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IOT時代の種々のモデルとデータを融合するシステムの解析・設計法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 22K04172
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分21040:制御およびシステム工学関連
研究機関同志社大学

研究代表者

黒江 康明  同志社大学, 研究開発推進機構, 嘱託研究員 (10153397)

研究分担者 飯間 等  京都工芸繊維大学, 情報工学・人間科学系, 准教授 (70273547)
森 禎弘  京都工芸繊維大学, 情報工学・人間科学系, 准教授 (40273544)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワードシステム解析・設計 / モデリング / データ同化・融合 / 異種モデル / アルゴリズムモデル / データ駆動科学
研究開始時の研究の概要

近年、取り扱うべきシステムは、ますます大規模化、複雑化してきており、SOS(System of Systems)などシステムに関する新たな概念が生まれている。一方、最近の著しい情報技術の発達により、多種多様な大量のデータを容易に取得、蓄積、処理、利用できるようになり、さらにヒト、モノ、コト、データなどがネットワークを介して直接つながるIOT(Internet of Things)時代を迎えている。本研究では以上のことを背景として、IOT技術を前提とした、数学モデルやアルゴリズムやルールで表された種々の形態のモデル、および得られる多種多様なデータを融合するシステムの解析、設計法を開発する。

研究実績の概要

近年、取り扱うべきシステムは、ますます大規模化、複雑化してきており、SOS(System of Systems)などシステムに関する新たな概念が生まれている。一方、最近の著しい情報技術の発達により、多種多様な大量のデータを容易に取得、蓄積、処理、利用できるようになり、さらにヒト、モノ、コト、データなどがネットワークを介して直接つながるIOT(Internet of Things)時代を迎えている。本研究では以上のことを背景として、IOT技術を前提とした、数学モデルやアルゴリズムやルールで表された種々の形態のモデル、および得られる多種多様なデータを融合するシステムの解析、設計法を開発することを目的としている。
上記の目的を遂行するため、具体的には次のような研究をすすめ成果を得ている。まず新たなシステム学を構築するためには、境界と関係性を視座とすることが重要であることを提案し、新たなシステムの解析・設計法の開発の方法論について考察している。特にシステムとモデルとデータの境界と関係性を考慮することによるシステムの解析、設計法の開発ためのアプローチを示している。
また具体的なシステムを対象として、サイバーフィジカルシステムの感度解析法を新たに提案し、そのパラメータ最適化への応用に関する研究を行い、成果を挙げている。この方法は、数学モデルとアルゴリズムモデルであるミューレータを融合してシステムを最適化する方法となっている。同様のアプローチとして、リズム現象の感度解析法、また分岐現象の解析法を提案している。また、データ駆動科学をシステム学が牽引するアプローチを示し、その1つとして、データ同化に基づくプラズマの平衡状態の計算効率の高い再構成法を提案している。さらに人の持つ知識やスキルやデータをシステムの解析、設計法に導入するため強化学習の枠組みおよび具体的な学習法について検討している。

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

本研究の目的は、IOT技術を前提として、数学モデルやアルゴリズムやルールで表された種々の形態のモデル、および得られる多種多様なデータを融合するシステムの解析、設計法を開発することである。そのためにはこれまでにないアプローチが必要で、新たなシステムズアプローチを構築するために、システムにおける様々な境界と関係性を視座とする新たなシステムの解析、設計論の構築についての論考を行っている。
融合するアルゴリムモデルとして、ニューラルネットワークおよび制御システムのシミュレータ、さらにはプラズマのシミュレータを対象として研究を進めている。またいくつかの具体的なシステムを対象として、数学モデルやアルゴリズムモデルなど種々の異種の形態のモデルを直接用い、またデータを同化、融合させた解析、設計法の開発を進めている。具体的には、同化、融合の問題を最適化問題として定式化し、この最適化問題を、感度解析法を導入して解くアルゴリズムを導き、その実装をすすめている。以上についてすでにいくつか成果を挙げており、研究はおおむね順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

本研究で開発する解析、設計法は、対象システムによらない一般的な方法とすることを目指すが、研究期間内は具体的な対象として、ニューラルネットワークおよび制御システムの解析、設計問題、さらにはプラズマ現象の解析と設計にターゲットを当てて、次のように研究を進める。
1.学習機能をもつ解析・設計法の開発:解析、設計法に最適化機能、学習機能を持たせ、それらが自律的に改善、進化できるようにする。そのためには、システムの感度解析を開発することが鍵となるので、その方法を開発し、解析、設計法に最適化機能、設計機能を持たせる方法を検討する。
2.強化学習の枠組みの導入:強化学習の枠組みを次のように導入する。種々の形態のモデル(数学モデル、シミュレータ)やデータ(これらを統合モデルと呼ぶことにする)を強化学習における環境とし、解析、設計法をエージェントに対応させる。解析・設計エージェントが解析、設計法を環境である統合モデルに適用すると、その結果の評価として報酬を受け取る。解析・設計エージェントはこの報酬に基づき、さらに良い解析、設計法を獲得するよう学習する。
3.実システムと共進化するシステムの解析・設計法の開発: さらに学習エージェントを複数用意(モデリング、解析・設計、臨床の知・実践の知エージェント)し、群強化学習法の考え方に倣い次のように学習させる。すなわち、各エージェントは、種々の形態のモデルやデータと相互作用するだけでなく、実システムとも相互作用することにより学習するとともに、エージェント間の情報交換によっても学習する。臨床の知・実践の知エージェントは、人の知識をモデルとして用いる方法として導入するもので、他のエージェントと実システムとの相互作用により、それらの知を融合するとともにそれら自身も進化する。以上により実システムと共進化するシステムの解析・設計法を実現する方法論を構築する。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] リカレントニューラルネットワークの学習と情報処理2023

    • 著者名/発表者名
      黒江康明
    • 雑誌名

      計測と制御

      巻: 62 号: 12 ページ: 744-750

    • DOI

      10.11499/sicejl.62.744

    • ISSN
      0453-4662, 1883-8170
    • 年月日
      2023-12-10
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Analysis Method for Parameter Sensitivities of Periods in Rhythm Phenomena -Sensitivity and Adjoint Equations -2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Kuroe and Y. Mori
    • 雑誌名

      Proceedings of 9th International Conference on Control, Decision and Information Technologies (CoDIT)

      巻: - ページ: 235-240

    • DOI

      10.1109/codit58514.2023.10284167

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Sophisticated Swarm Reinforcement Learning by Incorporating Inverse Reinforcement Learning2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Kuroe and K. Takeuchi
    • 雑誌名

      Proceedings of IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC)

      巻: - ページ: 3770-3776

    • DOI

      10.1109/smc53992.2023.10394525

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis Method of Period Sensitivities and Bifurcations for Rhythm Phenomena2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Mori and Y. Kuroe
    • 雑誌名

      Proceedings of IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC)

      巻: - ページ: 5168-5175

    • DOI

      10.1109/smc53992.2023.10394640

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Data-Assimilation Based Method for Equilibrium Reconstruction of Magnetic Fusion Plasma: Solution by Adjoint Method2023

    • 著者名/発表者名
      A. Sanpei, S. Masamune and Y. Kuroe
    • 雑誌名

      IEEE Access

      巻: 11 ページ: 62639-62651

    • DOI

      10.1109/access.2023.3287224

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A Sensitivity Analysis Method for a Class of Cyber-Physical Systems and Its Application to Parameter Optimization2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Kuroe, H. Nakanishi and S. Kanata
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers

      巻: 70 号: 11 ページ: 4581-4594

    • DOI

      10.1109/tcsi.2023.3308091

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis Method for Parameter Sensitivities of Periods in Rhythm Phenomena -Sensitivity and Adjoint Equations-2023

    • 著者名/発表者名
      Yasuaki Kuroe and Yoshihiro Mori
    • 雑誌名

      Proceedings of 2023 9th International Conference on Control, Decision and Information Technologies

      巻: -

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis Method of Period Sensitivities for Rhythm Phenomena2022

    • 著者名/発表者名
      Yasuaki Kuroe and Yoshihiro Mori
    • 雑誌名

      Proceedings of 2022 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics

      巻: - ページ: 2978-2983

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] システム思考が加速するデータ駆動科学―核融合プラズマ研究への応用―2023

    • 著者名/発表者名
      黒江康明,三瓶明希夫,政宗貞男
    • 学会等名
      第40回 プラズマ・核融合学会 年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 深層強化学習を用いたカリキュラム設計法2023

    • 著者名/発表者名
      飯間 等,堀田颯平
    • 学会等名
      電気学会研究会資料システム研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Thinking about Systems in the Age of Systems - Boundary and Relationality Perspective Systems Approach -2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Kuroe, H. Tamaki and M. Kikuchi
    • 学会等名
      The 23rd Biennial Conference of the Society for Philosophy and Technology
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] リズム現象の周期感度と分岐現象の解析法2023

    • 著者名/発表者名
      森禎弘,黒江康明
    • 学会等名
      計測自動制御学会知能システムシンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 複数のヒューリスティックスを組み込む高性能強化学習法2022

    • 著者名/発表者名
      黒江康明,飯間等
    • 学会等名
      計測自動制御学会システム情報部門講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] システムの時代にシステムを考える2022

    • 著者名/発表者名
      榊原一紀,藤井信忠,玉置久,黒江康明
    • 学会等名
      2022年電気学会電子・情報・システム部門大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [図書] Innovative Systems Approach for Facilitating Smarter World2023

    • 著者名/発表者名
      Toshiya. Kaihara, Hjime Kita, Shingo Takahashi and Motohisa Funahashi(Eds) Yasuaki Kuroe etc.
    • 総ページ数
      221
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      9789811977756
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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