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SFI正式版への道#4 その条件、明日試せますか?

SFI正式版への道04 多目的最適化と説明変数の現実性

多目的最適化と聞くと、「何個の目的を同時に扱えるか」に目が行きがちです。でも、SFI正式版で一番時間をかけたのは、そこではありません。返ってきた条件を、明日、現場で本当に試せるか。つまり、説明変数の「現実性」です。本記事は全6回の連載「SFI正式版への道」の第4回となります。

みなさん、こんにちは。Vertysの山本です。

今日は、多目的最適化の話です。先に結論を書いておきます。

大事なのは「目的」の側ではない。

返ってくる条件が現実に試せるか──「説明変数」の側だ。

現場は「1つの指標」だけでは動かない


工程同時に見たい指標よくある板挟み
射出成形寸法精度/ヒケ/
サイクルタイム
冷却を延ばすと寸法は安定するが、生産量が落ちる
熱処理硬度/変形量/
エネルギー
温度を上げれば硬くなるが、変形と電気代が増える
塗装・印刷膜厚/色ムラ/
塗料使用量
厚く塗れば色ムラは減るが、コストが増える

SFIのBackcastは、こうした複数の目的を同時に扱い、目的値から逆算して条件を出します。目的ごとに「狙い値に合わせる」「最大化する」を決め、優先度(%)で重み付けするだけです。

ここまでは、「目的」の側の話です。

「計算上の最適」は、そのままでは試せない


ツールが「温度195℃、保持時間75秒で、全目標を満たします」と返してきた。

──でも、そのラインで195℃は一度もやったことがない。

計算上は最適でも、量産ラインの責任者はこのボタンを押せません。実績のない条件は、外れたときの被害の見当がつかないからです。

最適化ツールが現場で使われなくなる理由は、たいてい「説明変数」の側にあります。だから、SFIでは次の6つに一番時間をかけました。

#作り込んだこと現場の問い
①探索範囲の絞り方を選べるどこまで動かしていいか
②出発点(基準値)の取り方を選べる「いつもの条件」はどこか
③すべての条件の分布を自動で可視化提案値は、実績のどのあたりか
④マハラノビス距離で、条件全体を判定1つずつは大丈夫でも、
組み合わせとしてはどうか
⑤動かした量と目的変数のリニアリティを可視化少しずれたら、暴れないか
⑥最大10パターンの答えを並列で比較号機ごと・品種ごとに、
答えはどう違うか

①② 探索範囲と出発点:探す場所を、いつもの条件の延長に限る

ベテランには「この辺りなら大丈夫」という感覚があります。SFIでは、それを 「柵」(探索範囲) と 「出発点」(基準値) として数値で置き、柵の外は探しません。

図:探索範囲と基準値

柵の置き方向いている場面
四分位50%範囲
(Q1〜Q3)
一番慎重に攻めたい。外れ値が多い、分布が歪んでいる
±1σ標準的な条件出し。まずはここから
±2σ改善の余地をもう少し探りたい
実績の最大・最小/
設備の上下限
実績が十分にあり、広く探しても安全と分かっている
出発点の取り方向いている場面
最頻値(既定)一番よくやっている条件。分布が歪んでいても「いつもの条件」に近い
中央値外れ値に引っ張られたくない
平均値分布がきれいな単峰
手動現行レシピの値から始めたい

図のように分布が歪んでいると、最頻値・中央値・平均値は違う場所を指します。だから、既定は最頻値にしました。

出発点が「いつもの条件」なので、提案値との差が、そのまま現場で変える量として読めます。どこまでリスクを取るかを、エンジニアが自分で決められる。ここをツールの都合で固定しないことが大事でした。

③ すべての条件の分布を、自動で並べる

すべての説明変数について、実績の分布・柵・基準値・提案値を重ねたヒストグラムを自動で並べます。

提案値が分布の真ん中にあるのか、端ぎりぎりにあるのかが、ひと目で分かります。端にある変数があれば、試作の前に現場で可否を確認すればいい。

④ 1つずつは妥当でも、全体としてはどうか

ここが、一番こだわった部分です。

図:マハラノビス距離

この例では、実績に「温度が高いときは、時間を短くする」という関係があります。

提案Aは、温度も時間も、変数ごとの柵(緑の箱)の中です。1つずつ見れば妥当。 でも組み合わせは「高温×長時間」で、実績の山からは大きく外れています。

これを判定するのがマハラノビス距離です。変数どうしの相関を織り込んで、「その組み合わせが実績の山からどれだけ離れているか」を1つの数字にします。SFIでは、提案条件が実績の山のどこにあるかを、グラフで確かめられます。

1つずつ大丈夫でも、全体として大丈夫とは限らない。

⑤ ピーキーな条件になっていないか

量産では、条件は必ずばらつきます。だから、少しずれても暴れない条件でないと使えません。

図:リニアリティ

SFIでは、提案条件を1〜20%動かしたときに、目的変数がどう変わるかを表示します。

  • 直線的で帯が細い(提案B):素直に応答する。管理しやすい
  • ある量を超えると急落する(提案A):ピーキー。量産には要注意

⑥ 10パターンの答えを並列で比べる

号機ごとに「クセ」は違います。全データをまとめて最適化すると、返ってくるのは 「全ラインの平均的な条件」 です。どの号機にも、ぴったりは合いません。

SFIでは、装置IDなどを指定すると、パターンごとに別モデルを学習し、それぞれの最適条件を一括で出します(最大10パターン)。

ライン実績件数膜厚の予測(狙い15.00)
PR-01150件14.05
PR-02149件15.14
PR-03128件15.76
PR-0473件15.18

横並びで比べれば、どの号機が狙いに届きにくいかも同時に分かります。作業指示は号機単位で出るので、ここは外せませんでした。

最後に選ぶのは、根拠を見たエンジニア


①〜⑥は、どれも「計算を賢くする」話ではありません。「この条件、明日試していいか」を人が判断するための材料です。

提示された条件は、予測画面で現場の事情に合わせて書き換え、試算もできます。最終的な1点を選ぶのは、根拠のグラフを見たエンジニアです。だから、品質保証部門にも経営にも説明できる。

AIに任せきりにしない。机上の空論を返さない。装置ごとの個性を無視しない。

今日のまとめ


  • 多目的最適化で本当に大事なのは、「説明変数」の現実性
  • 探索範囲(四分位50%・±1σ・±2σ・上下限)と出発点(最頻値・中央値・平均値・手動)を選べる
  • 分布・マハラノビス距離・リニアリティで、使える条件かを目で確かめる
  • 最大10パターンの答えを並列で比べる

「発見はしない。でも、絶対に外さない」。この立ち位置を、多目的最適化でも貫きました。

次回は、称号・ランクシステムです。なぜ解析ツールにゲームのような仕組みを入れたのかを書きます。

それでは、また次回。

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