特開 2024-156023 放流水質予測装置および放流水質予測方法

(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】P2024156023

(43)【公開日】2024-10-31

(54)【発明の名称】放流水質予測装置および放流水質予測方法

(51)【国際特許分類】

   G06Q 10/04 20230101AFI20241024BHJP

【ＦＩ】

G06Q10/04

【審査請求】有

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024146639

(22)【出願日】2024-08-28

(62)【分割の表示】P 2020048360の分割

【原出願日】2020-03-18

(71)【出願人】

【識別番号】000003942

【氏名又は名称】日新電機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504255685

【氏名又は名称】国立大学法人京都工芸繊維大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】黄 嵐

(72)【発明者】

【氏名】森本 充

(72)【発明者】

【氏名】竹原 輝巳

(72)【発明者】

【氏名】清滝 和雄

(72)【発明者】

【氏名】寶珍 輝尚

(57)【要約】

【課題】１つの予測モデルだけで放流水質の予測を可能とした放流水質予測装置を提供する。
【解決手段】放流水質予測装置（１００）において、予測モデル生成部（１０３）は、リカレントニューラルネットワークのハイパーパラメータを変更しながら予測モデルを生成し、学習データセットの少なくとも一部の学習データを評価データとし、評価データを予測モデルに入力することによって得られる予測値と、検証データと、の誤差が所定値以下の予測モデルを、放流水質予測部（１０５）に設定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

下水処理場に設置された複数のセンサから、前記下水処理場の放流水質を示す検出値の時系列データを取得するセンサ情報取得部と、
前記センサ情報取得部によって取得された前記時系列データを学習データとして記憶する学習データデータベースと、
前記センサ情報取得部によって取得された前記時系列データを直近データとして記憶する直近データデータベースと、
前記学習データデータベースに記憶される第１の所定時間分の学習データを学習データセットとし、第２の所定時間後の、前記複数のセンサの中の少なくとも１つの値を予測するための予測モデルを、前記学習データセットから生成する予測モデル生成部と、
前記直近データに、前記予測モデルを適用することにより、前記少なくとも１つの値を予測する放流水質予測部とを備え、
前記予測モデル生成部は、
前記学習データセットをトレーニングデータとし、
前記第２の所定時間後の、前記複数のセンサの中の少なくとも１つの実測値を検証データとし、
前記トレーニングデータおよび前記検証データを用いてリカレントニューラルネットワークに学習させることにより予測モデルを生成し、さらに、
前記予測モデル生成部は、
前記リカレントニューラルネットワークのハイパーパラメータを変更しながら予測モデルを生成し、
前記学習データセットの少なくとも一部の学習データを評価データとし、
前記評価データを前記予測モデルに入力することによって得られる予測値と、前記検証データと、の誤差が所定値以下の予測モデルを、前記放流水質予測部に設定する、放流水質予測装置。

【請求項2】

コンピュータが実行する放流水質予測方法であって、
下水処理場に設置された複数のセンサから、前記下水処理場の放流水質を示す検出値の時系列データを取得するステップと、
前記取得された時系列データを学習データとして記憶するステップと、
前記取得された時系列データを直近データとして記憶するステップと、
第１の所定時間分の前記学習データを学習データセットとし、第２の所定時間後の、前記複数のセンサの中の少なくとも１つの値を予測するための予測モデルを、前記学習データセットから生成するステップと、
前記直近データに、前記生成された予測モデルを適用することにより前記少なくとも１つの値を予測するステップとを含み、
前記予測モデルを、前記学習データセットから生成するステップにおいて、
前記学習データセットをトレーニングデータとし、
前記第２の所定時間後の、前記複数のセンサの中の少なくとも１つの実測値を検証データとし、
前記トレーニングデータおよび前記検証データを用いてリカレントニューラルネットワークに学習させることにより予測モデルを生成し、さらに
前記予測モデルを、前記学習データセットから生成するステップにおいて、
前記リカレントニューラルネットワークのハイパーパラメータを変更しながら予測モデルを生成し、
前記学習データセットの少なくとも一部の学習データを評価データとし、
前記評価データを前記予測モデルに入力することによって得られる予測値と、前記検証データと、の誤差が所定値以下の予測モデルを選択する、放流水質予測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、下水処理場の複数のセンサからの時系列データに基づいて、放流水質を予測する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

下水処理場の放流水質を予測する技術として、下記の特許文献１に開示された発明がある。この特許文献１は、水処理設備等のプラント設備の監視対象量を予測する技術に関する。

【0003】

一次予測部は、データ群、基準年間平均モデルおよび基準季節別平均モデルを用いて、ニューラルモデル、重回帰モデル、およびクラスタリングモデルを含む年間平均一次予測モデル群および季節別平均一次予測モデル群を生成する。そして、年間平均一次予測モデル群および季節別平均一次予測モデル群を用いて各予測モデルの監視対象量の予測値を予測結果データとして算出する。

【0004】

二次予測部は、稼働実績データ（年間実績データおよび季節別実績データ）を用いて基準二次予測モデルを生成する。そして、基準二次予測モデル、予測結果データおよび稼働実績データを用いて、監視対象量の年間および季節別の平均値を予測するための二次予測モデルを生成する。

【0005】

最後に、二次予測部は、監視対象予測値（予測結果データ）に重みを付与し、重みが付与された複数の監視対象量をノードとするニューラルネットワークを用いて監視対象量の予測値を算出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１３－１６１３３６号公報（２０１３年８月１９日公開）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上述の特許文献１に開示された発明においては、一次予測部および二次予測部が、年間平均一次予測モデル群、季節別平均一次予測モデル群および二次予測モデルを生成し、２段階で予測処理を行う必要がある。

【0008】

本発明の一態様は、１つの予測モデルだけで放流水質の予測を可能とした放流水質予測装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る放流水質予測装置は、下水処理場に設置された複数のセンサから、前記下水処理場の放流水質を示す検出値の時系列データを取得するセンサ情報取得部と、前記センサ情報取得部によって取得された前記時系列データを学習データとして記憶する学習データデータベースと、前記センサ情報取得部によって取得された前記時系列データを直近データとして記憶する直近データデータベースと、前記学習データデータベースに記憶される第１の所定時間分の学習データを学習データセットとし、第２の所定時間後の、前記複数のセンサの中の少なくとも１つの値を予測するための予測モデルを、前記学習データセットから生成する予測モデル生成部と、前記直近データに、前記予測モデルを適用することにより、前記少なくとも１つの値を予測する放流水質予測部とを備え、前記予測モデル生成部は、前記学習データセットをトレーニングデータとし、前記第２の所定時間後の、前記複数のセンサの中の少なくとも１つの実測値を検証データとし、前記トレーニングデータおよび前記検証データを用いてリカレントニューラルネットワークに学習させることにより予測モデルを生成し、さらに、前記予測モデル生成部は、前記リカレントニューラルネットワークのハイパーパラメータを変更しながら予測モデルを生成し、前記学習データセットの少なくとも一部の学習データを評価データとし、前記評価データを前記予測モデルに入力することによって得られる予測値と、前記検証データと、の誤差が所定値以下の予測モデルを、前記放流水質予測部に設定する。

【0010】

また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る放流水質予測方法は、コンピュータが実行する放流水質予測方法であって、下水処理場に設置された複数のセンサから、前記下水処理場の放流水質を示す検出値の時系列データを取得するステップと、前記取得された時系列データを学習データとして記憶するステップと、前記取得された時系列データを直近データとして記憶するステップと、第１の所定時間分の前記学習データを学習データセットとし、第２の所定時間後の、前記複数のセンサの中の少なくとも１つの値を予測するための予測モデルを、前記学習データセットから生成するステップと、前記直近データに、前記生成された予測モデルを適用することにより前記少なくとも１つの値を予測するステップとを含み、前記予測モデルを、前記学習データセットから生成するステップにおいて、前記学習データセットをトレーニングデータとし、前記第２の所定時間後の、前記複数のセンサの中の少なくとも１つの実測値を検証データとし、前記トレーニングデータおよび前記検証データを用いてリカレントニューラルネットワークに学習させることにより予測モデルを生成し、さらに前記予測モデルを、前記学習データセットから生成するステップにおいて、前記リカレントニューラルネットワークのハイパーパラメータを変更しながら予測モデルを生成し、前記学習データセットの少なくとも一部の学習データを評価データとし、前記評価データを前記予測モデルに入力することによって得られる予測値と、前記検証データと、の誤差が所定値以下の予測モデルを選択する。

【発明の効果】

【0011】

本発明の一態様によれば、１つの予測モデルだけで放流水質を予測することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係る放流水質予測装置の概略構成を示す機能ブロック図である。

【図2】前処理部によって加工された後の学習データの一例を示す図である。

【図3】予測モデル生成部の処理手順を説明するためのフローチャートである。

【図4】モデル生成部によって使用されるＲＮＮのハイパーパラメータの調整項目例を示す図である。

【図5】予測モデルの生成を模式的に示す図である。

【図6】放流水質予測部の処理手順を説明するためのフローチャートである。

【図7】放流水質データの予測を模式的に示す図である。

【図8】ＣＯＤの実測値と放流水質予測部によって予測されたＣＯＤの予測値とを示すグラフである。

【図9】ＴＮの実測値と放流水質予測部によって予測されたＴＮの予測値とを示すグラフである。

【図10】ＴＰの実測値と放流水質予測部によって予測されたＴＰの予測値とを示すグラフである。

【図11】放流水質予測装置を実現するためのコンピュータの構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。なお、説明の便宜上、同一の部材には同一の符号を付し、それらの名称および機能も同一である。したがって、それらの詳細な説明は繰り返さない。

【0014】

（放流水質予測装置１００の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る放流水質予測装置１００の概略構成を示す機能ブロック図である。放流水質予測装置１００は、センサ情報取得部１０１と、学習データデータベース１０２と、予測モデル生成部１０３と、直近データデータベース１０４と、放流水質予測部１０５と、出力部１０６とを含む。

【0015】

図示していないが、下水処理場には、ポンプ揚水量、返流流量、送気量、混合浮遊物濃度（ＭＬＳＳ（Mixed Liquor Suspended Solid））、溶存酸素濃度（ＤＯ（Dissolved Oxygen））、ＣＯＤ（Chemical Oxygen Demand）、ＴＮ（Total Nitrogen）（全窒素）、ＴＰ（Total Phosphorus）（全リン）などのデータ（検出値）を計測するためのセンサが設置されている。これらのセンサからのデータが、放流水質予測装置１００に逐一送られる。

【0016】

ＣＯＤ、ＴＮおよびＴＰは、下水処理場の放流水質を示す指標として知られている。そこで、以下、ＣＯＤ、ＴＮおよびＴＰのそれぞれを計測する３つのセンサから送られるデータを放流水質データと呼ぶ。他方、上記３つのセンサ以外のセンサから送られるデータをセンサ情報データと呼ぶことにする。

【0017】

センサ情報取得部１０１は、センサ情報データおよび放流水質データを取得し、これらのデータに時間情報データ（年、月、日、曜日／祝日、および時刻）を付与して学習データを生成する。以下の説明において、センサ情報取得部１０１は、１分毎にセンサ情報データおよび放流水質データを取得することとするが、これに限定されるものではない。

【0018】

学習データデータベース１０２は、センサ情報取得部１０１によって生成された学習データを、学習に必要な期間、たとえば、１年以上の期間分だけ順次記憶する。本明細書では、この「学習に必要な期間」を「第１の所定時間」とも称する。

【0019】

予測モデル生成部１０３は、前処理部１０３ａと、モデル生成部１０３ｂと、モデル変更部１０３ｃとを備えている。前処理部１０３ａは、学習データデータベース１０２に蓄積されている学習データを、学習できる形式になるように加工する。

【0020】

図２は、前処理部１０３ａによって加工された後の学習データの一例を示す図である。それぞれの学習データは、５項目の時間情報データ（年、月、日、曜日／祝日、および時刻）と、１５項目のセンサ情報データ（ポンプ揚水量、返流流量、送気量、混合浮遊物濃度、および溶存酸素濃度など）と、３項目の放流水質データ（ＣＯＤ、ＴＮ、およびＴＰ）とを含む。

【0021】

モデル生成部１０３ｂは、前処理部１０３ａによって生成された学習データを用いて所定の更新周期ごとに再学習を行い、下水処理場の運転変更に対応した予測モデルを生成する。詳細は後述する。

【0022】

モデル変更部１０３ｃは、放流水質予測部１０５が予測処理を実行中であるか否かを判定する。予測処理が実行中でなければ、モデル変更部１０３ｃは、モデル生成部１０３ｂによって生成された予測モデルを最新の予測モデルとして更新する。

【0023】

直近データデータベース１０４は、センサ情報取得部１０１によって生成された学習データを予測に必要な期間、たとえば、１時間以上の期間分だけを順次記憶する。すなわち、直近データデータベース１０４は、１時間以上の最新の学習データを直近データとして常に記憶している。

【0024】

放流水質予測部１０５は、前処理部１０５ａと、予測処理部１０５ｂと、後処理部１０５ｃとを備える。前処理部１０５ａは、直近データデータベース１０４に蓄積されている直近データを、予測できる形式になるように加工する。

【0025】

予測処理部１０５ｂは、前処理部１０５ａによって生成された直近データおよびモデル変更部１０３ｃによって更新された予測モデルを用いて、所定時間後（例：数時間後）の放流水質を予測する。詳細は後述する。以下では、当該所定時間が、２．５時間である場合を主に例示する。本明細書では、当該所定時間を「第２の所定時間」とも称する。

【0026】

後処理部１０５ｃは、予測処理部１０５ｂによって予測された放流水質を、出力可能な形式に変換する。

【0027】

出力部１０６は、放流水質予測部１０５によって生成された各種情報を、下水処理場の図示しない制御装置、表示装置などに出力する。

【0028】

（予測モデル生成部１０３の処理手順）
図３は、予測モデル生成部１０３の処理手順を説明するためのフローチャートである。まず、前処理部１０３ａは、学習データデータベース１０２に蓄積されている学習データを取得する（ステップＳ１）。前処理部１０３ａは、学習データの前処理を行う。より具体的には、前処理部１０３ａは、学習データ内に欠測値または異常値がある場合には、当該欠測値または異常値を補間する（ステップＳ２）。

【0029】

ここで、欠測値とは、センサの点検等により計測値が正しく出力されていないときの値を意味する。また、異常値とは、センサの故障等により異常となっている値を意味する。これらは、たとえば、一定の範囲から値が外れているか否かによって判断される。

【0030】

前処理部１０３ａは、学習データ内に欠測値または異常値がある場合、前後の時間の学習データの同じ項目の値を用いて、当該欠測値または異常値を補間してよい。あるいは、前処理部１０３ａは、前週の同じ曜日の同じ時刻の同じ項目の値を用いて、当該欠測値または異常値を補間してもよい。

【0031】

次に、モデル生成部１０３ｂは、前処理部１０３ａによって補間された後の学習データを用いて、複数の学習データセットを作成する。図２に示すように、太線によって囲まれた２４時間（１４４０点）分の学習データを１つの学習データセットとする。そして、１点（１行）下にずらした２４時間分の学習データを次の学習データセットとする。このように、１点（１行）ずつ下にずらした学習データセットを順次作成してゆく。

【0032】

以下、２４時間（１４４０点）分の学習データを１つの学習データセットとして説明するが、これは一例であって、それ以外の時間（点数）分の学習データを学習データセットとしてもよい。

【0033】

そして、モデル生成部１０３ｂは、予測モデルを作成する。本実施形態においては、時系列データを処理するために好適な回帰型ニューラルネットワーク、たとえば、リカレントニューラルネットワーク（Recurrent Neural Network）（以下、ＲＮＮと呼ぶ。）の学習手法を用いることとし、現行のハイパーパラメータを用いて予測モデルを作成する。

【0034】

図４は、モデル生成部１０３ｂによって使用されるＲＮＮのハイパーパラメータの調整項目例を示す図である。ハイパーパラメータは、学習データセットの時間、エポック数、最適化関数、重み減衰係数、学習率の乗数、学習率の更新間隔、およびノード数などを含む。モデル生成部１０３ｂは、これらハイパーパラメータの値を順次調整しながら予測モデルを生成する。

【0035】

ハイパーパラメータの各項目は、図４の右側に示すように調整範囲が決められており、これらの値に変更することが可能である。したがって、ハイパーパラメータの各項目の調整範囲のすべての組み合わせで予測モデルを作成することができる。なお、ハイパーパラメータは、図４に示す項目に限られるものではなく、これ以外に層数、潜在変数の数、活性化関数等を含んでいても良い。

【0036】

モデル生成部１０３ｂは、図４に示すハイパーパラメータの各項目の値を選択してＲＮＮ構造に適用することにより、パラメータの調整を行う。そして、ＲＮＮの機械学習手法、たとえば、ＢＰＴＴ（Back Propagation Through Time）法を適用し、調整したハイパーパラメータを使用して予測モデルを作成する（ステップＳ３）。

【0037】

また、ＲＮＮでは、過去の中間層出力を反映することが必ずしも容易ではないことが知られている。そこで、この問題を改善するために、ＬＳＴＭ（Long Short Term Memory）と呼ばれるネットワークを利用することも可能である。ＬＳＴＭでは、ＲＮＮの中間層出力に対して、記憶期間の長さの概念が導入されているため、遠い過去の出力の影響を保持できる。

【0038】

また、ＧＲＵ（Gated Recurrent Unit）という手法を用いることも可能である。ＧＲＵでは、入力ゲートと忘却ゲートとが更新ゲートとして、１つのゲートに統合されている。ＧＲＵによれば、長いステップ前の出来事の特徴の記憶を維持しやすくなる。

【0039】

次に、モデル生成部１０３ｂは、複数の学習データセットをトレーニングデータ、検証データおよび評価データに分割する。そして、モデル生成部１０３ｂは、トレーニングデータと検証データとを用い、ステップＳ３において作成された予測モデルで学習および検証を行い、予測値が学習データの実測値に近づくようにネットワークのパラメータを調整する（ステップＳ４）。

【0040】

この学習および検証について、再び図２を参照しながら、詳細に説明する。モデル生成部１０３ｂは、図２の太線によって示す学習データセットをトレーニングデータとし、２．５時間後のＣＯＤの値を検証データとする。そして、モデル生成部１０３ｂは、ステップＳ３において作成された予測モデルの入力層にトレーニングデータを設定し、出力層の検証データとして２．５時間後のＣＯＤの値を設定する。モデル生成部１０３ｂは、所定の学習手法（ＢＰＴＴ法、ＬＳＴＭ法、またはＧＲＵ法など）を用いて再学習を行うことにより、予測モデルを更新する。なお、検証データは、学習データセットの中の最新の時刻の学習データから２．５時間後のＣＯＤの値とする。

【0041】

図５は、予測モデルの生成を模式的に示す図である。学習データ２０１として学習データセットの各行の２３項目（時間情報データ５項目＋センサ情報データ１５項目＋放流水質データ３項目）がＲＮＮ層の入力層に入力され、２．５時間後のＣＯＤの値が検証データとして出力層に設定される。なお、入力層に入力されるのは時間情報データ５項目＋センサ情報データ１５項目の合計２０項目だけであってもよい。

【0042】

ＲＮＮ層２０２は、回帰型ニューラルネットワークであり、中間層の時間経過を考慮しなければならない。このため、ＲＮＮ層２０２に、そのまま誤差逆伝播（ＢＰ）法を適用することができない。そのため、ＲＮＮ層を、中間層出力を介して時間方向に展開することにより全結合層２０３を作成し、ＢＰ法が適用できる形式の予測モデル２０４を作成する。いわゆる、ＢＰＴＴ法が適用できるようにする。また、上述のＬＳＴＭ法またはＧＲＵ法などの学習手法を用いるようにしてもよい。

【0043】

この予測モデル２０４に学習データ２０１の各行の項目を順次入力して予測値を計算し、予測値が検証データ（２．５時間後のＣＯＤの実測値）に近づくように、ＢＰＴＴ法などを用いてパラメータ（重み、バイアス）を調整することにより学習を行う。そして、学習データセットの行をずらしながら順次再学習を行ない、予測モデル２０４を更新する。

【0044】

図５の例では、ＣＯＤを学習する場合について説明されている。但し、ＴＮの値を学習する場合であれば、２．５時間後のＴＮの実測値を検証データとして学習すればよい。あるいは、ＴＰを学習する場合であれば、２．５時間後のＴＰの実測値を検証データとして学習すればよい。また、放流水質データの上記３項目（ＣＯＤ、ＴＮ、およびＴＰ）を一度に学習するのであれば、これら３項目の実測値を検証データとして学習すればよい。

【0045】

また、上記の例では、所定時間が「２．５時間」である場合を例示している。但し、所定時間はこれに限定されず、任意の時間であってもよい。

【0046】

次に、モデル生成部１０３ｂは、評価データを用い、ステップＳ４において調整した予測モデルで予測を行う。モデル生成部１０３ｂは、予測値と実測値との評価を行う（ステップＳ５）。ここでは、モデル生成部１０３ｂは、予測値と実測値との差を誤差として計算し、最大誤差を評価誤差として保存する。評価データとして、２４時間の学習データセットの入力項目を全て用いてもよい。但し、学習データセット内の最も新しい時刻から数時間分の入力項目を抽出し、それを評価データとするようにしてもよい。

【0047】

次に、モデル生成部１０３ｂは、評価誤差が目標誤差以下であるか否かを判定する（ステップＳ６）。目標誤差とは、あらかじめ決められた値であり、予測モデル２０４が十分に学習しているか否かを判定するための値である。

【0048】

評価誤差が目標誤差よりも大きければ（ステップＳ６，Ｎｏ）、モデル生成部１０３ｂは、所定の更新時間を超えているか否かを判定する（ステップＳ１０）。この所定の更新時間とは、十分な時間を経過しても評価誤差が小さくならなければ処理を終了するための時間であり、たとえば、数日程度の時間として設定される。

【0049】

所定の更新時間を超えていれば（ステップＳ１０，Ｙｅｓ）、モデル生成部１０３ｂは、現在の学習データでは目標誤差以下の予測モデル２０４を作成することができないと判断し、予測モデル２０４の更新を行なわずに処理を終了する（ステップＳ１１）。

【0050】

また、所定の更新時間を超えていなければ（ステップＳ１０，Ｎｏ）、モデル生成部１０３ｂは、ステップＳ３に戻ってＳ３～Ｓ５の処理を繰り返すことになる。ここで、モデル生成部１０３ｂは、第１の設定時間だけ待った後に、ステップＳ３以降の処理を行う。この第１の設定時間は、１回の学習に必要な時間であり、データ量によっても異なるが、たとえば半日または１日の時間として設定される。

【0051】

モデル生成部１０３ｂがステップＳ３～Ｓ５を繰り返すことにより、図４に示す様々な組み合わせのハイパーパラメータの予測モデル２０４を順次作成し、作成した予測モデル２０４を用いて学習データセットの学習を順次行ない、予測モデル２０４を順次更新してゆくことになる。

【0052】

評価誤差が目標誤差以下であれば（ステップＳ６，Ｙｅｓ）、モデル生成部１０３ｂは、予測モデル２０４を保存する（ステップＳ７）。この予測モデル２０４は、ハイパーパラメータの様々な組み合わせで生成された予測モデルの中で、最適に近い予測モデルであると言える。

【0053】

次に、モデル変更部１０３ｃは、放流水質予測部１０５が予測処理を実施中であるか否かを判定する（ステップＳ８）。放流水質予測部１０５が予測処理を実施中であれば（ステップＳ８，Ｙｅｓ）、モデル変更部１０３ｃは、第２の設定時間毎に放流水質予測部１０５の状態を確認する。この第２の設定時間とは、放流水質予測部１０５が１回の予測処理を実施するのに必要な時間であり、たとえば、数分程度の時間として設定される。

【0054】

放流水質予測部１０５が予測処理を実施中でなければ（ステップＳ８，Ｎｏ）、モデル変更部１０３ｃは、予測処理部１０５ｂが使用する予測モデル２０４を最新の予測モデル２０４に更新し（ステップＳ９）、処理を終了する。

【0055】

なお、所定の更新時間、第１の設定時間および第２の設定時間は任意の値が設定可能であり、下水処理場に設置されているセンサの数の変更および学習データのデータ量の変更等に応じて適切な値を設定するものとする。

【0056】

（放流水質予測部１０５の処理手順）
図６は、放流水質予測部１０５の処理手順を説明するためのフローチャートである。まず、前処理部１０５ａは、所定の予測周期毎に直近データデータベース１０４に蓄積されている直近データを取得する（ステップＳ２１）。前処理部１０３ａは、学習データの前処理を行う。より具体的には、前処理部１０３ａは、学習データ内に欠測値または異常値がある場合には、当該欠測値または異常値を補間する（ステップＳ２２）。なお、欠測値、異常値およびそれらの値の補間方法については、予測モデル生成部１０３の前処理部１０３ａにおいて説明したものと同様である。

【0057】

なお、図６に示す処理は、所定の予測周期毎に再度行われる。この所定の予測周期とは、放流水質予測部１０５が１回の予測処理を実施するのに必要な時間であり、たとえば、数分程度の時間として設定される。この所定の予測周期は、任意の値を設定することが可能であり、学習データのデータ量の変更等に応じて適切な値を設定するものとする。

【0058】

次に、予測処理部１０５ｂは、前処理部１０５ａによって補間された後の直近データを、予測モデル生成部１０３によって作成された予測モデル２０４に適用して、２．５時間後の放流水質データ（ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ）の値を予測する（ステップＳ２３）。

【0059】

図７は、放流水質データの予測を模式的に示す図である。直近データ２０５として学習データセットの各行の２３項目（時間情報データ５項目＋センサ情報データ１５項目＋放流水質データ３項目）が予測モデル２０４の入力層に入力される。予測モデル２０４は、２．５時間後のＣＯＤの値を予測し、出力データ２０６として出力する。

【0060】

同様にして、ＴＮの予測用に作成された予測モデル２０４を用いて、２．５時間後のＴＮの値を予測することも可能である。また、ＴＰの予測用に作成された予測モデル２０４を用いて、２．５時間後のＴＰを予測することも可能である。

【0061】

最後に、後処理部１０５ｃは、予測処理部１０５ｂによって予測された放流水質データ（予測結果）に対し、後処理を行う。具体的には、後処理部１０５ｃは、予測結果を出力部１０６が出力可能な形式に変換し（ステップＳ２４）、処理を終了する。

【0062】

（予測結果の一例）
ある下水処理場において放流水質の予測を行った。データ数は４年８か月の１分データ（約２４５万データ）とし、入力データ種は２０項目とし、出力データ種は３項目（ＣＯＤ、ＴＮおよびＴＰ）とした。また、学習データセットは、２３項目（入力データ種（時間情報データを含む）＋出力データ種）×１２時間とした。機械学習手法としては、ＬＳＴＭ法を用いた。

【0063】

図８は、ＣＯＤの実測値と放流水質予測部１０５によって予測されたＣＯＤの予測値とを示すグラフである。縦軸はＣＯＤの値を示し、横軸は時刻を示している。このグラフは、ある週の月曜日から日曜日までのＣＯＤの実測値および予測値を示している。

【0064】

図９は、ＴＮの実測値と放流水質予測部１０５によって予測されたＴＮの予測値とを示すグラフである。また、図１０は、ＴＰの実測値と放流水質予測部１０５によって予測されたＴＰの予測値とを示すグラフである。縦軸は、それぞれＴＮの値、ＴＰの値を示し、横軸は時刻を示している。図９・図１０のグラフはそれぞれ、ある週の月曜日から日曜日までの、ＴＮの実測値および予測値と、ＴＰの実測値および予測値とを示している。

【0065】

（効果）
以上説明したように、放流水質予測装置１００によれば、モデル生成部１０３ｂが、学習データセットから所定時間後の放流水質データの実測値を検証データとして学習し、予測モデル２０４を作成するようにしたので、所定時間後の放流水質データを正確に予測することが可能となった。図８～図１０のグラフに示すように、放流水質データ（ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ）の実測値と予測値とがほぼ一致している。

【0066】

また、放流水質データの予測にＲＮＮを用い、ＢＰＴＴ法、ＬＳＴＭ法、ＧＲＵ法などの学習手法を適用するようにしたので、１つの予測モデルで放流水質データを予測することが可能となった。

【0067】

また、放流水質データの予測にＲＮＮを用いるようにしたので、下水処理場の運転が変更された場合でも、ハイパーパラメータを変更して予測モデルを作成するだけで対応できるため、予測精度の低下を防止することが可能となった。

【0068】

また、モデル生成部１０３ｂが、様々なハイパーパラメータを用いて予測モデルを作成し、その中で評価誤差が少ない予測モデルを用いて放流水質データの予測を行なうようにしたので、放流水質データを正確に予測することが可能となった。

【0069】

〔ソフトウェアによる実現例〕
放流水質予測装置１００の制御ブロック（特に予測モデル生成部１０３および放流水質予測部１０５）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。

【0070】

後者の場合、放流水質予測装置１００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。

【0071】

〔コンピュータの構成例〕
図１１は、本発明の一態様に係る放流水質予測装置（例：放流水質予測装置１００）を実現するためのコンピュータの構成例を示す図である。このコンピュータは、コンピュータ本体３００と、ディスプレイ４０１と、キーボード４０と、マウス４０３とを含む。使用者は、ディスプレイ４０１に表示された画面を見ながらキーボード４０２およびマウス４０３を操作することにより、コンピュータ本体３００を放流水質予測装置として機能させるためのプログラム（以下、放流水質予測プログラムと呼ぶ。）を起動する。

【0072】

コンピュータ本体３００は、ＣＰＵ３０１と、ＧＰＧＰＵ（General-Purpose computing on Graphics Processing Units）３０２と、ブートプログラム等を記憶するＲＯＭ３０３と、実行するプログラム、作業データ等を記憶するＲＡＭ３０４と、ハードディスク３０５と、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）ドライブ３０６と、ネットワークＩ／Ｆ（Interface）３０７と、メモリポート３０８と、ＲＴＣ（Real Time Clock）３０９とを含み、それぞれ内部バス３１０に接続されている。

【0073】

ＧＰＧＰＵ３０２は、ＧＰＵの演算資源を画像処理以外の目的に応用したものであり、高い処理性能を有しているため、ニューラルネットワーク等の行列演算、最適化問題、暗号解読、音声処理などの幅広い分野で用いられている。

【0074】

放流水質予測プログラムは、ＤＶＤ４０６、リムーバブルメモリ４０５などの記録媒体に記録されており、ＣＰＵ３０１の制御により、ＤＶＤドライブ３０６またはメモリポート３０８を介してハードディスク３０５にインストールされる。また、放流水質予測プログラムは、公衆回線４０４およびネットワークＩ／Ｆ３０７を介してダウンロードされ、ハードディスク３０５にインストールされても良い。

【0075】

ＣＰＵ３０１が、ＲＡＭ３０４に記憶される放流水質プログラムを実行し、ネットワークＩ／Ｆ３０７および公衆回線４０４を介して下水処理場に設置された複数のセンサからのセンサ情報データおよび放流水質データを受信し、それらのデータにＲＴＣ３０９から取得した時刻情報データを付与して学習データを生成することにより、センサ情報取得部１０１を実現する。

【0076】

また、ＣＰＵ３０１が、ＲＡＭ３０４に記憶される放流水質プログラムを実行し、センサ情報取得部１０１によって生成された学習データをハードディスク３０５などに逐次記憶することにより、学習データデータベース１０２および直近データデータベース１０４を実現する。

【0077】

また、ＣＰＵ３０１が、ＲＡＭ３０４に記憶される放流水質プログラムを実行し、ＧＰＧＰＵ３０２と共にＲＮＮの学習などを行ない、予測モデル２０４を生成することにより、予測モデル生成部１０３を実現する。

【0078】

同様に、ＣＰＵ３０１が、ＲＡＭ３０４に記憶される放流水質予測プログラムを実行し、ＧＰＧＰＵ３０２と共に直近データ２０５を予測モデル２０４に適用した演算を行なって予測データを生成することにより、放流水質予測部１０５を実現する。

【0079】

また、ＣＰＵ３０１が、ＲＡＭ３０４に記憶される放流水質予測プログラムを実行し、放流水質予測部１０５によって生成された各種情報を、ネットワークＩ／Ｆ３０７および公衆回線４０４を介して、下水処理場の図示しない制御装置、表示装置などに送信することにより、出力部１０６を実現する。
＜備考＞
［課題を解決するための手段］

【0080】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る放流水質予測装置は、下水処理場に設置された複数のセンサから、下水処理場の放流水質を示す検出値の時系列データを取得するセンサ情報取得部と、センサ情報取得部によって取得された時系列データを学習データとして記憶する学習データデータベースと、センサ情報取得部によって取得された時系列データを直近データとして記憶する直近データデータベースと、学習データデータベースに記憶される第１の所定時間分の学習データを学習データセットとし、第２の所定時間後の、複数のセンサの中の少なくとも１つの値を予測するための予測モデルを、学習データセットから生成する予測モデル生成部と、直近データに、予測モデルを適用することにより、少なくとも１つの値を予測する放流水質予測部とを備える。

【0081】

また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る放流水質予測方法は、下水処理場に設置された複数のセンサから、下水処理場の放流水質を示す検出値の時系列データを取得するステップと、取得された時系列データを学習データとして記憶するステップと、取得された時系列データを直近データとして記憶するステップと、第１の所定時間分の前記学習データを学習データセットとし、第２の所定時間後の、複数のセンサの中の少なくとも１つの値を予測するための予測モデルを、学習データセットから生成するステップと、直近データに、生成された予測モデルを適用することにより少なくとも１つの値を予測するステップとを含む。

【0082】

〔付記事項〕
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。

【符号の説明】

【0083】

１００ 放流水質予測装置
１０１ センサ情報取得部
１０２ 学習データデータベース
１０３ 予測モデル生成部
１０４ 直近データデータベース
１０５ 放流水質予測部
２０１ 学習データ
２０４ 予測モデル
２０５ 直近データ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】