JPH0395603A - Operation support method for process applying multiple decision - Google Patents

Operation support method for process applying multiple decision

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JPH0395603A
JPH0395603A JP1231603A JP23160389A JPH0395603A JP H0395603 A JPH0395603 A JP H0395603A JP 1231603 A JP1231603 A JP 1231603A JP 23160389 A JP23160389 A JP 23160389A JP H0395603 A JPH0395603 A JP H0395603A
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JP
Japan
Prior art keywords
rule
judgment
module
inference
rules
Prior art date
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Pending
Application number
JP1231603A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ichirou Enbutsu
伊智朗 圓佛
Kenji Baba
研二 馬場
Seiju Funabashi
舩橋 誠壽
Takuji Nishitani
西谷 卓史
Masahiro Oba
大場 雅博
Mikio Yoda
幹雄 依田
Yoshihiro Nobutomo
義弘 信友
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.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi 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.)
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Publication of JPH0395603A publication Critical patent/JPH0395603A/en
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Abstract

PURPOSE:To attain the synergetic effect of intelligent ability between the logical decision and the intuitive decision by providing a logical decision rule base and an intuitive decision rule base and securing the mutual drive of rules between both rule bases. CONSTITUTION:An abnormal state countermeasure module 200 identifies the abnormality and decides the factor and the countermeasure of the abnormality based on the data received from a data base module 350 and a keyboard. Then a fuzzy neuro-inference is carried out via an inference mechanism 210 when the module 200 is started. In this inference process, the backward inference is applied to the operation states whose possibilities are decided by a monitor module 120 in the order of higher preference levels. The fuzzy neuro-inference handles the rules stored in a logical decision rule base 260 and an intuitive decision rule base 280 of a rule base 250. In this case, no discrimination is substantially required among those rules of both bases 260 and 280 in the inference. In such a constitution, the logical decision and the intuitive decision can be fused together with higher interactivity.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

〔産業上の利用分野〕 本発明はオペレータによる判断が必要なプロセス全般の
運転管理において,オペレータの判断をより効果的に支
援する方法. 〔従来の技術〕 浄水処理プロセス、下水処理プロセスなどでは、プロセ
スの挙動を数理モデルによって決定論的に記述出来ない
ために、数理モデルを用いた計算機による自動制御が難
しい。そのため,それらのプロセスの運転管理には、 (1)経験を持ったオペレータのノウハウに基づいた状
況の監視と判断 (2)プロセスの過去の運転履歴を反映した状況の監視
と判断 が不可欠となっている。 これらに対する計算機支援の方法として、前者には主に
知識工学的手法の導入が進んでおり、後者には神経回路
網モデルによる学習の手法が導入されつつある● 知識工学的手法は、専門家やオペレータの経験的な知識
を宣言的な知識(IF−THEN型ファジィルールやF
RAME型ルールなど)として抽出し,推論機構と共に
用いることにより、オペレータの監視と判断の一部を計
真機上で再現し、オペレータとの代替、若しくは支援を
行うものである。(例えば、特開昭63−240601
号や特開昭61−59502号など) また、神経回路網モデルでは、宣言的な知識によらず、
プロセス運転のB歴データの学習によって、モデル中の
パラメータのマトリックスという形の分散的表現の知識
として用いている。これにより、オペレータが言葉(宣
言的表現)として表現出来ないような直感的な判断を行
うことが出来る。 更に,これらの両者の融合して、両方のメリットを得て
、しかも各々のデメリットを互いに補うための試みがな
されている.従来行われている両者の融合方法は、 (1)宣言的なルールを神経回路網モデルに実装して使
用する方法 (2)知識工学システムから神経回路網モデルをサブル
ーチンとしてコールする方法 が試みられている。(詳細は、日経コンピュータ198
9年1月2日号P53〜P61,”ESとの組み合わせ
で実用化が見えてきたニューロ″などに詳しい。) 〔発明が解決しようとする課題〕 かかる従来の知識工学的手法と神経回路網モデルの融合
方法においては、次のような課題がある。 まず第一に、宣言的なルールを神経回路網モデルに実装
する(モデル内のパラメータ群に分散的表現させる)こ
とによって、宣言的なルールが本来持っている論理的な
明確さを損なうことになり、支援システムを使用するオ
ペレータにとって内容が理解し難い知識になるという欠
点を有する。 また第二に、知識工学的手法から神経回路網モデルをサ
ブルーチンとして一方的にコールする方法では、神経回
路網モデル側から宣言的なルールを能動して、能動的に
データを得ることができないという欠点を有する。また
、この方法は、オペレータの判断が右脳(論理的判断)
と左脳(直感的判断)のインタラクティブな働きで行わ
れているということを十分に模擬出来ていないという課
題も有する。 本発明の目的は、上記課題を同時に解決するような、知
識工学的手法と神経回路網モデルの融合方法を導入する
ことによって、より効果的なプロセスの運転支援方法を
実現することにある。 〔課題を解決するための手段〕 本発明では、上記目的を達或するために、プロセスに関
するファジィルールと、神経回路網モデルによって表現
したニューラルネットルールとの両方について、通常の
前向き推論や後向き推論を行えるような推論機構を用い
る。この推論機構は、ルールの結論部の成立する度合い
の演算方法が異なる以外は、ファジィルールもニューラ
ルネットルールも区別なく扱うものである。 また、目的別のニューラルネットルールを準備し、これ
らのルールを状況に応じて選択して、プロセスの操作量
などを定量的に算出して、ガイダンスするものである。 〔作用〕 本発明によれば、ファジィルールによって表現された、
オペレータの経験に基づく論理的な判断と、神経回路網
モデルによるニューラルネットルールで表現された、履
歴データに基づく直感的な判断との間で、判断結果(ま
たは、データ)の交換が自由に行えるようになり、論理
的判断と直感的判断の両方の知的能力の相乗効果を得る
ことができる。これにより、対象プロセスに対して、よ
り知的な支援を行うことが可能になる。 〔実施例〕 本発明は、オペレータによる判断を必要とするプロセス
の運転管理を知的に支援するものである.従って、本発
明は、オペレータが介在する各種のプロセス、例えば、
下水処理プロセス、浄水処理プロセス、化学反応プロセ
ス、バイオプロセス、原子力プロセス,株価・為替など
の金融プロセス、などに適用できる。 以下、本発明の実施例を説明する。 第l図は、本発明を下水処理プロセスの運転管理に適用
した場合の全体構或図である。 まず、下水処理プロセスのフローを簡単に説明する。な
お、図中の実線は物質の流れ(またはシステムの実行の
流れ)を、点線は信号の流れ(またはデータの流れ)を
示す。 最初沈殿池5には、下水流入管20より下水が流入する
.最初沈殿池5では、下水中の挟雑物及び浮遊物質の一
部が重力沈降によって除去される.曝気110には,最
初沈殿池5から越流した下水と返送汚泥管40からの返
送汚泥が流入する。曝気槽10では,ブロワー50から
散気装置65を通して送風が行われ、下水と返送汚泥が
混合かくはん状態にある。ここで返送汚泥,すなわち活
性汚泥は、供給された空気中の酸素を吸収し、下水中の
溶解性有機物を好気性代謝により分解し、炭酸ガスと水
に分解する.除去された有機物の一部は、活性汚泥の増
殖に充てられる.活性汚泥と有機物を除去された下水は
、最終沈殿池l5に導かれる。 最終沈殿池15では、活性汚泥の重力沈降により、活性
汚泥と処理下水とに固液分離され、処理下水は処理水放
流管30を経て放流される.一方、最終沈殿池15内に
沈降した活性汚泥は、汚泥引き抜き管35から引き抜か
れ、増殖分は余剰汚泥として余剰汚泥ポンプ60により
排出される。残りの活性汚泥は、返送汚泥として返送汚
泥ポンプ55から返送汚泥管40を通して再び曝気槽1
0に戻される。 次に、下水処理プロセスの計測器について説明する。流
入下水の水質などを計測するために、下水流入管20に
計測器70が設置される。計測項目は、流入下水量、浮
遊物質濃度,化学的酸素要求量、pH.窒素濃度、リン
濃度、ノルマルヘキサン抽出物濃度,シアン化合物濃度
などである。 最初沈殿池5にも計測器75が設置され、計測器70と
同様の水質項目の他に、沈降した汚泥の界面高さなどが
計測される。 また、曝気槽10には、計測器80と水中カメラなどの
画像情報計測装置85とが設置される。 計測器80では,計測器70と同様の水質項目の他に、
溶存酸素濃度などが計測される。画像情報計測装置85
では、曝気槽10中の活性汚泥の分布や色、活性汚泥を
構或する凝集性微生物(フロック)の大きさや、糸状性
微生物および原生動物の形や量を計測する。 最終沈殿池15には、計測器90と画像情報計測装置9
5とが設置される.計測器90では、計測器70と同様
な水質項目の他に、重力沈降した活性汚泥の界面高さな
どが計測される.画像情報計測装置95では、画像情報
計測装置85と同様な計測項目の他に、最終沈殿池15
の水面上に疎水性の微生物膜(スカム)の存在の有無な
どを計測する。また、処理水放流管30には、計測器1
00が設置され、処理水について計測器と同様な水質項
目が計測される. 次に,運転管理支援を行うコンピュータシステム(多元
判断型運転管理支援システム、以下、支援システムと略
す)110の構戊を説明する。 支援システム110は、(1)監視モジュール120、
(2)異常時対策モジュール200、(3)維持管理モ
ジュール300、(4)データベースモジュール350
、(5)画像処理モジュール370から構威される。 本発明の特徴である異常時対策モジュール200は、推
論機構210とルールベース250から構成されており
、更にルールベース250は、論理的判断ルールベース
26oと直感的判断ルールベース280とから構威され
ている.これらの詳細は、後述する。 次に、支援システム110への各種計測データの入出力
,及びオペレータとの対話型によるデータ入出力につい
て説明する。 まず、入力について説明する。前記の計測泰70,75
,80、90、100、及び画像情報計測装置85、9
5では一定の時間間隔でデータのサンプリングが行われ
る。これらアナログ信号のオンラインデータは、入出力
装置101に取り込まれ、ディジタル信号に変換された
後、入力ポート102を通して支援システム110に取
り込まれる.一方、(1)オンライン計測が出来ない手
分析データ,(2)画像情報計測機器による計測が出来
ない(データ、及び(3)支援システムが特に必要と認
めたデータの入力は支援システム110に接続されたキ
ーボード350によって、CRT360を参照しながら
対話的に行われる。 次に,出力について説明する。支援システム110は、
入力された情報に基づいてガイダンス内容を決定する。 このガイダンスは,CRT360を通じてオペレータに
表示される.なお、このCRT360は、必要に応じて
画像情報計測装置85、95からの映像を映すモニター
も兼ねることが出来る。 また、プロセスの制御を行うための機器であるブロワー
50、返送汚泥ポンプ55、余剰汚泥ポンプ60の目標
値、及び操作量の変更は、キーボード350から行われ
、支援システム110に記録されたのち、出力ポート1
04から制御装置103に送られる。制御信号は、制御
装置103から各機器に対して送られる。 以上が、本実施例の全体構成である。 次に、本実施例の支援システム110の具体的な動作を
第2図によって説明する。第2図では、実線はモジュー
ル間の起動の流れを、点線はデータの流れを示す。 下水処理プロセスの運転管理において、オペレ−タが行
う業務の種類と順序を思考過程に模擬させてモデル化(
管理業務モデル)すると、第2図のように (1)監視モジュール120 (2)異常時対策モジュール200 (3)維持管理モジュール300 (4)データベースモジュール350 (5)画像処理モジュール370 という構戒である。 発明者らが作成した上記の管理業務モデルの各モジュー
ルの関係及び実行順序は,次のとおりである. まず、監視モジュール120が起動され、データベース
モジュール350から所定の周期でオンラインのデータ
を読み込み、さらに必要な場合には、CRT390を通
して、オペレータにデータ入力を要求し,キーボード3
80からの入力を受ける.監視モジュール120は,こ
のデータに基づいて,常にプロセスの運転状況の監視を
行う。 監視結果はCRT 3 9 0に表示すると共に,判定
部199へ送る。判定部199で運転状況の異常の可能
性が認められた場合には、異常時対策モジュール200
が起動される。 異常時対策モジュール200は、データベースモジュー
ル350とキーボード380からのデータに基づいて、
異常の同定とその原因、及びそのための対策(定量的な
操作量など)を決定する。 推論結果は、CRT390を通じてガイダンス表示する
. 維持管理モジュール300は、監視モジュール120と
異常時対策モジュール200から随時起動することがで
きる。実行は、起動元のプログラムからオペレータとの
対話権を移して行う。このモジュールでは、支援システ
ム110のメンテナンスのための各種ツールや,日常の
維持管理業務において必要な維持管理指針などのマニュ
アル的な知識の表示,過去の運転履歴の検索・表示、及
び季節変動戒分の抽出や各種データのファジィ論理にお
けるメンバシップ関数定義などの演算用ツール、さらに
各種シミュレータなどをキーボード380とCRT39
0を通して対話的に実行する機能を提供する。 データベースモジュール350は、入力ポート102を
通じて支援システム110に読み込まれる全てのデータ
を構造化して保存する。また、キーボード380からの
入カデータ,各モジュールでの実行結果も,必要に応じ
てデータベースモジュール350に保存する。 画像処理モジュール370は、入力ポート102から読
み込まれるデータのうち、第l図に示した画像情報計測
装置85、95からのデータのみを取り込んで、必要々
処理を行った後、データベースモジュール350に保存
する。 上記のような管理業務モデルを導入することにより、オ
ペレータの業務に密着し、親和性の高い支援が可能にな
る。 さらに、各モジュール内の詳細な動作を順に説明する。 まず、監視モジュール120の具体的な手順を第3図を
用いて説明する。 第3図は、監視モジュール120の動作を示すフローチ
ャートである。監視モジュール120は、支援システム
110実行中は、所定の周期でデータベースモジュール
350からオンラインデータを読み込み、必要に応じて
オペレータから対話的にキーボード380で入力を行う
. これらデータは、データ入力工程130で、所定の形式
に変換され、データ評価工程140で評価する.評価に
関する知識は、監視用知識ベース121に保存されてお
り、必要に応じて参照する。 ここでの評価により、プロセスのいくつかの運転状況(
正常、バルキング、硝化、汚泥腐敗など)の中から可能
性のある運転状況を選択する。結果は、判定部199に
送られる.選択された運転状況(正常を除く)が少なく
ともひとつあれば、異常時対策モジュール200が起動
される。 データ評価工8140の実現方法として、ここでは知識
工学と、公知技術であるファジィ論理によるファジィ推
論を用いている。つまり,状況判断に関するオペレータ
の経験的な知識をファジィルールとして記述し、これを
入力データによって能動する方法である。ファジィ推論
に関する詳細は,他の参考文献(西田,竹田(1978
)数学ライブラリ48ファジィ集合とその応用、森北出
版など)に譲るが、基本は式(1)、(2)によって結
論部のメンバシップ関数を求め、さらにその関数形の重
心計算によって結論部の定量値を求めることにある。 ・ルール条件部AとBが論理的and結合の場合MF(
A,B) =: min{MF(A),MF(B)) 
 −式(1)・ルール条件部AとBが論理的or結合の
場合MF(A,B) = n+ax(MF(A),MF
(B)}  −式(2)この場合、データ入力工程t3
0では、数値データがメンバシップ関数によって、定性
的なデータ(ファジィ変数とその値、及びそのメンバシ
ップ値。例えば,水温=高い、0.857’.jど)に
変換される。 また、別の実現方法として,プロセスの現象モデルに基
づく、シミュレータを用いることも出来る.例えば、処
理水質に関するモデルを準備し、これに実測データを入
力して、処理水質をシミュレート(主に今後の予測)し
、許容範囲内の値であるかを調べるようにする. さらに別の実現方法として、神経回路網モデルに過去の
運転状況に関する履歴データを学習させる方法を用いる
こともできる。学習した運転状況と同じ状況が起こって
いないかどうかを、実測値による想起によって判定する
ものである。ある実測値の入力値に対するモデルの想起
値が,どれも所定の値に達しない場合には,この状況が
過去に起こったことがない(または未学習)と判断し、
新規に学習を行うものとする[学習型・自己成長支援シ
ステムの実現].ここで用いる神経回路網モデルとその
学習アルゴリズムについては、後述する。 以上が監視モジュール120の動作である.このモジュ
ールからの運転状況監視結果は、判定部199に送られ
、可能性のある異常状態が少なくとも1つ認められた場
合には、異常時対策モジュール200が起動される。そ
うでない場合には、結果がデータベースモジュール35
0に保存され、次の監視モジュール実行を繰り返す。 次に異常時対策モジュール200を第4図で説明する. 第4図は、異常時対策モジュール200の動作を示すフ
ローチャートである。先の監視モジュール120がオン
ラインデータ中心に翻動されていたのに対し、このモジ
ュールは対話型で入力するデータが多くなっている。 このモジュールが起動されると、まずファジィ・ニュー
ロ推論工程211を行う。この工程では,監視モジュー
ル120で可能性ありと判断された運転状況について、
優先順位の高い(例えば、メンバシップ値が大きい)順
に後向き推論を行い.どの運転状況が本当に確からしい
かを決定する。 なお、ここで用いるファジィ・ニューロ推論のアルゴリ
ズムは、確信度付きルール,またはファジィルールで利
用していた推論(公知技術: Winston+P.}
l.(1977)Artificial  Intel
ligence,AddisonIiesleyなどを
参照されたい。)を、ニューラルネットルールも開動で
きるように拡張したものである。 ファジィ・ニューロ推論を説明する前に、神経回路網モ
デルの概略を簡単に説明する。 神経回路網モデルの基本となっているのは.rqをtf
ytIiする神経細胞(ニューロン)である。このニュ
ーロンの生理学的な知見を反映したニューロンの単体の
数理モデルが広く利用されている。第5図に示すモデル
は、式(3)に示すような、多大力一出力のしきい値特
性を持つ関数で表現される。 y=f (Σwi−xi−θ)・・・式(3)但し、y
:ニューロンの出力信号強度 wi:i番目の入力の重み係数 xi:i番目の入力の信珍強度 θ:しきい値 つまり、他のニューロンiから,注目するニューロンへ
の信号xiは、両者間の結合強度(重み係数、シナプス
強度)に応じてwiが乗ぜられる。これらの重み付き入
力信号wi−xiの全結合分の総和Σwi−xiが、あ
るしきい値θ以上のとき、そのニューロンは興奮して出
力信号yを出すというイメージである。このときのしき
い値特性を決定する関数fとしては、式(4)に示すシ
グモイド関数を使用する。 f (u)=L/ (1+e−υ)・・・式(4)神経
回路網モデルは、上記のニューロンを基本素子とする回
路モデルである.モデルの種類としては、ニューロンを
階層的に結合させた階層型モデルと,ネットワーク状に
結合させた相互結合型モデルの2種類が広く知られてい
る。本発明では、前者の階層型モデル(別名. Rul
emhart型モデル)を使用する。このモデルは、第
6図に示すように、入力層,中間層、出力層からなる3
層構造である。 学習は、入力層に学習パターンを入力したときの出力層
からの信号(想起値)と教師信号との誤差が小さくなる
ように重み係数を出力層から入力層に向かって修正して
い<BP法(アルゴリズムの詳細は、Rumelhar
t,D.E., ate (1986) Learni
ngRepresentations by Back
Propagating Errors,Nature
,vol.323などを参照されたい)を採用している
。 ファジィ・ニューロ推論では、ルールベース250中の
論理的判断ルールベース260.直感的判断ルールベー
ス280に保存されているルールを扱う。両ルールベー
スのそれぞれのルールは、第7図に示すようなIF−T
HEN型の同じフォーマットで記述されており、どちら
のルールベースのルールであってもほとんど区別なく、
推論することができる。つまり,ファジィルールがニュ
ーラルネットルールを能動したり,ニューラルネットル
ールの推論結果を利用して推論を進めることが出き、そ
の逆も可能である。 両ルールの扱いで、唯一異なっているのは5ルール結論
部の成立の度合いの算出手段である。 論理的判断ルールベース260中のファジィルールの場
合、第8図に示すような、公知技術のファジイ推論を用
いて算出する。つまり、条件部のメンバシップ関数の論
理積(min演算)を取り、結論部のメンバシップ関数
とし、このメンバシップ関数の重心をとって、その度合
いとする計算である。 直感的判断ルールベース280中のニューラルネットル
ールは、オペレータや専門家が明確に意識するに至って
いないようなデータ間の因果関係を、神経回路網モデル
による履歴データの学習によってルール化したものであ
る。 第9図に示すように、ルール条件部を入力層のニューロ
ンに、結論部を出力層のニューロンに対応させている。 結論部の成立の度合いの算出には、神経回路網モデルに
よる想起を行う。想起の際には、入力層にデータベース
モジュール350やファジィルールから導出された、下
の例のような[ファジィ変数]
[Industrial Application Field] The present invention is a method for more effectively supporting operator judgment in overall process operation management that requires operator judgment. [Prior Art] In water purification processes, sewage treatment processes, etc., the behavior of the process cannot be described deterministically by a mathematical model, so automatic control by a computer using a mathematical model is difficult. Therefore, for the operation management of these processes, it is essential to (1) monitor and judge the situation based on the know-how of experienced operators, and (2) monitor and judge the situation that reflects the past operation history of the process. ing. As computer-assisted methods for these, knowledge engineering methods are mainly being introduced for the former, and learning methods using neural network models are being introduced for the latter. The experiential knowledge of the operator is replaced with declarative knowledge (IF-THEN type fuzzy rules and F
By extracting it as a RAME type rule, etc.) and using it together with an inference mechanism, part of the operator's monitoring and judgment can be reproduced on the Keishin machine, replacing or supporting the operator. (For example, JP-A-63-240601
In addition, neural network models do not rely on declarative knowledge;
By learning B-history data of process operation, it is used as knowledge of the distributed representation in the form of a matrix of parameters in the model. This allows the operator to make intuitive judgments that cannot be expressed in words (declarative expressions). Furthermore, attempts are being made to integrate these two methods to obtain the benefits of both, while also compensating for the disadvantages of each. Conventional methods for integrating the two methods are: (1) implementing and using declarative rules in a neural network model; and (2) calling the neural network model as a subroutine from a knowledge engineering system. ing. (For details, see Nikkei Computer 198
P53-P61 of the January 2, 1999 issue, details about ``Neurology that is beginning to be put to practical use in combination with ES''. ) [Problems to be solved by the invention] The following problems exist in the conventional method of integrating knowledge engineering methods and neural network models. First of all, by implementing declarative rules in a neural network model (by having the parameters in the model be represented in a distributed manner), we lose the logical clarity inherent in declarative rules. This has the disadvantage that the content is difficult for the operator using the support system to understand. Second, with the method of unilaterally calling the neural network model as a subroutine from the knowledge engineering method, it is not possible to actively obtain data by actively activating declarative rules from the neural network model side. It has its drawbacks. In addition, this method allows the operator to make decisions using the right hemisphere (logical judgment).
There is also the issue of not being able to sufficiently simulate the interactive functioning of the left hemisphere (intuitive judgment). An object of the present invention is to realize a more effective process operation support method by introducing a method of combining a knowledge engineering method and a neural network model that simultaneously solves the above problems. [Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention uses normal forward inference and backward inference for both fuzzy rules related to processes and neural network rules expressed by neural network models. Use a reasoning mechanism that allows you to do this. This inference mechanism handles both fuzzy rules and neural net rules without any distinction, except for the difference in the method of calculating the degree to which the conclusion part of the rule holds true. In addition, neural net rules are prepared for each purpose, and these rules are selected depending on the situation to quantitatively calculate the amount of operation in the process and provide guidance. [Operation] According to the present invention, expressed by fuzzy rules,
Judgment results (or data) can be freely exchanged between logical judgments based on the operator's experience and intuitive judgments based on historical data expressed by neural network rules based on a neural network model. As a result, you can obtain the synergistic effect of your intellectual abilities, both logical and intuitive judgment. This makes it possible to provide more intelligent support to the target process. [Example] The present invention intelligently supports the operational management of processes that require judgment by operators. Accordingly, the present invention is useful for various operator-mediated processes, e.g.
It can be applied to sewage treatment processes, water purification processes, chemical reaction processes, bioprocesses, nuclear processes, financial processes such as stock prices and exchange rates, etc. Examples of the present invention will be described below. FIG. 1 is an overall configuration diagram when the present invention is applied to operation management of a sewage treatment process. First, we will briefly explain the flow of the sewage treatment process. Note that the solid lines in the figure indicate the flow of materials (or the flow of system execution), and the dotted lines indicate the flow of signals (or the flow of data). Sewage flows into the initial settling tank 5 from a sewage inflow pipe 20. In the initial settling tank 5, some of the impurities and suspended solids in the sewage are removed by gravity settling. The sewage overflowing from the initial settling tank 5 and the return sludge from the return sludge pipe 40 flow into the aeration 110 . In the aeration tank 10, air is blown from the blower 50 through the aeration device 65, and the sewage and returned sludge are mixed and stirred. The returned sludge, or activated sludge, absorbs oxygen from the supplied air, decomposes dissolved organic matter in the sewage through aerobic metabolism, and decomposes it into carbon dioxide and water. A portion of the removed organic matter is used for the growth of activated sludge. The sewage from which activated sludge and organic matter have been removed is led to the final settling tank l5. In the final settling tank 15, activated sludge is separated into solid and liquid by gravity settling into activated sludge and treated sewage, and the treated sewage is discharged through a treated water discharge pipe 30. On the other hand, the activated sludge that has settled in the final settling tank 15 is pulled out from the sludge extraction pipe 35, and the multiplied portion is discharged as surplus sludge by the surplus sludge pump 60. The remaining activated sludge is returned to the aeration tank 1 through the return sludge pipe 40 from the return sludge pump 55 as return sludge.
Returned to 0. Next, measuring instruments for the sewage treatment process will be explained. A measuring device 70 is installed in the sewage inflow pipe 20 to measure the water quality of the inflowing sewage. Measurement items include inflow sewage volume, suspended solids concentration, chemical oxygen demand, pH. These include nitrogen concentration, phosphorus concentration, normal hexane extract concentration, and cyanide compound concentration. A measuring device 75 is also installed in the initial settling tank 5, and measures water quality items similar to those of the measuring device 70, as well as the interface height of settled sludge. Furthermore, a measuring device 80 and an image information measuring device 85 such as an underwater camera are installed in the aeration tank 10. In addition to the same water quality items as the measuring device 70, the measuring device 80 also measures
Dissolved oxygen concentration etc. are measured. Image information measuring device 85
Then, the distribution and color of the activated sludge in the aeration tank 10, the size of flocculating microorganisms (flocs) constituting the activated sludge, and the shape and amount of filamentous microorganisms and protozoa are measured. The final settling tank 15 includes a measuring device 90 and an image information measuring device 9.
5 will be installed. In addition to the water quality items similar to those in the measuring device 70, the measuring device 90 measures the interface height of activated sludge that has settled due to gravity. In the image information measuring device 95, in addition to the measurement items similar to those of the image information measuring device 85, the final settling tank 15
The presence or absence of a hydrophobic microbial film (scum) on the water surface is measured. In addition, the treated water discharge pipe 30 includes a measuring device 1.
00 is installed, and the same water quality items as the measuring instruments are measured for treated water. Next, the structure of the computer system 110 that provides operational management support (multi-judgment type operational management support system, hereinafter abbreviated as support system) will be explained. The support system 110 includes (1) a monitoring module 120;
(2) Abnormality countermeasure module 200, (3) Maintenance module 300, (4) Database module 350
, (5) configured from the image processing module 370. The abnormality countermeasure module 200, which is a feature of the present invention, is composed of an inference mechanism 210 and a rule base 250, and the rule base 250 is further composed of a logical judgment rule base 26o and an intuitive judgment rule base 280. ing. Details of these will be described later. Next, input/output of various measurement data to the support system 110 and interactive data input/output with an operator will be explained. First, input will be explained. Said measurement 70, 75
, 80, 90, 100, and image information measuring devices 85, 9
5, data sampling is performed at regular time intervals. The online data of these analog signals is taken into the input/output device 101, converted into digital signals, and then taken into the support system 110 through the input port 102. On the other hand, input of (1) manual analysis data that cannot be measured online, (2) data that cannot be measured with an image information measuring device, and (3) data that the support system deems particularly necessary is connected to the support system 110. This is done interactively using the keyboard 350 that has been created, while referring to the CRT 360. Next, the output will be explained. The support system 110
Determine the guidance content based on the input information. This guidance is displayed to the operator via CRT360. Note that this CRT 360 can also serve as a monitor that displays images from the image information measuring devices 85 and 95, if necessary. Further, changes in the target values and operation amounts of the blower 50, return sludge pump 55, and surplus sludge pump 60, which are devices for controlling the process, are performed from the keyboard 350, and after being recorded in the support system 110, Output port 1
04 to the control device 103. Control signals are sent from the control device 103 to each device. The above is the overall configuration of this embodiment. Next, the specific operation of the support system 110 of this embodiment will be explained with reference to FIG. In FIG. 2, solid lines indicate the flow of activation between modules, and dotted lines indicate the flow of data. In the operational management of sewage treatment processes, the type and order of tasks performed by operators are modeled by simulating the thought process (
Management business model) Then, as shown in Figure 2, (1) the monitoring module 120, (2) the abnormality countermeasure module 200, (3) the maintenance module 300, (4) the database module 350, and (5) the image processing module 370. be. The relationships and execution order of each module in the above management business model created by the inventors are as follows. First, the monitoring module 120 is activated, reads online data from the database module 350 at a predetermined cycle, and, if necessary, requests the operator to input data through the CRT 390.
Receive input from 80. The monitoring module 120 constantly monitors the operating status of the process based on this data. The monitoring results are displayed on the CRT 390 and sent to the determination section 199. When the determination unit 199 recognizes that there is a possibility of an abnormality in the driving situation, the abnormality countermeasure module 200
is started. Based on the data from the database module 350 and the keyboard 380, the abnormality countermeasure module 200
Identify abnormalities, determine their causes, and countermeasures (quantitative manipulated variables, etc.). The inference results are displayed as guidance through the CRT 390. The maintenance module 300 can be activated from the monitoring module 120 and the abnormality countermeasure module 200 at any time. Execution is performed by transferring the right to interact with the operator from the program that started it. This module displays various tools for maintenance of the support system 110, manual knowledge such as maintenance guidelines necessary for daily maintenance work, search and display of past driving history, and seasonal fluctuation commands. A keyboard 380 and CRT 39 are used for calculation tools such as extraction of data and definition of membership functions in fuzzy logic for various data, as well as various simulators.
Provides functionality to run interactively through 0. Database module 350 structures and stores all data read into support system 110 through input port 102 . Furthermore, input data from the keyboard 380 and execution results in each module are also stored in the database module 350 as necessary. Of the data read from the input port 102, the image processing module 370 takes in only the data from the image information measurement devices 85 and 95 shown in FIG. do. By introducing the above-mentioned management work model, it becomes possible to provide highly compatible support that is closely related to the operator's work. Furthermore, detailed operations within each module will be explained in order. First, the specific procedure of the monitoring module 120 will be explained using FIG. 3. FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the monitoring module 120. During execution of the support system 110, the monitoring module 120 reads online data from the database module 350 at predetermined intervals, and receives interactive input from the operator using the keyboard 380 as needed. These data are converted into a predetermined format in a data input step 130 and evaluated in a data evaluation step 140. Knowledge regarding evaluation is stored in the monitoring knowledge base 121 and is referred to as necessary. The evaluation here determines several operating conditions of the process (
Select the possible operating conditions from among (normal, bulking, nitrification, sludge putrefaction, etc.). The results are sent to the determination section 199. If there is at least one selected operating condition (excluding normal), the abnormality countermeasure module 200 is activated. As a method for implementing the data evaluation technique 8140, here, knowledge engineering and fuzzy reasoning using fuzzy logic, which is a known technology, is used. In other words, this is a method in which the operator's experiential knowledge regarding situational judgment is described as fuzzy rules, and these rules are activated based on input data. For more information on fuzzy inference, see other references (Nishida, Takeda (1978)
) Mathematics Library 48 Fuzzy Sets and Their Applications, Morikita Publishing, etc.), but the basics are to find the membership function of the conclusion part using equations (1) and (2), and then quantify the conclusion part by calculating the centroid of the functional form. It is about finding the value.・If rule condition parts A and B are logical and combinations, MF (
A, B) =: min {MF(A), MF(B))
-Formula (1)・When rule condition parts A and B are logical or combination MF(A, B) = n+ax(MF(A), MF
(B)} - Formula (2) In this case, data input step t3
0, numerical data is converted into qualitative data (fuzzy variables, their values, and their membership values; for example, water temperature = high, 0.857'.j, etc.) by the membership function. Another implementation method is to use a simulator based on a process phenomenon model. For example, prepare a model related to treated water quality, input actual measured data into it, simulate the treated water quality (mainly predicting the future), and check whether the value is within an acceptable range. As yet another implementation method, a method may be used in which the neural network model is made to learn historical data regarding past driving conditions. This method determines whether the same driving situation as the learned driving situation has occurred by recalling actual measured values. If none of the model's recalled values for a certain actual measured input value reaches a predetermined value, it is determined that this situation has never occurred in the past (or it has not been learned),
New learning will be conducted [Realization of a learning-based self-growth support system]. The neural network model used here and its learning algorithm will be described later. The above is the operation of the monitoring module 120. The driving status monitoring results from this module are sent to the determination section 199, and if at least one possible abnormal condition is recognized, the abnormality countermeasure module 200 is activated. If not, the result is stored in the database module 35.
0 and repeats the next monitoring module execution. Next, the abnormality countermeasure module 200 will be explained with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the abnormality countermeasure module 200. While the previous monitoring module 120 was centered around online data, this module requires more data to be entered interactively. When this module is activated, it first performs a fuzzy neuroinference step 211. In this step, regarding the operating situation that is determined to be possible by the monitoring module 120,
Perform backward inference in order of priority (for example, highest membership value). Determine which driving situations are really likely. The fuzzy neuro-inference algorithm used here is based on rules with certainty or inference used in fuzzy rules (known technology: Winston + P.).
l. (1977) Artificial Intel
ligence, Addison Iiesley, et al. ) has been extended so that neural net rules can also be applied. Before explaining fuzzy neuroinference, we will briefly explain the outline of the neural network model. What is the basis of the neural network model? rq to tf
It is a nerve cell (neuron) that performs ytIi. Mathematical models of single neurons that reflect this physiological knowledge of neurons are widely used. The model shown in FIG. 5 is expressed by a function having threshold characteristics of large force and one output as shown in equation (3). y=f (Σwi-xi-θ)...Equation (3) However, y
: Output signal strength of neuron wi: Weighting coefficient xi of i-th input: Shinchin strength θ of i-th input: Threshold In other words, the signal xi from another neuron i to the neuron of interest is Wi is multiplied according to the connection strength (weighting coefficient, synaptic strength). The idea is that when the sum Σwi-xi of all connections of these weighted input signals wi-xi exceeds a certain threshold value θ, the neuron is excited and outputs an output signal y. As the function f that determines the threshold characteristic at this time, a sigmoid function shown in equation (4) is used. f (u)=L/ (1+e-υ)...Equation (4) The neural network model is a circuit model whose basic elements are the neurons described above. Two types of models are widely known: a hierarchical model in which neurons are connected hierarchically, and a mutually connected model in which neurons are connected in a network. In the present invention, the former hierarchical model (also known as Rul
emhart type model). This model consists of three layers, an input layer, a middle layer, and an output layer, as shown in Figure 6.
It has a layered structure. During learning, the weighting coefficients are modified from the output layer toward the input layer so that the error between the signal from the output layer (recall value) and the teacher signal when a learning pattern is input to the input layer becomes smaller. (Details of the algorithm can be found in Rumelhar
t, D. E. , ate (1986) Learni
ngRepresentations by Back
Propagating Errors, Nature
, vol. 323, etc.). In fuzzy neuro-reasoning, logical judgment rule base 260. of rule base 250. The rules stored in the intuitive judgment rule base 280 are handled. Each rule in both rule bases is an IF-T as shown in Figure 7.
They are written in the same HEN format, and there is almost no difference between the rules of either rule base.
can be inferred. In other words, fuzzy rules can activate neural net rules, or the inference results of neural net rules can be used to advance inference, and vice versa. The only difference between the two rules is the method used to calculate the degree to which the conclusion part of the 5 rules holds true. In the case of fuzzy rules in the logical judgment rule base 260, calculations are made using fuzzy inference, a known technique, as shown in FIG. In other words, the calculation is performed by taking the logical product (min operation) of the membership functions in the condition part, making it the membership function in the conclusion part, and taking the center of gravity of this membership function to find its degree. The neural network rules in the intuitive judgment rule base 280 are rules for causal relationships between data, which operators and experts are not clearly aware of, by learning historical data using a neural network model. . As shown in FIG. 9, the rule condition part corresponds to the neuron of the input layer, and the conclusion part corresponds to the neuron of the output layer. To calculate the degree to which the conclusion holds true, recall is performed using a neural network model. During recall, [fuzzy variables] derived from the database module 350 and fuzzy rules are added to the input layer, as shown in the example below.

【ファジィ変数の値】[Fuzzy variable value] 〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上述べたように、本発明によれば、従来法では不十分
であった、論理的判断(左脳:知識工学及びファジィ論
理)と直感的判断(右脳:神経回路網モデル)との融合
をよりインタラクティブにすることが出来る。このこと
は、プロセスの専門家やオペレータの判断形態を正確に
模擬することになり、計算機による支援をより知的にす
るものである。これにより、オペレータ単独の場合よリ
も,質の高い運転が出来ると共に、オペレータの負担を
軽減することができる。
As described above, according to the present invention, the fusion of logical judgment (left brain: knowledge engineering and fuzzy logic) and intuitive judgment (right brain: neural network model), which was insufficient with conventional methods, is improved. It can be made interactive. This accurately simulates the judgments of process experts and operators, making computer assistance more intelligent. As a result, higher quality operation can be achieved than when the operator is alone, and the burden on the operator can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の実施例の全体構成を示す概略図、第2
図は実施例での支援システムの構成図、第3図は監視を
支援するモジュールの動作を示すフローチャート、第4
図はプロセス異常時の対策の支援を行うモジュールのフ
ローチャート、第5図は神経細胞の単体モデルの概略図
、第6図は階層型神経回路網モデルを示す構或図、第7
図は支援システム中で使用するルールのフォーマットを
示す図、第8図はファジィ推論を説明するフロー図、第
9図はニューラルネットルールを説明する概念図、第1
0図は維持管理支援するモジュールの構成図、第11図
は画像処理を行うモジュールのフローチャートである。 5・・・最初沈殿池、10・・・曝気槽.15・・・最
終沈殿池、50・・・ブロワー 55・・・返送汚泥ポ
ンプ、60・・・余剰汚泥ポンプ、65・・・散気装置
、70,75,80,90,100・・・計測機、85
.95・・画像情報計測装置、101・・・入出力装置
、103・・・制御装置、110・・・支援システム、
120・・・監視モジュール、200・・・異常時対策
モジュール、210・・・推論機4t.250・..ル
ールベース,260・・・論理的判断ルールベース、2
80・・・直感的判断ルールベース,300・・・維持
管理モジュール、350・・・データベースモジュール
、第1図 −21 第 5 図 第6図 r盲4ト6ネヂネそ占蚤ナXモテ゜ノレ第3図 l9’1 第4図 第7図 第8図 第9図 F+=η Fx−Vエ F,= v, 第工1図 350
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of an embodiment of the present invention, and FIG.
The figure is a configuration diagram of the support system in the embodiment, FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the module that supports monitoring, and FIG.
The figure is a flowchart of a module that supports countermeasures when a process abnormality occurs, Figure 5 is a schematic diagram of a single neuron model, Figure 6 is a configuration diagram showing a hierarchical neural network model, and Figure 7 is a schematic diagram of a single neuron model.
Figure 8 shows the format of rules used in the support system, Figure 8 is a flow diagram explaining fuzzy inference, Figure 9 is a conceptual diagram explaining neural net rules, Figure 1
FIG. 0 is a configuration diagram of a module that supports maintenance management, and FIG. 11 is a flowchart of a module that performs image processing. 5... First settling tank, 10... Aeration tank. 15...Final sedimentation tank, 50...Blower 55...Return sludge pump, 60...Excess sludge pump, 65...Diffuser, 70, 75, 80, 90, 100...Measurement Machine, 85
.. 95... Image information measuring device, 101... Input/output device, 103... Control device, 110... Support system,
120... Monitoring module, 200... Abnormality countermeasure module, 210... Reasoning machine 4t. 250.. .. Rule base, 260...Logical judgment rule base, 2
80...Intuitive judgment rule base, 300...Maintenance module, 350...Database module, Fig. 1-21 Fig. 5 Fig. 6 Figure 3 l9'1 Figure 4 Figure 7 Figure 8 Figure 9 F+=η Fx-VEF,=v, Figure 1 350

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、オペレータの判断を必要とするプロセスの運転管理
において、少なくとも、プロセスに関するファジィルー
ルからなる論理的判断ルールベースと、プロセスに関し
て学習可能な神経回路網モデルによるニューラルネット
ルールからなる直感的判断ルールベースを持ち、これら
両方のルールベース間で相互にルールの駆動が可能な推
論機構を持つことを特徴とする、多元判断によるプロセ
スの運転支援方法。 2、請求項1において、直感的判断ルールベースは、少
なくとも、結論部がプロセスの操作量に関しているニュ
ーラルネットルールを含み、推論機構で推定されたプロ
セスの状態に最も適した該ニューラルネットルールを選
択して実行することにより、定量的な操作量をガイダン
スできることを特徴とする、多元判断によるプロセスの
運転支援方法。 3、請求項1、または2において、推論機構は、ルール
結論部の成立する度合いを算出する手段として、ファジ
ィルールについては、メンバシップ関数の論理演算を用
い、ニューラルネットルールについては、ニューロン間
の積和演算を用いることを特徴とする、多元判断による
プロセスの運転支援方法。 4、請求項1において、神経回路網モデルの学習アルゴ
リズムは、出力と出力に対する教師信号との誤差が小さ
くなるように回路網内の結合強度分布を修正する方法で
あることを特徴とする、多元判断によるプロセスの運転
支援方法。
[Claims] 1. In the operation management of a process that requires operator judgment, at least a logical judgment rule base consisting of fuzzy rules regarding the process and a neural network rule based on a neural network model that can learn about the process. A process operation support method based on multidimensional judgment, characterized by having an intuitive judgment rule base and an inference mechanism capable of mutually driving rules between both of these rule bases. 2. In claim 1, the intuitive judgment rule base includes at least a neural net rule whose conclusion part relates to the amount of operation of the process, and selects the neural net rule that is most suitable for the state of the process estimated by the inference mechanism. A process operation support method based on multidimensional judgment, which is characterized by being able to provide quantitative guidance on the amount of operation by executing the following steps. 3. In claim 1 or 2, the inference mechanism uses a logical operation of a membership function for a fuzzy rule, and uses a logical operation between neurons for a neural net rule as a means for calculating the degree to which a rule conclusion part holds true. A process operation support method based on multidimensional judgment, characterized by using a product-sum operation. 4. According to claim 1, the neural network model learning algorithm is a method for modifying the connection strength distribution within the network so that the error between the output and the teacher signal for the output is reduced. How to support process operation through judgment.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0521643A1 (en) * 1991-07-04 1993-01-07 Hitachi, Ltd. Method of automated learning, an apparatus therefor, and a system incorporating such an apparatus
JP2020129268A (en) * 2019-02-08 2020-08-27 オリンパス株式会社 Learning request device, learning device, inference model using device, inference model using method, inference model using program and imaging device

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