JP2003535392A - データのローパスフィルタ処理方法、プロセス制御方法および異常検出の方法 - Google Patents

データのローパスフィルタ処理方法、プロセス制御方法および異常検出の方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 データのフィルタリングと異常検出方法を提供する。 【解決手段】 システムから収集したデータに変化検出圧縮処理を施すときに用いられる、データのローパスフィルタ処理方法には、本システムからのデータをバッファ工程(110)が含まれる。バッファしたデータのローリング平均を計算するが、このローリング平均を計算することによって、データにローパスフィルタ処理(120)が施される。ローリング平均化データに変化検出圧縮処理(130)を施して、圧縮されたデータを保管する(140)。保管したデータを中央の記憶場所に送信(150)し、中央の記憶場所が受信する(160)。受信したデータは中央の記憶場所に保管される(170)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】
本発明は、データのフィルタリングと異常検出に関し、特に、データのローリ
ング平均をローパスフィルタとして用いた改良された変化点検出/データ圧縮と
、異常検出のためのモードベースの統計的プロセス制御に関する。
【0002】 今日のガスタービンシステムの最適な動作特性には、高い運転効率と低排気ガ
スと長い動作寿命が含まれる。これらの動作特性を達成するために、ガスタービ
ンシステムの動作パラメータを監視することが望まれる。ガスタービンシステム
の動作パラメータを監視する際には、ガスタービンシステムの物理的状態と動作
状態に関するデータが収集/分析される。ガスタービンシステムのシステム上、
システム内、システム周辺の多数の場所からデータを収集することによって、ガ
スタービンシステムの動作特性を正確に評価できる。動作パラメータに関するデ
ータが特に重要な意味を持つのは、データを高頻度(例えば、1〜2秒毎に1つ
のデータポイント)で収集する場合と、長期間(即ち、数日間、数ヶ月間、もし
くは数年間)にわたって収集され保管された過去のデータと収集データを比較す
る場合である。
【0003】 多数の場所から高頻度でデータ収集を行うと、数多くの問題が生じる。例えば
、収集データの総量が膨大になる。ガスタービンシステムが遠隔地にある場合、
大量の収集データを現地で保管することは問題が多い。従って、収集データが大
量の場合は通常、適切にデータを保管する高価な記憶デバイスが必要になる。ま
た、大量の収集データを遠隔地から中央の記憶場所に送信するには長時間かかる
。そのため、データ送信のコストが高くなる。従って、収集データ全体の完全性
を統計的にも情報的にも維持しながら、データをフィルタリングして、その後に
遠隔地で保管して、中央の記憶場所に送信することが望ましい。
【0004】 多数の場所から大量のデータを収集すると、収集データの解釈も難しくなる。
通常、データを分析することによって、ガスタービンシステムの総合的な動作特
性を判定する。ガスタービンシステムの総合的な状態を評価する際に問題点を正
確に特定するには大変なトラブルシューティングが必要になる。従って、様々な
場所からの大量のデータ収集は、そのデータがガスタービンシステムの動作状態
に関連がないと無意味になる。このため、収集データを選別してから評価するこ
とで、過度にトラブルシューティングを行わずに、ガスタービンシステムの動作
状態に関する潜在的な問題をすべて正確に特定できることが望ましい。
【0005】
【発明の簡潔な概要】
検査中のシステムからの修正データの異常をフィルタリングして調査する方法
が開示されている。本方法は、検査中のシステムからのデータをバッファする工
程を備える。バッファされたデータのローリング平均が計算され、このローリン
グ平均の計算によって、バッファされたデータにローパスフィルタ処理を施す。
ローリング平均をとったデータに対して変化点検出/圧縮が施されて、圧縮デー
タが保管される。保管データは中央の記憶場所に送信され、送信データは中央の
記憶場所で受信される。受信データは中央の記憶場所に保管される。保管データ
は中央の記憶場所に集められる。集められたデータはフィルタ処理が施されて、
モード毎に区別された少なくとも一つの部分集合に入れられる。少なくとも一つ
の部分集合は修正され、少なくとも一つの部分集合に対する分布統計値が計算さ
れて、少なくとも一つの部分集合内で長期異常が識別される。
【0006】
【発明の実施の形態】
ガスタービンシステムでは、データを監視/収集することによってガスタービ
ンシステムの動作を制御し、ガスタービンシステムの物理的状態と動作状態の問
題点もしくは変化を診断する。例えば、一実施形態のガスタービン制御システム
は、排気ガス熱電対を監視し、ガスタービンシステムから排出されるガスの排気
温度を測定する。このガスタービン制御システムでは、排気温度を利用してガス
タービンシステムの動作に関する様々なパラメータ、例えば燃料摂取量を調整し
、少ない排出物質で最高運転効率を維持する。本発明は、例えば、排気ガスの組
成や軸受温度や吸込フィルタの圧力や軸距温度や燃料加熱値や燃料組成や吸気温
度や周囲温度や振動データや、その他の種類の監視データも包含するものである
ことを理解されたい。また、本発明はガスタービンシステム以外のシステムも包
含するものであって、特に、検査中に動作特性が監視されるその他のシステムも
包含することを理解されたい。
【0007】 監視/収集されたデータはガスタービンシステムの動作を制御すると共に、保
管データと比較されてガスタービンシステムの物理的特性や動作特性に関する潜
在的な問題点を診断する。一実施形態では、データにフィルタ処理を施して、モ
ード毎に区別された部分集合に入れることによって、モードベースの統計的プロ
セス制御が行われる。データの部分集合を保管データと比較し、異常や例外を検
出する。データの部分集合内で異常が検出された場合、異常な動作は、その部分
集合のモードから定義される特定動作状態であることを突き止められる。これに
より、異常が検出されたデータの部分集合のモードから定義された動作状態によ
って示される特定のメンテナンスやサービスを行うことができる。
【0008】 一実施形態のガスタービンシステム自体には、ガスタービンの内外や周辺に接
続された約200個のセンサが含まれる。別の一実施形態のガスタービンシステ
ムを備えるプラントには1000個以上のセンサが含まれる。例えば、2秒毎に
1データポイントという比較的高頻度に各センサからデータを収集する。この頻
度では、ガスタービンシステム内のセンサ1個当り、1分間に30個のデータポ
イントを収集するので、1時間に1800個のデータポイントを収集することに
なる。従って、これらの実施形態の測定頻度を2秒毎に1つのデータポイントと
仮定すると、データ量は1時間あたり約36万から180万個のデータポイント
になる。一態様では、所定のデータポイント数が記録されるまでデータを収集す
ることができる。別の一態様では、所定の期間より長くデータを収集することが
できる。本発明は、2秒毎に1個のデータポイントよりも高いか、もしくは低い
割合で収集されたデータを含むことを理解されたい。
【0009】 別の実施形態のガスタービンシステムは、データの分析が行われる中央の記憶
場所から離れた遠隔地にある。中央の記憶場所はコンピュータ等の制御分析機器
を含み、ガスタービンシステムの動作を制御し、収集したデータを用いて統計的
な分析を行う。また、収集されたデータは遠隔地で保管され、所定の時間間隔で
中央の記憶場所に送信される。一実施形態の収集データは電話回線を介して送信
される。データは他の送信方法で送信することもでき、送信方法はここに開示さ
れた方法に限定されないことを理解されたい。
【0010】 模範的な一実施形態では、データはローパスフィルタ処理が施されて、変化検
出圧縮処理で使われる。一実施形態は、便宜上、データの一部の収集/分析を用
いて説明されることを理解されたい。しかしながら、ここで議論される実施形態
は、ガスタービンやガスタービンシステムを備えるプラントから収集した全デー
タの収集/分析に適用可能である。
【0011】 図1に示すように、ガスタービンシステムからのデータを原データの形態でセ
ンサから直接バッファする(ステップ110)。好適な一実施形態では、データ
は1Hzの周波数でバッファされる。別の一実施形態では、データはダイナミッ
クメモリデバイスにバッファされる。データには、ガスタービンシステムの動作
特性や物理的特性に関する複数のデータポイントが含まれる。一旦、データをバ
ッファする(ステップ110)と、バッファされた原データのローリング平均が
とられる(ステップ120)。一実施形態のローリング平均値は、例えば5個の
データポイントの平均値である。まず、5個のデータポイントを平均して第1の
ローリング平均値を求める。この5個のデータポイントはガスタービンシステム
から最初に受信した5個のデータポイントである。次に、最も古いデータポイン
トを1個外し、残りの4個のデータポイントに新たなデータポイントを1個加え
る。この新たな5個のデータポイントを平均して第2のローリング平均値を求め
る。さらにもう一度、最も古いデータポイントを1個外し、残りの4個のデータ
ポイントに新たなデータポイントを1個加える。この新たな5個のデータポイン
トを平均して第3のローリング平均値を求める。バッファされた原データからこ
のローリング平均値をここに開示された方法で連続的に求めていく。5個のデー
タポイントの平均を求めることは一実施形態にすぎず、本発明は、それ以外の個
数のデータポイントを用いてローリング平均値を計算することも明白に包含する
ことを理解されたい。バッファされた原データのローリング平均値を求めること
によって、データ中に存在する高周波のランダムノイズが大幅に減少する。この
ように、ローリング平均値を計算することによって、バッファされた原データに
ローパスフィルタ処理が施されたことになる。
【0012】 ローリング平均値を求めた(ステップ120)後に、ローリング平均値を求め
たデータポイントに変化検出圧縮処理を施す(ステップ130)。一実施形態の
変化点検出/圧縮処理では、計算中の現在のデータポイントが所定の変化/デル
タよりも大きな変化/デルタを含む場合にのみデータが記録される。この所定の
変化/デルタをゼロバンド、即ち、デッドバンドと呼ぶ。ローリング平均によっ
て高周波のノイズはすべて取り除かれたため、変化検出圧縮処理を施すことによ
って大きな変化を正確に識別できる。
【0013】 前述の実施形態では、データポイント5個毎のローリング平均によって、収集
したデータポイント全体の完全性は統計的にも情報的にも保てるが、同時に、変
化点検出/圧縮処理を施すことによって、分析するデータポイント数は減少する
。例えば、排気温度データの場合、データポイント5個毎のローリング平均と華
氏2度の統計偏差値を組み合わせることによって、1時間当たりのデータポイン
ト数を約700個(統計偏差が華氏1度でローリング平均を使わない場合)から
約20個に減らすことができるが、全データの情報量は保たれる。従って、ロー
リング平均と変化点検出/圧縮処理を組み合わせることによって、ガスタービン
の動作特性の分析に必要なデータ数が減少する。 変化点検出/圧縮処理を施した(ステップ130)後、圧縮されたローリング平
均化データを保管する(ステップ140)。一実施形態では、データは所定の期
間保管される。別の一実施形態では、データはダイナミックメモリ、もしくは磁
気媒体に保管される。圧縮されたローリング平均化データは、例えば中央の記憶
場所に送信される(ステップ150)。一実施形態では、圧縮されたローリング
平均化データを2時間保管し、その後、中央の記憶場所に送信する。別の一実施
形態では、データは電話回線を介して送信される。しかしながら、その他のデー
タ送信方法でデータを送信してもよいことを理解されたい。
【0014】 データの送信(ステップ150)後、そのデータは中央の記憶場所で受信され
る(ステップ160)。一旦、データが受信(ステップ160)されると、受信
データは中央の記憶場所で保管される(ステップ170)。圧縮されたローリン
グ平均化データの送信後は、遠隔地に保管されているデータを削除してもよいし
、または新たに圧縮されたローリング平均化データを上書きしてもよいことを理
解されたい。一実施形態では、受信データを磁気媒体上に保管する。保管したデ
ータを統計的に分析して、さらに調査が必要なデータの異常や例外をさらに識別
することができることを理解されたい。
【0015】 さらに別の模範的な一実施形態では、ガスタービンシステムから収集したデー
タ中の異常をモードベースの統計的プロセス制御によって検出する。図2に示す
ように、高レートのデータを保管場所等から集める(ステップ220)。一実施
形態のデータは、ガスタービンシステムの動作を監視するセンサから収集される
。別の一実施形態では、ローリング平均をとり変化点検出/圧縮を行った後のデ
ータが提供される。好適な一実施形態では、保管データの異常検出を一括処理で
行い、保管データの分析はデータ収集の完了後の様々な時点で行うことを理解さ
れたい。従って、データ収集(ステップ220)が行われるのは、ガスタービン
システムからのデータを収集する時点より後でもよい。また、動作特性は、ガス
タービンシステムの動作特性に関する特定のサービスやメンテナンスの手順にも
関連する。データが動作特性と関連する場合は、関連データを統計的に分析し、
特定のサービス、もしくはメンテナンスの手順を実行する必要があるかどうかを
決定する。
【0016】 データポイントにフィルタ処理を施して、モード別に分けられたデータ部分集
合に入れる(ステップ230)。データのフィルタ処理には、類似するデータを
関連づけて、ガスタービンシステムのモードとして定義される様々な動作特性に
関連するデータ部分集合を構成することも含まれる。動作特性、即ち、モードを
用いて、ガスタービンの物理的状態や動作状態の潜在的な問題を診断できる。一
実施形態のモードは動作特性、即ち、動作状態を表すものであって、定数値を想
定している。別の一実施形態のモードは動作特性、即ち、動作状態を表すもので
あって、既知の決定論的関数、例えば、劣化勾配を想定している。モードは、ガ
スタービンシステムが実行する所定の機能、例えばガスタービンシステムの運転
効率や振動特性に関する動作特性、即ち動作状態を含んでいてもよい。模範的な
一モードでは、排気温度に関するデータにフィルタ処理を施してデータ部分集合
を構成して、分析することによって、ガスタービンシステムの燃焼域の摩耗を示
す漏洩量の変化量を測定することができる。別の模範的なモードでは、軸受温度
に関するデータにフィルタ処理を施して部分集合を構成して、分析することによ
って、軸受の負荷や軸受ケーシングの滑り量の変化を測定することができる。さ
らに別の模範的な一モードでは、吸込フィルタの圧力に関するデータにフィルタ
処理を施して部分集合を構成して、分析することによって、吸込フィルタのクリ
ーニングもしくは交換が必要かどうか判断できる。さらに別の模範的な一モード
では、軸距温度に関するデータにフィルタ処理を施して部分集合を構成して、分
析することによって、早急に点検する必要があるガスタービンシステムの軸距に
関する問題を特定することができる。その他のデータにフィルタ処理を施してモ
ードに基づく様々な部分集合を構成して、分析することによっても、ガスタービ
ンシステムの動作特性を測定でき、また、本発明はここで議論されたモードだけ
に限定されないことを理解されたい。
【0017】 一旦、フィルタ処理が施されると、周囲条件と、実験に基づく修正もしくはア
ルゴリズムに基づく修正のための調整を行うために、データを修正する(ステッ
プ240)。一実施形態では、データポイントを修正することによって、種々の
周囲条件で収集されたデータを比較し分析することができる。データの修正(ス
テップ240)後に、データの部分集合の記述的な統計量を計算する(ステップ
250)。記述的な統計量には、例えば傾向分析値と平均値と標準偏差値と尖度
値が含まれる。記述的な統計量(ステップ250)から、ガスタービンシステム
動作に関する長期異常/例外が識別される(ステップ260)。一実施形態では
、部分集合データに関する管理チャートの結果から、長期異常/例外を識別する
。識別された異常/例外(ステップ260)に基づき、ガスタービンシステムに
矯正的修理を施すことができる。この矯正的修理作業は、データの部分集合のモ
ードによって識別される動作状態に関連する。このように、データにフィルタ処
理を施して部分集合を構成し、その部分集合を統計的に分析することによって、
手動による障害追跡を過度に行うことなく、データの分析結果からガスタービン
システムの動作上の潜在的な問題点を識別できる。
【0018】 図3に示される別の模範的な一実施形態では、ガスタービンシステムからのデ
ータを、例えば1秒に1回の周期でバッファする(ステップ310)。バッファ
した原データのローリング平均を計算する(ステップ312)。ローリング平均
を計算したら、ローリング平均をとったデータに変化検出圧縮処理を施す(ステ
ップ314)。変化検出圧縮処理については上で説明済みである。ガスタービン
システムが中央の記憶場所から離れた遠隔地にある場合には、ローリング平均を
とって圧縮したデータを遠隔地で保管する(ステップ316)。データを保管(
ステップ316)した後に、圧縮されたローリング平均化データを送信する(ス
テップ318)。平均化データポイントは電話回線等を介して送信できるが、他
のいかなるデータ送信方法を用いてもよい。送信したデータを中央の記憶場所で
受信する(ステップ320)。
【0019】 データを受信(ステップ320)したら、データを中央の記憶場所に保管する
(ステップ322)。保管後に、データを集める(ステップ324)。データに
フィルタ処理を施して、モード別のデータ部分集合を構成する(ステップ326
)。モードについては上で定義している。周囲条件と、実験に基づく修正やアル
ゴリズムに基づく修正に基づいて、データの部分集合を調整する(ステップ32
8)。データ部分集合の記述的な統計値を計算する(ステップ330)。記述的
な統計値には、例えば傾向分析値と平均値と標準偏差値と尖度値が含まれる。デ
ータ部分集合内の長期異常/例外を識別する(ステップ332)。この識別をも
とに、ガスタービンシステムの動作を診断し、必要ならば矯正的な修理を行う。
前述したように、この模範的な一実施形態では、データポイントにフィルタ処理
を施すが、収集データ全体の完全性は統計的にも情報的にも保つことができる。
さらに、データにフィルタ処理を施して部分集合を構成し、その部分集合を統計
的に分析することによって、ガスタービンシステムの物理的状態や動作状態の精
密な診断ができるので、運転効率の向上と排気ガスの低減と耐用年数の長期化を
図ることができる。
【0020】 以上、本発明に関してなされた上の議論は、実例を挙げて説明することが目的
であった。さらに、その説明は、本発明を本願で開示された態様に限定すること
を意図したものではない。従って、上述の教示と同様の、本関連技術の当業者に
よる変更と修正は、本発明の範囲内にあるものである。さらに、本願で上述され
た実施形態は、本発明を実施するための周知のベストモードを説明するものであ
って、他の当業者が本発明を、そのままで、もしくは、本発明の特定のアプリケ
ーション、即ち、それを利用するために必要な様々な変更を施した別の実施形態
で利用できるようにするものである。添付の請求項は、先行技術の範囲の限度ま
で、さらに別の実施形態を包含することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、システムから収集したデータにローパスフィルタ処理を施す方法の模
範的な一実施形態のフローチャートである。
【図2】 図2は、モードベースの統計的プロセス制御を行って、システム動作から収集
されたデータ中の異常を検出する方法の模範的な一実施形態のフローチャートで
ある。
【図3】 図3は、システム動作から収集されたデータにフィルタ処理を施して、異常の
検出を行う方法の模範的な一実施形態のフローチャートである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU, AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,C N,CU,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB ,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID,IL, IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,L C,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG ,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT, RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL,T J,TM,TR,TT,UA,UG,UZ,VN,YU ,ZW (72)発明者 サンボーン,スティーブン・デュアン アメリカ合衆国、12516、ニューヨーク州、 コペイク、ルート・7、2254番 Fターム(参考) 5H223 AA02 BB02 DD03 DD07 EE30 FF08

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 検査中のシステムから収集されたデータを変化点検出/圧縮
    するときに用いられる、前記データのローパスフィルタ処理方法であって、 検査中の前記システムから前記データをバッファする工程と、 バッファされたデータにローパスフィルタ処理を施し、該バッファされたデー
    タのローリング平均を計算する工程と、 ローリング平均化データに変更検出圧縮を施す工程と、 圧縮されたデータを保管する工程を備える方法。
  2. 【請求項2】 保管されたデータを中央の記憶場所に送信する工程と、 前記中央の記憶場所で送信データを受信する工程と、 前記中央の記憶場所に受信データを保管する工程をさらに備える、請求項1の
    方法。
  3. 【請求項3】 前記圧縮データを保管する工程は、前記圧縮されたデータを
    所定の期間保管する工程を備える、請求項1の方法。
  4. 【請求項4】 前記データをバッファする工程は、約1ヘルツの周波数で前
    記データをバッファする工程を備える、請求項1の方法。
  5. 【請求項5】 前記ローリング平均を計算する工程は、前記データのローリ
    ング平均を連続して計算する工程を備える、請求項1の方法。
  6. 【請求項6】 前記保管データを送信する工程の後に、前記保管データを上
    書きする工程をさらに備える、請求項1の方法。
  7. 【請求項7】 前記保管データを送信する工程の後、前記保管データを削除
    する工程をさらに備える、請求項1の方法。
  8. 【請求項8】 前記圧縮されたデータを保管する工程は、ダイナミックメモ
    リの場所に前記圧縮されたデータを保管する工程を備える、請求項1の方法。
  9. 【請求項9】 前記圧縮データを保管する工程は、磁気媒体に前記圧縮され
    たデータを保管する工程を備える、請求項1の方法。
  10. 【請求項10】 前記中央の記憶場所で前記受信データを保管する工程は、
    磁気媒体に前記受信データを保管する工程を備える、請求項1の方法。
  11. 【請求項11】 修正されたデータの異常検出を行うためのモードベースの
    統計的プロセス制御方法であって、 検査中のシステムからデータを収集する工程と、 前記データにフィルタ処理を施して少なくとも一つのモード毎に分けられた部
    分集合を構成する工程と、 前記データの少なくとも一つの部分集合を修正する工程と、 前記少なくとも一つの部分集合の各々に対する分布統計値を計算する工程と、 前記少なくとも一つの部分集合内の長期異常を識別する工程を備える方法。
  12. 【請求項12】 前記モードは検査中の前記システムの動作状態を備え、一
    定値が想定される、請求項11の方法。
  13. 【請求項13】 前記モードは検査中の前記システムを動作させる、周知の
    決定論的な機能を備える、請求項11の方法。
  14. 【請求項14】 前記少なくとも一つの部分集合を修正する工程は、前記少
    なくとも一つの部分集合を修正して、周囲状態を修正する工程を備える、請求項
    11の方法。
  15. 【請求項15】 前記部分集合を修正する工程は、実験に基づく修正/アル
    ゴリズムに基づく修正に基づいて前記部分集合を修正する工程を備える、請求項
    11の方法。
  16. 【請求項16】 前記長期異常を識別する工程は、前記少なくとも一つの部
    分集合に関する管理チャートの結果から、前記長期異常を見つける工程を備える
    、請求項11の方法。
  17. 【請求項17】 検査中のシステムからの修正されたデータにフィルタ処理
    を施して、異常を検出する方法であって、 検査中の前記システムからの前記データをバッファする工程と、 バッファされたデータのローリング平均を計算する工程であって、前記バッフ
    ァされたデータにローパスフィルタ処理を施す、当該前記ローリング平均を計算
    する工程と、 ローリング平均化データに変化点検出/圧縮処理を施す工程と、 圧縮されたデータを保管する工程と、 保管されたデータを中央の記憶場所に送信する工程と、 前記中央の記憶場所で送信されたデータを受信する工程と、 前記中央の記憶場所から前記保管されたデータを集める工程と、 前記集められたデータにフィルタ処理を施して少なくとも一つのモード毎に分
    けられている部分集合を構成する工程と、 前記集められたデータの前記少なくとも一つの部分集合を修正する工程と、 前記少なくとも一つの部分集合の各々に対する分布統計値を計算する工程と、 前記少なくとも一つの部分集合内の長期異常を識別する工程を備える方法。
  18. 【請求項18】 前記モードは検査中の前記システムの動作状態を備え、一
    定値が想定される、請求項17の方法。
  19. 【請求項19】 前記モードは検査中の前記システムを動作させる、周知の
    決定論的な機能を備える、請求項17の方法。
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