(57)【要約】【課題】各設備の詳細モデルと統計モデルが混在したりする場合において、段階的に獲得していく設備詳細データをもとに、工場シミュレータの段階的な詳細化を支援できる工場のモデル構築支援システムを提供する。【解決手段】詳細なモデルで設備特性を表現する詳細モデル群１２と、統計式など簡素なモデルで設備特性を表現する簡素モデル群１３を具備し、詳細モデル群１２以外に依る運転データを対象設備毎に信号分離し、信号分離したデータにより簡素モデル群１３の設備モデルを段階的にパラメータ更新することで、工場シミュレータ１を段階的に構築する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
詳細なモデルで設備特性を表現する詳細モデル群と、統計式など簡素なモデルで設備特性を表現する簡素モデル群を具備し、前記詳細モデル群以外に依る運転データを対象設備毎に信号分離し、該信号分離したデータにより前記簡素モデル群の設備モデルを段階的にパラメータ更新することで、工場シミュレータを段階的に構築することを特徴とする工場のモデル構築支援システム。
【請求項２】
前記簡素モデル群の一つまたは複数の設備モデルに対し、詳細モデルへの置き換えを管理する手段を有する請求項１に記載の工場のモデル構築支援システム。
【請求項３】
詳細モデル化した設備以外に依る運転データを対象設備毎に信号分離し、簡素にモデル化した設備モデルを同定して詳細度に応じて詳細モデルとし、工場シミュレータを段階的に構築することを特徴とする工場のモデル構築支援システム。
【請求項４】
前記工場シミュレータの設備モデルは、詳細モデル群と簡素モデル群で構成し、簡素モデル群から詳細モデル群に更新する請求項３に記載の工場のモデル構築支援システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に生産工場を対象としたシミュレーションモデルを構築する際に、個々の設備について詳細な知識を獲得した結果を、生産工場のシミュレーションモデルに反映する時に、数式に基づくモデルを容易に組み込むことができる工場のモデル構築支援システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、計算機の性能向上が進み、生産工場では様々なシミュレーション技術を適用して、物流や非製造部門も含めた工場全体の生産効率向上，省エネルギー運転などを図っている。
【０００３】
例えば、〔非特許文献１〕では、エチレンプラントにおける最適化制御を説明している。この最適化制御では、エチレンプラント全体の動特性モデルを構築し、数理最適化計算により運転コストが最適となる制御信号を生成し、高効率な運転を行うことを目的としている。熱交換器の他、設備のモデルを一つ一つ構築し、プラント全体のシミュレーションモデルを、各設備の詳細な特性データに基づき構成している。しかし、これらプラント全体の特性モデルを管理するためには、煩雑な作業を伴うという問題がある。
【０００４】
これに対して、〔特許文献１〕に記載の従来の技術は、動特性モデルの構築コストを低減することを目的としており、予め定義した動特性モデルを蓄積管理する手段を具備し、運転操作条件が変更された場合に、動特性モデルの更新を円滑に行うものである。
【０００５】
また、〔特許文献２〕に記載の従来の技術は、登録したモデルの不整合を検出し、シミュレーションモデル設計者に、その誤りを提示するものである。
【０００６】
また、〔特許文献３〕に記載の従来の技術は、プラントの物理則に基づくシミュレーションモデルに誤差モデルを付加し、誤差モデルで実機プラントとシミュレーションモデルとの誤差を補償する手段を設けるものである。
【０００７】
これらの従来の技術では、大規模なプラントにおいて、詳細なモデルを構築することで省エネ小コスト制御が実現でき、運転方式など条件が変化した場合にモデルを自動構成し直すことが可能であるとされ、また、各モデルの誤り訂正も可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−９９７０８号公報
【特許文献２】特開平５−１０１３２号公報
【特許文献３】特開平１０−２０７５０７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】伊藤利昭「化学産業における制御」コロナ社（２００２）pp.７４−９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
〔非特許文献１〕に記載のように、プラントの詳細モデルを活用して高効率制御を実現するにあたり、詳細な動特性モデルを構築している。
【００１１】
しかし、実際の生産工場を対象とした場合、第一の課題として、全ての設備のモデルを揃えることは困難であるといえる。具体的には、〔特許文献１〕や〔特許文献２〕で説明しているように、実際の生産工場では物理法則に従ったモデル化が困難な設備が多いためである。例えば、組立て工場や搬送設備などをモデル化する場合は、〔非特許文献１〕に示される動特性モデル表現は適用できない。そこで、待ち行列やペトリネットなど、離散事象を表現するモデル形式が採用される場合が考えられる。
【００１２】
また、組立て工場などでは、部品の入庫数と製品の出庫数などと、例えば電気使用量などの必要となる物理データの統計モデルを構築して、シミュレーションに用いる対策が必要である。〔特許文献１〕や〔特許文献２〕で示されたように、各設備のモデル表現形式が統一されることはなく、伝達関数形式や統計モデル，離散事象モデルが混在することが多い。
【００１３】
第二の課題として、生産工場のシミュレータを構築する時点で、各モデルの詳細データが揃うことは少なく、段階的にデータが入手される方が多い。特に動特性に係わるデータは、対象設備をある時間動作させた後に得られ、運用前の設計データと異なることがあり得る。また、搬送系など組立て系のモデル化でも、実際に運用して始めて得られるデータが殆どであり、シミュレータ構築には、段階的なモデル化作業が伴う。〔特許文献３〕に記載の従来の技術では、これらの点について配慮がなされていない。
【００１４】
第三の課題として、詳細な設備データを入手した場合、生産工場のシミュレータに組み込むにあたり、他設備モデルとの整合性確認や、バランス計算を再度行わなければならないことである。特に統計モデルを部分的に採用したシミュレータでは、データセットを用いて、詳細化できた設備を除く他の箇所に対して、あらためて統計式の算出を行わなければならない。
【００１５】
本発明の第１の目的は、石油精製や石油化学分野のようにプロセスモデルの研究が進んだ分野と異なる業種の大規模で複雑化した生産工場に対して、工場シミュレータ構築の作業負担を軽減でき、効率的にシミュレーション精度向上できる工場のモデル構築支援システムを提供することにある。
【００１６】
本発明の第２の目的は、各設備の詳細モデルと統計モデルが混在したりする場合において、段階的に獲得していく設備詳細データをもとに、工場シミュレータの段階的な詳細化を支援できる工場のモデル構築支援システムを提供することにある。
【００１７】
本発明の第３の目的は、シミュレータの段階的詳細化に伴い、シミュレーション精度が低下することを防止できる工場のモデル構築支援システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上記目的を達成するため、工場シミュレータにおいて、詳細なモデルで設備特性を表現する詳細モデル群と、統計式など簡素なモデルで設備特性を表現する簡素モデル群を備え、簡素モデル群の一つまたは複数の設備モデルに対し、詳細モデルへの置き換えを管理する手段と、簡素モデル群から詳細モデル群への置き換え後に、工場操業データに基づき前記簡素モデル群を調整する手段とを備え、工場設備モデルの獲得により、シミュレータのモデル構成を更新した後のシミュレーション精度を保つことにより前記モデル更新作業を効率化し高精度なシミュレーションモデルを構築する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、詳細モデル化した設備以外に依る運転データを対象設備毎に信号分離し、簡素にモデル化した設備モデルを段階的にパラメータ更新することで、工場シミュレータを段階的に構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例１である工場のモデル構築支援システムの構成図。
【図２】本実施例の工場シミュレータに搭載した詳細モデル群の説明図。
【図３】本実施例のモデル更新手段の説明図。
【図４】本実施例のモデル構築支援システムのフローチャート。
【図５】本実施例のモデル構築支援システムの適用対象例を示す図。
【図６】本実施例のモデル更新手段の画面表示例を示す図。
【図７】本実施例の比較手段と信号分離手段の動作の一例の説明図。
【図８】本発明の実施例２のモデル構築支援システムの説明図。
【図９】本実施例のモデル更新手段の画面表示例を示す図。
【図１０】本実施例のモデル構築支援システムのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の各実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２２】
本発明の実施例１である工場のモデル構築支援システムを、図１〜図７を用いて説明する。
【００２３】
図１は、実施例１のモデル構築支援システムの構成図である。
【００２４】
工場シミュレータ１は、詳細モデル群１２と簡素モデル群１３で構成され、簡素モデル群１３には、設備モデルＡ（１３ａ），設備モデルＢ（１３ｂ），設備モデルＣ（１３ｃ）があるものとする。工場シミュレータ１は、モデル更新手段５に接続され、モデル更新手段５はモデル更新手段表示画面５０に接続されている。モデル更新手段表示画面５０には、詳細モデル群１２と簡素モデル群１３の登録状況が表示される。
【００２５】
工場シミュレータ１の詳細モデル群１２は、工場シミュレータ１に接続された比較手段２において、運転データ２０と比較され、運転データ２０から詳細モデル群１２の出力を減じた値が出力される。
【００２６】
信号分離手段３は、入力された信号を、簡素モデル群４０の各設備モデル毎の入力信号に分離する。信号の分離方法としては、時系列データの分離方法により、例えばモデルの数に応じて按分する方法や、大まかな設備特性に応じて定常ゲイン，時定数の割り当てを実施する方法などが採用される。
【００２７】
簡素モデル群４０は、工場シミュレータ１に搭載された簡素モデルと同じモデルであり、パラメータ同定手段４を具備している。パラメータ同定手段４によるパラメータ同定は、運転データ２０と各設備モデル毎に分離した入力信号をもとに演算する。簡素モデル群４０でパラメータ同定された簡素モデルは、工場シミュレータ１のモデルパラメータ更新を実行する。
【００２８】
図２は、実施例１の工場のモデル構築支援システムにおける、工場シミュレータ１に搭載した詳細モデル群の説明図である。詳細モデル群１２は、図２に示すように、各設備毎の詳細モデルを有し、詳細モデルは、個々の設備毎に独立した数式あるいはその他の表現で構成される。
【００２９】
図３は、実施例１の工場のモデル構築支援システムにおける、モデル更新手段５の説明図である。モデル更新手段５は、モデル更新手段表示画面５０に接続され、工場シミュレータ１に搭載した各設備モデルを個々に管理する。モデル更新手段５では、各設備モデルが詳細モデル群１２に属するか、簡素モデル群１３に属するかを登録管理し、モデルの入出力変数を管理する。
【００３０】
図３に示す設備モデルＣには、簡素モデルとして数式で登録した例を示している。この例では、入出力の関係は、関数Ｙ＝Ｆ（Ｘ）で表されている。
【００３１】
図４は、実施例１の工場のモデル構築支援システムにおける処理のフローチャートである。
【００３２】
ステップ２１で、工場シミュレータ１において、詳細モデル群１２は運転データ２０を読み込み、ステップ２２で、詳細モデルにおいて部分的にシミュレーション計算を実行する。ステップ２３で、詳細モデル群の出力結果と、工場シミュレータ１の対象とする、工場の運転データ２０とを比較し、その残差を計算する。
【００３３】
ステップ２４の残差信号分離処理において、工場運転データ２０から詳細モデル群１２の出力を減じた分の信号を分離する。分離処理では、簡素モデル群１３に登録された設備モデル毎に分離する。但し、計測点のない設備については、推定結果を返すものとする。
【００３４】
ステップ２５で、残差信号は該当する簡素モデルの入力信号とし、ステップ２６で、この入力信号を用いて簡素モデル群１３のパラメータ同定計算を実行する。簡素モデルのパラメータ同定計算は、工場の運転データ２０と残差信号を分離したデータを用いて、最小二乗法などによりモデルパラメータを決定する。
【００３５】
簡素モデル群１３の同定計算により決定したモデルパラメータを用いて、ステップ２７で、工場シミュレータ１の簡素モデルを更新する。更新した簡素モデル、工場シミュレータ１を再び用いて、簡素モデル群１３のモデルを継続的に更新し、工場シミュレータ１のモデル精度を向上する。
【００３６】
図５は、実施例１のモデル構築支援システムの適用対象の一例である工場設備を示す図である。図５では、設備モデルとして、ボイラ６０，吸収式冷凍機６１，図示しない受電設備、及び製造工程Ａ（６２），製造工程Ｂ（６３），製造工程Ｃ（６４）を示している。
【００３７】
ボイラ６０は、重油またはガスを燃料として蒸気を発生する。吸収式冷凍機６１は、ボイラ６０から供給される蒸気、受電設備より供給される電気を使用して、冷水を製造する。製造工程Ａ（６２），製造工程Ｂ（６３），製造工程Ｃ（６４）では、吸収式冷凍機６１で製造される冷水を、工程での空調などに用いる。
【００３８】
図５では、ボイラ６０，受電設備及び吸収式冷凍機６１は、詳細モデルとし、製造工程Ａ（６２），製造工程Ｂ（６３），製造工程Ｃ（６４）は、簡素モデルとしている。
【００３９】
実際に、冷水を入力とした製造工程Ａ（６２），製造工程Ｂ（６３），製造工程Ｃ（６４）のモデルを構成する場合、詳細なモデル化は工場運転を経てからでないと困難であり、工場シミュレータ１の構築時は、簡素モデルにより近似的な設定をすることとなる。その後、工場運転を経て、図４に示した手順により、製造工程Ａ（６２），製造工程Ｂ（６３），製造工程Ｃ（６４）を精度を段階的に向上する。
【００４０】
図６は、実施例１のモデル構築支援システムのモデル更新手段５の画面表示例である。
【００４１】
モデル更新手段５は、各設備モデルの入出力変数管理と、当該モデルが詳細モデルか簡素モデルに属するかの管理を行う。モデル更新手段５は、このように設備モデルが詳細モデル群か簡素モデル群のどちらに属し、モデル表現により、どちらに属させるかの変更管理を可能としている。
【００４２】
図７は、実施例１のモデル構築支援システムにおける比較手段２と信号分離手段３の動作の一例を説明した図である。
【００４３】
運転データ２０として、冷水量を時系列データとして入力する。比較手段２では、冷水量から詳細モデル群の冷水量を減算し、簡素モデル群の冷水量を算出する。
【００４４】
次に、簡素モデル群で使用する冷水量の時系列データを、信号分離手段３において、各設備毎に使用する冷水量に分離する。分離方法は、当該設備の性能などで按分する。このように、按分した冷水量データを用いて、設備毎の簡素モデルのパラメータを更新し、工場シミュレータ１に登録する。
【００４５】
本実施例によれば、詳細モデル化した設備以外に依る運転データを対象設備毎に信号分離し、簡素にモデル化した設備モデルを段階的にパラメータ更新することで、工場シミュレータを段階的に構築することができる。
【実施例２】
【００４６】
本発明の実施例２である工場のモデル構築支援システムを、図８から図１０を用いて説明する。
【００４７】
図８は、実施例２のモデル構築支援システムの説明図である。工場シミュレータ１は、詳細モデル群１２と簡素モデル群１３で構成され、簡素モデル群１２は、設備モデルＡ（１３ａ），設備モデルＢ（１３ｂ）を具備する。実施例１と異なる点は、設備モデルＣ（１３ｃ）が登録対象外となっていることである。
【００４８】
信号分離手段３は簡素モデル群１３に対して、各モデル毎の入力信号に分離する。信号の分離方式としては、時系列データの分離方法により、設備モデルＡ（１３ａ），設備モデルＢ（１３ｂ）に応じて按分する場合や、大まかな設備特性に応じて、定常ゲイン，時定数の割り当てを実施するなどがある。この簡素モデル群１３は、工場シミュレータ１に搭載された簡素モデルと同じモデルを搭載し、パラメータ同定手段４を具備する。
【００４９】
パラメータ同定手段４によるパラメータ同定は、運転データ２０と各モデル毎に分離した入力信号をもとに演算される。簡素モデル群１３でパラメータ同定された簡素モデルは、工場シミュレータ１にモデルパラメータ更新を実行する。
【００５０】
図８において、簡素モデル群１３に登録していた設備モデルＣ（１３ｃ）は、モデル更新とともに、詳細モデル群１２に登録更新となる。
【００５１】
図９は、実施例２のモデル構築支援システムのモデル更新手段５の画面表示の一例を示す図である。
【００５２】
簡素モデルである製造工程Ｃ（１３ｃ）は、簡素モデル群１３から詳細モデル群１２に登録変更される。モデル更新手段５の画面にて、簡素モデルから詳細モデルに表示変更された後は、製造工程Ｃ（１３ｃ）の設備モデルは、運転データ比較の対象から除かれることとなる。
【００５３】
図１０は、実施例２のモデル構築支援システムにおける動作内容を記したフローチャートである。本実施例を図１０のフローチャートを用いて説明する。
【００５４】
ステップ７１で、工場シミュレータ１において、詳細モデル群１２のモデルデータを設定した後、ステップ７２で、運転データを読み込む。ステップ７３で、詳細モデルにおいて部分的にシミュレーション計算を実行する。ステップ７４で、詳細モデル群の出力結果と、工場シミュレータ１の対象とする、工場の運転データ２０とを比較し、その残差を計算する。
【００５５】
ステップ７５で、残差信号分離処理において、工場の運転データ２０から詳細モデル群１２の出力を減じた分の信号を分離する。分離処理では、簡素モデル群１３に登録された設備モデル毎に分離するが、計測点のない設備については、推定結果を返すものとする。
【００５６】
ステップ７６で、残差信号は該当する簡素モデル群１３の入力信号とし、ステップ７７で、この信号により簡素モデル群１３のパラメータ同定の再計算を実行する。簡素モデル群１３のパラメータ同定再計算は、工場運転データと残差信号を分離したデータを用いて、最小二乗法などによりモデルパラメータを決定する。
【００５７】
ステップ７８で、簡素モデル群の同定計算により決定したモデルパラメータを用いて、工場シミュレータ１の簡素モデルの組み合わせを更新する。設計者は、更新したモデル精度をみて、設備モデルを詳細モデル群に登録することができる。更新した簡素モデルを用い、工場シミュレータ１を再度使用して、簡素モデル群１３のモデルを継続的に更新し、工場シミュレータ１のモデル精度を向上する。
【００５８】
このようにして、本実施例のモデル構築支援システムは、工場シミュレータ１を、操業から段階的にモデル更新し、シミュレーション精度を保つようにしている。
【００５９】
本実施例によれば、詳細モデル化した設備以外に依る運転データを対象設備毎に信号分離し、簡素にモデル化した設備モデルを段階的にパラメータ更新することで、工場シミュレータを段階的に構築することができる。
【００６０】
以上、説明したように、各実施例によれば、工場の各設備を段階的に獲得できるので、部分毎にモデルの詳細化を実施した場合でも、工場シミュレータ全体の精度を保つことが可能となる。
【００６１】
また、簡素モデル群は、運転データを用いて再度モデル化作業が必要であるが、その作業効率化が可能となる。
【００６２】
また、簡素モデル群の更新を繰り返すことにより、詳細モデル化が困難な設備対象についても、モデル特性を段階的に獲得することが可能となる。
【００６３】
又、工場で設備増強または休止廃止などにより設備モデルをシミュレータから外した場合でも、シミュレーション精度を保つことが可能となる。
【符号の説明】
【００６４】
１  工場シミュレータ
２  比較手段
３  信号分離手段
４  パラメータ同定手段
５  モデル更新手段
１２  詳細モデル群
１３  簡素モデル群
２０  運転データ
５０  モデル更新手段表示画面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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