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セマンティックアノテーションおよび時間遅れ型 センサー信号を規範とする機械加工現象のデジタ ルツイン作成システムの開発
Get PDF北見工業大学博士（工学）Manufacturing has rapidly been transforming under the umbrella of the
fourth industrial revolution, known as Industry 4.0 or smart manufacturing,
which diligently utilizes information and communication technology. In
smart manufacturing, cyber-physical systems host Internet-of-Things (IoT)-
based networks and digital twins. The networks integrate manufacturing enablers
such as computer numerical control machine tools, robots, numerous
process and resource planning systems, and human resources. Digital twins
are computable virtual abstractions of real-world entities exhibiting real-time
responsive capacities. The twins work as the brains of the enablers; that is,
the twins supply the required knowledge and help enablers solve problems
autonomously, responding to various sensor signals in real-time.
Remarkably, three types of digital twins (object, process, and phenomenon
twins) must populate the cyber-physical systems. Compared to other twins,
phenomena twins have not yet been researched elaborately. This thesis fills
this gap. The issues underlying semantic annotation and time latency (or
delay) are significant for a phenomenon twin. Time latency or delay occurs
when sensor signals are exchanged through the abovementioned embedded
systems. As a result, the signal at its origin (e.g., machine tools) and signal
received at the receiver end (e.g., digital twin) differ. Moreover, many
datasets of heterogeneous sensor signals are exchanged through IoT-based
networks. Hence, acquiring the right signals for a twin is difficult and timeconsuming.
Semantic annotation-based representation of sensor signals can
solve this problem. Thus, a phenomenon twin must machine-learn the required
knowledge to emulate the phenomenon from the relevant historical
sensor signal datasets, seamlessly interact with the real-time sensor signals,
handle the semantically annotated datasets stored in clouds, and accommodate
the transmission delay or latency.
Accordingly, this thesis presents two systems denoted as Digital Twin
Construction System (DTCS) and Digital Twin Adaptation System (DTAS).
The first system constructs a phenomenon twin, and the other adapts the
constructed twin into a cyber-physical system. Both systems are developed
using a JavaTM-based platform. The modular architectures of the systems
are presented in detail. In addition, real-life machining torque signals are
used to demonstrate the efficacy of DTCS and DTAS.
DTCS consists of five modules denoted as Input, Modeling, Simulation,
Validation, and Output Modules. The Input Module can make sense of the
semantically annotated datasets and helps users select the right ones. It ensures
fast and effective data mining using a human-machine-comprehensible
semantic annotation mechanism (concept map and Extensible Markup Language
(XML) driven). The Modeling Module can extract the required knowledge
to emulate a phenomenon from the information supplied by the Input
Module. This module uses a Markov chain-based machine learning method
and accommodates data transmission delay-related arrangements. The Simulation
Module can operate on the knowledge extracted by the Modeling
Module and simulate the signals of the phenomenon using a discrete eventbased
stochastic simulation method. The Validation Module can validate the
simulated signals of the phenomenon against the real signals using quantitative
measures (e.g., fuzzy numbers). Finally, the Output Module transfers
the selected Modules of DTCS to DTAS. DTAS, in turn, can adapt the constructed
phenomenon twin into the cyber-physical system for monitoring and
troubleshooting.
The thesis is organized as follows. Chapter 1 presents the introduction
of this study. Chapter 2 provides a literature review on the role of cyberphysical
systems and digital twins in smart manufacturing or Industry 4.0.
Chapter 3 describes a semantic annotation-based representation mechanism
of data and knowledge. Chapter 4 describes the role of the delay domain in
mitigating the effect of time delay or latency of signal transmission. Chapter
5 presents the proposed DTCS and DTAS. Chapter 6 demonstrates the
efficacy of DTCS and DTAS using a real-life case of intelligent monitoring
of machining (milling). Chapter 7 discusses the implications of this study
and highlights future research directions. Finally, Chapter 8 provides the
concluding remarks of this thesis.
Since the digital twins of the machining phenomena are needed to make
the machine tools and other programmable devices more intelligent and autonomous,
the presented DTCS and DTAS contribute to the befitting advancement
of Industry 4.0 or smart manufacturing.製造業は、インダストリー4.0またはスマートマニュファクチャリングと
して知られる第4次産業革命のもとで急速に変化している。この革命は
積極的な情報通信技術の利用によってサイバーフィジカルシステムを明
示し、IoTを規範とするネットワークおよびデジタルツインで構成され
る。IoTを規範とするネットワークは、コンピューター数値制御型工作
機械、ロボット、多数のプロセスおよびリソース計画システム、人材な
どの製造イネーブラーを統合する。デジタルツイン（リアルタイムの応
答能力を持つ実世界のエンティティの計算可能な仮想モデル化）は製造
イネーブラーの頭脳として機能している。つまり、デジタルツインは製
造イネーブラーが問題を自律的に解決するために必要な知識の獲得やさ
まざまなセンサー信号のリアルタイムによる応答を支援する。
注目すべき点はサイバーフィジカルシステムには3種類のデジタルツ
イン（物体、工程、および現象ツイン）を用意しなければならない点で
ある。しかし物体及び工程ツインの研究は進んでいるが、現象ツインに
おいてはまだ研究は不十分である。本論文はこのギャップを埋めること
を目的にしている。
現象ツインは、サイバースペースで与えられた現象（切削抵抗、ト
ルク、表面粗さなど）をエミュレートし、製造イネーブラー（工作機械
など）に必要な知識を与えることでそのイネーブラーをより効率的に活
躍させる。しかし現象ツインの作成に当たり、セマンティックアノテー
ション及び時間遅れという問題を考慮した対策を導入する必要がある。
時間遅れは、センサー信号が上記の組み込みシステムを介して交換
されるときに発生する。その結果、発信元の信号（工作機械側）と受信
側で獲得される信号（デジタルツイン側）が異なる。さらに、異種セン
サー信号の多くのデータセットは、IoTを規範とするネットワークを介
して交換される。従って、現象ツインには次の機能が求められる。
1. 与えられたセンサー信号データセットから必要な知識を機械学習に
よって獲得すること。
2. リアルタイムセンサー信号とシームレスに相互作用すること。
3. クラウドに保存されているセマンティックアノテーションデータ
セットを処理すること。
4. センサー信号の時間遅れに対応すること。
本論文ではデジタルツイン構築システム（DTCS）およびデジタルツ
イン適応システム（DTAS）について述べる。DTCSは現象ツインを構築
し、DTASは構築されたツインをサイバーフィジカルシステムに適応さ
せる。本システムはJavaTMプラットフォームによって開発する。各シス
テムの詳細について述べるとともに機械加工のとき発生するトルク信号
を用いて開発されたシステムの有効性を実証する。DTCSは、入力、モ
デリング、シミュレーション、バリデーション、および出力という5つ
のモジュールで構成される。入力モジュールは、セマンティックアノ
テーションされた信号データセットを理解し、ユーザーが選択した適
切なデータセットを獲得することができる。このモジュールは、セマ
ンティックアノテーションメカニズムによって用意されたデータ（概念
マップおよびExtensible Markup Language（XML）型データ）を高速か
つ効果的にマイニングすることができる。モデリングモジュールは、入
力モジュールによって提供されるデータセットから現象をエミュレート
するための知識を獲得することができる。その際、マルコフ連鎖型機械
学習の実施および時間遅れの影響に対応することができる。シミュレー
ションモジュールは、モデリングモジュールによって獲得された知識
に基づいて動作し、離散事象シミュレーションを用いて現象の信号をシ
ミュレートすることができる。バリデーションモジュールは、定量的手
法によって（例：ファジー数）現象のシミュレーションされた信号を実
際の信号に対して検証することができる。出力モジュールは、DTCSか
ら選択されたモジュールをDTASに転送することができる。最後に、モ
ニタリングやトラブルシューティングのため、DTASはDTCSから転送さ
れた現象ツインの各モジュールをサイバーフィジカルシステムに導入す
ることができる。
本論文は次のように構成する。第1章では、第4次産業革命および関
連研究分野の概要を説明する。第2章では、インダストリー4.0における
サイバーフィジカルシステムやデジタルツインの役割に関する文献を
レビューする。第3章では、セマンティックアノテーションに関するメ
カニズムを述べる。第4章では、時間遅れとそのセンサー信号の性質へ
の影響および時間遅れドメイン型信号処理の有効性について述べる。doctoral thesi
北見工業大学社会連携推進センター ニュースレター「ウィズ」 No.7
Get PDF■FOCUS
オープンイノベーションセンター
2022年4月始動
■TOPIC
美幌町と北見工業大学との包括的連携協定締結
「アグリビジネス創出フェア2021」へ出展
北海道中小企業家同友会オホーツク支部
「第2 回ビジネスマッチング交流会」
■共同研究
■スタッフ活動othe
Diffusive methane burst during a blue tide, wind-driven event in a meromictic lake
Get PDFAbstract: Strong stratification has formed in Lake Abashiri, a typical meromictic lake in Hokkaido, in the subarctic zone in Japan. When the anoxic water of the lower layer is upwelled to the surface by a strong wind, fish and corbicula clams die due to a lack of dissolved oxygen. This event is called as blue tide. It was observed that the dissolved methane in the lake decreased more than 100 t after the blue tide which occurred in 2008. This is the discovery of the phenomenon that a large quantity of methane diffuses to the atmosphere caused by upwelling of anoxic water which contains dissolved methane. We named the event as “methane burst”. It is also the first report that the wind-driven upwelling is reproduced using a numerical analysis code and the methane burst is analyzed. During this blue tide, the methane flux was approximately 170 times greater than usual.journal articl
教職員と先輩がすすめる 新入生へのブックガイド2022
Get PDF「新入生へのブックガイド」は、新入生にぜひ読んでいただきたいこれからの学生生活に役に立つような図書を教員・職員が推薦するものです。掲載図書
あ
◆ アルケミスト 夢を旅した少年 …19
◆ 「いつものパン」があなたを殺す…20
◆ 嘘をもうひとつだけ…35
◆ エリック・ホッファー自伝…2
か
◆ 学生時代にやらなくてもいい20のこと…30
◆ 学問のすすめ…6
◆ 虞美人草…13
◆ 恋する寄生虫…36
さ
◆ 女子栄養大学 料理のなるほど実験室…22
◆ 人生を変えるモーニングメソッド…28
◆ 成長マインドセット…32
◆ 世界でもっとも美しい10の科学実験…16
◆ そして、バトンは渡された…34
た
◆ 正しく知る地球温暖化…37
◆ 多分そいつ、今ごろパフェとか食ってるよ。…18
◆ ダロウェイ夫人…14
◆ 地球・惑星・生命…7
◆ 知的複眼思考法…33
◆ 徹底カラー図解 自動車のしくみ…31
◆ どちらかが彼女を殺した…38
◆ トレーニングのプロが本気で考えた効果絶大自重筋トレ …9
は
◆ 人という動物と分かりあう…5
◆ 物質科学の世界…8
◆ フランス人は10着しか服を持たない…26
◆ 干し芋の丸かじり…4
◆ ボッコちゃん…15
ま
◆ 神酒クリニックで乾杯を…29
◆ 名画の謎 ギリシャ神話篇…27
ABC123
◆ Life shift 100年時代の人生戦略…25
◆ Pythonで学ぶ強化学習…3
◆ Tools of titans…11
◆ 100年後まで残したい日本人のすごい名言…21
◆ 1日1ページ、読むだけで身につく日本の教養365…23
◆ 99・9%は仮説…12
◆ 99%が後悔でも。…17othe
持続可能な水処理技術のための分離媒体の研究
Get PDF北見工業大学博士（工学）A novel separation medium was developed for designing simple, highly efficient,
and eco-friendly remediation technologies for treating water containing highly
bioactive organic pollutants such as pharmaceuticals, personal care products, and
pesticides. The separation medium, didodecyldimethylammonium bromidemontmorillonite
(DDAB-MT) organoclay, was readily prepared by mixing a
dialkylated cationic surfactant, didodecyldimethyl-ammonium bromide (DDAB)
and a layered clay mineral, montmorillonite K30 (MT), in the aqueous solution.
The possibility of DDAB-MT organoclay for treating water contaminating highly
bioactive organic pollutants was studied.
DDAB-MT organoclay was used for the sorption and degradation of an
organophosphate pesticide, fenitrothion, in water. The degree of sorption
increased by the modification of MT with DDAB, because of the formation of
hydrophobic DDAB assemblies for the sorption of hydrophobic fenitrothion.
Fenitrothion ([M+1] = 278) sorbed on the organoclay rapidly converted to the
degraded product anion ([M] = 262) followed by the further degradation into 3-
methyl-4-nitrophenol ([M−1] = 152). The activation energy for the first-order
reaction of the primary degradation of fenitrothion (79.9 kJ mol−1) in the organoclay
was lower than the value (94.1 kJ mol−1) in water. Organoclay-mediated catalytic
activity expressed over a wide pH region (pH 5−9), being advantageous for the
application to different wastewaters and environmental waters. Continuous sorption
and degradation of fenitrothion in contaminated water was examined by using a
laboratory-scale organoclay-packed column. Fenitrothion-free effluent
containing its degraded product, 3-methyl-4-nitrophenol, having lower toxicity to
aquatic organisms outflowed from the bottom of the column.
The sorption of various antibiotics, pharmaceuticals and personal care products
in water onto DDAB-MT organoclay was also studied. The extent of the sorption
on the organoclay was largely dependent on the DDAB content; the effect of DDAB
modification on the sorption was also influenced by hydrophobicity and/or net
charge of pharmaceutical. The binding constants of β-lactam antibiotics were
determined from their interaction with the DDAB molecules on the organoclay and
were correlated with their aqueous-octanol distribution coefficients. Additionally,
it was also influenced by the net charge of the antibiotic. A wide range of β-lactam
antibiotics including penicillin- and cephalosporin-type antibiotics were sorbed on
the organoclay and rapidly degraded under mild conditions (pH 7, 25ºC). The
continuous sorption and degradation of penicillin G in a buffer solution and
synthesized hospital wastewater were demonstrated by using an organoclay-packed
column. The resulting effluent was free of penicillin, and containing only
penicillin degraded products.
In conclusion, DDAB-MT organoclay was useful separation medium for
decontaminating water containing bioactive organic pollutants such as
pharmaceuticals, personal care products, and pesticides. Because of high water
permeability and hydrophobic property, the organoclay sorbed a wide range of
organic pollutants and efficiently decontaminated polluted water. Moreover, β-
lactam antibiotics and fenitrothion sorbed on the organoclay degraded into less
toxic compounds. Continuous sorption and degradation in the contaminated water
was successfully demonstrated, suggesting the usefulness of DDAB-MT
organoclay as a barrier material for controlling diffusion of bioactive organic
pollutants.医薬品，パーソナルケア製品，農薬などの生理活性の高い有機汚染物質
含有水の処理のために，簡便で高効率かつ低環境負荷水処理技術を設計す
るために，新しい分離媒体を開発した。この分離媒体は, 二本鎖カチオン
性界面活性剤である臭化ジメチルアンモニウム（DDAB）と層状粘土鉱物で
あるモンモリロナイトK30（MT）を水溶液中で混合することにより、容易に
調製することができた。DDAB-MT オルガノクレーによる高生理活性有機汚
染物質汚染水処理の可能性を検討した。
DDAB-MT オルガノクレーを用いて，有機リン酸系農薬であるフェニトロ
チオンの水中での吸着・分解実験を行った。 MT をDDAB で修飾することで
吸着量が増加した。これは疎水性のDDAB 集合体が形成され、疎水性のフェ
ニトロチオンがそこに吸着されたためである。オルガノクレーに吸着した
フェニトロチオン([M+1] = 278)は，速やかに分解生成物のアニオン([M] =
262)に変換され，さらに3-methyl-4-nitrophenol([M-1] = 152)に分解さ
れた。 オルガノクレーにおけるフェニトロチオンの一次分解の活性化エネ
ルギー（79.9 kJ mol-1）は，水中での値（94.1 kJ mol-1）よりも低かった。
オルガノクレーを用いた触媒活性は，広いpH 領域（pH5～9）で発現してお
り，さまざまな排水や環境水への適用に有利であった。実験室規模のオル
ガノクレー充填カラムを用いて、フェニトロチオン汚染水の連続的な吸着・
分解実験をおこなった。 カラムの底から流出する、フェニトロチオンの分
解物である3-methyl-4-nitrophenol を含み、フェニトロチオンを含まない
水は、水生生物への毒性が低い。
また，水中のさまざまな抗生物質，医薬品，パーソナルケア製品のDDABMT
オルガノクレーへの吸着についても検討した。オルガノクレーへの吸着
量は，DDAB の含有量に大きく依存しており，吸着に対するDDAB の修飾の
効果は，医薬品の疎水性や正味の電荷にも影響を受けた。 β-ラクタム系
抗生物質の結合定数は，オルガノクレー上のDDAB 分子との相互作用から決
定され，水-オクタノール分配係数と相関していた。 さらに，抗生物質の
正味の電荷にも影響を受けていた。 ペニシリン系，セファロスポリン系を
含む広範なβ-ラクタム系抗生物質がオルガノクレーに吸着し，温和な条
件（pH7，25℃）で速やかに分解された。 オルガノクレーを充填したカラ
ムを用いて，緩衝液および合成病院排水中のペニシリンG の連続的な吸着
と分解実験をおこなった。 得られた廃液にはペニシリンは含まれず，ペニ
シリンの分解物のみが含まれていた。
結論として，DDAB-MT オルガノクレーは，医薬品，パーソナルケア製品，
農薬などの生理活性有機汚染物質を含む水の汚染物質除去に有用な分離媒
体であった。 オルガノクレーは高い透水性と疎水性を有しているため，広
範囲の有機汚染物質を吸着し，汚染水を効率的に処理することができた。
さらに、オルガノクレーに吸着したβ-ラクタム系抗生物質やフェニトロ
チオンは、毒性の低い化合物に分解された。 また，汚染水を連続的に吸着・
分解することが確認され，DDAB-MT オルガノクレーが生理活性有機汚染物
質の拡散を抑制するバリア材料として有用であることが示唆された。doctoral thesi
X線光電子分光によるニッケルチタン合金酸化挙動の精密解析
Get PDF北見工業大学工学（博士）ニッケルチタン合金は、形状記憶性や超弾性を発現することから、医療からロボット分野まで幅広く活用されている。その一方で、構成元素のニッケルの溶出によって発現する金属アレルギー、酸化物形成による他種金属との接合不良など、合金表面における化学反応が起因となる課題を抱えている。本博士論文の研究では、X線光電子分光を駆使し、ニッケルチタン合金表面の化学状態、及びその特異な酸化挙動を精密に解析したので、その成果をまとめた。doctoral thesi
消費期限を考慮したダイナミックプライシングを伴う仕入戦略
Get PDFスーパーマーケットにおける消費期限までの残日数に応じた食品の割引は一種のダイ
ナミックプライシングと考えられている．ダイナミックプライシングを伴う仕入戦略は既に
検討されている．しかし，従来研究では消費期限は考慮されていない．そこで，本研究では
消費期限を考慮したダイナミックプライシングを伴う仕入戦略方法を提案する．従来研究同
様に提案方法では，マルコフ決定過程を利用して統計的決定理論に基づいて期待利益を最大
化する．提案方法では，期待利益は動的計画法によって最大化される．提案方法の有効性を
数値計算例で示す．提案方法による期待利益は比較対象の期待利益よりも大きいことを確認
した．また，提案方法による適応的な選択も確認された．本研究は基礎研究であり，今後の
拡張研究が必要である．journal articl
Okhotsk Skies Kitami Institute of Technology 2022 Vol.34
Get PDF◆【特集・1】
国立大学法人 北海道国立大学機構…2
【特集・2】
カーリング競技への工学的アプローチ…6
◆サークル紹介・7
スキー部 / KIT手話サークル
◆【特別企画】3大学経営統合直前…4
3大学の特徴を活かした研究
◆研究広報シリーズ…11
地域の魅力発信 地域資源を観光資源に
◆新しいカリキュラム・6…16
空間地理情報実習
生命科学
◆科研費研究紹介・10…18
◆女性研究者・6…19
◆研究室ルポ・2…20
雪氷環境研究室
産学官連携価値創造研究室articl