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Automation of a state space modeling by an integration of the variational auto encoder and particle filter

Research Project

Project/Area Number 19H04186
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 61040:Soft computing-related
Research InstitutionChuo University

Principal Investigator

Higuchi Tomoyuki  中央大学, 理工学部, 教授 (70202273)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中村 和幸  明治大学, 総合数理学部, 専任教授 (40462171)
Wu Stephen  統計数理研究所, データ科学研究系, 准教授 (70804186)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Keywords深層学習 / 状態空間モデル / 変分オートエンコーダ / 粒子フィルタ
Outline of Research at the Start

複雑な現象の表現や事象の判別に用いられる非線形・ガウス型モデルは、深層学習によって自動的に構築できる時代が訪れている。残念ながら時系列現象のモデル化は、その恩恵を大規模かつ汎用的には未だ被っていない。本研究では深層学習による生成モデルを、状態空間モデルの枠組みに導入し、状態空間モデルの適用限界を突破する理論研究とアルゴリズムの確立を目的とする。

Outline of Final Research Achievements

A state-space model describing the dynamics behind time-series data was extended to a general-purpose model using a sequential generative model of deep learning. By employing a different type of estimation method for the parameters included in the model, we succeeded in reducing the computational memory to 1/100 of that of existing methods while reducing the error to a smaller level than existing methods. We applied this method to simulation data and chaotic phenomenon data, and showed that it is also effective as a feature learning method for multidimensional time series data.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

IoT(Internet of Things)の時代となり、人工物の機能や状態のモニタリングのために、膨大なセンサ情報をクラウドに集めることがさまざまな産業分野で企図・実施されている。IoTセンサから得られるデータは、その多くが動画を含めた時系列データである。深層学習の登場により特にこの5年間、ビッグデータが用意されれば、非線形・ガウス型の統計的モデリングの実行主体は、高い見識と豊富な経験をもつ人(モデラー)からマシンに移行する傾向が加速した。本研究では、このような時系列データの自動モデリングに資する基礎的研究を行った。

Report

(5 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (27 results)

All 2022 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (21 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 3 results)

  • [Int'l Joint Research] 統計科学研究所中央研究院(台湾)(その他の国・地域)

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  • [Int'l Joint Research] Johns Hopkins University(米国)

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  • [Journal Article] Strong Development of Statistics Encouraged by Competition and Co-Creation with Adjacent Fields2022

    • Author(s)
      樋口 知之
    • Journal Title

      Journal of the Japan Statistical Society, Japanese Issue

      Volume: 51 Issue: 2 Pages: 213-244

    • DOI

      10.11329/jjssj.51.213

    • ISSN
      0389-5602, 2189-1478
    • Year and Date
      2022-03-03
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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Quasi-site-specific soil property prediction using a cluster-based hierarchical Bayesian model2022

    • Author(s)
      Wu Stephen、Ching Jianye、Phoon Kok-Kwang
    • Journal Title

      Structural Safety

      Volume: 99 Pages: 102253-102253

    • DOI

      10.1016/j.strusafe.2022.102253

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 数理データサイエンスの拡がりと応用-生命基礎科学から診断支援まで2021

    • Author(s)
      中村 和幸
    • Journal Title

      医学のあゆみ

      Volume: 279 Pages: 188-193

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      大野航太, 小川知之
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    • Organizer
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      Oshima, H., Ishizone, T., Nakamura, K., & Higuchi, T.
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      IECON 2022 - 48th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society
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    • Author(s)
      中村和幸
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      中村和幸
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      石曽根毅
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      中村和幸
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      石曽根毅,樋口知之,中村和幸
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  • [Presentation] 逐次変分自己符号化器の効率的な学習アルゴリズム2022

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      石曽根毅,樋口知之,中村和幸
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  • [Presentation] 帰納と演繹の融合: データ同化と深層学習2022

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      樋口知之
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  • [Presentation] 深層生成モデルによる時系列モデルの同定2022

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      石曽根毅,樋口知之,中村和幸
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  • [Presentation] 農業分野の回帰問題における少数部分ラベルの予測精度向上―リサンプリングを用いた画像データによる深層学習2022

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      富田隼輔,中畝誠,山田融,塚沢和憲,中村和幸
    • Organizer
      情報処理学会第84回全国大会
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  • [Presentation] Ensemble Kalman Filter を活用した時系列モデルの変分推論フレームワーク2021

    • Author(s)
      石曽根 毅,樋口 知之, 中村 和幸
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  • [Presentation] 変分推論・非線形フィルタリングを駆使した時系列データの潜在モデルの推論・予測2021

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      石曽根毅,樋口知之,中村和幸
    • Organizer
      情報処理学会第83回全国大会
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  • [Presentation] 予測値への負の寄与を考慮したCNN回帰モデル解釈手法2021

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      下村真生,中村和幸
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  • [Presentation] 隣接領域との競争と共創が促す統計学の力強い発展2021

    • Author(s)
      樋口知之
    • Organizer
      2021年度統計関連学会連合大会
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  • [Presentation] 農作物収量予測に向けた可視化手法の適用分析事例2020

    • Author(s)
      下村真生,中村和幸
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  • [Presentation] CNNを用いた農作物の収量予測とGrad-RAMによる可視化の検討2020

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      下村真生,中畝誠,山田融,塚澤和憲,中村和幸
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      樋口知之
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      下村真生,中村和幸
    • Organizer
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      下村真生,中村和幸
    • Organizer
      日本数学会異分野異業種研究交流会2019
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Published: 2019-04-18   Modified: 2024-01-30  

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