適応型時間-周波数解析と機械学習を組み合わせた重力波探査法の研究

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17K05437
• 研究機関: 長岡技術科学大学
• 研究代表者: 高橋 弘毅 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (40419693)
• 研究分担者: 秋月 拓磨 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40632922)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 宇宙物理学 / 重力波天文学 / 重力波データ解析 / 時間-周波数解析 / 機械学習

研究実績の概要

令和元年度は、応用検証フェーズとして今まで開発してきた時間-周波数解析の1つである Hilbert-Huang 変換 (HHT) 解析と機械学習を組み合わせた重力波信号とノイズ識別手法について適用検討を行った。HHT解析において、重力波信号が存在している時間部分とノイズのみの部分では瞬時振幅と瞬時周波数の特徴が異なることが分かっていたが、HHTと機械学習の一種である異常検知を組み合わせた手法の構築を進め、その基礎的な部分について論文としてまとめた。
また、超新星爆発からの重力波をターゲットにしたHHT解析と機械学習の一つである深層学習を組み合わせた解析手法にいても検討を進め、論文としてまとめ投稿目前である。
さらに、超新星爆発から放射される重力波を対象とした Denoising Autoencoder によるノイズ除去についての基礎的検討を進めた。Denoising Autoenoder は、元データに人工的にノイズを加えたデータを入力として、元データを推定するように学習させたニューラル・ネットワークのことであり、音声認識における 残響抑制や移動追跡システムにおける画像処理などに応用されている。超新星爆発重力波のモデル信号に対してノイズの低減に成功しており、その成果を論文として準備中である。
令和元年度は、本研究の最終年度に当たる。研究結果を総括して、今までに得られた結果、問題点、その解決策については、国際会議「重力波データ解析会議」や論文などにて発表、さらに論文の投稿の準備をした。

研究成果

• [雑誌論文] Detection of Swimming Stroke Start Timing by Deep Learning from an Inertial Sensor (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuto Omae, Masahiro Kobayashi, Kazuki Sakai, Takuma Akiduki,Akira Shionoya, Hirotaka Takahashi
  • 雑誌名: ICIC Express Letters Part B: Applications 巻: 11 ページ: 245-251
  • DOI: https://doi.org/10.24507/icicelb.11.03.245
  • 査読あり / オープンアクセスとしている
• [雑誌論文] 単一慣性センサを用いた競泳指導サポートシステム:プロトタイプ構築とその評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高橋弘毅, 小林幹京, 大前佑斗, 酒井一樹, 秋月拓磨, 塩野谷明
  • 雑誌名: 知能と情報（日本知能情報ファジィ学会論文誌） 巻: 32 ページ: 544-549
  • DOI: https://doi.org/10.3156/jsoft.32.1_544
  • 査読あり / オープンアクセスとしている
• [雑誌論文] An arm length stabilization system for KAGRA and future gravitational-wave detectors (2020)
  • 著者名/発表者名: KAGRA Collaboration
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 37 ページ: 035004
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/ab5c95
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] First cryogenic test operation of underground km-scale gravitational-wave observatory KAGRA (2019)
  • 著者名/発表者名: KAGRA Collaboration
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 36 ページ: 165008
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/ab28a9
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Comparison of various methods to extract ringdown frequency from gravitational wave data (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Nakano, Tatsuya Narikawa, Ken-ichi Oohara, Kazuki Sakai, Hisa-aki Shinkai, Hirotaka Takahashi, Takahiro Tanaka, Nami Uchikata, Shun Yamamoto, Takahiro S. Yamamoto
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 99 ページ: 124032-1-15
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.99.124032
  • 査読あり
• [雑誌論文] A time-frequency analysis of gravitational wave signals with Non-Harmonic Analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Kenta Yanagisawa, Dongbao Jia, Shigeki Hirobayashi, Nami Uchikata, Tatsuya Narikawa, Koh Ueno, Hirotaka Takahashi, Hideyuki Tagoshi
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2019 ページ: 063F01-1-25
  • DOI: https://doi.org/10.1093/ptep/ptz043
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detecting Nonlinear and Nonstationary Properties of Post-apneic Snores using Hilbert-Huang Transform (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsuyoshi Mikami, Hirotaka Takahashi, Kazuya Yonezawa
  • 雑誌名: Biomedical Engineering: Applications, Basis and Communications 巻: 31 ページ: 1950017-1-10
  • DOI: https://doi.org/10.4015/S1016237219500170
  • 査読あり
• [雑誌論文] Feature Extraction for Gait Identification by Using Trajectory Attractors (2019)
  • 著者名/発表者名: Takuma Akiduki, Zhong Zhang, Hirotaka Takahashi
  • 雑誌名: ICIC Express Letters 巻: 13 ページ: 529-538
  • DOI: https://doi.org/10.24507/icicel.13.06.529
  • 査読あり / オープンアクセスとしている
• [雑誌論文] 相互閲覧型学習の分析支援を目的としたデータマイニングシステム (2019)
  • 著者名/発表者名: 大前佑斗, 古屋達朗, 水越一貴, 大島崇行, 榊原範久, 水落芳明, 八代一浩, 高橋弘毅
  • 雑誌名: 電子情報通信学会論文誌 D 巻: J102-D ページ: 257-266
  • DOI: https://doi.org/10.14923/transinfj.2018DEP0002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vibration isolation system with a compact damping system for power recycling mirrors of KAGRA (2019)
  • 著者名/発表者名: KAGRA Collaboration
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 36 ページ: 095015
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/ab0fcb
  • 査読あり / 国際共著/国際学会である
• [雑誌論文] Consideration of Human Motion's Individual Differences-based Feature Space Evaluation Function for Anomaly Detection (2019)
  • 著者名/発表者名: Masaya Mori, Yuto Omae, Takuma Akiduki, Hirotaka Takahashi
  • 雑誌名: International Journal of Innovative Computing, Information and Control 巻: 15 ページ: 783-791
  • DOI: https://doi.org/10.24507/ijicic.15.02.783
  • 査読あり / オープンアクセスとしている
• [雑誌論文] On Flow Rate of “UONOGAWA” from Rainfall with Tank Model (2019)
  • 著者名/発表者名: Riki Tanaka, Kenji Shirai, Hirotaka Takahashi
  • 雑誌名: ICIC Express Letters Part B: Applications 巻: 10 ページ: 327-334
  • DOI: https://doi.org/10.24507/icicelb.10.04.327
  • 査読あり / オープンアクセスとしている
• [学会発表] 深層学習を用いた突発性ノイズの原因探索に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 上島元, 苔山圭以子, 小坂井千紘, 押野翔一, 高橋弘毅, 内山隆, 山本尚弘, 横澤孝章, KAGRA collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会（春）
• [学会発表] Hilbert-Huang変換を用いた重力崩壊型超新星爆発のSASI由来の重力波解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 武田芽依, 渡邊幸伸, 平沼悠太, 根岸諒, 大原謙一, 神田展行, 黒田仰生, 固武慶, 酒井一樹, 坂井佑輔, 澤田崇広, 高橋弘毅, 滝脇知也, 土田怜, 端山和大, 横澤孝章
  • 学会等名: 日本物理学会（春）
• [学会発表] NHAによる時間周波数解析とディープラーニングを用いたノイズ環境下における重力波検出に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 布目喜裕, 長谷川昌也, 廣林茂樹, 高橋弘毅, 田越秀行
  • 学会等名: 日本物理学会（春）
• [学会発表] 避難計画立案のための鎖流アルゴリズムの検討:長岡市水道町を例に (2020)
  • 著者名/発表者名: 稲川拓海，住谷安史，高橋弘毅
  • 学会等名: 日本オペレーションズ・リサーチ学会 2019年秋季研究発表会
• [学会発表] 初等教育機関における人工知能の教育実践とパス解析によるキャリア形成評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大前佑斗, 古屋達朗, 松下将也, 水越一貴, 八代一浩, 高橋弘毅
  • 学会等名: 人工知能学会 先進的学習科学と工学研究会
• [学会発表] L2正則化を導入した直並列型 Denoising Autoencoder を用いたバースト重力波解析におけるノイズ除去の基礎的検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 林滉之, 酒井一樹, 高橋弘毅, 濱住啓之, 大前佑斗
  • 学会等名: 電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会
• [学会発表] データサイエンス・機械学習・人工知能 ～重力波物理学・天文学からスポーツ・医療支援まで～ (2019)
  • 著者名/発表者名: 高橋弘毅
  • 学会等名: 新潟県立新潟南高等学校
  • 招待講演
• [学会発表] Data Analysis of Gravitational Waves from the SASI mode in a Core Collapse Supernova with Hilbert-Huang Transform (2019)
  • 著者名/発表者名: M.Takeda, R.Negishi, Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Oohara, N.Kanda, T.Kuroda, K.Kotake, K.Sakai, Y.Sakai, T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, K.Hayama, T.Yokozawa
  • 学会等名: The 29th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan (JGRG)
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] xtraction of gravitational waves from SASI with Hilbert-Huang Transform (2019)
  • 著者名/発表者名: R.Negishi, M.Takeda, Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Oohara, N.Kanda, T.Kuroda, K.Kotake, K.Sakai, Y.Sakai, T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, K.Hayama, T.Yokozawa
  • 学会等名: The 29th Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan (JGRG)
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Data Analysis of Gravitational Waves from the SASI mode in a Core Collapse Supernova with Hilbert-Huang Transform (2019)
  • 著者名/発表者名: M.Takeda, R.Negishi, Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Oohara, N.Kanda, T.Kuroda, K.Kotake, K.Sakai, Y.Sakai, T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, K.Hayama, T.Yokozawa
  • 学会等名: Multi-dimensional Modeling and Multi-Messenger observation from Core-Collapse Supernovae (4M-COCOS)
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Extraction of gravitational waves from SASI with Hilbert-Huang Transform (2019)
  • 著者名/発表者名: R.Negishi, M.Takeda, Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Oohara, N.Kanda, T.Kuroda, K.Kotake, K.Sakai, Y.Sakai, T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, K.Hayama, T.Yokozawa
  • 学会等名: Multi-dimensional Modeling and Multi-Messenger observation from Core-Collapse Supernovae (4M-COCOS)
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Data Analysis of Gravitational Waves from the SASI mode in a Core Collapse Supernova with Hilbert-Huang Transform (2019)
  • 著者名/発表者名: M.Takeda, R.Negishi, Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Oohara, N.Kanda, T.Kuroda, K.Kotake, K.Sakai, Y.Sakai, T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, K.Hayama, T.Yokozawa
  • 学会等名: 2019 Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop (GWPAW2019)
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Extraction of gravitational waves from SASI with Hilbert-Huang Transform (2019)
  • 著者名/発表者名: R.Negishi, M.Takeda, Y.Watanabe, Y.Hiranuma, K.Oohara, N.Kanda, T.Kuroda, K.Kotake, K.Sakai, Y.Sakai, T.Sawada, H.Takahashi, T.Takiwaki, S.Tsuchida, K.Hayama, T.Yokozawa
  • 学会等名: 2019 Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop (GWPAW2019)
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Classification of Human Gait Acceleration Data using Convolutional Neural Networks (2019)
  • 著者名/発表者名: Daniel Kreuter, Hirotaka Takahashi, Yuto Omae, Takuma Akiduki, Zhang Zhong
  • 学会等名: The 14th International Conference on Innovative Computing, Information and Control (ICICIC2019)
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Multi-agent simulation approach of pedestrian flow with group walking models (2019)
  • 著者名/発表者名: Riki Tanaka, Hirotaka Takahashi
  • 学会等名: The 14th International Conference on Innovative Computing, Information and Control (ICICIC2019)
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Disaster evacuation simulation considering exchange of shelter information by SNS (2019)
  • 著者名/発表者名: Chie Uenae, Yasushi Sumitani, Hirotaka Takahashi
  • 学会等名: The 14th International Conference on Innovative Computing, Information and Control (ICICIC2019)
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Detection of Swimming Stroke Start Timing by Deep Learning from an Inertial Sensor (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuto Omae, Masahiro Kobayashi, Kazuki Sakai, Takuma Akiduki,Akira Shionoya, Hirotaka Takahashi
  • 学会等名: The 14th International Conference on Innovative Computing, Information and Control (ICICIC2019)
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] A Basic Study of Noise Reduction on the Analysis of Burst Gravitational Waves by Direct and Parallel Denoising Autoencoder (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Hayashi, Kazuki Sakai, Hiroyuki Hamazumi, Hirotaka Takahashi, Yuto Omae
  • 学会等名: The 14th International Conference on Innovative Computing, Information and Control (ICICIC2019)
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] A Study of Effects of Driver's Sleepiness on Driver's Subsidiary Behaviors (2019)
  • 著者名/発表者名: Kan Tsubowa, Takuma Akiduki, Zhang Zhong, Hirotaka Takahashi, Yuto Omae
  • 学会等名: The 14th International Conference on Innovative Computing, Information and Control (ICICIC2019)
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Utilizing cosmological post-Newtonian approximation for the PPN formalism (2019)
  • 著者名/発表者名: Masaki Morita, Hirotaka Takahashi
  • 学会等名: Inhomogeneous Cosmologies IV
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Comparison of various methods to extract ringdown frequency from gravitational wave data -Mockdata challenge of 5 methods- (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Nakano, Tatsuya Narikawa, Ken-ichi Oohara, Kazuki Sakai, Hisa-aki Shinkai, Hirotaka Takahashi, Takahiro Tanaka, Nami Uchikata, Shun Yamamoto, Takahiro S. Yamamoto
  • 学会等名: GR22/Amaldi13
  • 国際共著/国際学会である
• [学会発表] Hilbert-Huang変換を用いた重力崩壊型超新星爆発のSASI由来の重力波解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 武田芽依, 渡邊幸伸, 平沼悠太, 根岸諒, 大原謙一, 神田展行, 黒田仰生, 固武慶, 酒井一樹, 坂井佑輔, 澤田崇広, 高橋弘毅, 滝脇知也, 土田怜, 端山和大, 横澤孝章
  • 学会等名: 第48回 日本物理学会 新潟支部例会
• [学会発表] 慣性センサデータを用いた個人特徴抽出とその応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高橋弘毅, 秋月拓磨, 章忠, 大前佑斗
  • 学会等名: 第10回横幹連合コンファレンス
• [学会発表] Out-of-Bag Error 特徴量重要度評価による知的CSCLシステム Intelligent Edutab Boxの精度向上に関する検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大前佑斗, 榊原範久, 古屋達朗, 水越一貴, 大島崇行, 松下将也, 水落芳明, 八代一浩, 高橋弘毅
  • 学会等名: 人工知能学会合同研究会2019 先進的学習科学と工学研究会
• [学会発表] 体動変化を用いた運転中の注意力低下検知に関する検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 諏訪航司, 秋月拓磨, 章忠, 高橋弘毅, 大前佑斗
  • 学会等名: 第62回自動制御連合講演会
• [学会発表] Hilbert-Huang変換を用いた重力崩壊型超新星爆発のSASIモードからの重力波に対するデータ解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 武田芽依, 渡邊幸伸, 平沼悠太, 大原謙一, 神田展行, 黒田仰生, 固武慶, 酒井一樹, 坂井佑輔, 澤田崇広, 高橋弘毅, 滝脇知也, 土田怜, 端山和大, 横澤孝章
  • 学会等名: 日本物理学会（秋）
• [学会発表] KAGRAアップグレードに向けたブラックホール準固有振動解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 内潟那美, 酒井一樹, 高橋弘毅, 中野寛之, 成川達也
  • 学会等名: 日本物理学会（秋）
• [学会発表] 鎖流を用いた最速避難計画のモデルと長岡市水道町への適用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 稲川拓海，住谷安史，高橋弘毅
  • 学会等名: 日本オペレーションズ・リサーチ学会 2019年秋季研究発表会
• [学会発表] 人工知能による教師支援システムを用いた授業における教師の判断と力 量についての一検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大島崇行，古屋達朗，榊原範久，大前佑斗，水越一貴，八代一浩，髙橋弘毅，水落芳明
  • 学会等名: 日本教育工学会2019年秋季全国大会
• [学会発表] ノイズに埋もれた微小信号波形の検出への変分オートエンコーダを用いた異常検知の応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 森雅也, 中平勝子, 高橋弘毅, 田中貴浩
  • 学会等名: 第18回情報科学技術フォーラム
• [学会発表] 対面式協調学習をリアルタイムに支援する知的CSCLシステム Intelligent Edutab Box (2019)
  • 著者名/発表者名: 大前佑斗, 古屋達朗, 水越一貴, 大島崇行, 榊原範久, 水落芳明, 松下将也, 高橋弘毅, 八代一浩
  • 学会等名: 第35回ファジィシステムシンポジウム(FSS2019)
• [学会発表] 対面式協調学習における学習過程を記録・可視化するシステムの開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松下将也, 大前佑斗, 古屋達朗, 八代一浩, 水越一貴, 大島崇行, 榊原範久, 水落芳明, 高橋弘毅
  • 学会等名: 第35回ファジィシステムシンポジウム(FSS2019)
• [学会発表] ィープラーニングと単一慣性センサを用いた競泳指導サポートシステム:プロトタイプ構築 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大前佑斗, 小林幹京, 酒井一樹, 秋月拓磨, 塩野谷明, 高橋弘毅
  • 学会等名: 第35回ファジィシステムシンポジウム(FSS2019)
• [学会発表] 装着型センサを用いたドライバ状態検知システムの検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 秋月拓磨, 諏訪航司, 坪和完, 松丸剛, 章忠, 高橋弘毅, 大前佑斗, 荒川俊也
  • 学会等名: 第35回ファジィシステムシンポジウム(FSS2019)
• [学会発表] 人工知能が支援する遠隔協調学習システム (Intelligent edutab) の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 八代一浩 水落芳明, 高橋弘毅, 水越一貴, 大島崇行, 榊原範久, 古屋達朗, 大前佑斗
  • 学会等名: 情報教育シンポジウム(SSS2019)
• [学会発表] 運転動作に着目したドライバの個人性分析手法の検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 秋月拓磨，小林一夢，章忠，真下智昭，高橋弘毅
  • 学会等名: ロボティクス・メカトロニクス 講演会 2019
• [図書] New Research on Sleep and Sleep Disorders (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuyoshi Mikami, Hirotaka Takahashi, Kazuya Yonezawa
  • 総ページ数: 229
  • 出版者: Nova Science Publishers, Inc., (Hauppauge) New York
  • ISBN: 978-1-53616-882-2
• [図書] Effective Software for Gifted and Talented School Activities in K-12 Classrooms, (2019)
  • 著者名/発表者名: Tatsuro Furuya, Kazutaka Mizukoshi, Yoshiaki Mizuochi, Yuto Omae, Takayuki Oshima, Norihisa Sakakibara, Hirotaka Takahashi, Kazuhiro Yatsushiro
  • 総ページ数: 448
  • 出版者: IGI Global, Pennsylvania, USA.
  • ISBN: 978-1-7998-1400-9