JP7842442B2 - AI-based analysis method and AI analysis device - Google Patents
AI-based analysis method and AI analysis deviceInfo
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Description
本発明は、特に一意の関数で評価ができず、事象やデータの分類を行った上でそれぞれの分類ごとに用意した関数を用いることに特徴があるAIを用いた分析方法、AI分析装置及びAI分析装置を機能させるためのプログラムに関する。例えば、土壌分析に関して、成分分析や、陽イオン置換容量CEC(Cation Exchange Capacity),陰イオン置換容量AEC(Anion Exchange Capacity)等の化学特性を含む土壌地力形質の評価を行なうための土壌サンプルの分析方法等に関するものである。また、溶接などで材料が不明な場合に、その特性を評価する場合などに適用し得る技術である。 This invention relates to an AI-based analysis method , an AI analyzer, and a program for operating an AI analyzer, particularly characterized by the inability to evaluate using a single function, and instead requiring the classification of events and data, followed by the use of functions prepared for each classification. For example, regarding soil analysis, it relates to a method for analyzing soil samples to evaluate soil fertility characteristics, including component analysis and chemical properties such as cation exchange capacity (CEC) and anion exchange capacity (AEC). It is also a technology that can be applied to evaluating the properties of materials when their composition is unknown, such as in welding.
AIを用いた分析方法として、特許文献1には、予測モデルの学習方法、予測モデルの学習装置及びプラント制御システムが開示されている。特許文献1の予測モデルの学習においては、少なくとも一つの説明変数から目的変数を予測するための予測モデルは、第一評価値及び第二評価値に基づいて更新され、第一評価値は、予測モデルの予測誤差を示す指標として算出され、第二評価値は、説明変数の少なくとも一部の目的変数に対する感度方向に関する特徴量と、既知情報に基づいて特徴量に対して設定される許容範囲との一致度を示す指標として算出される。 As an analysis method using AI, Patent Document 1 discloses a method for learning a predictive model, a device for learning a predictive model, and a plant control system. In the learning of the predictive model described in Patent Document 1, the predictive model for predicting the target variable from at least one explanatory variable is updated based on a first evaluation value and a second evaluation value. The first evaluation value is calculated as an index indicating the prediction error of the predictive model, and the second evaluation value is calculated as an index indicating the degree of agreement between the feature quantities related to the sensitivity direction of at least some of the explanatory variables to the target variable and the tolerance range set for the feature quantities based on known information.
この場合、説明変数と目的変数の間の関係性について分類が行なわれ、説明変数自体も感度方向誤差と表記されている。即ち、説明変数と目的変数の間の関係性の相関について予め分類が実施され、その相関関係の分類に基づいて、誤差が予測されるようになっている。従って、誤差の推定も、予め分類された誤差毎に異なる計算式を用いる必要がある。即ち、説明変数を求めるための説明関数は、常に一意のものであり、誤差に含まれる関係性を予め分類することによって、学習効率を高めている。 In this case, the relationship between the explanatory variables and the dependent variable is classified, and the explanatory variables themselves are also expressed as sensitivity directional errors. That is, the correlation between the explanatory and dependent variables is classified in advance, and the error is predicted based on this classification of correlations. Therefore, error estimation also requires the use of different calculation formulas for each pre-classified error. In other words, the explanatory function used to determine the explanatory variables is always unique, and the learning efficiency is improved by pre-classifying the relationships included in the errors.
従来、土壌分析を行なうためには、例えば特許文献2による土壌分析装置及び土壌分析方法が知られている。特許文献2によれば、分析対象となる土壌に交番磁界を印加して、検出コイルから出力される検出信号を計測部により計測し処理し、記憶部に記憶された土壌地力形質の定量値と前記検出信号から求めた土壌地力形質の推定値との相関に関するデータを利用して、推定部により前記検出信号に基づいて分析対象となる土壌のCECを含む土壌地力形質を推定する。ここで、推定部は、土壌地力形質の推定の際に、所謂PLS回帰分析を利用して、上記相関に関するデータを作成することによって土壌のCECを含む土壌地力形質の値を精度よく推定することができる。 Conventionally, for soil analysis, a soil analysis apparatus and method, such as that described in Patent Document 2, are known. According to Patent Document 2, an alternating magnetic field is applied to the soil to be analyzed, the detection signal output from the detection coil is measured and processed by the measurement unit, and the correlation data between the quantitative values of soil fertility traits stored in the memory unit and the estimated values of soil fertility traits obtained from the detection signal is used by the estimation unit to estimate the soil fertility traits, including the CEC, of the soil to be analyzed based on the detection signal. Here, the estimation unit can accurately estimate the values of soil fertility traits, including the CEC, by creating the correlation data using so-called PLS regression analysis during the estimation of soil fertility traits.
さらに、特許文献2に記載された第三実施形態によれば、推定部は、励起信号に対する検出コイルから出力される検出信号をパラメータとして、PLS回帰分析及び推定を行なうことによって、簡便な方法でCECの推定を行なうことができると共に、さらに、CEC以外の土壌地力形質の測定を行なうことができることが開示されている。 Furthermore, according to the third embodiment described in Patent Document 2, the estimation unit can perform CEC estimation in a simple manner by using the detection signal output from the detection coil in response to the excitation signal as a parameter, and can also measure soil fertility traits other than CEC.
特許文献1による予測モデルの学習方法では、予め構築された予測モデルを用いており、機械学習によって更新可能であるとはいえ、その学習用に別途データを用意し新規に学習させたモデル以外に推定できない。 The prediction model learning method described in Patent Document 1 uses a pre-constructed prediction model. Although it can be updated using machine learning, it cannot make predictions using any model other than the one newly trained with data prepared separately for training.
なお、計測データの誤差に関しては、測定対象自体のばらつき,外的要因によるばらつき,人的要因によるばらつきがあるが、所謂系統誤差については、他の手法でも容易に誤差の分類を行なうことが可能であることから、本発明では、誤差として所謂偶発誤差のみを対象とする。 Regarding errors in measurement data, there are variations due to the measurement object itself, external factors, and human factors. However, since so-called systematic errors can be easily classified using other methods, this invention focuses only on so-called random errors.
ところで、特許文献2による土壌分析においては、土壌の種類や状態によっては分析精度が低下してしまい、正確な土壌の分析を行なうことが困難となることがあった。上記した土壌分析のように、種類や状態によって分析精度が低下するような測定対象は、自然界や作業者の技能等に依存するような事象に多く含まれている。 Incidentally, in soil analysis according to Patent Document 2, the accuracy of the analysis sometimes decreased depending on the type and condition of the soil, making it difficult to perform accurate soil analysis. As with the soil analysis described above, measurement targets where the accuracy of the analysis decreases depending on the type and condition are often found in phenomena that depend on the natural environment or the skills of the worker.
分類は通常では、多様な分析方法を用いた分析結果の総合的な判定により学術的な専門家が行うことが一般的であるが、産業分野においての即時性や容易性から遠い現状にある。そこで、本発明者らは、予測モデルそのものを説明変数の状況から、種々の予測モデルからの選択及び新たなモデルの構築が可能であるAIを用いた分析方法を見出し、本発明を完成するに至った。 Classification is typically performed by academic experts based on a comprehensive assessment of analysis results using diverse analytical methods. However, this approach is currently far from being feasible in the industrial sector due to its lack of immediacy and ease of use. Therefore, the inventors of this invention have discovered an AI-based analysis method that allows for the selection of various predictive models and the construction of new models based on the state of explanatory variables, thereby completing this invention.
本発明は、以上の点に鑑み、外的要因,人的要因など偶発誤差を含む計測条件の影響を受けずに容易に高精度で分析評価の自動化を可能にする、AIを用いた分析方法、AI分析装置及びこのAI分析装置を機能させるためのプログラムを提供することを目的としている。 In view of the above, the present invention aims to provide an AI-based analysis method, an AI analysis device , and a program for operating this AI analysis device, which enable easy and highly accurate automation of analysis and evaluation without being affected by measurement conditions including accidental errors such as external factors and human factors.
上記目的は、本発明によれば、分析対象に含まれる特徴量に係る第一の目的変数を分析するために、該分析対象から測定データを取得し、該測定データを説明変数として第一の推定関数を得ることで、前記第一の目的変数を推定するAI分析方法において、
前記分析対象が、土壌、コンクリート構造体、セラミックス構造体、合金を含む金属及び変質を伴う加工を施した合金を含む金属の構造体の何れかであって、その材料、材質、結晶状態、材料の形態、材料の構造が複数の状態を呈し、
前記第一の推定関数の推定値と前記第一の目的変数の定量値との相関値が0.7以下で一意に決定できない場合に、
前記測定データを用いて、第二の推定関数により複数の目的変数に分類し、分類毎に複数の第一の推定関数を求めるように構成され、
第一のステップにおいて、
分類毎に作成された前記複数の第一の推定関数のうちで利用する第一の推定関数を選択するために、前記第二の推定関数を、前記測定データを用いて分類することにより第二の目的変数を推定して、前記利用する第一の推定関数を選択し、
第二のステップにおいて、
前記第一ステップで選択した前記第一の推定関数に関する測定データを説明変数として用いて、該第一の推定関数により前記第一の目的変数を推定する、AI分析方法により達成される。
The above objective is that, according to the present invention, in order to analyze a first objective variable relating to the features contained in the object of analysis , measurement data is obtained from the object of analysis, and a first estimation function is obtained using the measurement data as explanatory variables , thereby estimating the first objective variable ,
The object of analysis is any of the following: soil, concrete structure, ceramic structure, metal including alloys, and metal structure including alloys that has undergone processing involving alteration, wherein the material, material properties, crystalline state, material morphology, and material structure exhibit multiple states.
If the correlation between the estimated value of the first estimation function and the quantitative value of the first dependent variable is 0.7 or less and cannot be uniquely determined ,
The system is configured to classify the aforementioned measurement data into multiple target variables using a second estimation function, and to obtain multiple first estimation functions for each classification.
In the first step,
In order to select the first estimation function to be used from among the multiple first estimation functions created for each classification, the second objective variable is estimated by classifying the second estimation function using the measurement data, and the first estimation function to be used is selected.
In the second step,
This is achieved by an AI analysis method that uses measurement data related to the first estimation function selected in the first step as explanatory variables, and estimates the first objective variable using the first estimation function .
上記構成において、好ましくは、説明変数となる評価用データを学習用データとし、第一の目的変数又は第二の目的変数を該学習用データの定量値として取得して比較用データとし、AI分析を行なう。
好ましくは、評価用データを用いて第二の推定関数による分類を実施し、得られた分類結果に基づき、分類データで分類毎に定義されている第一の目的変数用の第一の推定関数を選択し、評価用データを用いて前記第一の推定関数により第一の目的変数を推定し、分析対象の分類及び第一の目的変数の推定値を確定する。
好ましくは、分類した複数の第一の推定関数を作成するために、測定データの全体を同じ分析手法により分析推定を行ったとき、推定値の教師データからの外れ具合によって分類することにより複数の分類を作成する。好ましくは、測定データの類似度を用いた分類により複数の第一の推定関数を作成する。
In the above configuration, preferably, evaluation data that serves as explanatory variables are used as training data, and the first or second objective variable is obtained as quantitative values of the training data and used as comparison data, and AI analysis is performed.
Preferably, classification is performed using a second estimation function with evaluation data, and based on the obtained classification results, a first estimation function for the first dependent variable defined for each classification in the classification data is selected, the first dependent variable is estimated using the first estimation function with evaluation data, and the classification of the subject of analysis and the estimated value of the first dependent variable are determined.
Preferably, in order to create multiple classified first estimation functions, when the entire measurement data is analyzed and estimated using the same analytical method, multiple classifications are created by classifying the degree of deviation of the estimated values from the training data. Preferably, multiple first estimation functions are created by classification using the similarity of the measurement data.
上記構成によれば、測定データに関して、先ず分析対象の目的変数の定量値と対応する比較用データと比較することにより複数種類の分類を定義し、分類毎に推定関数を定義する。そして、各測定データに関して対応する分類を選択し、選択した分類に対応する推定関数により当該測定データから分析対象の目的変数を分析評価する。従って、測定データを利用して分類を定義するので、分類を定義するためのデータを測定データとは別に取得する必要がなく処理が単純化され得る。さらに、測定データを分析評価する前に当該測定データを振り分けるべき分類を選択し、選択された分類に対応する推定関数により当該測定データの分析評価を行なうので、当該測定データの分析評価をより正確に行なうことが可能となる。 According to the above configuration, regarding the measurement data, first, multiple classifications are defined by comparing the quantitative value of the target variable to be analyzed with corresponding comparison data, and an estimation function is defined for each classification. Then, a corresponding classification is selected for each measurement data, and the target variable to be analyzed is analyzed and evaluated from the measurement data using the estimation function corresponding to the selected classification. Therefore, since classifications are defined using the measurement data, it is not necessary to acquire data for defining classifications separately from the measurement data, which can simplify the process. Furthermore, since the classification to which the measurement data should be assigned is selected before analyzing and evaluating the measurement data, and the analysis and evaluation of the measurement data is performed using the estimation function corresponding to the selected classification, it becomes possible to perform the analysis and evaluation of the measurement data more accurately.
上記構成において、分類の選定に対応する推定関数を、好ましくは、分類の選定に対応する第二の推定関数を、線形解析、PLS回帰分析、SVM(Support Vector Machine)、ニューラルネットワーク、教師付きAI分析手法の何れかの分析手法により取得する。
目的変数に対応する複数の第一の推定関数を、好ましくは、クラスタリング、主成分分析、教師無しAI分析手法、線形解析、PLS回帰分析、SVM(Support Vector Machine)、ニューラルネットワーク、教師付きAI分析手法の何れかの分析手法により取得する。測定データは好ましくは、複数の周波数帯を利用した、電磁気的計測、音響的計測、光学的計測の何れかで取得する。
好ましくは、第一の目的変数として土壌の農業指標である、陽イオン交換容量(CEC:Cation Exchange Capacitor)、塩基飽和度、ケイ酸、酸化鉄、栄養素成分としてカリ
ウム、マグネシウム、カルシウム、鉄、マンガン、亜鉛、銅、モリブデン、ホウ素、塩素、ニッケル、窒素、炭素、リンを含む土壌地力形質の推定値を求める。測定データを、好ましくは、励起コイルに複数の互いに異なる周波数の励起信号を印加することにより交番磁束を発生させ、分析対象の状態により乱れる磁束を検出コイルを用いて検出する。励起信号を、好ましくは、最低周波数から最高周波数まで5 倍から100倍程度の周波数帯域とする。励起信号は、好ましくは5以上の互いに異なる周波数であり、かつ対象となる分析数に分類数を加えた数より1以上多くする。
好ましくは、1以上の分析対象項目についてそれぞれの項目に対し全体数を同じ評価関数で評価した場合に、その標準偏差を用いて、-3σ以下、-3σから-1σ、±1σ、1σから3σ、3σ以上、のように相関からの外れ具合による分類を行う。
さらに本発明は、材料、材質、結晶状態、材料の形態、材料の構造が複数の状態を呈し、土壌、コンクリート構造体、セラミックス構造体、合金を含む金属及び変質を伴う加工を施した合金を含む金属の構造体の何れかを分析対象とし、該分析対象に含まれる特徴量に係る第一の目的変数を分析するために、該分析対象から測定データを取得し、該測定データを説明変数として前記第一の目的変数の第一の推定関数を得ることで、前記第一の目的変数を推定するAI分析装置であって、
コイルを有するセンサと、
分析対象に交番磁界を印加するためにコイルに入力する励起信号を周波数毎に生成し、生成した当該励起信号によりコイルから出力される検出信号を処理する計測部と、
複数の分析対象に関し、分析対象の目的変数の定量値とセンサ及び計測部との相関に関するデータを記憶する記憶部と、
計測部を用いて処理した検出信号に基づいて、記憶部に記憶されているデータを用いて、分析対象の目的変数を推定する推定部と、
を備えており、
推定部が、検出信号から励起信号に対する複素振幅比を測定データとして求め、記憶部に記憶された異なる複数の分析対象の目的変数の定量値と対応する比較用データとしての検出信号の複素振幅比とから、複数種類の分類を定義して、分類毎に第一の推定関数を定義し、
推定部が、各測定データに関して、第二の推定関数により、当該測定データに対応する分類を選択して、選択した分類に対応する第一の推定関数により、測定データから分析対象の第一の目的変数を推定するAI分析装置により達成される。
上記に記載のAI分析装置のプログラムであって、コンピュータをAI分析装置として機能させるためのプログラムにより達成される。
In the above configuration, an estimation function corresponding to the selection of classification, preferably a second estimation function corresponding to the selection of classification, is obtained by one of the following analysis methods: linear analysis, PLS regression analysis, SVM (Support Vector Machine), neural network, or supervised AI analysis method.
Multiple first estimation functions corresponding to the target variable are preferably obtained by one of the following analytical methods: clustering, principal component analysis, unsupervised AI analysis, linear analysis, PLS regression analysis, SVM (Support Vector Machine), neural network, or supervised AI analysis. Measurement data are preferably obtained by one of the following methods using multiple frequency bands: electromagnetic measurement, acoustic measurement, or optical measurement.
Preferably, the primary objective variable is to obtain estimated values of soil fertility characteristics, including agricultural indicators of soil such as cation exchange capacity (CEC), base saturation, silicic acid, iron oxide, and nutrients such as potassium, magnesium, calcium, iron, manganese, zinc, copper, molybdenum, boron, chlorine, nickel, nitrogen, carbon, and phosphorus. Preferably, the measurement data is obtained by generating an alternating magnetic flux by applying multiple excitation signals of different frequencies to an excitation coil, and detecting the disturbed magnetic flux depending on the state of the object being analyzed using a detection coil. Preferably, the excitation signals have a frequency band of about 5 to 100 times from the lowest frequency to the highest frequency. Preferably, the excitation signals have five or more different frequencies, and the number of excitation signals is one or more greater than the sum of the number of analyses and the number of classifications.
Preferably, when the total number of each item is evaluated using the same evaluation function for one or more items to be analyzed , the standard deviation is used to classify the items based on their degree of deviation from the correlation, such as -3σ or less, -3σ to -1σ, ±1σ, 1σ to 3σ, and 3σ or more.
Furthermore, the present invention relates to an AI analysis device in which a material, material composition, crystal state, material form, or material structure exhibits multiple states, and which analyzes any of the following: soil, concrete structures, ceramic structures, metals including alloys, and metal structures including alloys that have undergone processing involving alteration; and in order to analyze a first objective variable relating to the features contained in the analysis target, measurement data is obtained from the analysis target, and the measurement data is used as explanatory variables to obtain a first estimation function for the first objective variable, thereby estimating the first objective variable .
A sensor having a coil,
A measurement unit that generates excitation signals for each frequency to be input to a coil in order to apply an alternating magnetic field to the object to be analyzed, and processes the detection signal output from the coil based on the generated excitation signals,
A storage unit that stores data relating to the correlation between the quantitative value of the target variable of each analysis target and the sensor and measurement unit, for multiple analysis targets,
An estimation unit estimates the target variable to be analyzed using the data stored in the memory unit, based on the detection signal processed by the measurement unit.
It is equipped with,
The estimation unit obtains the complex amplitude ratio of the detection signal to the excitation signal as measurement data from the detection signal, defines multiple classifications from the quantitative values of multiple different target variables stored in the memory unit and the corresponding complex amplitude ratios of the detection signals as comparison data, and defines a first estimation function for each classification.
This is achieved by an AI analysis device in which, for each measurement data, the estimation unit selects a classification corresponding to that measurement data using a second estimation function , and then estimates the first target variable to be analyzed from the measurement data using a first estimation function corresponding to the selected classification.
The above-mentioned AI analysis device program is achieved by a program that enables a computer to function as an AI analysis device.
本発明によれば、分析対象の分類を追加することにより、例えば土壌のCEC等の土壌地力形質を精度よく求めることができるAI分析方法、AI分析装置及びこのAI分析装置を機能させるためのプログラムを提供することができる。 According to the present invention, by adding classifications of the objects to be analyzed, it is possible to provide an AI analysis method , an AI analysis device, and a program for operating this AI analysis device that can accurately determine soil fertility characteristics such as soil CEC.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
本発明のAI分析方法は以下の特徴を有している。
すなわち、分析対象に含まれる特徴量に係る第一の目的変数を分析するために取得する説明変数となる測定データを使って、第一の目的変数の推定関数を得るAI分析方法において、推定関数と第一の目的変数の定量値との相関値が0.7以下で一意に決定できない場合に、複数の推定関数を用いて、該複数の推定関数の数を分類数とし、測定データを、複数の推定関数により複数の目的変数に分類して、推定する。ここで、分類が不要な場合の相関値を0.7以下とする理由は、統計的に0.7以下が推定が正しいかの基準になるからである。推定の精度が要求される場合には、さらに、相関値を0.8以下又は0.9以下としてもよい。分析対象に含まれる特徴量に係る第一の目的変数を分析するために取得する説明変数は、例えば、後述する検出コイル12からの検出信号であり、測定データと呼ぶ。測定データから第一の目的変数の推定関数を得る。なお、AI(Artificial Intelligence、人工知能と呼ばれている)分析とは、説明変数から目的変数の推定を実行する際の計算手法やアルゴリズムを示すものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The AI analysis method of the present invention has the following features.
In other words, in an AI analysis method that obtains an estimation function for a first objective variable using measurement data that serves as explanatory variables acquired to analyze a first objective variable related to features included in the object of analysis, if the correlation between the estimation function and the quantitative value of the first objective variable is 0.7 or less and cannot be uniquely determined, multiple estimation functions are used, the number of such estimation functions is defined as the number of classifications, and the measurement data is classified into multiple objective variables using the multiple estimation functions for estimation. The reason for setting the correlation value to 0.7 or less when classification is unnecessary is that statistically, a correlation value of 0.7 or less is the criterion for whether the estimation is correct. If the accuracy of the estimation is required, the correlation value may be further set to 0.8 or less or 0.9 or less. The explanatory variables acquired to analyze the first objective variable related to features included in the object of analysis are, for example, the detection signals from the detection coil 12 described later, and are called measurement data. An estimation function for the first objective variable is obtained from the measurement data. Note that AI (Artificial Intelligence) analysis refers to the calculation methods and algorithms used when estimating the objective variable from explanatory variables.
分類が必要な場合として、一つ以上の分析対象について分類を行わないままAI分析手法で分析した場合に、推定関数と第一の目的変数の定量値との相関値が0.7以下となるような相関が不十分となるケースである。一つの評価関数では十分に推定できない場合に、対象を分類した複数の推定関数にすることが必要である。 Classification is necessary when, for example, analyzing one or more analysis targets using an AI analysis method without classification results in an insufficient correlation between the estimation function and the quantitative value of the first dependent variable, such that the correlation is 0.7 or less. When a single evaluation function is insufficient for estimation, it becomes necessary to use multiple estimation functions that classify the targets.
本発明においては、分析のために取得した測定データを使い、分析の推定関数を選ぶデータの分類を行う。
図1は、分類が必要なAI分析の準備と実際の計測の一例を示すフロー図である。図1に示すように、準備作業として、測定データを計測し、分類方法を検討し、測定データから分析の推定関数を用意する。推定関数は、評価式とも呼ぶ。
具体的には、複数の推定関数を分類項目として利用し、該分類項目の選択を第二の目的変数として分析するために、測定データを用いて第二の目的変数を推定する第一ステップと、第一ステップの結果から、第一の推定関数に関する分類を選択し、該分類の測定データを用いて、第一の目的変数を推定する第二のステップと、を含む。
第一の目的変数の推定関数について、複数の推定関数を作成することにより、高い相関を得られるように分類を実施する。好ましくは、第一の目的変数と第二の目的変数の推定に、測定データを利用する。好ましくは、分類した複数の推定関数を作成するために、測定データの全体を同じ分析手法により分析推定を行ったとき、推定値の教師データからの外れ具合によって分類することにより複数の分類を作成する。測定データの類似度を用いた分類により複数の推定関数を作成してもよい。
In this invention, measurement data acquired for analysis is used to classify the data for selecting the estimation function for the analysis.
Figure 1 is a flowchart illustrating an example of the preparation and actual measurement for AI analysis requiring classification. As shown in Figure 1, the preparation involves measuring measurement data, considering classification methods, and preparing an estimation function for the analysis from the measurement data. The estimation function is also called an evaluation formula.
Specifically, this method includes a first step of using multiple estimation functions as classification items and estimating a second dependent variable using measurement data in order to analyze the selection of such classification items as a second dependent variable, and a second step of selecting a classification related to the first estimation function from the results of the first step and estimating the first dependent variable using measurement data for that classification.
For the estimation function of the first dependent variable, classification is performed to obtain a high correlation by creating multiple estimation functions. Preferably, measurement data is used for estimating the first and second dependent variables. Preferably, in order to create the multiple classified estimation functions, when the entire measurement data is analyzed and estimated using the same analytical method, multiple classifications are created by classifying the degree of deviation of the estimated values from the training data. Multiple estimation functions may also be created by classification using the similarity of the measurement data.
上記の構成によれば、これらの分析手法を利用することによって、別途推定関数の定義のための測定データを取得することなく、測定データに基づいて推定関数が容易に且つ正確に定義され得る。 According to the above configuration, by utilizing these analytical methods, the estimation function can be easily and accurately defined based on measurement data without having to separately acquire measurement data for defining the estimation function.
推定関数が一意に決定できない分析対象として、材料、材質、結晶状態、材料の形態、材料の構造が複数の状態を取りうるものであり、土壌、コンクリート構造体、セラミックス構造体、合金を含む金属又は変質を伴う加工を施した合金を含む金属の構造体の何れかが挙げられる。土壌においては、地域による形成の違いに加え農作業など人為的な変化による違い、コンクリート構造体においては、コンクリートの産地や水分量、鉄筋の種類等による違い、セラミックス構造体においては、焼結セラミックス構造体の原料産地、金属においては、窒化、炭化、プラズマやイオンや熱による処理、加工によって生じた、合金元素の状態や結晶状態、変態や合金化、結晶粒の微細化ないし肥大化などの状態変化などによる違いなど、確定的に分類できない項目が含まれる対象が挙げられる。 Examples of analytical objects for which the estimation function cannot be uniquely determined include materials, material properties, crystalline states, material morphologies, and material structures that can exist in multiple states, such as soil, concrete structures, ceramic structures, and metals containing alloys or metal structures containing alloys that have undergone alteration-related processing. In the case of soil, this includes differences due to regional formation variations as well as anthropogenic changes such as agricultural work; in concrete structures, it includes differences due to the origin of the concrete, moisture content, and type of reinforcing steel; in ceramic structures, it includes differences due to the origin of the raw materials for sintered ceramic structures; and in metals, it includes differences due to changes in the state of alloying elements, crystalline states, transformations, alloying, and grain refinement or enlargement resulting from nitriding, carbonization, plasma, ion, or heat treatment and processing. These are all examples of objects that include items that cannot be definitively classified.
例えば、分析対象が土壌の場合には、土壌インベントリ(非特許文献)等の既知のデータを活用したり、クラスタリング、主成分分析などの教師無し学習分析で分類することも可能であるが、必ずしも高い相関が得られるとは限らない。第一の目的変数を、精度良く推定できるように分類を実施する。例えば、同じ金属同士をスポット溶接したスポット溶接部の溶接強度を分析対象とする場合に、金属材料として鉄とアルミニウムが混じっている場合には、測定データを鉄とアルミニウムの分類をしてから、例えば鉄同士のスポット溶接部の溶接強度を第一の目的変数により推定すれば相関が容易になり、相関が0.9以上の推定ができるようになる。 For example, when the object of analysis is soil, it is possible to utilize known data such as soil inventories (non-patent literature) or classify the data using unsupervised learning analyses such as clustering and principal component analysis, but this does not always guarantee a high correlation. The classification should be performed in a way that allows for accurate estimation of the primary target variable. For example, when analyzing the weld strength of spot welds made of the same metal, if the metal material is a mixture of iron and aluminum, classifying the measurement data into iron and aluminum, and then estimating the weld strength of the spot welds between irons using the primary target variable, makes correlation easier, and it becomes possible to estimate a correlation of 0.9 or higher.
例えば、第一の目的変数を推定するための学習データの全体をAI分析すると、推定が合わないため、低い相関関数での推定関数が得られる。ここで得られた結果に対し、推定関数からの離れ度による分類を実施する。離れ度は、例えば標準偏差σを用いて、標準偏差σの1倍、3倍の値を使った分類方法として、-3倍より離れた結果となったグループ(-3σ以下)、-3倍から-1倍(-3σ~-σ)のグループ、-1倍から+1倍のグループ(-σ~+σ)、+1倍から+3倍(+σ~+3σ)のグループ、+3倍(+3σ)より離れたグループのような分類が可能となる。ただし、それぞれの測定データ数が学習に対して少なくなりすぎないように注意する必要がある。また、これらのグループ毎による分類法により分析した結果から、上記1倍、3倍の仕切り値について見直しを行い、それぞれのグループのデータの相関が適切になるように調整してもよい。 For example, if we perform an AI analysis on the entire training data used to estimate the first target variable, the estimation will not be accurate, resulting in an estimated function with a low correlation function. The results obtained here are then classified based on their degree of deviation from the estimated function. For example, using the standard deviation σ, classification can be done using values of 1x and 3x the standard deviation σ, allowing for classifications such as: a group with results more than -3x (below -3σ), a group between -3x and -1x (-3σ to -σ), a group between -1x and +1x (-σ to +σ), a group between +1x and +3x (+σ to +3σ), and a group more than +3x (+3σ). However, care must be taken to ensure that the number of measurement data points for each group is not too small compared to the training data. Furthermore, based on the results of analysis using these group classification methods, the 1x and 3x threshold values may be reviewed and adjusted to ensure appropriate correlation between the data in each group.
上記の例は一例であり、学習では明確に分類が行えるが、実際の測定において分類が簡単に分らないようなケースに対しては、既知の分類を利用することで高精度の分析となる場合もある。 The above example is just one instance; while clear classification is possible in learning, in actual measurements, there are cases where classification is not easily determined. In such cases, using known classifications can lead to highly accurate analysis.
分類は、第一の目的変数の推定関数を複数用意し、それを同じデータから選定することが主目的である。このため、分類は、複数のそれぞれが高い相関を得られる推定式を複数用意できる分類としての学習が実施できるグループ分けが行えればそれでよい。さらに、どの分類に分かれるかという第二の目的変数の推定を、同じ測定データにより分析ができれば良い。 The primary objective of classification is to prepare multiple estimation functions for the first dependent variable and select the appropriate one from the same data. Therefore, classification only needs to enable grouping that allows for learning of classification methods, each producing multiple estimation formulas that yield high correlations. Furthermore, it is desirable that the estimation of the second dependent variable—which category each group belongs to—can be analyzed using the same measurement data.
(AI分析方法を実施するための分析装置)
図2は、本発明によるAI分析方法を実施するための分析装置の一実施例の構成を示している。図2に示すように、分析装置1は、センサ10と計測部20とデータ処理部30とから構成されている。
(Analytical device for implementing AI analysis methods)
Figure 2 shows the configuration of one embodiment of an analytical apparatus for implementing the AI analysis method according to the present invention. As shown in Figure 2, the analytical apparatus 1 consists of a sensor 10, a measurement unit 20, and a data processing unit 30.
センサ10は、コイルとしての励起コイル11及び検出コイル12と、磁路形成部13と、を備えている。センサ10は、外部磁界を遮断するために例えば金属製のセンサ保持部14内に収容され、センサ保持部14の測定部に測定対象のサンプル15が配置される。サンプル15は、容器の中に収容してセンサ保持部14の測定部に設置してもよい。もしくは上記測定部に直接測定対象となるサンプル15を設置することにより計測を行う。センサ10は、例えばセンサ保持部14内で図示しない非磁性の隙間充填物により支持されている。 The sensor 10 comprises an excitation coil 11 and a detection coil 12, and a magnetic path forming section 13. The sensor 10 is housed in a sensor holder 14, for example, made of metal, to block external magnetic fields. The sample 15 to be measured is placed in the measurement section of the sensor holder 14. The sample 15 may be housed in a container and placed in the measurement section of the sensor holder 14. Alternatively, measurement is performed by directly placing the sample 15 in the measurement section. The sensor 10 is supported, for example, within the sensor holder 14 by a non-magnetic gap filler (not shown).
磁路形成部13は、例えば底部13aと円筒部13bと軸部13cとから成り、底部13aが円筒部13bと軸部13cとを支持して構成される。軸部13cには、励起コイル11と検出コイル12とが装着されている。センサ10は、励起コイル11及び磁路形成部13により構成される磁路に検出コイル12及びサンプル15が配置されているので、分析対象となるサンプル15の透磁率等に応じて検出コイル12で検出される信号に影響を与えることができる。上述したセンサ10は一つの構成例であって、同様な作用を有するものでもよく、例えば励起コイル11と検出コイル12とが一つのコイルで構成されていてもよい。 The magnetic path forming section 13 consists of, for example, a bottom section 13a, a cylindrical section 13b, and a shaft section 13c, with the bottom section 13a supporting the cylindrical section 13b and the shaft section 13c. An excitation coil 11 and a detection coil 12 are mounted on the shaft section 13c. Since the sensor 10 has the detection coil 12 and the sample 15 positioned in the magnetic path formed by the excitation coil 11 and the magnetic path forming section 13, the signal detected by the detection coil 12 can be influenced according to the permeability of the sample 15 to be analyzed. The sensor 10 described above is just one example configuration; other configurations with similar functions may also exist. For example, the excitation coil 11 and the detection coil 12 may be composed of a single coil.
計測部20は、発振部21と信号処理部22と制御部23とを備える。発振部21は、或る周波数の信号を繰り返し発生すると共に、その信号の周波数を段階的に増減する。発振部21から発振した信号は、励起信号と参照信号とに分岐され、励起信号は励起コイル11に伝達されると共に、信号処理部22に参照信号として出力される。信号処理部22は、検出コイル12からの検出信号について、発振部21からの参照信号を用いて励起信号に対する検出信号の時間的変化を算出する。その際、信号処理部22はフーリエ変換機能を有しており、時間軸の信号を周波数軸の信号に変換する。また、信号処理部22は、センサ10からの検出信号のデジタル化を行ない、データ処理部30に出力する。制御部23は、データ処理部30との間でデータ及び各種制御信号を入出力すると共に、発振部21及び信号処理部22を制御する。 The measurement unit 20 comprises an oscillation unit 21, a signal processing unit 22, and a control unit 23. The oscillation unit 21 repeatedly generates a signal of a certain frequency and gradually increases or decreases the frequency of that signal. The signal oscillated from the oscillation unit 21 is split into an excitation signal and a reference signal. The excitation signal is transmitted to the excitation coil 11 and output to the signal processing unit 22 as a reference signal. The signal processing unit 22 calculates the temporal change of the detection signal from the detection coil 12 relative to the excitation signal using the reference signal from the oscillation unit 21. At this time, the signal processing unit 22 has a Fourier transform function and converts the time-axis signal into a frequency-axis signal. The signal processing unit 22 also digitizes the detection signal from the sensor 10 and outputs it to the data processing unit 30. The control unit 23 inputs and outputs data and various control signals to and from the data processing unit 30, and controls the oscillation unit 21 and the signal processing unit 22.
この場合、データ処理部30は、信号処理部22で処理した検出信号についてのデジタルデータから分析対象の目的変数の推定を行なう。以下の説明では、分析対象を土壌とし、目的変数を土壌地力形質とし、土壌地力形質の例としてCECの推定を行なうとして説明する。データ処理部30は、制御部23とのインターフェースをする入出力インターフェース部31と、主記憶装置及び補助記憶装置を備える記憶装置32と、四則演算等の演算処理を行なう演算装置と、記憶装置及び演算装置を制御する制御装置と、を備えるコンピュータで構成され、データ処理プログラムが補助記憶装置に格納されており、データ処理プログラムが演算装置に展開されて実行されることにより、データ処理部30は、図2に示す記憶部33及び推定部34を機能的に備える。 In this case, the data processing unit 30 estimates the target variable for analysis from the digital data of the detection signal processed by the signal processing unit 22. In the following explanation, the target of analysis will be soil, the target variable will be soil fertility traits, and the estimation of CEC will be used as an example of soil fertility traits. The data processing unit 30 is composed of a computer comprising an input/output interface unit 31 that interfaces with the control unit 23, a storage device 32 equipped with a main memory and an auxiliary storage device, an arithmetic unit that performs calculations such as arithmetic operations, and a control device that controls the storage device and the arithmetic unit. The data processing program is stored in the auxiliary storage device, and when the data processing program is deployed to the arithmetic unit and executed, the data processing unit 30 functionally provides the storage unit 33 and estimation unit 34 shown in Figure 2.
記憶部33は、分析対象に関し、目的変数の定量値とセンサ10及び計測部20を用いて計測した処理後の検出信号から求めた分析対象の目的変数の推定値との相関に関するデータを記憶する。推定部34は、分析対象となる分析対象に対してセンサ10により交番磁界を印加し、計測部20を用いて処理した検出信号に基づいて、記憶部33に記憶されているデータを用いて分析対象となる分析対象のCECを推定する。 The memory unit 33 stores data relating to the correlation between the quantitative value of the target variable and the estimated value of the target variable obtained from the processed detection signal measured using the sensor 10 and the measurement unit 20, for the object of analysis. The estimation unit 34 applies an alternating magnetic field to the object of analysis using the sensor 10 and estimates the CEC of the object of analysis using the data stored in the memory unit 33, based on the detection signal processed by the measurement unit 20.
推定部34では、予め求めておいた分析対象の目的変数の定量値を利用して、分析対象となる目的変数を以下の分析方法に従って分析することができる。図3は、本発明の分析方法の一例を示す土壌のCEC分析を例にとる説明図である。 The estimation unit 34 can analyze the target variable according to the following analytical method, using the quantitative values of the target variable that have been determined in advance. Figure 3 is an explanatory diagram illustrating an example of the analytical method of the present invention, using soil CEC analysis as an example.
図3に示すように、分析は以下のように行なわれる。
(ステップST1 学習用試料準備)
ステップST1にて、最終的に分析対象試料47に相当する学習用試料41を準備する。学習用試料41は分析対象試料47の一部もしくは全体とすることも可能である。一つの土壌または成分の異なる複数の土壌を準備する。必要に応じて、所定の分析対象となる土壌を風乾した後、乳鉢を用いて粉砕しその風乾粉砕土を土壌試料としてもよい。
As shown in Figure 3, the analysis is performed as follows.
(Step ST1: Preparation of learning samples)
In step ST1, a learning sample 41 is prepared that corresponds to the final sample 47 to be analyzed. The learning sample 41 may be part or all of the sample 47 to be analyzed. One soil or multiple soils with different compositions are prepared. If necessary, the soil to be analyzed may be air-dried and then crushed using a mortar and pestle, and the resulting air-dried crushed soil may be used as the soil sample.
ステップST1における学習用試料41は、センサ10で測定する物体であり、例えば、土壌、スポット溶接をして接合した金属部材及びコンクリート中の鉄筋等の金属等が挙げられる。学習用試料41が土壌の場合、その目的変数としては、CEC(陽イオン交換容量)等の土壌地力形質が挙げられる。 In step ST1, the learning sample 41 is an object measured by the sensor 10, and examples include soil, metal members joined by spot welding, and metals such as reinforcing bars in concrete. If the learning sample 41 is soil, the target variable may be soil fertility characteristics such as CEC (cation exchange capacity).
なお、学習用試料41はCECだけではなく、併せてCEC以外の土壌地力形質の推定をも行なうこともできる。ここで、CEC以外の土壌地力形質として、AEC、全炭素(T-C)、全窒素(T-N)、可給態リン酸(Av-P)、全リン(P)、鉄(Fe)、アルミニウム(Al)、植物栄養の上で重要な元素としてK(カリウム)、Ca(カルシウム)、Mg(マグネシウム)等の推定が可能である。これらのCEC以外の土壌地力形質については、特許文献2の実施例4に関する記載の分析方法(特許文献2、段落0083~0086及び0087~0094)によっても推定されるが、ここでも特定の土壌から外れた場合、土壌の分類を行う場合については本発明での分類推定を加える必要がある。 Furthermore, the learning sample 41 can be used not only to estimate CEC but also to estimate other soil fertility traits. Here, other soil fertility traits that can be estimated include AEC, total carbon (T-C), total nitrogen (T-N), available phosphate (Av-P), total phosphorus (P), iron (Fe), aluminum (Al), and elements important for plant nutrition such as K (potassium), Ca (calcium), and Mg (magnesium). These other soil fertility traits can also be estimated using the analytical method described in Example 4 of Patent Document 2 (Patent Document 2, paragraphs 0083-0086 and 0087-0094). However, if the soil falls outside a specific soil category, or if soil classification is required, the classification estimation method of this invention must be added.
(ステップST2 学習用データとステップST3 比較用データ)
ステップST2にて、分析対象となる学習用試料41をセンサ10で測定して学習用データ42、つまり学習用測定データを取得する。この際、学習用試料41となる土壌に直接センサ10を近接させて測定してもよいし、又は上記した風乾粉砕土にセンサ10を近接させて測定してもよい。そしてステップST3にて、各土壌試料の土壌サンプル41について、例えば公知のショーレンベルガー法により比較用データ43となるCECの定量値を求める。
このように、ステップST2においては、ステップST4での第一の目的変数を得るための推定関数45を得るための、AI学習・推定に必要な学習用データ42及び比較用データ43を得る。学習用データ42と比較用データ43は、土壌の分類に関係する圃場位置や学術的な土壌分類結果等の特性情報と紐づけられて記憶部33のデータベースに格納される。
(Step ST2: Training data and Step ST3: Comparison data)
In step ST2, the learning sample 41 to be analyzed is measured with the sensor 10 to obtain learning data 42, i.e., learning measurement data. At this time, the sensor 10 may be placed in close proximity to the soil that will be the learning sample 41 for measurement, or the sensor 10 may be placed in close proximity to the air-dried pulverized soil described above for measurement. Then, in step ST3, for each soil sample 41, the quantitative value of CEC, which will be comparative data 43, is determined using, for example, the known Schorenberger method.
Thus, in step ST2, training data 42 and comparison data 43 necessary for AI learning and estimation are obtained in order to obtain the estimation function 45 for obtaining the first target variable in step ST4. The training data 42 and comparison data 43 are linked to characteristic information such as field location and academic soil classification results related to soil classification and stored in the database of the storage unit 33.
ここで、実際の土壌の分類は測定時における土壌の状態に依存するため、その状態の評価は簡単ではない。非特許文献1に示すように、学術的にいくつかの分類を行っている結果を用いることも可能であるが、すべての圃場や土地を網羅していないことと、必ずしも測定しようとしている土壌の測定時の状態とは一致しないことが課題となる。特に、CEC等土壌の成分や構造、構成などは、農地では農作業において土壌の状態が変化しているため、目安としての利用は可能であるが、AI分析における推定用の分類としては不十分な場合がある。そのため、土壌毎の分類を、現在の状態から把握する必要があり、計測データを用いたAI分析を実施する。 Here, the actual classification of soil depends on the soil condition at the time of measurement, making its evaluation difficult. As shown in Non-Patent Document 1, it is possible to use the results of several academically established classifications, but this has the drawback of not covering all fields and land, and not necessarily matching the soil condition at the time of measurement. In particular, soil components, structure, and composition such as CEC can be used as a guideline in agricultural land because the soil condition changes during farming, but they may be insufficient for classification in AI analysis estimation. Therefore, it is necessary to understand the classification of each soil type from its current state, and AI analysis using measurement data is performed.
(ステップST4とステップST6(AI事前学習))
記憶部33に保存された、ステップST2及びステップST3で取得した土壌試料の定量値である比較用データ43を用いたAI分析を実施して、第一の目的変数を得る第一の推定関数45を作成する。また第二の分類の目的変数を得る第二の推定関数46は分類データ44の項目毎にそれぞれ作成する。ステップST3は事前学習とも呼ぶステップである。結果は記憶部33に合わせて保存する。
第二の目的変数となる分類データ44については、第一の推定関数45での分析結果が相関係数で0.7以下など良い一致を得られない場合に、特に一致しにくいデータを分離・分類することにより全体の結果を良くするために後述する方法により実施する。
第一及び第二の目的変数を得るステップST4及びステップST5のAI分析は、クラスタリング、主成分分析などの教師無しAI分析手法、線形解析、SVM(Support Vector Machine)、PLS回帰分析、ニューラルネットワークなどの教師付きAI分析手法の何れかの分析手法を利用して作成される。
第一の推定関数45を得るステップST4と第二の推定関数46を得るステップST5の手法は同じであっても、異なっていても良い。なお、ステップST4のAI学習による第一の推定関数45の取得の後で、ステップST7に進み、第一の推定関数45の検証結果が適正か否かの判定をしてもよい。検証結果が適正でない場合(NO)には、ステップST5に戻り、分類の準備をする。また、検証結果が適正である場合(YES)には、後述するように実際の評価(ステップST8)に進む。
ここで、第二の推定関数46を得るための手法として、クラスタリング手法は分類手法としてよく使われるが、分類データ44によってはクラスタリングによる分類では強い特徴が含まれる場合などに不適切となる場合もあり、教師付きAI分析手法のニューラルネットワーク等の深層学習が有効な場合もある。
ステップST6による分類を、AI分析手法を用いずに学術的な分類や作業者の判断によることもある。
(Steps ST4 and ST6 (AI pre-training))
An AI analysis is performed using the comparison data 43, which consists of quantitative values of soil samples obtained in steps ST2 and ST3 and stored in the memory unit 33, to create a first estimation function 45 for obtaining the first target variable. A second estimation function 46 for obtaining the second classification target variable is created for each item of the classification data 44. Step ST3 is also called pre-training. The results are stored in the memory unit 33.
For the classification data 44, which is the second dependent variable, if the analysis results from the first estimation function 45 do not yield a good agreement, such as a correlation coefficient of 0.7 or less, the data that is particularly difficult to agree with will be separated and classified using the method described later in order to improve the overall results.
The AI analysis in steps ST4 and ST5, which obtains the first and second objective variables, is performed using one of the following analysis methods: unsupervised AI analysis methods such as clustering and principal component analysis, or supervised AI analysis methods such as linear analysis, SVM (Support Vector Machine), PLS regression analysis, and neural networks.
The methods used in step ST4 to obtain the first estimation function 45 and step ST5 to obtain the second estimation function 46 may be the same or different. After obtaining the first estimation function 45 through AI learning in step ST4, the process may proceed to step ST7 to determine whether the verification result of the first estimation function 45 is appropriate or not. If the verification result is not appropriate (NO), the process returns to step ST5 to prepare for classification. If the verification result is appropriate (YES), the process proceeds to the actual evaluation (step ST8) as described later.
Here, as a method for obtaining the second estimation function 46, clustering is a commonly used classification method. However, depending on the classification data 44, clustering may be inappropriate if it contains strong features, and in such cases, deep learning methods such as neural networks, which are supervised AI analysis methods, may be effective.
The classification in Step ST6 may also be based on academic classification or human judgment, without using AI analysis methods.
第二の推定関数46及びそれに基づく分類が定義された場合は、ステップST5で分類データ44として定義したそれぞれの分類毎に分析評価のための第一の推定関数45を定義する。 If a second estimation function 46 and the classifications based thereon are defined, a first estimation function 45 for analysis and evaluation is defined for each classification defined as classification data 44 in step ST5.
上記構成によれば、これらの分析手法を利用することによって、測定データに基づいて分類用の評価関数が容易に且つ正確に作成され得る。 According to the above configuration, by utilizing these analytical methods, a classification evaluation function can be easily and accurately created based on the measurement data.
(ステップST8から 実際の評価)
次に、実際の評価の過程に移る。土壌のCEC及び土壌の分類に関係する特性が未知の実際の分析対象試料47を、ステップST1の土壌資料と同様に準備し、センサ10により所定の周波数範囲の複素振幅と位相からなる評価用データ48として取得する。評価用データ48は、具体的には、励起コイル11に交流電流を印加することにより交番磁束を発生させ、分析対象の状態により乱れる磁束を検出コイル12を用いて検出する。この際、励起コイル11に複数の互いに異なる周波数の励起信号を印加してもよい。励起信号を、最低周波数から最高周波数まで5倍から100倍程度の周波数帯域としてもよい。さらに、励起信号を、5以上の互いに異なる周波数でありかつ対象となる分析数に分類数を加えた数より1以上多くしてもよい。
(Actual evaluation from Step ST8)
Next, we move on to the actual evaluation process. An actual sample 47 to be analyzed, whose CEC and soil classification-related characteristics are unknown, is prepared in the same way as the soil sample in step ST1, and evaluation data 48 consisting of complex amplitude and phase within a predetermined frequency range is acquired by the sensor 10. Specifically, the evaluation data 48 is obtained by generating an alternating magnetic flux by applying an alternating current to the excitation coil 11, and detecting the magnetic flux that is disturbed by the state of the analysis target using the detection coil 12. At this time, multiple excitation signals of different frequencies may be applied to the excitation coil 11. The excitation signals may have a frequency band of about 5 to 100 times from the lowest frequency to the highest frequency. Furthermore, the excitation signals may have five or more different frequencies and be one or more greater than the sum of the number of analyses and the number of classifications.
このように分類データ44及び分類毎の第一の推定関数45を定義した後、後述するように、ステップST8から、分析対象試料47に関して評価用データ48を計測し、第二の推定関数46を用いた分類の判断を行ない、ステップST11にて対応する分類を選択して、選択した分類に対応する第一の推定関数45により、当該評価用データ48からステップST14において分析結果50を得て、ステップST16にて、評価結果を確定する。 After defining the classification data 44 and the first estimation function 45 for each classification in this manner, as described later, from step ST8, evaluation data 48 is measured for the sample to be analyzed 47, a classification determination is made using the second estimation function 46, the corresponding classification is selected in step ST11, and the analysis result 50 is obtained from the evaluation data 48 using the first estimation function 45 corresponding to the selected classification in step ST14, and the evaluation result is finalized in step ST16.
(ステップST10 分類の必要性検討)
この時、分析対象試料47が特定の分類だけに入っていることが明確な場合など、例えば評価用データ48について第一の推定関数45が特定できている場合などには、第二の推定関数46の演算による分類は不要であり、ステップST12にてステップST13に進み、ステップST14にて目的の分析結果50となる土壌のCECを推定してもよい。
(Step ST10: Examining the necessity of classification)
In this case, if it is clear that the sample to be analyzed 47 belongs to a specific classification, for example, if the first estimation function 45 can be identified for the evaluation data 48, then classification by calculation of the second estimation function 46 is unnecessary, and the process can proceed from step ST12 to step ST13, and in step ST14, the CEC of the soil that will result in the desired analysis result 50 may be estimated.
(ステップST11 分類の実施)
ステップST11では、評価用データ48について分類毎に作成されている第一の推定関数45のうちで利用する推定関数を選択するために第二の推定関数46による推定を行う。評価用データ48を第二の推定関数46を用いた演算結果により分類データ44のどの分類に相当するかを判定し、第一の推定関数45を選択する。
(Step ST11: Implementation of classification)
In step ST11, estimation is performed using a second estimation function 46 to select the estimation function to be used from among the first estimation functions 45 created for each classification of the evaluation data 48. Based on the calculation results using the second estimation function 46, it is determined which classification of the classification data 44 the evaluation data 48 corresponds to, and the first estimation function 45 is selected.
(ステップST13 分析の必要性検討)
ステップST11の分類の後、土壌のCECを推定するか否かを選択する。分析を必要とせずに分類だけ行いたい、例えば対象の土壌での作物選定のために土壌がどの分類に分けられるかのみ調べる場合には、ステップST15を経由してステップST16に進み、ステップST11で得られた分類の結果49を確定して終了すればよい。
(Step ST13: Consider the necessity of analysis)
After the classification in step ST11, you choose whether or not to estimate the soil's CEC. If you only want to perform classification without analysis, for example, to determine which classification the soil belongs to for crop selection in the target soil, you can proceed to step ST16 via step ST15, confirm the classification result 49 obtained in step ST11, and finish.
(ステップST14 分析)
ステップST14にて分析対象試料47の分析結果50を求める、すなわち土壌のCECを推定する場合には、ステップST11において、評価用データ48を用いて第二の分類のための目的変数用の第二の推定関数46による土壌の分類を実施し、得られた分類結果49の結果に基づき、分類データ44で定義されている分類毎にステップST4で作成されている第一の目的変数用の第一の推定関数45を選択し、評価用データ48用い分析結果50となる土壌のCECを推定し、ステップST16にて土壌の分類及びCECの推定値を確定して終了する。
(Step ST14 Analysis)
In step ST14, when obtaining the analysis result 50 of the sample 47 to be analyzed, that is, when estimating the CEC of the soil, in step ST11, the soil is classified using the evaluation data 48 and a second estimation function 46 for the objective variable for the second classification. Based on the obtained classification result 49, a first estimation function 45 for the first objective variable, created in step ST4, is selected for each classification defined in the classification data 44. The CEC of the soil, which will be the analysis result 50, is estimated using the evaluation data 48, and in step ST16, the soil classification and the estimated CEC value are confirmed and the process is completed.
(ステップST16)
以上で土壌の分類、CEC分析の推定が終了するが、結果の状況を判断し推定値が不適切であると考えられる場合、ステップST3からのやり直しによる再学習、ステップST5、ステップST6での分類のやり直し、ステップST11,ステップST14での分析のやり直しを実施する。また必要によってはステップST2での学習用データの取得方法の見直しなども実施する。
(Step ST16)
This completes the soil classification and CEC analysis estimation. However, if the results indicate that the estimated values are inappropriate, the process will be restarted from step ST3 for retraining, the classification will be redone in steps ST5 and ST6, and the analysis will be redone in steps ST11 and ST14. If necessary, the method for acquiring training data in step ST2 will also be reviewed.
(電磁計測による測定方法)
以下に、分析対象を土壌とし、図2に示した電磁計測法を用いた計測を用いて、目的変数をCEC他各土壌地力形質定量値としたときの学習用データ42、及び測定データ48の取得方法及び土壌の分類と分析推定について詳細に説明する。
(Measurement method using electromagnetic measurement)
The following describes in detail the method for acquiring training data 42 and measurement data 48, as well as the classification and analysis estimation of soil, when the target of analysis is soil and measurements are taken using the electromagnetic measurement method shown in Figure 2, with CEC and other quantitative values of soil fertility traits as the objective variables.
土壌分析装置1においてセンサ保持部14の測定部にサンプル15となる土壌サンプルとして学習用試料41を入れ、制御部23の制御の下、発振部21から指定の周波数範囲(例えば数kHz~数百kHz)において任意の間隔周波数(例えば数kHz)毎に周波数を段階的に増加させながら、各周波数の信号を発振し励起コイル11に出力する。検出コイル12により検出した信号を信号処理部22により処理し、デジタル信号に変換し、データ処理部30に出力する。推定部34において、信号処理部22から出力された処理後の検出信号を記憶部33に記憶しておく。この値が学習用データ42となる。 In the soil analysis apparatus 1, a learning sample 41, which will become the sample 15, is placed in the measurement section of the sensor holding unit 14. Under the control of the control unit 23, the oscillation unit 21 oscillates signals at each frequency, increasing the frequency stepwise at arbitrary intervals (e.g., several kHz to several hundred kHz) within a specified frequency range (e.g., several kHz to several hundred kHz), and outputs them to the excitation coil 11. The signal detected by the detection coil 12 is processed by the signal processing unit 22, converted into a digital signal, and output to the data processing unit 30. In the estimation unit 34, the processed detection signal output from the signal processing unit 22 is stored in the storage unit 33. This value becomes the learning data 42.
発振部21から発生する交流の周波数範囲は、例えば1Hz~80Hz、例えば50Hz~5kHz、例えば500Hz~2.5kHz、例えば1kHz~100kHz程度とすることができる。即ち、交流の周波数が最低周波数から最高周波数まで5倍から100倍程度の周波数帯域としてもよい。また、交流の周波数が、5以上の互いに異なる周波数であり、かつ対象となる分析数に分類数を加えた数より1以上多くするように設定してもよい。 The frequency range of the AC generated by the oscillator 21 can be, for example, 1 Hz to 80 Hz, 50 Hz to 5 kHz, 500 Hz to 2.5 kHz, or approximately 1 kHz to 100 kHz. That is, the frequency band of the AC may be approximately 5 to 100 times the minimum to maximum frequency. Furthermore, the AC frequencies may be set to be five or more distinct frequencies, and to be at least one greater than the sum of the number of analyses and the number of classifications.
学習用試料41である土壌サンプルの一部を取り出し、以下に示すようなショーレンベルガー法など既知の定量分析手法で分析を行い、その値を比較用データ43とする。
CECの他、各土壌地力形質定量値の測定方法の一例としては、
CEC、カリウム、マグネシウム、カルシウム、:ショーレンベルガー法等
全炭素(T-C):C/Nコーダーを使用した燃焼法等
全窒素(T-N):C/Nコーダーを使用した燃焼法等
可給態リン酸(Av-P):トルオーグ法等
カリウム、マグネシウム、カルシウム、鉄、マンガン、亜鉛、銅、モリブデン、ホウ素、塩素、ニッケル:蛍光X線分析等の元素分析装置がある。
このとき、時分析対象として定量分析手法が利用可能な場合はAI分析手法として教師付きの学習手法が利用でき、定量分析が実施できない分析対象の場合には比較用データ43を用いない、教師無し学習手法のAI分析を用いることができる。また、あいまいさを含む定性分析や画像を比較用データ43として用い、教師付き学習を実施することも可能である。
A portion of the soil sample, which is the learning sample 41, is taken and analyzed using a known quantitative analysis method such as the Schorenberger method as shown below, and the resulting value is used as comparison data 43.
In addition to CEC, an example of a method for measuring quantitative values of various soil fertility traits is:
CEC, potassium, magnesium, calcium: Schörenberger method, etc. Total carbon (T-C): Combustion method using a C/N coder, etc. Total nitrogen (T-N): Combustion method using a C/N coder, etc. Available phosphorus (Av-P): Truog method, etc. Potassium, magnesium, calcium, iron, manganese, zinc, copper, molybdenum, boron, chlorine, nickel: Elemental analyzers such as X-ray fluorescence analysis are available.
In this case, if a quantitative analysis method is available for the analysis target, a supervised learning method can be used as the AI analysis method. If quantitative analysis cannot be performed on the analysis target, an unsupervised learning AI analysis method can be used without using the comparison data 43. It is also possible to perform supervised learning using qualitative analysis that includes ambiguity or images as the comparison data 43.
推定部34では、学習用データ42を説明関数及び比較用データ43を目的変数として、AI分析による事前学習(ステップST4)を行なう。AI分析とは、線形解析、SVM、PLS回帰分析、ニューラルネットワーク等、教師付きAI分析手法、比較用データ43を用意できない場合にはクラスタリング分析、主成分分析等、教師無しAI分析手法の何れかの分析手法を用い、データ処理部30において、記憶装置32に格納されたプログラムにより、推定部34により実行されることを意味している。比較データ43をCEC等を含む各土壌地力形質定量値とした場合、AIの分析により第一の推定関数45が得られる。 In the estimation unit 34, pre-training (step ST4) is performed using AI analysis, with the training data 42 as the explanatory function and the comparison data 43 as the target variable. AI analysis refers to the use of one of the following analysis methods: supervised AI analysis methods such as linear analysis, SVM, PLS regression analysis, and neural networks; or, if comparison data 43 is unavailable, unsupervised AI analysis methods such as clustering analysis and principal component analysis. This analysis is performed by the estimation unit 34 using a program stored in the storage device 32, within the data processing unit 30. When the comparison data 43 consists of quantitative values of various soil fertility traits, including CEC, the first estimation function 45 is obtained through AI analysis.
電磁計測法や他の計測手段においては、測定対象の材質や構造、複数の材料が混合もしくは複合されている場合にはその比率や分布等の影響を受ける。そのため測定対象によって、測定条件を変える、推定のための推定関数を変えることが必要となる。土壌においてはその土質や農作業による土壌改良などの影響を受け、第一の推定関数45が一に決まらない。そこで上記の学習を測定対象をグループ化した分類に従って分けることにより、それぞれに第一の推定関数45を作成することが必要である。このグループ化した分類が分類データ44となる。 In electromagnetic measurement methods and other measurement techniques, the measurement results are affected by the material and structure of the object being measured, as well as the ratio and distribution of materials if multiple materials are mixed or combined. Therefore, it is necessary to change the measurement conditions and the estimation function depending on the object being measured. In the case of soil, the first estimation function 45 cannot be uniquely determined due to influences such as soil type and soil improvement by agricultural work. Therefore, it is necessary to create a first estimation function 45 for each group of objects being measured by dividing the learning process according to a classification. This grouped classification becomes the classification data 44.
この場合、分類データ44としては、土壌では学術的な分類の農研機構の日本土壌インベントリーによる「土壌分類」(非特許文献1参照)があり、これを参考に利用することが可能であるが、各圃場を管理している農場においては土壌改良を実施していることもあるため、単純に上記分類のみでは適切に分類することは困難である。さらに、土壌の分類は、土壌を深くサンプリングし、その断面状態等の分析を行なう等の作業が必要であり、土壌分析は容易ではない。 In this case, as classification data 44, there is the "Soil Classification" (see Non-Patent Document 1) from the National Agriculture and Food Research Organization's Japan Soil Inventory, which is an academic classification and can be used as a reference. However, since farms managing individual fields may have implemented soil improvement measures, it is difficult to classify appropriately using only the above classification. Furthermore, soil classification requires tasks such as deep soil sampling and analysis of its cross-sectional condition, making soil analysis not easy.
そこで、土壌の分類を第二の目的変数として、第二の推定関数46を得るため、上述の学習用データ42を用いて、土壌の分類推定についてもAI学習(ステップST6)を実施する。同一の学習用データ42から分析、分類の両方を実施可能とする。 Therefore, to obtain a second estimation function 46 with soil classification as the second objective variable, AI learning (step ST6) is performed on soil classification estimation using the aforementioned training data 42. Both analysis and classification can be performed using the same training data 42.
土壌分類については先述の学術的な土壌分類などを参考にし、分類毎に第一の推定関数45を分類データ44に定義した分類毎に作成し、分析の推定を実施する。結果が十分ではない場合、特に合わないデータとして、標準偏差σの値を参考にするなどしながら再分類を実施し、分類毎に作られる分析の推定が望ましい結果となるように選択する。ここでの分類は学術的な分類とずれる場合もあるが、実態に即した分類として利用する。また、学術的な分類が利用できない場合などにはクラスタリング分析や主成分分析などの教師無し学習法を利用することも可能である。この場合、後述するように別の因子の影響などで、適切な分類ができないこともあるので注意が必要である。
決定できた分類を分類データ44として目的変数にし、学習用データ42を説明変数にしてAI学習を実施する。得られた推定関数が、第二の目的変数である分類の第二の推定関数46となる。
For soil classification, referencing the aforementioned academic soil classifications, a first estimation function 45 is created for each classification defined in the classification data 44, and the analysis is performed. If the results are insufficient, particularly for mismatched data, reclassification is performed, referring to the value of the standard deviation σ, and the estimations created for each classification are selected to yield desirable results. The classification here may deviate from academic classifications, but it is used as a classification that reflects the actual situation. Furthermore, if academic classifications are not available, unsupervised learning methods such as clustering analysis and principal component analysis can be used. In this case, as will be discussed later, it is important to note that appropriate classification may not be possible due to the influence of other factors.
The determined classification is used as the classification data 44, which is the target variable, and the training data 42 is used as the explanatory variable to perform AI learning. The resulting estimation function becomes the second estimation function 46 for the second target variable, which is the classification.
次に、実際の計測においては、分析対象試料47である土壌サンプルについて、ステップST9の準備を行う。具体的には、ステップST2と同様に、サンプル15をセンサ保持部14の測定部に載置する、もしくは圃場などで直接センサー10をサンプル15となる土壌に接触させ、学習時と同じ条件で、制御部23の制御の下、発振部21から指定の周波数範囲(例えば数kHz~数百kHz)、間隔周波数(例えば数kHz)毎に周波数を段階的に増加させながら各周波数の信号を発振し、励起コイル11に出力する。各周波数の信号毎に、検出コイル12により検出した信号を信号処理部22により処理し、デジタル信号に変換してデータ処理部30に出力する。推定部34において、信号処理部22から出力された処理後の検出信号を記憶部33に記憶しておく。この値が評価用データ48となる。 Next, in the actual measurement, the soil sample 47, which is the sample to be analyzed, is prepared in step ST9. Specifically, similar to step ST2, the sample 15 is placed on the measurement unit of the sensor holder 14, or the sensor 10 is brought into direct contact with the soil sample 15 in a field or similar location. Under the same conditions as during learning, and under the control of the control unit 23, the oscillation unit 21 oscillates signals at each frequency, gradually increasing the frequency within a specified frequency range (e.g., several kHz to several hundred kHz) and at interval frequencies (e.g., several kHz), and outputs these signals to the excitation coil 11. For each frequency signal, the signal detected by the detection coil 12 is processed by the signal processing unit 22, converted into a digital signal, and output to the data processing unit 30. In the estimation unit 34, the processed detection signal output from the signal processing unit 22 is stored in the storage unit 33. This value becomes the evaluation data 48.
得られた評価用データ48を、事前学習で得ていた第二の推定関数46を用いて分類を選択し、その分類結果49による分類での第一の推定関数45を用いて分析の推定を行う。これにより、ステップST16にて、分析対象試料47の分類結果49と分析結果50が得られる。 The obtained evaluation data 48 is used to select a classification using the second estimation function 46 obtained during pre-training, and the analysis is estimated using the first estimation function 45 based on the classification result 49. This results in obtaining the classification result 49 and analysis result 50 of the analyte sample 47 in step ST16.
また、測定データを増やしていく段階で、サンプリングしながらAIの学習用のデータを増やし、再評価することにより分析及び評価精度の向上が図れる。 Furthermore, as the measurement data is increased, the data used for AI training can be increased through sampling and re-evaluation, thereby improving the accuracy of analysis and evaluation.
土壌の分析例を説明する。ここでは、検証の必要から分析対象試料47を学習用試料41とし、比較用データ43のある学習用データ42を評価用データ48として用い、学習後に得られた第一の推定関数45、第二の推定関数46を使った再演算実施結果での相関をもって検討する。 This section describes an example of soil analysis. Here, for verification purposes, the analysis target sample 47 is used as the training sample 41, and the training data 42, which includes comparison data 43, is used as the evaluation data 48. The correlation obtained from recalculations using the first estimation function 45 and the second estimation function 46, acquired after training, is examined.
この分析例では、土壌サンプルは、圃場A,G,S1,S2,N1,N2の5カ所の圃場から採取したものである。用いた土壌サンプルは、特許文献1における学術的な土壌の分類上では、礫質普通褐色低地土(A)・腐植質下層低地アロフェン質黒ボク土(G)・典型普通多湿クロボク土(S1,S2)・礫質普通アロフェン質黒ボク土(N1,N2)の4種であり、それぞれ括弧内の圃場が対応している。 In this analysis example, soil samples were collected from five fields: A, G, S1, S2, N1, and N2. According to the academic soil classification in Patent Document 1, the soil samples used fall into four categories: gravelly ordinary brown lowland soil (A), humus-rich sublayer lowland allophanic black soil (G), typical ordinary humid black soil (S1, S2), and gravelly ordinary allophanic black soil (N1, N2). The fields indicated in parentheses correspond to each of these categories.
各土壌のサンプル学習用試料41に関して土壌分析装置1を使用して分析評価する。先ず、例えば周波数を10kHzから200kHzまで1.5kHz毎に変化させて土壌サンプルに照射し、透過した磁界を土壌分析装置1の検出コイル12を経て信号処理部22により検出信号を計測する。検出信号の実数部及び虚数部を学習用データ42とする。また同じ学習用試料41を、ショーレンベルガー法を用いたCECの分析を行い、その結果を比較データ43とする。これらの学習用データ42及び比較用データ43を用い、AI分析手法としてニューラルネットワークを実施する。 Each soil sample (training sample 41) is analyzed and evaluated using the soil analyzer 1. First, the soil sample is irradiated with a magnetic field, for example, varying the frequency from 10 kHz to 200 kHz in 1.5 kHz increments. The transmitted magnetic field is then detected by the detection coil 12 of the soil analyzer 1 and measured by the signal processing unit 22. The real and imaginary parts of the detection signal are used as training data 42. The same training sample 41 is also subjected to CEC analysis using the Schorenberger method, and the results are used as comparison data 43. Using this training data 42 and comparison data 43, a neural network is implemented as an AI analysis method.
(比較例1)
参考までに、全測定データから分類無しでニューラルネットワークによるCECの推定を実施した。
図4は比較例1のCECの推定値と定量値との関係を示す図である。図4の横軸はCECの第一の推定関数45から得られた推定値(meq/100g)であり、図4の縦軸は比較データ44となるCECの定量値(meq/100g)である。図中の■印、黒丸印(●)及び三角印(△)は、それぞれ分類区分のAZ,SN,Sを示している。図4に示すように、455件の対象に対しCECの推定値と定量値の相関は0.71であり、この時下側95%では、0.66,上側95%では、0.75,p値は、0.0001以下であった。ある程度の相関が取れているが、分類による向上を実施する。
(Comparative Example 1)
For reference, we performed CEC estimation using a neural network from all measurement data without classification.
Figure 4 shows the relationship between the estimated and quantitative values of CEC for Comparative Example 1. The horizontal axis of Figure 4 represents the estimated value (meq/100g) obtained from the first estimation function 45 of CEC, and the vertical axis of Figure 4 represents the quantitative value (meq/100g) of CEC for the comparison data 44. The squares (■), black circles (●), and triangles (△) in the figure represent the classification categories AZ, SN, and S, respectively. As shown in Figure 4, the correlation between the estimated and quantitative values of CEC for 455 subjects was 0.71. At this time, it was 0.66 for the lower 95% and 0.75 for the upper 95%, and the p-value was 0.0001 or less. Although there is a certain degree of correlation, improvement will be made by classification.
結果において、推定結果が比較データ44からのずれで検討し、圃場単位で選んだ。このデータでは、圃場AとG、圃場S1,S2、N1、圃場N2の3分類にすることが適当だった。 In the results, the estimated results were examined based on their deviation from the comparison data 44, and selections were made at the field level. For this data, it was appropriate to classify the fields into three categories: Fields A and G, and Fields S1, S2, N1, and Field N2.
(実施例1)
実施例1では、この3分類毎にCEC推定を第1の目的変数としたニューラルネットワークによるAI学習を行い、それぞれの分類に対応した第一の推定関数45を得る。図5は、実施例1のCECの推定値と定量値との関係を示す図である。図5の横軸はCECの第一の推定関数45から得られた推定値(meq/100g)、縦軸は比較データ44となるCECの定量値(meq/100g)である。図中の■印、黒丸印(●)及び三角印(△)は、それぞれ分類区分のAZ,SN,Sを示している。図5に示すように、455件の対象に対し、CECの推定値と定量値の相関は、0.92を示した。この時下側95%では、0.90,上側95%では、0.93,p値は0.0001以下であった。実施例1では、分類を適用することにより相関が比較例1の0.71から0.92に向上した。
(Example 1)
In Example 1, AI learning was performed using a neural network with CEC estimation as the first objective variable for each of the three classifications, and a first estimation function 45 corresponding to each classification was obtained. Figure 5 shows the relationship between the estimated value and the quantitative value of CEC in Example 1. The horizontal axis of Figure 5 is the estimated value (meq/100g) obtained from the first estimation function 45 of CEC, and the vertical axis is the quantitative value of CEC (meq/100g) which is the comparison data 44. The square marks (■), black circles (●), and triangle marks (△) in the figure represent the classification categories AZ, SN, and S, respectively. As shown in Figure 5, the correlation between the estimated value and the quantitative value of CEC was 0.92 for 455 subjects. At this time, it was 0.90 for the lower 95%, 0.93 for the upper 95%, and the p-value was 0.0001 or less. In Example 1, the correlation improved from 0.71 in Comparative Example 1 to 0.92 by applying the classification.
(実施例2)
実施例2では、この3つの分類について、3つのグループを目的変数とし、学習用データ42を説明変数としたニューラルネットワークを用いたAI学習を実施し、分類のための第二の目的変数である第二の推定関数46を作成する。この第二の推定関数46を用いて、実際の評価用データ48の代わりとして学習用データ42の評価推定を実施し、学習用データ42の再分類を行う。この再分類により、より近いグループに再分類される。この再分類結果に基づいて、それぞれの分類毎にAI学習を実施し第一のCEC分析のための第一の推定関数45を得る。再分類結果とそれぞれの第一の推定関数45により、CECの推定を実施した。図6は、実施例2のCECの推定値と定量値との関係を示す図である。図6の横軸はCECの推定値(meq/100g)、縦軸はCECの定量値(meq/100g)である。図中の■印、黒丸印(●)及び三角印(△)は、それぞれ分類区分のAZ,SN,Sを示している。図6に示すように、455件の対象に対し、CECの推定値と定量値の相関は、0.98を示した。この時下側95%では、0.97,上側95%では、0.98,p値は0.0001以下であった。
(Example 2)
In Example 2, AI learning is performed using a neural network with the three groups as the objective variables and the training data 42 as the explanatory variables for these three classifications, and a second estimation function 46, which is a second objective variable for classification, is created. Using this second estimation function 46, evaluation estimation of the training data 42 is performed in place of the actual evaluation data 48, and the training data 42 is reclassified. This reclassification reclassifies the data into closer groups. Based on this reclassification result, AI learning is performed for each classification to obtain a first estimation function 45 for the first CEC analysis. CEC estimation is performed using the reclassification result and the respective first estimation functions 45. Figure 6 shows the relationship between the estimated value and the quantitative value of CEC in Example 2. The horizontal axis of Figure 6 is the estimated value of CEC (meq/100g), and the vertical axis is the quantitative value of CEC (meq/100g). The squares (■), black circles (●), and triangles (△) in the figure represent the classification categories AZ, SN, and S, respectively. As shown in Figure 6, the correlation between the estimated and quantitative values of CEC for 455 subjects was 0.98. At this time, the correlation was 0.97 for the lower 95% and 0.98 for the upper 95%, with a p-value of 0.0001 or less.
かくして、比較例1にて分類を行なわずに分析評価した場合の相関が0.72であり、分類を実施した実施例1では、0.92、AIを用いた分類の推定による再分類を実施した実施例2では、相関0.98と向上していることが分かる。 Thus, the correlation in Comparative Example 1, where analysis and evaluation were performed without classification, was 0.72. In Example 1, where classification was performed, the correlation improved to 0.92, and in Example 2, where reclassification using AI-based classification estimation was performed, the correlation improved to 0.98.
即ち、AIを利用した再分類推定を行うことで、さらに高い相関でのCEC推定が実施できた。 In other words, by using AI-based reclassification estimation, we were able to perform CEC estimation with an even higher correlation.
(比較例2)
AI学習・分析の手法としてクラスタリングして解析を行うケースがあり、これを比較例2として比較を行った。クラスタリング分析では、データの中から似たものを集めてグループ化する。手法としては、階層クラスタリングやk-means法等が一般的である。
図7は、k-means法でグルーピングした結果、第二の推定関数46として以降の分析を実施した例を示す図である。横軸が、測定データのパラメータである実部と虚部により誇張した状態におけるデータの分布を示している。K-means法では、データの特徴により類似のデータにグルーピング(図7の1,2,3)できる。図7に示すグルーピングを分類結果として、同じ学習用データ42を用いてステップST3以降の第一の推定関数45をそれぞれの分類で作成し、同じ学習用データ42を評価用データ48として、ステップST8以降の分類分析を実行しても、分析結果50のCECの値の推定値は、上記1,2,3のグループの検証値として、決定係数R2がそれぞれ、0.36,0.70,0.48となった。これらの値は、上記実施例1及び2の相関係数と比較して著しく推定値の精度が悪いことを示している。実施例1,実施例2で用いた、学術的な土壌分類をベースとした分類での結果とは異なっていたので、計測内容に含まれる何らかの特徴量による結果であり、その特徴量は今回の目的には合致していない。実際の分析対象による分類とは異なる分類結果となってしまったことが原因であり、比較例2のように、教師無し学習では注意が必要な例である。
(Comparative Example 2)
In AI learning and analysis, clustering is sometimes used for analysis, and this was compared as Comparative Example 2. Clustering analysis groups similar data together. Common methods include hierarchical clustering and k-means.
Figure 7 shows an example where the results of grouping using the k-means method were used as the second estimation function 46 for subsequent analysis. The horizontal axis shows the distribution of data in an exaggerated state due to the real and imaginary parts, which are parameters of the measured data. The k-means method allows for grouping similar data based on the characteristics of the data (1, 2, and 3 in Figure 7). Even when the grouping shown in Figure 7 is used as the classification result, and the first estimation function 45 from step ST3 onwards is created for each classification using the same training data 42, and the classification analysis from step ST8 onwards is performed using the same training data 42 as evaluation data 48, the estimated values of the CEC in the analysis result 50 were R² values of 0.36, 0.70, and 0.48 for the verification values of groups 1, 2, and 3, respectively. These values indicate that the accuracy of the estimation is significantly worse compared to the correlation coefficients of Examples 1 and 2. This differs from the results of the classification based on academic soil classification used in Examples 1 and 2, and is therefore due to some feature quantity included in the measurement content, which does not match the purpose of this study. This is because the classification results differed from those obtained based on the actual objects being analyzed, and as shown in Comparative Example 2, this is an example where caution is needed in unsupervised learning.
本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施することができる。例えば、上述した実施形態においては、分類の定義のための第二の推定関数46の取得、及びCECの推理のための第一の推定関数45の取得について、いずれもニューラル分析を利用して定義を行なっているが、これに限らず、他の分析手法、例えば線形解析、SVM(Support Vector Machine)、PLS回帰分析、教師付きAI分析手法及び教師無しAI分析手法等の他の分析手法を利用して、定義を行なってもよいことは明らかである。 The present invention can be implemented in various forms without departing from its spirit. For example, in the embodiments described above, the acquisition of the second estimation function 46 for defining the classification and the acquisition of the first estimation function 45 for inferring the CEC are both performed using neural analysis. However, it is clear that the invention is not limited to this, and other analytical methods, such as linear analysis, SVM (Support Vector Machine), PLS regression analysis, supervised AI analysis methods, and unsupervised AI analysis methods, may also be used for the definitions.
また、上述した実施形態においては、土壌地力形質のうち、CECの推定を実施する場合について説明したが、これに限らず、他の土壌地力形質の推定、或いはスポット溶接部の溶接強度、コンクリートに鉄筋が入ったコンクリート構造物等のAI分析を実施する場合にも適用し得ることは明らかである。 Furthermore, while the above-described embodiment explained the estimation of CEC (Centralized Electricity Consumption) among soil fertility characteristics, it is clear that the method is not limited to this and can also be applied to the estimation of other soil fertility characteristics, or to AI analysis of welding strength in spot welds, concrete structures with reinforcing bars, etc.
さらに、土壌の分析対象に対する分類事項として土壌分類学状の分類を用いて学習し、その学習結果による再推定結果を用いた分類をしてもよい。 Furthermore, it may be possible to learn the classification system of soil taxonomy as a classification criterion for the soil to be analyzed, and then perform classification using the re-estimation results based on that learning.
上述した実施形態においては、専ら前記測定データを複数の周波数帯を利用した検出コイル12による電磁気的計測で取得したが、超音波等の音響的計測、光を用いた光学的計測で取得してもよい。 In the embodiment described above, the measurement data was acquired solely by electromagnetic measurement using a detection coil 12 utilizing multiple frequency bands. However, it may also be acquired by acoustic measurement such as ultrasound, or optical measurement using light.
1 土壌分析装置
10 センサ
11 励起コイル
12 検出コイル
13 磁路形成部
14 センサ保持部
15 サンプル
20 計測部
21 発振部
22 信号処理部
23 制御部
30 データ処理部
31 入出力インターフェース部
32 記憶装置
33 記憶部
34 推定部
41 学習用試料
42 学習用データ
43 比較用データ
44 分類データ
45 第一の推定関数(分析)
46 第二の推定関数(分類)
47 分析対象試料
48 評価用データ
49 分類結果
50 分析結果
1. Soil analysis device 10. Sensor 11. Excitation coil 12. Detection coil 13. Magnetic path forming unit 14. Sensor holding unit 15. Sample 20. Measurement unit 21. Oscillation unit 22. Signal processing unit 23. Control unit 30. Data processing unit 31. Input/output interface unit 32. Memory device 33. Storage unit 34. Estimation unit 41. Training sample 42. Training data 43. Comparison data 44. Classification data 45. First estimation function (analysis)
46. Second estimation function (classification)
47. Sample to be analyzed 48. Data for evaluation 49. Classification results 50. Analysis results
Claims (15)
前記分析対象が、土壌、コンクリート構造体、セラミックス構造体、合金を含む金属及び変質を伴う加工を施した合金を含む金属の構造体の何れかであって、その材料、材質、結晶状態、材料の形態、材料の構造が複数の状態を呈し、
前記第一の推定関数の推定値と前記第一の目的変数の定量値との相関値が0.7以下で一意に決定できない場合に、
前記測定データを用いて、第二の推定関数により複数の目的変数に分類し、分類毎に複数の第一の推定関数を求めるように構成され、
第一のステップにおいて、
分類毎に作成された前記複数の第一の推定関数のうちで利用する第一の推定関数を選択するために、前記第二の推定関数を、前記測定データを用いて分類することにより第二の目的変数を推定して、前記利用する第一の推定関数を選択し、
第二のステップにおいて、
前記第一ステップで選択した前記第一の推定関数に関する測定データを説明変数として用いて、該第一の推定関数により前記第一の目的変数を推定する、AI分析方法。 In an AI analysis method that estimates a first objective variable related to features included in the object of analysis by obtaining measurement data from the object of analysis and obtaining a first estimation function using the measurement data as explanatory variables,
The object of analysis is any of the following: soil, concrete structure, ceramic structure, metal including alloys, and metal structure including alloys that has undergone processing involving alteration, wherein the material, material properties, crystalline state, material morphology, and material structure exhibit multiple states.
If the correlation between the estimated value of the first estimation function and the quantitative value of the first dependent variable is 0.7 or less and cannot be uniquely determined ,
The system is configured to classify the aforementioned measurement data into multiple target variables using a second estimation function, and to obtain multiple first estimation functions for each classification.
In the first step,
In order to select the first estimation function to be used from among the multiple first estimation functions created for each classification, the second objective variable is estimated by classifying the second estimation function using the measurement data, and the first estimation function to be used is selected.
In the second step,
An AI analysis method that uses measurement data related to the first estimation function selected in the first step as explanatory variables, and estimates the first target variable using the first estimation function .
前記評価用データを用いて前記第一の推定関数により第一の目的変数を推定し、
前記分析対象の分類及び前記第一の目的変数の推定値を確定する、請求項2に記載のAI分析方法。 Using the aforementioned evaluation data, classification is performed using a second estimation function, and based on the obtained classification results, a first estimation function for the first dependent variable defined for each classification in the classification data is selected.
Using the evaluation data, the first target variable is estimated using the first estimation function.
The AI analysis method according to claim 2 , which determines the classification of the object to be analyzed and the estimated value of the first objective variable .
コイルを有するセンサと、
前記分析対象に交番磁界を印加するために前記コイルに入力する励起信号を周波数毎に生成し、生成した当該励起信号により前記コイルから出力される検出信号を処理する計測部と、
複数の分析対象に関し、分析対象の目的変数の定量値と前記センサ及び前記計測部との相関に関するデータを記憶する記憶部と、
前記計測部を用いて処理した検出信号に基づいて、前記記憶部に記憶されているデータを用いて、前記分析対象の目的変数を推定する推定部と、
を備えており、
前記推定部が、前記検出信号から前記励起信号に対する複素振幅比を測定データとして求め、前記記憶部に記憶された異なる複数の分析対象の目的変数の定量値と対応する比較用データとしての検出信号の複素振幅比とから、複数種類の分類を定義して、前記分類毎に第一の推定関数を定義し、
前記推定部が、各測定データに関して、第二の推定関数により、当該測定データに対応する分類を選択して、選択した分類に対応する第一の推定関数により、前記測定データから前記分析対象の第一の目的変数を推定する、AI分析装置。 An AI analysis device that analyzes one of the following materials, including soil, concrete structures, ceramic structures, metals containing alloys, and metal structures containing alloys that have undergone processing involving alteration, in order to analyze a first objective variable related to the features contained in the analysis target, by acquiring measurement data from the analysis target and obtaining a first estimation function of the first objective variable using the measurement data as explanatory variables, thereby estimating the first objective variable ,
A sensor having a coil,
A measurement unit that generates excitation signals for each frequency to be input to the coil in order to apply an alternating magnetic field to the object to be analyzed, and processes the detection signal output from the coil using the generated excitation signals,
A storage unit that stores data relating to the correlation between the quantitative value of the target variable of each analysis target and the sensor and the measurement unit, for multiple analysis targets,
An estimation unit estimates the target variable of the analysis target using the data stored in the storage unit based on the detection signal processed by the measurement unit,
It is equipped with,
The estimation unit obtains the complex amplitude ratio of the detection signal to the excitation signal as measurement data from the detection signal, defines multiple classifications from the quantitative values of multiple different target variables stored in the storage unit and the corresponding complex amplitude ratios of the detection signals as comparison data, and defines a first estimation function for each classification.
An AI analysis device in which the estimation unit selects a classification corresponding to each measurement data using a second estimation function, and estimates the first target variable of the analysis target from the measurement data using a first estimation function corresponding to the selected classification.
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| CN112534246B (en) | 2018-08-10 | 2022-01-18 | 美光科技公司 | Structural characteristic prediction system, imager system and related methods |
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