JP7308476B2 - Information processing device, information processing method, and information processing program - Google Patents
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Description
本発明は、プラントにおいて計測されたデータに基づいて、当該プラントの将来の状態を予測する情報処理装置等に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an information processing device and the like for predicting the future state of a plant based on data measured in the plant.
従来から、例えばごみ焼却プラントなどのプラントにおいて、センサの検出値等の各種プロセスデータから、将来のプラントの状態を予測する研究が進められている。従来の予測においては、例えば機械学習によって生成されたニューラルネットワーク等の学習済みモデルを用いて予測を行うものも知られている。しかし、過去のプロセスデータの値の変動のパターンを機械学習するだけでは、十分な予測精度が得られないこともあり、どのような学習済みモデルをどのように使用するかについては、検討の余地が残されていた。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a plant such as a waste incineration plant, research has been conducted to predict the future state of the plant from various process data such as sensor detection values. In conventional prediction, prediction using a trained model such as a neural network generated by machine learning is also known. However, sufficient prediction accuracy cannot be obtained simply by machine learning the patterns of fluctuations in past process data values. was left.
また、学習済みモデルを用いる技術としては、例えば、下記文献のような技術も知られている。下記文献には、入力データから潜在変数を推論するエンコーダと、潜在変数から復元データを生成するデコーダと、入力データと復元データのずれに基づいて、入力データが正常であるか判定する判定手段とを備える異常検出システムが記載されている。 Also, as a technique using a trained model, for example, the technique described in the following document is also known. The document below describes an encoder that infers latent variables from input data, a decoder that generates restored data from latent variables, and a determination means for determining whether input data is normal based on the difference between input data and restored data. An anomaly detection system is described.
上記文献の技術では、入力データが正常であるか否かを判定することができるが、入力データが将来どのような値となるかを予測することはできない。したがって、上記文献の技術を用いたとしても、プラントにおけるプロセスに関するデータから将来のプラントの状態を予測することはできない。 With the technique of the above document, it is possible to determine whether or not the input data is normal, but it is not possible to predict what value the input data will take in the future. Therefore, even if the technique of the above document is used, the future state of the plant cannot be predicted from the data regarding the processes in the plant.
本発明の一態様は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、プラントにおけるプロセスに関するデータから将来のプラントの状態を予測することができる情報処理装置等を提供することにある。 One aspect of the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an information processing apparatus or the like capable of predicting the future state of a plant from data relating to processes in the plant. .
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る情報処理装置は、プラントにおける所定のプロセスに関する時系列データをエンコードして潜在変数を出力するエンコーダと、上記潜在変数の変動をモデル化した動的モデルを用いて、上記エンコーダが出力する上記潜在変数の値から、当該潜在変数の将来の値を予測する予測部と、上記予測部が予測した上記潜在変数の値をデコードして上記時系列データの予測値を出力するデコーダと、を備えている。 In order to solve the above problems, an information processing apparatus according to an aspect of the present invention includes an encoder that encodes time-series data relating to a predetermined process in a plant and outputs a latent variable, and a model that models fluctuations in the latent variable. a prediction unit that predicts the future value of the latent variable from the value of the latent variable output by the encoder using the dynamic model obtained by the dynamic model; and a decoder that outputs a predicted value of the time-series data.
また、本発明の一態様に係る情報処理方法は、上記の課題を解決するために、情報処理装置による情報処理方法であって、プラントにおける所定のプロセスに関する時系列データをエンコードして潜在変数を出力するステップと、上記潜在変数の変動をモデル化した動的モデルを用いて、エンコードによって出力される上記潜在変数の値から、当該潜在変数の将来の値を予測する予測ステップと、上記予測ステップで予測した上記潜在変数の値をデコードして上記時系列データの予測値を出力するステップと、を含む。 Further, an information processing method according to an aspect of the present invention is an information processing method using an information processing device to solve the above problems, wherein time-series data relating to a predetermined process in a plant is encoded to generate a latent variable. a step of outputting, a prediction step of predicting a future value of the latent variable from the value of the latent variable output by encoding using a dynamic model that models fluctuations in the latent variable, and the prediction step and decoding the value of the latent variable predicted by and outputting the predicted value of the time series data.
本発明の一態様によれば、プラントにおけるプロセスに関するデータから将来のプラントの状態を予測することができる。 According to one aspect of the present invention, future plant conditions can be predicted from data relating to processes in the plant.
〔実施形態1〕
〔装置構成〕
本実施形態の情報処理装置1の構成を図1に基づいて説明する。図1は、情報処理装置1の要部構成の一例を示すブロック図である。情報処理装置1は、プラントにおけるプロセスに関するデータから将来のプラントの状態を予測する装置である。なお、以下では、ゴミ焼却プラントのゴミ焼却プロセスにおけるプロセスデータと、焼却炉内を撮像した画像である炉内画像とから、将来のプロセスデータの値と、将来の炉内画像とを予測する例を説明する。ただし、プラントは、少なくとも1つの機械あるいは装置を用いて所定の処理(所定の対象に所定の処理を施す、所定の物品を製造する等)を行うものであればよく、ゴミ焼却プラントに限られない。また、プロセスもゴミ焼却プロセスに限られない。
[Embodiment 1]
〔Device configuration〕
The configuration of the
なお、プロセスデータは、ゴミ焼却プロセスの状態が反映されたデータであればよく、例えばプラント内の計器の値や、プラント内に設置した各種センサの出力値等をプロセスデータとしてもよい。また、炉内画像は、ゴミ焼却プロセスの状態を時系列で示す画像であればよく、例えば焼却炉内を時系列で複数回撮影して得られた複数の画像を炉内画像としてもよいし、焼却炉内を撮影した動画像から時系列で抽出したフレーム画像を炉内画像としてもよい。 The process data may be any data that reflects the state of the garbage incineration process. For example, the values of instruments in the plant and the output values of various sensors installed in the plant may be used as the process data. Further, the in-furnace image may be an image showing the state of the garbage incineration process in chronological order. Alternatively, the in-furnace images may be frame images extracted in chronological order from moving images of the inside of the incinerator.
図示のように、情報処理装置1は、情報処理装置1の各部を統括して制御する制御部10と、情報処理装置1が使用する各種データを記憶する記憶部20と、入力操作を受け付ける入力部と、データを出力するための出力部40と、を備えている。また、制御部10には、画像前処理部101と、PD前処理部102と、エンコーダ103と、予測部104と、デコーダ105と、が含まれている。
As shown in the figure, the
画像前処理部101は、炉内画像に所定の前処理を施す。前処理の内容は、炉内画像の特徴部分を失わせることなく、その特徴部分をより鮮明化することができるものであることが好ましい。例えば、画像前処理部101は、炉内画像の画像領域を、炉内画像に写る火格子と火格子上で燃焼するゴミとゴミから上がる炎とが写る領域と、これらの背景となる焼却炉の壁面等の領域とに区分し、前者の領域を抽出する前処理を実行してもよい。
The image preprocessing
PD前処理部102は、プロセスデータに所定の前処理を施す。前処理の内容は、プロセスデータの特徴部分を失わせることなく、その特徴部分をより鮮明化することができるものであることが好ましい。本実施形態では、一例として、PD前処理部102が、プロセスデータのノイズを除去する前処理を実行する例を説明する。ノイズ除去は、例えばローパスフィルタ等により行うことができる。
The PD preprocessing
PD前処理部102の前処理の他の例としては、例えば、プロセスデータの正規化処理、プロセスデータの欠損値を補間する処理、プロセスデータの外れ値を除去する処理、プロセスデータの属性選択を行う処理、およびプロセスデータの次元圧縮を行う処理等が挙げられる。なお、属性選択を行う処理としては、例えば主成分分析により、プロセスデータの特徴点(画像であれば形状、色など)を把握して、その特徴点を強調する処理が挙げられる。この他にも、例えば、プロセスデータをフーリエ変換して得た周波数データから、当該プロセスデータの特徴点を抽出する処理を前処理として行ってもよい。また、画像前処理部101も炉内画像に対してこのような前処理を行ってもよい。
Other examples of preprocessing by the PD preprocessing
エンコーダ103は、プラントにおける所定のプロセスに関する時系列データをエンコードして潜在変数を出力する。また、予測部104は、潜在変数の変動をモデル化した動的モデルを用いて、エンコーダ103が出力する上記潜在変数の値から、当該潜在変数の将来の値を予測する。そして、デコーダ105は、予測部104が予測した潜在変数の値をデコードして時系列データの予測値を出力する。
上記の構成によれば、時系列データをエンコードすることにより、時系列データの特徴を残しつつ、時系列データよりも次元削減された潜在変数を出力することができる。また、上記の構成によれば、潜在変数の変動を機械学習によってモデル化した動的モデルを用いることにより、潜在変数の将来の値を予測することができると共に、予測した潜在変数の値をデコードして時系列データの予測値を出力することができる。したがって、上記の構成によれば、ゴミ焼却プラントにおけるゴミ焼却プロセスに関するデータから将来のゴミ焼却プラントの状態を予測することができる。 According to the above configuration, by encoding the time-series data, it is possible to output a latent variable whose dimensionality is reduced from that of the time-series data while retaining the characteristics of the time-series data. Further, according to the above configuration, it is possible to predict the future value of the latent variable and decode the predicted value of the latent variable by using a dynamic model obtained by modeling variations in the latent variable by machine learning. can be used to output forecast values for time-series data. Therefore, according to the above configuration, it is possible to predict the future state of the refuse incineration plant from the data relating to the refuse incineration process in the refuse incineration plant.
より具体的には、本実施形態では、エンコーダ103は、ゴミ焼却プラントのゴミ焼却プロセスにおけるプロセスデータと炉内画像をエンコードして潜在変数を出力する。また、予測部104は、上記動的モデルとして線形ガウス状態空間モデル(Linear Gaussian State Space Model: LGSSM)を用い、エンコーダ103が出力する上記潜在変数の値から、当該潜在変数の将来の値を予測する。そして、デコーダ105は、予測部104が予測した潜在変数の値をデコードしてプロセスデータの予測値と炉内画像の予測値(以下、予測画像とも呼ぶ)を出力する。
More specifically, in this embodiment, the
このように、本実施形態では、予測に使用する時系列データには、プロセスが進行する様子を撮影した画像と、上記プロセスの進行中に取得されたプロセスデータとが含まれている。そして、エンコーダ103は、炉内画像の特徴点とプロセスデータの特徴点とが反映された潜在変数を出力し、デコーダ105は、予測部104が予測した潜在変数の値をデコードして、プロセスデータの予測値と、予測画像とを出力する。
As described above, in this embodiment, the time-series data used for prediction includes an image of the progress of the process and the process data acquired during the progress of the process. The
上記の構成は必須ではないが、この構成によれば、炉内画像の特徴点を加味した予測が行われるため、プロセスデータのみから予測を行う場合と比べて、プロセスデータの予測精度を向上させることができるため好ましい。また、上記の構成によれば、プロセスの将来の様子示す予測画像を出力することができるので、プロセスの将来の様子をユーザが視覚的に把握することが可能になるという利点もある。 The above configuration is not essential, but according to this configuration, the prediction is performed taking into account the feature points of the in-furnace image, so the prediction accuracy of the process data is improved compared to the case where the prediction is performed only from the process data. It is preferable because it can Moreover, according to the above configuration, it is possible to output a predictive image showing the future state of the process, so there is also the advantage that the user can visually grasp the future state of the process.
〔予測の概要〕
情報処理装置1による予測の概要を図2に基づいて説明する。図2は、情報処理装置1による予測の概要を示す図である。情報処理装置1は、KVAE(カルマン変分オートエンコーダ)の理論を利用して予測を行う。この予測には、図2に示すように、観測ステップと予測ステップとが含まれる。
[Outline of forecast]
An overview of prediction by the
観測ステップでは、エンコーダ103は、観測データ(具体的にはノイズ除去済みのプロセスデータと前処理済みの炉内画像)の入力を受け付けて潜在変数を出力する。そして、予測ステップでは、予測部104が予測した将来の潜在変数がデコーダ105に入力されて、デコーダ105が将来のプロセスデータ(ノイズ除去済みのもの)の予測値と、前処理済みの予測画像を出力する。なお、エンコードとデコードの詳細は図3に基づいて後述する。
In the observation step, the
予測部104は、状態空間モデルを用いて、エンコーダ103が出力する潜在変数と、ゴミ焼却プラントにおいて行われた制御入力の内容を示す制御入力データとから、将来のゴミ焼却プラントの状態(隠れ状態)を示す状態変数を予測する。この状態空間モデルは、観測値系列である潜在変数の変動をモデル化した動的モデルである。そして、予測部104は、予測ステップにおいて、状態空間モデルにより、状態変数を潜在変数(将来の潜在変数)に変換してデコーダ105に出力する。
Using a state space model, the
具体的には、図2の例では、エンコーダ103に対して、時刻(t-1)におけるプロセスデータyt-1と炉内画像xt-1が入力されて潜在変数at-1が出力され、時刻tにおけるプロセスデータytと炉内画像xtが入力されて潜在変数atが出力されている。
Specifically, in the example of FIG. 2, the process data y t-1 and the in-furnace image x t- 1 at time (t-1) are input to the
ある時刻における状態変数zの値は、1時刻前の状態変数zの値に依存するから、図2に示すように、状態空間モデルに時刻(t-1)の潜在変数at-1と制御入力データut-1を入力して、時刻tにおける状態変数zを出力させることができる。同様に、状態空間モデルに時刻tの潜在変数atと制御入力データutを入力して、時刻t+1における状態変数zt+1を出力させることができる。
Since the value of the state variable z at a certain time depends on the value of the state variable z one time before, as shown in FIG. Input data u t-1 can be input and the state variable z at time t can be output. Similarly, the latent variable at at time t and the control input data u t can be input to the state space model to output the state variable zt +1 at
そして、予測部104は、状態変数zt+1を潜在変数at+1に変換してデコーダ105に出力している。最後に、デコーダ105が、潜在変数at+1をデコードして時刻(t+1)におけるプロセスデータの予測値
Then, the
と、時刻(t+1)における予測画像(前処理済みの炉内画像の予測値) and the predicted image at time (t+1) (predicted value of preprocessed in-core image)
を出力している。 is outputting
図2に示すように、予測部104は、ゴミ焼却プラントに対する制御入力の内容を示す制御入力データを用いて、エンコーダ103が出力する潜在変数の値から、制御入力データが示す内容の制御入力が行われた後の潜在変数の値を予測することができる。なお、このような予測は、時系列データである炉内画像およびプロセスデータと、ゴミ焼却プラントにて行われた制御入力と、潜在変数の変動との相関関係をモデル化した動的モデル(図2の例では状態空間モデル)を用いることにより可能となっている。
As shown in FIG. 2, the
上記の構成は必須ではないが、この構成によれば、制御入力データが示す内容の制御入力が行われた後の潜在変数の値を予測することができるため好ましい。そして、潜在変数の予測値は、デコーダ105によってデコードされるので、上記の構成によれば、制御入力が行われた後のゴミ焼却プラントの状態を予測することができる。この予測結果は、例えば、どのような制御入力を行うかを決定する判断材料に利用することができる。例えば、ある制御入力を行った場合のゴミ焼却プラントの状態を予測すると共に、他の制御入力を行った場合のゴミ焼却プラントの状態を予測して、何れの制御入力がより好ましいかを比較した上で、実際に行う制御入力の内容を決定することも可能になる。
Although the above configuration is not essential, this configuration is preferable because it is possible to predict the value of the latent variable after the control input indicated by the control input data is performed. Since the predicted value of the latent variable is decoded by the
また、上述のように、予測に用いる炉内画像は、ゴミ焼却プロセスの状態を時系列で示す画像であればよいが、炉内画像に所定の周期で動作する被写体が写っている場合には、以下のような構成を採用してもよい。 As described above, the in-furnace image used for prediction may be an image showing the state of the garbage incineration process in chronological order. , the following configuration may be adopted.
すなわち、画像前処理部101は、所定の周期で動作する被写体が写っている時系列の複数の炉内画像のうち、上記被写体の一動作周期に撮影された複数の炉内画像をエンコーダ103に入力してもよい。所定の周期で動作する被写体が火格子である場合、上記所定の周期は、火格子がその可動域の一端に到達してから、他端に到達するまでの時間を上記一動作周期とすればよい。
That is, the
上記の構成によれば、被写体の一動作周期に撮影された複数の画像をエンコーダ103に入力するので、一動作周期に被写体がどのような動作をしたかが反映された潜在変数をエンコーダ103に出力させることができる。これにより、被写体の動作周期ごとのゴミ焼却プラントの状態変化を適切に反映させて、将来のゴミ焼却プラントの状態を精度よく予測することができる。なお、この場合、PD前処理部102は、上記一動作周期に取得されたプロセスデータからノイズを除去してエンコーダ103に入力する。
According to the above configuration, since a plurality of images captured in one movement period of the subject are input to the
〔VAEのネットワーク構造〕
VAE(Variational Auto-Encoder:変分オートエンコーダ)のネットワーク構造を図3に基づいて説明する。図3は、VAEのネットワーク構造の一例を示す図である。図示のように、エンコーダ103とデコーダ105がVAEを構成している。なお、図3では、説明を簡単にするため、予測に関する構成は記載を省略している。
[Network structure of VAE]
A network structure of a VAE (Variational Auto-Encoder) will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing an example of a VAE network structure. As shown,
エンコーダ103には、CNN1031、FCN1032、およびFCN1033が含まれている。詳細は以下説明するが、CNN1031とFCN1032が炉内画像を処理するためのものであり、FCN1033がプロセスデータを処理するためのものである。これらの構成により、エンコーダ103は、炉内画像とプロセスデータという性質の異なるデータから潜在変数を出力することが可能になっている。
また、デコーダ105には、FCN1051、FCN1052、およびCNN1053が含まれている。詳細は以下説明するが、FCN1051とCNN1053が炉内画像を処理するためのものであり、FCN1052がプロセスデータを処理するためのものである。これにより、デコーダ105は、潜在変数をデコードして、炉内画像とプロセスデータという性質の異なるデータを出力することが可能になっている。
CNN1031は、畳み込みニューラルネットワーク(Convolutional Neural Network)である。CNN1031は、炉内画像xtの特徴点を抽出するためのものであり、炉内画像xtを入力として、炉内画像xtの特徴点を示す特徴データを出力する。特徴データは、炉内画像xtの特徴点を示す、炉内画像xtよりも低次元のデータである。
CNN1031 is a convolutional neural network (Convolutional Neural Network). The
エンコーダ103の役割は、潜在変数atの確率分布を出力することである。ここでは、潜在変数atの確率分布をガウス分布すなわち正規分布と仮定して、その母数である平均μと共分散行列Σを出力する。具体的には、以下説明するように、FCN1032が平均μを出力し、FCN1033が共分散行列Σを出力する。
The role of the
FCN1032とFCN1033は、何れも全結合ネットワーク(Fully-Connected Network)である。FCN1032は、CNN1031が出力する炉内画像xtの特徴データと、前処理によりノイズ除去されたプロセスデータytを入力として、潜在変数atの確率分布における平均μを出力する。また、FCN1033は、CNN1031で抽出した炉内画像xtの特徴点と、プロセスデータytを入力として、潜在変数atの確率分布における共分散行列Σを出力する。
Both
デコーダ105が備えるCNN1053も畳み込みニューラルネットワークであり、FCN1051およびFCN1052も全結合ネットワークである。FCN1051は、潜在変数atを入力として、炉内画像の特徴データを出力する。そして、CNN1053は、炉内画像の特徴データを入力として炉内画像を出力する。また、FCN1052は、潜在変数atを入力として、プロセスデータを出力する。
このようなVAEは、事前学習により、各パラメータ(ニューラルネットワークの重み)を最適化することにより構築することができる。例えば、変分下限(Evidence Lower Bound:ELBO)を最大化するように学習を行って、各パラメータを決定してもよい。VAEとLGSSMを組み合わせた手法であるKVAEにおける他のパラメータも同様である。 Such a VAE can be constructed by optimizing each parameter (neural network weight) by pre-learning. For example, each parameter may be determined by learning so as to maximize an evidence lower bound (ELBO). Other parameters in KVAE, which is a combined VAE and LGSSM approach, are similar.
なお、エンコーダ103にノイズ除去済みのプロセスデータytを入力するため、潜在変数atをデコードして得られる値は、プロセスデータそのものの値ではなく、プロセスデータから前処理によりノイズを除去したプロセスデータの値となる。炉内画像についても同様であり、CNN1053は、前処理済みの炉内画像を出力する。
Since the process data yt with noise removed is input to the
また、上述のように、デコードの対象とする潜在変数を、予測部104が予測した潜在変数at+1とすることにより、先の時刻(この例では時刻t+1)におけるプロセスデータの予測値と、炉内画像(予測画像)を出力させることができる。
Further, as described above, by setting the latent variable a t+1 predicted by the
〔状態空間モデルの詳細〕
予測部104が使用する状態空間モデルは、より詳細には、潜在変数atと制御入力データutとの時間的な関係を時系列モデルでモデル化した動的モデルpγt(at|ut)である。このモデルにより、次の時刻t+1における潜在変数at+1を求めることができる。上述のように、本実施形態では、動的モデルpγt(at|ut)としてLGSSMを用いる例を説明する。
[Details of the state space model]
More specifically , the state space model used by the
LGSSMを用いる場合、潜在変数atと制御入力データutとの関係は、状態変数ztと、パラメータγt=[At,Bt,Ct]により、線形な関係として表現される。なお、Atは状態変数(隠れ状態)の遷移先を決定する遷移行列、Btは制御入力データutに応じて遷移先を制御する制御行列、Ctは出力行列である。これらの行列は、何れも時変な(時間の経過によって変化する)行列である。予測部104は、LGSSMを用いた予測において、以下説明するように、動的パラメータネットワークを用いてLGSSMのパラメータを非線形に変える。
When LGSSM is used, the relationship between the latent variable a t and the control input data u t is expressed as a linear relationship by the state variable z t and parameters γ t =[A t , B t , C t ]. Note that At is a transition matrix that determines transition destinations of state variables (hidden states), Bt is a control matrix that controls transition destinations according to control input data ut , and Ct is an output matrix. These matrices are all time-varying (change over time) matrices. In the prediction using the LGSSM, the
状態空間モデルの詳細を図4に基づいて説明する。図4は、状態空間モデルの構成例を示す図である。図4の(a)は、観測ステップにおける状態空間モデルの構成例を示し、図4の(b)は、予測ステップにおける状態空間モデルの構成例を示している。図4の(a)(b)の何れの状態空間モデルも、LSTM(Long Short-Term Memory)1041とFCN1042を構成要素とする動的パラメータネットワークを含む。詳細は以下説明するが、動的パラメータネットワークは、複数の状態空間モデルを重みαtによって線形結合することにより、一つの状態空間モデルにするネットワークである。
Details of the state space model will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a state space model. FIG. 4(a) shows a configuration example of the state space model in the observation step, and FIG. 4(b) shows a configuration example of the state space model in the prediction step. Both state space models in FIGS. 4A and 4B include a dynamic parameter network having LSTM (Long Short-Term Memory) 1041 and
LSTM1041は、潜在変数atを時刻毎に非線形に変えた出力dtを出力する。そして、FCN1042は、出力dtにsoftmax関数を適用して算出した重みαtを用いてK個の異なる状態空間モデルを線形結合したγtを出力する。K個の異なる状態空間モデルは、LGSSMにおけるK個のパラメータΓで表される。なお、パラメータΓは、下記の数式(2)で表される。
The
…数式(1)
重みαtは、現在の潜在変数atと過去のLSTM1041の出力dt-1から算出されるので、遷移行列Atは下記の数式(2)で表される。
…Formula (1)
Since the weight α t is calculated from the current latent variable a t and the past output d t−1 of the
…数式(2)
また、制御行列Btと、出力行列Ct(状態変数zt+1から潜在変数at+1を出力するときに使用する行列)も同様にして求められる。
…Formula (2)
Also, the control matrix B t and the output matrix C t (the matrix used when outputting the latent variable a t+1 from the state variable z t+1 ) are obtained in the same manner.
以上より、パラメータγtは、下記の数式(3)で表される。このような構成の動的パラメータネットワークを用いることにより、予測部104が非線形な状態遷移を取り扱うことが可能となっている。
From the above, the parameter γ t is represented by the following formula (3). By using a dynamic parameter network with such a configuration, the
…数式(3)
ここで、状態変数のztからzt+1への遷移は下記の数式(4)で表される。
zt+1=At*zt+Bt*ut …数式(4)
よって、予測部104は、上述のようにして算出した遷移行列Atと制御行列Btから状態変数の予測値である
…Formula (3)
Here, the transition of the state variable from zt to zt +1 is represented by the following equation (4).
zt +1 =At* zt + Bt * ut ... Formula (4)
Therefore, the
を求めることができる。そして、予測部104は、出力行列Ctによって、状態変数の予測値から潜在変数の予測値である
can be asked for. Then, the
を算出し、出力することができる。 can be calculated and output.
つまり、図4の(a)に示す観測ステップでは、エンコーダ103が出力する時刻tの潜在変数atが動的パラメータネットワークに入力される。この潜在変数atは、エンコーダ103が時刻tの入力データ(前処理済みの炉内画像とノイズ除去済みのプロセスデータ)から生成したものである。そして、動的パラメータネットワークのLSTM1041がdtを出力し、このdtを入力としてFCN1042が重みαtを出力する。さらに、予測部104は、上記数式(3)によってパラメータγtを決定し、このγtを用いて、制御入力データutから状態変数ztを算出する。状態変数ztは、時刻t-1の潜在変数at-1に基づいて予測した状態変数
That is, in the observation step shown in FIG. 4A, the latent variable at at time t output by the
の更新に用いられる。 used to update the
一方、図4の(b)に示す予測ステップでは、予測部104は、時刻tにおける状態変数の予測値である On the other hand, in the prediction step shown in (b) of FIG.
から出力行列Ctによって潜在変数の予測値である is the predicted value of the latent variable by the output matrix C t from
を算出する。続いて、予測部104は、上記潜在変数の予測値を動的パラメータネットワークに入力する。これにより、動的パラメータネットワークのLSTM1041がdtを出力し、このdtを入力としてFCN1042が重みαtを出力する。さらに、予測部104は、上記数式(3)によってパラメータγtを決定し、このγtを用いて、制御入力データutから時刻t+1における状態変数の予測値である
Calculate Subsequently, the
を算出する。そして、予測部104は、出力行列Ctによって、状態変数の予測値から潜在変数の予測値である
Calculate Then, the
を算出し、出力する。 is calculated and output.
以上のように、予測部104は、観測ステップにおいて、エンコーダ103が最新の入力データから生成した状態変数に基づいて状態変数を算出し、算出した状態変数を用いて先に予測された状態変数の予測値を更新する。そして、予測ステップでは、予測部104は、更新後の状態変数と制御入力データから状態変数の予測値を算出すると共に、状態変数の予測値から潜在変数の予測値を算出し、出力する。予測部104は、これらのステップを繰り返すことにより、予測精度の高い潜在変数の予測値を出力することができる。
As described above, in the observation step, the
〔処理の流れ〕
情報処理装置1が実行する処理の流れを図5に基づいて説明する。図5は、情報処理装置1が実行する処理(情報処理方法)の一例を示すフローチャートである。
[Process flow]
The flow of processing executed by the
S1では、画像前処理部101が炉内画像の入力を受け付け、PD前処理部102がプロセスデータの入力を受け付け、予測部104が制御入力データutの入力を受け付ける。そして、S2では、画像前処理部101が炉内画像に前処理を施して前処理済みの炉内画像xtを生成し、PD前処理部102がプロセスデータに前処理を施してノイズ除去済みのプロセスデータytを生成する。
In S1, the
S3では、エンコーダ103が炉内画像xtの特徴点をCNN1031で抽出して特徴データを生成する。続くS4では、エンコーダ103は、S3で生成された特徴データと、プロセスデータytをFCN1032で連結してパラメータμを出力する。また、S5では、エンコーダ103のFCN1033が、S3で生成された特徴データと、プロセスデータytをFCN1032で連結して共分散行列Σを出力する。そして、S6(潜在変数を出力するステップ)では、エンコーダ103は、S4で出力したパラメータμとS5で出力した共分散行列Σから潜在変数atを出力する。
In S3, the
S7では、予測部104が、動的モデルを用いて、S6で算出された潜在変数atと、S1で入力を受け付けた制御入力データutから、潜在変数atの将来の値である潜在変数at+1を算出する(予測ステップ)。そして、S8(予測値を出力するステップ)では、デコーダ105のFCN1051とCNN1053が潜在変数at+1をデコードして予測画像である炉内画像xt+1を生成し、出力する。また、S9(予測値を出力するステップ)では、デコーダ105のFCN1052が潜在変数at+1をデコードしてプロセスデータ(正確にはノイズ除去済みのプロセスデータ)の予測値yt+1を算出し、出力する。なお、S8とS9の処理は同時に行ってもよいし、S9の処理を先に行ってもよい。
In S7, the
〔実施形態2〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。実施形態3以降も同様である。
[Embodiment 2]
Other embodiments of the invention are described below. For convenience of description, members having the same functions as those of the members described in the above embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. The same applies to the third and subsequent embodiments.
図6は、本実施形態の情報処理装置1aによる予測の概要を示す図である。情報処理装置1aは、図1に示した情報処理装置1と比べて、予測部104が予測部104aに代わっている点で相違している。予測部104aは、予測部104と同様に、潜在変数の変動をモデル化した動的モデルを用いて、エンコーダ103が出力する潜在変数の値から、当該潜在変数の将来の値を予測するものである。
FIG. 6 is a diagram showing an outline of prediction by the information processing device 1a of this embodiment. The information processing apparatus 1a differs from the
予測部104aは、図6に示すように、LSTMを用いて予測を行う。つまり、情報処理装置1aでは、VAE-LSTMの手法により予測を行う。具体的には、図6の例では、予測部104aは、LSTMを用いて、エンコーダ103が出力する潜在変数atと制御入力データutとから、将来のゴミ焼却プラントの状態を示す変数dt+1を予測する。そして、予測部104は、予測ステップにおいて、LSTMにより、変数dt+1を将来の潜在変数at+1に変換してデコーダ105に出力する。
The
〔実施形態3〕
実施形態2では、RNN(リカレントニューラルネットワーク)の一種であるLSTMを用いて予測を行っているが、他の種類のRNNを用いて予測を行ってもよい。この場合、予測部104は、他の種類のRNNを用いて、エンコーダ103が出力する潜在変数atと制御入力データutとから、将来のゴミ焼却プラントの状態を示す変数dt+1を予測する。そして、予測部104は、予測ステップにおいて、当該他の種類のRNNにより、変数dt+1を将来の潜在変数at+1に変換してデコーダ105に出力する。
[Embodiment 3]
In the second embodiment, prediction is performed using LSTM, which is a type of RNN (Recurrent Neural Network), but prediction may be performed using another type of RNN. In this case, the
また、実施形態1、2では、VAEを用いてエンコードとデコードを行っているが、VAEの代わりに、確率分布を考慮しないAE(Auto-Encoder)を用いてエンコードとデコードを行ってもよい。AEを用いる場合も、図5のような処理により、予測画像とプロセスデータの予測値を算出することができる。また、AEを用いる場合の予測もVAEを用いる場合と同様に、様々な手法が適用できる。例えば、実施形態1のようにカルマンフィルタの枠組みで(実数ベクトルの動的モデル学習と予測器を用いて)予測画像とプロセスデータの予測値を算出することもできる。同様に、実施形態2のようにRNNを用いて予測画像とプロセスデータの予測値を算出することもできる。さらに、本実施形態で上述したように、RNNを用いて予測画像とプロセスデータの予測値を算出することもできる。
In addition, in
〔実施形態4〕
上述の情報処理装置1は、例えば図7に示すようなプラント管理システムに組み込むことができる。図7は、情報処理装置1を含むプラント管理システム5の一例を示すブロック図である。プラント管理システム5には、情報処理装置1の他に、センサ51、制御入力記録装置52、撮影装置53、プラント情報記憶装置54、表示装置55、およびプラント制御装置56が含まれている。なお、情報処理装置1の代わりに情報処理装置1aを組み込むことも可能である。
[Embodiment 4]
The
センサ51は、プラント内に設置されており、プラントにおける所定のプロセスに関する所定の物理量(例えば温度、圧力、流量、光、磁気等)の大きさや変化量を検出してその結果を時系列で出力する。センサ51の出力値は、情報処理装置1が使用するプロセスデータの一部を構成する。
The
制御入力記録装置52は、プラントで制御入力(例えば作業員による手動操作による制御入力)が行われたことを検出して、その制御入力の履歴情報をプラント情報記憶装置54に記憶させる。制御入力の履歴情報は、実行された制御入力の内容と該制御入力が行われた日時等を含むものであればよい。情報処理装置1は、この履歴情報をプロセスデータとして利用することができる。
The control
撮影装置53は、プラントにおいて所定のプロセスが進行する様子を撮影する。例えば、所定のプロセスがゴミ焼却プロセスであれば、撮影装置53は、焼却炉内を撮影して炉内画像を生成する。
The photographing
プラント情報記憶装置54は、プラントにおいて所定のプロセスが進行している期間中に取得された各種データを記憶する。具体的には、センサ51の出力値、制御入力記録装置52およびプラント制御装置56が記録する履歴情報、および撮影装置53が撮影した画像を記憶する。
The plant
表示装置55は、画像を表示する装置である。例えば、表示装置55は、情報処理装置1が出力する予測結果(予測画像やプロセスデータの予測値)を表示させることができる。表示装置55は、プラントに対して制御入力を行う作業員が上記の予測結果を確認できるように、プラントの制御室等に配置すればよい。
The
プラント制御装置56は、プラントに含まれる各種装置の動作を制御する。例えば、ゴミ処理プラントであれば、プラント制御装置56は、焼却炉にゴミを送り込む制御や、焼却炉内におけるゴミの搬送速度の制御、焼却炉内に送り込む空気の流量制御等を行う。そして、プラント制御装置56は、実行した制御の履歴情報(制御内容と実行日時等)をプラント情報記憶装置54に記憶させる。情報処理装置1は、この履歴情報をプロセスデータとして利用することができる。
The
プラント管理システム5では、以上のように、センサ51、制御入力記録装置52、およびプラント制御装置56が、プラント情報記憶装置54に各種データを記憶させる。また、撮影装置53がプラント情報記憶装置54にプロセスが進行する様子を示す画像を記憶させる。そして、情報処理装置1は、プラント情報記憶装置54に記憶されているデータを、予測用のプロセスデータおよび画像として取得し、取得したそれらのデータを用いて将来のプラントの状態を予測する。
In the
将来のプラントの状態を予測した情報処理装置1は、予測の後処理として、予測結果を表示装置55に表示させてもよい。これにより、プラントの作業員に将来のプラントの状態を認識させて、必要な制御入力を行わせることが可能になる。また、情報処理装置1は、予測した将来のプラントの状態が、作業員による制御入力が必要な状態であるか否かを判定し、必要であると判定された場合には、作業員に注意を促す表示を行ってもよい。また、この場合、情報処理装置1は、実行すべき制御入力の内容を表示してもよい。
The
また、情報処理装置1は、上記予測結果に基づき、プラント制御装置56を介してプラントの制御を行ってもよい。例えば、上記予測結果が、焼却炉内の温度が低下することを示すものであった場合、情報処理装置1は、焼却炉内の温度低下を防ぐ制御(例えば焼却炉内へのゴミの供給量や空気の供給量を増やす制御)をプラント制御装置56に行わせてもよい。
Further, the
なお、予測結果に応じた制御入力の内容は、プラントの状態と、該状態のプラントで実行すべき制御入力との関係を機械学習によりモデル化した学習済みモデルを用いて決定してもよい。上記機械学習で使用する教師データについて、プラントの状態を示す情報としては、プロセスデータと予測画像の少なくとも何れかを用いればよい。 The content of the control input corresponding to the prediction result may be determined using a learned model obtained by modeling the relationship between the state of the plant and the control input to be executed in the state of the plant by machine learning. At least one of the process data and the predicted image may be used as the information indicating the state of the plant for the teacher data used in the machine learning.
〔ソフトウェアによる実現例〕
情報処理装置1の制御ブロック(特に図1の制御部10に含まれる各ブロック)は、集積回路(ICチップ)等に形成された論理回路(ハードウェア)によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。
[Example of realization by software]
The control blocks of the information processing apparatus 1 (especially each block included in the
後者の場合、情報処理装置1は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば1つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラム(情報処理プログラム)を上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばCPU(Central Processing Unit)を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ROM(Read Only Memory)等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するRAM(Random Access Memory)などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体(通信ネットワークや放送波等)を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
In the latter case, the
〔変形例〕
上記各実施形態で説明した各処理の実行主体は、適宜変更することが可能である。例えば、図5のS1~S9の何れかまたは複数を情報処理装置1と通信可能な他の装置(例えばクラウド上のサーバ)に実行させてもよい。つまり、情報処理装置1を実行主体として説明した情報処理方法における下記のステップの実行主体は、1つの情報処理装置1であってもよいし、複数の異なる情報処理装置であってもよい。
[Modification]
The executing subject of each process described in each of the above embodiments can be changed as appropriate. For example, any one or more of S1 to S9 in FIG. 5 may be executed by another device (for example, a cloud server) that can communicate with the
プラントにおける所定のプロセスに関する時系列データをエンコードして潜在変数を出力するステップ。上記潜在変数の変動をモデル化した動的モデルを用いて、上記エンコーダが出力する上記潜在変数の値から、当該潜在変数の将来の値を予測する予測ステップ。上記予測ステップで予測した上記潜在変数の値をデコードして上記時系列データの予測値を出力するステップ。 Encoding time-series data for a given process in the plant to output latent variables. A prediction step of predicting a future value of the latent variable from the value of the latent variable output by the encoder using a dynamic model that models fluctuations in the latent variable. decoding the value of the latent variable predicted in the prediction step and outputting the predicted value of the time-series data;
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be modified in various ways within the scope of the claims, and can be obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. is also included in the technical scope of the present invention.
〔参考例〕
図3の例のように、エンコーダ103が出力する潜在変数を、予測を行うことなく、そのままデコーダ105に入力してデコードした場合であっても、エンコード前のデータと、デコード後のデータとが一致しないことがある。無論、予測を行った場合にも、予測したデータと実測データとの間にずれが生じることがある。また、潜在変数のパラメータを少しずつ変化させることにより、少しずつ異なるデータをデコーダ105に出力されることが可能である。
[Reference example]
As in the example of FIG. 3, even if the latent variables output by the
この点を利用して、エンコーダ103とデコーダ105(および必要に応じて予測部104)により、機械学習用の教師データを自動生成することも可能である。これにより、要求される判定精度を実現するための機械学習に必要な教師データが不足している場合に、不足分を補てんすることも可能になる。
Using this point, the
例えば、炉内画像と、プロセスデータとの相関関係を機械学習するための教師データを生成する場合、実測されたプロセスデータと炉内画像をエンコーダ103に入力し、デコーダ105から出力された炉内画像を、実測された上記プロセスデータと対応付けて教師データとしてもよい。そして、潜在変数のパラメータを少しずつ変化させて、デコーダ105に少しずつ異なる炉内画像を出力させ、出力された各炉内画像と、実測された上記プロセスデータとをそれぞれ対応付けて教師データとしてもよい。
For example, when generating teacher data for machine learning the correlation between the in-furnace image and the process data, the actually measured process data and the in-furnace image are input to the
1、1a 情報処理装置
103 エンコーダ
104、104a 予測部
105 デコーダ
1, 1a
Claims (6)
上記潜在変数の変動をモデル化した動的モデルを用いて、上記エンコーダが出力する上記潜在変数の値から、当該潜在変数の将来の値を予測する予測部と、
上記予測部が予測した上記潜在変数の値をデコードして上記時系列データの予測値を出力するデコーダと、を備え、
上記時系列データには、上記プロセスが進行する様子を撮影した画像と、上記プロセスの進行中に取得されたプロセスデータとが含まれており、
上記エンコーダは、上記画像の特徴点と上記プロセスデータの特徴点とが反映された上記潜在変数を出力し、
上記デコーダは、上記予測部が予測した上記潜在変数の値をデコードして、上記プロセスデータの予測値と、上記プロセスの将来の様子を示す予測画像とを出力する、ことを特徴とする情報処理装置。 an encoder that encodes time-series data for a given process in the plant and outputs a latent variable;
a prediction unit that predicts a future value of the latent variable from the value of the latent variable output by the encoder using a dynamic model that models fluctuations in the latent variable;
a decoder that decodes the value of the latent variable predicted by the prediction unit and outputs a predicted value of the time-series data ;
The time-series data includes an image of the progress of the process and process data acquired during the progress of the process,
The encoder outputs the latent variable reflecting the feature points of the image and the feature points of the process data,
wherein the decoder decodes the value of the latent variable predicted by the prediction unit, and outputs a predicted value of the process data and a predicted image showing a future state of the process. Device.
上記潜在変数の変動をモデル化した動的モデルを用いて、上記エンコーダが出力する上記潜在変数の値から、当該潜在変数の将来の値を予測する予測部と、
上記予測部が予測した上記潜在変数の値をデコードして上記時系列データの予測値を出力するデコーダと、を備え、
上記動的モデルは、上記時系列データと、上記プラントにて行われた制御入力と、上記潜在変数の変動との相関関係をモデル化したものであり、
上記予測部は、上記プラントに対する制御入力の内容を示す制御入力データを用いて、上記エンコーダが出力する上記潜在変数の値から、上記制御入力データが示す内容の上記制御入力が行われた後の潜在変数の値を予測する、ことを特徴とする情報処理装置。 an encoder that encodes time-series data for a given process in the plant and outputs a latent variable;
a prediction unit that predicts a future value of the latent variable from the value of the latent variable output by the encoder using a dynamic model that models fluctuations in the latent variable;
a decoder that decodes the value of the latent variable predicted by the prediction unit and outputs a predicted value of the time-series data;
The dynamic model is a model of the correlation between the time-series data, the control input performed at the plant, and the variation of the latent variable,
The prediction unit uses the control input data indicating the content of the control input to the plant, and calculates, from the value of the latent variable output by the encoder, An information processing device characterized by predicting a value of a latent variable.
プラントにおける所定のプロセスに関する時系列データをエンコードして潜在変数を出力するステップと、
上記潜在変数の変動をモデル化した動的モデルを用いて、エンコードによって出力される上記潜在変数の値から、当該潜在変数の将来の値を予測する予測ステップと、
上記予測ステップで予測した上記潜在変数の値をデコードして上記時系列データの予測値を出力するステップと、を含み、
上記時系列データには、上記プロセスが進行する様子を撮影した画像と、上記プロセスの進行中に取得されたプロセスデータとが含まれており、
潜在変数を出力する上記ステップでは、上記画像の特徴点と上記プロセスデータの特徴点とが反映された上記潜在変数を出力し、
予測値を出力する上記ステップでは、上記予測ステップで予測された上記潜在変数の値をデコードして、上記プロセスデータの予測値と、上記プロセスの将来の様子を示す予測画像とを出力する、ことを特徴とする情報処理方法。 An information processing method by an information processing device,
encoding time series data for a given process in the plant to output latent variables;
a prediction step of predicting a future value of the latent variable from the value of the latent variable output by encoding using a dynamic model that models fluctuations in the latent variable;
decoding the value of the latent variable predicted in the prediction step and outputting the predicted value of the time series data ;
The time-series data includes an image of the progress of the process and process data acquired during the progress of the process,
In the step of outputting the latent variables, outputting the latent variables reflecting the feature points of the image and the feature points of the process data,
In the step of outputting the predicted value, the value of the latent variable predicted in the prediction step is decoded to output the predicted value of the process data and a predicted image showing the future state of the process. An information processing method characterized by:
プラントにおける所定のプロセスに関する時系列データをエンコードして潜在変数を出力するステップと、
上記潜在変数の変動をモデル化した動的モデルを用いて、エンコードによって出力される上記潜在変数の値から、当該潜在変数の将来の値を予測する予測ステップと、
上記予測ステップで予測した上記潜在変数の値をデコードして上記時系列データの予測値を出力するステップと、を含み、
上記動的モデルは、上記時系列データと、上記プラントにて行われた制御入力と、上記潜在変数の変動との相関関係をモデル化したものであり、
上記予測ステップでは、上記プラントに対する制御入力の内容を示す制御入力データを用いて、潜在変数を出力する上記ステップで出力される上記潜在変数の値から、上記制御入力データが示す内容の上記制御入力が行われた後の潜在変数の値を予測する、ことを特徴とする情報処理方法。 An information processing method by an information processing device,
encoding time series data for a given process in the plant to output latent variables;
a prediction step of predicting a future value of the latent variable from the value of the latent variable output by encoding using a dynamic model that models fluctuations in the latent variable;
decoding the value of the latent variable predicted in the prediction step and outputting the predicted value of the time series data;
The dynamic model is a model of the correlation between the time-series data, the control input performed in the plant, and the fluctuation of the latent variable,
In the predicting step, using control input data indicating the content of the control input to the plant, from the value of the latent variable output in the step of outputting the latent variable, the control input having the content indicated by the control input data. An information processing method characterized by predicting the value of the latent variable after the is performed .
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