JP2022148420A - Learning method of prediction model, prediction model and learning device - Google Patents

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Abstract

To provide a learning method, a prediction model learned by the learning method, and a learning device that can update a parameter of the prediction model which predicts aerodynamic performance of an object considering a shape of the object.SOLUTION: A processor 10 that is a learning device sets a virtual space A including a vehicle V and a virtual cross section in which the virtual space A is cut off, calculates a virtual area obtained by eliminating an area of a cross section of the vehicle V from a total area of the virtual cross section, calculates an error of prediction data of a prediction model 100 relative to teacher data, and updates a parameter of the prediction model 100 to cause an evaluation value derived from a loss function to be close to a minimum value, on the basis of the virtual area and the error of the prediction data relative to the teacher data in the virtual cross section, and the loss function is defined such that the larger the error of the prediction data relative to the teacher data in the virtual cross section is, the larger the evaluation value is, and the larger the virtual area is, the smaller the evaluation value is.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、物体の空力性能を予測する予測モデルの学習方法、当該学習方法によって学習された学習済みの予測モデル及び学習装置に関するものである。 The present invention relates to a prediction model learning method for predicting the aerodynamic performance of an object, a learned prediction model trained by the learning method, and a learning device.

特許文献1に記載の予測モデルは、車両のデザインデータから抽出した特徴量に基づいて、車両の空力性能を予測するものである。また、特許文献1には、予測モデルによって予測された空力性能の予測値、及び、CFD(シュミレーション解析)によって測定された空力性能に基づいて、予測モデルが適切であることを定量的に示す評価値を算出し、当該評価値を用いて予測モデルのパラメータを更新する学習方法が記載されている。 The prediction model described in Patent Literature 1 predicts the aerodynamic performance of a vehicle based on feature values extracted from vehicle design data. In addition, in Patent Document 1, based on the predicted value of the aerodynamic performance predicted by the prediction model and the aerodynamic performance measured by CFD (simulation analysis), an evaluation that quantitatively indicates that the prediction model is appropriate A learning method is described that calculates a value and uses the evaluation value to update the parameters of a prediction model.

特開2014-006812号公報JP 2014-006812 A

しかしながら、特許文献1に記載の予測モデルの学習方法では、評価値の算出に車両の形状が考慮されていないため、予測モデルを用いた空力性能の予測の精度を上げ難いという問題があった。 However, in the prediction model learning method described in Patent Document 1, since the shape of the vehicle is not taken into account in calculating the evaluation value, there is a problem that it is difficult to increase the accuracy of aerodynamic performance prediction using the prediction model.

本発明が解決しようとする課題は、物体の形状を考慮して、物体の空力性能を予測する予測モデルのパラメータを更新する学習方法、当該学習方法によって学習された学習済みの予測モデル及び学習装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is a learning method for updating parameters of a prediction model that predicts the aerodynamic performance of an object in consideration of the shape of the object, a learned prediction model trained by the learning method, and a learning device. is to provide

本発明は、物体を含む仮想空間、及び、仮想空間を切断した仮想断面を設定し、仮想断面の全体面積から物体の断面の面積を除いた仮想面積を算出し、教師データに対する予測データの誤差が大きいほど評価値が大きく、かつ、仮想面積が大きいほど評価値が小さくなるように定義される損失関数に基づいて、予測モデルのパラメータを更新することによって上記課題を解決する。 The present invention sets a virtual space containing an object and a virtual cross section obtained by cutting the virtual space, calculates the virtual area by subtracting the area of the cross section of the object from the total area of the virtual cross section, and calculates the error of the prediction data with respect to the teacher data. The above problem is solved by updating the parameters of the prediction model based on a loss function defined such that the larger the value of , the larger the evaluation value, and the larger the virtual area, the smaller the evaluation value.

本発明によれば、物体の形状を反映する仮想面積の大きさに応じて評価値が算出されるため、物体の形状を考慮して、物体の空力性能を予測する予測モデルのパラメータを更新することができるという効果を奏する。 According to the present invention, since the evaluation value is calculated according to the size of the virtual area that reflects the shape of the object, the parameters of the prediction model that predicts the aerodynamic performance of the object are updated in consideration of the shape of the object. It has the effect of being able to

第1実施形態に係る学習装置の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing the configuration of a learning device according to a first embodiment; FIG. 図1に示す学習装置によって学習される予測モデルの構成を示すブロック図である。2 is a block diagram showing the configuration of a prediction model learned by the learning device shown in FIG. 1; FIG. 図3(a)は、図1に示す学習装置によって設定された仮想空間、及び、方向Xに垂直な仮想断面の例を示す図であり、図3(b),(c)は、図3(a)に例示する2つの仮想断面の各々の仮想面積を斜線で示した図である。FIG. 3(a) is a diagram showing an example of a virtual space set by the learning device shown in FIG. 1 and a virtual cross section perpendicular to the direction X, and FIGS. It is the figure which showed each virtual area of two virtual cross sections illustrated to (a) with the diagonal line. 図4(a)は、図1に示す学習装置によって設定された仮想空間、及び、方向Yに垂直な仮想断面の例を示す図であり、図4(b),(c)は、図4(a)に例示する2つの仮想断面の各々の仮想面積を斜線で示した図である。FIG. 4(a) is a diagram showing an example of a virtual space set by the learning device shown in FIG. 1 and a virtual cross section perpendicular to the direction Y, and FIGS. It is the figure which showed each virtual area of two virtual cross sections illustrated to (a) with the diagonal line. 図5(a)は、図1に示す学習装置によって設定された仮想空間、及び、方向Zに垂直な仮想断面の例を示す図であり、図5(b),(c)は、図5(a)に例示する2つの仮想断面の各々の仮想面積を斜線で示した図である。FIG. 5(a) is a diagram showing an example of a virtual space set by the learning device shown in FIG. 1 and a virtual cross section perpendicular to the direction Z, and FIGS. It is the figure which showed each virtual area of two virtual cross sections illustrated to (a) with the diagonal line. 第2実施形態に係る学習装置の構成を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of a learning device according to a second embodiment; FIG.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第1実施形態》
第1実施形態に係るプロセッサ10による予測モデル100の学習方法を、図1~5を用いて説明する。
プロセッサ10は、物体の空力性能を予測する予測モデル100を学習させる学習装置である。プロセッサ10は、予測モデル100が出力する予測データと、予め記憶されている教師データとを比較し、予測データの教師データに対する誤差を予め定義された損失関数に基づいて評価する。そして、プロセッサ10は、損失関数から導出される評価値が最小値に近づくように、予測モデル100のパラメータを更新する。すなわち、プロセッサが実行する学習方法は、物体の空力性能を予測する予測モデルのパラメータを、損失関数に基づいて更新するものである。また、空力性能は、物体の周囲の流れ場の速度分布及び圧力分布を示す指標である。
なお、以下の説明において、予測モデル100が空力性能を予測する対象である物体は、車両であるものと仮定して、本発明を説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<<1st Embodiment>>
A method of learning the predictive model 100 by the processor 10 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5. FIG.
The processor 10 is a learning device that trains a prediction model 100 that predicts the aerodynamic performance of an object. The processor 10 compares the prediction data output by the prediction model 100 with pre-stored teacher data, and evaluates the error of the prediction data with respect to the teacher data based on a predefined loss function. Processor 10 then updates the parameters of prediction model 100 so that the evaluation value derived from the loss function approaches the minimum value. That is, the learning method executed by the processor updates the parameters of the prediction model that predicts the aerodynamic performance of the object based on the loss function. Also, aerodynamic performance is an index that indicates the velocity distribution and pressure distribution of a flow field around an object.
In the following description, the present invention will be described on the assumption that the object whose aerodynamic performance is predicted by the prediction model 100 is a vehicle.

プロセッサ10は、データベース11、仮想空間設定部12、仮想面積算出部13、入力部14、予測データ取得部15、教師データ取得部16、誤差算出部17、及び、パラメータ更新部18を有する。なお、プロセッサ10は、CPU、ROM及びRAMを備えるコンピュータである。データベース11は、プロセッサ10のメモリに格納されている。仮想空間設定部12、仮想面積算出部13、入力部14、予測データ取得部15、教師データ取得部16、誤差算出部17、及び、パラメータ更新部18は、プロセッサ10の機能を実行するためのプログラムである。なお、予測モデル100は、プロセッサ10のプログラムの一部であってもよく、プロセッサ10とは別のハードウェアのプログラムであってもよい。 The processor 10 has a database 11 , a virtual space setting section 12 , a virtual area calculation section 13 , an input section 14 , a prediction data acquisition section 15 , a teacher data acquisition section 16 , an error calculation section 17 and a parameter update section 18 . Note that the processor 10 is a computer including a CPU, ROM, and RAM. A database 11 is stored in the memory of the processor 10 . The virtual space setting unit 12, the virtual area calculation unit 13, the input unit 14, the prediction data acquisition unit 15, the teacher data acquisition unit 16, the error calculation unit 17, and the parameter update unit 18 are used for executing the functions of the processor 10. It's a program. Note that the prediction model 100 may be a part of the program of the processor 10 or may be a hardware program separate from the processor 10 .

データベース11は、予測モデル100の学習に使用するための車両の形状データを記憶する。車両のデザインデータであるCADデータは、SDFデータ(SDF:Signed Distance Function:符号付距離関数)、又は、voxelデータ(格子単位データ)に変換されて、データベース11に記憶されている。すなわち、データベース11に記憶されている車両の形状データは、SDFデータ、又は、voxelデータである。また、データベース11は、車両の形状データと形状データに関連付けられた空力性能とを含む教師データを記憶している。教師データの空力性能は、予め、物体の形状データに基づいて、数値流体解析によって解析されたデータである。
なお、車両のデザインデータは、車両の構造データを示している。
The database 11 stores vehicle shape data for use in learning the prediction model 100 . CAD data, which is vehicle design data, is converted into SDF data (SDF: Signed Distance Function) or voxel data (grid unit data) and stored in the database 11 . That is, the vehicle shape data stored in the database 11 is SDF data or voxel data. The database 11 also stores teacher data including shape data of the vehicle and aerodynamic performance associated with the shape data. The aerodynamic performance of the training data is data analyzed in advance by computational fluid dynamics based on the shape data of the object.
It should be noted that the design data of the vehicle indicates structural data of the vehicle.

仮想空間設定部12は、データベース11から取得した車両の形状データに基づいて仮想空間Aを設定する(図3(a),4(a),5(a)参照)。仮想空間Aは、互いに垂直な3つの方向X,Y,Zの各々において幅を有する空間である。また、仮想空間設定部12は、仮想空間Aを3つの方向X,Y,Zの各々に垂直な方向に切断した複数の仮想断面Cx1,Cx2,Cy1,Cy2,Cz1,Cz2を設定する。仮想空間A,及び,仮想断面Cx1,Cx2,Cy1,Cy2,Cz1,Cz2の設定方法の詳細については、後述する。 The virtual space setting unit 12 sets the virtual space A based on the shape data of the vehicle acquired from the database 11 (see FIGS. 3(a), 4(a) and 5(a)). The virtual space A is a space having widths in each of three directions X, Y, Z perpendicular to each other. The virtual space setting unit 12 also sets a plurality of virtual cross sections Cx1, Cx2, Cy1, Cy2, Cz1 and Cz2 obtained by cutting the virtual space A in directions perpendicular to each of the three directions X, Y and Z. The details of the method of setting the virtual space A and the virtual cross sections Cx1, Cx2, Cy1, Cy2, Cz1 and Cz2 will be described later.

次に、仮想面積算出部13は、仮想断面Cx1,Cx2,Cy1,Cy2,Cz1,Cz2の全体面積から車両の断面の面積を除いた仮想面積Cxa1,Cxa2,Cya1,Cya2,Cza1,Cza2を算出する(図3(b),(c)、4(b),(c)、6(b),(c)参照)。仮想面積の算出方法の詳細については、後述する。 Next, the virtual area calculator 13 calculates virtual areas Cxa1, Cxa2, Cya1, Cya2, Cza1, Cza2 by subtracting the area of the cross section of the vehicle from the total area of the virtual cross sections Cx1, Cx2, Cy1, Cy2, Cz1, Cz2. (see FIGS. 3(b), (c), 4(b), (c), 6(b), and (c)). The details of the method for calculating the virtual area will be described later.

一方、入力部14は、データベース11から取得した車両の形状データを予測モデル100に入力する。予測モデル100は、ニューラルネットワークを利用した、空力性能の予測モデルである。予測モデル100は、入力された形状データに基づいて、予測データ取得部15に、車両の空力性能を出力する。 On the other hand, the input unit 14 inputs vehicle shape data acquired from the database 11 to the prediction model 100 . The prediction model 100 is an aerodynamic performance prediction model using a neural network. The prediction model 100 outputs the aerodynamic performance of the vehicle to the prediction data acquisition unit 15 based on the input shape data.

ここで、図2に示すように、予測モデル100は、形状データ入力部1,特徴抽出部2,特徴整合部3,出力結果生成部4、及び、出力部5を有する。形状データ入力部1は、車両の形状データをSDFデータ、又は、voxelデータとして取得する。なお、元になる形状データがCADデータである場合は、車両の形状データは、SDFデータ、又は、voxelデータに変換されてから、形状データ入力部1に入力される。特徴抽出部2は、形状データ入力部1から取得した形状データの特徴量を抽出する。具体的には、特徴抽出部2は、車両の形状データに対して三次元畳み込みや活性化関数の処理を繰り返して、複数の中間層特徴を抽出する。特徴整合部3は、特徴抽出部2が抽出した中間層特徴の整合を行い、一次元の特徴ベクトルを生成する。出力結果生成部4は、特徴抽出部2が抽出した中間層特徴、及び、特徴整合部3が生成した一次元の特徴ベクトルに基づいて、車両の空力性能、すなわち、車両の周囲の流れ場の速度の3成分(Ux,Uy,Uz)及び圧力(P)を生成する。なお、速度の3成分(Ux,Uy,Uz)は、図3(a),4(a),5(a)に示す方向X,Y,Zに対応する。また、出力結果生成部4は、図3(a),4(a),5(a)に示す仮想空間Aを構成する複数の単位空間領域(1cm×1cm×1cmの立方体形状の3次元領域)の各々について、出力結果を生成する。具体的には、仮想空間Aが10m×4m×3mの直方体形状の空間である場合、仮想空間Aを構成する100×40×30=120000個の単位空間領域の各々について、空力性能(Ux,Uy,Uz,P)が予測される。出力部5は、出力結果生成部4が生成した出力結果(Ux,Uy,Uz,P)を出力する。
なお、単位空間領域は、1cm×1cm×1cmの立方体形状の3次元領域に限定されず、例えば、1mm×1mm×1mmの立方体形状の3次元領域であってもよい。また、車両の形状データがvoxelデータである場合は、単位空間領域は、ボクセル(格子単位)であってもよい。
Here, as shown in FIG. 2, the prediction model 100 has a shape data input unit 1, a feature extraction unit 2, a feature matching unit 3, an output result generation unit 4, and an output unit 5. The shape data input unit 1 acquires vehicle shape data as SDF data or voxel data. When the original shape data is CAD data, the shape data of the vehicle is converted into SDF data or voxel data and then input to the shape data input unit 1 . The feature extraction unit 2 extracts feature amounts of shape data acquired from the shape data input unit 1 . Specifically, the feature extraction unit 2 repeats three-dimensional convolution and activation function processing on the shape data of the vehicle to extract a plurality of intermediate layer features. The feature matching unit 3 matches the intermediate layer features extracted by the feature extraction unit 2 and generates a one-dimensional feature vector. Based on the intermediate layer features extracted by the feature extraction unit 2 and the one-dimensional feature vectors generated by the feature matching unit 3, the output result generation unit 4 calculates the aerodynamic performance of the vehicle, that is, the flow field around the vehicle. Generate three components of velocity (Ux, Uy, Uz) and pressure (P). The three components of velocity (Ux, Uy, Uz) correspond to directions X, Y, and Z shown in FIGS. In addition, the output result generation unit 4 generates a plurality of unit space regions (three-dimensional cubic regions of 1 cm × 1 cm × 1 cm) that constitute the virtual space A shown in Figs. ), produces an output result. Specifically, when the virtual space A is a rectangular parallelepiped space of 10 m × 4 m × 3 m, the aerodynamic performance (Ux, Uy, Uz, P) are predicted. The output unit 5 outputs the output result (Ux, Uy, Uz, P) generated by the output result generation unit 4 .
The unit space area is not limited to a cubic three-dimensional area of 1 cm×1 cm×1 cm, and may be, for example, a cubic three-dimensional area of 1 mm×1 mm×1 mm. Further, when the shape data of the vehicle is voxel data, the unit space area may be voxels (grid units).

予測モデル100に入力される形状データ(F)と、予測モデル100が出力する空力性能(Ux,Uy,Uz,P)との関係は、以下の式(1)で表される。なお、wは、重みを表すパラメータであり、bは、バイアスを表すパラメータである。

Figure 2022148420000002
The relationship between the shape data (F) input to the prediction model 100 and the aerodynamic performance (Ux, Uy, Uz, P) output from the prediction model 100 is represented by the following formula (1). Note that w is a parameter representing weight, and b is a parameter representing bias.
Figure 2022148420000002

図1に示す予測データ取得部15は、入力部14によって入力された車両の形状データ(F)に基づいて予測モデル100が出力した空力性能(Ux,Uy,Uz,P)を、予測データとして取得する。具体的には、予測データ取得部15は、予測モデル100が単位空間領域毎に出力した空力性能(Ux,Uy,Uz,P)に基づいて、各々の仮想断面を構成する単位面積領域毎の空力性能(Ux,Uy,Uz,P)を、予測データとして取得する。ここで、各々の仮想断面を構成する単位面積領域は、図3(b)に示すような、1cm×1cmの正方形の領域Qである。単位面積領域は、予め定義することができる。
なお、単位面積領域は、これに限定されず、例えば、1mm×1mmの正方形の領域であってもよい。
The prediction data acquisition unit 15 shown in FIG. 1 uses the aerodynamic performance (Ux, Uy, Uz, P) output by the prediction model 100 based on the vehicle shape data (F) input by the input unit 14 as prediction data. get. Specifically, the prediction data acquisition unit 15, based on the aerodynamic performance (Ux, Uy, Uz, P) output for each unit space region by the prediction model 100, Aerodynamic performance (Ux, Uy, Uz, P) is obtained as prediction data. Here, the unit area region forming each virtual cross section is a square region Q of 1 cm×1 cm as shown in FIG. 3(b). The unit area area can be predefined.
In addition, the unit area area is not limited to this, and may be, for example, a square area of 1 mm×1 mm.

また、図1に示す教師データ取得部16は、データベース11から、車両の形状データと形状データに関連付けられた空力性能とを含む教師データを取得する。教師データの空力性能は、車両の形状データに基づいて、数値流体解析によって解析されたデータである。なお、教師データ取得部16が取得する教師データに含まれる形状データは、入力部14が予測モデル100に入力する形状データと同一のものである。また、教師データ取得部16も、データベース11の教師データに基づいて、各々の仮想断面を構成する単位面積領域Q毎の空力性能を取得する。 Also, the teacher data acquisition unit 16 shown in FIG. 1 acquires from the database 11 teacher data including the shape data of the vehicle and the aerodynamic performance associated with the shape data. The aerodynamic performance of the training data is data analyzed by computational fluid dynamics based on the shape data of the vehicle. The shape data included in the teacher data acquired by the teacher data acquisition unit 16 is the same as the shape data input to the prediction model 100 by the input unit 14 . The teacher data acquisition unit 16 also acquires the aerodynamic performance for each unit area area Q that constitutes each virtual cross section, based on the teacher data in the database 11 .

誤差算出部17は、速度の3成分(Ux,Uy,Uz)及び圧力(P)の各々に関して、教師データの空力性能に対する予測データの空力性能の差分(誤差)を算出する。なお、誤差算出部17は、仮想空間設定部12が設定した仮想断面毎に、教師データに対する予測データの誤差を算出する。また、各々の仮想断面における教師データに対する予測データの誤差は、仮想断面を構成する単位面積領域Qの各々における誤差の総和である。 The error calculator 17 calculates the difference (error) between the aerodynamic performance of the teacher data and the aerodynamic performance of the prediction data for each of the three components of velocity (Ux, Uy, Uz) and the pressure (P). Note that the error calculator 17 calculates the error of the prediction data with respect to the teacher data for each virtual cross section set by the virtual space setting unit 12 . Also, the error of the prediction data with respect to the teacher data in each virtual cross section is the sum of the errors in each of the unit area regions Q forming the virtual cross section.

次に、パラメータ更新部18は、仮想面積算出部13が算出した仮想面積、及び、誤差算出部17が算出した誤差に基づいて、予測モデル100のパラメータ(重みを表すパラメータw,バイアスを表すパラメータb)を更新する。予測モデル100のパラメータw,bの具体的な更新方法については、後述する。 Next, the parameter updating unit 18 updates the parameters of the prediction model 100 (parameter w representing weight, parameter w representing bias, b) update. A specific method of updating the parameters w and b of the prediction model 100 will be described later.

図3(a)~(c),4(a)~(c),5(a)~(c)に基づいて、仮想空間Aの設定方法、及び、仮想面積の算出方法について詳細に説明する。
まず、図3(a),4(a),5(a)に示すように、仮想空間設定部12は、車両Vの3Dデータを内部に含む仮想空間Aを設定する。以下の説明において、図3(a),4(a),5(a)に示す仮想空間Aの長さ方向を方向X,幅方向(奥行き方向)を方向Y,高さ方向を方向Zとする。3方向X,Y,Zは、互いに垂直な方向である。また、仮想空間Aの方向Xにおける長さはLであり、方向Yにおける幅はWであり、方向Zにおける高さはHである。
Based on FIGS. 3(a) to (c), 4(a) to (c), and 5(a) to (c), the method of setting the virtual space A and the method of calculating the virtual area will be described in detail. .
First, as shown in FIGS. 3(a), 4(a), and 5(a), the virtual space setting unit 12 sets a virtual space A including 3D data of the vehicle V therein. In the following description, the length direction of the virtual space A shown in FIGS. do. The three directions X, Y, Z are directions perpendicular to each other. The virtual space A has a length L in the X direction, a width W in the Y direction, and a height H in the Z direction.

図3(a)~(c)に、仮想空間Aを方向Xに垂直に切断した2つの仮想断面Cx1,Cx2を例示する。なお、仮想空間設定部12が設定する仮想断面は、仮想断面Cx1,Cx2のみならず、方向Xに沿って、単位長さ(1cm)おきに仮想断面が設定されるものとする。図3(a)に示すように、仮想断面Cx1は、車両Vの前方部分(ボンネット)を切断しており、仮想断面Cx2は、車両Vの中央部分を切断している。
なお、単位長さは、1cmに限定されず、例えば、1mmであってもよい。
3A to 3C illustrate two virtual cross sections Cx1 and Cx2 obtained by cutting the virtual space A perpendicularly to the direction X. FIG. Note that virtual cross sections set by the virtual space setting unit 12 are not limited to the virtual cross sections Cx1 and Cx2, and virtual cross sections are set along the direction X at intervals of unit length (1 cm). As shown in FIG. 3A, the virtual cross section Cx1 cuts the front portion (hood) of the vehicle V, and the virtual cross section Cx2 cuts the central portion of the vehicle V. As shown in FIG.
Note that the unit length is not limited to 1 cm, and may be 1 mm, for example.

図3(b)に示す仮想断面Cx1では、仮想断面Cx1の全体面積H・Wから車両Vの断面の面積Cxv1を除いた面積Cxa1を仮想面積として算出する。また、図3(c)に示す仮想断面Cx2では、仮想断面Cx2の全体面積H・Wから車両Vの断面の面積Cxv2を除いた面積Cxa2を仮想面積として算出する。仮想面積Cxa1は、仮想面積Cxa2よりも大きい。 In the virtual cross section Cx1 shown in FIG. 3B, an area Cxa1 obtained by subtracting the area Cxv1 of the cross section of the vehicle V from the total area H·W of the virtual cross section Cx1 is calculated as the virtual area. In the virtual cross section Cx2 shown in FIG. 3(c), an area Cxa2 obtained by subtracting the area Cxv2 of the cross section of the vehicle V from the total area H·W of the virtual cross section Cx2 is calculated as the virtual area. The virtual area Cxa1 is larger than the virtual area Cxa2.

図4(a)~(c)に、仮想空間Aを方向Yに垂直に切断した2つの仮想断面Cy1,Cy2を例示する。なお、仮想空間設定部12が設定する仮想断面は、仮想断面Cy1,Cy2のみならず、方向Yに沿って単位長さ(1cm)おきに仮想断面が設定されるものとする。図4(a)に示すように、仮想断面Cy1は、車両Vを中心軸に沿って切断しており、仮想断面Cy2は、車両Vを切断せずに、車両Vが無い部分を切断している。 4A to 4C illustrate two virtual cross sections Cy1 and Cy2 obtained by cutting the virtual space A perpendicularly to the direction Y. FIG. It should be noted that virtual cross sections set by the virtual space setting unit 12 are not limited to the virtual cross sections Cy1 and Cy2, and virtual cross sections are set along the direction Y at intervals of unit length (1 cm). As shown in FIG. 4A, the virtual cross section Cy1 cuts the vehicle V along the central axis, and the virtual cross section Cy2 cuts a portion without the vehicle V without cutting the vehicle V. there is

図4(b)に示す仮想断面Cy1では、仮想断面Cy1の全体面積H・Lから車両Vの断面の面積Cyv1を除いた面積Cya1を仮想面積として算出する。また、図4(c)に示す仮想断面Cy2では、仮想断面Cy2の全体面積Cya2(=H・L)を仮想面積として算出する。仮想面積Cya1は、仮想面積Cya2よりも小さい。 In the virtual cross section Cy1 shown in FIG. 4B, an area Cya1 obtained by subtracting the area Cyv1 of the cross section of the vehicle V from the total area H·L of the virtual cross section Cy1 is calculated as the virtual area. Further, in the virtual cross section Cy2 shown in FIG. 4(c), the total area Cya2 (=H·L) of the virtual cross section Cy2 is calculated as the virtual area. The virtual area Cya1 is smaller than the virtual area Cya2.

図5(a)~(c)に、仮想空間Aを方向Zに垂直に切断した2つの仮想断面Cz1,Cz2を例示する。なお、仮想空間設定部12が設定する仮想断面は、仮想断面Cz1,Cz2のみならず、方向Zに沿って単位長さ(1cm)おきに仮想断面が設定されるものとする。図5(a)に示すように、仮想断面Cz1は、車両Vの上方部分(ウィンドウが設けられている高さに相当する部分)を略水平に切断しており、仮想断面Cz2は、車両Vの下方部分(バンパーが設けられている高さに相当する部分)を略水平に切断している。 5A to 5C illustrate two virtual cross sections Cz1 and Cz2 obtained by cutting the virtual space A perpendicularly to the direction Z. FIG. Note that virtual cross sections set by the virtual space setting unit 12 are not limited to the virtual cross sections Cz1 and Cz2, and virtual cross sections are set along the direction Z at intervals of a unit length (1 cm). As shown in FIG. 5(a), the virtual cross section Cz1 cuts the upper part of the vehicle V (the part corresponding to the height where the window is provided) substantially horizontally, and the virtual cross section Cz2 cuts the vehicle V. (the portion corresponding to the height where the bumper is provided) is cut substantially horizontally.

図5(b)に示す仮想断面Cz1では、仮想断面Cz1の全体面積W・Lから車両Vの断面の面積Czv1を除いた面積Cza1を仮想面積として算出する。また、図5(c)に示す仮想断面Cz2では、仮想断面Cz2の全体面積W・Lから車両Vの断面の面積Czv2を除いた面積Cza2を仮想面積として算出する。仮想面積Cza1は、仮想面積Cza2よりも大きい。 In the virtual cross section Cz1 shown in FIG. 5B, an area Cza1 obtained by subtracting the area Czv1 of the cross section of the vehicle V from the total area W·L of the virtual cross section Cz1 is calculated as the virtual area. In the virtual cross section Cz2 shown in FIG. 5(c), an area Cza2 obtained by subtracting the area Czv2 of the cross section of the vehicle V from the total area W·L of the virtual cross section Cz2 is calculated as the virtual area. Virtual area Cza1 is larger than virtual area Cza2.

次に、パラメータ更新部18が、仮想面積、及び、仮想断面における教師データに対する予測データの誤差に基づいて、予測モデル100のパラメータw,bを更新する方法について、詳細に説明する。 Next, a method by which the parameter update unit 18 updates the parameters w and b of the prediction model 100 based on the virtual area and the error of the prediction data with respect to the teacher data in the virtual cross section will be described in detail.

まず、前述のように、予測モデル100に入力される形状データ(F)と、予測モデル100が出力する空力性能(Ux,Uy,Uz,P)との関係は、以下の式(2)で表される。

Figure 2022148420000003
First, as described above, the relationship between the shape data (F) input to the prediction model 100 and the aerodynamic performance (Ux, Uy, Uz, P) output by the prediction model 100 is expressed by the following equation (2). expressed.
Figure 2022148420000003

パラメータ更新部18は、予め定義された損失関数から導出される評価値(Loss)を最小値に近づけるように、予測モデル100のパラメータw,bを更新する。ここで、本発明において、損失関数は、以下の式(3)によって定義される。

Figure 2022148420000004
The parameter updating unit 18 updates the parameters w and b of the prediction model 100 so that the evaluation value (Loss) derived from the predefined loss function approaches the minimum value. Here, in the present invention, the loss function is defined by Equation (3) below.
Figure 2022148420000004

上述の損失関数において、1つの仮想断面における教師データに対する予測データの誤差は、例えば、図3(a)~(c)に示す仮想断面Cx1,Cx2では、以下の式(4)で表される。すなわち、仮想断面における教師データに対する予測データの誤差は、仮想断面の単位面積領域Q毎に算出した教師データに対する予測データの誤差の総和である。なお、図3(b)に示す仮想断面Cx1の例では、1cm×1cmの正方形の単位面積領域Qの数はW×H個である。すなわち、誤差算出部17は、W×H個分の単位面積領域Q毎に算出した教師データに対する予測データの誤差を全て加算することにより、仮想断面における教師データに対する予測データの誤差を算出する。

Figure 2022148420000005
In the loss function described above, the error of the prediction data with respect to the teacher data in one virtual cross section, for example, in the virtual cross sections Cx1 and Cx2 shown in FIGS. . That is, the error of the predicted data with respect to the teacher data in the virtual cross section is the sum of the errors of the predicted data with respect to the teacher data calculated for each unit area region Q of the virtual cross section. In the example of the virtual cross section Cx1 shown in FIG. 3B, the number of square unit area regions Q of 1 cm×1 cm is W×H. That is, the error calculator 17 calculates the error of the predicted data with respect to the teacher data in the virtual cross section by adding all the errors of the predicted data with respect to the teacher data calculated for each W×H unit area areas Q.
Figure 2022148420000005

また、同様に、例えば、図4(a)~(c)に示す仮想断面Cy1,Cy2では、各々の仮想断面における教師データに対する予測データの誤差は、以下の式(5)で表される。

Figure 2022148420000006
Similarly, in the virtual cross sections Cy1 and Cy2 shown in FIGS. 4A to 4C, the error of the predicted data with respect to the teacher data in each virtual cross section is expressed by the following equation (5).
Figure 2022148420000006

また、同様に、例えば、図5(a)~(c)に示す仮想断面Cz1,Cz2では、各々の仮想断面における教師データに対する予測データの誤差は、以下の式(6)で表される。

Figure 2022148420000007
Similarly, for virtual cross sections Cz1 and Cz2 shown in FIGS. 5A to 5C, for example, the error of prediction data with respect to teacher data in each virtual cross section is expressed by the following equation (6).
Figure 2022148420000007

また、損失関数は、仮想断面における教師データに対する予測データの誤差を仮想面積で除算した第1損失評価要素を含む。図3(a)~(c)に示す仮想断面Cx1,Cx2では、第1損失評価要素は、以下の式(7)で表される。

Figure 2022148420000008
Also, the loss function includes a first loss evaluation element obtained by dividing the error of the predicted data with respect to the teacher data in the virtual cross section by the virtual area. In the virtual cross sections Cx1 and Cx2 shown in FIGS. 3(a) to 3(c), the first loss evaluation element is represented by Equation (7) below.
Figure 2022148420000008

ここで、上述の式(7)の分母である下記の式(8)は、仮想断面Cx1,Cx2の仮想面積Cxa1,Cxa2を表している。具体的には、仮想面積算出部13は、仮想断面Cx1,Cx2の単位面積領域Qの各々について、車両Vの断面が存在する領域を「0」、車両Vの断面が存在しない領域を「1」と置き、W×H個分の単位面積領域Qについての「0」及び「1」の総和を算出する。これにより、仮想面積算出部13は、仮想断面Cx1,Cx2の各々について、仮想面積Cxa1,Cxa2を算出することができる。

Figure 2022148420000009
Equation (8) below, which is the denominator of Equation (7) above, represents virtual areas Cxa1 and Cxa2 of virtual cross sections Cx1 and Cx2. Specifically, for each unit area region Q of the virtual cross sections Cx1 and Cx2, the virtual area calculation unit 13 determines “0” for the region where the cross section of the vehicle V exists, and “1” for the region where the cross section of the vehicle V does not exist. ”, and the sum of “0” and “1” for W×H unit area regions Q is calculated. Thereby, the virtual area calculator 13 can calculate the virtual areas Cxa1 and Cxa2 for each of the virtual cross sections Cx1 and Cx2.
Figure 2022148420000009

従って、例えば、図3(b)の仮想面積Cxa1は、図3(c)の仮想面積Cxa2よりも大きいため、各々の仮想断面における第1損失評価要素(式(7))は、仮想断面Cx1よりも仮想断面Cx2の方が大きくなる。 Therefore, for example, the virtual area Cxa1 in FIG. 3B is larger than the virtual area Cxa2 in FIG. The virtual cross section Cx2 is larger than

仮想面積算出部13は、図4(b)の仮想面積Cya1、図4(c)の仮想面積Cya2、図5(b)の仮想面積Cza1、及び、図5(c)の仮想面積Cza2も、仮想断面Cx1,Cx2の仮想面積Cxa1,Cxa2と同様に算出する。 The virtual area calculation unit 13 calculates the virtual area Cya1 in FIG. 4(b), the virtual area Cya2 in FIG. 4(c), the virtual area Cza1 in FIG. 5(b), and the virtual area Cza2 in FIG. It is calculated in the same manner as the virtual areas Cxa1 and Cxa2 of the virtual cross sections Cx1 and Cx2.

図4(a)~(c)に示す仮想断面Cy1,Cy2では、第1損失評価要素は、以下の式(9)で表される。従って、例えば、図4(b)の仮想面積Cya1は、図4(c)の仮想面積Cya2よりも小さいため、各々の仮想断面における第1損失評価要素は、仮想断面Cy1よりも仮想断面Cy2の方が小さくなる。

Figure 2022148420000010
In the virtual cross sections Cy1 and Cy2 shown in FIGS. 4(a) to 4(c), the first loss evaluation element is represented by Equation (9) below. Therefore, for example, the virtual area Cya1 in FIG. 4B is smaller than the virtual area Cya2 in FIG. becomes smaller.
Figure 2022148420000010

また、図5(a)~(c)に示す仮想断面Cz1,Cz2では、第1損失評価要素は、以下の式(10)で表される。従って、例えば、図5(b)の仮想面積Cza1は、図5(c)の仮想面積Cza2よりも大きいため、各々の仮想断面における第1損失評価要素は、仮想断面Cz1よりも仮想断面Cz2の方が大きくなる。

Figure 2022148420000011
Also, in the virtual cross sections Cz1 and Cz2 shown in FIGS. 5(a) to 5(c), the first loss evaluation element is represented by the following formula (10). Therefore, for example, the virtual area Cza1 in FIG. 5B is larger than the virtual area Cza2 in FIG. becomes larger.
Figure 2022148420000011

さらに、損失関数は、以下の式(11),(12),(13)によって表される第2損失評価要素を含む。すなわち、第2損失評価要素は、方向X,Y,Zの各々に沿って単位長さ(1cm)おきに設定された複数の仮想断面の第1損失評価要素の平均値を、各々、算出する式で表される。第2損失評価要素の以下の式(11),(12),(13)は、各々、方向X,Y,Zに対応している。

Figure 2022148420000012
Figure 2022148420000013
Figure 2022148420000014
Furthermore, the loss function includes a second loss evaluation factor represented by Equations (11), (12), and (13) below. That is, the second loss evaluation element calculates the average value of the first loss evaluation elements of a plurality of virtual cross sections set every unit length (1 cm) along each of the directions X, Y, and Z. is represented by the formula Equations (11), (12), and (13) below for the second loss evaluation element correspond to directions X, Y, and Z, respectively.
Figure 2022148420000012
Figure 2022148420000013
Figure 2022148420000014

さらに、プロセッサ10が、予測モデル100の更新に用いる損失関数は、3つの方向X,Y,Zの各々に対応する上記の第2損失評価要素(式(11)~(13))を加算した第3損失評価要素を含む。本実施形態においては、評価値(Loss)を求めるための損失関数の式は、第3損失評価要素を表す式(14)と同じものとなる。

Figure 2022148420000015
Furthermore, the loss function used by the processor 10 to update the prediction model 100 is obtained by adding the above-described second loss evaluation elements (equations (11) to (13)) corresponding to each of the three directions X, Y, and Z Includes a third loss assessment factor. In this embodiment, the equation of the loss function for obtaining the evaluation value (Loss) is the same as the equation (14) representing the third loss evaluation element.
Figure 2022148420000015

上述のように、損失関数は、仮想断面における教師データに対する予測データの誤差が大きいほど評価値(Loss)が大きく、かつ、仮想面積が大きいほど評価値が小さくなるように定義される。プロセッサ10が実行する学習方法の目的は、上述の式(3)に示す損失関数から導出される評価値(Loss)を最小値に近づけることである。 As described above, the loss function is defined such that the evaluation value (Loss) increases as the error of the prediction data with respect to the teacher data in the virtual cross section increases, and the evaluation value decreases as the virtual area increases. The purpose of the learning method executed by the processor 10 is to bring the evaluation value (Loss) derived from the loss function shown in Equation (3) closer to the minimum value.

損失関数から導出される評価値を最小値に近づけるために、プロセッサ10のパラメータ更新部18は、予測データに対する損失関数の勾配を算出し、算出した勾配に基づいて、予測モデルのパラメータw,bを更新する。 In order to bring the evaluation value derived from the loss function closer to the minimum value, the parameter updating unit 18 of the processor 10 calculates the gradient of the loss function with respect to the prediction data, and updates the parameters w and b of the prediction model based on the calculated gradient. update.

具体的には、パラメータw,bは、各々、以下の式(15)、(16)により更新され、新しいパラメータw’,b’が生成される。なお、ηは、予め設定された学習率である。

Figure 2022148420000016
Figure 2022148420000017
Specifically, parameters w and b are updated by the following equations (15) and (16), respectively, to generate new parameters w' and b'. Note that η is a preset learning rate.
Figure 2022148420000016
Figure 2022148420000017

ここで、方向Xの速度の成分(Ux)を予測するためのパラメータw,bを更新する場合、上記の式(15)、(16)は、連鎖律を用いて、各々、以下の式(17),(18)に展開することができる。

Figure 2022148420000018
Figure 2022148420000019
Here, when updating the parameters w and b for predicting the velocity component (Ux) in the direction X, the above equations (15) and (16) are converted into the following equations ( 17) and (18).
Figure 2022148420000018
Figure 2022148420000019

δLoss/δUxは、予測データのうち方向Xの速度の成分(Ux)に対する損失関数の勾配である。また、パラメータw,bに対する予測データの傾きであるδUx/δw,δUx/δbは、式(19)に基づいて、誤差逆伝播法により算出することができる。

Figure 2022148420000020
δLoss/δUx is the gradient of the loss function with respect to the velocity component (Ux) in the direction X in the prediction data. Also, δUx/δw and δUx/δb, which are the slopes of the prediction data with respect to the parameters w and b, can be calculated by the error backpropagation method based on Equation (19).
Figure 2022148420000020

すなわち、プロセッサ10は、予測データ(Ux)に対する損失関数の勾配(δLoss/δUx)を算出し、この勾配に基づいて、予測モデル100のパラメータw,bを更新する。
また、方向Y,Zの速度の成分(Ux,Uz)及び圧力(P)を予測するためのパラメータw,bも、同様に更新することができる。
That is, the processor 10 calculates the gradient (δLoss/δUx) of the loss function with respect to the prediction data (Ux), and updates the parameters w and b of the prediction model 100 based on this gradient.
Also, the parameters w, b for predicting the velocity components (Ux, Uz) in the directions Y, Z and the pressure (P) can be similarly updated.

以上より、本実施形態に係る学習方法では、損失関数は、仮想断面における教師データに対する予測データの誤差が大きいほど評価値(Loss)が大きく、かつ、仮想面積が大きいほど評価値(Loss)が小さくなるように定義される。すなわち、車両Vの断面積が大きい程、教師データに対する予測データの誤差が損失関数の評価値(Loss)に与える影響の重み付けが大きくなる。従って、車両Vの形状に応じて、車両Vの周囲の空力性能に関する評価値(Loss)を集中的に予測モデル100の更新に反映させることができる。すなわち、プロセッサ10は、車両Vの形状を反映する仮想面積の大きさに応じて評価値(Loss)を算出するため、車両Vの形状を考慮して、車両Vの空力性能を予測する予測モデルのパラメータw,bを更新することができる。これにより、プロセッサ10は、予測モデル100のパラメータw,bの更新の効率を高め、予測モデル100の予測精度を向上させることができる。 As described above, in the learning method according to the present embodiment, the loss function has a larger evaluation value (Loss) as the error of the prediction data with respect to the teacher data in the virtual cross section is larger, and the evaluation value (Loss) is larger as the virtual area is larger. defined to be small. That is, the greater the cross-sectional area of the vehicle V, the greater the weighting of the influence of the error of the prediction data with respect to the teacher data on the evaluation value (Loss) of the loss function. Therefore, depending on the shape of the vehicle V, it is possible to intensively reflect the evaluation value (Loss) regarding the aerodynamic performance around the vehicle V in updating the prediction model 100 . That is, since the processor 10 calculates the evaluation value (Loss) according to the size of the virtual area reflecting the shape of the vehicle V, the prediction model predicts the aerodynamic performance of the vehicle V in consideration of the shape of the vehicle V. can update the parameters w, b of . Thereby, the processor 10 can improve the efficiency of updating the parameters w and b of the prediction model 100 and improve the prediction accuracy of the prediction model 100 .

より具体的には、プロセッサ10は、予測データに対する損失関数の勾配(δLoss/δUx)を算出し、この勾配に基づいて、損失関数から導出される評価値(Loss)を最小値に近づけるように、予測モデル100のパラメータw,bを更新する。これにより、教師データに対する予測モデル100の予測データの誤差を小さくするように、予測モデル100を効率よく学習させることができる。 More specifically, the processor 10 calculates the gradient (δLoss/δUx) of the loss function for the prediction data, and based on this gradient, the evaluation value (Loss) derived from the loss function is brought closer to the minimum value. , update the parameters w and b of the prediction model 100 . As a result, the prediction model 100 can be learned efficiently so as to reduce the error of the prediction data of the prediction model 100 with respect to the teacher data.

また、仮想断面における教師データに対する予測データの誤差は、仮想断面の単位面積領域Q毎に算出した教師データに対する予測データの誤差の総和である。これによって、プロセッサ10は、車両の周囲の流れ場に対する予測データの誤差を総合的に評価し、損失関数の評価値(Loss)の算出に反映させることができる。また、このように、仮想空間設定部12が設定した仮想断面を利用することによって、誤差算出部17は、車両Vの周囲の領域における教師データに対する予測データの誤差を、予測モデル100の学習に利用しやすい態様で、算出することができる。 Also, the error of the predicted data with respect to the teacher data in the virtual cross section is the sum of the errors of the predicted data with respect to the teacher data calculated for each unit area region Q of the virtual cross section. Thereby, the processor 10 can comprehensively evaluate the error of the prediction data for the flow field around the vehicle and reflect it in the calculation of the evaluation value (Loss) of the loss function. In addition, by using the virtual cross section set by the virtual space setting unit 12 in this way, the error calculation unit 17 uses the error of the prediction data with respect to the teacher data in the area around the vehicle V for learning of the prediction model 100. It can be calculated in an easy-to-use manner.

また、教師データの空力性能は、車両Vの形状データに基づいて、数値流体解析によって解析されたデータである。これにより、予測モデル100の学習に、精度の高い教師データを利用することができる。 Further, the aerodynamic performance of the teacher data is data analyzed by computational fluid dynamics based on the shape data of the vehicle V. FIG. As a result, highly accurate teacher data can be used for learning the predictive model 100 .

また、損失関数は、仮想断面における教師データに対する予測データの誤差を、仮想面積で除算した第1損失評価要素を含む。これにより、仮想断面における教師データに対する予測データの誤差が大きいほど評価値(Loss)が大きく、かつ、仮想面積が大きいほど評価値(Loss)が小さくなるように、損失関数を定義することができる。 Also, the loss function includes a first loss evaluation element obtained by dividing the error of the predicted data with respect to the teacher data in the virtual cross section by the virtual area. As a result, the loss function can be defined such that the larger the error of the prediction data with respect to the teacher data in the virtual cross section, the larger the evaluation value (Loss), and the larger the virtual area, the smaller the evaluation value (Loss). .

さらに、損失関数は、各々の方向に沿って複数の仮想断面の第1損失評価要素の平均値を算出するための第2損失評価要素を含む。これにより、方向毎に教師データに対する予測データの誤差を平均的に評価した値を、損失関数の評価値(Loss)に反映させることができる。 In addition, the loss function includes a second loss factor for calculating the average value of the first loss factor for a plurality of virtual cross sections along each direction. As a result, it is possible to reflect the average evaluation value of the error of the prediction data with respect to the teacher data for each direction in the evaluation value (Loss) of the loss function.

また、損失関数は、3つの方向X,Y,Zの各々に対応する第2損失評価要素を加算した第3損失評価要素を含む。これにより、教師データに対する予測データの誤差を3次元的に評価した値を、損失関数の評価値(Loss)に反映させることができる。 Also, the loss function includes a third loss evaluation factor obtained by adding the second loss evaluation factors corresponding to each of the three directions X, Y, Z. As a result, the value obtained by three-dimensionally evaluating the error of the prediction data with respect to the teacher data can be reflected in the evaluation value (Loss) of the loss function.

また、空力性能は、車両Vの周囲の流れ場の速度分布及び圧力分布を示す指標であるため、実際に車両Vが走行する際の空気抵抗の影響を網羅的に予測することができる。なお、空力性能は、車両Vの周囲の流れ場の速度分布のみを示す指標であってもよく、圧力分布のみを示す指標であってもよい。 Further, since the aerodynamic performance is an index indicating the velocity distribution and pressure distribution of the flow field around the vehicle V, it is possible to comprehensively predict the influence of air resistance when the vehicle V actually travels. Note that the aerodynamic performance may be an index that indicates only the velocity distribution of the flow field around the vehicle V, or may be an index that indicates only the pressure distribution.

仮想空間Aは、車両Vを含み、互いに垂直な3つの方向X,Y,Zの各々において幅を有する空間である。これにより、方向X,Y,Zの各々において、車両Vの形状を3次元的に反映した損失関数の評価値(Loss)を算出することができる。 The virtual space A is a space that includes the vehicle V and has widths in each of three directions X, Y, and Z that are perpendicular to each other. Thereby, in each of the directions X, Y, and Z, the evaluation value (Loss) of the loss function reflecting the shape of the vehicle V three-dimensionally can be calculated.

車両Vの形状データは、SDFデータ、又は、voxelデータである。そのため、プロセッサ10が予測モデル100に入力する形状データは、予測モデル100が処理しやすい形式のデータとなっている。 The shape data of the vehicle V is SDF data or voxel data. Therefore, the shape data that the processor 10 inputs to the prediction model 100 is data in a format that the prediction model 100 can easily process.

プロセッサ10は、車両Vのデザインデータである構造データを変換して、車両Vの形状データに変換する。これによって、予測モデル100が形状データに基づいて予測した空力性能の予測データを、車両Vのデザイン設計に利用することができる。
なお、予測モデル100に入力される形状データは、車両の形状データに限定されず、他の物体の形状データであってもよい。
The processor 10 converts structural data, which is design data of the vehicle V, into shape data of the vehicle V. FIG. As a result, the prediction data of the aerodynamic performance predicted by the prediction model 100 based on the shape data can be used for the design of the vehicle V. FIG.
The shape data input to the prediction model 100 is not limited to vehicle shape data, and may be other object shape data.

プロセッサ10によって学習される学習済みの予測モデル100は、車両Vの形状データに基づいて、仮想空間Aを構成する複数の単位空間領域の各々について、出力結果(空力性能)を出力する。これによって、予測モデル100は、車両の周囲の流れ場の空力性能を詳細に予測することができる。また、プロセッサ10の誤差算出部17は、仮想空間Aの仮想断面の単位面積領域Q毎に、教師データに対する予測データの誤差を算出することができる。従って、プロセッサ10が予測モデル100のパラメータをさらに更新する場合に、予測モデル100の学習の効率を向上させることができる。 A learned prediction model 100 learned by the processor 10 outputs an output result (aerodynamic performance) for each of a plurality of unit space regions forming the virtual space A based on the shape data of the vehicle V. FIG. This allows the predictive model 100 to predict in detail the aerodynamic performance of the flow field around the vehicle. Further, the error calculator 17 of the processor 10 can calculate the error of the predicted data with respect to the teacher data for each unit area region Q of the virtual cross section of the virtual space A. FIG. Therefore, when the processor 10 further updates the parameters of the prediction model 100, the learning efficiency of the prediction model 100 can be improved.

《第2実施形態》
第2実施形態に係るプロセッサ20を図6に示す。プロセッサ20は、図1に示すプロセッサ10の構成に発散予測値算出部21を追加したものである。プロセッサ20は、プロセッサ10と同様に、物体の空力性能を予測する予測モデル100のパラメータw,bを、損失関数に基づいて更新する学習装置である。
以下の説明において、図1と同一の符号は、同一又は同様の構成を示すものであるため、詳細な説明は省略する。
<<Second embodiment>>
A processor 20 according to the second embodiment is shown in FIG. The processor 20 is obtained by adding a divergence prediction value calculation unit 21 to the configuration of the processor 10 shown in FIG. The processor 20, like the processor 10, is a learning device that updates the parameters w and b of the prediction model 100 that predicts the aerodynamic performance of an object based on the loss function.
In the following description, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or similar configurations, so detailed description will be omitted.

発散予測値算出部21は、予測データ取得部15が取得した予測データに基づいて、車両Vの周囲の流れ場の速度(Ux,Uy,Uz)の発散予測値divUを以下の式(20)で算出する。すなわち、発散予測値算出部21は、予測データ取得部15から取得した予測速度場の空間での三方向の各々について三分量の偏微分を算出し、それらの合計値を算出する。

Figure 2022148420000021
The predicted divergence value calculation unit 21 calculates the predicted divergence value divU of the flow field velocity (Ux, Uy, Uz) around the vehicle V based on the predicted data obtained by the predicted data obtaining unit 15 using the following equation (20). Calculated by That is, the predicted divergence value calculator 21 calculates the partial derivative of the ternary quantity for each of the three directions in the space of the predicted velocity field obtained from the predicted data obtaining unit 15, and calculates the total value thereof.
Figure 2022148420000021

さらに、発散予測値算出部21は、非圧縮条件における速度の発散に対する発散予測値divUの差分を算出する。ここで、非圧縮条件における速度の発散は「0」であるため、非圧縮条件における速度の発散に対する発散予測値divUの差分は、発散予測値の絶対値|divU|‐0である。そして、発散予測値算出部21は、非圧縮条件における速度の発散に対する発散予測値の差分、すなわち、発散予測値の絶対値をパラメータ更新部18に出力する。 Furthermore, the predicted divergence value calculator 21 calculates the difference of the predicted divergence value divU with respect to the divergence of the velocity under the non-compressed condition. Here, since the velocity divergence under the uncompressed condition is "0", the difference of the divergence predicted value divU with respect to the velocity divergence under the uncompressed condition is the absolute value |divU|-0 of the divergence predicted value. Then, the predicted divergence value calculator 21 outputs the difference of the predicted divergence value with respect to the divergence of the velocity under the uncompressed condition, ie, the absolute value of the predicted divergence value, to the parameter updater 18 .

本実施形態において、プロセッサ20は、予測モデル100のパラメータw,bを更新するために、以下の式(21)に示す損失関数を定義する。式(21)に示す損失関数は、仮想断面における教師データに対する予測データの誤差が大きいほど評価値(Loss)が大きく、仮想面積が大きいほど評価値(Loss)が小さく、かつ、非圧縮条件における速度の発散に対する発散予測値の差分|divU|‐0が大きいほど評価値(Loss)が大きくなるように定義されている。

Figure 2022148420000022
In this embodiment, the processor 20 defines the loss function shown in Equation (21) below in order to update the parameters w and b of the prediction model 100. In the loss function shown in Equation (21), the larger the error of the prediction data with respect to the teacher data in the virtual cross section, the larger the evaluation value (Loss), and the larger the virtual area, the smaller the evaluation value (Loss). It is defined such that the evaluation value (Loss) increases as the difference |divU|-0 of the predicted divergence value with respect to the velocity divergence increases.
Figure 2022148420000022

パラメータ更新部18は、上記の損失関数から導出される評価値(Loss)が最小値に近づくように、仮想断面における教師データに対する前記予測データの誤差、仮想面積、及び、非圧縮条件における速度の発散に対する発散予測値の差分(|divU|‐0)に基づいて、予測モデル100のパラメータw,bを更新する。 The parameter updating unit 18 updates the error of the prediction data with respect to the teacher data in the virtual cross section, the virtual area, and the velocity under the non-compressive condition so that the evaluation value (Loss) derived from the loss function approaches the minimum value. Parameters w and b of the prediction model 100 are updated based on the difference (|divU|-0) of the divergence prediction value with respect to the divergence.

以上より、本実施形態に係る学習方法では、損失関数は、教師データに対する予測データの誤差、及び、仮想面積に加えて、非圧縮条件における速度の発散に対する発散予測値の差分も考慮して定義されている。ここで、実際の車両Vの流れ場の条件は、非圧縮条件に近似する。従って、予測データの空力性能の速度が発散する場合は、予測データの空力性能と実際の車両Vの空力性能との間の誤差が生じている可能性が高いため、非圧縮条件における速度の発散に対する発散予測値の差分が大きい場合は評価値(Loss)も大きくなるように、損失関数が定義されている。これにより、プロセッサ20のパラメータ更新部18は、より高い精度で、予測モデル100のパラメータw,bを更新することができる。 As described above, in the learning method according to the present embodiment, the loss function is defined by taking into account the error of the prediction data with respect to the teacher data, the virtual area, and also the difference in the predicted divergence with respect to the divergence of the velocity under the uncompressed condition. It is Here, the flow field conditions of the actual vehicle V are approximated to the incompressible conditions. Therefore, when the speed of the aerodynamic performance of the prediction data diverges, there is a high possibility that there is an error between the aerodynamic performance of the prediction data and the actual aerodynamic performance of the vehicle V. The loss function is defined such that the evaluation value (Loss) also increases when the difference between the predicted divergence values for is large. Thereby, the parameter updating unit 18 of the processor 20 can update the parameters w and b of the prediction model 100 with higher accuracy.

なお、第1実施形態及び第2実施形態では、プロセッサ10,20は、3つの方向X,Y,Zの各々に沿って複数の仮想断面を設定しているが、これに限定されず、いずれか1つ、又は、2つの方向のみに沿って仮想断面を設定してもよい。 Note that in the first embodiment and the second embodiment, the processors 10 and 20 set a plurality of virtual cross sections along each of the three directions X, Y, and Z, but the present invention is not limited to this. Alternatively, virtual cross sections may be set along only one or two directions.

10…プロセッサ(学習装置)
11…データベース
12…仮想空間設定部
13…仮想面積算出部
14…入力部
15…予測データ取得部
16…教師データ取得部
17…誤差算出部
18…パラメータ更新部
100…予測モデル
A…仮想空間
V…車両
Cx1,Cx2,Cy1,Cy2,Cz1,Cz2…仮想断面
Cxa1,Cxa2,Cya1,Cya2,Cza1,Cza2…仮想面積
10... Processor (learning device)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11... Database 12... Virtual space setting part 13... Virtual area calculation part 14... Input part 15... Prediction data acquisition part 16... Teacher data acquisition part 17... Error calculation part 18... Parameter update part 100... Prediction model A... Virtual space V Vehicles Cx1, Cx2, Cy1, Cy2, Cz1, Cz2 Virtual cross sections Cxa1, Cxa2, Cya1, Cya2, Cza1, Cza2 Virtual areas

Claims (16)

プロセッサが、物体の空力性能を予測する予測モデルのパラメータを、損失関数に基づいて更新する学習方法であって、
前記プロセッサは、
前記物体を含む仮想空間、及び、前記仮想空間を切断した少なくとも1つの仮想断面を設定し、
前記仮想断面の全体面積から前記物体の断面の面積を除いた仮想面積を算出し、
前記物体の形状データを前記予測モデルに入力し、
前記物体の前記形状データに基づいて前記予測モデルが予測した前記物体の前記空力性能を予測データとして取得し、
データベースから前記物体の形状データと前記形状データに関連付けられた前記空力性能とを含む教師データを取得し、
前記教師データに対する前記予測データの誤差を算出し、
前記損失関数から導出される評価値を最小値に近づけるように、前記仮想面積、及び、前記仮想断面における前記教師データに対する前記予測データの誤差に基づいて、前記予測モデルのパラメータを更新し、
前記損失関数は、前記仮想断面における前記教師データに対する前記予測データの誤差が大きいほど前記評価値が大きく、かつ、前記仮想面積が大きいほど前記評価値が小さくなるように定義される、学習方法。
A learning method in which a processor updates parameters of a prediction model that predicts the aerodynamic performance of an object based on a loss function,
The processor
setting a virtual space containing the object and at least one virtual cross section obtained by cutting the virtual space;
calculating a virtual area by subtracting the area of the cross section of the object from the total area of the virtual cross section;
inputting the shape data of the object into the prediction model;
acquiring the aerodynamic performance of the object predicted by the prediction model based on the shape data of the object as prediction data;
obtaining teacher data including shape data of the object and the aerodynamic performance associated with the shape data from a database;
calculating an error of the prediction data with respect to the training data;
Update the parameters of the prediction model based on the virtual area and the error of the prediction data with respect to the teacher data in the virtual cross section so that the evaluation value derived from the loss function approaches the minimum value;
The learning method, wherein the loss function is defined such that the larger the error of the predicted data with respect to the teacher data in the virtual cross section, the larger the evaluation value, and the larger the virtual area, the smaller the evaluation value.
前記プロセッサは、前記予測データに対する前記損失関数の勾配を算出し、前記勾配に基づいて、前記予測モデルのパラメータを更新する、請求項1に記載の学習方法。 2. The learning method of claim 1, wherein the processor calculates a slope of the loss function with respect to the prediction data and updates parameters of the prediction model based on the slope. 前記仮想断面における前記教師データに対する前記予測データの誤差は、前記仮想断面の単位面積領域毎に算出した前記教師データに対する前記予測データの誤差の総和である、請求項1又は2に記載の学習方法。 3. The learning method according to claim 1, wherein the error of said predicted data with respect to said teacher data in said virtual cross section is a sum of errors of said predicted data with respect to said teacher data calculated for each unit area region of said virtual cross section. . 前記教師データの前記空力性能は、前記物体の前記形状データに基づいて、数値流体解析によって解析されたデータである、請求項1~3のいずれか一項に記載の学習方法。 The learning method according to any one of claims 1 to 3, wherein said aerodynamic performance of said teacher data is data analyzed by computational fluid analysis based on said shape data of said object. 前記損失関数は、前記仮想断面における前記教師データに対する前記予測データの誤差を、前記仮想面積で除算した第1損失評価要素を含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の学習方法。 The learning method according to any one of claims 1 to 4, wherein the loss function includes a first loss evaluation element obtained by dividing the error of the predicted data with respect to the teacher data in the virtual cross section by the virtual area. 前記プロセッサは、少なくとも1つの方向について、前記方向に垂直な複数の前記仮想断面を設定し、
前記損失関数は、前記複数の仮想断面の前記第1損失評価要素の平均値を算出するための第2損失評価要素を含む、請求項5に記載の学習方法。
The processor sets, for at least one direction, a plurality of the virtual cross sections perpendicular to the direction;
6. The learning method according to claim 5, wherein said loss function includes a second loss evaluation factor for calculating an average value of said first loss evaluation factors of said plurality of virtual cross sections.
前記プロセッサは、互いに垂直な3つの方向の各々について、各々の前記方向に垂直な複数の前記仮想断面を設定し、
前記損失関数は、前記3つの方向の各々に対応する前記第2損失評価要素を加算した第3損失評価要素を含む、請求項6に記載の学習方法。
The processor sets, for each of three mutually perpendicular directions, a plurality of the virtual cross sections perpendicular to each of the directions;
7. The learning method according to claim 6, wherein said loss function includes third loss evaluation factors obtained by adding said second loss evaluation factors corresponding to each of said three directions.
前記空力性能は、前記物体の周囲の流れ場の速度分布及び圧力分布の少なくともいずれか一方を表す指標である、請求項1~7のいずれか一項に記載の学習方法。 The learning method according to any one of claims 1 to 7, wherein said aerodynamic performance is an index representing at least one of velocity distribution and pressure distribution of a flow field around said object. 前記仮想空間は、前記物体を含み、互いに垂直な3つの方向の各々において幅を有する空間である、請求項1~8のいずれか一項に記載の学習方法。 The learning method according to any one of claims 1 to 8, wherein the virtual space is a space containing the object and having widths in each of three directions perpendicular to each other. 前記プロセッサは、
前記物体の周囲の流れ場の速度分布を含む前記空力性能を予測データとして取得し、
前記予測データに基づいて、前記物体の周囲の流れ場の速度の発散予測値を算出し、
非圧縮条件における速度の発散に対する前記発散予測値の差分を算出し、
前記損失関数から導出される評価値が最小値を近づけるように、前記仮想断面における前記教師データに対する前記予測データの誤差、前記仮想面積、及び、非圧縮条件における速度の発散に対する前記発散予測値の差分に基づいて、前記予測モデルのパラメータを更新し、
前記損失関数は、前記仮想断面における前記教師データに対する前記予測データの誤差が大きいほど前記評価値が大きく、前記仮想面積が大きいほど前記評価値が小さく、かつ、非圧縮条件における速度の発散に対する前記発散予測値の差分が大きいほど前記評価値が大きくなるように定義される、請求項1~9のいずれか一項に記載の学習方法。
The processor
Acquiring the aerodynamic performance including the velocity distribution of the flow field around the object as prediction data;
calculating a predicted divergence of the velocity of the flow field around the object based on the predicted data;
calculating the difference of the predicted divergence with respect to the divergence of velocity under uncompressed conditions;
The error of the prediction data with respect to the training data in the virtual cross section, the virtual area, and the divergence prediction value for velocity divergence under incompressible conditions so that the evaluation value derived from the loss function approaches the minimum value updating parameters of the prediction model based on the difference;
In the loss function, the larger the error of the prediction data with respect to the teacher data in the virtual cross section, the larger the evaluation value, the larger the virtual area, the smaller the evaluation value. The learning method according to any one of claims 1 to 9, wherein the evaluation value is defined such that the larger the difference between the divergence prediction values, the larger the evaluation value.
前記物体の前記形状データは、SDFデータ、又は、voxelデータである、請求項1~10のいずれか一項に記載の学習方法。 The learning method according to any one of claims 1 to 10, wherein said shape data of said object is SDF data or voxel data. 前記プロセッサは、前記物体の構造データを変換して、前記物体の前記形状データを作成する、請求項1~11のいずれか一項に記載の学習方法。 The learning method according to any one of claims 1 to 11, wherein said processor transforms structural data of said object to create said shape data of said object. 前記物体は、車両である、請求項1~12のいずれか一項に記載の学習方法。 The learning method according to any one of claims 1 to 12, wherein the object is a vehicle. 前記物体は、車両であり、前記物体の構造データは、前記車両のデザインデータである、請求項12に記載の学習方法。 13. The learning method according to claim 12, wherein the object is a vehicle, and the structural data of the object is design data of the vehicle. 請求項1~14のいずれか一項に記載の学習方法を用いて学習された学習済みの予測モデルであって、
前記物体の前記形状データに基づいて、前記仮想空間を構成する複数の単位空間領域の各々について出力結果を生成する、予測モデル。
A trained prediction model trained using the learning method according to any one of claims 1 to 14,
A prediction model that generates an output result for each of a plurality of unit space regions that constitute the virtual space based on the shape data of the object.
物体の空力性能を予測する予測モデルのパラメータを、損失関数に基づいて更新するプロセッサを有する学習装置であって、
前記プロセッサは、
前記物体を含む仮想空間、及び、前記仮想空間を切断した少なくとも1つの仮想断面を設定する仮想空間設定部と、
前記仮想断面の全体面積から前記物体の断面の面積を除いた仮想面積を算出する仮想面積算出部と、
前記物体の形状データを前記予測モデルに入力する入力部と、
前記物体の前記形状データに基づいて前記予測モデルにより予測した前記物体の前記空力性能を予測データとして取得する予測データ取得部と、
前記物体の形状データと前記形状データに関連付けられた前記空力性能とを含む教師データを記憶するデータベースと、
前記データベースから前記教師データを取得する教師データ取得部と、
前記教師データに対する前記予測データの誤差を算出する誤差算出部と、
前記損失関数から導出される評価値を最小値に近づけるように、前記仮想面積、及び、前記仮想断面における前記教師データに対する前記予測データの誤差に基づいて、前記予測モデルのパラメータを更新するパラメータ更新部とを備え、
前記損失関数は、前記仮想断面における前記教師データに対する前記予測データの誤差が大きいほど前記評価値が大きく、かつ、前記仮想面積が大きいほど前記評価値が小さくなるように定義される、学習装置。
A learning device having a processor that updates parameters of a prediction model that predicts the aerodynamic performance of an object based on a loss function,
The processor
a virtual space setting unit that sets a virtual space including the object and at least one virtual cross section obtained by cutting the virtual space;
a virtual area calculation unit that calculates a virtual area obtained by removing the area of the cross section of the object from the total area of the virtual cross section;
an input unit that inputs shape data of the object to the prediction model;
a prediction data acquisition unit that acquires, as prediction data, the aerodynamic performance of the object predicted by the prediction model based on the shape data of the object;
a database storing training data including shape data of the object and the aerodynamic performance associated with the shape data;
a teacher data acquisition unit that acquires the teacher data from the database;
an error calculation unit that calculates an error of the predicted data with respect to the teacher data;
Parameter update for updating the parameters of the prediction model based on the error of the prediction data with respect to the teacher data in the virtual area and the virtual cross section so that the evaluation value derived from the loss function approaches the minimum value. and
The learning device, wherein the loss function is defined such that the larger the error of the prediction data with respect to the teacher data in the virtual cross section, the larger the evaluation value, and the larger the virtual area, the smaller the evaluation value.
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