DE102013214967A1 - Method and device for adapting a data-based function model - Google Patents

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DE102013214967A1
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The Duy Nguyen-Tuong
Jens Schreiter
Heiner Markert
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0265Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Adaptieren eines datenbasierten Funktionsmodells, insbesondere eines Gauß-Prozess-Modells, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen von Stützstellendaten, durch die das datenbasierte Funktionsmodell definiert ist und die Stützstellendatenpunkte mit jeweils einem Betriebspunkt und einem dem Betriebspunkt zugeordneten Zielwert einer Zielgröße umfassen; – Bereitstellen eines Messpunkts und eines an dem Messpunkt erfassten Werts der Zielgröße; – Bestimmen desjenigen Stützstellendatenpunkts, der gemäß einer Wichtigkeitsfunktion eine geringste Wichtigkeit aufweist; und – Ersetzen des bestimmten Stützstellendatenpunkts durch den Messpunkt gemäß einem Ersetzungskriterium.The invention relates to a method for adapting a data-based function model, in particular a Gaussian process model, comprising the following steps: providing support point data by which the data-based function model is defined and the support point data points each having an operating point and a target value associated with the operating point Include target size; Providing a measuring point and a value of the target variable detected at the measuring point; - determining that support point data point which has a least importance according to an importance function; and - replacing the determined node point by the measuring point according to a replacement criterion.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft allgemein Motorsteuergeräte, in denen Funktionsmodelle als datenbasierte Funktionsmodelle implementiert sind bzw. berechnet werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren, um datenbasierte Funktionsmodelle im Motorsteuergerät online, d. h. ressourcenschonend, zu adaptieren.The invention generally relates to engine control units in which function models are implemented or calculated as data-based function models. In particular, the present invention relates to methods for updating data-based functional models in the engine control unit online, i. H. resource-saving, adapt.

Stand der TechnikState of the art

Zur Implementierung von Funktionsmodellen in Steuergeräten, insbesondere Motorsteuergeräten für Verbrennungsmotoren, ist die Verwendung von datenbasierten Funktionsmodellen vorgesehen. Häufig werden parameterfreie datenbasierte Funktionsmodelle verwendet, da sie ohne spezifische Vorgaben aus Trainingsdaten, d. h. einer Menge von Trainingsdatenpunkten, erstellt werden können.For the implementation of functional models in control units, in particular engine control units for internal combustion engines, the use of data-based functional models is provided. Frequently, parameter-free data-based function models are used, since they can be used without specific specifications from training data, ie. H. a set of training data points that can be created.

Ein Beispiel für ein datenbasiertes Funktionsmodell stellt das so genannte Gauß-Prozess-Modell dar, das auf einer Gauß-Prozess-Regression basiert. Die Gauß-Prozess-Regression ist eine vielseitige Methode zur datenbasierten Modellierung komplexer physikalischer Systeme. Die Regressionsanalyse basiert auf üblicherweise großen Mengen an Trainingsdaten, so dass es sinnvoll ist, approximative Lösungsansätze zu verwenden, die effizienter ausgewertet werden können.An example of a data-based function model is the so-called Gaussian process model, which is based on a Gaussian process regression. Gaussian Process Regression is a versatile method for data-based modeling of complex physical systems. The regression analysis is based on usually large amounts of training data, so it makes sense to use approximate solutions, which can be evaluated more efficiently.

Für das Gauß-Prozess-Modell existiert die Möglichkeit einer spärlichen Gauß-Prozess-Regression, bei der zur Erstellung des datenbasierten Funktionsmodells lediglich eine repräsentative Menge an Stützstellendaten genutzt wird. Dazu müssen die Stützstellendaten in geeigneter Weise aus den Trainingsdaten selektiert werden.For the Gaussian process model there is the possibility of a sparse Gaussian process regression, in which only a representative amount of support point data is used to create the data-based function model. For this purpose, the support point data must be selected in a suitable manner from the training data.

Die Druckschrift Csato, Lehel; Opper, Manfred, ”Sparse On-Line Gaussian Processes”; Neural Computation 14: S. 641–668, 2002 , offenbart ein Verfahren zum Ermitteln von Stützstellendaten für ein spärliches Gauß-Prozess-Modell.The Csato, Lehel; Opper, Manfred, "Sparse On-Line Gaussian Processes"; Neural Computation 14: pp. 641-668, 2002 discloses a method for determining support point data for a sparse Gaussian process model.

Andere Verfahren zur Manipulation von Trainingsdaten bzw. zur Erzeugung von Stützstellendaten sind z. B. aus Smola, A. J., Schölkopf, W., ”Sparse Greedy Gaussian Process Regression”, Advances in Neural Information Processing Systems 13, S. 619–625, 2001 , und Seeger, M., Williams, C. K., Lawrence, N. D., ”Fast Forward Selection to Speed up Sparse Gaussian Process Regression”, Proceedings of the 9th International Workshop an Artificial Intelligence and Statistics, 2003 , bekannt.Other methods for manipulating training data or for generating support point data are, for. B. off Smola, AJ, Schölkopf, W., "Sparse Greedy Gaussian Process Regression", Advances in Neural Information Processing Systems 13, pp. 619-625, 2001 , and Seeger, M., Williams, CK, Lawrence, ND, "Fast Forward Selection to Speed Up Sparse Gaussian Process Regression," Proceedings of the 9th International Workshop on Artificial Intelligence and Statistics, 2003 , known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Adaptieren eines datenbasierten Funktionsmodells gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung, ein System und ein Computerprogramm gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention, a method for adapting a data-based functional model according to claim 1 and a device, a system and a computer program according to the independent claims are provided.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Adaptieren eines datenbasierten Funktionsmodells, insbesondere eines Gauß-Prozess-Modells vorgesehen, umfassend die folgenden Schritte:

  • – Bereitstellen von Stützstellendaten, durch die das datenbasierte Funktionsmodell definiert ist und die Stützstellendatenpunkte mit jeweils einem Betriebspunkt und einem dem Betriebspunkt zugeordneten Zielwert einer Zielgröße umfassen;
  • – Bereitstellen eines Messpunkts und eines an dem Messpunkt erfassten Werts der Zielgröße;
  • – Bestimmen desjenigen Stützstellendatenpunkts, der gemäß einer Wichtigkeitsfunktion eine geringste Wichtigkeit aufweist; und
  • – Ersetzen des bestimmten Stützstellendatenpunkts durch den Messpunkt gemäß einem Ersetzungskriterium.
According to a first aspect, a method is provided for adapting a data-based function model, in particular a Gaussian process model, comprising the following steps:
  • Providing support point data, by which the data-based function model is defined, and the support point data points each having an operating point and a target value of a target variable associated with the operating point;
  • Providing a measuring point and a value of the target variable detected at the measuring point;
  • - determining that support point data point which has a least importance according to an importance function; and
  • Replacing the determined support point data point by the measurement point according to a replacement criterion.

Das obige Verfahren stellt eine Möglichkeit bereit, um ein bestehendes datenbasiertes Funktionsmodell zu adaptieren, wenn neue Messdaten zur Verfügung stehen. Das datenbasierte Funktionsmodell kann insbesondere als Gauß-Prozess-Modell ausgebildet sein und wird durch Hyperparameter und eine Menge von Stützstellendaten definiert. Die Berechnung von Funktionswerten des datenbasierten Funktionsmodells erfolgt in einem Motorsteuergerät in der Regel online, während Hyperparameter und Stützstellendaten vorab berechnet und in einem dafür vorgesehenen Speicherbereich in dem Motorsteuergerät bereitgestellt werden.The above method provides a way to adapt an existing data-based functional model when new measurement data is available. In particular, the data-based function model can be embodied as a Gaussian process model and is defined by hyperparameters and a set of support point data. The calculation of function values of the data-based function model is usually carried out online in an engine control unit, while hyperparameters and support point data are calculated in advance and provided in a dedicated memory area in the engine control unit.

Für viele Anwendungsgebiete ist die Online-Adaption von Funktionsmodellen notwendig, um eine gleichbleibend hohe Leistungsfähigkeit des zu betreibenden physikalischen Systems zu gewährleisten. Übliche Anwendungen von Modelladaptionen bestehen in der Korrektur von Bauteiltoleranzen oder der Korrektur von Parameterdriften während der Lebensdauer von Bauteilen.For many applications, the online adaptation of functional models is necessary to ensure a consistently high performance of the physical system to be operated. Common applications of model adaptations are the correction of component tolerances or the correction of parameter drifts over the life of components.

Bei der Verwendung von datenbasierten Funktionsmodellen ist die Adaption des Modells in dem Motorsteuergerät, das zur Modellierung von Systemfunktionen bzw. zur Steuerung der physikalischen Einrichtung vorgesehen ist, durch eine Neuberechnung des datenbasierten Funktionsmodells aufgrund beschränkter Rechenkapazitäten in der Regel nicht möglich.When using data-based function models, adaptation of the model in the engine control unit, which is intended to model system functions or to control the physical device, is generally not possible by recalculating the data-based function model due to limited computing capacities.

Gemäß dem obigen Verfahren ist daher vorgesehen, während des Betriebs des physikalischen Systems mithilfe des Steuergeräts erfasste weitere Messdaten heranzuziehen und einen Stützstellendatenpunkt der das datenbasierte Funktionsmodell definierenden Stützstellendaten durch einen durch die erfassten Messdaten definierten Datenpunkt zu ersetzen, wenn ein Ersetzungskriterium erfüllt ist. Das Ersetzungskriterium bewertet die Wichtigkeit des Stützstellendatenpunkts des datenbasierten Funktionsmodells und wählt den Stützstellendatenpunkt mit der geringsten Wichtigkeit aus, um diesen durch den Messdatenpunkt zu ersetzen. Auf diese Weise kann das datenbasierte Funktionsmodell permanent adaptiert werden, indem neu erfasste Messpunkte in das datenbasierte Funktionsmodell aufgenommen werden. Durch das Ersetzen des Stützstellendatenpunkts mit der geringsten Wichtigkeit kann die Menge der Stützstellendatenpunkte um einen neuen Messpunkt erweitert werden, ohne die Gesamtmenge an Stützstellendatenpunkten zu vergrößern. Dadurch wird die Anzahl der Stützstellendatenpunkte festgelegt, so dass die Menge an benötigtem Speicherplatz zum Speichern der Stützstellendaten konstant bleibt und sich nicht während nachfolgender Adaptionen ändert. Dadurch kann auch gewährleistet werden, dass die Zeitdauer für die Berechnung des datenbasierten Funktionsmodells konstant bleibt, so dass im Steuergerät von einem unveränderten Berechnungshorizont ausgegangen werden kann. According to the above method, it is therefore provided to use further measurement data acquired by the control unit during operation of the physical system and to replace a support point data point of the support point data defining the data-based function model with a data point defined by the acquired measurement data, if a replacement criterion is met. The replacement criterion evaluates the importance of the support point data point of the data-based function model and selects the support point data point of least importance to replace it with the measurement data point. In this way, the data-based function model can be permanently adapted by including newly acquired measurement points in the data-based function model. By replacing the least significant support point data point, the set of support point data points can be extended by a new measurement point without increasing the total amount of support point data points. This sets the number of node data points so that the amount of memory space needed to store the node data remains constant and does not change during subsequent adaptations. This can also ensure that the time duration for the calculation of the data-based function model remains constant, so that an unchanged calculation horizon can be assumed in the control unit.

Das obige Verfahren zur Online-Adaption von datenbasierten Funktionsmodellen ist insbesondere vorteilhaft, wenn nicht alle Stützstellendatenpunkte über einen Prüfstand ermittelt werden konnten, z. B. weil die Betriebspunkte auf dem Prüfstand nicht einstellbar sind oder weil der Eingangsgrößenbereich sehr groß ist, so dass die Erfassung von Trainingsdaten sehr zeitaufwändig ist.The above method for online adaptation of data-based function models is particularly advantageous if not all support point data points could be determined via a test bench, for. B. because the operating points on the test bench are not adjustable or because the input variable range is very large, so that the acquisition of training data is very time consuming.

Weiterhin kann das Ersetzungskriterium erfüllt sein, wenn ein projektionsinduzierter Fehler des bereitgestellten Messpunkts größer ist als der Abstand des Zielwerts des Stützstellendatenpunkts mit der geringsten Wichtigkeit von den Funktionswerten des geltenden datenbasierten Funktionsmodells.Furthermore, the replacement criterion may be satisfied if a projection-induced error of the provided measurement point is greater than the distance of the target value of the least significant support point data point from the function values of the applicable data-based function model.

Insbesondere kann sich der projektionsinduzierte Fehler des bereitgestellten Messpunkts aus γ* = k** – k T / *K–1k* ergeben, wobei k** einer Autokovarianz des bereitgestellten Messpunkts und k* einem Vektor mit Kovarianzfunktionswerten zwischen den bereitgestellten Messpunkt und den aktuellen Stützstellendatenpunkten entsprechen. Die Kovarianzmatrix K beinhaltet die Kovarianzfunktionswerte zwischen allen aktuellen Stützstellendatenpunkten.In particular, the projection-induced error of the measurement point provided may be γ * = k ** - k T / * K -1 k * where k ** corresponds to an autocovariance of the measurement point provided and k * corresponds to a vector with covariance function values between the provided measurement point and the current support point data points. The covariance matrix K contains the covariance function values between all current support point data points.

Es kann vorgesehen sein, dass die Wichtigkeitsfunktion für die Wichtigkeit einer Stützstelle einen Unterschied, insbesondere einen Abstand, des Zielwerts eines Stützstellendatenpunkts von dem Funktionswert des datenbasierten Funktionsmodells an der entsprechenden Stützstelle angibt.It can be provided that the importance function for the importance of a support point indicates a difference, in particular a distance, of the target value of a support point data point from the function value of the data-based function model at the corresponding support point.

Insbesondere kann die Wichtigkeitsfunktion γj = kjj – k T / jK –1\jkj entsprechen, wobei kjj einem Autokovarianzwert der j-ten Stützstelle der Stützstellendaten, der Vektor kj den Kovarianzfunktionswerten zwischen xj und allen übrigen Stützstellendatenpunkten der Stützstellendaten und K\j der Kovarianzmatrix ohne die dem betrachteten Stützstellenpunkt entsprechende j-te Reihe und Spalte entsprechen.In particular, the importance function γ j = k jj - k T / jK -1 \ jk j where k jj corresponds to an autocovariance value of the j-th node of the node data, the vector k j to the covariance function values between x j and all other node data points of the node data and K \ j of the covariance matrix without the j-th row and column corresponding to the considered node point.

Gemäß einer Ausführungsform kann das datenbasierte Funktionsmodell einem Gauß-Prozess-Modell entsprechen und Hyperparameter des Gauß-Prozess-Modells können nach einem Ersetzen eines Stützstellendatenpunkts durch ein Optimierungsverfahren, insbesondere mithilfe eines Gradientenabstiegsverfahrens, adaptiert werden.According to one embodiment, the data-based function model may correspond to a Gaussian process model and hyper parameters of the Gaussian process model may be adapted after replacement of a support point data point by an optimization method, in particular by means of a gradient descent method.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, zum Adaptieren eines datenbasierten Funktionsmodells, insbesondere eines Gauß-Prozess-Modells, vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:

  • – Stützstellendaten bereitzustellen, durch die das datenbasierte Funktionsmodell definiert ist und die Stützstellendatenpunkte mit jeweils einem Betriebspunkt und einem dem Betriebspunkt zugeordneten Zielwert einer Zielgröße umfassen;
  • – einen Messpunkt und einen an dem Messpunkt erfassten Wert der Zielgröße bereitzustellen;
  • – denjenigen Stützstellendatenpunkt zu bestimmen, der gemäß einer Wichtigkeitsfunktion eine geringste Wichtigkeit aufweist; und
  • – den bestimmten Stützstellendatenpunkt gemäß einem Ersetzungskriterium durch den Messpunkt zu ersetzen.
According to a further aspect, an apparatus, in particular a control unit, is provided for adapting a data-based function model, in particular a Gaussian process model, wherein the apparatus is designed to:
  • Provide support point data by which the data-based function model is defined and which includes support point data points each having an operating point and a target value of a target value associated with the operating point;
  • To provide a measuring point and a value of the target value detected at the measuring point;
  • To determine the support point data point which has a least importance according to an importance function; and
  • To replace the determined support point data point by the measurement point according to a replacement criterion.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein System vorgesehen, das die obige Vorrichtung sowie eine physikalische Einrichtung, die durch die Vorrichtung betrieben wird, umfasst.In another aspect, a system is provided that includes the above device and a physical device operated by the device.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1: eine schematische Darstellung eines Gesamtsystems mit einem Motorsteuergerät zum Steuern einer physikalischen Einrichtung mithilfe eines datenbasierten Funktionsmodells; und 1 a schematic representation of an overall system with an engine control unit for controlling a physical device using a data-based functional model; and

2: ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Adaptieren von Hyperparametern und Stützstellendaten, die ein datenbasiertes Funktionsmodell definieren. 2 3 is a flow chart illustrating a method for adapting hyperparameters and node data defining a data-based function model.

Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments

1 zeigt ein System 1 mit einer Steuereinheit 2 und einer durch die Steuereinheit 2 zu steuernden physikalischen Einrichtung 3. In einem Beispiel kann die Steuereinheit 2 einem Motorsteuergerät entsprechen, das einen Verbrennungsmotor als die physikalische Einrichtung 3 betreibt. Zum Betreiben der physikalischen Einrichtung 3 erhält die Steuereinheit 2 über Sensoren 31 in der physikalischen Einrichtung 3 Momentanwerte von Zustandsgrößen Z, die einen aktuellen Zustand der physikalischen Einrichtung 3 angeben. Weiterhin stellt die Steuereinheit 2 Ansteuergrößen A zur Verfügung, durch die die physikalische Einrichtung 3 basierend auf den Zustandsgrößen Z betrieben wird. In der Steuereinheit 2 können ein oder mehrere Funktionsmodelle vorgesehen sein, die zum Ermitteln einer oder mehrerer der Ansteuergrößen A ausgebildet sind oder zu dieser beitragen. 1 shows a system 1 with a control unit 2 and one by the control unit 2 to be controlled physical device 3 , In one example, the control unit 2 an engine control unit that uses an internal combustion engine as the physical device 3 operates. To operate the physical device 3 receives the control unit 2 via sensors 31 in the physical device 3 Instantaneous values of state variables Z, which represent a current state of the physical device 3 specify. Furthermore, the control unit provides 2 Control variables A available, through which the physical device 3 is operated based on the state variables Z. In the control unit 2 one or more functional models may be provided which are designed to determine one or more of the drive variables A or contribute to this.

Die Steuereinheit 2 umfasst einen integrierten Steuerbaustein, in dem in integrierter Weise eine Hauptrecheneinheit 21 und eine Modellberechnungseinheit 22 zur rein hardwarebasierten Berechnung eines datenbasierten Funktionsmodells vorgesehen sind. Die Hauptrecheneinheit 21 und die Modellberechnungseinheit 22 stehen über eine interne Kommunikationsverbindung 24, wie z. B. einen Systembus, miteinander in Kommunikationsverbindung. Darüber hinaus ist eine Speichereinheit 23 vorgesehen, in der Softwarecode für die Hauptrecheneinheit 21 sowie Modelldaten für die Berechnung von datenbasierten Funktionsmodellen gespeichert sind.The control unit 2 comprises an integrated control module in which integrated in a main computing unit 21 and a model calculation unit 22 are provided for the purely hardware-based calculation of a data-based function model. The main calculator 21 and the model calculation unit 22 are via an internal communication connection 24 , such as As a system bus, with each other in communication. In addition, a storage unit 23 provided in the software code for the main unit 21 and model data for the calculation of data-based function models are stored.

Grundsätzlich ist die Modellberechnungseinheit 22 im Wesentlichen hartverdrahtet und dementsprechend nicht, wie die Hauptrecheneinheit 21, zur Ausführung eines Softwarecodes ausgebildet. Alternativ ist eine Lösung möglich, in der die Modellberechnungseinheit 22 zur Berechnung des datenbasierten Funktionsmodells einen eingeschränkten, hoch spezialisierten Befehlssatz zur Verfügung stellt. In der Modellberechnungseinheit 22 ist kein Prozessor vorgesehen. Dies ermöglicht eine ressourcenoptimierte Realisierung einer solchen Modellberechnungseinheit 22 bzw. einen flächenoptimierten Aufbau in integrierter Bauweise.Basically, the model calculation unit 22 essentially hard-wired and therefore not as the main computing unit 21 , designed to execute a software code. Alternatively, a solution is possible in which the model calculation unit 22 to provide a constrained, highly specialized instruction set for computing the data-based function model. In the model calculation unit 22 no processor is provided. This enables a resource-optimized implementation of such a model calculation unit 22 or a surface-optimized design in integrated construction.

Die Verwendung von nicht parametrischen, datenbasierten Funktionsmodellen basiert auf einem Bayes-Regressionsverfahren. Die Grundlagen der Bayes-Regression sind beispielsweise in C. E. Rasmussen et al., „Gaussian Processes for Machine Learning”, MIT Press 2006 , beschrieben. Bei der Bayes-Regression handelt es sich um ein datenbasiertes Verfahren, das auf einem Modell basiert. Zur Erstellung des Modells sind Messpunkte von Trainingsdaten sowie zugehörige Zielwerte einer Ausgangsgröße erforderlich. Die Erstellung des Funktionsmodells erfolgt anhand der Verwendung von Stützstellendaten, die den Trainingsdaten ganz oder teilweise entsprechen oder aus diesen generiert werden können. Weiterhin werden abstrakte Hyperparameter bestimmt, die den Raum der Modellfunktionen parametrieren und effektiv den Einfluss der einzelnen Messpunkte der Trainingsdaten auf die spätere Modellvorhersage gewichten.The use of non-parametric, data-based function models is based on a Bayes regression method. The basics of Bayesian regression are, for example, in CE Rasmussen et al., Gaussian Processes for Machine Learning, MIT Press 2006 , described. Bayesian regression is a data-based method based on a model. To create the model, measurement points of training data and associated target values of an output are required. The creation of the function model is based on the use of support point data, which correspond to the training data in whole or in part or can be generated from these. Furthermore, abstract hyperparameters are determined which parameterize the space of the model functions and effectively weight the influence of the individual measurement points of the training data on the later model prediction.

Die abstrakten Hyperparameter werden durch ein Optimierungsverfahren bestimmt. Eine Möglichkeit für ein solches Optimierungsverfahren besteht in einer Optimierung einer Marginal Likelihood p(Y|H, X). Die Marginal Likelihood p(Y|H, X) beschreibt die Plausibilität der gemessenen Zielwerte y an den Messpunkten der Trainingsdaten, dargestellt als Vektor Y, gegeben die Modellparameter H und die Messpunkte x (dargestellt durch die Matrix X) der Trainingsdaten. Im Modelltraining wird p(Y|H, X) maximiert, indem geeignete Hyperparameter gesucht werden, die zu einem Verlauf der durch die Hyperparameter und die Trainingsdaten bzw. Stützstellendaten (sofern von den Trainingsdaten abweichend) bestimmten Modellfunktion führen und die Trainingsdaten möglichst genau abbilden. Zur Vereinfachung der Berechnung wird der Logarithmus von p(Y|H, X) maximiert, da der Logarithmus die Stetigkeit der Plausibilitätsfunktion nicht verändert.The abstract hyperparameters are determined by an optimization method. One possibility for such an optimization method is an optimization of a marginal likelihood p (Y | H, X). The marginal likelihood p (Y | H, X) describes the plausibility of the measured target values y at the measurement points of the training data, represented as vector Y, given the model parameters H and the measurement points x (represented by the matrix X) of the training data. In model training, p (Y | H, X) is maximized by searching for suitable hyperparameters that lead to a progression of the model function determined by the hyperparameters and the training data or support point data (if different from the training data) and map the training data as accurately as possible. To simplify the calculation, the logarithm of p (Y | H, X) is maximized because the logarithm does not change the continuity of the plausibility function.

Die Berechnung des Gauß-Prozess-Modells erfolgt gemäß der nachfolgenden Rechenvorschrift. Die Eingangswerte u ~d für einen Testpunkt u (Eingangsgrößenvektor) werden zunächst normiert und zentriert, und zwar entsprechend der folgenden Formel:

Figure DE102013214967A1_0002
The calculation of the Gaussian process model is performed according to the following calculation rule. The input values u ~ d for a test point u (input quantity vector) are first normalized and centered, according to the following formula:
Figure DE102013214967A1_0002

Dabei entsprechen jeweils mx der Mittelwertfunktion bezüglich eines Mittelwerts der Eingangswerte der Stützstellendaten, sx der Varianz der Eingangswerte der Stützstellendaten und d dem Index für die Dimension D des Testpunkts u.In each case, m x the mean value function with respect to an average value corresponding to the input values of the nodes data, s x the variance of the input values of the nodes data, and d the index for the dimension D of the test point u.

Als Ergebnis der Erstellung des nicht parametrischen, datenbasierten Funktionsmodells erhält man:

Figure DE102013214967A1_0003
As a result of creating the non-parametric, data-based function model you get:
Figure DE102013214967A1_0003

Der so ermittelte Modellwert v wird mithilfe einer Ausgangsnormierung normiert, und zwar gemäß der Formel: v ~ = vsy + my. The thus obtained model value v is normalized by means of an initial normalization, according to the formula: v ~ = vs y + m y .

Dabei entsprechen jeweils v einem normierten Modellwert (Ausgangswert) an einem normierten Testpunkt u (Eingangsgrößenvektor der Dimension D), v ~ einem (nicht normierten) Modellwert (Ausgangswert) an einem (nicht normierten) Testpunkt u ~ (Eingangsgrößenvektor der Dimension D), xl einer Stützstelle der Stützstellendaten, N der Anzahl der Stützstellen der Stützstellendaten, D der Dimension des Eingangsdaten-/Trainingsdaten-/Stützstellendatenraums, sowie ld und σf den Hyperparametern aus dem Modelltraining. Der Vektor Qy ist eine aus den Hyperparametern und den Trainingsdaten berechnete Größe. Weiterhin entsprechen my der Mittelwertfunktion bezüglich eines Mittelwerts der Ausgangswerte der Stützstellendaten und sy der Varianz der Ausgangswerte der Stützstellendaten.In each case v correspond to a normalized model value (output value) at a normalized test point u (input variable vector of the Dimension D), v ~ a (non-normalized) model value (initial value) at a (non-normalized) test point u ~ (Input variable vector of dimension D), x l of a node of the node data, N of the number of nodes of the node data, D of the dimension of the input data / training data / node data space, and l d and σ f of the hyperparameters of the model training. The vector Q y is a quantity calculated from the hyperparameters and the training data. Furthermore, m y of the mean value function correspond to an average value of the output values of the node data and s y to the variance of the output values of the node data.

Ausgehend von dem normalen Betrieb des Systems 1, in dem die physikalische Einrichtung 3 mithilfe des datenbasierten Funktionsmodells in der Steuereinheit 2 betrieben wird, werden an bestimmten Betriebspunkten der physikalischen Einrichtung 3 Werte der Zielgröße des zu adaptierenden Funktionsmodells erfasst und entsprechende Messpunktdaten bereitgestellt. Die Betriebspunkte werden durch Messpunkte bestimmt, die durch Werte einer oder mehrerer der Ansteuergrößen A und/oder durch Werte einer oder mehrerer der Zustandsgrößen Z definiert sind. Die Messpunkte und die entsprechende Zielgröße werden zeitgleich erfasst und so als Messpunktdaten bereitgestellt. Das Format der Messpunktdaten entspricht dann dem Format der Stützstellendatenpunkte.Starting from the normal operation of the system 1 in which the physical device 3 using the data-based functional model in the control unit 2 operated at certain operating points of the physical device 3 Values of the target size of the function model to be adapted are detected and corresponding measurement point data is provided. The operating points are determined by measuring points that are defined by values of one or more of the control variables A and / or by values of one or more of the state variables Z. The measuring points and the corresponding target quantity are recorded at the same time and thus made available as measuring point data. The format of the measurement point data then corresponds to the format of the support point data points.

Anhand des in 2 dargestellten Flussdiagramms wird nachfolgend ein Verfahren beschrieben, mit dem das in der Steuereinheit 2 in Form der Hyperparameter und Stützstellendaten definierte datenbasierte Funktionsmodell adaptiert werden kann.Based on the in 2 the flowchart shown, a method is described below, with which in the control unit 2 in the form of hyperparameters and support point data defined data-based function model can be adapted.

Als Ausgangssituation wird in Schritt S1 das datenbasierte Funktionsmodell in Form eines Gauß-Prozess-Modells bereitgestellt, wobei Hyperparameter und Stützstellendaten in der Speichereinheit 23 der Steuereinheit 2 gespeichert sind. Die Steuerung bzw. Regelung der physikalischen Einrichtung 3 wird mithilfe der Steuereinheit 2 sowie basierend auf durch das datenbasierte Funktionsmodell ermittelten Funktionswerten durchgeführt, wobei die Funktionswerte betriebspunktabhängig, d. h. abhängig von Zustandsgrößen Z der physikalischen Einrichtung 3, ermittelt werden.As an initial situation, the data-based function model in the form of a Gaussian process model is provided in step S1, where hyperparameters and support point data are stored in the memory unit 23 the control unit 2 are stored. The control of the physical device 3 is using the control unit 2 and performed based on function values determined by the data-based functional model, wherein the function values are operating point-dependent, ie dependent on state variables Z of the physical device 3 , be determined.

In Schritt S2 werden die Stützstellendaten analysiert, um denjenigen Stützstellendatenpunkt festzustellen, der die geringste Wichtigkeit aufweist. Dies wird wie folgt durchgeführt. Basierend auf dem bereitgestellten, d. h. in der Regel offline trainierten, Gauß-Prozess-Modell mit dem Prädiktionsvektor

Figure DE102013214967A1_0004
wobei K ∈
Figure DE102013214967A1_0005
der Kovarianzmatrix entspricht, die durch die Stützstellendaten und die Kovarianzfunktion definiert ist, wird derjenige Stützstellendatenpunkt mit dem Index i = argminj=1,...nj) bestimmt, der in der bestehenden Menge von Stützstellendaten die geringste Wichtigkeit aufweist. Als Kriterium für die Wichtigkeit kann der Abstand des Zielwerts des betrachteten Stützstellendatenpunkts von den Funktionswerten des datenbasierten Funktionsmodells verwendet werden, der sich aus dem Schurkomplement der reduzierten Kovarianzmatrix γj = kjj – k T / jK –1 / \jkj mit dem Autokovarianzwert kjj ergibt, wobei jeweils der Vektor kj den Kovarianzfunktionswerten zwischen xj und allen anderen Stützstellendatenpunkten und K\j der Kovarianzmatrix ohne die dem betrachteten Stützstellenpunkt entsprechende j-te Reihe und Spalte entsprechen.In step S2, the pit data is analyzed to determine which pit point data point has the least importance. This is done as follows. Based on the Gaussian process model provided with the prediction vector, that is, usually trained offline
Figure DE102013214967A1_0004
where K ∈
Figure DE102013214967A1_0005
According to the covariance matrix defined by the landmark data and the covariance function, the node data point with the index i = argmin j = 1, ... nj ) is determined which has the least importance in the existing set of node data. As a criterion for the importance, the distance of the target value of the considered support point data point from the function values of the data-based function model can be used, which consists of the harmonic complement of the reduced covariance matrix γ j = k jj - k T / jK -1 / \ jk j with the autocovariance value k jj , where in each case the vector k j corresponds to the covariance function values between x j and all other node data points and K \ j of the covariance matrix without the j-th row and column corresponding to the considered node point.

In Schritt S3 wird für einen neu gemessenen Messpunkt (x*, y*) der projektionsindizierte Fehler γ* = k** – k T / *K–1k* berechnet. Dabei entspricht k** einer Autokovarianz des neu gemessen Messpunkts und k* dem Vektor mit Kovarianzfunktionswerten zwischen den bereitgestellten Messpunkt und den aktuellen Stützstellendatenpunkten.In step S3, for a newly measured measuring point (x * , y * ), the projection-indicated error is determined γ * = k ** - k T / * K -1 k * calculated. In this case, k ** corresponds to an autocovariance of the newly measured measuring point and k * to the vector with covariance function values between the measuring point provided and the current supporting point data points.

In Schritt S4 wird überprüft, ob der projektionsinduzierte Fehler des neu bemessenen Messpunkts größer ist als der Abstand des Zielwerts des oben betrachteten Stützstellendatenpunkts von den Funktionswerten des datenbasierten Funktionsmodells mit der geringsten Wichtigkeit. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird in Schritt S5 der zuvor ermittelte Stützstellendatenpunkt mit der geringsten Wichtigkeit mit dem Index i durch den neuen Messpunkt ersetzt und in Schritt Schritt S6 ein neuer Prädiktionsvektor α berechnet. Anschließend wird zu Schritt S2 zurückgesprungen. Die Aktualisierung des Prädiktionsvektors kann durch eine Cholesky-Aktualisierung mit LLT = σ2I + K erfolgen, die numerisch stabil und effizient ist. Weiterhin wird der Mittelwertfunktionswert mi durch m* ersetzt, der sich aus der beim Training des datenbasierten Gauß-Prozess-Modells verwendeten Mittelwertfunktion und dem Betriebspunkt des neuen Messpunkts ergibt (im einfachsten Fall m = 0), um den neuen Prädiktionsvektor α zu ermitteln.In step S4, it is checked whether the projection-induced error of the newly measured measuring point is greater than the distance of the target value of the above-considered supporting point data point from the function values of the least significant data-based operating model. If this is the case (alternative: yes), in step S5 the previously determined support point data point with the least importance is replaced with the index i by the new measurement point, and in step step S6 a new prediction vector α is calculated. Subsequently, it returns to step S2. The updating of the prediction vector can be done by a Cholesky update with LL T = σ 2 I + K, which is numerically stable and efficient. Furthermore, the average function value m i is replaced by m * , which results from the mean value function used in training the data-based Gaussian process model and the operating point of the new measurement point (m = 0 in the simplest case) in order to determine the new prediction vector α.

Wird in Schritt S4 festgestellt, dass der projektionsinduzierte Fehler des neu bemessenen Messpunktes kleiner ist als der Abstand des Zielwerts des oben betrachteten Stützstellendatenpunkts von den Funktionswerten des datenbasierten Funktionsmodells mit der geringsten Wichtigkeit (Alternative: Nein), so wird in Schritt S7 der zuvor ermittelte Stützstellendatenpunkt mit der geringsten Wichtigkeit in den Stützstellendaten belassen und der betrachtete Messpunkt verworfen.If it is determined in step S4 that the projection-induced error of the newly measured measuring point is smaller than the distance of the target value of the above-considered support point data point from the function values of the data-based function model with the least importance (alternative: no), then the previously determined Leave support point data point with the least importance in the support point data and discard the considered measurement point.

Weiterhin kann vorgesehen sein, die Hyperparameter nach einem Austausch eines Stützstellendatenpunkts in Schritt S5 durch einen Messpunkt online zu adaptieren, z. B. mithilfe eines Gradienten-Abstiegsverfahrens.Furthermore, it can be provided to adapt the hyperparameters online after a replacement of a support point data point in step S5 by a measuring point, for. B. using a gradient descent method.

Im Falle eines Gauß-Prozess-Modells, wie oben beschrieben, basieren die obigen Berechnungen auf der Kovarianzmatrix K. Daher muss die Kovarianzmatrix K in der Steuereinheit 2 für die Adaption des datenbasierten Funktionsmodells zur Verfügung stehen. Die Kovarianzmatrix K kann sowohl in der Steuereinheit 2 gespeichert sein als auch online berechnet werden.In the case of a Gaussian process model, as described above, the above calculations are based on the covariance matrix K. Therefore, the covariance matrix K must be in the control unit 2 available for the adaptation of the data-based function model. The covariance matrix K can be both in the control unit 2 be saved as well as be calculated online.

Um zu verhindern, dass die Online-Adaption dazu führt, dass die Funktionswerte des datenbasierten Funktionsmodells zu weit von dem anfänglichen datenbasierten Funktionsmodell abweichen, kann das Selektionskriterium weiter verfeinert werden, um ein Ersetzen eines Stützstellendatenpunkts durch einen Messpunkt nur dann zuzulassen, wenn die dadurch bewirkte Abweichung von dem anfänglichen datenbasierten Funktionsmodell ein bestimmtes Maß nicht überschreitet.To prevent the on-line adaptation from causing the function-based values of the data-based function model to deviate too much from the initial data-based function model, the selection criterion can be further refined to allow a support point data point to be replaced by a measurement point only if it causes it Deviation from the initial data-based function model does not exceed a certain level.

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Claims (11)

Verfahren zum Adaptieren eines datenbasierten Funktionsmodells, insbesondere eines Gauß-Prozess-Modells, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen von Stützstellendaten (S1), durch die das datenbasierte Funktionsmodell definiert ist und die Stützstellendatenpunkte mit jeweils einem Betriebspunkt und einem dem Betriebspunkt zugeordneten Zielwert einer Zielgröße umfassen; – Bereitstellen eines Messpunkts und eines an dem Messpunkt erfassten Werts der Zielgröße; – Bestimmen (S2) desjenigen Stützstellendatenpunkts, der gemäß einer Wichtigkeitsfunktion eine geringste Wichtigkeit aufweist; und – Ersetzen (S5) des bestimmten Stützstellendatenpunkts durch den Messpunkt gemäß einem Ersetzungskriterium.Method for adapting a data-based function model, in particular a Gaussian process model, comprising the following steps: - providing support point data (S1), by which the data-based function model is defined and the support point data points each having an operating point and a target value of a target variable associated with the operating point; Providing a measuring point and a value of the target variable detected at the measuring point; - determining (S2) that support point data point which has a least importance according to an importance function; and - replacing (S5) the determined support point data point by the measurement point in accordance with a replacement criterion. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ersetzungskriterium erfüllt ist, wenn ein projektionsinduzierter Fehler des bereitgestellten Messpunkts größer ist als der Abstand des Zielwerts des Stützstellendatenpunkts mit der geringsten Wichtigkeit von den Funktionswerten des geltenden datenbasierten Funktionsmodells.The method of claim 1, wherein the replacement criterion is satisfied when a projection-induced error of the provided measurement point is greater than the distance of the target value of the least significant support point data point from the function values of the current data-based function model. Verfahren nach Anspruch 2, wobei sich der projektionsinduzierte Fehler des bereitgestellten Messpunkts aus γ* = k** – k T / *K–1k* ergibt, wobei k** einer Autokovarianz des bereitgestellten Messpunkts und k* einem Vektor mit Kovarianzfunktionswerten zwischen den bereitgestellten Messpunkt und den aktuellen Stützstellendatenpunkten entsprechen.The method of claim 2, wherein the projection-induced error of the provided measurement point is from γ * = k ** - k T / * K -1 k * where k ** corresponds to an autocovariance of the provided measurement point and k * corresponds to a vector with covariance function values between the provided measurement point and the current support point data points. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wichtigkeitsfunktion für die Wichtigkeit einer Stützstelle einen Unterschied, insbesondere einen Abstand, des Zielwerts eines Stützstellendatenpunkts von dem Funktionswert des datenbasierten Funktionsmodells an der entsprechenden Stützstelle angibt.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the importance function for the importance of a support point indicates a difference, in particular a distance, of the target value of a support point data point from the function value of the data-based function model at the corresponding support point. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Wichtigkeitsfunktion γj = kjj – k T / jK –1 / \jkj entspricht, wobei jeweils kjj einem Autokovarianzwert der j-ten Stützstelle der Stützstellendaten, der Vektor kj den Kovarianzfunktionswerten zwischen xj und allen übrigen Stützstellendatenpunkten der Stützstellendaten und K\j der Kovarianzmatrix ohne die dem betrachteten Stützstellenpunkt entsprechende j-te Reihe und Spalte entsprechen.The method of claim 4, wherein the importance function γ j = k jj - k T / jK -1 / \ jk j each kjj corresponds to an autocovariance value of the jth interpolation point of the interpolation point data, the vector kj to the covariance function values between xj and all other interpolation point data points of the interpolation point data and K \ j of the covariance matrix without the jth row and column corresponding to the considered interpolation point point , Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das datenbasierte Funktionsmodell einem Gauß-Prozess-Modell entspricht und Hyperparameter des Gauß-Prozess-Modells nach einem Ersetzen eines Stützstellendatenpunkts durch ein Optimierungsverfahren, insbesondere mithilfe eines Gradientenabstiegsverfahrens, adaptiert werden.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the data-based function model corresponds to a Gaussian process model and hyperparameters of the Gaussian process model after a replacement of a support point data point by an optimization method, in particular by means of a gradient descent method, adapted. Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit (2), zum Adaptieren eines datenbasierten Funktionsmodells, insbesondere eines Gauß-Prozess-Modells, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um: – Stützstellendaten bereitzustellen, durch die das datenbasierte Funktionsmodell definiert ist und die Stützstellendatenpunkte mit jeweils einem Betriebspunkt und einem dem Betriebspunkt zugeordneten Zielwert einer Zielgröße umfassen; – einen Messpunkt und einen an dem Messpunkt erfassten Wert der Zielgröße bereitzustellen; – denjenigen Stützstellendatenpunkt zu bestimmen, der gemäß einer Wichtigkeitsfunktion eine geringste Wichtigkeit aufweist; und – den bestimmten Stützstellendatenpunkt gemäß einem Ersetzungskriterium durch den Messpunkt zu ersetzen.Device, in particular a control unit ( 2 ), for adapting a data-based function model, in particular a Gaussian process model, the device being designed to: provide support point data by which the data-based function model is defined and the support point data points each having an operating point and a target value of a target variable associated with the operating point include; To provide a measuring point and a value of the target value detected at the measuring point; To determine the support point data point which has a least importance according to an importance function; and - replacing the determined support point data point by the measurement point according to a replacement criterion. System (1), umfassend: – eine Vorrichtung nach Anspruch 7; und – eine physikalische Einrichtung (3), die durch die Vorrichtung betrieben wird.System ( 1 ), comprising: - an apparatus according to claim 7; and - a physical device ( 3 ) operated by the device. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.Computer program adapted to carry out all the steps of the method according to one of claims 1 to 6. Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.An electronic storage medium on which a computer program according to claim 9 is stored. Elektronische Steuereinheit (2), welche ein elektronisches Speichermedium nach Anspruch 10 aufweist.Electronic control unit ( 2 ) comprising an electronic storage medium according to claim 10.
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