博博博博 士士士士 論論論論 文文文文 概概概概 要要要要
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(2) 近 年 ，鉄 鋼 ，化 学 プ ラ ン ト な ど の 大 規 模 産 業 プ ラ ン ト で は ，こ れ ま で 設 備 投 資 の 中 心 で あ っ た制御精度向上のためのシステム導入に代り，価格競争力強化を目的に，省人化，メンテナン ス性向上など保守効率向上への投資が活発になっている。このような状況において開発の望ま れるシステムは，環境変化，経年変化，プロセス異常，故障等に対しても，出来るだけ人手を 介すること無く制御性能を維持し安定な操業を可能とするシステムであり，これの実現により ランニングコストの削減のみならず，歩留まり向上から不要なエネルギー消費を押さえた環境 保全への貢献も期待される。このようなシステムを実現するためには，システム構築段階で F T A ( F a u l t Tr e e A n a l y s i s ) / F M E A ( F a u l t M o d e a n d E f f e c t A n a l y s i s ) に よ る 高 信 頼 度 設 計 や ，二 重系の採用によるフォールトトレラント化によりシステムの耐故障性を向上させるアプローチ と，環境変化，経年変化などの内外環境の変化を検出し，自らを変更，修正する，あるいは， 故障，性能劣化などを適切に検出し，通知することで速やかな操業再開を実現する自律システ ムのアプローチが必要となる。 自 律 性 を 有 す る シ ス テ ム の 実 現 に は ，制 御 ，診 断 ，マ ン マ シ ン の ３ つ の 技 術 分 野 の 技 術 開 発 が必要であり，それぞれ，プラントの特性変化，環境変化に対応してシステムの内部構造を変 更する適応的な制御機能，センサ，アクチュエータなどの機器の異常および兆候，またはプロ セス異常を人手を介することなくシステム自らが把握して報知する診断機能，ならびに制御系 メ ン テ ナ ン ス 環 境 の 提 供 や 異 常 状 況 の 効 率 的 通 知 ， さ ら に は I T V （ I n d u s t r i a l Te l e v i s i o n ） の 現 場 設 置 に よ り プ ラ ン ト 現 場 状 況 の 集 中 管 理 な ど を 行 な う マ ン マ シ ン 機 能 が 重 要 で あ る 。ま た ， これら機能間の連携，切り分けが重要であり，とりわけ制御，診断間の関係の解析とこれら連 携の提案が重要な課題である。さて，鉄鋼，化学などの産業プラントは，一般に分布定数系で あり，強い非線形性を有するため，これらを対象にしたプロセス制御システムでは，所望の制 御精度を実現するためフィードバック制御を期待せず，プラントモデルを用いてできるだけ高 精度な指令値を算出するアプローチが採用される。このため，適応的な制御機能実現の要は， 時間とともに変化するプラントの振る舞いを精度よく同定する技術となる。また，システム診 断機能の良否は，システムの有する正常，異常の関係をいかに良好に同定できるかによって決 定される。すなわち，プロセス制御システムの自律化にはシステム同定技術が大きな役割を担 う。本論文は，人手を介することなく制御性能を維持しうる自律性を有したシステムの構築を 目標に，１）環境，経年変化などにより変動するプラント特性を把握するプラント同定機能， ２）プロセス異常や機器故障を監視するシステム診断機能のうち制御系の視覚に相当するセン サの故障診断機能，ならびに３）プラント同定機能とセンサ診断機能の連携機能の構築に関す る研究を中心に纏めている。 第１章は序論である。 第２章では，第 1 の課題であるプラント同定機能について述べる。上述したように，鉄鋼， 化学プラントなどを対象にしたプロセス制御システムにおいては，プラントモデルの精度を維 持するため，環境変化，経年変化などで変化する特性変化に追従してプラントモデルを速やか に調整する機構が必要となる。適応的なプラントモデル調整のために一般に行われる方法は， 逐次また定期的に，検出された制御量誤差から不確定パラメータを真の値に修正する方法であ.
(3) る。上記の修正値の算出はモデルを用いた逆問題の解決と等価であり，プラントモデルが編微 分方程式で記述された複雑なシステムでは，パラメータ修正値を陽に導出できない。したがっ て，繰り返し計算を伴う複雑な演算を行なう必要があり，収れんの保証，リアルタイム演算時 間等の点で問題がある。そこで，パラメータ値を速やかに修正する必要がある場合，修正量を 線形回帰式で導出する方法が採用されることが多いが，誤差と修正量の関係が非線形かつ複雑 なため，検出誤差に対応した適切な修正量を算出できず，少ない回数でチューニングが行えな い等の問題があった。本論文では，プラントモデルの有する不確定パラメータのチューニング を速やか且つ高精度に行うことを目的に，モデル誤差とパラメータ修正量の多変量かつ非線形 な 関 係 を 高 い 非 線 形 近 似 能 力 を 有 す る 多 層 ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト（ NN）を 用 い て 予 め 構 築 し ，こ れ を チ ュ ー ニ ン グ に 供 す る 手 法 を 検 討 し た 。 こ こ で ， 通 常 の NN に よ っ て 偏 差 と パ ラ メ ー タ 修 正 量の関係を構築した場合，ネットワークに内在する誤差によって，定常偏差を残したままチュ ー ニ ン グ が 終 了 す る と い う 問 題 を 提 起 し た 上 で ， こ れ を 解 決 す る た め に 通 常 の NN を 拡 張 し た ア ジ ャ ス テ ィ ン グ ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト （ AJNN） と そ の 学 習 方 法 を 提 案 し ， こ の 有 効 性 を 明 ら か に し た 。 AJNN は ， 検 出 誤 差 零 に 対 応 し た 通 常 の NN の 出 力 誤 差 を 算 出 す る 誤 差 算 出 NN を 併 設 し ， こ れ の 出 力 を 通 常 の NN の 出 力 か ら 減 じ た も の を 最 終 出 力 と し て 算 出 す る 。 圧 延 プ ロ セ スにおける加熱炉プラントを対象に提案手法の有効性を検証した結果，線形回帰式に対してチ ュ ー ニ ン グ 回 数 が 半 減 し ，従 来 の N N が 有 し て い た 約 1 8 ℃ の 定 常 偏 差 が ほ ぼ 解 消 さ れ る こ と を 明らかにした。 さ ら に ， 第 ３ 章 で は 、 BP 法 （ Back Propagation） な ど NN に 関 す る 既 存 の 学 習 方 法 に 関 す る 知 見 を 有 効 活 用 す る こ と を 目 的 に ，既 存 の 学 習 方 法 の 範 疇 で AJNN を 取 り 扱 う た め の 検 討 を 行 い ， 誤 差 算 出 用 NN の 出 力 を 適 切 に 制 限 す る 非 線 形 関 数 を 導 入 し て ネ ッ ト ワ ー ク の 構 成 を 改 良 す る こ と で 通 常 の AJNN と 同 等 以 上 の チ ュ ー ニ ン グ 性 能 が 得 ら れ る こ と を 明 ら か に し た 。 第 ４ 章 で は 、第 2 の 課 題 で あ る セ ン サ 故 障 診 断 に つ い て 述 べ る 。セ ン サ 故 障 診 断 に お い て は ， 故障知識に基づいて診断規則を生成する方法や，正常時における対象の挙動と検出されたセン サ出力を比較してセンサ異常を抽出する方法などが一般的に活用されている。また，これらト ップダウンの手法に対して，システムの変更に対して部分系の修正で対応可能な自律分散型の センサ診断を行う方式が提案されている。中でも完全分散診断アルゴリズムとして免疫ネット ワ ー ク を 用 い た 手 法 が 提 案 さ れ ， 注 目 さ れ て い る 。 こ れ は ， 各 抗 体 の 自 己 /非 自 己 認 識 を ネ ッ ト ワーク化することにより特異な抗体を認識する免疫システムに範をとったもので，各ユニット が隣り合ったユニットの振る舞いを検査し，得られた局所的な検査結果（局所診断）を各ユニ ットの非同期演算により統合することで故障ユニットを抽出する分散診断システムである。こ れまでの分散診断システムのセンサユニット間の局所診断に関する議論は，ユニット間の制約 条件，例えば圧力を測るセンサと温度を測るセンサの出力関係（ボイル・シャルルの方程式） などや不等式等で記述される経験則に従って検査を行う方法が中心であるが，本論文で扱うプ ラントでは，センサ出力間の相関関係が制約条件や経験則などにより陽に与えられない場合が 多く，この関係の抽出が一般に困難である。したがって，本論文では，導出の困難なセンサユ ニ ッ ト 間 の 相 関 関 係 を LV Q （ L e a r n i n g Ve c t o r Q u a n t i z a t i o n ） を 用 い て 汎 用 的 に 構 築 す る 方 法.
(4) およびこれを用いたセンサ間の局所的診断方法を提案し，この有効性を明らかにしている。正 常時に収集されるプラントデータを有効活用することを考え，これらにより構成されるセンサ 出 力 の 出 力 空 間 を LV Q に よ り 代 表 す る こ と で ユ ニ ッ ト 間 相 関 関 係 を 構 築 す る 。診 断 時 は ，検 出 されたセンサ出力と，これに近接する量子化ベクトルとの距離の大小を判定することでセンサ 間 の 局 所 診 断 を 実 施 す る 。 LV Q を 用 い る こ と に よ り ， 定 性 的 な 知 見 が 得 ら れ な く て も プ ラ ン ト データのみで相関関係を構築することが可能となり，加熱炉プラントの炉温センサを対象にセ ン サ 診 断 性 能 を 評 価 し た 結 果 ，提 案 方 式 に よ り 1 5 ℃ 以 上 の 出 力 誤 差 に 対 す る 異 常 が 検 出 で き る ことを明らかにした。 さ ら に ，第 ５ 章 で は 、量 子 化 ベ ク ト ル の 粗 密 の ば ら つ き に 起 因 し て ，量 子 化 ベ ク ト ル と プ ラ ントデータとの距離を一定のしきい値で区分して識別しても診断性能が向上しないことを示し， 量子化ベクトル間を滑らかに繋ぐあいまい関数を導入して量子化ベクトルの密集度に応じて正 常領域を割当てて診断性能を向上させる方法を提案した。前記加熱炉プラントの炉温センサ診 断 に 適 用 し て 提 案 方 式 の 有 効 性 を 評 価 し た 結 果 ，あ い ま い 関 数 の 導 入 に よ り 診 断 性 能 が 2 5 ％ 程 度向上することを明らかにした。 最後に，第６章では、第 3 の課題であるプラント同定機能とセンサ診断機能の連携機能の構 築について検討した。正常時の出力との比較によりセンサ異常を検出するセンサ診断系とモデ ルチューニング系を融合する場合，環境変化や特性変化などで対象の特性が変化したとき，セ ンサ出力間の相関関係が変化前と後で異なり，正常であるにもかかわらず，検出されたセンサ 出力を異常と判定する状況が発生する。すなわち，モデルチューニングとセンサ診断の連携を 実現するためには，センサの異常な振る舞いがプラント特性変化とセンサ異常のいずれに起因 するか切り分けて判断する必要がある。センサ異常との識別が困難な事象にプロセス異常があ り，これらを適切に識別するための研究が報告されているが，プラント特性変化とセンサ異常 を識別するための議論は，これまであまり成されていない。本論文では，免疫ネットワークを 用いたセンサ診断を対象に，予め得られた特性変化に関する知見を免疫ネットワークに導入す ることで，プラント特性変化とセンサ異常を適切に識別する手法を提案し，この有効性を明ら かにした。プラントをモデル化する際に用いる知見もしくはモデルそのものを利用して，特性 変化のユニット間相関関係への影響を把握し，これを基に特性変化を判定するネットワークと センサ劣化を診断するネットワークを分離して構築し，これらを階層化する。特性変化を判定 するネットワークは特性変化の影響を受けないユニット間相関関係を有するセンサ群と一つの センサユニットとみなしたモデル出力で構成され，モデル出力異常の診断結果を受けて特性変 化を検出する。特性変化の有無を検出したのち，通常のセンサ異常診断を行なうという階層化 処理により特性変化とセンサ異常を適切に判別する。提案システムを圧延プロセスにおける焼 鈍炉プラントに適用し，実績データを用いたシミュレーションにより，特性変化が発生した場 合でも単一センサ異常を良好に特定できることを明らかにした。 第７章は結論である。.
(5) 研 究 業 績 種 類 別. 著者、. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月日、. 頁等. 学 術 誌 原 著論文. １ ． 杉 田 洋 一 ，鹿 山 昌 宏 ，諸 岡 泰 男 ，斎 藤 裕 ，モ デ ル チ ュ ー ニ ン グ を高精度に行なうアジャスティングニューラルネットの構成と 学 習 法 式 ， 電 気 学 会 論 文 誌 Ｄ ， Vol.115 ， No.4 ， pp.461‑469(1995). ２ ． 鹿 山 昌 宏 ，杉 田 洋 一 ，諸 岡 泰 男 ，免 疫 ネ ッ ト ワ ー ク と ベ ク ト ル 量 子化を組み合わせたセンサ診断システム，電気学会論文誌Ｄ， Vol.115， No.7， pp.859‑866(1995). ３ ． 杉 田 洋 一 ，鹿 山 昌 宏 ，諸 岡 泰 男 ，福 岡 昇 平 ，ア ジ ャ ス テ ィ ン グ ニ ューラルネットの拡張によるチューニング特性改善の検討，電 気 学 会 論 文 誌 C， Vol.116， No.8， pp.949‑955(1996). ４ ． 鹿 山 昌 宏 ，杉 田 洋 一 ，諸 岡 泰 男 ，福 岡 昇 平 ，あ い ま い 量 子 化 ベ ク トルの導入による正常データのみを用いて構築した異常診断シ ス テ ム の 性 能 向 上 方 式 ， 電 気 学 会 論 文 誌 Ｃ ， Vol.117， No.8， pp.1092‑1100(1997). ５ ． 杉 田 洋 一 ，鹿 山 昌 宏 ，諸 岡 泰 男 ，免 疫 ネ ッ ト ワ ー ク に プ ラ ン ト の 知 見 を 導 入 し た プ ラ ン ト 特 性 変 化 ・ セ ン サ 劣 化 診 断 シ ス テ ム ，電 気 学 会 論 文 誌 Ｄ ， Vol.121， No.2， pp.261‑271(2001).. 査 読 の あ る 国 際 会 議・シ ン ポ ジ ウ ム 論 文. 1. M.Kayama, Y.Sugita, Y.Morooka, Y.Saito, Adjusting Neural Networks for Accurate Control Model Tuning, IEEE International Conference on Fuzzy Systems and the Second International Fuzzy Engineering Symosium 95, Yokohama, Japan, pp.1995‑2000(1995). 2. M.Kayama, Y.Sugita, Y.Morooka, S.Fukuoka, Distributed Diagnosis System Combining the Immune Network and Learning Vector Quantization, International Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation 95, Orland, Florida, USA, pp.1531‑1536(1995). 3. M.Kayama, Y.Sugita, Y.Morooka, S.Fukuoka, Improving Capability of the Distributed Diagnosis System Combining the Immune Network and Learning Vector Quantization, International Workshop on Soft Computing in Industry 96, Muroran, Hokkaido, Japan, pp.257‑262(1996)..
(6) 4. Y.Sugita, M.Kayama, Y.Morooka, Improving Tuning Capability of the Adjusting Neural Network, IEEE International Conference on Neural Networks 97, Huston, USA, pp.761‑767(1997). 5. Y.Sugita, D.Watanabe, A.Kawabata, M.Fujiwara, Small sized monorail system that provides low cost and ecological effectiveness, URBAN TRANSPORT VII, Lymnos, Greece, pp.77‑86(2001). 6. T.Nakamura, T.Tsurumaki, Y.Sugita, K.Tashiro, D‑ATC support for the IEC standard, International Conference on Computer Aided Design, Manufacture and Operation in the Railway and other Advanced Mass Transit Systems, Dresden, Germany, pp.343‑350 (2004). 7. M.Aoyagi, T.Igarashi, Y.Sugita, K.Tashiro, D‑ATC support for the IEC standard, International Conference on Electrical Engineering, Sapporo, Hokkaido, Japan, pp.265‑268 (2004). 8. Y.Sugita, K.Hirasawa, Improving Tuning Capability of the Adjusting Neural Network, 10th International Symposium on Artificial Life and Robotics 05, Beppu, Oita, Japan (2005).. その他 （国内学会） １ ． 杉 田 洋 一 ， 鹿 山 昌 宏 ， 諸 岡 泰 男 ， 斎 藤 裕，モデルチューニ ングを高精度に行なうアジャスティングニューラルネットの 提 案 ， 電 気 学 会 全 国 大 会 ， pp.13‑110(1994). ２．杉田洋一，鹿山昌宏，諸岡泰男，斎藤 裕，アジャスティン グニューラルネットによる加熱炉モデルチューニング，電気 学 会 産 業 応 用 部 門 全 国 大 会 ， pp.284(1994). ３．杉田洋一，鹿山昌宏，諸岡泰男，斎藤 裕，アジャスティン グ ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト の 連 続 鋳 造 冷 却 制 御 へ の 適 用 ， 5th.Intelligent System Symposium， pp.131‑136(1995). ４．鹿山昌宏，杉田洋一，諸岡泰男，福岡昇平，知的操業保守支 援 シ ス テ ム の 開 発 ， 金 属 産 業 研 究 会 資 料 ， pp.23‑31(1996) ５．鹿山昌宏，杉田洋一，諸岡泰男，福岡昇平，ベクトル照合型 異常診断手法の高度化と免疫診断前処理への適用，電気学会 産 業 応 用 部 門 全 国 大 会 ， pp. 169‑170(1996). ６．杉田洋一，渡部 悌，宮崎 孝俊，千葉 清志，低廉化を目 指 し た 小 形 モ ノ レ ー ル 向 け 新 信 号 シ ス テ ム ， J‑RAIL, pp.258‑260 (2001)..
(7) ７．五十嵐 得郎，鶴巻 維男，中村 拓哉，青柳 宗之，田代 維史，杉田 洋 一 ， デ ジ タ ル AT C に お け る 国 際 規 格 へ の 対 応 に つ い て ， 電 気 学 会 産 業 応 用 部 門 全 国 大 会 ， pp. Ⅲ 145‑148(2004). ８ ． 中 村 拓 哉 ， 杉 田 洋 一 ， デ ジ タ ル ATC の 概 要 と 国 際 規 格 （ RAMS） に 対 す る 取 り 組 み ， Ｊ Ｒ ガ ゼ ッ ト ， pp.54‑57 (2004).. （特許） １．鹿山 昌宏，諸岡 泰男，杉田 洋一，中島 正明，故障診断装 置 お よ び 方 法 , 特 許 第 3 2 2 11 8 4 号 ( 1 9 9 5 ) ２．杉田 洋一，鹿山 昌宏，諸岡 泰男，ニューラルネットワーク に よ る 制 御 方 法 お よ び 内 蔵 制 御 装 置 ， 特 許 第 3040901 号 （ 1995） ３．杉田 洋一，鹿山 昌宏，諸岡 泰男，齋藤 裕，河瀬 宏志， ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト 制 御 方 法 お よ び 装 置 ， 特 許 第 3367214 号 （ 1996） ４．鹿山 昌宏，杉田 洋一，諸岡 泰男，稲葉 博美，福岡 昇平， 制 御 シ ス テ ム の 診 断 ・ 解 析 方 法 お よ び 装 置 ， 特 許 第 3470457 号 （ 1996） ５．鹿山 昌宏，熊山 治良，福岡 昇平，吉田 正人，杉田 洋一， 制 御 モ デ ル 構 築 支 援 装 置 お よ び 方 法 ， 特 許 第 3412384 号 （ 1997） ６．杉田 洋一，鹿山 昌宏，諸岡 泰男，福岡 昇平，自律的制御 方 法 お よ び 制 御 シ ス テ ム ， 特 許 第 3377163 号 （ 1998） ７．杉田 洋一，鹿山 昌宏，吉岡 健一，広田 直樹，圧延機の異 常 診 断 方 法 お よ び 装 置 ， 特 許 第 3397726 号 （ 2001） ８．諸岡 泰男，岡田 隆，杉田 洋一，服部 哲，圧延設備の形状 制 御 装 置 お よ び 方 法 ， 特 許 第 3 3 3 11 9 1 号 ( 2 0 0 2 ).
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