JP5522060B2 - 品質予測装置、操業条件決定方法、品質予測方法、コンピュータプログラムおよびコンピュータ読み取り可能な記憶媒体 - Google Patents
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Description
[品質予測装置の概略構成]
まず、図1および図2を参照して、本発明の第1の実施形態に係る品質予測装置100の概略構成について説明する。なお、図1は、本実施形態に係る品質予測装置100の概略構成を示すブロック図である。図2は、本実施形態に係る検索用テーブル作成部120の構成を示すブロック図である。
次に、図3〜図9に基づいて、本実施形態に係る品質予測装置100による品質予測処理について説明する。なお、図3は、本実施形態に係る品質予測装置100による検索用テーブル作成処理を示すフローチャートである。図4は、プロセス変数値空間の領域分割決定方法を示す説明図である。図5は、プロセス変数値空間の領域再分割方法を示す説明図である。図6は、検索用テーブル132の一構成例を示す説明図である。図7は、予測部140における製品の品質予測処理を示すフローチャートである。図8は、製品の製造時刻に基づく重み係数の一設定例を示すグラフである。図9は、製品の製造時刻に基づく重み係数の他の一設定例を示すグラフである。
検索用テーブル作成部120による検索用テーブル作成処理は、図3に示すように、まず、データ入力部121に、データ抽出部110が実績データベース30から抽出したプロセス変数値および材質値が入力されることにより開始される(S100)。プロセス変数値データは複数(p個)のデータu1,u2,・・・,upからなり、それらは連続値、離散値のいずれであってもよい。p個のプロセス変数値のデータをまとめてp次元ベクトルu=(u1 u2 ・・・ up)と表現する。全体でN個のプロセス変数値データu1,u2,・・・,uNが得られるとする。
検索用テーブル作成部120により検索用テーブル132が作成されると、予測部140は、検索用テーブル132を参照して、品質を予測する対象のプロセス変数値と類似する過去の類似事例の検索を行う。品質予測対象製品のプロセス変数値は、例えば、データ処理部20より品質予測装置100の予測部140へ入力される(S200)。そして、予測部140は、データ処理部20から入力されたプロセス変数値に基づき、記憶部130内の検索用テーブル132を検索するための入力値を作成する(S202)。
次に、図11および図12に基づいて、本発明の第2の実施形態に係る品質予測装置による品質予測方法について説明する。本実施形態に係る品質予測装置は、材質値を予測したい製品の製造の途中工程において、望ましい材質を得るための操業条件を決定する。本実施形態の品質予測装置も第1の実施形態に係る品質予測装置100と同様に構成することができるので、ここでは装置構成の詳細な説明は省略し、製品の製造の途中工程における操業条件の決定方法を説明する。なお、図11は、本実施形態に係る品質予測装置により予測する操業条件を説明するための説明図である。図12は、本実施形態に係る品質予測装置による操業条件決定処理を示すフローチャートである。また、装置の各機能部については、以下の実施形態においても第1の実施形態と同一の符号を用いて説明する。
本実施形態に係る品質予測装置100では、製造プロセス10において、順次行われる工程の途中で、望ましい材質の製品を得るための製造条件を決定することができる。例えば、図11に示すように、製造プロセス10で行われる各工程を、実施順に、プロセス1、プロセス2、プロセス3、・・・と表す。ここで、プロセス1は操業条件x1、プロセス2は操業条件x2で操業され、プロセス2に続いて行われるプロセス3は未実施であり、プロセス3の操業条件は未確定であるとする。このとき、本実施形態に係る品質予測装置100は、所望の材質値を有する製品を製造するためのプロセス3の操業条件を決定する。
品質予測装置100は、図12に示すように、まず、データ入力部110より材質値を予測する製品のプロセス変数値をデータ処理部20から取得する(S300)。この際、すでに製造プロセス10における処理が完了し、実績が確定したプロセス変数に関する値のみデータ処理部20より入力される。
以下、図13〜図15に、製造プロセスとして、鉄鋼の薄板製造プロセスを対象とし、材質値を予測した例を示す。本実施例では、品質予測装置を薄板の製造プロセスに対して適用した例について説明するが、本発明はかかる例に限定されない。品質予測装置100は、操業条件およびプロセスの状態量からなるプロセス変数値と、製造された製品の材質値を取得可能な製造プロセスに対して適用することができる。
また、本発明の第2の実施形態に係る品質予測装置100を用いて、最適操業条件を操業オペレータにガイダンスすることも可能である。図16に、品質予測装置100を用いて最適操業条件ガイダンスを行う場合の一処理例を示す。図16では、品質予測装置100を用いてコイル毎の最適操業条件(温度条件)をガイダンスする処理を示し、温度条件を変化させたときの品質指標を最良とする温度条件がガイダンスされる。本例では、累積確率80%となる材質値を品質指標としており、これが最小となる温度条件を最適操業条件とする。
次に、図18を参照しながら、本発明の実施形態に係る品質予測装置100のハードウェア構成について、詳細に説明する。図18は、本発明の実施形態に係る品質予測装置100のハードウェア構成例を示すブロック図である。
20 データ処理部
30 実績データベース
40 表示装置
100 品質予測装置
110 データ抽出部
120 検索用テーブル作成部
121 データ入力部
122 プロセス変数値空間分割部
123 確率密度関数算出部
124 モデル選択部
125 再分割対象領域判定部
126 分割結果出力部
130 記憶部
132 検索用テーブル
140 予測部
Claims (19)
- 製造プロセスの操業条件およびプロセスの状態量からなるプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記製造プロセスにおける過去の実績データに基づいて、製品の品質を予測する品質予測装置であって、
前記製造プロセスにおける過去の製造実績に係わるプロセス変数値と品質データとを含む実績データを記憶する実績データ記憶部から、実績データを抽出するデータ抽出部と、
前記データ抽出部により抽出された前記実績データに基づいて、品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データの検索に用いる検索用テーブルを作成する検索用テーブル作成部と、
品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データを前記検索用テーブルから抽出し、抽出された前記実績データに基づいて、前記品質予測対象製品の品質を予測して予測品質データを生成する予測部と、
を備え、
前記検索用テーブル作成部は、
過去の実績データのプロセス変数値からなるプロセス変数値空間をそれぞれが複数の局所領域に分割する分割候補点を複数設定するプロセス変数値空間分割部と、
前記分割候補点で分割された前記プロセス変数値空間の各局所領域について、前記品質データを確率変数とする確率密度関数を用いて、前記局所領域における前記品質データのバラツキの度合いを表すバラツキ指標を算出する確率密度関数算出部と、
前記各局所領域について算出された前記バラツキ指標が最小となる局所領域を生成する前記分割候補点を確定分割点として決定し、前記確定分割点により前記プロセス変数値空間を確定分割するモデル選択部と、
前記モデル選択部により前記確定分割点にて確定分割された前記プロセス変数値空間の局所領域について、再分割の要否を判定する再分割対象領域判定部と、
前記プロセス変数値空間の局所領域の分割結果を前記検索用テーブルとして出力する分割結果出力部と、
を備えて、前記再分割対象領域判定部により再分割が必要と判定された局所領域に対して、前記プロセス変数値空間分割部による分割候補点設定と、前記確率密度関数算出部によるバラツキ指標算出と、前記モデル選択部による確定分割と、前記再分割対象領域判定部による再分割の要否判定とを繰り返し、
前記予測部は、前記品質予測対象製品のプロセス変数値と同一の前記局所領域に存在するプロセス変数値を類似のプロセス変数値として、前記品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データを前記検索用テーブルから抽出することを特徴とする、品質予測装置。 - 前記予測部は、前記検索用テーブルから、品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データが複数抽出されたとき、抽出された前記実績データの各品質データに対して処理時刻に応じた重み付けを行い、重み付けされた前記各品質データの平均値を品質予測対象製品の前記予測品質データとすることを特徴とする、請求項1に記載の品質予測装置。
- 前記予測部は、前記検索用テーブルから抽出された前記実績データの各品質データに対する重み付けを、現在時刻と処理時刻との時刻差が小さいほど大きく設定することを特徴とする、請求項2に記載の品質予測装置。
- 前記予測部は、前記検索用テーブルから、品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データが複数抽出されたとき、抽出された複数の前記実績データのプロセス変数値および品質データに基づいて、未定係数を乗じたプロセス変数値の線形和として品質データを推定する重回帰モデルの未定係数値を算出し、
前記重回帰モデルに品質予測対象製品のプロセス変数値を設定して取得される値を前記予測品質データとすることを特徴とする、請求項1に記載の品質予測装置。 - 前記予測部は、前記検索用テーブルから、品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データが複数抽出されたとき、抽出された複数の前記実績データのプロセス変数値および品質データに基づいて、予め設定された確率密度関数のパラメータを算出し、
前記確率密度関数のモデルに該算出されたパラメータと予め設定した確率値を設定して取得される値を前記予測品質データとすることを特徴とする、請求項1に記載の品質予測装置。 - 前記予測部は、生成した前記予測品質データをユーザに提示する出力装置に出力することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の品質予測装置。
- 前記バラツキ指標は、前記確率密度関数の累積確率が予め設定された値であるときの確率変数値と確率分布の最頻値との差分であり、
前記モデル選択部は、前記各局所領域における、前記バラツキ指標の最大値が最小である場合に、前記バラツキ指標が最小であるとすることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の品質予測装置 - 前記バラツキ指標は、前記局所領域内の前記品質データの点数と該品質データの分散との積であり、
前記モデル選択部は、前記各局所領域における、前記品質データの点数と該品質データの分散との積の合計値が最小である場合に、前記バラツキ指標が最小であるとすることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の品質予測装置。 - 前記バラツキ指標は、前記局所領域内の前記品質データの分散であり、
前記モデル選択部は、前記各局所領域における、前記品質データの分散の最大値が最小である場合に、前記バラツキ指標が最小であるとすることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の品質予測装置。 - 前記プロセス変数値空間分割部は、前記プロセス変数値空間を、前記分割候補点においてそれぞれ2つの局所領域に分割し、
前記確率密度関数算出部は、前記分割候補点で分割された前記局所領域のうち少なくともいずれか一方の前記局所領域に属するデータ点数が基準値未満となるとき、当該分割候補点を候補から除外することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の品質予測装置。 - 前記再分割対象領域判定部は、前記プロセス変数値空間の分割回数が予め設定された最大分割数に達したとき、分割処理を終了す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。
- 前記プロセス変数値空間分割部は、前記局所領域の再分割時において、前記プロセス変数値空間分割部により設定された前記分割候補点のうち分割しようとする前記局所領域の領域外となる前記分割候補点を候補から除外することを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載の品質予測装置。
- 前記請求項1〜12のいずれか1項に記載の品質予測装置を用いて、製造途中の製品の予測品質データを生成し、生成した前記予測品質データに基づき製造される製品が所望の品質データとなるように前記製造プロセスの操業条件を決定する操業条件決定方法であって、
前記データ抽出部により、前記製造プロセスにおける過去の実績データを記憶する実績データ記憶部から、既に工程が終了し実績が確定したプロセス変数値のみを確定実績データとして抽出し、
前記検索用テーブル作成部により、前記確定実績データに基づいて前記検索用テーブルを作成し、
前記予測部により、品質予測対象製品の予測品質データを出力するために必要な、前記確定実績データに含まれる操業条件以外の、決定対象である操業条件の決定されるべき値の候補である代表値を複数作成し、前記各代表値と前記確定実績データとの組合せについて前記予測品質データを生成して、所望の品質データに最も近い前記予測品質データとなった前記代表値を前記製造プロセスの操業条件として決定することを特徴とする、操業条件決定方法。 - 前記プロセス変数値の代表値は、前記各プロセス変数値に対して前記検索用テーブルの作成時に採用された分割候補点で区分された各区間における代表値であることを特徴とする、請求項13に記載の操業条件決定方法。
- 前記プロセス変数値の代表値は、前記各プロセス変数値に対して前記検索用テーブルの作成時に採用された分割候補点で区分された各区間における中間値であることを特徴とする、請求項14に記載の操業条件決定方法。
- 前記予測部により、
前記確定実績データと、当該確定実績データに含まれるプロセス変数値以外のプロセス変数値が取り得る代表値とからなる複数の入力データを作成し、
前記各入力データに基づいて、前記検索用テーブルから当該入力データに類似する実績データを取得し、
取得した前記実績データを未確定のプロセス変数値の取り得る代表値毎に層別して、それぞれについて前記予測品質データを生成し、所望の品質データに最も近い前記予測品質データの前記代表値を前記製造プロセスの操業条件として決定することを特徴とする、請求項13〜15のいずれか1項に記載の操業条件決定方法。 - 製造プロセスの操業条件およびプロセスの状態量からなるプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記製造プロセスにおける過去の実績データに基づいて、製品の品質を予測する品質予測方法であって、
前記製造プロセスにおける過去の製造実績に係わるプロセス変数値と品質データとを含む実績データを記憶する実績データ記憶部から、実績データを抽出するデータ抽出ステップと、
前記データ抽出ステップにより抽出された前記実績データに基づいて、品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データの検索に用いる検索用テーブルを作成する検索用テーブル作成ステップと、
品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データを前記検索用テーブルから抽出し、抽出された前記実績データに基づいて、前記品質予測対象製品の品質を予測して予測品質データを生成する予測ステップと、
を含み、
前記検索用テーブル作成ステップは、
過去の実績データのプロセス変数値からなるプロセス変数値空間をそれぞれが複数の局所領域に分割する分割候補点を複数設定するプロセス変数値空間分割ステップと、
前記分割候補点で分割された前記プロセス変数値空間の各局所領域について、前記品質データを確率変数とする確率密度関数を用いて、前記局所領域における前記品質データのバラツキの度合いを表すバラツキ指標を算出する確率密度関数算出ステップと、
前記各局所領域について算出された前記バラツキ指標が最小となる局所領域を生成する前記分割候補点を確定分割点として決定し、前記確定分割点により前記プロセス変数値空間を確定分割するモデル選択ステップと、
前記モデル選択ステップにて前記確定分割点にて確定分割された前記プロセス変数値空間の局所領域について、再分割の要否を判定する再分割対象領域判定ステップと、
前記プロセス変数値空間の局所領域の分割結果を前記検索用テーブルとして出力する分割結果出力ステップと、
を含んで、前記再分割対象領域判定ステップにより再分割が必要と判定された局所領域に対して、前記プロセス変数値空間分割ステップと、前記確率密度関数算出ステップと、前記モデル選択ステップと、前記再分割対象領域判定ステップとを繰り返し、
前記予測ステップは、前記品質予測対象製品のプロセス変数値と同一の前記局所領域に存在するプロセス変数値を類似のプロセス変数値として、前記品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データを前記検索用テーブルから抽出することを特徴とする、品質予測方法。 - コンピュータを、製造プロセスの操業条件およびプロセスの状態量からなるプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記製造プロセスにおける過去の実績データに基づいて、製品の品質を予測する品質予測装置として機能させるためのコンピュータプログラムであって、
前記製造プロセスにおける過去の製造実績に係わるプロセス変数値と品質データとを含む実績データを記憶する実績データ記憶手段から、実績データを抽出するデータ抽出手段と、
前記データ抽出手段により抽出された前記実績データに基づいて、品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データの検索に用いる検索用テーブルを作成する検索用テーブル作成手段と、
品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データを前記検索用テーブルから抽出し、抽出された前記実績データに基づいて、前記品質予測対象製品の品質を予測して予測品質データを生成する予測手段と、
を備え、
前記検索用テーブル作成手段は、
過去の実績データのプロセス変数値からなるプロセス変数値空間をそれぞれが複数の局所領域に分割する分割候補点を複数設定するプロセス変数値空間分割手段と、
前記分割候補点で分割された前記プロセス変数値空間の各局所領域について、前記品質データを確率変数とする確率密度関数を用いて、前記局所領域における前記品質データのバラツキの度合いを表すバラツキ指標を算出する確率密度関数算出手段と、
前記各局所領域について算出された前記バラツキ指標が最小となる局所領域を生成する前記分割候補点を確定分割点として決定し、前記確定分割点により前記プロセス変数値空間を確定分割するモデル選択手段と、
前記モデル選択手段により前記確定分割点にて確定分割された前記プロセス変数値空間の局所領域について、再分割の要否を判定する再分割対象領域判定手段と、
前記プロセス変数値空間の局所領域の分割結果を前記検索用テーブルとして出力する分割結果出力手段と、
を備えて、前記再分割対象領域判定手段により再分割が必要と判定された局所領域に対して、前記プロセス変数値空間分割手段による分割候補点設定と、前記確率密度関数算出手段によるバラツキ指標算出と、前記モデル選択手段による確定分割と、前記再分割対象領域判定手段による再分割の要否判定とを繰り返し、
前記予測手段は、前記品質予測対象製品のプロセス変数値と同一の前記局所領域に存在するプロセス変数値を類似のプロセス変数値として、前記品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データを前記検索用テーブルから抽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コンピュータプログラム。 - コンピュータに、製造プロセスの操業条件およびプロセスの状態量からなるプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記製造プロセスにおける過去の実績データに基づいて、製品の品質を予測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憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
前記製造プロセスにおける過去の製造実績に係わるプロセス変数値と品質データとを含む実績データを記憶する実績データ記憶手段から、実績データを抽出するデータ抽出手段と、
前記データ抽出手段により抽出された前記実績データに基づいて、品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データの検索に用いる検索用テーブルを作成する検索用テーブル作成手段と、
品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データを前記検索用テーブルから抽出し、抽出された前記実績データに基づいて、前記品質予測対象製品の品質を予測して予測品質データを生成する予測手段と、
を備え、
前記検索用テーブル作成手段は、
過去の実績データのプロセス変数値からなるプロセス変数値空間をそれぞれが複数の局所領域に分割する分割候補点を複数設定するプロセス変数値空間分割手段と、
前記分割候補点で分割された前記プロセス変数値空間の各局所領域について、前記品質データを確率変数とする確率密度関数を用いて、前記局所領域における前記品質データのバラツキの度合いを表すバラツキ指標を算出する確率密度関数算出手段と、
前記各局所領域について算出された前記バラツキ指標が最小となる局所領域を生成する前記分割候補点を確定分割点として決定し、前記確定分割点により前記プロセス変数値空間を確定分割するモデル選択手段と、
前記モデル選択手段により前記確定分割点にて確定分割された前記プロセス変数値空間の局所領域について、再分割の要否を判定する再分割対象領域判定手段と、
前記プロセス変数値空間の局所領域の分割結果を前記検索用テーブルとして出力する分割結果出力手段と、を備えて、前記再分割対象領域判定手段により再分割が必要と判定された局所領域に対して、前記プロセス変数値空間分割手段による分割候補点設定と、前記確率密度関数算出手段によるバラツキ指標算出と、前記モデル選択手段による確定分割と、前記再分割対象領域判定手段による再分割の要否判定とを繰り返し、
前記予測手段は、前記品質予測対象製品のプロセス変数値と同一の前記局所領域に存在するプロセス変数値を類似のプロセス変数値として、前記品質予測対象製品のプロセス変数値と類似するプロセス変数値を有する前記実績データを前記検索用テーブルから抽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憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
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