JP2020032394A - Sewage treatment operation status evaluation device and sewage treatment operation status evaluation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、汚水処理運転状況評価装置及び汚水処理運転状況評価方法に関する。 The present invention relates to a sewage treatment operation status evaluation device and a sewage treatment operation status evaluation method.
従来より、例えば下水処理施設などの汚水処理施設において、活性汚泥処理によって汚水を浄化することが、広く行われている。活性汚泥処理においては、汚水を貯留した水処理槽において、汚水を曝気等により空気に晒して好気的な微生物に汚濁物質を分解させ、微生物を増殖させて沈降分離することで、汚水が浄化される。 BACKGROUND ART Conventionally, in a sewage treatment facility such as a sewage treatment facility, purification of sewage by activated sludge treatment has been widely performed. In activated sludge treatment, sewage is purified by exposing the sewage to air by aeration or the like to decompose pollutants into aerobic microorganisms in a water treatment tank that stores the sewage, proliferating the microorganisms, and separating them by sedimentation. Is done.
このような、活性汚泥処理が行われる汚水処理施設においては、一般に、汚水処理が順調に行われている場合と、順調ではなく悪化した状態で行われている場合とでは、水処理槽内に出現し優占化する微生物の種類が異なることが知られている。例えば、活性汚泥の状態が良好な場合には、Vorticella属、Epistylis属、有殻アメーバ類Arcella属、輪虫類Philodina属等が優占化する。他方、活性汚泥の状態が悪化した場合、及び良好な状態から悪い状態への過渡期においては、鞭毛虫類Bodo属、Monas属、Amoeba属、及びArcella属等が出現する。 In such a sewage treatment facility where activated sludge treatment is performed, generally, when sewage treatment is performed smoothly and when sewage treatment is performed in a deteriorated state instead of in a smooth state, the water treatment tank is It is known that the types of microorganisms that emerge and dominate are different. For example, when the state of the activated sludge is good, the genus Vorticella, the genus Epistylis, the shelled amoebae, the genus Arcella, and the rotifer, the genus Philodina, dominate. On the other hand, when the state of the activated sludge deteriorates, and in a transition period from a good state to a bad state, the flagellates Bodo, Monas, Amoeba, and Arcella appear.
したがって、水処理槽中の微生物を識別し、微生物と汚水処理の状態を対応付けることで、汚水処理が順調に実行されているか否かを判定、評価することが可能である。
例えば、水処理槽中の活性汚泥をサンプリングして顕微鏡により観察し、上記のような、汚水処理が順調か否かの評価の基準となり得る微生物の存在を確認することが行われている。しかし、これらの操作は基本的に手作業で行われるため、作業に時間を要する。また、作業員に、微生物を識別するための、高度かつ専門的な知識と、長い作業経験により培われた熟練とを必要とする。
Therefore, by identifying the microorganisms in the water treatment tank and associating the microorganisms with the state of the sewage treatment, it is possible to determine and evaluate whether or not the sewage treatment is being performed smoothly.
For example, activated sludge in a water treatment tank is sampled and observed with a microscope to confirm the presence of microorganisms that can serve as a standard for evaluating whether or not the sewage treatment is successful, as described above. However, since these operations are basically performed manually, it takes time. In addition, the worker needs advanced and specialized knowledge for identifying microorganisms, and skill cultivated through long working experience.
これに対し、特許文献1には、活性汚泥処理プロセスの活性汚泥中に出現する微生物を同定及び計数し、このデータから生物相診断装置によりプロセスの処理状態を判定する、生物相診断支援システムが開示されている。この生物相診断支援システムにおいては、顕微鏡カメラ又は水中カメラで撮影した処理水の画像データを入力部で取り込み、この画像データから画像認識システムがモデルベーストマッチング方式による画像認識処理により微生物を自動的に同定及び計数する。
認識に必要な微生物の画像モデルはデータベースにあらかじめ登録されている。画像認識は、微生物の撮影画像のエッジを抽出し、微生物の形状をエッジ画像の直線と円弧成分で特定し、この形状をデータベースに登録しておき、処理水の撮影画像から得る特徴データと照合することにより微生物を同定する。
On the other hand, Patent Literature 1 discloses a biota diagnosis support system that identifies and counts microorganisms appearing in activated sludge in an activated sludge treatment process, and determines the treatment state of the process using a biota diagnosis device from the data. It has been disclosed. In this biota diagnosis support system, image data of treated water taken by a microscope camera or underwater camera is taken in by an input unit, and from this image data, an image recognition system automatically extracts microorganisms by image recognition processing using a model-based matching method. Identify and count.
Image models of microorganisms required for recognition are registered in a database in advance. Image recognition involves extracting the edges of a captured image of microorganisms, specifying the shape of the microorganisms using straight and arc components of the edge image, registering this shape in a database, and collating it with feature data obtained from the captured image of treated water. To identify the microorganism.
特許文献1のような生物相診断支援システムは、エッジ抽出等の古典的な画像処理技術に基づくものである。すなわち、データベースにあらかじめ登録されている画像モデルを作成するに際し、微生物の特徴を効果的に抽出する必要がある。この特徴を抽出する作業には、画像処理の高度な知識が必要である。
また、生物相診断支援システムによる微生物の同定、識別を可能とするには、微生物の特徴が顕著に表現されるように、意図的に特徴を抽出する必要があり、これには依然として、微生物に関する高度に専門的な知識を必要とする。
また、多くの微生物の画像に対して一つずつ、生物相診断支援システムによる効果的な同定、識別が可能な程度に、各微生物固有の特徴を抽出するのは手間がかかる。
このように、特許文献1のような生物相診断支援システムでは、専門的な知識が必要となり、事前の準備に手間がかかるため、導入が容易ではない。
更に、微生物は動きにより形状が変化するため、微生物を精度よく同定、識別することは、本来難しい問題である。これを、特に上記のような古典的な画像処理技術に基づいた生物相診断支援システムにより精度よく行うのは、例えば使用される撮影画像によっては微生物の特徴が表現されておらず、微生物の識別が容易ではないこともあるために容易ではなく、実際に、現在において実用化されていない。
The biota diagnosis support system as disclosed in Patent Document 1 is based on a classic image processing technique such as edge extraction. That is, when creating an image model registered in advance in the database, it is necessary to effectively extract the characteristics of microorganisms. The task of extracting this feature requires advanced knowledge of image processing.
In addition, in order to enable the identification and identification of microorganisms by the biota diagnosis support system, it is necessary to intentionally extract characteristics of the microorganisms so that the characteristics of the microorganisms are remarkably expressed. Requires highly specialized knowledge.
In addition, it takes time and effort to extract the unique features of each microorganism to the extent that effective identification and identification by the biota diagnosis support system can be performed one by one for images of many microorganisms.
As described above, in the biota diagnosis support system as in Patent Literature 1, specialized knowledge is required, and it takes time and effort to prepare in advance.
Furthermore, since the shape of a microorganism changes due to movement, it is inherently difficult to accurately identify and identify the microorganism. This is precisely performed by the biota diagnosis support system based on the classical image processing technology as described above, for example, because the characteristics of the microorganisms are not represented by the photographed images used, and the identification of the microorganisms is performed. Is not easy because it may not be easy, and in fact, is not currently in practical use.
本発明が解決しようとする課題は、導入が容易で、精度よく微生物を識別することで汚水処理の運転状況を評価することができる、汚水処理運転状況評価装置及び汚水処理運転状況評価方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a sewage treatment operation condition evaluation apparatus and a sewage treatment operation condition evaluation method that are easy to introduce and can evaluate the operation condition of sewage treatment by accurately identifying microorganisms. It is to be.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、水処理槽に貯留された汚水を微生物により浄化処理する汚水処理施設を対象として、前記水処理槽内に生息する前記微生物を撮像した入力画像を解析して前記微生物がどの識別区分に属するかを計算し、汚水処理の運転状況を評価する、汚水処理運転状況評価装置であって、機械学習器を備え、前記微生物に関する学習画像を含む学習データを前記機械学習器に入力して機械学習を行い、前記微生物の識別に関する識別パラメータを生成する微生物特徴学習部と、前記識別パラメータを用いて、前記入力画像内の前記微生物が属する前記識別区分を計算する微生物識別部と、当該微生物識別部における識別結果を基に前記汚水処理の運転状況を評価する運転状況評価部と、を備えている、汚水処理運転状況評価装置を提供する。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, the present invention is directed to a sewage treatment facility that purifies sewage stored in a water treatment tank with microorganisms, and analyzes an input image obtained by imaging the microorganisms living in the water treatment tank to determine which microorganisms are present. A sewage treatment operation status evaluation device that calculates whether a device belongs to an identification category and evaluates the operation status of sewage treatment, comprising a machine learning device, and inputting learning data including a learning image related to the microorganism to the machine learning device. Performing machine learning, a microorganism feature learning unit that generates an identification parameter related to the identification of the microorganism, a microorganism identification unit that calculates the identification classification to which the microorganism in the input image belongs using the identification parameter, An operation status evaluation unit that evaluates the operation status of the sewage treatment based on the identification result of the microorganism identification unit. To.
また、本発明は、水処理槽に貯留された汚水を微生物により浄化処理する汚水処理施設を対象として、前記水処理槽内に生息する前記微生物を撮像した入力画像を解析して前記微生物がどの識別区分に属するかを計算し、汚水処理の運転状況を評価する、汚水処理運転状況評価方法であって、前記微生物に関する学習画像を含む学習データを機械学習器に入力して機械学習を行い、前記微生物の識別に関する識別パラメータを生成し、前記識別パラメータを用いて、前記入力画像内の前記微生物が属する前記識別区分を計算し、識別結果を基に前記汚水処理の運転状況を評価する、汚水処理運転状況評価方法を提供する。 Further, the present invention is directed to a sewage treatment facility for purifying sewage stored in a water treatment tank with microorganisms, and analyzes an input image obtained by imaging the microorganisms living in the water treatment tank to determine which microorganisms are present. Calculate whether it belongs to the identification section, evaluate the operating state of sewage treatment, is a sewage treatment operation state evaluation method, performing machine learning by inputting learning data including a learning image related to the microorganism to a machine learning device, Generating an identification parameter related to the identification of the microorganism, using the identification parameter, calculating the identification category to which the microorganism belongs in the input image, and evaluating an operation state of the wastewater treatment based on the identification result; A method for evaluating a processing operation state is provided.
本発明によれば、導入が容易で、精度よく微生物を識別することで汚水処理の運転状況を評価することができる、汚水処理運転状況評価装置及び汚水処理運転状況評価方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a sewage treatment operation condition evaluation apparatus and a sewage treatment operation condition evaluation method that are easy to introduce and can evaluate the operation condition of sewage treatment by accurately identifying microorganisms. .
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態における汚水処理運転状況評価装置は、水処理槽に貯留された汚水を微生物により浄化処理する汚水処理施設を対象として、水処理槽内に生息する微生物を撮像した入力画像を解析して微生物がどの識別区分に属するかを計算し、汚水処理の運転状況を評価するものであって、機械学習器を備え、微生物に関する学習画像を含む学習データを機械学習器に入力して機械学習を行い、微生物の識別に関する識別パラメータを生成する微生物特徴学習部と、識別パラメータを用いて、入力画像内の微生物が属する識別区分を計算する微生物識別部と、微生物識別部における識別結果を基に汚水処理の運転状況を評価する運転状況評価部と、を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The sewage treatment operation status evaluation device in the present embodiment is directed to a sewage treatment facility that purifies sewage stored in a water treatment tank with microorganisms, and analyzes an input image of an image of microorganisms living in the water treatment tank. It is used to calculate which classification category a microorganism belongs to and evaluate the operating status of sewage treatment.It is equipped with a machine learning device, and inputs learning data including learning images related to microorganisms to the machine learning device to perform machine learning. A microbial feature learning unit that generates identification parameters related to the identification of microorganisms, a microbial identification unit that calculates the identification classification to which the microorganisms in the input image belong using the identification parameters, and a sewage based on the identification result in the microbial identification unit. An operation status evaluation unit that evaluates the operation status of the process.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態における汚水処理施設のブロック図である。汚水処理施設1は、水処理槽に貯留された汚水を微生物により浄化処理する。
汚水処理施設1は、最初沈殿池2、生物処理反応槽(水処理槽)3、反応槽計測器4、最終沈殿池5、散気板6、ブロア7、曝気調整バルブ8、返送汚泥ポンプ9、汚泥引抜ポンプ10、汚水処理運転状況評価装置20、及び第1〜第5配管L1、L2、L3、L4、L5を備えている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram of a wastewater treatment facility according to the first embodiment. The sewage treatment facility 1 purifies sewage stored in a water treatment tank with microorganisms.
The sewage treatment facility 1 includes a
最初沈殿池2には、有機物を含む汚水が導入される。最初沈殿池2においては、導入された汚水内の小さなゴミや砂等が取り除かれて、大まかな固液分離が行われる。ゴミ等が取り除かれた汚水は、第1配管L1を介して、生物処理反応槽3に送られる。
Sewage containing organic matter is introduced into the
生物処理反応槽3では、微生物により汚水が生物処理され、浄化される。浄化の際に、汚水は曝気等により空気に晒されて、好気的な微生物が、有機物を分解するとともに、有機物を資化することに伴って増殖することにより、活性汚泥が形成される。活性汚泥処理された水は、第2配管L2を介して、最終沈殿池5に送られる。
生物処理反応槽3内の下部には、ブロア7から第3配管L3を介して空気が供給される。第3配管L3の、ブロア7と生物処理反応槽3との間には、曝気調整バルブ8が設けられている。曝気調整バルブ8を開閉すると、曝気量が変化し、これにより生物処理反応槽3内の溶存酸素量が調整されて、微生物による生物処理の進行度合いが制御される。生物処理反応槽3の、第3配管L3により空気が供給される部分には、酸素の溶解効率を高めるための散気板6が設けられている。
In the biological
Air is supplied to the lower part in the biological
最終沈殿池5では、生物処理反応槽3から送られた活性汚泥処理された水に含まれる活性汚泥が沈殿されて、汚水が浄化される。最終沈殿池5で活性汚泥が分離された上澄みは、処理水として系外に放流される。
最終沈殿池5で沈殿した汚泥の一部は、返送汚泥ポンプ9により第4配管L4を通じて再び生物処理反応槽3に戻され、活性汚泥処理に再利用される。残りの汚泥は余剰汚泥として汚泥引抜ポンプ10により第5配管L5を通じて排出されて汚泥処理施設等に送られ、水分を除かれた後に焼却処理される。
In the
Part of the sludge settled in the
本第1実施形態における汚水処理運転状況評価装置20は、上記のような、生物処理反応槽3に貯留された汚水を微生物により浄化処理する汚水処理施設1を対象としている。
上記のような汚水処理施設1においては、汚水処理が順調に行われている場合と、順調ではなく悪化した状態で行われている場合とでは、生物処理反応槽3内に出現し優占化する微生物の種類が異なることがある。例えば、活性汚泥の状態が良好な場合には、Vorticella属、Epistylis属、有殻アメーバ類Arcella属、輪虫類Philodina属等が優占化する。他方、活性汚泥の状態が悪化した場合、及び良好な状態から悪い状態への過渡期においては、鞭毛虫類Bodo属、Monas属、Amoeba属、及びArcella属等が出現する。
The sewage treatment operation status evaluation device 20 according to the first embodiment is intended for the sewage treatment plant 1 that purifies sewage stored in the biological
In the sewage treatment plant 1 as described above, when the sewage treatment is performed smoothly and when the sewage treatment is performed in a deteriorated state instead of smoothly, the sewage treatment appears in the biological
本第1実施形態における汚水処理運転状況評価装置20は、生物処理反応槽3中の微生物を識別し、微生物と汚水処理の状態を対応付けることで、汚水処理が順調に実行されているか否かを判定、評価する。より詳細には、汚水処理運転状況評価装置20は、生物処理反応槽3内に生息する微生物を撮像した入力画像を解析して微生物がどの識別区分に属するかを計算し、汚水処理の運転状況を評価する。
すなわち、汚水処理運転状況評価装置20は、微生物を撮像した入力画像を解析して微生物を識別するものであるため、微生物を、その外観的特徴に依存して識別する。
The sewage treatment operation status evaluation device 20 according to the first embodiment identifies microorganisms in the biological
That is, since the sewage treatment operation status evaluation device 20 analyzes the input image obtained by imaging the microorganism to identify the microorganism, the sewage treatment operation evaluation device 20 identifies the microorganism depending on its appearance characteristics.
ここで、汚水処理運転状況評価装置20が微生物を識別、分類する識別区分としては、生物分類における一階級、例えば一つの「属」に属する微生物の各々において、これら微生物の形状に同じ特徴を備え、なおかつ活性汚泥に対して共通した、すなわち良好か悪化かのいずれか一方の作用をもたらす場合においては、当該「属」が一つの識別区分に相当するようにしてもよい。
また、例えば、一つの「属」に属する微生物の各々において、これら微生物の形状の備える特徴が複数の種類に大別され、その複数の種類の各々において、属する各微生物が活性汚泥の状況に対して共通した、すなわち良好か悪化かのいずれか一方の作用をもたらす場合においては、大別された種類の各々が、一つの識別区分に相当するようにしてもよい。
あるいは、仮に「属」による分類を跨いで、形状の備える特徴及び活性汚泥に対する作用が共通する微生物が複数存在する場合には、これらをまとめて一つの識別区分としてもよい。
Here, as an identification category in which the sewage treatment operation status evaluation device 20 identifies and classifies microorganisms, each of the microorganisms belonging to one class, for example, one "genus" in the biological classification has the same characteristics in the shape of these microorganisms. In addition, in a case where the activated sludge has a common effect, that is, a favorable or degraded effect, the “genus” may correspond to one identification category.
In addition, for example, in each of the microorganisms belonging to one "genus", the characteristics of the shape of these microorganisms are roughly classified into a plurality of types, and in each of the plurality of types, each microorganism belonging to the activated sludge condition. In the case where all the common types, that is, good or bad effects are provided, each of the roughly classified types may correspond to one identification section.
Alternatively, if there are a plurality of microorganisms having the same characteristic of the shape and the action on the activated sludge across the classification by the "genus", these may be collectively set as one identification category.
すなわち、本第1実施形態における汚水処理運転状況評価装置20は、形状に同じ特徴を備え、及び活性汚泥に対する作用が共通している複数の微生物が一つの識別区分に属するように、微生物の種類を複数の識別区分に分割、分類し、汚水処理の運転状況の評価時に、入力画像に撮像されている微生物がどの識別区分に属するかを計算するものである。 In other words, the sewage treatment operation status evaluation device 20 according to the first embodiment has the same characteristics in shape, and the types of microorganisms are such that a plurality of microorganisms having a common action on activated sludge belong to one identification category. Is divided and classified into a plurality of identification categories, and at the time of evaluating the operation status of the sewage treatment, it is calculated to which identification category the microorganisms captured in the input image belong.
以下、汚水処理運転状況評価装置20の詳細を説明する。汚水処理運転状況評価装置20は、撮像装置21と制御装置22を備えている。
Hereinafter, details of the sewage treatment operation status evaluation device 20 will be described. The sewage treatment operation status evaluation device 20 includes an
撮像装置21は、本第1実施形態においては、例えば生物処理反応槽3内に設けられた水中カメラであり、生物処理反応槽3内の活性汚泥を拡大撮影するものである。撮像装置21はこれに限られず、例えば撮像装置21内の活性汚泥を自動的に採取し顕微鏡により拡大して撮像するようなシステムであってもよい。
In the first embodiment, the
制御装置22は、例えばパーソナルコンピュータ等の情報処理装置である。図2は、制御装置22のブロック図である。制御装置22は、微生物撮影部23、画像蓄積部24、微生物特徴学習部25、判定画像取得部26、微生物識別部27、及び運転状況評価部28を備えている。微生物特徴学習部25は、学習画像取得部30、ラベリング部31、学習処理部32、及び学習パラメータ記憶部33を備えている。
これら制御装置22の構成要素のうち、微生物撮影部23、判定画像取得部26、微生物識別部27、運転状況評価部28、学習画像取得部30、ラベリング部31、及び学習処理部32は、例えば上記情報処理装置内のCPUにより実行されるソフトウェア、プログラムであってよい。また、画像蓄積部24及び学習パラメータ記憶部33は、上記情報処理装置内外に設けられた半導体メモリや磁気ディスクなどの記憶装置により実現されていてよい。
The
Among these constituent elements of the
後に説明するように、微生物識別部27は、制御装置22に入力された入力画像内の微生物が属する識別区分を計算し、これを基に運転状況評価部28が汚水処理の運転状況を評価する。この、微生物の識別や汚水処理の運転状況の評価を効果的に行うために、特に微生物特徴学習部25は、後に説明するように機械学習器を備えており、微生物に関する学習画像を含む学習データを機械学習器に入力して機械学習を行い、微生物の識別に関する識別パラメータを生成する。
すなわち、制御装置22は大別して、微生物の識別区分の学習と、運転状況の評価の、2通りの動作を行う。説明を簡単にするために、以下ではまず、識別区分の学習時における、制御装置22の各構成要素の説明をした後に、運転状況の評価時での各構成要素の挙動について説明する。
As will be described later, the
That is, the
微生物撮影部23は、撮像装置21を制御して、生物処理反応槽3内の、あるいは生物処理反応槽3から自動的に採取された、活性汚泥を撮像する。微生物撮影部23は、更に、例えば撮像された画像内から何らかの物体が撮像されている部分を切り出して適切な大きさとなるように拡大し、学習画像として画像蓄積部24へと送信する。
微生物撮影部23は、これら学習画像が、機械学習器の適切な学習に要する枚数となるまで、撮像と画像蓄積部24への送信を実行する。
The
The
画像蓄積部24は、微生物撮影部23から送信された複数枚の学習画像を蓄積、記憶する。
The
微生物特徴学習部25の学習画像取得部30は、画像蓄積部24から学習画像を取得し、ラベリング部31へ送信する。
The learning
ラベリング部31は、学習画像取得部30から送信された学習画像を受信する。
ラベリング部31は、図示されない表示装置に学習画像を逐次表示する。作業者は、表示装置に表示される学習画像を閲覧し、それが微生物である場合には、当該微生物に対応する識別区分に相当するラベルを、学習画像に対応付ける。
識別区分のラベルが対応付けられた学習画像は、後に説明する機械学習器の学習データとなる。すなわち、本第1実施形態における機械学習器は、微生物に関する学習画像と、当該学習画像に対応する微生物の識別区分の情報を教師データとして入力して、教師あり学習を行うものである。
ラベリング部31は、学習データを学習処理部32へと送信する。
The
The
The learning image associated with the label of the identification section becomes learning data of a machine learning device described later. That is, the machine learning device according to the first embodiment performs supervised learning by inputting, as teacher data, a learning image related to a microorganism and information on the identification classification of the microorganism corresponding to the learning image.
The
学習処理部32は、ラベリング部31から学習データを受信する。
学習処理部32は、図3にブロック図として示されている、機械学習器40を備えている。本第1実施形態における機械学習器40は、畳み込み深層学習を行うものであり、特に畳み込みニューラルネットワーク(Convolutional Neural Network)により実現されている。機械学習器40は、人工知能ソフトウェアの一部であるプログラムモジュールとして利用される、適切な学習パラメータが学習された学習済みモデル40Aを生成するものである。
機械学習器40は、畳み込み処理部41と全結合部42を備えている。畳み込み処理部41は、第1畳み込み層44、第2畳み込み層45、及び第3畳み込み層46を備えている。第1畳み込み層44は、入力層47と出力層48を備えている。
The
The
The machine learning device 40 includes a
学習処理部32は、機械学習器40に、学習画像43を入力する。図3においては、学習画像43は、R、G、Bの3つのチャンネル43R、43G、43Bを備えた画像として示されている。
第1畳み込み層44は、図示されない所定の数の第1フィルタを備えている。機械学習器40は、各第1フィルタに対し、これを学習画像43上に位置付け、第1フィルタの学習画像43の各画素の画素値に対して、第1フィルタ内に画素位置に対応して設定された重みを付けて和を計算することで、畳み込みフィルタ処理を実行する。これにより、第1畳み込み層44における1つの画素の画素値が演算される。機械学習器40は、第1フィルタを学習画像43上で所定の解像度刻みで移動させつつ、このような畳み込みフィルタ処理を実行することで複数の画素値を演算し、これを並べて、第1フィルタに対応した1枚の画像を生成する。この画像は、適用された第1フィルタによって第1フィルタに対応した特徴が抽出されたものであるため、第1特徴マップ44mと呼称する。
機械学習器40は、この処理を、全ての第1フィルタに対して実行し、第1フィルタの数に応じた第1特徴マップ44mを生成する。
The
The
The machine learning device 40 executes this processing for all the first filters, and generates the first feature maps 44m according to the number of the first filters.
第1フィルタは、実際には、学習画像43の画素値の強調や平滑化等を重みとして表現したものである。このような第1フィルタを用いて畳み込みフィルタ処理を実行して生成された第1特徴マップ44mにおいては、エッジ特徴等の画像の濃淡パターンが効果的に抽出されている。また、学習画像43の局所的な領域から第1フィルタを通して特徴を抽出するため、学習画像43内に存在する物体の位置のずれに対して頑健となる。
The first filter actually expresses emphasis or smoothing of the pixel value of the learning image 43 as a weight. In the
第1畳み込み層44においては、畳み込みフィルタ処理の後に、プーリング処理が実行される。より詳細には、各第1特徴マップ44mを例えば2×2の大きさの複数の小領域に区切り、各小領域に対して当該小領域内の画素値の最大値を算出して、1つの画素の画素値とすることで、各第1特徴マップ44mの2×2の小領域の各々を1×1の画素へと変換し、情報を縮約させる。すなわち、本第1実施形態においては、プーリング処理は最大プーリング処理である。プーリング処理は、上記のように、各第1特徴マップ44mの局所領域から最大の画素値を選択するため、画像に特化された適切な特徴のみを残すことが可能であり、以降の処理を効率的に行うことができる。
In the
第1畳み込み層44において生成された、プーリング処理された第1特徴マップ44mは、第2畳み込み層45の入力画像となる。
The pooled
第2畳み込み層45においては、第1畳み込み層44と同様に、畳み込みフィルタ処理とプーリング処理が順次実行される。
第2畳み込み層45は、第1畳み込み層44と同様に、所定の数の第2フィルタを備えており、これらを用いて畳み込みフィルタ処理を実行し、更にプーリング処理を実行することで、第2フィルタの数に応じた所定の数の、プーリング処理された第2特徴マップ45mを生成する。
In the
Like the
第3畳み込み層46においても、畳み込みフィルタ処理とプーリング処理が順次実行される。
第3畳み込み層46も、所定の数の第3フィルタを備えており、これらを用いて畳み込みフィルタ処理を実行し、更にプーリング処理を実行することで、第3フィルタの数に応じた所定の数の、プーリング処理された第3特徴マップ46mを生成する。
各第1、第2、及び第3フィルタの重みは、機械学習により調整される。
プーリング処理された第3特徴マップ46mの画素値情報は、入力層47への入力となる。
Also in the
The
The weights of each of the first, second, and third filters are adjusted by machine learning.
The pixel value information of the pooled
入力層47は、所定の数の入力ノード47nを備えている。各入力ノード47nは、プーリング処理された第3特徴マップ46mの全ての画素値と結合しており、層間に結合荷重を備えている。入力層47においては、この結合荷重に基づいて、プーリング処理された第3特徴マップ46mの各画素値情報に対して重み付け和を演算し、その結果にReLU(Rectified Liner Unit)等の出力関数を適用した値が、各入力ノード47nに格納される。
The
本第1実施形態における機械学習器40は、入力された画像内の微生物が複数の識別区分のいずれに属しているかを学習し、機械学習により適切な学習パラメータが学習された学習済みモデル40Aは多クラス分類を行うものである。このため、微生物の識別区分の数をN個とすると、出力層48は、N個の出力ノード48nを備えた構成となっている。この値Nは、例えば、汚水処理運転状況評価装置20が設置される汚水処理施設1において、1年間のうちに出現する可能性がある微生物の総種類を対象として設定され得る。
各出力ノード48nは、入力層47の全ての入力ノード47nと結合しており、層間に結合荷重を備えている。出力層48においては、この結合荷重に基づいて、入力ノード47nに対して重み付け和を演算し、その結果に出力関数を適用した値が、出力ノード48nに格納される。
The machine learning device 40 according to the first embodiment learns to which of a plurality of identification categories the microorganisms in the input image belong, and the learned model 40A in which appropriate learning parameters have been learned by machine learning. Multi-class classification is performed. Therefore, assuming that the number of microorganism classification sections is N, the
Each
機械学習器40においては、第1畳み込み層44に入力された学習画像43が、上記のような畳み込み処理部41と全結合部42において処理され、出力ノード48nに処理結果が格納される。
本第1実施形態においては、入力された画像内の微生物が属する識別区分に対応する出力ノード48nの値が所定の第1判定値、例えば1に近く、他の出力ノード48nの値が所定の第2判定値、例えば0に近い値となるように、設計されている。
In the machine learning device 40, the learning image 43 input to the
In the first embodiment, the value of the
この場合には、機械学習器40に入力された学習画像43に対応するラベル、すなわち微生物が属する識別区分の情報が、当該学習画像43を用いて機械学習器40に学習させる際の正解値として使用される。より詳細には、学習画像43内の微生物が属する識別区分に対応する出力ノード48nが第1判定値を、他の出力ノード48nが第2判定値を、それぞれ本来出力すべきであるものとし、これらの値と実際に機械学習器40から出力された値との2乗誤差を、コスト関数とする。
その上で、このコスト関数を小さくするように、誤差逆伝搬法等により、畳み込み処理部41の各フィルタの重みの値、全結合部42の各結合荷重の値等を調整することで、機械学習器40が機械学習される。
学習処理部32は、機械学習が終了した時点における、これらの、畳み込み処理部41の各フィルタの重みの値、全結合部42の各結合荷重の値等を、学習パラメータとして学習パラメータ記憶部33へ送信する。
In this case, the label corresponding to the learning image 43 input to the machine learning device 40, that is, the information of the identification classification to which the microorganism belongs is used as the correct value when the machine learning device 40 learns using the learning image 43. used. More specifically, it is assumed that the
Then, the weight value of each filter of the
The
学習パラメータ記憶部33は、学習処理部32から学習パラメータを受信して、蓄積、記憶する。
The learning
上記のように、機械学習器40は、微生物の特徴を学習パラメータに反映させて学習済みモデル40Aを生成することにより機械学習を実行する。学習処理部32に記憶されたこの学習パラメータは、次に説明する運転状況の評価において、微生物の識別に関する識別パラメータとして使用される。より詳細には、運転状況の評価においては、学習処理部32により生成された、学習パラメータを備えた学習済みモデル40Aが例えばCPU上でプログラムとして実行されることで、評価対象の画像内の微生物が属する識別区分を特定する。
このように、微生物特徴学習部25は、学習データを機械学習器40に入力して機械学習を行い、微生物の識別に関する識別パラメータを生成する。
As described above, the machine learning device 40 executes machine learning by generating the learned model 40A by reflecting the characteristics of the microorganism on the learning parameter. The learning parameters stored in the
As described above, the microorganism
次に、制御装置22における、運転状況の評価時での各構成要素の挙動について説明する。
Next, the behavior of each component in the
微生物撮影部23は、撮像装置21を制御して、生物処理反応槽3内の、あるいは生物処理反応槽3から自動的に採取された、活性汚泥を撮像して微生物の画像を生成し、入力画像として画像蓄積部24へと送信する。
微生物撮影部23は、これら入力画像が、運転状況の評価に要する枚数となるまで、撮像と画像蓄積部24への送信を実行する。
The
The
画像蓄積部24は、微生物撮影部23から送信された複数枚の入力画像を蓄積、記憶する。
The
判定画像取得部26は、画像蓄積部24から入力画像を取得し、微生物識別部27へ送信する。
The determination
微生物識別部27は、判定画像取得部26から送信された入力画像を受信する。
微生物識別部27は、更に、学習パラメータ記憶部33から学習パラメータ、すなわち微生物の識別に関する識別パラメータを取得する。
微生物識別部27は、識別パラメータを用いて、入力画像内の微生物が属する識別区分を計算する。より詳細には、微生物識別部27は、畳み込み処理部41の各フィルタの重みの値、全結合部42の各結合荷重の値等が上記のように学習済みの値とされた機械学習器40、すなわち学習済みモデル40Aを例えばCPU上でプログラムとして実行し、入力画像を入力することで、識別区分を計算する。
The
The
The
すなわち、図3に示されるように、入力画像49が学習済みモデル40Aの第1畳み込み層44に入力されると、第1畳み込み層44は畳み込みフィルタ処理及びプーリング処理を順次実行する。続いて、第2及び第3畳み込み層45、46が畳み込みフィルタ処理及びプーリング処理をそれぞれ実行して、プーリング処理された第3特徴マップ46mを生成する。
更に、このプーリング処理された第3特徴マップ46mを入力として、全結合部42において重み付け和を演算する処理を実行し、最終的に各出力ノード48nに処理結果が格納される。
That is, as shown in FIG. 3, when the input image 49 is input to the
Further, by using the pooled
各出力ノード48nにおいては、既に説明したように、入力された画像内の微生物が属する識別区分に対応する出力ノード48nの値が所定の第1判定値、例えば1に近く、他の出力ノード48nの値が所定の第2判定値、例えば0に近い値となるように、設計されている。したがって、例えば最も第1判定値に近い出力ノード48nに対応する識別区分が、入力された入力画像49内の微生物が属するものであると識別、特定される。
このように、微生物識別部27は、学習済みモデル40Aに対して入力画像49を入力して、入力画像49内の微生物が属する識別区分を計算する。
微生物識別部27は、全ての入力画像49に対して微生物に対応する識別区分を計算し、計算された全ての識別区分を運転状況評価部28へ送信する。
In each
As described above, the
The
運転状況評価部28は、微生物識別部27から、計算された全ての識別区分を受信する。
運転状況評価部28は、微生物識別部27における識別結果を基に汚水処理の運転状況を評価する。より詳細には、受信した全ての識別区分を統計し、例えばVorticella属、Epistylis属、有殻アメーバ類Arcella属、輪虫類Philodina属等の活性汚泥の状態が良好な場合に優占化する微生物に対応する識別区分の割合が所定の第1閾値以上である場合には、運転状況が良好であると評価する。また、例えば鞭毛虫類Bodo属、Monas属およびAmoeba属等の活性汚泥の状態が悪化した場合、及び良好な状態から悪い状態への過渡期において出現する微生物、例えばArcella属等に対応する識別区分の割合が所定の第2閾値以上である場合には、運転状況が悪化していると評価する。
このように、運転状況評価部28は、複数の入力画像49に対して微生物識別部27によって計算された識別区分ごとの微生物の比率すなわち微生物の出現率を基に、汚水処理の運転状況を評価する。
The operation
The operation
As described above, the operation
次に、図1〜図3、及び図4、図5を用いて、上記の汚水処理運転状況評価装置20によって運転状況を評価する、汚水処理運転状況評価方法を説明する。図4は、汚水処理運転状況評価方法の、学習時のフローチャートである。図5は、汚水処理運転状況評価方法の、汚水処理運転状況評価時のフローチャートである。
本汚水処理運転状況評価方法は、水処理槽に貯留された汚水を微生物により浄化処理する汚水処理施設1を対象として、水処理槽内に生息する微生物を撮像した入力画像を解析して微生物がどの識別区分に属するかを計算し、汚水処理の運転状況を評価するものであって、微生物に関する学習画像を含む学習データを機械学習器40に入力して機械学習を行い、微生物の識別に関する識別パラメータを生成し、識別パラメータを用いて、入力画像内の微生物が属する識別区分を計算し、識別結果を基に汚水処理の運転状況を評価する。
まず、図4を用いて、識別区分の学習時における動作を説明する。
Next, a sewage treatment operation status evaluation method for evaluating the operation status by the sewage treatment operation status evaluation device 20 will be described with reference to FIGS. 1 to 3 and FIGS. 4 and 5. FIG. 4 is a flowchart at the time of learning in the sewage treatment operation status evaluation method. FIG. 5 is a flowchart of the sewage treatment operation status evaluation method when the sewage treatment operation status is evaluated.
This sewage treatment operation status evaluation method is intended for a sewage treatment plant 1 that purifies sewage stored in a water treatment tank with microorganisms. In order to calculate which classification class belongs to, and to evaluate the operation status of sewage treatment, learning data including a learning image relating to microorganisms is input to the machine learning device 40 to perform machine learning, and identification relating to identification of microorganisms is performed. A parameter is generated, a classification to which the microorganism in the input image belongs is calculated using the identification parameter, and an operation state of the sewage treatment is evaluated based on the identification result.
First, the operation at the time of learning the classification section will be described with reference to FIG.
微生物撮影部23は、撮像装置21を制御して、活性汚泥を撮像する(ステップS1)。微生物撮影部23は、更に、例えば撮像された画像内から何らかの物体が撮像されている部分を切り出して適切な大きさとなるように拡大し、学習画像として画像蓄積部24へと送信する。
画像蓄積部24は、微生物撮影部23から送信された複数枚の学習画像を蓄積、記憶する。
The
The
微生物特徴学習部25の学習画像取得部30は、画像蓄積部24から学習画像を取得し、ラベリング部31へ送信する。
ラベリング部31は、学習画像取得部30から送信された学習画像を受信する。
ラベリング部31は、図示されない表示装置に学習画像を逐次表示する。作業者は、表示装置に表示される学習画像を閲覧し、それが微生物である場合には、当該微生物に対応する識別区分に相当するラベルを、学習画像に対応付ける(ステップS3)。
ラベリング部31は、学習データを学習処理部32へと送信する。
The learning
The
The
The
学習処理部32は、ラベリング部31から学習データを受信する。
学習処理部32は、機械学習器40に、学習画像43を入力する。機械学習器40においては、入力された学習画像43が、畳み込み処理部41と全結合部42において処理され、出力ノード48nに処理結果が格納される。
この処理結果に対し、コスト関数を小さくするように、誤差逆伝搬法等により、畳み込み処理部41の各フィルタの重みの値、全結合部42の各結合荷重の値等を調整することで、機械学習器40を機械学習する(ステップS5)。
学習処理部32は、機械学習が終了した時点における、これらの、畳み込み処理部41の各フィルタの重みの値、全結合部42の各結合荷重の値等を、学習パラメータとして学習パラメータ記憶部33へ送信する。
The
The
By adjusting the weight value of each filter of the
The
学習パラメータ記憶部33は、学習処理部32から学習パラメータを受信して、蓄積、記憶する(ステップS7)。
The learning
次に、図5を用いて、運転状況の評価時における動作を説明する。 Next, the operation at the time of evaluating the driving situation will be described with reference to FIG.
微生物撮影部23は、撮像装置21を制御して、活性汚泥を撮像して微生物の画像を生成し、入力画像として画像蓄積部24へと送信する。
画像蓄積部24は、微生物撮影部23から送信された複数枚の入力画像を蓄積、記憶する。
判定画像取得部26は、画像蓄積部24から入力画像49を取得し、微生物識別部27へ送信する(ステップS11)。
The
The
The determination
微生物識別部27は、判定画像取得部26から送信された入力画像49を受信する。
微生物識別部27は、更に、学習パラメータ記憶部33から学習パラメータ、すなわち微生物の識別に関する識別パラメータを取得する。
微生物識別部27は、識別パラメータを用いて、入力画像49内の微生物が属する識別区分を計算する(ステップS13)。より詳細には、微生物識別部27は、畳み込み処理部41の各フィルタの重みの値、全結合部42の各結合荷重の値等が上記のように学習済みの値とされた機械学習器40、すなわち学習済みモデル40Aを例えばCPU上でプログラムとして実行し、入力画像49を入力することで、識別区分を計算する。
微生物識別部27は、全ての入力画像49に対して微生物に対応する識別区分を計算し、計算された全ての識別区分を運転状況評価部28へ送信する。
The
The
The
The
運転状況評価部28は、微生物識別部27から、計算された全ての識別区分を受信する。
運転状況評価部28は、微生物識別部27における識別結果を基に汚水処理の運転状況を評価する(ステップS15)。
The operation
The operation
次に、上記の汚水処理運転状況評価装置及び汚水処理運転状況評価方法の効果について説明する。 Next, the effects of the above-described sewage treatment operation status evaluation apparatus and the sewage treatment operation status evaluation method will be described.
本第1実施形態における汚水処理運転状況評価装置20は、生物処理反応槽(水処理槽)3に貯留された汚水を微生物により浄化処理する汚水処理施設1を対象として、生物処理反応槽3内に生息する微生物を撮像した入力画像49を解析して微生物がどの識別区分に属するかを計算し、汚水処理の運転状況を評価する、汚水処理運転状況評価装置20であって、機械学習器40を備え、微生物に関する学習画像43を含む学習データを機械学習器40に入力して機械学習を行い、微生物の識別に関する識別パラメータを生成する微生物特徴学習部25と、識別パラメータを用いて、入力画像49内の微生物が属する識別区分を計算する微生物識別部27と、微生物識別部27における識別結果を基に汚水処理の運転状況を評価する運転状況評価部28と、を備えている。
上記のような構成によれば、微生物特徴学習部25は、微生物に関する学習画像43を含む学習データを機械学習器40に入力して機械学習を行うため、画像中の微生物の特徴を効果的に抽出して、これを反映した識別パラメータを、自動的に生成可能である。このため、汚水処理運転状況評価装置20を導入するに際し、画像処理の高度な知識が特に求められない。
また、微生物固有の特徴が顕著に表現されるように、作業員が意図的に特徴を抽出する必要がないため、微生物に関する高度に専門的な知識も、特に求められない。本第1実施形態においては、作業者の、微生物にラベルを対応付ける作業が必要ではあるが、微生物の特徴抽出に必要とされるほどの、特に高度な知識は求められない。
したがって、汚水処理運転状況評価装置20の導入が容易である。
また、識別パラメータの精度は、機械学習器40に入力する学習データを多く用意することにより、容易に向上させることができる。
更に、微生物識別部27が、微生物が属する識別区分を計算するに際し、上記のように生成された識別パラメータを用いている。この識別パラメータは、機械学習器40によって微生物の外観を抽象化した特徴が反映されたものである。このため、微生物が属する識別区分を計算するに際し、微生物の撮像された角度、大きさ、色合い、天候や時刻に依存した明度などにより受ける影響等を抑制可能である。
したがって、微生物の属する識別区分の計算精度を、すなわち汚水処理の運転状況の評価の精度を、高めることが可能である。
The sewage treatment operation status evaluation device 20 according to the first embodiment is intended for a sewage treatment plant 1 that purifies sewage stored in a biological treatment reaction tank (water treatment tank) 3 with microorganisms. A sewage treatment operation status evaluation apparatus 20 for analyzing an input image 49 obtained by capturing an image of a microorganism that inhabits the soil, calculating which classification the microorganism belongs to, and evaluating an operation status of the sewage treatment. The learning data including the learning image 43 related to the microorganisms is input to the machine learning device 40 to perform machine learning, and the microorganism
According to the configuration as described above, the microbial
Further, since there is no need for the worker to intentionally extract the characteristics so that the characteristics unique to the microorganism are remarkably expressed, highly specialized knowledge on the microorganism is not particularly required. In the first embodiment, it is necessary for the operator to associate the label with the microorganism, but it is not required to have a particularly high level of knowledge required for extracting the characteristics of the microorganism.
Therefore, introduction of the sewage treatment operation status evaluation device 20 is easy.
In addition, the accuracy of the identification parameter can be easily improved by preparing a large amount of learning data to be input to the machine learning device 40.
Further, when calculating the identification classification to which the microorganism belongs, the
Therefore, it is possible to increase the calculation accuracy of the identification section to which the microorganism belongs, that is, the accuracy of evaluating the operation state of the wastewater treatment.
また、機械学習器40は、畳み込み深層学習を行うものである。特に、本第1実施形態においては、機械学習器40は、畳み込みニューラルネットワークにより実現されている。
上記のような構成によれば、汚水処理運転状況評価装置20を適切に実現可能である。
The machine learning device 40 performs convolution deep learning. In particular, in the first embodiment, the machine learning device 40 is realized by a convolutional neural network.
According to the above configuration, the sewage treatment operation status evaluation device 20 can be appropriately realized.
また、機械学習器40は、学習画像43に加えて、学習画像43に対応する微生物の識別区分の情報を教師データとして入力して微生物の特徴を学習パラメータに反映させて学習済みモデル40Aを生成することにより機械学習を実行し、識別パラメータは学習パラメータである。
更に、微生物識別部27は、学習済みモデル40Aに対して入力画像49を入力して、入力画像49内の微生物が属する識別区分を計算する。
例えば従来の、古典的な画像処理技術に基づいたシステムにおいては、システムへの入力となる撮像画像の明度や画質等は、汚水処理施設1の環境に大きく依存する。このため、運転状況の評価に際し、画像処理における様々なパラメータを、撮像環境に応じて適切に調整しなければならない場合がある。
これに対し、上記のような構成によれば、機械学習器40は機械学習を実行して学習済みモデル40Aを生成し、微生物識別部27は学習パラメータすなわち識別パラメータが反映された学習済みモデル40Aに対して入力画像49を入力して、入力画像49内の微生物が属する識別区分を計算する。すなわち、運転状況の評価において使用される入力画像49は、微生物の特徴が反映された学習済みモデル40Aによって処理されることで効率的に特徴が抽出されるため、撮像環境の影響を低減することができる。したがって、汚水処理運転状況評価装置20の運用が容易となる。
In addition to the learning image 43, the machine learning device 40 inputs information on the identification classification of the microorganism corresponding to the learning image 43 as teacher data and reflects the characteristics of the microorganism on the learning parameter to generate the learned model 40A. To perform machine learning, and the identification parameters are learning parameters.
Further, the
For example, in a conventional system based on a classic image processing technique, the brightness, image quality, and the like of a captured image input to the system greatly depend on the environment of the sewage treatment facility 1. For this reason, in evaluating the driving situation, various parameters in the image processing may need to be appropriately adjusted according to the imaging environment.
On the other hand, according to the above-described configuration, the machine learning device 40 executes the machine learning to generate the learned model 40A, and the
また、機械学習器40は、学習画像43内の微生物が複数の識別区分のいずれに属しているかを学習する。
上記のような構成によれば、1つの機械学習器40のみにより微生物が属する識別区分を計算可能であるため、汚水処理運転状況評価装置20内に設ける機械学習器40の数が低減可能である。すなわち、機械学習する対象となる機械学習器40の数が低減するため、汚水処理運転状況評価装置20の導入が容易である。
Further, the machine learning device 40 learns to which of the plurality of identification sections the microorganism in the learning image 43 belongs.
According to the above configuration, since the classification to which the microorganism belongs can be calculated by only one machine learning device 40, the number of machine learning devices 40 provided in the sewage treatment operation status evaluation device 20 can be reduced. . That is, since the number of machine learning devices 40 to be machine-learned is reduced, it is easy to introduce the sewage treatment operation status evaluation device 20.
また、運転状況評価部28は、複数の入力画像49に対して微生物識別部27によって計算された識別区分ごとの微生物の出現率を基に、汚水処理の運転状況を評価する。
上記のような構成によれば、汚水処理の運転状況を高い精度で評価することができる。
In addition, the operation
According to the above configuration, the operating state of the sewage treatment can be evaluated with high accuracy.
特に、上記のような汚水処理運転状況評価装置20は、微生物の種類が多い場合に有効である。微生物の種類が多くなると、類似した微生物であっても運転状況への影響が異なるものがある可能性があるため、例えば従来の、古典的な画像処理技術に基づいたシステムにおいては、微生物を誤って識別した結果、運転状況を誤って評価する可能性がある。また、従来のシステムにおいては微生物の種類に応じて作業員が特徴を抽出しなければならないため、導入に際して要する手間が微生物の種類に比例して増大する。
これに対し、汚水処理運転状況評価装置20においては、微生物の種類が増大した場合においても、機械学習器40が微生物の特徴を正確にとらえて識別区分ごとに識別、計算するように学習するため運転状況の誤評価を抑制でき、かつ、学習データを作成すれば特徴の抽出自体は自動でなされるため導入コストの増加も微細である。このように、汚水処理運転状況評価装置20に関して既に説明した上記の効果の各々は、従来のシステムに比べると、微生物の種類が多い場合により顕著となり得る。
In particular, the sewage treatment operation status evaluation device 20 as described above is effective when there are many types of microorganisms. When the types of microorganisms increase, even if there are similar microorganisms, there is a possibility that the influence on the driving situation will be different.For example, in a system based on the classic image processing technology of the related art, the microorganisms may be mistaken. As a result, the driving situation may be erroneously evaluated. In addition, in the conventional system, since a worker must extract characteristics according to the type of microorganism, the labor required for introduction increases in proportion to the type of microorganism.
On the other hand, in the sewage treatment operation status evaluation device 20, even when the types of microorganisms increase, the machine learning device 40 learns to accurately capture the characteristics of the microorganisms and to identify and calculate each identification classification. If the erroneous evaluation of the driving situation can be suppressed, and if the learning data is created, the feature extraction itself is automatically performed, so that the increase in the introduction cost is minute. Thus, each of the above-mentioned effects already described for the sewage treatment operation status evaluation device 20 can be more remarkable when there are many types of microorganisms as compared with the conventional system.
[第1実施形態の変形例]
次に、図6を用いて、上記第1実施形態として示した汚水処理運転状況評価装置及び汚水処理運転状況評価方法の変形例を説明する。図6は、本変形例における汚水処理運転状況評価装置の学習処理部が備える、機械学習器50のブロック図である。本変形例における汚水処理運転状況評価装置は、上記第1実施形態の汚水処理運転状況評価装置20とは、機械学習器50の構成が異なっている。
[Modification of First Embodiment]
Next, a modified example of the sewage treatment operation status evaluation apparatus and the sewage treatment operation status evaluation method shown as the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram of the
上記第1実施形態においては、学習処理部32は、微生物の識別区分の数をN個とした場合にNクラス分類を学習する機械学習器40を1つだけ備えていた。本変形例における学習処理部が備える機械学習器50は、N個の機械学習器50−1〜50−Nを備えている。
機械学習器50−1〜50−Nの各々は、微生物の識別区分の各々に対応しており、入力された画像内の微生物が対応する識別区分に属しているか否かを学習する。すなわち、本変形例における、機械学習により適切な学習パラメータが学習された各学習済みモデルは、2クラス分類を行うものである。
In the first embodiment, the
Each of the machine learning devices 50-1 to 50-N corresponds to each of the identification sections of the microorganism, and learns whether or not the microorganisms in the input image belong to the corresponding identification section. That is, in this modified example, each learned model in which appropriate learning parameters have been learned by machine learning performs two-class classification.
より詳細には、機械学習器50−1〜50−Nの各々の出力層58は、2つの出力ノード58a、58bを備えている。機械学習器50−1〜50−Nの各々は、入力された画像中に対応する識別区分の微生物が無い場合に一方の出力ノード58aの値が所定の第1判定値、例えば1に近く、他方の出力ノード58bの値が所定の第2判定値、例えば0に近い値となるように、なおかつ、微生物が有る場合に出力ノード58aの値が第2判定値に近く、出力ノード58bの値が第1判定値に近い値となるように、設計されている。
このような機械学習器50−1〜50−Nの各々に対し、微生物に関する学習画像と、当該機械学習器に対応する識別区分に学習画像内の微生物が属しているか否かの情報を教師データとして入力して、教師あり学習が行われる。
学習パラメータ記憶部はこのように機械学習された、複数の機械学習器50−1〜50−Nの各々の、畳み込み処理部51の各フィルタの重みの値、全結合部52の各結合荷重の値等を、学習パラメータとして蓄積、記憶する。
More specifically, each
For each of the machine learning devices 50-1 to 50-N, a learning image related to the microorganism and information on whether or not the microorganism in the learning image belongs to the identification section corresponding to the machine learning device is included in the teacher data. And supervised learning is performed.
The learning parameter storage unit stores the weight of each filter of the
微生物識別部は、判定画像取得部から受信した入力画像の各々を、機械学習器50−1〜50−Nの各々に対応する全ての学習済みモデルに入力し、各学習済みモデルによる、対応する識別区分に属する微生物の有無の判定結果を集計することで、入力画像内の微生物が属する識別区分を計算する。 The microorganism identification unit inputs each of the input images received from the determination image acquisition unit to all the learned models corresponding to each of the machine learning devices 50-1 to 50-N, and performs a corresponding operation based on each learned model. The identification section to which the microorganism in the input image belongs is calculated by summing up the determination results of the presence / absence of the microorganism belonging to the identification section.
本変形例が、既に説明した第1実施形態と同様な効果を奏することは言うまでもない。
特に、本変形例においては、微生物の識別区分ごとに、対応する機械学習器50−1〜50−Nを備え、機械学習器50−1〜50−Nの各々は、学習画像内の微生物が対応する識別区分に属しているか否かを学習する。
上記のような構成によれば、機械学習器50−1〜50−Nの各々が、対応する識別区分に特化して機械学習されるため、微生物の識別区分をより正確に計算することができる。
また、例えば複数の微生物が撮像された画像が入力画像として入力されてしまった場合において、上記第1実施形態の汚水処理運転状況評価装置20では、学習済みモデル40Aが微生物の属する識別区分の判断をしあぐねた結果、これら複数の微生物の属する識別区分の各々に対応する複数の出力ノード48nが、例えば第1判定値と第2判定値の中間の値を出力するような事態が生じ得る。これに対し、本変形例の構成では、各学習済みモデルは対応する識別区分に属する微生物のみを検出するように動作するため、複数の微生物が撮像されている入力画像に対しては、各識別区分に対応する学習済みモデル50−1〜50−Nの出力ノード58bが第1判定値に近い値を出力する。したがって、入力画像内に複数の微生物が撮像されているような場合であっても、各微生物に対応する識別区分を正確に計算、特定することができる。
It is needless to say that the present modified example has the same effects as those of the first embodiment already described.
In particular, in the present modification, the corresponding machine learning devices 50-1 to 50-N are provided for each classification of the microorganisms, and each of the machine learning devices 50-1 to 50-N is configured such that the microorganisms in the learning image are It learns whether it belongs to the corresponding identification section.
According to the above configuration, each of the machine learning devices 50-1 to 50-N is machine-learned specifically for the corresponding identification section, so that the identification section of the microorganism can be calculated more accurately. .
Further, for example, when an image obtained by capturing a plurality of microorganisms is input as an input image, in the sewage treatment operation status evaluation device 20 of the first embodiment, the learned model 40A determines the identification classification to which the microorganism belongs. As a result, a situation may arise in which the plurality of
[第2実施形態]
次に、第2実施形態における汚水処理運転状況評価装置60を説明する。本第2実施形態においては、上記第1実施形態と共通する構成については図中に同じ符号を付して説明を省略する。
汚水処理運転状況評価装置60は、第1実施形態における汚水処理運転状況評価装置20と同様に、図1を用いて説明した汚水処理施設1に用いられている。
汚水処理運転状況評価装置60は、撮像装置21と制御装置62を備えている。
撮像装置21は第1実施形態と同様なものである。
[Second embodiment]
Next, a wastewater treatment operation
The sewage treatment operation
The sewage treatment operation
The
制御装置62は、例えばパーソナルコンピュータ等の情報処理装置である。図7は、制御装置62のブロック図である。制御装置62は、微生物撮影部23、画像蓄積部24、微生物特徴学習部65、判定画像取得部26、特徴量抽出部68、特徴量蓄積部69、判定特徴量取得部70、微生物識別部71、及び運転状況評価部28を備えている。微生物特徴学習部65は、機械学習部66とクラスタリング部67を備えている。機械学習部66は、学習画像取得部30、学習処理部81、及び学習パラメータ記憶部82を備えている。クラスタリング部67は、学習特徴量取得部83、クラスタリング実行部84、クラスタリングパラメータ記憶部85、結果提示部86、及び対応付け記憶部88を備えている。
これら制御装置22の構成要素のうち、微生物撮影部23、判定画像取得部26、特徴量抽出部68、判定特徴量取得部70、微生物識別部71、運転状況評価部28、学習画像取得部30、学習処理部81、学習特徴量取得部83、クラスタリング実行部84、及び結果提示部86は、例えば上記情報処理装置内のCPUにより実行されるソフトウェア、プログラムであってよい。また、画像蓄積部24、特徴量蓄積部69、学習パラメータ記憶部82、クラスタリングパラメータ記憶部85、及び対応付け記憶部88は、上記情報処理装置内外に設けられた半導体メモリや磁気ディスクなどの記憶装置により実現されていてよい。
The
Among the components of the
第1実施形態と同様に、制御装置62は大別して、微生物の識別区分の学習と、運転状況の評価の、2通りの動作を行う。説明を簡単にするために、以下ではまず、識別区分の学習時における、制御装置62の各構成要素の説明をした後に、運転状況の評価時での各構成要素の挙動について説明する。
As in the first embodiment, the
微生物撮影部23は、撮像装置21を制御して、活性汚泥を撮像する。微生物撮影部23は、更に、例えば撮像された画像内から何らかの物体が撮像されている部分を切り出して適切な大きさとなるように拡大し、学習画像として画像蓄積部24へと送信する。
微生物撮影部23は、これら学習画像が、機械学習器の適切な学習に要する枚数となるまで、撮像と画像蓄積部24への送信を実行する。
The
The
画像蓄積部24は、微生物撮影部23から送信された複数枚の学習画像を蓄積、記憶する。
The
微生物特徴学習部65の、機械学習部66の学習画像取得部30は、画像蓄積部24から学習画像を取得し、これを学習データとして学習処理部81へ送信する。
学習画像取得部30は、後に説明する特徴量抽出部68へも、学習画像を送信する。
The learning
The learning
学習処理部81は、学習画像取得部30から学習データを受信する。
学習処理部81は、図8にブロック図として示されている、機械学習器90を備えている。本第2実施形態における機械学習器90は、畳み込み深層学習を行うものであり、特に畳み込みオートエンコーダ(Convolutional Autoencoder)により実現されている。機械学習器90は、人工知能ソフトウェアの一部であるプログラムモジュールとして利用される、適切な学習パラメータが学習された学習済みモデルを生成するものである。
機械学習器90は、畳み込み処理部91、全結合層92、及び逆畳み込み処理部93を備えている。畳み込み処理部91は、第1〜第3畳み込み層91a、91b、91cを備えている。全結合層92は、第1〜第3全結合層92a、92b、92cを備えている。逆畳み込み処理部93は、第1〜第3逆畳み込み層93a、93b、93cを備えている。
The
The
The
学習処理部81は、機械学習器90に、学習画像43を入力する。畳み込み処理部91の第1〜第3畳み込み層91a、91b、91cは、第1実施形態における畳み込み処理部41と同様な処理により、全結合層92への入力となる特徴マップ91mを生成する。
第3畳み込み層91cは、全結合層92の、所定の数のノード92lを備えた第1全結合層92aに接続されている。特徴マップ91mの値は、第1実施形態と同様に、第1全結合層92aの各ノード92lへと格納される。
The
The third
第2全結合層92bも、第1全結合層92aと同様に、所定の数のノード92mを備えている。第2全結合層92bのノード92mの数は、第1全結合層92aのノード92lの数よりも少なくなっている。第2全結合層92bの各ノード92mは、第1全結合層92aの全てのノード92lと結合しており、層間に結合荷重を備えている。第2全結合層92bにおいては、この結合荷重に基づいて、第1全結合層92aのノード92lに対して重み付け和を演算し、その結果に出力関数を適用した値が、第2全結合層92bの各ノード92mに格納される。
The second fully coupled
第3全結合層92cは、第1全結合層92aと同じ数のノード92nを備えている。第3全結合層92cの各ノード92nは、第2全結合層92bの全てのノード92mと結合しており、層間に結合荷重を備えている。第3全結合層92cにおいては、この結合荷重に基づいて、第2全結合層92bのノード92mに対して重み付け和を演算し、その結果に出力関数を適用した値が、第3全結合層92cの各ノード92nに格納される。
The third fully coupled
第3全結合層92cの各ノード92nの値は、逆畳み込み処理部93へと入力される。逆畳み込み処理部93においては、畳み込み処理部91と対称的な処理が実行される。すなわち、学習画像43は畳み込み処理部91により全結合層92に至るまでに低次元に圧縮されたが、逆畳み込み処理部93においては、低次元に圧縮された状態から復元されるように動作する。より詳細には、第3畳み込み層91cと略対称的な処理を行う第1逆畳み込み層93a、第2畳み込み層91bと略対称的な処理を行う第2逆畳み込み層93b、及び第1畳み込み層91aと略対称的な処理を行う第3逆畳み込み層93cを順に経ることで、学習画像43と同じ解像度を備える画像94が生成される。
機械学習器90においては、この生成された画像94が、学習画像43を再現した再現画像94となるように、機械学習が行われる。すなわち、本第2実施形態における機械学習器90は、微生物に関する学習画像43のみを学習データとして、特に作業員によるラベルの対応付け作業により生じる情報を必要とせずに、学習を行うものである。
The value of each
In the
機械学習器90の学習は、上記第1実施形態と同様に、微生物の属する識別区分の計算の際に用いる学習済みモデルを生成するために実行されるものであるが、第1実施形態とは異なり、機械学習器90の学習において設定された全てのパラメータが、学習済みモデルとして使用されるわけではない。
既に説明したように、機械学習器90は畳み込みオートエンコーダであり、学習画像43は畳み込み処理部91において低次元に圧縮されて全結合層92の第1全結合層92aに入力され、更に第2全結合層92bにおいて最大限に圧縮された後に、再現画像94へと復元される。すなわち、第2全結合層92bは、入力された画像の備える特徴が最も圧縮された状態となる部分であり、ノード92mの値は、画像内の微生物の特徴を抽象的に凝縮した特徴量として扱うことができる。
The learning of the
As already described, the
本第2実施形態は、概念的には、畳み込みオートエンコーダのこの特性を利用し、学習が終了した機械学習器90に対して学習画像43の各々を入力して各学習画像43に対応する第2全結合層92bの各ノード92mの値を特徴量として保存する。この状態で、運転状況の評価に際し入力された画像に対して学習済みモデルを実行して当該画像に対する第2全結合層92bの各ノード92mの値すなわち特徴量を導出し、これを事前に保存された学習画像43の特徴量と比較することで、入力画像中の微生物の識別区分を計算するものである。
このため、本第2実施形態においては、図8において二点鎖線で囲われた、第1畳み込み層91aから第2全結合層92bまでの部分が学習済みモデル95に相当する。したがって、この部分にける各パラメータの値、すなわち畳み込み処理部91の各フィルタの重みの値、全結合層92の第2全結合層92bまでの各結合荷重の値等が、本第2実施形態における学習パラメータとなる。
学習処理部81は、機械学習が終了した時点における上記学習パラメータを学習パラメータ記憶部82へ送信する。
The second embodiment conceptually utilizes this characteristic of the convolutional auto-encoder, inputs each of the learning images 43 to the
Therefore, in the second embodiment, the portion from the
The
このように、微生物特徴学習部65の機械学習部66は、微生物に関する学習画像43を学習データとして機械学習器90に入力して機械学習を行う。また、機械学習器90は、学習データを入力して微生物の特徴を学習パラメータに反映させて学習済みモデル95を生成することにより機械学習を実行する。
As described above, the machine learning unit 66 of the microorganism
学習パラメータ記憶部82は、学習処理部81から学習パラメータを受信して、蓄積、記憶する。
The learning
特徴量抽出部68は、学習画像取得部30から、各学習画像43を受信する。
また、特徴量抽出部68は、学習パラメータ記憶部82から学習パラメータを取得する。
特徴量抽出部68は、学習パラメータ、すなわち畳み込み処理部91の各フィルタの重みの値、全結合層92の第2全結合層92bまでの各結合荷重の値等が上記のように学習済みの値とされた学習済みモデル95を例えばCPU上でプログラムとして実行し、第2全結合層92bの各ノード92mの値、すなわち各学習画像43に対応する特徴量を計算する。
このように、特徴量抽出部68は、学習済みモデル95に対して再度学習画像43を入力して、学習画像43内の微生物の特徴を特徴量として抽出する。
特徴量抽出部68は、各学習画像43に対して、学習画像43と計算した特徴量の組み合わせを、特徴量蓄積部69へ送信する。
The feature
In addition, the feature
The feature
As described above, the feature
The feature
特徴量蓄積部69は、特徴量抽出部68から学習画像43と特徴量の組み合わせを受信して、蓄積、記憶する。
特徴量蓄積部69に記憶された学習画像43と特徴量の組み合わせは、次に説明するクラスタリング部67において使用される。クラスタリング部67は、学習画像43の各々に対応する複数の特徴量を、教師なしクラスタリングによって、各識別区分に対応する複数の集合に分割する。
The
The combination of the learning image 43 and the feature amount stored in the feature
微生物特徴学習部65の、クラスタリング部67の学習特徴量取得部83は、特徴量蓄積部69から、全ての、学習画像43と特徴量の組み合わせを取得し、クラスタリング実行部84へ送信する。
The learning feature
クラスタリング実行部84は、学習特徴量取得部83から全ての学習画像43と特徴量の組み合わせを受信する。
クラスタリング実行部84は、全ての特徴量に対して、クラスタリングを実行する。クラスタリング手法としては、混合正規分布などの統計モデルを仮定した手法や、SVM(Support Vector Machine)などの機械学習手法等が適用可能である。
クラスタリングの結果として、各特徴量が複数の集合に分類され、各特徴量には、対応する集合に紐づけられたクラスタIDが付与される。
クラスタリング実行部84は、クラスタリング部における分類の結果として設定されたクラスタリングパラメータと、全ての、学習画像43と特徴量及びクラスタIDの組み合わせを、クラスタリングパラメータ記憶部85に送信する。
The
The
As a result of the clustering, each feature amount is classified into a plurality of sets, and each feature amount is assigned a cluster ID associated with the corresponding set.
The
クラスタリングパラメータ記憶部85は、クラスタリング実行部84からクラスタリングパラメータと、全ての、学習画像43と特徴量及びクラスタIDの組み合わせを受信して、蓄積、記憶する。
The clustering
結果提示部86は、クラスタリングパラメータ記憶部85から、学習画像43と特徴量及びクラスタIDの組み合わせを取得する。
結果提示部86は、取得した情報を基に、各集合を代表する学習画像43とこれに対応するクラスタIDを、図示されない表示装置等により、作業者に提示する。
上記において、各集合を代表する学習画像43としては、例えば混合正規分布を仮定したクラスタリングの場合においては、各混合成分の(平均、分散)に最も近いパラメータを有する画像が、SVMによる分類の場合においては、パラメータ空間上でクラス境界面から最も遠い場所に位置する画像が、それぞれ考えられる。
これを基に、作業者は、図示されない入力装置等により、各クラスタIDに対して対応する微生物の識別区分、例えば種類を表すラベルを付与する。
結果提示部86は、クラスタIDと付与されたラベルの、全ての組み合わせを、対応付け記憶部88へ送信する。
The
The
In the above description, as the learning image 43 representing each set, for example, in the case of clustering assuming a mixture normal distribution, an image having a parameter closest to the (average, variance) of each mixture component is used in the case of classification by SVM. In, an image located farthest from the class boundary in the parameter space can be considered.
Based on this, the operator assigns an identification section of the corresponding microorganism, for example, a label indicating the type, to each cluster ID using an input device or the like (not shown).
The
対応付け記憶部88は、結果提示部86から、クラスタIDとラベルの全ての組み合わせを受信して、蓄積、記憶する。
The
次に、制御装置62における、運転状況の評価時での各構成要素の挙動について説明する。
Next, the behavior of each component at the time of evaluation of the driving situation in the
微生物撮影部23は、撮像装置21を制御して微生物の画像を生成し、入力画像として画像蓄積部24へと送信する。
微生物撮影部23は、これら入力画像が、運転状況の評価に要する枚数となるまで、撮像と画像蓄積部24への送信を実行する。
The
The
画像蓄積部24は、微生物撮影部23から送信された複数枚の入力画像を蓄積、記憶する。
The
判定画像取得部26は、画像蓄積部24から入力画像を取得し、特徴量抽出部68へ送信する。
The determination
特徴量抽出部68は、判定画像取得部26から送信された入力画像を受信する。
また、特徴量抽出部68は、学習パラメータ記憶部82から学習パラメータを取得する。
特徴量抽出部68は、学習パラメータが反映された学習済みモデル95を例えばCPU上でプログラムとして実行し、第2全結合層92bの各ノード92mの値である、入力画像49に対応する特徴量を計算する。すなわち、特徴量抽出部68は、学習済みモデル95に対して入力画像49を入力して、入力画像49内の微生物の特徴を特徴量として抽出する。
特徴量抽出部68は、各入力画像49に対して、特徴量を特徴量蓄積部69へ送信する。
The feature
In addition, the feature
The feature
The feature
特徴量蓄積部69は、特徴量抽出部68から各入力画像49に対応する特徴量を受信して、蓄積、記憶する。
The feature
判定特徴量取得部70は、特徴量蓄積部69から各入力画像49に対応する特徴量を取得し、微生物識別部71へ送信する。
The determination feature
微生物識別部71は、判定特徴量取得部70から送信された全ての特徴量を受信する。
微生物識別部71は、クラスタリングパラメータ記憶部85から、クラスタリング部における分類の結果として設定されたクラスタリングパラメータを取得する。
微生物識別部71は、更に、対応付け記憶部88から、クラスタIDとラベルの全ての組み合わせを取得する。
微生物識別部71は、クラスタリングパラメータを使用し、入力画像49から生成された各特徴量に対するクラスタIDを算出する。微生物識別部71は、特徴量毎に、このクラスタIDに対応するラベル、すなわち微生物が属する識別区分を計算する。
このように、微生物識別部71は、クラスタリングパラメータを基に、入力画像49内の微生物の特徴量が、複数の集合のいずれに該当するかを計算することにより、微生物が属する識別区分を計算する。
The
The
The
The
As described above, the
上記のように、本第2実施形態においては、微生物識別部71は、微生物特徴学習部65によって生成されてクラスタリングパラメータ記憶部85に記憶されたクラスタリングパラメータを、微生物の識別に関する識別パラメータとして用いて、入力画像49内の微生物が属する識別区分を計算する。
既に説明したように、本第2実施形態における識別パラメータ、すなわちクラスタリングパラメータは、学習済みの機械学習器90における学習パラメータを基にして生成された各学習画像の特徴量をクラスタリングすることにより生成されている。
As described above, in the second embodiment, the
As described above, the identification parameter, that is, the clustering parameter in the second embodiment is generated by clustering the feature amount of each learning image generated based on the learning parameter in the learned
微生物識別部71は、運転状況評価部28に、計算された全ての識別区分を運転状況評価部28へ送信する。
The
運転状況評価部28は、微生物識別部71から、計算された全ての識別区分を受信する。
運転状況評価部28は、微生物識別部71における識別結果を基に汚水処理の運転状況を評価する。より詳細には、受信した全ての識別区分を統計し、例えばVorticella属、Epistylis属、有殻アメーバ類Arcella属、輪虫類Philodina属等の活性汚泥の状態が良好な場合に優占化する微生物に対応する識別区分の割合が所定の第1閾値以上である場合には、運転状況が良好であると評価する。また、例えば鞭毛虫類Bodo属、Monas属およびAmoeba属等の活性汚泥の状態が悪化した場合、及び良好な状態から悪い状態への過渡期において出現する微生物、例えばArcella属等に対応する識別区分の割合が所定の第2閾値以上である場合には、運転状況が悪化していると評価する。
このように、運転状況評価部28は、複数の入力画像49に対して微生物識別部71によって計算された識別区分ごとの微生物の比率すなわち微生物の出現率を基に、汚水処理の運転状況を評価する。
The operation
The operation
As described above, the operation
次に、図1、図7、図8、及び図9、図10を用いて、上記の汚水処理運転状況評価装置60によって運転状況を評価する、汚水処理運転状況評価方法を説明する。図9は、汚水処理運転状況評価方法の、学習時のフローチャートである。図10は、汚水処理運転状況評価方法の、汚水処理運転状況評価時のフローチャートである。
まず、図9を用いて、識別区分の学習時における動作を説明する。
Next, a sewage treatment operation status evaluation method for evaluating the operation status by the sewage treatment operation
First, the operation at the time of learning the identification section will be described with reference to FIG.
微生物撮影部23は、撮像装置21を制御して、活性汚泥を撮像する(ステップS21)。微生物撮影部23は、更に、例えば撮像された画像内から何らかの物体が撮像されている部分を切り出して適切な大きさとなるように拡大し、学習画像として画像蓄積部24へと送信する。
画像蓄積部24は、微生物撮影部23から送信された複数枚の学習画像を蓄積、記憶する。
The
The
微生物特徴学習部65の、機械学習部66の学習画像取得部30は、画像蓄積部24から学習画像を取得し、これを学習データとして学習処理部81へ送信する。
学習画像取得部30は、特徴量抽出部68へも、学習画像を送信する。
The learning
The learning
学習処理部81は、学習画像取得部30から学習データを受信する。
学習処理部81は、機械学習器90に、学習画像43を入力し、機械学習器90を機械学習する。
学習処理部81は、機械学習が終了した時点における学習パラメータを学習パラメータ記憶部82へ送信する。
The
The
The
学習パラメータ記憶部82は、学習処理部81から学習パラメータを受信して、蓄積、記憶する。
The learning
特徴量抽出部68は、学習画像取得部30から、各学習画像43を受信する。
また、特徴量抽出部68は、学習パラメータ記憶部82から学習パラメータを取得する。
特徴量抽出部68は、学習パラメータ、すなわち畳み込み処理部91の各フィルタの重みの値、全結合層92の第2全結合層92bまでの各結合荷重の値等が上記のように学習済みの値とされた学習済みモデル95を例えばCPU上でプログラムとして実行し、第2全結合層92bの各ノード92mの値、すなわち各学習画像43に対応する特徴量を計算する。
このように、特徴量抽出部68は、学習済みモデル95に対して学習画像43を入力して、学習画像43内の微生物の特徴を特徴量として抽出する(ステップS23)。
特徴量抽出部68は、各学習画像43に対して、学習画像43と計算した特徴量の組み合わせを、特徴量蓄積部69へ送信する。
The feature
In addition, the feature
The feature
As described above, the feature
The feature
特徴量蓄積部69は、特徴量抽出部68から学習画像43と特徴量の組み合わせを受信して、蓄積、記憶する。
The
微生物特徴学習部65の、クラスタリング部67の学習特徴量取得部83は、特徴量蓄積部69から、全ての、学習画像43と特徴量の組み合わせを取得し、クラスタリング実行部84へ送信する。
The learning feature
クラスタリング実行部84は、学習特徴量取得部83から全ての学習画像43と特徴量の組み合わせを受信する。
クラスタリング実行部84は、全ての特徴量に対して、クラスタリングを実行する(ステップS25)。
クラスタリングの結果として、各特徴量が複数の集合に分類され、各特徴量には、対応する集合に紐づけられたクラスタIDが付与される。
クラスタリング実行部84は、クラスタリング部における分類の結果として設定されたクラスタリングパラメータと、全ての、学習画像43と特徴量及びクラスタIDの組み合わせを、クラスタリングパラメータ記憶部85に送信する。
The
The
As a result of the clustering, each feature amount is classified into a plurality of sets, and each feature amount is assigned a cluster ID associated with the corresponding set.
The
クラスタリングパラメータ記憶部85は、クラスタリング実行部84からクラスタリングパラメータと、全ての、学習画像43と特徴量及びクラスタIDの組み合わせを受信して、蓄積、記憶する(ステップS27)。
The clustering
結果提示部86は、クラスタリングパラメータ記憶部85から、学習画像43と特徴量及びクラスタIDの組み合わせを取得する。
結果提示部86は、取得した情報を基に、各集合を代表する学習画像43とこれに対応するクラスタIDを、図示されない表示装置等により、作業者に提示する。
作業者は、図示されない入力装置等により、各クラスタIDに対して対応する微生物の識別区分、例えば種類を表すラベルを付与する(ステップS29)。
結果提示部86は、クラスタIDと付与されたラベルの、全ての組み合わせを、対応付け記憶部88へ送信する。
The
The
The operator assigns an identification classification of the corresponding microorganism, for example, a label indicating the type to each cluster ID using an input device or the like (not shown) (step S29).
The
対応付け記憶部88は、結果提示部86から、クラスタIDとラベルの全ての組み合わせを受信して、蓄積、記憶する。
The
次に、図10を用いて、運転状況の評価時における動作を説明する。 Next, the operation at the time of evaluating the driving situation will be described with reference to FIG.
微生物撮影部23は、撮像装置21を制御して微生物の画像を生成し、入力画像として画像蓄積部24へと送信する。
画像蓄積部24は、微生物撮影部23から送信された複数枚の入力画像を蓄積、記憶する。
判定画像取得部26は、画像蓄積部24から入力画像を取得し、特徴量抽出部68へ送信する。
The
The
The determination
特徴量抽出部68は、判定画像取得部26から送信された入力画像を受信する。
また、特徴量抽出部68は、学習パラメータ記憶部82から学習パラメータを取得する。
特徴量抽出部68は、学習パラメータが反映された学習済みモデル95を例えばCPU上でプログラムとして実行し、第2全結合層92bの各ノード92mの値である、入力画像49に対応する特徴量を計算する。すなわち、特徴量抽出部68は、学習済みモデル95に対して入力画像49を入力して、入力画像49内の微生物の特徴を特徴量として抽出する(ステップS31)。
特徴量抽出部68は、各入力画像49に対して、特徴量を特徴量蓄積部69へ送信する。
The feature
In addition, the feature
The feature
The feature
特徴量蓄積部69は、特徴量抽出部68から各入力画像49に対応する特徴量を受信して、蓄積、記憶する。
判定特徴量取得部70は、特徴量蓄積部69から各入力画像49に対応する特徴量を取得し、微生物識別部71へ送信する。
The feature
The determination feature
微生物識別部71は、判定特徴量取得部70から送信された全ての特徴量を受信する。
微生物識別部71は、クラスタリングパラメータ記憶部85から、クラスタリング部における分類の結果として設定されたクラスタリングパラメータを取得する。
微生物識別部71は、更に、対応付け記憶部88から、クラスタIDとラベルの全ての組み合わせを取得する。
微生物識別部71は、クラスタリングパラメータを使用し、入力画像49から生成された各特徴量に対するクラスタIDを算出する。微生物識別部71は、特徴量毎に、このクラスタIDに対応するラベル、すなわち微生物が属する識別区分を計算する(ステップS33)。
微生物識別部71は、運転状況評価部28に、計算された全ての識別区分を運転状況評価部28へ送信する。
The
The
The
The
The
運転状況評価部28は、微生物識別部71から、計算された全ての識別区分を受信する。
運転状況評価部28は、微生物識別部71における識別結果を基に汚水処理の運転状況を評価する(ステップS35)。
The operation
The operation
次に、上記の汚水処理運転状況評価装置及び汚水処理運転状況評価方法の効果について説明する。 Next, the effects of the above-described sewage treatment operation status evaluation apparatus and the sewage treatment operation status evaluation method will be described.
本第2実施形態における汚水処理運転状況評価装置60は、生物処理反応槽(水処理槽)3に貯留された汚水を微生物により浄化処理する汚水処理施設1を対象として、水処理槽内に生息する微生物を撮像した入力画像49を解析して微生物がどの識別区分に属するかを計算し、汚水処理の運転状況を評価する、汚水処理運転状況評価装置60であって、機械学習器90を備え、微生物に関する学習画像43を含む学習データを機械学習器90に入力して機械学習を行い、微生物の識別に関する識別パラメータを生成する微生物特徴学習部65と、識別パラメータを用いて、入力画像43内の微生物が属する識別区分を計算する微生物識別部71と、微生物識別部71における識別結果を基に汚水処理の運転状況を評価する運転状況評価部28と、を備えている。
上記のような構成によれば、微生物特徴学習部65は、微生物に関する学習画像43を含む学習データを機械学習器90に入力して機械学習を行うため、画像中の微生物の特徴を効果的に抽出して、これを反映した識別パラメータを、自動的に生成可能である。このため、汚水処理運転状況評価装置60を導入するに際し、画像処理の高度な知識が特に求められない。
また、微生物固有の特徴が顕著に表現されるように、作業員が意図的に特徴を抽出する必要がないため、微生物に関する高度に専門的な知識も、特に求められない。本第2実施形態においては、作業者の、クラスタリングにより分類された各集合に対しラベルを対応付ける作業が必要ではあるが、微生物の特徴抽出に必要とされるほどの、特に高度な知識は求められない。
したがって、汚水処理運転状況評価装置60の導入が容易である。
また、識別パラメータの精度は、機械学習器90に入力する学習データを多く用意することにより、容易に向上させることができる。例えば、本第2実施形態においては、学習データを多く用意することにより機械学習器90の学習パラメータの精度が向上し、これが学習済みモデル95により出力される学習画像43の特徴量の精度と、クラスタリングパラメータすなわち識別パラメータの精度に影響する。したがって、微生物の属する識別区分の計算精度を、すなわち汚水処理の運転状況の評価の精度を、高めることが可能である。
The sewage treatment operation
According to the above-described configuration, the microbial
In addition, since there is no need for the worker to intentionally extract the characteristic so that the characteristic inherent to the microorganism is remarkably expressed, highly specialized knowledge about the microorganism is not particularly required. In the second embodiment, it is necessary for the worker to associate a label with each set classified by clustering, but a particularly high level of knowledge required for extracting the characteristics of microorganisms is required. Absent.
Therefore, introduction of the sewage treatment operation
In addition, the accuracy of the identification parameter can be easily improved by preparing a large amount of learning data to be input to the
また、機械学習器90は、畳み込み深層学習を行うものである。
上記のような構成によれば、汚水処理運転状況評価装置60を適切に実現可能である。
The
According to the above configuration, the sewage treatment operation
また、機械学習器90は、学習データを入力して微生物の特徴を学習パラメータに反映させて学習済みモデル95を生成することにより機械学習を実行する。
また、学習済みモデル95に対して学習画像43及び入力画像49を入力して、学習画像43及び入力画像49内の微生物の特徴を特徴量として抽出する、特徴量抽出部68を備えている。
また、微生物特徴学習部65は、複数の学習画像43の各々に対応する複数の特徴量をクラスタリングにより複数の集合に分類するクラスタリング部67を備え、複数の集合の各々は、識別区分に対応し、識別パラメータは、クラスタリング部67における分類の結果として設定されたクラスタリングパラメータである。
また、微生物識別部71は、クラスタリングパラメータを基に、入力画像43内の微生物の特徴量が、複数の集合のいずれに該当するかを計算することにより、微生物が属する識別区分を計算する。
上記のような構成によれば、運転状況の評価において使用される入力画像49は、微生物の特徴が反映された学習済みモデル95によって処理されることで効率的に特徴が抽出されるため、撮像環境の影響を低減することができる。したがって、汚水処理運転状況評価装置20の運用が容易となる。
また、学習画像43の特徴量を集積してクラスタリングにより複数の集合に分類したうえで、入力画像49の特徴量がどの集合に該当するかを計算することで識別区分を計算するため、精度の高い識別が可能となる。
The
Further, a feature
The microbial
In addition, the
According to the above configuration, the input image 49 used in the evaluation of the driving situation is processed by the learned
In addition, since the feature amounts of the learning image 43 are accumulated and classified into a plurality of sets by clustering, the classification is calculated by calculating which set the feature amount of the input image 49 corresponds to. High identification becomes possible.
また、機械学習器90は、畳み込みオートエンコーダにより実現されている。
上記のような構成によれば、機械学習器90の学習済みモデル95に画像が入力されると、適切に圧縮された特徴量として出力されるため、特徴量を集積してクラスタリング処理を実行する際に扱うデータ量が少なくなる。このため、クラスタリング処理が容易となる。
The
According to the above-described configuration, when an image is input to the learned
また、運転状況評価部28は、複数の入力画像49に対して微生物識別部71によって計算された識別区分ごとの微生物の出現率を基に、汚水処理の運転状況を評価する。
上記のような構成によれば、汚水処理の運転状況を高い精度で評価することができる。
In addition, the operation
According to the above configuration, the operating state of the sewage treatment can be evaluated with high accuracy.
汚水処理運転状況評価装置60においては、第1実施形態と同様に、微生物の種類が増大した場合においても、機械学習器90が微生物の特徴を正確にとらえるように学習するため運転状況の誤評価を抑制でき、かつ、学習データを作成すれば特徴の抽出自体は自動でなされるため導入コストの増加も微細である。このように、汚水処理運転状況評価装置60に関して既に説明した上記の効果の各々は、従来のシステムに比べると、微生物の種類が多い場合により顕著となり得る。
In the sewage treatment operation
なお、本発明の汚水処理運転状況評価装置及び汚水処理運転状況評価方法は、図面を参照して説明した上述の各実施形態及び変形例に限定されるものではなく、その技術的範囲において他の様々な変形例が考えられる。 Note that the sewage treatment operation status evaluation device and the sewage treatment operation status evaluation method of the present invention are not limited to the above-described embodiments and modified examples described with reference to the drawings. Various modifications are possible.
例えば、機械学習器40、50、90の構成は、上記各実施形態及び変形例において説明したものに限られないのは、言うまでもない。例えば、機械学習器40において、より多くの畳み込み層を設ける、限定された畳み込み層においてのみプーリング処理を実行する、入力層47と出力層48の間に1または複数の中間層を設ける等、多くの変形例が想定されるが、入力される画像内の微生物の特徴が抽出できるような設定が可能であれば、どのような構成を備えていてもよい。機械学習器50、90においても同様である。
For example, it goes without saying that the configurations of the
また、制御装置22、62は、一つの情報処理装置として実現されているように説明したが、各々の構成要素が複数の情報処理装置に分割されて搭載され、これらが互いに連携して動作してもよいのは、言うまでもない。例えば、制御装置22、62において、学習を行う部分と、運転状況の評価を行う部分とが、それぞれ対応する2つの情報処理装置に分けられた構成であってもよい。
Although the
また、運転状況評価部28は、運転状況が良好か悪化した状態かの評価を行うように説明したが、微生物の出現率を基に、より多くの、例えば5つの段階に細分化された評価を行うように実現されていてもよい。
あるいは、運転状況評価部28による評価は、運転状況が良い、悪いという評価軸に基づくものではなく、互いに優劣関係のない複数の状況に分類するようにしてもよい。
In addition, the operation
Alternatively, the evaluation by the driving
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記各実施形態及び変形例で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。 In addition, the configuration described in each of the above-described embodiments and modified examples can be selected or changed to another configuration as appropriate without departing from the gist of the present invention.
1 汚水処理施設
3 生物処理反応槽(水処理槽)
20、60 汚水処理運転状況評価装置
21 撮像装置
22、62 制御装置
23 微生物撮影部
24 画像蓄積部
25、65 微生物特徴学習部
26 判定画像取得部
27、71 微生物識別部
28 運転状況評価部
30 学習画像取得部
31 ラベリング部
32、81 学習処理部
33、82 学習パラメータ記憶部
40、50、50−1〜50−N、90 機械学習器
40A、95 学習済みモデル
43 学習画像
49 入力画像
66 機械学習部
67 クラスタリング部
68 特徴量抽出部
69 特徴量蓄積部
70 判定特徴量取得部
83 学習特徴量取得部
84 クラスタリング実行部
85 クラスタリングパラメータ記憶部
86 結果提示部
88 対応付け記憶部
94 再現画像
1
20, 60 Sewage treatment operation
Claims (8)
機械学習器を備え、前記微生物に関する学習画像を含む学習データを前記機械学習器に入力して機械学習を行い、前記微生物の識別に関する識別パラメータを生成する微生物特徴学習部と、
前記識別パラメータを用いて、前記入力画像内の前記微生物が属する前記識別区分を計算する微生物識別部と、
当該微生物識別部における識別結果を基に前記汚水処理の運転状況を評価する運転状況評価部と、
を備えている、汚水処理運転状況評価装置。 For a sewage treatment facility that purifies sewage stored in a water treatment tank with microorganisms, an input image obtained by imaging the microorganisms living in the water treatment tank is analyzed to determine to which classification category the microorganisms belong. A sewage treatment operation status evaluation device that calculates and evaluates the operation status of sewage treatment,
A microbial feature learning unit that includes a machine learning device, performs learning by inputting learning data including a learning image regarding the microorganism to the machine learning device, and generates an identification parameter regarding identification of the microorganism.
Using the identification parameters, a microorganism identification unit that calculates the identification classification to which the microorganisms in the input image belong,
An operation status evaluation unit that evaluates the operation status of the sewage treatment based on the identification result in the microorganism identification unit,
A sewage treatment operation status evaluation device comprising:
前記識別パラメータは前記学習パラメータである、請求項1または2に記載の汚水処理運転状況評価装置。 The machine learning device generates, in addition to the learning image, information on the identification classification of the microorganism corresponding to the learning image as teacher data and reflects a feature of the microorganism on a learning parameter to generate a trained model. To perform machine learning,
The sewage treatment operation status evaluation device according to claim 1, wherein the identification parameter is the learning parameter.
前記微生物に関する学習画像を含む学習データを機械学習器に入力して機械学習を行い、前記微生物の識別に関する識別パラメータを生成し、
前記識別パラメータを用いて、前記入力画像内の前記微生物が属する前記識別区分を計算し、
識別結果を基に前記汚水処理の運転状況を評価する、汚水処理運転状況評価方法。
For a sewage treatment facility that purifies sewage stored in a water treatment tank with microorganisms, an input image obtained by imaging the microorganisms living in the water treatment tank is analyzed to determine to which classification category the microorganisms belong. A sewage treatment operation status evaluation method for calculating and evaluating the operation status of sewage treatment,
Learning data including a learning image of the microorganism is input to a machine learning device to perform machine learning, and an identification parameter related to the identification of the microorganism is generated.
Using the identification parameters, calculate the identification classification to which the microorganisms in the input image belong,
A sewage treatment operation state evaluation method for evaluating an operation state of the sewage treatment based on the identification result.
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