JP7040505B2 - Arithmetic logic units, arithmetic systems, operational methods, and computer programs - Google Patents
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本発明は、演算装置、演算システム、演算方法、およびコンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to arithmetic units, arithmetic systems, arithmetic methods, and computer programs.
最適化問題を解く方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1,2には、最適化問題を解くために設計変数の変換に関する技術が開示されている。特許文献3~7および非特許文献1には、最適制御に関連する技術が開示されている。特許文献8,9には、量子化に関連する技術が開示されている。
A method for solving an optimization problem is known (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1,2,7,8に記載された方法では、最適化問題を解くスピードに改良の余地がある。特許文献3~6および非特許文献1に記載された技術では、有限個の入力のみを許容するシステムには適用できない。
However, in the methods described in
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、有限個の入力を許容した上で、高速かつ高精度に最適化問題を解く技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a technique for solving an optimization problem at high speed and with high accuracy while allowing a finite number of inputs.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。演算装置であって、時間と共にパラメータが変化する二次計画問題の設計変数であって、各時刻において離散値である設計変数を、2値の整数計画問題の設計変数に変換する変換部と、前記変換部によって変換された設計変数をイジングマシンに送信する送信部と、前記送信部により送信された設計変数から前記イジングマシンにより算出された2値の整数計画問題の近似解を受信する受信部と、前記受信部により受信された前記整数計画問題の近似解を、前記二次計画問題の近似解に逆変換する逆変換部と、を備え、前記二次計画問題の評価関数は、時系列信号の最適動的量子化問題の関数である、演算装置。そのほか、本発明は、以下の形態としても実現可能である。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms. A conversion unit that converts a design variable that is a discrete value at each time into a design variable of a binary integer programming problem, which is an arithmetic device and is a design variable of a secondary programming problem whose parameters change with time. A transmitter that sends the design variables converted by the converter to the Zing machine, and a receiver that receives an approximate solution of a binary integer programming problem calculated by the Rising machine from the design variables transmitted by the transmitter. The evaluation function of the quadratic programming problem is time-series. An arithmetic unit that is a function of the optimal dynamic quantization problem of a signal. In addition, the present invention can also be realized in the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、演算装置が提供される。この演算装置は、時間と共にパラメータが変化する二次計画問題の設計変数であって、各時刻において離散値である設計変数を、2値の整数計画問題の設計変数に変換する変換部と、前記変換部によって変換された設計変数をイジングマシンに送信する送信部と、前記送信部により送信された設計変数から前記イジングマシンにより算出された2値の整数計画問題の近似解を受信する受信部と、前記受信部により受信された前記整数計画問題の近似解を、前記二次計画問題の近似解に逆変換する逆変換部と、を備える。 (1) According to one embodiment of the present invention, an arithmetic unit is provided. This arithmetic unit is a design variable of a quadratic programming problem whose parameters change with time, and has a conversion unit that converts a design variable that is a discrete value at each time into a design variable of a binary integer programming problem, and the above. A transmitter that sends the design variables converted by the converter to the Zing machine, and a receiver that receives an approximate solution of a binary integer programming problem calculated by the Rising machine from the design variables transmitted by the transmitter. It is provided with an inverse conversion unit that reversely converts the approximate solution of the integer programming problem received by the receiving unit into the approximate solution of the quadratic programming problem.
この構成によれば、イジングマシンが許容しない離散値の設計変数が、イジングマシンが許容する2値の整数計画問題の設計変数に変換される。イジングマシンは、送信部によって送信された変換後の設計変数を用いて、2値の整数計画問題における評価関数の近似解を算出できる。イジングマシンが算出した近似解は、受信部により受信される。受信された近似解は、逆変換部によって、変換部による変換前の二次計画問題の近似解に逆変換される。そのため、本構成では、イジングマシンが許容しない設計変数を、イジングマシンが許容する設計変数に変換することにより、イジングマシンを用いて高速かつ高精度の最適値の近似解を算出できる。 According to this configuration, the discrete value design variables that the Ising machine does not allow are converted into the design variables of the binary integer programming problem that the Ising machine allows. The Ising machine can calculate an approximate solution of the evaluation function in a binary integer programming problem using the converted design variables transmitted by the transmitter. The approximate solution calculated by the Ising machine is received by the receiving unit. The received approximate solution is inversely converted by the inverse transformant into an approximate solution of the quadratic programming problem before conversion by the transformant. Therefore, in this configuration, by converting the design variables that the Ising machine does not allow into the design variables that the Ising machine allows, it is possible to calculate an approximate solution of the optimum value at high speed and with high accuracy using the Ising machine.
(2)上記態様の演算装置において、前記変換部、前記送信部、前記受信部、及び前記逆変換部は、前記変換、前記送信、前記受信、及び前記逆変換を繰り返し実行し、前記変換部は、一時刻前に前記逆変換部によって逆変換された前記二次計画問題の近似解を用いて、現時刻の前記二次計画問題の前記パラメータを算出してもよい。
この構成によれば、イジングマシンを用いた近似解を算出した後に、繰り返し、当該近似解を用いて任意の処理単位時間後の近似解を算出する。これにより、ある時刻での入力に対して、連続的にその後の近似解が算出される。
(2) In the arithmetic unit of the above embodiment, the conversion unit, the transmission unit, the reception unit, and the inverse conversion unit repeatedly execute the conversion, the transmission, the reception, and the inverse conversion, and the conversion unit. May calculate the parameters of the secondary planning problem at the current time by using the approximate solution of the secondary planning problem that was inversely transformed by the inverse conversion unit one time ago.
According to this configuration, after calculating an approximate solution using the Ising machine, the approximate solution is repeatedly calculated using the approximate solution after an arbitrary processing unit time. As a result, the approximate solution after that is continuously calculated for the input at a certain time.
(3)上記態様の演算装置において、前記二次計画問題の評価関数は、離散値の入力のみを許容する制御システムの最適制御問題の関数であってもよい。
この構成によれば、離散値の入力のみを許容する最適制御問題の評価関数を、離散値の入力を許容しないイジングマシンを用いて、高速かつ高精度に解くことができる。
(3) In the arithmetic unit of the above aspect, the evaluation function of the secondary planning problem may be a function of the optimum control problem of the control system that allows only input of discrete values.
According to this configuration, the evaluation function of the optimal control problem that allows only the input of discrete values can be solved at high speed and with high accuracy by using the Ising machine that does not allow the input of discrete values.
(4)上記態様の演算装置において、前記二次計画問題の評価関数は、時系列信号の最適動的量子化問題の関数であってもよい。
この構成によれば、時系列信号を2値の整数計画問題の設計変数に変換してイジングマシンを用いて、高速かつ高精度に最適動的量子化問題を解くことができる。
(4) In the arithmetic unit of the above aspect, the evaluation function of the secondary planning problem may be a function of the optimum dynamic quantization problem of the time series signal.
According to this configuration, it is possible to solve the optimum dynamic quantization problem at high speed and with high accuracy by converting the time series signal into the design variables of the binary integer programming problem and using the Ising machine.
(5)上記態様の演算装置において、前記整数計画問題は、0-1変数計画問題であってもよい。
この構成によれば、2値の整数計画問題として、一般的に広く使用されている0-1変数計画問題を用いることにより、汎用性を向上できる。
(5) In the arithmetic unit of the above aspect, the integer programming problem may be a 0-1 variable programming problem.
According to this configuration, versatility can be improved by using a generally widely used 0-1 variable programming problem as a binary integer programming problem.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、演算装置、解析装置、イジングマシンを備える演算システム、およびこれらを備える装置およびシステム、および演算方法、解析方法、およびこれらシステムや方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。 It should be noted that the present invention can be realized in various aspects, for example, an arithmetic unit, an analysis apparatus, an arithmetic system including a singing machine, an apparatus and system including these, an arithmetic method, an analysis method, and the like. It can be realized in the form of a computer program for executing a system or a method, a server device for distributing the computer program, a non-temporary storage medium for storing the computer program, or the like.
<実施形態>
図1は、本発明の実施形態としての演算装置2を備える演算システム100のブロック図である。演算システム100は、二次計画問題の設計変数を、イジングマシン3で評価可能な2値の整数計画問題の設計変数へと変換する。また、演算システム100は、イジングマシン3により算出された2値の整数計画問題における近似解を、二次計画問題の近似解へと逆変換する。
<Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram of an
図1に示されるように、演算システム100は、イジングモデルを評価可能なイジングマシン3と、イジングマシン3と設計変数および近似解を送受信することにより二次計画問題の近似解を演算する演算装置2と、を備えている。イジングマシン3と、演算装置2とは、例えばLAN(Local Area Network)やインターネットによって接続され、相互に通信することができる。
As shown in FIG. 1, the
イジングマシン3は、組み合わせ最適化問題を解くことに特化されたコンピュータであり、イジングモデルと呼ばれる特殊なモデルを用いて、2値の整数計画問題の近似解を高速に算出することができる。イジングマシン3が用いるイジングモデルは、膨大な個数のミクロ要素が相互作用し、また各ミクロ要素に強制力が与えられている際の、マクロ(全体)の振る舞いを表現するモデルである。イジングモデルにおけるミクロ要素はスピンとも呼ばれ、0-1や、±1等の2値をとる。このため、イジングマシン3は、2値の整数計画問題の近似解を高速に算出できる一方で、二次計画問題の評価関数から近似解を算出できないという特徴がある。以降、本実施形態のイジングマシン3は、「0-1変数計画問題」として表されるイジングモデルのみを許容する場合を例示して説明する。しかし、上述の通りイジングマシン3は、例えば「±1変数計画問題」として表されるイジングモデルのみを許容するとして構成されてもよい。
The Ising
演算装置2は、いわゆるパーソナルコンピュータ(PC:Personal Computer)である。演算装置2は、図1に示されるように、ユーザなどの入力を受け付ける入力部20と、各種プログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)10と、ROM(Read Only Memory)50と、RAM(Random Access Memory)60と、イジングマシン3と情報の送受信を行う通信部(送信部、受信部)30と、各種情報を記憶する記憶部40と、各種データを画像や音声で出力する出力部70と、を備えている。
The
本実施形態の入力部20は、キーボードおよびマウスで構成されている。入力部20が受け付けた入力情報は、CPU10へと送信される。CPU10は、ROM50に格納されているコンピュータプログラムをRAM60に展開して実行する。これにより、CPU10は、変換部11および逆変換部12として機能する。変換部11および逆変換部12の機能については後述する。
The
通信部30は、無線通信によって、変換部11により変換された設計変数をイジングマシン3へと送信する。また、通信部30は、イジングマシン3により算出された0-1変数計画問題の近似解を受信する。記憶部40は、ハードディスクドライブ(HDD:Hard Disk Drive)などで構成されている。記憶部40は、入力部20が受け付けた入力情報およびCPU10からの制御情報に応じて、各種情報を記憶する。本実施形態の出力部70は、画像を表示可能なモニタ、および、音声を出力可能なスピーカで構成されている。出力部70は、CPU10からの制御情報に応じて各種出力を行う。例えば、出力部70は、逆変換部12により算出された二次計画問題の近似解を、画像としてモニタに表示する。
The
変換部11は、入力部20により入力された又は記憶部40に記憶された二次計画問題の設計変数を、0-1変数計画問題の設計変数へと変換する。二次計画問題の設計変数は、時間と共にパラメータが変化する変数であり、各時刻において離散値を取る変数である。すなわち、変換部11に入力される二次計画問題は、イジングマシン3が解くことのできない問題であるため、変換部11が、二次計画問題をイジングモデルへと変換する。一方で、逆変換部12は、通信部30によって受信されたイジングマシン3により算出された0-1変数計画問題の近似解を、変換部11が変換する前の二次計画問題の近似解へと逆変換する。
The
以下では、二次計画問題を0-1変数計画問題へと変換する方法について説明する。まず、二次計画問題の近似解を得るために、下記関係式(1)の評価関数Hを最小化する問題を考える。下記関係式(1)におけるuは、行列であり、M本のベクトルからなる有限集合の元(u∈U)であるとする。この場合、集合Uは、下記関係式(2)のように表される。 In the following, a method of converting a quadratic programming problem into a 0-1 variable programming problem will be described. First, in order to obtain an approximate solution to the quadratic programming problem, consider a problem that minimizes the evaluation function H of the following relational expression (1). It is assumed that u in the following relational expression (1) is a matrix and is an element (u ∈ U) of a finite set consisting of M vectors. In this case, the set U is expressed by the following relational expression (2).
変換部11は、二次計画問題の設計変数を、イジングモデルが許容する0-1変数計画問題の設計変数へと変換する。変換部11は、上記関係式(2)で表された集合Uに対して、「M(集合Uの要素数)がある自然数Lを用いて「M=2L」を満たす」と仮定する。この場合に、任意のiに対してuiは、下記関係式(3)のように表される。
The
bj,l∈{0,1}(j=1,…,m,l=1,…,L)は、0か1のどちらかの値を取る2値変数であり、Kj(j=1,…,m)はスケーリングパラメータである。上記関係式(3)は、L個のビットを用いたバイナリエンコーダによって集合Uの各要素を表現できることを意味している。 b j, l ∈ {0,1} (j = 1, ..., m, l = 1, ..., L) is a binary variable that takes either 0 or 1 value, and K j (j = 1, ..., M) are scaling parameters. The above relational expression (3) means that each element of the set U can be represented by a binary encoder using L bits.
上記関係式(3)は、{0,1}mLから集合Uへの線形写像とみることができ、行列表現すると、下記関係式(4)のように表される。 The above relational expression (3) can be regarded as a linear map from {0,1} mL to the set U, and when expressed in a matrix, it is expressed as the following relational expression (4).
ここで、上記関係式(1)は、下記関係式(5)のように表現できる。なお、上記関係式(5)の一部を、下記関係式(6)のように置換した。この場合の下記関係式(5)は、0-1変数の2次計画問題である。ここで、イジングマシン3が許容するイジングモデルは、下記関係式(7)のように表される。
Here, the above relational expression (1) can be expressed as the following relational expression (5). In addition, a part of the above relational expression (5) was replaced with the following relational expression (6). The following relational expression (5) in this case is a quadratic programming problem with 0-1 variables. Here, the Ising model allowed by the
上記関係式(7)におけるσiは、量子ビットと呼ばれる変数であり、σi∈{-1,+1}を満たす。Jijは、相互作用パラメータ、hiは磁場と呼ばれるパラメータである。上記関係式(7)は、下記関係式(8)のように行列表現できる。 Σ i in the above relational expression (7) is a variable called a qubit and satisfies σ i ∈ {-1, + 1}. J ij is an interaction parameter, and hi is a parameter called a magnetic field. The above relational expression (7) can be expressed as a matrix as in the following relational expression (8).
0-1変数の2次計画問題の上記関係式(5)に示される変数b∈{0,1}と、イジングモデルの上記関係式(7)に示される変数σ∈{-1,+1}とには、下記関係式(9)の関係があることを利用すると、上記関係式(5)から下記関係式(10)を得る。
σ=2b-1・・・(9)
The variable b ∈ {0,1} shown in the above relational expression (5) of the quadratic programming problem of the 0-1 variable and the variable σ ∈ {-1, + 1} shown in the above relational expression (7) of the Ising model. By utilizing the fact that there is a relationship of the following relational expression (9) with and, the following relational expression (10) is obtained from the above relational expression (5).
σ = 2b-1 ... (9)
上記関係式(10)は、上記関係式(8)のようなイジングモデルである。このようにして、変換部11は、二次計画問題を、イジングモデルが許容する0-1変数計画問題へと変換する。通信部30は、変換部11により変換された上記関係式(10)で表されるイジングモデルを、イジングマシン3に送信する。イジングマシン3は、上記関係式(10)を最小化するようなイジングモデルの変数σopt∈{-1,+1}mLを算出する。
The relational expression (10) is an Ising model like the relational expression (8). In this way, the
通信部30は、イジングマシン3から送信される変数σoptを受信する。逆変換部12は、通信部30が受信した変数σoptを、下記関係式(11)のような{0,1}の変数に逆変換する。逆変換部12は、下記関係式(11)で示される{0,1}の変数を、下記関係式(12)で示されるような離散入力に復元する。
bopt=2σopt-1mL…(11)
uopt=Ebopt…(12)
The
b opt = 2σ opt -1 mL … (11)
u opt = Eb opt … (12)
以下では、制御システムの最適制御問題としての離散時間線形システムの下記関係式(13)で示される一例について説明する。 In the following, an example of the discrete-time linear system represented by the following relational expression (13) as the optimum control problem of the control system will be described.
上記関係式(13)において、t∈Nは離散時刻を表す。n,m,l∈N(自然素の集合)に対して、x(t)∈Rn(n-次元実数空間)は状態を表し、u(t)∈U⊂Rmは制御入力を表し、a(t)∈Rlは既知の信号を表し、y(t)∈Rlは出力を表す。また、A∈Rn×n,B1∈Rn×m,B2∈Rm×l,C∈Rl×m,D∈Rl×mは、システムの動特性を表す既知の定数行列である。上記関係式(13)で表される制御システムは、完全可制御かつ完全可観測と仮定する。さらに、集合Uは、上記関係式(2)で表される有限集合であるとする。上記関係式(13)で表される制御システムでは、各時刻での入力u(t)が集合Uの要素のみをとることが、通常の制御系とは異なる。次に、上記関係式(13)を制御するために、下記関係式(14)で表される評価関数Hを設計する。 In the above relational expression (13), t ∈ N represents a discrete time. For n, m, l ∈ N (set of natural elements), x (t) ∈ R n (n-dimensional real space) represents a state, and u (t) ∈ U ⊂ R m represents a control input. , A (t) ∈ R l represents a known signal and y (t) ∈ R l represents an output. Further, A ∈ R n × n , B1 ∈ R n × m , B2 ∈ R m × l , C ∈ R l × m , D ∈ R l × m are known constant matrices representing the dynamic characteristics of the system. .. The control system represented by the above relational expression (13) is assumed to be completely controllable and fully observable. Further, it is assumed that the set U is a finite set represented by the above relational expression (2). In the control system represented by the above relational expression (13), the input u (t) at each time takes only the elements of the set U, which is different from the normal control system. Next, in order to control the above relational expression (13), the evaluation function H represented by the following relational expression (14) is designed.
上記関係式(14)におけるQ∈Rl×l,R∈Rm×mは、重み行列と呼ばれる正定値対称行列であり、設計パラメータである。また、N∈Nは、予測ステップと呼ばれる設計パラメータである。最適制御問題とは、時刻tにおける状態x(t)を観測したときに、時刻tから時刻(t+N-1)までの下記関係式(15)で表される入力列u(t)の中で、上記関係式(14)のような評価関数を最小化する下記関係式(16)を探す問題である。なお、下記関係式(16)におけるUNは、Uの直積集合を表している。 Q ∈ R l × l and R ∈ R m × m in the above relational expression (14) are definite-value symmetric matrices called weight matrices and are design parameters. Further, N ∈ N is a design parameter called a prediction step. The optimal control problem is the input string u (t) represented by the following relational expression (15) from the time t to the time (t + N-1) when the state x (t) at the time t is observed. , The problem is to find the following relational expression (16) that minimizes the evaluation function such as the above relational expression (14). Note that UN in the following relational expression (16) represents a Cartesian product set of U.
最適制御問題では、下記関係式(17)で表される拡大行列を定義することにより、下記関係式(18)で表される二次形式の表現を得ることができる。 In the optimal control problem, by defining the augmented matrix represented by the following relational expression (17), a quadratic form expression represented by the following relational expression (18) can be obtained.
ここで、上記関係式(2)で定義された集合Uに対して、再び、上記関係式(3)で表されるという仮定を追加し、上記関係式(3)に対して下記関係式(19)の拡大行列を定義する。 Here, the assumption that it is represented by the relational expression (3) is added again to the set U defined by the relational expression (2), and the following relational expression (3) is added to the relational expression (3). 19) Define the augmented matrix.
このとき、最適制御問題の評価関数Hは、下記関係式(20)のように表現できる。下記関係式(20)を用いて、最適制御問題のイジングモデルは、下記関係式(21)のようになる。すなわち、最適制御問題の評価関数Hは、イジングモデルに帰着される。 At this time, the evaluation function H of the optimal control problem can be expressed as the following relational expression (20). Using the following relational expression (20), the Ising model of the optimal control problem is as shown in the following relational expression (21). That is, the evaluation function H of the optimal control problem is reduced to the Ising model.
以下では、時系列信号の最適動的量子化問題の一例として、音声信号{a(t)},t∈N,a(t)∈Rを量子化する問題について説明する。量子化後の信号を{u(t)},t∈N,u(t)∈Rとし、各時刻t∈Nで、あらかじめ固定されたM個の要素からなる集合U={ui|ui∈R,i=1,…,M}に対してu(t)∈Uが満たされるとする。{a(t)}を{u(t)}に量子化する際、量子化誤差|{a(t)}-{u(t)}|が小さい方が好ましく、これを評価関数として表すと、下記関係式(22)にように表現される。下記関係式(22)を最小化するためには、各時刻t∈Nでu(t)として、下記関係式(23)を選択すればよい。 In the following, as an example of the optimum dynamic quantization problem of a time series signal, the problem of quantizing the audio signal {a (t)}, t ∈ N, a (t) ∈ R will be described. Let the quantized signal be {u (t)}, t ∈ N, u (t) ∈ R, and at each time t ∈ N, a set U = {u i | u consisting of M pre-fixed elements. It is assumed that u (t) ∈ U is satisfied for i ∈ R, i = 1, ..., M}. When quantizing {a (t)} to {u (t)}, it is preferable that the quantization error | {a (t)}-{u (t)} | is small, and this is expressed as an evaluation function. , Is expressed as the following relational expression (22). In order to minimize the following relational expression (22), the following relational expression (23) may be selected as u (t) at each time t ∈ N.
音声を量子化することの最終目標は、音声を人間が聞いたときの自然さを維持しつつ、データ量を削減することである。人間の聴覚特性は、知覚フィルタ(Perception Filter, PF)と呼ばれるフィルタによって特徴付けられていることが知られている。このフィルタを経由した後の量子化誤差を小さくすることが、より良い量子化の方法である。これまでいくつかの知覚フィルタが知られているが、本実施形態では、下記関係式(24)で表される線形時不変フィルタを用いる。下記関係式(24)で表される知覚フィルタPF経由後の量子化誤差を改めて定義すると、下記関係式(25)で表され、下記関係式(25)に対応する評価関数Hは、下記関係式(26)のように表される。 The ultimate goal of quantizing speech is to reduce the amount of data while maintaining the naturalness of human hearing. It is known that human auditory characteristics are characterized by a filter called a perceptual filter (PF). Reducing the quantization error after passing through this filter is a better method of quantization. Although several perceptual filters have been known so far, in this embodiment, a linear time-invariant filter represented by the following relational expression (24) is used. If the quantization error after passing through the perceptual filter PF represented by the following relational expression (24) is defined again, it is expressed by the following relational expression (25), and the evaluation function H corresponding to the following relational expression (25) has the following relation. It is expressed as the equation (26).
知覚フィルタPFと音声信号{a(t)}とが与えられたときに、上記関係式(25)を状態空間表現すると、下記関係式(27)となる。次に、上記関係式(26)と、離散時線形システムにおける上記関係式(13)との対応を考えると、下記関係式(28)が導かれる。また、上記関係式(26)の評価関数Hと、離散時線形システムにおける上記関係式(14)との対応を考えると、下記関係式(29)が導かれる。 When the perceptual filter PF and the audio signal {a (t)} are given, the state-space representation of the above relational expression (25) gives the following relational expression (27). Next, considering the correspondence between the relational expression (26) and the relational expression (13) in the discrete time linear system, the following relational expression (28) is derived. Further, considering the correspondence between the evaluation function H of the relational expression (26) and the relational expression (14) in the discrete time linear system, the following relational expression (29) is derived.
以上説明したように、上記関係式(26)を最小化する量子化を行う問題は、上記関係式(27)~(29)の対応のもと、離散時線形システムで導入した最適制御問題に帰着される。すなわち、時系列の量子化問題の評価関数Hは、イジングモデルに帰着される。 As described above, the problem of performing quantization that minimizes the above relational expression (26) is the optimal control problem introduced in the discrete time linear system under the correspondence of the above relational expressions (27) to (29). It will be returned. That is, the evaluation function H of the time-series quantization problem is reduced to the Ising model.
図2は、本実施形態の演算方法のフローチャートである。図2に示されるように、本実施形態の演算フローチャート(以降、単に「演算フロー」とも呼ぶ)では、初めに、入力部20の入力等により解くべき二次計画問題が演算装置2へと入力される(ステップS1)。変換部11は、入力された二次計画問題の設計変数を、0-1変数計画問題の設計変数へと変換する変換処理を行う(ステップS2)。変換部11は、上記関係式(1)~(10)で説明したように、二次計画問題をイジングマシン3が許容するイジングモデルへと変換する。通信部30は、変換部11により変換された設計変数をイジングマシン3へと送信する送信工程を行う(ステップS3)。通信部30は、変換部11により変換されたイジングモデルをイジングマシン3へと送信する。
FIG. 2 is a flowchart of the calculation method of the present embodiment. As shown in FIG. 2, in the calculation flowchart of the present embodiment (hereinafter, also simply referred to as “calculation flow”), first, a quadratic programming problem to be solved by input of the
イジングマシン3は、通信部30により送信されたイジングモデルを計算する(ステップS4)。イジングマシン3は、上記関係式(12)~(20)で説明したように、0-1変数計画問題における評価関数Hを最小化するイジングモデルの変数σopt∈{-1,+1}mLを算出する。その後、通信部30は、イジングマシン3により算出された0-1変数計画問題の近似解として変数σopt∈{-1,+1}mLを受信する受信工程を行う(ステップS5)。逆変換部12は、通信部30によって受信された0-1変数計画問題の近似解を、変換部11が変換する前の二次計画問題の近似解へと逆変換する逆変換工程を行(ステップS6)。逆変換部12は、イジングモデルの変数σopt∈{-1,+1}mLに対して上記関係式(11),(12)を用いて、離散入力へと復元する。その後、演算フローが終了する。なお、演算装置2は、ステップS2,S3,S5,S6の各処理を繰り返し実行する。変換部11は、任意の処理時間の1つ前に逆変換部12によって逆変換された二次計画問題の近似値を用いて、現時刻の二次計画問題における各パラメータを算出する。ステップS2,S3,S5,S6の各処理とは、変換部11による設計変数の変換と、通信部30による変換された設計変数の送信およびイジングマシン3から送信される0-1変数計画問題の近似解の受信と、逆変換部による受信された近似解を二次計画問題の近似解への逆変換とを含んでいる。
The
図3から図5までの各図は、実施例1の効果を示す説明図である。図3および図4には、本実施形態のイジングマシン3を用いた実施例1としての演算方法(Quantum Annealing)と、比較例としての内点法(Interior-Point Method)および焼きなまし法(Simulated Annealing)との3つの手法によってある最適制御問題の制御システムに対して制御が実施された場合の効果が示されている。図3に示される効果は、入力列(図3)に対する入力変数の時間推移である。図4に示される効果は、状態(図4)に対する状態変数の時間推移である。なお、実施例1および後述の実施例2では、イジングマシン3として、カナダD-Wave社の2000Qを用いた。
Each figure from FIG. 3 to FIG. 5 is an explanatory diagram showing the effect of the first embodiment. 3 and 4 show the calculation method (Quantum Annealing) as the first embodiment using the
図3には、実施例1の入力変数の時間推移を表す実線の曲線CQAと、内点法の入力変数の時間推移を表す一点鎖線の曲線CIPMと、焼きなまし法の入力変数の時間推移を表す曲線CSAとが示されている。図3に示されるように、実施例1の曲線CQAは、他2つの曲線CIPM,CSAより良好な制御性能を達成していることがわかる。 In FIG. 3, the solid line curve C QA showing the time transition of the input variable of the first embodiment, the one-dot chain line curve C IPM showing the time transition of the input variable of the internal point method, and the time transition of the input variable of the annealed method are shown. The curve CSA representing is shown. As shown in FIG. 3, it can be seen that the curve C QA of Example 1 achieves better control performance than the other two curves C IPM and CS A.
図4には、実施例1の状態変数の時間推移を表す実線の折れ線LQAと、内点法の状態変数の時間推移を表す一点鎖線の折れ線LIPMと、焼きなまし法の状態変数の時間推移を表す折れ線LQAとが示されている。図4に示されるように、本実施形態の折れ線LQAは、他2つの折れ線LIPM,LSAよりも良好な制御性能を達成していることがわかる。 In FIG. 4, a solid line L QA showing the time transition of the state variable of Example 1, a polygonal line L IPM of the alternate long and short dash line showing the time transition of the state variable of the internal point method, and the time transition of the state variable of the annealed method are shown. A polygonal line L QA representing is shown. As shown in FIG. 4, it can be seen that the polygonal line L QA of the present embodiment achieves better control performance than the other two polygonal lines L IPM and L SA .
図5には、実施例1が実行される際に要する時間と、比較例の内点法および焼きなまし法が実行される際に要する時間と、がテーブルTAに示されている。なお、図5に示される実施例1が要する時間は、演算装置2とイジングマシン3トの間におけるデータの通信時間を除いた時間である。そのため、図5のテーブルTAにおいて、実施例1は、他2つの手法と並列に比較されている。図5に示されるように、実施例1では、設計変数の変換および逆変換を含む全ての時間(QA(Computation Time))として、1.9×10-2秒要する。そのうち、アニーリング(QA(Annealing Time))に要する時間は、2.0×10-3秒である。すなわち、実施例1が実行される際に要する時間は、内点法の1.1×10-2秒よりも長く、焼きなまし法の2.7×10-1よりも長い。実施例1は、内点法よりもおよそ72%(1.9×10-2/(1.1×10-2))多くの時間を要するが、図3,4に示されるように、実施例1の入力変数および状態変数の時間推移は、内点法よりも改善されている。
In FIG. 5, the time required for the first embodiment to be executed and the time required for the interior point method and the simulated annealing method of the comparative example to be executed are shown in the table TA. The time required for the first embodiment shown in FIG. 5 is the time excluding the data communication time between the
図6および図7は、実施例2の効果を示す説明図である。図6および図7では、実施例2(QA)の演算方法と、比較例としての全探索による厳密解法(exact)および焼きなまし法(SA)との3つの手法によって、音声の量子化についてのある制御信号が入力された場合の効果が示されている。図6に示される効果は、3つの手法によって算出されたそれぞれの評価である。図6には、実施例2の評価値を表す箱ひげ図BPQAと、焼きなまし法の評価値を表す箱ひげ図BPSAと、厳密解法の評価値を表す箱ひげ図BPexとが示されている。図7に示される例では、実施例2の評価値は、焼きなまし法の1.25倍良好な量子化を達成している。 6 and 7 are explanatory views showing the effect of the second embodiment. In FIGS. 6 and 7, the calculation method of Example 2 (QA) and the exact solution method (exact) and simulated annealing method (SA) by full search as comparative examples are used to quantize speech. The effect when a control signal is input is shown. The effects shown in FIG. 6 are the respective evaluations calculated by the three methods. FIG. 6 shows a boxplot BP QA showing the evaluation value of Example 2, a boxplot BP SA showing the evaluation value of simulated annealing, and a boxplot BP ex showing the evaluation value of the exact solution method. ing. In the example shown in FIG. 7, the evaluation value of Example 2 achieves 1.25 times better quantization than simulated annealing.
図7に示される効果は、3つの手法が実行された場合に要する時間である。図7には、各種法が実行された際に要する時間が棒グラフで示されている。なお、図7における横軸には、常用対数が採用されている。図7に示される実施例2では、実施例1と同様に、演算装置2とイジングマシン3トの間におけるデータの通信時間が除かれている。図7には、設計変数の変換および逆変換を含む全ての時間(QA(Computation Time))と、アニーリングに要する時間(QA(Annealing Time))とが示されている。実施例2の全ての時間(QA(Computation Time))は、焼きなまし法の約2.08倍の時間であり、厳密解法の約0.001倍の時間である。また、アニーリングに要した時間のみを比較すると、実施例2の要した時間は、焼きなまし法の約0.005倍であり、厳密解法の約2.3×10-6倍である。
The effect shown in FIG. 7 is the time required when the three methods are performed. FIG. 7 is a bar graph showing the time required for various methods to be executed. The common logarithm is adopted as the horizontal axis in FIG. 7. In the second embodiment shown in FIG. 7, the data communication time between the
従来、最適制御問題や量子化問題において、2値の整数計画化問題として変換すると変数が増えてしまうため、2値よりも多い整数の値を取り得る整数計画問題として定式化され、直接解かれていた。それに対し、本実施形態の演算装置2では、変換部11は、二次計画問題の設計変数を、0-1変数計画問題の設計変数へと変換する。二次計画問題の設計変数は、時間と共にパラメータが変化する変数であり、各時刻において離散値を取る変数である。逆変換部12は、通信部30によって受信されたイジングマシン3により算出された0-1変数計画問題の近似解を、二次計画問題の近似解へと逆変換する。そのため、本実施形態の演算装置2では、イジングマシン3が許容しない設計変数を、イジングマシン3が許容する設計変数に変換することにより、図3~図7に示されるように、イジングマシン3を用いて高速かつ高精度の最適値の近似解を算出できる。
Conventionally, in optimal control problems and quantization problems, when converted as a binary integer programming problem, the number of variables increases, so it is formulated as an integer programming problem that can take integer values larger than binary, and is directly solved. Was there. On the other hand, in the
また、本実施形態の演算装置2は、ステップS2,S3,S5,S6の各処理を繰り返し実行する。変換部11は、任意の処理時間の1つ前に逆変換部12によって逆変換された二次計画問題の近似値を用いて、現時刻の二次計画問題における各パラメータを算出する。そのため、本実施形態の演算装置2では、一時刻において、イジングマシン3を用いた近似解が算出された後に、繰り返し、当該近似解を用いて任意の処理単位時間後の近似解が算出される。これにより、演算装置2は、ある時刻での入力に対して、連続的にその後の近似解を算出できる。
Further, the
また、本実施形態では、演算装置2に入力される二次計画問題の評価関数Hは、離散値の入力のみを許容する制御システムの最適制御問題の関数である。そのため、本実施形態の演算装置2では、イジングマシン3が許容しない、離散値の入力飲みを許容する最適制御問題の評価関数であっても、変換部11により設計変数が変換される。これにより、演算装置2は、イジングマシン3を用いて、高速かつ高精度に評価関数の近似値を算出できる。
Further, in the present embodiment, the evaluation function H of the secondary planning problem input to the
また、本実施形態では、演算装置2に入力される二次計画問題の評価関数Hは、離散値の入力のみを許容する時系列信号の最適動的量子化問題の関数である。そのため、本実施形態の演算装置2では、イジングマシン3が許容しない、離散値の入力飲みを許容する最量子化問題の評価関数であっても、変換部11により設計変数が変換される。これにより、演算装置2は、イジングマシン3を用いて、高速かつ高精度に評価関数の近似値を算出できる。
Further, in the present embodiment, the evaluation function H of the secondary planning problem input to the
<実施形態の変形例>
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
<Modified example of the embodiment>
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be carried out in various embodiments without departing from the gist thereof, and for example, the following modifications are also possible.
上記実施形態では、演算装置2、および、演算装置2を備える演算システム100の一例について説明したが、演算装置2および演算システム100の構成については、種々変形可能である。例えば、演算装置2は、入力部20、記憶部40、および出力部70を備えていなくてもよい。例えば、入力部20および出力部70は、通信部30によって各種情報送受信できる状態で、演算システム100またはその他のシステム内に備わっていてもよい。記憶部40は、クラウド上に存在し、通信部30を介して、演算装置2との各種情報の送受信を行ってもよい。上記実施形態では、イジングマシン3の一例としてカナダD-Wave社の2000Qを挙げて説明したが、イジングモデルを評価できるイジングマシンであれば、いずれのマシンが採用されてもよい。
In the above embodiment, an example of the
上記実施形態では、イジングマシン3を用いて近似値を算出する例として、制御システムの最適制御問題および時系列信号の最適動的量子化問題を取り扱ったが、それ以外の最適化問題が取り扱われてもよい。このような最適化問題として、二次計画問題の設計変数が、時間と共にパラメータが変化し、各時刻において離散値であればよい。
In the above embodiment, the optimum control problem of the control system and the optimum dynamic quantization problem of the time-series signal are dealt with as an example of calculating the approximate value using the rising
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。 Although this embodiment has been described above based on the embodiments and modifications, the embodiments described above are for facilitating the understanding of the present embodiment and do not limit the present embodiment. This aspect may be modified or improved without departing from its spirit and claims, and this aspect includes its equivalent. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it may be deleted as appropriate.
2…演算装置
3…イジングマシン
10…CPU
11…変換部
12…逆変換部
20…入力部
30…通信部(送信部、受信部)
40…記憶部
50…ROM
60…RAM
70…出力部
100…演算システム
BPQA,BPSA,BPex…評価値を表す箱ひげ図
CQA,CIPM,CSA…入力変数の時間推移を表す曲線
H…評価関数
LQA,LIPM,LSA…状態変数の時間推移を表す折れ線
PF…知覚フィルタ
TA…テーブル
U…集合
σopt…変数
2 ...
11 ...
40 ...
60 ... RAM
70 ...
Claims (7)
時間と共にパラメータが変化する二次計画問題の設計変数であって、各時刻において離散値である設計変数を、2値の整数計画問題の設計変数に変換する変換部と、
前記変換部によって変換された設計変数をイジングマシンに送信する送信部と、
前記送信部により送信された設計変数から前記イジングマシンにより算出された2値の整数計画問題の近似解を受信する受信部と、
前記受信部により受信された前記整数計画問題の近似解を、前記二次計画問題の近似解に逆変換する逆変換部と、
を備え、
前記二次計画問題の評価関数は、時系列信号の最適動的量子化問題の関数である、演算装置。 Arithmetic logic unit
A conversion unit that converts a design variable that is a design variable of a quadratic programming problem whose parameters change with time and is a discrete value at each time into a design variable of a quadratic integer programming problem.
A transmitter that sends the design variables converted by the converter to the Ising machine,
A receiver that receives an approximate solution of a binary integer programming problem calculated by the Ising machine from the design variables transmitted by the transmitter.
An inverse transformant that reversely transforms the approximate solution of the integer programming problem received by the receiver into the approximate solution of the quadratic programming problem.
Equipped with
The evaluation function of the quadratic planning problem is an arithmetic unit which is a function of the optimum dynamic quantization problem of a time series signal .
前記変換部、前記送信部、前記受信部、及び前記逆変換部は、前記変換、前記送信、前記受信、及び前記逆変換を繰り返し実行し、
前記変換部は、一時刻前に前記逆変換部によって逆変換された前記二次計画問題の近似解を用いて、現時刻の前記二次計画問題の近似解を算出する、演算装置。 The arithmetic unit according to claim 1.
The conversion unit, the transmission unit, the reception unit, and the inverse conversion unit repeatedly execute the conversion, the transmission, the reception, and the inverse conversion.
The conversion unit is an arithmetic unit that calculates an approximate solution of the quadratic programming problem at the current time by using an approximate solution of the quadratic programming problem that was inversely converted by the inverse conversion unit one time ago.
前記二次計画問題の評価関数は、離散値の入力のみを許容する制御システムの最適制御問題の関数である、演算装置。 The arithmetic unit according to claim 1 or 2, wherein the arithmetic unit is used.
The evaluation function of the secondary planning problem is an arithmetic unit, which is a function of an optimal control problem of a control system that allows only input of discrete values.
前記整数計画問題は、0-1変数計画問題である、演算装置。 The arithmetic unit according to any one of claims 1 to 3 .
The integer programming problem is an arithmetic unit, which is a 0-1 variable programming problem.
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の演算装置と、
前記整数計画問題の近似解を算出するイジングマシンと、
を備える、演算システム。 It ’s an arithmetic system,
The arithmetic unit according to any one of claims 1 to 4 , and the arithmetic unit.
An Ising machine that calculates an approximate solution to the integer programming problem,
A computing system.
時間と共にパラメータが変化する二次計画問題の設計変数であって、各時刻において離散値である設計変数を、2値の整数計画問題の設計変数に変換する変換工程と、
変換された設計変数をイジングマシンに送信する送信工程と、
送信された設計変数から前記イジングマシンにより算出された2値の整数計画問題の近似解を受信する受信工程と、
受信された前記整数計画問題の近似解を、前記二次計画問題の近似解に逆変換する逆変換工程と、
を備え、
前記二次計画問題の評価関数は、時系列信号の最適動的量子化問題の関数である、演算方法。 It ’s a calculation method,
A conversion process that converts a design variable that is a design variable of a quadratic programming problem whose parameters change with time and is a discrete value at each time into a design variable of a quadratic integer programming problem.
The transmission process of sending the converted design variables to the Ising machine,
A receiving process that receives an approximate solution of a binary integer programming problem calculated by the Ising machine from the transmitted design variables, and a receiving process.
An inverse transformation step of inversely converting the received approximate solution of the integer programming problem to the approximate solution of the quadratic programming problem.
Equipped with
The evaluation function of the quadratic planning problem is a function of the optimum dynamic quantization problem of a time series signal, which is an arithmetic method.
時間と共にパラメータが変化する二次計画問題の設計変数であって、各時刻において離散値である設計変数を、2値の整数計画問題の設計変数に変換する変換機能と、
前記変換機能によって変換された設計変数をイジングマシンに送信する送信機能と、
前記送信機能により送信された設計変数から前記イジングマシンにより算出された2値の整数計画問題の近似解を受信する受信機能と、
前記受信機能により受信された前記整数計画問題の近似解を、前記二次計画問題の近似解に逆変換する逆変換機能と、
をコンピュータに実行させ、
前記二次計画問題の評価関数は、時系列信号の最適動的量子化問題の関数である、コンピュータプログラム。
It ’s a computer program,
A conversion function that converts a design variable that is a design variable of a quadratic programming problem whose parameters change with time and is a discrete value at each time into a design variable of a quadratic integer programming problem.
A transmission function that sends the design variables converted by the conversion function to the Ising machine,
A reception function that receives an approximate solution of a binary integer programming problem calculated by the Ising machine from the design variables transmitted by the transmission function, and a reception function.
An inverse conversion function that reversely converts the approximate solution of the integer programming problem received by the reception function into the approximate solution of the quadratic programming problem, and
Let the computer run
The evaluation function of the secondary planning problem is a computer program which is a function of the optimum dynamic quantization problem of the time series signal .
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