JP5375506B2 - 品質予測装置、品質予測方法、プログラムおよびコンピュータ読み取り可能な記録媒体 - Google Patents
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Description
・・・(式1)
但し、Tは更新後の係数、若しくは更新に使用する製品であることを示す添字、T−1は現在の係数であることを示す添字、Wi(T)は更新後の線形多項式の係数、y(T)は品質データ、Ki(T)は局所領域iにおける更新率行列であり下記(式2)で表わされる。(式2)において、Φi(T)は局所領域iにおける更新に使用する操業データの寄与率、Pi(T−1)は局所領域iの適応ゲイン行列である。
・・・(式2)
[品質予測装置の構成]
まず、図1に基づいて、本発明の第1の実施形態にかかる製造プロセスにおける品質予測装置の構成について説明する。なお、図1は、本実施形態にかかる品質予測装置100の構成を示すブロック図である。
次に、図2〜図7に基づいて、本実施形態にかかる品質予測装置100による品質予測処理について詳細に説明する。なお、図2は、本実施形態にかかる品質予測装置による品質予測処理を示すフローチャートである。図3は、分割パターン候補作成部120による分割パターン候補の作成処理を示す説明図である。図4は、二次元の操業変数空間において、分割パターン候補を作成する手順を模式的に示す説明図である。図5は、3分割された二次元の操業変数空間において、分割パターン候補を作成する手順を模式的に示す説明図である。図6は、コード変数の分割パターン候補の作成処理を示すフローチャートである。図7は、コード変数の分割パターン候補の作成処理におけるコード入れ替え処理を示す説明図である。
と、局所関係式の全体領域内の各点における予測値への寄与率を表す活性度関数Φiとの積の和である数式(2)によって、全体の関係式yを表すものとする。ここでΣは項の和、Mは局所領域の個数を表している。
は、活性度関数の値を対角成分に有するN行N列の行列である。以上の行列演算を行うことで、線形多項式による局所関係式の係数wijを算出することができる。
次に、本発明の第2の実施形態にかかる品質予測装置200について説明する。本実施形態にかかる品質予測装置200は、製造プロセス300に接続されており、製造プロセス300の状態に応じて局所関係式を更新することができる。これにより、操業データと品質データとの関係が変化した場合にも迅速に対応することができ、予測精度が改善されるまでに要する時間を大幅に短縮することが可能となる。
本実施形態にかかる品質予測装置200は、図8に示すように、操業データ入力部210と、活性度関数記憶部220と、寄与率演算部230と、局所関係式演算部240と、品質予測値算出部250と、品質予測値出力部260と、品質データ入力部270と、局所関係式更新部280とからなる。
次に、図9に基づいて、本実施形態にかかる局所関係式の更新処理について説明する。まず、品質予測装置200の操業データ入力部210に製造プロセス300から収集された製品の操業データが入力される(ステップS200)。例えば、操業データ入力部210に第1番目の製品に関する第1の操業データが入力されるとする。操業データ入力部210は、入力された第1の操業データを寄与率演算部230および局所関係式演算部240へ出力する。
本発明の実施形態にかかる製造プロセスにおける品質予測装置100、200は、コンピュータにより実現可能である。図10に、本発明の実施形態にかかる品質予測装置として機能し得るコンピュータシステム400の構成例を示す。コンピュータシステム400は、CPU401と、ROM402と、RAM403と、キーボードコントローラ(KBC)405と、CRTコントローラ(CRTC)406と、ディスクコントローラ(DKC)407と、ネットワークインターフェースコントローラ(NIC)408とが、システムバス404を介して互いに通信可能に接続されている。
以下に、鉄鋼製品である薄鋼板の熱間圧延プロセスを対象として、粗圧延出側における被圧延材の板幅と捲取機入側における被圧延材の板幅の変化量を品質とし、操業変数には、被圧延材の目標板幅、目標板厚、等価炭素量、仕上げ圧延出側目標温度、捲き取り目標温度を用いて品質予測を行った実施例について説明する。
図12および図13に、従来方式である線形重回帰モデルによる板幅の変動量予測の精度と本発明による板幅の変動量予測の精度とを比較するために、予測誤差(=予測値−実績値)を求めて度数分布としたものを示す。なお、予測誤差の値は、従来方式による誤差の標準偏差で除することで正規化している。その結果、予測誤差のバラツキを示す標準偏差は、図12に示すように従来方式による誤差の標準偏差が1.00であるとき、本発明の品質予測方法を用いた場合の誤差の標準偏差は、図13に示すように0.61に低減した。また、板幅変動量予測モデルを作成する際に、コード変数である材質コードを用いることなく、操業変数である圧延材の目標板幅、目標板厚、等価炭素量、仕上げ圧延出側目標温度、捲き取り目標温度のみを用いた場合、誤差の標準偏差は0.82であった。このように、コード変数を用いた品質予測装置によって、予測誤差のバラツキが抑えられ、本発明による予測精度の改善を確認することができた。
次に鉄鋼製品である薄鋼板の熱間圧延プロセスを対象として、捲取における鋼板温度を品質とし、操業変数には、被圧延材が精錬工程を終了した時点での溶鋼内のC量、Si量、Mn量、P量、S量、Cu量、Ni量、Cr量、Mo量、Nb量、V量、Ti量、B量、Al量、N量、O量、Ca量、被圧延材の目標板幅、目標板厚、等価炭素量、仕上げ圧延出側目標温度、捲き取り目標温度、圧延速度、冷却水水量密度、冷却水温、及びコード変数として材質コードを用いて品質予測を行った実施例を述べる。
110 データ抽出部
120 分割パターン候補作成部
122 数値分割作成部
124 コード分割作成部
130 活性度関数算出部
140 局所関係式算出部
150 関係式算出部
160 最小誤差関係式選択部
170 学習誤差評価部
180、260 品質予測値出力部
190 データベース
210 操業データ入力部
220 活性度関数記憶部
230 寄与率演算部
240 局所関係式演算部
250 品質予測値算出部
270 品質データ入力部
280 局所関係式更新部
300 製造プロセス
Claims (19)
- 複数の製品に関する製造プロセスにおける操業データおよび品質データを記憶するデータベースから、所定の選択条件に該当する操業データおよび品質データを抽出するデータ抽出部と、
抽出された前記操業データについて、前記操業データに含まれる数値情報である操業変数が値としてとる領域と、当該操業データに含まれる文字コード情報であるコード変数が値としてとる領域とを全体領域として、当該全体領域を複数の局所領域に分割する分割パターン候補を複数個作成する分割パターン候補作成部と、
前記分割パターン候補作成部により作成された前記各分割パターン候補について、前記全体領域における操業データと品質データとの関係を表す関係式をそれぞれ算出する関係式算出部と、
前記関係式算出部にて算出された関係式および前記操業データから算出される品質予測値と前記品質データとに基づいて前記各分割パターン候補について算出された関係式の予測誤差をそれぞれ算出し、当該予測誤差が最小となる関係式の分割パターン候補を分割パターンとして選択する最小誤差関係式選択部と、
前記最小誤差関係式選択部により選択された前記分割パターンの予測誤差と、予め設定された評価基準値との比較結果に基づいて、前記予測誤差の収束が十分であるか否かを判定する学習誤差評価部と、
前記学習誤差評価部にて収束が十分であると判定された前記分割パターンの関係式を製品の品質を予測するための関係式として、製品の予測される品質を表す品質予測値を出力する品質予測値出力部と、
を備え、
前記学習誤差評価部にて収束が不十分であると判定された場合、前記分割パターン候補作成部は、前記最小誤差関係式選択部にて選択された分割パターン候補の分割数を増やして複数の新たな分割パターン候補を生成することを特徴とする、品質予測装置。 - 前記各分割パターン候補について、前記各局所領域における、前記操業データと前記品質データとの関係を表す局所関係式を算出する局所関係式算出部と、
前記分割パターン候補作成部により作成された前記各分割パターン候補について、前記操業変数がとる領域の分割パターンを表す分割座標情報および前記コード変数がとる領域の分割パターンを表すコード分割情報に基づき、前記各分割パターン候補の前記各局所領域における前記各局所関係式の前記関係式への寄与率を表す活性度関数を算出する活性度関数算出部と、
を備え、
前記関係式算出部は、前記活性度関数と前記局所関係式とに基づいて、前記全体領域における操業データと品質データとの関係を表す関係式を算出することを特徴とする、請求項1に記載の品質予測装置。 - 前記分割パターン候補作成部は、前記分割パターンの各局所領域のうち、最も誤差の大きい局所領域を更に分割することを特徴とする、請求項2に記載の品質予測装置。
- 前記分割パターン候補作成部は、
操業変数からなる操業変数空間を分割する数値分割作成部と、
コード変数からなるグループを分割するコード分割作成部と、
を備え、
前記数値分割作成部により作成された分割パターン候補および前記コード分割作成部により作成された分割パターン候補を、全体領域の分割パターン候補とすることを特徴とする、請求項2または3に記載の品質予測装置。 - 前記コード分割作成部は、探索法を用いて前記コード変数からなるグループを分割することを特徴とする、請求項4に記載の品質予測装置。
- 前記活性度関数は、前記局所領域の重心に中心を持つ正規分布関数と、前記コード分割情報から算出される二値関数とを組み合わせて構成される関数であることを特徴とする、請求項2〜5のいずれか1項に記載の品質予測装置。
- 前記分割パターン候補作成部は、最適化手法を用いて、前記操業変数と前記コード変数とからなる分割パターン候補を一括して生成することを特徴とする、請求項2または3に記載の品質予測装置。
- 前記局所関係式は、複数の前記操業変数を独立変数とする線形多項式であることを特徴とする、請求項2〜7のいずれか1項に記載の品質予測装置。
- 製造プロセスの操業状態に応じて、前記局所関係式を更新する更新処理部をさらに備え、
前記更新処理部は、
前記製造プロセスから対象製品の操業データを取得する操業データ入力部と、
前記製造プロセスから対象製品の品質データを取得する品質データ入力部と、
前記活性度関数算出部により予め算出された前記活性度関数を記憶する活性度関数記憶部と、
前記操業データ入力部から入力された操業データと、前記活性度関数記憶部に記憶された前記活性度関数とに基づいて、前記品質予測値に対する前記各局所領域の寄与率を算出する寄与率算出部と、
前記操業データ入力部から入力された操業データに基づいて、予め設定された前記局所関係式により各局所領域について前記局所関係式の演算を行う局所関係式演算部と、
前記局所関係式演算部による各局所関係式の演算結果と、前記寄与率算出部により算出された寄与率とに基づいて、品質予測値を算出する品質予測値算出部と、
前記品質データ入力部から入力された品質データと、前記品質予測値算出部により算出された品質予測値とに基づいて、各局所関係式の係数を更新する局所関係式更新部と、
を備えることを特徴とする、請求項2〜8のいずれか1項に記載の品質予測装置。 - 前記局所関係式更新部は、前記局所領域iにおける更新前の線形多項式の係数をWi(T−1)、前記操業データからなるベクトルをu(T)として、下記(式1)を用いて係数を算出することを特徴とする、請求項9に記載の品質予測装置。
但し、Tは更新後の係数、若しくは更新に使用する製品であることを示す添字、T−1は現在の係数であることを示す添字、Wi(T)は更新後の線形多項式の係数、y(T)は前記品質データ、Ki(T)は局所領域iにおける更新率行列であり下記(式2)で表わされる。(式2)において、Φi(T)は局所領域iにおける更新に使用する操業データの寄与率、Pi(T−1)は局所領域iの適応ゲイン行列である。
- 前記製造プロセスは、鉄鋼プロセスであり、
前記品質データは、製品の表面疵、機械強度特性値、形状の平坦度、製品サイズ、内部応力、又はこれら品質に影響を及ぼすプロセス値であることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項に記載の品質予測装置。 - 前記製造プロセスは、鉄鋼製品である薄鋼板の熱間圧延プロセスであり、
前記品質予測装置による予測対象となる品質を、粗圧延出側の板幅と捲き取り入側における被圧延材の板幅の変化量としたとき、
前記製造プロセスの操業変数は、被圧延材の目標板幅、目標板厚、等価炭素量、仕上げ圧延出側目標温度、捲き取り目標温度、及び材質コードから少なくとも一つ以上選択することを特徴とする、請求項11に記載の品質予測装置。 - 前記製造プロセスは、鉄鋼製品である薄鋼板の熱間圧延プロセスであり、
前記品質予測装置による予測対象となる品質を、熱延ランアウトテーブル出側での捲き取り温度としたとき、
前記製造プロセスの操業変数は、被圧延材が精錬工程を終了した時点での溶鋼内のC量、Si量、Mn量、P量、S量、Cu量、Ni量、Cr量、Mo量、Nb量、V量、Ti量、B量、Al量、N量、O量、Ca量、被圧延材の目標板幅、目標板厚、等価炭素量、仕上げ圧延出側目標温度、捲き取り目標温度、圧延速度、冷却水水量密度、冷却水温、及び材質コードから少なくとも一つ以上選択することを特徴とする、請求項11に記載の品質予測装置。 - 複数の製品に関する製造プロセスにおける操業データおよび品質データを記憶するデータベースから、所定の選択条件に該当する操業データおよび品質データを抽出するステップと、
抽出された前記操業データについて、前記操業データに含まれる数値情報である操業変数が値としてとる領域と、当該操業データに含まれる文字コード情報であるコード変数が値としてとる領域とを全体領域として、当該全体領域を複数の局所領域に分割する分割パターン候補を複数個作成するステップと、
作成された前記各分割パターン候補について、前記全体領域における操業データと品質データとの関係を表す関係式をそれぞれ算出するステップと、
前記操業データと品質データとの関係を表す関係式および前記操業データから算出される品質予測値と前記品質データとに基づいて前記各分割パターン候補について算出された関係式の予測誤差をそれぞれ算出し、当該予測誤差が最小となる関係式の分割パターン候補を分割パターンとして選択するステップと、
選択された前記分割パターンの予測誤差と、予め設定された評価基準値との比較結果に基づいて、前記予測誤差の収束が十分であるか否かを判定するステップと、
収束が十分であると判定された前記分割パターンの関係式を製品の品質を予測するための関係式として、製品の予測される品質を示す品質予測値を出力するステップと、
を含み、
前記予測誤差の収束が十分であるか否かを判定するステップにて収束が不十分であると判定された場合、予測誤差が最小である分割パターン候補の分割数を増やして複数の新たな分割パターン候補を生成することを特徴とする、品質予測方法。 - 前記各分割パターン候補について、前記各局所領域における、前記操業データと前記品質データとの関係を表す局所関係式を算出するステップと、
前記各分割パターン候補について、前記操業変数がとる領域の分割パターンを表す分割座標情報および前記コード変数がとる領域の分割パターンを表すコード分割情報に基づき、前記各分割パターン候補の前記各局所領域における前記各局所関係式の前記関係式への寄与率を表す活性度関数を算出するステップと、
前記活性度関数と前記局所関係式とに基づいて、前記全体領域における操業データと品質データとの関係を表す関係式を算出するステップと、
を含むことを特徴とする、請求項14に記載の品質予測方法。 - コンピュータを、
複数の製品に関する製造プロセスにおける操業データおよび品質データを記憶するデータベースから、所定の選択条件に該当する操業データおよび品質データを抽出するデータ抽出手段と、
抽出された前記操業データについて、前記操業データに含まれる数値情報である操業変数が値としてとる領域と、当該操業データに含まれる文字コード情報であるコード変数が値としてとる領域とを全体領域として、当該全体領域を複数の局所領域に分割する分割パターン候補を複数個作成する分割パターン候補作成手段と、
前記分割パターン候補作成手段により作成された前記各分割パターン候補について、前記全体領域における操業データと品質データとの関係を表す関係式をそれぞれ算出する関係式算出手段と、
前記関係式算出手段にて算出された関係式および前記操業データから算出される品質予測値と前記品質データとに基づいて前記各分割パターン候補について算出された関係式の予測誤差をそれぞれ算出し、当該予測誤差が最小となる関係式の分割パターン候補を分割パターンとして選択する最小誤差関係式選択手段と、
前記最小誤差関係式選択手段により選択された前記分割パターンの予測誤差と、予め設定された評価基準値との比較結果に基づいて、前記予測誤差の収束が十分であるか否かを判定する学習誤差評価手段と、
前記学習誤差評価手段にて収束が十分であると判定された前記分割パターンの関係式を製品の品質を予測するための関係式として、製品の予測される品質を表す品質予測値を出力する品質予測値出力手段と、
を備え、
前記学習誤差評価手段にて収束が不十分であると判定された場合、前記分割パターン候補作成手段は、前記最小誤差関係式選択手段にて選択された分割パターン候補の分割数を増やして複数の新たな分割パターン候補を生成することを特徴とする、品質予測装置として機能させるためのプログラム。 - 前記各分割パターン候補について、前記各局所領域における、前記操業データと前記品質データとの関係を表す局所関係式を算出する局所関係式算出手段と、
前記分割パターン候補作成手段により作成された前記各分割パターン候補について、前記操業変数がとる領域の分割パターンを表す分割座標情報および前記コード変数がとる領域の分割パターンを表すコード分割情報に基づき、前記各分割パターン候補の前記各局所領域における前記各局所関係式の前記関係式への寄与率を表す活性度関数を算出する活性度関数算出手段と、
を備え、
前記関係式算出手段は、前記活性度関数と前記局所関係式とに基づいて、前記全体領域における操業データと品質データとの関係を表す関係式を算出することを特徴とする、品質予測装置として機能させるための請求項16に記載のプログラム。 - コンピュータに、
複数の製品に関する製造プロセスにおける操業データおよび品質データを記憶するデータベースから、所定の選択条件に該当する操業データおよび品質データを抽出するデータ抽出手段と、
抽出された前記操業データについて、前記操業データに含まれる数値情報である操業変数が値としてとる領域と、当該操業データに含まれる文字コード情報であるコード変数が値としてとる領域とを全体領域として、当該全体領域を複数の局所領域に分割する分割パターン候補を複数個作成する分割パターン候補作成手段と、
前記分割パターン候補作成手段により作成された前記各分割パターン候補について、前記全体領域における操業データと品質データとの関係を表す関係式をそれぞれ算出する関係式算出手段と、
前記関係式算出手段にて算出された関係式および前記操業データから算出される品質予測値と前記品質データとに基づいて前記各分割パターン候補について算出された関係式の予測誤差をそれぞれ算出し、当該予測誤差が最小となる関係式の分割パターン候補を分割パターンとして選択する最小誤差関係式選択手段と、
前記最小誤差関係式選択手段により選択された前記分割パターンの予測誤差と、予め設定された評価基準値との比較結果に基づいて、前記予測誤差の収束が十分であるか否かを判定する学習誤差評価手段と、
前記学習誤差評価手段にて収束が十分であると判定された前記分割パターンの関係式を製品の品質を予測するための関係式として、製品の予測される品質を表す品質予測値を出力する品質予測値出力手段と、
を備え、
前記学習誤差評価手段にて収束が不十分であると判定された場合、前記分割パターン候補作成手段は、前記最小誤差関係式選択手段にて選択された分割パターン候補の分割数を増やして複数の新たな分割パターン候補を生成することを特徴とする、品質予測装置として機能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。 - 前記各分割パターン候補について、前記各局所領域における、前記操業データと前記品質データとの関係を表す局所関係式を算出する局所関係式算出手段と、
前記分割パターン候補作成手段により作成された前記各分割パターン候補について、前記操業変数がとる領域の分割パターンを表す分割座標情報および前記コード変数がとる領域の分割パターンを表すコード分割情報に基づき、前記各分割パターン候補の前記各局所領域における前記各局所関係式の前記関係式への寄与率を表す活性度関数を算出する活性度関数算出手段と、
を備え、
前記関係式算出手段は、前記活性度関数と前記局所関係式とに基づいて、前記全体領域における操業データと品質データとの関係を表す関係式を算出することを特徴とする、品質予測装置として機能させるためのプログラムを記録した請求項18に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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