JP6796857B2 - 化学センサによる試料識別方法及び装置 - Google Patents
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Description
yq,c(t)=hq,c(t)*xq(t) (A)
(ここで、xq(t)は時間の関数として表現された前記第1の関数及び前記第2の関数を、yq,c(t)は時間の関数として表現された前記識別対象試料出力及び前記対照用試料出力を、hq,c(t)は時間の関数として表現された前記伝達関数を表わし、添え字qは前記対照用試料である(g)か前記識別対象試料である(u)かの区別を示し、cは1からCまでのチャンネル番号を示し、*は畳み込み演算を表す)、前記第1及び第2の比較は、式(A)を多項式で表現されるように変換した、前記識別対象試料についてのC本の多項式及び前記対照用試料についてのC本の多項式からなる連立方程式において、前記伝達関数が前記識別対象試料についての式(A)と前記対照用試料についての式(A)とで同じであるか否かを識別する比較であってよい。
Y=HX (B)
の形式であってよい。
<理論的背景>
と畳み込みで表すことができる。通常畳み込み積分では積分区間を−∞から+∞までとするが、因果律より時刻tより後の未来のxg(t)が現在のyg,c(t)に影響を与えることはないのでτ<0をτの積分区間から除外する。また、測定はxg(t)からyg,cへの信号伝達に要する時間よりも十分長時間行われ、測定開始時刻t=0より過去のxg(t)の現在のyg,c(t)への影響は無視できると仮定し、t−τ<0、すなわちτ>tをτの積分区間から除外する。したがって、積分区間は[0:t]とすることができる。この時間伝達関数hg,c(t)は線形の系である限り試料gの流入量xg(t)には依存しない一方で、試料の特性により異なる。
と乗算の形で記述することができる。時間伝達関数と同様に周波数伝達関数Hg,c(f)も試料の特性により異なるため、測定によりHg,c(f)を求めることで試料の識別が可能となる。なお、式(1)及び式(2)は夫々時間領域および周波数領域での表現であり、数学的に等価である。
と表すことができる。
が得られる。
と表すことができる。また、ある別の試料uを同じセンサにXu(f)で入力したとき、チャンネルcで得られるシグナルYu,c(f)は試料uに対するチャンネルcでの周波数伝達関数Hu,c(f)を用いて
と表すことができる。
<評価法1:時間領域における解析>
ただし、h’g,c(j×Δt)=hg,c(j×Δt)×Δt、c=1,2,・・・,C、p×Δt=t、i=1,2,・・・,2I−1である。このとき、各チャンネルについて
であるから、
となる。ただし、
である。xgは要素が統計的にランダムなので概ね正則と仮定することができる。未知試料uの測定についても同様に
であるから、
となる。ただし、
である。xuは要素が統計的にランダムなので概ね正則と仮定することができる。
が成り立つことから式(9)と式(12)より
が成り立つ。したがって、
となる。式(16)の最右辺はxu、xg(i=1,2,…,2I−1)にのみ依存しチャンネルに依存しない。したがって、Rug,cは全てのチャンネルについて等しい。
であるから、Rug,cは多くのチャンネルで等しくない。したがって、各チャンネル間でのRug,cを比較することで、入力xq(t)を制御・モニタすることなく未知試料uが学習用試料gかどうか識別することが可能となる。
<評価法2:周波数領域における解析(その1)>
が成り立つ。したがって、式(5)、(6)より
となる。ただし、Cug(f)=Xg(f)/Xu(f)である。ここで、
とおくと式(19)は
と書ける。ただし、
である。このとき、式(20)の両辺の絶対値について
であることから、
となる。また、式(20)の両辺の位相成分について
が成り立つ。
であるから
となり、式(22)及び(23)の等式が成り立たなくなる。
をチャンネル間でそれぞれ比較することで、入力Xq(f)を制御・モニタすることなく未知試料uが学習用試料gと同じものかどうか評価することが可能となる。
<評価法3: 周波数領域に基づく解析(その2)>
であることから、任意のチャンネルmとnについて
が成り立つ。未知試料uの測定についても式(6)から同様に
となる。試料が同じであれば、どのような入力Xq(f)であっても周波数伝達関数Hq,c(f)は不変であることから、u=gのときK’u,mn(f)=K’g,mn(f)となり、u≠gのときK’u,mn(f)≠K’g,mn(f)となる。したがって、未知試料の測定で求めたK’u,mn(f)と学習用の測定で予め求めていたK’g,mn(f)とを比較することで、入力Xq(f)を制御・モニタすることなく未知試料uが学習用試料gと同じものかどうか識別することが可能となる。
本解析では<理論的背景>の<評価法1>に基づき解析を行った。20Hz、120秒の測定データをK=2400/(2I)に分割し、K−1回を学習用データ(測定番号k=1,2,・・・,K−1)、残りの1回(k=K)をテスト用データとした。式(16)、(17)より、Rug,c同士が等しいかどうかを評価することでガスの識別を行うことができる。Rug,c同士が等しいかどうかをRug,cの各(i,j)要素のチャンネルにわたる分散の大きさで判断すると、Rug,cの構造が全般に似ていなくてもyg,c(t)やyu,c(t)のスケールの組合せによってRug,cの各要素が全般に小さい場合には、似ていると判断されてしまう。これを避けるために、Rug,c同士が等しいかどうかを各要素値の対数と符合の違いによって評価する。もしu=gであるなら、式(16)より
となる。ただし、Rug,c(i,j)はRug,cの(i,j)要素である。また、sign(x)はxの符号であり、x<0、x=0、x>0のときそれぞれ−1、0、1となる。一方u≠gのとき、多くのRug,c(i,j)についてチャンネル間で
は一致しない。
u=gならば、Rug,ck(i,j)はcに依らず共通の平均LRug,k、SRug,kを有する。ここで、
は、kによらずそれぞれ共通の分布
にしたがうものと仮定する。ただし、
は
の正規分布である。また、
は、各チャンネルに関するK個の測定値yg,ck1とyg,ck2から式(16)のRug,cと同様に計算してできる行列をRg,ck1k2として
とする。ただし、
である。
となる。式(37)の対数を取った対数尤度LL(u,g)は、
となる。したがって、各テスト用データについて式(38)の最右辺を計算することで、学習用データのガス種への一致確率を評価することができる。
本解析では<理論的背景>の<評価法2>に基づき解析を行った。120秒の測定を6分割し(K=6)、5回を学習用データ(測定番号k=1,2,3,4,5)、残りの1回(k=6)をテスト用データとした。まず測定データをフーリエ変換し、センサシグナルの周波数成分を求める。本実施例ではサンプリング周波数20Hzで20秒(400点)測定を行っていることから、0.05Hz刻みでの周波数特性が得られる。本実施例では流量を1秒おき(1Hz)でランダムに変化させているため、ナイキストの定理より、1Hzの半分の0.5Hzまでの周波数成分が解析で有用となる。なお、上述したように、現実の装置では入力を制御できる周波数には上限があって、本実施例ではMFCの応答性の制限などから、1Hzよりも高い周波数での流量切り替えを行おうとしても系がほとんど追随できなかった。したがって、0.05、0.1、0.15、・・・、0.5Hzの10成分を解析に用いる。これより、1測定1チャンネルにつき10次元の複素ベクトルとしてYq,c(f)が得られる。
である確率をもとにガスの識別を行う。
は全てのチャンネルで同じ値となる。これより、測定により得られるチャンネルcでのテスト用データYu,c(f)とk番目の学習用データYg,ck(f)から
をそれぞれ以下のように定義する。
ここで、
はそれぞれ共通の分布
にしたがうものと仮定する。ここで、Yu,c(f)はYg,ck(f)と同様な母集団分布にしたがうと仮定すると、
の分散も、
の分散
と同等と考えられる。したがって、
は
となる。ただし、
であり、
はそれぞれ
である。
は
となる。したがって、全てのチャンネルc、全ての学習用データ(測定番号k)、全ての周波数成分f(最低周波数fLから最高周波数fHまで)にわたる物質gへの一致確率L(u,g)は
で求められる。式(48)の対数を取った対数尤度LL(u,g)は
となる。したがって、各テスト用データについて式(49)の最右辺を計算することで、学習用データのガス種への一致確率を評価することができる。
本解析では<理論的背景>の<評価法3>に基づき解析を行った。120秒の測定を6分割し(K=6)、5回を学習用データ(測定番号k=1,2,3,4,5)、残りの1回(k=6)をテスト用データとした。まず測定データをフーリエ変換し、センサシグナルの周波数成分を求める。本解析例についても<解析例2>と同様に、0.05、0.1、0.15、・・・、0.5Hzの10成分を解析に用いる。1測定1チャンネルにつき10次元の複素ベクトルとしてYq,c(f)が得られる。
と書くことができる。このとき、学習用データについてrg,mnk(f)およびθg,mnk(f)がkによらずそれぞれ共通の分布
にしたがうと仮定する。ただし
とする。ここで、K’u,mn(f)はK’g,mnk(f)と同様な母集団分布にしたがうと仮定すると、
の分散も、
の分散
と同等と考えられる。したがって、
は
となる。ただし、
である。
は
となる。したがって、全てのチャンネル間の組み合わせ(m,n m<n)、すべての学習用データ(測定番号k)、全ての周波数f(最低周波数fLから最高周波数fHまで)にわたる物質gへの一致確率L(u,g)は
で求められる。式(58)の対数を取った対数尤度LL(u,g)は
となる。したがって、各テスト用データについて式(59)の最右辺を計算することで、学習用データのガス種への一致確率を評価することができる。
は4通りであるのに対し、図3の考え方に基づいた<解析例3>は評価に用いる指標
は6通りとなるため、統計的に後者の方が安定したため精度が向上したものと考えられる。
<計算過程のデータ>
[1桁の数字(解析例番号)]−[溶媒を表す略号]−[1桁の数字(表分割番号)]
なる構成の表識別コードを示す。表分割番号は当該分割表が元の大きな表上で左端から何番目のものであるかを示す。例えば、表識別コードが「2−H2O−4」となっている分割表は、解析例2で水についての元のデータをまとめた表を4分割した分割表のうちの右端のものであることを示す。
2−H2O−1
2−H2O−2
2−H2O−3
2−H2O−4
2−EtOH−1
2−EtOH−2
2−EtOH−3
2−EtOH−4
2−Benzene−1
2−Benzene−2
2−Benzene−3
2−Benzene−4
2−Hexane−1
2−Hexane−2
2−Hexane−3
2−Hexane−4
2−AcOEt−1
2−AcOEt−2
2−AcOEt−3
2−AcOEt−4
2−THF−1
2−THF−2
2−THF−3
2−THF−4
(B)解析例3のデータ
3−H2O−1
3−H2O−2
3−H2O−3
3−H2O−4
3−EtOH−1
3−EtOH−2
3−EtOH−3
3−EtOH−4
3−Benzene−1
3−Benzene−2
3−Benzene−3
3−Benzene−4
3−Hexane−1
3−Hexane−2
3−Hexane−3
3−Hexane−4
3−AcOEt−1
3−AcOEt−2
3−AcOEt−3
3−AcOEt−4
3−THF−1
3−THF−2
3−THF−3
3−THF−4
10 マスフローコントローラ(MFC)1
20 マスフローコントローラ(MFC)2
30 溶媒
40、50 バイアル瓶
60 センサチャンバー
70 ヘッドスペースガス
80 インキュベータ
Claims (12)
- 時間的に変化する同一の第1の関数に従って、識別対象試料を複数のチャンネルを有する化学センサに入力として与えることにより、前記複数のチャンネルからの時間的に変化する複数の出力からなる識別対象試料出力の群を求め、
時間的に変化する同一の第2の関数に従って、対照用試料を前記化学センサと同一のまたは前記化学センサと同一の特性の複数のチャンネルを有する化学センサに入力として与えることにより、当該複数のチャンネルからの時間的に変化する複数の出力からなる対照用試料出力の群を求め、
前記識別対象試料出力の群と前記対照用試料出力の群との間の対応する前記チャンネル間の関係を求めてから、当該関係を前記複数のチャンネルの間で比較する第1の比較を行うか、あるいは
前記識別対象試料出力の群及び前記対照用試料出力の群のそれぞれにおいて前記チャンネルに対応する前記出力間の関係を求めてから、当該関係を前記識別対象試料出力と前記対照用試料との間で比較する第2の比較を行い、
前記第1または第2の比較の結果に基づいて前記識別対象試料と前記対照用試料とを識別する
化学センサによる試料識別方法。 - 前記化学センサの各チャネルにおいて、当該チャネルの出力が当該チャネルの入力と当該チャネルの伝達関数(h)との乗算または加算の形で相互に分離して記述できる、請求項1に記載の化学センサによる試料識別方法。
- 前記識別対象試料出力及び前記対照用試料出力は、それぞれ前記複数のチャネルのそれぞれの伝達関数により以下の式(1)で表され、
yq,c(t)=hq,c(t)*xq(t) (1)
ここで、xq(t)は時間の関数として表現された前記第1の関数及び前記第2の関数を、yq,c(t)は時間の関数として表現された前記識別対象試料出力及び前記対照用試料出力を、hq,c(t)は時間の関数として表現された前記伝達関数を表わし、添え字qは前記対照用試料であるか前記識別対象試料であるかの区別を示し、cは1からCまでのチャンネル番号を示し、*は畳み込み演算を表し、
前記第1及び前記第2の比較は、前記式(1)を多項式で表現されるように変換した、前記識別対象試料についてのC本の多項式及び前記対照用試料についてのC本の多項式からなる連立方程式において、前記伝達関数が前記識別対象試料についての式(1)と前記対照用試料についての式(1)とで同じであるか否かを識別する比較である、
請求項1または2に記載の化学センサによる試料識別方法。 - 前記式(1)を多項式で表現されるようにする変換における前記多項式は、以下の乗算の式(2)として表され、X、Y及びHをそれぞれ前記チャンネルへの入力、出力及びその間の伝達関数に対応する変数または定数とすると、
Y=HX (2)
の形式である、請求項3に記載の化学センサによる試料識別方法。 - 前記第1の比較は、
前記識別対象試料についての前記式(2)の形式であるC本の多項式と前記対照用試料についての前記式(2)の形式であるC本の多項式の間との間の対応する前記チャンネル同士で比を求め、
前記求められた比を前記複数のチャンネル間で比較する、
請求項4に記載の化学センサによる試料識別方法。 - 前記第2の比較は、
前記識別対象試料についての前記式(2)の形式であるC本の多項式の間で第1の比を求め、
前記対照用試料についての前記式(2)の形式であるC本の多項式の間で第2の比を求め、
前記第1の比と前記第2の比とを対応する前記チャンネル同士で比較する、請求項4に記載の化学センサによる試料識別方法。 - 前記式(1)を多項式で表現されるようにする変換は、前記式(1)における前記畳み込み演算を行列またはベクトルの乗算に変換することである、請求項4から6の何れか1項に記載の化学センサによる試料識別方法。
- 前記式(1)を多項式で表現されるようにする変換は、前記式(1)を時間領域の関数から周波数領域の関数へ変換することである、請求項4から6の何れか1項に記載の化学センサによる試料識別方法。
- 前記第1の関数及び前記第2の関数は互いに独立に定められる、請求項1から8の何れか1項に記載の化学センサによる試料識別方法。
- 前記第1の関数及び前記第2の関数の少なくとも一方はランダムな関数である、請求項1から8の何れか1項に記載の化学センサによる試料識別方法。
- 前記識別対象試料出力及び前記対照用試料出力を時間離散化する、請求項1から10の何れか1項に記載の化学センサによる試料識別方法。
- 複数の化学センサ及び前記化学センサに接続された情報処理装置を有し、請求項1から11の何れか1項に記載の化学センサによる試料識別方法を行う、試料識別装置。
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