JP6397380B2 - Spatio-temporal variable prediction apparatus and program - Google Patents
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Description
本発明は、時空間変数予測装置及びプログラムに関する。 The present invention relates to a spatiotemporal variable prediction apparatus and program.
従来の技術として、時空間変数の時系列データから、クリギングモデルを用いて未観測の時空間変数を推定あるいは予測する手法がある。いま、地理的・時間的広がりを持った空間内のN箇所{x1,…,xN}でN個の観測値{t1,…,tN}が得られたとする。クリギングモデルでは、新しい観測地点x*における予測値t*を確率分布として出力する。 As a conventional technique, there is a method of estimating or predicting an unobserved spatiotemporal variable from time series data of a spatiotemporal variable using a kriging model. Now, it is assumed that N observation values {t 1 ,..., T N } are obtained at N locations {x 1 ,..., X N } in a space having a geographical and temporal spread. In the kriging model, the predicted value t * at the new observation point x * is output as a probability distribution.
クリギングモデルは、入力変数(位置、時間など)が似ているほど近い値を持つという仮定に基づいたモデルである。「似ている」ということの定義は問題設定に応じて任意に決めることができ、セミバリオグラム、コバリオグラムと呼ばれる関数で定義される。各種のモデル化に使用される代表的なセミバリオグラムの例として、ナゲット効果モデル、球形モデル、指数モデル、ガウスモデルなどが挙げられる。予測の前処理として、全データを用いてセミバリオグラム、コバリオグラムの選択とパラメータ推定を行う。モデルの選択とパラメータの推定には、全データの時空間変数のペアの差分について線形和をとった“経験バリオグラム”を用いる。 The Kriging model is a model based on the assumption that the closer the input variables (position, time, etc.) are, the closer the values are. The definition of “similar” can be arbitrarily determined according to the problem setting, and is defined by functions called semivariogram and covariogram. Examples of typical semivariograms used for various modeling include a nugget effect model, a spherical model, an exponential model, and a Gaussian model. As preprocessing for prediction, selection of semivariogram and covariogram and parameter estimation are performed using all data. For model selection and parameter estimation, an “empirical variogram” is used, which is a linear sum of differences between spatiotemporal variable pairs of all data.
上記の定義に従ってデータ点から設計した経験バリオグラムに対しセミバリオグラムモデルの当てはめを行い、加重最小二乗法を用いてモデル選択とパラメータ推定を行う。予測に使用されるクリギングモデルとして単純クリギング、普遍クリギング、ブロッククリギングなどが提案されている。予測に用いるモデルは問題設定に応じて任意に決めることができる。これらのモデルは全て“時空間変数の確率場は本質的定常性あるいは本質的定常性に準ずる定常性を持つ"という仮定に基づいている。 A semivariogram model is fitted to an empirical variogram designed from data points according to the above definition, and model selection and parameter estimation are performed using a weighted least squares method. Simple kriging, universal kriging, block kriging and the like have been proposed as kriging models used for prediction. The model used for prediction can be arbitrarily determined according to the problem setting. All these models are based on the assumption that the random field of the spatiotemporal variable has intrinsic stationarity or stationarity similar to intrinsic stationarity.
本質的定常性とは、(1)時空間変数の平均値が入力変数(時間帯や地域)によらず一定で、かつ(2)任意の時空間変数のペアの分散がそれらの入力変数の類似度にのみ依存するという性質である。単純クリギングは時空間変数の確率場に本質的定常性を仮定したモデルであり、新しい入力変数{x*}における時空間変数の予測値t*は次式の平均、分散を持つガウス分布に従う。 Inherent stationarity means that (1) the mean value of spatiotemporal variables is constant regardless of input variables (time zone and region), and (2) the variance of any spatiotemporal variable pair is It is a property that depends only on similarity. Simple kriging is a model that assumes intrinsic stationarity in the random field of the spatiotemporal variable, and the predicted value t * of the spatiotemporal variable in the new input variable {x * } follows a Gaussian distribution having the following average and variance.
ここでγはコバリオグラム、Cは要素γ(xn,xm)+β−1δnmを持つN×Nの共分散行列である。ただしδnmはクロネッカーのデルタ、βは定数である。単純クリギングは、ガウス過程による回帰の一種とみなすことができる。ガウス過程では、コバリオグラムの代わりにカーネル関数が用いられる。定常性条件(2)は、「似ている」ということの定義が一意に決まるという仮定に対応している。 Here, γ is a covariogram, and C is an N × N covariance matrix having an element γ (x n , x m ) + β −1 δ nm . Where δ nm is the Kronecker delta and β is a constant. Simple kriging can be regarded as a kind of regression by Gaussian process. In the Gaussian process, kernel functions are used instead of covariograms. Stationarity condition (2) corresponds to the assumption that the definition of “similar” is uniquely determined.
前述の通り、クリギングモデル(あるいはガウス過程による回帰)は、“「似ている」ということの定義が一意に決まる”という仮定に基づいて時空間変数の値を予測するものである。しかし、実際には「似ている」入力変数から時空間変数が受ける影響は、地域、時間帯など入力変数の特性によって異なるはずである。そこで、クリギングモデルの定常性の過程を緩め、局所非定常性を導入した混合ガウス過程が提案された。混合ガウス過程は、単一のガウス過程を複数個混合したモデルであり、複数のガウス過程の重ね合わせで表現される。混合ガウス過程では、新しい入力変数x*における予測値t*は次式の平均、分散を持つガウス分布に従う。 As mentioned above, Kriging model (or regression by Gaussian process) predicts the value of spatiotemporal variables based on the assumption that “the definition of“ similar ”is uniquely determined”. The influence of spatiotemporal variables from “similar” input variables should differ depending on the characteristics of the input variables such as region and time zone. Therefore, a mixed Gaussian process was proposed that relaxed the stationary process of the Kriging model and introduced local unsteadiness. The mixed Gaussian process is a model in which a plurality of single Gaussian processes are mixed, and is expressed by superposition of a plurality of Gaussian processes. In the mixed Gaussian process, the predicted value t * in the new input variable x * follows a Gaussian distribution having the mean and variance of the following equation.
p(z*=r|x*)はt*がr個目の要素から生じた確率であり、負担率と呼ばれる。各入力変数の特性(地域や時間帯など)に応じてデータを複数のクラスタに分類し、クラスタごとにデータを最もよく説明するセミバリオグラムの選択、パラメータ推定を行う。各データ点が属するクラスタと各クラスタのパラメータはEMアルゴリズムを用いて同時に推定される(非特許文献1,非特許文献2参照)。
p (z * = r | x * ) is a probability that t * is generated from the r-th element, and is called a burden rate. Data is classified into a plurality of clusters according to the characteristics (region, time zone, etc.) of each input variable, and a semivariogram that best describes the data is selected and parameters are estimated for each cluster. The cluster to which each data point belongs and the parameters of each cluster are estimated simultaneously using the EM algorithm (see Non-Patent
前述の通り、従来技術の混合ガウス過程は、入力変数の次元・個々の入力変数の性質の違いを考慮せず、入力データをクラスタに分類するものである。しかし、実際には時空間変数のクラスタは時間的・空間的な相関を持つはずである。従来技術では、時間的・空間的な相関を持つ現実世界の時空間変数分布を正確に予測することができないという問題が存在した。 As described above, the mixed Gaussian process of the prior art classifies input data into clusters without taking into account the differences in dimensions of input variables and the properties of individual input variables. In practice, however, clusters of spatiotemporal variables should have temporal and spatial correlations. In the prior art, there has been a problem that the real-time spatiotemporal variable distribution with temporal and spatial correlation cannot be accurately predicted.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、時間的及び空間的相関を持つ時空間変数の値を精度よく予測することができる時空間変数予測装置及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a spatiotemporal variable prediction apparatus and program capable of accurately predicting values of spatiotemporal variables having temporal and spatial correlations. And
上記目的を達成するために、本発明に係る時空間変数予測装置は、位置情報及び時間情報を有する入力変数に対する時空間変数の観測値を有する観測データの集合に基づいて、未観測の位置情報及び時間情報に対する時空間変数の値を予測する時空間変数予測装置であって、前記観測データの集合に基づいて、複数のガウス過程を、空間的な広がり及び時間的な広がりに対応する複数の階層で混合した階層混合ガウス過程でモデル化された、前記入力変数に対する時空間変数の値を予測するためのモデルに含まれる、前記複数のガウス過程の各々についての、前記観測データ同士の類似性を定義する関数であるカーネル関数の各々のハイパーパラメータと、前記観測データの各々に対する、前記複数のガウス過程の各々の寄与度を表すパラメータである負担率とを学習する学習部を含んで構成されている。 In order to achieve the above object, the spatiotemporal variable prediction apparatus according to the present invention is based on an observation data set having observation values of spatiotemporal variables with respect to an input variable having position information and temporal information. And a spatio-temporal variable prediction apparatus for predicting a value of a spatio-temporal variable with respect to temporal information, wherein a plurality of Gaussian processes corresponding to a spatial spread and a temporal spread are based on the set of observation data. Similarity between the observation data for each of the plurality of Gaussian processes included in the model for predicting the value of the spatio-temporal variable with respect to the input variable modeled by the hierarchical mixed Gaussian process mixed in the hierarchy A parameter representing the contribution of each of the plurality of Gaussian processes to each of the observed data. It is configured to include a learning unit for learning the load ratio and a motor.
また、本発明に係る時空間変数予測装置において、前記学習部は、前記観測データの集合と、前記複数のガウス過程のカーネル関数の各々のハイパーパラメータとに基づいて、前記観測データの各々に対する、複数のガウス過程からなる複数のユニットの各々の寄与度を表すパラメータであるユニット負担率、及び前記観測データの各々に対する、前記複数のガウス過程の各々の寄与度を表すパラメータである負担率を推定する負担率推定部と、前記観測データの集合と、前記負担率推定部によって推定された、前記観測データの各々に対する、前記複数のユニットの各々のユニット負担率、及び前記観測データの各々に対する、前記複数のガウス過程の各々の負担率とに基づいて、前記複数のガウス過程の各々に対し、前記ガウス過程のカーネル関数の各々のハイパーパラメータを推定するガウス過程パラメータ推定部と、予め定められた反復終了条件を満たすまで、前記負担率推定部による推定、及び前記ガウス過程パラメータ推定部による推定を繰り返す反復判定部とを含むようにすることができる。 Further, in the spatiotemporal variable prediction apparatus according to the present invention, the learning unit, for each of the observation data, based on the set of the observation data and each hyperparameter of the kernel function of the plurality of Gaussian processes, Estimating a unit burden rate, which is a parameter representing the contribution of each of a plurality of units consisting of a plurality of Gaussian processes, and a burden factor, a parameter representing the contribution of each of the plurality of Gaussian processes, to each of the observation data A burden rate estimating unit, a set of the observation data, and each of the observation data estimated by the burden rate estimation unit, for each of the unit burden rates of the plurality of units, and for each of the observation data, Based on the burden ratio of each of the plurality of Gaussian processes, the Gaussian process is determined for each of the plurality of Gaussian processes. A Gaussian process parameter estimation unit for estimating each hyperparameter of the channel function, and an iterative determination unit that repeats the estimation by the burden factor estimation unit and the estimation by the Gaussian process parameter estimation unit until a predetermined iteration end condition is satisfied. Can be included.
また、本発明に係る時空間変数予測装置は、入力された未観測の位置情報及び時間情報を有する前記入力変数に基づいて、前記入力変数に対する前記複数のガウス過程の各々の寄与度を表すパラメータである負担率を推定し、前記学習部によって学習された、前記複数のガウス過程の各々についての前記カーネル関数の各々のハイパーパラメータと、推定された前記入力変数に対する前記複数のガウス過程の各々の負担率とに基づいて、前記入力変数に対する時空間変数の値を予測する時空間変数算出部を更に含むようにすることができる。 In addition, the spatiotemporal variable prediction apparatus according to the present invention is a parameter that represents a contribution degree of each of the plurality of Gaussian processes to the input variable based on the input variable having unobserved position information and time information input thereto. Each of the hyperparameters of the kernel function for each of the plurality of Gaussian processes, and each of the plurality of Gaussian processes for the estimated input variable, learned by the learning unit. A spatiotemporal variable calculation unit that predicts a value of the spatiotemporal variable with respect to the input variable based on the burden rate may be further included.
また、本発明のプログラムは、コンピュータを、上記の時空間変数予測装置を構成する各部として機能させるためのプログラムである。 Moreover, the program of this invention is a program for functioning a computer as each part which comprises said space-time variable prediction apparatus.
以上説明したように、本発明の時空間変数予測装置及びプログラムによれば、位置情報及び時間情報を有する入力変数に対する時空間変数の観測値を有する観測データの集合に基づいて、複数のガウス過程を、空間的な広がり及び時間的な広がりに対応する複数の階層で混合した階層混合ガウス過程でモデル化された、入力変数に対する時空間変数の値を予測するためのモデルに含まれる、複数のガウス過程の各々についての、観測データ同士の類似性を定義する関数であるカーネル関数の各々のハイパーパラメータと、観測データの各々に対する、複数のガウス過程の各々の寄与度を表すパラメータである負担率とを学習することにより、時間的及び空間的相関を持つ時空間変数の値を精度よく予測することができる、という効果が得られる。 As described above, according to the spatiotemporal variable prediction apparatus and program of the present invention, a plurality of Gaussian processes based on a set of observation data having observation values of spatiotemporal variables with respect to input variables having position information and temporal information. Are included in a model for predicting the value of a spatio-temporal variable with respect to an input variable, modeled by a hierarchical mixed Gaussian process mixed at multiple hierarchies corresponding to spatial and temporal spread. For each Gaussian process, each hyperparameter of the kernel function, which is a function that defines the similarity between the observed data, and a burden ratio that is a parameter that represents the contribution of each of the multiple Gaussian processes to each of the observed data Can be used to accurately predict the values of spatio-temporal variables having temporal and spatial correlations. .
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.
<概要> <Overview>
本発明の実施の形態では、混合ガウス過程を拡張した階層混合ガウス過程を提案する。階層混合ガウス過程は、ガウス過程を階層的に混合したモデルである。階層混合ガウス過程では、新しい入力変数x*における予測値t*は次式の平均を持つガウス分布に従う。 The embodiment of the present invention proposes a hierarchical mixed Gaussian process that is an extension of the mixed Gaussian process. The hierarchical mixed Gaussian process is a model in which Gaussian processes are mixed hierarchically. In a hierarchical mixed Gaussian process, the predicted value t * at the new input variable x * follows a Gaussian distribution with the mean of:
p(z*’=r’|z*=r,x*)はt*がr’個目のユニットのr番目の要素から生じた確率であり、負担率と呼ばれる。z,z’は入力変数の各クラスタに対応する潜在変数である。各データ点が属するクラスタと各クラスタのパラメータはEMアルゴリズムを用いて同時に推定される。 p (z * ′ = r ′ | z * = r, x * ) is a probability that t * is generated from the r-th element of the r′-th unit, and is called a burden rate. z and z ′ are latent variables corresponding to each cluster of input variables. The cluster to which each data point belongs and the parameters of each cluster are estimated simultaneously using the EM algorithm.
本発明の実施の形態に係る時空間変数予測装置は、時空間変数の時系列データ(人口分布、人流・交通流の速度・向き、金やダイヤモンドなど鉱物資源の埋蔵量、降水量などの気象データ、土地価格など)を対象としたものであり、観測データに応じて柔軟に適用できるものである。以下では、実施の形態として、人口密度分布の時系列データが観測データとして与えられた条件の下で、未観測地点あるいは未来の時空間変数分布を推定・予測するという場合について説明する。 The spatio-temporal variable prediction device according to the embodiment of the present invention uses time-series data of spatio-temporal variables (population distribution, speed / direction of human flow / traffic flow, reserves of mineral resources such as gold and diamond, and weather such as precipitation) Data, land prices, etc.) and can be applied flexibly according to observation data. Hereinafter, as an embodiment, a case will be described in which an unobserved spot or a future spatiotemporal variable distribution is estimated / predicted under the condition that time series data of population density distribution is given as observation data.
<本発明の実施の形態に係る時空間変数予測装置の構成> <Configuration of Spatiotemporal Variable Prediction Device According to Embodiment of the Present Invention>
次に、本発明の実施の形態に係る時空間変数予測装置の構成について説明する。図1に示すように、本発明の実施の形態に係る時空間変数予測装置100は、CPUと、RAMと、後述する各処理ルーチンを実行するためのプログラムや各種データを記憶したROMと、を含むコンピュータで構成することが出来る。時空間変数予測装置100は、位置情報及び時間情報を有する入力変数に対する時空間変数の観測値を有する観測データの集合に基づいて、未観測の位置情報及び時間情報での時空間変数の値を予測する。この時空間変数予測装置100は、機能的には図1に示すように、操作部10と、人口密度情報記憶部12と、入力部13と、演算部14と、時空間変数算出部26と、出力部28とを備えている。操作部10及び演算部14は、人口密度情報記憶部12と接続されている。
Next, the configuration of the spatiotemporal variable prediction apparatus according to the embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, a spatiotemporal
操作部10は、後述する人口密度情報記憶部12に格納されているデータに対するユーザからの各種操作を受け付ける。各種操作とは、人口密度情報記憶部12に格納された情報を登録、修正、削除する操作等である。操作部10の入力手段は、キーボードやマウス、メニュー画面、タッチパネルによるもの等、何でもよい。操作部10は、マウス等の入力手段のデバイスドライバや、メニュー画面の制御ソフトウェアで実現され得る。
The
人口密度情報記憶部12には、観測データの集合が格納されている。
The population density
人口密度情報記憶部12には、後述する演算部14が解析する観測データの集合が格納されており、演算部14からの要求に従って、観測データの集合を読み出し、当該情報を演算部14に送信する。
The population density
人口密度情報記憶部12に格納される観測データの集合は、入力変数xと時空間変数tとの組み合わせの集合である。本発明の実施の形態では、入力変数xは位置及び時刻を有し、時空間変数tは人口密度である。ある位置、ある時刻における人口密度は{xi,ti}と表すことができる。人口密度情報記憶部12はWebページを保持するWebサーバや、データベースを具備するデータベースサーバ等である。
The set of observation data stored in the population density
図2に、観測データの集合の一例を示す。図2に示すように、例えば、位置ID及び時刻を表す情報が入力変数xとして格納され、人口密度を表す情報が時空間変数tとして格納される。 FIG. 2 shows an example of a set of observation data. As shown in FIG. 2, for example, information representing a position ID and time is stored as an input variable x, and information representing a population density is stored as a spatiotemporal variable t.
入力部13は、未観測の位置情報及び時間情報を有する入力変数を受け付ける。
The
本発明の実施の形態では、入力部13で受け付けられた位置情報及び時間情報に対して、後述する演算部14によって得られた各パラメータに基づいて、時空間変数である人口密度の予測が行われる。
In the embodiment of the present invention, the population density, which is a spatio-temporal variable, is predicted based on each parameter obtained by the
入力部13の入力手段は、キーボードやマウス、メニュー画面、タッチパネルによるもの等、何でもよい。入力部13は、マウス等の入力手段のデバイスドライバや、メニュー画面の制御ソフトウェアで実現され得る。
The input means of the
図3に、本実施の形態における入力部13の構成例を示す。図3の構成例では、入力部13と後述する出力部28とが1つの画面として構成されている場合を示す。
FIG. 3 shows a configuration example of the
図3に示すように、入力部13は、予測を行う対象となる地点あるいは領域に関する位置情報と、予測を行う時間情報とを含む入力変数を受け付ける。また、出力部28は、後述する時空間変数算出部26によって出力された、入力変数に対する時空間変数の値を予測結果として表示する。
As illustrated in FIG. 3, the
演算部14は、学習部16と、負担率パラメータ格納部22と、ガウス過程パラメータ格納部24とを備える。演算部14では、学習データとして、ガウス過程のハイパーパラメータ、各ガウス過程からの負担率を表すパラメータを算出する。
The
ここで、本発明の実施の形態における原理について説明する。 Here, the principle in the embodiment of the present invention will be described.
人口密度情報記憶部12に、時空間変数データである観測データの集合D={xi,ti}N i=1が格納されたとする。ここでxiは位置及び時刻など複数の変数を含むベクトル、tiは人口密度である。
Assume that the population density
ここで解くべき問題は、入力部13によって受け付けた、(1)新しい入力変数(未観測の位置及び時間)x*における人口密度の値t*の予測と、(2)未観測地点を含むある領域における人口密度の値の予測である。
The problems to be solved here include (1) prediction of population density value t * in a new input variable (unobserved position and time) x * accepted by the
本実施の形態では、問題(1)に焦点を当てて説明する。人口密度分布の予測面を求めるには、x*を動かしながら問題(1)を繰り返し解けばよい。 In the present embodiment, description will be given focusing on the problem (1). In order to obtain the prediction surface of the population density distribution, problem (1) should be solved repeatedly while moving x * .
時空間変数の予測値t*が従うモデルが、R個のガウス過程の混合モデルで記述できると仮定する。この仮定に基づけば、新たな入力変数x*に対応する値t*の期待値を、以下の式(1)のように書き下すことができる。 Assume that the model followed by the predicted value t * of the spatiotemporal variable can be described by a mixed model of R Gaussian processes. Based on this assumption, the expected value of the value t * corresponding to the new input variable x * can be written down as in the following equation (1).
ここでXは入力変数xの集合(X={xi}N i=1)、Θ={θrr’}R,R’ r,r’=1はr’番目のユニットのr個目のガウス過程のハイパーパラメータ、z,z’は入力変数の特性(地域や時間帯など)によって分類されたクラスに対応する潜在変数である。x*がr番目のガウス過程から生じたと仮定すると、予測値t*は次式の平均、分散を持つガウス分布に従う。 Here, X is a set of input variables x (X = {x i } N i = 1 ), Θ = {θ rr ′ } R, R ′ r, r ′ = 1 is the r-th unit of the r′-th unit. The hyperparameters z and z ′ of the Gaussian process are latent variables corresponding to classes classified according to the characteristics of the input variables (region, time zone, etc.). Assuming that x * originates from the r-th Gaussian process, the predicted value t * follows a Gaussian distribution with mean and variance of the following equation.
ここでkはカーネル関数、krr’は要素krr’(x*,X)を持つベクトル、Crr’は要素krr’(xn,xm)+β−1δnm+Ψrr’ nmを持つN×Nの共分散行列である。また、tは、要素をtiとするベクトルである。ただしΨrr’は次式で定義される対角行列である。 Here, k is a kernel function, k rr ′ is a vector having an element k rr ′ (x * , X), and C rr ′ is an element k rr ′ (x n , x m ) + β − 1δ nm + Ψ rr ′ nm It is an N × N covariance matrix. Also, t is a vector of the element and t i. However, Ψ rr ′ is a diagonal matrix defined by the following equation.
ここでσnは定数である。i番目のデータ点がr番目のガウス過程の寄与を受けないとき、すなわち負担率p(zi’=r’,zi=r|xi)のとき、Crr’は無限大に発散し、(Crr’)−1の(i,i)成分は0となる。すなわちtiはr’個目のユニットのr番目のガウス過程のパラメータ推定に影響しない。 Here, σ n is a constant. When the i-th data point does not receive the contribution of the r-th Gaussian process, that is, when the burden factor is p (z i ′ = r ′, z i = r | x i ), C rr ′ diverges infinitely. , (C rr ′ ) −1 has (i, i) components of zero. That is, t i does not affect the parameter estimation of the r th Gaussian process of the r ′ th unit.
従来手法では、カーネル関数k(xn,xm)は予測の前処理段階で一意に決められる。一方、本発明の実施の形態では、カーネル関数を自由に設計し、各々のカーネル関数のパラメータと重みとを自動推定する。本発明の実施の形態では、気象データや環境データなどの時系列地理統計解析で一般的に使われる代表的なコバリオグラムを二つ挙げる。 In the conventional method, the kernel function k (x n , x m ) is uniquely determined at the preprocessing stage of prediction. On the other hand, in the embodiment of the present invention, kernel functions are freely designed, and parameters and weights of each kernel function are automatically estimated. In the embodiment of the present invention, two typical covariograms generally used in time-series geographic statistical analysis such as weather data and environmental data are given.
ここで入力変数xの次元数をnxとおくと If the number of dimensions of the input variable x is nx,
である。また、上記のコバリオグラムに対応するカーネル関数は次式のように書き下せる。 It is. The kernel function corresponding to the above covariogram can be written as:
本発明の実施の形態では、上記のカーネル関数の線形和で定義した、以下の式で示す新たなカーネル関数を用いる。 In the embodiment of the present invention, a new kernel function defined by the following equation defined by the linear sum of the above kernel functions is used.
ここで推定すべきガウス過程のハイパーパラメータは The hyperparameter of the Gaussian process to be estimated here is
である。入力変数の集合X={xi}N i=1、およびガウス過程のハイパーパラメータの集合Θ=(θ11,・・・,θRR’)が与えられた条件の下で、観測データの集合Dの尤度関数は次式のように書き下せる。 It is. A set of observation data under the condition that a set of input variables X = {x i } N i = 1 and a set of hyperparameters of Gaussian processes Θ = (θ 11 ,..., Θ RR ′ ) The likelihood function of D can be written as
ここでt\iはtからi番目の要素を除いたものを表す。 Here, t \ i represents a value obtained by removing the i-th element from t.
本発明の実施の形態では、上記式の尤度関数を最大化するパラメータΘ,z,z’を推定するため、EMアルゴリズムを用いる。EMアルゴリズムでは、次の手順[1]〜[4]でパラメータ推定を行う。なお、本発明の実施の形態では、負担率の事前分布として以下の式(4)〜(5)に示すSoftmax関数を採用し、後述する時空間変数算出部26による時空間変数の予測で用いられるSoftmax関数のパラメータを算出する。
In the embodiment of the present invention, an EM algorithm is used to estimate parameters Θ, z, z ′ that maximize the likelihood function of the above equation. In the EM algorithm, parameter estimation is performed by the following procedures [1] to [4]. In the embodiment of the present invention, the Softmax function shown in the following equations (4) to (5) is adopted as the prior distribution of the burden rate, and is used for prediction of the spatiotemporal variable by the spatiotemporal
[1]各パラメータの初期値を選択する。 [1] Select an initial value for each parameter.
[2]EMアルゴリズムのEステップにおいて、観測データ集合の各観測データに対し、以下の式に従って、当該観測データの入力変数に対する、r’番目のユニットのr番目のガウス過程の負担率p(zi=r|zi’=r’,X,t,θrr’)、当該観測データの入力変数に対する、r番目のガウス過程の負担率p(zi=r|X,t,θrr’)、当該観測データの入力変数に対する、r’番目のユニットのr番目のガウス過程の同時確率p(zi=r,zi’=r’|X,t,θrr’)を計算する。 [2] In the E step of the EM algorithm, for each observation data in the observation data set, the load ratio p (z of the r'th Gaussian process of the r'th unit for the input variable of the observation data according to the following equation: i = r | z i ′ = r ′, X, t, θ rr ′ ), and the burden ratio p (z i = r | X, t, θ rr ′ ) of the r-th Gaussian process for the input variable of the observed data. ), The joint probability p (z i = r, z i ′ = r ′ | X, t, θ rr ′ ) of the r th Gaussian process of the r ′ th unit is calculated for the input variable of the observed data.
なお、上記式(2)におけるp(ti|X,t,θrr’)は、次式に示す平均μi rr’、分散Σi rr’を持つガウス分布で表される。 Note that p (t i | X, t, θ rr ′ ) in the above equation (2) is expressed by a Gaussian distribution having mean μ i rr ′ and variance Σ i rr ′ shown in the following equation.
[3]EMアルゴリズムのMステップにおいて、観測データ集合の各観測データに対して計算された、r’番目のユニットのr番目のガウス過程の負担率p(zi=r|zi’=r’,X,t,θrr’)、r番目のガウス過程の負担率p(zi=r|X,t,θrr’)、r’番目のユニットのr番目のガウス過程の同時確率p(zi=r,zi’=r’|X,t,θrr’)に基づいて、尤度関数Qを最大化するガウス過程のパラメータΘnewを計算する。ここで尤度関数Qを次式で表されるQ〜で予め近似する。 [3] The burden ratio p (z i = r | z i '= r of the r'th Gaussian process of the r'th unit calculated for each observation data in the observation data set in the M step of the EM algorithm. ', X, t, θ rr' ), the burden factor p (z i = r | X, t, θ rr ' ) of the r th Gaussian process, the joint probability p of the r th Gaussian process of the r ′ th unit Based on (z i = r, z i ′ = r ′ | X, t, θ rr ′ ), the parameter Θ new of the Gaussian process that maximizes the likelihood function Q is calculated. Here, the likelihood function Q is preliminarily approximated by Q ~ represented by the following equation.
ここで、πi rr’は、 Where π i rr ′ is
で定義される。 Defined by
また、目的関数Q〜のガウス過程のハイパーパラメータθrr’に関する微分は次式で書き下せる。 Also, the derivative of the objective function Q to the hyperparameter θ rr ′ of the Gaussian process can be written as
ここでθrr’ jはr番目のガウス過程のj番目のハイパーパラメータである。降下勾配法、準ニュートン法等を用いれば目的関数Q〜を最大化するガウス過程のパラメータΘを得ることができる。更新式は次式のように書き下せる。 Here theta rr 'j is the j th hyper parameters r th Gaussian process. Descent gradient method, it is possible to obtain the parameters Θ of the Gaussian process that maximizes the objective function Q ~ a the use of the quasi-Newton method or the like. The update formula can be written as:
また、負担率を表すSoftmax関数のパラメータvr及びvrr’の更新式は次式のように書き下せる。 Also, the update equation for the parameters v r and v rr ′ of the Softmax function representing the burden rate can be written as the following equation.
ここでηは定数である。 Here, η is a constant.
[4]EMアルゴリズムの収束条件が満たされているか調べ、満たされていなければ [4] Check whether the convergence condition of the EM algorithm is satisfied.
を実行し、上記手順[2]に戻る。収束条件が満たされていれば、処理を終了する。 To return to the above procedure [2]. If the convergence condition is satisfied, the process is terminated.
従って、学習部16は、人口密度情報記憶部12に格納された観測データの集合に基づいて、観測データ同士の類似性を定義する関数であるカーネル関数の各々のハイパーパラメータと、観測データの各々に対する、複数のガウス過程の各々の寄与度を表すパラメータである負担率とを学習する。
Therefore, the
本発明の実施の形態におけるカーネル関数は、複数のガウス過程を、空間的な広がり及び時間的な広がりに対応する複数の階層で混合した階層混合ガウス過程でモデル化される。また、本発明の実施の形態におけるカーネル関数は、入力変数に対する時空間変数の値を予測するためのモデルに含まれる、複数のガウス過程の各々についての、観測データ同士の類似性を定義する関数である。 The kernel function in the embodiment of the present invention is modeled by a hierarchical mixed Gaussian process in which a plurality of Gaussian processes are mixed in a plurality of hierarchies corresponding to a spatial spread and a temporal spread. In addition, the kernel function in the embodiment of the present invention is a function that defines the similarity between observation data for each of a plurality of Gaussian processes included in a model for predicting the value of a spatiotemporal variable with respect to an input variable. It is.
学習部16は、負担率推定部18と、ガウス過程パラメータ推定部20と、反復判定部21とを備える。
The
負担率推定部18は、人口密度情報記憶部12に格納された観測データの集合と、複数のガウス過程のカーネル関数の各々のハイパーパラメータの初期値、又はガウス過程パラメータ推定部20による前回推定値とに基づいて、上記式(6)〜(8)に従って、観測データの各々に対する、複数のガウス過程からなる複数のユニットの各々の寄与度を表すパラメータであるユニット負担率、及び観測データの各々に対する、複数のガウス過程の各々の寄与度を表すパラメータである負担率を推定する。
The
ガウス過程パラメータ推定部20は、人口密度情報記憶部12に格納された観測データの集合と、負担率推定部18によって推定された、観測データの各々に対する、複数のユニットの各々のユニット負担率、及び観測データの各々に対する、複数のガウス過程の各々の負担率とに基づいて、上記式(9)〜(10)、(13)に従って、複数のガウス過程の各々に対し、ガウス過程のカーネル関数の各々のハイパーパラメータを推定する。
The Gaussian
また、ガウス過程パラメータ推定部20は、人口密度情報記憶部12に格納された観測データの集合に基づいて、上記式(11)〜(12)に従って、Softmax関数のパラメータvr及びvrr’を推定する。
In addition, the Gaussian process
反復判定部21は、予め定められた反復終了条件を満たすまで、負担率推定部18による推定、及びガウス過程パラメータ推定部20による推定を繰り返す。そして、反復判定部21は、予め定められた反復終了条件が満たされた場合には、ガウス過程パラメータ推定部20によって推定されたSoftmax関数のパラメータvr及びvrr’を負担率パラメータ格納部22に格納し、ガウス過程パラメータ推定部20によって推定されたハイパーパラメータをガウス過程パラメータ格納部24に格納する。
The
負担率パラメータ格納部22には、ガウス過程パラメータ推定部20によって推定された、Softmax関数のパラメータvr及びvrr’が格納される。
The burden rate
ガウス過程パラメータ格納部24には、ガウス過程パラメータ推定部20によって推定されたガウス過程のカーネル関数の各々のハイパーパラメータが格納される。
The Gaussian process
時空間変数算出部26は、入力部13によって受け付けた、未観測の位置情報及び時間情報を有する入力変数と、負担率パラメータ格納部22に格納されたSoftmax関数のパラメータとに基づいて、入力変数に対する複数のガウス過程の各々の寄与度を表すパラメータである負担率を推定する。
The spatiotemporal
具体的には、時空間変数算出部26は、入力変数x*と、負担率パラメータ格納部22に格納されたSoftmax関数のパラメータvr及びvrr’とに基づいて、以下の式(14)〜(15)に従って、入力変数x*に対する複数のガウス過程の各々の寄与度を表すパラメータである負担率を推定する。
Specifically, the spatiotemporal
そして、時空間変数算出部26は、推定した入力変数x*に対する負担率と、ガウス過程パラメータ格納部24に格納されたハイパーパラメータに基づいて、上記式(1)〜(3)に従って、入力変数に対する時空間変数の値を予測する。
The spatiotemporal
出力部28は、時空間変数算出部26によって予測された、入力された入力変数に対する時空間変数の値を、結果として出力する。
The
例えば、出力部28は、上記図3に示すように、予測対象の地点あるいは領域及び時間での時空間変数の予測値である人口密度と、当該人口密度に関連する情報である混雑度とを結果として出力する。
For example, as shown in FIG. 3, the
<本発明の実施の形態に係る時空間変数予測装置の作用> <Operation of Spatiotemporal Variable Prediction Device According to Embodiment of the Present Invention>
次に、本発明の実施の形態に係る時空間変数予測装置100の作用について説明する。
Next, the operation of the spatiotemporal
<学習処理ルーチン>
まず、時空間変数予測装置100は、操作部10より観測データの集合Dが入力されると、観測データの集合Dを人口密度情報記憶部12に格納する。そして、時空間変数予測装置100は、図4に示す学習処理ルーチンを実行する。
<Learning processing routine>
First, when the observation data set D is input from the
まず、ステップS100では、繰り返し変数jと各パラメータとを初期化する。 First, in step S100, the repetition variable j and each parameter are initialized.
次に、ステップS102において、反復判定部21は、予め定められた反復終了条件を満たしたか否かを判定する。予め定められた条件として、繰り返し変数jが予め定められた値Niter未満である場合には、ステップS110へ進む。一方、繰り返し変数jがNiter以上である場合には、ステップS104へ進む。
Next, in step S102, the
ステップS104において、負担率推定部18は、人口密度情報記憶部12に格納された観測データの集合と、上記ステップS100で設定された、複数のガウス過程のカーネル関数の各々のハイパーパラメータの初期値、又は後述するステップS106で前回推定されたガウス過程のカーネル関数の各々のハイパーパラメータとに基づいて、上記式(6)〜(8)に従って、観測データの各々に対するユニット負担率、及び観測データの各々に対する負担率を推定する。
In step S104, the burden
ステップS106において、ガウス過程パラメータ推定部20は、人口密度情報記憶部12に格納された観測データの集合と、上記ステップS104で推定された、観測データの各々に対するユニット負担率、及び観測データの各々に対する負担率とに基づいて、上記式(9)〜(10)、(13)に従って、複数のガウス過程の各々に対し、ガウス過程のカーネル関数の各々のハイパーパラメータを推定する。また、ガウス過程パラメータ推定部20は、人口密度情報記憶部12に格納された観測データの集合に基づいて、上記式(11)〜(12)に従って、Softmax関数のパラメータを推定する。
In step S106, the Gaussian process
ステップS108では、繰り返し変数jを1インクリメントしてステップS102へ戻る。 In step S108, the repetition variable j is incremented by 1, and the process returns to step S102.
ステップS110において、反復判定部21は、上記ステップS106で推定されたSoftmax関数のパラメータを負担率パラメータ格納部22に格納し、推定されたガウス過程のハイパーパラメータをガウス過程パラメータ格納部24に格納して、学習処理ルーチンを終了する。
In step S110, the
次に、図5に示す時空間変数算出処理ルーチンについて説明する。 Next, the spatiotemporal variable calculation processing routine shown in FIG. 5 will be described.
学習処理ルーチンが実行され、負担率パラメータ格納部22にSoftmax関数のパラメータvrr’が格納され、ガウス過程パラメータ格納部24にガウス過程のハイパーパラメータが格納され、予測を行う対象となる未観測の位置情報及び時間情報を含む入力変数が入力されると、時空間変数予測装置100は、図5に示す時空間変数算出処理ルーチンを実行する。
The learning processing routine is executed, the parameter v rr ′ of the Softmax function is stored in the burden factor
<時空間変数算出処理ルーチン>
ステップS200において、入力部13は、未観測の位置情報及び時間情報を含む入力変数を受け付ける。
<Time-space variable calculation processing routine>
In step S200, the
ステップS202において、時空間変数算出部26は、負担率パラメータ格納部22に格納されたSoftmax関数のパラメータと、ガウス過程パラメータ格納部24に格納されたガウス過程のハイパーパラメータとを読み出す。
In step S <b> 202, the spatiotemporal
ステップS204において、時空間変数算出部26は、上記ステップS200で受け付けた入力変数と、上記ステップS202で読み込まれたSoftmax関数のパラメータとに基づいて、上記式(14)〜(15)に従って、入力変数に対する複数のガウス過程の各々の寄与度を表すパラメータである負担率を推定する。そして、時空間変数算出部26は、推定された入力変数に対する負担率と、上記ステップS202で読み込まれたガウス過程のハイパーパラメータとに基づいて、上記式(1)〜(3)に従って、入力変数に対する時空間変数の値である人口密度を予測する。
In step S204, the spatiotemporal
出力部28は、時空間変数算出部26によって予測された、入力変数に対する時空間変数の値である人口密度を結果として出力して、時空間変数算出処理ルーチンを終了する。
The
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る時空間変数予測装置によれば、位置情報及び時間情報を有する入力変数に対する時空間変数の観測値を有する観測データの集合に基づいて、複数のガウス過程を、空間的な広がり及び時間的な広がりに対応する複数の階層で混合した階層混合ガウス過程でモデル化された、入力変数に対する時空間変数の値を予測するためのモデルに含まれる、複数のガウス過程の各々についての、観測データ同士の類似性を定義する関数であるカーネル関数の各々のハイパーパラメータと、観測データの各々に対する、複数のガウス過程の各々の寄与度を表すパラメータである負担率とを学習することにより、時間的及び空間的相関を持つ時空間変数の値を精度よく予測することができる。 As described above, according to the spatiotemporal variable prediction apparatus according to the embodiment of the present invention, based on a set of observation data having observation values of spatiotemporal variables with respect to an input variable having position information and temporal information, Included in models for predicting spatio-temporal variable values for input variables, modeled by hierarchical mixed Gaussian processes mixed at multiple levels corresponding to spatial and temporal spreads A hyperparameter of each of the kernel functions, which is a function that defines the similarity between the observation data for each of the plurality of Gaussian processes, and a parameter that represents the contribution of each of the plurality of Gaussian processes to each of the observation data By learning a certain burden ratio, the value of the spatiotemporal variable having temporal and spatial correlation can be predicted with high accuracy.
また、時間的及び空間的相関を持つ時空間変数の値を正確に予測することができる。 In addition, the value of the spatiotemporal variable having temporal and spatial correlation can be accurately predicted.
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、上記の実施の形態では、人口密度分布の時系列データが観測データとして与えられた条件の下で、未観測地点あるいは未来の時空間変数分布を推定・予測するという場合について説明したが、他の様々な時空間変数の時系列データ(人口分布、人流・交通流の速度・向き、金やダイヤモンドなど鉱物資源の埋蔵量、降水量などの気象データ、土地価格など)を対象として本発明を適用することができる。 For example, in the above embodiment, a case has been described in which the time series data of the population density distribution is estimated / predicted as an unobserved point or a future spatiotemporal variable distribution under the condition given as observation data. The present invention is intended for time series data of various other spatiotemporal variables (population distribution, speed / direction of human / traffic flow, reserves of mineral resources such as gold and diamond, meteorological data such as precipitation, land price, etc.) Can be applied.
また、本発明の実施の形態においては、時空間変数予測装置100によって各パラメータを推定し、推定された各パラメータを用いて、入力変数に対応する時空間変数である人口密度を予測する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、各パラメータを推定する処理と、推定された各パラメータを用いて時空間変数を予測する処理とを別々の装置として構成してもよい。この場合、各パラメータを推定する装置は、操作部10と、人口密度情報記憶部12と、演算部14とを備え、推定された各パラメータを用いて時空間変数を予測する装置は、入力部13と、時空間変数算出部26と、出力部28とを備える。
Further, in the embodiment of the present invention, a case where each parameter is estimated by the spatiotemporal
また、本発明の実施の形態では、負担率の事前分布としてSoftmax関数を採用し、Softmax関数のパラメータを推定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、他の関数を用いてもよい。 In the embodiment of the present invention, the Softmax function is adopted as the prior distribution of the burden ratio and the parameter of the Softmax function is estimated as an example. However, the present invention is not limited to this, and other functions are used. It may be used.
また、上述の時空間変数予測装置100は、内部にコンピュータシステムを有しているが、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
The spatiotemporal
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し、ネットワークを介して提供することも可能である。 Further, 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 or provided via a network. It is also possible to do.
10 操作部
12 人口密度情報記憶部
13 入力部
14 演算部
16 学習部
18 負担率推定部
20 ガウス過程パラメータ推定部
21 反復判定部
22 負担率パラメータ格納部
24 ガウス過程パラメータ格納部
26 時空間変数算出部
28 出力部
100 時空間変数予測装置
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記観測データの集合に基づいて、複数のガウス過程を、空間的な広がり及び時間的な広がりに対応する複数の階層で混合した階層混合ガウス過程でモデル化された、前記入力変数に対する時空間変数の値を予測するためのモデルに含まれる、前記複数のガウス過程の各々についての、前記観測データ同士の類似性を定義する関数であるカーネル関数の各々のハイパーパラメータと、前記観測データの各々に対する、前記複数のガウス過程の各々の寄与度を表すパラメータである負担率とを学習する学習部
を含む時空間変数予測装置。 A spatiotemporal variable prediction device that predicts spatiotemporal variable values for unobserved position information and temporal information based on a set of observation data having observation values of spatiotemporal variables for input variables having positional information and temporal information. And
A spatio-temporal variable for the input variable modeled by a hierarchical mixed Gaussian process in which a plurality of Gaussian processes are mixed in a plurality of hierarchies corresponding to a spatial spread and a temporal spread based on the set of observation data Each of the plurality of Gaussian processes included in the model for predicting the value of each of the hyperparameters of a kernel function, which is a function that defines the similarity between the observation data, and for each of the observation data A spatio-temporal variable prediction apparatus including a learning unit that learns a burden rate that is a parameter representing a contribution degree of each of the plurality of Gaussian processes.
前記観測データの集合と、前記複数のガウス過程のカーネル関数の各々のハイパーパラメータとに基づいて、前記観測データの各々に対する、複数のガウス過程からなる複数のユニットの各々の寄与度を表すパラメータであるユニット負担率、及び前記観測データの各々に対する、前記複数のガウス過程の各々の寄与度を表すパラメータである負担率を推定する負担率推定部と、
前記観測データの集合と、前記負担率推定部によって推定された、前記観測データの各々に対する、前記複数のユニットの各々のユニット負担率、及び前記観測データの各々に対する、前記複数のガウス過程の各々の負担率とに基づいて、前記複数のガウス過程の各々に対し、前記ガウス過程のカーネル関数の各々のハイパーパラメータを推定するガウス過程パラメータ推定部と、
予め定められた反復終了条件を満たすまで、前記負担率推定部による推定、及び前記ガウス過程パラメータ推定部による推定を繰り返す反復判定部とを含む請求項1記載の時空間変数予測装置。 The learning unit
Based on the set of observation data and the hyperparameters of each of the kernel functions of the plurality of Gaussian processes, the parameter represents the contribution of each of a plurality of units composed of a plurality of Gaussian processes to each of the observation data. A unit burden factor, and a burden factor estimation unit that estimates a burden factor that is a parameter representing the degree of contribution of each of the plurality of Gaussian processes to each of the observation data;
Each of the plurality of Gaussian processes for each of the unit burden rates of each of the plurality of units and each of the observation data, for each of the observation data, estimated by the set of the observation data, and the burden rate estimation unit A Gaussian process parameter estimator for estimating a hyperparameter of each kernel function of the Gaussian process for each of the plurality of Gaussian processes based on
The spatiotemporal variable prediction apparatus according to claim 1, further comprising: an iterative determination unit that repeats the estimation by the burden rate estimation unit and the estimation by the Gaussian process parameter estimation unit until a predetermined iteration end condition is satisfied.
前記学習部によって学習された、前記複数のガウス過程の各々についての前記カーネル関数の各々のハイパーパラメータと、推定された前記入力変数に対する前記複数のガウス過程の各々の負担率とに基づいて、前記入力変数に対する時空間変数の値を予測する時空間変数算出部を更に含む請求項1又は2記載の時空間変数予測装置。 Based on the input variable having unobserved position information and time information that is input, estimate a burden factor that is a parameter representing the contribution of each of the plurality of Gaussian processes to the input variable,
Based on the hyperparameters of each of the kernel functions for each of the plurality of Gaussian processes learned by the learning unit and the burden rates of the plurality of Gaussian processes for the estimated input variable, The spatiotemporal variable prediction apparatus according to claim 1, further comprising a spatiotemporal variable calculation unit that predicts a value of the spatiotemporal variable with respect to the input variable.
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