リアルタイム水中病原体濃度レベル予測システムの開発

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K00591
• 研究機関: 群馬大学
• 研究代表者: 加藤 毅 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (40401236)
• 研究分担者: 佐野 大輔 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80550368) ; 小林 彩乃 和歌山工業高等専門学校, その他部局等, 助教 (30736153) [辞退]
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 汚染調査と評価 / 機械学習

研究実績の概要

水質モニタリングデータから病原体濃度を予測するためには，それまでに得られていた水質モニタリングデータと病原体濃度のペアの集合からルールを統計的に見つけ出す必要がある．説明変量と目的変量との関係を自動獲得するための方法論は統計学などの分野において確立されているものの，本研究課題において特徴的な点は病原体濃度がある閾値以下であるおいては観測されないという特殊な状況がある点である．この状況に対する一つのアプローチとして，平成２７年度において，バイナリ識別タスクに帰着させて正則化平滑化ヒンジサロゲート損失最小化の原理に基づくルール獲得のためのアルゴリズムを開発していたが，平成２８年度では病原体濃度そのものを直接予測できるように正則化二乗誤差損失最小化のアルゴリズムを開発した．そのアルゴリズムにおいては，検出限界未満のデータを欠損値として統計的推論の理論を導入した．統計的推論においては統計模型のパラメータを決定することになり，正則化項に対応する事前分布を掛け合わせた尤度関数の最大化を行うこととなる．正則化尤度関数の直接最大化は数値的に従順ではなくなるが，欠損値を事後分布として扱い，その事後分布を用いて完全データ対数尤度関数におけるモーメントを逐次的に更新することで従来の統計的枠組みに基づく推論を適用した．モーメント計算には一般には数値積分を要してしまうが，統計モデルに正規性仮定を課すことで逆ミルズ比を通した高速計算を実現した．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

説明変量及び目的変量の収集および整理は実現しており，加えて水質モニタリングデータから病原体濃度を予測するために必要な模型のパラメータの決定アルゴリズムの開発にも成功しているから．

今後の研究の推進方策

今後は完成したアルゴリズムのオンラインソフトウェアを構築するために，Python言語への移植を行う．また，インタフェースを構築するために，Apacheによるウェブサーバの構築を行い，CGIプログラムの開発を行っていく．

次年度使用額が生じた理由

次年度使用額が生じた理由は，統計科学のコミュニティにおいてより強いインパクトが得られる研究成果を得たために，その成果発表に適切な会場を選択したところ旅費の面において予算的余裕が生じた．

次年度使用額の使用計画

Apacheによるウェブサーバの公開を目指して，インターネットからアクセス可能なネットワークの構築に必要な機材，および利用者にストレスなく計算結果を返すことが可能な計算機の取得，および，サーバ構築に必要な人件費に使用する．

研究成果

• [雑誌論文] Removal of human pathogenic viruses in a down-flow hanging sponge (DHS) reactor treating municipal wastewater and health risks associated with utilization of the effluent for agricultural irrigation (2017)
  • 著者名/発表者名: Naohiro Kobayashi, Mamoru Oshiki, Toshihiro Ito, Takahiro Segawa, Masashi Hatamoto, Tsuyoshi Kato, Takashi Yamaguchi, Kengo Kubota, Masanobu Takahashi, Akinori Iguchi, Tadashi Tagawa, Tsutomu Okubo, Shigeki Uemura, Hideki Harada, Toshiki Motoyama, Nobuo Araki, Daisuke Sano
  • 雑誌名: Water Research 巻: 110 ページ: 389---398
  • DOI: j.watres.2016.10.054
  • 査読あり
• [雑誌論文] 下水再生処理におけるヒト腸管系ウイルスの目標除去効率の算定法 (2016)
  • 著者名/発表者名: 伊藤寿宏，押木守，小林直央，加藤毅，瀬川高弘，幡本将史，山口隆司， 原田秀樹，北島正章，岡部聡，佐野大輔
  • 雑誌名: 土木学会論文集 巻: 72, III ページ: 305-313
  • DOI: jscejer.72.III_305
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of virus reduction efficiency in wastewater treatment unit processes as a credit value in the multiple-barrier system for wastewater reclamation and reuse (2016)
  • 著者名/発表者名: Toshihiro Ito, Tsuyoshi Kato, Makoto Hasegawa, Hiroyuki Katayama, Satoshi Ishii, Satoshi Okabe, Daisuke Sano
  • 雑誌名: Journal of Water and Health, vol 14, no. 5, pp.879--889, doi: wh.2016.096 巻: 14 ページ: 879--889
  • DOI: wh.2016.096
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 水中病原体の許容感染リスクに基づいた水質衛生基準候補値の算出方法に関する提案 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小林彩乃，佐野大輔，加藤毅，伊藤寿宏，宮村明帆，三浦尚之，石井聡，岡部聡
  • 雑誌名: 土木学会論文集G（環境）, Vol. 72, No. 3 p. 40-49, 2016． 巻: Vol. 72, No. 3 ページ: 40-49
  • DOI: 10.2208/jscejer.72.40
  • 査読あり
• [学会発表] 下水再生利用のためのノロウイルス目標除去効率算定に関する研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤寿宏，北島正章，加藤毅，石井聡，瀬川高弘，岡部聡，佐野大輔
  • 学会等名: 環境微生物系学会合同大会2017
  • 発表場所: 東北大学
  • 年月日: 2017-08-29 – 2017-08-31
• [学会発表] ナノ流路デバイスを用いた下水中RNAウイルス定量およびタイピング：DHSリアクターへの適用例 (2017)
  • 著者名/発表者名: 押木守, 小林直央, 荒木信夫, 伊藤寿宏, 佐野大輔， 三浦尚之, 風間しのぶ, 原田秀樹, 久保田健吾， 幡本将史, 山口隆司, 井口晃徳 瀬川高弘, 加藤毅, 多川正， 大久保努, 上村繁, 高橋優信，
  • 学会等名: 日本水環境学会年会
  • 発表場所: 熊本大学
  • 年月日: 2017-03-15 – 2017-03-17
• [学会発表] 符号制限線形識別器の開発と河川水中大腸菌数予測への応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小林 美里（修士１年），宮村 明帆，佐野 大輔，加藤 毅
  • 学会等名: 第 15 回情報科学技術フォーラム FIT2016
  • 発表場所: 富山大学
  • 年月日: 2016-09-08 – 2016-09-08