JP7779028B2 - Information processing device, information processing method, and information processing program - Google Patents
Information processing device, information processing method, and information processing programInfo
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Description
本発明は、情報処理装置,情報処理方法および情報処理プログラムに関する。 The present invention relates to an information processing device, an information processing method, and an information processing program.
ムーア則の限界を打ち破るために、従来のフォンノイマン型ではない新規のコンピュータ・アーキテクチャをIT(Information Technology)業界全体で模索している。
非ノイマン型のマシンは、量子コンピューティングといった開発に今後も年月がかかるであろうものから、FPGA(Field Programmable Gate Array)やGPGPU(General-Purpose computing on Graphics Processing Units)の有効活用といった比較的着手しやすいものまで数多く提案されている。いずれもフォンノイマン・ボトルネックを回避して、計算リソースが必要となる特定分野の問題を効率的に解くものである。
In order to overcome the limitations of Moore's Law, the entire IT (Information Technology) industry is searching for new computer architectures that are not the conventional von Neumann type.
Many non-von Neumann machines have been proposed, ranging from quantum computing, which will likely take many years to develop, to relatively easy-to-get-started technologies such as FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) and GPGPUs (General-Purpose Computing on Graphics Processing Units). All of these avoid the von Neumann bottleneck and efficiently solve problems in specific fields that require computational resources.
これらと組み合わされる問題として機械学習が考えられる。特に今日の多層化された深層学習(ディープラーニング)においては計算リソースが多く必要とされるため、多くの企業で効率化が研究開発されている。深層学習の成功により、研究機関や企業で機械学習の新しいモデルが日々開発・改善されている。 Machine learning is one problem that can be combined with these. In particular, today's multi-layered deep learning requires a large amount of computing resources, so many companies are researching and developing ways to make it more efficient. Thanks to the success of deep learning, new machine learning models are being developed and improved every day at research institutes and companies.
時系列データを取り扱うのに適している機械学習としてRNN(Recurrent Neural Network)が知られている。RNNは、ネットワーク内部にループを含む構造であるため、過去のデータと現在のデータとの相関を重み付けとして持つことができる。RNNは、映像処理における動的な判断や自然言語処理等の応用が期待されている。 RNNs (Recurrent Neural Networks) are known as a machine learning technique suitable for handling time-series data. Because RNNs have a structure that includes loops within the network, they can use the correlation between past data and current data as weighting. RNNs are expected to be used in applications such as dynamic decision-making in video processing and natural language processing.
しかしながら、特にLSTM(Long Short Term Memory)やGRU(Gated Recurrent Unit)といった高機能のRNNにおいては、バックプロパゲーションスルータイムによる層間重みの更新に非常に計算時間がかかることが知られており、種々の改善方法が研究されている。そこで近年においては、出力段のみの重みを更新するリザバーコンピューティング(Reservoir Computing:RC)というRNNアルゴリズムが注目されている。
RCは、特殊なRNNであって、深層学習のような多層状の結合ではなくランダムで固定の結合による「リザバー」と呼ばれる構造を持つ。
However, it is known that updating the interlayer weights due to backpropagation through time takes a very long time, especially in high-performance RNNs such as LSTM (Long Short Term Memory) and GRU (Gated Recurrent Unit), and various methods for improving this have been studied.In recent years, an RNN algorithm called Reservoir Computing (RC), which updates the weights only in the output stage, has attracted attention.
RC is a special type of RNN that has a structure called a "reservoir" with random, fixed connections, rather than multi-layer connections like deep learning.
RCにおけるノード間の結合の有無,結合方向や重みは、機械学習(訓練)に先立って決定される。通常、プログラムでRCを実装する場合、結合の有無に関しても、各結合における重みの数値に関してもランダムに決定し、ノード間の結合確率や重みの分散をパラメータとして、リザバーを生成する。訓練は、リザバーのノード間結合と重みとを固定したまま進められ、出力層の重みのみを図中の出力重み計算部により更新する。訓練プロセスが終了すると、出力重みを固定とし、推論プロセスで出力データを得る。 The presence or absence of connections between nodes in RC, as well as the connection direction and weights, are determined prior to machine learning (training). Typically, when RC is implemented in a program, the presence or absence of connections and the numerical weights for each connection are determined randomly, and a reservoir is generated using the connection probability between nodes and the weight variance as parameters. Training proceeds while the connections and weights between nodes in the reservoir remain fixed, and only the weights in the output layer are updated by the output weight calculation unit shown in the diagram. Once the training process is complete, the output weights are fixed and output data is obtained in the inference process.
リザバーはランダムで固定の結合なため、物理的な実体をリザバーとして用いることができる。非線形な特性を持つ素子をノードとしたランダムネットワーク回路や電気的非線形材料の塊、光学的な非線形性を持つ材料等がリザバーとして利用される。 Because reservoirs have random and fixed connections, physical entities can be used as reservoirs. Examples of reservoirs that can be used include random network circuits with nodes made up of elements with nonlinear properties, blocks of electrically nonlinear materials, and materials with optical nonlinearity.
RCを用いた機械学習においては、時系列データの予測が可能である。長期的な予測のためには、発生頻度の高い周期的なデータ予測のみではなく、低頻度で発生する事象に関しても予測できることが望ましい。 Machine learning using RC makes it possible to predict time series data. For long-term predictions, it is desirable to be able to predict not only periodic data that occurs frequently, but also events that occur infrequently.
長期的な時系列データによる解析というのは、例えば年間を通しての気温の変化予測や機械の動作時の振動から故障予測を行うことが挙げられる。長期的な気温変化は一日の気温変化と季節性の変動が存在し、発生頻度つまり周波数の大きく異なる2波形を足し合わせた波形について学習する必要がある。また機械の通常動作時における振動の中にまれに故障につながる通常とは異なる振動が現れるとして、その特殊な振動を効果的に学習することで、故障予測のシステムはより正確になる。 Analysis using long-term time series data can be used, for example, to predict temperature changes throughout the year or to predict failures from vibrations during machine operation. Long-term temperature changes include both daily temperature changes and seasonal fluctuations, and it is necessary to learn about waveforms that combine two waveforms with significantly different occurrence frequencies. Furthermore, if unusual vibrations that can lead to failures occasionally appear among the vibrations that occur during normal machine operation, the failure prediction system can become more accurate by effectively learning about these special vibrations.
しかしながら、単体のRCでは、規模を大きくしても発生周期の異なる現実的なデータを予測することが難しい。そこで、複数のRCを組み合わせて、複雑なデータの予測精度を向上させることが求められている。 However, with a single RC, it is difficult to predict realistic data with different occurrence periods, even when the scale is increased. Therefore, there is a need to combine multiple RCs to improve the prediction accuracy of complex data.
このため、この情報処理装置は、それぞれが入力層とリザバーと出力層とを有する、第1リザバーコンピューティングと第2リザバーコンピューティングと第3リザバーコンピューティングと第4リザバーコンピューティングとを備え、前記第1リザバーコンピューティングと前記第3リザバーコンピューティングと前記第4リザバーコンピューティングと前記第2リザバーコンピューティングとが、この順で直列に並べて接続されるとともに、前記第1リザバーコンピューティングと、前記第2リザバーコンピューティングとを有する第1データ処理部と、前記第3リザバーコンピューティングと、前記第4リザバーコンピューティングとを有する第2データ処理部とを備え、前記第1リザバーコンピューティングには第1周期データが教師データとして与えられ、前記第3リザバーコンピューティングには前記第1周期データよりも長い周期を有する第2周期データが教師データとして与えられ、前記第1データ処理部において、前記第1リザバーコンピューティングに時系列データが入力され、前記第1リザバーコンピューティングが第1出力データを出力し、前記第2リザバーコンピューティングに、前記第1出力データと前記第4リザバーコンピューティングからの第4出力データとが入力され、前記第2データ処理部において、前記第1出力データと前記第1周期データとの差分を示す予測誤差信号が前記第3リザバーコンピューティングに入力され、前記第3リザバーコンピューティングからの第3出力データが前記第4リザバーコンピューティングに入力され、前記第4リザバーコンピューティングには前記予測誤差信号が教師データとして与えられ、前記第4リザバーコンピューティングは、前記第3出力データと前記予測誤差信号とに基づいて前記第4出力データを出力し、前記第1データ処理部において、前記第2リザバーコンピューティングが、前記第4出力データと前記第1出力データとに基づいて、第2出力データを出力する。 Therefore, this information processing device comprises a first reservoir computing, a second reservoir computing, a third reservoir computing, and a fourth reservoir computing, each having an input layer, a reservoir, and an output layer, the first reservoir computing, the third reservoir computing, the fourth reservoir computing, and the second reservoir computing being connected in series in this order, and a first data processing unit having the first reservoir computing and the second reservoir computing, and a second data processing unit having the third reservoir computing and the fourth reservoir computing, wherein first periodic data is given as teacher data to the first reservoir computing, and second periodic data having a longer period than the first periodic data is given as teacher data to the third reservoir computing, and in the first data processing unit time series data is input to the first reservoir computing, which outputs first output data; the first output data and fourth output data from the fourth reservoir computing are input to the second reservoir computing; in the second data processing unit, a prediction error signal indicating a difference between the first output data and the first periodic data is input to the third reservoir computing; third output data from the third reservoir computing is input to the fourth reservoir computing; the prediction error signal is provided to the fourth reservoir computing as teacher data; the fourth reservoir computing outputs the fourth output data based on the third output data and the prediction error signal; in the first data processing unit, the second reservoir computing outputs second output data based on the fourth output data and the first output data .
一実施形態によれば、予測精度を向上させることができる。 According to one embodiment, prediction accuracy can be improved.
以下、図面を参照して本情報処理装置,情報処理方法および情報処理プログラムにかかる実施の形態を説明する。ただし、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、実施形態で明示しない種々の変形例や技術の適用を排除する意図はない。すなわち、本実施形態を、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、各図は、図中に示す構成要素のみを備えるという趣旨ではなく、他の機能等を含むことができる。 The following describes embodiments of the present information processing device, information processing method, and information processing program with reference to the drawings. However, the embodiments described below are merely examples, and are not intended to exclude the application of various modifications and technologies not explicitly stated in the embodiments. In other words, this embodiment can be implemented with various modifications within the scope of its intent. Furthermore, each figure does not intend to include only the components shown in the figure, but may also include other functions, etc.
(A)構成
図1は実施形態の一例としてのコンピュータシステム1の構成を模式的に示す図である。
(A) Configuration FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a computer system 1 as an example of an embodiment.
コンピュータシステム1は、図1に示すように、リザバーコンピューティング(RC)20―1~20―4,予測誤差計算回路213,データバッファ2141および管理部101を備える。 As shown in Figure 1, the computer system 1 includes reservoir computing (RC) units 20-1 to 20-4, a prediction error calculation circuit 213, a data buffer 2141, and a management unit 101.
リザバーコンピューティング20―1~20―4は同様の構成を有する。以下、リザバーコンピューティング20―1~20―4を特に区別しない場合には、リザバーコンピューティング20と表記する。また、リザバーコンピューティングをRCと表す場合がある。
図2は実施形態の一例としてのコンピュータシステム1におけるリザバーコンピューティング20の概念図である。
RC20は、リザバー201,入力層202および出力層203を備える。
The reservoir computing units 20-1 to 20-4 have the same configuration. Hereinafter, when there is no need to distinguish between the reservoir computing units 20-1 to 20-4, they will be referred to as reservoir computing units 20. Furthermore, reservoir computing units may be referred to as RC units.
FIG. 2 is a conceptual diagram of reservoir computing 20 in a computer system 1 according to an embodiment.
The RC 20 includes a reservoir 201 , an input layer 202 and an output layer 203 .
リザバー201においては、複数の非線形ノードがランダムに固定され結合されている。リザバー201におけるノード間の結合の有無,結合方向や重みは、機械学習(訓練)に先立って決定される。 In reservoir 201, multiple nonlinear nodes are randomly fixed and connected. The presence or absence of connections between nodes in reservoir 201, as well as the connection direction and weights, are determined prior to machine learning (training).
プログラムでRCを実装する場合、結合の有無に関しても、各結合における重みの数値に関してもランダムに決定し、ノード間の結合確率や重みの分散をパラメータとして、リザバーを生成する。 When implementing RC in a program, the presence or absence of connections and the weight values for each connection are decided randomly, and the reservoir is generated using the connection probability between nodes and the weight distribution as parameters.
RC20の訓練は、リザバー201におけるノード間結合と重みとを固定したまま行なわれる。出力層203は出力重み計算部2031を備える。出力重み計算部2031は、訓練プロセスにおいて出力重みWoを更新する。訓練プロセスが終了すると、出力層203における出力重みWoは固定される。推論プロセスにおいて、出力層203から出力データが得られる。
各RC20の出力層203は、後述する情報処理装置10(管理部101)によって実現される。
Training of the RC 20 is performed while the inter-node connections and weights in the reservoir 201 are fixed. The output layer 203 includes an output weight calculation unit 2031. The output weight calculation unit 2031 updates the output weights Wo during the training process. When the training process is completed, the output weights Wo in the output layer 203 are fixed. In the inference process, output data is obtained from the output layer 203.
The output layer 203 of each RC 20 is realized by the information processing device 10 (management unit 101) described later.
リザバー201においては非線形ノードがランダムに固定されて結合される。そのため、リザバー201として物理的な実体を用いてもよい。すなわち、RC20は物理リザバーコンピューティングであってもよい。物理リザバーコンピューティングは、非線形素子の回路ネットワークとして構成されてもよい。 In reservoir 201, nonlinear nodes are randomly fixed and connected. Therefore, a physical entity may be used as reservoir 201. In other words, RC20 may be physical reservoir computing. Physical reservoir computing may be configured as a circuit network of nonlinear elements.
RC20を物理リザバーコンピューティングとして実現するために、リザバー201として、非線形な特性を持つ素子をノードとしたランダムネットワーク回路や電気的非線形材料の塊、光学的な非線形性を持つ材料等を用いてもよい。
図3は実施形態の一例としてのコンピュータシステム1におけるRC20を示す略図である。
RC20をこの図3に例示する略図で表してもよい。
この図3に例示する物理リザバーコンピューティング20は、リザバー201が複数の非線形ノードを備えた物理的な実体によるネットワークで構成されている。
To realize RC20 as physical reservoir computing, reservoir 201 may be a random network circuit with nodes made of elements with nonlinear characteristics, a mass of electrically nonlinear material, or a material with optical nonlinearity.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the RC 20 in the computer system 1 as an example of an embodiment.
The RC 20 may be represented by the diagram illustrated in FIG.
In the physical reservoir computing 20 exemplified in FIG. 3, the reservoir 201 is configured as a network of physical entities having a plurality of nonlinear nodes.
RC20は、リザバー201が複数の非線形ノードを備えた物理的な実体によるネットワークで構成された物理リザバーコンピューティングであってもよい。 RC20 may be physical reservoir computing in which reservoir 201 is a network of physical entities with multiple nonlinear nodes.
RC20において、入力データは入力層202に入力される。入力層202において処理されたデータはリザバー201に入力され、このリザバー201において処理された後に出力層203に入力される。
以下、図1中において、RC20―1における、入力層202からリザバー201を介して出力層203に至る方向を順方向という。
In the RC 20, input data is input to the input layer 202. The data processed in the input layer 202 is input to the reservoir 201, and after being processed in this reservoir 201, is input to the output layer 203.
Hereinafter, in FIG. 1, the direction from the input layer 202 to the output layer 203 via the reservoir 201 in the RC 20-1 will be referred to as the forward direction.
図1に示すように、本コンピュータシステム1において、複数(図1に示す例では4つ)のRC20―1~20―4が、直列に接続されている。 As shown in Figure 1, in this computer system 1, multiple (four in the example shown in Figure 1) RCs 20-1 to 20-4 are connected in series.
RC20―1の順方向に沿った下流位置には予測誤差計算回路213が配置されている。また、この予測誤差計算回路213の順方向に沿った下流位置には、RC20―2が配置されている。 A prediction error calculation circuit 213 is located downstream of RC20-1 in the forward direction. RC20-2 is also located downstream of this prediction error calculation circuit 213 in the forward direction.
また、RC20―2の下流には、RC20―3が配置されており、さらに、RC20―3の下流には、RC20―4が配置されている。 Furthermore, RC20-3 is located downstream of RC20-2, and RC20-4 is located downstream of RC20-3.
また、図1に例示するコンピュータシステム1において、直列に接続された4つのRC20―1~20―4によって構成される連続体は、RC20―2とRC20―3との間で180度折り曲げられている。これにより、RC20―3からRC20―4へ向かう経路方向は、RC20―1からRC20―2への経路方向(順方向)と逆となっている。以下、順方向に対して逆向する方向を逆方向という。 In addition, in the computer system 1 illustrated in Figure 1, the continuum formed by four RCs 20-1 to 20-4 connected in series is bent 180 degrees between RCs 20-2 and RCs 20-3. As a result, the route direction from RCs 20-3 to RCs 20-4 is opposite to the route direction (forward direction) from RCs 20-1 to RCs 20-2. Hereinafter, the direction opposite to the forward direction will be referred to as the reverse direction.
以下、RC20―1を順方向RC#1という場合があり、RC20―2を順方向RC#2という場合がある。また、RC20―3を逆方向RC#2という場合があり、RC20―4を逆方向RC#1という場合がある。 Hereinafter, RC20-1 may be referred to as forward RC#1, and RC20-2 may be referred to as forward RC#2. RC20-3 may be referred to as reverse RC#2, and RC20-4 may be referred to as reverse RC#1.
順方向RC#1には時系列データ(入力データ)が入力され、順方向RC#1は、時系列の周期信号を推論(予測)する。すなわち、順方向RC#1は、所定時間先(未来)の周期信号を推論する。
順方向RC#1から出力される出力データ(推論結果)は、予測誤差計算回路213と逆方向RC#1とにそれぞれ入力される。
Time-series data (input data) is input to the forward RC #1, which infers (predicts) a time-series periodic signal. That is, the forward RC #1 infers a periodic signal a predetermined time ahead (in the future).
The output data (inference result) output from the forward RC#1 is input to the prediction error calculation circuit 213 and the backward RC#1.
順方向RC#1には、訓練フェーズにおいて、第1の周期信号(sin信号やcos信号)が教師データとして入力され、出力層203の重みが更新される。第1の周期信号を第1の周期データといってもよい。 During the training phase, a first periodic signal (sine signal or cosine signal) is input to forward RC#1 as training data, and the weights of the output layer 203 are updated. The first periodic signal can also be called first periodic data.
予測誤差計算回路213は、順方向RC#1の出力データ(推論結果)と順方向RC#1の教師データ(第1の周期信号)との差(予測誤差)を算出する。すなわち、予測誤差計算回路213は、順方向RC#1の予測誤差を算出する。予測誤差計算回路213によって算出された順方向RC#1の予測誤差は、データバッファ214に入力され、このデータバッファ214の所定の記憶領域に格納される。
また、予測誤差計算回路213によって算出された順方向RC#1における予測誤差は、順方向RC#2にも入力される。
順方向RC#2には、順方向RC#1における予測誤差を示す信号が入力され、時系列の周期信号を推論する。
順方向RC#2から出力される出力データ(推論結果)は、逆方向RC#2に入力される。
The prediction error calculation circuit 213 calculates the difference (prediction error) between the output data (inference result) of the forward RC#1 and the teacher data (first periodic signal) of the forward RC#1. That is, the prediction error calculation circuit 213 calculates the prediction error of the forward RC#1. The prediction error of the forward RC#1 calculated by the prediction error calculation circuit 213 is input to the data buffer 214 and stored in a predetermined storage area of the data buffer 214.
The prediction error in forward RC#1 calculated by the prediction error calculation circuit 213 is also input to forward RC#2.
A signal indicating the prediction error in the forward RC#1 is input to the forward RC#2, and a time-series periodic signal is inferred.
The output data (inference result) output from the forward RC#2 is input to the backward RC#2.
順方向RC#2には、訓練フェーズにおいて、第2の周期信号(sin信号やcos信号)が入力され、出力層203の重みが更新される。第2の周期信号を第2の周期データといってもよい。第2の周期信号は、第1の周期信号と異なる周期を有し、例えば、第1の周期信号の周期よりも長い周期であってもよい。
また、第2の周期信号は、入力データにおいて第1の周期信号よりも検出頻度が低い波形であることが望ましい。
In the training phase, a second periodic signal (sine signal or cosine signal) is input to the forward RC#2, and the weights of the output layer 203 are updated. The second periodic signal may be referred to as second periodic data. The second periodic signal has a different period from the first periodic signal, and may be, for example, longer than the period of the first periodic signal.
Furthermore, it is desirable that the second periodic signal has a waveform that is detected less frequently in the input data than the first periodic signal.
逆方向RC#2には、順方向RC#2の出力データが入力され、順方向RC#1の出力信号(推論結果)と順方向RC#1の教師データ(第1の周期信号)との差(予測誤差)を推論する。すなわち、逆方向RC#2は、所定時間先(未来)の順方向RC#1の予測誤差を推論する。 The output data of the forward RC#2 is input to the backward RC#2, which infers the difference (prediction error) between the output signal (inference result) of the forward RC#1 and the teacher data (first periodic signal) of the forward RC#1. In other words, the backward RC#2 infers the prediction error of the forward RC#1 a predetermined time ahead (in the future).
逆方向RC#2には、訓練フェーズにおいて、予測誤差計算回路213によって算出された予測誤差の実測値が、データバッファ214から読み出された後に教師データとして入力され、出力層203の重みが更新される。
逆方向RC#2から出力される出力データ(推論結果)は、逆方向RC#1に入力される。
In the training phase, the actual values of the prediction errors calculated by the prediction error calculation circuit 213 are read from the data buffer 214 and then input as training data to the backward RC#2, and the weights of the output layer 203 are updated.
The output data (inference result) output from the backward RC#2 is input to the backward RC#1.
逆方向RC#1には、逆方向RC#2の出力データと、順方向RC#1の出力データとが入力され、順方向RC#1に入力される入力データ(時系列データ)の1ステップ先(未来)のデータを推論(時系列予測)する。
逆方向RC#1には、訓練フェーズにおいて、順方向RC#1に入力される入力データが教師データとして入力され、出力層203の重みが更新される。
The output data of the backward RC #2 and the output data of the forward RC #1 are input to the backward RC #1, and data one step ahead (future) of the input data (time series data) input to the forward RC #1 is inferred (time series prediction).
In the training phase, input data input to the forward RC#1 is input as training data to the backward RC#1, and the weights of the output layer 203 are updated.
図1に示す例おいては、順方向RC#1と逆方向RC#1とが上下方向に並んで配置されている。これらの順方向RC#1と逆方向RC#1とのペアを第1データ処理部211という場合がある。また、この第1データ処理部211においてデータの処理を行なうことを第1段データ処理といってもよい。
第1データ処理部211において、RC20-1は順方向に配置され、RC20-4は逆方向に配置されている。
1, a forward RC #1 and a reverse RC #1 are arranged vertically side by side. The pair of the forward RC #1 and the reverse RC #1 may be referred to as a first data processing unit 211. Data processing in the first data processing unit 211 may also be referred to as first-stage data processing.
In the first data processing unit 211, the RC 20-1 is arranged in the forward direction, and the RC 20-4 is arranged in the reverse direction.
発生頻度が高く、繰り返し発生する波形は、第1データ処理部211において予測される。また、この第1データ処理部211で予測できないイレギュラーなデータが入力された場合に、当該イレギュラーなデータは、順方向RC#1の予測誤差として第2データ処理部212(後述)に受け渡される。
イレギュラーなデータとは頻度が低いデータであると言ってもよい。第1データ処理部211においては、頻度が高い時系列データを予測する。
A waveform that occurs frequently and repeatedly is predicted in the first data processing unit 211. When irregular data that cannot be predicted by the first data processing unit 211 is input, the irregular data is passed to the second data processing unit 212 (described later) as a prediction error of the forward direction RC#1.
It can be said that irregular data is data that occurs infrequently. The first data processing unit 211 predicts time series data that occurs infrequently.
また、図1に示す例おいては、順方向RC#2と逆方向RC#2とが上下方向に並んで配置されている。これらの順方向RC#2と逆方向RC#2とのペアを第2データ処理部212という場合がある。第2データ処理部212には、予測誤差計算回路213およびデータバッファ214が含まれる。また、この第2データ処理部212においてデータの処理を行なうことを第2段データ処理といってもよい。
第2データ処理部212において、RC20-2は順方向に配置され、RC20-3は逆方向に配置されている。
1, a forward RC#2 and a reverse RC#2 are arranged vertically side by side. The pair of the forward RC#2 and the reverse RC#2 may be referred to as a second data processing unit 212. The second data processing unit 212 includes a prediction error calculation circuit 213 and a data buffer 214. The data processing performed by the second data processing unit 212 may be referred to as second-stage data processing.
In the second data processing unit 212, the RC 20-2 is arranged in the forward direction, and the RC 20-3 is arranged in the reverse direction.
第2データ処理部212には、予測誤差計算回路213によって生成された順方向RC#1の予測誤差を示す信号が入力される。従って、順方向RC#1に発生頻度が低い波形が入力されると第2データ処理部212に大きな信号が入力され、この第2データ処理部212において処理される。
すなわち、第1データ処理部211で予測できないデータが入力された場合に、第2データ処理部212に信号が渡され、第2データ処理部212による予測が行なわれる。
A signal indicating the prediction error of forward RC#1 generated by a prediction error calculation circuit 213 is input to the second data processing unit 212. Therefore, when a waveform that occurs infrequently is input to forward RC#1, a large signal is input to the second data processing unit 212, which processes the signal.
That is, when data that cannot be predicted by the first data processing unit 211 is input, a signal is passed to the second data processing unit 212, and the second data processing unit 212 makes a prediction.
第2データ処理部212において、順方向RC#2には、第1の周期信号とは異なる第2の周期信号が教師データとして入力される。また、逆方向RC#2には、予測誤差計算回路213によって生成された順方向RC#1の予測誤差を示す信号が教師データとして入力される。このように、第2データ処理部212においては、第1データ処理部211において取扱われる発生頻度が高い(最頻出な)データ(第1の時系列データ)は訓練されず、この第1の時系列データよりも発生頻度の少ない事象に関してのみ予測を受け持つ。 In the second data processing unit 212, a second periodic signal different from the first periodic signal is input as training data to the forward RC#2. Furthermore, a signal indicating the prediction error of the forward RC#1 generated by the prediction error calculation circuit 213 is input as training data to the reverse RC#2. In this way, the second data processing unit 212 is not trained on the frequently occurring (most frequent) data (first time series data) handled by the first data processing unit 211, and is only responsible for predictions regarding events that occur less frequently than this first time series data.
図1に示す例においては、第1データ処理部211に対して、順方向に沿った下流位置に第2データ処理部212が配置されている。これにより、本コンピュータシステム1は、第1データ処理部211の下流に第2データ処理部212を備えた多段リザバーコンピューティングシステムとして構成されている。 In the example shown in Figure 1, the second data processing unit 212 is located downstream in the forward direction relative to the first data processing unit 211. As a result, the computer system 1 is configured as a multi-stage reservoir computing system with the second data processing unit 212 downstream of the first data processing unit 211.
管理部101は、各RC20の出力層203を実現する。例えば、管理部101は、各RC20の出力層203における出力重み計算部2031としての演算を行なう。 The management unit 101 realizes the output layer 203 of each RC20. For example, the management unit 101 performs calculations as the output weight calculation unit 2031 in the output layer 203 of each RC20.
また、管理部101は、本コンピュータシステム1の訓練フェーズにおいて、RC20における各種変数の初期化を行なう。また、管理部101は、各RC20に対する入力データや教師データの入力を制御する。
さらに、管理部101は、本コンピュータシステム1の推論フェーズにおいて、各RC20に対する入力データの入力を制御する。
図4は実施形態の一例としてのコンピュータシステム1の情報処理装置10のハードウェア構成を例示する図である。
Furthermore, the management unit 101 initializes various variables in the RC 20 during the training phase of the computer system 1. The management unit 101 also controls the input of input data and teacher data to each RC 20.
Furthermore, the management unit 101 controls the input of input data to each RC 20 in the inference phase of the computer system 1 .
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of the information processing device 10 of the computer system 1 according to an embodiment.
情報処理装置10は、コンピュータであって、例えば、プロセッサ11,メモリ12,記憶装置13,グラフィック処理装置14,入力インタフェース15,光学ドライブ装置16,機器接続インタフェース17およびネットワークインタフェース18を構成要素として有する。これらの構成要素11~18は、バス19を介して相互に通信可能に構成される。 The information processing device 10 is a computer and includes, for example, a processor 11, memory 12, storage device 13, graphics processing device 14, input interface 15, optical drive device 16, device connection interface 17, and network interface 18 as components. These components 11 to 18 are configured to be able to communicate with each other via a bus 19.
プロセッサ(制御部)11は、情報処理装置10全体を制御する。プロセッサ11は、マルチプロセッサであってもよい。プロセッサ11は、例えばCPU,MPU(Micro Processing Unit),DSP(Digital Signal Processor),ASIC(Application Specific Integrated Circuit),PLD(Programmable Logic Device),FPGA(Field Programmable Gate Array)のいずれか一つであってもよい。また、プロセッサ11は、CPU,MPU,DSP,ASIC,PLD,FPGAのうちの2種類以上の要素の組み合わせであってもよい。 The processor (control unit) 11 controls the entire information processing device 10. The processor 11 may be a multiprocessor. The processor 11 may be, for example, any one of a CPU, MPU (Micro Processing Unit), DSP (Digital Signal Processor), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), PLD (Programmable Logic Device), and FPGA (Field Programmable Gate Array). The processor 11 may also be a combination of two or more elements from the CPU, MPU, DSP, ASIC, PLD, and FPGA.
そして、プロセッサ11が情報処理装置10用の制御プログラム(情報処理プログラム,:図示省略)を実行することにより、図1に例示した、管理部101としての機能が実現される。 The processor 11 then executes a control program (information processing program, not shown) for the information processing device 10, thereby realizing the functions of the management unit 101 illustrated in Figure 1.
なお、情報処理装置10は、例えばコンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体に記録されたプログラム(情報処理プログラム,OSプログラム)を実行することにより、管理部101としての機能を実現する。 The information processing device 10 realizes the functions of the management unit 101 by executing programs (information processing programs, OS programs) recorded on, for example, a computer-readable non-transitory recording medium.
情報処理装置10に実行させる処理内容を記述したプログラムは、様々な記録媒体に記録しておくことができる。例えば、情報処理装置10に実行させるプログラムを記憶装置13に格納しておくことができる。プロセッサ11は、記憶装置13内のプログラムの少なくとも一部をメモリ12にロードし、ロードしたプログラムを実行する。 Programs describing the processing to be executed by the information processing device 10 can be recorded on various recording media. For example, the programs to be executed by the information processing device 10 can be stored in the storage device 13. The processor 11 loads at least a portion of the program in the storage device 13 into the memory 12 and executes the loaded program.
また、情報処理装置10(プロセッサ11)に実行させるプログラムを、光ディスク16a,メモリ装置17a,メモリカード17c等の非一時的な可搬型記録媒体に記録しておくこともできる。可搬型記録媒体に格納されたプログラムは、例えばプロセッサ11からの制御により、記憶装置13にインストールされた後、実行可能になる。また、プロセッサ11が、可搬型記録媒体から直接プログラムを読み出して実行することもできる。 In addition, the program to be executed by the information processing device 10 (processor 11) can also be recorded on a non-transitory portable recording medium such as an optical disk 16a, memory device 17a, or memory card 17c. A program stored on a portable recording medium becomes executable after being installed in the storage device 13, for example, under control of the processor 11. The processor 11 can also read and execute the program directly from the portable recording medium.
メモリ12は、ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)を含む記憶メモリである。メモリ12のRAMは情報処理装置10の主記憶装置として使用される。RAMには、プロセッサ11に実行させるプログラムの少なくとも一部が一時的に格納される。また、メモリ12には、プロセッサ11による処理に必要な各種データが格納される。 Memory 12 is a storage memory that includes ROM (Read Only Memory) and RAM (Random Access Memory). The RAM of memory 12 is used as the main storage device of information processing device 10. The RAM temporarily stores at least part of the program to be executed by processor 11. Memory 12 also stores various data necessary for processing by processor 11.
記憶装置13は、ハードディスクドライブ(Hard Disk Drive:HDD)、SSD(Solid State Drive)、ストレージクラスメモリ(Storage Class Memory:SCM)等の記憶装置であって、種々のデータを格納するものである。記憶装置13は、情報処理装置10の補助記憶装置として使用される。
記憶装置13には、OSプログラム,制御プログラムおよび各種データが格納される。制御プログラムには情報処理プログラムが含まれる。
The storage device 13 is a storage device such as a hard disk drive (HDD), a solid state drive (SSD), or a storage class memory (SCM), and stores various data. The storage device 13 is used as an auxiliary storage device for the information processing device 10.
An OS program, a control program, and various data are stored in the storage device 13. The control program includes an information processing program.
なお、補助記憶装置としては、SCMやフラッシュメモリ等の半導体記憶装置を使用することもできる。また、複数の記憶装置13を用いてRAID(Redundant Arrays of Inexpensive Disks)を構成してもよい。
記憶装置13には、管理部101が生成した各種データを格納してもよい。
The auxiliary storage device may be a semiconductor storage device such as an SCM or a flash memory. A plurality of storage devices 13 may be used to configure a redundant array of inexpensive disks (RAID).
The storage device 13 may store various data generated by the management unit 101 .
グラフィック処理装置14には、モニタ14aが接続されている。グラフィック処理装置14は、プロセッサ11からの命令に従って、画像をモニタ14aの画面に表示させる。モニタ14aとしては、CRT(Cathode Ray Tube)を用いた表示装置や液晶表示装置等が挙げられる。 A monitor 14a is connected to the graphics processing unit 14. The graphics processing unit 14 displays images on the screen of the monitor 14a in accordance with instructions from the processor 11. Examples of the monitor 14a include a display device using a CRT (Cathode Ray Tube) or a liquid crystal display device.
入力インタフェース15には、キーボード15aおよびマウス15bが接続されている。入力インタフェース15は、キーボード15aやマウス15bから送られてくる信号をプロセッサ11に送信する。なお、マウス15bは、ポインティングデバイスの一例であり、他のポインティングデバイスを使用することもできる。他のポインティングデバイスとしては、タッチパネル,タブレット,タッチパッド,トラックボール等が挙げられる。 A keyboard 15a and a mouse 15b are connected to the input interface 15. The input interface 15 transmits signals sent from the keyboard 15a and mouse 15b to the processor 11. Note that the mouse 15b is an example of a pointing device, and other pointing devices can also be used. Examples of other pointing devices include a touch panel, tablet, touchpad, and trackball.
光学ドライブ装置16は、レーザ光等を利用して、光ディスク16aに記録されたデータの読み取りを行なう。光ディスク16aは、光の反射によって読み取り可能にデータを記録された可搬型の非一時的な記録媒体である。光ディスク16aには、DVD(Digital Versatile Disc),DVD-RAM,CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory),CD-R(Recordable)/RW(ReWritable)等が挙げられる。 The optical drive device 16 uses laser light or other light sources to read data recorded on an optical disc 16a. The optical disc 16a is a portable, non-transitory recording medium on which data is recorded so that it can be read by reflected light. Examples of optical discs 16a include DVDs (Digital Versatile Discs), DVD-RAMs, CD-ROMs (Compact Disc Read Only Memory), and CD-Rs (Recordable)/RWs (Rewritable).
機器接続インタフェース17は、情報処理装置10に周辺機器を接続するための通信インタフェースである。例えば、機器接続インタフェース17には、メモリ装置17aやメモリリーダライタ17bを接続することができる。メモリ装置17aは、機器接続インタフェース17との通信機能を搭載した非一時的な記録媒体、例えばUSB(Universal Serial Bus)メモリである。メモリリーダライタ17bは、メモリカード17cへのデータの書き込み、またはメモリカード17cからのデータの読み出しを行なう。メモリカード17cは、カード型の非一時的な記録媒体である。 The device connection interface 17 is a communications interface for connecting peripheral devices to the information processing device 10. For example, a memory device 17a or a memory reader/writer 17b can be connected to the device connection interface 17. The memory device 17a is a non-transitory recording medium, such as a USB (Universal Serial Bus) memory, that has the ability to communicate with the device connection interface 17. The memory reader/writer 17b writes data to or reads data from the memory card 17c. The memory card 17c is a card-type non-transitory recording medium.
ネットワークインタフェース18は、ネットワークに接続される。ネットワークインタフェース18は、ネットワークを介してデータの送受信を行なう。ネットワークには他の情報処理装置や通信機器等が接続されてもよい。 The network interface 18 is connected to a network. The network interface 18 sends and receives data via the network. Other information processing devices, communication devices, etc. may also be connected to the network.
(B)動作
上述の如く構成された実施形態の一例としてのコンピュータシステム1における訓練フェーズの処理を、図5に示すフローチャート(ステップA1~A7)に従って説明する。
ステップA1において、管理部101は、各RC20のリザバー201の重みを初期化する。
ステップA2において、管理部101は、順方向RC#1に最新(時刻t)の時系列データよりも1ステップ過去(時刻t-1)の時系列データを入力データとして入力させる。
(B) Operation The processing of the training phase in the computer system 1 as an example of the embodiment configured as described above will be described with reference to the flowchart (steps A1 to A7) shown in FIG.
In step A1, the management unit 101 initializes the weight of the reservoir 201 of each RC 20.
In step A2, the management unit 101 causes the forward direction RC #1 to input, as input data, time series data one step earlier (time t-1) than the latest time series data (time t).
また、管理部101は、第1の周期信号を順方向RC#1に教師データとして入力させ、出力層203(出力重み計算部2031)に訓練(機械学習)を行なわせる。 In addition, the management unit 101 inputs the first periodic signal to the forward RC#1 as training data and causes the output layer 203 (output weight calculation unit 2031) to perform training (machine learning).
順方向RC#1において、出力重み計算部2031は、入力データに対して行なった推論結果と教師データとに基づき、例えば、最小二乗法を用いて損失関数を最小化することで、出力層203の重みを最適化する。 In forward RC#1, the output weight calculation unit 2031 optimizes the weights of the output layer 203 by minimizing the loss function using, for example, the least squares method based on the inference results performed on the input data and the training data.
順方向RC#1による推論結果(出力データ)は、予測誤差計算回路213と逆方向RC#1とに入力される。予測誤差計算回路213は、順方向RC#1の出力データ(推論結果)と順方向RC#1の教師データ(第1の周期信号)との差(予測誤差)を算出する(ステップA5)。この予測誤差計算回路213により算出された順方向RC#1の予測誤差は、順方向RC#2に入力データとして入力される。また、この予測誤差計算回路213により算出された順方向RC#1の予測誤差は、データバッファ214を介して逆方向RC#2に教師データとして入力される。
また、管理部101は、第2の周期信号を順方向RC#2に教師データとして入力させる。
The inference result (output data) by the forward RC#1 is input to the prediction error calculation circuit 213 and the backward RC#1. The prediction error calculation circuit 213 calculates the difference (prediction error) between the output data (inference result) of the forward RC#1 and the teacher data (first periodic signal) of the forward RC#1 (step A5). The prediction error of the forward RC#1 calculated by the prediction error calculation circuit 213 is input as input data to the forward RC#2. The prediction error of the forward RC#1 calculated by the prediction error calculation circuit 213 is also input as teacher data to the backward RC#2 via the data buffer 214.
Furthermore, the management unit 101 causes the second periodic signal to be input to the forward direction RC#2 as training data.
順方向RC#2において、出力重み計算部2031は、入力データ(予測誤差)に対して行なった推論結果と教師データとに基づき、例えば、最小二乗法を用いて損失関数を最小化することで、出力層203の重みを最適化する(ステップA6)。 In forward RC#2, the output weight calculation unit 2031 optimizes the weights of the output layer 203 by minimizing the loss function using, for example, the least squares method based on the inference results performed on the input data (prediction error) and the training data (step A6).
順方向RC#2の入力層202に順方向RC#1の予測誤差を入力することで、第1段データ処理(第1データ処理部211)で推論できるデータ系列は第2データ処理部212に伝わらず、推論できないデータのみを第2データ処理部212で受けて訓練が進む。順方向RC#2の出力データは、逆方向RC#2に入力される。
また、管理部101は、予測誤差計算回路213により算出された順方向RC#1の予測誤差を、データバッファ214を介して順方向RC#2に教師データとして入力させる。
By inputting the prediction error of forward RC#1 to the input layer 202 of forward RC#2, the data series that can be inferred in the first stage data processing (first data processing unit 211) is not transmitted to the second data processing unit 212, and only the data that cannot be inferred is received by the second data processing unit 212, and training proceeds. The output data of forward RC#2 is input to backward RC#2.
Furthermore, the management unit 101 inputs the prediction error of the forward RC#1 calculated by the prediction error calculation circuit 213 to the forward RC#2 via the data buffer 214 as training data.
逆方向RC#2において、出力重み計算部2031は、入力データ(順方向RC#2の出力データ)に対して行なった推論結果と教師データとに基づき、例えば、最小二乗法を用いて損失関数を最小化することで、出力層203の重みを最適化する(ステップA7)。逆方向RC#2の出力データは、逆方向RC#1に入力される。
管理部101は、最新(時刻t)の時系列データ(入力データ)を逆方向RC#1に教師データとして入力させる。
In the backward RC#2, the output weight calculation unit 2031 optimizes the weights of the output layer 203 by minimizing a loss function using, for example, the least squares method based on the inference results performed on the input data (output data of the forward RC#2) and the teacher data (step A7). The output data of the backward RC#2 is input to the backward RC#1.
The management unit 101 inputs the latest (time t) time series data (input data) to the backward RC#1 as training data.
逆方向RC#1において、出力重み計算部2031は、入力データ(逆方向RC#2の出力データ)に対して行なった推論結果と教師データとに基づき、例えば、最小二乗法を用いて損失関数を最小化することで、出力層203の重みを最適化する(ステップA3)。 In backward RC#1, the output weight calculation unit 2031 optimizes the weights of the output layer 203 by minimizing the loss function using, for example, the least squares method based on the inference results performed on the input data (output data of backward RC#2) and the training data (step A3).
ステップA4において、管理部101は、各RC20において、予定されていた全ての教師データについて訓練が行なわれたかを確認する。確認の結果、全ての教師データについて訓練が行なわれていない場合には(ステップA4のNOルート参照)、ステップA2に戻る。
一方、全ての教師データについて訓練が行なわれた場合には(ステップA4のYESルート参照)、処理を終了する。
次に、実施形態の一例としてのコンピュータシステム1における推論フェーズの処理を、図6に示すフローチャート(ステップB1~B6)に従って説明する。
ステップB1において、管理部101は、順方向RC#1に最新(時刻t)の時系列データを入力データとして入力させる。
In step A4, the management unit 101 checks whether training has been performed for all of the teacher data that was planned in each RC 20. If the result of the check shows that training has not been performed for all of the teacher data (see the NO route in step A4), the process returns to step A2.
On the other hand, if training has been performed for all the teaching data (see the YES route in step A4), the process ends.
Next, the processing of the inference phase in the computer system 1 as an example of the embodiment will be described with reference to the flowchart (steps B1 to B6) shown in FIG.
In step B1, the management unit 101 causes the forward direction RC #1 to input the latest time series data (at time t) as input data.
時系列データが入力された順方向RC#1は推論を行なう。その推論結果(出力データ)は、予測誤差計算回路213と逆方向RC#1とに入力される。予測誤差計算回路213は、順方向RC#1の出力データ(推論結果)と順方向RC#1の教師データ(第1の周期信号)との差(予測誤差)を算出する(ステップB2)。この予測誤差計算回路213により算出された順方向RC#1の予測誤差は、順方向RC#2に入力データとして入力される。
ステップB3において、順方向RC#2は、入力データ(予測誤差)に対して推論を行なう。順方向RC#2の出力データは、逆方向RC#2に入力される。
The forward RC#1, to which the time-series data is input, performs inference. The inference result (output data) is input to the prediction error calculation circuit 213 and the backward RC#1. The prediction error calculation circuit 213 calculates the difference (prediction error) between the output data (inference result) of the forward RC#1 and the teacher data (first periodic signal) of the forward RC#1 (step B2). The prediction error of the forward RC#1 calculated by the prediction error calculation circuit 213 is input as input data to the forward RC#2.
In step B3, the forward RC#2 performs inference on the input data (prediction error). The output data of the forward RC#2 is input to the backward RC#2.
ステップB4において、逆方向RC#2は、入力データ(順方向RC#2の出力データ)に対して推論を行なう。その推論結果は、逆方向RC#1に入力される。 In step B4, backward RC#2 performs inference on the input data (output data of forward RC#2). The inference results are input to backward RC#1.
ステップB5において、逆方向RC#1は、入力データ(逆方向RC#2の出力データ)に対して推論を行ない、ステップB1において入力された最新の時系列データの1ステップ先(未来:時刻t+1)の時系列データを予測する。この推論結果が、本コンピュータシステム1の出力データとして出力される。出力データは、メモリ12や記憶装置13等の所定の記憶領域に記憶させてもよい。 In step B5, backward RC#1 performs inference on the input data (output data of backward RC#2) and predicts the time series data one step ahead (future: time t+1) of the latest time series data input in step B1. The inference result is output as output data of the computer system 1. The output data may be stored in a specified storage area such as memory 12 or storage device 13.
ステップB6において、管理部101は、全ての入力データについて推論が行なわれたかを確認する。確認の結果、全ての入力データについて推論が行なわれていない場合には(ステップB6のNOルート参照)、ステップB1に戻る。
一方、全ての入力データについて推論が行なわれた場合には(ステップB6のYESルート参照)、処理を終了する。
In step B6, the management unit 101 checks whether inference has been performed for all input data. If the result of the check shows that inference has not been performed for all input data (see the NO route in step B6), the process returns to step B1.
On the other hand, if inference has been performed for all input data (see YES route in step B6), the process ends.
(C)効果
このように、実施形態の一例としてのコンピュータシステム1によれば、順方向RC#1と逆方向RC#1とを備える第1データ処理部211において、頻度が高い時系列データを推論し、第1データ処理部211において推論できないデータが入力された場合に、順方向RC#1の予測誤差として第2データ処理部212に信号が渡される。そのため、第2データ処理部212では最頻出な周期データは機械学習されず、頻度の少ない事象に関してのみの推論を受け持たせることができ、全体としての予測精度を向上させることができる。
ここで、リザバー201として、ノード数100の物理リザバーを用いたシミュレーション結果について示す。
(C) Effects As described above, according to the computer system 1 as an example of an embodiment, the first data processing unit 211, which includes a forward RC#1 and a backward RC#1, infers frequently occurring time series data, and when data that cannot be inferred by the first data processing unit 211 is input, a signal is passed as a prediction error of the forward RC#1 to the second data processing unit 212. As a result, the second data processing unit 212 does not perform machine learning on the most frequently occurring periodic data, and can be responsible for inference only regarding infrequent events, thereby improving the overall prediction accuracy.
Here, the results of a simulation using a physical reservoir with 100 nodes as the reservoir 201 will be shown.
リザバー201は非線形特性を持つ素子(メモリスタ)で構成したネットワーク(クロスバー構造で交点に素子とスイッチ)により実装した。各リザバー201は、10入力・10出力で交点部に100ノードの素子が存在し、ノード間の接続はランダムに決定し、結合の強さ(リザバー201の結合重み)も全てランダムに決定した。このように構成されたリザバー201を備える4つのRC20を用いて、図1に示すコンピュータシステム1を構成し、訓練および推論を行なわせる。
また、比較元としてノード数400の単一RCをプログラム上で作成し、予測精度の比較を行なったものとする。
NARMA10と呼ばれる、RNNの評価方法として一般的な非線形関数の予測問題をタスクとした。
The reservoir 201 was implemented as a network (a crossbar structure with elements and switches at the intersections) composed of elements (memristors) with nonlinear characteristics. Each reservoir 201 had 10 inputs and 10 outputs, with 100 node elements at the intersections. The connections between the nodes were determined randomly, and the strength of the connections (reservoir 201 connection weights) were also determined randomly. The computer system 1 shown in Figure 1 was constructed using four RCs 20 equipped with reservoirs 201 configured in this way, and training and inference were performed.
In addition, a single RC with 400 nodes was created in the program as a comparison source, and the prediction accuracy was compared.
The task was a general nonlinear function prediction problem called NARMA10, which is a method for evaluating RNNs.
NARMA10関数のデータ列で学習を行なわせ、NARMA10関数から出力される正解データ列と学習後のRCで予測した数値列から誤差(NRMSE:正規化二乗平均平方根誤差)を計算する。従来構造のRCと本コンピュータシステム1とで同一条件にて学習を行ない、予測の誤差を評価した。 Learning was performed using a data sequence from the NARMA10 function, and the error (NRMSE: normalized root mean square error) was calculated from the correct data sequence output from the NARMA10 function and the numerical sequence predicted by the RC after learning. Learning was performed under the same conditions using a conventional RC and this computer system 1, and the prediction error was evaluated.
その結果、従来の単一構造のRCでは予測誤差が0.1982であったのに対して、本コンピュータシステム1による予測誤差は0.1276であり、誤差を小さくすることができ、より適切な関数予測を行えることが出来た。 As a result, while the prediction error with conventional single-structure RC was 0.1982, the prediction error with this computer system 1 was 0.1276, which reduced the error and enabled more accurate function prediction.
(D)その他
本実施形態の各構成および各処理は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。
そして、開示の技術は上述した実施形態に限定されるものではなく、本実施形態の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
(D) Others The configurations and processes of this embodiment can be selected as needed, or can be combined as appropriate.
The disclosed technology is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various modifications without departing from the spirit of the present embodiment.
例えば、上述した実施形態においては、4つのRC20を備え、第1データ処理部211と第2データ処理部212との2段階で予測処理を行なっているが、これに限定されるものではない。6つ以上のRC20を備え、第2データ処理部212を複数備え、3段階以上で予測処理を行なってもよい。
この場合、入力されたイレギュラーなデータが、2段目以降の第2データ処理部212に順次伝播され予測が行なわれてもよい。
For example, in the above-described embodiment, four RCs 20 are provided, and prediction processing is performed in two stages using the first data processing unit 211 and the second data processing unit 212. However, this is not limited to this. Six or more RCs 20 may be provided, multiple second data processing units 212 may be provided, and prediction processing may be performed in three or more stages.
In this case, the input irregular data may be propagated sequentially to the second data processing units 212 in the second stage and thereafter, and prediction may be performed.
また、上述した実施形態において、各RC20は物理リザバーを備えるハードウェアで実現されてもよく、また、情報処理装置10がソフトウェアを実行することで各RC20の機能を実現してもよい。
また、上述した開示により本実施形態を当業者によって実施・製造することが可能である。
In the above-described embodiment, each RC 20 may be realized by hardware having a physical reservoir, or the information processing device 10 may realize the functions of each RC 20 by executing software.
Furthermore, the above disclosure enables those skilled in the art to implement and manufacture the present embodiment.
(E)付記
以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
順方向に配置された第1リザバーコンピューティングと、前記第1リザバーコンピューティングとは逆方向に配置された第2リザバーコンピューティングとを有する第1データ処理部と、
前記順方向に配置された第3リザバーコンピューティングと、前記逆方向に配置された第4リザバーコンピューティングとを有する第2データ処理部と、
を備え、
前記第1データ処理部において、第1の時系列データを予測し、
前記第2データ処理部において、前記第1の時系列データよりも発生頻度が低い第2の時系列データを予測し、
前記第1データ処理部において予測できないデータが前記第1データ処理部に入力された場合に、前記第2データ処理部が、前記第1データ処理部の予測誤差を示す信号を生成し、前記信号に基づいて予測を行なう
ことを特徴とする情報処理装置。
(E) Supplementary Notes The following supplementary notes are further disclosed regarding the above-described embodiments.
(Appendix 1)
a first data processing unit having a first reservoir computing arranged in a forward direction and a second reservoir computing arranged in a reverse direction to the first reservoir computing;
a second data processing unit having a third reservoir computing arranged in the forward direction and a fourth reservoir computing arranged in the reverse direction;
Equipped with
In the first data processing unit, first time series data is predicted;
In the second data processing unit, second time series data having a lower occurrence frequency than the first time series data is predicted;
An information processing apparatus characterized in that, when data that cannot be predicted by the first data processing unit is input to the first data processing unit, the second data processing unit generates a signal indicating a prediction error of the first data processing unit and makes a prediction based on the signal.
(付記2)
前記第1データ処理部において、前記第1リザバーコンピューティングの出力が前記第2リザバーコンピューティングに入力され、
前記第2データ処理部において、前記第1リザバーコンピューティングの予測誤差を示す信号が前記信号として生成され、前記第3リザバーコンピューティングに当該信号が入力され、前記第3リザバーコンピューティングの出力が前記第4リザバーコンピューティングに入力される
ことを特徴とする、付記1記載の情報処理装置。
(Appendix 2)
In the first data processing unit, an output of the first reservoir computing is input to the second reservoir computing;
The information processing device described in Appendix 1, characterized in that in the second data processing unit, a signal indicating the prediction error of the first reservoir computing is generated as the signal, the signal is input to the third reservoir computing, and the output of the third reservoir computing is input to the fourth reservoir computing.
(付記3)
前記第1リザバーコンピューティングには第1の周期信号が教師データとして入力され、
前記第3リザバーコンピューティングには第1の周期信号とは異なる第2の周期信号が教師データとして入力される
ことを特徴とする、付記1または2に記載の情報処理装置。
(Appendix 3)
a first periodic signal is input to the first reservoir computing as training data;
3. The information processing device according to claim 1, wherein a second periodic signal different from the first periodic signal is input to the third reservoir computing as training data.
(付記4)
前記第4リザバーコンピューティングには、時系列データが教師データとして入力される
ことを特徴とする、付記1~3のいずれか1項に記載の情報処理装置。
(Appendix 4)
The information processing device according to any one of appendices 1 to 3, wherein time series data is input to the fourth reservoir computing as training data.
(付記5)
前記第3リザバーコンピューティングには、前記第1リザバーコンピューティングの予測誤差を示す信号が教師データとして入力される
ことを特徴とする、付記1~4のいずれか1項に記載の情報処理装置。
(Appendix 5)
The information processing device according to any one of appendices 1 to 4, wherein a signal indicating a prediction error of the first reservoir computing is input as training data to the third reservoir computing.
(付記6)
前記第1リザバーコンピューティング,前記第2リザバーコンピューティング,前記第3リザバーコンピューティングおよび前記第4リザバーコンピューティングのうち少なくとも1つが非線形素子の回路ネットワークをリザバーとして備える
ことを特徴とする付記1~5のいずれか1項に記載の情報処理装置。
(Appendix 6)
An information processing device described in any one of appendices 1 to 5, characterized in that at least one of the first reservoir computing, the second reservoir computing, the third reservoir computing, and the fourth reservoir computing has a circuit network of nonlinear elements as a reservoir.
(付記7)
順方向に配置された第1リザバーコンピューティングと、前記第1リザバーコンピューティングとは逆方向に配置された第2リザバーコンピューティングとを有する第1データ処理部と、
前記順方向に配置された第3リザバーコンピューティングと、前記逆方向に配置された第4リザバーコンピューティングとを有する第2データ処理部と、
を備える情報処理装置において、
前記第1データ処理部において、第1の時系列データを予測する処理と、
前記第2データ処理部において、前記第1の時系列データよりも発生頻度が低い第2の時系列データを予測する処理と、
前記第1データ処理部において予測できないデータが前記第1データ処理部に入力された場合に、前記第2データ処理部が、前記第1データ処理部の予測誤差を示す信号を生成し、前記信号に基づいて予測を行なう処理と
を備えることを特徴とする情報処理方法。
(Appendix 7)
a first data processing unit having a first reservoir computing arranged in a forward direction and a second reservoir computing arranged in a reverse direction to the first reservoir computing;
a second data processing unit having a third reservoir computing arranged in the forward direction and a fourth reservoir computing arranged in the reverse direction;
In an information processing device comprising:
A process of predicting first time series data in the first data processing unit;
a process of predicting second time series data that occurs less frequently than the first time series data, in the second data processing unit;
an information processing method comprising: when data that cannot be predicted by the first data processing unit is input to the first data processing unit, the second data processing unit generates a signal indicating a prediction error of the first data processing unit and makes a prediction based on the signal.
(付記8)
前記第1データ処理部において、前記第1リザバーコンピューティングの出力を前記第2リザバーコンピューティングに入力する処理と、
前記第2データ処理部において、前記第1リザバーコンピューティングの予測誤差を示す信号を前記信号として生成し、前記第3リザバーコンピューティングに当該信号を入力し、前記第3リザバーコンピューティングの出力を前記第4リザバーコンピューティングに入力する処理と
を備えることを特徴とする、付記7記載の情報処理方法。
(Appendix 8)
a process in the first data processing unit inputting an output of the first reservoir computing into the second reservoir computing;
The information processing method of claim 7, further comprising the steps of: generating, in the second data processing unit, a signal indicating the prediction error of the first reservoir computing; inputting the signal to the third reservoir computing; and inputting the output of the third reservoir computing to the fourth reservoir computing.
(付記9)
前記第1リザバーコンピューティングに第1の周期信号を教師データとして入力する処理と、
前記第3リザバーコンピューティングに第1の周期信号とは異なる第2の周期信号を教師データとして入力する処理と
を備えることを特徴とする、付記7または8に記載の情報処理方法。
(Appendix 9)
inputting a first periodic signal as training data into the first reservoir computing;
The information processing method described in Appendix 7 or 8, further comprising a process of inputting a second periodic signal different from the first periodic signal as training data to the third reservoir computing.
(付記10)
前記第4リザバーコンピューティングに、時系列データを教師データとして入力する処理
を備えることを特徴とする、付記7~9のいずれか1項に記載の情報処理方法。
(Appendix 10)
An information processing method described in any one of appendices 7 to 9, characterized in that the fourth reservoir computing includes a process of inputting time series data as training data.
(付記11)
前記第3リザバーコンピューティングに、前記第1リザバーコンピューティングの予測誤差を示す信号を教師データとして入力する
ことを特徴とする、付記7~10のいずれか1項に記載の情報処理方法。
(Appendix 11)
An information processing method according to any one of appendices 7 to 10, characterized in that a signal indicating a prediction error of the first reservoir computing is input to the third reservoir computing as training data.
(付記12)
前記第1リザバーコンピューティング,前記第2リザバーコンピューティング,前記第3リザバーコンピューティングおよび前記第4リザバーコンピューティングのうち少なくとも1つが非線形素子の回路ネットワークをリザバーとして備える
ことを特徴とする付記7~11のいずれか1項に記載の情報処理方法。
(Appendix 12)
An information processing method according to any one of appendices 7 to 11, wherein at least one of the first reservoir computing, the second reservoir computing, the third reservoir computing, and the fourth reservoir computing comprises a circuit network of nonlinear elements as a reservoir.
(付記13)
順方向に配置された第1リザバーコンピューティングと、前記第1リザバーコンピューティングとは逆方向に配置された第2リザバーコンピューティングとを有する第1データ処理部と、
前記順方向に配置された第3リザバーコンピューティングと、前記逆方向に配置された第4リザバーコンピューティングとを有する第2データ処理部と、
を備える情報処理装置において、
前記第1データ処理部において、第1の時系列データを予測し、
前記第2データ処理部において、前記第1の時系列データよりも発生頻度が低い第2の時系列データを予測し、
前記第1データ処理部において予測できないデータが前記第1データ処理部に入力された場合に、前記第2データ処理部が、前記第1データ処理部の予測誤差を示す信号を生成し、前記信号に基づいて予測を行なう
処理をプロセッサに実行させることを特徴とする情報処理プログラム。
(Appendix 13)
a first data processing unit having a first reservoir computing arranged in a forward direction and a second reservoir computing arranged in a reverse direction to the first reservoir computing;
a second data processing unit having a third reservoir computing arranged in the forward direction and a fourth reservoir computing arranged in the reverse direction;
In an information processing device comprising:
In the first data processing unit, first time series data is predicted;
In the second data processing unit, second time series data having a lower occurrence frequency than the first time series data is predicted;
An information processing program characterized in that, when data that cannot be predicted by the first data processing unit is input to the first data processing unit, the second data processing unit generates a signal indicating a prediction error of the first data processing unit, and causes a processor to execute a process of making a prediction based on the signal.
(付記14)
前記第1データ処理部において、前記第1リザバーコンピューティングの出力を前記第2リザバーコンピューティングに入力し、
前記第2データ処理部において、前記第1リザバーコンピューティングの予測誤差を示す信号を前記信号として生成し、前記第3リザバーコンピューティングに当該信号を入力し、前記第3リザバーコンピューティングの出力を前記第4リザバーコンピューティングに入力する
処理を前記プロセッサに実行させることを特徴とする、付記13記載の情報処理プログラム。
(Appendix 14)
In the first data processing unit, an output of the first reservoir computing is input to the second reservoir computing;
The information processing program of claim 13, characterized in that the processor is caused to execute a process in the second data processing unit to generate a signal indicating a prediction error of the first reservoir computing as the signal, input the signal to the third reservoir computing, and input the output of the third reservoir computing to the fourth reservoir computing.
(付記15)
前記第1リザバーコンピューティングに第1の周期信号を教師データとして入力し、
前記第3リザバーコンピューティングに第1の周期信号とは異なる第2の周期信号を教師データとして入力する
処理を前記プロセッサに実行させることを特徴とする、付記13または14に記載の情報処理プログラム。
(Appendix 15)
inputting a first periodic signal as training data into the first reservoir computing;
The information processing program described in Appendix 13 or 14, characterized in that the processor is caused to execute a process of inputting a second periodic signal different from the first periodic signal as teacher data to the third reservoir computing.
(付記16)
前記第4リザバーコンピューティングに、時系列データを教師データとして入力する
処理を前記プロセッサに実行させることを特徴とする、付記13~15のいずれか1項に記載の情報処理プログラム。
(Appendix 16)
The information processing program according to any one of appendices 13 to 15, characterized in that the processor is caused to execute a process of inputting time series data as teacher data into the fourth reservoir computing.
(付記17)
前記第3リザバーコンピューティングに、前記第1リザバーコンピューティングの予測誤差を示す信号を教師データとして入力する
処理を前記プロセッサに実行させることを特徴とする、付記13~16のいずれか1項に記載の情報処理プログラム。
(Appendix 17)
The information processing program according to any one of appendices 13 to 16, characterized in that the processor is caused to execute a process of inputting a signal indicating a prediction error of the first reservoir computing as teacher data into the third reservoir computing.
(付記18)
前記第1リザバーコンピューティング,前記第2リザバーコンピューティング,前記第3リザバーコンピューティングおよび前記第4リザバーコンピューティングのうち少なくとも1つが非線形素子の回路ネットワークをリザバーとして備える
ことを特徴とする付記13~17のいずれか1項に記載の情報処理プログラム。
(Appendix 18)
The information processing program according to any one of appendices 13 to 17, wherein at least one of the first reservoir computing, the second reservoir computing, the third reservoir computing, and the fourth reservoir computing comprises a circuit network of nonlinear elements as a reservoir.
1 コンピュータシステム
10 情報処理装置
11 プロセッサ
12 メモリ
13 記憶装置
14 グラフィック処理装置
14a モニタ
15 入力インタフェース
15a キーボード
15b マウス
16 光学ドライブ装置
16a 光ディスク
17 機器接続インタフェース
17a メモリ装置
17b メモリリーダライタ
17c メモリカード
18 ネットワークインタフェース
18a ネットワーク
19 バス
20ー1~20ー4,20 リザバーコンピューティング
101 管理部
201 リザバー
202 入力層
203 出力層
2031 出力重み計算部
211 第1データ処理部
212 第2データ処理部
1 Computer system 10 Information processing device 11 Processor 12 Memory 13 Storage device 14 Graphics processing device 14a Monitor 15 Input interface 15a Keyboard 15b Mouse 16 Optical drive device 16a Optical disk 17 Device connection interface 17a Memory device 17b Memory reader/writer 17c Memory card 18 Network interface 18a Network 19 Bus 20-1 to 20-4, 20 Reservoir computing 101 Management unit 201 Reservoir 202 Input layer 203 Output layer 2031 Output weight calculation unit 211 First data processing unit 212 Second data processing unit
Claims (4)
前記第1リザバーコンピューティングと前記第3リザバーコンピューティングと前記第4リザバーコンピューティングと前記第2リザバーコンピューティングとが、この順で直列に並べて接続されるとともに、
前記第1リザバーコンピューティングと、前記第2リザバーコンピューティングとを有する第1データ処理部と、
前記第3リザバーコンピューティングと、前記第4リザバーコンピューティングとを有する第2データ処理部とを備え、
前記第1リザバーコンピューティングには第1周期データが教師データとして与えられ、前記第3リザバーコンピューティングには前記第1周期データよりも長い周期を有する第2周期データが教師データとして与えられ、
前記第1データ処理部において、前記第1リザバーコンピューティングに時系列データが入力され、前記第1リザバーコンピューティングが第1出力データを出力し、前記第2リザバーコンピューティングに、前記第1出力データと前記第4リザバーコンピューティングからの第4出力データとが入力され、
前記第2データ処理部において、前記第1出力データと前記第1周期データとの差分を示す予測誤差信号が前記第3リザバーコンピューティングに入力され、前記第3リザバーコンピューティングからの第3出力データが前記第4リザバーコンピューティングに入力され、前記第4リザバーコンピューティングには前記予測誤差信号が教師データとして与えられ、前記第4リザバーコンピューティングは、前記第3出力データと前記予測誤差信号とに基づいて前記第4出力データを出力し、
前記第1データ処理部において、前記第2リザバーコンピューティングが、前記第4出力データと前記第1出力データとに基づいて、第2出力データを出力する
ことを特徴とする情報処理装置。 a first reservoir computing, a second reservoir computing, a third reservoir computing, and a fourth reservoir computing, each having an input layer, a reservoir, and an output layer;
The first reservoir computing, the third reservoir computing, the fourth reservoir computing, and the second reservoir computing are connected in series in this order, and
a first data processing unit having the first reservoir computing and the second reservoir computing;
a second data processing unit having the third reservoir computing and the fourth reservoir computing;
First periodic data is provided as training data to the first reservoir computing, and second periodic data having a longer period than the first periodic data is provided as training data to the third reservoir computing,
In the first data processing unit, time series data is input to the first reservoir computing, the first reservoir computing outputs first output data, and the first output data and fourth output data from the fourth reservoir computing are input to the second reservoir computing;
In the second data processing unit, a prediction error signal indicating a difference between the first output data and the first periodic data is input to the third reservoir computing, third output data from the third reservoir computing is input to the fourth reservoir computing, the prediction error signal is provided to the fourth reservoir computing as teacher data, and the fourth reservoir computing outputs the fourth output data based on the third output data and the prediction error signal;
In the first data processing unit, the second reservoir computing outputs second output data based on the fourth output data and the first output data.
1. An information processing device comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。 2. The information processing apparatus according to claim 1, wherein at least one of the first reservoir computing, the second reservoir computing, the third reservoir computing, and the fourth reservoir computing comprises a circuit network of nonlinear elements as a reservoir.
前記第1リザバーコンピューティングと前記第3リザバーコンピューティングと前記第4リザバーコンピューティングと前記第2リザバーコンピューティングとが、この順で直列に並べて接続されるとともに、
前記第1リザバーコンピューティングと、前記第2リザバーコンピューティングとを有する第1データ処理部と、
前記第3リザバーコンピューティングと、前記第4リザバーコンピューティングとを有する第2データ処理部と、
を備える情報処理装置において、
前記第1リザバーコンピューティングには第1周期データが教師データとして与えられ、前記第3リザバーコンピューティングには前記第1周期データよりも長い周期を有する第2周期データが教師データとして与えられ、
前記第1データ処理部において、前記第1リザバーコンピューティングに時系列データが入力され、前記第1リザバーコンピューティングが第1出力データを出力し、前記第2リザバーコンピューティングに、前記第1出力データと前記第4リザバーコンピューティングからの第4出力データとを入力する処理と、
前記第2データ処理部において、前記第1出力データと前記第1周期データとの差分を示す予測誤差信号が前記第3リザバーコンピューティングに入力され、前記第3リザバーコンピューティングからの第3出力データが前記第4リザバーコンピューティングに入力され、前記第4リザバーコンピューティングには前記予測誤差信号が教師データとして与えられ、前記第4リザバーコンピューティングは、前記第3出力データと前記予測誤差信号とに基づいて前記第4出力データを出力する処理と、
前記第1データ処理部において、前記第2リザバーコンピューティングが、前記第4出力データと前記第1出力データとに基づいて、第2出力データを出力する処理と
を備えることを特徴とする情報処理方法。 a first reservoir computing, a second reservoir computing, a third reservoir computing, and a fourth reservoir computing, each having an input layer, a reservoir, and an output layer;
The first reservoir computing, the third reservoir computing, the fourth reservoir computing, and the second reservoir computing are connected in series in this order, and
a first data processing unit having the first reservoir computing and the second reservoir computing;
a second data processing unit having the third reservoir computing and the fourth reservoir computing;
In an information processing device comprising:
First periodic data is provided as training data to the first reservoir computing, and second periodic data having a longer period than the first periodic data is provided as training data to the third reservoir computing,
a process in which, in the first data processing unit, time series data is input to the first reservoir computing, the first reservoir computing outputs first output data, and the first output data and fourth output data from the fourth reservoir computing are input to the second reservoir computing ;
a process in which, in the second data processing unit, a prediction error signal indicating a difference between the first output data and the first periodic data is input to the third reservoir computing, third output data from the third reservoir computing is input to the fourth reservoir computing, the prediction error signal is provided to the fourth reservoir computing as teacher data, and the fourth reservoir computing outputs the fourth output data based on the third output data and the prediction error signal;
An information processing method, characterized in that, in the first data processing unit, the second reservoir computing comprises a process of outputting second output data based on the fourth output data and the first output data .
前記第1リザバーコンピューティングと前記第3リザバーコンピューティングと前記第4リザバーコンピューティングと前記第2リザバーコンピューティングとが、この順で直列に並べて接続されるとともに、
前記第1リザバーコンピューティングと、前記第2リザバーコンピューティングとを有する第1データ処理部と、
前記第3リザバーコンピューティングと、前記第4リザバーコンピューティングとを有する第2データ処理部と、
を備える情報処理装置において、
前記第1リザバーコンピューティングには第1周期データが教師データとして与えられ、前記第3リザバーコンピューティングには前記第1周期データよりも長い周期を有する第2周期データが教師データとして与えられ、
前記第1データ処理部において、前記第1リザバーコンピューティングに時系列データが入力され、前記第1リザバーコンピューティングが第1出力データを出力し、前記第2リザバーコンピューティングに、前記第1出力データと前記第4リザバーコンピューティングからの第4出力データとが入力され、
前記第2データ処理部において、前記第1出力データと前記第1周期データとの差分を示す予測誤差信号が前記第3リザバーコンピューティングに入力され、前記第3リザバーコンピューティングからの第3出力データが前記第4リザバーコンピューティングに入力され、前記第4リザバーコンピューティングには前記予測誤差信号が教師データとして与えられ、前記第4リザバーコンピューティングは、前記第3出力データと前記予測誤差信号とに基づいて前記第4出力データを出力し、
前記第1データ処理部において、前記第2リザバーコンピューティングが、前記第4出力データと前記第1出力データとに基づいて、第2出力データを出力する
処理をプロセッサに実行させることを特徴とする情報処理プログラム。 a first reservoir computing, a second reservoir computing, a third reservoir computing, and a fourth reservoir computing, each having an input layer, a reservoir, and an output layer;
The first reservoir computing, the third reservoir computing, the fourth reservoir computing, and the second reservoir computing are connected in series in this order, and
a first data processing unit having the first reservoir computing and the second reservoir computing;
a second data processing unit having the third reservoir computing and the fourth reservoir computing;
In an information processing device comprising:
First periodic data is provided as training data to the first reservoir computing, and second periodic data having a longer period than the first periodic data is provided as training data to the third reservoir computing,
In the first data processing unit, time series data is input to the first reservoir computing, the first reservoir computing outputs first output data, and the first output data and fourth output data from the fourth reservoir computing are input to the second reservoir computing;
In the second data processing unit, a prediction error signal indicating a difference between the first output data and the first periodic data is input to the third reservoir computing, third output data from the third reservoir computing is input to the fourth reservoir computing, the prediction error signal is provided to the fourth reservoir computing as teacher data, and the fourth reservoir computing outputs the fourth output data based on the third output data and the prediction error signal;
In the first data processing unit, the second reservoir computing outputs second output data based on the fourth output data and the first output data.
An information processing program that causes a processor to execute a process.
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