JP2013149204A - Signal extraction device, method, and program - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To extract a long-term non-steady signal and a local non-steady signal from time series data.SOLUTION: In a state estimation unit 22, according to Normalized UFK and on the basis of time series data on an observed value, a state vector X including a cyclical variation component, a nonlinear trend component, and an event component is estimated sequentially and an estimated value of the observed value is calculated. In a signal extraction unit 23, from the state vector X sequentially estimated by the state estimation unit 22, a signal indicating each of the cyclical variation component, the nonlinear trend component, and the event component is extracted.

Description

本発明は、信号抽出装置、方法、及びプログラムに係り、特に、時系列データから信号を抽出する信号抽出装置、方法、及びプログラムに関する。   The present invention relates to a signal extraction apparatus, method, and program, and more particularly, to a signal extraction apparatus, method, and program for extracting a signal from time series data.

従来より、経済時系列データのトレンドと周期を解析するため、mth-order stochastic trendというモデルが提案されている(非特許文献1)。このモデルでは、m=1で通常のrandom walkモデルに一致し、m≧2ではトレンドの傾き成分をrandom walkでモデル化している。周期シグナルに対してはnth-order stochastic cycleというモデルが提案されている。それぞれのモデルに対する最小分散推定量としてWiener-Kolmogorov filterが導出されている。 Conventionally, a model called m th -order stochastic trend has been proposed in order to analyze trends and cycles of economic time series data (Non-patent Document 1). In this model, when m = 1, it matches the normal random walk model, and when m ≧ 2, the trend slope component is modeled by random walk. A model called n th -order stochastic cycle has been proposed for periodic signals. The Wiener-Kolmogorov filter is derived as the minimum variance estimator for each model.

Andrew C. Harvey, et al., “General Model-Based Filters for Extracting Cycles and Trends in Economic Time Series”, The Review of Economics and Statistics, 2003年.Andrew C. Harvey, et al., “General Model-Based Filters for Extracting Cycles and Trends in Economic Time Series”, The Review of Economics and Statistics, 2003.

本発明は、時系列データから、長期的な非定常信号及び局所的な非定常信号を抽出することができる信号抽出装置、方法、及びプログラムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a signal extraction apparatus, method, and program capable of extracting a long-term unsteady signal and a local unsteady signal from time series data.

上記の目的を達成するために本発明に係る信号抽出装置は、循環変動成分、長期的な非定常成分、及び局所的な非定常成分を含む状態ベクトルXをシステムノイズを用いて非線形に時間更新するための状態更新式、及び観測ノイズを用いて状態ベクトルXと観測値との関係を示す観測方程式を用いて定められた状態空間モデルについて、前記状態ベクトルXの推定誤差分散の共分散行列を、システムノイズの共分散行列の対角成分及び観測ノイズの分散値の総和で正規化した正規化推定誤差分散共分散行列と、前記システムノイズの共分散行列を前記総和で正規化した正規化システムノイズ共分散行列と、前記観測ノイズの分散値を前記総和で正規化した正規化観測ノイズ分散とを用いたシグマ点列の発生、状態ベクトルXの状態更新、及び観測更新を行うNormalized UFK(Unscented Kalman Filter)に従って、前記観測値の時系列データに基づいて前記状態ベクトルXを逐次推定する状態推定手段と、前記状態推定手段によって逐次推定された前記状態ベクトルXから、前記循環変動成分、前記長期的な非定常成分、及び前記局所的な非定常成分の各々を示す信号を抽出する信号抽出手段と、を含んで構成されている。   In order to achieve the above object, the signal extraction apparatus according to the present invention updates the state vector X including the cyclic fluctuation component, the long-term unsteady component, and the local unsteady component in a non-linear manner using the system noise. And a state space model defined using an observation equation indicating the relationship between the state vector X and the observed value using observation noise, and a covariance matrix of the estimated error variance of the state vector X A normalization estimation error variance covariance matrix normalized by the sum of the diagonal components of the covariance matrix of the system noise and the variance of the observed noise, and a normalization system normalizing the covariance matrix of the system noise by the sum Generation of a sigma point sequence using a noise covariance matrix and a normalized observation noise variance obtained by normalizing the variance of the observed noise with the sum, updating the state of the state vector X, and In accordance with a normalized UFK (Unscented Kalman Filter) that performs measurement update, state estimation means for sequentially estimating the state vector X based on time-series data of the observed values, and from the state vector X sequentially estimated by the state estimation means And a signal extracting means for extracting a signal indicating each of the cyclic fluctuation component, the long-term unsteady component, and the local unsteady component.

本発明に係る信号抽出方法は、状態推定手段及び信号抽出手段を含む信号抽出装置における信号抽出方法であって、前記信号抽出装置は、状態推定手段によって、循環変動成分、長期的な非定常成分、及び局所的な非定常成分を含む状態ベクトルXをシステムノイズを用いて非線形に時間更新するための状態更新式、及び観測ノイズを用いて状態ベクトルXと観測値との関係を示す観測方程式を用いて定められた状態空間モデルについて、前記状態ベクトルXの推定誤差分散の共分散行列を、システムノイズの共分散行列の対角成分及び観測ノイズの分散値の総和で正規化した正規化推定誤差分散共分散行列と、前記システムノイズの共分散行列を前記総和で正規化した正規化システムノイズ共分散行列と、前記観測ノイズの分散値を前記総和で正規化した正規化観測ノイズ分散とを用いたシグマ点列の発生、状態ベクトルXの状態更新、及び観測更新を行うNormalized UFK(Unscented Kalman Filter)に従って、前記観測値の時系列データに基づいて前記状態ベクトルXを逐次推定するステップと、信号抽出手段によって、前記状態推定手段によって逐次推定された前記状態ベクトルXから、前記循環変動成分、前記長期的な非定常成分、及び前記局所的な非定常成分の各々を示す信号を抽出するステップと、を含んで実行することを特徴とする。   A signal extraction method according to the present invention is a signal extraction method in a signal extraction device including a state estimation unit and a signal extraction unit, and the signal extraction device uses the state estimation unit to perform a cyclic fluctuation component and a long-term unsteady component. And a state update expression for nonlinearly updating the state vector X including the local non-stationary component using the system noise, and an observation equation indicating the relationship between the state vector X and the observed value using the observation noise. Normalized estimation error obtained by normalizing the covariance matrix of the estimated error variance of the state vector X with the sum of the diagonal components of the system noise covariance matrix and the observed noise variance value for the state space model determined using A variance covariance matrix, a normalized system noise covariance matrix obtained by normalizing the covariance matrix of the system noise with the sum, and a variance value of the observation noise Based on normalized UFK (Unsented Kalman Filter) that performs generation of sigma point sequence using normalized observation noise variance normalized in step, state update of state vector X, and observation update, based on the time series data of the observed values The state vector X is sequentially estimated, and the cyclic fluctuation component, the long-term unsteady component, and the local non-stationary component are obtained from the state vector X sequentially estimated by the state estimation unit by the signal extraction unit. And a step of extracting a signal indicating each of the stationary components.

本発明に係るプログラムは、コンピュータを、循環変動成分、長期的な非定常成分、及び局所的な非定常成分を含む状態ベクトルXをシステムノイズを用いて非線形に時間更新するための状態更新式、及び観測ノイズを用いて状態ベクトルXと観測値との関係を示す観測方程式を用いて定められた状態空間モデルについて、前記状態ベクトルXの推定誤差分散の共分散行列を、システムノイズの共分散行列の対角成分及び観測ノイズの分散値の総和で正規化した正規化推定誤差分散共分散行列と、前記システムノイズの共分散行列を前記総和で正規化した正規化システムノイズ共分散行列と、前記観測ノイズの分散値を前記総和で正規化した正規化観測ノイズ分散とを用いたシグマ点列の発生、状態ベクトルXの状態更新、及び観測更新を行うNormalized UFK(Unscented Kalman Filter)に従って、前記観測値の時系列データに基づいて前記状態ベクトルXを逐次推定する状態推定手段、及び前記状態推定手段によって逐次推定された前記状態ベクトルXから、前記循環変動成分、前記長期的な非定常成分、及び前記局所的な非定常成分の各々を示す信号を抽出する信号抽出手段として機能させるためのプログラムである。   A program according to the present invention is a state update formula for updating a computer in a non-linear time manner using a system noise for a state vector X including a cyclic fluctuation component, a long-term unsteady component, and a local unsteady component. And the covariance matrix of the estimated error variance of the state vector X for the state space model defined using the observation equation indicating the relationship between the state vector X and the observed value using the observation noise, and the system noise covariance matrix Normalized estimation error variance covariance matrix normalized by the sum of the diagonal components of and the observed noise variance, and the normalized system noise covariance matrix obtained by normalizing the system noise covariance matrix by the sum, and Performs sigma point sequence generation, state vector X state update, and observation update using normalized observation noise variance obtained by normalizing the observed noise variance with the sum According to a normalized UFK (Unscented Kalman Filter), state estimation means for sequentially estimating the state vector X based on time-series data of the observed values, and the cyclic variation from the state vector X sequentially estimated by the state estimation means It is a program for functioning as a signal extraction means for extracting a signal indicating each of a component, the long-term unsteady component, and the local unsteady component.

本発明によれば、状態推定手段によって、循環変動成分、長期的な非定常成分、及び局所的な非定常成分を含む状態ベクトルXをシステムノイズを用いて非線形に時間更新するための状態更新式、及び観測ノイズを用いて状態ベクトルXと観測値との関係を示す観測方程式を用いて定められた状態空間モデルについて、前記状態ベクトルXの推定誤差分散の共分散行列を、システムノイズの共分散行列の対角成分及び観測ノイズの分散値の総和で正規化した正規化推定誤差分散共分散行列と、前記システムノイズの共分散行列を前記総和で正規化した正規化システムノイズ共分散行列と、前記観測ノイズの分散値を前記総和で正規化した正規化観測ノイズ分散とを用いたシグマ点列の発生、状態ベクトルXの状態更新、及び観測更新を行うNormalized UFK(Unscented Kalman Filter)に従って、前記観測値の時系列データに基づいて前記状態ベクトルXを逐次推定する。そして、信号抽出手段によって、前記状態推定手段によって逐次推定された前記状態ベクトルXから、前記循環変動成分、前記長期的な非定常成分、及び前記局所的な非定常成分の各々を示す信号を抽出する。   According to the present invention, the state update equation for non-linearly updating the state vector X including the cyclic variation component, the long-term unsteady component, and the local unsteady component using the system noise by the state estimation unit. , And a state space model defined using an observation equation indicating the relationship between the state vector X and the observation value using the observation noise, the covariance matrix of the estimated error variance of the state vector X is expressed as the system noise covariance A normalized estimation error variance covariance matrix normalized by the sum of the diagonal components of the matrix and the variance of the observed noise, and a normalized system noise covariance matrix obtained by normalizing the system noise covariance matrix by the sum. N that performs generation of a sigma point sequence, state update of the state vector X, and observation update using the normalized observation noise variance obtained by normalizing the variance value of the observation noise with the sum. According rmalized UFK (Unscented Kalman Filter), sequentially estimating the state vector X on the basis of the time-series data of the observations. Then, a signal extraction unit extracts a signal indicating each of the circulation fluctuation component, the long-term unsteady component, and the local unsteady component from the state vector X sequentially estimated by the state estimation unit. To do.

このように、循環変動成分、長期的な非定常成分、及び局所的な非定常成分を含む状態ベクトルXを、Normalized UFKに従って逐次推定し、循環変動成分、長期的な非定常成分、及び局所的な非定常成分の各々を示す信号を抽出することにより、時系列データから、長期的な非定常信号及び局所的な非定常信号を抽出することができる。   Thus, the state vector X including the cyclic fluctuation component, the long-term unsteady component, and the local unsteady component is sequentially estimated according to the normalized UFK, and the cyclic fluctuation component, the long-term unsteady component, and the local unsteady component are estimated. By extracting a signal indicating each unsteady component, a long-term unsteady signal and a local unsteady signal can be extracted from the time-series data.

以上説明したように、本発明の信号抽出装置、方法、及びプログラムによれば、循環変動成分、長期的な非定常成分、及び局所的な非定常成分を含む状態ベクトルXを、Normalized UFKに従って逐次推定し、循環変動成分、長期的な非定常成分、及び局所的な非定常成分の各々を示す信号を抽出することにより、時系列データから、長期的な非定常信号及び局所的な非定常信号を抽出することができる、という効果が得られる。   As described above, according to the signal extraction apparatus, method, and program of the present invention, the state vector X including the cyclic fluctuation component, the long-term non-stationary component, and the local non-stationary component is sequentially generated according to the Normalized UFK. Estimate and extract signals indicating each of the cyclic fluctuation component, long-term unsteady component, and local unsteady component, thereby extracting long-term unsteady signal and local unsteady signal from the time series data. Can be extracted.

本発明の実施の形態に係る信号抽出装置の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the signal extraction apparatus which concerns on embodiment of this invention. 観測値の時系列データを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the time series data of an observed value. 出力データを示す図である。It is a figure which shows output data. 本発明の実施の形態に係る信号抽出装置における信号抽出処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the content of the signal extraction process routine in the signal extraction apparatus which concerns on embodiment of this invention. 観測値の時系列データを示すグラフである。It is a graph which shows the time series data of an observed value. 抽出された循環変動成分の信号を示すグラフである。It is a graph which shows the signal of the extracted circulation fluctuation component. 抽出されたトレンド成分の信号を示すグラフである。It is a graph which shows the signal of the extracted trend component. 抽出されたイベント成分の信号を示すグラフである。It is a graph which shows the signal of the extracted event component. 観測値の予測値を示すグラフである。It is a graph which shows the predicted value of an observed value. 各モデルの性能の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the performance of each model.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

<発明の概要>
マーケティング時系列データに代表される現実の時系列は時間と共に大きく変動し、事前に定常化を施さないと解析が困難であることが多い。この様な時系列は非定常と呼ばれ、本発明は非定常時系列に対する解析、モデリング、信号抽出を可能にするものである。
<Outline of the invention>
An actual time series represented by marketing time series data greatly fluctuates with time, and is often difficult to analyze without prior stabilization. Such a time series is called non-stationary, and the present invention enables analysis, modeling, and signal extraction for non-stationary time series.

本発明で用いる状態推定アルゴリズムは、非線形ガウス型でモデル化された時系列の状態を高精度で推定するNormalized Unscented Kalman Filter(nUKF)である。時系列モデルにおいては非線形トレンド成分とダイナミックイベント成分を新たに導入し、非定常時系列を精度良くモデリングする。これらの成分は時系列データの特徴を示しており、特にセールやキャンペーン効果の信号を取るイベント成分は、マーケティング時系列の解析において有益な情報をもたらす。   The state estimation algorithm used in the present invention is a Normalized Unscented Kalman Filter (nUKF) that estimates a time-series state modeled in a nonlinear Gaussian type with high accuracy. In the time series model, nonlinear trend components and dynamic event components are newly introduced to model non-stationary time series with high accuracy. These components show the characteristics of time series data. In particular, event components that take signals of sales and campaign effects provide useful information in the analysis of marketing time series.

<システム構成>
本発明の実施の形態に係る信号抽出装置100は、観測値の時系列データが入力され、信号を抽出する。この信号抽出装置100は、CPUと、RAMと、後述する信号抽出処理ルーチンを実行するためのプログラムを記憶したROMとを備えたコンピュータで構成され、機能的には次に示すように構成されている。図1に示すように、信号抽出装置100は、入力部10と、演算部20と、出力部30とを備えている。
<System configuration>
The signal extraction apparatus 100 according to the embodiment of the present invention receives time series data of observation values and extracts a signal. This signal extraction device 100 is constituted by a computer including a CPU, a RAM, and a ROM storing a program for executing a signal extraction processing routine described later, and is functionally configured as follows. Yes. As shown in FIG. 1, the signal extraction device 100 includes an input unit 10, a calculation unit 20, and an output unit 30.

入力部10は、入力された観測値の時系列データを受け付ける。観測値は、スカラー値であり、すなわち、時系列データは、1次元時系列である。例えば、図2に示すように、エポックtnと観測値(tn)との組(n=1、・・・、N)からなる時系列データである。 The input unit 10 receives time-series data of input observation values. The observed value is a scalar value, that is, the time series data is a one-dimensional time series. For example, as shown in FIG. 2, it is time series data composed of a set (n = 1,..., N) of an epoch t n and an observed value (t n ).

演算部20は、状態空間モデリング部21、状態推定部22、及び信号抽出部23を備えている。   The calculation unit 20 includes a state space modeling unit 21, a state estimation unit 22, and a signal extraction unit 23.

状態空間モデリング部21は、予め設定された状態空間モデルの定義に基づいて、以下に説明するように、時系列データを状態空間で表現した非線形ガウス型モデルを定義する。   The state space modeling unit 21 defines a nonlinear Gaussian model in which time-series data is expressed in the state space, as will be described below, based on the definition of the state space model set in advance.

まず、以下の(1)式、(2)式に示す非線形ガウス型モデリングを行う。   First, nonlinear Gaussian modeling shown in the following equations (1) and (2) is performed.

ただし、Xは時刻tにおける状態ベクトルで、通常、非観測量が取られる。状態ベクトルXtを時系列データytを用いて推定することを目的とする。wはシステムノイズベクトルであり、正規分布に従う白色ノイズベクトルである。μは観測ノイズであり、正規分布に従う白色ノイズである。上記(2)式に示されるように、ytは時刻tにおける観測値で、状態Xtの線形変換Hにより生成される。上記(2)式は、観測ノイズを用いて状態ベクトルXtと観測値ytとの関係を示している。f()が非線形箇所であり、f()の型はモデルにより異なる。状態ベクトルXtは以下の(3)式で表わされる。 However, Xt is a state vector at time t, and normally an unobserved quantity is taken. And an object thereof is to estimate using the time-series data y t the state vector X t. w is a system noise vector, which is a white noise vector following a normal distribution. μ is observation noise, and is white noise according to a normal distribution. As shown in equation (2), y t the observation value at time t, generated by the linear transformation H state X t. The above equation (2) shows the relationship between the state vector Xt and the observation value yt using the observation noise. f () is a non-linear part, and the type of f () varies depending on the model. State vector X t is expressed by the following equation (3).

ここで、xt, ・・・,xt−M+1,a1,・・・,aMまでは自己回帰過程で表現された循環変動成分に関する変量、Tt,nttが非線形トレンド成分に関する変量である。また、Et,β'tがイベント成分に関する変量である。従って、推定すべきパラメータは全部で2×M+5になる。この状態ベクトルXtを用いた状態更新式のf(Xt-1)、wは、以下の(4)式で表わされる。 Where x t , ..., x t−M + 1 , a 1 , ..., a M are variables related to the cyclic fluctuation component expressed in the autoregressive process, T t , n t , β t This is a variable related to the nonlinear trend component. E t and β ′ t are variables relating to the event component. Therefore, the parameters to be estimated are 2 × M + 5 in total. F (X t-1 ) and w of the state update equation using this state vector X t are expressed by the following equation (4).

ここで、上記(2)式の観測方程式のHは、1行(2×M+5)列のベクトルで、1番目、(2×M+1)番目、(2×M+4)番目の要素が1、その他は0である。非線形トレンド項とイベント項の状態更新式はぞれぞれ以下の(5)式〜(7)式から導出される。   Here, H in the observation equation (2) above is a vector of 1 row (2 × M + 5) columns, the 1st, (2 × M + 1) th, (2 × M + 4) th Element is 1 and others are 0. The state update formulas for the nonlinear trend term and event term are derived from the following formulas (5) to (7), respectively.

これは未知変量の時間更新に関する1次ガウスマルコフ近似と呼ばれるもので、連続系で定義されている。上記(5)式、(6)式を連立させて解くと非線形トレンド成分の状態更新式が導かれ、上記(7)式を解くとイベント成分の状態更新式が導かれる。1次ガウスマルコフ近似はDynamic Model Compensation(DMC)法と類似している。非線形トレンド成分は長期的な非定常成分をモデル化する成分で、以下の(8)式、(9)式で表される。   This is called the first-order Gaussian Markov approximation for the time update of unknown variables, and is defined as a continuous system. If the equations (5) and (6) are solved simultaneously, a state update equation for the nonlinear trend component is derived, and solving the equation (7) leads to a state update equation for the event component. The first order Gaussian Markov approximation is similar to the Dynamic Model Compensation (DMC) method. The nonlinear trend component is a component that models a long-term unsteady component, and is expressed by the following equations (8) and (9).

ただし、Δは、時系列データのデータ間隔を示す。ここでe−αΔ≡βと置くことで、上記(4)式と同様の式になる。ntはトレンド成分Tの傾きを表し、これが時間と共に変化する。従ってトレンドモデルとして良く採用されるである局所一定トレンド(random walk model)、局所線形トレンド(傾きが一定)とは異なり、トレンドの非線形な変化を少ないノイズの量で実現することができる。イベント成分は局所的な非定常成分をモデル化する成分であり、以下の(10)式で表される。 However, (DELTA) shows the data interval of time series data. Here, by setting e− αΔ≡β , an equation similar to the above equation (4) is obtained. nt represents the slope of the trend component T, which changes with time. Therefore, unlike the local constant trend (random walk model) and the local linear trend (constant slope), which are often adopted as trend models, it is possible to realize a non-linear change in trend with a small amount of noise. The event component is a component that models a local unsteady component, and is represented by the following equation (10).

ここでe−γΔ≡β'と置くことで、上記(4)式と同様の式になる。β'はイベント時と通常時で違う値を取るように設定する。例えば以下の(11)式にしたがって、β'の値を設定する。 Here, by setting e− γΔ≡β ′, an equation similar to the above equation (4) is obtained. β ′ is set to take a different value at the event time and at the normal time. For example, the value of β ′ is set according to the following equation (11).

このβ‘の値の設定は、1次AR係数における非定常と定常領域の境界をβ'が取ることを意味し、イベント時は長期記憶(相関)を持った信号を取ることが可能になり、通常時は何も信号を取らないことを意味する。イベント時と通常時の切替えは自動で行われる。通常時からイベントへの切替えについては、正規分布を利用した外れ値検出の手法を利用し、ytが外れ値として検出されたらイベントの開始とする。イベントから通常時への切替えについては、β'が値域の最小値である0.9付近に落ち着き、Etが0に近付くポイントで行う。例えば、所定回数連続して、β'が値域の最小値である0.9付近の値となった場合に、通常時へ切替える。 This β 'value setting means that β' takes the boundary between the unsteady and steady regions in the first-order AR coefficient, and it becomes possible to take a signal with long-term memory (correlation) at the event. Usually, it means that no signal is taken. Switching between event and normal is done automatically. Switching to the event from the normal, using the technique of outlier detection using a normal distribution, the start of the event when a y t is detected as outliers. Switching to normal time from the event, beta 'restless 0.9 near the minimum value of the range, carried out at the point where E t approaches zero. For example, when β ′ becomes a value in the vicinity of 0.9, which is the minimum value in the range, for a predetermined number of times, the mode is switched to the normal time.

このように、状態空間モデリング部21は、予め設定された上記(4)式に示すようなf()の型を定義すると共に、上記(2)式のHを定義する。   As described above, the state space modeling unit 21 defines a type of f () as shown in the above-described equation (4) and defines H in the equation (2).

また、状態空間モデリング部21は、後述する正規化されたシステムノイズの共分散行列の対角成分及び観測ノイズの分散値に対して、適切な値を設定する。   In addition, the state space modeling unit 21 sets appropriate values for the diagonal components of the normalized system noise covariance matrix, which will be described later, and the observed noise variance.

状態推定部22は、入力された時系列データと、状態空間モデリング部21でモデリングされた状態空間モデルとに基づき、状態ベクトルの逐次推定を行う。モデルは非線形であるので、Unscented Kalman Filter(UKF)をベースにしたNormalized UKFにより状態ベクトルXtの逐次推定を行う。通常のUKFアルゴリズムは、以下の(12)式〜(22)式で表されるシグマ点列の発生、状態更新、及び観測更新(フィルタ)からなる。 The state estimation unit 22 performs sequential estimation of state vectors based on the input time-series data and the state space model modeled by the state space modeling unit 21. Since the model is a nonlinear, it performs sequential estimation of the state vector X t by Normalized UKF was Unscented Kalman Filter and (UKF) based. A normal UKF algorithm includes generation of a sigma point sequence represented by the following equations (12) to (22), state update, and observation update (filter).

ただし、λは、予め定められた定数であり、Lは、状態ベクトルXの次元数である。 ̄yは観測値の予測値であり、 ̄y=H ̄Xである。vは予測誤差であり、Pは状態ベクトルXの推定誤差分散の共分散行列である。   Here, λ is a predetermined constant, and L is the number of dimensions of the state vector X.  ̄y is the predicted value of the observed value, and  ̄y = H ̄X. v is a prediction error, and P is a covariance matrix of estimated error variance of the state vector X.

本実施の形態で用いるNormalized UKFでは、上記の通常のアルゴリズムに存在する ̄P,^Pを、全ノイズの分散値の総和、つまりシステムノイズwの共分散行列Qの対角成分の総和と観測ノイズμの分散値rとの和traceQ+rで割る。例えば、上記(22)式の ̄Pは以下の(23)式で定義される ̄P’に置き換えられる。   In Normalized UKF used in this embodiment,  ̄P, ^ P existing in the above normal algorithm is the sum of the variance values of all noises, that is, the sum of the diagonal components of the covariance matrix Q of the system noise w. Divide by the sum traceQ + r of the variance value r of noise μ. For example,  ̄P in the above equation (22) is replaced with  ̄P 'defined by the following equation (23).

この操作によって、上記(18)式のシステムノイズ共分散行列Qや上記(19)式の観測ノイズの分散値rは、以下の(24)式、(25)式に示すように正規化される。つまり、システムノイズ共分散行列Qの要素及び観測ノイズの分散値rは全て1以下になる。また、システムノイズ共分散行列Qの要素及び観測ノイズの分散値の総和が1となる。   By this operation, the system noise covariance matrix Q in the equation (18) and the observed noise variance r in the equation (19) are normalized as shown in the following equations (24) and (25). . That is, the elements of the system noise covariance matrix Q and the observed noise variance r are all 1 or less. In addition, the sum of the elements of the system noise covariance matrix Q and the variance value of the observation noise is 1.

通常Qとrは未知であり、各ノイズの分散値の設定は解析者の経験に依る所が大きい。一般にノイズの分散値は状態の推定結果に大きな影響を与えるので、この量を全て1以下に制限し、設定を容易にすることで安定的な解析を可能にする。   Usually Q and r are unknown, and the setting of the variance of each noise largely depends on the analyst's experience. In general, the variance value of noise has a large effect on the estimation result of the state. Therefore, this amount is limited to 1 or less and the setting is facilitated to enable stable analysis.

また、この一連の正規化の操作によってアルゴリズムの形は適宜変更されるが、上記(15)式、(16)式に含まれるαの設定値を小さくとることで通常のUKFのアルゴリズムと一致させることができる。これは以下のように示される。   Also, the shape of the algorithm is appropriately changed by this series of normalization operations. However, by reducing the set value of α included in the above equations (15) and (16), the algorithm can be matched with the normal UKF algorithm. be able to. This is shown as follows.

ここでM・α2が1になるようにαを設定することで、正規化数Mのシグマ点列発生への影響が消える。つまり以下の(30)式、(31)式のようになる。 Here, by setting α so that M · α 2 becomes 1, the influence of the normalized number M on the generation of the sigma point sequence disappears. That is, the following equations (30) and (31) are obtained.

上記(31)式は状態が正規分布に従うと仮定した時の通常のシグマ点列発生である。この場合L+κ=3に設定することが多い。   The above equation (31) is normal sigma point sequence generation when it is assumed that the state follows a normal distribution. In this case, L + κ = 3 is often set.

このように、状態推定部22は、入力された観測値の時系列データに基づいて、通常のUFKのアルゴリズムにおいて、正規化された状態ベクトルXの推定誤差分散の共分散行列 ̄P’,^P’、正規化されたシステムノイズ共分散行列Q’、観測ノイズの分散値r’に置き換えたNormalized UKFのアルゴリズム(シグマ点列の発生、状態更新、観測更新)に従って、状態ベクトルXの逐次推定を行うと共に、観測値の予測値 ̄y(=H ̄X)を算出する。   As described above, the state estimation unit 22 uses the normal time-series data of the input observation values and the covariance matrix  ̄P ′, ^ of the estimated error variance of the normalized state vector X in the normal UFK algorithm. Sequential estimation of state vector X according to Normalized UKF algorithm (generation of sigma point sequence, state update, observation update) replaced with P ', normalized system noise covariance matrix Q', and observed noise variance r ' And a predicted value  ̄y (= H ̄X) of the observed value is calculated.

信号抽出部23は、状態推定部22によって逐次推定された状態ベクトルXから、信号を抽出する。   The signal extraction unit 23 extracts a signal from the state vector X sequentially estimated by the state estimation unit 22.

ここで、状態ベクトルXtは以下の(32)式で表わされる。 Here, the state vector X t is expressed by the following equation (32).

状態ベクトルの要素の内xtが循環変動成分、Ttが非線形トレンド成分、Etがイベント成分にあたる。信号抽出部23は、これら3つの成分を対象時系列の特徴的な信号として抽出する。抽出された信号を分析することで、時系列の特徴や変動を詳細に把握することが可能となる。マーケティング時系列ではイベント成分はセールやキャンペーン等のプロモーション効果による信号と一致する場合が多い。マーケッター側はプロモーション効果の詳細な分析を必要としており、イベント成分はこの重要な情報を含む。 Among the elements of the state vector, x t is a cyclic variation component, T t is a nonlinear trend component, and Et is an event component. The signal extraction unit 23 extracts these three components as characteristic signals in the target time series. By analyzing the extracted signal, it is possible to grasp in detail the characteristics and fluctuations of the time series. In the marketing time series, event components often coincide with signals from promotions such as sales and campaigns. The marketer needs detailed analysis of the promotional effectiveness and the event component contains this important information.

なお、非線形トレンド成分が、長期的な非定常成分の一例であり、イベント成分が、局所的な非定常成分の一例である。   The nonlinear trend component is an example of a long-term unsteady component, and the event component is an example of a local unsteady component.

出力部30により、図3に示すように、信号抽出部23によって抽出された信号の抽出結果及び予測値を示すデータがユーザに出力される。例えば、エポックtnと予測値(tn)と抽出された信号A(tn)と信号B(tn)との組(n=1、・・・、N)からなる時系列データが出力される。 As shown in FIG. 3, the output unit 30 outputs data indicating the extraction result and the predicted value of the signal extracted by the signal extraction unit 23 to the user. For example, time-series data consisting of a set (n = 1,..., N) of an epoch t n , a predicted value (t n ), an extracted signal A (t n ), and a signal B (t n ) is output. Is done.

<信号抽出装置の作用>
次に、本実施の形態に係る信号抽出装置100の作用について説明する。まず、時刻t1〜tNの観測値からなる時系列データが、信号抽出装置100に入力されると、信号抽出装置100によって、入力された時系列データが、メモリ(図示省略)へ格納される。そして、信号抽出装置100によって、図4に示す信号抽出処理ルーチンが実行される。
<Operation of signal extraction device>
Next, the operation of the signal extraction device 100 according to the present embodiment will be described. First, when time-series data composed of observation values at times t 1 to t N is input to the signal extraction device 100, the input time-series data is stored in a memory (not shown) by the signal extraction device 100. The Then, the signal extraction processing routine shown in FIG.

まず、ステップS101において、入力された観測値の時系列データを取得する。そして、ステップS102において、予め設定された状態空間モデルの定義に基づいて、上記(1)式、(2)式の非線形ガウス型モデルを設定すると共に、正規化されたシステムノイズの共分散行列Q’及び観測ノイズの分散値r’を適切な値に設定する。   First, in step S101, time-series data of input observation values is acquired. In step S102, a nonlinear Gaussian model of the above equations (1) and (2) is set based on the definition of a preset state space model, and the normalized system noise covariance matrix Q is set. 'And the variance value r of the observed noise are set to appropriate values.

そして、ステップS103において、上記ステップS102で設定された非線形ガウス型モデル、正規化されたシステムノイズの共分散行列Q’及び観測ノイズの分散値r’を用いて、Normalized UFKのアルゴリズムに従って、上記ステップS101で取得した観測値の時系列データを用いて、シグマ点列の発生、状態更新、及び観測更新を逐次行って、状態ベクトルXの逐次推定を行うと共に、観測値の予測値を算出する。   In step S103, using the nonlinear Gaussian model set in step S102, the normalized system noise covariance matrix Q ′, and the observed noise variance r ′, the above step is performed according to the Normalized UFK algorithm. Using the time-series data of the observed values acquired in S101, generation of the sigma point sequence, state update, and observation update are sequentially performed to sequentially estimate the state vector X and calculate the predicted value of the observed value.

次のステップS104では、上記ステップS103で逐次推定された状態ベクトルXから、循環変動成分、非線形トレンド成分、及びイベント成分の各々を示す信号を抽出して、信号抽出結果及び上記ステップS103で算出された予測値を示すデータを生成し、出力部30により出力し、信号抽出処理ルーチンを終了する。   In the next step S104, a signal indicating each of the cyclic fluctuation component, the nonlinear trend component, and the event component is extracted from the state vector X sequentially estimated in step S103, and the signal extraction result and the calculation in step S103 are performed. Data indicating the predicted value is generated and output by the output unit 30, and the signal extraction processing routine is terminated.

<実験結果>
次に、本実施の形態で説明した信号抽出方法を用いた実験結果について説明する。あるECサイトの日毎の売上高に関する時系列データから、循環変動成分、非線形トレンド成分、及びイベント成分の各々を示す信号を抽出する実験を行った。
<Experimental result>
Next, experimental results using the signal extraction method described in this embodiment will be described. An experiment was conducted to extract signals indicating each of the cyclic fluctuation component, nonlinear trend component, and event component from time series data related to daily sales at an EC site.

図5に示すような、あるECサイトの売上げ時系列(日毎、約2年間)から、図6に示すようなトレンド回りの循環変動成分、図7に示すようなトレンド成分、図8に示すようなイベント成分が抽出された。総じて信号抽出は良好であった。   From the sales time series (daily, about 2 years) of a certain EC site as shown in FIG. 5, the circulation fluctuation component around the trend as shown in FIG. 6, the trend component as shown in FIG. 7, as shown in FIG. The event component was extracted. Overall, signal extraction was good.

さらに、上記図8に示すように、イベント成分は毎年夏と冬に行われるセール・キャンペーン成分を長期相関シグナルでとらえていることが分かる。また、モデルの1期先予測結果を図9に示し、性能を評価した結果を図10に示す。本実施の形態で用いた状態空間モデルに対応するモデル3は、循環変動と通常のトレンド項を考慮したベースラインモデル(モデル1)と比べてAIC(赤池情報量)が低くなっており、本実施の形態で用いた状態空間モデルによるモデリング精度の向上が確認された。   Further, as shown in FIG. 8, it can be seen that the event component captures the sale campaign component that is performed in summer and winter every year with a long-term correlation signal. Further, FIG. 9 shows the prediction results of the first term of the model, and FIG. 10 shows the results of evaluating the performance. The model 3 corresponding to the state space model used in the present embodiment has a lower AIC (Akaike information amount) than the baseline model (model 1) that takes into account circulation fluctuations and normal trend terms. It was confirmed that the modeling accuracy was improved by the state space model used in the embodiment.

以上説明したように、本実施の形態に係る信号抽出装置によれば、循環変動成分、非線形トレンド成分、及びイベント成分を含む状態ベクトルXを、Normalized UFKに従って逐次推定し、循環変動成分、非線形トレンド成分、及びイベント成分の各々を示す信号を抽出することにより、時系列データから、長期的な非定常信号及び局所的な非定常信号を抽出することができる。   As described above, according to the signal extraction device according to the present embodiment, the state vector X including the cyclic fluctuation component, the non-linear trend component, and the event component is sequentially estimated according to the normalized UFK, and the cyclic fluctuation component, the non-linear trend By extracting a signal indicating each of the component and the event component, a long-term unsteady signal and a local unsteady signal can be extracted from the time-series data.

また、時間と共に変動の振舞いが変化する非定常時系列のモデリング精度が向上し、特に非線形トレンド成分とイベント成分を示す信号の抽出が可能になる。また、トレンド成分、イベント成分は時系列データの特徴を示しており、特にセールやキャンペーン等のプロモーション効果の信号を取るイベント成分は、マーケティング時系列の解析において有益な情報をもたらすことができる。   In addition, the modeling accuracy of non-stationary time series in which the behavior of fluctuations changes with time is improved, and in particular, signals indicating nonlinear trend components and event components can be extracted. Moreover, the trend component and the event component indicate the characteristics of the time series data, and in particular, the event component that takes a promotion effect signal such as a sale or a campaign can provide useful information in the analysis of the marketing time series.

また、各々正規化した推定誤差分散共分散行列、システムノイズの共分散行列、及び観測ノイズの分散値を用いたNormalized UFKに従って状態ベクトルXの逐次推定を行うことにより、非線形モデルを対象として、状態ベクトルを推定することができる。   In addition, by sequentially estimating the state vector X in accordance with the normalized error variance covariance matrix normalized, the system noise covariance matrix, and the normalized UFK using the observed noise variance values, the state of the nonlinear model can be determined. A vector can be estimated.

また、本実施の形態で用いる状態推定アルゴリズムは、非線形ガウス型でモデル化された時系列の状態を高精度で推定するUnscented Kalman Filter(UKF)をベースにして、モデルに存在する全ノイズ分散値の総和を1に正規化する手法を用いる。通常、ノイズの分散値は未知であるので、解析者の経験や勘により設定する場合がほとんどであり、状態の推定結果にも大きく影響を与える。本実施の形態では、モデル中に存在する全てのノイズ分散値の総和を1に抑えることで、安定的な解析、状態推定を可能にする。   In addition, the state estimation algorithm used in this embodiment is based on the Unscented Kalman Filter (UKF) that accurately estimates the time-series state modeled in a nonlinear Gaussian type, and the total noise variance value that exists in the model A method of normalizing the sum of to 1 is used. Normally, since the variance value of noise is unknown, it is almost always set based on the experience and intuition of the analyst, which greatly affects the state estimation result. In the present embodiment, stable analysis and state estimation are enabled by suppressing the total sum of all noise variance values present in the model to 1.

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications are possible without departing from the gist of the present invention.

例えば、正規化されたシステムノイズの共分散行列、及び観測ノイズの分散値に対して、0〜1の値を振り、正規化されたシステムノイズの共分散行列、及び観測ノイズの分散値の値の組み合わせの各々を用いて、状態ベクトルの逐次推定を行い、最適な分散値を特定するようにしてもよい。この場合、最適な分散値の下で推定された状態ベクトルから、信号を抽出すればよい。   For example, a value of 0 to 1 is assigned to the normalized system noise covariance matrix and the observed noise variance value, and the normalized system noise covariance matrix and the observed noise variance value are assigned. Using each of these combinations, it is possible to sequentially estimate the state vector and specify an optimal variance value. In this case, a signal may be extracted from a state vector estimated under an optimal variance value.

また、本願明細書中において、プログラムが予めインストールされている実施形態として説明したが、当該プログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して提供することも可能である。   In the present specification, the embodiment has been described in which the program is installed in advance. However, the program can be provided by being stored in a computer-readable recording medium.

10 入力部
20 演算部
21 状態空間モデリング部
22 状態推定部
23 信号抽出部
30 出力部
100 信号抽出装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Input part 20 Calculation part 21 State space modeling part 22 State estimation part 23 Signal extraction part 30 Output part 100 Signal extraction apparatus

Claims (3)

循環変動成分、長期的な非定常成分、及び局所的な非定常成分を含む状態ベクトルXをシステムノイズを用いて非線形に時間更新するための状態更新式、及び観測ノイズを用いて状態ベクトルXと観測値との関係を示す観測方程式を用いて定められた状態空間モデルについて、前記状態ベクトルXの推定誤差分散の共分散行列を、システムノイズの共分散行列の対角成分及び観測ノイズの分散値の総和で正規化した正規化推定誤差分散共分散行列と、前記システムノイズの共分散行列を前記総和で正規化した正規化システムノイズ共分散行列と、前記観測ノイズの分散値を前記総和で正規化した正規化観測ノイズ分散とを用いたシグマ点列の発生、状態ベクトルXの状態更新、及び観測更新を行うNormalized UFK(Unscented Kalman Filter)に従って、前記観測値の時系列データに基づいて前記状態ベクトルXを逐次推定する状態推定手段と、
前記状態推定手段によって逐次推定された前記状態ベクトルXから、前記循環変動成分、前記長期的な非定常成分、及び前記局所的な非定常成分の各々を示す信号を抽出する信号抽出手段と、
を含む信号抽出装置。
A state update expression for nonlinearly updating the state vector X including the cyclic fluctuation component, the long-term unsteady component, and the local unsteady component using the system noise, and the state vector X using the observation noise For a state space model defined using an observation equation indicating a relationship with an observed value, a covariance matrix of the estimation error variance of the state vector X, a diagonal component of the covariance matrix of the system noise, and a variance value of the observed noise Normalized estimation error variance covariance matrix normalized by the sum of, normalized system noise covariance matrix normalized by the sum of the system noise covariance matrix, and variance of the observed noise normalized by the sum Normalized UFK (Uncennes) that performs generation of sigma point sequence using normalized normalized observation noise variance, state update of state vector X, and observation update according to ted Kalman Filter), state estimation means for sequentially estimating the state vector X based on the time-series data of the observed values;
Signal extraction means for extracting signals indicating each of the cyclic fluctuation component, the long-term unsteady component, and the local unsteady component from the state vector X sequentially estimated by the state estimating means;
A signal extraction device.
状態推定手段及び信号抽出手段を含む信号抽出装置における信号抽出方法であって、
前記信号抽出装置は、
状態推定手段によって、循環変動成分、長期的な非定常成分、及び局所的な非定常成分を含む状態ベクトルXをシステムノイズを用いて非線形に時間更新するための状態更新式、及び観測ノイズを用いて状態ベクトルXと観測値との関係を示す観測方程式を用いて定められた状態空間モデルについて、前記状態ベクトルXの推定誤差分散の共分散行列を、システムノイズの共分散行列の対角成分及び観測ノイズの分散値の総和で正規化した正規化推定誤差分散共分散行列と、前記システムノイズの共分散行列を前記総和で正規化した正規化システムノイズ共分散行列と、前記観測ノイズの分散値を前記総和で正規化した正規化観測ノイズ分散とを用いたシグマ点列の発生、状態ベクトルXの状態更新、及び観測更新を行うNormalized UFK(Unscented Kalman Filter)に従って、前記観測値の時系列データに基づいて前記状態ベクトルXを逐次推定するステップと、
信号抽出手段によって、前記状態推定手段によって逐次推定された前記状態ベクトルXから、前記循環変動成分、前記長期的な非定常成分、及び前記局所的な非定常成分の各々を示す信号を抽出するステップと、
を含んで実行することを特徴とする信号抽出方法。
A signal extraction method in a signal extraction device including state estimation means and signal extraction means,
The signal extraction device includes:
A state update equation for updating the time vector nonlinearly with the system noise using the system noise and the observation noise using the state fluctuation means, the long-term unsteady component, and the local unsteady component using the state estimation means. For the state space model defined using the observation equation indicating the relationship between the state vector X and the observed value, the covariance matrix of the estimated error variance of the state vector X is the diagonal component of the covariance matrix of the system noise and Normalized estimation error variance covariance matrix normalized by the sum of the observed noise variance, normalized system noise covariance matrix normalized by the sum of the system noise covariance matrix, and the observed noise variance Normalize for generating a sigma point sequence using the normalized observation noise variance normalized by the sum, updating the state of the state vector X, and updating the observation According UFK (Unscented Kalman Filter), a step of sequentially estimating the state vector X on the basis of the time-series data of the observations,
A step of extracting a signal indicating each of the cyclic fluctuation component, the long-term unsteady component, and the local unsteady component from the state vector X sequentially estimated by the state estimating means by a signal extracting means; When,
A signal extraction method comprising:
コンピュータを、
循環変動成分、長期的な非定常成分、及び局所的な非定常成分を含む状態ベクトルXをシステムノイズを用いて非線形に時間更新するための状態更新式、及び観測ノイズを用いて状態ベクトルXと観測値との関係を示す観測方程式を用いて定められた状態空間モデルについて、前記状態ベクトルXの推定誤差分散の共分散行列を、システムノイズの共分散行列の対角成分及び観測ノイズの分散値の総和で正規化した正規化推定誤差分散共分散行列と、前記システムノイズの共分散行列を前記総和で正規化した正規化システムノイズ共分散行列と、前記観測ノイズの分散値を前記総和で正規化した正規化観測ノイズ分散とを用いたシグマ点列の発生、状態ベクトルXの状態更新、及び観測更新を行うNormalized UFK(Unscented Kalman Filter)に従って、前記観測値の時系列データに基づいて前記状態ベクトルXを逐次推定する状態推定手段、及び
前記状態推定手段によって逐次推定された前記状態ベクトルXから、前記循環変動成分、前記長期的な非定常成分、及び前記局所的な非定常成分の各々を示す信号を抽出する信号抽出手段
として機能させるためのプログラム。
Computer
A state update expression for nonlinearly updating the state vector X including the cyclic fluctuation component, the long-term unsteady component, and the local unsteady component using the system noise, and the state vector X using the observation noise For a state space model defined using an observation equation indicating a relationship with an observed value, a covariance matrix of the estimation error variance of the state vector X, a diagonal component of the covariance matrix of the system noise, and a variance value of the observed noise Normalized estimation error variance covariance matrix normalized by the sum of, normalized system noise covariance matrix normalized by the sum of the system noise covariance matrix, and variance of the observed noise normalized by the sum Normalized UFK (Uncennes) that performs generation of sigma point sequence using normalized normalized observation noise variance, state update of state vector X, and observation update ted Kalman Filter), state estimation means for sequentially estimating the state vector X based on time-series data of the observed values, and the cyclic variation component from the state vector X sequentially estimated by the state estimation means, A program for functioning as signal extraction means for extracting a signal indicating each of a long-term unsteady component and the local unsteady component.
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