JP2024029816A - State estimation device, state estimation method and program - Google Patents

State estimation device, state estimation method and program Download PDF

Info

Publication number
JP2024029816A
JP2024029816A JP2022132211A JP2022132211A JP2024029816A JP 2024029816 A JP2024029816 A JP 2024029816A JP 2022132211 A JP2022132211 A JP 2022132211A JP 2022132211 A JP2022132211 A JP 2022132211A JP 2024029816 A JP2024029816 A JP 2024029816A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
estimation
database
variable
data
learning
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2022132211A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
透 山本
拓矢 木下
邦之 土井
慎也 田丸
和紀 西村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hiroshima University NUC
Toyobo Co Ltd
Original Assignee
Hiroshima University NUC
Toyobo Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hiroshima University NUC, Toyobo Co Ltd filed Critical Hiroshima University NUC
Priority to JP2022132211A priority Critical patent/JP2024029816A/en
Publication of JP2024029816A publication Critical patent/JP2024029816A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Testing And Monitoring For Control Systems (AREA)

Abstract

【課題】精度よく目的変量の推定を行うことができるとともに、データベースの学習状況を分析可能な状態推定装置、状態推定方法及びプログラムを提供する。【解決手段】状態推定装置1は、推定対象Pの状態を表す説明変量xと目的変量yとを含む複数のデータセットを格納するデータベースDBを作成するデータベース作成部111と、データベースDBを学習させる学習部112と、学習されたデータベースDBに基づいて、推定対象Pの測定値である説明変量xに対応する目的変量yを推定する推定部114と、を備える。データベース作成部111は、測定可能な状態変数のうち重要度の大きい変数を説明変量xとして選択し、学習部112は、学習前の初期データセットを、学習用データセットを用いて推定用データベースを作成し、推定用データベースの推定用データセットは、初期データセットのデータと学習によるデータの修正量とを含むデータセットである。【選択図】図2The present invention provides a state estimation device, a state estimation method, and a program that can accurately estimate a target variable and analyze the learning status of a database. A state estimation device 1 includes a database creation unit 111 that creates a database DB that stores a plurality of data sets including an explanatory variable x representing the state of an estimation target P and an objective variable y, and a database DB that trains the database DB. The learning unit 112 includes a learning unit 112 and an estimating unit 114 that estimates an objective variable y corresponding to an explanatory variable x, which is a measured value of the estimation target P, based on the learned database DB. The database creation unit 111 selects a variable with high importance among measurable state variables as the explanatory variable x, and the learning unit 112 creates an estimation database using the initial data set before learning and the learning data set. The estimation data set of the estimation database that is created is a data set that includes the data of the initial data set and the amount of data correction by learning. [Selection diagram] Figure 2

Description

本発明は、状態推定装置、状態推定方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a state estimation device, a state estimation method, and a program.

従来、対象の状態を表すパラメータとして測定された説明変量(入力変数)の値に基づいて、所定の目的変量(出力変数)の値を推定する状態推定方法が開発されている。このような状態推定方法は、ソフトセンサと呼ばれ、高温高圧環境となるプラント内の各種パラメータ、製品品質等、測定が難しいパラメータを、物理的なセンサ(ハードセンサ)によって測定された物理量(測定値)を用いて推定する場合等に用いられている。 Conventionally, state estimation methods have been developed that estimate the value of a predetermined objective variable (output variable) based on the value of an explanatory variable (input variable) measured as a parameter representing the state of an object. This state estimation method is called a soft sensor, and it uses physical quantities (measurements) to measure parameters that are difficult to measure, such as various parameters in a plant in a high-temperature, high-pressure environment, product quality, etc. It is used when estimating using (value).

例えば特許文献1のように、ソフトセンサの入力値と、保存された複数のデータとに基づいて、出力値を推定する状態推定方法が開発されている。特許文献1のソフトセンサでは、保存されたデータを学習させることにより、ソフトセンサの精度を向上させることとしている。 For example, as in Patent Document 1, a state estimation method has been developed that estimates an output value based on an input value of a soft sensor and a plurality of stored data. In the soft sensor disclosed in Patent Document 1, the accuracy of the soft sensor is improved by learning stored data.

国際公開第2002/006953号International Publication No. 2002/006953

特許文献1のソフトセンサでは、所定の大きさのメッシュで量子化された入力空間に入力値と出力値との組み合わせ(データセット)である履歴データが振り分けられて事例ベースが作成される。出力値は、この事例ベースと、測定された現在の入力値とに基づいて、推定される。特許文献1の事例ベースでは、メッシュごとに、事例としてのデータセットの値が学習により修正され、事例ベースのデータセットが作成される。 In the soft sensor disclosed in Patent Document 1, historical data, which is a combination (data set) of input values and output values, is distributed into an input space quantized by a mesh of a predetermined size to create a case base. Output values are estimated based on this case base and the measured current input values. In the case-based method disclosed in Patent Document 1, values of a data set as a case are corrected by learning for each mesh, and a case-based data set is created.

しかしながら、ソフトセンサは、推定対象の動作中に測定可能な状態変数である説明変量を用いて、測定困難な目的変量を推定するので、精度よく目的変量を推定することは難しい。 However, since soft sensors estimate target variables that are difficult to measure using explanatory variables that are state variables that can be measured during the operation of the estimation target, it is difficult to estimate target variables with high accuracy.

また、特許文献1のデータセットは、学習により上書き修正されたデータのみが保存されており、修正後に初期のデータセットの入力値、出力値に対する学習の状況を確認することは難しい。 Further, in the data set of Patent Document 1, only data that has been overwritten and corrected through learning is saved, and it is difficult to check the learning status of the input values and output values of the initial data set after correction.

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、精度よく目的変量の推定を行うことができるとともに、データベースの学習状況を分析可能な状態推定装置、状態推定方法及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and provides a state estimation device, a state estimation method, and a program capable of estimating a target variable with high accuracy and analyzing the learning status of a database. With the goal.

上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係る状態推定装置は、
推定対象の状態を表す説明変量と目的変量とを含む複数のデータセットを格納するデータベースを作成するデータベース作成部と、
前記データベースを学習させる学習部と、
前記学習部で学習された前記データベースに基づいて、前記推定対象の測定値である前記説明変量に対応する前記目的変量を推定する推定部と、を備え、
前記データベース作成部は、前記推定対象の動作中に測定可能な状態変数のうち重要度の大きい変数を前記説明変量として選択し、
前記学習部は、学習前の初期データセットを、学習用データセットを用いて更新することにより学習させて推定用データベースを作成し、
前記推定用データベースの推定用データセットは、初期データセットのデータと、学習によるデータの修正量とを含むデータセットである。
In order to achieve the above object, a state estimation device according to a first aspect of the present invention includes:
a database creation unit that creates a database that stores a plurality of data sets including explanatory variables and objective variables that represent the state of the estimation target;
a learning unit that trains the database;
an estimating unit that estimates the objective variable corresponding to the explanatory variable that is the measurement value of the estimation target based on the database learned by the learning unit;
The database creation unit selects, as the explanatory variable, a variable with a high degree of importance among state variables that can be measured during the operation of the estimation target,
The learning unit updates an initial data set before learning with a learning data set to perform learning and create an estimation database;
The estimation data set of the estimation database is a data set that includes data of an initial data set and the amount of data correction by learning.

また、前記修正量は、推定された前記目的変量と実測された前記目的変量との差に基づいて導出される、前記目的変量の補正値である、
こととしてもよい。
Further, the correction amount is a correction value of the target variable, which is derived based on the difference between the estimated target variable and the actually measured target variable.
It may also be a thing.

また、前記データベース作成部は、前記データベースを作成するために取得された複数の前記データセットに含まれる前記目的変量を、所定の前記説明変量の時間変化に基づいて補間する、
こととしてもよい。
Further, the database creation unit interpolates the target variables included in the plurality of data sets acquired for creating the database based on a change over time of the predetermined explanatory variable.
It may also be a thing.

また、前記データベース作成部は、前記データベースを作成するために取得された複数の前記データセットを、前記説明変量と前記目的変量との関係に影響を与える環境指標に基づいて複数のデータ群に分類し、前記データ群ごとに前記データベースを作成する、
こととしてもよい。
Further, the database creation unit classifies the plurality of data sets acquired for creating the database into a plurality of data groups based on an environmental index that affects the relationship between the explanatory variable and the objective variable. and creating the database for each data group,
It may also be a thing.

また、前記推定部は、
測定された前記説明変量と、前記推定用データセット中の前記説明変量との類似度を演算して近傍データを抽出し、前記データベースごとに抽出された前記近傍データの数に基づいて前記データベースごとの重みを算出し、前記近傍データと前記重みに基づいて、前記目的変量を推定する、
こととしてもよい。
Further, the estimating unit includes:
The degree of similarity between the measured explanatory variable and the explanatory variable in the estimation data set is calculated to extract neighboring data, and based on the number of neighboring data extracted for each database, the similarity is calculated for each database. estimating the objective variable based on the neighborhood data and the weight;
It may also be a thing.

本発明の第2の観点に係る状態推定方法は、
推定対象の動作中に測定可能な状態変数のうち重要度の大きい変数を説明変量として選択し、前記推定対象の状態を表す前記説明変量と目的変量とを含む複数のデータセットをデータベースに格納して初期データベースを作成する初期データベース作成ステップと、
前記初期データベースを、学習用データセットを用いて学習させて推定用データベースを作成する学習ステップと、
前記推定用データベースに基づいて、前記推定対象の測定値である前記説明変量に対応する前記目的変量を推定する推定ステップと、を含み、
前記推定用データベースに格納された推定用データセットは、初期データセットのデータと、学習によるデータの修正量とを含むデータセットである。
The state estimation method according to the second aspect of the present invention includes:
A variable with a high degree of importance is selected as an explanatory variable among state variables that can be measured during the operation of the estimation target, and a plurality of data sets including the explanatory variables representing the state of the estimation target and a target variable are stored in a database. an initial database creation step of creating an initial database using
a learning step of training the initial database using a training dataset to create an estimation database;
an estimation step of estimating the target variable corresponding to the explanatory variable that is the measurement value of the estimation target based on the estimation database;
The estimation data set stored in the estimation database is a data set that includes data of an initial data set and the amount of correction of the data by learning.

本発明の第3の観点に係るプログラムは、
コンピュータを、
推定対象の動作中に測定可能な状態変数のうち重要度の大きい変数を説明変量として選択し、前記推定対象の状態を表す前記説明変量と目的変量とを含む複数のデータセットをデータベースに格納して初期データベースを作成するデータベース作成部、
前記データベースを、学習用データセットを用いて学習させて、初期データセットのデータと、学習によるデータの修正量とを含む推定用データセットを格納する推定用データベースを作成する学習部、
前記推定用データベースに基づいて、前記推定対象の測定値である前記説明変量に対応する前記目的変量を推定する推定部、
として動作させる。
The program according to the third aspect of the present invention is
computer,
A variable with a high degree of importance is selected as an explanatory variable among state variables that can be measured during the operation of the estimation target, and a plurality of data sets including the explanatory variables representing the state of the estimation target and a target variable are stored in a database. a database creation section that creates an initial database;
a learning unit that causes the database to learn using a training data set to create an estimation database that stores an estimation data set that includes data of an initial data set and an amount of correction of data due to learning;
an estimation unit that estimates the target variable corresponding to the explanatory variable that is the measurement value of the estimation target based on the estimation database;
operate as

本発明の状態推定装置、状態推定方法及びプログラムによれば、データベースに格納されるデータセットに含まれる説明変量として、重要度の大きい状態変数を選択して用いるので、高い精度で目的変量の推定を行うことができる。また、データベースに格納される推定用データセットを、初期データセットのデータと修正量とを含むデータセットとしているので、初期データセットからの修正量を確認可能であり、学習状況を容易に分析することができる。 According to the state estimation device, state estimation method, and program of the present invention, highly important state variables are selected and used as explanatory variables included in the data set stored in the database, so the objective variable can be estimated with high accuracy. It can be performed. In addition, since the estimation data set stored in the database is a data set that includes the data of the initial data set and the amount of correction, it is possible to check the amount of correction from the initial data set, making it easy to analyze the learning situation. be able to.

本発明の実施の形態に係る状態推定の概要を示す概念図Conceptual diagram showing an overview of state estimation according to an embodiment of the present invention 実施の形態1に係る状態推定装置の機能ブロック図Functional block diagram of state estimation device according to Embodiment 1 実施の形態1に係る状態推定処理の流れを示すフローチャートFlowchart showing the flow of state estimation processing according to Embodiment 1 基本データにおける目的変量の補間方法を示す概念図Conceptual diagram showing how to interpolate objective variables in basic data 実施の形態2に係る状態推定装置の機能ブロック図Functional block diagram of state estimation device according to Embodiment 2 実施の形態2に係る状態推定処理の流れを示すフローチャートFlowchart showing the flow of state estimation processing according to Embodiment 2 実施の形態2に係る目的変量の推定方法を示す概念図Conceptual diagram showing a method for estimating a target variable according to Embodiment 2 状態変数の重要度の例を示すグラフGraph showing example importance of state variables 変数選択を行った場合の状態推定の例を示すグラフGraph showing an example of state estimation when variable selection is performed 変数選択を行わなかった場合の状態推定の例を示すグラフGraph showing an example of state estimation without variable selection

以下、図を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る状態推定装置及び状態推定方法について説明する。 Hereinafter, a state estimating device and a state estimating method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
(状態推定システムの概要)
図1は、本実施の形態に係る状態推定の概要を示す概念図である。ここで、y(t)は推定対象P(制御対象)の出力、x(t)は状態変数、^y(t)はソフトセンサで算出された出力y(t)の推定値である。
(Embodiment 1)
(Overview of state estimation system)
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overview of state estimation according to this embodiment. Here, y(t) is the output of the estimation target P (controlled target), x n (t) is the state variable, and ^y(t) is the estimated value of the output y(t) calculated by the soft sensor.

状態変数x(t)は、出力y(t)への影響度が弱い(重要度が小さい)変数を含む場合がある。重要度が小さい状態変数x(t)に基づいて出力y(t)を推定すると、ノイズの影響を受けやすくなり、推定精度が劣化するおそれがある。本実施の形態では、状態変数x(t)のうち、出力y(t)への影響度が強い(重要度が大きい)変数を、状態変数xrn(t)として選択し、選択された状態変数xrn(t)を用いて、ソフトセンサとして機能する状態推定装置を構成する。 The state variables x n (t) may include variables that have a weak influence (low importance) on the output y(t). If the output y(t) is estimated based on the state variable x n (t) with low importance, it will be susceptible to noise and the estimation accuracy may deteriorate. In this embodiment, among the state variables x n (t), variables that have a strong influence (high importance) on the output y (t) are selected as the state variables x rn (t), and the selected A state estimation device that functions as a soft sensor is configured using the state variable x rn (t).

また、本実施の形態では、推定対象Pである制御対象として、以下の式に示す離散時間非線形システムを考える。
ここで、f(・)は非線形関数、φ(t-1)はシステムの時刻tより前の状態を表しており、φを情報ベクトルともいう。
Further, in this embodiment, a discrete time nonlinear system shown in the following equation is considered as a controlled object that is an estimation object P.
Here, f(·) represents a nonlinear function, φ(t-1) represents the state of the system before time t, and φ is also called an information vector.

φ(t-1)は次式で定義される。
ここで、nは出力yの次数であり、nxnは状態変数xrnの次数である。
φ(t-1) is defined by the following equation.
Here, n y is the order of the output y, and n xn is the order of the state variable x rn .

(状態推定装置)
図2のブロック図に示すように、本実施の形態に係る状態推定装置1は、制御部11、記憶部12、表示部13、入力部14を備える。
(state estimation device)
As shown in the block diagram of FIG. 2, the state estimation device 1 according to the present embodiment includes a control section 11, a storage section 12, a display section 13, and an input section 14.

制御部11は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等から構成されており、状態推定装置1の動作を制御する。また、制御部11は、推定対象Pの現在の状態を表すパラメータ(説明変量x)の値を取得し、取得した説明変量xの値と、記憶部12に記憶されているデータベースDBとに基づいて、目的変量yを推定する。 The control unit 11 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), etc., and controls the operation of the state estimation device 1. Further, the control unit 11 acquires the value of a parameter (explanatory variable x) representing the current state of the estimation target P, and based on the value of the acquired explanatory variable x and the database DB stored in the storage unit 12. Then, the objective variable y is estimated.

制御部11は、制御部11のROM、記憶部12等に記憶されている各種動作プログラム及びデータをRAMに読み込んでCPUを動作させることにより、図2に示す制御部11の各機能を実現させる。これにより、制御部11は、データベース作成部111、学習部112、説明変量取得部113、推定部114として動作する。 The control unit 11 realizes each function of the control unit 11 shown in FIG. 2 by loading various operating programs and data stored in the ROM, storage unit 12, etc. of the control unit 11 into the RAM and operating the CPU. . Thereby, the control unit 11 operates as a database creation unit 111, a learning unit 112, an explanatory variable acquisition unit 113, and an estimation unit 114.

データベース作成部111は、推定対象Pの過去の操業データ又はシミュレーションデータとして取得された基本データPDに含まれる複数の状態変数xから、目的変量yを推定するためのデータセットφに含まれる1又は2以上の状態変数xrnを説明変量xとして選択する。また、データベース作成部111は、選択した説明変量xに係る基本データPDに基づいて、データセットφが蓄積されたデータベースDBを作成する。 The database creation unit 111 generates 1 included in the data set φ for estimating the target variable y from a plurality of state variables x n included in the basic data PD acquired as past operation data or simulation data of the estimation target P. Alternatively, two or more state variables x rn are selected as explanatory variables x. Further, the database creation unit 111 creates a database DB in which the data set φ is accumulated, based on the basic data PD related to the selected explanatory variable x.

学習部112は、データベースDBに記憶されている初期データセット~φ(j)を、学習用データセットφ(t)(教師データ)を用いて学習させ、推定用データセットφ(j)を生成する。各データセットは、説明変量x、目的変量y等を含むものであり、各データセットの詳細については後述する。初期データセット~φ(j)及び学習用データセットφ(t)は、例えば、予め取得された基本データPDを振り分けて生成される、互いに異なるデータを含むデータセットである。 The learning unit 112 trains the initial dataset ~φ(j) stored in the database DB using the training dataset φ * (t) (teacher data), and estimates the estimation dataset φ(j). generate. Each data set includes an explanatory variable x, an objective variable y, etc., and details of each data set will be described later. The initial dataset ~φ(j) and the learning dataset φ * (t) are, for example, datasets that are generated by sorting basic data PD acquired in advance and include mutually different data.

説明変量取得部113は、推定対象Pの状態を表すものとして測定されるパラメータのうちデータベース作成部111で選択された説明変量xの値を取得する。説明変量xは、例えば、化学プラントである推定対象Pにおいて、物理的なセンサ(ハードセンサ)を用いて測定可能な材料の温度、重量、装置内の圧力等の物理量である。 The explanatory variable acquisition unit 113 acquires the value of the explanatory variable x selected by the database creation unit 111 from among the parameters measured as representing the state of the estimation target P. The explanatory variable x is, for example, a physical quantity such as the temperature of a material, the weight, or the pressure inside an apparatus that can be measured using a physical sensor (hard sensor) in the estimation target P, which is a chemical plant.

推定部114は、学習部112によって学習され、記憶部12のデータベースDBに格納されている推定用データセットφ(j)と、説明変量取得部113で取得された推定対象Pの説明変量x等に基づいて、目的変量yの推定値^yを算出する。 The estimation unit 114 uses the estimation data set φ(j) learned by the learning unit 112 and stored in the database DB of the storage unit 12, the explanatory variables x of the estimation target P acquired by the explanatory variable acquisition unit 113, etc. Based on , calculate the estimated value ^y of the objective variable y.

記憶部12は、ハードディスク、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリであり、説明変量xから目的変量yを推定するためのプログラム、推定部114で推定された目的変量^y等を記憶する。また、記憶部12は、目的変量yを推定するための複数の推定用データセットφ(j)を格納するデータベースDBを備える。本実施の形態に係る初期データセット~φ(j)は、推定対象Pの状態を表す説明変量x、目的変量yを含む。また、推定用データセットφ(j)は、説明変量x、目的変量yを含む初期データセット~φ(j)に修正量cを加えたものである。 The storage unit 12 is a nonvolatile memory such as a hard disk or a flash memory, and stores a program for estimating the objective variable y from the explanatory variable x, the objective variable ^y estimated by the estimation unit 114, and the like. The storage unit 12 also includes a database DB that stores a plurality of estimation data sets φ(j) for estimating the objective variable y. The initial data set ~φ(j) according to the present embodiment includes an explanatory variable x representing the state of the estimation target P and an objective variable y. Furthermore, the estimation data set φ(j) is obtained by adding the correction amount c to the initial data set ~φ(j) including the explanatory variable x and the objective variable y.

表示部13は、推定対象Pの現在の状態を示す説明変量x、推定された目的変量^y等の情報を表示する表示デバイスであり、例えば、液晶モニタである。 The display unit 13 is a display device that displays information such as an explanatory variable x indicating the current state of the estimation target P, an estimated target variable ^y, and is, for example, a liquid crystal monitor.

入力部14は、推定用データセットφ(j)の学習条件等の各種設定値、目的変量yの推定の開始、終了指示等を入力するキーボード、マウス、タッチパネル等の入力デバイスである。 The input unit 14 is an input device such as a keyboard, a mouse, or a touch panel for inputting various setting values such as learning conditions for the estimation data set φ(j), instructions to start and end estimation of the target variable y, and the like.

続いて、状態推定装置1を用いた推定対象Pの状態推定方法について、図3のフローチャートを参照しつつ、具体的に説明する。本実施の形態に係る状態推定処理では、取得した基本データPDから状態推定に用いる説明変量xを選択して、状態推定を行うためのデータベースDBを作成し、データベースDBの学習を行う。そして、学習されたデータベースDBを用いて、目的変量yを推定する。 Next, a method for estimating the state of the estimation target P using the state estimating device 1 will be specifically described with reference to the flowchart of FIG. In the state estimation process according to this embodiment, an explanatory variable x used for state estimation is selected from the acquired basic data PD, a database DB for state estimation is created, and the database DB is trained. Then, the objective variable y is estimated using the learned database DB.

図3に示すように、初期データベース作成ステップとして、状態推定装置1のデータベース作成部111は、推定対象Pの操業データ等の基本データPDを取得する(ステップS11)。基本データPDは、予め記憶部12に格納されていてもよいし、状態推定装置1とネットワークを介して接続されたサーバ等の外部記憶装置に格納されていてもよい。 As shown in FIG. 3, as an initial database creation step, the database creation unit 111 of the state estimation device 1 acquires basic data PD such as operation data of the estimation target P (step S11). The basic data PD may be stored in advance in the storage unit 12, or may be stored in an external storage device such as a server connected to the state estimation device 1 via a network.

ここで、基本データPDに含まれる説明変量xは、推定対象Pの動作中に測定可能な状態変数xであるのに対し、目的変量yは、推定対象Pの動作中に測定することが難しい変数である。例えば、目的変量yは、化合物を生成する化学プラントにおいて、動作停止中でなければ測定することが難しい化合物の組成等である。この場合、操業データとして取得される基本データPDの目的変量yは、図4に示すように、推定対象Pの動作停止時のデータのみとなる。そこで、本実施の形態では、所定の状態変数xに基づいて、目的変量yを補間して、基本データPDとして用いることとする。 Here, the explanatory variables x included in the basic data PD are state variables x n that can be measured during the operation of the estimation target P, whereas the objective variables y cannot be measured during the operation of the estimation target P. This is a difficult variable. For example, the target variable y is the composition of a compound that is difficult to measure unless the chemical plant that produces the compound is stopped. In this case, the target variable y of the basic data PD acquired as operation data is only the data when the estimation target P stops operating, as shown in FIG. Therefore, in this embodiment, the objective variable y is interpolated based on the predetermined state variable x n and used as the basic data PD.

具体的には、データベース作成部111は、状態変数xのうち、時間変化の傾向が目的変量yと近いと考えられるものを選択する。そして、データベース作成部111は、目的変量yの初期値(時刻t=0)と、測定データ(時刻t=t)との間のデータを、選択された状態変数xの時間変化、例えばt=0~tの各測定時刻における変化率に基づいて補間する。図4は、目的変量yと選択された状態変数xとが、ともに単純増加する場合の補間について示しているが、実際には増加、減少等の変化の傾向に基づいて補間される。また、補間を行う際に参照される状態変数xの選択方法は特に限定されず、過去の操業データ、シミュレーションデータ等に基づいて、目的変量yと変化の傾向がより近似すると推測される状態変数xを選択すればよい。 Specifically, the database creation unit 111 selects one of the state variables xn whose temporal change tendency is considered to be close to the target variable y. Then, the database creation unit 111 converts the data between the initial value of the objective variable y (time t=0) and the measured data (time t=t m ) into the time change of the selected state variable x n , e.g. Interpolation is performed based on the rate of change at each measurement time from t=0 to tm . Although FIG. 4 shows interpolation when both the objective variable y and the selected state variable x n simply increase, interpolation is actually performed based on the tendency of change such as increase or decrease. In addition, the method of selecting the state variables x n to be referred to when performing interpolation is not particularly limited, and the state whose change tendency is estimated to be more similar to the target variable y based on past operation data, simulation data, etc. It is sufficient to select variables x n .

データベース作成部111は、取得した基本データPDに含まれる状態変数xから状態推定に用いる状態変数xrnを説明変量xとして選択する(ステップS12)。変数選択の方法としては、変数選択、特徴量選択において用いられる公知の方法を用いることができる。例えば、前向き法、後ろ向き法等のラッパー法、ラッソ回帰、決定木等の組み込み法等を用いることができる。 The database creation unit 111 selects the state variable x rn used for state estimation from the state variables x n included in the acquired basic data PD as the explanatory variable x (step S12). As a variable selection method, a known method used in variable selection and feature value selection can be used. For example, a wrapper method such as a forward method or a backward method, a lasso regression method, a built-in method such as a decision tree, etc. can be used.

データベース作成部111は、基本データPDから説明変量x及び目的変量yに関するデータを抽出し、2つの群に振り分けることにより、初期データセット~φ(j)(ただし、jは1~Nの自然数であり、Nは2以上である。)及び学習用データセットφ(t)を生成する(ステップS13)。尚、外れ値の影響を抑えるため、事前に基本データPDから外れ値を除去していることが好ましい。 The database creation unit 111 extracts data related to the explanatory variable x and the objective variable y from the basic data PD and divides them into two groups, thereby creating an initial data set ~φ(j) (where j is a natural number from 1 to N). (N is 2 or more) and a learning data set φ * (t) is generated (step S13). Note that in order to suppress the influence of outliers, it is preferable to remove outliers from the basic data PD in advance.

初期データセット~φ(j)は、以下の式(3)に示すように、推定対象Pにおいて測定可能なデータである説明変量~x(j)と、制御対象の動作中において測定が困難な目的変量~y(j)とを含む。状態推定装置1は、初期データセット~φ(j)を格納したデータベースDB(以下、初期データベースDBともいう。)を作成し、記憶部12に記憶させる(ステップS14)。
The initial data set ~φ(j) consists of the explanatory variable ~x(j), which is data that can be measured in the estimation target P, and the explanatory variable ~x(j), which is data that can be measured in the estimation target P, and the explanatory variable ~φ(j), which is data that is difficult to measure during the operation of the controlled target, as shown in equation (3) below. It includes the objective variable ~y(j). The state estimating device 1 creates a database DB (hereinafter also referred to as initial database DB 0 ) storing the initial data set ~φ(j), and stores it in the storage unit 12 (step S14).

また、上式に示すように、初期データセット~φ(j)は、後述する学習によって目的変量yの推定値を修正するためのパラメータである修正量c(j)を含む。ただし、学習前である初期データセット~φ(j)中の修正量~c(j)は、~c(j)=0と設定されている。 Furthermore, as shown in the above equation, the initial data set ~φ(j) includes a correction amount c(j) that is a parameter for correcting the estimated value of the target variable y by learning described later. However, the correction amount ~c(j) in the initial data set ~φ(j) before learning is set to ~c(j)=0.

続いて、学習ステップとして、学習部112は、以下の式に示す学習用データセットφ(t)(ただし、tは1~Mの自然数である。)を用いて初期データベースDBを学習させる。
Next, as a learning step, the learning unit 112 trains the initial database DB 0 using the learning data set φ * (t) (where t is a natural number from 1 to M) shown in the following formula. .

学習用データセットφ(t)は、初期データセット~φ(j)と同様に、予め測定されたデータ等である基本データPDに基づいて生成され、初期データセット~φ(j)とは異なるデータである。また、学習用データセットφ(t)は、初期データベースDBの学習に用いられるデータセットであるので、上式に示すように、修正量cは含まない。 The learning dataset φ * (t) is generated based on the basic data PD, which is pre-measured data, like the initial dataset ~φ(j), and the initial dataset ~φ(j) is This is different data. Furthermore, since the learning data set φ * (t) is a data set used for learning the initial database DB 0 , it does not include the correction amount c as shown in the above equation.

学習ステップでは、学習部112は、学習用データセットφ(t)(要求点)を選択する(ステップS15)。学習部112は、選択された学習用データセットφ(t)と、初期データベースDBに格納されている初期データセット~φ(j)との類似度Sを算出する(ステップS16)。学習用データセットφ(t)と初期データセット~φ(j)との類似度S(φ(t),~φ(j))、すなわち学習用データセットφ(t)に含まれる説明変量xと初期データセット~φ(j)に含まれる説明変量xとの近さは、以下の式で表される。 In the learning step, the learning unit 112 selects the learning data set φ * (t) (required point) (step S15). The learning unit 112 calculates the degree of similarity S between the selected learning data set φ * (t) and the initial data set ~φ(j) stored in the initial database DB 0 (step S16). Similarity S(φ * (t), ~φ(j)) between the training dataset φ * (t) and the initial dataset ~φ (j), that is, the similarity S (φ * (t), ~φ (j)) included in the training dataset φ * (t) The closeness between the explanatory variable x and the explanatory variable x included in the initial data set ~φ(j) is expressed by the following formula.

なお,hはバンド幅であり、~φ(j,i)は、データベースDBに記憶されている第j番目のデータセットφにおける説明変量xの第i番目の要素を表す。また、n,nはそれぞれ目的変量y,説明変量xの次数である。バンド幅hの決定方法は特に限定されず、プラグ・イン法(Plug-In Method)等の公知の方法を用いることができる。 Note that h i is the bandwidth, and ~φ(j, i) represents the i-th element of the explanatory variable x in the j-th data set φ stored in the database DB. Further, n y and n x are the orders of the objective variable y and the explanatory variable x, respectively. The method for determining the bandwidth h i is not particularly limited, and a known method such as a plug-in method can be used.

類似度Sが最も高くなるのは、要求点φ(t)と同じ説明変量xを有する初期データセット~φ(j)が存在する場合であり、この場合の類似度Sは以下の式となる。
The similarity S is highest when there is an initial data set ~φ(j) with the same explanatory variable x as the required point φ * (t), and in this case, the similarity S is expressed by the following formula. Become.

また、要求点φ(t)の説明変量xと、初期データセット~φ(j)の説明変量xとが類似していない場合、類似度S(φ(t),~φ(j))は0に近づく。したがって、本実施の形態に係る学習部112は、以下の類似度Sに基づく条件式を満足する初期データセット~φ(j)を近傍データとして選択する(ステップS17)。
ここで、Tthは閾値であり、0≦Tth≦1の範囲で設定される。
In addition, if the explanatory variable x of the request point φ * (t) and the explanatory variable x of the initial dataset ~φ (j) are not similar, the similarity S(φ * (t), ~φ (j) ) approaches 0. Therefore, the learning unit 112 according to the present embodiment selects the initial data set ~φ(j) that satisfies the following conditional expression based on the degree of similarity S as neighboring data (step S17).
Here, T th is a threshold value, and is set in the range of 0≦T th ≦1.

続いて、ステップS17で選択された近傍データである初期データセット~φ(j)の目的変量y及び修正量cを用いて、以下で示される重み付き局所線形平均法(Linearly Weighted Average:LWA)により目的変量yの推定値^yを算出する(ステップS18)。
ここで、kはステップS17で選択された近傍データの数である。
Next, using the objective variable y and correction amount c of the initial dataset ~φ(j), which is the neighborhood data selected in step S17, a weighted local linear average method (Linearly Weighted Average: LWA) shown below is performed. The estimated value ^y of the objective variable y is calculated (step S18).
Here, k is the number of neighboring data selected in step S17.

また、wは近傍データとして選択されたi番目の初期データセット~φ(j)に含まれる目的変量y及び修正量cに対する重みであり、以下の式で与えられる。
In addition, w i is a weight for the objective variable y and correction amount c included in the i-th initial data set ~φ(j) selected as neighborhood data, and is given by the following equation.

以上の手順により、類似度Sに基づいて、初期データセット~φ(j)中の説明変量xに対する目的変量yの推定値^yを算出することができる。 Through the above procedure, it is possible to calculate the estimated value ^y of the objective variable y for the explanatory variable x in the initial data set ~φ(j) based on the similarity S.

学習部112は、式(8)に示すように、近傍データの目的変量~y(i)にその修正量~c(i)を足し合わせたものを、式(9)で算出された重みωと掛け合わせて、近傍データ全てについて算出された値を足し合わせる。これにより、学習部112は、近傍データとの類似度Sに対応した推定目的変量^y(t)を算出することができる。なお、学習開始時においては、修正量~c(i)は0であり、以下のデータ修正によって順次更新される。 As shown in Equation (8), the learning unit 112 adds the target variable ~y(i) of the neighborhood data and its correction amount ~c(i) to the weight ω calculated using Equation (9). Multiply by i and add up the values calculated for all neighboring data. Thereby, the learning unit 112 can calculate the estimated target variable ^y(t) corresponding to the degree of similarity S with neighboring data. Note that at the start of learning, the correction amount ~c(i) is 0, and is sequentially updated by the following data corrections.

学習部112は、式(8)で推定された推定値^yと、学習用データセットφ(t)に含まれる実測値又は補間値である目的変量y(t)との誤差に基づいて、修正量~cを更新する(ステップS19)。具体的には、学習部112は、以下の式(10)に示す最急降下法を用いて修正量~cを更新する。
The learning unit 112 calculates the value based on the error between the estimated value ^y estimated by equation (8) and the objective variable y * (t), which is an actual measured value or an interpolated value included in the learning data set φ * (t). Then, the correction amount ~c is updated (step S19). Specifically, the learning unit 112 updates the correction amount ~c using the steepest descent method shown in equation (10) below.

ここで、~c(i)はステップS17で選択された近傍データの修正量である。また、ηは学習係数、J(t)は、以下の式(11)、(12)で定義される評価規範である。
Here, ~c(i) is the amount of correction of the neighboring data selected in step S17. Further, η is a learning coefficient, and J(t) is an evaluation criterion defined by the following equations (11) and (12).

式(12)に示すように、学習部112は、実測又は補間された目的変量yと推定された目的変量^yとの誤差を最小化する修正量~cnewを算出して、データベースDBに格納されている近傍データの修正量~c(j)を更新する。これにより、初期データセット~φ(j)は逐次更新される。上記の式(10)~(12)に示すように、修正量cは、推定された目的変量^yと実測又は補間された目的変量yとの差に基づいて導出される目的変量の補正値である。 As shown in equation (12), the learning unit 112 calculates the correction amount ~c new that minimizes the error between the measured or interpolated objective variable y and the estimated objective variable ^y, and stores it in the database DB. The stored neighborhood data correction amount ~c(j) is updated. As a result, the initial data set ~φ(j) is updated sequentially. As shown in equations (10) to (12) above, the correction amount c is a correction value of the objective variable derived based on the difference between the estimated objective variable ^y and the actually measured or interpolated objective variable y. It is.

修正量~c(j)の更新の後、ステップS15へ戻り、学習部112は、次の学習用データセットφ(t)を用いて、初期データセット~φ(j)の学習を行う。ステップS15~S19の学習は、上記の評価規範J(t)が十分に小さくなるまで、すなわち予め設定された閾値Th以下となるまで繰り返される(ステップS20のNO)。 After updating the correction amount ~c(j), the process returns to step S15, and the learning unit 112 uses the next learning data set φ * (t) to learn the initial data set ~φ(j). The learning in steps S15 to S19 is repeated until the evaluation criterion J(t) becomes sufficiently small, that is, until it becomes equal to or less than a preset threshold Th (NO in step S20).

評価規範J(t)が十分に小さく、すなわち予め設定された閾値Th以下になると、学習部112は、学習を終了する(ステップS20のYES)。これにより、学習部112は、学習が終了した初期データセット~φ(j)を、より適切な推定が可能なデータセットである推定用データセットφ(j)としてデータベースDBに格納し、推定用のデータベースDB(以下、推定用データベースDBpともいう。)とする。 When the evaluation criterion J(t) becomes sufficiently small, that is, less than or equal to the preset threshold Th, the learning unit 112 ends the learning (YES in step S20). As a result, the learning unit 112 stores the initial data set ~φ(j) for which learning has been completed in the database DB as an estimation data set φ(j), which is a data set that allows more appropriate estimation. database DB (hereinafter also referred to as estimation database DBp).

上述のように、本実施の形態に係る推定用データセットφ(j)では、学習によって初期データセット~φ(j)の説明変量~x(j)及び目的変量~y(j)を変更せず、独立して設けられた修正量~cを更新して学習することとしている。これにより、学習後の推定用データセットφ(j)は、初期データセット~φ(j)の説明変量~x(j)、目的変量~y(j)を保持するので、学習によって更新されたパラメータを容易に確認することが可能となる。 As described above, in the estimation dataset φ(j) according to the present embodiment, the explanatory variable ~x(j) and the objective variable ~y(j) of the initial dataset ~φ(j) are not changed through learning. First, the independently provided correction amount ~c is updated and learned. As a result, the estimation dataset φ(j) after learning retains the explanatory variable ~x(j) and objective variable ~y(j) of the initial dataset ~φ(j), so it is updated by learning. It becomes possible to check parameters easily.

続いて、状態推定ステップとして、状態推定装置1は、学習された推定用データベースDBpを用いて、推定対象Pの状態推定を行う。状態推定が開始されると、状態推定装置1の推定部114は、推定対象Pの説明変量x(要求点)を取得する(ステップS21)。 Subsequently, as a state estimation step, the state estimation device 1 estimates the state of the estimation target P using the learned estimation database DBp. When state estimation is started, the estimation unit 114 of the state estimation device 1 acquires the explanatory variable x (required point) of the estimation target P (step S21).

推定部114は、取得した説明変量xと推定用データセットφ(j)との類似度Sを算出し、取得した説明変量xの近傍データを選択する(ステップS22)。類似度Sの算出方法及び近傍データの選択方法は、学習ステップにおけるステップS16、S17と同様である。すなわち、推定部114は、取得した説明変量xと、推定用データセットφ(j)の説明変量xとの類似度Sを式(5)と同様に算出する。そして推定部114は、算出された類似度Sの高いものから、予め定められた所定の個数の推定用データセットφ(j)を近傍データとして選択する。 The estimation unit 114 calculates the degree of similarity S between the obtained explanatory variable x and the estimation data set φ(j), and selects neighboring data of the obtained explanatory variable x (step S22). The method of calculating the similarity S and the method of selecting neighboring data are the same as steps S16 and S17 in the learning step. That is, the estimating unit 114 calculates the similarity S between the acquired explanatory variable x and the explanatory variable x of the estimation data set φ(j) in the same manner as in equation (5). Then, the estimation unit 114 selects a predetermined number of estimation data sets φ(j) from those with the highest calculated similarity S as neighboring data.

推定部114は、ステップS22で選択された近傍データに基づいて、目的変量yを推定する(ステップS23)。目的変量yの推定方法は、学習ステップにおけるステップS18の目的変量yの推定方法と同様である。すなわち、推定部114は、ステップS22で選択された近傍データである推定用データセットφ(j)に、式(8),(9)と同様の重み付き局所線形平均法を適用して、推定目的変量^yを算出する。 The estimation unit 114 estimates the target variable y based on the neighborhood data selected in step S22 (step S23). The method for estimating the target variable y is the same as the method for estimating the target variable y in step S18 in the learning step. That is, the estimation unit 114 applies the weighted local linear average method similar to equations (8) and (9) to the estimation data set φ(j), which is the neighboring data selected in step S22, to estimate the Calculate the objective variable ^y.

状態推定装置1は、状態推定処理が終了するまで(ステップS24のNO)、ステップS21~S23の状態推定処理を繰り返す。そして、入力部14への終了指示の入力、所定の推定処理時間の終了等の終了条件を充足すると(ステップS24のYES)、状態推定装置1は状態推定処理を終了する。 The state estimation device 1 repeats the state estimation processing in steps S21 to S23 until the state estimation processing is completed (NO in step S24). Then, when the termination conditions such as input of a termination instruction to the input unit 14 and completion of a predetermined estimation processing time are satisfied (YES in step S24), the state estimation device 1 terminates the state estimation processing.

以上説明したように、本実施の形態に係る状態推定装置及び状態推定方法によれば、重要度の大きい状態変数として選択された説明変量xに基づいてデータセットφを構成し、目的変量yの推定に用いるデータベースDBを作成する。また、推定用データセットφ(j)を、初期データセット~φ(j)と修正量c(j)とを含むデータとして構成し、データベースDBを学習させている。したがって、重要度の大きい説明変量を用いて構成され、学習されたデータベースDBを用いることにより、高い精度で目的変量yの推定を行うことができる。また、初期データセット~φ(j)からの修正量c(j)を確認できるので修正状況を容易に把握することが可能である。これにより、修正量cの変化、初期データセット~φ(j)及び近傍データ数の妥当性等の分析を容易に行うことができる。 As explained above, according to the state estimation device and state estimation method according to the present embodiment, the data set φ is constructed based on the explanatory variable x selected as a highly important state variable, and the data set φ is Create a database DB used for estimation. Further, the estimation data set φ(j) is configured as data including the initial data set ~φ(j) and the correction amount c(j), and the database DB is trained. Therefore, by using the database DB configured and trained using explanatory variables with high importance, it is possible to estimate the target variable y with high accuracy. Furthermore, since the amount of correction c(j) from the initial data set ~φ(j) can be confirmed, it is possible to easily grasp the correction status. Thereby, it is possible to easily analyze changes in the correction amount c, the validity of the initial data set ~φ(j), the number of neighboring data, and the like.

(実施の形態2)
上述の実施の形態1では、データベースDBは1つであることとしたが、2つ以上のデータベースDBを用いることもできる。本実施の形態では、制御対象の動作状態、すなわち説明変量xと目的変量yとの関係に影響を与える環境指標EIに基づいて複数のデータベースDBを作成し、これら複数のデータベースDBを用いて目的変量yを推定する状態推定装置2について説明する。
(Embodiment 2)
In the first embodiment described above, there is one database DB, but two or more databases DB can also be used. In this embodiment, a plurality of databases DB are created based on the environmental index EI that influences the operational state of the controlled object, that is, the relationship between the explanatory variable x and the objective variable y, and these databases are used to determine the objective. The state estimation device 2 that estimates the variable y will be explained.

本実施の形態では、データベースDBの構成が実施の形態1と異なり、その他の構成は実施の形態1と同様であるので、同じ符号を付して説明を省略する。 In this embodiment, the configuration of database DB is different from Embodiment 1, and other configurations are the same as in Embodiment 1, so the same reference numerals are given and explanations are omitted.

図5に示すように、本実施の形態に係る状態推定装置2は、複数のデータベースDBnを備える。本実施の形態に係る状態推定装置2は、4つのデータベースDBn(データベースDB1~DB4)を備えることとする。以下、図6のフローチャートを参照しつつ、本実施の形態に係る状態推定の流れについて説明する。 As shown in FIG. 5, the state estimation device 2 according to this embodiment includes a plurality of databases DBn. The state estimation device 2 according to this embodiment includes four databases DBn (databases DB1 to DB4). The flow of state estimation according to this embodiment will be described below with reference to the flowchart of FIG. 6.

図6に示すように、初期データベース作成ステップとして、状態推定装置2は、推定対象Pの操業データ等、データベースDBnを作成するための複数のデータセットを含む基本データPDを取得する(ステップS31)。本実施の形態に係る基本データPDは、環境指標EIの異なる複数のデータ群として与えられる。環境指標EIは、推定対象Pの動作状態、すなわち説明変量xと目的変量yとの関係に影響を与える指標であり、例えば、推定対象Pの周囲の温度、湿度等に基づいて定義される指標である。ステップS31で取得される基本データPDは、環境指標EIが所定の範囲を超えて離れている状態で取得された操業データ等のデータ群であり、例えば、環境温度が大きく異なる季節ごとに取得された操業データである。 As shown in FIG. 6, as an initial database creation step, the state estimation device 2 acquires basic data PD including a plurality of data sets for creating the database DBn, such as operational data of the estimation target P (step S31). . The basic data PD according to this embodiment is given as a plurality of data groups with different environmental indicators EI. The environmental index EI is an index that affects the operating state of the estimation target P, that is, the relationship between the explanatory variable x and the objective variable y, and is, for example, an index defined based on the temperature, humidity, etc. around the estimation target P. It is. The basic data PD acquired in step S31 is a data group such as operational data acquired when the environmental index EI is far beyond a predetermined range, and for example, the basic data PD is acquired in each season where the environmental temperature differs greatly. This is operational data.

データベース作成部111は、取得した基本データPDに含まれる状態変数xから重要度の大きい状態変数xrnを説明変量xとして選択する(ステップS32)。変数選択の方法は、実施の形態1のステップS12と同様である。また、データベース作成部111は、選択された説明変量xに係る基本データPDを環境指標EIに基づいて複数のデータ群に分類する。例えば、データベース作成部111は、説明変量xに基づいて基本データPDを、環境温度の異なる季節ごとのデータ群に分類する(ステップS33)。 The database creation unit 111 selects a state variable xrn with a large degree of importance as an explanatory variable x from the state variables xn included in the acquired basic data PD (step S32). The variable selection method is similar to step S12 of the first embodiment. Further, the database creation unit 111 classifies the basic data PD related to the selected explanatory variable x into a plurality of data groups based on the environmental index EI. For example, the database creation unit 111 classifies the basic data PD into data groups for each season with different environmental temperatures based on the explanatory variable x (step S33).

データベース作成部111は、分類されたデータ群ごとに、実施の形態1と同様の方法により、初期データセット~φ(j)及び学習用データセットφ(t)を生成し(ステップS34)、複数の初期データベースDBを作成する(ステップS35)。 The database creation unit 111 generates an initial dataset ~φ(j) and a learning dataset φ * (t) for each classified data group using the same method as in Embodiment 1 (step S34), A plurality of initial databases DB 0 are created (step S35).

続いて、学習ステップとして、学習部112は、初期データベースDBごとに、学習用データセットφ(t)を用いて学習を行う(ステップS36)。学習ステップの処理(ステップS36)は、実施の形態1に係る学習ステップの処理であるステップS15~S20と同様の処理を、各初期データベースDBについて行うものである。これにより、複数の学習済みデータベースDBnが作成される。 Subsequently, as a learning step, the learning unit 112 performs learning using the learning data set φ * (t) for each initial database DB 0 (step S36). The learning step process (step S36) is the same process as steps S15 to S20, which are the learning step processes according to the first embodiment, for each initial database DB0 . As a result, a plurality of learned databases DBn are created.

続いて、状態推定ステップとして、状態推定装置2は、作成された複数のデータベースDBnを用いて、目的変量yの推定を行う(図7)。具体的には、説明変量取得部113は、推定対象Pの説明変量xの測定値を取得する(ステップS37)。推定部114は、各データベースDBnにおいて、測定値に基づく要求点と推定用データセットφ(j)との類似度Sを演算し、類似度Sが予め設定された基準類似度Ssより高い推定用データセットφ(j)を近傍データとして選択する(ステップS38)。 Subsequently, as a state estimation step, the state estimation device 2 estimates the target variable y using the plurality of created databases DBn (FIG. 7). Specifically, the explanatory variable acquisition unit 113 acquires the measured value of the explanatory variable x of the estimation target P (step S37). The estimation unit 114 calculates the degree of similarity S between the request point based on the measurement value and the estimation data set φ(j) in each database DBn, and calculates the degree of similarity S between the request point based on the measured value and the estimation data set φ(j), and calculates the degree of similarity S between the request point based on the measurement value and the estimation data set φ(j), Data set φ(j) is selected as neighboring data (step S38).

推定部114は、データベースDBnごとに、選択された近傍データに基づいて、目的変量yの推定値^yを算出する(ステップS39)。推定目的変量^yの算出方法は、実施の形態1に係るステップS23と同様である。 The estimation unit 114 calculates the estimated value ^y of the target variable y for each database DBn based on the selected neighborhood data (step S39). The method of calculating the estimated objective variable ^y is the same as that in step S23 according to the first embodiment.

また、推定部114は、各データベースDB1~DB4において基準類似度Ssを超えたデータ数N~Nを計数する(ステップS40)。推定部114は、計数したデータ数N~Nを用いて、以下の式によって重みv~vを算出する。
Furthermore, the estimating unit 114 counts the number of data N 1 to N 4 exceeding the reference similarity Ss in each of the databases DB1 to DB4 (step S40). The estimation unit 114 uses the counted data numbers N 1 to N 4 to calculate weights v 1 to v 4 according to the following equations.

推定部114は、以下の式に示す重み付き平均法に基づいて、要求点に対応する推定値^y(t)を算出する(ステップS41)。
The estimation unit 114 calculates the estimated value ^y(t) corresponding to the required point based on the weighted average method shown in the following formula (step S41).

状態推定装置2は、状態推定処理が終了するまで(ステップS42のNO)、ステップS37~S41の状態推定処理を繰り返す。そして、入力部14への終了指示の入力、所定の推定処理時間の終了等の終了条件を充足すると(ステップS42のYES)、状態推定装置2は状態推定処理を終了する。 The state estimation device 2 repeats the state estimation processing in steps S37 to S41 until the state estimation processing ends (NO in step S42). Then, when termination conditions such as inputting a termination instruction to the input unit 14 and completion of a predetermined estimation processing time are satisfied (YES in step S42), the state estimation device 2 terminates the state estimation processing.

これにより、環境指標EIに基づいて、説明変量xと目的変量yとの関係について、近い傾向を有するデータベースDBnの影響を大きく反映させて、目的変量yの推定を行うことができる。したがって、環境指標EIが大きく変化する状態であっても、より精度よく状態推定を行うことが可能となる。 Thereby, the objective variable y can be estimated based on the environmental index EI, with the relationship between the explanatory variable x and the objective variable y largely reflecting the influence of the database DBn having a similar tendency. Therefore, even in a state where the environmental index EI changes significantly, it is possible to estimate the state with higher accuracy.

(数値例)
以下、本発明の実施の形態に係る状態推定の数値例について説明する。本例では、ポリエステルの生成に係る重縮合反応プロセスにおける状態推定について説明する。本プロセスは、温度や圧力などを制御することで重縮合反応を高め、ポリエステルを生成するものである。
(Numeric example)
A numerical example of state estimation according to an embodiment of the present invention will be described below. In this example, state estimation in a polycondensation reaction process related to the production of polyester will be described. This process increases the polycondensation reaction by controlling temperature and pressure to produce polyester.

高分子化合物の製造プロセスにおける重縮合反応では、製品品質の指標として、化合物の粘度が一般的に用いられる。重縮合反応における化合物の粘度は、通常、反応終了後に測定されるものであり、反応中に測定することは難しい。例えば、ポリエステルの重縮合反応においては、製品品質の指標として極限粘度(固有粘度)、還元粘度が重要となる。そこで、本例では、目的変量yを還元粘度として、状態推定を行う。また、説明変量xとなる状態変数xは、反応中の温度、圧力、原料流量等多数存在するが、初期データベース作成ステップにおける変数選択によって、反応中に測定可能な183個の状態変数xから、重要度の大きい23個の状態変数xrnを、説明変量xとして選択した。 In polycondensation reactions in the manufacturing process of polymer compounds, the viscosity of the compound is generally used as an indicator of product quality. The viscosity of a compound in a polycondensation reaction is usually measured after the reaction is completed, and it is difficult to measure it during the reaction. For example, in the polycondensation reaction of polyester, limiting viscosity (intrinsic viscosity) and reduced viscosity are important indicators of product quality. Therefore, in this example, state estimation is performed using reduced viscosity as the objective variable y. In addition, there are many state variables x n serving as explanatory variables x, such as temperature, pressure, and raw material flow rate during the reaction, but by selecting variables in the initial database creation step, 183 state variables x n can be measured during the reaction. From the above, 23 state variables x rn of high importance were selected as explanatory variables x.

本例では、ランダムフォレストを用いて状態変数xの重要度を分析し、変数選択を行った。図8は、ランダムフォレストによって演算された状態変数xの重要度の一部を示したものである。図8に示すように、ランダムフォレストを適用することにより、重要度の大きい状態変数xを説明変量xとして選択できることがわかる。 In this example, random forest was used to analyze the importance of state variables x n and select variables. FIG. 8 shows a portion of the importance levels of the state variables x n calculated by random forest. As shown in FIG. 8, it can be seen that by applying random forest, state variables x n with high importance can be selected as explanatory variables x.

また、本例では、実測データとして得られた基本データPDを、初期データセット~φ(j)用データ、学習用データセットφ(t)用データ及び検証用データに振り分けて使用した。また、近傍データを選択する際の近傍データ数kは3とし、学習に用いる学習係数ηは0.2とした。 Furthermore, in this example, the basic data PD obtained as the actual measurement data was divided into data for the initial data set ~φ(j), data for the learning dataset φ * (t), and data for verification. Further, the number k of neighboring data when selecting neighboring data was set to 3, and the learning coefficient η used for learning was set to 0.2.

上記条件で作成したデータベースDBを用いて推定を行った結果の一例を図9及び図10に示す。図9及び図10のグラフでは、横軸の時間を0~100、縦軸の還元粘度を0~1の範囲で正規化して示している。図9は、変数選択を行って、説明変量xの数を23個として推定を行った結果を示すグラフである。図9に示すように、丸印で示す還元粘度の真値(実測値)に近づくように徐々に粘度が高くなるように推定できており、適切な状態推定が行われていることがわかる。 Examples of estimation results using the database DB created under the above conditions are shown in FIGS. 9 and 10. In the graphs of FIGS. 9 and 10, the time on the horizontal axis is normalized from 0 to 100, and the reduced viscosity on the vertical axis is normalized in the range from 0 to 1. FIG. 9 is a graph showing the results of estimation performed by selecting variables and setting the number of explanatory variables x to 23. As shown in FIG. 9, the viscosity can be estimated to gradually increase so as to approach the true value (actually measured value) of the reduced viscosity indicated by the circle, and it can be seen that appropriate state estimation is performed.

図10は、変数選択を行わず、183個の状態変数xを説明変量xとして用いた場合の状態推定の結果を示している。図10に示すように、図9の場合と比較して、還元粘度の真値と推定値とが乖離しており、推定精度が劣化していることがわかる。 FIG. 10 shows the results of state estimation when 183 state variables x n are used as explanatory variables x without variable selection. As shown in FIG. 10, compared to the case of FIG. 9, it can be seen that the true value and estimated value of the reduced viscosity deviate from each other, and the estimation accuracy has deteriorated.

本例では、複数の検証データを用いて推定を行い、以下の式に示す誤差率Iを用いて、結果の評価を行った。
In this example, estimation was performed using a plurality of pieces of verification data, and the results were evaluated using the error rate Ie shown in the following formula.

本例の全検証データに対する誤差率Iの平均値は2.91%であり、有効な状態推定を行えることが確認できた。また、変数選択を行わなかった場合の誤差率Iの平均は3.24%であり、データベースDBの作成の際、事前に重要度の大きい状態変数xを説明変量xとして選択することにより、精度よく状態推定を行えることが確認できた。 The average value of the error rate Ie for all verification data in this example was 2.91%, confirming that effective state estimation could be performed. In addition, the average error rate Ie when no variables are selected is 3.24%. It was confirmed that state estimation can be performed with high accuracy.

上記の実施の形態では、状態推定処理を行う前にデータベースDBの学習を終了することとしたが、これに限られない。推定対象Pの動作中に目的変量yが測定可能な場合、例えば、説明変量xより低い頻度で目的変量yが測定可能である場合、測定された説明変量x及び目的変量yを用いてデータベースDBをオンライン学習させることとしてもよい。この場合、状態推定装置1の制御部11は、動作中の推定対象Pのセンサから取得した説明変量x、目的変量yを学習用データセットφとして、推定用データベースDBpの学習を行うこととすればよい。学習のタイミングは、例えば、目的変量yが取得されるタイミングとすればよい。これにより、推定対象Pの状態変化に対応した、より精度の高い状態推定を行うことが可能となる。 In the above embodiment, the learning of the database DB is finished before performing the state estimation process, but the present invention is not limited to this. When the objective variable y can be measured during the operation of the estimation target P, for example, when the objective variable y can be measured at a lower frequency than the explanatory variable x, the measured explanatory variable x and objective variable y are used to create the database DB. It is also possible to have students learn online. In this case, the control unit 11 of the state estimation device 1 performs learning of the estimation database DBp using the explanatory variable x and the objective variable y acquired from the sensor of the estimation target P in operation as the learning data set φ * . do it. The learning timing may be, for example, the timing at which the objective variable y is acquired. This makes it possible to perform more accurate state estimation corresponding to state changes of the estimation target P.

また、上記実施の形態に係る状態推定方法は、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、上記実施の形態に係る状態推定を実行するためのコンピュータプログラムを、インターネット等のネットワークを介して配布し、当該コンピュータプログラムをコンピュータにインストールすることにより、コンピュータ装置を上記の状態推定を実行する状態推定装置として機能させることができる。 Further, the state estimation method according to the embodiment described above can be realized using a normal computer system. For example, a computer program for executing the state estimation according to the above embodiment is distributed via a network such as the Internet, and the computer program is installed on a computer, thereby causing the computer device to execute the above state estimation. It can function as a state estimation device.

本発明は、複数の状態変数を測定可能な場合の状態推定に好適である。また、本発明は推定対象の状態が時刻とともに変化するシステムの状態推定に好適である。 The present invention is suitable for state estimation when a plurality of state variables can be measured. Further, the present invention is suitable for estimating the state of a system in which the state of the estimation target changes with time.

1,2 状態推定装置、11 制御部、111 データベース作成部、112 学習部、113 説明変量取得部、114 推定部、12 記憶部、13 表示部、14 入力部、DB データベース、P 推定対象 Reference Signs List 1, 2 state estimation device, 11 control unit, 111 database creation unit, 112 learning unit, 113 explanatory variable acquisition unit, 114 estimation unit, 12 storage unit, 13 display unit, 14 input unit, DB database, P estimation target

Claims (7)

推定対象の状態を表す説明変量と目的変量とを含む複数のデータセットを格納するデータベースを作成するデータベース作成部と、
前記データベースを学習させる学習部と、
前記学習部で学習された前記データベースに基づいて、前記推定対象の測定値である前記説明変量に対応する前記目的変量を推定する推定部と、を備え、
前記データベース作成部は、前記推定対象の動作中に測定可能な状態変数のうち重要度の大きい変数を前記説明変量として選択し、
前記学習部は、学習前の初期データセットを、学習用データセットを用いて更新することにより学習させて推定用データベースを作成し、
前記推定用データベースの推定用データセットは、初期データセットのデータと、学習によるデータの修正量とを含むデータセットである、
ことを特徴とする状態推定装置。
a database creation unit that creates a database that stores a plurality of data sets including explanatory variables and objective variables that represent the state of the estimation target;
a learning unit that trains the database;
an estimating unit that estimates the objective variable corresponding to the explanatory variable that is the measurement value of the estimation target based on the database learned by the learning unit;
The database creation unit selects, as the explanatory variable, a variable with a high degree of importance among state variables that can be measured during the operation of the estimation target,
The learning unit updates an initial data set before learning with a learning data set to perform learning and create an estimation database;
The estimation data set of the estimation database is a data set that includes data of an initial data set and an amount of data correction by learning.
A state estimation device characterized by:
前記修正量は、推定された前記目的変量と実測された前記目的変量との差に基づいて導出される、前記目的変量の補正値である、
ことを特徴とする請求項1に記載の状態推定装置。
The correction amount is a correction value of the target variable, which is derived based on the difference between the estimated target variable and the actually measured target variable.
The state estimating device according to claim 1, characterized in that:
前記データベース作成部は、前記データベースを作成するために取得された複数の前記データセットに含まれる前記目的変量を、所定の前記説明変量の時間変化に基づいて補間する、
ことを特徴とする請求項1に記載の状態推定装置。
The database creation unit interpolates the target variables included in the plurality of data sets acquired to create the database based on a change over time of the predetermined explanatory variable.
The state estimating device according to claim 1, characterized in that:
前記データベース作成部は、前記データベースを作成するために取得された複数の前記データセットを、前記説明変量と前記目的変量との関係に影響を与える環境指標に基づいて複数のデータ群に分類し、前記データ群ごとに前記データベースを作成する、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の状態推定装置。
The database creation unit classifies the plurality of data sets acquired to create the database into a plurality of data groups based on an environmental index that affects the relationship between the explanatory variable and the objective variable, creating the database for each data group;
The state estimating device according to any one of claims 1 to 3.
前記推定部は、
測定された前記説明変量と、前記推定用データセット中の前記説明変量との類似度を演算して近傍データを抽出し、前記データベースごとに抽出された前記近傍データの数に基づいて前記データベースごとの重みを算出し、前記近傍データと前記重みに基づいて、前記目的変量を推定する、
ことを特徴とする請求項4に記載の状態推定装置。
The estimation unit is
The degree of similarity between the measured explanatory variable and the explanatory variable in the estimation data set is calculated to extract neighboring data, and based on the number of neighboring data extracted for each database, the similarity is calculated for each database. estimating the objective variable based on the neighborhood data and the weight;
The state estimating device according to claim 4, characterized in that:
推定対象の動作中に測定可能な状態変数のうち重要度の大きい変数を説明変量として選択し、前記推定対象の状態を表す前記説明変量と目的変量とを含む複数のデータセットをデータベースに格納して初期データベースを作成する初期データベース作成ステップと、
前記初期データベースを、学習用データセットを用いて学習させて推定用データベースを作成する学習ステップと、
前記推定用データベースに基づいて、前記推定対象の測定値である前記説明変量に対応する前記目的変量を推定する推定ステップと、を含み、
前記推定用データベースに格納された推定用データセットは、初期データセットのデータと、学習によるデータの修正量とを含むデータセットである、
ことを特徴とする状態推定方法。
A variable with a high degree of importance is selected as an explanatory variable among state variables that can be measured during the operation of the estimation target, and a plurality of data sets including the explanatory variables representing the state of the estimation target and a target variable are stored in a database. an initial database creation step of creating an initial database using
a learning step of training the initial database using a training dataset to create an estimation database;
an estimation step of estimating the target variable corresponding to the explanatory variable that is the measurement value of the estimation target based on the estimation database;
The estimation data set stored in the estimation database is a data set that includes data of an initial data set and an amount of data correction by learning.
A state estimation method characterized by:
コンピュータを、
推定対象の動作中に測定可能な状態変数のうち重要度の大きい変数を説明変量として選択し、前記推定対象の状態を表す前記説明変量と目的変量とを含む複数のデータセットをデータベースに格納して初期データベースを作成するデータベース作成部、
前記データベースを、学習用データセットを用いて学習させて、初期データセットのデータと、学習によるデータの修正量とを含む推定用データセットを格納する推定用データベースを作成する学習部、
前記推定用データベースに基づいて、前記推定対象の測定値である前記説明変量に対応する前記目的変量を推定する推定部、
として動作させるプログラム。
computer,
A variable with a high degree of importance is selected as an explanatory variable among state variables that can be measured during the operation of the estimation target, and a plurality of data sets including the explanatory variables representing the state of the estimation target and a target variable are stored in a database. a database creation section that creates an initial database;
a learning unit that causes the database to learn using a training data set to create an estimation database that stores an estimation data set that includes data of an initial data set and an amount of correction of data due to learning;
an estimation unit that estimates the target variable corresponding to the explanatory variable that is the measurement value of the estimation target based on the estimation database;
A program that operates as
JP2022132211A 2022-08-23 2022-08-23 State estimation device, state estimation method and program Pending JP2024029816A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022132211A JP2024029816A (en) 2022-08-23 2022-08-23 State estimation device, state estimation method and program

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022132211A JP2024029816A (en) 2022-08-23 2022-08-23 State estimation device, state estimation method and program

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2024029816A true JP2024029816A (en) 2024-03-07

Family

ID=90106732

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022132211A Pending JP2024029816A (en) 2022-08-23 2022-08-23 State estimation device, state estimation method and program

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2024029816A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11860617B2 (en) Forecasting industrial aging processes with machine learning methods
Nguyen et al. Joint optimization of monitoring quality and replacement decisions in condition-based maintenance
JP6947981B2 (en) Estimating method, estimation device and estimation program
JP6708204B2 (en) Accuracy estimation model generation system and accuracy estimation system
JP2021101388A (en) Computer system and method for dynamic construction and online deployment of operation-centric first-principles process model for predictive analytics
JP5768834B2 (en) Plant model management apparatus and method
Yao et al. On the properties of small sample of GM (1, 1) model
AU2010212248B2 (en) Model optimization system using variable scoring
KR20200131549A (en) Item sales volume prediction method, apparatus and system using artificial intelligence model
Salehnia et al. Forecasting natural gas spot prices with nonlinear modeling using Gamma test analysis
JP5434837B2 (en) Quality prediction apparatus, quality prediction method, program, and computer-readable recording medium
CN110633859B (en) Hydrologic sequence prediction method integrated by two-stage decomposition
CN113392594B (en) Mechanical property interval prediction method and device based on ABC extreme learning machine
CN113169044A (en) Normative analysis in highly collinear response space
CN112148557A (en) Method for predicting performance index in real time, computer equipment and storage medium
JP2013137774A (en) Method for predicting state of process and system for predicting state of process
KR20180129496A (en) Method for predicting electric power demand and apparatus for the same
JP2024029816A (en) State estimation device, state estimation method and program
Muqtadir et al. The Implementation of Grey Forecasting Model for Forecast Result’s Food Crop Agricultural
JP7152938B2 (en) Machine learning model building device and machine learning model building method
WO2020121494A1 (en) Arithmetic device, action determination method, and non-transitory computer-readable medium storing control program
CN110134898A (en) Finance product recommended method, device, computer equipment and storage medium
JP7414289B2 (en) State estimation device, state estimation method and program
JP2012181739A (en) Man-hour estimation device, man-hour estimation method, and man-hour estimation program
CN115496290A (en) Medium-and-long-term runoff time-varying probability prediction method based on 'input-structure-parameter' full-factor hierarchical combination optimization

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20230509

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20230509

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20231024

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20231024