JP6569497B2 - Prediction device, method and program - Google Patents
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Description
本発明は、実績データを利用して、予測対象の説明変数に対する目的変数の予測値を算出する予測装置、方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a prediction apparatus, method, and program for calculating a predicted value of an objective variable with respect to an explanatory variable to be predicted using actual data.
実績データを利用して、予測対象を予測する場合に、予測したい変数を目的変数、目的変数の予測値を算出する際の入力データを説明変数と呼び、それぞれ記号y、xで表わすことが多い。
ある目的変数yを予測するときには、式(1)のように、目的変数と説明変数の空間全体をカバーする予測モデルを構築することが一般的である。y’は目的変数yの予測値、xは説明変数、θは予測モデルを規定するパラメータである。
y’=f(x,θ)・・・(1)
予測モデルの入出力特性が徐々に変化する場合には、定期的に予測モデルを学習し直したり、新しい実績データが得られる度に逐次的にパラメータθを更新したりすることが行われる。
When the prediction target is predicted using the actual data, the variable to be predicted is called an objective variable, and the input data when calculating the predicted value of the objective variable is called an explanatory variable, and is often represented by symbols y and x, respectively. .
When predicting a certain target variable y, it is common to construct a prediction model that covers the entire space of the target variable and the explanatory variable, as in equation (1). y ′ is a predicted value of the objective variable y, x is an explanatory variable, and θ is a parameter that defines a prediction model.
y ′ = f (x, θ) (1)
When the input / output characteristics of the prediction model gradually change, the prediction model is periodically learned again, or the parameter θ is sequentially updated every time new performance data is obtained.
鉄鋼や化学プラントのように、入出力特性に非線形性があり、また、入出力特性の変化が激しい場合には、所謂データベース型予測手法が使われることがある。
データベース型予測手法では、データベースに格納された実績データ{xn,yn}(説明変数x及び目的変数yの実績値の組合せ)の中から、今回の予測対象の説明変数xq(要求点と呼ぶ)と類似するK個の近傍データ{xk,yk}を選択する。そして、これら近傍データ{xk,yk}を用いて、要求点xqの近傍のみ有効な局所予測モデルfq(x,θ)のパラメータθを求めた上で、局所予測モデルfq(x,θ)に要求点xqを入力して、要求点xqに対する目的変数の予測値yq'を算出する。なお、添え字nは実績データの番号、添え字kは近傍データの番号を表わす。
When the input / output characteristics are nonlinear, such as steel and chemical plants, and when the input / output characteristics change drastically, a so-called database type prediction method may be used.
In the database type prediction method, the explanatory variable x q (request point) of the current prediction target is selected from the actual data {x n , y n } (combination of the actual values of the explanatory variable x and the objective variable y) stored in the database. K pieces of neighborhood data {x k , y k } similar to the above are selected. Then, using these neighborhood data {x k , y k }, the parameter θ of the local prediction model f q (x, θ) effective only in the vicinity of the request point x q is obtained, and then the local prediction model f q ( x, theta) to complete the requested point x q, calculates a predicted value of the objective variable y q 'to the request point x q. Note that the subscript n represents the number of actual data, and the subscript k represents the number of neighboring data.
この予測手法は、新たな要求点xqが得られる度に予測モデルを作り直すことから、Model on DemandやJust in Time Model等とも呼ばれる。空間全体の予測モデルf(x,θ)を作成するのではなく、要求点xqの近傍のみ有効な局所予測モデルfq(x,θ)を作成することで、入出力特性に非線形性がある場合でも簡単な予測モデルで精度良く予測することが可能である。また、要求点xqに対する目的変数の実績値yqが得られたならば、その実績データ{xq,yq}をデータベースに追加することで(必要に応じて最も古いデータを削除する)、入出力特性の変化に追従させることができる。 This prediction method is called Model on Demand or Just in Time Model because a prediction model is recreated every time a new request point xq is obtained. By creating a local prediction model f q (x, θ) that is effective only in the vicinity of the request point x q instead of creating a prediction model f (x, θ) for the entire space, the input / output characteristics have non-linearity. Even in some cases, it is possible to accurately predict with a simple prediction model. Further, if the actual value y q target variable to the request point x q is obtained, (deleting the oldest data if necessary) by adding the actual data {x q, y q} in the database It is possible to follow changes in input / output characteristics.
ここで、高精度なデータベース型予測手法を実現するためには、(a)実績データの個数S、(b)近傍データの個数K、(c)近傍データの選択方法、(d)局所予測モデルの関数形、等を適切に設定する必要がある。
(d)の局所予測モデルの関数形としては、空間全体をカバーする必要がないため、予め関数形が設定された線形モデルが用いられ、近傍データを用いてパラメータθを求めることが一般的である。
また、(a)の実績データの個数S、(b)の近傍データの個数Kは、予測モデルの精度を見ながら、試行錯誤で決定することが多い。
そして、最も調整が難しいのが、(c)の近傍データの選択方法である。
Here, in order to realize a highly accurate database-type prediction method, (a) the number S of actual data, (b) the number K of neighboring data, (c) the selection method of neighboring data, (d) the local prediction model It is necessary to set the function form of etc. appropriately.
As the function form of the local prediction model in (d), since it is not necessary to cover the entire space, a linear model in which the function form is set in advance is used, and it is common to obtain the parameter θ using the neighborhood data. is there.
Further, the number S of actual data (a) and the number K of neighboring data (b) are often determined by trial and error while checking the accuracy of the prediction model.
The most difficult adjustment is the method of selecting neighborhood data in (c).
近傍データの選択方法は、式(2)のように、要求点xqと実績データの説明変数xnとの距離関数d(xq,xn)を定義し、その距離関数d(xq,xn)で算出される距離が小さい順に実績データの中から選択するのが一般的である。xq(=[xq1 xq2・・・xqM]T∈RM)は要求点xqを表わすベクトル、xn(=[xn1 xn2・・・xnM]T∈RM)は実績データの説明変数xnを表わすベクトル、Lはベクトルを線形写像する行列であり、一般に実対称行列である(本明細書では距離重み行列と呼ぶ)。なお、Mは説明変数の個数、すなわちベクトルの次元数である。 As a selection method of the neighborhood data, a distance function d (x q , x n ) between the request point x q and the explanatory variable x n of the actual data is defined, and the distance function d (x q , X n ) is generally selected from the performance data in ascending order of the distance calculated. x q (= [x q1 x q2 ... x qM ] T ∈R M ) is a vector representing the request point x q , and x n (= [x n1 x n2 ... x nM ] T ∈R M ) is A vector representing the explanatory variable x n of the actual data, L is a matrix that linearly maps the vector, and is generally a real symmetric matrix (referred to herein as a distance weight matrix). M is the number of explanatory variables, that is, the number of dimensions of the vector.
近傍データの選択方法として、特許文献1では、ユークリッド距離を用いることが開示されている。この場合、距離重み行列Lは、式(3)のように単位行列となる。diag()は、対角行列を算出する関数である。
L=diag(1,1,・・・,1)・・・(3)
As a method for selecting neighborhood data, Patent Document 1 discloses using Euclidean distance. In this case, the distance weight matrix L is a unit matrix as shown in Equation (3). diag () is a function for calculating a diagonal matrix.
L = diag (1, 1,..., 1) (3)
また、特許文献2では、説明変数を正規化してからユークリッド距離を算出する(正規化ユークリッド距離)ことが開示されている。この場合、距離重み行列Lは、式(4)のように、説明変数の標準偏差σmの逆数を対角要素とする対角行列となる。なお、添え字mは説明変数の番号(ベクトルの要素の番号)を表わす。
L=diag(1/σ1,1/σ2,・・,1/σm,・・,1/σM)・・・(4)
Patent Document 2 discloses that the explanatory variable is normalized and then the Euclidean distance is calculated (normalized Euclidean distance). In this case, the distance weight matrix L is a diagonal matrix whose diagonal element is the reciprocal of the standard deviation σ m of the explanatory variable, as in Expression (4). The subscript m represents an explanatory variable number (vector element number).
L = diag (1 / σ 1 , 1 / σ 2 ,..., 1 / σ m ,..., 1 / σ M ) (4)
また、特許文献3では、偏回帰係数ベクトルを距離計算に用いる影響係数とすることが開示されている。この場合、距離重み行列Lは、式(5)のように、説明変数の目的変数に対する偏回帰係数を対角要素とした対角行列となる。
L=diag(a1,a2,・・,am,・・,aM)・・・(5)
Patent Document 3 discloses that a partial regression coefficient vector is used as an influence coefficient used for distance calculation. In this case, the distance weight matrix L is a diagonal matrix having a partial regression coefficient with respect to the objective variable of the explanatory variable as a diagonal element, as in Expression (5).
L = diag (a 1 , a 2 ,..., A m ,..., A M ) (5)
特許文献1〜3の距離重み行列Lは対角行列であるが、特許文献4では、マハラノビス距離を用いることが開示されている。この場合、距離重み行列Lは、式(6)のように、実績データの説明変数行列X(=[x1 x2・・・xS]T∈RS×M)の共分散行列の逆行列の平方根となる(LTLが説明変数行列Xの共分散行列の逆行列とする)。cov()は、共分散行列を算出する関数である。
LTL=cov(X)-1・・・(6)
The distance weight matrix L in Patent Documents 1 to 3 is a diagonal matrix, but Patent Document 4 discloses using the Mahalanobis distance. In this case, the distance weight matrix L is the inverse of the covariance matrix of the explanatory variable matrix X (= [x 1 x 2 ... X S ] T ∈R S × M ) of the actual data as shown in the equation (6). The square root of the matrix (L T L is the inverse of the covariance matrix of the explanatory variable matrix X). cov () is a function for calculating a covariance matrix.
L T L = cov (X) −1 (6)
しかしながら、従来の手法はいずれも、式(2)の距離関数d(xq,xn)、すなわち要求点xqと実績データの説明変数xnとの距離を用いており、目的変数を直接利用していない。
特許文献1、2、4は、近傍データを選択する際に、目的変数を全く利用していない。通常、説明変数は目的変数に相関がある項目を選択するのが普通であるため、これらの手法は、目的変数と説明変数との相関の強さを全ての説明変数で平等に扱っていることに相当する。
一方、特許文献3は、距離重み行列Lの算出の際に、目的変数と説明変数との偏回帰係数を用いている。しかしながら、目的変数と説明変数の空間全体での偏回帰係数であるため、目的変数と説明変数との間に非線形関係が強い場合には、要求点によっては目的変数との相関が弱い説明変数に大きな重みを付けて近傍データを選択してしまうことが発生し、距離重み行列Lとして用いることは相応しくない。また、説明変数同士に相関があると、偏回帰係数は目的変数との相関の強さを正しく表わさないため、このような場合にも偏回帰係数を距離重み行列Lに用いるのは相応しくない。
However, all of the conventional methods use the distance function d (x q , x n ) in Expression (2), that is, the distance between the request point x q and the explanatory variable x n of the actual data, and the objective variable is directly set. Not used.
Patent documents 1, 2, and 4 do not use the objective variable at all when selecting the neighborhood data. Normally, the explanatory variables are usually selected as items that have a correlation with the objective variable, so these methods treat the strength of the correlation between the objective variable and the explanatory variable equally in all explanatory variables. It corresponds to.
On the other hand, Patent Document 3 uses partial regression coefficients of an objective variable and an explanatory variable when calculating the distance weight matrix L. However, since it is a partial regression coefficient for the entire space of the objective variable and the explanatory variable, if the nonlinear relationship between the objective variable and the explanatory variable is strong, depending on the request point, it may be an explanatory variable with a weak correlation with the objective variable. The neighborhood data may be selected with a large weight, and it is not suitable to use as the distance weight matrix L. In addition, if there is a correlation between explanatory variables, the partial regression coefficient does not correctly represent the strength of the correlation with the objective variable. Therefore, it is not appropriate to use the partial regression coefficient in the distance weight matrix L even in such a case.
以上のように、従来の近傍データの選択方法では、実績データの目的変数を全く利用せずに近傍データを選択しているか、距離重み行列Lの算出にしか利用しておらず(要求点によらず一定)、このようにして選択した近傍データでは、要求点に対する目的変数を高精度に予測することは難しい。 As described above, in the conventional neighborhood data selection method, the neighborhood data is selected without using the objective variable of the actual data at all, or is used only for the calculation of the distance weight matrix L (as the request point). However, it is difficult to predict the objective variable for the required point with high accuracy in the neighborhood data selected in this way.
本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、実績データを利用して目的変数の予測値を算出するに際して、適切な近傍データを選択できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to select appropriate neighborhood data when calculating predicted values of objective variables using actual data.
上記の課題を解決するための本発明の要旨は、以下のとおりである。
[1] 実績データ格納手段に格納された、説明変数及び目的変数の実績値の組合せからなる実績データを利用して、予測対象の説明変数に対する目的変数の予測値を算出する予測装置であって、
前記実績データ格納手段に格納された実績データに基づいて、予測対象の説明変数に対する目的変数の初期予測値を算出する初期予測値算出手段と、
予測対象の説明変数と初期予測値とを合わせたベクトルと、前記実績データ格納手段に格納された実績データの説明変数と実績データの目的変数とを合わせたベクトルとの距離を算出し、距離が小さい順に複数の実績データを近傍データとして選択する近傍データ選択手段と、
前記近傍データ選択手段で選択した複数の近傍データを用いて局所予測モデルを作成する局所予測モデル作成手段と、
前記局所予測モデル作成手段で作成した局所予測モデルに予測対象の説明変数を入力して、予測対象の説明変数に対する目的変数の予測値を算出する予測値算出手段とを備えたことを特徴とする予測装置。
[2] 前記初期予測値算出手段は、予測対象の説明変数と実績データの説明変数との距離を算出し、距離が小さい順に、前記実績データ格納手段から複数の実績データを近傍データとして選択した後、選択した複数の近傍データを用いて局所予測モデルを作成し、局所予測モデルに予測対象の説明変数を入力して、初期予測値を算出することを特徴とする[1]に記載の予測装置。
[3] 前記近傍データ選択手段は、予測対象の説明変数xqと初期予測値yq1’とを合わせたベクトル[xq T yq1’]Tと、実績データの説明変数xnと実績データの目的変数ynとを合わせたベクトル[xn T yn]Tとを利用して、ベクトルを線形写像する行列である距離重み行列Pを用いて、式(a)により距離d(xq,xn,yq1’,yn)を算出し、
[4] 距離重み行列Pは、式(b)のように、
PTP=cov([X Y])-1・・・(b)
実績データの個数Sとして、実績データの説明変数行列X(=[x1 x2・・・xS]Tと実績データの目的変数ベクトルY=[y1 y2・・・yS]Tとを合わせた行列[X Y]の共分散行列の逆行列で与えられることを特徴とする[3]に記載の予測装置。
[5] 距離重み行列Pは、所定の値を対角要素とする対角行列で与えられることを特徴とする[3]に記載の予測装置。
[6] 距離重み行列Pの対角要素は、説明変数の標準偏差の逆数と、目的変数の標準偏差の逆数とで与えられることを特徴とする[5]に記載の予測装置。
[7] 距離重み行列Pの対角要素は、説明変数の目的変数に対する偏回帰係数と、目的変数自身の目的変数に対する偏回帰係数とで与えられることを特徴とする[5]に記載の予測装置。
[8] 前記初期予測値算出手段で算出した初期予測値と、前記予測値算出手段で算出した予測値との差が所定の値を下回れば、前記予測値算出手段で算出した予測値を採用し、前記所定の値以上であれば、前記初期予測値算出手段で算出した初期予測値と、前記予測値算出手段で算出した予測値とを按分した値を算出し、
該按分で得た値を新たな初期予測値として、前記近傍データ選択手段の処理、前記局所予測モデル作成手段の処理、及び前記予測値算出手段の処理を行い、該新たな初期予測値と、前記予測値算出手段で今回算出した予測値との差が前記所定の値を下回れば、前記予測値算出手段で今回算出した予測値を採用し、前記所定の値以上であれば、該新たな初期予測値と、前記予測値算出手段で今回算出した予測値とを按分した値を算出し、
これを、前記所定の値を下回るまで、又は所定の繰り返し回数に達するまで繰り返すことを特徴とする[1]乃至[7]のいずれか一つに記載の予測装置。
[9] 前記局所予測モデル作成手段は、前記近傍データ選択手段で選択した複数の近傍データを用いて、局所予測モデルとして予め関数形が設定された線形モデルのパラメータを求めることを特徴とする[1]乃至[8]のいずれか一つに記載の予測装置。
[10] 実績データ格納手段に格納された、説明変数及び目的変数の実績値の組合せからなる実績データを利用して、予測対象の説明変数に対する目的変数の予測値を算出する予測方法であって、
初期予測値算出手段が、前記実績データ格納手段に格納された実績データに基づいて、予測対象の説明変数に対する目的変数の初期予測値を算出するステップと、
近傍データ選択手段が、予測対象の説明変数と初期予測値とを合わせたベクトルと、前記実績データ格納手段に格納された実績データの説明変数と実績データの目的変数とを合わせたベクトルとの距離を算出し、距離が小さい順に複数の実績データを近傍データとして選択するステップと、
局所予測モデル作成手段が、前記近傍データ選択手段で選択した複数の近傍データを用いて局所予測モデルを作成するステップと、
予測値算出手段が、前記局所予測モデル作成手段で作成した局所予測モデルに予測対象の説明変数を入力して、予測対象の説明変数に対する目的変数の予測値を算出するステップとを有することを特徴とする予測方法。
[11] 実績データ格納手段に格納された、説明変数及び目的変数の実績値の組合せからなる績データを利用して、予測対象の説明変数に対する目的変数の予測値を算出するためのプログラムであって、
前記実績データ格納手段に格納された実績データに基づいて、予測対象の説明変数に対する目的変数の初期予測値を算出する初期予測値算出手段と、
予測対象の説明変数と初期予測値とを合わせたベクトルと、前記実績データ格納手段に格納された実績データの説明変数と実績データの目的変数とを合わせたベクトルとの距離を算出し、距離が小さい順に複数の実績データを近傍データとして選択する近傍データ選択手段と、
前記近傍データ選択手段で選択した複数の近傍データを用いて局所予測モデルを作成する局所予測モデル作成手段と、
前記局所予測モデル作成手段で作成した局所予測モデルに予測対象の説明変数を入力して、予測対象の説明変数に対する目的変数の予測値を算出する予測値算出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
The gist of the present invention for solving the above problems is as follows.
[1] A prediction device that calculates a predicted value of an objective variable for an explanatory variable to be predicted using actual data that is a combination of actual values of explanatory variables and objective variables stored in actual data storage means. ,
An initial predicted value calculating means for calculating an initial predicted value of the objective variable for the explanatory variable to be predicted based on the actual data stored in the actual data storing means;
The distance between the vector combining the explanatory variable to be predicted and the initial predicted value, and the vector combining the explanatory variable of the actual data stored in the actual data storage means and the objective variable of the actual data is calculated. Neighborhood data selection means for selecting a plurality of results data as neighborhood data in ascending order;
Local prediction model creation means for creating a local prediction model using a plurality of neighborhood data selected by the neighborhood data selection means;
Prediction value calculating means for inputting a prediction target explanatory variable to the local prediction model created by the local prediction model creating means and calculating a predicted value of an objective variable for the explanatory variable of the prediction target. Prediction device.
[2] The initial predicted value calculating means calculates a distance between the explanatory variable of the prediction target and the explanatory variable of the actual data, and selects a plurality of actual data as the neighboring data from the actual data storing means in order of increasing distance. The prediction according to [1], wherein a local prediction model is created using a plurality of selected neighborhood data, an explanatory variable to be predicted is input to the local prediction model, and an initial prediction value is calculated. apparatus.
[3] The neighborhood data selection means includes a vector [x q T y q1 '] T obtained by combining the explanatory variable x q to be predicted and the initial predicted value y q1 ′, the explanatory variable x n of the actual data, and the actual data Using the distance weight matrix P, which is a matrix that linearly maps the vector, using the vector [x n T y n ] T combined with the objective variable y n of the distance d (x q , X n , y q1 ′, y n )
[4] The distance weight matrix P is as shown in equation (b).
P T P = cov ([XY]) −1 (b)
As the number S of the actual data, and the target variable vector of explanatory variable matrix X (= [x 1 x 2 ··· x S] T and actual data of actual data Y = [y 1 y 2 ··· y S] T The prediction device according to [3], which is given by an inverse matrix of a covariance matrix of a matrix [XY] combined with
[5] The prediction apparatus according to [3], wherein the distance weight matrix P is given as a diagonal matrix having a predetermined value as a diagonal element.
[6] The prediction device according to [5], wherein the diagonal elements of the distance weight matrix P are given by the reciprocal of the standard deviation of the explanatory variable and the reciprocal of the standard deviation of the objective variable.
[7] The prediction according to [5], wherein the diagonal elements of the distance weight matrix P are given by a partial regression coefficient for the objective variable of the explanatory variable and a partial regression coefficient for the objective variable of the objective variable itself. apparatus.
[8] If the difference between the initial predicted value calculated by the initial predicted value calculating means and the predicted value calculated by the predicted value calculating means falls below a predetermined value, the predicted value calculated by the predicted value calculating means is adopted. If the value is equal to or greater than the predetermined value, a value obtained by apportioning the initial predicted value calculated by the initial predicted value calculating unit and the predicted value calculated by the predicted value calculating unit is calculated.
The value obtained by the apportioning is used as a new initial predicted value, the processing of the neighborhood data selecting means, the processing of the local prediction model creating means, and the processing of the predicted value calculating means, and the new initial predicted value, If the difference between the predicted value calculated this time by the predicted value calculating means is less than the predetermined value, the predicted value calculated this time by the predicted value calculating means is adopted, and if it is greater than or equal to the predetermined value, the new value Calculate a value obtained by apportioning the initial predicted value and the predicted value calculated this time by the predicted value calculation means,
The prediction apparatus according to any one of [1] to [7], wherein this is repeated until the value falls below the predetermined value or until a predetermined number of repetitions is reached.
[9] The local prediction model creation means uses the plurality of neighborhood data selected by the neighborhood data selection means to obtain parameters of a linear model in which a function form is set in advance as a local prediction model. [1] The prediction device according to any one of [8].
[10] A prediction method for calculating a predicted value of an objective variable for an explanatory variable to be predicted, using actual data that is a combination of actual values of explanatory variables and objective variables stored in actual data storage means. ,
An initial predicted value calculating unit calculating an initial predicted value of an objective variable for an explanatory variable to be predicted based on the actual data stored in the actual data storing unit;
The distance between the vector in which the neighborhood data selection unit combines the explanatory variable to be predicted and the initial predicted value, and the vector in which the explanatory variable of the actual data stored in the actual data storage unit and the objective variable of the actual data are combined Calculating a plurality of performance data as the neighborhood data in ascending order of distance;
A step of creating a local prediction model using a plurality of neighborhood data selected by the neighborhood data selection means, the local prediction model creation means;
A prediction value calculating means including a step of inputting an explanatory variable to be predicted to the local prediction model created by the local prediction model creating means and calculating a predicted value of an objective variable for the explanatory variable to be predicted. The prediction method.
[11] A program for calculating a predicted value of an objective variable with respect to an explanatory variable to be predicted using performance data that is a combination of actual values of explanatory variables and objective variables stored in actual data storage means. And
An initial predicted value calculating means for calculating an initial predicted value of the objective variable for the explanatory variable to be predicted based on the actual data stored in the actual data storing means;
The distance between the vector combining the explanatory variable to be predicted and the initial predicted value, and the vector combining the explanatory variable of the actual data stored in the actual data storage means and the objective variable of the actual data is calculated. Neighborhood data selection means for selecting a plurality of results data as neighborhood data in ascending order;
Local prediction model creation means for creating a local prediction model using a plurality of neighborhood data selected by the neighborhood data selection means;
A program for causing a computer to function as a prediction value calculation unit that inputs an explanatory variable to be predicted to a local prediction model created by the local prediction model creation unit and calculates a predicted value of an objective variable for the explanatory variable to be predicted.
本発明によれば、実績データの目的変数を利用することにより、適切な近傍データを選択でき、目的変数を高精度に予測することができる。 According to the present invention, by using the objective variable of the performance data, appropriate neighborhood data can be selected, and the objective variable can be predicted with high accuracy.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
図1に、実施形態に係る予測装置100の機能構成を示す。予測装置100では、ある予測対象を予測する、例えば生産プロセスで製造する製品の品質や寸法等の性状を予測するのに利用される。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a functional configuration of the
先ず準備として、予測したい変数、すなわち目的変数は当然ながら決まっているとして、利用者は、その目的変数を予測するのに必要となる変数、すなわち説明変数を定めておく必要がある。説明変数としては、目的変数に相関がある変数を複数選択する。物理的知見や経験的知見から説明変数を選択しても良いし、実績データに基づいて、目的変数との相関係数が高い変数を説明変数としても良い。そして、実績データ格納手段であるデータベース200に、製造実績等により既に得られている説明変数x及び目的変数yの実績値の組合せ{xn、yn}を格納、蓄積しておく。
First, as a preparation, assuming that a variable to be predicted, that is, an objective variable is naturally determined, the user needs to determine a variable that is necessary for predicting the objective variable, that is, an explanatory variable. As explanatory variables, a plurality of variables correlated with the objective variable are selected. An explanatory variable may be selected from physical knowledge or empirical knowledge, or a variable having a high correlation coefficient with the objective variable may be used as the explanatory variable based on the actual data. Then, the combination {x n , y n } of the actual values of the explanatory variable x and the objective variable y already obtained from the manufacturing performance or the like is stored and accumulated in the
101は初期予測値算出手段である初期予測値算出部であり、データベース200に格納された実績データに基づいて、要求点xqに対する目的変数の初期予測値yq1’を算出する。
初期予測値算出部101は、第1の近傍データ選択部101aと、第1の局所予測モデル作成部101bと、第1の予測値算出部101cとを備える。第1の近傍データ選択部101aは、要求点xqと実績データの説明変数xnとの距離を算出し、距離が小さい順に、データベース200から複数の実績データを近傍データとして選択する。第1の局所予測モデル作成部101bは、第1の近傍データ選択部101aで選択した複数の近傍データを用いて局所予測モデルを作成する。第1の予測値算出部101cは、第1の局所予測モデル作成部101bで作成した局所予測モデルに要求点xqを入力して、初期予測値yq1’を算出する。
The initial prediction
102は近傍データ選択手段である第2の近傍データ選択部であり、要求点xqと初期予測値yq1’とを合わせたベクトルと、データベース200に格納された実績データの説明変数xnと実績データの目的変数ynとを合わせたベクトルとの距離を算出し、距離が小さい順に複数の実績データを近傍データとして選択する。
103は局所予測モデル作成手段である第2の局所予測モデル作成部であり、第2の近傍データ選択部102で選択した複数の近傍データを用いて局所予測モデルを作成する。
104は予測値算出手段である第2の予測値算出部であり、第2の局所予測モデル作成部103で作成した局所予測モデルに要求点xqを入力して、要求点xqに対する目的変数の予測値を算出する。
図2は、実施形態に係る予測装置100が実行する処理を示すフローチャートである。
ステップS1〜S3は、初期予測値算出部101による初期予測値算出処理である。
ステップS1で、第1の近傍データ選択部101aは、データベース200に格納された実績データ{xn,yn}の中から、K個の近傍データ{xk,yk}を選択する。
ここでは、特許文献1〜4に開示された方法のいずれかを利用して、要求点xqと類似する近傍データ{xk,yk}を選択すれば良く、式(2)の距離関数d(xq,xn)で算出される距離が小さい順にK個の実績データを近傍データとして選択する。
式(2)の距離重み行列Lは、式(3)〜(6)のいずれかで定められる。実績データの個数Sと、近傍データの個数Kは予め設定しておき、概ねS=2万、K=100を初期値とし、予測精度を見ながら試行錯誤で調整すれば良い。例えば直近データへの追従性を高めたいときには個数Kを小さくし、ロバスト性を高めたいときには個数Kを大きくする。また、個数Sは経年変化等の長期的なトレンドの有無により決まる値であり、そのようなトレンドが少なければ個数Sを大きくし、トレンドが大きければ個数Sを小さくする。
FIG. 2 is a flowchart illustrating processing executed by the
Steps S <b> 1 to S <b> 3 are initial prediction value calculation processing by the initial prediction
In step S <b > 1, the first neighborhood data selection unit 101 a selects K neighborhood data {x k , y k } from the actual data {x n , y n } stored in the
Here, the neighborhood data {x k , y k } similar to the request point x q may be selected using any of the methods disclosed in Patent Documents 1 to 4, and the distance function of Expression (2) is used. K results data is selected as the neighborhood data in ascending order of the distance calculated by d (x q , x n ).
The distance weight matrix L in Expression (2) is determined by any one of Expressions (3) to (6). The number S of actual data and the number K of neighboring data are set in advance, and S = 20,000 and K = 100 are set as initial values, and may be adjusted by trial and error while looking at the prediction accuracy. For example, the number K is decreased when it is desired to improve the followability to the latest data, and the number K is increased when the robustness is desired to be increased. Further, the number S is a value determined by the presence or absence of a long-term trend such as secular change. If such a trend is small, the number S is increased, and if the trend is large, the number S is decreased.
ステップS2で、第1の局所予測モデル作成部101bは、ステップS1で選択したK個の近傍データ{xk,yk}を用いて、要求点xqの近傍のみ有効な局所予測モデルfq1(x,θ)のパラメータθを求めることにより、局所予測モデルfq1(x,θ)を作成する。
局所予測モデルの関数形は予め設定しておくが、局所予測モデルは要求点xqの近傍のみで成立すれば良いので、複雑な関数形にする必要がない。例えば式(7)のような線形モデル(定数項θ0のみのモデルも含む)が用いられ、近傍データからパラメータθ=[θ0 θ1・・・θM]Tを算出する。
y’=θ0+θ1x1+θ2x2+・・・+θMxM ・・・(7)
In step S2, the first local prediction model creation unit 101b uses the K pieces of neighboring data {x k , y k } selected in step S1, and the local prediction model f q1 effective only in the vicinity of the request point x q. The local prediction model f q1 (x, θ) is created by obtaining the parameter θ of (x, θ).
The function form of the local prediction model is set in advance, but the local prediction model only needs to be established in the vicinity of the request point x q , and thus does not need to be a complicated function form. For example, a linear model (including a model having only the constant term θ 0 ) as in Expression (7) is used, and the parameter θ = [θ 0 θ 1 ... Θ M ] T is calculated from the neighborhood data.
y ′ = θ 0 + θ 1 x 1 + θ 2 x 2 +... + θ M x M (7)
パラメータθは、式(8)のように、近傍データの目的変数ykと式(7)の局所予測モデルに近傍データの説明変数xkを入力して算出した目的変数の予測値yk’との誤差平方和Jが最小となるように決定する。
J=Σ(yk−yk’)2・・・(8)
なお、パラメータθの決定方法は、式(9)のように、誤差絶対値和を最小とするように決めても良いし、式(10)や式(11)のように、パラメータθの値を抑制するための正則化項を付加した評価値を最小とするように決めても良い。
J=Σ|yk−yk’|・・・(9)
J=Σ(yk−yk’)2+λΣ|θk|・・・(10)
J=Σ(yk−yk’)2+λΣθk 2・・・(11)
The parameter θ is the predicted value y k ′ of the target variable calculated by inputting the target variable y k of the neighboring data and the explanatory variable x k of the neighboring data to the local prediction model of the formula (7) as in the formula (8). Is determined so that the error sum of squares J is minimized.
J = Σ (y k −y k ′) 2 (8)
The method for determining the parameter θ may be determined so as to minimize the error absolute value sum as in the equation (9), or the value of the parameter θ as in the equations (10) and (11). It may be determined to minimize the evaluation value to which the regularization term for suppressing the above is added.
J = Σ | y k −y k ′ | (9)
J = Σ (y k −y k ′) 2 + λΣ | θ k | (10)
J = Σ (y k −y k ′) 2 + λΣθ k 2 (11)
ステップS3で、第1の予測値算出部101cは、ステップS2で作成した局所予測モデルfq1(x,θ)に要求点xqを入力し、要求点xqに対する目的変数の予測値を算出して、初期予測値yq1’とする。
In step S3, the first predicted
ステップS4で、第2の近傍データ選択部102は、データベース200に格納された実績データ{xn,yn}の中から、K個の近傍データ{xk,yk}を選択する。
ここでは、要求点xqと初期予測値yq1’とを合わせたベクトル[xq T yq1’]Tと、実績データの説明変数xnと実績データの目的変数ynとを合わせたベクトル[xn T yn]Tとの距離d(xq,xn,yq1’,yn)を、距離重み行列Pを用いて、式(13)により算出し、距離d(xq,xn,yq1’,yn)が小さい順にK個の実績データを近傍データとして選択する。
In step S <b > 4, the second neighboring
Here, combined with 'vector [x q T y q1 a combination of the'] T and the required point x q initial prediction value y q1, the objective variable y n explanatory variable x n and the actual data of the actual data vector The distance d (x q , x n , y q1 ′, y n ) from [x n T y n ] T is calculated by the equation (13) using the distance weight matrix P, and the distance d (x q , X pieces of performance data are selected as the neighborhood data in ascending order of x n , y q1 ′, y n ).
上記の距離としてマハラノビス距離を用いる場合、実績データの説明変数行列X=[x1 x2・・・xS]Tと、実績データの目的変数ベクトルY=[y1 y2・・・yS]Tとを合わせた行列[X Y]の共分散行列cov([X Y])を求める。これは、目的変数と説明変数との相関の強さを表わす行列であり、この共分散行列を用いて、式(12)、式(13)で距離d(xq,xn,yq1’,yn)を計算する。
PTP=cov([X Y])-1・・・(12)
When using the Mahalanobis distance as the distance above description of actual data variable matrix X = [x 1 x 2 ··· x S] T and an object variable vector of actual data Y = [y 1 y 2 ··· y S ] A covariance matrix cov ([XY]) of a matrix [XY] combined with T is obtained. This is a matrix representing the strength of the correlation between the objective variable and the explanatory variable, and using this covariance matrix, the distance d (x q , x n , y q1 ′ is given by the equations (12) and (13). , Y n ).
P T P = cov ([XY]) −1 (12)
このように実績データの説明変数xnだけでなく、実績データの目的変数ynを利用して距離を算出するところが、従来手法と大きく異なる点である。また、行列PTPを説明変数と目的変数との共分散行列の逆行列とするので、説明変数同士の相関の強さを考慮した上で、説明変数と目的変数との相関の強い説明変数を重視して近傍データを選択することができ、精度の高い局所予測モデルを作成することができる。 Thus, the point of calculating the distance using not only the explanatory variable x n of the actual data but also the objective variable y n of the actual data is a point that is greatly different from the conventional method. In addition, since the matrix P T P is an inverse matrix of the covariance matrix of the explanatory variable and the objective variable, the explanatory variable having a strong correlation between the explanatory variable and the objective variable is taken into consideration after considering the strength of the correlation between the explanatory variables. Neighboring data can be selected with emphasis on, and a highly accurate local prediction model can be created.
図3に、従来の近傍データの選択方法と、本発明を適用した近傍データの選択方法との差異を模式的に示す。従来の近傍データの選択方法では、実績データの目的変数を直接利用していないため、図3(a)の色付き範囲に示すように、単純に要求点xqとの距離が近い実績データの説明変数を抽出して、近傍データを選択するものとなっている。そのため、説明変数と目的変数との相関は考慮されず、例えば目的変数が大きく外れた実績データが近傍データとして選択されることもありえ、精度の高い局所予測モデルを構築するのに相応しい近傍データを選択できないことがある。
それに対して、本発明を適用した近傍データの選択方法では、要求点xqに対する目的変数の初期予測値yq1'を求めた後、要求点xqと初期予測値yq1’とを基準として(図3(b)の☆印)、説明変数と目的変数との相関を考慮して近傍データを選択することができる。この場合、図3(b)の色付き範囲に示すように、等距離を表わす等高線(距離が同じとなる楕円であり、図中の実線で示す楕円も等高線の1つ)が実績データの存在する方向に傾いた楕円となり、精度の高い局所予測モデルを構築するのに相応しい近傍データを選択することができる。
FIG. 3 schematically shows a difference between a conventional neighborhood data selection method and a neighborhood data selection method to which the present invention is applied. Since the conventional neighborhood data selection method does not directly use the objective variable of the performance data, as shown in the colored range in FIG. 3A, the description of the performance data that is simply close to the required point xq is shown. Variables are extracted and neighborhood data is selected. For this reason, the correlation between the explanatory variable and the objective variable is not taken into account.For example, actual data with a significant deviation from the objective variable may be selected as the neighborhood data, and the neighborhood data suitable for building a highly accurate local prediction model is selected. It may not be possible to select.
In contrast, the present invention in the applied proximate data selection method, 'sought after, and requests point x q initial prediction value y q1' initial prediction value of the objective variable y q1 to the request point x q as a reference and (☆ marks in FIG. 3B), it is possible to select the neighborhood data in consideration of the correlation between the explanatory variable and the objective variable. In this case, as shown in the colored range in FIG. 3 (b), the contour lines representing the equidistant distance (the ellipses having the same distance and the ellipse indicated by the solid line in the figure are also one of the contour lines) exist in the actual data. Neighboring data suitable for constructing a highly accurate local prediction model can be selected.
ステップS5で、第2の局所予測モデル作成部103は、ステップS4で選択したK個の近傍データ{xk,yk}を用いて、要求点xqの近傍のみ有効な局所予測モデルfq2(x,θ)のパラメータθを求めることにより、局所予測モデルfq2(x,θ)を作成する。なお、ステップS5の処理は、ステップS2の処理と同様であり、その詳細な説明は省略する。
In step S5, the second local prediction
ステップS6で、第2の予測値算出部104は、ステップS5で作成した局所予測モデルfq2(x,θ)に要求点xqを入力し、要求点xqに対する目的変数の予測値yq’を算出する。なお、ステップS6の処理は、ステップS3の処理と同様であり、その詳細な説明は省略する。
In step S6, the second predicted
ステップS7で、収束判定を行い、収束していれば、本処理を終了し、収束していなければ、ステップS8に進む。
先ずは、ステップS3で算出した初期予測値yq1’と、ステップS6で算出した予測値yq’とを比較する。両者が近いもの(両者の差が所定の値を下回る)であれば問題ないため、ステップS6で算出した予測値yq’を採用して出力し、本処理を終了する。両者の差が所定の値以上であれば、適切な近傍データが選択されていない可能性がある。この場合、ステップS8に進み、式(14)のように、ステップS3で算出した初期予測値yq1’と、ステップS6で算出した予測値yq’とを按分した値を算出し、それを新たな初期予測値yq1’として、ステップS4に戻る。
yq1’=a・yq’+(1−a)・yq1’・・・(14)
In step S7, a convergence determination is performed. If converged, the process ends. If not converged, the process proceeds to step S8.
First, the initial predicted value y q1 ′ calculated in step S3 is compared with the predicted value y q ′ calculated in step S6. If both are close (the difference between the two is less than a predetermined value), there is no problem, so the predicted value y q ′ calculated in step S6 is adopted and output, and this processing is terminated. If the difference between the two is not less than a predetermined value, there is a possibility that appropriate neighborhood data has not been selected. In this case, the process proceeds to step S8, and a value obtained by apportioning the initial predicted value y q1 ′ calculated in step S3 and the predicted value y q ′ calculated in step S6 is calculated as shown in equation (14). The process returns to step S4 as a new initial predicted value y q1 ′.
y q1 ′ = a · y q ′ + (1−a) · y q1 ′ (14)
2回目以降のループの場合、前回のループのステップS8で算出した新たな初期予測値yq1’と、今回のステップS6で算出した予測値yq’とを比較する。両者が近いもの(両者の差が所定の値を下回る)であれば、今回のステップS6で算出した予測値yq’を採用して出力し、本処理を終了する。両者の差が所定の値以上であれば、ステップS8に進み、式(14)のように、前回のループのステップS8で算出した新たな初期予測値yq1’と、今回のステップS6で算出した予測値yq’とを按分した値を算出し、それを新たな初期予測値yq1’として、ステップS4に戻る。
これを、初期予測値yq1’と予測値yq’との差が所定の値以下となるまで繰り返す。
In the second and subsequent loops, the new initial predicted value y q1 ′ calculated in step S8 of the previous loop is compared with the predicted value y q ′ calculated in the current step S6. If both are close (the difference between the two is less than a predetermined value), the predicted value y q ′ calculated in step S6 is employed and output, and the process is terminated. If the difference between the two is equal to or greater than a predetermined value, the process proceeds to step S8, and the new initial predicted value y q1 ′ calculated in step S8 of the previous loop and the current step S6 are calculated as in equation (14). A value obtained by apportioning the predicted value y q ′ is calculated, and this is used as a new initial predicted value y q1 ′, and the process returns to step S4.
This is repeated until the difference between the initial predicted value y q1 ′ and the predicted value y q ′ becomes a predetermined value or less.
ここで、式(14)のaは、初期予測値yq1’の収束速度を調整する0〜1の値を取る係数である。係数aを大きくすると(例えばa=1とすると、今回のループで計算したyq’を次回のループのyq1’とすることになる)、収束が速くなる方向に作用するが、予測値がハンチングする(予測値が2つの値を交互に繰り返す)こともある。収束速度を緩めた方がハンチングし難くなり、a=0.5に設定すると概ね良い。
また、幾ら繰り返しても収束しない場合もあるため、所定の繰り返し回数だけ繰り返したならば収束したとみなし、強制的に繰り返しを終了させるようにしても良い。
Here, a in equation (14) is a coefficient that takes a value between 0 and 1 for adjusting the convergence speed of the initial predicted value y q1 ′. When the coefficient a is increased (for example, if a = 1, y q ′ calculated in the current loop is set to y q1 ′ in the next loop), the convergence works faster. Hunting may occur (the predicted value repeats two values alternately). Hunting is more difficult when the convergence speed is relaxed, and it is generally better to set a = 0.5.
Further, since there may be cases where convergence does not occur no matter how many times it is repeated, it may be considered that if it has been repeated a predetermined number of times, it has been converged and the repetition may be forcibly terminated.
要求点xqに対する目的変数の実績値yqが得られたならば、その実績データ{xq,yq}をデータベース200に追加する。次回、予測値を算出する際には、新たに追加された実績データの組合せを含めて、S+1個の実績データの中から近傍データを選択しても良いし、最も古いデータを近傍データの選択対象から外し、常にS個の実績データから近傍データを選択するようにしても良い。選択対象から外れた実績データは予測値の計算には使用しないため、その実績データを削除しても良いし、データベース200の記憶容量に余裕があれば、削除しなくてもかまわない。
If the actual value y q target variable to the request point x q is obtained, adding the actual data {x q, y q} in the
以上のように、実績データの目的変数ynを利用することにより、適切な近傍データを選択でき、要求点xqに対する目的変数を高精度に予測することができる。
すなわち、従来手法では、説明変数の値が近い実績データを近傍データとして選択していたのに対して、本発明を適用する手法では、要求点xqと初期予測値yq1’とを合わせたベクトル[xq T yq1’]Tと、実績データの説明変数xnと実績データの目的変数ynとを合わせたベクトル[xn T yn]Tとの距離を利用して、近傍データを選択する。このように、説明変数と目的変数の値が共に近い(目的変数は実績値と予測値とが近い)実績データを選択するので、従来手法よりも精度の高い局所予測モデルを作成することができ、高精度の予測値が算出可能となる。
As described above, by using the objective variable y n of the actual data, can select the appropriate neighborhood data, it is possible to predict the target variable with high accuracy to the request point x q.
That is, in the conventional method, historical data having similar values of explanatory variables is selected as the neighborhood data, whereas in the method to which the present invention is applied, the request point x q and the initial predicted value y q1 ′ are combined. Using the distance between the vector [x q T y q1 '] T and the vector [x n T y n ] T that combines the explanatory data x n of the actual data and the objective variable y n of the actual data, Select. In this way, since the explanatory data and the value of the objective variable are both close (the objective variable is close to the actual value and the predicted value), it is possible to create a local prediction model with higher accuracy than the conventional method. Thus, a highly accurate predicted value can be calculated.
なお、本実施形態では、要求点xqに対する目的変数の初期予測値yq1’を、従来のデータベース型予測手法により算出したが、別の手法で算出するようにしても良い。例えばデータベース200に格納されたS個の実績データを用いて、重回帰手法により要求点xqに対する目的変数の予測値を算出して、初期予測値yq1’としても良い。
In the present embodiment, the initial predicted value y q1 ′ of the objective variable for the request point x q is calculated by the conventional database type prediction method, but may be calculated by another method. For example using the S actual data stored in the
また、本実施形態では、ステップS7において収束判定を行い、初期予測値yq1’と予測値yq’との差が小さくなるまで繰り返し計算する例を説明した。繰り返し計算を行った方が高精度の近傍データが得られるが、その代わり、計算負荷も掛かってしまう。計算負荷を少なくするためには繰り返し回数を少なくすれば良く、計算負荷を最小にする必要があるときには、繰り返し計算を行わなくても良い。繰り返し計算を行わなくても、従来手法よりも高精度な予測値が得られる。 In the present embodiment, the example in which the convergence determination is performed in step S7 and the calculation is repeatedly performed until the difference between the initial predicted value y q1 ′ and the predicted value y q ′ becomes small has been described. Although it is possible to obtain highly accurate neighborhood data by performing repeated calculations, a calculation load is applied instead. In order to reduce the calculation load, it is only necessary to reduce the number of repetitions. When it is necessary to minimize the calculation load, it is not necessary to perform the repeated calculation. Even if iterative calculation is not performed, a predicted value with higher accuracy than the conventional method can be obtained.
また、本実施形態では、第2の近傍データ選択部102での近傍データの選択方法にマハラノビス距離を用いた例を説明したが、それに限定されるものではない。
例えば式(15)で計算される対角行列を距離重み行列Pに用いる正規化ユークリッド距離でも良い。ここで、σmは説明変数xmの標準偏差(添え字mは説明変数の番号(ベクトルの要素の番号)を表わす)、σYは目的変数の標準偏差である。
P=diag(1/σ1,1/σ2,・・,1/σm,・・,1/σM,1/σY)・・・(15)
In this embodiment, the example in which the Mahalanobis distance is used as the neighborhood data selection method in the second neighborhood
For example, the normalized Euclidean distance using the diagonal matrix calculated by Expression (15) as the distance weight matrix P may be used. Here, σ m is the standard deviation of the explanatory variable x m (subscript m represents the number of the explanatory variable (vector element number)), and σ Y is the standard deviation of the objective variable.
P = diag (1 / σ 1 , 1 / σ 2 ,..., 1 / σ m ,..., 1 / σ M , 1 / σ Y ) (15)
また、説明変数xmの目的変数に対する偏回帰係数(a1、a2、・・,am,・・、aM、aY)を求め、その偏回帰係数を説明変数の重みとしたユークリッド距離、すなわち式(16)のように、偏回帰係数を対角要素とした対角行列を距離重み行列Pとして与えても良い。ここで、偏回帰係数aYは、目的変数自身の目的変数に対する偏回帰係数であり、目的変数と目的変数との相関係数(自身との相関係数)に相当するため、重みの値は式(16)のように1となる。
P=diag(a1,a2,・・,am,・・,aM,1)・・・(16)
Also, partial regression coefficients for the objective variable explanatory variable x m (a 1, a 2 , ··, a m, ··, a M, a Y) determine the Euclidean that the weight of the explanatory variables and the partial regression coefficients A diagonal matrix having a partial regression coefficient as a diagonal element may be given as the distance weighting matrix P, as in the equation (16). Here, the partial regression coefficient a Y is a partial regression coefficient with respect to the objective variable of the objective variable itself, and corresponds to a correlation coefficient between the objective variable and the objective variable (correlation coefficient with itself). It becomes 1 as shown in Expression (16).
P = diag (a 1 , a 2 ,..., A m ,..., A M , 1) (16)
また、上記の手法以外にも、式(17)のように、物理的知見や経験的知見により各説明変数と目的変数の重みを決定し、それらを対角要素とした対角行列を距離重み行列Pとして与えても良い。
P=diag(w1,w2,・・・,wM,wY)・・・(17)
In addition to the above method, the weight of each explanatory variable and the objective variable is determined based on physical knowledge and empirical knowledge as shown in Expression (17), and the diagonal matrix using these as diagonal elements is the distance weight. It may be given as a matrix P.
P = diag (w 1 , w 2 ,..., W M , w Y ) (17)
ある鉄鋼プロセスにおける加工後の鋼材温度を予測するモデルを対象とした。説明変数は、物理的知見から、加工前後の鋼材の寸法や加工前の鋼材温度等の15種類を選択した。
目的変数:加工後の鋼材温度
説明変数:加工前後の鋼材の寸法、加工前の鋼材温度、搬送・加工時間、工具形状、…(15種類=M)
半年間の実績データを2つに分け、4か月間の実績データを予めデータベースに蓄えておき、残り2か月間の実績データに対する予測値を算出して、その精度を評価した。評価した実績データは順次データベースに追加し、実績データを常に更新した。
学習データ:4か月間の26411個の操業データ
評価データ:2か月間の13306個の操業データ
A model for predicting the steel temperature after machining in a steel process was studied. As explanatory variables, 15 types such as the dimensions of the steel material before and after processing and the steel material temperature before processing were selected from physical knowledge.
Objective variable: Steel material temperature after processing Explanation variable: Dimensions of steel material before and after processing, steel material temperature before processing, conveyance / processing time, tool shape, ... (15 types = M)
The half-year performance data was divided into two, the performance data for 4 months was stored in the database in advance, the predicted value for the performance data for the remaining 2 months was calculated, and the accuracy was evaluated. The evaluated performance data was sequentially added to the database, and the performance data was constantly updated.
Learning data: 26411 operation data for 4 months Evaluation data: 13306 operation data for 2 months
表1に、従来手法と、本発明の手法との予測精度を比較した結果を示す。
従来手法は、近傍データの選択に、代表的な正規化ユークリッド距離、マハラノビス距離、偏回帰係数を重みとしたユークリッド距離を用いた。
本発明の手法は、初期予測値算出部101及び第2の近傍データ選択部102での近傍データの選択にマハラノビス距離を用い、繰り返しなし(収束計算なし)と、繰り返しあり(収束計算あり)とした。
表1の数値は、平均ゼロ、標準偏差1に正規化している。実績データの個数Sは2万、近傍データの個数Kは100とし、図2のステップS4〜S8の繰り返し回数の上限値は100回、式(14)の係数aの値は0.5とした。
表1に示すように、本発明の手法は、従来手法と比べてRMSE(実績値と予測値との2乗平均誤差)が最も良く、従来手法で最も精度のよかった偏回帰係数を重みとしたユークリッド距離と比べても、繰り返しを行ったケースでは9.3%(=(0.290−0.263)×100/0.290)も精度が向上した。なお、平均誤差は、いずれの手法でも値が小さいため、問題はないといえる。
Table 1 shows the result of comparing the prediction accuracy between the conventional method and the method of the present invention.
The conventional method uses Euclidean distance weighted by typical normalized Euclidean distance, Mahalanobis distance, and partial regression coefficient for selection of neighborhood data.
In the method of the present invention, the Mahalanobis distance is used for selection of neighborhood data in the initial predicted
The numerical values in Table 1 are normalized to mean zero and standard deviation 1. The number S of actual data is 20,000, the number K of neighboring data is 100, the upper limit of the number of repetitions of steps S4 to S8 in FIG. 2 is 100, and the value of the coefficient a in equation (14) is 0.5. .
As shown in Table 1, the method of the present invention has the best RMSE (root mean square error between the actual value and the predicted value) compared with the conventional method, and the weight of the partial regression coefficient that is the most accurate in the conventional method. Even when compared with the Euclidean distance, the accuracy was improved by 9.3% (= (0.290−0.263) × 100 / 0.290) in the case of repetition. Note that the average error has a small value in any of the methods, so it can be said that there is no problem.
以上、本発明を実施形態と共に説明したが、上記実施形態は本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
本発明を適用した予測装置は、例えばCPU、ROM、RAM等を備えたコンピュータ装置により実現される。なお、図1では予測装置100を一台の装置として図示したが、例えば複数台の装置により構成される形態でもかまわない。
また、本発明は、本発明の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータがプログラムを読み出して実行することによっても実現可能である。
Although the present invention has been described together with the embodiments, the above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention is interpreted in a limited manner by these. It must not be. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
The prediction device to which the present invention is applied is realized by a computer device including a CPU, a ROM, a RAM, and the like, for example. In FIG. 1, the
The present invention also provides software (program) that implements the functions of the present invention to a system or apparatus via a network or various storage media, and the system or apparatus computer reads out and executes the program. It is feasible.
100:予測装置
101:初期予測値算出部
101a:第1の近傍データ選択部
101b:第1の局所予測モデル作成部
101c:第1の予測値算出部
102:第2の近傍データ選択部
103:第2の局所予測モデル作成部
104:第2の予測値算出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100: Prediction apparatus 101: Initial prediction value calculation part 101a: 1st neighborhood data selection part 101b: 1st local prediction
Claims (11)
前記実績データ格納手段に格納された実績データに基づいて、予測対象の説明変数に対する目的変数の初期予測値を算出する初期予測値算出手段と、
予測対象の説明変数と初期予測値とを合わせたベクトルと、前記実績データ格納手段に格納された実績データの説明変数と実績データの目的変数とを合わせたベクトルとの距離を算出し、距離が小さい順に複数の実績データを近傍データとして選択する近傍データ選択手段と、
前記近傍データ選択手段で選択した複数の近傍データを用いて局所予測モデルを作成する局所予測モデル作成手段と、
前記局所予測モデル作成手段で作成した局所予測モデルに予測対象の説明変数を入力して、予測対象の説明変数に対する目的変数の予測値を算出する予測値算出手段とを備えたことを特徴とする予測装置。 A prediction device that calculates a predicted value of an objective variable for an explanatory variable to be predicted using actual data that is a combination of actual values of explanatory variables and objective variables stored in actual data storage means,
An initial predicted value calculating means for calculating an initial predicted value of the objective variable for the explanatory variable to be predicted based on the actual data stored in the actual data storing means;
The distance between the vector combining the explanatory variable to be predicted and the initial predicted value, and the vector combining the explanatory variable of the actual data stored in the actual data storage means and the objective variable of the actual data is calculated. Neighborhood data selection means for selecting a plurality of results data as neighborhood data in ascending order;
Local prediction model creation means for creating a local prediction model using a plurality of neighborhood data selected by the neighborhood data selection means;
Prediction value calculating means for inputting a prediction target explanatory variable to the local prediction model created by the local prediction model creating means and calculating a predicted value of an objective variable for the explanatory variable of the prediction target. Prediction device.
PTP=cov([X Y])-1・・・(b)
実績データの個数Sとして、実績データの説明変数行列X(=[x1 x2・・・xS]Tと実績データの目的変数ベクトルY=[y1 y2・・・yS]Tとを合わせた行列[X Y]の共分散行列の逆行列で与えられることを特徴とする請求項3に記載の予測装置。 The distance weight matrix P is expressed by the following equation (b).
P T P = cov ([XY]) −1 (b)
As the number S of the actual data, and the target variable vector of explanatory variable matrix X (= [x 1 x 2 ··· x S] T and actual data of actual data Y = [y 1 y 2 ··· y S] T The prediction apparatus according to claim 3, wherein the prediction apparatus is given by an inverse matrix of a covariance matrix of a matrix [XY] that is combined.
該按分で得た値を新たな初期予測値として、前記近傍データ選択手段の処理、前記局所予測モデル作成手段の処理、及び前記予測値算出手段の処理を行い、該新たな初期予測値と、前記予測値算出手段で今回算出した予測値との差が前記所定の値を下回れば、前記予測値算出手段で今回算出した予測値を採用し、前記所定の値以上であれば、該新たな初期予測値と、前記予測値算出手段で今回算出した予測値とを按分した値を算出し、
これを、前記所定の値を下回るまで、又は所定の繰り返し回数に達するまで繰り返すことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の予測装置。 If the difference between the initial predicted value calculated by the initial predicted value calculating means and the predicted value calculated by the predicted value calculating means is less than a predetermined value, the predicted value calculated by the predicted value calculating means is adopted, If the value is equal to or greater than a predetermined value, a value obtained by apportioning the initial predicted value calculated by the initial predicted value calculating unit and the predicted value calculated by the predicted value calculating unit is calculated.
The value obtained by the apportioning is used as a new initial predicted value, the processing of the neighborhood data selecting means, the processing of the local prediction model creating means, and the processing of the predicted value calculating means, and the new initial predicted value, If the difference between the predicted value calculated this time by the predicted value calculating means is less than the predetermined value, the predicted value calculated this time by the predicted value calculating means is adopted, and if it is greater than or equal to the predetermined value, the new value Calculate a value obtained by apportioning the initial predicted value and the predicted value calculated this time by the predicted value calculation means,
The prediction apparatus according to claim 1, wherein the prediction apparatus repeats this until the predetermined value is reached or until a predetermined number of repetitions is reached.
初期予測値算出手段が、前記実績データ格納手段に格納された実績データに基づいて、予測対象の説明変数に対する目的変数の初期予測値を算出するステップと、
近傍データ選択手段が、予測対象の説明変数と初期予測値とを合わせたベクトルと、前記実績データ格納手段に格納された実績データの説明変数と実績データの目的変数とを合わせたベクトルとの距離を算出し、距離が小さい順に複数の実績データを近傍データとして選択するステップと、
局所予測モデル作成手段が、前記近傍データ選択手段で選択した複数の近傍データを用いて局所予測モデルを作成するステップと、
予測値算出手段が、前記局所予測モデル作成手段で作成した局所予測モデルに予測対象の説明変数を入力して、予測対象の説明変数に対する目的変数の予測値を算出するステップとを有することを特徴とする予測方法。 A prediction method for calculating a predicted value of an objective variable for an explanatory variable to be predicted using actual data that is a combination of actual values of explanatory variables and objective variables stored in actual data storage means,
An initial predicted value calculating unit calculating an initial predicted value of an objective variable for an explanatory variable to be predicted based on the actual data stored in the actual data storing unit;
The distance between the vector in which the neighborhood data selection unit combines the explanatory variable to be predicted and the initial predicted value, and the vector in which the explanatory variable of the actual data stored in the actual data storage unit and the objective variable of the actual data are combined Calculating a plurality of performance data as the neighborhood data in ascending order of distance;
A step of creating a local prediction model using a plurality of neighborhood data selected by the neighborhood data selection means, the local prediction model creation means;
A prediction value calculating means including a step of inputting an explanatory variable to be predicted to the local prediction model created by the local prediction model creating means and calculating a predicted value of an objective variable for the explanatory variable to be predicted. The prediction method.
前記実績データ格納手段に格納された実績データに基づいて、予測対象の説明変数に対する目的変数の初期予測値を算出する初期予測値算出手段と、
予測対象の説明変数と初期予測値とを合わせたベクトルと、前記実績データ格納手段に格納された実績データの説明変数と実績データの目的変数とを合わせたベクトルとの距離を算出し、距離が小さい順に複数の実績データを近傍データとして選択する近傍データ選択手段と、
前記近傍データ選択手段で選択した複数の近傍データを用いて局所予測モデルを作成する局所予測モデル作成手段と、
前記局所予測モデル作成手段で作成した局所予測モデルに予測対象の説明変数を入力して、予測対象の説明変数に対する目的変数の予測値を算出する予測値算出手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。 A program for calculating a predicted value of an objective variable with respect to an explanatory variable to be predicted using performance data that is a combination of an actual value of an explanatory variable and an objective variable stored in the actual data storage means,
An initial predicted value calculating means for calculating an initial predicted value of the objective variable for the explanatory variable to be predicted based on the actual data stored in the actual data storing means;
The distance between the vector combining the explanatory variable to be predicted and the initial predicted value, and the vector combining the explanatory variable of the actual data stored in the actual data storage means and the objective variable of the actual data is calculated. Neighborhood data selection means for selecting a plurality of results data as neighborhood data in ascending order;
Local prediction model creation means for creating a local prediction model using a plurality of neighborhood data selected by the neighborhood data selection means;
A program for causing a computer to function as a prediction value calculation unit that inputs an explanatory variable to be predicted to a local prediction model created by the local prediction model creation unit and calculates a predicted value of an objective variable for the explanatory variable to be predicted.
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