JP2023019823A - 情報処理装置、情報処理方法、情報処理プログラム、モデル生成方法およびモデル生成プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
[全体構成]
図1は、実施形態1にかかる情報処理装置10を含む運転支援システムの一例を説明する図である。図1に示すように、この運転支援システムは、化学プラント1、制御システム2、情報処理装置10、オペレータ端末3を有し、情報処理装置10によって化学プラント1の安全運転を支援するシステムである。なお、各装置は、有線や無線を問わず、インターネットや専用線などの通信網により接続される。
次に、図1に示した運転支援システムを実現する各装置の機能構成について説明する。なお、化学プラント1、制御システム2、オペレータ端末3は、プラント操業で利用される各装置と同様の構成を有するので、詳細な説明は省略し、ここでは、情報処理装置10について説明する。
図10は、実施形態1にかかる処理の流れを示すフローチャートである。なお、ここでは、第1機械学習モデル16は、生成済みとする。
上述したように、情報処理装置10は、ハイブリッドモデルを活用することで、化学プラント1の運転支援システムを構築することができる。例えば、物理モデル15は、モデルの解釈性が高く、プロセスを理解する上で有効であるが、精度向上のためにメカニズムを解明する工数が多くかかり、汎用性も低い。一方で、第1機械学習モデル16は、結果の解釈が難しく、結果の因果関係を表現することが難しい。
ところで、実施形態1では、1つの機械学習モデル(第1機械学習モデル16)を用いた例を説明したが、これに限定されるものではなく、誤差の要因に特化した機械学習モデルを用いて、物理モデル15の出力結果を補完することができる。そこで、実施形態2では、物理モデル15の予測に誤差を与える要因となる要因データを訓練データに用いて生成された第2機械学習モデル17をさらに用いて、物理モデル15の出力結果を補完する例を説明する。なお、第2機械学習モデル17は、要因データ機械学習モデルの一例である。
図11は、実施形態2にかかる情報処理装置10の機能構成を示す機能ブロック図である。図11に示すように、実施形態1と同様、情報処理装置10は、通信部11、表示部12、記憶部13、制御部20を有する。ここでは、実施形態1で説明した図4と異なる第2機械学習モデル17と第3予測部25について説明する。
次に、モデル生成部21が実行する、実施形態2で用いる各機械学習モデルの訓練について説明する。図12は、実施形態2にかかる各モデルの訓練を説明する図である。図12に示すように、モデル生成部21は、原料の分光スペクトルデータXから主成分のスペクトルデータXpと差分スペクトルデータXcを生成する。続いて、モデル生成部21は、主成分のスペクトルデータXpを物理モデル15に入力して第1の出力結果Ypを取得する。
次に、図12を用いて生成された各機械学習モデルを用いて運転支援を行う具体例を説明する。図13は、実施形態2にかかる運転支援を説明する図である。図13に示すように、第1予測部22は、原料の分光スペクトルデータXから主成分のスペクトルデータXpを抽出して、物理モデル15に入力し、第1の出力結果Ypを取得する。
上述したように、情報処理装置10は、物理モデル15の予測に誤差を与える要因となる要因データの情報を訓練した第2機械学習モデル17を用いることで、物理モデル15の出力だけでなく、第1機械学習モデル16の出力をも補完することができる。この結果、情報処理装置10は、実施形態1と比較しても、高精度な運転支援を実現することができる。
ところで、実施形態1では、1つの機械学習モデル(第1機械学習モデル16)を用いた例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、上記要因データの種別やプラントごとに複数の機械学習モデルを用意しておき、動的に選択することで、運転支援の精度向上を図ることができる。そこで、実施形態3では、一例として、稼働中の化学プラント1における要因データの種別を動的に判定し、適切な機械学習モデルを選択して、運転支援を行う例を説明する。
図14は、実施形態3にかかる情報処理装置10の機能構成を示す機能ブロック図である。図14に示すように、実施形態1と同様、情報処理装置10は、通信部11、表示部12、記憶部13、制御部20を有する。ここでは、実施形態1で説明した図4と異なる複数の機械学習モデル(機械学習モデル1~N)と第2予測部23における選択部23aおよび予測部23bについて説明する。
次に、図14を用いて生成された実施形態3における運転支援を行う具体例を説明する。図15は、実施形態3にかかる運転支援を説明する図である。図15に示すように、第1予測部22は、原料の分光スペクトルデータXから主成分のスペクトルデータXpを抽出して、物理モデル15に入力し、第1の出力結果Ypを取得する。
図16は、実施形態3にかかる処理の流れを示すフローチャートである。なお、ここでは、機械学習モデル1~Nは、生成済みとする。
上述したように、情報処理装置10は、予測時に実測した要因データに応じた機械学習モデルを選択し上で、ハイブリッドモデルを活用することができるので、化学プラント1の運転環境に適した最適な運転支援システムを構築することができる。
ところで、ハイブリッドモデルに使用する機械学習モデルは、実験データを用いて生成されたモデルとプラントごとに設定されたモデルの両方を併用することで、精度の更なる向上を図ることができる。図17は、実施形態4にかかる情報処理装置10の機能構成を示す機能ブロック図である。図17に示すように、情報処理装置10は、通信部11、表示部12、記憶部13、制御部20を有する。
上述したように、情報処理装置10は、物理モデル15の出力結果を、プラント共通のデータで訓練された化学的誤差モデル18および適用対象のプラントに特化して訓練された機械的誤差モデル19の両方を用いて補完することができる。したがって、情報処理装置10は、全プラントに共通する情報と各プラント特有の情報との両方を考慮した運転支援を実行することができ、例えば共通の障害や特有の障害の両方を回避する運転支援を実行することができる。
上述した情報処理装置10は、各モデルの出力結果や運転支援に関する情報を可視化することで、オペレータ等に提示することができる。そこで、実施形態5では、情報の可視化を行う情報処理装置10について説明する。
図22は、実施形態5にかかる情報処理装置10の機能構成を示す機能ブロック図である。ここでは、実施形態1の構成の適用例にして説明するが、他の実施形態も同様に適用することができる。
さて、これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。
上記実施形態で用いたデータ例、物理モデルの算出式、予測対象などは、あくまで一例であり、任意に変更することができる。また、第1成分の一例として濃度、第2成分の一例として差分スペクトルデータを用いた例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、原料に基づく情報として、組成データに含まれる温度など他の要素を対象とすることもでき、分光スペクトルデータを用いて第1の成分として温度を取得して用いることもできる。
上記文書中や図面中で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各種のデータやパラメータを含む情報については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。
次に、情報処理装置10のハードウェア構成例を説明する。図28は、ハードウェア構成例を説明する図である。図28に示すように、情報処理装置10は、通信装置10a、HDD(Hard Disk Drive)10b、メモリ10c、プロセッサ10dを有する。また、図28に示した各部は、バス等で相互に接続される。
11 通信部
12 表示部
13 記憶部
14 訓練データ群
15 物理モデル
16 第1機械学習モデル
17 第2機械学習モデル
20 制御部
21 モデル生成部
22 第1予測部
23、26 第2予測部
23a 選択部
23b 予測部
24 最適操作量演算部
25、27 第3予測部
28 表示制御部
30 ハイブリッドモデル
Claims (12)
- プラントで製造される製造物の原料に基づく情報を物理モデルに入力して第1の出力結果を取得する第1取得部と、
前記原料に対する分光センシングにより得られる分光スペクトルデータに基づく成分情報および前記物理モデルの出力を機械学習モデルに入力して第2の出力結果を取得する第2取得部と、
前記第1の出力結果と前記第2の出力結果とを用いて、前記プラントの状態に関する情報を出力する出力制御部と
を有する情報処理装置。 - 前記第1取得部は、
前記原料に基づく情報として、前記原料に対する分光センシングにより得られる分光スペクトルデータの第1成分を前記物理モデルに入力して前記第1の出力結果を取得し、
前記第2取得部は、
前記分光スペクトルデータに基づく成分情報として前記分光スペクトルデータから前記第1成分を除いた第2成分、および、前記物理モデルの出力を前記機械学習モデルに入力して前記第2の出力結果を取得する、
請求項1に記載の情報処理装置。 - 前記第1取得部は、
前記分光スペクトルデータの第1成分として、前記分光スペクトルデータの主成分を濃度に変換したデータを前記物理モデルに入力して前記第1の出力結果を取得する、
請求項2に記載の情報処理装置。 - 前記第2取得部は、
前記分光スペクトルデータの第2成分として、前記分光スペクトルデータから前記主成分を除いたデータを前記機械学習モデルに入力して前記第2の出力結果を取得する、
請求項3に記載の情報処理装置。 - 前記物理モデルの予測に誤差を与える要因となる要因データを第2の機械学習モデルに入力して第3の出力結果を取得する第3取得部をさらに有し、
前記出力制御部は、
前記物理モデルから得られる第1の出力結果と、前記機械学習モデルから得られる第2の出力結果と、前記第2の機械学習モデルから得られる第3の出力結果とを用いて、前記プラントの状態に関する情報を出力する、
請求項1から4のいずれか一つに記載の情報処理装置。 - 前記第3取得部は、
前記要因データとして、前記原料の汚れを示すデータ、前記原料の生産地を示すデータ、前記プラントの外部環境を示すデータ、または、前記プラントの状態を示すデータを、前記第2の機械学習モデルに入力して第3の出力結果を取得する、
請求項5に記載の情報処理装置。 - 前記出力制御部は、
前記第1の出力結果に基づき特定される前記プラントの状態変数と、前記第2の出力結果に基づき特定される前記第1の出力結果の誤差とに基づいて、前記プラントの状態に関する情報を出力する、
請求項1から6のいずれか一つに記載の情報処理装置。 - コンピュータが、
プラントで製造される製造物の原料に基づく情報を物理モデルに入力して第1の出力結果を取得し、
前記原料に対する分光センシングにより得られる分光スペクトルデータに基づく成分情報および前記物理モデルの出力を機械学習モデルに入力して第2の出力結果を取得し、
前記第1の出力結果と前記第2の出力結果とを用いて、前記プラントの状態に関する情報を出力する、
処理を実行する情報処理方法。 - コンピュータに、
プラントで製造される製造物の原料に基づく情報を物理モデルに入力して第1の出力結果を取得し、
前記原料に対する分光センシングにより得られる分光スペクトルデータに基づく成分情報および前記物理モデルの出力を機械学習モデルに入力して第2の出力結果を取得し、
前記第1の出力結果と前記第2の出力結果とを用いて、前記プラントの状態に関する情報を出力する、
処理を実行させる情報処理プログラム。 - プラントで製造される製造物の原料に基づく情報を用いて、シミュレーションにより前記プラントの状態を予測する物理モデルを生成する第1生成部と、
前記原料に対する分光センシングにより得られる分光スペクトルデータに基づく成分情報および前記物理モデルの出力を訓練データに用いた機械学習により、前記成分情報および前記物理モデルの出力から前記物理モデルの出力の誤差を予測する機械学習モデルを生成する第2生成部と、
を有する情報処理装置。 - コンピュータが、
プラントで製造される製造物の原料に基づく情報を用いて、シミュレーションにより前記プラントの状態を予測する物理モデルを生成し、
前記原料に対する分光センシングにより得られる分光スペクトルデータに基づく成分情報および前記物理モデルの出力を訓練データに用いた機械学習により、前記成分情報および前記物理モデルの出力から前記物理モデルの出力の誤差を予測する機械学習モデルを生成する、
処理を実行するモデル生成方法。 - コンピュータに、
プラントで製造される製造物の原料に基づく情報を用いて、シミュレーションにより前記プラントの状態を予測する物理モデルを生成し、
前記原料に対する分光センシングにより得られる分光スペクトルデータに基づく成分情報および前記物理モデルの出力を訓練データに用いた機械学習により、前記成分情報および前記物理モデルの出力から前記物理モデルの出力の誤差を予測する機械学習モデルを生成する、
処理を実行させるモデル生成プログラム。
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