JP6593519B1 - Sensor data compression system, sensor terminal, model construction device, and program - Google Patents

Sensor data compression system, sensor terminal, model construction device, and program Download PDF

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Abstract

【課題】データ分析精度の維持と通信コストの削減とを両立するセンサデータ圧縮システム、センサ端末、モデル構築装置及びプログラムを提供する。【解決手段】センサデータ圧縮システムにおいてセンサ端末は、センサデータを取得するセンサ、取得されたセンサデータの特徴量に基づいて圧縮センシングに係る圧縮比を取得する数理モデルを用いて、センサデータを圧縮比で圧縮するデータ圧縮部、データ圧縮部により圧縮されたセンサデータを送信するデータ通信部、および取得されたセンサデータと数理モデルの構築に用いられたセンサデータとの乖離度を検出する乖離度検出部、を備える。データ通信部は、検出された乖離度が閾値を超える場合、数理モデルを再構築する圧縮比モデル構築部、および圧縮比モデル構築部により再構築された数理モデルをセンサ端末に送信するモデル送信部、を備える。【選択図】図4To provide a sensor data compression system, a sensor terminal, a model construction device, and a program that achieve both maintenance of data analysis accuracy and reduction in communication cost. In a sensor data compression system, a sensor terminal compresses sensor data using a sensor that acquires sensor data and a mathematical model that acquires a compression ratio related to compression sensing based on a feature amount of the acquired sensor data. A data compression unit that compresses by ratio, a data communication unit that transmits sensor data compressed by the data compression unit, and a degree of divergence that detects the degree of divergence between the acquired sensor data and the sensor data used to construct the mathematical model A detection unit. When the detected degree of divergence exceeds a threshold, the data communication unit reconstructs the mathematical model, and a model transmission unit that transmits the mathematical model reconstructed by the compression ratio model construction unit to the sensor terminal . [Selection] Figure 4

Description

本発明は、センサデータ圧縮システム、センサ端末、モデル構築装置、およびプログラムに関する。   The present invention relates to a sensor data compression system, a sensor terminal, a model construction device, and a program.

近年、検知対象に設置したセンサ端末によりセンサデータを取得し、サーバにより当該センサデータを分析することで、検知対象に係る各種の状態を判定する技術が普及している。また、センサ端末からサーバにセンサデータを送信する際に、データ圧縮を行うことで、通信コストを削減する手法が提案されている。   2. Description of the Related Art In recent years, techniques for determining various states related to a detection target by acquiring sensor data with a sensor terminal installed on the detection target and analyzing the sensor data with a server have become widespread. In addition, a method has been proposed for reducing communication costs by performing data compression when transmitting sensor data from a sensor terminal to a server.

例えば、特許文献1には、センサ端末からサーバへ送信するセンサデータの圧縮符号化を動的に適正化するために、センサ端末とは別途に設けた情報処理装置により圧縮データから復元されたデータの統計情報に基づいて圧縮符号化情報を生成し、当該圧縮符号化情報をセンサ端末で利用する技術が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses data restored from compressed data by an information processing apparatus provided separately from the sensor terminal in order to dynamically optimize the compression encoding of sensor data transmitted from the sensor terminal to the server. A technique for generating compressed encoded information based on the statistical information and using the compressed encoded information in a sensor terminal is disclosed.

特開2016−63297号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-63297

D.L. Donoho,“Compressed sensing", IEEE Transactions onInformation Theory, vol.52, no.4, pp.1289--1306, Apr. 2006.D.L.Donoho, “Compressed sensing”, IEEE Transactions on Information Theory, vol.52, no.4, pp.1289--1306, Apr. 2006. Timothy P. Lillicrap、外7名、“Continuous controlwith deep reinforcement learning"、2015年9月5日、[Online]、[平成30年10月15日検索]、インターネット<https://arxiv.org/pdf/1509.02971.pdf>Timothy P. Lillicrap, 7 others, “Continuous control with deep reinforcement learning”, September 5, 2015, [Online], [October 15, 2018 search], Internet <https://arxiv.org/pdf /1509.02971.pdf>

しかし、特許文献1では、圧縮比の最適化については述べられておらず、また、数理モデルを用いた圧縮比の最適化や、最適な圧縮比を計算能力が低いセンサ端末側で動的に設定する手法についても議論されていない。   However, in Patent Document 1, the optimization of the compression ratio is not described, and the optimization of the compression ratio using a mathematical model or the optimal compression ratio is dynamically performed on the sensor terminal side having a low calculation capability. There is no discussion about how to set.

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、データ分析精度の維持と通信コストの削減とを両立することが可能な、新規かつ改良されたセンサデータ圧縮システム、センサ端末、モデル構築装置、およびプログラムを提供することにある。ここでデータ分析精度とは、目的に応じた分析に必要な情報量を落とさず、誤差の少ないデータ分析結果が得られる度合いである。   Therefore, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is a new and improved sensor capable of both maintaining data analysis accuracy and reducing communication costs. The object is to provide a data compression system, a sensor terminal, a model construction device, and a program. Here, the data analysis accuracy is the degree to which a data analysis result with less error can be obtained without reducing the amount of information necessary for the analysis according to the purpose.

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、センサデータを取得するセンサ、取得された前記センサデータの特徴量に基づいて圧縮センシングに係る圧縮比を取得する数理モデルを用いて、前記センサデータを前記圧縮比で圧縮するデータ圧縮部、前記データ圧縮部により圧縮された前記センサデータを送信するデータ通信部、および取得された前記センサデータと前記数理モデルの構築に用いられたセンサデータとの乖離度を検出する乖離度検出部、を備え、前記データ通信部は、検出された前記乖離度が閾値を超える場合、前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータをモデル構築装置に送信する、センサ端末と、前記センサ端末から受信した前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータを用いて前記数理モデルを再構築する圧縮比モデル構築部、および前記圧縮比モデル構築部により再構築された前記数理モデルを前記センサ端末に送信するモデル送信部、を備える、前記モデル構築装置と、から成るセンサデータ圧縮システムが提供される。   In order to solve the above-described problem, according to an aspect of the present invention, a sensor that acquires sensor data, and a mathematical model that acquires a compression ratio related to compression sensing based on a feature amount of the acquired sensor data are used. A data compression unit that compresses the sensor data at the compression ratio, a data communication unit that transmits the sensor data compressed by the data compression unit, and the acquired sensor data and the mathematical model. A divergence degree detection unit that detects a divergence degree from the sensor data, and the data communication unit models the sensor data that is not compressed by the compression ratio when the detected divergence degree exceeds a threshold value. Using a sensor terminal that is transmitted to the construction device and the sensor data that is not compressed by the compression ratio received from the sensor terminal A model construction apparatus comprising: a compression ratio model construction unit for reconstructing a mathematical model; and a model transmission unit for transmitting the mathematical model reconstructed by the compression ratio model construction unit to the sensor terminal. A sensor data compression system is provided.

また、前記数理モデルは、前記センサデータに対する前記圧縮比を、復元誤差と前記圧縮比とを含む評価指標により動的に変更するよう、機械学習手法を用いて構築された圧縮比学習モデルであり、前記圧縮比モデル構築部は、前記センサ端末から受信した前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータを用いて前記圧縮比学習モデルの再構築を行い、前記モデル送信部は、前記圧縮比モデル構築部による再構築が行われた前記圧縮比学習モデルを前記センサ端末に送信してもよい。   The mathematical model is a compression ratio learning model constructed by using a machine learning method so as to dynamically change the compression ratio for the sensor data according to an evaluation index including a restoration error and the compression ratio. The compression ratio model construction unit reconstructs the compression ratio learning model by using the sensor data that has not been compressed by the compression ratio received from the sensor terminal, and the model transmission unit performs the compression The compression ratio learning model reconstructed by the ratio model construction unit may be transmitted to the sensor terminal.

また、前記乖離度検出部は、前記圧縮比学習モデルの構築に用いられた前記センサデータを用いて構築された乖離度検出学習モデルを用いて前記乖離度を検出してもよい。   Further, the divergence degree detection unit may detect the divergence degree using a divergence degree detection learning model constructed using the sensor data used for constructing the compression ratio learning model.

また、前記モデル構築装置は、前記センサ端末から受信した前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータを用いて前記乖離度検出学習モデルを構築する乖離度検出モデル構築部、をさらに備え、前記モデル送信部は、前記乖離度検出モデル構築部により構築された前記乖離度検出学習モデルを前記センサ端末に送信してもよい。   The model construction device further includes a deviation degree detection model construction unit that constructs the deviation degree detection learning model using the sensor data that is not compressed by the compression ratio received from the sensor terminal, The model transmitting unit may transmit the deviation degree detection learning model constructed by the deviation degree detection model construction unit to the sensor terminal.

また、前記圧縮比モデル構築部は、教師あり学習の一つである回帰学習、教師なし学習、または強化学習のいずれかの手法を用いて前記圧縮比学習モデルを構築してもよい。   In addition, the compression ratio model construction unit may construct the compression ratio learning model using any one of regression learning, unsupervised learning, or reinforcement learning, which is one of supervised learning.

また、前記圧縮比モデル構築部は、前記評価指標を最適化する前記圧縮比を求め、前記センサデータを説明変数、当該センサデータに対する最適な圧縮比を目的変数とした回帰学習により前記圧縮比学習モデルを構築してもよい。   Further, the compression ratio model construction unit obtains the compression ratio for optimizing the evaluation index, and performs the compression ratio learning by regression learning using the sensor data as explanatory variables and the optimum compression ratio for the sensor data as an objective variable. You may build a model.

また、前記圧縮比モデル構築部は、前記評価指標を最適化する前記圧縮比を、ランダムサーチ、グリッドサーチ、または山登り法のいずれかにより求めてもよい。   Further, the compression ratio model construction unit may obtain the compression ratio for optimizing the evaluation index by any one of a random search, a grid search, and a hill climbing method.

また、前記圧縮比モデル構築部は、データ圧縮効率が高いほど損失が小さくなる損失関数を用いて、最適化する前記圧縮比を、誤差逆伝播法によるニューラルネットワークのパラメータ更新で求める教師なし学習により前記圧縮比学習モデルを構築してもよい。   Further, the compression ratio model construction unit uses an unsupervised learning to obtain the compression ratio to be optimized by updating the parameters of the neural network by the error back propagation method using a loss function in which the loss becomes smaller as the data compression efficiency is higher. The compression ratio learning model may be constructed.

また、前記圧縮比モデル構築部は、前記センサデータを状態、前記圧縮比を行動、データ圧縮効率を報酬として、強化学習により前記圧縮比学習モデルを構築してもよい。   Further, the compression ratio model construction unit may construct the compression ratio learning model by reinforcement learning using the sensor data as a state, the compression ratio as an action, and data compression efficiency as a reward.

また、前記圧縮比モデル構築部は、前記センサデータに係る時間領域のデータまたは周波数領域のデータを状態として強化学習を行ってもよい。   The compression ratio model construction unit may perform reinforcement learning using time-domain data or frequency-domain data related to the sensor data as a state.

また、前記圧縮比モデル構築部は、前記圧縮比の範囲を自然数Nで分割し、それぞれの代表値の圧縮比を離散値の行動として強化学習を行ってもよい。   The compression ratio model construction unit may divide the range of the compression ratio by a natural number N, and perform reinforcement learning using the compression ratio of each representative value as a discrete value action.

また、前記圧縮比モデル構築部は、前記圧縮比を連続値の行動として強化学習を行ってもよい。   Further, the compression ratio model construction unit may perform reinforcement learning using the compression ratio as a continuous value action.

また、前記圧縮比モデル構築部は、前記圧縮比または復元誤差を含む評価指標を報酬とした強化学習を行ってもよい。   In addition, the compression ratio model construction unit may perform reinforcement learning using an evaluation index including the compression ratio or a restoration error as a reward.

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、センサデータを取得するセンサと、取得された前記センサデータの特徴量に基づいて圧縮センシングに係る圧縮比を取得する数理モデルを用いて、前記センサデータを前記圧縮比で圧縮するデータ圧縮部と、前記データ圧縮部により圧縮された前記センサデータを送信するデータ通信部と、取得された前記センサデータと前記数理モデルの構築に用いられたセンサデータとの乖離度を検出する乖離度検出部と、を備え、前記データ通信部は、検出された前記乖離度が閾値を超える場合、前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータをモデル構築装置に送信し、当該センサデータを用いて再構築された前記数理モデルを受信する、センサ端末が提供される。   In order to solve the above problems, according to another aspect of the present invention, a sensor that acquires sensor data, and a mathematical function that acquires a compression ratio related to compression sensing based on a feature amount of the acquired sensor data. Using the model, a data compression unit that compresses the sensor data at the compression ratio, a data communication unit that transmits the sensor data compressed by the data compression unit, the acquired sensor data, and the mathematical model A divergence degree detecting unit that detects a divergence degree from the sensor data used for the construction, and the data communication unit is compressed by the compression ratio when the detected divergence degree exceeds a threshold value. There is provided a sensor terminal that transmits the non-sensor data to the model construction device and receives the mathematical model reconstructed using the sensor data.

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、取得したセンサデータの特徴量に基づいて圧縮センシングに係る圧縮比を取得する数理モデルを用いて前記センサデータを前記圧縮比で圧縮するセンサ端末から、前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータを受信した場合、当該センサデータを用いて前記数理モデルを再構築する圧縮比モデル構築部と、前記圧縮比モデル構築部により再構築された前記数理モデルを、ネットワークを介して接続される複数のセンサ端末のうち、少なくとも前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータの送信を行ったセンサ端末に送信するモデル送信部と、を備える、モデル構築装置が提供される。   In order to solve the above problem, according to another aspect of the present invention, the sensor data is compressed using a mathematical model that obtains a compression ratio related to compression sensing based on a feature amount of the obtained sensor data. A compression ratio model constructing unit for reconstructing the mathematical model using the sensor data when the sensor data not compressed by the compression ratio is received from a sensor terminal that compresses by the ratio; and the compression ratio model The mathematical model reconstructed by the construction unit is transmitted to a sensor terminal that has transmitted at least the sensor data not compressed by the compression ratio among a plurality of sensor terminals connected via a network. A model construction device comprising a model transmission unit is provided.

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、コンピュータを、センサデータを取得するセンサと、取得された前記センサデータの特徴量に基づいて圧縮センシングに係る圧縮比を取得する数理モデルを用いて、前記センサデータを前記圧縮比で圧縮するデータ圧縮部と、前記データ圧縮部により圧縮された前記センサデータを送信するデータ通信部と、取得された前記センサデータと前記数理モデルの構築に用いられたセンサデータとの乖離度を検出する乖離度検出部と、を備え、前記データ通信部は、検出された前記乖離度が閾値を超える場合、前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータをモデル構築装置に送信し、当該センサデータを用いて再構築された前記数理モデルを受信する、センサ端末、として機能させるためのプログラムが提供される。   In order to solve the above problem, according to another aspect of the present invention, a computer is provided with a sensor for acquiring sensor data, and a compression ratio related to compression sensing based on a feature amount of the acquired sensor data. Using a mathematical model to be acquired, a data compression unit that compresses the sensor data at the compression ratio, a data communication unit that transmits the sensor data compressed by the data compression unit, the acquired sensor data, and the A divergence degree detecting unit that detects a divergence degree from the sensor data used for constructing the mathematical model, and when the detected divergence degree exceeds a threshold, the data communication unit performs compression by the compression ratio. A sensor terminal that transmits the sensor data that has not been performed to the model construction device and receives the mathematical model reconstructed using the sensor data. Program for operating is provided.

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、コンピュータを、取得したセンサデータの特徴量に基づいて圧縮センシングに係る圧縮比を取得する数理モデルを用いて前記センサデータを前記圧縮比で圧縮するセンサ端末から、前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータを受信した場合、当該センサデータを用いて前記数理モデルを再構築する圧縮比モデル構築部と、前記圧縮比モデル構築部により再構築された前記数理モデルを、ネットワークを介して接続される複数のセンサ端末のうち、少なくとも前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータの送信を行ったセンサ端末に送信するモデル送信部と、を備える、モデル構築装置、として機能させるためのプログラムが提供される。   In order to solve the above-described problem, according to another aspect of the present invention, the sensor data is obtained using a mathematical model that obtains a compression ratio related to compression sensing based on a feature amount of the obtained sensor data. A compression ratio model constructing unit that reconstructs the mathematical model using the sensor data when the sensor data that has not been compressed by the compression ratio is received from the sensor terminal that compresses the compression ratio at the compression ratio; The sensor terminal that has transmitted the sensor data that is not compressed by at least the compression ratio among the plurality of sensor terminals connected to the mathematical model reconstructed by the compression ratio model construction unit via a network There is provided a program for functioning as a model construction device, comprising:

以上説明したように本発明によれば、データ分析精度の維持と通信コストの削減とを両立することが可能となる。   As described above, according to the present invention, it is possible to maintain both data analysis accuracy and reduce communication costs.

本発明の一実施形態に係るセンサデータ圧縮システムが適用され得る想定環境を示す図である。It is a figure which shows the assumption environment where the sensor data compression system which concerns on one Embodiment of this invention can be applied. 同実施形態に係るセンサデータ圧縮システムの構成例を示すブロック図である。It is a block diagram showing an example of composition of a sensor data compression system concerning the embodiment. 同実施形態に係る学習用センサ端末の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the sensor terminal for learning which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係るセンサ端末の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the sensor terminal which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係るデータ受信装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the data receiver which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る学習用センサ端末の処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a process of the sensor terminal for learning which concerns on the embodiment. 同実施形態に係る回帰学習による圧縮比学習モデル構築の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the compression ratio learning model construction by the regression learning which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る圧縮対象のセンサデータの一例である。It is an example of the sensor data to be compressed according to the embodiment. 同実施形態に係る図8の期間Aにおけるセンサデータの拡大図である。FIG. 9 is an enlarged view of sensor data in a period A in FIG. 8 according to the embodiment. 同実施形態に係る図8の期間Bにおけるセンサデータの拡大図である。FIG. 9 is an enlarged view of sensor data in a period B of FIG. 8 according to the embodiment. 同実施形態に係る図8の期間Aおよび期間Bにおけるそれぞれのセンサデータに係る圧縮比と圧縮後のデータサイズの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the compression ratio which concerns on each sensor data in the period A of FIG. 8, and the period B of FIG. 8 which concern on the same embodiment, and the data size after compression. 同実施形態に係る図8の期間Aおよび期間Bにおけるそれぞれのセンサデータに係る圧縮比と復元誤差率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the compression ratio which concerns on each sensor data in the period A of FIG. 8, and the period B of FIG. 8 which concern on the embodiment. 同実施形態に係る図8の期間Aおよび期間Bにおけるそれぞれのセンサデータに係る圧縮比とデータ圧縮効率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the compression ratio and data compression efficiency which concern on each sensor data in the period A and the period B of FIG. 8 which concern on the embodiment. 同実施形態に係る図8に示すセンサデータに対する最適な圧縮比の計算値と、回帰学習により構築した圧縮比学習モデルが推定した最適な圧縮比との比較を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a comparison between a calculated value of an optimal compression ratio for the sensor data shown in FIG. 8 according to the embodiment and an optimal compression ratio estimated by a compression ratio learning model constructed by regression learning. 同実施形態に係る教師なし学習による圧縮比学習モデル構築の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the compression ratio learning model construction by the unsupervised learning which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る強化学習による圧縮比学習モデル構築の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the compression ratio learning model construction by the reinforcement learning which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係るデータ圧縮・復元段階における処理の流れを示すシーケンス図である。It is a sequence diagram which shows the flow of the process in the data compression and decompression | restoration stage which concerns on the embodiment. 本発明の一実施形態に係るモデル構築装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the hardware structural example of the model construction apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 圧縮センシングを用いたデータ圧縮の概要について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline | summary of the data compression using compression sensing.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。   Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, components having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

<1.一実施形態>
<<1.1.概要>>
まず、本発明の概要について述べる。本発明はセンサデータ(以下、単に、データ、と称する場合がある)の情報量を表す指標であるスパース性(0成分が多いという性質)の度合いが変動する振動データ、映像データ、音声データ等の広帯域のデータを、エッジ側のセンサ端末で効率的に圧縮し、無線などの低帯域リンクでデータ伝送するための技術である。
<1. One Embodiment>
<< 1.1. Overview >>
First, the outline of the present invention will be described. The present invention relates to vibration data, video data, audio data, etc. in which the degree of sparsity (characteristic that there are many 0 components), which is an index indicating the amount of information of sensor data (hereinafter sometimes referred to simply as data), varies. This is a technique for efficiently compressing the broadband data at the edge-side sensor terminal and transmitting the data through a low-band link such as a radio.

ここで、上記のスパース性の度合いとは元のデータサイズに対して、元のデータを再現するのに最低限必要なデータサイズを指す。一般に同じデータサイズを有するデータであっても、データの有する情報量が多いほどスパース度は高く、データの有する情報量が少ないほどスパース度は低いといえる。   Here, the degree of sparsity refers to the minimum data size required to reproduce the original data with respect to the original data size. In general, even for data having the same data size, the sparseness is higher as the amount of information included in the data is larger, and the sparseness is lower as the information amount included in the data is smaller.

また、センサデータを収集しデータマイニングを行う場合、高精度なデータマイニングを実現するためには、一般に収集するセンサデータのデータ量を増やす必要がある。しかしながら、センサデータを送信するエッジ端末、すなわちセンサ端末は、メモリ容量やストレージ容量、計算能力などに大きな制約を有するのが一般的である。特にセンサ端末で取得したセンサデータを無線リンクで分析サーバに送る場合には、ネットワーク帯域に大きな制約が発生する。このようにデータの情報量とリソースの浪費とにはトレードオフの関係があることから、センサ端末側で効率的にデータを圧縮して、データ情報量を維持しつつ、データの送信量を削減することが求められる。   When sensor data is collected and data mining is performed, it is generally necessary to increase the amount of sensor data to be collected in order to realize highly accurate data mining. However, an edge terminal that transmits sensor data, that is, a sensor terminal generally has large restrictions on memory capacity, storage capacity, calculation capacity, and the like. In particular, when sensor data acquired by a sensor terminal is sent to the analysis server via a wireless link, a large restriction occurs on the network bandwidth. In this way, there is a trade-off relationship between the amount of data information and the waste of resources, so the data transmission amount is reduced while maintaining the data information amount by compressing the data efficiently on the sensor terminal side. It is required to do.

ここで、データ圧縮を効果的に行う手法としては、例えば、特許文献1に開示される技術が挙げられる。しかし、上述したように、特許文献1に開示される技術では、圧縮符号化情報を生成するために、センサ端末とは別途に情報処理装置を設ける必要があり、システム構築のコストが増大することが想定される。   Here, as a technique for effectively performing data compression, for example, a technique disclosed in Patent Document 1 can be cited. However, as described above, in the technique disclosed in Patent Document 1, it is necessary to provide an information processing device separately from the sensor terminal in order to generate compression-coded information, which increases the cost of system construction. Is assumed.

また、特許文献1では、圧縮比の最適化、特に数理モデルを用いた圧縮比の最適化については議論されておらず、未知のセンサデータが取得された場合には、効率の良いデータ圧縮を行うことが困難である。   Patent Document 1 does not discuss the optimization of the compression ratio, particularly the optimization of the compression ratio using a mathematical model. When unknown sensor data is acquired, efficient data compression is performed. Difficult to do.

一方、本発明の一実施形態に係るセンサデータ圧縮システムでは、サンプリング周波数が比較的高いデータや、データ転送量が大きいデータを送信する場合において、計算能力やバッテリ容量などのリソースの制約が大きいエッジ側のセンサ端末で最適な圧縮比を動的に取得し、当該圧縮比を用いてセンサデータの圧縮を行うことを特徴の一つとする。   On the other hand, in the sensor data compression system according to an embodiment of the present invention, when data having a relatively high sampling frequency or data having a large data transfer amount is transmitted, an edge having a large resource restriction such as a calculation capacity or a battery capacity is large. One of the features is that an optimal compression ratio is dynamically acquired by the sensor terminal on the side, and sensor data is compressed using the compression ratio.

この際、本発明の一実施形態に係るセンサ端末は、センサデータの情報量に応じて最適な圧縮比を動的に変更する制御を、予め構築された数理モデルを利用することで実現する。上記の制御によれば、計算能力の低いエッジ側のセンサ端末でも、軽量な処理で最適な圧縮比を設定することが可能となる。   At this time, the sensor terminal according to the embodiment of the present invention implements control for dynamically changing the optimal compression ratio according to the information amount of the sensor data by using a mathematical model constructed in advance. According to the above control, it is possible to set an optimal compression ratio with a lightweight process even at an edge side sensor terminal having a low calculation capability.

なお、ここで、ここで上記の圧縮比とは元のデータのサイズに対する圧縮後のデータのサイズの比であり、圧縮比が小さいほど圧縮後のデータサイズが小さいことを示す。また最適な圧縮比とは、データの情報量の損失を最小限にしつつ、送信するデータのサイズも最小限にできる圧縮比と定義してよい。   Here, the above-mentioned compression ratio is the ratio of the size of the data after compression to the size of the original data, and the smaller the compression ratio, the smaller the data size after compression. Further, the optimum compression ratio may be defined as a compression ratio that can minimize the size of data to be transmitted while minimizing the loss of information amount of data.

さらには、本実施形態に係るセンサデータ圧縮システムでは、未知のセンサデータをエッジ側のセンサ端末が取得した場合であっても、当該センサ端末で、数理モデルの構築時に用いられていないセンシングータと取得したセンサデータの乖離度を検出し、乖離度が閾値を超える場合には、当該乖離度が高いセンサデータを用いて数理モデルの再構築を行うことで、圧縮比設定の精度を維持することを特徴の一つとする。   Furthermore, in the sensor data compression system according to the present embodiment, even when unknown sensor data is acquired by the sensor terminal on the edge side, a sensor that is not used at the time of constructing the mathematical model in the sensor terminal The degree of deviation of the acquired sensor data is detected, and when the degree of deviation exceeds the threshold value, the accuracy of the compression ratio setting is maintained by reconstructing the mathematical model using sensor data with a high degree of deviation. Is one of the features.

上記の特徴を実現するために、本実施形態では、まずデータの情報量に応じて最適な圧縮比に逐次動的に設定するための数理モデルを予め計算能力の高い端末で構築する。なお、上記の数理モデルは、例えば、センサデータに対する圧縮比を、復元誤差率と圧縮比とを含む評価指標により動的に変更するよう、機械学習手法を用いて構築された圧縮比学習モデルであってもよい。   In order to realize the above feature, in the present embodiment, first, a mathematical model for sequentially and dynamically setting an optimal compression ratio in accordance with the amount of data information is constructed in advance by a terminal having a high calculation capability. The mathematical model is a compression ratio learning model constructed using a machine learning method so as to dynamically change the compression ratio with respect to sensor data according to an evaluation index including a restoration error rate and a compression ratio. There may be.

本実施形態では、例えば、上記のように構築された圧縮比学習モデルをエッジ側のセンサ端末に移植して動作させることにより、圧縮比の最適化を逐次センサ端末側で行う場合と比較して、センサ端末での計算コストや、ゲートウェイと制御データのオーバーヘッドを抑制することが可能である。   In the present embodiment, for example, the compression ratio learning model constructed as described above is transplanted to the edge-side sensor terminal and operated, so that the compression ratio optimization is sequentially performed on the sensor terminal side. It is possible to reduce the calculation cost at the sensor terminal and the overhead of the gateway and control data.

また、エッジ端のセンサ端末において、上記の圧縮比学習モデルを利用して、データに応じた最適な圧縮比を動的に変更することにより、データ分析精度の維持と通信コストの抑制を両立することができ、この結果、圧縮効率の高いデータ圧縮が可能となる。   In addition, the sensor terminal at the edge end uses the above compression ratio learning model to dynamically change the optimal compression ratio according to the data, thereby maintaining both data analysis accuracy and communication cost reduction. As a result, data compression with high compression efficiency becomes possible.

さらには、モデル構築に機械学習を用いた場合、一般に未知のデータに対しての推定精度は劣化するが、本実施形態では学習済みのデータと圧縮対象のデータとの乖離度を検出し、乖離度が高い場合は未知のデータとみなして、計算能力の高い端末で再学習を行いセンサ端末の学習モデルを更新することにより、最適な圧縮比の推定の精度の劣化を防止することができる。   Furthermore, when machine learning is used for model construction, the estimation accuracy for unknown data generally deteriorates, but in this embodiment, the degree of divergence between learned data and data to be compressed is detected. When the degree is high, it is regarded as unknown data, and re-learning is performed with a terminal having high calculation capability to update the learning model of the sensor terminal, thereby preventing deterioration in accuracy of estimation of the optimum compression ratio.

なお、本実施形態に係るセンサ端末によるセンサデータの圧縮には、非特許文献1に記載されるような圧縮センシング技術が用いられてよい。圧縮センシングとは、スパース性を有する高次元の信号を少ない観察から復元する手法である。圧縮センシングでは、一般に、送信側における圧縮処理の計算コストは低いが、受信側における復元処理の計算コストが高いことから、計算能力の低いエッジ側のセンサ端末によるデータ圧縮に適した技術といえる。   Note that a compression sensing technique as described in Non-Patent Document 1 may be used for compression of sensor data by the sensor terminal according to the present embodiment. Compressed sensing is a technique for restoring a high-dimensional signal having sparsity from few observations. In compression sensing, the calculation cost of the compression process on the transmission side is generally low, but the calculation cost of the restoration process on the reception side is high. Therefore, it can be said to be a technique suitable for data compression by the sensor terminal on the edge side having a low calculation capability.

ここで、圧縮センシングの概要について説明する。図19は、圧縮センシングを用いたデータ圧縮の概要について説明するための図である。例えば、図19に示すように、元のデータをX、データを圧縮する観測行列をΦ、圧縮後の観測データをYと定義した場合、圧縮後の観測データは、下記の数式(1)により表される。   Here, an outline of compressed sensing will be described. FIG. 19 is a diagram for explaining an outline of data compression using compression sensing. For example, as shown in FIG. 19, when the original data is defined as X, the observation matrix for compressing the data is defined as Φ, and the observation data after compression is defined as Y, the compressed observation data is expressed by the following formula (1). expressed.

Figure 0006593519
Figure 0006593519

ここで、元のデータXのサイズをN、圧縮後の観察データYのサイズをMとすると、観測行列ΦのサイズはM×Nとなる。本実施形態に係る圧縮センシングでは、上記M、すなわち観測行列Φの行数を変更することにより、圧縮後の観察データYに係る圧縮比M/Nを調整することが可能である。なお、非特許文献1では、圧縮比の動的な変更については議論されておらず、Mの変更による圧縮比の調整についても示唆されていない。このため、本実施形態に係る圧縮センシングは、動的な圧縮比の設定を容易に可能とする点において、非特許文献1に記載される技術と比較して優れた効果を奏するものである。   Here, if the size of the original data X is N and the size of the observation data Y after compression is M, the size of the observation matrix Φ is M × N. In the compressed sensing according to the present embodiment, it is possible to adjust the compression ratio M / N related to the observation data Y after compression by changing the M, that is, the number of rows of the observation matrix Φ. Note that Non-Patent Document 1 does not discuss dynamic change of the compression ratio, nor does it suggest adjustment of the compression ratio by changing M. For this reason, the compression sensing according to the present embodiment has an excellent effect compared to the technique described in Non-Patent Document 1 in that a dynamic compression ratio can be easily set.

続いて、圧縮センシング技術における復元について述べる。上記数式(1)においては、未知数>式の数、となることから、通常は一意な解を求めることができないが、X=Ψx、のように、元のデータXが要素に0を多く含むスパース行列xと変換行列Ψの積により表すことができるとすると、圧縮後の観察データYを完全に復元できる可能性がある。具体的には、下記の数式(2)を満たす条件の下で、xのL1ノルムを最小化する問題に帰着して求めることが可能である。   Next, the restoration in the compressed sensing technology will be described. In the above formula (1), since the unknown number> the number of formulas, a unique solution cannot usually be obtained, but the original data X contains many zeros in the element as X = Ψx. If it can be represented by the product of the sparse matrix x and the transformation matrix Ψ, there is a possibility that the observation data Y after compression can be completely restored. Specifically, it can be obtained by reducing to the problem of minimizing the L1 norm of x under the condition satisfying the following formula (2).

Figure 0006593519
Figure 0006593519

この際、求めたxを利用して、X=Ψx、を計算することにより、元のデータXを復元することが可能である。ただし、圧縮する対象データに対して十分な圧縮比が設定されない場合、復元後のデータと元のデータに誤差が生じることも想定される。このため、本実施形態では、復元誤差と圧縮比とを含む評価指標を学習に利用することで、上記の懸念を解決する。   At this time, the original data X can be restored by calculating X = Ψx using the obtained x. However, if a sufficient compression ratio is not set for the data to be compressed, it is also assumed that an error occurs between the restored data and the original data. For this reason, in this embodiment, said concern is solved by utilizing the evaluation parameter | index containing a decompression | restoration error and a compression ratio for learning.

以上、本発明の一実施形態に係る概要について述べた。以下、上記を実現する構成や当該構成により奏される効果について、より詳細に説明する。   The outline according to the embodiment of the present invention has been described above. Hereinafter, the configuration for realizing the above and the effects achieved by the configuration will be described in more detail.

<<1.2.構成>>
上述したように、本実施形態に係るセンサデータ圧縮システムは、多数のセンサ端末が設置された環境において、センサ端末側で低計算コストで設定した最適な圧縮比によりセンサデータを圧縮し、受信端末でデータを復元することを可能とする。ここで、上記の圧縮比とは、(圧縮前のデータサイズ)÷(圧縮後のデータサイズ)、により算出される指標であり、圧縮比が高い程、圧縮後のデータサイズが小さくなる。
<< 1.2. Configuration >>
As described above, the sensor data compression system according to the present embodiment compresses sensor data with an optimal compression ratio set at a low calculation cost on the sensor terminal side in an environment where a large number of sensor terminals are installed, Allows data to be restored. Here, the compression ratio is an index calculated by (data size before compression) / (data size after compression). The higher the compression ratio, the smaller the data size after compression.

なお、得られたデータに対して様々な圧縮比を設定し、それぞれにおける復元誤差や圧縮比の関係から最適な圧縮比を求めることも理論上可能であるが、一般にデータの復元処理は計算コストが高く、リソースの制約の大きいセンサ端末では膨大な処理遅延が生じる可能性あり、不向きである。また、最適化の処理をネットワークを介したサーバ側で行うことは、圧縮されない生のデータをネットワークを介してサーバに伝送する必要があり、ネットワーク帯域の浪費と処理遅延を生じさせる。   Although it is theoretically possible to set various compression ratios for the obtained data and find the optimal compression ratio from the relationship between the restoration error and compression ratio of each, the data restoration processing is generally computational cost. However, a sensor terminal with a high resource limitation and a large processing delay may occur, which is not suitable. Further, performing optimization processing on the server side via the network requires transmission of raw data that is not compressed to the server via the network, resulting in wasted network bandwidth and processing delay.

このため、本実施形態に係るセンサデータ圧縮システムでは、最適化制御を逐次エッジ側のセンサ端末で行うのではなく、予め構築された、最適な圧縮比を求める数理モデルを利用することで対応する。   For this reason, in the sensor data compression system according to the present embodiment, the optimization control is not performed sequentially at the sensor terminal on the edge side, but is handled by using a mathematical model that is built in advance and that obtains an optimal compression ratio. .

本実施形態では、センサデータの情報量による復元誤差に応じてセンサ端末において圧縮比を動的に変更してよい。例えば、データの情報量が低い場合には圧縮比を小さくし、逆に情報量が多い場合には圧縮比を高くする。ここで情報量の指標として、例えばデータのスパース性が挙げられる。同じデータサイズでも0の値が多い程スパース性は高く、逆に0以外の値が多い程スパース性は低い。このため、圧縮比を情報量と復元側での復元を考慮して動的に変えることにより、データの高圧縮比と高復元精度を両立することが可能となる。   In the present embodiment, the compression ratio may be dynamically changed in the sensor terminal in accordance with the restoration error due to the information amount of the sensor data. For example, when the information amount of data is low, the compression ratio is decreased, and conversely, when the information amount is large, the compression ratio is increased. Here, as an index of the amount of information, for example, data sparsity can be cited. Even with the same data size, the greater the value of 0, the higher the sparsity. Conversely, the greater the value other than 0, the lower the sparsity. For this reason, it is possible to achieve both a high compression ratio and high restoration accuracy of data by dynamically changing the compression ratio in consideration of the information amount and the restoration on the restoration side.

しかしながら、センサデータの圧縮を行うセンサ端末においては、最適な圧縮比を得るために解析的にスパース性を求めることや、復元誤差を求めることは計算量が膨大となるため、困難である。そこで、本実施形態では、最適な圧縮比の設定を、例えば、機械学習手法を用いて構築された数理モデルで行うことにより、解析的に最適解を求める場合と比較して高速な計算を実現し、計算能力の低いエッジ端のセンサ端末においても圧縮比の最適化を行うことを可能とする。   However, in a sensor terminal that compresses sensor data, it is difficult to analytically obtain sparsity to obtain an optimal compression ratio and to obtain a restoration error because the calculation amount is enormous. Therefore, in this embodiment, the optimal compression ratio is set using, for example, a mathematical model constructed using a machine learning method, thereby realizing high-speed calculation as compared with the case of obtaining the optimal solution analytically. However, it is possible to optimize the compression ratio even in the sensor terminal at the edge end having a low calculation capability.

また、本実施形態に係るセンサデータ圧縮システムでは、数理モデルの構築に用いられていない未知のデータがエッジ側のセンサ端末で取得された場合、当該未知データを計算能力の高い装置に伝送し、数理モデルを再構築することで最適な圧縮比の推定の精度を維持することを可能とする。   Further, in the sensor data compression system according to the present embodiment, when unknown data that is not used in the construction of the mathematical model is acquired by the sensor terminal on the edge side, the unknown data is transmitted to a device having a high calculation capability, By reconstructing the mathematical model, it is possible to maintain the accuracy of the optimal compression ratio estimation.

一般に機械学習では、学習していない未知のデータに対しての精度が悪くなるが、本実施形態ではセンサ端末で、圧縮対象のデータに対して学習済みのデータに対する乖離度を検出し、当該乖離度が高いデータを未知のデータとみなして、計算能力が高い装置で未知データの再学習を行う。また、更新された学習モデルをセンサ端末に移行し、センサ端末で最適な圧縮比の推定を行うことで精度の劣化を防止することができる。   In general, in machine learning, accuracy with respect to unknown data that has not been learned is deteriorated, but in this embodiment, the sensor terminal detects the degree of deviation of the data to be compressed from data that has been learned, and the deviation is detected. Re-learning of unknown data is performed with a device having high calculation ability by regarding high-frequency data as unknown data. In addition, it is possible to prevent deterioration in accuracy by transferring the updated learning model to the sensor terminal and estimating the optimum compression ratio at the sensor terminal.

図1は、本実施形態に係るセンサデータ圧縮システムが適用され得る想定環境を示す図である。ここでは、複数のセンサ端末70a〜70eが取得したセンサデータを無線リンクでゲートウェイ80に送信し、ゲートウェイ80を経由してデータ分析サーバ90でデータを復元してデータ分析を行う場合を想定する。また、データ圧縮の手法としては、例えば、上述した圧縮センシングを想定する。一般に、データマイニングなどを行うデータ分析サーバ90では、データ分析精度を上げるために複数のセンサ端末70a〜70eから大容量のデータ量を収集する必要がある。しかし、通常の場合、センサ端末70a〜70eにおいてバッテリを浪費し、ネットワーク側でも無線帯域の浪費やデータを蓄積するストレージを浪費してしまう可能性がある。   FIG. 1 is a diagram illustrating an assumed environment to which the sensor data compression system according to the present embodiment can be applied. Here, it is assumed that the sensor data acquired by the plurality of sensor terminals 70a to 70e is transmitted to the gateway 80 via a wireless link, and the data analysis server 90 restores the data via the gateway 80 to perform data analysis. As a data compression method, for example, the above-described compressed sensing is assumed. In general, the data analysis server 90 that performs data mining or the like needs to collect a large amount of data from a plurality of sensor terminals 70a to 70e in order to increase data analysis accuracy. However, in a normal case, the sensor terminals 70a to 70e waste a battery, and the network side may waste a wireless band and a storage for storing data.

また、一般にデータを送信元からネットワーク経由で宛先に伝送する場合、送信元に近い端末でデータ圧縮行う方が、ネットワークに流れる総データ量は少なくなるため、望ましい。特に、センサ端末70a〜70eは低帯域の無線リンクで接続されていることもあるため、送信元のセンサ端末70a〜70eにおいてデータ圧縮を行うことが通信コストの削減に対し最も効果がある。しかしながらセンサ端末70a〜70eで圧縮比の動的制御を行う場合、最適な圧縮比をリアルタイムに計算することは、解析的にスパース性を求めたり復元誤差を求めたりすることの計算量が膨大となるため、リソースの制約上、困難である場合もある。   In general, when data is transmitted from a transmission source to a destination via a network, it is preferable to perform data compression at a terminal close to the transmission source because the total amount of data flowing through the network is reduced. In particular, since the sensor terminals 70a to 70e may be connected by a low-band wireless link, data compression is most effective for reducing the communication cost in the sensor terminals 70a to 70e as the transmission sources. However, when dynamic control of the compression ratio is performed by the sensor terminals 70a to 70e, calculating the optimum compression ratio in real time requires a huge amount of calculation for analytically obtaining sparsity or obtaining a restoration error. Therefore, it may be difficult due to resource constraints.

そこで、本実施形態では、機械学習手法などを用いて構築した数理モデルを利用した最適な圧縮比設定をセンサ端末側で行う。一般に機械学習は、学習モデルを作成する際に、大きな計算リソースを要するが、構築された学習モデルを用いて推論を行う際は軽い処理で行うことができる。このため、最適な圧縮比を学習する端末は推論時に設置されるセンサ端末とは別途の端末であってもよい。   Therefore, in the present embodiment, an optimal compression ratio setting using a mathematical model constructed using a machine learning method or the like is performed on the sensor terminal side. In general, machine learning requires a large computing resource when creating a learning model, but can be performed with light processing when performing inference using the constructed learning model. For this reason, the terminal that learns the optimal compression ratio may be a terminal that is separate from the sensor terminal that is installed at the time of inference.

図2は、本実施形態に係るセンサデータ圧縮システムの構成例を示すブロック図である。本実施形態に係るセンサデータ圧縮システムは、例えば、図2に示すように、学習用センサ端末20、複数のセンサ端末30a、およびデータ受信装置40を備える。ここで、学習用センサ端末20およびセンサ端末30は、検知対象10に附随して設置される。   FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of the sensor data compression system according to the present embodiment. For example, as shown in FIG. 2, the sensor data compression system according to the present embodiment includes a learning sensor terminal 20, a plurality of sensor terminals 30 a, and a data reception device 40. Here, the sensor terminal for learning 20 and the sensor terminal 30 are attached to the detection target 10.

(検知対象10)
本実施形態に係る検知対象10は、振動、画像、音など、各種のセンサデータを取得する対象である。本実施形態に係る検知対象10は、例えば、工場に設置された各種の設備、オフィスに設置された各種の機器、また各種の建設物・建築物などであり得る。
(Detection target 10)
The detection target 10 according to the present embodiment is a target for acquiring various sensor data such as vibrations, images, and sounds. The detection target 10 according to the present embodiment may be, for example, various equipment installed in a factory, various equipment installed in an office, various constructions / buildings, and the like.

(学習用センサ端末20)
本実施形態に係る学習用センサ端末20は、最適な圧縮比を求める圧縮比学習モデル(数理モデルの一例)や、取得したセンサデータと学習データとの乖離度を求める乖離度検出学習モデルを構築する端末である。学習用センサ端末20は、本発明に係るモデル構築装置の一例である。
(Learning sensor terminal 20)
The learning sensor terminal 20 according to the present embodiment constructs a compression ratio learning model (an example of a mathematical model) for obtaining an optimal compression ratio, and a deviation degree detection learning model for obtaining a deviation degree between acquired sensor data and learning data. Terminal. The learning sensor terminal 20 is an example of a model construction device according to the present invention.

(センサ端末30)
本実施形態に係るセンサ端末30は、学習用センサ端末20が構築した圧縮比学習モデルを用いて、取得したセンサデータに対する圧縮比を設定し、当該圧縮比を用いて圧縮したセンサデータをデータ受信装置40に送信する端末である。本実施形態に係るセンサ端末30は、図2に示すように、単一の検知対象10に対し、複数設置されてもよい。
(Sensor terminal 30)
The sensor terminal 30 according to the present embodiment uses the compression ratio learning model constructed by the learning sensor terminal 20 to set a compression ratio for the acquired sensor data, and receives the sensor data compressed using the compression ratio. It is a terminal that transmits to the device 40. As shown in FIG. 2, a plurality of sensor terminals 30 according to the present embodiment may be installed for a single detection target 10.

(データ受信装置40)
本実施形態に係るデータ受信装置40は、センサ端末30が圧縮したセンサデータを受信し、必要に応じて復元する装置である。なお、本実施形態に係るデータ受信装置40は、後述する学習モデルの再構築機能や、データ分析機能をさらに有してもよい。
(Data receiving device 40)
The data receiving device 40 according to the present embodiment is a device that receives the sensor data compressed by the sensor terminal 30 and restores it as necessary. Note that the data receiving device 40 according to the present embodiment may further include a learning model restructuring function and a data analysis function described later.

続いて、本実施形態に学習用センサ端末20の構成についてより詳細に説明する。図3は、本実施形態に係る学習用センサ端末20の構成例を示すブロック図である。図3を参照すると、本実施形態に係る学習用センサ端末20は、センサ210、AD変換部220、データ前処理部230、圧縮比モデル構築部240、乖離度検出モデル構築部250、およびモデル送信部260を備える。   Next, the configuration of the learning sensor terminal 20 will be described in more detail in the present embodiment. FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of the learning sensor terminal 20 according to the present embodiment. Referring to FIG. 3, the learning sensor terminal 20 according to the present embodiment includes a sensor 210, an AD conversion unit 220, a data preprocessing unit 230, a compression ratio model construction unit 240, a deviation degree detection model construction unit 250, and model transmission. Part 260 is provided.

((センサ210))
本実施形態に係るセンサ210は、例えば、振動センサ、歪センサ、音響センサ、画像センサなどの各種のセンサであり得る。
((Sensor 210))
The sensor 210 according to the present embodiment can be various sensors such as a vibration sensor, a strain sensor, an acoustic sensor, and an image sensor, for example.

((AD変換部220))
本実施形態に係るAD変換部220は、センサ210が取得したセンサデータがアナログ信号である場合に、アナログ・デジタル変換を行う。
((AD converter 220))
The AD conversion unit 220 according to the present embodiment performs analog / digital conversion when the sensor data acquired by the sensor 210 is an analog signal.

((データ前処理部230))
本実施形態に係るデータ前処理部230は、デジタル信号に変換されたセンサデータに対し、雑音除去のフィルタリング、計測値変換、またFFT(Fast Fourier Transform:高速フーリエ変換)等の周波数変換処理を行う。
((Data preprocessing unit 230))
The data preprocessing unit 230 according to the present embodiment performs noise conversion filtering, measurement value conversion, and frequency conversion processing such as FFT (Fast Fourier Transform) on the sensor data converted into the digital signal. .

((圧縮比モデル構築部240))
本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、入力されるセンサデータの特徴量に基づいて圧縮センシングに係る圧縮比を取得する数理モデルを構築する。上記の数理モデルは、例えば、機械学習手法により構築された学習モデルであってもよい。本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、例えば、センサデータに対する圧縮比を復元誤差と圧縮比とを含む評価指標により動的に変更する圧縮比学習モデルを、教師あり学習の一つである回帰学習、教師なし学習、または強化学習などにより構築することが可能である。一方、本実施形態に係る数理モデルは、上記の例に限定されず、例えば、センサデータの特徴量と最適な圧縮比との対応を示すグラフやデータであってもよい。本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240が有する機能の詳細については別途後述する。
((Compression ratio model construction unit 240))
The compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment constructs a mathematical model that acquires a compression ratio related to compression sensing based on the feature amount of the input sensor data. The mathematical model may be a learning model constructed by a machine learning method, for example. For example, the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment uses, as one of supervised learning, a compression ratio learning model that dynamically changes the compression ratio for sensor data according to an evaluation index including a restoration error and a compression ratio. It can be constructed by some regression learning, unsupervised learning, reinforcement learning, or the like. On the other hand, the mathematical model according to the present embodiment is not limited to the above example, and may be, for example, a graph or data indicating the correspondence between the feature amount of the sensor data and the optimum compression ratio. Details of the functions of the compression ratio model construction unit 240 according to this embodiment will be described later.

((乖離度検出モデル構築部250))
本実施形態に係る乖離度検出モデル構築部250は、入力されるセンサデータと、圧縮比学習モデル(数理モデル)の構築に用いられたセンサデータ(学習データ)との乖離度を検出する乖離度検出学習モデルを構築する。この際、本実施形態に係る乖離度検出モデル構築部250は、上記学習データを用いたOne−Class SVMや、オートエンコーダなどを乖離度検出学習モデルとして構築してもよい。
((Deviation degree detection model construction unit 250))
The divergence degree detection model construction unit 250 according to the present embodiment detects the degree of divergence between the input sensor data and the sensor data (learning data) used to construct the compression ratio learning model (mathematical model). Build a detection learning model. At this time, the divergence degree detection model construction unit 250 according to the present embodiment may construct One-Class SVM using the learning data, an auto encoder, or the like as the divergence degree detection learning model.

((モデル送信部260))
本実施形態に係るモデル送信部260は、圧縮比モデル構築部240が構築した圧縮比学習モデルや、乖離度検出モデル構築部250が構築した乖離度検出学習モデルを、単一または複数のセンサ端末30に送信する。
((Model transmission unit 260))
The model transmission unit 260 according to the present embodiment uses a compression ratio learning model constructed by the compression ratio model construction unit 240 or a divergence degree detection learning model constructed by the divergence degree detection model construction unit 250 as a single or a plurality of sensor terminals. 30.

次に、本実施形態にセンサ端末30の構成についてより詳細に説明する。図4は、本実施形態に係るセンサ端末30の構成例を示すブロック図である。図4を参照すると、本実施形態に係るセンサ端末30は、センサ310、AD変換部320、データ前処理部330、乖離度検出部340、データ圧縮部350、およびデータ通信部360を備える。なお、センサ310、AD変換部320、データ前処理部330については、上述した学習用センサ端末20のセンサ210、AD変換部220、データ前処理部230と同等の機能を有してよいため、詳細な説明は省略する。   Next, the configuration of the sensor terminal 30 in this embodiment will be described in more detail. FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration example of the sensor terminal 30 according to the present embodiment. Referring to FIG. 4, the sensor terminal 30 according to the present embodiment includes a sensor 310, an AD conversion unit 320, a data preprocessing unit 330, a divergence degree detection unit 340, a data compression unit 350, and a data communication unit 360. The sensor 310, the AD conversion unit 320, and the data preprocessing unit 330 may have the same functions as the sensor 210, the AD conversion unit 220, and the data preprocessing unit 230 of the learning sensor terminal 20 described above. Detailed description is omitted.

((乖離度検出部340))
本実施形態に係る乖離度検出部340は、学習用センサ端末20の乖離度検出モデル構築部250が構築した乖離度検出学習モデルを用いて、入力されたセンサデータと、圧縮比学習モデルの構築に用いられた学習データとの乖離度を検出する。本実施形態に係る乖離度検出部340が有する機能の詳細については別途詳細に説明する。
((Deviation degree detector 340))
The divergence degree detection unit 340 according to the present embodiment uses the divergence degree detection learning model constructed by the divergence degree detection model construction unit 250 of the learning sensor terminal 20 to construct input sensor data and a compression ratio learning model. The degree of divergence from the learning data used in is detected. Details of the functions of the divergence degree detection unit 340 according to the present embodiment will be described in detail separately.

((データ圧縮部350))
本実施形態に係るデータ圧縮部350は、学習用センサ端末20の圧縮比モデル構築部240が構築した数理モデルを用いて、入力されたセンサデータに対する最適な圧縮比を取得し、当該圧縮比によるデータ圧縮を行う。
((Data compression unit 350))
The data compression unit 350 according to the present embodiment uses the mathematical model constructed by the compression ratio model construction unit 240 of the learning sensor terminal 20 to obtain an optimal compression ratio for the input sensor data, and based on the compression ratio. Perform data compression.

((データ通信部360))
本実施形態に係るデータ通信部360は、ネットワークを介して、学習用センサ端末20やデータ受信装置40とのデータ通信を行う。本実施形態に係るデータ通信部360は、例えば、データ圧縮部350が圧縮したセンサデータをデータ受信装置40に送信する。また、本実施形態に係るデータ通信部360は、例えば、乖離度検出部340が学習データとの乖離度が閾値を超えると判定したセンサデータを、データ圧縮部350による圧縮が行われていない状態で学習用センサ端末20などのモデル構築装置に送信する。本実施形態に係るデータ通信部360が有する機能の詳細については別途後述する。
((Data communication unit 360))
The data communication unit 360 according to the present embodiment performs data communication with the learning sensor terminal 20 and the data receiving device 40 via the network. For example, the data communication unit 360 according to the present embodiment transmits the sensor data compressed by the data compression unit 350 to the data reception device 40. In addition, the data communication unit 360 according to the present embodiment is, for example, a state in which the data compression unit 350 does not compress sensor data that the divergence degree detection unit 340 determines that the divergence degree from the learning data exceeds a threshold value. To the model construction device such as the learning sensor terminal 20. Details of the functions of the data communication unit 360 according to the present embodiment will be described later.

次に、本実施形態にデータ受信装置40の構成についてより詳細に説明する。図5は、本実施形態に係るデータ受信装置40の構成例を示すブロック図である。図5を参照すると、本実施形態に係るデータ受信装置40は、データ受信部410およびデータ復元部420を備える。   Next, the configuration of the data receiving device 40 according to the present embodiment will be described in more detail. FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of the data receiving device 40 according to the present embodiment. Referring to FIG. 5, the data receiving device 40 according to the present embodiment includes a data receiving unit 410 and a data restoring unit 420.

((データ受信部410))
本実施形態に係るデータ受信部410は、センサ端末30から圧縮後のセンサデータを受信する。
((Data receiving unit 410))
The data receiving unit 410 according to the present embodiment receives the compressed sensor data from the sensor terminal 30.

((データ復元部420))
本実施形態に係るデータ復元部420は、データ受信部410が受信した圧縮後のセンサデータの復元を行う。
((Data restoration unit 420))
The data restoration unit 420 according to the present embodiment restores the compressed sensor data received by the data reception unit 410.

以上、本実施形態に係るセンサデータ圧縮システムの構成について詳細に説明した。なお、図2〜図5を用いて説明した上記の構成はあくまで一例であり、本実施形態に係るセンサデータ圧縮システムの構成は係る例に限定されない。例えば、上述したように、本実施形態に係るデータ受信装置40は、学習モデルの再構築機能や、データ分析機能をさらに有してもよい。一方で、学習モデルの再構築を行うモデル構築装置は、学習用センサ端末20やデータ受信装置40とは別途に備えられてもよいし、分析機能を有する分析サーバーが別途に備えられてもよい。本実施形態に係るセンサデータ圧縮システムの構成は、仕様や運用に応じて柔軟に変形可能である。   The configuration of the sensor data compression system according to this embodiment has been described in detail above. In addition, said structure demonstrated using FIGS. 2-5 is an example to the last, and the structure of the sensor data compression system which concerns on this embodiment is not limited to the example which concerns. For example, as described above, the data receiving device 40 according to the present embodiment may further include a learning model reconstruction function and a data analysis function. On the other hand, the model construction device for reconstructing the learning model may be provided separately from the learning sensor terminal 20 and the data receiving device 40, or an analysis server having an analysis function may be provided separately. . The configuration of the sensor data compression system according to the present embodiment can be flexibly modified according to specifications and operations.

<<1.3.処理の流れ>>
次に、本実施形態に係るセンサデータ圧縮システムによる処理の流れについて詳細に説明する。本実施形態に係るセンサデータ圧縮システムにより処理は主に、最適な圧縮比を設定する数理モデルや乖離度検出学習モデルを構築するための学習段階と、未知データを検出し、当該未知データを用いて数理モデルや乖離度検出学習モデルの再構築を行ったり、学習段階で構築した数理モデルを用いてデータ圧縮を行うデータ圧縮・復元段階から成る。
<< 1.3. Process flow >>
Next, the flow of processing by the sensor data compression system according to this embodiment will be described in detail. The processing by the sensor data compression system according to the present embodiment mainly includes a learning stage for constructing a mathematical model and a deviation degree detection learning model for setting an optimal compression ratio, and detecting unknown data and using the unknown data This includes a data compression / decompression stage in which a mathematical model and a deviation detection learning model are reconstructed, and data compression is performed using a mathematical model constructed in the learning stage.

まず、本実施形態に係る学習段階の流れについて説明する。図6は、本実施形態に係る学習段階における学習用センサ端末20の処理の流れを示すフローチャートである。なお、以下では、学習用センサ端末20が数理モデルの一例として、機械学習手法により圧縮比学習モデルを構築する場合を例に説明する。   First, the flow of the learning stage according to the present embodiment will be described. FIG. 6 is a flowchart showing a process flow of the learning sensor terminal 20 in the learning stage according to the present embodiment. In the following, a case where the learning sensor terminal 20 constructs a compression ratio learning model by a machine learning method will be described as an example of a mathematical model.

図6を参照すると、まず、学習用センサ端末20のセンサ210がセンサデータを取得し、AD変換部220が、当該センサデータに対するアナログ・デジタル変換を行う(S1101)。   Referring to FIG. 6, first, the sensor 210 of the learning sensor terminal 20 acquires sensor data, and the AD conversion unit 220 performs analog / digital conversion on the sensor data (S1101).

次に、データ前処理部230は、ステップS1101において得られたデジタル信号に対し、雑音除去のためのフィルタリング処理や、所定時間ごとに時系列データを周波数データに変換するためのFFT処理などの前処理を行う(S1102)。なお、データ前処理部230は、FFT処理に代えてウェーブレット変換処理などを行ってもよい。   Next, the data preprocessing unit 230 performs preprocessing such as filtering processing for noise removal on the digital signal obtained in step S1101 and FFT processing for converting time-series data into frequency data every predetermined time. Processing is performed (S1102). Note that the data preprocessing unit 230 may perform wavelet transform processing instead of the FFT processing.

次に、圧縮比モデル構築部240は、ステップS1102において前処理が施されたセンサデータを用いて、圧縮比学習モデルの構築を行う。この際、本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、回帰学習、教師なし学習、または強化学習のうちいずれかの手法を用いて圧縮比学習モデルを構築してよい。   Next, the compression ratio model construction unit 240 constructs a compression ratio learning model using the sensor data preprocessed in step S1102. At this time, the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment may construct a compression ratio learning model using any one of regression learning, unsupervised learning, or reinforcement learning.

回帰学習を採用する場合(S1103:回帰学習)、本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、センサデータに対し、評価指標が最適となる圧縮比を探索的に求め、ニューラルネットワークなどを利用した回帰分析手法によりセンサデータと当該センサデータに対する最適な圧縮比との関係を学習する。   When regression learning is employed (S1103: regression learning), the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment searches for the compression ratio that optimizes the evaluation index for the sensor data, and uses a neural network or the like. The relationship between the sensor data and the optimum compression ratio for the sensor data is learned by the regression analysis method.

この際、本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、評価指標を最適化する圧縮比を、例えば、ランダムサーチやグリッドサーチ、山登り法などにより求める(S1104)。   At this time, the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment obtains a compression ratio for optimizing the evaluation index by, for example, a random search, a grid search, a hill climbing method, or the like (S1104).

次に、本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、センサデータを説明変数、ステップS1104において求めた当該センサデータに対する最適な圧縮比を目的変数とした回帰学習により圧縮比学習モデルを構築する(S1105)。   Next, the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment constructs a compression ratio learning model by regression learning using sensor data as explanatory variables and the optimal compression ratio for the sensor data obtained in step S1104 as an objective variable. (S1105).

上記のような回帰学習によれば、圧縮効率が最適となる圧縮比を厳密に求めてから学習することが可能である。   According to the regression learning as described above, it is possible to learn after strictly obtaining the compression ratio at which the compression efficiency is optimal.

一方、教師なし学習を採用する場合(S1103:教師なし学習)、本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、上記の回帰学習の場合とは異なり、センサデータのみを用いて学習を行う。この際、本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、圧縮効率が高いほど損失が小さくなる損失関数を設定し、またセンサデータを入力、圧縮比を出力としたうえで損失が最小となるように教師なし学習を行う(S1106)。すなわち、本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、最適化する圧縮比を、誤差逆伝播法によるニューラルネットワークのパラメータ更新で求めることにより圧縮比学習モデルを構築する。   On the other hand, when unsupervised learning is employed (S1103: unsupervised learning), the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment performs learning using only sensor data, unlike the above-described regression learning. At this time, the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment sets a loss function in which the loss becomes smaller as the compression efficiency is higher, and the loss is minimized when the sensor data is input and the compression ratio is output. Thus, unsupervised learning is performed (S1106). That is, the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment constructs a compression ratio learning model by obtaining a compression ratio to be optimized by updating the parameters of the neural network by the error back propagation method.

上記のような教師なし学習によれば、回帰学習のように最適な圧縮比を明示的に求めることなく、センサデータから直接当該圧縮比を推定可能であり、計算量を低減することが可能である。   According to the unsupervised learning as described above, the compression ratio can be estimated directly from the sensor data without explicitly obtaining the optimum compression ratio as in regression learning, and the calculation amount can be reduced. is there.

他方、強化学習を採用する場合(S1103:強化学習)、本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、評価指標が最適となる圧縮比を厳密に求めずに、試行錯誤の下、センサデータに対する最適な圧縮比を学習する。   On the other hand, when the reinforcement learning is employed (S1103: reinforcement learning), the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment does not strictly determine the compression ratio at which the evaluation index is optimal, and performs sensor data under trial and error. Learn the optimal compression ratio for.

この際、本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、センサデータを状態、圧縮比および復元誤差から定義されるデータ圧縮効率などを報酬として、強化学習により圧縮比学習モデルを構築する(S1107)。   At this time, the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment constructs a compression ratio learning model by reinforcement learning using the sensor data as a reward, such as data compression efficiency defined from the state, the compression ratio, and the restoration error (S1107). ).

上記のような強化学習によれば、回帰学習のように厳密な圧縮比を求めずとも、試行錯誤的に圧縮比を変えて学習することで、次第に最適な圧縮比に収束することが期待される。一方で、強化学習を採用する場合、回帰学習と比べ、学習に時間を要する可能性も想定される。   According to reinforcement learning as described above, it is expected to gradually converge to an optimal compression ratio by learning by changing the compression ratio by trial and error without obtaining a strict compression ratio as in regression learning. The On the other hand, when reinforcement learning is adopted, there is a possibility that learning may take time compared to regression learning.

次に、本実施形態に係る乖離度検出モデル構築部250は、上記に示したいずれかの手法による圧縮比学習モデルの構築に利用したセンサデータ(学習データ)を用いて、乖離度検出学習モデルを構築する(S1108)。この際、本実施形態に係る乖離度検出モデル構築部250は、上記学習データを用いたOne−Class SVMや、オートエンコーダなどを乖離度検出学習モデルとして構築してもよい。   Next, the divergence degree detection model construction unit 250 according to the present embodiment uses the sensor data (learning data) used for the construction of the compression ratio learning model by any of the methods described above, and uses the divergence degree detection learning model. Is constructed (S1108). At this time, the divergence degree detection model construction unit 250 according to the present embodiment may construct One-Class SVM using the learning data, an auto encoder, or the like as the divergence degree detection learning model.

次に、本実施形態に係るモデル送信部260は、構築された圧縮比学習モデルおよび乖離度検出学習モデルをセンサ端末に送信し(S1109)、処理を終了する。   Next, the model transmission unit 260 according to the present embodiment transmits the constructed compression ratio learning model and the deviation degree detection learning model to the sensor terminal (S1109), and ends the process.

以上、図6を用いて、本実施形態に係る学習段階の流れについて説明した。続いて、本実施形態に係る学習手法について、より詳細に説明する。   The flow of the learning stage according to the present embodiment has been described above using FIG. Subsequently, the learning method according to the present embodiment will be described in more detail.

まず、本実施形態に係る回帰学習による圧縮比学習モデルの構築について、より詳細に述べる。図7は、本実施形態に係る回帰学習による圧縮比学習モデル構築の概要を示す図である。本実施形態に係る回帰学習では、まず、センサデータを収集し、AD変換および前処理を施すことにより、圧縮するセンサデータのサンプルを複数抽出する。次に、評価指標として、圧縮比と復元誤差とを要素して含むデータ圧縮効率を設定する。   First, the construction of a compression ratio learning model by regression learning according to this embodiment will be described in more detail. FIG. 7 is a diagram showing an outline of the compression ratio learning model construction by regression learning according to the present embodiment. In the regression learning according to the present embodiment, first, sensor data is collected, and a plurality of samples of sensor data to be compressed are extracted by performing AD conversion and preprocessing. Next, the data compression efficiency including the compression ratio and the restoration error as elements is set as an evaluation index.

本実施形態に係るデータ圧縮効率は、例えば、下記の数式(3)や数式(4)のように設定されてもよい。

圧縮効率=圧縮比×(−α)+復元誤差×(−β)(ただし、α>0、β>0)
・・・(3)
圧縮効率=1/(圧縮比のα乗)/(復元誤差のβ乗)(ただし、α>0、β>0)
・・・(4)
The data compression efficiency according to the present embodiment may be set, for example, as in the following formula (3) or formula (4).

Compression efficiency = compression ratio × (−α) + restoration error × (−β) (where α> 0, β> 0)
... (3)
Compression efficiency = 1 / (compression ratio to the power of α) / (restoration error to the power of β) (where α> 0, β> 0)
... (4)

ここで、上記の復元誤差とは、例えば、圧縮前のデータと復元後のデータの誤差を示し、例えば、平均二乗誤差などであってもよい。また、αおよびβはそれぞれ、圧縮比および復元誤差の重みを示し、値が大きいほど重みが大きくなり、重要視される。すなわち、本実施形態に係るデータ圧縮効率は、圧縮比が低いほど、また復元誤差が小さいほど高くなる指標である。   Here, the restoration error indicates, for example, an error between data before compression and data after restoration, and may be, for example, a mean square error. In addition, α and β respectively indicate the compression ratio and the weight of the restoration error, and the larger the value, the greater the weight and is regarded as important. That is, the data compression efficiency according to the present embodiment is an index that increases as the compression ratio is lower and as the restoration error is smaller.

この際、本実施形態に係る回帰学習では、圧縮比を小さい値から変化させていき、上記のデータ圧縮効率が最高となる圧縮比を最適な圧縮比として定義する。   At this time, in the regression learning according to the present embodiment, the compression ratio is changed from a small value, and the compression ratio that maximizes the data compression efficiency is defined as the optimum compression ratio.

ここで、センサデータの具体例を挙げながら説明を行う。図8は、本実施形態に係る圧縮対象のセンサデータの一例である。また、図9および図10は、それぞれ図8における期間Aおよび期間Bにおけるセンサデータの拡大図である。なお、ここで、期間Aは時刻taからta´までの期間を、期間Bは時刻tbからtb´までの期間をそれぞれ示す。   Here, a description will be given with a specific example of sensor data. FIG. 8 is an example of sensor data to be compressed according to the present embodiment. 9 and 10 are enlarged views of sensor data in period A and period B in FIG. 8, respectively. Here, period A indicates a period from time ta to ta ′, and period B indicates a period from time tb to tb ′.

また、図11は、期間Aおよび期間Bにおけるそれぞれのセンサデータに係る圧縮比と圧縮後のデータサイズの関係を示す図である。また、図12は、期間Aおよび期間Bにおけるそれぞれのセンサデータに係る圧縮比と復元誤差率の関係を示す図である。また、図13は、期間Aおよび期間Bにおけるそれぞれのセンサデータに係る圧縮比とデータ圧縮効率の関係を示す図である。なお、図12に示す復元誤差率は復元誤差の平均二乗誤差を振幅の標準偏差で割った値であり、またαおよびβは、それぞれ、α=1、β=5とした。   FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the compression ratios related to the respective sensor data in the period A and the period B and the data size after compression. FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the compression ratio and the restoration error rate related to the respective sensor data in the period A and the period B. FIG. 13 is a diagram illustrating the relationship between the compression ratio and the data compression efficiency relating to the respective sensor data in the period A and the period B. The restoration error rate shown in FIG. 12 is a value obtained by dividing the mean square error of the restoration error by the standard deviation of the amplitude, and α and β are α = 1 and β = 5, respectively.

ここで、図11を参照すると、期間Aおよび期間Bにおけるそれぞれのセンサデータは、データの内容にかかわらず圧縮比に比例して圧縮後のデータサイズが大きくなっていることがわかる。また、図12を参照すると、圧縮比が高くなると、期間Aおよび期間Bにおけるそれぞれのセンサデータの復元誤差率は大きくなるが、同じ圧縮比であっても、期間Aおよび期間Bにおいて、復元誤差率の大きさが異なっていることがわかる。   Here, referring to FIG. 11, it can be seen that the respective sensor data in the period A and the period B have a data size after compression that is proportional to the compression ratio regardless of the contents of the data. Referring to FIG. 12, when the compression ratio increases, the restoration error rate of each sensor data in the period A and the period B increases. However, even in the same compression ratio, the restoration error in the period A and the period B. It can be seen that the rates are different.

この結果、図13に示すように、期間Aおよび期間Bのそれぞれのセンサデータは、圧縮比がある一定の値まで高くなると圧縮効率は向上するが、当該一定の値を超えるとデータ圧縮効率が減少することとなる。また期間Aと期間Bのそれぞれのセンサデータでデータ圧縮効率が最も高くなる圧縮比は異なり、センサデータに応じて最適な圧縮比を設定する必要があることが分かる。   As a result, as shown in FIG. 13, the compression efficiency of each sensor data in the period A and the period B is improved when the compression ratio increases to a certain value, but when the certain ratio is exceeded, the data compression efficiency is increased. Will decrease. Further, it can be seen that the compression ratio at which the data compression efficiency becomes highest in each of the sensor data in the period A and the period B is different, and it is necessary to set an optimum compression ratio according to the sensor data.

このことから、本実施形態に係る回帰学習では、あるデータに対する最適な圧縮比を、ランダムサーチ、グリッドサーチ、山登り法などにより求め、圧縮対象とするセンサデータを説明変数、当該センサデータに対する最適な圧縮比を目的変数として学習を行う。この際、本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、LSTM(Long Short−Term Memory)やCNN(Convolutional Neural Network)などの深層学習を採用した回帰学習を行ってもよい。   Therefore, in the regression learning according to the present embodiment, an optimal compression ratio for a certain data is obtained by random search, grid search, hill climbing method, etc., and sensor data to be compressed is an explanatory variable, and the optimal compression for the sensor data. Learning with the compression ratio as the objective variable. At this time, the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment may perform regression learning using deep learning such as LSTM (Long Short-Term Memory) and CNN (Convolutional Neural Network).

図14は、図8に示すセンサデータに対する最適な圧縮比の計算値と、回帰学習により構築した圧縮比学習モデルが推定した最適な圧縮比との比較を示す図である。図14の上段には、図8に示す圧縮対象のセンサデータに対して、グリッドサーチにより求めた最適な圧縮比が時系列に示されている。また、図14の下段には、図8に示す圧縮対象のセンサデータを入力とした際に圧縮学習モデルが推定した最適な圧縮比が時系列に示されている。   FIG. 14 is a diagram showing a comparison between the calculated value of the optimum compression ratio for the sensor data shown in FIG. 8 and the optimum compression ratio estimated by the compression ratio learning model constructed by regression learning. In the upper part of FIG. 14, the optimum compression ratio obtained by grid search for the sensor data to be compressed shown in FIG. 8 is shown in time series. In the lower part of FIG. 14, the optimal compression ratio estimated by the compression learning model when the sensor data to be compressed shown in FIG. 8 is input is shown in time series.

ここで、両者を比較すると、圧縮比は、ほぼ一致していることがわかる。このように、本実施形態に係る回帰学習により構築した圧縮比学習モデルによれば、入力されるセンサデータに対する最適な圧縮比を精度高く推定することが可能である。   Here, when both are compared, it turns out that the compression ratio is substantially in agreement. Thus, according to the compression ratio learning model constructed by the regression learning according to the present embodiment, it is possible to accurately estimate the optimal compression ratio for the input sensor data.

次に、本実施形態に係る教師なし学習による圧縮比学習モデルの構築について詳細に述べる。図15は、本実施形態に係る教師なし学習による圧縮比学習モデル構築の概要を示す図である。   Next, the construction of a compression ratio learning model by unsupervised learning according to this embodiment will be described in detail. FIG. 15 is a diagram showing an outline of the compression ratio learning model construction by unsupervised learning according to the present embodiment.

本実施形態に係る教師なし学習による圧縮比学習モデルの構築は、上述した回帰学習のようにセンサデータに対する最適な圧縮比を予め求めず、最適な圧縮比で損失が最小となるように損失関数を設定することで、センサデータから直接最適な圧縮比を求める手法である。   The construction of the compression ratio learning model by unsupervised learning according to the present embodiment does not obtain the optimal compression ratio for the sensor data in advance as in the above-described regression learning, and the loss function so that the loss is minimized at the optimal compression ratio. This is a method for obtaining an optimal compression ratio directly from sensor data.

この際、損失関数は、例えば、上記の数式(3)や数式(4)に示したデータ圧縮効率の逆数をとるなどして、データ圧縮効率が高いほど損失が小さくなるように設定される。   At this time, the loss function is set so that the loss becomes smaller as the data compression efficiency is higher, for example, by taking the reciprocal of the data compression efficiency shown in the above formulas (3) and (4).

本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、上記のように設定した損失関数を用いて、ニューラルネットワークの出力に対し、損失関数が最小化されるように誤差逆伝搬法によるパラメータ更新の学習を行う。このような学習によれば、入力されるセンサデータに対して、ニューラルネットワークから出力される最適な圧縮比が収束し、予め最適な圧縮比を求めずとも、圧縮比学習モデルを構築することが可能である。   The compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment uses the loss function set as described above to learn parameter update by the error back propagation method so that the loss function is minimized with respect to the output of the neural network. I do. According to such learning, the optimum compression ratio output from the neural network converges on the input sensor data, and a compression ratio learning model can be constructed without obtaining the optimum compression ratio in advance. Is possible.

次に、本実施形態に係る強化学習による圧縮比学習モデルの構築について詳細に述べる。図16は、本実施形態に係る強化学習による圧縮比学習モデル構築の概要を示す図である。強化学習では、長期的な目標を示す数値を最大化するようなシステムを制御する学習を行う。   Next, the construction of a compression ratio learning model by reinforcement learning according to this embodiment will be described in detail. FIG. 16 is a diagram showing an outline of the compression ratio learning model construction by reinforcement learning according to the present embodiment. In reinforcement learning, learning is performed to control a system that maximizes a numerical value indicating a long-term goal.

この際、本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、図16に示すように、センサデータを状態、圧縮比を行動、上記の数式(3)や数式(4)のように設定された圧縮効率を報酬とした強化学習を行ってもよい。   At this time, as shown in FIG. 16, the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment sets the sensor data as the state, the compression ratio as the action, and is set as in the above formulas (3) and (4). Reinforcement learning with compression efficiency as a reward may be performed.

より具体的には、本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、センサデータに係る時間領域のデータまたは周波数領域のデータを状態としてもよい。   More specifically, the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment may use time domain data or frequency domain data related to sensor data as a state.

また、本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、行動に対応する圧縮比を離散値または連続値として扱ってよい。この際、圧縮比モデル構築部240は、圧縮比を離散値としてみなす場合には、例えば、Deep−Q−Network(DQN)などの深層強化学習手法を、圧縮比を連続値としてみなす場合には、例えば、非特許文献2に記載されるようなDeep Deterministic Policy Gradient(DDPG)などの深層強化学習手法を採用してもよい。上記のような深層強化学習手法を利用することで、状態数が無数に近い場合であっても近似により最適な行動(圧縮比)を求めることが可能となる。   Further, the compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment may treat the compression ratio corresponding to the action as a discrete value or a continuous value. At this time, when the compression ratio model construction unit 240 regards the compression ratio as a discrete value, for example, when the deep reinforcement learning method such as Deep-Q-Network (DQN) is regarded as a continuous value, For example, a deep reinforcement learning method such as Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) as described in Non-Patent Document 2 may be adopted. By using the deep reinforcement learning method as described above, it is possible to obtain an optimum action (compression ratio) by approximation even when the number of states is close to an infinite number.

より具体的には、圧縮比を離散値として扱う場合、圧縮比モデル構築部240は、圧縮比の取り得る範囲を自然数Nで分割し、それぞれの代表値の圧縮比を離散値の行動として強化学習を行ってもよい。例えば、圧縮比の取り得る範囲が0.1〜0.9である場合において5分割を行うと、それぞれの代表値の圧縮比は、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9となり得る。   More specifically, when the compression ratio is handled as a discrete value, the compression ratio model construction unit 240 divides the possible range of the compression ratio by a natural number N and strengthens the compression ratio of each representative value as a discrete value action. You may learn. For example, when the range that the compression ratio can take is 0.1 to 0.9, when the five division is performed, the compression ratio of each representative value is 0.1, 0.3, 0.5, 0.7 0.9.

一方、圧縮比を連続値としてみなす場合、圧縮比モデル構築部240は、圧縮比の取り得る範囲の中から抽出した任意の値を行動として強化学習を行う。   On the other hand, when the compression ratio is regarded as a continuous value, the compression ratio model construction unit 240 performs reinforcement learning using an arbitrary value extracted from a possible range of the compression ratio as an action.

また、本実施形態に係る報酬は、図16に示すようなデータ圧縮効率に限定されず、柔軟に変更可能である。本実施形態に係る圧縮比モデル構築部240は、例えば、圧縮比(データ送信量)または復元誤差を含む評価指標を報酬とした強化学習を行うことも可能である。   Further, the reward according to the present embodiment is not limited to the data compression efficiency as shown in FIG. 16, and can be changed flexibly. The compression ratio model construction unit 240 according to the present embodiment can also perform reinforcement learning using an evaluation index including a compression ratio (data transmission amount) or a restoration error as a reward, for example.

以上、本実施形態に係る学習段階の流れ、および学習手法について詳細に説明した。次に、本実施形態に係るデータ圧縮・復元段階の流れについて詳細に説明する。本実施形態に係るデータ圧縮・復元段階では、学習段階で構築した圧縮比学習モデルを用いてセンサ端末30によるセンサデータの圧縮が行われる。   The learning stage flow and learning method according to the present embodiment have been described in detail above. Next, the flow of the data compression / decompression stage according to the present embodiment will be described in detail. In the data compression / decompression stage according to the present embodiment, the sensor data is compressed by the sensor terminal 30 using the compression ratio learning model constructed in the learning stage.

しかし、ここで、学習段階で圧縮比学習モデルの学習に用いられなかったタイプのセンサデータがセンサデータとして取得された場合、当該センサデータに対しては正しく圧縮比が設定できない可能性が生じる。このため、本実施形態に係るセンサデータ圧縮システムは、データ圧縮・復元段階において、圧縮比学習モデルの構築時に学習データとして用いられていない未知データが検出された場合、学習用センサ端末20や別途のサーバなどにより実現されるモデル構築装置により当該未知データを用いた圧縮比学習モデルの再学習を行い、再学習した圧縮比学習モデルをセンサ端末30に適用すること、を特徴の一つとする。   However, if sensor data of a type that was not used for learning the compression ratio learning model at the learning stage is acquired as sensor data, there is a possibility that the compression ratio cannot be set correctly for the sensor data. Therefore, in the sensor data compression system according to the present embodiment, when unknown data that is not used as learning data is detected at the time of constructing the compression ratio learning model in the data compression / decompression stage, the learning sensor terminal 20 or a separate sensor data compression system is separately provided. One of the features is that the compression ratio learning model using the unknown data is re-learned by a model construction apparatus realized by a server or the like, and the re-learned compression ratio learning model is applied to the sensor terminal 30.

図17は、本実施形態に係るデータ圧縮・復元段階における処理の流れを示すシーケンス図である。なお、図17においては、本実施形態に係る学習用センサ端末20がモデル構築装置として、学習モデルの再学習を行う場合の一例が示されている。   FIG. 17 is a sequence diagram showing a flow of processing in the data compression / decompression stage according to the present embodiment. FIG. 17 shows an example in which the learning sensor terminal 20 according to the present embodiment performs relearning of a learning model as a model construction device.

図17を参照すると、まず、センサ端末30のセンサ310によるセンサデータの取得と、AD変換部320によるアナログ・デジタル変換が実行される(S2101)。   Referring to FIG. 17, first, acquisition of sensor data by the sensor 310 of the sensor terminal 30 and analog / digital conversion by the AD conversion unit 320 are executed (S2101).

次に、データ前処理部330は、周波数データへの変化などの前処理を実行する(S2202)。   Next, the data preprocessing unit 330 performs preprocessing such as a change to frequency data (S2202).

次に、本実施形態に係る乖離度検出部340は、図6に示したステップS1108において構築された乖離度検出学習モデルを用いて、取得されたセンサデータと、現在適用されている圧縮比学習モデルの構築に用いられた学習データとの乖離度を検出する(S2103)。   Next, the divergence degree detection unit 340 according to the present embodiment uses the divergence degree detection learning model constructed in step S1108 shown in FIG. 6 to acquire the acquired sensor data and the currently applied compression ratio learning. The degree of deviation from the learning data used to construct the model is detected (S2103).

ここで、ステップS2103において検出された乖離度が閾値を超える場合、本実施形態に係るデータ通信部360は、圧縮比学習モデルを用いた圧縮が行われてないセンサデータを学習用センサ端末20に送信する(S2104)。   Here, when the divergence degree detected in step S2103 exceeds the threshold value, the data communication unit 360 according to the present embodiment supplies sensor data that is not compressed using the compression ratio learning model to the learning sensor terminal 20. Transmit (S2104).

続いて、学習用センサ端末20の圧縮比モデル構築部240および乖離度検出モデル構築部250は、ステップS2104において受信したセンサデータを用いて、それぞれ圧縮比モデルおよび乖離度検出学習モデルの再学習(再構築)を行う(S2105)。   Subsequently, the compression ratio model construction unit 240 and the deviation degree detection model construction unit 250 of the learning sensor terminal 20 use the sensor data received in step S2104 to relearn the compression ratio model and the deviation degree detection learning model ( Reconstruction) is performed (S2105).

続いて、学習用センサ端末のモデル送信部260が、ステップS2105において再学習された圧縮比モデルおよび乖離度検出学習モデルをセンサ端末30に送信する(S2106)。   Subsequently, the model transmission unit 260 of the learning sensor terminal transmits the compression ratio model and the deviation degree detection learning model re-learned in step S2105 to the sensor terminal 30 (S2106).

上記のような処理によれば、未知のデータが取得され得る環境であっても、都度学習モデルの再構築を行うことで、圧縮比設定の精度を維持し続けることが可能となる。なお、この際、本実施形態に係るモデル送信部260は、ネットワークを介して接続される複数のセンサ端末30のうち、少なくともステップS2104においてセンサデータの送信を行ったセンサ端末30に再構築した学習モデルの送信を行ってよい。   According to the above processing, even in an environment where unknown data can be acquired, the accuracy of the compression ratio setting can be maintained by reconstructing the learning model each time. At this time, the model transmission unit 260 according to the present embodiment learns the reconstructed sensor terminal 30 that transmitted the sensor data at least in step S2104 among the plurality of sensor terminals 30 connected via the network. You may send a model.

また、モデル送信部260は、ステップS2104においてセンサデータの送信を行ったセンサ端末30と同一の検知対象10に附随して設置される他のセンサ端末30や、類似する特性を有する他の検知対象10に附随して設置される他のセンサ端末30が存在する場合には、複数のセンサ端末30に再構築された学習モデルを送信してもよい。上記のような処理によれば、複数のセンサ端末30による圧縮比設定の精度を効率良く維持することが可能である。   In addition, the model transmission unit 260 is connected to the same detection target 10 as the sensor terminal 30 that transmitted the sensor data in step S2104, or another detection target having similar characteristics. 10 may be transmitted to the plurality of sensor terminals 30 when there is another sensor terminal 30 installed in association with the sensor terminal 30. According to the processing as described above, it is possible to efficiently maintain the accuracy of the compression ratio setting by the plurality of sensor terminals 30.

一方、ステップS2103において検出された乖離度が閾値以下である場合、データ圧縮部350は、学習段階において学習用センサ端末20から送信された圧縮比学習モデルを用いてセンサデータに対する最適な圧縮比を取得し(S2107)、また当該圧縮比によるセンサデータの圧縮を実行する(S2108)。   On the other hand, when the divergence detected in step S2103 is equal to or smaller than the threshold, the data compression unit 350 uses the compression ratio learning model transmitted from the learning sensor terminal 20 in the learning stage to calculate the optimum compression ratio for the sensor data. Acquired (S2107), and compresses the sensor data by the compression ratio (S2108).

次に、データ通信部360は、ステップS2108において圧縮されたセンサデータをデータ受信装置40に送信する(S2109)。   Next, the data communication unit 360 transmits the sensor data compressed in step S2108 to the data receiving device 40 (S2109).

続いて、データ受信装置40のデータ復元部420が、ステップS2109において、データ受信部410が受信したセンサデータの復元を実行する(S2110)。なお、この際、データ復元部420は、元のデータサイズと圧縮後のデータサイズを把握する必要があることから、データ通信部360は、ステップS2109において、圧縮されたセンサデータと共に、上記のようなデータサイズに係る情報をデータ受信装置40に送信してよい。   Subsequently, the data restoration unit 420 of the data reception device 40 restores the sensor data received by the data reception unit 410 in step S2109 (S2110). At this time, since the data restoration unit 420 needs to grasp the original data size and the compressed data size, the data communication unit 360, as described above, together with the compressed sensor data in step S2109. Information related to the appropriate data size may be transmitted to the data receiving device 40.

<2.ハードウェア構成例>
次に、本発明の一実施形態に係るモデル構築装置が学習用センサ端末20とは別途のサーバとして実現される場合のハードウェア構成例について説明する。図18は、本発明の一実施形態に係るモデル構築装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。図18を参照すると、モデル構築装置は、例えば、プロセッサ871と、ROM872と、RAM873と、ホストバス874と、ブリッジ875と、外部バス876と、インターフェース877と、入力部878と、出力部879と、記憶部880と、ドライブ881と、接続ポート882と、通信部883と、を有する。なお、ここで示すハードウェア構成は一例であり、構成要素の一部が省略されてもよい。また、ここで示される構成要素以外の構成要素をさらに含んでもよい。
<2. Hardware configuration example>
Next, a hardware configuration example when the model construction device according to the embodiment of the present invention is realized as a server separate from the learning sensor terminal 20 will be described. FIG. 18 is a block diagram illustrating a hardware configuration example of a model construction device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 18, the model construction apparatus includes, for example, a processor 871, a ROM 872, a RAM 873, a host bus 874, a bridge 875, an external bus 876, an interface 877, an input unit 878, and an output unit 879. A storage unit 880, a drive 881, a connection port 882, and a communication unit 883. Note that the hardware configuration shown here is an example, and some of the components may be omitted. Moreover, you may further include components other than the component shown here.

(プロセッサ871)
プロセッサ871は、例えば、演算処理装置又は制御装置として機能し、ROM872、RAM873、記憶部880、又はリムーバブル記録媒体901に記録された各種プログラムに基づいて各構成要素の動作全般又はその一部を制御する。
(Processor 871)
The processor 871 functions as, for example, an arithmetic processing unit or a control unit, and controls all or part of the operation of each component based on various programs recorded in the ROM 872, the RAM 873, the storage unit 880, or the removable recording medium 901. To do.

(ROM872、RAM873)
ROM872は、プロセッサ871に読み込まれるプログラムや演算に用いるデータ等を格納する手段である。RAM873には、例えば、プロセッサ871に読み込まれるプログラムや、そのプログラムを実行する際に適宜変化する各種パラメータ等が一時的又は永続的に格納される。
(ROM 872, RAM 873)
The ROM 872 is a means for storing a program read by the processor 871, data used for calculation, and the like. In the RAM 873, for example, a program to be read by the processor 871, various parameters that change as appropriate when the program is executed, and the like are temporarily or permanently stored.

(ホストバス874、ブリッジ875、外部バス876、インターフェース877)
プロセッサ871、ROM872、RAM873は、例えば、高速なデータ伝送が可能なホストバス874を介して相互に接続される。一方、ホストバス874は、例えば、ブリッジ875を介して比較的データ伝送速度が低速な外部バス876に接続される。また、外部バス876は、インターフェース877を介して種々の構成要素と接続される。
(Host bus 874, bridge 875, external bus 876, interface 877)
The processor 871, the ROM 872, and the RAM 873 are connected to each other via, for example, a host bus 874 capable of high-speed data transmission. On the other hand, the host bus 874 is connected to an external bus 876 having a relatively low data transmission speed via a bridge 875, for example. The external bus 876 is connected to various components via an interface 877.

(入力部878)
入力部878には、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ、マイク、及びレバー等が用いられる。さらに、入力部878としては、赤外線やその他の電波を利用して制御信号を送信することが可能なリモートコントローラ(以下、リモコン)が用いられることもある。
(Input unit 878)
For the input unit 878, for example, a mouse, a keyboard, a touch panel, a button, a switch, a microphone, a lever, and the like are used. Furthermore, as the input unit 878, a remote controller (hereinafter referred to as a remote controller) that can transmit a control signal using infrared rays or other radio waves may be used.

(出力部879)
出力部879には、例えば、CRT(Cathode Ray Tube)、LCD、又は有機EL等のディスプレイ装置(表示装置)、スピーカ、ヘッドホン等のオーディオ出力装置、プリンタ、携帯電話、又はファクシミリ等、取得した情報を利用者に対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置である。
(Output unit 879)
The output unit 879 includes acquired information such as a display device (display device) such as a CRT (Cathode Ray Tube), LCD, or organic EL, an audio output device such as a speaker or headphones, a printer, a mobile phone, or a facsimile. Is a device capable of visually or audibly notifying a user.

(記憶部880)
記憶部880は、各種のデータを格納するための装置である。記憶部880としては、例えば、ハードディスクドライブ(HDD)等の磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、又は光磁気記憶デバイス等が用いられる。
(Storage unit 880)
The storage unit 880 is a device for storing various data. As the storage unit 880, for example, a magnetic storage device such as a hard disk drive (HDD), a semiconductor storage device, an optical storage device, a magneto-optical storage device, or the like is used.

(ドライブ881)
ドライブ881は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体901に記録された情報を読み出し、又はリムーバブル記録媒体901に情報を書き込む装置である。
(Drive 881)
The drive 881 is a device that reads information recorded on a removable recording medium 901 such as a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, or a semiconductor memory, or writes information to the removable recording medium 901.

(リムーバブル記録媒体901)
リムーバブル記録媒体901は、例えば、DVDメディア、Blu−ray(登録商標)メディア、HD DVDメディア、各種の半導体記憶メディア等である。もちろん、リムーバブル記録媒体901は、例えば、非接触型ICチップを搭載したICカード、又は電子機器等であってもよい。
(Removable recording medium 901)
The removable recording medium 901 is, for example, a DVD medium, a Blu-ray (registered trademark) medium, an HD DVD medium, or various semiconductor storage media. Of course, the removable recording medium 901 may be, for example, an IC card on which a non-contact IC chip is mounted, an electronic device, or the like.

(接続ポート882)
接続ポート882は、例えば、USB(Universal Serial Bus)ポート、IEEE1394ポート、SCSI(Small Computer System Interface)、RS−232Cポート、又は光オーディオ端子等のような外部接続機器902を接続するためのポートである。
(Connection port 882)
The connection port 882 is a port for connecting an external connection device 902 such as a USB (Universal Serial Bus) port, an IEEE 1394 port, a SCSI (Small Computer System Interface), an RS-232C port, or an optical audio terminal. is there.

(外部接続機器902)
外部接続機器902は、例えば、プリンタ、携帯音楽プレーヤ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、又はICレコーダ等である。
(External connection device 902)
The external connection device 902 is, for example, a printer, a portable music player, a digital camera, a digital video camera, or an IC recorder.

(通信部883)
通信部883は、ネットワーク903に接続するための通信デバイスであり、例えば、有線又は無線LAN、Bluetooth(登録商標)、又はWUSB(Wireless USB)用の通信カード、光通信用のルータ、ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)用のルータ、又は各種通信用のモデム等である。また、公衆電話網、携帯電話事業者網、内線電話網等の各種の電話網に接続してよい。
(Communication unit 883)
The communication unit 883 is a communication device for connecting to the network 903. For example, a communication card for wired or wireless LAN, Bluetooth (registered trademark), or WUSB (Wireless USB), a router for optical communication, ADSL (Asymmetric) A digital subscriber line) or a modem for various types of communication. Moreover, you may connect to various telephone networks, such as a public telephone network, a mobile telephone provider network, and an extension telephone network.

<3.まとめ>
以上説明したように、本発明の一実施形態に係るセンサデータ圧縮システムは、センサ端末30と、学習用センサ端末20や別途のサーバなどにより実現されるモデル構築装置とを備える。本発明の一実施形態に係るセンサデータ圧縮システムによれば、データ分析精度の維持と通信コストの削減とを両立することが可能となる。
<3. Summary>
As described above, the sensor data compression system according to an embodiment of the present invention includes the sensor terminal 30 and the model construction device realized by the learning sensor terminal 20 or a separate server. According to the sensor data compression system according to an embodiment of the present invention, it is possible to achieve both maintenance of data analysis accuracy and reduction of communication costs.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。   Further, the effects described in the present specification are merely illustrative or exemplary and are not limited. That is, the technology according to the present disclosure can exhibit other effects that are apparent to those skilled in the art from the description of the present specification in addition to or instead of the above effects.

また、コンピュータに内蔵されるCPU、ROMおよびRAMなどのハードウェアに、学習用センサ端末20(モデル構築装置)やセンサ端末30が有する構成と同等の機能を発揮させるためのプログラムも作成可能であり、当該プログラムを記録した、コンピュータに読み取り可能な非一過性の記録媒体も提供され得る。   In addition, it is possible to create a program for causing hardware such as a CPU, ROM, and RAM incorporated in a computer to exhibit functions equivalent to the configuration of the learning sensor terminal 20 (model construction device) and the sensor terminal 30. Also, a non-transitory recording medium that can be read by a computer and that records the program can be provided.

また、本明細書のセンサデータ圧縮システムの処理に係る各ステップは、必ずしもフローチャートやシーケンス図に記載された順序に沿って時系列に処理される必要はない。例えば、センサデータ圧縮システムの処理に係る各ステップは、フローチャートやシーケンス図に記載された順序と異なる順序で処理されても、並列的に処理されてもよい。   In addition, each step related to the processing of the sensor data compression system of the present specification does not necessarily have to be processed in time series in the order described in the flowcharts and sequence diagrams. For example, the steps related to the processing of the sensor data compression system may be processed in an order different from the order described in the flowcharts and sequence diagrams, or may be processed in parallel.

10 検知対象
20 学習用センサ端末
240 圧縮比モデル構築部
250 乖離度検出モデル構築部
260 モデル送信部
30 センサ端末
340 乖離度検出部
350 データ圧縮部
360 データ通信部
40 データ受信装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Detection target 20 Learning sensor terminal 240 Compression ratio model construction part 250 Deviation degree detection model construction part 260 Model transmission part 30 Sensor terminal 340 Deviation degree detection part 350 Data compression part 360 Data communication part 40 Data receiving apparatus

Claims (17)

センサデータを取得するセンサ、
取得された前記センサデータの特徴量に基づいて圧縮センシングに係る圧縮比を取得する数理モデルを用いて、前記センサデータを前記圧縮比で圧縮するデータ圧縮部、
前記データ圧縮部により圧縮された前記センサデータを送信するデータ通信部、および
取得された前記センサデータと前記数理モデルの構築に用いられたセンサデータとの乖離度を検出する乖離度検出部、
を備え、
前記データ通信部は、検出された前記乖離度が閾値を超える場合、前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータをモデル構築装置に送信する、
センサ端末と、
前記センサ端末から受信した前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータを用いて前記数理モデルを再構築する圧縮比モデル構築部、および
前記圧縮比モデル構築部により再構築された前記数理モデルを前記センサ端末に送信するモデル送信部、
を備える、
前記モデル構築装置と、
から成るセンサデータ圧縮システム。
A sensor for obtaining sensor data,
A data compression unit that compresses the sensor data at the compression ratio using a mathematical model that acquires a compression ratio related to compression sensing based on the acquired feature amount of the sensor data.
A data communication unit that transmits the sensor data compressed by the data compression unit; and a divergence degree detection unit that detects a divergence degree between the acquired sensor data and the sensor data used to construct the mathematical model;
With
The data communication unit, when the detected divergence exceeds a threshold, transmits the sensor data that is not compressed by the compression ratio to a model construction device,
A sensor terminal;
A compression ratio model construction unit that reconstructs the mathematical model using the sensor data that has not been compressed by the compression ratio received from the sensor terminal; and the mathematical model reconstructed by the compression ratio model construction unit A model transmission unit for transmitting to the sensor terminal,
Comprising
The model building device;
Sensor data compression system consisting of
前記数理モデルは、前記センサデータに対する前記圧縮比を、復元誤差と前記圧縮比とを含む評価指標により動的に変更するよう、機械学習手法を用いて構築された圧縮比学習モデルであり、
前記圧縮比モデル構築部は、前記センサ端末から受信した前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータを用いて前記圧縮比学習モデルの再構築を行い、
前記モデル送信部は、前記圧縮比モデル構築部による再構築が行われた前記圧縮比学習モデルを前記センサ端末に送信する、
請求項1に記載のセンサデータ圧縮システム。
The mathematical model is a compression ratio learning model constructed using a machine learning method so as to dynamically change the compression ratio for the sensor data according to an evaluation index including a restoration error and the compression ratio.
The compression ratio model construction unit reconstructs the compression ratio learning model using the sensor data that has not been compressed by the compression ratio received from the sensor terminal,
The model transmission unit transmits the compression ratio learning model reconstructed by the compression ratio model construction unit to the sensor terminal;
The sensor data compression system according to claim 1.
前記乖離度検出部は、前記圧縮比学習モデルの構築に用いられた前記センサデータを用いて構築された乖離度検出学習モデルを用いて前記乖離度を検出する、
請求項2に記載のセンサデータ圧縮システム。
The divergence degree detection unit detects the divergence degree using a divergence degree detection learning model constructed using the sensor data used for constructing the compression ratio learning model.
The sensor data compression system according to claim 2.
前記モデル構築装置は、前記センサ端末から受信した前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータを用いて前記乖離度検出学習モデルを構築する乖離度検出モデル構築部、をさらに備え、
前記モデル送信部は、前記乖離度検出モデル構築部により構築された前記乖離度検出学習モデルを前記センサ端末に送信する、
請求項3に記載のセンサデータ圧縮システム。
The model construction device further includes a deviation degree detection model construction unit that constructs the deviation degree detection learning model using the sensor data that has not been compressed by the compression ratio received from the sensor terminal,
The model transmission unit transmits the deviation degree detection learning model constructed by the deviation degree detection model construction unit to the sensor terminal;
The sensor data compression system according to claim 3.
前記圧縮比モデル構築部は、回帰学習、教師なし学習、または強化学習のいずれかの手法を用いて前記圧縮比学習モデルを構築する、
請求項2〜4のいずれかに記載のセンサデータ圧縮システム。
The compression ratio model construction unit constructs the compression ratio learning model using any one of regression learning, unsupervised learning, or reinforcement learning.
The sensor data compression system according to any one of claims 2 to 4.
前記圧縮比モデル構築部は、前記評価指標を最適化する前記圧縮比を求め、前記センサデータを説明変数、当該センサデータに対する最適な圧縮比を目的変数とした回帰学習により前記圧縮比学習モデルを構築する、
請求項5に記載のセンサデータ圧縮システム。
The compression ratio model construction unit obtains the compression ratio for optimizing the evaluation index, and calculates the compression ratio learning model by regression learning using the sensor data as an explanatory variable and the optimal compression ratio for the sensor data as an objective variable. To construct,
The sensor data compression system according to claim 5.
前記圧縮比モデル構築部は、前記評価指標を最適化する前記圧縮比を、ランダムサーチ、グリッドサーチ、または山登り法のいずれかにより求める、
請求項6に記載のセンサデータ圧縮システム。
The compression ratio model construction unit obtains the compression ratio for optimizing the evaluation index by any of a random search, a grid search, or a hill climbing method.
The sensor data compression system according to claim 6.
前記圧縮比モデル構築部は、データ圧縮効率が高いほど損失が小さくなる損失関数を用いて、最適化する前記圧縮比を、誤差逆伝播法によるニューラルネットワークのパラメータ更新で求める教師なし学習により前記圧縮比学習モデルを構築する、
請求項5に記載のセンサデータ圧縮システム。
The compression ratio model structuring unit uses the loss function in which the loss becomes smaller as the data compression efficiency is higher, and the compression ratio is optimized by unsupervised learning to obtain the compression ratio to be optimized by updating the parameters of the neural network by the error back propagation method. Build a ratio learning model,
The sensor data compression system according to claim 5.
前記圧縮比モデル構築部は、前記センサデータを状態、前記圧縮比を行動、データ圧縮効率を報酬として、強化学習により前記圧縮比学習モデルを構築する、
請求項5に記載のセンサデータ圧縮システム。
The compression ratio model construction unit constructs the compression ratio learning model by reinforcement learning using the sensor data as a state, the compression ratio as an action, and data compression efficiency as a reward.
The sensor data compression system according to claim 5.
前記圧縮比モデル構築部は、前記センサデータに係る時間領域のデータまたは周波数領域のデータを状態として強化学習を行う、
請求項5に記載のセンサデータ圧縮システム。
The compression ratio model construction unit performs reinforcement learning using time domain data or frequency domain data related to the sensor data as a state.
The sensor data compression system according to claim 5.
前記圧縮比モデル構築部は、前記圧縮比の範囲を自然数Nで分割し、それぞれの代表値の圧縮比を離散値の行動として強化学習を行う、
請求項5に記載のセンサデータ圧縮システム。
The compression ratio model construction unit divides the range of the compression ratio by a natural number N, and performs reinforcement learning using the compression ratio of each representative value as a discrete value action.
The sensor data compression system according to claim 5.
前記圧縮比モデル構築部は、前記圧縮比を連続値の行動として強化学習を行う、
請求項5に記載のセンサデータ圧縮システム。
The compression ratio model construction unit performs reinforcement learning using the compression ratio as a continuous value action.
The sensor data compression system according to claim 5.
前記圧縮比モデル構築部は、前記圧縮比または復元誤差を含む評価指標を報酬とした強化学習を行う、
請求項5に記載のセンサデータ圧縮システム。
The compression ratio model construction unit performs reinforcement learning with an evaluation index including the compression ratio or a restoration error as a reward.
The sensor data compression system according to claim 5.
センサデータを取得するセンサと、
取得された前記センサデータの特徴量に基づいて圧縮センシングに係る圧縮比を取得する数理モデルを用いて、前記センサデータを前記圧縮比で圧縮するデータ圧縮部と、
前記データ圧縮部により圧縮された前記センサデータを送信するデータ通信部と、
取得された前記センサデータと前記数理モデルの構築に用いられたセンサデータとの乖離度を検出する乖離度検出部と、
を備え、
前記データ通信部は、検出された前記乖離度が閾値を超える場合、前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータをモデル構築装置に送信し、当該センサデータを用いて再構築された前記数理モデルを受信する、
センサ端末。
A sensor for acquiring sensor data;
A data compression unit that compresses the sensor data at the compression ratio using a mathematical model that acquires a compression ratio related to compression sensing based on the acquired feature amount of the sensor data;
A data communication unit for transmitting the sensor data compressed by the data compression unit;
A divergence degree detection unit for detecting a divergence degree between the acquired sensor data and the sensor data used to construct the mathematical model;
With
When the detected degree of divergence exceeds a threshold, the data communication unit transmits the sensor data that is not compressed by the compression ratio to a model construction device, and is reconstructed using the sensor data. Receive mathematical models,
Sensor terminal.
取得したセンサデータの特徴量に基づいて圧縮センシングに係る圧縮比を取得する数理モデルを用いて前記センサデータを前記圧縮比で圧縮するセンサ端末から、前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータを受信した場合、当該センサデータを用いて前記数理モデルを再構築する圧縮比モデル構築部と、
前記圧縮比モデル構築部により再構築された前記数理モデルを、ネットワークを介して接続される複数のセンサ端末のうち、少なくとも前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータの送信を行ったセンサ端末に送信するモデル送信部と、
を備える、
モデル構築装置。
The sensor that is not compressed by the compression ratio from a sensor terminal that compresses the sensor data at the compression ratio using a mathematical model that acquires a compression ratio related to compression sensing based on the acquired feature amount of the sensor data. When data is received, a compression ratio model construction unit that reconstructs the mathematical model using the sensor data;
The sensor that has transmitted the sensor data that is not compressed by at least the compression ratio among a plurality of sensor terminals connected to the mathematical model reconstructed by the compression ratio model construction unit via a network A model transmitter to transmit to the terminal;
Comprising
Model building device.
コンピュータを、
センサデータを取得するセンサと、
取得された前記センサデータの特徴量に基づいて圧縮センシングに係る圧縮比を取得する数理モデルを用いて、前記センサデータを前記圧縮比で圧縮するデータ圧縮部と、
前記データ圧縮部により圧縮された前記センサデータを送信するデータ通信部と、
取得された前記センサデータと前記数理モデルの構築に用いられたセンサデータとの乖離度を検出する乖離度検出部と、
を備え、
前記データ通信部は、検出された前記乖離度が閾値を超える場合、前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータをモデル構築装置に送信し、当該センサデータを用いて再構築された前記数理モデルを受信する、
センサ端末、
として機能させるためのプログラム。
Computer
A sensor for acquiring sensor data;
A data compression unit that compresses the sensor data at the compression ratio using a mathematical model that acquires a compression ratio related to compression sensing based on the acquired feature amount of the sensor data;
A data communication unit for transmitting the sensor data compressed by the data compression unit;
A divergence degree detection unit for detecting a divergence degree between the acquired sensor data and the sensor data used to construct the mathematical model;
With
When the detected degree of divergence exceeds a threshold, the data communication unit transmits the sensor data that is not compressed by the compression ratio to a model construction device, and is reconstructed using the sensor data. Receive mathematical models,
Sensor terminal,
Program to function as.
コンピュータを、
取得したセンサデータの特徴量に基づいて圧縮センシングに係る圧縮比を取得する数理モデルを用いて前記センサデータを前記圧縮比で圧縮するセンサ端末から、前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータを受信した場合、当該センサデータを用いて前記数理モデルを再構築する圧縮比モデル構築部と、
前記圧縮比モデル構築部により再構築された前記数理モデルを、ネットワークを介して接続される複数のセンサ端末のうち、少なくとも前記圧縮比による圧縮が行われていない前記センサデータの送信を行ったセンサ端末に送信するモデル送信部と、
を備える、
モデル構築装置、
として機能させるためのプログラム。
Computer
The sensor that is not compressed by the compression ratio from a sensor terminal that compresses the sensor data at the compression ratio using a mathematical model that acquires a compression ratio related to compression sensing based on the acquired feature amount of the sensor data. When data is received, a compression ratio model construction unit that reconstructs the mathematical model using the sensor data;
The sensor that has transmitted the sensor data that is not compressed by at least the compression ratio among a plurality of sensor terminals connected to the mathematical model reconstructed by the compression ratio model construction unit via a network A model transmitter to transmit to the terminal;
Comprising
Model building device,
Program to function as.
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