インピーダンス計測によるサイレージ水分の非破壊推定

タイトル インピーダンス計測によるサイレージ水分の非破壊推定
担当機関 （独）農業・食品産業技術総合研究機構 畜産草地研究所
研究課題名
研究期間 1999～2003
研究担当者 喜田環樹
天羽弘一
松尾守展
重田一人
田澤倫子
発行年度 2003
要約 非破壊計測であるインピーダンス計測手法を用いて、サイレージの電気的特性を計測し、ニューラルネットワークを用いて解析することで、牧草サイレージの水分を標準誤差10％程度の精度で簡易に推定可能である。
キーワード 飼料利用、サイレージ、非破壊計測、インピーダンス、ニューラルネットワーク
背景・ねらい サイレージの水分計測は加熱乾燥法やトルエン蒸留法により行われており、分析は時間と労力を要するため、より迅速な非破壊計測手法が求められている。そこで、対象物の様々な物性を非破壊で計測可能なインピーダンス計測と、多要素系の解析に用いられるニューラルネットワークにより、サイレージの水分含量を非破壊推定する手法を開発する。
成果の内容・特徴
  1. 測定サイレージは酪農家からのサンプル(120点)と所内でのサンプル(40点)の多種多様な牧草サイレージ、並びにトウモロコシサイレージを用い、測定サイレージを無作為に分けて、約2/3を教師データとしてニューラルネットワークの学習用に、残りを検証用に用いる。供試サンプルの水分について表1に示す。
  2. インピーダンス計測容器(4電極式)に計量したサイレージ(60～100g程度)を封入し、蓋を閉め所定容積(200cm3)に密閉し、インピーダンスメータにより周波数を変化(63Hz～4MHzで25点)させた交流をサイレージに与え、そのときの電気的変化を計測することで、サイレージのインピーダンス特性について計測できる。計測は非破壊手法であり、1サンプル3分程度で計測できる(図1)。
  3. サイレージのインピーダンス計測値には、サイレージ材料の様々な物性の影響が含まれ、そのままでは解析は困難である。そこで多要素系の解析に有用なニューラルネットワークを用いた解析を行う。サイレージのインピーダンス(1サンプルあたりレジスタンスとリアクタンス50要素)とサイレージの水分値の計51要素をニューラルネットワークに入力し、ニューラルネットワークの学習を行い、その後、学習したニューラルネットワークにインピーダンス(50要素)を入力して、推定を試みることにより、牧草サイレージでは標準誤差は9.3%程度、トウモロコシサイレージでは標準誤差3.8%程度で推定可能である。(図2、表1)。
  4. 解析には数値解析ソフトウェア(MATLAB)を用い、学習則は一般化機能を持たせたLevenberg-Marquardtアルゴリズムを用いる。学習と推定は中間層ニューロン数5程度で収束可能であり、汎用PCにより短時間で解析できる。
成果の活用面・留意点
  1. インピ－ダンス計測とニューラルネットワーク解析を組み合わせたサイレージ水分の非破壊計測手法研究の基礎資料として利用できる。
  2. 学習したニューラルネットワークは提供可能である。
カテゴリ 乾燥 トウモロコシサイレージ 乳牛

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