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Optimal Control Approach for Machine Learning Models with Physical Explainability

Research Project

Project/Area Number 23K26130
Project/Area Number (Other) 23H01436 (2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023)
Section一般
Review Section Basic Section 21040:Control and system engineering-related
Research InstitutionHiroshima University

Principal Investigator

永原 正章  広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (90362582)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000)
Fiscal Year 2025: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
Keywords機械学習 / XAI / 最適制御 / データ分析 / サイバーフィジカルシステム
Outline of Research at the Start

機械学習におけるモデルの説明可能性は,予測結果の信頼性を高めるために必須の性質であり,近年盛んに研究されている.特にサイバーフィジカルシステムなど物理系とのインタラクションの中で機械学習モデルが利用される状況では,物理的な説明可能性が,系の安定性や安全性の解析において重要である.本研究では,物理的な説明可能性を機械学習モデルに持たせるために,物理系の微分方程式および物理的制約を陽に考慮した機械学習モデルを導入し,最適制御問題として定式化する.また本手法の有効性を実システムにおいて検証するために交通(モビリティ)の計測データにもとづく行動履歴の推定を行う.

Outline of Annual Research Achievements

サイバーフィジカルシステムにおいて,物理的な制約条件のもとでデータから機械学習モデルを導出することは本質的な問題である.この問題に対して,数理的に等価な最適制御問題を導出し,その必要条件を書き下すことによって,機械学習モデルの性質を議論することが可能となる.これにより,機械学習モデルの物理的な説明可能性を高めることも可能である.また,最適制御問題の数値解法を活用することにより,高精度かつ高速に最適解(すなわち機械学習モデルのパラメータ)を求めることが可能となる.

以上の研究目的に沿って,本年度は以下の研究実績を得た.まず,スパースモデリング等スパース性を活用した機械学習モデルに応用可能なスパース最適制御問題に対して,その必要条件や解の存在性,また高精度な数値計算アルゴリズムを導出した [M. Nagahara, International Journal of Robust and Nonlinear Control, 2023].また確率的な変動を考慮したスパース最適制御についても研究成果を得た [M. Kishida and M. Nagahara, IEEE Transactions on Automatic Control, 2023].また,スパースモデリングやスパース最適制御に関するサーベイ論文も発表した[M. Nagahara, IEICE Transactions on Communications, 2023][M. Nagahara and Y. Yamamoto, Mathematics of Control, Signals, and Systems, 2024]

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定通り,最適制御問題の定式化と必要条件の導出,また高精度・高速アルゴリズムの提案を行い,トップジャーナルに学術論文およびサーベイ論文を発表することができた.また,IFAC World Congress等の国際会議でも成果を発表することができた.以上より,研究はおおむね順調に進展していると言える.

Strategy for Future Research Activity

物理的制約を持つ最適制御問題を最適制御問題として定式化したとき,例えばスパースモデリングに出てくるような非凸制約や非凸評価関数が現れる.これに対して,これまでは凸制約や凸関数で近似した方法を考察の対象としてきたが,この近似がうまくいかないケースも見つかっている.今後は,このようなケースに対しても効率よく最適解(すなわち学習パラメータ)を得ることが可能な手法を新しく提案することが考えられる.さらに,提案手法の有効性を検証するために,リアルデータを用いた機械学習モデルの構築と検証が重要である.

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 6 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Indian Institute of Technology Bombay(インド)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Queensland University of Technology(オーストラリア)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Journal Article] Introduction to Compressed Sensing with Python2024

    • Author(s)
      NAGAHARA Masaaki
    • Journal Title

      IEICE Transactions on Communications

      Volume: E107.B Issue: 1 Pages: 126-138

    • DOI

      10.1587/transcom.2023EBI0002

    • ISSN
      0916-8516, 1745-1345
    • Year and Date
      2024-01-01
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A survey on compressed sensing approach to systems and control2023

    • Author(s)
      Nagahara Masaaki、Yamamoto Yutaka
    • Journal Title

      Mathematics of Control, Signals, and Systems

      Volume: 36 Issue: 1 Pages: 1-20

    • DOI

      10.1007/s00498-023-00366-1

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Gradient Boosting Approach to Predict Energy-Saving Awareness of Households in Kitakyushu2023

    • Author(s)
      Singh Nitin Kumar、Fukushima Takuya、Nagahara Masaaki
    • Journal Title

      Energies

      Volume: 16 Issue: 16 Pages: 5998-5998

    • DOI

      10.3390/en16165998

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Risk-Aware Maximum Hands-Off Control Using Worst-Case Conditional Value-At-Risk2023

    • Author(s)
      Masako Kishida, Masaaki Nagahara
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Automatic Control

      Volume: - Issue: 10 Pages: 1-8

    • DOI

      10.1109/tac.2023.3235246

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Sparse control for continuous-time systems2023

    • Author(s)
      Masaaki Nagahara
    • Journal Title

      International Journal of Robust and Nonlinear Control

      Volume: - Issue: 1 Pages: 6-22

    • DOI

      10.1002/rnc.5858

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Hypertracking and Hyperrejection: Control of Signals beyond the Nyquist Frequency2022

    • Author(s)
      Kaoru Yamamoto, Yamamoto Yamamoto, Masaaki Nagahara
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Automatic Control

      Volume: - Issue: 10 Pages: 1-8

    • DOI

      10.1109/tac.2022.3230599

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Real-Time Deep-Learning Object Detection for Drone Swarm2023

    • Author(s)
      X. Dai and M. Nagahara
    • Organizer
      IFAC World Congress
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Cooperative Source Localization by Distributed Sparse Optimization2023

    • Author(s)
      N. Hayashi and M. Nagahara
    • Organizer
      IFAC World Congress
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Control-Theoretic Splines under Uncountably Many Constraints: Fast and Exact Solutions2023

    • Author(s)
      A. Muthyala, D. Chatterjee, and M. Nagahara
    • Organizer
      IFAC World Congress
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Network Community Detection with Sum-Of-Absolute-Values Regularization2023

    • Author(s)
      Y. Iwai and M. Nagahara
    • Organizer
      IFAC World Congress
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] LightGBM-Based Data Analysis for Predicting Energy-Saving Awareness of Households in Kitakyushu2023

    • Author(s)
      T. Fukushima, N. Singh, and M. Nagahara
    • Organizer
      IFAC World Congress
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Compressed Sensing Approach to Resource-aware Control2023

    • Author(s)
      M. Nagahara
    • Organizer
      The 23th International Conference on Control, Automation, and Systems
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] Masaaki Nagahara

    • URL

      https://nagahara-masaaki.github.io/

    • Related Report
      2023 Annual Research Report

URL: 

Published: 2023-04-18   Modified: 2024-12-25  

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