論文の概要: Explainable Wastewater Digital Twins: Adaptive Context-Conditioned Structured Simulators with Self-Falsifying Decision Support

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.19826v1
• Date: Tue, 19 May 2026 13:19:27 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-20 15:03:09.366399
• Title: Explainable Wastewater Digital Twins: Adaptive Context-Conditioned Structured Simulators with Self-Falsifying Decision Support
• Title（参考訳）: 説明可能な排水デジタル双生児:自己Falsifying決定支援型適応型コンテキスト制御型構造化シミュレータ
• Authors: Gary Simethy, Daniel Ortiz Arroyo, Petar Durdevic,
• Abstract要約: CCSS-IXは、コンテキスト認識ゲーティングネットワークによって適応的に混合された、解釈可能な局所線形状態空間"専門家"のバンクである。 実行時決定層は、統計的に認証できないオペレータが提案するアクションに対して、不当な時間的証人を排除、再開、または返却するために共形リスク制御を適用する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.3895981099137535
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Operators of safety-critical industrial processes increasingly rely on digital twins to screen control interventions, but such simulators rarely carry certified safety guarantees. Wastewater treatment plants exemplify the gap: operators face a daily safety-efficiency trade-off where aerating too little risks effluent violations and nitrous-oxide (N2O) spikes, and aerating too much wastes energy. We develop an explainable digital twin for aeration and dosing setpoints. CCSS-IX, the simulator, is a bank of interpretable locally linear state-space "experts" adaptively mixed by a context-aware gating network, building on a continuous-time regime-switching scaffold. A runtime decision layer applies conformal risk control to abstain, reopen, or return a falsifying temporal witness for any operator-proposed action that cannot be statistically certified. The artificial-intelligence contribution is twofold: an identifiable, context-conditioned structured surrogate that retains operator-readable dynamics, and a self-falsifying decision rule with finite-sample coverage guarantees. The engineering contribution is a validated, end-to-end decision-support pipeline, tested on a 1000-step slice of the Avedøre full-scale plant (42.6% sensor missingness, 2-minute sampling), the Agtrup/BlueKolding full-scale plant in Denmark, and the Benchmark Simulation Model No. 2 (BSM2) international benchmark, under a matched ten-seed protocol. The static structured ensemble lies within 0.78% root-mean-square error of an unconstrained black-box reference, and the adaptive variant within 1.08%. The calibrated reopen rule cuts aggregate two-plant regret by 43.6% at an unsafe-action cost weight of 4 and eliminates unsafe chosen actions on the BSM2 main slice. Event-aligned temporal witnesses prevent 93 of 187 false-safe N2O approvals, about 4.65x the dyadic baseline (paired McNemar p < 1e-21).
• Abstract（参考訳）: 安全クリティカルな産業プロセスのオペレーターは、制御介入のスクリーニングにデジタルツインをますます頼っているが、そのようなシミュレータが認証された安全保証を担っていることは滅多にない。 オペレーターは日々の安全と効率のトレードオフに直面しており、そこでは過負荷のリスクは少なく、窒素酸化物(N2O)はスパイクし、過負荷のエネルギーを消費する。 エアレーションとドージングセットポイントのための説明可能なディジタルツインを開発した。 シミュレータであるCCSS-IXは、コンテキスト認識ゲーティングネットワークによって適応的に混合された、解釈可能な局所線形状態空間"専門家"のバンクであり、連続的な状態スイッチングの足場の上に構築されている。 実行時決定層は、統計的に認証できないオペレータが提案するアクションに対して、不当な時間的証人を排除、再開、または返却するために共形リスク制御を適用する。 人工的インテリジェンス貢献は、演算子可読性を保持する識別可能で文脈条件付き構造化されたサロゲートと、有限サンプルカバレッジを保証する自己偽判定ルールの2つである。 エンジニアリング・コントリビューションは、Avedøreフルスケールの1000ステップスライス(42.6%のセンサー不足、2分間のサンプリング)、デンマークのAgtrup/BlueKoldingフルスケールのプラント、ベンチマーク・シミュレーション・モデルNo.2(BSM2)国際ベンチマークでテストされた検証済みのエンドツーエンドの意思決定支援パイプラインである。 静的な構造を持つアンサンブルは、制約のないブラックボックス参照の0.78%のルート平均二乗誤差と1.08%の適応変種に収まる。 校正された再オープン規則は、BSM2メインスライスにおける安全でない選択された動作を排除し、安全でないコストの4で2つのプラントの後悔を43.6%削減する。 イベントアライメントの時間的目撃者は187件の偽安なN2O承認のうち93件を阻止し、この基準線は4.65倍である(McNemar p < 1e-21)。

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