JP2019215743A - Method for manufacturing database, and water treatment or sludge treatment system - Google Patents

Method for manufacturing database, and water treatment or sludge treatment system Download PDF

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益啓 林
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Abstract

To provide a method for manufacturing database which constructs a model capable of returning highly accurate output including image information in a short time as database used when a model for acquiring an arbitrary prediction value in water treatment or sludge treatment using a mechanical learning algorithm is constructed, and to provide a water treatment or sludge treatment system.SOLUTION: A method for manufacturing database for learning data is used when a model for acquiring an arbitrary prediction value in water treatment or sludge treatment using a mechanical learning algorithm is constructed. A batch or continuous test device using actual raw water or actual sludge acquires learning data including a static or continuous image acquired by at least an image acquisition device, and uses the learning data as database. The data obtained by operation of an actual plant is also added to the above database.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、機械学習アルゴリズムを用いて水処理や汚泥処理における予測値を取得するためのモデルを構築する際に用いて好適な、カメラなどにより得られる画像を含むデータベースの製造方法、及び水処理又は汚泥処理システムに関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a database including images obtained by a camera and the like, which is suitable for use in constructing a model for obtaining a predicted value in water treatment or sludge treatment using a machine learning algorithm, and water treatment. Or, it relates to a sludge treatment system.

近年、コンピュータ計算能力の飛躍的向上や通信インフラ環境の整備、解析アルゴリズムの進化によって、第3次の人工知能ブームとなっている。通信インフラ環境の整備によって、大量のデータを容易に取得することが可能となり、これまでの人工知能ブームとは異なって、実社会での活用期待が高まっている。   In recent years, with the dramatic improvement in computer computing capacity, the improvement of the communication infrastructure environment, and the evolution of analysis algorithms, the third artificial intelligence boom has emerged. With the development of the communication infrastructure environment, it is possible to easily acquire a large amount of data, and unlike the artificial intelligence boom, expectations for its use in the real world are increasing.

機械学習/人工知能は、様々な分野への適用が期待されており、水処理/汚泥処理分野でも、その活用方法の模索がなされている。機械学習/人工知能の水処理/汚泥処理分野での活用方法の一つに、未知の環境、例えば、時間的に将来における目的変数の予測が挙げられる。未知の環境における目的変数の予測方法の一つに、解析的なアプローチがあり、これは物理現象を理論的に解析し、それを方程式化するものである。一方で、機械学習/人工知能による未知の環境における目的変数の予測は、入力と出力間の自然法則に則った理論的な関係の解析を行わないままに、入力と出力間の相関関係を統計的に分析し、関係式の例として回帰式を作成するものである。   Machine learning / artificial intelligence is expected to be applied to various fields, and in the field of water treatment / sludge treatment, there is a search for a method of utilizing the same. One method of utilizing machine learning / artificial intelligence in the field of water treatment / sludge treatment is to predict a target variable in an unknown environment, for example, in the future in terms of time. One of the methods for predicting a target variable in an unknown environment is an analytical approach, which analyzes a physical phenomenon theoretically and formulates it. On the other hand, prediction of objective variables in unknown environments by machine learning / artificial intelligence is based on statistical analysis of the correlation between inputs and outputs without analyzing the theoretical relationship between the inputs and outputs in accordance with natural laws. In this case, a regression equation is created as an example of a relational equation.

水処理/汚泥処理分野では、起きている現象を理論的に解析することが難しい場合もあり、理論的な背景を解明しないままに、入力から出力を予測することができる機械学習/人工知能は、有効に活用できる局面が多くあることが予想される。   In the field of water treatment / sludge treatment, it is sometimes difficult to theoretically analyze the phenomena that occur, and machine learning / artificial intelligence that can predict the output from the input without elucidating the theoretical background is It is expected that there will be many aspects that can be effectively used.

人工知能ブーム自体は前記の通り、今回で3度目のブームを迎えている。1980年代後半に起きた第二次人工知能ブームの主役アルゴリズムは、ニューラルネットワークだった。第一次人工知能ブームの際には、入力層と出力層のみで構成されていたパーセプトロンに隠れ層を追加することと、「誤差逆伝播法」と呼ばれる学習方法の確立によって、第二次の人工知能ブームとなった。結局、第二次人工知能ブームは廃れることとなるが、課題によっては満足な予測精度を得られなかったことが要因の一つだったと言われている。今回の第三次の人工知能ブームは、ニューラルネットワークの隠れ層を多層化したDeep Learning(深層学習)が主役であり、学習アルゴリズムの進歩などによって、適用する課題によっては高い精度を発揮できるようになったことがブームの一因である。本明細書では、入力層と一層の隠れ層と出力層の三層のみで構成されるものをニューラルネットワーク、隠れ層が二層以上のものをDeep Learningとして区別して扱うこととする。また、人工知能と機械学習では、人工知能の方がより広い概念であり、人工知能を作成するための手段の一つとして機械学習がある。   As mentioned above, the artificial intelligence boom itself has reached its third boom this time. The prominent algorithm of the second artificial intelligence boom that occurred in the late 1980s was neural networks. During the first artificial intelligence boom, the addition of a hidden layer to the perceptron, which consisted of only the input and output layers, and the establishment of a learning method called the "backpropagation method," Artificial intelligence boom. Eventually, the second artificial intelligence boom will be abolished, but it is said that one of the factors was the lack of satisfactory prediction accuracy depending on the task. In the third artificial intelligence boom, Deep Learning, which has multiple layers of hidden layers in the neural network, plays a leading role. That is part of the boom. In the present specification, a neural network composed of only three layers, an input layer, one hidden layer, and an output layer, is classified as a neural network, and a layer composed of two or more hidden layers is classified as deep learning. In artificial intelligence and machine learning, artificial intelligence is a broader concept, and there is machine learning as one of the means for creating artificial intelligence.

特開2013−94686号公報JP 2013-94686 A 特開平6−328092号公報JP-A-6-328092

水処理/汚泥処理分野でも、機械学習/人工知能の活用には前記のような利点がある。機械学習/人工知能で入力から出力を得るモデルを作成する際に重要なことは、学習データに対してのみ高い精度を与える過学習(オーバーフィッティング)を避けることである。ここで、学習データは教師データ・トレーニングデータと同義である。機械学習/人工知能に求められるのは、学習データ以外のデータ(テストデータ)に対して高い予測精度を得られることであり、過学習を避ける方法の一つに十分に大量の学習データを用意することが挙げられる。Deep Learningによって再び注目を集めることとなった人工知能だが、その要因の一つは予測精度の高さにあり、それには通信インフラ環境の整備等によって、大量のデータを容易に集めることが可能になったことも大きく貢献している。   Even in the field of water treatment / sludge treatment, utilization of machine learning / artificial intelligence has the above advantages. When creating a model that obtains an output from an input with machine learning / artificial intelligence, it is important to avoid overfitting that gives high accuracy only to learning data. Here, the learning data is synonymous with the teacher data / training data. What is required of machine learning / artificial intelligence is that high prediction accuracy can be obtained for data other than learning data (test data), and a sufficiently large amount of learning data is prepared as one of the methods to avoid over-learning It is mentioned. Artificial intelligence has once again attracted attention due to deep learning, but one of the factors is its high prediction accuracy, which has made it easier to collect large amounts of data by improving the communication infrastructure environment, etc. This has also contributed greatly.

つまり、再び注目されるようになった機械学習/人工知能で、実用レベルのモデルを構築するには、大量のデータを有するデータベースの構築が必要不可欠であると言える。Deep Learningを例に取ると、ニューラルネットワークの隠れ層を多層化したため、最適化する必要のあるパラメータが増えており、学習データが少ないと過学習を起こす可能性がある。したがって、大量のデータを有するデータベースの必要性は、第二次人工知能ブーム時代には見られなかった新たな課題であると言える。   In other words, it can be said that building a database having a large amount of data is indispensable in order to build a practical-level model with machine learning / artificial intelligence that has been attracting attention again. Taking Deep Learning as an example, the hidden layers of the neural network are multi-layered, so the number of parameters that need to be optimized is increasing. If the learning data is small, over-learning may occur. Therefore, the need for a database having a large amount of data can be said to be a new problem that was not found in the age of the second artificial intelligence boom.

しかし、今般の機械学習/人工知能への注目度の再度の高まりや通信インフラ環境の充実度の高まりは、近年のことであるため、今般の機械学習/人工知能の活用を想定してこなかった水処理/汚泥処理分野では、モデル構築に必要なデータを取っていない、あるいは、取っているが頻度が著しく低い(例えば、1回/日)、モデル構築に必要なデータの種類は十分で頻度も十分だが、データを貯め始めて日が浅いため、データセット数が足りないなど、現状のままでは、機械学習/人工知能で精度の高い回帰式を作成することが不可能な場合が多く見受けられる。   However, the recent increase in the degree of attention to machine learning / artificial intelligence and the enhancement of the degree of communication infrastructure environment have been recent years, so we have not assumed the use of machine learning / artificial intelligence in recent years. In the field of water treatment / sludge treatment, the data required for model building is not collected or is collected, but the frequency is extremely low (for example, once / day). Is sufficient, but it is often not possible to create high-precision regression equations with machine learning / artificial intelligence under the current conditions, such as the lack of data sets due to the short days of data storage. .

さらに、データから予測式(=回帰式)を作成するという観点から、従来発明の問題点を下記する。
特許文献1では、浄水場における最適な凝集剤の注入率を決定するために、原水水質を測定し、凝集剤注入率を目的変数とする重回帰分析を実施することが記載されている。その際に、過去の水質データと凝集剤注入率はデータベースに蓄積されることが示されている。しかし、この発明には二つの課題がある。一つ目は機械学習アルゴリズムが重回帰分析であることである。重回帰分析は説明変数間に共線性(相関)がある場合には、得られる回帰式が安定しないことが一般的に知られている。また、重回帰分析は線形回帰手法であることから、説明変数群と目的変数間に非線形の関係があった場合には、精度の良い回帰式を得ることができないという問題がある。さらに、この発明では、重回帰分析を行うための十分なデータを貯めるために多くの時間を要するという課題がある。実プラントでデータを蓄積しながら回帰式を更新していくため、例えば新設の設備ではデータベース自体が存在しないため、供用開始当初には制御することができない問題点を抱えている。
Further, from the viewpoint of creating a prediction formula (= regression formula) from the data, the problems of the conventional invention will be described below.
Patent Literature 1 describes that in order to determine an optimal coagulant injection rate in a water purification plant, raw water quality is measured, and a multiple regression analysis is performed using the coagulant injection rate as an objective variable. At that time, it is shown that the past water quality data and the coagulant injection rate are accumulated in the database. However, this invention has two problems. The first is that the machine learning algorithm is a multiple regression analysis. In the multiple regression analysis, it is generally known that the obtained regression equation is not stable when there is collinearity (correlation) between explanatory variables. Further, since the multiple regression analysis is a linear regression method, if there is a non-linear relationship between the explanatory variable group and the objective variable, there is a problem that a highly accurate regression equation cannot be obtained. Furthermore, the present invention has a problem that it takes a lot of time to store sufficient data for performing multiple regression analysis. Since the regression equation is updated while accumulating data in an actual plant, for example, there is a problem that a newly installed facility cannot be controlled at the beginning of operation because the database itself does not exist.

特許文献2では、実プラントを用いてニューラルネットの教師データ(学習データ)を蓄積する方法が開示されている。しかし、この発明も、実プラントを用いているため、データを集積するために時間が掛かる点や新設プラントの稼働時には、そもそもデータが無いため、制御できない問題点を有する。さらに、機械学習アルゴリズムも隠れ層が1層のニューラルネットであるため、その精度に課題があることは前記の通りである。   Patent Document 2 discloses a method of accumulating neural network teacher data (learning data) using an actual plant. However, this invention also has a problem that it takes time to accumulate data because an actual plant is used, and cannot be controlled when a new plant is in operation because there is no data in the first place. Furthermore, since the machine learning algorithm is a neural network having a single hidden layer, there is a problem in its accuracy as described above.

さらに、水処理/汚泥処理分野で機械学習/人工知能を用いるにあたり、考慮しなければならない課題をもう1点記述する。水処理/汚泥処理分野におけるプラントの維持管理では、センサや分析機器により取得できる数値のみならず、運転員の五感、特に目によりプラントの処理状況を判断している場合がある。   In addition, another issue that must be considered when using machine learning / artificial intelligence in the field of water treatment / sludge treatment is described. In the maintenance and management of a plant in the field of water treatment / sludge treatment, there are cases where the treatment state of a plant is judged not only by numerical values that can be obtained by sensors and analytical instruments, but also by the senses of the operator, particularly by eyes.

例えば、水処理において無機凝集剤を注入した際に生じる凝集フロックの大きさと形状から、凝集剤の過不足を判断する場合や、汚泥処理において無機凝集剤又はポリマーを注入した際に生じる汚泥凝集フロックの大きさと形状から、薬剤の過不足を判断する場合がある。他にも、水処理において活性汚泥法を用いている場合、活性汚泥の生物相が過曝気や過負荷などにより変化し、活性汚泥が分散、解体状態となっていないか(バルキングを起こしていないか)を判断するため、沈殿槽の越流水を見て、沈殿性の悪い活性汚泥の小さな凝集フロックの存在量と状態を確認する場合がある。   For example, when judging excess or deficiency of the flocculant from the size and shape of the flocculant generated when the inorganic flocculant is injected in the water treatment, or in the sludge flocculation floc generated when the inorganic flocculant or the polymer is injected in the sludge treatment In some cases, it is determined whether the amount of the medicine is excessive or insufficient based on the size and shape of the medicine. In addition, when the activated sludge method is used in water treatment, the biota of the activated sludge changes due to over-aeration or overload, and the activated sludge is dispersed or dismantled (does not cause bulking) In order to judge the above, there is a case where the amount and state of small flocculated flocs of activated sludge having poor sedimentation are checked by looking at the overflow water in the sedimentation tank.

さらに、微生物を用いた水処理において、効率的な生物反応と固液分離を目的に、活性炭やプラスチック素材などを担体として微生物を付着させる生物担体法があるが、このとき担体表面の微生物層の付着・生育状態の適性を目視で確認する場合がある。   Furthermore, in water treatment using microorganisms, there is a biological carrier method for attaching microorganisms using activated carbon or a plastic material as a carrier for the purpose of efficient biological reaction and solid-liquid separation. The suitability of the attachment / growth state may be confirmed visually.

つまり、水処理/汚泥処理分野では、センサ等の数値データのみを学習しても、現在人間の視覚情報と経験に頼った運転管理レベルを達成できない可能性がある。   That is, in the field of water treatment / sludge treatment, even if only the numerical data of the sensors and the like are learned, there is a possibility that the operation management level that currently relies on human visual information and experience cannot be achieved.

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、機械学習アルゴリズムを用いて水処理又は汚泥処理における任意の予測値を取得するためのモデルを構築する際に用いるデータベースとして、画像情報を含んだ、精度の高い出力を返すことができるモデルを短期間に構築することができるデータベースの製造方法、及び水処理又は汚泥処理システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, its purpose is to use a machine learning algorithm to build a model for obtaining any predicted value in water treatment or sludge treatment, as a database used when building a model, It is an object of the present invention to provide a database manufacturing method and a water treatment or sludge treatment system capable of constructing a model capable of returning a highly accurate output including image information in a short time.

本発明は、機械学習アルゴリズムを用いて、水処理又は汚泥処理における任意の予測値を取得するためのモデルを構築する際に用いる学習データ用のデータベースの製造方法であって、実原水あるいは実汚泥を用いた回分又は連続試験装置によって、少なくとも画像取得装置により取得した静止又は連続画像を含む学習データを取得することを特徴としている。
即ち、本発明では、実際の原水や汚泥を用いた回分試験装置、あるいは、実際のプラントの近傍等に設置されて実際の原水や汚泥を用いて運転する連続試験装置により、事前にデータベース構築用のデータを取得する。
取得する学習データとしては、画像取得装置からの静止又は連続画像に加えて、各種センサからの測定データなどを用いることが好ましい。
ここで上記予測値を取得しようとする予測対象には、プロセスにおいて重要なパラメータを選ぶことができる。水処理システムであれば、凝集剤の注入率、凝集フロック形状、処理水の濁度、処理水の色度、メタンガス発生量、処理水のTOC(全有機炭素)あるいはCODCr等、汚泥処理プロセスであれば、メタンガス発生量、凝集フロック形状、凝集剤の注入率、汚泥濃度、脱水ケーキの含水率等である。予測対象は、プロセスにおいて予め知ることに価値のあるパラメータであれば何でもよく、対象プロセスあるいは予測目的等に応じて、その都度自由に設定することができる。
本発明を用いれば、回分又は連続試験装置によって、多くの設定を試行することができ、且つ、実プラントでデータを蓄積することに比べ、短時間で、且つ、大量にデータを取得することができる。
また、回分又は連続試験装置によってデータベースを作成するので、特に回分試験では一度に多くの条件を振ることができ、また実プラントではないので処理性能への影響を気にすることなく、幅広い条件を設定することができる。
即ち、データセット数が十分ではない状況において、十分なデータセット数を持ったデータベースを製造することができる。ここでデータセットとは、目的変数と説明変数群の一対の組を言い、データセットの集合がデータベースとなる。各種データはデータセットを構成する要素となる。
これによって、学習データの外挿範囲を低減することが可能となり、より多くの状況において精度の高い出力を返すモデルの構築が可能となる。
即ち、機械学習/人工知能が有する原理的な課題に、外挿データの予測がほぼ不可能というものがある。外挿データとは学習データの範囲を超えるデータのことで、例えば、あるパラメータの学習データとして採用した範囲が、0から10だった場合、−1や11は学習データ範囲外となって外挿データとなる。あるいは、学習データの範囲が0から10だったとしても、5から7の範囲にデータが無い場合は、やはり5から7は外挿データとなる。実プラントで得たデータのみで、モデル構築用学習データのデータベースを構築しようとすると、外挿データが発生し易くなり、これまでにデータが得られたことの無い状況に実原水や実汚泥がなった場合、信頼度に劣る出力がなされることとなる。近年は、ゲリラ豪雨に代表される天候の急変が良くあり、通常時の制御に加え、突発的に生じる異常時においても、良好な制御ができるように備えることが時代の必然である。本発明を用いれば、上述のようにその可能性を高めることができる。
さらに本発明は、カメラなどの画像取得装置で取得する静止又は連続画像データを前記データベースに含むことにより、これまでプラントの運転員が視覚によって判断していた現象を含めて、モデルを構築することが可能となる。
The present invention is a method for manufacturing a database for learning data used when constructing a model for obtaining an arbitrary predicted value in water treatment or sludge treatment using a machine learning algorithm, comprising: real raw water or real sludge. It is characterized in that learning data including at least still images or continuous images acquired by an image acquisition device is acquired by a batch or continuous test device using.
That is, in the present invention, a batch test apparatus using actual raw water or sludge, or a continuous test apparatus installed near an actual plant or the like and operated using actual raw water or sludge is used in advance to construct a database. Get the data of
As learning data to be acquired, it is preferable to use measurement data from various sensors and the like in addition to still or continuous images from the image acquiring device.
Here, an important parameter in the process can be selected as a prediction target from which the prediction value is to be obtained. If it is a water treatment system, sludge treatment process such as coagulant injection rate, flocculated floc shape, turbidity of treated water, chromaticity of treated water, methane gas generation, TOC (total organic carbon) or COD Cr of treated water, etc. If so, methane gas generation amount, flocculent floc shape, flocculant injection rate, sludge concentration, water content of dewatered cake, etc. The prediction target may be any parameter that is valuable to know in advance in the process, and can be freely set each time according to the target process or the prediction purpose.
By using the present invention, many settings can be tried by batch or continuous test equipment, and a large amount of data can be acquired in a short time as compared with storing data in an actual plant. it can.
In addition, since a database is created using batch or continuous test equipment, many conditions can be used at once in batch tests, and a wide range of conditions can be applied without worrying about the effect on processing performance because it is not an actual plant. Can be set.
That is, in a situation where the number of data sets is not sufficient, a database having a sufficient number of data sets can be manufactured. Here, the data set refers to a pair of a target variable and an explanatory variable group, and a set of the data sets is a database. Various data are elements that constitute a data set.
As a result, the extrapolation range of the learning data can be reduced, and a model that returns a highly accurate output in more situations can be constructed.
That is, one of the fundamental problems of machine learning / artificial intelligence is that it is almost impossible to predict extrapolated data. The extrapolated data is data beyond the range of the learning data. For example, if the range adopted as the learning data of a certain parameter is 0 to 10, -1 and 11 are outside the range of the learning data and extrapolated. Data. Alternatively, even if the range of the learning data is 0 to 10, if there is no data in the range of 5 to 7, the data of 5 to 7 are also extrapolated data. If an attempt is made to construct a database for learning data for model construction using only data obtained from an actual plant, extrapolated data is likely to be generated, and actual raw water and actual sludge will be in a situation where no data has been obtained before. If it does, the output will be less reliable. In recent years, sudden changes in the weather typified by guerrilla downpours are common, and it is inevitable in the era that in addition to control during normal times, provision should be made so that good control can be performed even in the event of sudden abnormalities. According to the present invention, the possibility can be increased as described above.
Further, the present invention includes a model including a phenomenon that has been visually judged by a plant operator by including still or continuous image data acquired by an image acquisition device such as a camera in the database. Becomes possible.

また本発明は、上記特徴に加えて、前記実原水又は前記実汚泥を処理する実プラントの運転から得られたデータも、前記データベースに加えることを特徴としている。
実プラントで得られるデータも、このデータベースに加えることにより、さらに精度を高めることが可能になる。
Further, in addition to the above features, the present invention is characterized in that data obtained from the operation of the actual plant for treating the actual raw water or the actual sludge is also added to the database.
By adding data obtained from an actual plant to this database, the accuracy can be further improved.

また本発明は、上記特徴に加えて、前記回分又は連続試験装置で測定又は条件として設定する項目中には、少なくとも実プラントに設置される画像取得装置またはセンサで測定できる項目を含むことを特徴としている。
回分又は連続試験装置によって取得する学習データと、実プラントの運転から得られるデータが一致し、両者を合わせてより有効なデータベースとすることができる。
ところで、前記データベースを用いてモデルを構築する際に用いる機械学習アルゴリズムとしては、SVR法(サポートベクター回帰法)、PLS法(部分最小二乗法:Partial Least Squares)、Deep Learning法、ランダムフォレスト法、又は決定木法等が好ましい。従来の、隠れ層が1層のニューラルネットワークや重回帰分析を用いないで、上記各方法を用いれば、精度の高い出力を返すモデルを構築することが可能となる。特に、画像データの解析には、Deep Learning法が好適である。
In addition, the present invention is characterized in that, in addition to the above-described features, among the items to be measured or set as conditions by the batch or continuous test device, at least items that can be measured by an image acquisition device or a sensor installed in an actual plant are included. And
The learning data obtained by the batch or continuous test apparatus matches the data obtained from the operation of the actual plant, and the two can be combined to form a more effective database.
By the way, as a machine learning algorithm used when constructing a model using the database, SVR method (support vector regression method), PLS method (Partial Least Squares method), Deep Learning method, random forest method, Alternatively, a decision tree method or the like is preferable. If the above methods are used without using a conventional neural network having a single hidden layer or multiple regression analysis, it is possible to construct a model that returns a highly accurate output. In particular, the Deep Learning method is suitable for analyzing image data.

また本発明は、上記特徴に加えて、前記回分又は連続試験装置で取得する静止又は連続画像は、凝集フロックを対象としたものであることを特徴としている。
これによって、例えば水処理や汚泥処理における無機凝集剤やポリマーの注入量の過不足の判断などにおいて、より精度の高い出力を返すモデルの構築が可能となる。
Further, in addition to the above features, the present invention is characterized in that the still or continuous image acquired by the batch or continuous test apparatus is for a flocculated floc.
This makes it possible to construct a model that returns a more accurate output, for example, in determining whether the amount of the inorganic coagulant or polymer injected in water treatment or sludge treatment is excessive or insufficient.

また本発明は、上記特徴に加えて、前記回分又は連続試験装置で取得する静止又は連続画像は、水処理用担体を対象としたものであることを特徴としている。
これによって、例えば微生物を用いた水処理や汚泥処理において、より精度の高い出力を返すモデルの構築が可能になる。
Further, in addition to the above features, the present invention is characterized in that the still or continuous image acquired by the batch or continuous test apparatus is intended for a water treatment carrier.
This makes it possible to construct a model that returns a more accurate output, for example, in water treatment or sludge treatment using microorganisms.

また本発明は、上記データベースの製造方法で製造されたデータベースを基に構築されたモデルを制御に使用する制御部を有することを特徴とする水処理又は汚泥処理システムにある。   The present invention also resides in a water treatment or sludge treatment system having a control unit for controlling a model constructed based on the database manufactured by the above-described database manufacturing method.

本発明にかかるデータベースの製造方法によれば、機械学習アルゴリズムを用いて水処理又は汚泥処理における任意の予測値を取得するためのモデルを構築する際に用いるデータベースとして、画像情報を含んだ、精度の高い出力を返すことができるモデルを短期間に構築することができるデータベースを取得することができる。   According to the method for manufacturing a database according to the present invention, as a database used when constructing a model for obtaining an arbitrary predicted value in water treatment or sludge treatment using a machine learning algorithm, the accuracy including image information, It is possible to obtain a database that can build a model that can return a high output in a short time.

回分試験によるモデル構築用学習データのデータベース作成手順を示す図である。It is a figure which shows the database preparation procedure of the learning data for model construction by a batch test. 構築済みのモデルを用いて構成した浄水場(水処理システム)1−1の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a water purification plant (water treatment system) 1-1 configured using a built model. 連続試験装置によるモデル構築用学習データのデータベース作成手順を示す図である。It is a figure which shows the database preparation procedure of the learning data for model construction by a continuous test apparatus. 連続試験装置によるモデル構築用学習データのデータベース作成手順を示す図である。It is a figure which shows the database preparation procedure of the learning data for model construction by a continuous test apparatus. 構築済みの予測モデルを用いて構成した担体投入型メタン発酵法を用いた排水処理プラント1−2の概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a wastewater treatment plant 1-2 using a carrier-input methane fermentation method configured using a constructed prediction model.

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
〔第1実施形態〕
図1は本発明の第1実施形態にかかる学習データ用データベースの製造方法を示す図であり、回分試験によるモデル構築用学習データのデータベース作成手順を示す図である。具体的には、浄水場における最適な凝集剤注入率を予測するためのモデルを構築する際に用いる学習データ用データベースの作成手順の一例を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram illustrating a method of manufacturing a database for learning data according to the first embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating a procedure for creating a database of learning data for model construction based on a batch test. Specifically, an example of a procedure of creating a database for learning data used when constructing a model for predicting an optimal coagulant injection rate in a water purification plant is shown.

本実施形態においては、まず、実際の浄水場の着水井に導入される実際の原水(実原水)を入手する(ステップ1−1)。   In the present embodiment, first, actual raw water (actual raw water) to be introduced into a landing well of an actual water purification plant is obtained (step 1-1).

次に(又は前記実原水の入手に先立って)、前記実原水について、説明変数の候補となるパラメータで多くの条件を設定する。設定するパラメータとしては、凝集に影響を与えると考えられる多くのパラメータ、例えば、水温、M−アルカリ度、pH、濁度、色度、TOC、紫外線吸光度、蛍光強度、気象情報、等を設定する(ステップ1−2)。   Next (or prior to obtaining the actual raw water), a number of conditions are set for the actual raw water using parameters that are candidates for explanatory variables. As parameters to be set, many parameters considered to affect aggregation, for example, water temperature, M-alkalinity, pH, turbidity, chromaticity, TOC, ultraviolet absorbance, fluorescence intensity, weather information, etc. are set. (Step 1-2).

次に、前記各設定条件を用いてジャーテストを実施する。この時、ジャーテスト時に生成する凝集フロックを、カメラを用いて撮影する(ステップ1−3)。   Next, a jar test is performed using each of the setting conditions. At this time, the coagulated floc generated during the jar test is photographed using a camera (step 1-3).

前記凝集フロックの状態、およびジャーテスト後の処理水質(例えば濁度、残留アルミニウム濃度など)から、各条件での最適凝集剤注入率を決める(ステップ1−4)。ここでジャーテストでは、例えば、実原水を複数のビーカーに入れ、ジャーテスターによって撹拌条件や凝集剤の添加タイミングを同一にして、凝集試験を行う。これを、凝集剤の添加量や撹拌条件等の何通りもの組み合わせで行う。これによって、多くの条件での最適凝集剤注入率を決めることができる。   The optimum coagulant injection rate under each condition is determined based on the state of the coagulated floc and the quality of the treated water (eg, turbidity, residual aluminum concentration, etc.) after the jar test (step 1-4). Here, in the jar test, for example, actual raw water is put into a plurality of beakers, and an agglutination test is performed using a jar tester under the same stirring conditions and the same addition timing of the aggregating agent. This is performed in any combination of the addition amount of the flocculant, the stirring conditions, and the like. As a result, the optimum coagulant injection rate under many conditions can be determined.

次に、上記で定めた説明変数の設定条件とその条件下での最適凝集剤注入率を1つのデータセットとして、モデル構築用学習データのデータベースに加える(ステップ1−5)。   Next, the set conditions of the explanatory variables determined above and the optimum coagulant injection rate under those conditions are added to the database of the learning data for model construction as one data set (step 1-5).

一定の頻度(例えば24時間毎)、又は十分に原水水質が変化したと考えられるタイミング等で、実原水を再度採取する(ステップ1−6)。   The actual raw water is collected again at a certain frequency (for example, every 24 hours) or at a timing when it is considered that the raw water quality has sufficiently changed (step 1-6).

再度採取した実原水を用いて、再度上記ステップ1−2〜ステップ1−5を行い、モデル構築用学習データのデータベースに蓄えるデータセットを蓄積していく作業を繰り返す(ステップ1−7)。   Using the fresh raw water collected again, the above-mentioned Step 1-2 to Step 1-5 are performed again, and the operation of accumulating the data sets to be stored in the database of the learning data for model construction is repeated (Step 1-7).

所定量のデータセットを蓄えることによって、モデル構築用学習データのデータベースが完成する(ステップ1−8)。   By storing a predetermined amount of data sets, a database of learning data for model construction is completed (step 1-8).

そして、上記回分試験によって完成したデータベースを用いて、機械学習アルゴリズムによって、予測モデルを構築する(ステップ1−9)。この際に用いる機械学習アルゴリズムとしては、SVR法、又はPLS法、又はDeep Learning法、又はランダムフォレスト法、又は決定木法等を用いる。そして、上記構築された予測モデルを実際に浄水場の凝集剤注入率を制御する制御部に導入し、実際の浄水場での凝集剤注入率の制御を開始する。実際の凝集剤注入率の制御によって得られる実際の各種データ(例えば、原水水質や処理水質)も、前記データベースに蓄積していく。これによって、より精度の高い制御を行うことができる。なお、実際の制御を開始した後においても、継続的に上記回分試験を実施して、得られるデータセットを前記データベースに加え、モデルを更新していくようにすれば、継続的に精度の高い制御を行っていくことができる。   Then, a prediction model is constructed by a machine learning algorithm using the database completed by the batch test (step 1-9). As a machine learning algorithm used at this time, an SVR method, a PLS method, a Deep Learning method, a random forest method, a decision tree method, or the like is used. Then, the constructed prediction model is actually introduced into the control unit for controlling the coagulant injection rate in the water purification plant, and the control of the coagulant injection rate in the actual water purification plant is started. Various actual data (for example, raw water quality and treated water quality) obtained by controlling the actual coagulant injection rate are also accumulated in the database. As a result, more accurate control can be performed. Even after the actual control is started, if the batch test is continuously performed, the obtained data set is added to the database, and if the model is updated, the accuracy is continuously high. Control can be performed.

(実施例)
浄水場における最適な凝集剤注入率を決定するために、最適凝集剤注入率を出力するモデルを構築し、制御に用いることを試みた。
(Example)
In order to determine the optimal coagulant injection rate in the water treatment plant, we constructed a model that outputs the optimal coagulant injection rate and tried to use it for control.

機械学習モデルによる制御開始予定日の3か月前から、前記ジャーテストを用いたデータベースの構築を開始した。原水(前記実原水)は24時間毎に、あるいは、前回サンプリングから24時間以内でも、天候等の影響により水質が大きく変動した場合はその時に採取した。また、採水時の原水の水質として、濁度の値を浄水場の工業用水質計器から取得した。   The construction of the database using the jar test was started three months before the scheduled control start date by the machine learning model. Raw water (the actual raw water) was collected every 24 hours or even within 24 hours from the previous sampling if the water quality fluctuated significantly due to the weather or the like. In addition, the value of turbidity was obtained from an industrial water quality meter at a water purification plant as the quality of raw water at the time of water sampling.

採取した原水を複数に分け、M−アルカリ度を2種類(10mg/Lと20mg/L)、pHを3種類(6.7と7.0と7.3)の計6種類の性状を有する試料水を作成した。即ち例えば、原水のM−アルカリ度が10mg/Lであった場合は、これに炭酸系の塩を添加してM−アルカリ度が20mg/Lの試料水を作成し、原水のpHが7であった場合は、これに酸又はアルカリを添加してpHが6.7と7.3の試料水を作成した。そして、各試料水に対して、凝集剤注入率を5点(5mg/Lと10mg/Lと15mg/Lと20mg/Lと25mg/L)設定してジャーテストを実施した。但し、原水水質が悪く、さらなる凝集剤が必要であった場合は、注入率の点数を増やした。   The collected raw water is divided into a plurality, and has M-alkalinity of 2 types (10 mg / L and 20 mg / L) and pH of 3 types (6.7, 7.0 and 7.3). Sample water was prepared. That is, for example, when the M-alkalinity of the raw water is 10 mg / L, a carbonate salt is added thereto to prepare a sample water having an M-alkalinity of 20 mg / L. If any, an acid or alkali was added thereto to prepare sample water having a pH of 6.7 or 7.3. The jar test was performed for each sample water with the coagulant injection rate set at 5 points (5 mg / L, 10 mg / L, 15 mg / L, 20 mg / L, and 25 mg / L). However, when the raw water quality was poor and a further coagulant was required, the injection rate score was increased.

凝集剤にはPAC(ポリ塩化アルミニウム)を使用した。浄水場と同等の急速撹拌、続いて緩速撹拌を実施した後、一定時間静置し、上澄水の濁度と残留アルミニウム濃度を測定した。また、急速撹拌終了時における凝集フロックの様子をカメラで撮影した。凝集フロック形状と上澄水の水質から、各試料水条件における最適な凝集剤注入率を決定した。   PAC (polyaluminum chloride) was used as the coagulant. After the same rapid stirring and slow stirring as in the water purification plant, the mixture was allowed to stand for a certain period of time, and the turbidity of the supernatant water and the residual aluminum concentration were measured. The state of the flocculated floc at the end of the rapid stirring was photographed with a camera. The optimum coagulant injection rate under each sample water condition was determined from the coagulated floc shape and the quality of the supernatant water.

1回の原水サンプリングで6条件に対する最適凝集剤注入率をそれぞれ得た。以上のジャーテストから、説明変数として、原水濁度とM−アルカリ度とpHと急速撹拌後の凝集フロック画像が得られ、また、目的変数として、最適凝集剤注入率が得られた。これらの、各条件における説明変数と目的変数の組み合わせがデータセットとなる。   One raw water sampling obtained the optimum coagulant injection rate for each of the six conditions. From the above jar test, raw water turbidity, M-alkalinity, pH, and a flocculated floc image after rapid stirring were obtained as explanatory variables, and an optimal flocculant injection rate was obtained as an objective variable. The combination of the explanatory variable and the objective variable under each condition becomes a data set.

なお、前記データセットには、前記3つの条件(原水濁度、M−アルカリ度、pH)の他に、実原水の原水温度、原水TOC濃度、原水色度等の原水の他の性状や、緩速撹拌後の凝集フロック画像も説明変数とすることが、より多くの状況において精度の高い出力を返すモデルを構築する上で、より好ましい。なお、上記ジャーテストで設定する項目、引いてはモデルの説明変数は、実プラントに設置されるセンサやカメラで測定できる項目であることが、好ましい。また、逆により少ない説明変数(例えば、凝集フロック画像のみ)で、精度の高い出力を返すことができるのであれば、説明変数を減らしても良い。この場合、プラントの装置点数を削減することができる。   The data set includes, in addition to the three conditions (raw water turbidity, M-alkalinity, pH), other properties of raw water such as raw water temperature, raw water TOC concentration, and raw water chromaticity, It is more preferable to use the flocculated floc image after slow stirring as an explanatory variable in constructing a model that returns a highly accurate output in more situations. Note that it is preferable that the items set in the jar test, and hence the explanatory variables of the model, are items that can be measured by sensors or cameras installed in the actual plant. Conversely, as long as a highly accurate output can be returned with fewer explanatory variables (for example, only the aggregated floc image), the number of explanatory variables may be reduced. In this case, the number of devices in the plant can be reduced.

また、前述の目的変数として、最適凝集剤注入率ではなく、凝集剤注入率の多寡の判断値を採用してもよい。例えば、凝集剤注入率が5mg/Lと10mg/Lと15mg/Lと20mg/Lと25mg/Lの5点でジャーテストを実施し、最適凝集剤注入率が15mg/Lと判断された場合、15 mg/Lのジャーテストのデータセットにおける目的変数を「0」(最適)とし、この点を境に、前記目的変数を20mg/Lのとき「1」(やや多い)、25mg/Lのとき「2」(過剰)、10mg/Lのとき「−1」(やや少ない)、5mg/Lのとき「−2」(過少)とする。この場合、データセットは、説明変数として、原水濁度とM−アルカリ度とpHと急速撹拌後の凝集フロック画像に加えて、凝集剤注入率とし、目的変数として、凝集剤注入率の多寡の判断値(前述の例では、−2、−1、0、1、2の何れか)が与えられる。   As the above-mentioned objective variable, a judgment value of the coagulant injection rate may be adopted instead of the optimum coagulant injection rate. For example, when the jar test is performed at five points of the coagulant injection rate of 5 mg / L, 10 mg / L, 15 mg / L, 20 mg / L, and 25 mg / L, and the optimum coagulant injection rate is determined to be 15 mg / L. , The objective variable in the data set of the jar test of 15 mg / L is set to “0” (optimal). From this point, when the objective variable is 20 mg / L, “1” (somewhat large) and 25 mg / L At this time, "2" (excess), at 10 mg / L, "-1" (slightly less), and at 5 mg / L, "-2" (under). In this case, in addition to the raw water turbidity, M-alkalinity, pH, and the flocculated floc image after rapid stirring as the explanatory variables, the data set is the flocculant injection rate. A judgment value (in the above example, any of -2, -1, 0, 1, 2) is given.

この作業を繰り返して、最適凝集剤注入率決定用のデータベースを完成させ、このデータベースをモデル構築用学習データとし、機械学習用アルゴリズムとしてDeep Learning法などを用いてモデルを構築した。   By repeating this work, a database for determining the optimal coagulant injection rate was completed, this database was used as learning data for model construction, and a model was constructed using a Deep Learning method or the like as a machine learning algorithm.

図2は、前記構築済みのモデルを用いて構成した浄水場(水処理システム)1−1の全体概略構成図である。同図に示すように、ダムや河川等から取り入れた原水は、浄水場の着水井11に導入される。次に、着水井11において、この着水井11に設置した濁度センサ23AとM−アルカリ度センサ23BとpHセンサ23Cによって、原水の濁度とM−アルカリ度とpHの数値がそれぞれ検出される。検出された各検出値は、前記構築済みのモデルを導入した制御部25に送信される。   FIG. 2 is an overall schematic configuration diagram of a water purification plant (water treatment system) 1-1 configured using the constructed model. As shown in the figure, raw water taken from dams and rivers is introduced into a landing well 11 of a water purification plant. Next, in the landing well 11, the turbidity sensor 23A, the M-alkalinity sensor 23B, and the pH sensor 23C installed in the well 11 detect the turbidity of the raw water, the M-alkalinity, and the numerical value of pH, respectively. . Each detected value is transmitted to the control unit 25 that has introduced the constructed model.

着水井11から急速撹拌槽13に移送された原水は凝集剤注入ポンプ27によって凝集剤が注入され、微細な凝集フロックが形成される。この時、凝集フロック観察用カメラ(カメラ、画像取得装置)29により、凝集フロック画像が撮影され、前記制御部25に送信される。また下記する沈澱池17における処理液の濁度も濁度センサ31によって検出し、そのデータも制御部25に送信する。制御部25は、これらの制御部25に送信されたデータから、前記構築済みのモデルを用いて、その原水に対する最適凝集剤注入率となるように、凝集剤注入ポンプ27に指令を出す。   The raw water transferred from the landing well 11 to the rapid stirring tank 13 is injected with a coagulant by the coagulant injection pump 27 to form fine coagulated flocs. At this time, the flocculated floc image is captured by the flocculated floc observation camera (camera, image acquisition device) 29 and transmitted to the control unit 25. The turbidity of the processing liquid in the sedimentation basin 17 described below is also detected by the turbidity sensor 31, and the data is also transmitted to the control unit 25. The control unit 25 issues a command to the coagulant injection pump 27 from the data transmitted to these control units 25 by using the constructed model so that the optimum coagulant injection rate for the raw water is obtained.

急速撹拌槽13にて、凝集剤と撹拌された原水は、次に、緩速撹拌槽15で緩速撹拌を行って凝集フロックを粗大化し、次に、沈澱池17において粗大化したフロックを沈殿させ、次に、ろ過池19でろ過を行って小さな汚れを取り除いた後、浄水池21に移送される。   The raw water stirred with the flocculant in the rapid stirring tank 13 is then slowly stirred in the slow stirring tank 15 to coarsen the flocculated floc, and then the coarse floc is precipitated in the sedimentation tank 17. Then, the water is filtered in the filtration pond 19 to remove small dirt, and then transferred to the water purification pond 21.

前記構築済みのモデルを用いた制御部25によって前記浄水場1−1での制御を開始した後、1か月間の予測精度は、以下の通りであった。予測精度の評価として決定係数R値を用いた。実際の最適凝集剤注入率は、実原水によるジャーテストによって決定したものを正解とした。 After the control in the water purification plant 1-1 was started by the control unit 25 using the constructed model, the prediction accuracy for one month was as follows. Using the coefficient of determination R 2 value as an evaluation of the prediction accuracy. The actual optimum coagulant injection rate was determined as a correct answer by a jar test using actual raw water.

〔制御開始後、1か月間のR値〕:0.83 [After control starting, R 2 value of 1 month]: 0.83

ここで決定係数Rは、モデルの予測精度を評価する指標の一つであり、以下の「数1」の数式で定義される。決定係数Rの値は1が最大値であり、1に近いほど、モデルの予測精度が高いことになる。 Wherein the coefficient of determination R 2 is an index for evaluating the predictive accuracy of the model, defined by the equation of the following "Equation 1". The value of the coefficient of determination R 2 is 1 the maximum value, the closer to 1, so that the model prediction accuracy of high.

Figure 2019215743
Figure 2019215743

以上の結果より、制御開始日当日からモデルを使用した制御が可能となった。本発明を用いなかった場合は、実プラントの実際の運転条件と実プラントのセンサから得た情報のみをデータベース構築用に用いることになるため、そもそも制御開始予定日には、制御することができない。本発明によれば、実プラントで得られるデータ以外に、予めデータベース構築用に実施したジャーテスト(回分試験)によって、早期の且つ精度の高い制御立ち上げが可能となった。   From the above results, control using the model became possible from the day of the control start date. If the present invention is not used, since only the actual operating conditions of the actual plant and the information obtained from the sensors of the actual plant are used for constructing the database, the control cannot be performed on the scheduled control start date in the first place. . According to the present invention, in addition to the data obtained in an actual plant, a jar test (batch test) previously performed for constructing a database enables early and accurate control start-up.

〔第2実施形態〕
図3は本発明の第2実施形態にかかる学習データ用データベースの製造方法を示す図であり、連続試験装置によるモデル構築用学習データのデータベース作成手順を示す図である。具体的には、浄水場における最適な凝集剤注入率を予測するためのモデルを構築する際に用いる学習データ用データベースの作成手順の一例を示している。
[Second embodiment]
FIG. 3 is a diagram illustrating a method for manufacturing a learning data database according to the second embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating a procedure for creating a database of learning data for model construction by a continuous test apparatus. Specifically, an example of a procedure of creating a database for learning data used when constructing a model for predicting an optimal coagulant injection rate in a water purification plant is shown.

本実施形態においては、まず、実際の浄水場の着水井に導入される実原水を、複数系列を有する連続試験装置に導入する(ステップ2−1)。   In the present embodiment, first, the actual raw water introduced into the landing well of the actual water purification plant is introduced into a continuous test apparatus having a plurality of systems (step 2-1).

次に(又は前記実原水の導入に先立って)、前記連続試験装置の実原水に対して投入する凝集剤の注入率に複数の条件を設定し(ステップ2−2)、凝集剤を注入する。また実原水の性状(水温、M−アルカリ度、pH、濁度、色度、TOC、紫外線吸光度、蛍光強度、気象情報、等)も測定しておく。   Next (or prior to the introduction of the actual raw water), a plurality of conditions are set for the injection rate of the flocculant to be injected into the actual raw water of the continuous test apparatus (step 2-2), and the flocculant is injected. . In addition, the properties of the actual raw water (water temperature, M-alkalinity, pH, turbidity, chromaticity, TOC, ultraviolet absorbance, fluorescence intensity, weather information, etc.) are also measured.

次に、前記連続試験装置の各系列における急速撹拌槽の凝集フロック写真と、急速撹拌槽、緩速撹拌槽、沈澱池のそれぞれの滞留時間を経過した後の、各系列における濁度(沈殿水濁度)を測定する(ステップ2−3)。   Next, a photograph of the flocculation floc of the rapid stirring tank in each series of the continuous test apparatus and the turbidity (sedimentation water) in each series after the respective residence time of the rapid stirring tank, the slow stirring tank, and the sedimentation basin have elapsed. (Turbidity) is measured (step 2-3).

次に、上記実原水の性状と各設定凝集剤注入率と前記凝集フロック画像を説明変数、測定した沈殿水濁度を目的変数とし、これらを1つのデータセットとして、モデル構築用学習データのデータベースに加える(ステップ2−4)。   Next, the properties of the actual raw water, each set coagulant injection rate and the flocculated floc image are used as explanatory variables, and the measured sediment water turbidity is used as an objective variable. (Step 2-4).

原水性状が大きく変わった場合に、上記ステップ2−2〜ステップ2−4を繰り返し行い、モデル構築用学習データに蓄えるデータセットを蓄積していく(ステップ2−5)。   When the raw water state has changed significantly, the above-mentioned steps 2-2 to 2-4 are repeated to accumulate the data sets to be stored in the learning data for model construction (step 2-5).

所定量のデータセットを蓄えることによって、モデル構築用学習データのデータベースが完成する(ステップ2−6)。   By storing a predetermined amount of data sets, a database of learning data for model construction is completed (step 2-6).

そして、上記連続試験装置によって完成したデータベースを用いて、機械学習アルゴリズムによって、モデルを構築する(ステップ2−7)。この際に用いる機械学習アルゴリズムとしては、SVR法、又はPLS法、又はDeep Learning法、又はランダムフォレスト法、又は決定木法等を用いる。そして、上記構築されたモデルを実際に浄水場の凝集剤注入率を制御する制御部に導入し、例えば上述した図2に示す実際の浄水場での凝集剤注入率の制御を開始する。実際の凝集剤注入率の制御によって得られる実際の各種データも、前記データベースに蓄積していく。これによって、より精度の高い制御を行うことができる。なお、実際の制御を開始した後においても、継続的に連続試験装置による試験を実施して、得られるデータセットを前記データベースに加え、モデルを更新していくようにすれば、継続的に精度の高い制御を行っていくことができる。   Then, a model is constructed by a machine learning algorithm using the database completed by the continuous test apparatus (step 2-7). As a machine learning algorithm used at this time, an SVR method, a PLS method, a Deep Learning method, a random forest method, a decision tree method, or the like is used. Then, the constructed model is actually introduced into the control unit for controlling the coagulant injection rate of the water purification plant, and for example, the control of the coagulant injection rate in the actual water purification plant shown in FIG. 2 is started. Actual various data obtained by controlling the actual coagulant injection rate are also accumulated in the database. As a result, more accurate control can be performed. Even after the actual control is started, if the test is continuously performed by the continuous test apparatus, the obtained data set is added to the database, and the model is updated, the accuracy is continuously improved. High control can be performed.

〔第3実施形態〕
図4は本発明の第3実施形態にかかる学習データ用データベースの製造方法を示す図であり、連続試験装置によるモデル構築用学習データのデータベース作成手順を示す図である。具体的には、水処理用担体投入型メタン発酵法を用いる排水処理プラントにおける最適なアルカリ剤注入率を予測するためのモデルを構築する際に用いる学習データ用データベースの作成手順の一例を示している。
[Third Embodiment]
FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing a learning data database according to the third embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating a procedure of creating a database of learning data for model construction by a continuous test apparatus. Specifically, an example of a procedure for creating a database for learning data used in constructing a model for predicting an optimal alkali agent injection rate in a wastewater treatment plant using a carrier-input methane fermentation method for water treatment is shown. I have.

ここで水処理用担体とは、微生物を担持して、担体表面で微生物を繁殖させることができるものを言い、形状、材質は問わないが、微生物の付着しやすい多孔質体、例えば活性炭、ポリビニルアルコール、エチレングリコールなどが好ましい。   Here, the carrier for water treatment refers to a carrier capable of supporting microorganisms and allowing microorganisms to propagate on the surface of the carrier, and is not limited in shape and material, but a porous body to which microorganisms are easily attached, such as activated carbon and polyvinyl. Alcohol, ethylene glycol and the like are preferred.

本実施形態においては、まず、実際の排水処理プラントのメタン発酵槽に導入される実際の原水(実原水)を入手する(ステップ3−1)。あるいは、まだプラントが完成前の場合などには、前段の酸発酵槽に投入される排水を入手し、所定の条件で実験室にて酸発酵を行い、実原水相当の水を作成しても良い。   In the present embodiment, first, actual raw water (actual raw water) to be introduced into the methane fermentation tank of an actual wastewater treatment plant is obtained (step 3-1). Alternatively, when the plant is not yet completed, for example, it is possible to obtain wastewater to be fed into the preceding acid fermentation tank, perform acid fermentation in a laboratory under predetermined conditions, and create water equivalent to actual raw water. good.

次に(又は前記実原水の入手に先立って)、前記実原水について、説明変数の候補となるパラメータで多くの条件を設定する。設定するパラメータとしては、ガス発生量に影響を与えると考えられる多くのパラメータ、例えば、滞留時間(HRT)、担体濃度、水温、pH、アルカリ度、TOCあるいはCODCr、揮発性低級脂肪酸、原水水量、処理水水量、循環水量、酸発酵槽容積、メタン発酵槽容積、等を設定する(ステップ3−2)。 Next (or prior to obtaining the actual raw water), a number of conditions are set for the actual raw water using parameters that are candidates for explanatory variables. As parameters to be set, many parameters considered to affect the gas generation amount, for example, residence time (HRT), carrier concentration, water temperature, pH, alkalinity, TOC or COD Cr , volatile lower fatty acid, raw water amount , Treated water volume, circulating water volume, acid fermentation tank volume, methane fermentation tank volume, etc. are set (step 3-2).

次に、前記各設定条件を用いてバイアルによるメタン発酵試験を実施する。この時、各条件でのガス発生量を測定するとともに、微生物が付着した担体を、カメラを用いて撮影する(ステップ3−3)。   Next, a methane fermentation test using a vial is performed using each of the above set conditions. At this time, the amount of gas generated under each condition is measured, and the carrier to which the microorganisms are attached is photographed using a camera (step 3-3).

前記設定条件と担体の画像を説明変数、ガス発生量を目的変数とした1つのデータセットを作成し、モデル構築用学習データのデータベースに加える(ステップ3−4)。   One data set is created using the setting conditions and the image of the carrier as explanatory variables and the gas generation amount as an objective variable, and added to a database of learning data for model construction (step 3-4).

実原水の性状が変わった場合は、実原水を再度入手する(ステップ3−5)。   When the properties of the actual raw water have changed, the actual raw water is obtained again (step 3-5).

再度採取した実原水を用いて、再度上記ステップ3−2〜ステップ3−4を行い、モデル構築用学習データのデータベースに蓄えるデータセットを蓄積していく作業を繰り返す(ステップ3−6)。   Steps 3-2 to 3-4 are performed again using the fresh raw water that has been collected again, and the operation of accumulating a data set to be stored in the database of the learning data for model construction is repeated (step 3-6).

所定量のデータセットを蓄えることによって、モデル構築用学習データのデータベースが完成する(ステップ3−7)。   By storing a predetermined amount of data set, a database of learning data for model construction is completed (step 3-7).

そして、上記回分試験によって完成したデータベースを用いて、機械学習アルゴリズムによって、予測モデルを構築する(ステップ3−8)。この際に用いる機械学習アルゴリズムとしては、SVR法(サポートベクター回帰法)、又はPLS法、又はDeep Learning法、又はランダムフォレスト法、又は決定木法等を用いる。   Then, a prediction model is constructed by a machine learning algorithm using the database completed by the batch test (step 3-8). As a machine learning algorithm used at this time, an SVR method (support vector regression method), a PLS method, a Deep Learning method, a random forest method, a decision tree method, or the like is used.

図5は第3実施形態にかかる上記予測モデルを、実際に担体投入型メタン発酵法を用いる排水処理プラント(汚泥処理システム)1−2に導入した一例を示す概略構成図である。同図に示す排水処理プラント1−2において、排水(非処理水)は、酸発酵槽51に導入されて酸発酵された後、この発酵液を原水として担体投入型メタン発酵槽53に移送され、担体に担持された微生物によってメタンガスが発酵・生成される。次に、担体投入型メタン発酵槽53で生成された後のメタンガスと処理水は、それぞれ次の工程に導出されていく。   FIG. 5 is a schematic configuration diagram illustrating an example in which the prediction model according to the third embodiment is actually introduced into a wastewater treatment plant (sludge treatment system) 1-2 using a carrier-input methane fermentation method. In the wastewater treatment plant 1-2 shown in the figure, the wastewater (non-treated water) is introduced into the acid fermentation tank 51 and subjected to acid fermentation, and then transferred to the carrier-input methane fermentation tank 53 using this fermented liquid as raw water. The methane gas is fermented and produced by the microorganisms carried on the carrier. Next, the methane gas and the treated water generated in the carrier-injection type methane fermentation tank 53 are respectively led to the next step.

そしてこの排水処理プラント1−2のアルカリ剤注入率を制御する制御部55には、上記第3実施形態に係る予測モデルが導入されており、実際にこの排水処理プラント1−2でのアルカリ剤注入率の制御が開始される。   The prediction model according to the third embodiment is introduced into the control unit 55 for controlling the alkali agent injection rate of the wastewater treatment plant 1-2. Control of the injection rate is started.

具体的には、排水を導入した酸発酵槽51の出口近傍に設置した温度センサ57AとCODセンサ57BとM−アルカリ度センサ57CとpHセンサ57Dとによって、酸発酵槽51の出口近傍における発酵液(原水)の水温とCOD(化学的酸素要求量)とM−アルカリ度(総アルカリ度)とpHの数値をそれぞれ検出し、検出された各検出値を、前記構築済みのモデルを導入した制御部55に送信する。同時に、担体投入型メタン発酵槽53において現状の担体状態を担体観察用カメラ(カメラ、画像取得装置)59によって撮影し、その画像データを制御部55に送信する。同時に、担体投入型メタン発酵槽53から導出されたメタンガスの流量と濃度を、それぞれ流量センサ63Aとメタン濃度計63Bによって検出し、それらのデータを制御部55に送信する。   Specifically, the temperature sensor 57A, the COD sensor 57B, the M-alkalinity sensor 57C, and the pH sensor 57D installed near the outlet of the acid fermentation tank 51 into which the wastewater has been introduced are used to fermentation liquor near the outlet of the acid fermentation tank 51. (Raw water) water temperature, COD (chemical oxygen demand), M-alkalinity (total alkalinity), and pH are detected, and each detected value is controlled by introducing the constructed model. To the unit 55. At the same time, the current carrier state is photographed by the carrier observation camera (camera, image acquisition device) 59 in the carrier-injection type methane fermentation tank 53, and the image data is transmitted to the control unit 55. At the same time, the flow rate and the concentration of the methane gas derived from the carrier input type methane fermentation tank 53 are detected by the flow rate sensor 63A and the methane concentration meter 63B, respectively, and the data are transmitted to the control unit 55.

制御部55は、前記酸発酵槽51の出口で測定した現状のメタン発酵槽原水水質から、ガス発生量を最大化できる原水水質を予測する。前記予測された原水水質(具体的にはアルカリ度とpH)を達成するためのアルカリ剤注入率を制御部55で計算し、アルカリ剤注入ポンプ61にその制御信号を送信し、アルカリ剤を注入させることで、ガス発生量の最大化を図る。   The control unit 55 predicts the raw water quality that can maximize the gas generation amount from the current raw water quality of the methane fermentation tank measured at the outlet of the acid fermentation tank 51. The control unit 55 calculates an alkali agent injection rate for achieving the predicted raw water quality (specifically, alkalinity and pH), transmits a control signal to the alkali agent injection pump 61, and injects the alkali agent. By doing so, the amount of generated gas is maximized.

さらに、実際のアルカリ剤注入率の制御によって前記各種センサやカメラなどから得られる実際の各種データ(例えば、原水水質やガス発生量)も、前記データベースに蓄積していく。   Further, actual various data (for example, raw water quality and gas generation amount) obtained from the various sensors and cameras by controlling the actual alkali agent injection rate are also accumulated in the database.

これによって、より精度の高い制御を行うことができる。なお、実際の制御を開始した後においても、継続的に上記バイアル試験を実施して、得られるデータセットを前記データベースに加え、モデルを更新していくようにすれば、継続的に精度の高い制御を行っていくことができる。   As a result, more accurate control can be performed. Even after the actual control is started, the vial test is continuously performed, the obtained data set is added to the database, and the model is updated. Control can be performed.

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの構成や材料であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば、上記実施形態では、水処理又は汚泥処理システムの例として浄水場の例を示したが、例えば食品工場の用水処理や下水処理場の脱水汚泥の凝集処理設備であっても本発明を適用することができる。また、他に担体投入型メタン発酵法を用いた排水処理場の例を示したが、好気性、嫌気性を問わず微生物を付着させた担体を用いる設備であれば本発明を適用することができる。また、上記記載及び各図で示した実施形態は、その目的及び構成等に矛盾がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。また、上記記載及び各図の記載内容は、その一部であっても、それぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は上記記載及び各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。   Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications may be made within the scope of the claims and the technical idea described in the specification and the drawings. It is possible. It should be noted that any configuration or material not directly described in the specification and the drawings is within the technical idea of the present invention as long as the effects and effects of the present invention are exhibited. For example, in the above embodiment, an example of a water treatment plant is shown as an example of a water treatment or sludge treatment system. However, the present invention is applied to, for example, water treatment of a food factory or coagulation treatment equipment for dewatered sludge of a sewage treatment plant. can do. In addition, other examples of the wastewater treatment plant using the carrier input type methane fermentation method are shown, but the present invention can be applied to any facility using a carrier to which microorganisms are attached regardless of aerobic or anaerobic. it can. Further, the embodiments described in the above description and in the respective drawings can be combined with each other as long as there is no inconsistency in the object and the configuration. In addition, the above description and the contents of each drawing may be independent embodiments even if they are a part thereof, and the embodiment of the present invention is one embodiment in which the above description and each drawing are combined. However, the present invention is not limited to this.

1−1 浄水場(水処理システム)
11 着水井
13 急速撹拌槽
15 緩速撹拌槽
17 沈澱池
19 ろ過池
21 浄水池
23A 濁度センサ
23B M−アルカリ度センサ
23C pHセンサ
25 制御部
27 凝集剤注入ポンプ
29 凝集フロック観察用カメラ(カメラ、画像取得装置)
31 濁度センサ
1−2 排水処理プラント(汚泥処理システム)
51 酸発酵槽
53 担体投入型メタン発酵槽
55 制御部
57A 温度センサ
57B CODセンサ
57C M−アルカリ度センサ
57D pHセンサ
59 担体観察用カメラ(カメラ、画像取得装置)
61 アルカリ剤注入ポンプ
63A 流量センサ
63B メタン濃度計
1-1 Water purification plant (water treatment system)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Landing well 13 Rapid stirring tank 15 Slow stirring tank 17 Sedimentation basin 19 Filtration pond 21 Purification tank 23A Turbidity sensor 23B M-alkalinity sensor 23C pH sensor 25 Control part 27 Coagulant injection pump 29 Camera for observation of flocculation floc , Image acquisition device)
31 Turbidity sensor 1-2 Wastewater treatment plant (sludge treatment system)
51 Acid fermentation tank 53 Carrier input type methane fermentation tank 55 Control unit 57A Temperature sensor 57B COD sensor 57C M-alkaliness sensor 57D pH sensor 59 Camera for carrier observation (camera, image acquisition device)
61 Alkaline agent injection pump 63A Flow sensor 63B Methane concentration meter

Claims (6)

機械学習アルゴリズムを用いて、水処理又は汚泥処理における任意の予測値を取得するためのモデルを構築する際に用いる学習データ用のデータベースの製造方法であって、
実原水あるいは実汚泥を用いた回分又は連続試験装置によって、少なくとも画像取得装置により取得した静止又は連続画像を含む学習データを取得することを特徴とするデータベースの製造方法。
Using a machine learning algorithm, a method for manufacturing a database for learning data used when constructing a model for obtaining any predicted value in water treatment or sludge treatment,
A method for manufacturing a database, wherein learning data including at least still or continuous images obtained by an image obtaining apparatus is obtained by a batch or continuous test apparatus using real raw water or real sludge.
請求項1に記載のデータベースの製造方法であって、
前記実原水又は前記実汚泥を処理する実プラントの運転から得られたデータも、前記データベースに加えることを特徴とするデータベースの製造方法。
The method for manufacturing a database according to claim 1, wherein
A method for manufacturing a database, wherein data obtained from operation of an actual plant for treating the actual raw water or the actual sludge is also added to the database.
請求項1又は2に記載のデータベースの製造方法であって、
前記回分又は連続試験装置で測定又は条件として設定する項目の中には、少なくとも実プラントに設置される画像取得装置またはセンサで測定できる項目を含むことを特徴とするデータベースの製造方法。
It is a manufacturing method of the database of Claim 1 or 2, Comprising:
A method of manufacturing a database, wherein the items set as the measurement or the conditions by the batch or continuous test apparatus include at least items that can be measured by an image acquisition device or a sensor installed in an actual plant.
請求項1乃至3の内の何れかに記載のデータベースの製造方法であって、
前記回分又は連続試験装置で取得する静止又は連続画像は、凝集フロックを対象としたものであることを特徴とするデータベースの製造方法。
A database manufacturing method according to any one of claims 1 to 3,
A method of manufacturing a database, wherein the still or continuous image acquired by the batch or continuous test apparatus is for a flocculated floc.
請求項1乃至3の内の何れかに記載のデータベースの製造方法であって、
前記回分又は連続試験装置で取得する静止又は連続画像は、水処理用担体を対象としたものであることを特徴とするデータベースの製造方法。
A database manufacturing method according to any one of claims 1 to 3,
A method for manufacturing a database, wherein the still or continuous image acquired by the batch or continuous test apparatus is for a water treatment carrier.
請求項1乃至5の内の何れかに記載のデータベースの製造方法で製造されたデータベースを用いて構築したモデルを制御に使用する制御部を有することを特徴とする水処理又は汚泥処理システム。   A water treatment or sludge treatment system comprising a control unit for controlling a model constructed using a database produced by the method for producing a database according to any one of claims 1 to 5.
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