JP7013965B2 - Information processing equipment, information processing methods, and programs - Google Patents
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Description
本発明は、情報処理装置、情報処理方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to an information processing apparatus, an information processing method, and a program.
近年、技術の発展に伴い、対象の状態を検出する種々のセンサ装置が開発されている。また、上記のようなセンサ装置により取得されたセンサデータを用いて、観測対象の状態にかかる分類を行う手法も多く提案されている。例えば、センサデータに対して非負値行列因子分解を行うことによる分類手法が知られている。 In recent years, with the development of technology, various sensor devices for detecting the state of an object have been developed. In addition, many methods have been proposed for classifying the state of the observation target using the sensor data acquired by the sensor device as described above. For example, a classification method by performing non-negative matrix factorization on sensor data is known.
例えば、下記特許文献1には、センサデータに対して非負値行列因子分解を適用して得られた係数行列を特徴量として、センサデータにかかる観測対象が正常であるか異常であるかを示す2つのクラスに分類することが記載されている。また、下記特許文献2には、非負値行列因子分解において、類似した複数の基底ベクトルが分解して得られなくなるように拘束条件を設けることで、より少ない次数で元のデータを近似表現することが記載されている。
For example,
非負値行列因子分解で得られる基底数が少ない程、計算コスト、あるいは通信コストを抑制することが可能であるが、例えば必要とされる基底数よりも少ない基底数が得られるように拘束条件が設定された場合には、分類性能が低下する恐れがあった。 The smaller the number of bases obtained by non-negative matrix factorization, the more the calculation cost or communication cost can be suppressed. If set, there is a risk that the classification performance will deteriorate.
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、分類性能の向上とコストの抑制を両立することが可能な、新規かつ改良された情報処理装置、情報処理方法、及びプログラムを提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is a new and improved information processing apparatus capable of achieving both improvement of classification performance and cost reduction. , Information processing methods, and programs.
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、時系列データに基づいて、非負の教師データを取得する前処理部と、前記教師データに対して非負値行列因子分解を適用することにより基底ベクトルを取得し、前記基底ベクトルに基づいて、前記基底ベクトルに対応する分類性能を示す情報を基底ベクトル性能情報として取得し、前記基底ベクトル性能情報に基づいて、教師基底行列の候補となる教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルを特定し、前記教師基底行列候補に基づいて、前記教師基底行列候補に対応する分類性能を示す情報を基底行列性能情報として取得し、前記教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルの数に基づいて、前記教師基底行列候補に対応する計算コストを示す情報をコスト情報として取得し、前記教師基底行列候補に対応する前記基底行列性能情報と前記コスト情報とを組み合わせた評価値を算出し、前記評価値に基づいて前記教師基底行列候補から教師基底行列を特定し、前記教師基底行列と前記教師データとに基づいて教師係数行列を生成する教師データ処理部と、を備える情報処理装置が提供される。
In order to solve the above problem, according to a certain viewpoint of the present invention, a preprocessing unit that acquires non-negative teacher data based on time-series data and a non-negative matrix factor decomposition are applied to the teacher data. By doing so, the basis vector is acquired , and based on the basis vector, the information indicating the classification performance corresponding to the basis vector is acquired as the basis vector performance information, and based on the basis vector performance information, the candidate of the teacher basis matrix is obtained. The basis vector included in the teacher basis matrix candidate is specified, and based on the teacher basis matrix candidate, information indicating the classification performance corresponding to the teacher basis matrix candidate is acquired as the basis matrix performance information, and the teacher basis matrix candidate is obtained. Based on the number of basis vectors included in, information indicating the calculation cost corresponding to the teacher basis matrix candidate is acquired as cost information, and the basis matrix performance information and the cost information corresponding to the teacher basis matrix candidate are obtained. A teacher data processing unit that calculates a combined evaluation value, identifies a teacher basis matrix from the teacher basis matrix candidates based on the evaluation value, and generates a teacher coefficient matrix based on the teacher basis matrix and the teacher data. An information processing apparatus comprising the above is provided .
前記基底行列性能情報は、前記教師基底行列候補に含まれる複数の前記基底ベクトルに対する複数の係数ベクトルを特徴量として前記教師データを分類した場合の分類精度に基づく情報であってもよい。 The basis matrix performance information may be information based on the classification accuracy when the teacher data is classified using a plurality of coefficient vectors for the plurality of the basis vectors included in the teacher basis matrix candidate as feature quantities.
前記教師データに含まれる全てのデータには、同一種別のラベルが対応付けられ、前記基底ベクトル性能情報は、前記教師基底行列候補に含まれる複数の前記基底ベクトルに対する複数の係数ベクトルに含まれる各係数をサンプルとして算出されるマハラノビス距離の総和に基づく情報であってもよい。 All the data included in the teacher data are associated with labels of the same type, and the basis vector performance information is included in each of a plurality of coefficient vectors for the plurality of the basis vectors included in the teacher basis matrix candidate. The information may be based on the sum of Mahalanobis distances calculated using the coefficients as a sample.
前記基底ベクトル性能情報は、前記基底ベクトルに対する係数ベクトルを特徴量として前記教師データを分類した場合の分類精度に基づく情報であってもよい。 The basis vector performance information may be information based on the classification accuracy when the teacher data is classified using the coefficient vector for the basis vector as a feature amount.
前記教師データに含まれる全てのデータには、同一種別のラベルが対応付けられ、前記基底ベクトル性能情報は、前記基底ベクトルに対する係数ベクトルに含まれる各係数をサンプルとして算出されるマハラノビス距離の総和に基づく情報であってもよい。 All the data included in the teacher data are associated with labels of the same type, and the basis vector performance information is the sum of the Mahalanobis distances calculated using each coefficient included in the coefficient vector for the basis vector as a sample. It may be based information.
前記情報処理装置は、前記教師係数行列、及び前記教師データに対応付けられた正解ラベルに基づいて分類モデルパラメータを生成するモデル構築部をさらに備えてもよい。 The information processing apparatus may further include a model building unit that generates classification model parameters based on the teacher coefficient matrix and the correct label associated with the teacher data.
前記前処理部は、さらなる時系列データに基づいて、非負の評価データをさらに取得し、前記情報処理装置は、前記教師基底行列に基づいて、前記評価データから評価係数行列を生成する特徴抽出部と、前記評価係数行列を前記分類モデルパラメータに基づいて分類する分類部と、をさらに備えてもよい。 The preprocessing unit further acquires non-negative evaluation data based on further time-series data, and the information processing apparatus generates an evaluation coefficient matrix from the evaluation data based on the teacher base matrix. And a classification unit that classifies the evaluation coefficient matrix based on the classification model parameters.
前記特徴抽出部は、前記評価データから評価係数行列候補を生成し、前記教師基底行列及び前記評価係数行列候補に基づいて算出される、前記評価データに対する残差が所定の条件を満たす場合に、前記評価係数行列候補を前記評価係数行列としてもよい。 The feature extraction unit generates an evaluation coefficient matrix candidate from the evaluation data, and when the residual to the evaluation data calculated based on the teacher base matrix and the evaluation coefficient matrix candidate satisfies a predetermined condition, the feature extraction unit generates the evaluation coefficient matrix candidate. The evaluation coefficient matrix candidate may be used as the evaluation coefficient matrix.
前記教師データ処理部は、前記残差が前記所定の条件を満たさない場合に、前記残差に対して非負値行列因子分解を適用することで得られる基底ベクトルが追加された前記教師基底行列に基づいて前記教師係数行列をさらに生成し、前記モデル構築部は、さらに生成された前記教師係数行列に基づいて、前記分類モデルパラメータを更新してもよい。 The teacher data processing unit adds a basis vector obtained by applying a non-negative matrix factor decomposition to the residual when the residual does not satisfy the predetermined condition to the teacher base matrix. The teacher coefficient matrix may be further generated based on the above, and the model building unit may update the classification model parameters based on the further generated teacher coefficient matrix.
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、時系列データに基づいて、非負の教師データを取得することと、前記教師データに対して非負値行列因子分解を適用することにより基底ベクトルを取得し、前記基底ベクトルに基づいて、前記基底ベクトルに対応する分類性能を示す情報を基底ベクトル性能情報として取得し、前記基底ベクトル性能情報に基づいて、教師基底行列の候補となる教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルを特定し、前記教師基底行列候補に基づいて、前記教師基底行列候補に対応する分類性能を示す情報を基底行列性能情報として取得し、前記教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルの数に基づいて、前記教師基底行列候補に対応する計算コストを示す情報をコスト情報として取得し、前記教師基底行列候補に対応する前記基底行列性能情報と前記コスト情報とを組み合わせた評価値を算出し、前記評価値に基づいて前記教師基底行列候補から教師基底行列を特定し、前記教師基底行列と前記教師データとに基づいて教師係数行列を生成することと、を含む、情報処理装置により実行される情報処理方法が提供される。
Further, in order to solve the above problems, according to another viewpoint of the present invention, acquisition of non-negative teacher data based on time-series data and application of non-negative matrix factor decomposition to the teacher data. By doing so, the base vector is acquired , and based on the base vector, information indicating the classification performance corresponding to the base vector is acquired as the base vector performance information, and the candidate of the teacher base matrix is obtained based on the base vector performance information. The base vector included in the teacher base matrix candidate is specified, and based on the teacher base matrix candidate, information indicating the classification performance corresponding to the teacher base matrix candidate is acquired as the base matrix performance information, and the teacher base matrix is obtained. Based on the number of base vectors included in the candidate, information indicating the calculation cost corresponding to the teacher base matrix candidate is acquired as cost information, and the base matrix performance information and the cost information corresponding to the teacher base matrix candidate are obtained . The evaluation value obtained by combining the above is calculated, the teacher base matrix is specified from the teacher base matrix candidates based on the evaluation value, and the teacher coefficient matrix is generated based on the teacher base matrix and the teacher data . Information processing methods performed by the information processing apparatus are provided, including.
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、コンピュータに、時系列データに基づいて、非負の教師データを取得する機能と、前記教師データに対して非負値行列因子分解を適用することにより基底ベクトルを取得し、前記基底ベクトルに基づいて、前記基底ベクトルに対応する分類性能を示す情報を基底ベクトル性能情報として取得し、前記基底ベクトル性能情報に基づいて、教師基底行列の候補となる教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルを特定し、前記教師基底行列候補に基づいて、前記教師基底行列候補に対応する分類性能を示す情報を基底行列性能情報として取得し、前記教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルの数に基づいて、前記教師基底行列候補に対応する計算コストを示す情報をコスト情報として取得し、前記教師基底行列候補に対応する前記基底行列性能情報と前記コスト情報とを組み合わせた評価値を算出し、前記評価値に基づいて前記教師基底行列候補から教師基底行列を特定し、前記教師基底行列と前記教師データとに基づいて教師係数行列を生成する機能と、を実現させるためのプログラムが提供される。
Further, in order to solve the above-mentioned problems, according to another viewpoint of the present invention, a function of acquiring non-negative teacher data based on time-series data and a non-negative matrix factor for the teacher data are obtained. The basis vector is acquired by applying the decomposition, and the information indicating the classification performance corresponding to the basis vector is acquired as the basis vector performance information based on the basis vector, and the teacher basis is obtained based on the basis vector performance information. The basis vector included in the teacher basis matrix candidate that is a candidate for the matrix is specified, and based on the teacher basis matrix candidate, information indicating the classification performance corresponding to the teacher basis matrix candidate is acquired as the basis matrix performance information. Based on the number of basis vectors included in the teacher basis matrix candidate, information indicating the calculation cost corresponding to the teacher basis matrix candidate is acquired as cost information, and the basis matrix performance information corresponding to the teacher basis matrix candidate and the said A function that calculates an evaluation value in combination with cost information, identifies a teacher basis matrix from the teacher basis matrix candidates based on the evaluation value, and generates a teacher coefficient matrix based on the teacher basis matrix and the teacher data. And, a program to realize is provided.
以上説明したように本発明によれば、分類性能の向上とコストの抑制を両立することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to achieve both improvement in classification performance and cost reduction.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration are designated by the same reference numerals, so that duplicate description will be omitted.
また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合もある。ただし、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。 Further, in the present specification and the drawings, a plurality of components having substantially the same functional configuration may be distinguished by adding different alphabets after the same reference numerals. However, if it is not necessary to particularly distinguish each of the plurality of components having substantially the same functional configuration, only the same reference numerals are given.
<<1.背景>>
本発明の一実施形態について説明する前に、まず、本実施形態の創作に至った背景を説明する。近年においては、観測対象の状態を観測する種々のセンサ端末が開発されている。また、上記のようなセンサ端末により取得された時系列的なセンサデータ(以下、時系列データと呼ぶ場合もある)に基づいて、観測対象の状態を分類(判別を含む)する手法も多く提案されている。
<< 1. Background >>
Before explaining one embodiment of the present invention, first, the background leading to the creation of the present embodiment will be described. In recent years, various sensor terminals for observing the state of an observation target have been developed. In addition, we propose many methods to classify (including discrimination) the state of the observation target based on the time-series sensor data (hereinafter sometimes referred to as time-series data) acquired by the sensor terminal as described above. Has been done.
例えば、物品を製造する工場などにおいては、種々の設備や装置、製品などが用いられるが、上記のような観測対象は、機器の動作に関する制御信号などを直接取得することができない場合も多いため、外付けのセンサ端末により状態を検知することも広く行われている。 For example, in factories that manufacture goods, various equipment, devices, products, etc. are used, but the above-mentioned observation targets often cannot directly acquire control signals related to the operation of the equipment. , It is also widely used to detect the state by an external sensor terminal.
この場合、例えば、観測対象の周囲に配置した複数のセンサ端末から振動データや音響データなどのセンサデータを取得することで、観測対象の状態を動的に分類することが可能である。また、得られたセンサ情報を分析、評価することで、移動軌跡や稼働状況の取得、異常予兆検知などを行うことができ、生産や作業効率の改善や安全性の確保などを実現することができる。本明細書では、観測対象の状態として、正常状態(以下、単に正常とも呼ぶ)または異常状態(以下、単に異常とも呼ぶ)が存在し、正常または異常の2つのクラスに分類する例について説明するが、本発明はかかる例に限定されるものではない。 In this case, for example, by acquiring sensor data such as vibration data and acoustic data from a plurality of sensor terminals arranged around the observation target, it is possible to dynamically classify the state of the observation target. In addition, by analyzing and evaluating the obtained sensor information, it is possible to acquire movement loci and operating conditions, detect abnormal signs, etc., and improve production and work efficiency and ensure safety. can. In the present specification, an example in which a normal state (hereinafter, also simply referred to as normal) or an abnormal state (hereinafter, also simply referred to as abnormal) exists as an observation target state and is classified into two classes, normal or abnormal, will be described. However, the present invention is not limited to such an example.
センサデータのような時系列データを用いた分類手法として、非負値行列因子分解を行うことによる分類手法が知られている。非負値行列因子分解(Non-negative
Matrix Factorization、以下、NMFとも呼ぶ)は、1の非負行列Yを2つの非負行列である係数行列Wと基底行列Hの積(例えばWH)に分解するアルゴリズムである。
As a classification method using time-series data such as sensor data, a classification method by performing non-negative matrix factorization is known. Non-negative matrix factorization
Matrix Factorization (hereinafter also referred to as NMF) is an algorithm that decomposes a non-negative matrix Y into a product (for example, WH) of a coefficient matrix W and a base matrix H, which are two non-negative matrices.
NMFを用いた分類手法では、正常、異常等の正解ラベルが対応付けられた非負の時系列データである教師データを予め学習し、学習により得られた分類パラメータを用いて、分類したい時系列データである評価データを分類する。学習時には、教師データに対してNMFを適用して得られた教師係数行列を学習することで、分類のための分類パラメータを得ることが可能である。また、分類時には、教師データに対してNMFを適用して得られた教師基底行列を用いて評価データから係数行列を生成し、生成された係数行列を特徴量として上述した分類パラメータを用いた分類を行うことが可能である。 In the classification method using NMF, teacher data, which is non-negative time-series data associated with correct labels such as normal and abnormal, is learned in advance, and the time-series data to be classified using the classification parameters obtained by learning. Classify the evaluation data that is. At the time of learning, it is possible to obtain classification parameters for classification by learning the teacher coefficient matrix obtained by applying NMF to the teacher data. At the time of classification, a coefficient matrix is generated from the evaluation data using the teacher base matrix obtained by applying NMF to the teacher data, and the generated coefficient matrix is used as a feature quantity for classification using the above-mentioned classification parameters. It is possible to do.
ところで、計算処理能力に制約の高い端末側において、学習や分類等のデータ処理が想定される場合には、学習や分類にかかる計算コストを抑制することが望ましい。上述したNMFを用いた分類手法においては、NMFの次数(すなわち、教師基底行列に含まれる基底ベクトルの数)に応じて、計算コストが増加する。 By the way, when data processing such as learning and classification is assumed on the terminal side where the calculation processing capacity is high, it is desirable to suppress the calculation cost for learning and classification. In the classification method using NMF described above, the calculation cost increases according to the order of NMF (that is, the number of basis vectors included in the teacher basis matrix).
NMFの次数は、例えば予め適宜設定することが可能なパラメータであり、一般に次数を大きく設定することで分類性能が向上する。しかし、NMFの次数が大きい程、計算コストは増加してしまう。さらに、予め選ばれた基底ベクトルと係数行列の中から分類性能が最適となる組み合わせを抽出するための計算コストはNMFの次数が増加するとともに指数関数的に増大するため、全数探索が十分短い時間で終了しない場合がある。 The order of NMF is a parameter that can be appropriately set in advance, for example, and generally, the classification performance is improved by setting a large order. However, the larger the order of NMF, the higher the calculation cost. Furthermore, the calculation cost for extracting the combination with the optimum classification performance from the preselected base vector and coefficient matrix increases exponentially as the order of NMF increases, so the total search time is sufficiently short. It may not end with.
また、振動データや音響データなど、比較的高いサンプリング周波数やデータ転送が必要とされる観測環境においては、通信コストを抑制することがより望ましい。例えば、上述したNMFを用いた分類手法において、複数の端末から、特徴量として用いられる係数行列をサーバへ送信し、サーバ側で分類処理を行う場合には、上述したNMFの次数に応じて、通信コストも増加する。 Further, in an observation environment where a relatively high sampling frequency or data transfer such as vibration data or acoustic data is required, it is more desirable to suppress communication costs. For example, in the above-mentioned classification method using NMF, when a coefficient matrix used as a feature quantity is transmitted from a plurality of terminals to a server and classification processing is performed on the server side, the order of the above-mentioned NMF is increased. Communication costs will also increase.
一般に無線でデータを転送するセンサ端末はバッテリで駆動するため、冗長な無線データの転送により、消費電力が増大し、早期のバッテリ切れが発生しやすくなる。バッテリ切れが発生すると、センシングを行うことが不能になってしまうため、上述したように通信コストを抑制することが望ましい。また、有線、もしくは無線給電で外部電力の供給が行えるシステムであっても、必要以上の電力を消費することは望ましくないため、やはり通信コストを抑制することが望ましい。さらに、必要以上のデータを送受信することにより、データをセンサ端末、あるいはサーバのストレージに保持することのコストも増大するため、やはり通信コストを抑制することが望ましい。 Generally, a sensor terminal that transfers data wirelessly is driven by a battery, so that redundant wireless data transfer increases power consumption and tends to cause premature battery exhaustion. When the battery runs out, it becomes impossible to perform sensing, so it is desirable to suppress the communication cost as described above. Further, even in a system that can supply external power by wired or wireless power supply, it is not desirable to consume more power than necessary, so it is also desirable to suppress communication costs. Further, since the cost of holding the data in the storage of the sensor terminal or the server increases by transmitting and receiving more data than necessary, it is also desirable to suppress the communication cost.
上述したように、NMFの次数を大きく設定することで分類性能が向上するが、NMFの次数に応じて計算コスト、及び通信コスト(以下、まとめて単にコストと呼ぶ場合もある)も増加する。したがって、上述したNMFを用いた分類手法では、分類性能と通信コストはトレードオフの関係となり得る。 As described above, the classification performance is improved by setting a large order of NMF, but the calculation cost and the communication cost (hereinafter, may be simply referred to as a cost) also increase according to the order of NMF. Therefore, in the above-mentioned classification method using NMF, the classification performance and the communication cost may have a trade-off relationship.
ところで、本明細書における前提として、状態の検知はリアルタイムに行うことが望ましい。すなわち、状態の変化が生じてから出来るだけ早期に、その変化に対応した検知結果を出力することが望ましい。センサ端末は、一般に観測可能な範囲が物理的・空間的に限定されるため、複数の場所に配置され、またセンサの種類も多種多様となる。また、センサにより得られたセンサデータを利用して機器や環境の状態を検知(分類)するためには、十分なセンサデータを収集する必要がある。 By the way, as a premise in this specification, it is desirable to detect the state in real time. That is, it is desirable to output the detection result corresponding to the change of the state as soon as possible after the change of the state occurs. Since the observable range of the sensor terminal is generally limited physically and spatially, the sensor terminal is arranged in a plurality of places, and the types of sensors are also diverse. In addition, in order to detect (classify) the state of equipment and environment using the sensor data obtained by the sensor, it is necessary to collect sufficient sensor data.
一般にそれぞれ検知する状態に応じたより顕著な特徴を抽出できるほど、状態の判別精度は高くなる。例えば専門知識を持つ者が、適切な観測場所すなわちセンサの配置位置を指定して観測することも可能であるが、機器の内部構造が複雑で実際データを取得してみなければ設置の判断な場合や、専門知識を持たない者がセンサ端末を配置する場合も想定される。そのような場合には、NMFの次数の設定や特徴量の組み合わせの選択が適切に行われるとは限らないため、それらを客観的な指標に基づいて自動的に行うことが望ましい。 In general, the more prominent features corresponding to each detected state can be extracted, the higher the state discrimination accuracy becomes. For example, it is possible for a person with specialized knowledge to specify an appropriate observation location, that is, the location of the sensor for observation, but the internal structure of the equipment is complicated and it is not possible to make an installation decision unless actual data is acquired. In some cases, or a person without specialized knowledge may place the sensor terminal. In such a case, it is not always appropriate to set the order of NMF and select the combination of features, and it is desirable to automatically perform them based on an objective index.
本発明の一実施形態は、上記の点に着目して発想されたものであり、観測対象の状態分類にかかる分類性能を高く維持しながらも、効率的に計算コストや通信コスト等のコストを抑制することを可能とする。以下、このような効果を奏する本発明の一実施形態について、詳細に説明する。 One embodiment of the present invention was conceived by paying attention to the above points, and efficiently reduces costs such as calculation cost and communication cost while maintaining high classification performance related to state classification of observation objects. It is possible to suppress it. Hereinafter, an embodiment of the present invention that exhibits such an effect will be described in detail.
<<2.構成例>>
<2-1.システム構成>
まず、本発明の一実施形態にかかる情報処理システムの構成について説明する。本実施形態にかかる情報処理システムは、上述したように、センサにより取得されるセンサデータ(時系列データの一例)に基づく観測対象の状態分類において、分類性能の維持とコストの抑制を両立することを可能とする。
<< 2. Configuration example >>
<2-1. System configuration>
First, the configuration of the information processing system according to the embodiment of the present invention will be described. As described above, the information processing system according to the present embodiment has both maintenance of classification performance and cost control in the state classification of the observation target based on the sensor data (an example of time series data) acquired by the sensor. Is possible.
図1は、本発明の一実施形態にかかるシステム構成の一例を示す図である。図1を参照すると、本実施形態にかかる情報処理システム9は、観測対象1、複数のセンサ端末2、及び集約装置3を含み得る。また、センサ端末2および集約装置3は、ネットワーク5を介して接続される。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a system configuration according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the
観測対象1は、本実施形態における状態分類の対象である。本実施形態にかか観測対象1は、例えば、工場における種々の装置や製品、企業や家庭に設置される電子機器などであってもよい。また、観測対象1は、建物、橋、道路などの建造物を含んでもよい。また、本実施形態にかかる観測対象1は、センサ端末2によるセンサデータの取得対象となる1つ以上の内部装置を備えてもよい。
The
センサ端末2は、観測対象1から種々のセンサデータを収集する情報処理装置である。センサ端末は一般に観測可能な範囲が物理的および空間的に限定されるため、本実施形態にかかるセンサ端末2は、図1に示すように、1つの観測対象1に対して複数配置されてもよい。図1に示す例では、1つの観測対象1に対して3つのセンサ端末2A~2Cが配置されている。
The
また、本実施形態にかかるセンサ端末2は、観測対象1にかかる種々のセンサデータを収集し、収集したセンサデータに基づいて観測対象1の稼働状態を分類する。本実施形態において、センサ端末2による観測対象1の稼働状態の分類結果は、例えば正常、または異常であってもよい。さらに、センサ端末2は、観測対象1の稼働状態の分類結果を、集約装置3へ送信する。なお、センサ端末2のより詳細な構成については、図2を参照して後述する。
Further, the
集約装置3は、観測対象1の稼働状態の分類結果を集約して、最終的な分類結果を出力するサーバ(情報処理装置)である。図1に示すように、本実施形態にかかる集約装置3は、通信部32と、集約部34と、出力部36とを備える。
The
本実施形態にかかる通信部32は、複数のセンサ端末2から観測対象1の稼働状態の分類結果を受信する。本実施形態にかかる集約部34は、通信部32が複数のセンサ端末2から受信した分類結果に基づく集約処理を行い、最終的な分類結果を特定する。出力部36は、集約部34の集約処理により得られた最終的な分類結果を出力する。出力部36は、例えば表示装置であってもよく、かかる場合出力部36は、最終的な分類結果を表示出力する。なお、出力部36は、最終的な分類結果に加えて、あるいは代えて、各センサ端末2から受信した分類結果の各々を出力してもよい。
The
以上、本実施形態にかかるシステム構成について説明した。なお、図1を用いて説明したシステム構成はあくまで一例であり、本実施形態にかかるシステム構成はかかる例に限定されない。例えば、図1では、1つの観測対象1に対して、3つのセンサ端末2A~2Cが配置される場合を例に示したが、センサ端末2の数は、本例に限定されない。また、本実施形態にかかる観測対象1とセンサ端末2のセットは複数存在してもよい。本実施形態にかかるシステム構成は、観測対象の特性やネットワーク5の仕様などに応じて、柔軟に変形され得る。
The system configuration according to this embodiment has been described above. The system configuration described with reference to FIG. 1 is merely an example, and the system configuration according to the present embodiment is not limited to such an example. For example, in FIG. 1, a case where three
<2-2.センサ端末の構成>
続いて、本実施形態にかかるセンサ端末2の機能構成例について説明する。図2は、本実施形態にかかるセンサ端末2の機能構成例を示すブロック図である。図2を参照すると、本実施形態にかかるセンサ端末2は、センサ202、AD(アナログデジタル)変換部204、前処理部206、教師データ処理部208、分類モデル構築部212、記憶部214、特徴抽出部216、分類部218、及び通信部220を備える。
<2-2. Sensor terminal configuration>
Subsequently, a functional configuration example of the
なお、図2に示した各部のうち、一部の機能ブロックは、センサデータに基づいて学習を行う学習段階と、センサデータに基づいて分類を行い観測対象1の状態を評価する分類段階とにおいて機能が異なり得る。そこで、以下では、必要に応じて、学習段階における機能と分類段階における機能について分けて説明を行う場合がある。
Of the parts shown in FIG. 2, some of the functional blocks are in the learning stage where learning is performed based on the sensor data and the classification stage where classification is performed based on the sensor data and the state of the
センサ202は、センシングにより観測対象1にかかるセンサデータ(時系列データの一例)を収集する機能を有する。センサ202の一例としては、振動センサ、音響センサ、熱センサ、照度センサ、および撮像センサなどが挙げられる。なお、上記はあくまで一例であり、本実施形態にかかるセンサ端末2は、観測対象1の特性に応じた種々のセンサ202を備えてよい。
The
また、図2ではセンサ端末2が1つのセンサ202を備える例を示しているが、センサ端末2は、複数の種類のセンサ202を備えてもよい。センサ端末2が複数の種類のセンサ202を備えることで、観測対象1の稼働状態に応じた異なる物理現象を捉えることができる。
Further, although FIG. 2 shows an example in which the
AD変換部204は、アナログのセンサデータをデジタルのセンサデータへ変換する。なお、センサ202から出力されるセンサデータがデジタルのセンサデータである場合には、センサ端末2はAD変換部204を備えていなくてもよい。
The
前処理部206は、センサデータに対し、雑音を除去するためのフィルタリング処理や、計測値変換処理、周波数変換処理等の各種前処理を施す。なお、前処理部206による周波数変換処理は、フーリエ変換、高速フーリエ変換、短時間フーリエ変換、ウェーブレット変換等の変換を行うことで、センサデータのうち少なくとも一部のデータを、周波数領域表現に変換する処理であってもよい。
The
センサデータに対して上述した前処理を施すことにより、前処理部206は非負の観測ベクトル(周波数領域表現に変換されたデータ)を含む非負の観測行列を取得する。なお、前処理部206により取得される観測行列は、観測ベクトルを、1または複数並べた行列である。また、観測ベクトルは、フーリエ変換により得られるパワースペクトル、短時間フーリエ変換により得られるスペクトログラム、またはウェーブレット変換により得られるスカログラム等であってもよい。また、前処理部206は、所定期間ごとに当該所定期間のセンサデータに基づいて観測行列を取得してもよいし、任意の方法で特定される期間のセンサデータに基づいて観測行列を取得してもよい。
By performing the above-mentioned preprocessing on the sensor data, the
前処理部206は、学習段階と分類段階とにおいて一部機能が異なり得る。以下では、学習段階において前処理部206により取得される非負の観測行列を教師データあるいは教師観測行列と呼び、分類段階において前処理部206により取得される非負の観測行列を評価データあるいは評価観測行列と呼ぶ場合がある。
The
教師データは、センサ端末2が学習を行う学習段階において前処理部206により取得される非負の観測行列であり、本実施形態において、教師データに含まれる各観測ベクトルには、正常あるいは異常のいずれかの正解ラベルが対応付けられる。正解ラベルは、教師観測行列(教師データ)に含まれる各観測ベクトルが属するクラスを示すラベルである。上述した方に、本実施形態において各観測ベクトルが属するクラスは正常あるいは異常のいずれかである。
The teacher data is a non-negative observation matrix acquired by the
なお、教師データに含まれる各観測ベクトルに正解ラベルを対応付ける方法は特に限定されないが、例えばユーザが不図示の操作部を介してクラスを示すクラス情報を入力し、前処理部206がクラス情報に基づいて観測ベクトルに各正解ラベルを対応付けてもよい。前処理部206は教師データとして取得した観測行列(教師観測行列)を教師データ処理部208へ出力する。
The method of associating the correct label with each observation vector included in the teacher data is not particularly limited, but for example, the user inputs class information indicating the class via an operation unit (not shown), and the
評価データは、センサ端末2が分類を行う分類段階において前処理部206により取得される非負の観測行列である。評価データには、正解ラベルは対応付けられなくてよい。前処理部206は評価データとして取得した観測行列(評価観測行列)を特徴抽出部216へ出力する。
The evaluation data is a non-negative observation matrix acquired by the
教師データ処理部208の機能は、学習段階と分類段階とで異なり得る。そこで、以下では、まず学習段階における教師データ処理部208の機能について説明した後に、分類段階における教師データ処理部208の機能について説明する。
The function of the teacher
教師データ処理部208は、学習段階において、前処理部206から出力された教師観測行列(教師データ)に対して、非負値行列因子分解(NMF)を適用し、教師基底行列、及び教師係数行列を生成する。以下、NMFついて、図3を参照して詳細に説明を行う。
The teacher
上述したように、NMFは、1の非負行列Yを2つの非負行列W、Hの積(例えばWH)に分解するアルゴリズムである。2つの非負行列W、Hを解析的に求めることは困難であるため、初期値を与えてYとWHの誤差が局所最適解になるよう、反復的に近似解を求めることが行われている。なお、一般に、局所最適解は初期値に依存して変化する。 As described above, NMF is an algorithm that decomposes the non-negative matrix Y of 1 into the product of two non-negative matrices W and H (for example, WH). Since it is difficult to analytically obtain the two non-negative matrices W and H, iteratively obtains an approximate solution so that the error between Y and WH becomes the local optimum solution by giving an initial value. .. In general, the local optimum solution changes depending on the initial value.
図3は、NMFの処理例を模式的に示す説明図である。図3に示すように、NMFにより、例えば非負の観測行列Yは、非負の係数行列W、及び非負の基底行列Hの積に分解される。 FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing a processing example of NMF. As shown in FIG. 3, for example, the non-negative observation matrix Y is decomposed by the NMF into the product of the non-negative coefficient matrix W and the non-negative basis matrix H.
図3に示すように、本実施形態にかかる観測行列Yは、例えばm次元の観測ベクトルyが行ベクトルとなって、時系列データにおける対象区間の数nだけの行で構成されたn行m列の行列である。 As shown in FIG. 3, in the observation matrix Y according to the present embodiment, for example, the m-dimensional observation vector y becomes a row vector, and n rows m composed of only a few rows of the target section in the time series data. It is a matrix of columns.
本実施形態にかかる基底行列Hは、例えば観測行列YにNMFを適用し、分解されたm次元の基底ベクトルhが行ベクトルとなって、基底ベクトルの数kだけの行で構成されたk行m列の行列である。 In the basis matrix H according to the present embodiment, for example, NMF is applied to the observation matrix Y, and the decomposed m-dimensional basis vector h becomes a row vector, and k rows composed of rows of only a few k of the basis vectors. It is a matrix of m columns.
本実施形態にかかる係数行列Wは、例えばk次元の係数ベクトルwが行ベクトルとなって、観測ベクトルの数nだけの行で構成されたn行k列の行列である。ここで係数ベクトルwは、ある観測ベクトルにおいて、基底行列Hに含まれる各基底ベクトルの成分がどれだけ含まれるか、という加重値を示す行ベクトルである。 The coefficient matrix W according to the present embodiment is a matrix of n rows and k columns, for example, in which a k-dimensional coefficient vector w becomes a row vector and is composed of rows of only the number n of observation vectors. Here, the coefficient vector w is a row vector indicating a weighted value indicating how many components of each basis vector included in the basis matrix H are included in a certain observation vector.
図3に示すように上記の行列には、次の数式(1)の関係がある。 As shown in FIG. 3, the above matrix has the relationship of the following mathematical formula (1).
ところで、上述したように、NMFの次数に応じて、後述する分類モデル構築部212における分類モデルパラメータの生成などにかかる計算コストが増加する。また、上述したように、NMFの次数に応じて、分類部218による分類性能が向上し得る。
By the way, as described above, the calculation cost for generating the classification model parameters in the classification
ここで、NMFの次数とは、教師基底行列に含まれる基底ベクトルの数を意味し、図3に示す例では、教師基底行列に含まれる基底ベクトルの数はkである。図3に示すように、教師基底行列に含まれる基底ベクトルの数kは、観測行列Yに含まれる観測ベクトルyの次数mや観測ベクトルyの数nによらず設定され得る。 Here, the order of NMF means the number of basis vectors included in the teacher basis matrix, and in the example shown in FIG. 3, the number of basis vectors included in the teacher basis matrix is k. As shown in FIG. 3, the number k of the basis vectors included in the teacher basis matrix can be set regardless of the order m of the observation vector y included in the observation matrix Y or the number n of the observation vectors y.
そこで、本実施形態にかかる教師データ処理部208は、分類性能の向上と計算コストの抑制とを両立するように、教師基底行列に含まれる基底ベクトルの数を決定する。さらに、教師基底行列に含まれる基底ベクトルの数が同一であっても、教師基底行列に含まれる基底ベクトルに応じて、分類部218による分類性能が左右され得る。したがって、より分類性能の向上に寄与し得る基底ベクトルが教師基底行列に含まれることが望ましい。
Therefore, the teacher
そこで、本実施形態にかかる教師データ処理部208は、教師データに対してNMFを適用することで得られる基底ベクトル、分類性能に関する性能情報、及びコストに関するコスト情報に基づいて、教師基底行列と教師係数行列とを生成する。以下、教師データ処理部208の機能についてより詳細に説明する。
Therefore, the teacher
上述したように、本実施形態にかかる教師データ処理部208は、複数の基底ベクトルを含む教師基底行列と、教師データ(教師観測行列)とに基づいて教師係数行列を生成する。ここで、教師観測行列YLを分解して得られる基底行列、及び係数行列を、それぞれ教師基底行列HL、教師係数行列WLとして、教師係数行列WLの生成手順について説明する。
As described above, the teacher
教師基底行列HLに基づいて、教師観測行列YLから生成される係数行列を教師係数行列WLとすると、数式(1)より、教師観測行列YL、教師係数行列WL、及び教師基底行列HLの関係は、以下の数式(2)で表される。 Assuming that the coefficient matrix generated from the teacher observation matrix Y L based on the teacher base matrix HL is the teacher coefficient matrix WL, the teacher observation matrix Y L , the teacher coefficient matrix LL , and the teacher base are obtained from the equation (1). The relationship of the matrix HL is expressed by the following equation (2).
上記数式(2)より、教師係数行列WLを得るためには、教師基底行列HLの逆行列を用いる必要がある。しかし、教師基底行列HLは、一般に正則行列とは限らないため、逆行列を持たない場合がある。そこで、教師データ処理部208は、例えば教師基底行列の疑似逆行列(ムーア‐ペンローズの疑似逆行列)に基づいて、教師係数行列WLを生成してもよい。教師基底行列HLの疑似逆行列HL
+は、k×mの行列であり、一般にk<mであるため、擬似逆行列HL
+は、教師基底行列HLを特異値分解(HL=ULΣLVL)した後の直交行列をUL、VL、対角行列をΣLとし、ΣLの成分のうち、非ゼロの特異値の逆数にしたものをΣL
+として、次式で得られる。
From the above equation (2), it is necessary to use the inverse matrix of the teacher basis matrix HL in order to obtain the teacher coefficient matrix HL . However, since the teacher basis matrix HL is not always a regular matrix in general, it may not have an inverse matrix. Therefore, the teacher
上記数式(3)で得られた疑似逆行列HL +を用いて、教師係数行列WLは次の数式(4)で表される。ただし数式(4)の教師係数行列WLは、数式(2)のようにNMFを適用して得られた教師係数行列でなく、||YL-WLHL||2を最小化する最小二乗解であるため、数式(2)のWLと完全に一致するとは限らない。 Using the pseudo-inverse matrix HL + obtained in the above equation (3), the teacher coefficient matrix WL is expressed by the following equation (4). However, the teacher coefficient matrix WL of the formula (4) is not the teacher coefficient matrix obtained by applying NMF as in the formula (2), but minimizes || Y L - W L HL || 2 . Since it is a minimum squared solution, it does not always completely match the WL of the equation (2).
また、本実施形態にかかる教師データ処理部208は、分類性能の向上と計算コストの抑制とを両立するような教師基底行列を得るため、教師基底行列の候補となる教師基底行列候補を生成する。教師基底行列候補は、教師基底行列と同様に、複数の基底ベクトルを含む行列である。
Further, the teacher
本実施形態にかかる教師データ処理部208は、教師データに対してNMFを適用して得られた複数の基底ベクトルの中から、教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルを特定してもよい。例えば、教師データ処理部208は、基底ベクトルごとの分類性能を示す基底ベクトル性能情報(性能情報の一例)に基づいて、教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルを特定してもよい。基底ベクトル性能情報は、基底ベクトルごとに算出される値であってもよく、以下ではかかる基底ベクトル性能情報の値を第1の評価値I1と呼ぶ。
The teacher
例えば、本実施形態において、基底ベクトル性能情報として、各基底ベクトルに対する係数ベクトルを特徴量として教師データを分類した場合の分類精度が用いられてもよい。本明細書において、基底ベクトルに対する係数ベクトルは、教師データと、基底ベクトルの擬似逆行列を掛け合わせることで得られ、教師データに含まれる観測ベクトルごとに得られる係数が観測ベクトルの数だけ並んだベクトルである。以下では、各基底ベクトルに対する係数ベクトルを特徴量として教師データを分類した場合の分類精度をP1とする。つまり、本実施形態において、I1=P1である。 For example, in the present embodiment, the classification accuracy when the teacher data is classified using the coefficient vector for each basis vector as the feature amount may be used as the basis vector performance information. In the present specification, the coefficient vector for the basis vector is obtained by multiplying the teacher data by the pseudo-inverse matrix of the basis vector, and the coefficients obtained for each observation vector included in the teacher data are arranged by the number of observation vectors. It is a vector. In the following, the classification accuracy when the teacher data is classified using the coefficient vector for each basis vector as the feature quantity is defined as P1. That is, in this embodiment, I 1 = P 1 .
上述したように、教師データには正常・異常の正解ラベルが対応付けられているため、例えば教師データを分類して、交差検定を行うことが可能である。そこで、分類精度P1として、教師データにおける正常・異常のデータに対して交差検定を行って得られる平均分類精度が用いられてもよい。なお、本発明は係る例に限定されず、最悪の分類精度となる場合を重視し、最悪の分類精度が分類精度P1として用いられてもよい。 As described above, since the teacher data is associated with normal / abnormal correct answer labels, it is possible to classify the teacher data and perform cross-validation, for example. Therefore, as the classification accuracy P1, the average classification accuracy obtained by performing cross-validation on the normal / abnormal data in the teacher data may be used. The present invention is not limited to such an example, and the case where the worst classification accuracy is obtained may be emphasized, and the worst classification accuracy may be used as the classification accuracy P1.
例えば、本実施形態にかかる教師データ処理部208は、基底ベクトルごとに第1の評価値I1を算出し、教師データに対してNMFを適用して得られた複数の基底ベクトルから、最も第1の評価値I1が高い基底ベクトルを抽出してもよい。そして、このようにして抽出(特定)された基底ベクトルが、教師基底行列候補に含まれてもよい。
For example, the teacher
さらに、教師データ処理部208は、上記のようにして特定された基底ベクトルを含む教師基底行列候補の分類性能を示す基底行列性能情報(性能情報の一例)に基づいて、教師基底行列を生成してもよい。例えば、教師データ処理部208は、教師基底行列候補に含まれる複数の基底ベクトルに対する複数の係数ベクトルを特徴量として教師データを分類した場合の分類精度P2を、基底行列性能情報として用いてもよい。
Further, the teacher
また、教師データ処理部208は、教師基底行列候補に対応する基底行列性能情報に加え、当該教師基底行列候補に対応するコスト情報にさらに基づいて、教師基底行列を生成してもよい。本実施形態における教師データ処理部208は、教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルの数に基づく計算コストをコスト情報として用いてもよい。例えば、計算コストC2は、教師データのデータ長をN、現在の教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルの数をmとすると、以下の数式(5)のように表される。
Further, the teacher
例えば本実施形態にかかる教師データ処理部208は、現在の教師基底行列候補について、当該教師基底行列候補に対応する基底行列性能情報とコスト情報とに基づいて、計算コストに対する分類性能を示す第2の評価値I2を算出してもよい。例えば、第2の評価値I2は、上述したP2、及びC2を用いて、以下の数式(6)のように表される。
For example, the teacher
第2の評価値I2は、教師基底行列候補の分類性能が高い程大きく、また、計算量が小さい程大きくなる。したがって、例えば、本実施形態にかかる教師データ処理部208は第2の評価値I2がより大きくなるような教師基底行列候補を教師基底行列としてもよい。
The second evaluation value I 2 becomes larger as the classification performance of the teacher basis matrix candidate is higher, and becomes larger as the calculation amount is smaller. Therefore, for example, the teacher
例えば、本実施形態にかかる教師データ処理部208は、教師基底行列候補を生成する度に第2の評価値I2を算出してもよい。そして、本実施形態にかかる教師データ処理部208は、第2の評価値I2が条件を満たさなければ、教師基底行列候補に基づいて残差を算出して、当該残差に基づいて上述した処理を繰り返してもよい。なお、データをD、抽出された基底ベクトルをH1、基底ベクトルH1に対する係数ベクトルをW1とすると、データDに対する残差Rは、以下の数式(7)のように表される。
For example, the teacher
例えば、本実施形態にかかる教師データ処理部208は、第2の評価値I2が条件を満たさなければ、残差Rに対してNMFを適用して得られた複数の基底ベクトルから、さらに1の基底ベクトルを抽出してもよい。なお、かかる基底ベクトルを抽出の方法は、上述したように基底ベクトルごとに算出される第1の評価値I1を用いた方法であってもよい。そして、本実施形態にかかる教師データ処理部208は、抽出された基底ベクトルを教師基底行列候補に追加して、当該基底ベクトルを含む新たな教師基底行列候補を生成してもよい。
For example, the teacher
本実施形態にかかる教師データ処理部208は、上述したように、第2の評価値I2が条件を満たすまで、教師基底行列候補の生成を繰り返してもよい。
As described above, the teacher
ここで、本実施形態において、第2の評価値I2が満たすべき条件は、例えば前回算出された第2の評価値I2よりも、今回算出された第2の評価値I2の方が小さいことであってもよい。上記のように教師基底行列候補の生成が繰り返される場合、教師基底行列候補の生成が繰り返される度に教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルが増加する。したがって、教師基底行列候補に含まれる複数の基底ベクトルに対する複数の係数ベクトルを特徴量として教師データを分類した場合の分類精度P2は、繰り返し回数に応じて増加することが期待されるが、その増加ペースは徐々に低下し得る。一方、教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルの数mが繰り返し回数に応じて増加し、教師データのデータ長Nは繰り返し回数に応じて変化しないため、計算コストC2は繰り返し回数に応じて一定のペースで増加する。したがって、前回算出された第2の評価値I2よりも、今回算出された第2の評価値I2の方が小さい場合、前回算出された第2の評価値I2に対応する前回の教師基底行列候補が教師基底行列として望ましいと考えられる。そこで、本実施形態にかかる教師データ処理部208は、前回算出された第2の評価値I2よりも、今回算出された第2の評価値I2の方が小さい場合、現在の教師基底行列候補から、最後に追加した基底ベクトルを削除して教師基底行列を生成してもよい。
Here, in the present embodiment, the condition that the second evaluation value I 2 should be satisfied is that the second evaluation value I 2 calculated this time is better than the second evaluation value I 2 calculated last time, for example. It may be small. When the generation of the teacher basis matrix candidate is repeated as described above, the basis vector included in the teacher basis matrix candidate increases each time the generation of the teacher basis matrix candidate is repeated. Therefore, it is expected that the classification accuracy P2 when the teacher data is classified using a plurality of coefficient vectors for a plurality of basis vectors included in the teacher basis matrix candidate as a feature quantity increases according to the number of repetitions. The pace of increase can gradually slow down. On the other hand, since the number m of the basis vectors included in the teacher basis matrix candidate increases according to the number of repetitions and the data length N of the teacher data does not change according to the number of repetitions, the calculation cost C 2 is constant according to the number of repetitions. Increases at the pace of. Therefore, if the second evaluation value I 2 calculated this time is smaller than the second evaluation value I 2 calculated last time, the previous teacher corresponding to the second evaluation value I 2 calculated last time. Basis matrix candidates are considered desirable as teacher basis matrices. Therefore, the teacher
なお、第2の評価値I2が満たすべき条件、及び当該条件が満たされた場合の教師基底行列の生成方法は上述した例に限定されない。例えば、第2の評価値I2が満たすべき条件は、所定の閾値より大きいことを含んでもよい。そして、教師データ処理部208は、第2の評価値I2が所定の閾値より大きい場合に、現在の教師基底行列候補を、教師基底行列としてもよい。
The condition to be satisfied by the second evaluation value I 2 and the method of generating the teacher basis matrix when the condition is satisfied are not limited to the above-mentioned example. For example, the condition to be satisfied by the second evaluation value I 2 may include being larger than a predetermined threshold value. Then, the teacher
あるいは、教師データ処理部208は、所定の回数だけ教師基底行列候補の生成を繰り返し、それまでに生成された教師基底行列候補のうち、最も第2の評価値I2が大きい教師基底行列候補を、教師基底行列としてもよい。
Alternatively, the teacher
以上、学習段階における教師データ処理部208の機能について説明した。続いて、分類段階における教師データ処理部208の機能について説明する。
The function of the teacher
教師データ処理部208は、分類段階において、後述する特徴抽出部216から、評価データに対する残差RTが出力された場合に、当該残差RTに対してNMFを適用することで得られる基底ベクトルを教師基底行列へ追加してもよい。そして、教師データ処理部208は、教師データ(教師基底行列)と、かかる基底ベクトルが追加された教師基底行列の疑似逆行列とを用いて、教師係数行列を生成してもよい。
The teacher
なお、教師データ処理部208は、学習段階、及び分類段階の双方において、生成した教師基底行列を記憶部214に記憶させ、当該教師基底行列に基づいて生成された教師係数行列を分類モデル構築部212へ出力する。
The teacher
分類モデル構築部212は、教師データ処理部208により生成される教師係数行列、及び教師データに対応付けられた正解データに基づいて、分類段階において後述する分類部218により用いられる分類モデルパラメータを生成する。分類モデル構築部212が生成する分類モデルパラメータは、分類部218における分類モデルに応じたパラメータであり得る。
The classification
分類モデル構築部212は、学習段階、及び分類段階の双方において、教師データ処理部208により生成される教師係数行列に基づいて分類モデルパラメータを生成し、当該分類モデルパラメータを記憶部214に記憶させる。なお、記憶部214に既に分類モデルパラメータが記憶されていた場合、記憶部214に記憶される分類モデルパラメータは、分類モデル構築部212が新たに生成した分類モデルパラメータで更新される。つまり、分類モデル構築部212は、分類段階において、教師データ処理部208により生成された教師係数行列に基づいて、分類パラメータを更新する。
The classification
記憶部214は、センサ端末2の各構成が機能するためのプログラムやパラメータを記憶する。また、記憶部214は、教師データ処理部208が教師データに対してNMFを適用することで生成された教師基底行列と、分類モデル構築部212により生成された分類モデルパラメータと、を記憶する。
The
特徴抽出部216は、記憶部214に記憶された教師基底行列に基づいて、分類段階において前処理部206から出力された評価データ(評価観測行列)から評価係数行列を生成し、分類部218へ出力する。以下、特徴抽出部216による評価係数行列の生成例について説明する。
The
以下では、前処理部206から出力される評価観測行列をYT、記憶部214に記憶された教師基底行列をHL、教師基底行列HLに基づいて評価観測行列YTから生成される係数行列を評価係数行列の候補である評価係数行列候補WTとする。数式(1)より、評価観測行列YT、評価係数行列候補WT、及び教師基底行列HLの関係は、以下の数式(8)で表される。
In the following, the evaluation observation matrix output from the
上記数式(3)と同様な方法で得られた疑似逆行列HL +を用いて、評価係数行列候補WTは次の数式(9)で表される。ただし数式(9)の評価係数行列候補WTは、数式(2)のようにNMFを適用して得られた教師係数行列でなく、||YL-WLHL||2を最小化する最小二乗解であるため、数式(2)のWLと完全に一致するとは限らない。 Using the pseudo-inverse matrix HL + obtained by the same method as the above formula (3), the evaluation coefficient matrix candidate WT is expressed by the following formula (9). However, the evaluation coefficient matrix candidate WT of the formula (9) is not the teacher coefficient matrix obtained by applying NMF as in the formula (2), but || Y L -W L HL || 2 is minimized. Since it is the least squared solution, it does not always exactly match the WL of the equation (2).
特徴抽出部216は、上記数式(9)のように、評価観測行列YTから評価係数行列候補WTを生成することが出来る。さらに、本実施形態にかかる特徴抽出部216は、教師基底行列HL及び評価係数行列候補WTに基づいて、評価観測行列YT(評価データ)に対する残差を算出してもよい。評価観測行列YTに対する残差RTは、教師基底行列HL及び評価係数行列候補WTを用いて次の数式(10)で表される。
本実施形態にかかる特徴抽出部216は、上記のように算出された評価観測行列YTに対する残差RTが、所定の条件を満たすか否か判定を行い、当該残差RTが所定の条件を満たす場合に、評価係数行列候補を評価係数行列として、分類部218へ出力してもよい。残差RTが満たすべき所定の条件は、例えば残差RT十分小さいことであってもよく、残差RTが所定の閾値以下であること、であってもよい。かかる所定の閾値は十分に小さい値が用いられることが望ましい。かかる構成により、評価観測行列YT(評価データ)が現在用いられている教師基底行列HLで十分正確に表すことが可能な場合には、当該教師基底行列HLを用いて生成された評価係数行列候補WTが評価係数行列WTとして分類部218へ出力される。
The
一方、残差RTが所定の条件を満たさない場合、例えば上述した条件の例では残差RTが所定の閾値より大きい場合、評価観測行列YTが、現在用いられている教師基底行列HLで十分正確に表すことができない恐れがある。その結果、分類部218の分類性能が低下する恐れがある。
On the other hand, if the residual RT does not satisfy a predetermined condition, for example, if the residual RT is larger than a predetermined threshold in the above-mentioned example of the condition, the evaluation observation matrix Y T is the currently used teacher basis matrix H. There is a possibility that L cannot be expressed accurately enough. As a result, the classification performance of the
そこで、本実施形態にかかる特徴抽出部216は、残差RTが所定の条件を満たさない場合、かかる残差RTを教師データ処理部208へ出力してもよい。その結果、上述したように教師データ処理部208が残差RTに基づいて基底ベクトルを教師基底行列へ追加し、当該教師基底行列に基づいて教師係数行列を更新する。さらに、上述したように分類モデル構築部212が、教師データ処理部208により更新された教師係数行列に基づいて、分類パラメータを更新する。
Therefore, the
特徴抽出部216は、残差RTが所定の条件を満たさない場合、上記のようにして基底ベクトルが追加された教師基底行列に基づいて、評価係数行列を生成してもよい。かかる場合の評価係数行列は、数式(8)、数式(9)において、基底ベクトルが追加された教師基底行列をHLとし、評価係数行列をWTとすることで生成され得る。また、特徴抽出部216は、生成した評価係数行列WTを分類部218へ出力する。
If the residual RT does not satisfy a predetermined condition, the
かかる構成により、評価観測行列YTが現在用いられている教師基底行列HLで十分正確に表すことができない場合には、残差RTに基づいて新たに基底ベクトルを教師基底行列HLへ追加することで、分類部218の分類性能をより向上させることが可能である。
With this configuration, if the evaluation observation matrix Y T cannot be represented sufficiently accurately by the currently used teacher basis matrix HL , a new basis vector is converted to the teacher basis matrix HL based on the residual RT . By adding it, it is possible to further improve the classification performance of the
分類部218は、特徴抽出部216から出力された評価係数行列WTを、記憶部214に記憶された分類モデルパラメータに基づいて分類する。分類部218は、評価係数行列WTの分類結果を通信部220へ出力する。
The
分類部218は、評価係数行列WTに含まれる係数ベクトルを特徴ベクトルとし、分類モデルに応じた分類モデルパラメータに基づいた分類することが可能である。分類部218が用いる分類モデルは特に限定されないが、分類部218は、例えば多クラスSVM(Support Vector Machine)等に基づく分類モデルを用いてもよい。
The
以上のように、基底行列に対する重みを示す係数ベクトルを特徴ベクトルとして用いて分類することで、例えば特定周波数のパワーの大きさに基づいて分類するよりも、分類性能を向上させることが可能である。 As described above, by classifying using the coefficient vector indicating the weight for the basis matrix as the feature vector, it is possible to improve the classification performance as compared with the classification based on the magnitude of the power of a specific frequency, for example. ..
また、評価データ自体を用いて分類処理を行った場合に比べ、評価データから生成される評価係数行列WTを用いて分類処理を行うことで、分類処理における特徴ベクトルの次元が削減され、分類処理の処理量を抑制することが可能となる。 In addition, compared to the case where the classification process is performed using the evaluation data itself, by performing the classification process using the evaluation coefficient matrix WT generated from the evaluation data, the dimension of the feature vector in the classification process is reduced and the classification is performed. It is possible to suppress the processing amount of processing.
通信部220は、分類部218による分類結果を、図1に示した集約装置3へ送信する。
The
<<3.動作例>>
以上、本発明の一実施形態のシステム構成、及びセンサ端末2の構成例について説明した。続いて、本実施形態の動作例について、学習段階と、分類段階に分けて順次説明する。
<< 3. Operation example >>
The system configuration of one embodiment of the present invention and the configuration example of the
(学習段階の動作例)
図4は、学習段階における本実施形態にかかるセンサ端末2の動作例を示すフローチャート図である。図4に示すように、まず、センサ202が、センシングにより観測対象1にかかるセンサデータ(時系列データの一例)を収集し(S102)、AD変換部204がアナログのセンサデータをデジタルのセンサデータへ変換する(S104)。
(Example of operation in the learning stage)
FIG. 4 is a flowchart showing an operation example of the
続いて、前処理部206が、センサデータに対し、雑音を除去するためのフィルタリング処理や、計測値変換処理、周波数変換処理等の各種前処理を施す(S106)。なお、ステップS106において、各種前処理により得られた観測ベクトルは教師データ(教師観測行列)に追加されると共に、正常、あるいは異常の正解ラベルが対応付けられる。
Subsequently, the
教師データの取得が終了していない場合(S108においてNO)、処理はステップS102に戻る。なお、教師データの取得が終了したか否かの判定(S108)は、例えば不図示の操作部を介したユーザの入力等に基づいて前処理部206により行われてもよい。
If the acquisition of teacher data has not been completed (NO in S108), the process returns to step S102. The determination (S108) as to whether or not the acquisition of the teacher data is completed may be performed by the
教師データの取得が終了した場合(S108においてYES)、教師データ処理部208は、教師データ(教師観測行列)に基づいて、教師基底行列と教師係数行列を生成する(S110)。ここで、ステップS110の処理の流れについて、図5を参照してより詳細に説明する。
When the acquisition of the teacher data is completed (YES in S108), the teacher
図5は、ステップS110の処理の流れを示すフローチャート図である。図5に示すように、まず、教師データ処理部208は、教師データに対してNMFを適用し、複数の基底ベクトルを生成する(S112)。ステップS112において、教師データ処理部208はNMFの次数を十分に大きな数kmaxに設定して、kmax個の基底ベクトルを生成すると共に、各基底ベクトルに対する係数ベクトルを算出する。
FIG. 5 is a flowchart showing the flow of processing in step S110. As shown in FIG. 5, first, the teacher
続くステップS114において、教師データ処理部208は、各基底ベクトルに対する係数ベクトルに基づいて、基底ベクトルごとの分類性能を示す第1の評価値I1を算出する。なお、上述したように本実施形態において第1の評価値I1は、各基底ベクトルに対する係数ベクトルを特徴量として教師データを分類した場合に交差検定を行うことで基底ベクトルごとに算出される分類精度P1であってよい。
In the following step S114, the teacher
続いて、教師データ処理部208は、ステップS112において生成された複数の基底ベクトルのうち、ステップS114で算出された第1の評価値I1が最も高い基底ベクトルH1を抽出する(S116)。
Subsequently, the teacher
続いて、教師データ処理部208は、ステップS118で抽出された基底ベクトルH1を教師基底行列候補へ追加し、教師基底行列候補について、コスト(本実施形態では計算コスト)に対する分類性能を示す第2の評価値I2を算出する(S118)。なお、上述したように、第2の評価値I2は、例えば数式(6)のようにして算出される。
Subsequently, the teacher
続くステップS120において、今回算出された第2の評価値I2と前回算出された第2の評価値I2とが比較される。なお、最初にステップS120が処理される場合、第2の評価値は初めて算出されるため、今回算出された第2の評価値I2は前回算出された第2の評価値I2よりも小さくないと判定されてもよい。今回算出された第2の評価値I2は前回算出された第2の評価値I2よりも小さくないと判定された場合(ステップS120においてNO)、処理はステップS122へ進む。 In the following step S120, the second evaluation value I 2 calculated this time and the second evaluation value I 2 calculated last time are compared. Since the second evaluation value is calculated for the first time when step S120 is processed first, the second evaluation value I 2 calculated this time is smaller than the second evaluation value I 2 calculated last time. It may be determined that there is no such thing. If it is determined that the second evaluation value I 2 calculated this time is not smaller than the second evaluation value I 2 calculated last time (NO in step S120), the process proceeds to step S122.
ステップS122において、教師データ処理部208は、今回ステップS116において抽出された基底ベクトルH1、及び当該基底ベクトルH1に対する係数ベクトルW1に基づいて、残差Rを算出する。なお、上述したように、残差Rは例えば数式(7)のようにして算出される。なお、ここで算出された残差Rは、次回ステップS122の処理が行われる際にはデータDとして用いられる。
In step S122, the teacher
続いて、教師データ処理部208は、ステップ122で算出された残差Rに対してNMFを適用し、複数の基底ベクトルを生成すると共に、各基底ベクトルに対する係数ベクトルを算出する(S124)。なお、ステップS122において残差Rに対して適用されるNMFの次数は、ステップS110で用いられたNMFの次数kmaxに設定されてもよい。あるいは、ステップS122が繰り返される毎に、1つ少ない次数が設定されてもよい。
Subsequently, the teacher
そして、上述したステップS114~S124の処理は、ステップS120において、今回算出された第2の評価値I2は前回算出された第2の評価値I2よりも小さいと判定されるまで繰り返し行われる。 Then, the processes of steps S114 to S124 described above are repeated until it is determined in step S120 that the second evaluation value I 2 calculated this time is smaller than the second evaluation value I 2 calculated last time. ..
今回算出された第2の評価値I2は前回算出された第2の評価値I2よりも小さいと判定された場合(ステップS120においてYES)、処理はステップS130へ進む。ステップS130において、教師データ処理部208は現在の教師基底行列候補から、最後に追加した基底ベクトルを削除して教師基底行列を生成し、当該教師基底行列に基づいて教師係数行列を生成する。なお、ステップS130において、教師係数行列は、数式(2)~(5)を参照して説明したように生成され得る。また、ステップS130において生成された教師基底行列は、記憶部214に記憶される。
If it is determined that the second evaluation value I 2 calculated this time is smaller than the second evaluation value I 2 calculated last time (YES in step S120), the process proceeds to step S130. In step S130, the teacher
以上、図4のステップS110の処理の流れについて詳細に説明した。図4に戻って学習段階における動作の説明を続ける。続くステップS150において、分類モデル構築部212は、ステップS110で生成された教師係数行列、及び正解ラベルに基づいて、分類モデルパラメータを生成する。
The process flow of step S110 in FIG. 4 has been described in detail above. Returning to FIG. 4, the explanation of the operation in the learning stage is continued. In the following step S150, the classification
以上、学習段階における本実施形態の動作例を説明した。続いて、分類段階における本実施形態の動作例について説明する。 The operation example of this embodiment in the learning stage has been described above. Subsequently, an operation example of the present embodiment in the classification stage will be described.
(分類段階の動作例)
図6は、分類段階における本実施形態の動作例を示すフローチャート図である。図6に示すように、まず、センサ端末2のセンサ202が、センシングにより観測対象1にかかるセンサデータ(時系列データの一例)を収集し(S202)、センサ端末2のAD変換部204がアナログのセンサデータをデジタルのセンサデータへ変換する(S204)。
(Operation example at the classification stage)
FIG. 6 is a flowchart showing an operation example of the present embodiment in the classification stage. As shown in FIG. 6, first, the
続いて、センサ端末2の前処理部206が、センサデータに対し、雑音を除去するためのフィルタリング処理や、計測値変換処理、周波数変換処理等の各種前処理を施す(S206)。なお、ステップS206において、各種前処理により得られた観測ベクトルは評価データ(評価観測行列)に追加される。
Subsequently, the
なお、分類段階において、評価データ(評価観測行列)に含まれる観測ベクトルは1つでもよいし、複数であってもよい。評価データに複数の観測ベクトルが含まれる場合、上記のステップS202~S206が繰り返されてもよい。 In the classification stage, the evaluation data (evaluation observation matrix) may contain one observation vector or a plurality of observation vectors. When the evaluation data includes a plurality of observation vectors, the above steps S202 to S206 may be repeated.
続いて、センサ端末2は教師基底行列に基づいて、評価データから評価係数行列を生成する(S210)。ここで、ステップS110の処理の流れについて、図7を参照してより詳細に説明する。
Subsequently, the
図7は、ステップS210の処理の流れを示すフローチャート図である。図7に示すように、まず、特徴抽出部216が、記憶部214に記憶された教師基底行列に基づいて評価データ(評価観測行列)から評価係数行列候補を生成する(S212)。
FIG. 7 is a flowchart showing the flow of processing in step S210. As shown in FIG. 7, first, the
続いて、特徴抽出部216は、教師基底行列、及びステップS212で生成された評価係数行列候補に基づいて、評価データ(評価観測行列)に対する残差RTを算出する(S212)。なお、上述したように、残差RTは例えば数式(10)のようにして算出される。
Subsequently, the
続いて、特徴抽出部216は、ステップS216で算出された残差RTを所定の閾値と比較する(S216)。残差RTが所定の閾値以下である場合(S216においてNO)、特徴抽出部216は、評価データが現在用いられている教師基底行列で十分正確に表すことが可能であると判断し、評価係数行列候補を評価係数行列として分類部218へ出力する。
Subsequently, the
一方、残差RTが所定の閾値より大きい場合(S216においてYES)、特徴抽出部216は評価データが現在用いられている教師基底行列で十分正確に表すことが出来ないと判断し、残差RTを教師データ処理部208へ出力する。そして、教師データ処理部208は、特徴抽出部216から出力された残差RTに対してNMFを適用して得られた基底ベクトルを教師基底行列へ追加する(S230)。なお、記憶部214に記憶されていた教師基底行列は、ステップS230で基底ベクトルが新たに追加された教師基底行列により更新される。
On the other hand, when the residual RT is larger than a predetermined threshold (YES in S216), the
さらに、教師データ処理部208は、ステップS230で基底ベクトルが新たに追加された教師基底行列と教師データとに基づいて教師係数行列を生成(更新)する(S232)。そして、分類モデル構築部212が、ステップS232で更新された教師係数行列に基づいて分類モデルパラメータを生成する(S234)。なお、記憶部214に記憶されていた分類モデルパラメータは、ステップS234で生成された分類モデルパラメータにより更新される。
Further, the teacher
続いて、特徴抽出部216は、ステップS230で基底ベクトルが新たに追加された教師基底行列に基づいて、評価データから評価係数行列を生成する(S236)。
Subsequently, the
以上、図6のステップS210の処理の流れについて詳細に説明した。図6に戻って分類段階における動作の説明を続ける。続くステップS250において、センサ端末2の分類部218は、記憶部214に記憶された分類モデルパラメータに基づいて、ステップS210で生成された評価係数行列を分類する。
The process flow of step S210 in FIG. 6 has been described in detail above. Returning to FIG. 6, the description of the operation in the classification stage will be continued. In the subsequent step S250, the
続いて、センサ端末2の通信部220が、ステップS250で得られた評価係数行列の分類結果を集約装置3へ送信する(S252)。なお、ステップS202~S252の処理は、本実施形態にかかる情報処理システム9に含まれる複数のセンサ端末2の各々により並列的に行われてよい
Subsequently, the
そして、集約装置3の通信部32が、各センサ端末2から分類結果を受信し(S254)、集約装置3の集約部34が、ステップS254で受信された複数の分類結果に基づく集約処理を行い、最終的な分類結果を特定する(S256)。そして、集約装置3の出力部36が、ステップS256で特定された最終的な分類結果を出力する(S258)。
Then, the
<<4.変形例>>
以上、本発明の一実施形態について説明した。以下では、上記実施形態の幾つかの変形例を説明する。なお、以下に説明する各変形例は、単独で上記実施形態に適用されてもよいし、組み合わせで上記実施形態に適用されてもよい。また、各変形例は、上記実施形態で説明した構成に代えて適用されてもよいし、上記実施形態で説明した構成に対して追加的に適用されてもよい。
<< 4. Modification example >>
The embodiment of the present invention has been described above. Hereinafter, some modifications of the above embodiment will be described. In addition, each modification described below may be applied to the said embodiment alone, or may be applied to the said embodiment in combination. Further, each modification may be applied in place of the configuration described in the above embodiment, or may be additionally applied to the configuration described in the above embodiment.
<4-1.変形例1>
上記実施形態では、正常と異常の2種類のクラス(稼働状態)のうちいずれかの正解ラベルが対応付けられたデータ(観測ベクトル)を含む教師データ(教師観測行列)を用いて、学習を行う例を説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、教師データに含まれる全てのデータに、同一種別の正解ラベルが対応付けられていてもよい。
<4-1.
In the above embodiment, learning is performed using teacher data (teacher observation matrix) including data (observation vector) associated with one of the correct answer labels of two types of classes (operating state), normal and abnormal. Although examples have been described, the present invention is not limited to such examples. For example, all the data included in the teacher data may be associated with the correct answer label of the same type.
例えば、観察対象によっては、正常状態におけるセンサデータと異常状態におけるセンサデータの両方を用意することが困難な場合もある。特に、異常状態におけるセンサデータを用意するためには、観察対象を異常状態で稼働させる必要があるため、異常状態の発生があまり頻繁ではない観察対象において、異常状態におけるセンサデータを用意することは困難である。一方、正常状態におけるセンサデータのみを用意することは、例えば観察対象が問題なく正常に稼働している状態でセンシングを行ってセンサデータを収集することで実現可能であり、正常状態におけるセンサデータと異常状態におけるセンサデータの両方を用意することと比較すると容易である。そこで、以下では、教師データに含まれる全てのデータに、正常という同一種別の正解ラベルが対応付けられた場合について、変形例1として説明を行う。なお、かかる変形例は、上記実施形態で説明した各部の機能構成が一部異なるのみであるため、以下では、上記実施形態との相違点のみを説明する。
For example, depending on the observation target, it may be difficult to prepare both the sensor data in the normal state and the sensor data in the abnormal state. In particular, in order to prepare the sensor data in the abnormal state, it is necessary to operate the observation target in the abnormal state. Therefore, it is not possible to prepare the sensor data in the abnormal state in the observation target in which the occurrence of the abnormal state is not so frequent. Have difficulty. On the other hand, preparing only the sensor data in the normal state can be realized, for example, by performing sensing and collecting the sensor data while the observation target is operating normally without any problem. It is easier than preparing both sensor data in an abnormal state. Therefore, in the following, a case where all the data included in the teacher data are associated with the correct label of the same type as normal will be described as a
本変形例にかかる前処理部206は、含まれる全てのデータ(観測ベクトル)に正常という同一種別の正解ラベルが対応付けられた教師データを教師データ処理部208へ出力する点において、上記実施形態で説明した前処理部206と相違する。
The
また、本変形例にかかる教師データ処理部208は、第1の評価値I1、及び第2の評価値I2の算出方法が、上記実施形態で説明した教師データ処理部208と相違する。本変形例では、教師データに含まれる全てのデータ(観測ベクトル)に正常という同一種別の正解ラベルが対応付けられている。そのため、上記実施形態で第1の評価値I1、及び第2の評価値I2の算出において、分類性能を示す性能情報として用いられた分類精度P1、P2を算出することが出来ない。
Further, the teacher
そこで、本変形例にかかる教師データ処理部208は、基底ベクトルに対する係数ベクトルに含まれる各係数をサンプルとして算出されるマハラノビス距離の総和に基づく情報を性能情報として用いて、第1の評価値I1、及び第2の評価値I2を算出してもよい。
Therefore, the teacher
まず、本変形例にかかる教師データ処理部208は、各基底ベクトルに対する係数ベクトルに含まれる各係数をサンプルとして算出されるマハラノビス距離の総和M1に基づいて、基底ベクトル性能情報である第1の評価値I1を算出してもよい。マハラノビス距離の総和M1は、係数ベクトルに含まれる各係数をサンプルとしたとき、各サンプルについて、サンプル全体のうち1つのサンプルの残りのサンプルに対するマハラノビス距離を求め、得られたマハラノビス距離の総和とることで算出することが出来る。
First, the teacher
ここで、マハラノビス距離の総和M1は、正常というクラス内のばらつきを示し、マハラノビス距離の総和M1が小さい程、当該ばらつきが小さく、他のクラスとの分類を行う際に分類性能が向上する可能性が高いことを示す。そこで、本変形例にかかる教師データ処理部208は、マハラノビス距離の総和M1を用いて、基底ベクトル性能情報である第1の評価値I1を以下の数式(11)のように算出してもよい。
Here, the total Mahalanobis distance M 1 indicates a variation within the class of normality, and the smaller the total Mahalanobis distance M 1 , the smaller the variation, and the better the classification performance when classifying with other classes. Indicates a high probability. Therefore, the teacher
また、本変形例にかかる教師データ処理部208は、教師基底行列候補に含まれる複数の基底ベクトルに対する複数の係数ベクトルに含まれる各係数をサンプルとして算出されるマハラノビス距離の総和M2を、基底行列性能情報として用いてよい。
Further, the teacher
そして、本変形例にかかる教師データ処理部208は、基底行列性能情報であるマハラノビス距離の総和M2、及び上記実施形態で説明した計算コストC2を用いて、第2の評価値I2を以下の数式(12)のように算出してもよい。
Then, the teacher
数式(12)のように表される第2の評価値I2は、マハラノビス距離の総和M2が小さい程大きく、また、計算量が小さい程大きくなる。また、マハラノビス距離の総和M2は、正常というクラス内のばらつきを示し、マハラノビス距離の総和M2が小さい程、当該ばらつきが小さく、他のクラスとの分類を行う際に分類性能が向上する可能性が高いことを示す。したがって、例えば、本変形例にかかる教師データ処理部208は、上記実施形態で説明した例と同様に、第2の評価値I2がより大きくなるような教師基底行列候補を教師基底行列としてもよい。
The second evaluation value I 2 expressed as in the formula (12) becomes larger as the total Mahalanobis distance M 2 is smaller, and becomes larger as the calculation amount is smaller. In addition, the total Mahalanobis distance M 2 shows a variation within the class of normal, and the smaller the total Mahalanobis distance M 2 , the smaller the variation, and the classification performance can be improved when classifying with other classes. Indicates that the sex is high. Therefore, for example, the teacher
本変形例にかかる分類モデル構築部212、及び分類部218は、分類部218が用いる分類モデルが上記実施形態と相違する点で上記実施形態にかかる分類モデル構築部212、及び分類部218と相違してもよい。例えば、本変形例にかかる分類部218は、1クラスSVMに基づく分類モデルを用いてもよく、分類モデル構築部212は、当該分類モデルに応じた分類モデルパラメータを生成してもよい。また、分類部218による分類結果は、正常・異常の分類結果でなく、異常度を示す分類スコアであってもよい。
The classification
以上、説明したように、本変形例によれば、正常状態におけるセンサデータのみしか用意することが出来ない場合であっても、学習、及び分類を行うことが可能である。 As described above, according to this modification, it is possible to perform learning and classification even when only sensor data in a normal state can be prepared.
<4-2.変形例2>
上記実施形態では、センサ端末2が分類を行う例を説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、上述した分類部218の機能が、センサ端末2ではなく図1に示した集約装置3に備えられてもよい。かかる例について、変形例2として説明する。
<4-2.
In the above embodiment, an example in which the
本変形例にかかる通信部220は、特徴抽出部216により生成された評価係数行列を、集約装置3へ送信する。そして、集約装置3において、センサ端末2から受信した評価係数行列に基づく分類処理が行われた後、集約処理が行われて、最終的な分類結果が出力される。
The
したがって、本変形例においては、評価係数行列に含まれる係数ベクトルの数が大きい程、計算コストのみならずセンサ端末2から集約装置3への通信コストも増大する。ここで、評価係数行列に含まれる係数ベクトルの数は、教師基底行列に含まれる基底ベクトルの数に応じて増大する。
Therefore, in this modification, as the number of coefficient vectors included in the evaluation coefficient matrix increases, not only the calculation cost but also the communication cost from the
上記実施形態では、コスト情報として、計算コストC2が用いられたが、本変形例において、C2は、計算コストだけでなく通信コストをも示すコスト情報として用いられ得る。ただし、C2の算出方法は上述した実施形態と同様であってよいため、本変形例にかかる教師データ処理部208の機能は上記実施形態にかかる教師データ処理部208と同様であってよい。
In the above embodiment, the calculation cost C 2 is used as the cost information, but in this modification, the C 2 can be used as the cost information indicating not only the calculation cost but also the communication cost. However, since the calculation method of C 2 may be the same as that of the above-described embodiment, the function of the teacher
本変形例によれば、センサ端末2から集約装置3のような外部のサーバへ評価係数行列が送信されて、分類処理が行われる場合に、分類性能を高く維持しながら、計算コストのみならず、通信コストをも抑制することが可能である。通信コストを抑制することで、センサ端末2の消費電力が抑制され、センサ端末2がバッテリ駆動の場合にはバッテリ寿命が向上し、システムをより長期間可動させることが可能となる。また、通信コストを抑制することで、低帯域な無線リンクであっても、サンプリング周波数が高いセンサデータにかかる評価係数行列を送信することが可能となる。
According to this modification, when the evaluation coefficient matrix is transmitted from the
<<5.ハードウェア構成>>
以上、本発明の各実施形態を説明した。上述した前処理、教師データ処理、分類モデル構築処理、特徴抽出処理、分類処理、集約処理等の情報処理は、ソフトウェアとセンサ端末2、集約装置3のハードウェアとの協働により実現される。以下では、本発明の実施形態にかかる情報処理装置であるセンサ端末2、集約装置3のハードウェア構成例として、情報処理装置1000のハードウェア構成について説明する。
<< 5. Hardware configuration >>
Each embodiment of the present invention has been described above. Information processing such as the pre-processing, teacher data processing, classification model construction processing, feature extraction processing, classification processing, and aggregation processing described above is realized by the cooperation between the software and the hardware of the
図8は、本発明の実施形態にかかる情報処理装置1000のハードウェア構成を示す説明図である。図8に示したように、情報処理装置1000は、CPU(Central Processing Unit)1001と、ROM(Read Only Memory)1002と、RAM(Random Access Memory)1003と、入力装置1004と、出力装置1005と、ストレージ装置1006と、通信装置1007とを備える。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a hardware configuration of the
CPU1001は、演算処理装置及び制御装置として機能し、各種プログラムに従って情報処理装置1000内の動作全般を制御する。また、CPU1001は、マイクロプロセッサであってもよい。ROM1002は、CPU1001が使用するプログラムや演算パラメータなどを記憶する。RAM1003は、CPU1001の実行において使用するプログラムや、その実行において適宜変化するパラメータなどを一時記憶する。これらはCPUバスなどから構成されるホストバスにより相互に接続されている。主に、CPU1001、ROM1002及びRAM1003とソフトウェアとの協働により、例えば、前処理部206、教師データ処理部208、分類モデル構築部212、特徴抽出部216、分類部218、集約部34の機能が実現される。
The
入力装置1004は、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、マイクロフォン、スイッチ及びレバーなどユーザが情報を入力するための入力手段と、ユーザによる入力に基づいて入力信号を生成し、CPU1001に出力する入力制御回路などから構成されている。情報処理装置1000のユーザは、該入力装置1004を操作することにより、情報処理装置1000に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。
The
出力装置1005は、例えば、液晶ディスプレイ(LCD)装置、OLED装置及びランプなどの表示装置を含む。さらに、出力装置1005は、スピーカ及びヘッドホンなどの音声出力装置を含む。例えば、表示装置は、撮像された画像や生成された画像などを表示する。一方、音声出力装置は、音声データなどを音声に変換して出力する。なお、出力装置1005は、出力部36に対応する。
The
ストレージ装置1006は、データ格納用の装置である。ストレージ装置1006は、記憶媒体、記憶媒体にデータを記録する記録装置、記憶媒体からデータを読み出す読出し装置及び記憶媒体に記録されたデータを削除する削除装置などを含んでもよい。ストレージ装置1006は、CPU1001が実行するプログラムや各種データを格納する。なお、ストレージ装置1006は、記憶部214に対応する。
The
通信装置1007は、例えば、通信網に接続するための通信デバイスなどで構成された通信インタフェースである。また、通信装置1007は、無線LAN(Local Area Network)対応通信装置、LTE(Long Term Evolution)対応通信装置、有線による通信を行うワイヤー通信装置、またはブルートゥース(登録商標)通信装置を含んでもよい。なお、通信装置1007は、通信部220、通信部32に対応する。
The
<<6.むすび>>
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、分類性能の向上とコストの抑制を両立することが可能である。
<< 6. Conclusion >>
As described above, according to the embodiment of the present invention, it is possible to achieve both improvement in classification performance and cost reduction.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to these examples. It is clear that a person having ordinary knowledge in the field of technology to which the present invention belongs can come up with various modifications or modifications within the scope of the technical ideas described in the claims. , These are also naturally understood to belong to the technical scope of the present invention.
例えば、上記実施形態では、各センサ端末2の分類結果が集約装置3に送信されて集約されて出力される例を説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、各センサ端末2がそれぞれ表示部等の出力部を有し、各センサ端末2の分類結果が各センサ端末2が有する出力部から出力されてもよい。かかる構成は、複数のセンサ端末2の分類結果を総合的に判断する必要がなく、個別に各センサ端末2の分類結果を確認したい場合に、有効である。
For example, in the above embodiment, the classification result of each
また、本明細書では、観測対象として、工場の設備や装置、製品等を例に挙げたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、上述した実施形態は、オフィスのプリンタ、店舗のATM等の機械的な機構を持つ一般的な機器を観測対象として、適用することも可能である。 Further, in the present specification, as an observation target, equipment, devices, products, etc. of a factory are taken as an example, but the present invention is not limited to such an example. For example, the above-described embodiment can be applied to a general device having a mechanical mechanism such as an office printer or a store ATM as an observation target.
また、上記実施形態では、時系列データとして、センサデータとして、振動データや音響データなどを例に挙げたが、かかる例に限定されない。例えば、センサデータが画像データである場合には、画像認識を用いた稼働状態検知に上述した実施形態を適用することが可能である。 Further, in the above embodiment, vibration data, acoustic data, and the like are given as examples as time-series data and sensor data, but the present invention is not limited to such examples. For example, when the sensor data is image data, the above-described embodiment can be applied to the operation state detection using image recognition.
また、上記実施形態における各ステップは、必ずしもフローチャート図として記載された順序に沿って時系列に処理される必要はない。例えば、上記実施形態の処理における各ステップは、フローチャート図として記載した順序と異なる順序で処理されても、並列的に処理されてもよい。 Further, each step in the above embodiment does not necessarily have to be processed in chronological order in the order described as a flowchart. For example, each step in the processing of the above embodiment may be processed in an order different from the order described in the flowchart, or may be processed in parallel.
また、上記実施形態によれば、CPU1001、ROM1002、及びRAM1003などのハードウェアを、上述したセンサ端末2、集約装置3の各構成と同様の機能を発揮させるためのコンピュータプログラムも提供可能である。また、該コンピュータプログラムが記録された記録媒体も提供される。
Further, according to the above embodiment, it is possible to provide a computer program for causing hardware such as the
1 観測対象
2 センサ端末
3 集約装置
5 ネットワーク
9 情報処理システム
32 通信部
34 集約部
36 出力部
202 センサ
204 AD変換部
206 前処理部
208 教師データ処理部
212 分類モデル構築部
214 記憶部
216 特徴抽出部
218 分類部
220 通信部
1
Claims (11)
前記教師データに対して非負値行列因子分解を適用することにより基底ベクトルを取得し、前記基底ベクトルに基づいて、前記基底ベクトルに対応する分類性能を示す情報を基底ベクトル性能情報として取得し、前記基底ベクトル性能情報に基づいて、教師基底行列の候補となる教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルを特定し、前記教師基底行列候補に基づいて、前記教師基底行列候補に対応する分類性能を示す情報を基底行列性能情報として取得し、前記教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルの数に基づいて、前記教師基底行列候補に対応する計算コストを示す情報をコスト情報として取得し、前記教師基底行列候補に対応する前記基底行列性能情報と前記コスト情報とを組み合わせた評価値を算出し、前記評価値に基づいて前記教師基底行列候補から教師基底行列を特定し、前記教師基底行列と前記教師データとに基づいて教師係数行列を生成する教師データ処理部と、
を備える情報処理装置。 A pre-processing unit that acquires non-negative teacher data based on time-series data,
The base vector is acquired by applying the non-negative matrix factor decomposition to the teacher data, and the information indicating the classification performance corresponding to the base vector is acquired as the base vector performance information based on the base vector. Based on the base vector performance information, the base vector included in the teacher base matrix candidate that is a candidate for the teacher base matrix is specified, and the information indicating the classification performance corresponding to the teacher base matrix candidate based on the teacher base matrix candidate. Is acquired as base matrix performance information, and based on the number of base vectors included in the teacher base matrix candidate, information indicating the calculation cost corresponding to the teacher base matrix candidate is acquired as cost information, and the teacher base matrix candidate is acquired. An evaluation value is calculated by combining the base matrix performance information and the cost information corresponding to the above , the teacher base matrix is specified from the teacher base matrix candidates based on the evaluation value, and the teacher base matrix and the teacher data are used. A teacher data processing unit that generates a teacher coefficient matrix based on
Information processing device equipped with.
前記基底行列性能情報は、前記教師基底行列候補に含まれる複数の前記基底ベクトルに対する複数の係数ベクトルに含まれる各係数をサンプルとして算出されるマハラノビス距離の総和に基づく情報である、請求項1に記載の情報処理装置。 All the data included in the teacher data are associated with labels of the same type.
The basis matrix performance information is information based on the sum of Mahalanobis distances calculated by using each coefficient included in a plurality of coefficient vectors for a plurality of the basis vectors included in the teacher basis matrix candidate as a sample, according to claim 1 . The information processing device described.
前記基底ベクトル性能情報は、前記基底ベクトルに対する係数ベクトルに含まれる各係数をサンプルとして算出されるマハラノビス距離の総和に基づく情報である、請求項1~3のいずれか一項に記載の情報処理装置。 All the data included in the teacher data are associated with labels of the same type.
The information processing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the basis vector performance information is information based on the sum of Mahalanobis distances calculated by using each coefficient included in the coefficient vector for the basis vector as a sample. ..
前記情報処理装置は、
前記教師基底行列に基づいて、前記評価データから評価係数行列を生成する特徴抽出部と、
前記評価係数行列を前記分類モデルパラメータに基づいて分類する分類部と、
をさらに備える、請求項6に記載の情報処理装置。 The preprocessing unit further acquires non-negative evaluation data based on the further time series data.
The information processing device is
A feature extraction unit that generates an evaluation coefficient matrix from the evaluation data based on the teacher basis matrix,
A classification unit that classifies the evaluation coefficient matrix based on the classification model parameters,
The information processing apparatus according to claim 6 , further comprising.
前記モデル構築部は、さらに生成された前記教師係数行列に基づいて、前記分類モデルパラメータを更新する、請求項8に記載の情報処理装置。 The teacher data processing unit adds a basis vector obtained by applying non-negative matrix factorization to the residual when the residual does not satisfy the predetermined condition to the teacher base matrix. Based on this, the teacher coefficient matrix is further generated.
The information processing apparatus according to claim 8 , wherein the model building unit updates the classification model parameters based on the generated teacher coefficient matrix.
前記教師データに対して非負値行列因子分解を適用することにより基底ベクトルを取得し、前記基底ベクトルに基づいて、前記基底ベクトルに対応する分類性能を示す情報を基底ベクトル性能情報として取得し、前記基底ベクトル性能情報に基づいて、教師基底行列の候補となる教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルを特定し、前記教師基底行列候補に基づいて、前記教師基底行列候補に対応する分類性能を示す情報を基底行列性能情報として取得し、前記教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルの数に基づいて、前記教師基底行列候補に対応する計算コストを示す情報をコスト情報として取得し、前記教師基底行列候補に対応する前記基底行列性能情報と前記コスト情報とを組み合わせた評価値を算出し、前記評価値に基づいて前記教師基底行列候補から教師基底行列を特定し、前記教師基底行列と前記教師データとに基づいて教師係数行列を生成することと、
を含む、情報処理装置により実行される情報処理方法。 Obtaining non-negative teacher data based on time series data,
The base vector is acquired by applying the non-negative matrix factor decomposition to the teacher data, and the information indicating the classification performance corresponding to the base vector is acquired as the base vector performance information based on the base vector. Based on the base vector performance information, the base vector included in the teacher base matrix candidate that is a candidate for the teacher base matrix is specified, and the information indicating the classification performance corresponding to the teacher base matrix candidate based on the teacher base matrix candidate. Is acquired as base matrix performance information, and based on the number of base vectors included in the teacher base matrix candidate, information indicating the calculation cost corresponding to the teacher base matrix candidate is acquired as cost information, and the teacher base matrix candidate is acquired. An evaluation value is calculated by combining the base matrix performance information and the cost information corresponding to the above , the teacher base matrix is specified from the teacher base matrix candidates based on the evaluation value, and the teacher base matrix and the teacher data are used. To generate a teacher coefficient matrix based on
Information processing methods performed by an information processing device , including.
時系列データに基づいて、非負の教師データを取得する機能と、
前記教師データに対して非負値行列因子分解を適用することにより基底ベクトルを取得し、前記基底ベクトルに基づいて、前記基底ベクトルに対応する分類性能を示す情報を基底ベクトル性能情報として取得し、前記基底ベクトル性能情報に基づいて、教師基底行列の候補となる教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルを特定し、前記教師基底行列候補に基づいて、前記教師基底行列候補に対応する分類性能を示す情報を基底行列性能情報として取得し、前記教師基底行列候補に含まれる基底ベクトルの数に基づいて、前記教師基底行列候補に対応する計算コストを示す情報をコスト情報として取得し、前記教師基底行列候補に対応する前記基底行列性能情報と前記コスト情報とを組み合わせた評価値を算出し、前記評価値に基づいて前記教師基底行列候補から教師基底行列を特定し、前記教師基底行列と前記教師データとに基づいて教師係数行列を生成する機能と、
を実現させるためのプログラム。
On the computer
Ability to acquire non-negative teacher data based on time series data,
The base vector is acquired by applying the non-negative matrix factor decomposition to the teacher data, and the information indicating the classification performance corresponding to the base vector is acquired as the base vector performance information based on the base vector. Based on the base vector performance information, the base vector included in the teacher base matrix candidate that is a candidate for the teacher base matrix is specified, and the information indicating the classification performance corresponding to the teacher base matrix candidate based on the teacher base matrix candidate. Is acquired as base matrix performance information, and based on the number of base vectors included in the teacher base matrix candidate, information indicating the calculation cost corresponding to the teacher base matrix candidate is acquired as cost information, and the teacher base matrix candidate is acquired. An evaluation value is calculated by combining the base matrix performance information and the cost information corresponding to the above , the teacher base matrix is specified from the teacher base matrix candidates based on the evaluation value, and the teacher base matrix and the teacher data are used. With the ability to generate a teacher coefficient matrix based on
A program to realize.
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