JP2020114570A - 操作値算出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、対象となる水処理システム内において、トレンドデータは1分間隔で取得可能であるが、水質データについては取得に時間及びコストを要し、1日に1回又は週に1回の頻度でしか取得できないデータもあり、取得周期は項目によって異なる。
従って、熟練の技術を有する運転員と同様の判断に基づいた運転操作値の導出モデルを構築するためには、取得周期の異なる様々な項目の中から、状況に応じて説明変数を適切に選定することを要する。
ただし、本発明は、以下の実施形態の記載によって限定解釈されるものではない。
図1は、本実施形態に係る操作値算出装置100を適用可能な水処理システム200の構成を示す図である。
図1に示す水処理システム200は、最初沈殿池1と、反応槽2と、最終沈殿池3と、ブロア4と、調整バルブ5と、散気板6と、第1のポンプ7と、第2のポンプ8と、計測器9と、重力濃縮槽10と、機械濃縮槽11と、消化槽12と、脱水槽13と、配管21,22,23,24とを備える。
この原水は、有機物を含む排水である。
最初沈殿池1では、原水の固液分離が行われ、最初沈殿池1からの流出水は、配管21を通して反応槽2に送られる。
最初沈殿池1に沈殿した汚泥である生汚泥は、配管24を通して重力濃縮槽10に送られる。
反応槽2では、該微生物が最初沈殿池1からの流出水に含まれる有機物を資化することで増殖し、該微生物を用いた生物処理により活性汚泥を形成する。
反応槽2からの流出水は、配管22を通して最終沈殿池3に送られる。
最終沈殿池3の上澄みは、処理水として水処理システム200の外へ放出される。
最終沈殿池3で沈殿した汚泥の一部は、第1のポンプ7によって配管23を通して反応槽2に戻されて再利用される。
最終沈殿池3で沈殿した残りの汚泥は、余剰汚泥として第2のポンプ8によって機械濃縮槽11に送られる。
調整バルブ5は、複数の散気板6の各々に通した配管に設けられたばっ気調整バルブであり、ばっ気量を調整する。
複数の散気板6は、反応槽2の下部に設けられており、調整バルブ5に通した配管に接続されて、調整バルブ5によってばっ気量が調整された空気を反応槽2内に供給する。
このように反応槽2へのばっ気量が調整されると、反応槽2内の溶存酸素量であるDO(Dissolved Oxygen)値が調整され、生物処理の進行が調整される。
第2のポンプ8は、最終沈殿池3で沈殿した残りの汚泥を余剰汚泥として機械濃縮槽11に送る余剰汚泥引抜ポンプである。
ここで、水質を示す各パラメータとしては、溶存酸素量であるDO値及び浮遊物質濃度であるMLSS(Mixed Liquor Suspended Solids)値を例示することができる。
従来の水処理システムにおいては、運転員が計測器9によって計測された水質を示す各パラメータを参照して運転操作量を決定していた。
機械濃縮槽11は、第2のポンプ8によって引き抜かれた余剰汚泥を濃縮処理する槽である。
重力濃縮槽10及び機械濃縮槽11において濃縮された汚泥は、消化槽12に送られる。
ここで、消化処理は、例えば嫌気性消化処理方式によって行われればよい。
嫌気性消化処理方式では、嫌気性微生物によって有機性の汚泥が分解される。
消化処理によって分解された汚泥は、脱水槽13に送られる。
配管22は、反応槽2と最終沈殿池3との間に配置され、反応槽2からの流出水を最終沈殿池3に送る配管である。
配管23は、第1のポンプ7と反応槽2との間に配置され、最終沈殿池3の汚泥の一部を反応槽2に送る配管である。
配管24は、最初沈殿池1と重力濃縮槽10との間に配置され、最初沈殿池1の生汚泥を重力濃縮槽10に送る配管である。
反応槽2は、例えば、風量一定制御、比率一定制御及びDO一定制御によって制御することが可能である。
ここで、風量一定制御は、目標風量値として設定された一定の風量となるように行う制御である。
また、比率一定制御は、最初沈殿池1から反応槽2への流出水の流入量に応じた風量となるように、すなわち流入量と風量との比率が一定となるように行う制御である。
また、DO一定制御は、反応槽2のDO値が設定された目標DO値となるように行う制御である。
本実施形態に係る操作値算出装置100は、これらの操作項目についての操作値を算出する。
図2に示す操作値算出装置100は、学習部110と操作値導出部120とを備え、計測器9によって計測された計測値データから操作値を算出して出力する。
この算出された操作値は、当該操作値で操作を行う装置に出力される。
例えば、返送汚泥量の調整においては第1のポンプ7の回転数を操作するため、第1のポンプ7に操作値を出力し、第1のポンプ7は当該操作値で動作することで最終沈殿池3に沈殿した汚泥の一部を反応槽2に戻す。
学習部110は、まず、取得したデータについてデータ加工を行い(S1)、加工したデータから説明変数の選定を行い(S2)、選定された説明変数を用いて学習を行い(S3)、得られた学習パラメータを記憶する(S4)。
データ加工部111は、計測器9によって計測された計測値データを取得周期別に加工する。
データ加工部111は、MPU(Micro-Processing Unit)又はCPU(Central Processing Unit)等のプロセッサと、半導体メモリ又は磁気ディスク等の記録媒体とを組み合わせて実現することができる。
データ加工部111は、具体的には、図4に示すように、まず、トレンドデータのうち取得周期の短いデータを一定周期で平均化して整形する。
そして、データ加工部111は、この整形したデータとは別に、日毎のデータである日報データ及び週毎のデータである週報データを取得する。
更には、データ加工部111は、整形したデータと、日報データと、週報データとを統合し、時間単位、日単位、週単位といった周期ごとにデータを整理する。
データ蓄積部112は、半導体メモリ又は磁気ディスク等の記録媒体により実現することができる。
説明変数選定部113は、データ蓄積部112に蓄積された周期別のデータを用いて、ランダムフォレストのモデル生成と説明変数の重要度算出とを繰り返し、寄与度の高い説明変数を選定する。
説明変数選定部113は、MPU又はCPU等のプロセッサと、半導体メモリ又は磁気ディスク等の記録媒体とを組み合わせて実現することができる。
図5は、ランダムフォレストのイメージを示す図である。
図6は、ランダムフォレストのフローを示す図である。
ランダムフォレストは、交差検証法をベースとするシミュレーション法によって実行される。
そして、残りの学習用データ、すなわち全体の1/3程度の学習用データは、評価及び検証用データであるOOB(Out Of Bag)として保持する。
次に、説明変数選定部113は、M個のブートストラップ標本の各々において、全ての変数のうちから指定した個数の説明変数をランダムに選択し、計算負荷の低い決定木を生成し、この決定木の機械学習アルゴリズムを用いて学習モデルを生成する(S102)。
そして、説明変数選定部113は、得られた各決定木の結果を単純に平均化し、これを推定結果とする(S103)。
また、S102における決定木の生成では、指定した個数の説明変数のみが使用されるため、説明変数の数が膨大であっても問題は生じない。
更には、サブサンプル毎の決定木の学習は完全に独立しているため、並列処理が可能であり、高速に実行することができる。
説明変数選定部113は、評価及び検証用データであるOOBに対して、学習用データで構築したモデルを当てはめて、平均二乗誤差等の推定誤差を求め、この推定誤差から説明変数の重要度を求める。
また、図8は、図2に示す説明変数選定部113が行う説明変数の選定のイメージを示す図である。
S202の条件には、「重要度の一番高い説明変数と比較して一定割合以上の重要度を有すること」を例示することができる。
このとき、データの周期に関わりなく、選定された説明変数の候補の全てを入力として用いる。
その後、説明変数が条件を満たすか否かを判定し(S206)、説明変数が条件を満たす場合(S206:Y)には処理を終了し、説明変数が条件を満たさない場合(S206:N)にはS204に戻ることで、説明変数が条件を満たすまでモデルの生成と重要度の算出とを繰り返す。
S206の条件には、「モデルを構成する全ての説明変数が、最大重要度の説明変数と比較して一定割合以上の重要度を有し、又は、説明変数の個数が一定数未満になる直前であること」を例示することができる。
このようにして、説明変数選定部113は説明変数の選定を行うことができる。
モデルパラメータ更新部114は、説明変数選定部113により選定された説明変数を用いてランダムフォレストを構築し、構築したランダムフォレストのモデルパラメータを算出して更新する。
モデルパラメータ更新部114は、MPU又はCPU等のプロセッサと、半導体メモリ又は磁気ディスク等の記録媒体とを組み合わせて実現することができる。
学習パラメータ記憶部115は、半導体メモリ又は磁気ディスク等の記録媒体により実現することができる。
図9は、図2に示す操作値導出部120の動作の概要を示すフローチャートである。
操作値導出部120は、まず、データ蓄積部112から推定に必要な説明変数である推定入力データの取得を行い(S11)、運転操作値の算出を行う(S12)。
推定入力データ取得部121は、MPU(Micro-Processing Unit)又はCPU(Central Processing Unit)等のプロセッサと、半導体メモリ又は磁気ディスク等の記録媒体とを組み合わせて実現することができる。
操作値算出部122は、MPU(Micro-Processing Unit)又はCPU(Central Processing Unit)等のプロセッサと、半導体メモリ又は磁気ディスク等の記録媒体とを組み合わせて実現することができる。
他方で、このような運転員の高齢化に伴う技術の継承が急務であり、人工知能(AI:Artificial Intelligence)による代替が期待されている。
更には、近年注目されている深層学習はブラックボックス性が高く、水処理の操作のように誤動作による社会的影響が大きい分野には適用が困難である。
この決定木ベースのアルゴリズムは、基本的には単純な条件分岐の繰り返しにより構成される。
従って、学習データが少ない場合においても適用可能であり、また説明変数に対して重要度が算出可能であるため、結果に対する可読性が高い。
更には、ランダムフォレストについて設定するパラメータは、「ランダムフォレストに含まれる決定木の個数」及び「1つの決定木に対する説明変数の上限」の2つのみと少ないため、パラメータ調整も容易である。
2 反応槽
3 最終沈殿池
4 ブロア
5 調整バルブ
6 散気板
7 第1のポンプ
8 第2のポンプ
9 計測器
10 重力濃縮槽
11 機械濃縮槽
12 消化槽
13 脱水槽
21,22,23,24 配管
100 操作値算出装置
110 学習部
111 データ加工部
112 データ蓄積部
113 説明変数選定部
114 モデルパラメータ更新部
115 学習パラメータ記憶部
120 操作値導出部
121 推定入力データ取得部
122 操作値算出部
200 水処理システム
Claims (4)
- 計測値データが入力される学習部と、該学習部の学習結果から操作値を導出する操作値導出部とを備え、
前記学習部は、
取得周期の異なるデータを一定周期で平均化して整形することで周期別のデータに加工するデータ加工部と、
前記データ加工部により加工された周期別のデータを蓄積するデータ蓄積部と、
前記データ加工部により加工された周期別のデータを用いて、ランダムフォレストのモデル生成と説明変数の重要度算出とを繰り返し、寄与度の高い説明変数を選定する説明変数選定部と、
前記説明変数選定部により選定された前記説明変数を用いてランダムフォレストを構築し、構築したランダムフォレストのモデルパラメータを算出して更新するモデルパラメータ更新部と、
前記説明変数選定部により選定された前記説明変数及び前記モデルパラメータ更新部により算出されたランダムフォレストのモデルパラメータを記憶する学習パラメータ記憶部とを備え、
前記操作値導出部は、
前記モデルパラメータ更新部によって更新されたランダムフォレストの前記モデルパラメータを用いて運転操作値を算出する操作値算出部を備えることを特徴とする操作値算出装置。 - 前記運転操作値は、対象となる水処理システムの最終沈殿池からの返送汚泥量を調整する返送汚泥ポンプの回転数であることを特徴とする請求項1に記載の操作値算出装置。
- 前記運転操作値は、対象となる水処理システムの最終沈殿池の余剰汚泥量を調整する余剰汚泥ポンプの単位時間あたりの引抜量又は余剰汚泥の引抜時間であることを特徴とする請求項1に記載の操作値算出装置。
- 前記運転操作値は、対象となる水処理システムの脱水槽への高分子凝集剤の注入率であることを特徴とする請求項1に記載の操作値算出装置。
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