s 2 , s 3 , ..., s n of chemical components associated with the sample, where the chemical component values y t (t=1 to n) and concentrations s t (t=1 to n) associated with the sample satisfy the following:
Σ i=0 n y i =1
y t / y 0 =s t
y 0 =1/(1+Σ t=1 n s t )
however,
y t = s t /(1+Σ t=1 n s t )
本実施の形態によれば、化学成分判定装置を用いて、試料に含まれる化学成分および当該化学成分の濃度を一度に判定する処理を実行することができる。 According to this embodiment, the chemical component determination device can be used to simultaneously determine the chemical components contained in a sample and the concentrations of those chemical components.
[第7の実施の形態]
本実施の形態は、入力層と、中間層と、出力層と、濃度計算部と、を含む化学成分判定装置を用いて、試料の化学成分および前記化学成分の濃度を判定する方法をコンピュータに実行させる化学成分判定プログラムである。このプログラムは、ステップS10と、ステップS20と、ステップS30と、を含む方法をコンピュータに実行させる。
[Seventh embodiment]
This embodiment is a chemical component determination program that causes a computer to execute a method for determining the chemical components and concentrations of the chemical components in a sample using a chemical component determination device that includes an input layer, an intermediate layer, an output layer, and a concentration calculation unit. This program causes a computer to execute a method that includes steps S10, S20, and S30.
ステップS10で当該方法は、入力層に、候補となる化学成分の数がn個の試料から複数の化学センサが検出したセンサ信号x1、x2、x3、…、xmを入力する。 In step S10, the method inputs sensor signals x 1 , x 2 , x 3 , . . . , x m detected by a plurality of chemical sensors from a sample containing n candidate chemical components to an input layer.
ステップ20で当該方法は、ステップS10で入力されたセンサ信号x1、x2、x3、…、xmから機械学習された当該試料に関連する化学成分値y1、y2、y3、…、ynおよび基準値y0を出力層から出力する。 In step 20, the method outputs from the output layer the chemical component values y1 , y2 , y3 , ..., yn and the reference value y0 associated with the sample, which have been machine-learned from the sensor signals x1 , x2 , x3 , ..., xm input in step S10.
ステップS30で当該方法は、濃度計算部を用いて、当該試料に関連する化学成分の濃度s1、s2、s3、…、snを計算する。ここで、当該試料に関連する化学成分値yt(t=1~n)と濃度st(t=1~n)は以下を満たす。
Σi=0
n yi=1
yt / y0=st
ただし、
y0=1/(1+Σt=1
n st)
yt= st /(1+Σt=1
n st)
In step S30, the method uses a concentration calculation unit to calculate concentrations s 1 , s 2 , s 3 , ..., s n of chemical components associated with the sample, where the chemical component values y t (t=1 to n) and concentrations s t (t=1 to n) associated with the sample satisfy the following:
Σ i=0 n y i =1
y t / y 0 =s t
however,
y 0 =1/(1+Σ t=1 n s t )
y t = s t /(1+Σ t=1 n s t )
本実施の形態によれば、試料に含まれる化学成分および当該化学成分の濃度を一度に判定する処理を実行するプログラムをソフトウェアに実装することができる。 According to this embodiment, a program can be implemented in software that executes the process of simultaneously determining the chemical components contained in a sample and the concentrations of those chemical components.
[第8の実施の形態]
本実施の形態は、入力層と、中間層と、出力層と、濃度計算部と、を含む化学成分判定装置を用いて、試料の化学成分および前記化学成分の濃度を判定する方法をコンピュータに実行させる化学成分判定プログラムを記録した記録媒体である。この記録媒体に記録されたプログラムは、ステップS10と、ステップS20と、ステップS30と、を含む方法をコンピュータに実行させる。
Eighth Embodiment
This embodiment is a recording medium having a chemical component determination program recorded thereon that causes a computer to execute a method for determining the chemical components and concentrations of the chemical components in a sample using a chemical component determination device that includes an input layer, an intermediate layer, an output layer, and a concentration calculation unit. The program recorded on this recording medium causes the computer to execute a method that includes steps S10, S20, and S30.
ステップS10で当該方法は、入力層に、候補となる化学成分の数がn個の試料から複数の化学センサが検出したセンサ信号x1、x2、x3、…、xmを入力する。 In step S10, the method inputs sensor signals x 1 , x 2 , x 3 , . . . , x m detected by a plurality of chemical sensors from a sample containing n candidate chemical components to an input layer.
ステップ20で当該方法は、ステップS10で入力されたセンサ信号x1、x2、x3、…、xmから機械学習された当該試料に関連する化学成分値y1、y2、y3、…、ynおよび基準値y0を出力層から出力する。 In step 20, the method outputs from the output layer the chemical component values y1 , y2 , y3 , ..., yn and the reference value y0 associated with the sample, which have been machine-learned from the sensor signals x1 , x2 , x3 , ..., xm input in step S10.
ステップS30で当該方法は、濃度計算部を用いて、当該試料に関連する化学成分の濃度s1、s2、s3、…、snを計算する。ここで、当該試料に関連する化学成分値yt(t=1~n)と濃度st(t=1~n)は以下を満たす。
Σi=0
n yi=1
yt / y0=st
ただし、
y0=1/(1+Σt=1
n st)
yt= st /(1+Σt=1
n st)
In step S30, the method uses a concentration calculation unit to calculate concentrations s 1 , s 2 , s 3 , ..., s n of chemical components associated with the sample, where the chemical component values y t (t=1 to n) and concentrations s t (t=1 to n) associated with the sample satisfy the following:
Σ i=0 n y i =1
y t / y 0 =s t
however,
y 0 =1/(1+Σ t=1 n s t )
y t = s t /(1+Σ t=1 n s t )
本実施の形態によれば、試料に含まれる化学成分および当該化学成分の濃度を一度に判定する処理を実行するプログラムを実装したソフトウェアを記録媒体に記録することができる。 According to this embodiment, software that implements a program that executes a process to simultaneously determine the chemical components contained in a sample and the concentrations of those chemical components can be recorded on a recording medium.
[検証実験]
本発明者らは、本技術による効果を検証するために以下の5つの実験を行った。図4に、このときの実験系の模式図を示す。本実験では、化学成分判定装置はノートPCで実現している。化学センサにはフィガロ技研社製の8個のガスセンサモジュールを使用した。これらの仕様は表1の通りである。
試料は、表2に示す物質と濃度とを使用した。以下では混乱のない限り、物質1、物質2、…、物質9に代えて、ニオイ1、ニオイ2、…、ニオイ9等と表すこともある。
The inventors conducted the following five experiments to verify the effects of this technology. Figure 4 shows a schematic diagram of the experimental system used. In these experiments, the chemical component determination device was implemented using a notebook PC. Eight gas sensor modules manufactured by Figaro Giken Co., Ltd. were used as chemical sensors. The specifications are shown in Table 1.
The samples used were the substances and concentrations shown in Table 2. In the following, unless there is any confusion, odors may be referred to as odor 1, odor 2, ..., odor 9, etc. instead of substance 1, substance 2, ..., substance 9.
図5に、一例として、ニオイ2に対するセンサ応答を示す。各ガス濃度のフロー区間の最後の1分間の13個のデータを用いてRgとし、各ガス濃度導入直前をRaとして、各ガス濃度当たり13個のセンサ応答値Ra/Rgを取得した。 Figure 5 shows an example of the sensor response to odor 2. The 13 data points from the last minute of the flow section for each gas concentration were used to determine Rg, and the data immediately before the introduction of each gas concentration was used as Ra, resulting in 13 sensor response values Ra/Rg for each gas concentration.
本実験で用いたニューラルネットワークは以下の通りである。入力層のノード数は8とした(センサの数、ただしバイアスノードを除く)。中間層は2層とし、1層目のノード数は20(バイアスを除く)で活性化関数はReLUとし、2層目のノード数は30(バイアスを除く)で活性化関数は同じくReLUとした。出力層のノード数は10とし(ニオイ成分数に1を足した数)、活性化関数はソフトマックス、エポック数は10000、バッチサイズは100とした。 The neural network used in this experiment is as follows: The number of nodes in the input layer was 8 (the number of sensors, excluding bias nodes). There were two intermediate layers, with the first layer having 20 nodes (excluding bias) and an activation function of ReLU, and the second layer having 30 nodes (excluding bias) and the same activation function of ReLU. The number of nodes in the output layer was 10 (the number of odor components plus 1), the activation function was softmax, the number of epochs was 10,000, and the batch size was 100.
全データ429点をランダムに8:2に分割し、前者を訓練データ、後者をテストデータとし、訓練データから作成した判別器でテストデータを判定した。 All 429 data points were randomly divided into an 8:2 ratio, with the former used as training data and the latter as test data, and the test data was judged using a classifier created from the training data.
判定の基準として、以下の3つを設定した。
1)出力値の最大濃度のガス種が、本来のガスと一致する。
2)本来とは異なるガス種も共存すると出力されたとしても、その濃度が本来のガス種の1/10以下である。
3)本来のガス種の濃度が、正しい値の±20%以内である。
1)は、ニオイ種が正しいかどうかの判定で、ニオイ種の分類に相当する。以下、1)の該当率を「ガス種判定率」とする。2)は、本来と異なるニオイ種が無視できない濃度値で存在しないかどうかを示す基準である。3)は、本来のニオイ種の濃度値が正しく反映されているかどうかを示す基準である。特に3)の±20%以内は、ガスセンサそのものの精度の指標としてよく使われる値である。
The following three criteria were set as the criteria for judgment.
1) The gas species with the maximum concentration of the output value matches the original gas.
2) Even if it is output that a different gas species coexists, the concentration of the different gas species is 1/10 or less of the original gas species.
3) The concentration of the original gas species is within ±20% of the correct value.
1) is a determination of whether the odor type is correct, and corresponds to the classification of odor types. Hereinafter, the rate of success of 1) will be referred to as the "gas type determination rate." 2) is a criterion indicating whether different odor types are present at concentrations that cannot be ignored. 3) is a criterion indicating whether the concentration values of the original odor types are correctly reflected. In particular, 3) within ±20% is a value that is often used as an indicator of the accuracy of the gas sensor itself.
表3に判定結果を示す。
ガス種の分類に相当するガス種判定率は96.5%で、概ね正しく判定できていることが示された。ガス濃度の回帰に相当する濃度予測精度は53.5%であり、これも概ね半数以上はガスセンサの精度の指標を満たしている。なお、ガス種判定率よりも濃度予測精度が低いのは、基準3)を満たさない割合が多いことによる。テストデータの3)を満たすものと満たさないものとで区分し、それぞれ上位と下位合わせて20%のデータを除外した濃度の平均を求めたところ、前者は2.3ppm、後者は0.39ppmであった。一般に、濃度が低くなるとセンサシグナルが小さくなり精度が低下する傾向にあるため、これが影響したものと考えられる。 The gas type identification rate, which corresponds to the classification of gas types, was 96.5%, indicating that identification was generally accurate. The concentration prediction accuracy, which corresponds to the regression of gas concentration, was 53.5%, and again, roughly more than half of the data met the gas sensor accuracy index. The concentration prediction accuracy was lower than the gas type identification rate because a large proportion did not meet criterion 3). The test data was divided into those that met 3) and those that did not, and the average concentration was calculated by excluding the top and bottom 20% of the data for each. The former was 2.3 ppm and the latter was 0.39 ppm. Generally, as the concentration decreases, the sensor signal tends to become smaller and accuracy tends to decrease, which is thought to have had an impact.
さらに、各ニオイに関し4種の濃度(ニオイ7を除く)の評価を実施した。次に、各濃度におけるセンサ応答値の中間値に相当する架空のセンサ応答値を作成し、これを中間値の濃度のセンサ応答値と仮定して、判別器に入力して出力された濃度値が中間値の濃度と一致するかどうかを検討した。表4に、一例として、テストデータに用いられたニオイ4の各濃度に対するセンサ応答値x1~x8の平均を示す。
表5に、センサ応答がニオイ4の濃度0.18ppm~0.72ppmの区間で比例関係にあると仮定して、この中間値に相当するニオイ4の濃度とセンサ応答値x1~x8を示す。
表6に、表5の値を判別器に代入して出力されたy値を式(1)~(4)に代入して濃度値に変換した結果を示す。3点ともに、判定の基準1)、2)、3)の全てを満たしていることが分かる。
[実験2]
計測データは実験1と同じだが、ニューラルネットワークの条件の一部を以下のように変更して結果の改善を試みた。
[Experiment 2]
The measurement data was the same as in Experiment 1, but we attempted to improve the results by changing some of the neural network conditions as follows.
入力層のノード数は8(センサの数、ただしバイアスノードを除く)とし、出力層のノード数は10(ニオイ成分数に1を足した数)で活性化関数がソフトマックスとした点は、実験1と同じである。変更したのは中間層の2層で、1層目、2層目ともにノード数64(バイアスノードを除く)とし、エポック数5000、バッチサイズ32とした点である(活性化関数は同じくReLU)。 The number of nodes in the input layer was 8 (the number of sensors, excluding bias nodes), the number of nodes in the output layer was 10 (the number of odor components plus 1), and the activation function was softmax, which was the same as in Experiment 1. The only changes were made to the two intermediate layers, with the number of nodes in both the first and second layers being 64 (excluding bias nodes), the number of epochs being 5000, and the batch size being 32 (the activation function was also ReLU).
センサ応答値は、前処理として底10の対数化を行った後に入力層に入力した。 The sensor response values were preprocessed by logarithmizing them to the base 10 before being input to the input layer.
表7に結果を示す。
ガス種の分類に相当するガス種判定率は95.3%(基準1)の該当率)、ガス濃度の回帰に相当する濃度予測精度は41.9%(基準1)、2)、3)の該当率)であった。このように開発したニューラルネットワークの一部条件を変更し、前処理を行ったが、実験1と概ね同等の結果が得られた。また、底10の対数化を行ったことで、計算量の低減ができる。 The gas type identification rate, which corresponds to the classification of gas types, was 95.3% (application rate for criterion 1), and the concentration prediction accuracy, which corresponds to the regression of gas concentrations, was 41.9% (application rate for criteria 1), 2), and 3). Although some of the conditions of the neural network developed in this way were changed and preprocessing was performed, results roughly equivalent to those in Experiment 1 were obtained. Furthermore, by performing logarithmic conversion to base 10, the amount of calculations can be reduced.
なお、ガス種判定率よりも濃度予測精度が低いのは、基準3)を満たさない割合が多いことによる。テストデータの基準3)を満たすものと満たさないものとで区分し、それぞれ上位と下位合わせて20%のデータを除外した濃度の平均を求めたところ、前者は2.6ppm、後者は0.51ppmであった。一般に、濃度が低くなるとセンサシグナルが小さくなり精度が低下する傾向にあるため、これが影響したものと考えられる。 The reason why the concentration prediction accuracy is lower than the gas type identification rate is because the proportion that does not meet criterion 3) is high. The test data was divided into those that met criterion 3) and those that did not, and the average concentration was calculated by excluding the top and bottom 20% of the data for each. The former was 2.6 ppm, and the latter was 0.51 ppm. Generally, as the concentration decreases, the sensor signal tends to become smaller and accuracy tends to decrease, so this is thought to have had an impact.
さらに、実験2でも、各濃度におけるセンサ応答値の中間値に相当する架空のセンサ応答値を作成し、これを中間値の濃度のセンサ応答値と仮定して、判別器に入力して出力された濃度値が中間値の濃度と一致するかどうかを検討した。ただし本実験では、濃度が1点しかないニオイ7を除く全てのニオイについて検討した。表8に判定結果を示す。
ガス種の分類に相当するガス種判定率は91.7%(基準1)の該当率)、ガス濃度の回帰に相当する濃度予測精度は50.0%(基準1)、2)、3)の該当率)で、表7と概ね同じ結果が得られた。 The gas type identification rate, which corresponds to the gas type classification, was 91.7% (applicable rate for criterion 1), and the concentration prediction accuracy, which corresponds to the gas concentration regression, was 50.0% (applicable rate for criteria 1), 2), and 3), which are roughly the same results as those in Table 7.
この場合も、ガス種判定率よりも濃度予測精度が低いのは、基準3)を満たさない割合が多いことによる。基準3)を満たすものと満たさないものとで区分し、それぞれ上位と下位合わせて20%のデータを除外した濃度の平均を求めたところ、前者は2.7ppm、後者は0.52ppmであり、濃度が低くなるとセンサシグナルが小さくなり精度が低下する傾向にあるため、中央値の取得においても影響を受けたものと考えられる。 In this case too, the reason why the concentration prediction accuracy is lower than the gas type identification rate is because the proportion that does not meet criterion 3) is high. When data was divided into those that met criterion 3) and those that did not, and the average concentration was calculated by excluding the top and bottom 20% of the data for each, the former was 2.7 ppm and the latter was 0.52 ppm. As the concentration decreases, the sensor signal tends to become smaller and accuracy tends to decrease, so it is thought that this also affected the acquisition of the median value.
[実験3]
計測データは実験1と同じで、ニューラルネットワークの条件も実験2と同じである。
[Experiment 3]
The measurement data was the same as in Experiment 1, and the neural network conditions were the same as in Experiment 2.
センサ応答値は、前処理として標準化を行った後に入力層に入力した。 The sensor response values were standardized as a preprocessing step before being input to the input layer.
表9に結果を示す。
ガス種の分類に相当するガス種判定率は96.5%(基準1)の該当率)、ガス濃度の回帰に相当する濃度予測精度は64.0%(基準1)、2)、3)の該当率)であった。このように開発したニューラルネットワークの一部条件を変更し、前処理を行ったことにより、実験1より結果が改善したことが分かる。 The gas type identification rate, which corresponds to the classification of gas types, was 96.5% (application rate for criterion 1), and the concentration prediction accuracy, which corresponds to the regression of gas concentrations, was 64.0% (application rate for criteria 1), 2), and 3). By changing some of the conditions of the neural network developed in this way and performing preprocessing, it can be seen that the results were improved compared to Experiment 1.
なお、ガス種判定率よりも濃度予測精度が低いのは、基準3)を満たさない割合が多いことによる。テストデータの基準3)を満たすものと満たさないものとで区分し、それぞれ上位と下位合わせて30%のデータを除外した濃度の平均を求めたところ、前者は1.1ppm、後者は0.46ppmであった。一般に、濃度が低くなるとセンサシグナルが小さくなり精度が低下する傾向にあるため、これが影響したものと考えられる。 The reason why the concentration prediction accuracy is lower than the gas type identification rate is because the proportion that does not meet criterion 3) is high. The test data was divided into those that met criterion 3) and those that did not, and the average concentration was calculated by excluding the top and bottom 30% of the data for each. The former was 1.1 ppm, and the latter was 0.46 ppm. Generally, as the concentration decreases, the sensor signal tends to become smaller and accuracy tends to decrease, so this is thought to have had an impact.
さらに、実験3でも、各濃度におけるセンサ応答値の中間値に相当する架空のセンサ応答値を作成し、これを中間値の濃度のセンサ応答値と仮定して、判別器に入力して出力された濃度値が中間値の濃度と一致するかどうかを検討した。ただし本実験では、濃度が1点しかないニオイ7を除く全てのニオイについて検討した。表10に判定結果を示す。
ガス種の分類に相当するガス種判定率は100%(基準1)の該当率)、ガス濃度の回帰に相当する濃度予測精度は54.2%(基準1)、2)、3)の該当率)で、表9と概ね同じ結果が得られた。 The gas type identification rate, which corresponds to the gas type classification, was 100% (applicable rate for criterion 1), and the concentration prediction accuracy, which corresponds to the gas concentration regression, was 54.2% (applicable rate for criteria 1), 2), and 3), which are roughly the same results as those in Table 9.
この場合も、ガス種判定率よりも濃度予測精度が低いのは、基準3)を満たさない割合が多いことによる。基準3)を満たすものと満たさないものとで区分し、それぞれ上位と下位合わせて20%のデータを除外した濃度の平均を求めたところ、前者は2.2ppm、後者は0.42ppmであり、濃度が低くなるとセンサシグナルが小さくなり精度が低下する傾向にあるため、中央値の取得においても影響を受けたものと考えられる。 In this case too, the reason why the concentration prediction accuracy is lower than the gas type identification rate is because the proportion that does not meet criterion 3) is high. When data was divided into those that meet criterion 3) and those that do not, and the average concentration was calculated by excluding the top and bottom 20% of the data for each, the former was 2.2 ppm and the latter was 0.42 ppm. As the concentration decreases, the sensor signal tends to become smaller and accuracy tends to decrease, so it is thought that this also affected the acquisition of the median value.
[実験4]
計測データは実験1と同じだが、ニューラルネットワークの条件の一部を以下のように変更して結果の改善を試みた。
[Experiment 4]
The measurement data was the same as in Experiment 1, but we attempted to improve the results by changing some of the neural network conditions as follows.
入力層のノード数は8(センサの数、ただしバイアスノードを除く)とし、出力層のノード数は10(ニオイ成分数に1を足した数)で活性化関数がソフトマックスとした点は、実験1と同じである。変更したのは中間層の2層で、1層目、2層目ともにノード数64(バイアスノードを除く)とし、エポック数5000、バッチサイズ32とした点である(活性化関数は同じくReLU)。 The number of nodes in the input layer was 8 (the number of sensors, excluding bias nodes), the number of nodes in the output layer was 10 (the number of odor components plus 1), and the activation function was softmax, which was the same as in Experiment 1. The only changes were made to the two intermediate layers, with the number of nodes in both the first and second layers being 64 (excluding bias nodes), the number of epochs being 5000, and the batch size being 32 (the activation function was also ReLU).
センサ応答値は、前処理として底10の対数化を行い、さらに標準化を行った後に入力層に入力した。 The sensor response values were preprocessed by logarithmizing them to the base 10 and then standardizing them before being input to the input layer.
表11に結果を示す。
ガス種の分類に相当するガス種判定率は100%(基準1)の該当率)、ガス濃度の回帰に相当する濃度予測精度は76.7%(基準1)、2)、3)の該当率)であった。このように開発したニューラルネットワークの一部条件を変更し、前処理を行ったことにより、実験1より結果が改善したことが分かる。 The gas type identification rate, which corresponds to the classification of gas types, was 100% (application rate for criterion 1), and the concentration prediction accuracy, which corresponds to the regression of gas concentrations, was 76.7% (application rate for criteria 1), 2), and 3). By changing some of the conditions of the neural network developed in this way and performing preprocessing, it can be seen that the results were improved compared to Experiment 1.
なお、ガス種判定率よりも濃度予測精度が低いのは、基準3)を満たさない割合が多いことによる。テストデータの基準3)を満たすものと満たさないものとで区分し、それぞれ上位と下位合わせて20%のデータを除外した濃度の平均を求めたところ、前者は1.6ppm、後者は0.20ppmであった。一般に、濃度が低くなるとセンサシグナルが小さくなり精度が低下する傾向にあるため、これが影響したものと考えられる。 The reason why the concentration prediction accuracy is lower than the gas type identification rate is because the proportion that does not meet criterion 3) is high. The test data was divided into those that met criterion 3) and those that did not, and the average concentration was calculated by excluding the top and bottom 20% of the data for each. The former was 1.6 ppm, and the latter was 0.20 ppm. Generally, as the concentration decreases, the sensor signal tends to become smaller and accuracy tends to decrease, so this is thought to have had an impact.
さらに、実験4でも、各濃度におけるセンサ応答値の中間値に相当する架空のセンサ応答値を作成し、これを中間値の濃度のセンサ応答値と仮定して、判別器に入力して出力された濃度値が中間値の濃度と一致するかどうかを検討した。ただし本実験では、濃度が1点しかないニオイ7を除く全てのニオイについて検討した。表12に判定結果を示す。
ガス種の分類に相当するガス種判定率は100%(基準1)の該当率)、ガス濃度の回帰に相当する濃度予測精度は66.7%(基準1)、2)、3)の該当率)で、表6と概ね同じ結果が得られた。 The gas type identification rate, which corresponds to the gas type classification, was 100% (applicable rate for criterion 1), and the concentration prediction accuracy, which corresponds to the gas concentration regression, was 66.7% (applicable rate for criteria 1), 2), and 3), which are roughly the same results as those in Table 6.
この場合も、ガス種判定率よりも濃度予測精度が低いのは、基準3)を満たさない割合が多いことによる。基準3)を満たすものと満たさないものとで区分し、それぞれ上位と下位合わせて20%のデータを除外した濃度の平均を求めたところ、前者は1.9ppm、後者は0.34ppmであり、濃度が低くなるとセンサシグナルが小さくなり精度が低下する傾向にあるため、中央値の取得においても影響を受けたものと考えられる。 In this case too, the reason why the concentration prediction accuracy is lower than the gas type identification rate is because the proportion that does not meet criterion 3) is high. When data was divided into those that met criterion 3) and those that did not, and the average concentration was calculated by excluding the top and bottom 20% of the data for each, the former was 1.9 ppm and the latter was 0.34 ppm. As the concentration decreases, the sensor signal tends to become smaller and accuracy tends to decrease, so it is thought that this also affected the acquisition of the median value.
[実験5]
開発したニューラルネットワークの条件は実験4と同じ、計測データは実験1と同じであるが、8個のセンサの中から5個を選んで実行した点が実験1および4と異なる。
[Experiment 5]
The conditions for the developed neural network were the same as in Experiment 4, and the measurement data were the same as in Experiment 1. However, this experiment differed from Experiments 1 and 4 in that five out of eight sensors were selected for execution.
選択した5個のセンサは、実験4のニューラルネットワークにおいて、入力層の各ノードから中間層1層の64個のノードへの重みの標準偏差の大きいTGS2600、TGS2602、TGS2603、TGS2620、TGS2444である。表13に判定結果を示す。
ガス種の分類に相当するガス種判定率は96.5%(基準1)の該当率、ガス濃度の回帰に相当する濃度予測精度は74.4%(基準1)、2)、3)の該当率)で、表6の8個のセンサにおける判定結果と遜色のない結果が得られた。 The gas type determination rate, which corresponds to the classification of gas types, was 96.5% (application rate for criterion 1), and the concentration prediction accuracy, which corresponds to the regression of gas concentrations, was 74.4% (application rate for criteria 1), 2), and 3), which are comparable to the determination results obtained with the eight sensors in Table 6.
さらに、実験5でも、各濃度におけるセンサ応答値の中間値に相当する架空のセンサ応答値を作成し、これを中間値の濃度のセンサ応答値と仮定して、判別器に入力して出力された濃度値が中間値の濃度と一致するかどうかを検討した。本実験でも、濃度が1点しかないニオイ7を除く全てのニオイについて検討した。表14に判定結果を示す。
ガス種の分類に相当するガス種判定率は100%(基準1)の該当率、ガス濃度の回帰に相当する濃度予測精度は75%(基準1)、2)、3)の該当率)で、表7の8個のセンサにおける判定結果と遜色のない結果が得られた。 The gas type determination rate, which corresponds to the classification of gas types, was 100% (application rate for criterion 1), and the concentration prediction accuracy, which corresponds to the regression of gas concentrations, was 75% (application rate for criteria 1), 2), and 3), which are comparable to the determination results obtained with the eight sensors in Table 7.
以上、本発明の実施例を基に説明した。これらの実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The above has been a description based on embodiments of the present invention. These embodiments are merely examples, and those skilled in the art will understand that various modifications are possible in the combination of each component and each treatment process, and that such modifications are also within the scope of the present invention.
化学成分を判定することが必要となる産業分野に広く利用できる。特にニオイの識別にニーズのある分野、例えば、呼気計測による疾患スクリーニング、におい計測による食品の鮮度評価、室内空気質評価、などに有用である。 It can be widely used in industrial fields where it is necessary to determine chemical components. It is particularly useful in fields where there is a need to identify odors, such as disease screening using breath measurement, assessing food freshness using odor measurement, and evaluating indoor air quality.
1・・化学成分判定装置、
2・・化学成分判定装置、
10・・入力層、
20・・中間層、
30・・出力層部、
40・・濃度計算部、
50・・前処理部、
101・・化学センサ、
102・・化学センサ、
103・・化学センサ、
10m・・化学センサ、
S10・・入力層にセンサ信号を入力するステップ、
S20・・基準値および化学成分値を出力層から出力するステップ、
S30・・濃度計算部を用いて化学成分の濃度を計算するステップ。
1. Chemical component determination device,
2. Chemical component determination device,
10. Input layer,
20. Middle class,
30: Output layer unit,
40...concentration calculation section,
50: Pre-processing section
101: Chemical sensor
102: Chemical sensor
103: Chemical sensor
10m... Chemical sensor,
S10: A step of inputting a sensor signal to the input layer;
S20: A step of outputting the reference value and the chemical component value from the output layer;
S30: A step of calculating the concentration of the chemical component using the concentration calculation unit.
Claims (8)
中間層と、
基準値y0および前記試料に関連する化学成分値yt(t=1~n)を機械学習して出力する出力層と、
前記試料に関連する化学成分の濃度st(t=1~n)を計算する濃度計算部と、
を含み、
Σi=0 n yi=1
yt / y0=st
であることを特徴とする化学成分判定装置。 an input layer to which sensor signals detected by a plurality of chemical sensors from a sample having n candidate chemical components are input;
The middle class and
an output layer that performs machine learning to output a reference value y 0 and a chemical component value y t (t=1 to n) associated with the sample;
a concentration calculation unit for calculating the concentration s t (t=1 to n) of a chemical component associated with the sample;
Including,
Σ i=0 n y i =1
y t / y 0 =s t
A chemical component determining device characterized by:
前記入力層に、候補となる化学成分の数がn個の試料から複数の化学センサが検出したセンサ信号を入力するステップと、
前記出力層から、基準値y0および前記試料に関連する化学成分値yt(t=1~n)を機械学習して出力するステップと、
濃度計算部を用いて、前記試料に関連する化学成分の濃度st(t=1~n)を計算するステップと、
を含み、
Σi=0 n yi=1
yt / y0=st
であることを特徴とする化学成分判定方法。 A method for determining chemical components and concentrations of the chemical components of a sample using a chemical component determination device including an input layer, an intermediate layer, an output layer, and a concentration calculation unit, comprising:
inputting sensor signals detected by a plurality of chemical sensors from a sample having n candidate chemical components into the input layer;
a step of machine learning and outputting a reference value y 0 and a chemical component value y t (t=1 to n) associated with the sample from the output layer;
calculating, using a concentration calculation unit, concentrations s t (t=1 to n) of chemical components associated with the sample;
Including,
Σ i=0 n y i =1
y t / y 0 =s t
A chemical component determination method characterized by:
前記方法は、
前記入力層に、候補となる化学成分の数がn個の試料から複数の化学センサが検出したセンサ信号を入力するステップと、
前記出力層から、基準値y0および前記試料に関連する化学成分値yt(t=1~n)を機械学習して出力するステップと、
濃度計算部を用いて、前記試料に関連する化学成分の濃度st(t=1~n)を計算するステップと、
を含み、
Σi=0 n yi=1
yt / y0=st
であることを特徴とする化学成分判定プログラム。 A program for causing a computer to execute a method for determining chemical components and concentrations of the chemical components of a sample using a chemical component determination device including an input layer, an intermediate layer, an output layer, and a concentration calculation unit, the program comprising:
The method comprises:
inputting sensor signals detected by a plurality of chemical sensors from a sample having n candidate chemical components into the input layer;
a step of machine learning and outputting a reference value y 0 and a chemical component value y t (t=1 to n) associated with the sample from the output layer;
calculating, using a concentration calculation unit, concentrations s t (t=1 to n) of chemical components associated with the sample;
Including,
Σ i=0 n y i =1
y t / y 0 =s t
A chemical component determination program characterized by:
前記方法は、
前記入力層に、候補となる化学成分の数がn個の試料から複数の化学センサが検出したセンサ信号を入力するステップと、
前記出力層から、基準値y0および前記試料に関連する化学成分値yt(t=1~n)を機械学習して出力するステップと、
濃度計算部を用いて、前記試料に関連する化学成分の濃度st(t=1~n)を計算するステップと、
を含み、
Σi=0 n yi=1
yt / y0=st
であることを特徴とする記録媒体。 A recording medium storing a program for causing a computer to execute a method for determining chemical components and concentrations of the chemical components of a sample using a chemical component determination device including an input layer, an intermediate layer, an output layer, and a concentration calculation unit,
The method comprises:
inputting sensor signals detected by a plurality of chemical sensors from a sample having n candidate chemical components into the input layer;
a step of machine learning and outputting a reference value y 0 and a chemical component value y t (t=1 to n) associated with the sample from the output layer;
calculating, using a concentration calculation unit, concentrations s t (t=1 to n) of chemical components associated with the sample;
Including,
Σ i=0 n y i =1
y t / y 0 =s t
A recording medium characterized by:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022096485A JP7801766B2 (en) | 2022-06-15 | 2022-06-15 | Chemical component determination device, chemical component determination method, chemical component determination program, and recording medium |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022096485A JP7801766B2 (en) | 2022-06-15 | 2022-06-15 | Chemical component determination device, chemical component determination method, chemical component determination program, and recording medium |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023183072A JP2023183072A (en) | 2023-12-27 |
| JP7801766B2 true JP7801766B2 (en) | 2026-01-19 |
Family
ID=89321095
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022096485A Active JP7801766B2 (en) | 2022-06-15 | 2022-06-15 | Chemical component determination device, chemical component determination method, chemical component determination program, and recording medium |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7801766B2 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007510934A (en) | 2003-11-12 | 2007-04-26 | イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー | System and method for detecting and analyzing gas |
| JP2021139914A (en) | 2017-09-22 | 2021-09-16 | 東海電子株式会社 | Odor determination system and odor determination program |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02115757A (en) * | 1988-10-25 | 1990-04-27 | Kurita Water Ind Ltd | Odor gas measuring device |
-
2022
- 2022-06-15 JP JP2022096485A patent/JP7801766B2/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007510934A (en) | 2003-11-12 | 2007-04-26 | イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー | System and method for detecting and analyzing gas |
| JP2021139914A (en) | 2017-09-22 | 2021-09-16 | 東海電子株式会社 | Odor determination system and odor determination program |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023183072A (en) | 2023-12-27 |
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