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動的システムモデリングのための局所構造化ユニタリネットワークと接空間学習

研究課題

研究課題/領域番号 22H00512
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分60:情報科学、情報工学およびその関連分野
研究機関新潟大学

研究代表者

村松 正吾  新潟大学, 自然科学系, 教授 (30295472)

研究分担者 安田 浩保  新潟大学, 災害・復興科学研究所, 研究教授 (00399354)
早坂 圭司  新潟大学, 自然科学系, 教授 (40377966)
劉 雪峰  東京女子大学, 現代教養学部, 教授 (50571220)
小野 峻佑  東京工業大学, 情報理工学院, 准教授 (60752269)
永原 正章  広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (90362582)
大竹 雄  東北大学, 工学研究科, 准教授 (90598822)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
42,510千円 (直接経費: 32,700千円、間接経費: 9,810千円)
2025年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円)
2024年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円)
2023年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円)
2022年度: 15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円)
キーワード信号処理 / 制御理論 / 接空間学習 / 動的システム / データ駆動モデリング / 次元削減
研究開始時の研究の概要

計測技術の発展と共に,複雑な物理現象の理解と予測,制御への要求が高まり,データ駆動によるモデル化,特に,畳み込みニューラルネットワーク(CNN)を利用した手法が有力視されている.しかし,CNNは解釈性に乏しく,領域知識をその構造に反映し難い課題がある.本提案では,畳み込み層の局所性を継承し,ユニタリ性の構造制約の下で適応制御可能な線形層を実現する.接空間に直接対応するその構造は高い解釈性を与え,現象の理解を促進し,その予測と制御に高性能化をもたらす.防災に重要な河床や地盤の変動を事例とし,情報学,土木工学,数学,物理学の融合研究体制で課題に取り組み,防災応用での有効性を実証する.

研究実績の概要

計測技術の発展と共に,複雑な物理現象の理解と予測,制御への要求が高まり,データ駆動によるモデル化,特に,畳み込みニューラルネットワーク(CNN)を利用した手法が有力視されてきた.しかし,CNNは解釈性に乏しく,領域知識をその構造に反映し難い課題がある.そこで本研究では,畳み込み層の局所性を継承し,ユニタリ性の構造制約の下で適応制御可能な線形層,局所構造化ユニタリネットワーク(LSUN)の実現を試みている.接空間に直接対応するその構造は高い解釈性を与え,現象の理解を促進し,その予測と制御に高性能化をもたらすことが期待できる.防災に重要な河床や地盤の変動を事例とし,情報学,土木工学,数学,物理学の融合研究体制で課題に取り組み,防災応用での有効性の実証を目指している.具体的には,動的システムのモデル化に有効な線形構造を探求している.新たにLSUNを導入し,汎用的で解釈性が高いデータ駆動による動的システムのモデリング手法の確立に取り組んでいる.2023年度は主にモード分解LSUN自己符号化器(MD-LSUN-AE)の接空間推定に取り組んだ.以下に成果をまとめる.
(i) 開発: LSUNをソフトウェア実装し,データ駆動による動的システムのモデル化を実施した.(ii) 解析:シリンダ周りの流体シミュレーションデータへの適用をとおして,LSUNの性能評価を実施した.(iii) 実証: 河川の河道変動の実験や地盤の変動のシミュレーションと観測から時系列データに対し動的システムモデリング手法の評価とLSUN導入の準備を進めた.
なお,提案手法の基礎的な評価には数値計算ソフトウェアMATLABを採用し,ソースコードの公開も進めた.適宜,国内学会,国際会議にて成果発表を行うと同時に,基礎的な研究成果の学術論文誌への投稿準備も進めた.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究では,複雑な動的システムの数値的なモデル構築に解釈性を与え,領域知識との融合をもたらすモデル化手法を確立するため,新たな多様体の埋め込み手法として,畳み込み層に代わる局所構造化ユニタリ層を提案し,その可能性を探求している.2023年度の当初は以下の実施計画を立てていた.(i)開発:MD-LSUN-AE による動的システムの制御を実施,接空間制御パスを構築.(ii) 解析:LSUN からの接空間学習結果を解析,対象動的システムの解析的物理モデルを構築.(iii) 実証:MD-LSUN-AE による河道変動の予測を実施,実験結果との比較評価を実施.
上記のうち,(i)および(iii)を順調に進めることができた.(ii)については数値シミュレーションによる評価にとどまったが,物理法則のネットワーク構造への反映を新たに試みた.
ほかに,今後のLSUNの応用展開に深く関わる研究として,河川監視ミリ波レーダ画像からの澪筋推定や河道制御サイバーフィジカルシステム,グラフ構造上の信号に対するフィルタ設計などの研究も進めた.広く研究成果を公表し,関係する分野の人脈の構築と最新情報を収集するために国内学会,国際会議への参加も積極的に進めた.また,2023年度中に投稿したLSUNの基礎的な研究成果に関する論文の2024年度内の公表が決定している.
国内外での学会参加の機会を多く得たことで,大学院生を中心に人材育成も行い2年目として順調にプロジェクトを進めることができた.一方,提案するLSUNのPython深層学習フレームワークPyTorchでの実装やFPGA実装については当初計画より遅れている.これら実装については2024年度以降も継続して進める.

今後の研究の推進方策

2024年度は,提案するモード分解LSUN自己符号化器(MD-LSUN-AE)とデータ同化による予測応用を中心に,これまでと同様,開発,解析,実証の3グループの体制で以下のテーマに取り組む. (i) 開発: MD-LSUN-AE によるモデル予測とデータ同化による予測性能の改善を実施.(ii) 解析: 河川及び地盤に関する解析的物理モデルの検討と大規模シミュレーションの実施.(iii) 実証: MD-LSUN-AE による液状化の予測を実施,実験結果との比較評価を実施.
引き続き局所性やシフト変性,ユニタリ性などLSUNが有する性質について物理学情報(Physics-Informed)手法にも着目し各種応用での評価を進める.また,LSUN の理論的な意味を明確にするために,微分幾何学との関係性を探求する.加えて,LSUNのMATLAB/PyTorchおよびFPGAについても拡張実装を進める.さらに,学習設計の加速を試みる.設計パラメータが直交行列であることから,Landing 法などの高速な多様体学習手法の導入を試みる.設計パラメータの正則化や非局所化などの課題にも取り組む.LSUNの複素化や多重解像度表現を実現するためのLSUNの階層化にも取り組む.今後のLSUNの応用展開を見据え,深層ループ展開や自己教師あり学習の洗練化にも取り組む.応用展開における試みとして,MD-LSUN-AEによる河川や地盤の状態推定や変動予測の高性能化,効率化に取り組む.河川模型を利用した予測や制御の実験も行う.実験のためのセンシング・ネットワーク・アクチュエーション環境を整え,予測や制御実験のための可視化アプリや制御ソフトを開発する.
広く研究成果を公表し,関係する分野の人脈の構築と最新情報を収集するために国内学会,国際会議へ積極的に参加するとともに,研究成果の学術論文投稿および掲載を目指す.

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (36件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (24件) (うち国際学会 6件、 招待講演 1件) 備考 (8件)

  • [雑誌論文] 時間遅延埋め込み動的モード分解に基づくデータ駆動型地震応答解析2024

    • 著者名/発表者名
      塩井瑛大,大竹雄,吉田郁政,村松正吾
    • 雑誌名

      土木学会論文集

      巻: 80 号: 15 ページ: n/a

    • DOI

      10.2208/jscejj.23-15006

    • ISSN
      2436-6021
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Novel hypothesis on the occurrence of sandbars2023

    • 著者名/発表者名
      Seki S.、Moteki D.、Yasuda H.
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 35 号: 10 ページ: 016608-016608

    • DOI

      10.1063/5.0171731

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Sparsity-Aware OCT Volumetric Data Restoration Using Optical Synthesis Model2022

    • 著者名/発表者名
      KOBAYASHI Ruiki、FUJII Genki、YOSHIDA Yuta、OTA Takeru、NIN Fumiaki、HIBINO Hiroshi、CHOI Samuel、ONO Shunsuke、MURAMATSU Shogo
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Computational Imaging

      巻: 8 ページ: 505-520

    • DOI

      10.1109/tci.2022.3183396

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Graph Spatio-Spectral Total Variation Model for Hyperspectral Image Denoising2022

    • 著者名/発表者名
      TAKEMOTO Shingo、NAGANUMA Kazuki、ONO Shunsuke
    • 雑誌名

      IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters

      巻: 19 ページ: 1-5

    • DOI

      10.1109/lgrs.2022.3192912

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] データ駆動型動力学モデリングにおける分析・合成システム - 河川モニタリングへの応用 -2024

    • 著者名/発表者名
      村松正吾
    • 学会等名
      電子情報通信学会アンテナ・伝播研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 時間遅延グラフ動的モード分解による河道網水位分布予測の検討2024

    • 著者名/発表者名
      伊藤隆人・内藤翼・北村帆高・安田浩保・永原正章・村松正吾
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Leveraging Locally-structured Unitary Networks for Modeling Non-linear Autonomous Dynamical Systems2024

    • 著者名/発表者名
      Yasas Godage・Hayato Obara・Yu Otake・Masaaki Nagahara・Shogo Muramatsu
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Flow-Path Fitting Simulation with Gaussian Process Regression for River Health Assessment2024

    • 著者名/発表者名
      Phonepaserth Sisaykeo・Yuki Takahashi・Hiroyasu Yasuda・Kiyoshi Hayasaka・Shogo Muramatsu
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 全変動正則化によるマイクロ波レーダ河川観測画像復元2023

    • 著者名/発表者名
      岡本充生・大原由暉・村松正吾・安田浩保・早坂圭司
    • 学会等名
      映像情報メディア学会メディア工学研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 河道能動制御サイバーフィジカルシステムのためのプラントモデルの検討2023

    • 著者名/発表者名
      二村碩哉・村松正吾・安田浩保・早坂圭司
    • 学会等名
      映像情報メディア学会メディア工学研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 河川流路変動メカニズム解明のための水制再配置システムの構築2023

    • 著者名/発表者名
      張晨・高橋勇希・茂木大知・安田浩保・早坂圭司・村松正吾
    • 学会等名
      電子情報通信学会クラウドネットワークロボット研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] AuGFTによる有向グラフフィルタリングの性能評価2023

    • 著者名/発表者名
      北村帆高・村松正吾・田中雄一
    • 学会等名
      第38回信号処理シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 時空間全変動正則化によるマイクロ波レーダ河川観測動画像復元2023

    • 著者名/発表者名
      岡本充生・大原由暉・村松正吾・安田浩保・早坂圭司・小野峻佑
    • 学会等名
      映像情報メディア学会メディア工学研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Inter-scale SURE-LET Denoise with Structured Deep Image Prior: Interpretable Self-supervised Learning2023

    • 著者名/発表者名
      Jikai Li・Shogo Muramatsu
    • 学会等名
      2023 IEEE International Conference on Acoustics,Speech and Signal Processing (ICASSP)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Multi-resolution Convolutional Dictionary Learning for Riverbed Dynamics Modeling2023

    • 著者名/発表者名
      Eisuke Kobayashi・Hiroyasu Yasuda・Kiyoshi Hayasaka・Yu Otake・Shunsuke Ono・Shogo Muramatsu
    • 学会等名
      2023 IEEE International Conference on Acoustics,Speech and Signal Processing (ICASSP)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Performance Evaluation of MR-CSC-DMD in River Model Experiment with Groynes2023

    • 著者名/発表者名
      Chen Zhang・Eisuke Kobayashi・Daichi Moteki・Hiroyasu Yasuda・Kiyoshi Hayasaka・Shogo Muramatsu
    • 学会等名
      2023 International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers, and Communications (ITC-CSCC)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Inter-Scale SURE-LET Restoration with Deep Unrolled Image Prior2023

    • 著者名/発表者名
      Jikai LI・Shogo MURAMATSU
    • 学会等名
      2023 IEEE International Conference on Image Processing (ICIP)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Realization of Digraph Filters via Augmented GFT2023

    • 著者名/発表者名
      Hotaka Kitamura・Hiroyasu Yasuda・Yuichi Tanaka・Shogo Muramatsu
    • 学会等名
      2023 IEEE International Conference on Image Processing (ICIP)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Tangent Space Sampling of Video Sequence with Locally Structured Unitary Network2023

    • 著者名/発表者名
      Godage Yasas・Shogo Muramatsu
    • 学会等名
      2023 IEEE International Conference on Visual Communications and Image Processing
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 有向グラフ信号に対する実フィルタ設計に関する検討2023

    • 著者名/発表者名
      村松正吾,北村帆高,安田浩保,田中雄一
    • 学会等名
      電子情報通信学会信号処理研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ループ展開ISTAによる低ビット画像復元2023

    • 著者名/発表者名
      阿部 周,高橋颯志,村松正吾
    • 学会等名
      電子情報通信学会信号処理研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Locally-Structured Unitary Network to Capture Tangent Spaces of Manifold2022

    • 著者名/発表者名
      YASAS Godage, MURAMATSU Shogo
    • 学会等名
      電子情報通信学会信号処理研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Structured Deep Image Prior with Interscale Thresholding2022

    • 著者名/発表者名
      LI Jikai, MURAMATSU Shogo
    • 学会等名
      電子情報通信学会信号処理研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 画像復元のための多様体最適化による構造化畳み込み辞書の設計に関する研究2022

    • 著者名/発表者名
      高橋 颯志,村松 正吾
    • 学会等名
      電子情報通信学会信号処理研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 制御付きグラフ動的モード分解による河川水位分布予測2022

    • 著者名/発表者名
      北村 帆高,村松 正吾,安田 浩保,早坂 圭司
    • 学会等名
      第37回信号処理シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 有向グラフ信号処理のためのグラフフーリエ変換の一般化2022

    • 著者名/発表者名
      村松 正吾,北村 帆高,田中 雄一
    • 学会等名
      第37回信号処理シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 畳み込み合成辞書を利用したGMC正則化画像復元の検討2022

    • 著者名/発表者名
      REN Shiyi,山本 雅偉,村松 正吾
    • 学会等名
      第37回信号処理シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] スケール間しきい値処理を導入したOCTボリュームデータ復元に関する検討2022

    • 著者名/発表者名
      柿原 正紀,村松 正吾
    • 学会等名
      映像情報メディア学会メディア工学研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 多次元信号・画像処理研究室 - 研究プロジェクト

    • URL

      https://www.eng.niigata-u.ac.jp/~msiplab/index.php/projects

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] MathWorks社SaivDr Package

    • URL

      http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/45084-saivdr-package

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] GitHub - SaivDr Package for MATLAB/Simulink

    • URL

      https://github.com/msiplab/SaivDr

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] GitHub - TanSacNet Project

    • URL

      https://github.com/msiplab/TanSacNet

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] Code Ocean - Locally Structured Unitary Network

    • URL

      https://codeocean.com/capsule/3430476/tree/v2

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 多次元信号・画像処理研究室 - 研究プロジェクト

    • URL

      http://msiplab.eng.niigata-u.ac.jp/projects

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] MathWorks社SaivDr Package ホームページ

    • URL

      http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/45084-saivdr-package

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] GitHub - SaivDr Package for MATLAB/Simulink ホームページ

    • URL

      https://github.com/msiplab/SaivDr

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2025-04-17  

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