JP2009187175A - Analysis device of batch process data, and abnormality detection/quality estimation device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バッチプロセスデータの解析装置およびそれを用いた異常検出/品質推定装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for analyzing batch process data and an abnormality detection / quality estimation apparatus using the same.
図10は、従来の一般的なプラントによる製品製造システムにおける製造データ管理システムの構成概要を示す図である。例えば食品プラント等においては、タンクの温度,圧力,流量等を計測するためにセンサ等が設置され、センサ等で計測された情報をコントローラ500、ネットワーク510を介してDCS(Distributed Control System)(分散制御システム)520に送信して制御に供している。またDCS520の上位階層にはそれらのセンサ情報等の操業データや品質データを取得して格納し操業実績の管理を行ったり、生産計画の立案を行ったりするMES(Manufacturing Execution System)(製造実行システム)530が設けられている。MES530においてはバッチ・ロット(以下では、単に‘バッチ’ともいう)ごとにどの装置を経由したかやその経由時刻等を管理しており、これにより工程をまたぐバッチの紐付けを行っている(非特許文献1参照)。 FIG. 10 is a diagram showing an outline of the configuration of a manufacturing data management system in a conventional product manufacturing system using a general plant. For example, in food plants, sensors, etc. are installed to measure the temperature, pressure, flow rate, etc. of tanks, and the information measured by the sensors etc. is distributed via DCS (Distributed Control System) (distributed control system) via controller 500 and network 510. Control system) 520 for control. The upper level of DCS520 acquires and stores operation data and quality data such as sensor information, manages operation results, and makes production plans, etc. (Manufacturing Execution System) ) 530 is provided. In MES530, each batch / lot (hereinafter also simply referred to as 'batch') manages which device is passed through and the route time, etc., thereby linking batches across processes ( Non-patent document 1).
品質データが取得される場合、プラントの種類にもよるが、分析設備を備えたいわゆる「ラボ」と呼ばれる施設に持ち込んで微生物数の計測による品質の計測540や分析計を使用した濃度計測550による検査が行われる場合が多い。「ラボ」における品質の計測や検査は時間やコストがかかる場合が多いこともあり、一部の抜取り検査しか行われないのが通常である。 When quality data is acquired, depending on the type of plant, it is brought into a so-called “lab” facility equipped with analytical equipment, and quality measurement 540 by measuring the number of microorganisms and concentration measurement 550 using an analyzer Inspection is often performed. In many cases, quality measurement and inspection in a “lab” are time consuming and costly, and only a part of the sampling inspection is performed.
図11は、従来の或る製品(食品)の製造工程を示す図である。この製造工程は複数の工程からなり、その中で2つの工程、例として「工程A」560,「工程B」570、を選んで詳しく説明する。図11に示す製造工程では「バッチ」単位で製品が製造処理されているものとする。すなわち1つのバッチが図11に示される各工程に投入され、当該工程での処理・加工完了後、その結果(中間製品)が出力される。出力された中間製品はまた同じバッチ単位で次工程に投入され、これを各工程につき繰り返す。 FIG. 11 is a diagram showing a conventional manufacturing process of a certain product (food). This manufacturing process includes a plurality of processes, and two processes, for example, “process A” 560 and “process B” 570 are selected and described in detail. In the manufacturing process shown in FIG. 11, it is assumed that products are manufactured and processed in “batch” units. That is, one batch is input into each process shown in FIG. 11, and the result (intermediate product) is output after the processing / processing in the process is completed. The output intermediate product is also input to the next process in the same batch unit, and this is repeated for each process.
工程A560においては、その前工程で製造された中間製品に対してタンク内にて例えば1時間程度処理加工が行われる。次に工程A560の製造結果である中間製品は工程B570に投入される。工程B570においてはまた別のタンクにおいて例えば2時間程度の別の処理加工が行われる。工程A560,工程B570それぞれにおける処理加工時間は中間製品の処理量等によって定まる。工程A560,工程B570のいずれでも使用されるタンクには温度センサ,圧力センサが設置されており、それぞれの工程での各バッチの処理加工時間中の温度,圧力が一定のサンプリング周期で計測され、その計測データはデータベース580に格納される。また工程A560,工程B570の結果として得られる中間製品における微生物数も計測され、当該中間製品を評価する要素として同様にデータベース580に格納される。また、あるバッチ(バッチ1とする)を図11に示す製造工程に流した場合の、工程A560と工程B570の温度ならびに圧力データも図11に示している。これらの温度ならびに圧力データを「バッチプロセスデータ」という。当該バッチについて品質データを得るために計測される微生物数の計測もここでは1箇所だけ示されている。 In step A560, the intermediate product manufactured in the previous step is processed in the tank for about 1 hour, for example. Next, the intermediate product, which is the manufacturing result of step A560, is input to step B570. In the process B570, another processing for about 2 hours is performed in another tank. The processing time in each of the process A560 and the process B570 is determined by the processing amount of the intermediate product. The tank used in both the process A560 and the process B570 is provided with a temperature sensor and a pressure sensor, and the temperature and pressure during the processing time of each batch in each process are measured at a constant sampling cycle. The measurement data is stored in the database 580. Further, the number of microorganisms in the intermediate product obtained as a result of the process A560 and the process B570 is also measured, and similarly stored in the database 580 as an element for evaluating the intermediate product. In addition, FIG. 11 also shows temperature and pressure data of the process A560 and the process B570 when a certain batch (referred to as batch 1) is passed through the manufacturing process shown in FIG. These temperature and pressure data are referred to as “batch process data”. The count of the number of microorganisms measured to obtain quality data for the batch is also shown here only at one location.
多数のバッチ(バッチ1〜N)の工程A560,工程B570の温度・圧力計測値時系列データと、品質データとしての微生物数計測値とが得られ、その微生物数計測値から中間製品の良・不良(正常・異常)を判定している。ただし、微生物数の計測には時間がかかるため、異常・正常の判定にも時間がかかることになる。そこで、従来より実際に微生物数を計測する前に工程A560,工程B570での温度や圧力の計測データからそのバッチの中間製品の正常・異常を判定(検出)するような装置(システム)が活用されている。このような装置(システム)のことをここでは「異常検出装置」と呼ぶことにしている。 Time series data of temperature and pressure measurement values of process A560 and process B570 of many batches (batch 1 to N) and microbial count measurement values as quality data are obtained. Defect (normal / abnormal) is judged. However, since it takes time to measure the number of microorganisms, it also takes time to determine whether it is abnormal or normal. Therefore, a device (system) that determines (detects) the normality / abnormality of the intermediate product of the batch from the temperature and pressure measurement data at step A560 and step B570 before actually counting the number of microorganisms is used. Has been. Such a device (system) is referred to herein as an “abnormality detection device”.
上記したプラントに関するいわゆる連続系のデータに対して主成分分析(Principal Component Analysis:PCA)や部分的最小二乗法(Partial Least Squares:PLS)等の多変量解析手法を適用して異常検出や品質推定を行うことは従来から行われている(非特許文献2参照)。 Anomaly detection and quality estimation by applying multivariate analysis methods such as Principal Component Analysis (PCA) and Partial Least Squares (PLS) to the so-called continuous data of the plant It has been performed conventionally (see Non-Patent Document 2).
連続系のデータとは、一定の変数の組(例えば、温度,圧力などの組)について一定のタイミングで収集したデータを1組のサンプルとし、それが複数集められた「変数」×「サンプル」の2次元データの構造をしている。一般にサンプルの収集タイミングはすべての変数について同時刻であることが多いが、一部の変数については一定時間の時間差を持った(遅れた)時間を用いる場合もありうる。なお、一般に収集タイミングは等間隔(サンプリング周期)である必要はなく、各サンプルが揃っていればよい。 Continuous data is data collected at a fixed timing for a set of constant variables (for example, a set of temperature, pressure, etc.) as a set of samples, and “variables” x “samples” in which multiple sets of samples are collected 2D data structure. In general, the sample collection timing is often the same for all variables, but for some variables, a time with a certain time difference (delayed) may be used. In general, the collection timing does not have to be equal (sampling period), and it is sufficient that each sample is prepared.
以下では、主成分分析(PCA)による多変量解析を例に従来の解析手順(モデル作成)について説明する。なお、x,yは、一般的に計測データを平均値0,標準偏差1に規格化(標準化)後のデータである。元の2次元データをXとすると、2次元データXは、2次元の行列式で表され、行列の各要素X(i,j)について、iがサンプル番号,jが変数番号を表すものとすると、主成分分析(PCA)により、元のデータXは以下の式1のように表される。 In the following, a conventional analysis procedure (model creation) will be described by taking multivariate analysis by principal component analysis (PCA) as an example. Note that x and y are data after normalization (standardization) of measurement data to an average value of 0 and a standard deviation of 1, in general. Assuming that the original two-dimensional data is X, the two-dimensional data X is represented by a two-dimensional determinant, and for each element X (i, j) of the matrix, i represents a sample number and j represents a variable number. Then, the original data X is represented by the following equation 1 by principal component analysis (PCA).
X = T* PT+ E (1)
ここでTは主成分スコア,Pはローディング(負荷量)行列,Eはモデル化誤差行列であり、またPの右肩のTは行列の転置を表している。また主成分スコアTは元の変数Xを、その中で互いに相関のある変数同士にまとめ、より少ない数の「主成分」として集約したものであり、主成分スコアTは以下の式2のようにして求められる。
X = T * P T + E (1)
Here, T is a principal component score, P is a loading (loading amount) matrix, E is a modeling error matrix, and T on the right shoulder of P represents transposition of the matrix. The principal component score T is obtained by collecting the original variables X into variables that are correlated with each other and collecting them as a smaller number of “principal components”. Is required.
T = X* P (2)
このようにして、元の変数は行列Pを用いて主成分に集約することができる。行列P自体を一般に「異常検出モデル」と呼んでいる。
T = X * P (2)
In this way, the original variables can be aggregated into principal components using the matrix P. The matrix P itself is generally called “anomaly detection model”.
主成分スコアTは集約された主成分であって、詳細にはデータ行列Xの各サンプル(Xの各行)に対応する横ベクトルxkから計算される主成分のベクトル(主成分スコアベクトル)tk(横ベクトル)はtk= xk Pにより計算される。 The principal component score T is an aggregated principal component, and in detail, a principal component vector (principal component score vector) t calculated from a horizontal vector x k corresponding to each sample (each row of X) of the data matrix X k (horizontal vector) is calculated by t k = x k P.
主成分ベクトルtk (横ベクトル)を用いて、データ行列Xの各サンプルxkに対するT2統計量(T2値)は以下のように計算される。
Xの特異値をsi(i=1…N,NはPの列数)、tkはN次元の横ベクトルなのでそのi番目の要素をtk,iとして、
Using the principal component vector t k (lateral vector), the T 2 statistic (T 2 value) for each sample x k of the data matrix X is calculated as follows.
The singular value of X is s i (i = 1 ... N, N is the number of columns of P), and t k is an N-dimensional horizontal vector, so its i-th element is t k, i
Q=xk(I-PPT)(I-PPT)Txk T (4)
T2統計量やQ統計量は必ず正の値をとるが、正常(通常)時は一定の範囲内に収まっているものの異常時には大きな値をとることが多い。したがって、既存のデータ行列Xから計算された各サンプル(Xの各行に対応)に対するT2統計量やQ統計量をユーザが見て正常と異常の境界となるしきい値を定め、x(既知の計測データ)や新しい計測データ(後述のxnew)について、T2統計量やQ統計量がこのしきい値を超えた値をとった場合に異常と判定する(T2統計量やQ統計量については非特許文献2参照)。この定め方としては、Xから算出されたXの各サンプルに対するT2統計量やQ統計量のそれぞれに対して例えばデータの95%が含まれる値等を自動的に設定することもできる。
Q = x k (I-PP T ) (I-PP T ) T x k T (4)
T 2 statistic and Q statistic always takes a positive value, but normal (usually) when often takes a large value at the time of abnormality despite falls within a certain range. Therefore, the threshold value that defines the boundary between normal and abnormal when the T 2 statistic and Q statistic for each sample (corresponding to each row of X) calculated from the existing data matrix X is determined, and x (known measurement for data) and new measurement data (described later x new new), it determines that an abnormality has occurred in the case where T 2 statistic and Q statistic has taken a value that exceeds the threshold value (T 2 statistic and Q statistic For the amount, see Non-Patent Document 2). As this determination method, for example, a value including 95% of the data can be automatically set for each of the T 2 statistic and the Q statistic for each sample of X calculated from X.
また、ここでXは過去のデータの蓄積を想定しており、Pはそこから計算された行列であるが、これに対して新しいデータ(Xの列の数(横の長さ)と同じ長さの横ベクトル)xnewに対して行列Pを用いて、tnew = xnew Pを計算すると tnew は xnewに対してこれを集約した主成分を表す。 Here, X is assumed to accumulate past data, and P is a matrix calculated from it, but new data (the same length as the number of X columns (horizontal length)) using the matrix P with respect to the vector side) x new, t new calculating the t new = x new P represents a main component that aggregates the contrast x new new.
xnew,tnewから計算される、xnewに対するT2統計量やQ統計量は、xnew が過去のデータ群Xからどれだけ離れているかを示すため、この値が大きければ異常なデータと判定することで異常検出を行うことができる。 The T 2 statistic and Q statistic for x new calculated from x new and t new indicate how far x new is from the past data group X. If this value is large, abnormal data and Abnormality detection can be performed by determining.
またQ統計量の計算過程で得られるベクトルxnew(I-PPT) は、「寄与プロット」を表している。これはこのベクトルの各要素が、元のベクトルxnewの対応する要素の「異常の度合い」(通常時からどれくらい離れているか)を表しており、これを用いて異常に影響を与えている要因となる入力データを特定することも可能である。 A vector x new (I-PP T ) obtained in the process of calculating the Q statistic represents a “contribution plot”. This represents the “degree of abnormality” (how far away from normal time) each element of this vector corresponds to the corresponding element of the original vector x new . It is also possible to specify input data to be
独立成分分析(Independent Component Analysis:ICA)は、近年研究が進められてきた新しい多変量解析手法であるが、主成分分析(PCA)と同様に独立成分分析(ICA)も異常検出に適用できるものである(非特許文献4参照)。このようにプラントプロセス計測データの統計量とその上下限を用いたプロセス異常の検出等の管理を統計的プロセス管理(SPC)と云い、特に当該例のように多変量解析による統計的プロセス管理が用いられるようになってきている。 Independent Component Analysis (ICA) is a new multivariate analysis method that has been studied recently. Independent component analysis (ICA) can be applied to anomaly detection as well as principal component analysis (PCA). (See Non-Patent Document 4). In this way, the management of the process abnormality detection using the statistics of the plant process measurement data and the upper and lower limits thereof is called statistical process management (SPC). In particular, the statistical process management by multivariate analysis as in this example is performed. It has come to be used.
Xの各サンプル(行)xに対して、これに対応する品質データがあれば、それを縦に並べた縦ベクトルyとし、部分的最小二乗法を適用してxとyを以下のようにして誤差Eを最小化するように関係付ける行列P,Q,Wを得ることができる(非特許文献3参照)。 For each sample (row) x of X, if there is quality data corresponding to this, set it as a vertical vector y, and apply partial least squares to make x and y as follows: Thus, the matrices P, Q, and W related to minimize the error E can be obtained (see Non-Patent Document 3).
Y = XW(PTW)-1Q + E (5)
(ここでEは、誤差ベクトルを表す)
部分的最小二乗法(Partial Least Squares:PLS)は、入力データXの各変数間に多重共線性(Multi-co-linearity)があっても安定なモデルを作ることができる有力な手法として知られている。
Y = XW (P T W) -1 Q + E (5)
(Where E is the error vector)
Partial Least Squares (PLS) is known as an influential method that can create a stable model even if there is multi-co-linearity between each variable of input data X. ing.
これらの行列により、新しいデータxnewが得られれば、これに対応する品質データの推定値yeは以下のようにして得られることになる。
ye = xnew W(PTW)-1Q (6)
(ここでyeは、xnewに対する品質データ推定値)
上記式6に基づいて品質推定を行うことができる。
If new data x new is obtained from these matrices, an estimated value y e of quality data corresponding to the new data x new can be obtained as follows.
y e = x new W (P T W) -1 Q (6)
(Where y e is the quality data estimate for x new )
Quality estimation can be performed based on Equation 6 above.
また、判別分析(Discriminant Analysis)は、品質変数yとして例えば良・不良や○・×のように2値として表される場合に、入力データXから出力データyを推定するモデルを作成する手法として知られている。 Discriminant analysis is a method for creating a model that estimates output data y from input data X when the quality variable y is expressed as a binary value, such as good / bad or ○ ×. Are known.
以上の説明は、もっぱら「サンプル」×「変数」の2次元データに対する主成分分析(PCA)による多変量解析手法についてのものであったが、バッチプロセスデータに対して多変量解析手法を適用してバッチ・ロットの異常検出や品質推定を行うことも知られている(特許文献1参照)。バッチ・ロットのデータは、複数のバッチの各々について複数の変数があり、さらに各変数について時系列データが含まれるためデータの構造としては、「バッチ」×「変数」×「時刻」の3次元データとなる。 The above explanation is about the multivariate analysis method by Principal Component Analysis (PCA) for 2D data of "sample" x "variable", but the multivariate analysis method is applied to batch process data. It is also known that batch / lot abnormality detection and quality estimation are performed (see Patent Document 1). Batch / lot data has multiple variables for each of multiple batches, and further includes time-series data for each variable, so the data structure is three-dimensional: "batch" x "variable" x "time" It becomes data.
一般に主成分分析(PCA)や部分的最小二乗法(PLS)等の多変量解析手法は、「変数」×「サンプル」の2次元データに対して基本的に適用する手法である。そのためバッチ・ロットのデータのような3次元データに対して多変量解析手法を適用する場合には、従来では「マルチウェイ手法」(図12参照)と呼ばれる方法を用いている。これはバッチ・ロットのような3次元データについて各バッチにおける「変数」×「時刻」を1次元に並べ直した後にこれらのデータ全体を新たに1組の「サンプル」とし、1組の「サンプル」に含まれる変数全体を「変数」として、「変数」×「サンプル」の2次元データにした後で多変量解析手法を適用する方法である。 In general, multivariate analysis methods such as principal component analysis (PCA) and partial least square method (PLS) are basically applied to two-dimensional data of “variable” × “sample”. Therefore, when applying a multivariate analysis method to three-dimensional data such as batch / lot data, a method called a “multiway method” (see FIG. 12) is conventionally used. This is because, for 3D data such as batch / lot, “variables” × “time” in each batch are rearranged in one dimension, and the entire data is set as a new “sample”. The entire variable included in “” is defined as “variable” and converted into “variable” × “sample” two-dimensional data, and then the multivariate analysis method is applied.
図12は、従来のマルチウェイ手法を説明する図である。図12に示すように、バッチプロセスの3次元データは以下のように表される。
x3(i,j,k) (7)
ここでi=1…Iはバッチ, j=1…Jはバッチ内の変数, k=1…Kはバッチ内の変数の時系列(時間)のそれぞれのインデクスを表す。
FIG. 12 is a diagram for explaining a conventional multiway method. As shown in FIG. 12, the three-dimensional data of the batch process is expressed as follows.
x3 (i, j, k) (7)
Here, i = 1... I is a batch, j = 1... J is a variable in the batch, k = 1... K is a time series (time) index of the variable in the batch.
なお、一般にバッチプロセスにおいては、すべてのバッチについて時系列の長さが揃っているとは限らない。そこで非特許文献5に示されるように「データ長調整(length adjustment)」または「データアラインメント(data alignment)」と呼ばれる手法を用いてすべてのバッチの時系列の長さを揃える処理が行われている。 In general, in a batch process, not all batches have the same length in time series. Therefore, as shown in Non-Patent Document 5, a process called “data length adjustment” or “data alignment” is used to process the time series lengths of all batches. Yes.
バッチの時系列長を揃えた後の3次元データx3(i,j,k)(バッチ内の時刻k,変数番号j,バッチ番号i)に対し、3次元データx3(i,j,k)を2次元化する手順を以下に説明する。
図12左部に示すバッチプロセスデータの1つのバッチiに着目して、3次元データ:x3(i,j,k)の各時間Kの変数Jの組を1次元に並べなおす(図12下部に示す2次元データの最上部から順に下方参照)。並べなおした結果をx2(i,l)とすると、i=1…I,l = j + (k-1)*Jまたはl = k + (j-1)*Kとなる。ここで、l=1…Lと表すと、L=J*Kと表すことができる。
3D data x3 (i, j, k) for 3D data x3 (i, j, k) (time in batch, variable number j, batch number i) after aligning batch time series length The procedure for making the two-dimensional data will be described below.
Focusing on one batch i of the batch process data shown in the left part of FIG. 12, the sets of variable J of each time K of three-dimensional data: x3 (i, j, k) are rearranged one-dimensionally (lower part of FIG. 12) (Refer downward from the top of the two-dimensional data shown in the above). When the rearranged result is x2 (i, l), i = 1... I, l = j + (k-1) * J or l = k + (j-1) * K. Here, when l = 1... L, it can be expressed as L = J * K.
l = j + (k-1)*Jとする場合には、l(1≦l≦L)に対して、l/Jの整数部分(l/Jを越えない最大の整数)をk-1、l−(k-1)*Jをjとする。またl = k + (j-1)*Kとする場合には、l(1≦l≦L)に対して、l/Kの整数部分(l/Kを越えない最大の整数)をj-1、l−(j-1)*Kをkとする。これによりlと(j,k)との間に1対1の対応が付けられる。 When l = j + (k-1) * J, the integer part of l / J (the largest integer not exceeding l / J) is k-1 for l (1≤l≤L) L− (k−1) * J is j. If l = k + (j-1) * K, the integer part of l / K (the largest integer not exceeding l / K) is j- with respect to l (1 ≤ l ≤ L). 1, l− (j−1) * K is k. This gives a one-to-one correspondence between l and (j, k).
各バッチに対して、すなわち、バッチi=1…Iに対して上述した1次元に並べなおす手順を実行して「サンプル」を生成する(図12下部参照)。これにより、x2(i,l)は、iを「サンプル」のインデクス、lを「変数」のインデクスとする、2次元データになる。 For each batch, that is, for the batch i = 1... I, the above-described one-dimensional rearrangement procedure is executed to generate a “sample” (see the lower part of FIG. 12). As a result, x2 (i, l) becomes two-dimensional data in which i is an index of “sample” and 1 is an index of “variable”.
上述した主成分分析(PCA)は、(入力)データのみから特徴量の算出モデルを作成するために用いられ、この手法を用いて上記2次元データx2(i,l)から特徴量の算出モデルを算出することになる。(つまり上に述べた主成分分析とそれから計算されるT2統計量やQ統計量を用いて異常検出を行うことができる。)
一方、部分的最小二乗法(PLS)は、入力データから出力データの推定モデルを作成するために用いられ、この手法を用いる場合に一般に入力データは上記のような3次元データであるが出力データはもともとバッチに対して1つ定まる1次元または2次元データである場合が多い。具体的には、1バッチについての品質データが1種類の場合は1次元データ、1バッチについての品質データが2種類以上(例えば、微生物数と濃度)の場合は2次元データとなる。上記のようにして2次元化した入力データと出力データとに基づいて部分的最小二乗法による推定モデルすなわち出力データの推定モデルを得ることができる。また出力データが3次元データである場合にはこれを上記した方法と同様に2次元化して部分的最小二乗法を適用することで出力データの推定モデルを得ることができる。
The above-mentioned principal component analysis (PCA) is used to create a feature quantity calculation model from only (input) data. Using this method, a feature quantity calculation model is obtained from the two-dimensional data x2 (i, l). Will be calculated. (In other words, anomaly detection can be performed using the principal component analysis described above and the T 2 and Q statistics calculated from it.)
On the other hand, the partial least square method (PLS) is used to create an estimation model of output data from input data. When this method is used, input data is generally three-dimensional data as described above, but output data. In many cases, one-dimensional or two-dimensional data is originally determined for one batch. Specifically, when the quality data for one batch is one type, it is one-dimensional data, and when the quality data for one batch is two or more types (for example, the number and concentration of microorganisms), it is two-dimensional data. An estimation model based on the partial least square method, that is, an estimation model of output data, can be obtained based on the input data and the output data two-dimensionalized as described above. Further, when the output data is three-dimensional data, it is possible to obtain an estimated model of the output data by converting the data into two dimensions and applying the partial least square method in the same manner as described above.
このように3次元データを2次元データに変換した上で主成分分析(PCA)や部分的最小二乗法(PLS)等の多変量解析手法を適用する方法は「マルチウェイ主成分分析」「マルチウェイ部分的最小二乗法」等(以下、マルチウェイ多変量解析手法)と呼ばれて、当該技術分野の技術者には知られているものである。 The method of applying multivariate analysis methods such as Principal Component Analysis (PCA) and Partial Least Squares (PLS) after converting 3D data to 2D data in this way is "Multiway Principal Component Analysis" It is called a “way partial least square method” or the like (hereinafter referred to as a multi-way multivariate analysis method) and is known to those skilled in the art.
図13は、従来のマルチウェイ多変量解析手法を用いた異常検出例を示す図である。このマルチウェイ多変量解析による従来手法においては、1つの工程内の共通のサンプリング周期のデータのみに対して適用可能であった。すなわち、図13に示すように工程A560のみ、または工程B570のみのデータを対象にして、マルチウェイ主成分分析(PCA)によりQ統計量やT2統計量等の指標を算出して統計的プロセス管理手法(Statistical Process Control:SPC)590を適用して異常検出を行っていたが、工程A560,工程B570の両者の相関(例えば「工程A560での製造条件(温度や圧力)の製品品質への影響」と「工程B570での製造条件(温度や圧力)の製品品質への影響」の間における)がある場合などについては考慮されておらず、両者に相関がある場合、それを考慮した管理(異常検出)ができなかった。
図13に示す従来手法のように、単一工程内の製造条件と製品品質への影響だけを考慮するのでは不十分であり、これに基づいた異常検出や品質推定ではその精度が落ちる可能性が高いということが近年になってわかってきた。 As in the conventional method shown in FIG. 13, it is not sufficient to consider only the production conditions in a single process and the influence on product quality, and the accuracy may be reduced by abnormality detection and quality estimation based on this. It has become clear in recent years that is high.
また従来、マルチウェイ多変量解析手法において扱われるバッチプロセスデータの各バッチ内の変数の時系列データを得るための各サンプル(上記の1バッチを1「サンプル」とする「サンプル」ではなく時系列の各サンプル)は、等間隔(サンプリング周期)で収集されている必要があった。しかしバッチプロセスですべての変数のデータが同一サンプリング周期で収集されているとは限らず、一般的には変数の特性によって異なるサンプリング周期で収集されているものや、各種「イベント」に関連したデータや、バッチの処理量、バッチを処理した設備等の属性等、バッチに対して1つだけ得られる(定まる)データもある。 Conventionally, each sample for obtaining time-series data of variables in each batch of batch process data handled in the multi-way multivariate analysis method (instead of “sample” in which one batch is 1 sample) Each sample) had to be collected at equal intervals (sampling period). However, not all variable data is collected in the same sampling period in a batch process. Generally, data collected at different sampling periods depending on the characteristics of variables, and data related to various "events". There is also data that can be obtained (determined) only for one batch, such as the processing amount of the batch and the attributes of the equipment that processed the batch.
さらにプロセスデータの異常検出や品質推定等においては、できるだけ多くの情報から異常検出や品質推定を行い、そして異常や品質の良否に影響を与えている要因を解析・抽出したいという要求がある。多くの情報に基づいてプロセスデータを総合的に解析することで幅広い範囲の変数間の相関(相互関係)がわかり、それを元に異常検出や品質推定を行うことで異常検出や品質推定の精度を向上させられる可能性がある。 Further, in detecting abnormality of process data, estimating quality, etc., there is a demand to perform abnormality detection and quality estimation from as much information as possible, and to analyze / extract factors affecting abnormality and quality. Comprehensive analysis of process data based on a large amount of information reveals correlations (reciprocal relationships) between a wide range of variables, and abnormality detection and quality estimation are performed based on that correlation to detect the accuracy of abnormality detection and quality estimation. May be improved.
また同じサンプリング周期の変数をグルーピングしてそれぞれのグループ内で個別に多変量解析手法を適用しても、それぞれのグループ内で個別に扱う範囲の変数のみによる異常検出や品質推定になってしまうため、異常検出や品質推定の精度が低くなり、またそれぞれのグループ内で個別に扱う範囲の異常や品質の良否に影響を与えている要因解析においてもサンプリング周期の異なる変数間の関係がわからないこと、さらにサンプリング周期ごとに個々に多変量解析手法を適用しないといけないために煩雑であること、等の問題点があった。 Even if variables with the same sampling period are grouped and the multivariate analysis method is applied individually within each group, it will result in anomaly detection and quality estimation using only variables within the range handled individually within each group. The accuracy of abnormality detection and quality estimation is low, and the relationship between variables with different sampling periods is not understood even in the factor analysis that affects the abnormality of the range handled individually in each group and the quality of the quality, Furthermore, there are problems such as being complicated because the multivariate analysis method must be applied individually for each sampling period.
通常、バッチは複数の工程で処理されて最終製品に加工され、各バッチについて工程をまたがったデータを紐付けにより抽出できる仕組み(非特許文献1参照)ができているが、従来は、1バッチの、工程をまたがったデータをグラフに表示してその関連を見る等の、定性的な分析は行われているが、工程間の各変数等について異常や品質の良否に影響を与えている要因の因果関係等の解析を定量的に評価する方法については提案されていない。 Usually, batches are processed in a plurality of processes and processed into final products, and a mechanism (see Non-Patent Document 1) that can extract data across the processes for each batch by linkage is established. Qualitative analysis, such as displaying data across processes and viewing the relationship, is a factor that affects abnormalities and quality of each variable between processes A method for quantitatively evaluating the analysis of the causal relationship is not proposed.
そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、バッチ同士が互いに紐付けられ、サンプリング周期が異なる、又は、異なる工程にまたがったデータであってもそれらを一まとめにして統一的に扱い、サンプリング周期が異なる変数同士や工程をまたがる変数同士の相関を的確に調べることが可能なデータ解析装置およびそれを用いた異常検出/品質推定装置を提供することを目的とするものである。 Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, and batches are linked to each other, and even if the data has a different sampling cycle or spans different processes, they are unified. It is an object to provide a data analysis apparatus capable of accurately examining the correlation between variables with different sampling periods and variables across processes and an abnormality detection / quality estimation apparatus using the same. is there.
本発明のバッチプロセスデータの解析装置は、各バッチに関するサンプリング周期の異なる時系列データを、バッチ単位でまとめてプロセスデータのグループとして扱うバッチプロセスデータの解析装置であって、前記グループのそれぞれに対してデータアラインメント処理を行った後、各グループから、各バッチに紐付けされたバッチデータを抽出するバッチデータ抽出手段と、該バッチデータ抽出手段により抽出されたバッチデータから、各グループについてマルチウェイ手法により1次元化し、これをすべてのグループから抽出されたデータに対して行うグループデータ1次元化手段と、該グループデータ1次元化手段によりすべてのグループについて1次元化を行った後、該すべてのグループの1次元化されたこれらのデータを結合して全体として1次元データの配列とする全体1次元データ配列手段と、該全体1次元データ配列手段により得られた各バッチについての1次元データの各要素を「変数」,1次元データ(ベクトル)を1つの「サンプル」とする「変数」×「サンプル」の2次元化データを得るデータ2次元化手段と、該データ2次元化手段により得られた2次元データに対して多変量解析手法を適用して、解析処理を実行する多変量解析処理手段と、を備える。 The batch process data analysis apparatus of the present invention is a batch process data analysis apparatus that handles time series data with different sampling periods for each batch as a group of process data grouped in batch units. After performing the data alignment process, the batch data extraction means for extracting the batch data associated with each batch from each group, and the multi-way method for each group from the batch data extracted by the batch data extraction means 1-dimensionally by means of a group data one-dimensionalization means for the data extracted from all groups, and after all the groups are one-dimensionalized by the group data one-dimensionalization means, Combine these grouped one-dimensional data 1-dimensional data array means for making an array of 1-dimensional data as a whole, and each element of the 1-dimensional data for each batch obtained by the overall 1-dimensional data array means “variable”, 1-dimensional data (vector) A data two-dimensionalization means for obtaining two-dimensional data of “variable” × “sample” with one “sample”, and a multivariate analysis method for the two-dimensional data obtained by the data two-dimensionalization means And multivariate analysis processing means for applying the analysis processing.
また本発明のバッチプロセスデータの解析装置は、各バッチに関する複数の工程のデータを、バッチ単位でまとめてプロセスデータのグループとして扱うバッチプロセスデータの解析装置であって、前記グループのそれぞれに対してデータアラインメント処理を行った後、各グループから、各バッチに紐付けされたバッチデータを抽出するバッチデータ抽出手段と、該バッチデータ抽出手段により抽出されたバッチデータから、各グループについてマルチウェイ手法により1次元化し、これをすべてのグループから抽出されたデータに対して行うグループデータ1次元化手段と、該グループデータ1次元化手段によりすべてのグループについて1次元化を行った後、該すべてのグループの1次元化されたこれらのデータを結合して全体として1次元データの配列とする全体1次元データ配列手段と、該全体1次元データ配列手段により得られた各バッチについての1次元データの各要素を「変数」,1次元データ(ベクトル)を1つの「サンプル」とする「変数」×「サンプル」の2次元化データを得るデータ2次元化手段と、該データ2次元化手段により得られた2次元データに対して多変量解析手法を適用して、解析処理を実行する多変量解析処理手段と、を備える。 The batch process data analysis apparatus according to the present invention is a batch process data analysis apparatus that handles a plurality of process data related to each batch as a group of process data in batch units, After performing the data alignment process, batch data extraction means for extracting batch data associated with each batch from each group, and batch data extracted by the batch data extraction means, each group is subjected to a multi-way method. Group data one-dimensionalization means for performing one-dimensionalization on the data extracted from all groups, and one-dimensionalization for all groups by the group data one-dimensionalization means, and then all the groups Combining these one-dimensional data of An entire one-dimensional data array means for arraying dimensional data, and each variable of the one-dimensional data for each batch obtained by the entire one-dimensional data array means is “variable”, and one-dimensional data (vector) is one “ Applying a multivariate analysis method to the two-dimensional data obtained by the two-dimensional data obtained by the two-dimensional data obtained by the two-dimensional data of “variable” × “sample” as “sample”, Multivariate analysis processing means for executing analysis processing.
また本発明のバッチプロセスデータの異常検出装置は、上述したデータ解析装置を用いて異常検出モデルを生成しておき、新たに取得されたバッチプロセスデータに対して、データアラインメント処理,2次元化処理を行った上で前記異常検出モデルとの行列演算を行って、T2統計量およびQ統計量を出力し、これがあらかじめ設定したしきい値を超えるかを検出して異常検出を行う。 The batch process data abnormality detection apparatus of the present invention generates an abnormality detection model using the data analysis apparatus described above, and performs data alignment processing and two-dimensionalization processing on newly acquired batch process data. And performing a matrix operation with the abnormality detection model, outputting T 2 statistics and Q statistics, and detecting whether these exceed a preset threshold value to detect an abnormality.
また本発明のバッチプロセスデータの品質推定装置は、上述したデータ解析装置を用いて品質推定モデルを生成しておき、新たに取得されたバッチプロセスデータに対して、データアラインメント処理,2次元化処理を行った上で前記異常検出モデルとの行列演算を行って、品質データ推定値を出力して品質予測を行う。 The batch process data quality estimation apparatus of the present invention generates a quality estimation model using the above-described data analysis apparatus, and performs data alignment processing and two-dimensionalization processing on newly acquired batch process data. Then, a matrix operation with the abnormality detection model is performed, and a quality data estimated value is output to perform quality prediction.
本発明によれば、複数のバッチに関するバッチプロセスデータについて、サンプリング周期が異なる、又は、異なる工程にまたがったデータであってもそれらを統一的に扱ってサンプリング周期が異なる変数同士や工程をまたがる変数同士の相関を的確に調べることができる。 According to the present invention, for batch process data relating to a plurality of batches, even if the sampling period is different, or even if the data spans different processes, they are handled uniformly and the variables that have different sampling periods, or variables that span processes The correlation between each other can be examined accurately.
また本発明によれば、上述したバッチプロセスデータの解析装置を用いることで、サンプリング周期が異なる変数同士や工程をまたがる変数同士の相関を的確に調べることができるので、異常検出精度/品質予測精度の大幅な向上を図ることができる。 In addition, according to the present invention, by using the above-described batch process data analysis apparatus, it is possible to accurately investigate the correlation between variables having different sampling periods or variables across processes, so that abnormality detection accuracy / quality prediction accuracy can be obtained. Can be greatly improved.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るバッチプロセスデータの解析装置およびそれを用いた異常検出/品質推定装置の構成概要を示すブロック図である。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a batch process data analysis apparatus and an abnormality detection / quality estimation apparatus using the same according to an embodiment of the present invention.
図1において本発明の実施形態に係るバッチプロセスデータの解析装置およびそれを用いた異常検出/品質推定装置は、データ収集手段2により収集したバッチプロセスデータ1をデータ格納手段3に格納する。データ格納手段3は品質データ4があればこれも格納して以降において品質予測のためのデータに供する。これらのデータはデータ格納手段3からモデル作成手段10に入力される。モデル作成手段10は、データ入力手段5、データ解析手段6及びデータ出力手段7から構成される。データ入力手段5に入力されたバッチプロセスデータ1や品質データ4は、データ入力手段5を経てデータ解析手段6に入力される。データ入力手段5は、データアラインメント処理を適宜行ってデータ解析手段6に出力する。データ解析手段6においては上述したマルチウェイ多変量解析手法の適用によりモデル化を行う。これについては後述する。 In FIG. 1, the batch process data analysis apparatus and the abnormality detection / quality estimation apparatus using the same according to the embodiment of the present invention store the batch process data 1 collected by the data collection means 2 in the data storage means 3. The data storage means 3 stores the quality data 4 if it exists, and then uses it for data for quality prediction. These data are input from the data storage means 3 to the model creation means 10. The model creation means 10 includes a data input means 5, a data analysis means 6 and a data output means 7. The batch process data 1 and quality data 4 input to the data input unit 5 are input to the data analysis unit 6 via the data input unit 5. The data input means 5 performs data alignment processing as appropriate and outputs it to the data analysis means 6. The data analysis means 6 performs modeling by applying the above-described multiway multivariate analysis method. This will be described later.
データ解析手段6により解析された結果は「モデル」(係数行列)としてデータ出力手段(結果出力手段)7からモデル格納手段8に出力され、そこで結果出力が格納される。以上までの構成をもってバッチプロセスデータの解析装置を構成する。詳細は後述する。 The result analyzed by the data analysis means 6 is output as a “model” (coefficient matrix) from the data output means (result output means) 7 to the model storage means 8 where the result output is stored. The batch process data analysis apparatus is configured with the above configuration. Details will be described later.
そしてデータ判定/予測手段9では、モデル格納手段8に格納された「モデル」(係数行列)と、データ収集手段2でオンラインによりデータ収集されたバッチプロセスデータ1とに基づいて演算を実施し、実施した演算結果に基づいてアラームや予測値を出力し、異常検出または品質推定を行う。したがって、上述したバッチプロセスデータの解析装置を用いてバッチプロセスデータの異常検出装置または品質推定装置を構成することになる。 The data determination / prediction unit 9 performs an operation based on the “model” (coefficient matrix) stored in the model storage unit 8 and the batch process data 1 collected online by the data collection unit 2. Alarms and predicted values are output based on the results of the calculations performed, and abnormality detection or quality estimation is performed. Therefore, the batch process data abnormality detection apparatus or quality estimation apparatus is configured using the batch process data analysis apparatus described above.
図2は、図1に示した本発明の実施形態に係るバッチプロセスデータの解析装置およびそれを用いた異常検出/品質推定装置の制御の流れおよびデータの流れを示すフロー図であり、異常検出に適用した場合の例を示すものである。図1と同じ構成要素には同一の番号を付けて説明する。なお、ここでは多変量解析として主成分分析(PCA)を用いる場合について説明する。 FIG. 2 is a flowchart showing the control flow and data flow of the batch process data analysis apparatus and the abnormality detection / quality estimation apparatus using the same according to the embodiment of the present invention shown in FIG. It shows an example when applied to. The same components as those in FIG. 1 will be described with the same numbers. Here, a case where principal component analysis (PCA) is used as multivariate analysis will be described.
データ収集手段2で収集したプラントデータ(バッチプロセスデータ)1をデータ格納手段(プラントデータデータベース)3に格納する。(異常検出)モデル作成手段10は、プラントデータデータベース3から、過去の複数のバッチで、各バッチについて紐付けされた複数のバッチプロセスデータのセット(以下「グループ」という)を読み込む(図5参照)。そしてデータアラインメント処理11,2次元化処理12,主成分分析による多変量解析処理13を実施して(異常検出)モデル(具体的には係数行列値としきい値)14を作成し、モデル格納手段(モデルデータベース)8に格納する。ここまでの制御の流れおよびデータの流れ(すなわち図2の左半)は、オフラインで実施され、本発明の実施形態に係るバッチプロセスデータの解析装置としての制御の流れおよびデータの流れである。 Plant data (batch process data) 1 collected by the data collection means 2 is stored in a data storage means (plant data database) 3. The (abnormality detection) model creation means 10 reads a plurality of batch process data sets (hereinafter referred to as “groups”) associated with each batch in a plurality of past batches from the plant data database 3 (see FIG. 5). ). Then, the data alignment processing 11, the two-dimensional processing 12, and the multivariate analysis processing 13 by principal component analysis are performed to create a (abnormality detection) model (specifically, coefficient matrix values and threshold values) 14, and model storage means Store in (model database) 8. The control flow and data flow thus far (that is, the left half of FIG. 2) are performed offline and are the control flow and data flow as the batch process data analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
モデル格納手段8に格納された当該モデル(係数行列値としきい値)を用いて異常検出を行う場合には、新たに取得されたプラントデータ(バッチプロセスデータ)1に対して、異常検出手段(図1のデータ判定/予測手段9に相当)20は、データアラインメント処理21,2次元化処理22を行った上でモデルである行列との演算を行列演算処理23にて実施し、上述したT2統計量やQ統計量を出力24して、これに基づいて異常検出を行う。つまり、モデル中に設定されたしきい値を超えた場合には「異常」と判定し、アラームなどを表示装置(図示せず)に表示する。ここまでの制御の流れおよびデータの流れ(すなわち図2の右半)は、オンラインで実施され、図2の左半に示された本発明の実施形態に係るバッチプロセスデータの解析装置を用いた異常検出処理を行う制御の流れおよびデータの流れである。 When abnormality detection is performed using the model (coefficient matrix value and threshold value) stored in the model storage means 8, the abnormality detection means (for the newly acquired plant data (batch process data) 1) ( 20 corresponds to the data judgment / prediction means 9 in FIG. 1 and performs a data alignment process 21 and a two-dimensional process 22 and then performs a calculation with a matrix as a model in a matrix calculation process 23. 2 Output 24 statistics and Q statistics, and perform abnormality detection based on this. That is, when the threshold value set in the model is exceeded, it is determined as “abnormal” and an alarm or the like is displayed on a display device (not shown). The control flow and data flow so far (that is, the right half of FIG. 2) are performed online, and the batch process data analysis apparatus according to the embodiment of the present invention shown in the left half of FIG. 2 is used. It is the flow of control and data flow which perform abnormality detection processing.
T2統計量やQ統計量から異常検出を行うことについては、上述したように従来の主成分分析の説明においてすでに述べた。そしてしきい値の設定は、既存のデータからユーザが手動で行うか或いは上述したように各サンプルに対するT2統計量やQ統計量のそれぞれに対して例えばデータの95%が含まれる値をしきい値として自動的に行う。 As described above, the anomaly detection from the T 2 statistic and the Q statistic has already been described in the description of the conventional principal component analysis. The threshold is set manually by the user from existing data or, as described above, for example, a value that includes 95% of the data for each T 2 statistic and Q statistic for each sample. Automatically done as a threshold.
図3は、図1に示した本発明の実施形態に係るバッチプロセスデータの解析装置およびそれを用いた異常検出/品質推定装置の制御の流れおよびデータの流れを示すフロー図であり、品質推定に適用した場合の例を示すものである。図1と同じ構成要素には同一の番号を付けて説明する。なお、ここでは多変量解析として部分的最小二乗法(PLS)を用いる場合について説明する。 FIG. 3 is a flow diagram showing a control flow and a data flow of the batch process data analysis apparatus and the abnormality detection / quality estimation apparatus using the same according to the embodiment of the present invention shown in FIG. It shows an example when applied to. The same components as those in FIG. 1 will be described with the same numbers. Here, a case where a partial least square method (PLS) is used as multivariate analysis will be described.
データ収集手段2で収集したプラントデータ(バッチプロセスデータ)1をデータ格納手段(プラントデータデータベース)3に格納する。(品質推定)モデル作成手段10は、プラントデータデータベース3から、過去の複数のバッチで、各バッチについて紐付けされた複数のバッチプロセスデータのセット(「グループ」)ならびにそれぞれのバッチに対応する品質データ4を読み込む(図5,図11参照)。そしてデータアラインメント処理11,2次元化処理12,部分的最小二乗法による多変量解析処理13を実施して(品質推定)モデル(具体的には係数行列値)15を作成し、モデル格納手段(モデルデータベース)8に格納する。ここまでの制御の流れおよびデータの流れ(すなわち図3の左半)は、オフラインで実施され、本発明の実施形態に係るバッチプロセスデータの解析装置としての制御の流れおよびデータの流れである。 Plant data (batch process data) 1 collected by the data collection means 2 is stored in a data storage means (plant data database) 3. (Quality estimation) The model creation means 10 obtains a plurality of batch process data sets ("groups") associated with each batch in the past plurality of batches from the plant data database 3, and the quality corresponding to each batch. Data 4 is read (see FIGS. 5 and 11). Then, a data alignment process 11, a two-dimensional process 12, and a multivariate analysis process 13 using a partial least square method are performed to create a (quality estimation) model (specifically, coefficient matrix value) 15, and model storage means ( (Model database) 8. The control flow and data flow thus far (that is, the left half of FIG. 3) are performed offline and are the control flow and data flow as the batch process data analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
モデル格納手段8に格納された当該モデル(係数行列値)を用いて品質推定を行う場合には、新たに取得されたプラントデータ(バッチプロセスデータ)1に対して、品質推定手段(図1のデータ判定/予測手段9に相当)30は、データアラインメント処理31,2次元化処理32を行った上でモデルである行列との演算を行列演算処理33にて実施して、品質データ推定値34を出力する。出力した品質データ推定値34を表示装置(図示せず)などに表示することができる。ここまでの制御の流れおよびデータの流れ(すなわち図3の右半)は、オンラインで実施され、図3の左半に示された本発明の実施形態に係るバッチプロセスデータの解析装置を用いた品質推定処理を行う制御の流れおよびデータの流れである。 When the quality estimation is performed using the model (coefficient matrix value) stored in the model storage unit 8, the quality estimation unit (batch process data) of FIG. (Corresponding to the data judgment / prediction means 9) 30 performs the data alignment process 31 and the two-dimensionalization process 32, and then performs an operation with the matrix as a model in the matrix operation process 33, and the quality data estimated value 34 Is output. The output quality data estimated value 34 can be displayed on a display device (not shown) or the like. The control flow and data flow so far (that is, the right half of FIG. 3) are performed online, and the batch process data analysis apparatus according to the embodiment of the present invention shown in the left half of FIG. 3 is used. It is the flow of control and data which perform quality estimation processing.
ここで図2及び図3の説明における「データアラインメント」および「2次元化処理」について、図4のフローチャートを用いながら説明する。図4の処理フローの説明開始にあたり、各グループに属する各バッチのデータは互いにそれぞれ紐付けられている同じバッチに関するデータ(図5参照)ではあるが、バッチに関して時系列の長さが揃っていない場合にすべてのバッチの時系列の長さを揃えるために「データアラインメント」を実行する(非特許文献5参照) 。この処理によりまずバッチの時系列の長さを揃える。 Here, “data alignment” and “two-dimensionalization processing” in the description of FIGS. 2 and 3 will be described with reference to the flowchart of FIG. At the start of the description of the processing flow of FIG. 4, the data of each batch belonging to each group is data related to the same batch linked to each other (see FIG. 5), but the length of the time series is not uniform for the batch. In this case, “data alignment” is executed in order to align the lengths of the time series of all batches (see Non-Patent Document 5). This process first aligns the length of the batch time series.
このように各バッチプロセスデータのセット(グループ)に対して上記データアラインメント処理を行った後、各バッチについて以下の処理を行う。
バッチのループ処理(ステップS1)では、各グループから、各バッチに紐付けされたバッチデータを抽出する。
After performing the data alignment process on each batch process data set (group) as described above, the following process is performed on each batch.
In batch loop processing (step S1), batch data associated with each batch is extracted from each group.
次に各バッチのグループのループ処理(ステップS2)では、抽出されたバッチデータから各グループについて、ステップS3において図12に示したようなマルチウェイ手法により1次元化する。これをすべてのグループから抽出されたデータに対して行う。 Next, in the loop processing of each batch group (step S2), each group from the extracted batch data is made one-dimensional by a multi-way method as shown in FIG. 12 in step S3. This is performed on data extracted from all groups.
次いですべてのグループについて1次元化を行った後、ステップS4においてすべてのグループの1次元化されたこれらのデータを結合して全体として1次元データ(配列)とする(図6参照)。 Next, after all groups are made one-dimensional, in step S4, these one-dimensional data of all groups are combined to form one-dimensional data (array) as a whole (see FIG. 6).
上記処理をすべてのバッチについて行う(図4のステップS1の終了)ことにより、各バッチについて1次元化されたデータができる(図7参照)。
こうして、各バッチについての1次元データの各要素を「変数」,1次元データ(ベクトル)を1つの「サンプル」とする「変数」×「サンプル」の2次元化処理を終了する。
By performing the above processing for all the batches (end of step S1 in FIG. 4), one-dimensional data can be obtained for each batch (see FIG. 7).
In this way, the “variable” × “sample” two-dimensionalization process in which each element of the one-dimensional data for each batch is “variable” and the one-dimensional data (vector) is one “sample” is completed.
そして2次元化処理された2次元データに対して図2,図3に示したように、主成分分析や部分的最小二乗法などによる多変量解析手法を適用して、多変量解析処理を実行することができる。これが本発明の実施形態に係るバッチプロセスデータの解析装置の処理概要である。 Then, as shown in Fig. 2 and Fig. 3, multivariate analysis methods such as principal component analysis and partial least squares are applied to the two-dimensional data that has been two-dimensionalized. can do. This is a processing outline of the batch process data analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
次に本発明の実施形態に係るバッチプロセスデータの解析装置の処理内容の詳細を説明する。いま図5に示すように、互いに紐付けられた複数のバッチデータについて同じバッチのサンプリング周期の異なる時系列の変数をまとめて変数のグループとする。なお、図5はバッチのインデクスi=2に係るバッチ同士について互いに紐付いている様子を例示している。 Next, details of processing contents of the batch process data analysis apparatus according to the embodiment of the present invention will be described. Now, as shown in FIG. 5, for a plurality of batch data linked to each other, time series variables having different sampling periods of the same batch are grouped into a variable group. FIG. 5 illustrates a state in which the batches associated with the batch index i = 2 are linked to each other.
これにより複数のサンプリング周期のそれぞれについて変数のグループができる。変数のg番目のグループ「グループg」について各データは以下のように4次元データとして表される。 This creates a group of variables for each of a plurality of sampling periods. Each data for the g-th group “group g” of variables is represented as four-dimensional data as follows.
x4(i,g, j,k) (8)
ここで、g=1…G はグループ,i=1…Iはバッチ,j=1…Jgはバッチ内のグループ内の変数,k=1…Kgはバッチ内のグループ内の変数の時系列(時刻),のそれぞれのインデクスを表す。またバッチ数はグループ共通であるが、変数の数と時系列の長さ(サンプリング時刻点数)はグループごとに異なるためそれぞれJg,Kgと添え数gを付ける。
x4 (i, g, j, k) (8)
Where g = 1 ... G is a group, i = 1 ... I is a batch, j = 1 ... Jg is a variable in the group in the batch, k = 1 ... Kg is a time series of variables in the group in the batch ( Each time). Although the number of batches is common to the groups, the number of variables and the length of the time series (sampling time points) are different for each group, so Jg and Kg and a subscript g are added respectively.
次に上記式8で表された4次元データを、以下の図6,図7に示すようにして「サンプル」化して2次元データとすることで多変量解析手法を適用し、バッチについての異常検出や品質推定を行えるようにする。 Next, the four-dimensional data represented by the above equation 8 is converted into “samples” as shown in FIGS. Enable detection and quality estimation.
具体的には、各バッチiについて、各グループから各時刻の変数の組を1次元に並べたベクトルをまず作成する(図6の下部参照)。さらにこれをすべてのグループについて並べたベクトルを作成する。これが1つの「サンプル」となり、2次元データx2(i,m)と表される(図7の下部参照)。詳しく説明すると、上記mは、以下の式9のように表される。 Specifically, for each batch i, a vector in which a set of variables at each time is arranged one-dimensionally from each group is first created (see the lower part of FIG. 6). Furthermore, a vector in which this is arranged for all groups is created. This becomes one “sample” and is represented as two-dimensional data x2 (i, m) (see the lower part of FIG. 7). If it demonstrates in detail, said m will be represented like the following formula | equation 9.
いま、上記したMを式10で表して、 Now, the above M is expressed by Equation 10,
上記した式9〜13により、g,j,kが一意に定まり、この(g,j,k)とmの間に1対1の対応が付けられる。これにより、各iを「サンプル」のインデクス,mを「変数」のインデクスとする2次元データx2(i,m)に対して多変量解析手法を適用する。この2次元データx2(i,m)に対して多変量解析手法を適用する手段として図1に示したデータ解析手段6を含むモデル作成手段10が設けられている。そしてモデル作成手段10の出力として、作成されたモデルをモデル格納手段8に格納し、モデル格納手段8に格納されたモデル、例えば上述した異常検出モデルと、オンラインでデータ収集した現実のバッチプロセスデータ1とで演算を実施し、データ判定/予測手段9において各バッチについての特徴量算出による異常検出を行う。 G, j, and k are uniquely determined by the above-described equations 9 to 13, and a one-to-one correspondence is attached between (g, j, k) and m. Thus, the multivariate analysis method is applied to the two-dimensional data x2 (i, m) where each i is an index of “sample” and m is an index of “variable”. As a means for applying the multivariate analysis method to the two-dimensional data x2 (i, m), a model creation means 10 including the data analysis means 6 shown in FIG. 1 is provided. Then, as the output of the model creation means 10, the created model is stored in the model storage means 8, the model stored in the model storage means 8, for example, the above-described abnormality detection model, and the actual batch process data collected online. 1 is performed, and the data determination / prediction means 9 performs abnormality detection by calculating the feature amount for each batch.
また部分的最小二乗法等の品質推定手法を適用する場合には、上記した従来技術の場合と同様に、品質データ4をデータ格納手段3に格納しつつ、出力が(異なるサンプリング周期の)変数であった場合についてもこれを図1に示したモデル作成手段10により上記した方法で同じく2次元化することで部分的最小二乗法等を適用してモデル(品質推定モデル)を作成し、作成されたモデルをモデル格納手段8に格納し、このモデル(品質推定モデル)と、オンラインでデータ収集した現実のバッチプロセスデータ1とで演算を実施し、データ判定/予測手段9において各バッチについての特徴量算出による品質推定を行う。 When a quality estimation method such as a partial least square method is applied, the quality data 4 is stored in the data storage means 3 and the output is a variable (of a different sampling period), as in the case of the conventional technique described above. In the case of the above, the model (quality estimation model) is created by applying the partial least square method etc. by making the same two-dimensionally by the model creation means 10 shown in FIG. The model is stored in the model storage means 8, and calculation is performed on this model (quality estimation model) and the actual batch process data 1 collected online, and the data determination / prediction means 9 Quality estimation is performed by calculating feature values.
ところで複数のバッチについて各バッチの工程をまたがるデータを得た場合に、これらは各工程についてのバッチデータであり、それぞれ3次元データとして得られる。ここで各工程において複数の異なるサンプリング周期で取得されている変数があってもよい。 By the way, when the data over the processes of each batch is obtained for a plurality of batches, these are the batch data for each process, and each is obtained as three-dimensional data. Here, there may be a variable acquired at a plurality of different sampling periods in each step.
これらは工程をまたがった場合や、同一工程内でも異なるサンプリング周期である場合でも、みなバッチに関連付け(紐付け) (図5参照)されており、サンプリング周期ごとにグルーピングし、グループごとに4次元データとして表すことができる。つまり共通のバッチiに対して各工程で得られたバッチデータをそれぞれ「グループ」として4次元データx4(i,g,j,k)として定義することができる。 These are linked (linked) to batches (see Fig. 5), regardless of whether they crossed processes or within the same process or at different sampling periods. It can be expressed as data. In other words, the batch data obtained in each step for the common batch i can be defined as four-dimensional data x4 (i, g, j, k) as a “group”.
そして上述した式9〜13および図6,図7で説明した方法により2次元化し、この2次元データに対して上述したように主成分分析や部分的最小二乗法等による多変量解析手法を適用することができる。具体的には各工程で得られたバッチプロセスデータを図6,図7における各グループとし、これを図7におけるように2次元化データすることで上記の処理を行うことができる。またこれらの処理を実行する具体的構成は図1〜3に示したものを使用することができる。 Then, it is two-dimensionalized by the methods described in the above formulas 9 to 13 and FIGS. 6 and 7, and a multivariate analysis method such as principal component analysis or partial least square method is applied to the two-dimensional data as described above. can do. Specifically, the batch process data obtained in each step is set as each group in FIGS. 6 and 7, and the above-described processing can be performed by making the two-dimensional data as shown in FIG. Moreover, the concrete structure which performs these processes can use what was shown in FIGS.
以上のように複数のバッチデータについて、これらのデータが工程をまたがった場合や、同一工程内でも異なるサンプリング周期である場合でも、みなバッチに関連付け(紐付け)されており、サンプリング周期ごとにグルーピングし、グループごとに3次元データとして表され、これが共通のバッチiに対して各工程で得られたバッチデータをそれぞれ「グループ」として4次元データx4(i,g,j,k)として定義されることから、複数のバッチデータを一まとめにして統合的に扱い、上述した式9〜13および図6,図7で説明した方法によりすべて「サンプル」×「変数」の2次元データに変換できる。そして「サンプル」×「変数」の2次元データに対して主成分分析、部分的最小二乗法、独立成分分析など各種の多変量解析手法をプラントにおけるバッチプロセスデータの性質に応じて適宜適用することができる。 As described above, for multiple batch data, all of these data are related (linked) to batches even if they cross processes or have different sampling periods within the same process. Each group is represented as 3D data, and this is defined as 4D data x4 (i, g, j, k) as a “group” for the batch data obtained in each process for a common batch i. Therefore, a plurality of batch data can be collectively treated and converted into two-dimensional data of “sample” × “variable” by the above-described equations 9 to 13 and the method described with reference to FIGS. 6 and 7. . Apply various multivariate analysis methods such as principal component analysis, partial least squares, and independent component analysis to 2D data of "sample" x "variable" according to the nature of batch process data in the plant. Can do.
すなわち、「サンプル」×「変数」の2次元データに対して、主成分分析又は独立成分分析を適用すれば異常検出を、また部分的最小二乗法又は判別分析を適用すれば品質推定を行うことが可能で、これらをプラントにおけるバッチプロセスデータの性質に応じて適宜適用する。 In other words, if principal component analysis or independent component analysis is applied to 2D data of "sample" x "variable", anomaly detection is performed, and quality estimation is performed if partial least squares or discriminant analysis is applied. These are applied as appropriate according to the nature of the batch process data in the plant.
図8は、本発明手法を適用した場合の実例を示す図である。図8に示す実例においては、工程A60,工程B70の両方のデータを入力データとして取り込むことで、工程A60と工程B70のそれぞれだけを見ていたのではわからない、両工程間の相関を考慮した異常検出や品質推定を行うことができる。具体的には、工程A60のデータを、図5に示す、「グループ1」として、工程B70のデータを「グループ2」にとして適用すればよい。そして、本発明手法による異常検出装置での処理では、複数工程をまとめてマルチウェイ手法PCA(主成分分析)によるSPC(統計的プロセス管理)90を実施する。 FIG. 8 is a diagram showing an example when the method of the present invention is applied. In the example shown in FIG. 8, by taking both data of the process A60 and the process B70 as input data, it is not understood that only the process A60 and the process B70 are seen. Detection and quality estimation can be performed. Specifically, the data of the process A60 may be applied as “Group 1” and the data of the process B70 as “Group 2” shown in FIG. In the process of the abnormality detection apparatus according to the method of the present invention, a plurality of processes are combined and an SPC (statistical process management) 90 by the multiway method PCA (principal component analysis) is performed.
図9は、本発明手法を適用した場合の実例と従来手法を適用した場合の実例とを比較する図である。図9に示す従来手法を適用した場合の実例において、通常のバッチでは工程A560の圧力データの処理終了時付近は平坦であるが、たまに変動する場合がある。このような変動の結果として品質不良となる場合と、正常な製品ができる場合がある。一方で、工程B570の圧力データの処理終了時付近においても、通常は平坦であるが、たまに変動する場合がある。 FIG. 9 is a diagram comparing an example when the method of the present invention is applied and an example when the conventional method is applied. In the actual case where the conventional method shown in FIG. 9 is applied, in the normal batch, the vicinity of the end of the processing of the pressure data in the process A560 is flat, but sometimes it fluctuates. There may be a case where quality is deteriorated as a result of such fluctuation, and a normal product is produced. On the other hand, even near the end of processing of the pressure data in step B570, it is usually flat, but may occasionally change.
工程A560と工程B570のこれらの部分のデータは実は互いに関係があり、工程A560で変動した場合に工程B570でも変動していれば工程A560での影響が工程B570で打ち消されて異常(不良)でなくなることが確認されている。 The data of these parts of the process A560 and the process B570 are actually related to each other, and if they change in the process A560, if they also change in the process B570, the influence in the process A560 is canceled in the process B570 and is abnormal (defective). It has been confirmed that it will disappear.
このような場合、従来手法では工程ごとにしか適用できないため、工程A560の処理終了時付近での変動または工程B570の処理終了時付近での変動があるバッチはすべて「異常(不良)」と判定されてしまう。 In such a case, since the conventional method can be applied only for each process, all batches that have fluctuations near the end of the process of step A560 or fluctuations near the end of the process of step B570 are determined to be “abnormal (defect)”. Will be.
しかし、実際には1つのバッチにおいて、工程A560の処理終了時付近での変動と工程B570の処理終了時付近での変動が両方起こった場合には良品が得られているのでこれを不良として扱うのは明らかに誤検出ということになり、著しく異常検出精度が劣化していることになる。 However, in reality, when both the fluctuation near the end of the process of step A560 and the fluctuation near the end of the process of step B570 occur in one batch, a non-defective product is obtained, and this is treated as a defect. This is clearly an erroneous detection, and the abnormality detection accuracy is remarkably deteriorated.
一方、図9に示す本発明手法を適用した場合の実例においては、工程A60と工程B70の両方のデータを用いることで、工程をまたがったデータ間の相関を考慮することが簡単に可能となるため、異常検出精度や品質推定精度の大幅な向上を図ることができる。 On the other hand, in the example in the case where the method of the present invention shown in FIG. 9 is applied, it is possible to easily consider the correlation between the data across the processes by using the data of both the process A60 and the process B70. Therefore, it is possible to greatly improve the abnormality detection accuracy and the quality estimation accuracy.
1 バッチプロセスデータ(プラントデータ)
2 データ収集手段
3 データ格納手段(プラントデータDB)
4 品質データ
5 データ入力手段
6 データ解析手段
7 データ出力手段
8 モデル格納手段(モデルDB)
9 データ判定/予測手段
10 モデル作成手段
11,21,31 データアラインメント部
12,22,32 2次元処理部
13 多変量解析処理部
14 異常検出モデル
15 品質推定モデル
20 異常検出手段
23,33 行列演算処理部
24 出力(T2/Q)
30 品質推定手段
34 品質データ推定値
60 工程A
70 工程B
80 プラントデータDB(データベース)
90 本発明手法によるSPC(統計的プロセス管理)
1 Batch process data (plant data)
2 Data collection means 3 Data storage means (plant data DB)
4 quality data 5 data input means 6 data analysis means 7 data output means 8 model storage means (model DB)
9 Data determination / prediction means 10 Model creation means 11, 21, 31 Data alignment unit 12, 22, 32 Two-dimensional processing unit 13 Multivariate analysis processing unit 14 Anomaly detection model 15 Quality estimation model 20 Anomaly detection unit 23, 33 Matrix operation processor 24 outputs (T 2 / Q)
30 Quality estimation means 34 Quality data estimated value 60 Step A
70 Process B
80 Plant data DB (database)
90 SPC (Statistical Process Management) by the method of the present invention
Claims (7)
前記グループのそれぞれに対してデータアラインメント処理を行った後、各グループから、各バッチに紐付けされたバッチデータを抽出するバッチデータ抽出手段と、
該バッチデータ抽出手段により抽出されたバッチデータから、各グループについてマルチウェイ手法により1次元化し、これをすべてのグループから抽出されたデータに対して行うグループデータ1次元化手段と、
該グループデータ1次元化手段によりすべてのグループについて1次元化を行った後、該すべてのグループの1次元化されたこれらのデータを結合して全体として1次元データの配列とする全体1次元データ配列手段と、
該全体1次元データ配列手段により得られた各バッチについての1次元データの各要素を「変数」,1次元データ(ベクトル)を1つの「サンプル」とする「変数」×「サンプル」の2次元化データを得るデータ2次元化手段と、
該データ2次元化手段により得られた2次元データに対して多変量解析手法を適用して、解析処理を実行する多変量解析処理手段と、
を備えることを特徴とするバッチプロセスデータの解析装置。 A batch process data analysis device that handles time series data with different sampling cycles for each batch as a group of process data in batch units,
Batch data extraction means for extracting batch data associated with each batch from each group after performing a data alignment process for each of the groups;
A group data one-dimensionalization unit that performs one-dimensionalization for each group from the batch data extracted by the batch data extraction unit and performs this on data extracted from all groups;
After one-dimensionalization is performed on all groups by the group data one-dimensionalization means, the one-dimensional data of all the groups is combined to form a whole array of one-dimensional data. An array means;
Two-dimensional “variable” × “sample” where each element of the one-dimensional data for each batch obtained by the whole one-dimensional data array means is “variable” and one-dimensional data (vector) is one “sample”. Data two-dimensionalization means for obtaining digitized data;
A multivariate analysis processing means for executing an analysis process by applying a multivariate analysis method to the two-dimensional data obtained by the data two-dimensionalization means;
An apparatus for analyzing batch process data, comprising:
前記グループのそれぞれに対してデータアラインメント処理を行った後、各グループから、各バッチに紐付けされたバッチデータを抽出するバッチデータ抽出手段と、
該バッチデータ抽出手段により抽出されたバッチデータから、各グループについてマルチウェイ手法により1次元化し、これをすべてのグループから抽出されたデータに対して行うグループデータ1次元化手段と、
該グループデータ1次元化手段によりすべてのグループについて1次元化を行った後、該すべてのグループの1次元化されたこれらのデータを結合して全体として1次元データの配列とする全体1次元データ配列手段と、
該全体1次元データ配列手段により得られた各バッチについての1次元データの各要素を「変数」,1次元データ(ベクトル)を1つの「サンプル」とする「変数」×「サンプル」の2次元化データを得るデータ2次元化手段と、
該データ2次元化手段により得られた2次元データに対して多変量解析手法を適用して、解析処理を実行する多変量解析処理手段と、
を備えることを特徴とするバッチプロセスデータの解析装置。 A batch process data analysis device that handles a plurality of process data for each batch as a group of process data in batch units,
Batch data extraction means for extracting batch data associated with each batch from each group after performing a data alignment process for each of the groups;
A group data one-dimensionalization means for making one-dimensional data for each group from the batch data extracted by the batch data extraction means, and performing this for data extracted from all groups;
After one-dimensionalization is performed for all groups by the group data one-dimensionalization means, the one-dimensional data of all the groups are combined to form an overall array of one-dimensional data. Arrangement means;
Two-dimensional “variable” × “sample” in which each element of the one-dimensional data for each batch obtained by the whole one-dimensional data array means is “variable” and one-dimensional data (vector) is one “sample”. Data two-dimensionalization means for obtaining digitized data;
A multivariate analysis processing means for executing an analysis process by applying a multivariate analysis method to the two-dimensional data obtained by the data two-dimensionalization means;
An apparatus for analyzing batch process data, comprising:
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