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2021 年度 実績報告書

機械学習による水中病原体と指標微生物の濃度相関解析法の精緻化

研究課題

研究課題/領域番号 19K04661
研究機関群馬大学

研究代表者

加藤 毅  群馬大学, 情報学部, 教授 (40401236)

研究分担者 佐野 大輔  東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (80550368)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
キーワード環境水質工学 / 機械学習
研究実績の概要

環境水や飲用水には感染症を引き起こす病原体が含まれることがある.病原体とは病原細菌,病原ウイルス,および原虫を含む.モニタリングされる指標微生物の水質衛生基準値を設定する際には,指標微生物濃度と病原体濃度との相関関係を適切に定量化することが求められる.しかし,病原体の陽性率の低さが相関計算の障害となっている.本研究では,近年著しい発展を遂げる機械学習を使うことで,指標微生物と病原体の濃度相関解析を改善することを目指した.従来は指標微生物や病原体の濃度を使って相関を計算してきた.これに対し,本研究は,指標微生物や病原体の濃度と同時に取得できる水質データやドメイン知識を利活用することで,相関解析法の高精度化を狙った.
統計学において,トビット法という,非定量値と回帰直線を同時に推定する方法がある.トビット法では,観測された病原体濃度の確率密度関数,および検出限界を下回った濃度がその確率モデルにおいて非観測となる確率質量関数を得ることが出来,それらを組み合わせることで回帰係数の尤度関数を構成する.このアプローチをそのまま使ってしまう場合,予測に用いる情報が不十分になるため,非検出値の予測分布は大雑把なものにしかならず,そこから得られる相関解析は十分な精度で得られない.本研究では,水質データの援用によって,非検出値の予測分布を精密にすることで,相関係数の精度を向上させた.個別の説明変数の予測能力はさほど強くないため,標本が小さいとき符号が逆転した標本相関が発生する.本研究では,ドメイン知識を符号制約で表すことで,標本が小さくても,回帰分析の精度を大きく改善させ,これを相関解析のワークフローに取り込むことで,相関解析の精度を向上させることに成功した.

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2021

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (4件)

  • [雑誌論文] Learning Sign-Constrained Support Vector Machines2021

    • 著者名/発表者名
      Tajima Kenya、Tsuchida Kohei、Zara Esmeraldo Ronnie R.、Ohta Naoya、Kato Tsuyoshi
    • 雑誌名

      ICPR

      巻: 1 ページ: 3264-3271

    • DOI

      10.1109/ICPR48806.2021.9412786

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Asymmetric Tobit Analysis for Correlation Estimation from Censored Data2021

    • 著者名/発表者名
      CAO HongYuan、KATO Tsuyoshi
    • 雑誌名

      IEICE Transactions on Information and Systems

      巻: E104.D ページ: 1632~1639

    • DOI

      10.1587/transinf.2021EDP7022

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Frank-Wolfe Algorithm for Learning SVM-Type Multi-Category Classifiers2021

    • 著者名/発表者名
      TAJIMA Kenya、HIROHASHI Yoshihiro、ZARA Esmeraldo、KATO Tsuyoshi
    • 雑誌名

      IEICE Transactions on Information and Systems

      巻: E104.D ページ: 1923~1929

    • DOI

      10.1587/transinf.2021EDP7025

  • [雑誌論文] Frank-Wolfe algorithm for learning SVM-type multi-category classifiers2021

    • 著者名/発表者名
      Tajima Kenya、Hirohashi Yoshihiro、Zara Esmeraldo Ronnie Rey、Kato Tsuyoshi
    • 雑誌名

      SDM

      巻: 1 ページ: 432~440

    • DOI

      10.1137/1.9781611976700.49

  • [学会発表] サイド情報を活用した水中病原体と指標微生物の相関解析2021

    • 著者名/発表者名
      曹 洪源、佐野 大輔、加藤 毅
    • 学会等名
      第132回数理モデル化と問題解決研究発表会
  • [学会発表] Learning Sign-Constrained Support Vector Machines2021

    • 著者名/発表者名
      Tajima Kenya、Tsuchida Kohei、Zara Esmeraldo Ronnie R.、Ohta Naoya、Kato Tsuyoshi
    • 学会等名
      2020 25th International Conference on Pattern Recognition
  • [学会発表] Frank-Wolfe algorithm for learning SVM-type multi-category classifiers2021

    • 著者名/発表者名
      Tajima Kenya、Hirohashi Yoshihiro、Zara Esmeraldo Ronnie Rey、Kato Tsuyoshi
    • 学会等名
      2021 SIAM International Conference on Data Mining (SDM)
  • [学会発表] フランクウルフ算法によるSVMの符号制約学習2021

    • 著者名/発表者名
      邉見貴彦,土田康平,田島賢哉,加藤 毅
    • 学会等名
      情報処理学会第83回全国大会

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公開日: 2022-12-28  

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