JP6988050B2 - Data estimation method - Google Patents
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Description
本発明は、データ推定方法に関する。 The present invention relates to a data estimation method.
従来、地震による構造物の被害状況を地震発生後に推定することができる構造物の損傷推定システムが知られている(例えば、特許文献1を参照)。特許文献1に記載の技術では、特性の異なる複数の模擬地震波と当該複数の模擬地震波のそれぞれに対する構造物の動的応答とを関連付けて記憶させ、その複数の模擬地震波の中から構造物の近傍で観測された実地震波に近似する模擬地震波を検索し、検索された模擬地震波に対する構造物の動的応答を表示する。
Conventionally, a structure damage estimation system that can estimate the damage status of a structure due to an earthquake after the occurrence of an earthquake is known (see, for example, Patent Document 1). In the technique described in
また、物性が急激に変化する現象に等価線形解析法を適用する動的応答解析方法が知られている(例えば、特許文献2を参照)。特許文献2に記載の技術では、入力地震動の分割が行われ、液状化前の第1グループと、液状化後の第2グループとにグループ分けされる。第1グループは、液状化前の動的変形特性を用いた等価線形解析が行われる。第2グループは、液状化後の動的変形特性を用い、入力地震動が、液状化発生時刻tから最後までとされる等価線形解析が行われる。そして、第1および第2グループの等価線形解析の解が得られると、解析結果(応答波形)を重ね合わせて手順が終了する。
Further, a dynamic response analysis method for applying an equivalent linear analysis method to a phenomenon in which physical properties change rapidly is known (see, for example, Patent Document 2). In the technique described in
しかし、上記特許文献1及び上記特許文献2に記載の技術では、逐次非線形性を有する非線形入出力システムを解析対象とする場合に、観測データから入力データを適切に推定することはできない。
However, in the techniques described in
例えば、非線形入出力システムに対応する解析モデルが地盤モデルである場合、地震時の地盤の挙動は逐次非線形性を示し、地盤の物性値は時々刻々変化する。 For example, when the analysis model corresponding to the nonlinear input / output system is the ground model, the behavior of the ground at the time of an earthquake shows sequential nonlinearity, and the physical property values of the ground change from moment to moment.
上記特許文献2に記載の技術においては、液状化前と液状化後とで等価線形解析が行われるが、液状化の前後に関わらず地盤の物性値は時々刻々変化するため、地盤モデルへの入力データである入力地震動を適切に推定することができない。
In the technique described in
本発明は上記事実を考慮して、逐次非線形性を有する非線形入出力システムを解析対象とする場合に、観測データから非線形入出力システムの入力データを推定することを目的とする。 In consideration of the above facts, an object of the present invention is to estimate the input data of the nonlinear input / output system from the observed data when the nonlinear input / output system having the sequential nonlinearity is targeted for analysis.
上記目的を達成するために、本発明のデータ推定方法は、入力ベクトルが入力されたときに出力ベクトルを出力する非線形入出力システムにおいて、任意の前記出力ベクトルが観測されたときの前記入力ベクトルを推定するデータ推定方法であって、前記入力ベクトルの候補を表す入力候補ベクトルを、前記非線形入出力システムへ入力したときに出力される前記出力ベクトルを表す出力候補ベクトルを計算し、観測された任意の前記出力ベクトルを目標ベクトルとして、前記目標ベクトルと前記出力候補ベクトルとの間の差分を表す差分ベクトルを計算し、前記入力候補ベクトルに含まれる複数の要素の各々について、前記要素を変化させたベクトルである入力候補変化ベクトルを計算し、複数の前記入力候補変化ベクトルの各々について、前記入力候補変化ベクトルを前記非線形入出力システムへ入力したときの前記出力ベクトルを表す出力候補変化ベクトルを計算し、複数の前記出力候補変化ベクトルの各々について、前記出力候補変化ベクトルと前記出力候補ベクトルとの間の差分から求まる変化率を表す係数ベクトルを計算し、複数の係数ベクトルを列ベクトルとした行列を表す応答行列を生成し、前記応答行列の行列分解結果から得られる複数のモードから特定のモードを選択し、選択された前記モードに対応する部分行列を用いて、前記応答行列の一般化逆行列を生成し、前記一般化逆行列と前記差分ベクトルとに基づいて、前記入力候補ベクトルに対する補正量を表す補正ベクトルを計算し、前記入力候補ベクトルと前記補正ベクトルとに基づいて、新たな前記入力候補ベクトルを生成し、前記差分ベクトルに対応する値が予め定められた閾値未満となるまで、前記出力候補ベクトルの計算、前記差分ベクトルの計算、前記入力候補変化ベクトルの計算、前記出力候補変化ベクトルの計算、前記応答行列の生成、前記一般化逆行列の生成、及び前記新たな前記入力候補ベクトルの生成の各処理を繰り返し、前記差分ベクトルに対応する値が前記閾値未満となった場合に、前記入力候補ベクトルを、観測された任意の前記出力ベクトルに対応する前記入力ベクトルとして取得する、処理をコンピュータに実行させる。これにより、逐次非線形性を有する非線形入出力システムを解析対象とする場合に、観測データから非線形入出力システムの入力データを推定することができる。 In order to achieve the above object, the data estimation method of the present invention obtains the input vector when an arbitrary output vector is observed in a nonlinear input / output system that outputs an output vector when the input vector is input. An arbitrary data estimation method for estimation, in which an input candidate vector representing a candidate for the input vector is calculated and an output candidate vector representing the output vector output when the input candidate vector is input to the nonlinear input / output system is calculated and observed. Using the output vector of the above as a target vector, a difference vector representing the difference between the target vector and the output candidate vector was calculated, and the elements were changed for each of the plurality of elements included in the input candidate vector. The input candidate change vector which is a vector is calculated, and for each of the plurality of input candidate change vectors, the output candidate change vector representing the output vector when the input candidate change vector is input to the nonlinear input / output system is calculated. For each of the plurality of output candidate change vectors, a coefficient vector representing the rate of change obtained from the difference between the output candidate change vector and the output candidate vector is calculated, and a matrix having the plurality of coefficient vectors as a column vector is calculated. A generalized inverse matrix of the response matrix is generated by generating a response matrix to be represented, selecting a specific mode from a plurality of modes obtained from the matrix decomposition result of the response matrix, and using the submatrix corresponding to the selected mode. Is generated, a correction vector representing the correction amount for the input candidate vector is calculated based on the generalized inverse matrix and the difference vector, and the new input is based on the input candidate vector and the correction vector. A candidate vector is generated, and the output candidate vector is calculated, the difference vector is calculated, the input candidate change vector is calculated, and the output candidate change vector is calculated until the value corresponding to the difference vector becomes less than a predetermined threshold. When the value corresponding to the difference vector becomes less than the threshold value by repeating each process of the calculation of, the generation of the response matrix, the generation of the generalized inverse matrix, and the generation of the new input candidate vector. A computer is made to perform a process of acquiring the input candidate vector as the input vector corresponding to any observed output vector. As a result, when a nonlinear input / output system having sequential nonlinearity is targeted for analysis, the input data of the nonlinear input / output system can be estimated from the observed data.
本発明のデータ推定方法は、前記応答行列の行列分解結果から得られる複数のモードから特定のモードを選択する際に、前記モードの寄与度を表す値が予め設定されたモードに関する閾値以上である前記モードを選択し、選択された前記モードに対応する部分行列を用いて、前記応答行列の一般化逆行列を生成するようにしてもよい。これにより、観測データから非線形入出力システムの入力データを推定する際に、繰り返し計算の収束時間を短くすることができる。 In the data estimation method of the present invention, when a specific mode is selected from a plurality of modes obtained from the matrix factorization result of the response matrix, the value representing the contribution of the mode is equal to or more than the threshold value for the preset mode. The mode may be selected and the submatrix corresponding to the selected mode may be used to generate a generalized inverse matrix of the response matrix. This makes it possible to shorten the convergence time of the iterative calculation when estimating the input data of the nonlinear input / output system from the observation data.
本発明のデータ推定方法は、前記応答行列の行列分解結果から得られる複数のモードから特定のモードを選択する際に、前記モードの寄与度を表す値が大きい方から予め設定された個数の前記モードを選択し、選択された前記モードに対応する部分行列を用いて、前記応答行列の一般化逆行列を生成するようにしてもよい。これにより、観測データから非線形入出力システムの入力データを推定する際に、繰り返し計算の収束時間を短くすることができる。 In the data estimation method of the present invention, when a specific mode is selected from a plurality of modes obtained from the matrix factorization result of the response matrix, the number of presets is set from the one with the larger value representing the contribution of the mode. A mode may be selected and the submatrix corresponding to the selected mode may be used to generate a generalized inverse matrix of the response matrix. This makes it possible to shorten the convergence time of the iterative calculation when estimating the input data of the nonlinear input / output system from the observation data.
本発明のデータ推定方法は、前記非線形入出力システムは、入力ベクトルが入力されたときに各々異なる観測点での出力ベクトルを出力するものであって、各々異なる観測点で観測された任意の複数の前記出力ベクトルを、複数の前記目標ベクトルとして、各々異なる観測点で任意の複数の前記出力ベクトルが観測されたときの前記入力ベクトルを推定するようにしてもよい。これにより、観測データから非線形入出力システムの入力データを推定する場合に、複数の異なる観測データから、非線形入出力システムの入力データを推定することができる。 In the data estimation method of the present invention, the nonlinear input / output system outputs an output vector at different observation points when an input vector is input, and any plurality of data observed at different observation points. With the output vector of the above as a plurality of target vectors, the input vector may be estimated when any plurality of the output vectors are observed at different observation points. Thereby, when the input data of the nonlinear input / output system is estimated from the observation data, the input data of the nonlinear input / output system can be estimated from a plurality of different observation data.
また、本発明のデータ推定方法は、前記入力ベクトルは、複数種類のベクトルを含むようにしてもよい。これにより、観測データから非線形入出力システムの入力データを推定する場合に、複数の異なる種類の入力データを推定することができる。 Further, in the data estimation method of the present invention, the input vector may include a plurality of types of vectors. This makes it possible to estimate a plurality of different types of input data when estimating the input data of the nonlinear input / output system from the observation data.
本発明のデータ推定方法における前記非線形入出力システムは、ニューロンの数が予め設定されたニューラルネットワークであり、前記入力ベクトルは、前記ニューラルネットワークのパラメータであり、前記出力ベクトルは、前記ニューラルネットワークの出力であり、前記差分ベクトルは、学習用の入力データが前記ニューラルネットワークに入力された際の前記出力ベクトルと、前記学習用の入力データに対する正解の前記出力ベクトルを表す前記目標ベクトルとの間の差分であるようにしてもよい。これにより、非線形入出力システムの一例であるニューラルネットワークのパラメータを推定することができる。 The nonlinear input / output system in the data estimation method of the present invention is a neural network in which the number of neurons is preset, the input vector is a parameter of the neural network, and the output vector is the output of the neural network. The difference vector is the difference between the output vector when the input data for training is input to the neural network and the target vector representing the output vector having a correct answer to the input data for training. May be. This makes it possible to estimate the parameters of a neural network, which is an example of a nonlinear input / output system.
また、本発明のデータ推定方法は、前記各処理を繰り返す際に、前記モードに関する閾値を減少させることにより、選択される前記モードの数を増加させるようにしてもよい。これにより、観測データから非線形入出力システムの入力データを推定する際に、繰り返し計算の収束時間を短くすることができる。 Further, the data estimation method of the present invention may increase the number of selected modes by reducing the threshold value for the mode when each of the processes is repeated. This makes it possible to shorten the convergence time of the iterative calculation when estimating the input data of the nonlinear input / output system from the observation data.
また、本発明のデータ推定方法は、前記各処理を繰り返す際に、前記予め設定された個数を増加させることにより、選択される前記モードの数を増加させるようにしてもよい。これにより、観測データから非線形入出力システムの入力データを推定する際に、繰り返し計算の収束時間を短くすることができる。 Further, in the data estimation method of the present invention, the number of selected modes may be increased by increasing the preset number when each of the processes is repeated. This makes it possible to shorten the convergence time of the iterative calculation when estimating the input data of the nonlinear input / output system from the observation data.
また、本発明のデータ推定方法は、前記入力候補ベクトルと前記補正ベクトルとに基づいて、新たな前記入力候補ベクトルを生成する際に、前記入力候補ベクトルと前記補正ベクトルとから求められる新たな前記入力候補ベクトルの各要素の値が、予め設定された範囲内であるか否かを判定し、新たな前記入力候補ベクトルの各要素に、前記予め設定された範囲内でない前記要素が存在する場合に、該要素に対応する、前記補正ベクトルのうちの要素の値を調整して前記補正ベクトルを修正し、前記入力候補ベクトルと修正された前記補正ベクトルとに基づいて、新たな前記入力候補ベクトルを生成するようにしてもよい。これにより、非線形入出力システムの入力ベクトルの各要素の値に制限がある場合に、非線形入出力システムの入力データを適切に推定することができる。 Further, in the data estimation method of the present invention, when a new input candidate vector is generated based on the input candidate vector and the correction vector, the new input candidate vector and the correction vector are obtained. When it is determined whether or not the value of each element of the input candidate vector is within the preset range, and each element of the new input candidate vector has the element which is not within the preset range. In addition, the value of the element of the correction vector corresponding to the element is adjusted to correct the correction vector, and a new input candidate vector is obtained based on the input candidate vector and the corrected correction vector. May be generated. This makes it possible to appropriately estimate the input data of the nonlinear input / output system when the value of each element of the input vector of the nonlinear input / output system is limited.
本発明によれば、逐次非線形性を有する非線形入出力システムを解析対象とする場合に、観測データから非線形入出力システムの入力データを推定することができる、という効果が得られる。 According to the present invention, when a nonlinear input / output system having sequential nonlinearity is targeted for analysis, the effect that the input data of the nonlinear input / output system can be estimated from the observation data can be obtained.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<本発明の第1実施形態に係るデータ推定装置の構成> <Structure of the data estimation device according to the first embodiment of the present invention>
図1に、本発明の第1実施形態に係るデータ推定装置100の構成の一例を示す。データ推定装置100は、機能的には、図1に示されるように、データ受付部10、コンピュータ20、及び出力部50を含んだ構成で表すことができる。本実施形態のデータ推定装置100は、入力ベクトルが入力されたときに出力ベクトルを出力する非線形入出力システムFにおいて、任意の出力ベクトルが観測されたときの入力ベクトルを推定する。
FIG. 1 shows an example of the configuration of the
非線形入出力システムFの一例としては、非線形地盤モデルが挙げられる。例えば、非線形地盤モデルの任意の観測点において地震動が観測された場合を考える。この場合、観測点における地震動を表す出力ベクトルに基づいて、その出力ベクトルを再現するための入力地震動である入力ベクトルを推定する、という問題がある。このような入力ベクトルを推定する手法としては様々な手法が存在する。 An example of the nonlinear input / output system F is a nonlinear ground model. For example, consider the case where seismic motion is observed at an arbitrary observation point of a nonlinear ground model. In this case, there is a problem of estimating the input vector which is the input seismic motion for reproducing the output vector based on the output vector representing the seismic motion at the observation point. There are various methods for estimating such an input vector.
例えば、地震発生後の建物の健全性評価において、対象建物の基礎構造等の評価を行う際には、地震動のシミュレーション解析が利用される。地震動のシミュレーション解析を用いる場合、入力地震動の波形を表す入力ベクトルを再現する必要がある。 For example, in the soundness evaluation of a building after an earthquake, the simulation analysis of seismic motion is used when evaluating the foundation structure of the target building. When using seismic motion simulation analysis, it is necessary to reproduce the input vector representing the waveform of the input seismic motion.
図2に、建物と地盤とからなる非線形入出力システムFを説明するための説明図を示す。図2に示されるように、非線形入出力システムFは、建物本体(Building)、杭(Pile)、及び地盤(Soil)からなる。この場合、図2に示される観測点Sにおいて、地震動の観測データを表す出力波形(Output Wave)が得られる。このとき、得られた出力波形からインバージョンによって入力地震動を表す入力波形(Input Wave)が推定される。この場合、シミュレーション解析で用いるための入力地震動を表す入力波形は、非線形地盤モデル上の観測点Sにおいてその出力波形が再現されるように推定する必要がある。 FIG. 2 shows an explanatory diagram for explaining a nonlinear input / output system F composed of a building and the ground. As shown in FIG. 2, the nonlinear input / output system F includes a building, a pile, and a ground. In this case, at the observation point S shown in FIG. 2, an output waveform (Output Wave) representing the observation data of the seismic motion is obtained. At this time, the input waveform (Input Wave) representing the input seismic motion is estimated by inversion from the obtained output waveform. In this case, the input waveform representing the input seismic motion to be used in the simulation analysis needs to be estimated so that the output waveform is reproduced at the observation point S on the non-linear ground model.
入力地震動の設定方法としては、信号の周波数領域における方法が挙げられる。しかし、周波数領域による方法は解析中の地盤の物性値が一定である場合にのみ適用可能である。一般的には、地震時の地盤の挙動は逐次非線形性を示し、地盤の物性値は時々刻々変化する。このため、周波数領域による方法を汎用的に用いることは難しい。 Examples of the method for setting the input seismic motion include a method in the frequency domain of the signal. However, the frequency domain method is applicable only when the physical property value of the ground under analysis is constant. In general, the behavior of the ground during an earthquake shows sequential non-linearity, and the physical characteristics of the ground change from moment to moment. Therefore, it is difficult to use the frequency domain method for general purposes.
そのため、地震動のシミュレーション解析に用いる入力地震動を設定する際には、時間領域による方法を採用する必要がある。時間領域で入力地震動を設定する方法に関する従来技術は、対象システムが線形系である場合が多い。非線形を考慮した事例としては、基盤入力地震動を未知数として入力地震動を逆算する手法が知られているが、入力波に多くの高振動成分が生じてしまうという課題がある。 Therefore, when setting the input seismic motion used for the simulation analysis of the seismic motion, it is necessary to adopt the method based on the time domain. In the prior art regarding the method of setting the input seismic motion in the time domain, the target system is often a linear system. As an example considering non-linearity, a method of back-calculating the input seismic motion with the base input seismic motion as an unknown is known, but there is a problem that many high vibration components are generated in the input wave.
このため、解析対象の挙動が逐次非線形性を示す場合に、観測データである出力ベクトルに基づいて入力データである入力ベクトルを適切に推定する汎用的な手法は知られていない。そこで、本実施形態のデータ推定装置100は、逐次非線形性を有する非線形入出力システムを解析対象とする場合に、観測データである出力ベクトルから非線形入出力システムの入力データである入力ベクトルを適切に推定する。
Therefore, there is no known general-purpose method for appropriately estimating the input vector, which is the input data, based on the output vector, which is the observation data, when the behavior of the analysis target shows sequential non-linearity. Therefore, when the
出力ベクトル{ao}と非線形入出力システムFと入力ベクトル{ai}との関係は、以下の式(1)によって表される。 The relationship between the output vector {a o }, the nonlinear input / output system F, and the input vector { ai } is expressed by the following equation (1).
(1)
(1)
上記図2に示されるインバージョン(Inversion)は、上記式(1)の逆演算、すなわち、出力ベクトル{ao}から入力ベクトル{ai}を計算することに相当する。この逆演算を実施する際には2つの課題が存在する。1つ目の課題は、上記式(1)の演算は順方向に単射変換であるが、逆方向には単射変換とはならない点である。2つ目の課題は、対象となるシステムFが線形システムではなく、入力ベクトル{ai}に応じて出力ベクトル{ao}が複雑に変化する非線形システムである点である。 The inversion shown in FIG. 2 corresponds to the inverse operation of the above equation (1), that is, the calculation of the input vector { ai } from the output vector {a o}. There are two problems in performing this inverse operation. The first problem is that the operation of the above equation (1) is an injective transformation in the forward direction, but is not an injective transformation in the reverse direction. The second problem is that the target system F is not a linear system, but a nonlinear system in which the output vector {a o } changes in a complicated manner according to the input vector {ai}.
入力ベクトル{ai}がN次元であり、出力ベクトル{ao}がN次元である場合には、非線形入出力システムFはNxNの演算マトリクスとみなすことができる。そこで、本実施形態では、非線形入出力システムFが表す演算マトリクスの接線勾配を用いて、出力ベクトル{ao}から入力ベクトル{ai}を推定する。 When the input vector {a i } is N-dimensional and the output vector {a o } is N-dimensional, the nonlinear input / output system F can be regarded as an NxN arithmetic matrix. Therefore, in the present embodiment, the input vector {a i } is estimated from the output vector {a o } by using the tangential gradient of the arithmetic matrix represented by the nonlinear input / output system F.
図3に、演算マトリクスの接線勾配を説明するための説明図を示す。図3に示されるように、入力ベクトル{ai}の変化分{Δai}(Incremental Input Wave Vector)と演算マトリクスの接線勾配を表す行列[K]とから、出力ベクトル{ao}の変化分{Δao}(Incremental Output Wave Vector)が演算される。本実施形態では、入力ベクトル{ai}に対する変化分{Δai}を与え、行列[K]を生成する。そのため、本実施形態では行列[K]を摂動インパルス応答マトリクスと称する。 FIG. 3 shows an explanatory diagram for explaining the tangential gradient of the calculation matrix. As shown in FIG. 3, the change of the output vector {a o } from the change {Δa i } (Incremental Input Wave Vector) of the input vector {a i } and the matrix [K] representing the tangential gradient of the arithmetic matrix. Minutes {Δa o } (Incremental Output Wave Vector) are calculated. In the present embodiment, given the variation {.DELTA.a i} for the input vector {a i}, to generate a matrix [K]. Therefore, in this embodiment, the matrix [K] is referred to as a perturbation impulse response matrix.
また、本実施形態では、摂動インパルス応答マトリクス[K]を特異値分解し、特異値分解の結果から入力ベクトル{ai}の推定に有意なモードを選択し、推定された入力ベクトル{ai}の推定誤差を反復的に修正する。 Further, in this embodiment, the singular value decomposition of the perturbation impulse response matrix [K], and select the significant mode for the estimation of the input vector from the result of singular value decomposition {a i}, the estimated input vector {a i } Iteratively corrects the estimation error.
以下、具体的に説明する。 Hereinafter, a specific description will be given.
データ受付部10は、観測された任意の出力ベクトルを受け付ける。データ受付部10は、例えばキーボード、マウス、又は外部装置からの入力を受け付ける入出力装置等によって実現される。出力ベクトルは、例えば、建物周辺の所定の各箇所に設置されたセンサによって得られる地震動の各時刻の観測データである。
The
コンピュータ20は、CPU(Central Processing Unit)、各処理ルーチンを実現するためのプログラム等を記憶したROM(Read Only Memory)、データを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)、記憶手段としてのメモリ、ネットワークインタフェース等を含んで構成されている。コンピュータ20は、図1に示されるように、機能的には、データ記憶部21と、入力候補ベクトル計算部22と、出力候補ベクトル計算部24と、差分ベクトル計算部26と、判定部27と、入力候補変化ベクトル計算部28と、出力候補変化ベクトル計算部30と、応答行列計算部32と、一般化逆行列計算部34と、補正ベクトル計算部36と、更新部38と、結果取得部40とを備えている。
The
データ記憶部21には、データ受付部10によって受け付けた出力ベクトルが格納される。なお、データ記憶部21に格納された出力ベクトルは、目標ベクトルとして用いられる。
The
入力候補ベクトル計算部22は、入力ベクトルの候補を表す入力候補ベクトル{ai}を設定する。例えば、入力候補ベクトル計算部22は、以下の式(2)に示されるように、入力候補ベクトル{ai}に対して初期ベクトル{adum}を設定する。
The input candidate
(2)
(2)
観測データが地震動のデータである場合、初期ベクトル{adum}は、例えば、地盤の初期剛性を用いて振動数領域の方法によって求めた入力地震動を設定することができる。または、入力が完全に0の地震動であってもよい。なお、後述する繰り返し計算の繰り返し回数を減らすためには、精度の高い初期予測解を用いることが好ましい。 When the observed data is seismic motion data, the initial vector {a dum } can set the input seismic motion obtained by the method of the frequency region using, for example, the initial rigidity of the ground. Alternatively, the input may be a ground motion of completely 0. In order to reduce the number of repetitions of the iterative calculation described later, it is preferable to use a highly accurate initial prediction solution.
出力候補ベクトル計算部24は、以下の式(3)に従って、入力候補ベクトル{ai}を非線形入出力システムFへ入力したときに出力される出力ベクトルである出力候補ベクトル{ao}を計算する。 The output candidate vector calculation unit 24 calculates an output candidate vector {a o }, which is an output vector output when the input candidate vector {ai } is input to the nonlinear input / output system F, according to the following equation (3). do.
(3)
(3)
差分ベクトル計算部26は、データ記憶部21に格納された出力ベクトルを目標ベクトル{atar}として設定する。そして、差分ベクトル計算部26は、以下の式(4)に従って、目標ベクトル{atar}と出力候補ベクトル計算部24によって計算された出力候補ベクトル{ao}との間の差分を表す差分ベクトル{r}を計算する。
The difference
(4)
(4)
図4に、差分ベクトルを説明するための説明図を示す。図4に示されるように、差分ベクトル{r}(Residual wave vector)の各要素(各時刻の値)は、目標ベクトル{atar}(Target wave vector)の各要素(各時刻の値)と出力候補ベクトル{ao}(Calculated wave vector By predicted input wave)の各要素(各時刻の値)との間の差分である。そのため、この差分ベクトルの各成分の値が十分に小さければ、推定された入力候補ベクトル{ai}は、十分な精度を確保できていることになる。 FIG. 4 shows an explanatory diagram for explaining the difference vector. As shown in FIG. 4, each element (value at each time) of the difference vector {r} (Residual wave vector) is combined with each element (value at each time) of the target vector {a tar } (Target wave vector). It is a difference between each element (value at each time) of the output candidate vector {a o} (Calculated wave vector By predicted input wave). Therefore, if the value of each component of this difference vector is sufficiently small, the estimated input candidate vector { ai } can secure sufficient accuracy.
判定部27は、差分ベクトル計算部26によって計算された差分ベクトルに対応する値が予め定められた閾値ε未満であるか否かを判定する。本実施形態において、判定部27は、差分ベクトル{r}の各要素のうちの最大値|{r}max|を抽出し、以下の式(5)に従って、最大値|{r}max|が閾値ε未満であるか否かを判定する。なお、閾値εは解析対象のモデルや用途、単位系に応じて適宜設定する(例えば、0.01[cm/s2]など)。
The
(5)
(5)
そして、最大値|{r}max|が閾値ε未満である場合には、後述する入力候補変化ベクトル計算部28、出力候補変化ベクトル計算部30、応答行列計算部32、一般化逆行列計算部34、補正ベクトル計算部36、及び更新部38による繰り返し計算が終了し、後述する結果取得部40による処理が開始される。一方、最大値|{r}max|が閾値ε以上である場合には、後述する入力候補変化ベクトル計算部28、出力候補変化ベクトル計算部30、応答行列計算部32、一般化逆行列計算部34、補正ベクトル計算部36、及び更新部38による繰り返し計算が継続される。
When the maximum value | {r} max | is less than the threshold value ε, the input candidate change
本実施形態では、差分ベクトル{r}の各要素のうちの最大値|{r}max|が閾値ε未満であるか否かに応じて、繰り返し計算を終了させるか否かを判定する場合を例に説明するが、判定部27はどのように判定してもよい。例えば、判定部27は、差分ベクトル{r}のノルムが所定の閾値未満である場合に、繰り返し計算の終了を判定するようにしてもよい。また、判定部27は、差分ベクトル{r}の各要素の平均が所定の閾値未満である場合に、繰り返し計算の終了を判定するようにしてもよい。
In the present embodiment, it is determined whether or not to end the iterative calculation depending on whether or not the maximum value | {r} max | of each element of the difference vector {r} is less than the threshold value ε. As will be described as an example, the
入力候補変化ベクトル計算部28は、判定部27によって差分ベクトルのうちの最大値|{r}max|が閾値ε以上であると判定された場合に処理を実行する。判定部27によって差分ベクトルのうちの最大値|{r}max|が閾値ε以上であると判定された場合、入力候補変化ベクトル計算部28は、入力候補ベクトル計算部22により設定された入力候補ベクトル{ai}に含まれる複数の要素の各々について、当該要素を変化させたベクトルである入力候補変化ベクトル({ai}+{Δai j})を計算する。
The input candidate change
そして、出力候補変化ベクトル計算部30は、入力候補変化ベクトル計算部28によって計算された複数の入力候補変化ベクトル({ai}+{Δai j})の各々について、入力候補変化ベクトル({ai}+{Δai j})を非線形入出力システムFへ入力したときの出力ベクトルである出力候補変化ベクトル{ao j}を計算する。
Then, the output candidate change
具体的には、出力候補変化ベクトル計算部30は、以下の式(6)及び式(7)に従って、入力候補ベクトル{ai}の各要素に微小の摂動{Δai j}を加えた場合の応答解析を実施して、摂動{Δai j}を加えた場合の出力候補変化ベクトル{ao j}を得る。
Specifically, when the output candidate change
(6)
(7)
(6)
(7)
ここで、微小の摂動量Δは、推定対象の入力ベクトルの推定精度に応じて設定される。例えば、入力ベクトルが入力地震動である場合、0.1[cm/s2]単位での精度が必要であれば、同程度の値を設定することが好ましい。なお、摂動量Δの値が大きい場合には、収斂の仮定で振動が生じ収斂解が得られなくなる可能性が高くなる。一方、摂動量Δの値が小さい場合には、収斂に多くの時間を要することになる。 Here, the minute perturbation amount Δ is set according to the estimation accuracy of the input vector to be estimated. For example, when the input vector is an input seismic motion, it is preferable to set the same value if accuracy in 0.1 [cm / s 2] units is required. If the value of the perturbation amount Δ is large, there is a high possibility that vibration will occur under the assumption of convergence and a convergent solution cannot be obtained. On the other hand, when the value of the perturbation amount Δ is small, it takes a lot of time for convergence.
図5に、微小の摂動{Δai j}に応じて得られる出力候補変化ベクトル{ao j}を説明するための説明図を示す。図5に示されるように、入力候補ベクトル{ai}のj番目の要素に摂動{Δai j}を与えた応答解析を、全ての要素に対して実施することにより、N個の出力候補変化ベクトル{ao j}が得られる。この出力候補変化ベクトル{ao j}と上記式(3)において求めた出力候補ベクトル{ao}との間の差分は、入力候補ベクトル{ai}の各要素での摂動が出力に与える影響を示している。 FIG. 5 shows an explanatory diagram for explaining an output candidate change vector {a o j } obtained in response to a minute perturbation {Δa i j}. As shown in FIG. 5, N output candidates are obtained by performing a response analysis in which a perturbation {Δa i j } is given to the j-th element of the input candidate vector {a i} for all the elements. The change vector {a o j } is obtained. The difference between this output candidate change vector {a o j } and the output candidate vector {a o } obtained in the above equation (3) is given to the output by the perturbation in each element of the input candidate vector {a i}. Shows the impact.
応答行列計算部32は、以下の式(8)に従って、出力候補変化ベクトル計算部30によって計算された複数の出力候補変化ベクトル{ao j}の各々について、当該出力候補変化ベクトル{ao j}と当該出力候補ベクトル{ao}との間の差分から求まる変化率を表す影響係数ベクトル{kj}を計算する。影響係数ベクトル{kj}は、本発明の係数ベクトルの一例である。
(8)
(8)
上記図5に示されるように、影響係数ベクトル{kj}の各要素は、入力候補ベクトル{ai}のj番目の要素に摂動{Δai j}が与えられた場合の、出力候補変化ベクトル{ao j}の各要素と出力候補ベクトル{ao}の各要素との間の差分から求まる変化率である。 As shown in FIG. 5, each element of the influence coefficient vector {k j } changes the output candidate when the perturbation {Δa i j } is given to the j-th element of the input candidate vector {a i}. It is a rate of change obtained from the difference between each element of the vector {a o j } and each element of the output candidate vector {a o}.
そして、応答行列計算部32は、複数の影響係数ベクトル{kj}を列ベクトルとした行列を表す摂動インパルス応答マトリクス[K]を生成する。摂動インパルス応答マトリクス[K]は、本発明の応答行列の一例である。
Then, the response
具体的には、応答行列計算部32は、計算された複数の影響係数ベクトル{kj}を列ベクトルとして、以下の式(9)に示されるように、全ての影響係数ベクトル{kj}を並べることにより、摂動インパルス応答マトリクス[K](正方行列N×N)を生成する。
Specifically, the response
(9)
(9)
なお、摂動インパルス応答マトリクス[K]は、以下の式(10)に示されるように、現時点で候補となっている入力候補ベクトル{ai}に対して変化分{Δai}を与えた場合の出力ベクトル{ao}の変化分{Δao}を算定するマトリクスとなる。 In the perturbation impulse response matrix [K], as shown in the following equation (10), when a change {Δa i } is given to the input candidate vector {ai} which is a candidate at the present time. It is a matrix for calculating the change {Δa o } of the output vector {a o} of.
(10)
(10)
したがって、摂動インパルス応答マトリクス[K]は、非線形入出力システムFが表す演算マトリクスの接線勾配であり、上記図3に示されるように、入力ベクトルの微小変分から出力ベクトルの微小変分を算出するマトリクスである。 Therefore, the perturbation impulse response matrix [K] is a tangential gradient of the arithmetic matrix represented by the nonlinear input / output system F, and as shown in FIG. 3 above, the minute variation of the output vector is calculated from the minute variation of the input vector. It is a matrix.
摂動インパルス応答マトリクス[K]の各列は、入力ベクトルのある要素に摂動を与えた場合の出力ベクトルのある要素の摂動となる。そのため、この摂動インパルス応答マトリクス[K]の上三角部分は0となり、場合によっては対角部分も0となる。本実施形態では、摂動インパルス応答マトリクス[K]の逆行列を用いて、差分を解消するような入力候補ベクトル{ai}に対する変化分{Δai}を逆算し、修正を行うことで徐々に収斂解を近似的に得る。 Each column of the perturbation impulse response matrix [K] is a perturbation of an element of the output vector when a perturbation is given to an element of the input vector. Therefore, the upper triangular portion of this perturbation impulse response matrix [K] becomes 0, and in some cases, the diagonal portion also becomes 0. In the present embodiment, the inverse matrix of the perturbation impulse response matrix [K] is used to back-calculate the change {Δa i } with respect to the input candidate vector {a i} that eliminates the difference, and gradually correct it. Approximately obtain an impulse solution.
摂動インパルス応答マトリクス[K]を用いた場合であっても、「逆行列が一意に定まらない」及び「マトリクスが時々刻々変化する」という課題は残る。そこで、本実施形態では、前者については、通常の逆行列ではなく一般化逆行列を用い、かつその主要モードのみを用いて修正を行う。また、後者については、摂動インパルス応答マトリクス[K]を反復計算毎に求めることで解決する。本実施形態では、一般化逆行列を算出する際には、特異値分解を用いる。特異値分解は行列分解手法の一例である。 Even when the perturbation impulse response matrix [K] is used, the problems of "the inverse matrix is not uniquely determined" and "the matrix changes from moment to moment" remain. Therefore, in the present embodiment, the former is modified by using a generalized inverse matrix instead of the usual inverse matrix and using only its main mode. The latter is solved by finding the perturbation impulse response matrix [K] for each iterative calculation. In this embodiment, singular value decomposition is used when calculating the generalized inverse matrix. Singular value decomposition is an example of a matrix factorization method.
一般化逆行列計算部34は、行列分解手法の一例である特異値分解を用いて、応答行列計算部32によって生成された摂動インパルス応答マトリクス[K]を行列分解する。摂動インパルス応答マトリクス[K]の特異値分解が行われると、摂動インパルス応答マトリクス[K]は、以下の式(11)に示されるように分解される。
The generalized inverse
(11)
(11)
ここで、上記式(11)における[U]はユニタリ行列であり、各列は出力の正規直交基底で構成される。また、上記式(11)における[V]もユニタリ行列であり、その各列は入力の正規直交基底を示す。上記式(11)における[Σ]は特異値を対角項にもつ特異値行列である。なお、この特異値は分解前の行列のランクの数だけ得られ、特異値の大きさは各モードの寄与度の大きさを表している。 Here, [U] in the above equation (11) is a unitary matrix, and each column is composed of an orthonormal basis of the output. Further, [V] in the above equation (11) is also a unitary matrix, and each column thereof indicates an orthonormal basis of the input. [Σ] in the above equation (11) is a singular value matrix having singular values as diagonal terms. Note that this singular value is obtained by the number of ranks of the matrix before decomposition, and the magnitude of the singular value represents the magnitude of the contribution of each mode.
次に、一般化逆行列計算部34は、摂動インパルス応答マトリクス[K]の行列分解結果から得られる複数のモードから特定のモードを選択する。具体的には、一般化逆行列計算部34は、摂動インパルス応答マトリクス[K]の行列分解結果から得られる複数のモードから特定のモードを選択する際に、モードの寄与度を表す特異値が予め設定されたモードに関する閾値TH以上であるモードを選択する。したがって、一般化逆行列計算部34は、特異値が0又は比較的小さなモードは除外し、N’次のモードまでを考慮するものとして、各部分行列を縮退させる。なお、部分行列は縮退するが全体としての影響係数マトリクスの次元は変わらない。一般化逆行列計算部34によるモードの選択によって得られる摂動インパルス応答マトリクス[K’]は、以下の式(12)によって表される。
Next, the generalized inverse
(12)
(12)
図6に、モードの選択を説明するための説明図を示す。一般化逆行列計算部34は、図6に示されるように、特異値行列[Σ]から、特異値がモードに関する閾値TH以上であるモードを選択して、新たな特異値行列[Σ’]を生成する。
FIG. 6 shows an explanatory diagram for explaining the mode selection. As shown in FIG. 6, the generalized inverse
このように、特異値の小さなモードを無視するのは、特異値が0又は小さなモードを考慮した状態で逆行列を算出すると、同定された入力ベクトルに特異値(すなわち、影響度)の小さいモードの成分が多く含まれてしまうためである。また、数値計算上の0に近い値での除算等が生じ、多くの数値誤差が入ることを避ける意味合いもある。 In this way, ignoring the mode with a small singular value is the mode with a small singular value (that is, the degree of influence) on the identified input vector when the inverse matrix is calculated in the state where the singular value is 0 or the mode with a small value is taken into consideration. This is because it contains a large amount of the components of. In addition, there is also the meaning of avoiding a large number of numerical errors due to division by a value close to 0 in numerical calculation.
本実施形態のデータ推定手法は、繰り返しによって誤差を小さくしていく近似解法であるため、微小なモードは無視し、有意なモードを選択して修正を行う。なお、選別する特異値の境界値は、対象とする問題に応じて適宜設定する必要がある。なお、微小なモードによる修正だけでは、要求される許容誤差以内に収まらない可能性がある。そのような場合には、繰り返し回数に応じて徐々に閾値を下げ、より多くのモードを用いて修正を行うことが必要になる。 Since the data estimation method of the present embodiment is an approximate solution method in which the error is reduced by repetition, a minute mode is ignored and a significant mode is selected for correction. It should be noted that the boundary value of the singular value to be selected needs to be appropriately set according to the target problem. It should be noted that there is a possibility that the correction by a minute mode alone does not fall within the required margin of error. In such a case, it is necessary to gradually lower the threshold value according to the number of repetitions and make corrections using more modes.
次に、一般化逆行列計算部34は、選択されたモードに対応する部分行列を用いて、摂動インパルス応答マトリクス[K’]の一般化逆行列[K’]+を生成する。
Next, the generalized inverse
具体的には、一般化逆行列計算部34は、上記式(12)から、各行列のユニタリ性及び対角性を利用して、摂動インパルス応答マトリクス[K’]の一般化逆行列[K’]+を以下の式(13)によって求める。
Specifically, the generalized inverse
(13)
(13)
補正ベクトル計算部36は、一般化逆行列計算部34によって生成された一般化逆行列[K’]+と、差分ベクトル計算部26によって計算された差分ベクトル{r}とに基づいて、以下の式(14)に従って、入力候補ベクトル{ai}に対する補正量を表す補正ベクトル{Δai}を計算する。
The correction
(14)
(14)
更新部38は、入力候補ベクトル計算部22により設定された入力候補ベクトル{ai}と補正ベクトル計算部36により計算された補正ベクトル{Δai}とに基づいて、新たな入力候補ベクトル{ai}を生成する。
The
具体的には、更新部38は、以下の式(15)に示されるように、補正ベクトル{Δai}を入力候補ベクトル計算部22により設定された入力候補ベクトル{ai}に足しこみ、新たな入力候補ベクトル{ai}とする。
Specifically, the
(15)
(15)
そして、差分ベクトル{r}の各要素のうちの最大値|{r}max|が閾値ε未満となるまで、出力候補ベクトル{ao}の計算、差分ベクトル{r}の計算、入力候補変化({ai}+{Δai j})ベクトルの計算、出力候補変化ベクトル{ao j}の計算、摂動インパルス応答マトリクス[K]の生成、一般化逆行列[K’]+の生成、及び新たな入力候補ベクトル{ai}の生成の各処理が繰り返される。 Then, until the maximum value | {r} max | of each element of the difference vector {r} becomes less than the threshold value ε, the output candidate vector {a o } is calculated, the difference vector {r} is calculated, and the input candidate changes. ({A i } + {Δa i j }) Vector calculation, output candidate change vector {a o j } calculation, perturbation impulse response matrix [K] generation, generalized inverse matrix [K'] + generation, And each process of generating a new input candidate vector { ai} is repeated.
結果取得部40は、差分ベクトル計算部26によって計算される差分ベクトル{r}の各要素のうちの最大値|{r}max|が閾値ε未満となった場合に、更新部38によって生成された入力候補ベクトル{ai}を、データ記憶部21に格納された目標ベクトルに対応する入力ベクトルとして取得する。
The
出力部50は、結果取得部40によって取得された入力ベクトルを結果として出力する。例えば、出力部50は、ディスプレイによって実現される。
The
<データ推定装置100の作用>
<Action of
次に、データ推定装置100の作用を説明する。データ推定装置100のデータ受付部10が、観測された任意の出力ベクトルの入力を受け付けると、データ記憶部21へ格納する。そして、データ推定装置100のコンピュータ20は、処理実行の指示信号を受け付けると、図7Aに示すデータ推定処理ルーチンを実行する。なお、以下の処理では、摂動インパルス応答マトリクス[K]に対する一般化逆行列[K]+を生成した後に、特異値行列[Σ]から特定のモードを選択する場合を例に説明する。
Next, the operation of the
ステップS100において、入力候補ベクトル計算部22は、上記式(2)に従って、入力ベクトルの候補を表す入力候補ベクトル{ai}を設定する。
In step S100, the input candidate
ステップS102において、出力候補ベクトル計算部24は、上記式(3)に従って、上記ステップS100で設定された入力候補ベクトル{ai}を非線形入出力システムFへ入力したときに出力される出力ベクトルである出力候補ベクトル{ao}を計算する。
In step S102, the output candidate
ステップS104において、差分ベクトル計算部26は、データ記憶部21に格納された出力ベクトルを目標ベクトル{atar}として設定する。そして、差分ベクトル計算部26は、上記式(4)に従って、目標ベクトル{atar}と上記ステップS102で計算された出力候補ベクトル{ao}との間の差分を表す差分ベクトル{r}を計算する。
In step S104, the difference
ステップS106において、判定部27は、上記ステップS104で計算された差分ベクトル{r}の各要素のうちの最大値|{r}max|を抽出し、上記式(5)に従って、最大値|{r}max|が閾値ε未満であるか否かを判定する。そして、最大値|{r}max|が閾値ε未満である場合には、データ推定処理ルーチンを終了する。一方、最大値|{r}max|が閾値ε以上である場合には、ステップS108へ進む。 In step S106, the determination unit 27 extracts the maximum value | {r} max | of each element of the difference vector {r} calculated in step S104, and according to the above equation (5), the maximum value | { It is determined whether or not r} max | is less than the threshold value ε. Then, when the maximum value | {r} max | is less than the threshold value ε, the data estimation processing routine is terminated. On the other hand, if the maximum value | {r} max | is equal to or greater than the threshold value ε, the process proceeds to step S108.
ステップS108において、入力候補変化ベクトル計算部28は、上記ステップS100で設定された入力候補ベクトル{ai}に含まれる複数の要素の各々について、上記式(7)に従って、当該要素を変化させたベクトルである入力候補変化ベクトル({ai}+{Δai j})を計算する。
In step S108, the input candidate change
そして、ステップS108において、出力候補変化ベクトル計算部30は、入力候補変化ベクトル計算部28によって計算された複数の入力候補変化ベクトル({ai}+{Δai j})の各々について、上記式(6)に従って、入力候補変化ベクトル({ai}+{Δai j})を非線形入出力システムFへ入力したときの出力候補変化ベクトル{ao j}を計算する。
Then, in step S108, the output candidate change
ステップS110において、応答行列計算部32は、上記式(8)に従って、上記ステップS108で計算された複数の出力候補変化ベクトル{ao j}の各々について、当該出力候補変化ベクトル{ao j}と上記ステップS102で計算された出力候補ベクトル{ao}との間の差分から求まる影響係数ベクトル{kj}を計算する。
In step S110,
ステップS112において、応答行列計算部32は、上記式(9)に示されるように、上記ステップS110で計算された複数の影響係数ベクトル{kj}を列ベクトルとして、摂動インパルス応答マトリクス[K]を生成する。
In step S112, the response
ステップS114において、一般化逆行列計算部34は、上記ステップS112で生成された摂動インパルス応答マトリクス[K]を特異値分解し、特異値分解結果に応じて摂動インパルス応答マトリクス[K]の一般化逆行列[K]+を生成する。
In step S114, the generalized inverse
ステップS116において、一般化逆行列計算部34は、一般化逆行列[K]+を構成する特異値行列[Σ]から、特異値がモードに関する閾値TH以上であるモードを選択して、新たな特異値行列[Σ’]を生成する。また、一般化逆行列計算部34は、選択された特異値に応じて、新たな行列[U’]と新たな行列[V’]とを生成する。そして、一般化逆行列計算部34は、新たな特異値行列[Σ’]と新たな行列[U’]と新たな行列[V’]とに基づいて、新たな一般化逆行列[K’]+を生成する。
In step S116, the generalized inverse
ステップS118において、補正ベクトル計算部36は、上記ステップS116で生成された一般化逆行列[K’]+と、上記ステップS104で計算された差分ベクトル{r}とに基づいて、上記式(14)に従って、入力候補ベクトル{ai}に対する補正ベクトル{Δai}を計算する。
In step S118, the correction
ステップS120において、更新部38は、上記ステップS100で設定された入力候補ベクトル{ai}又は前回のステップS120で更新された入力候補ベクトル{ai}と、上記ステップS118で計算された補正ベクトル{Δai}とに基づいて、上記式(15)に従って、新たな入力候補ベクトル{ai}を生成する。
In step S120, the updating
データ推定処理ルーチンでは、差分ベクトル{r}の各要素のうちの最大値|{r}max|が閾値ε未満となるまで、出力候補ベクトル{ao}の計算、差分ベクトル{r}の計算、入力候補変化({ai}+{Δai j})ベクトルの計算、出力候補変化ベクトル{ao j}の計算、摂動インパルス応答マトリクス[K]の生成、一般化逆行列[K’]+の生成、及び新たな入力候補ベクトル{ai}の生成の各処理が繰り返される。 In the data estimation processing routine, the output candidate vector {a o } is calculated and the difference vector {r} is calculated until the maximum value | {r} max | of each element of the difference vector {r} becomes less than the threshold value ε. , Input candidate change ({ ai } + {Δa i j }) vector calculation, output candidate change vector {a o j } calculation, perturbation impulse response matrix [K] generation, generalized inverse matrix [K'] Each process of generating + and generating a new input candidate vector { ai } is repeated.
結果取得部40は、差分ベクトル{r}の各要素のうちの最大値|{r}max|が閾値ε未満となった場合に、更新部38によって生成された入力候補ベクトル{ai}を、データ記憶部21に格納された目標ベクトルに対応する入力ベクトルとして取得する。
The result acquisition unit 40 inputs the input candidate vector {ai } generated by the update unit 38 when the maximum value | {r} max | of each element of the difference vector {r} is less than the threshold value ε. , Acquired as an input vector corresponding to the target vector stored in the
出力部50は、結果取得部40によって取得された入力ベクトルを結果として出力する。
The
以上詳細に説明したように、本実施形態のデータ推定装置100は、入力候補ベクトル{ai}を非線形入出力システムFへ入力したときに出力される出力候補ベクトル{ao}を計算し、観測された任意の出力ベクトルを目標ベクトル{atar}として、目標ベクトル{atar}と出力候補ベクトル{ao}との間の差分を表す差分ベクトル{r}を計算する。そして、データ推定装置100は、入力候補ベクトル{ai}に含まれる複数の要素の各々について、当該要素を変化させたベクトルである入力候補変化ベクトル({ai}+{Δai j})を計算し、複数の入力候補変化ベクトル({ai}+{Δai j})の各々について、入力候補変化ベクトル({ai}+{Δai j})を非線形入出力システムFへ入力したときの出力候補変化ベクトル{ao j}を計算する。そして、データ推定装置100は、複数の出力候補変化ベクトル{ao j}の各々について、影響係数ベクトル{k}を計算し、摂動インパルス応答マトリクス[K]を生成する。そして、データ推定装置100は、摂動インパルス応答マトリクス[K]の行列分解結果から得られる複数のモードから特定のモードを選択し、選択されたモードに対応する部分行列を用いて、摂動インパルス応答マトリクス[K]の一般化逆行列[K’]+を生成する。そして、データ推定装置100は、一般化逆行列[K’]+と差分ベクトル{r}とに基づいて、入力候補ベクトル{ai}に対する補正ベクトル{Δai}を計算する。そして、データ推定装置100は、入力候補ベクトル{ai}と補正ベクトル{Δai}とに基づいて、新たな入力候補ベクトル{ai}を生成する。また、データ推定装置100は、差分ベクトル{r}の各要素のうちの最大値|{r}max|が閾値ε未満となるまで、出力候補ベクトル{ao}の計算、差分ベクトル{r}の計算、入力候補変化({ai}+{Δai j})ベクトルの計算、出力候補変化ベクトル{ao j}の計算、摂動インパルス応答マトリクス[K]の生成、一般化逆行列[K’]+の生成、及び新たな前記入力候補ベクトル{ai}の生成の各処理を繰り返す。そして、データ推定装置100は、差分ベクトル{r}の各要素のうちの最大値|{r}max|が閾値ε未満となった場合に、入力候補ベクトル{ai}を、観測された任意の出力ベクトルに対応する入力ベクトルとして取得する。これにより、逐次非線形性を有する非線形入出力システムを解析対象とする場合に、観測データから非線形入出力システムの入力データを推定することができる。
As described in detail above, the
<本発明の第2実施形態に係るデータ推定装置の構成> <Structure of the data estimation device according to the second embodiment of the present invention>
次に、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態のデータ推定装置は、入力候補ベクトル{ai}に対する補正ベクトル{Δai}を計算する際に、入力候補ベクトルと補正ベクトルとから求められる新たな入力候補ベクトルの各要素の値が、予め設定された範囲内であるか否かを判定する。そして、第2実施形態のデータ推定装置は、新たな入力候補ベクトルの各要素に、予め設定された範囲内でない要素が存在する場合には、補正ベクトルのうちの要素の値を調整して補正ベクトルを修正する。なお、第2の実施形態に係るデータ推定装置の構成は、第1実施形態と同様の構成となるため、同一符号を付して説明を省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. The data estimation device of the second embodiment is used to calculate the correction vector {Δa i } for the input candidate vector {ai }, and the value of each element of the new input candidate vector obtained from the input candidate vector and the correction vector. Is within a preset range. Then, when the data estimation device of the second embodiment has an element that is not within the preset range in each element of the new input candidate vector, the value of the element in the correction vector is adjusted and corrected. Modify the vector. Since the configuration of the data estimation device according to the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, the same reference numerals are given and the description thereof will be omitted.
第2実施形態の補正ベクトル計算部36は、上記式(15)に従って、上記式(14)に従って計算された補正ベクトル{Δai}と、入力候補ベクトル計算部22により設定された入力候補ベクトル{ai}とに基づき、新たな入力候補ベクトル{ai}を一旦計算する。
Correction
次に、補正ベクトル計算部36は、入力候補ベクトル{ai}と補正ベクトル{Δai}とから一旦求められた新たな入力候補ベクトル{ai}の各要素の値が、予め設定された範囲内であるか否かを判定する。
Next, the correction
例えば、本実施形態のデータ推定装置を用いて同定を行う場合、入力候補ベクトル{ai}の各要素に、負になってはいけないパラメータ(例えば、ヤング率又は耐力等)が含まれている場合、各要素の値として負の値が候補として探索されてしまい、計算の収斂が停止してしまう場合がある。 For example, when identification is performed using the data estimation device of the present embodiment , each element of the input candidate vector {ai } includes a parameter that must not be negative (for example, Young's modulus or proof stress). In that case, a negative value may be searched for as a candidate as the value of each element, and the convergence of the calculation may stop.
そこで、第2実施形態のデータ推定装置は、入力候補ベクトル{ai}の各要素が予め設定された範囲外とならないように、補正ベクトル{Δai}を修正する。これにより、非線形入出力システムの入力ベクトルの各要素の値に制限がある場合に、非線形入出力システムの入力データを適切に推定することができる。 Therefore, the data estimation device of the second embodiment modifies the correction vector {Δa i } so that each element of the input candidate vector {ai } does not fall outside the preset range. This makes it possible to appropriately estimate the input data of the nonlinear input / output system when the value of each element of the input vector of the nonlinear input / output system is limited.
なお、入力候補ベクトル{ai}の各要素のうち、制約がない要素に関しては予め定められた範囲を設定する必要はない。 Of the elements of the input candidate vector { ai }, it is not necessary to set a predetermined range for the elements without restrictions.
そして、補正ベクトル計算部36は、一旦計算された新たな入力候補ベクトル{ai}の各要素に、予め設定された範囲内でない要素が存在する場合に、以下の式(16)に従って、補正ベクトル{Δai}のうちの各要素の値を調整して補正ベクトル{Δai}を修正する。
Then, the correction
(16)
(16)
第2実施形態の更新部38は、補正ベクトル計算部36による修正が行われた後、上記式(15)に示されるように、補正ベクトル{Δai}を入力候補ベクトル計算部22により設定された入力候補ベクトル{ai}に足しこみ、新たな入力候補ベクトル{ai}とする。
<データ推定装置の作用> <Action of data estimation device>
次に、第2実施形態のデータ推定装置の作用を説明する。第2実施形態のデータ推定装置のデータ受付部10が、観測された任意の出力ベクトルの入力を受け付けると、データ記憶部21へ格納する。そして、第2実施形態のデータ推定装置のコンピュータ20は、処理実行の指示信号を受け付けると、図7Bに示すデータ推定処理ルーチンを実行する。
Next, the operation of the data estimation device of the second embodiment will be described. When the
ステップS219において、第2実施形態の補正ベクトル計算部36は、上記式(15)に従って、ステップS100で設定された入力候補ベクトル{ai}又は前回のステップS120で更新された入力候補ベクトル{ai}と、ステップS118で計算された補正ベクトル{Δai}とに基づいて、新たな入力候補ベクトル{ai}を一旦計算する。
In step S219, the correction
そして、ステップS219において、補正ベクトル計算部36は、一旦求めた新たな入力候補ベクトル{ai}の各要素の値が、予め設定された範囲内であるか否かを判定する。これにより、補正ベクトル{ai}による入力候補ベクトル{ai}の変動が許容可能であるか否かが判定される。そして、一旦求めた新たな入力候補ベクトル{ai}の各要素の値が、予め設定された範囲外である場合には、ステップS220へ進む。一方、一旦求めた新たな入力候補ベクトル{ai}の各要素の値が、予め設定された範囲内である場合にはステップS120へ進む。
Then, in step S219, the correction
ステップS220において、補正ベクトル計算部36は、上記式(16)に従って、補正ベクトル{Δai}のうちの各要素の値を調整して補正ベクトル{Δai}を修正する。
In step S220, the correction
ステップS120において、更新部38は、上記ステップS100で設定された入力候補ベクトル{ai}又は前回のステップS120で更新された入力候補ベクトル{ai}と、上記ステップS118で計算された補正ベクトル{Δai}又は上記ステップS220で修正された補正ベクトル{Δai}とに基づいて、上記式(15)に従って、新たな入力候補ベクトル{ai}を生成する。
In step S120, the updating
以上詳細に説明したように、第2実施形態のデータ推定装置は、入力候補ベクトル{ai}に対する補正ベクトル{Δai}を計算する際に、入力候補ベクトルと補正ベクトルとから求められる新たな入力候補ベクトルの各要素の値が、予め設定された範囲内であるか否かを判定する。そして、第2実施形態のデータ推定装置は、新たな入力候補ベクトルの各要素に、予め設定された範囲内でない要素が存在する場合に、補正ベクトルのうちの要素の値を調整して補正ベクトルを修正する。これにより、非線形入出力システムの入力ベクトルの各要素の値に制限がある場合に、非線形入出力システムの入力データを適切に推定することができる。 As described in detail above, the data estimation device of the second embodiment is a new method obtained from the input candidate vector and the correction vector when calculating the correction vector {Δa i } for the input candidate vector {ai}. It is determined whether or not the value of each element of the input candidate vector is within the preset range. Then, when each element of the new input candidate vector has an element that is not within the preset range, the data estimation device of the second embodiment adjusts the value of the element in the correction vector to correct the vector. To fix. This makes it possible to appropriately estimate the input data of the nonlinear input / output system when the value of each element of the input vector of the nonlinear input / output system is limited.
<シミュレーション実験> <Simulation experiment>
次に、例題を用いたシミュレーション実験について説明する。 Next, a simulation experiment using an example will be described.
図8に、対象の解析モデルを示す。解析モデルは深さ50mの柱状の自由地盤モデルとする。また、地盤は軟弱な砂地盤を想定し、Vs値は100[m/s]、ポアソン比は0.33、単位体積重量は1.8[t/m3]とする。地盤の非線形特性にはRamberg-Osgood(RO)モデル(例えば、参考文献(Jennnings, P. C., "Periodic Response of General Yielding Structure", J. Eng. Mech. Div., ASCE, EM2, pp.131-163, 1964)を参照)を採用する。ROモデルのパラメータは、参考文献(Architectural Institute of Japan: "Seismic Response Analysis and Design of Buildings Considering Dynamic Soil-Structure Interaction", Maruzen, 2006(in Japanese))に記載された砂質土の値を参照し、せん断剛性低下率(G/G0)が50%となるときのせん断ひずみγ0.5=0.10%、最大減衰定数hmax=0.21となるように設定する。 FIG. 8 shows the analysis model of the target. The analysis model is a columnar free ground model with a depth of 50 m. The ground is assumed to be soft sand, with a Vs value of 100 [m / s], a Poisson's ratio of 0.33, and a unit volume weight of 1.8 [t / m 3 ]. Ramberg-Osgood (RO) model for non-linear characteristics of the ground (eg, References (Jennnings, PC, "Periodic Response of General Yielding Structure", J. Eng. Mech. Div., ASCE, EM2, pp.131-163) , 1964)) is adopted. For the parameters of the RO model, refer to the sandy soil values described in the reference (Architectural Institute of Japan: "Seismic Response Analysis and Design of Buildings Considering Dynamic Soil-Structure Interaction", Maruzen, 2006 (in Japanese)). , Set so that the shear strain γ 0.5 = 0.10% and the maximum damping constant hmax = 0.21 when the shear modulus reduction rate (G / G0) is 50%.
また、地盤下部は、粘性境界とし、Vs値は300m/s、単位体積重量は1.8t/m3に相当する粘性ダンパーを設定している。時間積分にはNewmark-β法(β=1/4)を用い、解析時間刻みは0.01秒とする。解析プログラムにはMuDIAN(例えば、参考文献(塩見忠彦ほか3名,「地盤の非線形挙動を考慮した構造解析システムの開発」,竹中技術研究所報告,No.54,pp.1-8,1998)を参照)を用いる。 In addition, the lower part of the ground has a viscous boundary, and a viscous damper corresponding to a Vs value of 300 m / s and a unit volume weight of 1.8 t / m3 is set. The Newmark-β method (β = 1/4) is used for time integration, and the analysis time step is 0.01 seconds. The analysis program includes MuDIAN (for example, References (Tadahiko Shiomi and 3 others, "Development of Structural Analysis System Considering Nonlinear Behavior of Ground", Takenaka Institute of Technology Report, No.54, pp.1-8, 1998). See).
シミュレーションによって、この解析モデルに対して、図9(a)(b)に示すTaft1952EW地震動(最大加速度1.76m/s2、継続時間10秒まで)をα倍(α=1,2,3)したものを入力地震動(入力ベクトル)とする応答解析を実施し、地表面出力(出力ベクトル)を算出する。解析時間については、最も大きな3倍入力の場合で約3秒であった。 By simulation, the Taft1952EW seismic motion (maximum acceleration 1.76 m / s 2 , duration up to 10 seconds) shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b) was multiplied by α (α = 1,2,3) for this analysis model. The response analysis is performed with the object as the input seismic motion (input vector), and the ground surface output (output vector) is calculated. The analysis time was about 3 seconds in the case of the largest triple input.
図10に、算定された地盤の最大応答加速度(Max Acc)、最大変位(Max Disp)、最大せん断ひずみ(Max Shear Strain)の分布図を示す。図10より、地盤の最大せん断ひずみは1倍入力の場合でも0.1%以上に達しており非線形化が生じていることがわかる。また、3倍入力の場合においては、さらにひずみが増大し、-30m以深においては1%以上のせん断ひずみが生じていることから、強非線形領域に達していることが予測される。このことは、加速度分布や変位分布が、単純な係数倍の応答となっていないことからも判断できる。 FIG. 10 shows a distribution map of the calculated maximum response acceleration (Max Acc), maximum displacement (Max Disp), and maximum shear strain (Max Shear Strain) of the ground. From FIG. 10, it can be seen that the maximum shear strain of the ground reaches 0.1% or more even in the case of 1x input, and non-linearity occurs. In addition, in the case of triple input, the strain further increases, and at a depth of -30 m or deeper, a shear strain of 1% or more is generated, so it is predicted that the strain has reached the strongly non-linear region. This can be judged from the fact that the acceleration distribution and the displacement distribution do not have a simple coefficient-folded response.
図11に、入力地震動と地表面応答の加速度時刻歴の伝達関数(Transfer function)(ParzenWindow0.1Hz)を示す。図11より、入力地震動が大きくなるにつれて、非線形化の影響により全周期帯に渡って伝達関数が変化していることが確認できる。 FIG. 11 shows a transfer function (ParzenWindow0.1Hz) of the acceleration time history of the input seismic motion and the ground surface response. From FIG. 11, it can be confirmed that the transfer function changes over the entire period due to the influence of the non-linearization as the input seismic motion increases.
これらの解析から得られた地表面の加速度時刻歴を再現するような入力地震動が提案手法によって算定できるか、また算定された入力地震動は、この解析に用いた地震動とどの程度一致するのかを確認する。 It is confirmed whether the input seismic motion that reproduces the acceleration time history of the ground surface obtained from these analyzes can be calculated by the proposed method, and to what extent the calculated input seismic motion matches the seismic motion used in this analysis. do.
なお、上記式(5)で設定する許容誤差は0.01m/s2、上記式(8)で設定する摂動量についても同じ0.01m/s2とし、繰り返し回数は100回で打ち切りとした。また、上記式(12)で設定するモードの数については、初期のイテレーションでは「特異値1以上」のモードを抽出することとし、以降、上記式(14)の加速度修正ベクトルの成分の最大値が0.5m/s2未満になった時点で、特異値の閾値を半分にしていく。これにより徐々に高次のモードを含んだ修正を行うようにしている。
The margin of error set by the above formula (5) was 0.01 m / s 2 , the perturbation amount set by the above formula (8) was also 0.01 m / s 2 , and the number of repetitions was 100 times. Regarding the number of modes set by the above equation (12), the mode of "
図12に、ターゲットとする地表面出力から同定された入力地震動(Calculated)を実線で示し、シミュレーション解析で用いた入力地震動(Target)を点線で示す。また、図13に、図12に示された入力地震動によって得られる地表面出力の加速度時刻歴(Calculated)を実線で示し、シミュレーション解析で用いた入力地震動から得られる地表面出力(Target)を点線で示す。なお、これらの同定結果はターゲットとする地表面出力とのRMS(Root Mean Square)誤差が概ね1.0を下回る場合のケースを抽出している。 In FIG. 12, the input seismic motion (Calculated) identified from the target ground surface output is shown by a solid line, and the input seismic motion (Target) used in the simulation analysis is shown by a dotted line. Further, in FIG. 13, the acceleration time history (Calculated) of the ground surface output obtained by the input seismic motion shown in FIG. 12 is shown by a solid line, and the ground surface output (Target) obtained from the input seismic motion used in the simulation analysis is shown by a dotted line. Indicated by. These identification results extract cases where the RMS (Root Mean Square) error from the target ground surface output is approximately less than 1.0.
図12及び図13より、いずれの入力倍率においても、同定された入力地震動に若干の差はあるものの、地表面出力はよい精度で一致していることがわかる。このように地表面出力は概ね整合している一方で、同定された入力地震動の差が大きい要因は、前述したようにこの逆問題が単射問題でないためである。すなわち、ターゲットとする地表面出力を実現する入力地震動は複数存在し、一意には定まらないため、今回同定された入力地震動も解の一つではあるものの、前節で入力地震動として用いた地震動と完全には一致しなかったものと考えられる。ただし、いずれの入力倍率においても、初期の入力が小さく略線形とみなせる領域においては、入力地震動の波形はよい精度で一致している。これは、線形状態での入出力関係は1対1対応するため、精度良く算定できたものと考えられる。 From FIGS. 12 and 13, it can be seen that the ground surface outputs match with good accuracy, although there are some differences in the identified input seismic motions at both input magnifications. While the ground surface outputs are generally consistent in this way, the reason for the large difference in the identified input seismic motions is that the inverse problem is not an injective problem as described above. In other words, since there are multiple input seismic motions that realize the target ground surface output and are not uniquely determined, the input seismic motion identified this time is one of the solutions, but it is completely the same as the seismic motion used as the input seismic motion in the previous section. It is probable that they did not match. However, at any input magnification, the waveforms of the input seismic motions match with good accuracy in the region where the initial input is small and can be regarded as substantially linear. It is considered that this can be calculated accurately because the input / output relationship in the linear state has a one-to-one correspondence.
以下のTable1に、RMS誤差を1.0未満とするために必要な収斂回数および計算時間を示す。また、図14には収斂によるRMS誤差の減少の様子を示す。なお、Table1の数値は、図14における「pick up point」における値である。非線形性の小さな1倍入力の場合は収斂が早いが、非線形化が進む2倍入力、3倍入力では多くの収斂回数、収斂時間がかかっている。非線形化が進んだ解析においては応答が複雑になり、誤差が収束しにくくなったものと考えられる。 Table 1 below shows the number of convergences and calculation time required to keep the RMS error below 1.0. Further, FIG. 14 shows how the RMS error is reduced due to convergence. The numerical values in Table 1 are the values at the “pick up point” in FIG. Convergence is fast in the case of 1x input with small non-linearity, but it takes a lot of times of convergence and convergence time in 2x input and 3x input where non-linearity progresses. It is considered that the response became complicated in the analysis with advanced non-linearity, and it became difficult for the error to converge.
前述したように、本実施形態における提案手法の特徴は、反復的な修正を有意なモードに限定して行うことにある。しかしながら、考え方として全てのモードを用いる方法も当然考えられる。 As described above, the feature of the proposed method in the present embodiment is that the iterative modification is limited to the significant mode. However, as a way of thinking, a method of using all modes is naturally conceivable.
そこで、図15を用いて、入力1倍のケースについて、考慮するモードの数を変化させた場合の収束性の違いを確認する。比較するケースは、前述した特異値の最小値を徐々に漸減させる場合(Gradient Decrease)に加えて、1.0(const),10-6で固定(Min. Singular value)とした場合を追記している。前者は、常に低次のモードのみで修正を行った場合、後者はほぼすべてのモードを用いて修正を行った場合に相当する。 Therefore, with reference to FIG. 15, it is confirmed that there is a difference in convergence when the number of modes to be considered is changed in the case of 1x input. In the case of comparison, in addition to the case where the minimum value of the singular value is gradually reduced (Gradient Decrease), the case where it is fixed at 1.0 (const) and 10 -6 (Min. Singular value) is added. .. The former corresponds to the case where the correction is always performed only in the lower-order mode, and the latter corresponds to the case where the correction is performed using almost all modes.
図15より、全モードを用いた10-6で固定した場合においては、収斂せず逆に発散してしまっている。一方、最小値を1.0で固定した低次モードのみでの修正でも、誤差の収斂は遅く収斂回数を重ねても誤差は小さくならない。したがって、初めは低次モードで修正し、誤差が小さくならなくなる場合には徐々に高次のモードを追加して修正していくという手法が有効といえる。 From FIG. 15, in the case of fixing at 10-6 using all modes, it does not converge and diverges on the contrary. On the other hand, even if the correction is made only in the low-order mode in which the minimum value is fixed at 1.0, the error convergence is slow and the error does not become small even if the number of convergences is repeated. Therefore, it can be said that it is effective to make corrections in the low-order mode at first, and then gradually add higher-order modes to make corrections when the error does not become small.
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications can be made without departing from the gist of the present invention.
上記実施形態のデータ推定方法は、出力ベクトル{ao}と非線形入出力システムFと入力ベクトル{ai}とが、どのようなものであっても適用することができる。 The data estimation method of the above embodiment can be applied regardless of the output vector {a o }, the nonlinear input / output system F, and the input vector { ai}.
例えば、図16に示されるように、非線形入出力システムは、ニューロンの数が予め設定されたニューラルネットワークFであり、入力ベクトル{ai}はニューラルネットワークのパラメータ{W1,W2,・・・,W100}であり、出力ベクトル{ao}はニューラルネットワークの出力であるように設定することもできる。この場合、差分ベクトル{r}は、学習用の入力データ(TestData)がニューラルネットワークFに入力された際の出力ベクトルと、学習用の入力データ(TestData)に対する正解の出力ベクトルを表す目標ベクトル(Target Output{Test1,Test2,Test3,…})との間の差分であるように設定される。 For example, as shown in FIG. 16, the nonlinear input / output system is a neural network F in which the number of neurons is preset, and the input vector { ai } is a neural network parameter {W1, W2, ..., W100}, and the output vector {a o } can be set to be the output of the neural network. In this case, the difference vector {r} is an output vector when the input data for training (TestData) is input to the neural network F, and a target vector (target vector) representing the correct output vector for the input data for training (TestData). It is set to be the difference between Target Output {Test1, Test2, Test3, ...}).
また、上記実施形態では、摂動インパルス応答マトリクス[K]の行列分解結果から得られる複数のモードから特定のモードを選択する際に、モードの寄与度を表す値がモードに関する閾値x以上であるモードを選択し、選択されたモードに対応する部分行列を用いて、摂動インパルス応答マトリクス[K]の一般化逆行列[K’]+を生成する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、摂動インパルス応答マトリクス[K]の行列分解結果から得られる複数のモードから特定のモードを選択する際に、モードの寄与度を表す値が大きい方から予め設定された個数のモードを選択し、選択されたモードに対応する部分行列を用いて、摂動インパルス応答マトリクス[K]の一般化逆行列[K’]+を生成するようにしてもよい。 Further, in the above embodiment, when a specific mode is selected from a plurality of modes obtained from the matrix factorization result of the perturbation impulse response matrix [K], the value representing the contribution of the mode is equal to or more than the threshold value x regarding the mode. Was selected and the submatrix corresponding to the selected mode was used to generate the generalized inverse matrix [K'] + of the perturbation impulse response matrix [K], but the case is limited to this. It's not a thing. For example, when selecting a specific mode from a plurality of modes obtained from the matrix factorization result of the perturbation impulse response matrix [K], a preset number of modes are selected from the one with the larger value representing the contribution of the mode. , The submatrix corresponding to the selected mode may be used to generate the generalized inverse matrix [K'] + of the perturbation impulse response matrix [K].
また、図17に示されるように、非線形入出力システムFは、入力ベクトルが入力されたときに各々異なる観測点での出力ベクトルを出力するものであるようにしてもよい。この場合、データ推定装置100は、各々異なる観測点で観測された任意の複数の出力ベクトルを、複数の目標ベクトル(Target Output1,Target Output2)として、各々異なる観測点で任意の複数の出力ベクトルが観測されたときの入力ベクトル(Input)を推定する。この場合、入力ベクトル{ai}の変化分{Δai}と摂動インパルス応答マトリクス[K]と出力ベクトル{ao}の変化分{Δao}との関係は、図17に示されるようになり、出力ベクトル{ao}の変化分{Δao}には、複数の異なる観測点での出力ベクトル{ao}の変化分{Δao}が含まれる。
Further, as shown in FIG. 17, the nonlinear input / output system F may output the output vectors at different observation points when the input vectors are input. In this case, the
また、入力ベクトルは、複数種類のベクトルを含むようにしてもよい。例えば、図18に示されるように、入力地震動(Input)と地盤剛性K0とを推定したい場合には、入力地震動を表す加速度データAccと地盤剛性K0を入力ベクトルとして設定することができる。この場合、入力ベクトル{ai}の変化分{Δai}と摂動インパルス応答マトリクス[K]と出力ベクトル{ao}の変化分{Δao}との関係は、図18に示されるようになり、入力ベクトル{ai}の変化分{Δai}には、地盤剛性K0に関する摂動が含まれる。 Further, the input vector may include a plurality of types of vectors. For example, as shown in FIG. 18, when it is desired to estimate the input seismic motion (Input) and the ground stiffness K0, the acceleration data Acc representing the input seismic motion and the ground stiffness K0 can be set as input vectors. In this case, the relationship between the change {Δa i } of the input vector {a i }, the perturbation impulse response matrix [K], and the change {Δa o } of the output vector {a o } is as shown in FIG. Therefore, the change {Δa i } of the input vector {a i } includes a perturbation related to the ground stiffness K0.
また、各処理を繰り返す際に、選択されるモードの数を増加させるようにしてもよい。この場合には、例えば、各処理が繰り返される毎に、モードに関する閾値xを減少させることにより、選択されるモードの数を増加させることができる。または、各処理が繰り返される毎に、選択されるモードの個数を増加させることにより、選択されるモードの数を増加させることができる。初めは低次モードで修正し、徐々に高次のモードを追加して修正していくという手法は、図15に示されるように有効といえる。この場合には、図15に示されるように、観測データから非線形入出力システムの入力データを推定する際に、繰り返し計算の収束時間を短くすることができる。 Further, the number of selected modes may be increased when each process is repeated. In this case, for example, the number of selected modes can be increased by decreasing the threshold value x regarding the mode each time each process is repeated. Alternatively, the number of selected modes can be increased by increasing the number of selected modes each time each process is repeated. It can be said that the method of correcting in the low-order mode at the beginning and gradually adding and correcting the high-order mode is effective as shown in FIG. In this case, as shown in FIG. 15, when estimating the input data of the nonlinear input / output system from the observation data, the convergence time of the iterative calculation can be shortened.
また、上記ではプログラムが記憶部(図示省略)に予め記憶(インストール)されている態様を説明したが、プログラムは、CD−ROM、DVD−ROM及びマイクロSDカード等の記録媒体の何れかに記録されている形態で提供することも可能である。 Further, although the mode in which the program is stored (installed) in advance in the storage unit (not shown) has been described above, the program is recorded on any recording medium such as a CD-ROM, a DVD-ROM, or a micro SD card. It is also possible to provide it in the form in which it is used.
10 データ受付部
20 コンピュータ
21 データ記憶部
22 入力候補ベクトル計算部
24 出力候補ベクトル計算部
26 差分ベクトル計算部
27 判定部
28 入力候補変化ベクトル計算部
30 出力候補変化ベクトル計算部
32 応答行列計算部
34 一般化逆行列計算部
36 補正ベクトル計算部
38 更新部
40 結果取得部
100 データ推定装置
10
Claims (7)
前記入力ベクトルの候補を表す入力候補ベクトルを、前記非線形入出力システムへ入力したときに出力される前記出力ベクトルを表す出力候補ベクトルを計算し、
観測された任意の前記出力ベクトルを目標ベクトルとして、前記目標ベクトルと前記出力候補ベクトルとの間の差分を表す差分ベクトルを計算し、
前記入力候補ベクトルに含まれる複数の要素の各々について、前記要素を変化させたベクトルである入力候補変化ベクトルを計算し、
複数の前記入力候補変化ベクトルの各々について、前記入力候補変化ベクトルを前記非線形入出力システムへ入力したときの前記出力ベクトルを表す出力候補変化ベクトルを計算し、
複数の前記出力候補変化ベクトルの各々について、前記出力候補変化ベクトルと前記出力候補ベクトルとの間の差分から求まる変化率を表す係数ベクトルを計算し、複数の係数ベクトルを列ベクトルとした行列を表す応答行列を生成し、
前記応答行列の行列分解結果から得られる複数のモードから特定のモードを選択し、選択された前記モードに対応する部分行列を用いて、前記応答行列の一般化逆行列を生成し、
前記一般化逆行列と前記差分ベクトルとに基づいて、前記入力候補ベクトルに対する補正量を表す補正ベクトルを計算し、
前記入力候補ベクトルと前記補正ベクトルとに基づいて、新たな前記入力候補ベクトルを生成し、
前記差分ベクトルに対応する値が予め定められた閾値未満となるまで、前記出力候補ベクトルの計算、前記差分ベクトルの計算、前記入力候補変化ベクトルの計算、前記出力候補変化ベクトルの計算、前記応答行列の生成、前記一般化逆行列の生成、及び前記新たな前記入力候補ベクトルの生成の各処理を繰り返し、
前記差分ベクトルに対応する値が前記閾値未満となった場合に、前記入力候補ベクトルを、観測された任意の前記出力ベクトルに対応する前記入力ベクトルとして取得する、
処理をコンピュータに実行させるデータ推定方法。 A data estimation method that estimates the input vector when any output vector is observed in a nonlinear input / output system that outputs the output vector when the input vector is input.
An output candidate vector representing the output vector output when the input candidate vector representing the input vector candidate is input to the nonlinear input / output system is calculated.
Using any of the observed output vectors as the target vector, a difference vector representing the difference between the target vector and the output candidate vector is calculated.
For each of the plurality of elements included in the input candidate vector, an input candidate change vector, which is a vector obtained by changing the elements, is calculated.
For each of the plurality of input candidate change vectors, an output candidate change vector representing the output vector when the input candidate change vector is input to the nonlinear input / output system is calculated.
For each of the plurality of output candidate change vectors, a coefficient vector representing the rate of change obtained from the difference between the output candidate change vector and the output candidate vector is calculated, and a matrix having the plurality of coefficient vectors as a column vector is represented. Generate a response matrix and
A specific mode is selected from a plurality of modes obtained from the matrix factorization result of the response matrix, and the submatrix corresponding to the selected mode is used to generate a generalized inverse matrix of the response matrix.
Based on the generalized inverse matrix and the difference vector, a correction vector representing the correction amount for the input candidate vector is calculated.
A new input candidate vector is generated based on the input candidate vector and the correction vector.
Calculation of the output candidate vector, calculation of the difference vector, calculation of the input candidate change vector, calculation of the output candidate change vector, and the response matrix until the value corresponding to the difference vector becomes less than a predetermined threshold value. , The generation of the generalized inverse matrix, and the generation of the new input candidate vector are repeated.
When the value corresponding to the difference vector is less than the threshold value, the input candidate vector is acquired as the input vector corresponding to any observed output vector.
A data estimation method that causes a computer to perform processing.
請求項1に記載のデータ推定方法。 When selecting a specific mode from a plurality of modes obtained from the matrix factorization result of the response matrix, the mode in which the value representing the contribution of the mode is equal to or larger than the threshold value for the preset mode is selected and selected. Using the submatrix corresponding to the mode, a generalized inverse matrix of the response matrix is generated.
The data estimation method according to claim 1.
請求項1に記載のデータ推定方法。 When selecting a specific mode from a plurality of modes obtained from the matrix factorization result of the response matrix, a preset number of the modes are selected and selected from the one having the larger value representing the contribution of the mode. Using the submatrix corresponding to the mode, a generalized inverse matrix of the response matrix is generated.
The data estimation method according to claim 1.
各々異なる観測点で観測された任意の複数の前記出力ベクトルを、複数の前記目標ベクトルとして、各々異なる観測点で任意の複数の前記出力ベクトルが観測されたときの前記入力ベクトルを推定する、
請求項1〜請求項3の何れか1項に記載のデータ推定方法。 The nonlinear input / output system outputs an output vector at different observation points when an input vector is input.
Using any plurality of the output vectors observed at different observation points as the plurality of target vectors, the input vector when any plurality of the output vectors are observed at different observation points is estimated.
The data estimation method according to any one of claims 1 to 3.
請求項1〜請求項3の何れか1項に記載のデータ推定方法。 The input vector includes a plurality of types of vectors.
The data estimation method according to any one of claims 1 to 3.
前記入力候補ベクトルと前記補正ベクトルとから求められる新たな前記入力候補ベクトルの各要素の値が、予め設定された範囲内であるか否かを判定し、
新たな前記入力候補ベクトルの各要素に、前記予め設定された範囲内でない前記要素が存在する場合に、該要素に対応する、前記補正ベクトルのうちの要素の値を調整して前記補正ベクトルを修正し、
前記入力候補ベクトルと修正された前記補正ベクトルとに基づいて、新たな前記入力候補ベクトルを生成する、
請求項1〜請求項5の何れか1項に記載のデータ推定方法。 When generating a new input candidate vector based on the input candidate vector and the correction vector,
It is determined whether or not the value of each element of the new input candidate vector obtained from the input candidate vector and the correction vector is within the preset range.
When each element of the new input candidate vector has the element that is not within the preset range, the value of the element of the correction vector corresponding to the element is adjusted to obtain the correction vector. correct,
A new input candidate vector is generated based on the input candidate vector and the corrected correction vector.
The data estimation method according to any one of claims 1 to 5.
前記入力ベクトルは、前記ニューラルネットワークのパラメータであり、
前記出力ベクトルは、前記ニューラルネットワークの出力であり、
前記差分ベクトルは、学習用の入力データが前記ニューラルネットワークに入力された際の前記出力ベクトルと、前記学習用の入力データに対する正解の前記出力ベクトルを表す前記目標ベクトルとの間の差分である、
請求項1〜請求項3の何れか1項に記載のデータ推定方法。 The nonlinear input / output system is a neural network in which the number of neurons is preset.
The input vector is a parameter of the neural network.
The output vector is the output of the neural network.
The difference vector is a difference between the output vector when the input data for learning is input to the neural network and the target vector representing the output vector having a correct answer to the input data for learning.
The data estimation method according to any one of claims 1 to 3.
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