(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024123615
(43)【公開日】2024-09-12
(54)【発明の名称】水処理設備の状況診断支援システム
(51)【国際特許分類】
C02F 1/00 20230101AFI20240905BHJP
G06Q 50/06 20240101ALI20240905BHJP
【FI】
C02F1/00 D
C02F1/00 V
G06Q50/06
【審査請求】有
【請求項の数】4
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023031184
(22)【出願日】2023-03-01
(71)【出願人】
【識別番号】000001063
【氏名又は名称】栗田工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100086911
【弁理士】
【氏名又は名称】重野 剛
(74)【代理人】
【識別番号】100144967
【弁理士】
【氏名又は名称】重野 隆之
(72)【発明者】
【氏名】小塚 泉
(72)【発明者】
【氏名】大月 孝之
(72)【発明者】
【氏名】山本 愛美
【テーマコード(参考)】
5L049
5L050
【Fターム(参考)】
5L049CC06
5L050CC06
(57)【要約】
【課題】水処理設備で発生している状況の確信度を上げるために優先的に確認すべき観察情報を決定する。
【解決手段】水処理設備状況診断支援システムは、水処理設備の複数の水処理機器の各々について、検知対象の状況を表す複数のシチュエーションノードと、観察情報を表す複数の観察情報ノードとの関係性をベイジアンネットワークにより表現し、各ノードの事前確率分布が設定された確率モデルを記憶する記憶部と、新たに入力された観察情報と、前記確率モデルとを用いて、前記複数のシチュエーションノードの事前確率分布を修正し、事後確率分布を算出する確率分布算出部と、前記事後確率分布に基づいて、状況が発生している可能性が高いシチュエーションノードを選択し、観察情報が入力されていない観察情報ノードとの間の関係性測度を算出する関係性測度算出部と、前記関係性測度の大きさに基づいて、観察情報の取得優先順位を決定する優先順位決定部と、を備える。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の水処理機器を有する水処理設備の状況診断支援システムであって、
前記複数の水処理機器の各々について、検知対象の状況を表す複数のシチュエーションノードと、観察情報を表す複数の観察情報ノードとの関係性をベイジアンネットワークにより表現し、各ノードの事前確率分布が設定された確率モデルを記憶する記憶部と、
前記複数の観察情報ノードのいずれかについて新たに入力された観察情報と、前記確率モデルとを用いて、前記複数のシチュエーションノードの事前確率分布を修正し、事後確率分布を算出する確率分布算出部と、
前記事後確率分布に基づいて、前記複数のシチュエーションノードのうち、状況が発生している可能性が高いシチュエーションノードを選択し、選択したシチュエーションノードと、観察情報が入力されていない前記観察情報ノードとの間の関係性測度を算出する関係性測度算出部と、
前記関係性測度の大きさに基づいて、前記観察情報ノードに入力されていない観察情報の取得優先順位を決定する優先順位決定部と、
を備える状況診断支援システム。
【請求項2】
前記確率分布算出部は、未入力であった観察情報が対応する観察情報ノードに入力されると、前記複数のシチュエーションノードの確率分布を再計算する、請求項1に記載の診断支援システム。
【請求項3】
前記関係性測度は、平均情報量を用いた相互情報量である、請求項1に記載の状況診断支援システム。
【請求項4】
前記取得優先順位を表示する表示部をさらに備える、請求項1に記載の状況診断支援システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水処理設備の状況診断支援システムに関する。
【背景技術】
【0002】
水処理設備では、センサにより水質や流量等が監視されている。例えば、センサによる測定値が連続的にオンラインで管理センターに伝送され、センサ測定値が閾値を超過し、異常が検出された場合に、現場の運転員が状況を診断し、対応策を実行していた。
【0003】
水処理設備は多数の機器で構成されており、オンラインで遠隔監視しているのは一部の機器のみである。そのため、オンライン伝送されたセンサ測定値が閾値を超過して異常が検出されると、運転員は水処理設備へ赴いて他の計器の値を目視確認したり、処理水をサンプリングして分析装置で精密分析したりして、異常の原因を特定していた。
【0004】
しかし、異常の原因特定のために、どの計器の値を確認するか、又はどこの水質を分析するかの判断は運転員(又は専門家)の知識や経験に依存しており、迅速に適切な対応をとることが困難な場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、水処理設備で発生している状況の確信度を上げるために優先的に確認すべき観察情報を決定する水処理設備状況診断支援システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
[1] 複数の水処理機器を有する水処理設備の状況診断支援システムであって、
前記複数の水処理機器の各々について、検知対象の状況を表す複数のシチュエーションノードと、観察情報を表す複数の観察情報ノードとの関係性をベイジアンネットワークにより表現し、各ノードの事前確率分布が設定された確率モデルを記憶する記憶部と、
前記複数の観察情報ノードのいずれかについて新たに入力された観察情報と、前記確率モデルとを用いて、前記複数のシチュエーションノードの事前確率分布を修正し、事後確率分布を算出する確率分布算出部と、
前記事後確率分布に基づいて、前記複数のシチュエーションノードのうち、状況が発生している可能性が高いシチュエーションノードを選択し、選択したシチュエーションノードと、観察情報が入力されていない前記観察情報ノードとの間の関係性測度を算出する関係性測度算出部と、
前記関係性測度の大きさに基づいて、前記観察情報ノードに入力されていない観察情報の取得優先順位を決定する優先順位決定部と、
を備える状況診断支援システム。
【0008】
[2] 前記確率分布算出部は、未入力であった観察情報が対応する観察情報ノードに入力されると、前記複数のシチュエーションノードの確率分布を再計算する、[1]に記載の状況診断支援システム。
【0009】
[3] 前記関係性測度は、平均情報量を用いた相互情報量である、[1]又は[2]に記載の状況診断支援システム。
【0010】
[4] 前記取得優先順位を表示する表示部をさらに備える、[1]乃至[3]のいずれかに記載の状況診断支援システム。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、水処理設備で発生している状況の確信度を上げるために優先的に確認すべき観察情報を決定し、提示できるため、現場の運転員の知識や経験に依存せず、また、専門家の判断を仰ぐ必要なく、迅速に適切な対応をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】本発明の実施形態に係る水処理設備状況診断支援システムの概略構成図である。
【
図2】水処理機器の因果関係モデルの例を示す図である。
【
図4】観察情報の追加入力による確率分布の変化の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【0014】
図1に示すように、本実施形態に係る状況診断支援システム2は、複数の水処理機器を有する水処理設備1の状況診断支援を行うものである。水処理設備1の構成は特に限定されないが、例えば、順に連結された凝集槽11、除濁膜装置12、MF膜(精密濾過膜)分離装置13、RO膜(逆浸透膜)分離装置14等の水処理機器を備える。
【0015】
水処理設備1を構成する複数の水処理機器には、薬注量、給水量、処理水量、処理水質などを測定する様々なセンサが設置されている。
【0016】
状況診断支援システム2は、演算装置20、記憶部21及び表示部22を備える。演算装置20は例えばコンピュータであり、確率分布算出部201、相互情報量算出部202、及び優先順位決定部203を有する。確率分布算出部201、相互情報量算出部202、及び優先順位決定部203はハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。例えば、確率分布算出部201、相互情報量算出部202、及び優先順位決定部203の機能は、コンピュータのCPU、RAM、ROMなどで構成され、RAMやROM、ハードディスクや半導体メモリ等からなる記憶部21に記憶されたプログラムを実行することにより実現される。
【0017】
状況診断支援システム2は、水処理設備1のセンサと通信を行う通信部を備えている。状況診断支援システム2は、通信部を用いて、センサ測定値をリアルタイムに取得することができる。
【0018】
記憶部21には、水処理設備1の状況と観察情報との定性的な因果関係をグラフ構造で表現するモデル(因果関係モデル)が記憶されている。例えば、ベイジアンネットワークを用いて、検知したいシチュエーション(状況)と観察情報との関係性を水処理機器毎にモデリングする。観察情報は、水処理機器に設置されたセンサで測定された値や、サンプリング水を分析装置で分析した結果等である。
【0019】
図2に、水処理設備1の凝集槽11における因果関係モデルの一例を示す。ベイジアンネットワークは、数値の離散化に基づく頻度分布により、確率分布を表現する。本実施形態では、離散化は、LL、L、D、H、HHの5段階の状態変数で表現した。数値情報を表現する場合、LLは非常に低い、Lは低い、Dは設計想定、Hは高い、HHは非常に高い、という工学的意味合いを持つ。
【0020】
状態発生を表現する場合、LLは設計想定と比較して発生している可能性は非常に低い、Lは発生している可能性は低い、Dは設計想定レベルの発生、Hは設計想定に対して発生している可能性が高い、HHは発生している可能が非常に高い、という工学的意味合いを持つ。
【0021】
上記の離散化は、工学的意味合いを踏まえた数値の離散化であるため、順序関係があり、正規化した数値区間の離散化を行う実装が可能である。本実装では、0.0~2.0の数値範囲を正規化した数値範囲とし、この数値範囲を5区間に分割して実装した。LLは0.0~0.4、Lは0.4~0.8、Dは0.8~1.2、Hは1.2~1.6、HHは1.6~2.0に対応させた。
【0022】
図2に示す確率モデルでは、離散表現に基づく論理的ノード部品として、ROOTノード、ORノード、NEGノード、MULノード、Sノード、OBSノードを以下のように準備した。なお、本実装では確率分布の値域を0~100の%表示で行った。
【0023】
ROOTノード(
図2のROOT1~ROOT4)は、入力情報そのものを表現し、他のノードからの入力が無いノードであり、モデルの入力境界を規定する。ROOTノードは、0.0~2.0の定義域を持つ5段階に離散化された頻度分布f
ROOTで表現され、頻度分布は平均M、標準偏差SDの正規分布を確率密度関数からの1000点のランダムサンプリングにより決定される。本ノードに関する専門家への聞き取りに基づき指定する必要のあるパラメータは平均M(0.0~2.0の範囲)、標準偏差SD(0.0~2.0の範囲)となる。本方法で決定した、ROOTノードのM=1.0、SD=0.2での確率分布表は以下の表1となった。
【0024】
【0025】
ORノード(
図2のOR1、OR2)は、0.0~2.0の定義域を持つ5段階に離散化された頻度分布を2つの入力とする。ORノードの条件付き確率の頻度分布は、以下の方法で決定する。
【0026】
0.0~2.0の定義域を持つ2つのスカラー値In1、In2を入力値とし、2入力値の最大の値を採用し、さらに、採用した値を平均値Mとし、別途指定する標準偏差SDで定義される正規分布の定義域から1点をランダムに採取し、出力する関数fORを定義する。
【0027】
In1、In2は一様分布し両者に相関がない想定で、In1とIn2の組み合わせについて1000点のランダムサンプリングを行い、関数fORに入力し、fORの出力を取得する。関数の入出力の関係データセットを離散化し頻度分布として整理し、In1およびIn2を2次元の前提条件とし、ORノードの条件付き確率分布として表にまとめる。
【0028】
本ノードに関する専門家への聞き取りに基づき指定する必要のあるパラメータは、標準偏差SD(0.0~2.0の範囲)のみとなる。本方法で決定した、ORノードのSD=0.2での条件付き確率分布表は以下の表2となった。
【0029】
【0030】
NEGノード(
図2のDNEG1)は、0.0~2.0の定義域を持つ5段階に離散化された頻度分布を1つの入力とする。NEGノードの条件付き確率の頻度分布は、以下の方法で決定する。
【0031】
0.0~2.0の定義域を持つ1つのスカラー値In1を入力値とし、2.0-In1を計算し、さらに、計算した値を平均値Mとし、別途指定する標準偏差SDで定義される正規分布の定義域から1点をランダムに採取し正規分布の出力を出力とする関数fNEGを定義する。
【0032】
In1は一様分布し、1000点のランダムサンプリングを行い、関数fNEGに入力し、fNEGの出力を取得する。同出力の入出力の関数関係データセットを離散化し頻度分布として整理し、In1を1次元の前提条件としNEGノードの条件付き確率分布として表にまとめる。
【0033】
本ノードに関する専門家への聞き取りに基づき指定する必要のあるパラメータは、標準偏差SD(0.0~2.0の範囲)のみとなる。本方法で決定した、NEGノードのSD=0.2での条件付き確率分布表は以下の表3となった。
【0034】
【0035】
MULノード(
図2のMUL1、MUL2)は、0.0~2.0の定義域を持つ5段階に離散化された頻度分布を2つの入力とする。MULノードの条件付き確率の頻度分布は、以下の方法で決定する。
【0036】
0.0~2.0の定義域を持つ2つのスカラー値In1、In2を入力値とし、2入力値の最大の値を採用し、さらに、採用した値を平均値Mとし、別途指定する標準偏差SDで定義される正規分布の定義域から1点をランダムに採取し、出力する関数fMULを定義する。
【0037】
In1、In2は一様分布し両者に相関がない想定で、In1とIn2の組み合わせについて1000点のランダムサンプリングを行い、関数fMULに入力し、fMULの出力を取得する。入出力の関係データセットを離散化し頻度分布として整理し、In1およびIn2を2次元の前提条件としMULノードの条件付き確率分布として表にまとめる。
【0038】
本ノードに関する専門家への聞き取りに基づき指定する必要のあるパラメータは、標準偏差SD(0.0~2.0の範囲)のみとなる。本方法で決定した、MULノードのSD=0.2での条件付き確率分布表は以下の表4となった。
【0039】
【0040】
Sノード(
図2のS1~S7)は、検知対象の状況を表すシチュエーションノードである。Sノードは、0.0~2.0の定義域を持つ5段階に離散化された頻度分布f
Sで表現され、自身の頻度分布は平均M、標準偏差SDの正規分布を確率密度関数からの1000点のランダムサンプリングにより決定される。
【0041】
本ノードに関する専門家への聞き取りに基づき指定する必要のあるパラメータは平均M(0.0~2.0の範囲)、標準偏差SD(0.0~2.0の範囲)となる。本方法で決定した、SノードのM=1.0、SD=0.2での確率分布表は以下の表5となった。
【0042】
【0043】
OBSノード(
図2のOBS1~OBS5)は、観察情報を表すノードである。観察情報は、水処理機器に設置されたセンサの測定値や、サンプリング水を分析装置で分析した結果等である。センサ測定値は、オンライン伝送されるものと、現場で目視確認するものとを含む。
【0044】
モデル構築では、入力情報そのものを表現する、自身への他のノードからの入力がないノード(「入力ノード」と呼ぶ)の確率分布(「事前確率分布」と呼ぶ)を設定する。また、自身への他のノードからの入力があり、他のノードの状態に応じた特定の状態を表現するノード(「中間ノード」と呼ぶ)に対して、入力ノードとの確率的関係を表現する条件付き確率分布を設定する。
【0045】
演算装置20の確率分布算出部201は、記憶部21から因果関係モデルを取り出し、観察情報が得られる毎に、事前確率分布と新たな観察情報とに基づいて、確率分布を修正し、事後確率分布を求める。
【0046】
また、確率分布算出部201は、入力情報の確率分布と各ノードの条件付き確率分布とに基づく、ベイズ定理を利用した各ノードの確率分布(推論による「事後確率分布」と呼ぶ)を計算する。
【0047】
相互情報量算出部202は、事後確率分布から、発生している可能性は高いが、確定的ではない状況(シチュエーションノード)を選択し、選択したシチュエーションノードと、観察情報が入力されていない複数のOBSノードの各々との相互情報量(Mutual Information)を算出する。発生している可能性は高いが、確定的ではないとは、例えば、シチュエーションノードの確率分布におけるHHとHの合計が第1所定値以上、かつLLとLの合計が第2所定値(第1所定値>第2所定値)以上の場合である。
【0048】
相互情報量の導出には平均情報量(Entropy)を用いる。平均情報量とは、ある確率分布をもつ変数のそれぞれの事象が起こる確率から求められる情報量の期待値であり、変数の曖昧さを意味する。平均情報量が大きい時、その変数は曖昧で不確実性が高いことを意味する。ある事象変数Aの平均情報量H(A)は下記の通りである。
【0049】
【0050】
ここで、aiはAのそれぞれの事象発生確率を意味する。
【0051】
相互情報量とは、2つの確率変数間において、どちらか一方の情報を得た時に、もう一方の平均情報量がどの程度減少するかを示す測度である。ある事象変数Bの状態を知った時のAとBの相互情報量I(A;B)は下記の通りである。
【0052】
【0053】
ここで、H(A|B)は条件付エントロピー、p(ai|bi)は状態biである事を知った時に状態aiである条件付き確率、p(ai,bi)は状態aiと状態biが同時に起こる確率である。
【0054】
優先順位決定部203は、相互情報量算出部202により算出された相互情報量を昇順に並べ、観察情報の取得推奨リストを表示部22に表示して運転員に提示する。相互情報量が大きい程、観察情報取得の優先順位が高いものとなる。
【0055】
運転員が取得推奨リストをもとに、優先順位の高い観察情報をモデルに入力すると、確率分布算出部201は、確率分布を修正し、事後確率分布を求める。
【0056】
図3は、
図2に示すモデルの「OBS1:給水フッ素」と「OBS5:処理水MFF」とに観察情報がオンライン監視(又は巡回データ)により入力されており、確率分布算出部201が、入力された観察情報に基づいて各ノードの確率分布を再計算し、事後確率分布を求める例を示す。
【0057】
この例では、シチュエーションノード「S5:給水フッ素負荷 過剰」と「S7:凝集不良」がValue:1.2以上となっている。
【0058】
「S7:凝集不良」は、HHが77.48%、Hが22.1%を示しており、また、LLとLが0.00%、Dが0.42%を示していることから、シチュエーションが発生している確率が極めて高いことが分かる。
【0059】
「S5:給水フッ素負荷 過剰」は、HHが31.21%、Hが29.20%を示しており、シチュエーションが発生している確率は高いが、一方でLLが5.78%、Lが13.23%、Dが20.58%を示しており、シチュエーションが発生していない確率も無視できない値である。つまり、シチュエーションが起こっていそうか、又は起こっていなさそうかが曖昧な状態である。
【0060】
状況が起こっているか否か曖昧な状態であるシチュエーションノード「S5:給水フッ素負荷 過剰」について、相互情報量算出部202は、未観察の観察情報ノード(OBS2、OBS3及びOBS4)の各々との間の相互情報量を計算する。優先順位決定部203は、相互情報量の高い順に、観察情報の取得(入力)優先順位を割り当てる。算出される相互情報量及び観察情報取得優先順位の例を以下の表6に示す。
【0061】
【0062】
このような相互情報量及び観察情報取得優先順位の計算結果が表示部22に表示されると、運転員は、優先順位の高い観察情報を取得し、観察情報ノードに入力する。例えば、表6に示す結果に従って、優先順位の最も高い「OBS2:給水水量」の観察情報を追加入力し、確率分布を再計算したとき、「S5:給水フッ素負荷 過剰」の確率分布は
図4のように変化した。すなわち、HH/Hの確率が上がり、LL/L/Dの確率が下がり、シチュエーションノードS5の状態の曖昧さが減った(確信度が上がった)ことが分かる。
【0063】
一方、優先順位の最も低い「OBS3:給水固形物」の観察情報を追加入力した場合、「S5:給水フッ素負荷 過剰」の確率分布は
図4のように変化した。「OBS2:給水水量」の観察情報を入力した場合と比較して、シチュエーションノードS5の確信度は低いことが分かる。
【0064】
このように、本実施形態に係る状況診断支援システム2によれば、水処理設備1で発生している状況の確信度を上げるために優先的に取得すべき観察情報を決定し、提示できるため、現場の運転員の知識や経験に依存せず、また、専門家の判断を仰ぐ必要なく、迅速に適切な対応をとって異常原因を特定し、設備運転効率を向上させることができる。
【0065】
上記実施形態では、発生している可能性は高いが、確定的ではないシチュエーションノードと、観察情報が入力されていない複数のOBSノードの各々との関係性を示す測度(関係性測度)として相互情報量を用いる例について説明したが、他の関係性測度を算出してもよい。例えば、あるシチュエーションに対して複数の測度が関係性を持つときに、共同事後確率を最大化する測度を最も関係性の大きい測度としてもよい(Most Probable Explanation(Judea Pearl et
al,1988))。あるいはまた、結果が得られた時に、とある前提条件である妥当性を示す「尤度」を測度として取り扱うこともできる(G¨ardenfors et al(1988))。
【0066】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【0067】
1 水処理設備
2 状況診断支援システム
20 演算装置
201 確率分布算出部
202 相互情報量算出部
203 優先順位決定部
【手続補正書】
【提出日】2024-05-24
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の水処理機器を有する水処理設備の状況診断支援システムであって、
前記複数の水処理機器の各々について、検知対象の状況を表す複数のシチュエーションノードと、観察情報を表す複数の観察情報ノードとの関係性をベイジアンネットワークにより表現し、各ノードの事前確率分布が設定された確率モデルを記憶する記憶部と、
前記複数の観察情報ノードのいずれかについて新たに入力された観察情報と、前記確率モデルとを用いて、前記複数のシチュエーションノードの事前確率分布を修正し、事後確率分布を算出する確率分布算出部と、
前記事後確率分布に基づいて、前記複数のシチュエーションノードのうち、状況が発生している可能性が高いシチュエーションノードを選択し、選択したシチュエーションノードと、観察情報が入力されていない未観察の前記観察情報ノードとの間の関係性測度を算出する関係性測度算出部と、
前記関係性測度の大きさに基づいて、前記観察情報ノードに入力されていない観察情報の取得優先順位を決定する優先順位決定部と、
を備える状況診断支援システム。
【請求項2】
前記確率分布算出部は、未入力であった観察情報が対応する観察情報ノードに入力されると、前記複数のシチュエーションノードの確率分布を再計算する、請求項1に記載の診断支援システム。
【請求項3】
前記関係性測度は、平均情報量を用いた相互情報量である、請求項1に記載の状況診断支援システム。
【請求項4】
前記取得優先順位を表示する表示部をさらに備える、請求項1に記載の状況診断支援システム。