JP7278763B2 - State quantity data classification device and state quantity data classification method - Google Patents
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Description
本発明は、主として、状態量データ分類装置に関する。 The present invention mainly relates to a state quantity data classifying device.
従来から、取得した情報を利用して、ターゲットの状態量を推定したり、ターゲット毎の情報に分類したりする技術が提案されている。 Conventionally, techniques have been proposed for estimating the state quantity of a target and classifying information for each target using acquired information.
特許文献1が開示する目標状態量推定装置は、観測更新計算装置と、時間外挿計算装置と、パターンマッチング計算装置と、を備える。観測更新計算装置は、シーカから得られる観測量を利用して推定量を更新する。時間外挿計算装置は、観測更新計算装置から得られる推定状態量及びその誤差共分散行列を用いて時間外挿計算を行う。パターンマッチング計算装置は、時間外挿計算装置から得られる目標の加速度推定値を用いて、予め設定した目標旋回パターンデータと照らし合わせて目標の運動パターンを推定する。
The target state quantity estimation device disclosed in
特許文献1は、これにより、パターンマッチング計算処理によって十分な精度で推定フィルタ計算を早く収束させることができるとする。
According to
特許文献2は、カルマンフィルタにより目標の状態量を推定する目標状態量推定装置を開示する。この目標状態量推定装置は、観測ノイズ行列計算装置と、観測更新計算装置と、時間外挿計算装置と、プロセスノイズ行列計算装置と、を備える。観測ノイズ行列計算装置は、目標までの距離と方向に関するデータである観測量と、当該観測量のS/N比に基づき、観測量の誤差の大きさを表す観測ノイズ行列を算出する。観測更新計算装置は、観測量と、観測ノイズ行列と、を利用して、時間外挿計算装置が出力する目標の状態量と誤差共分散行列を更新する。時間外挿計算装置は、更新後の目標の状態量と誤差共分散行列、及び、目標の運動モデルの誤差の大きさであるプロセスノイズ行列に基づき、時間外挿計算により目標の状態量と誤差共分散行列を算出する。プロセスノイズ行列計算装置は、時間外挿計算装置が算出した目標の状態量に基づき、プロセスノイズ行列を算出する。
特許文献2は、これにより、目標のレーダ反射断面積が小さく、観測値のS/N比が低い目標の運動を推定する状況にあっても、その場で求められる性能指標を満足したフィルタ特性(即ち、カルマンフィルタの特性である適切なプロセスノイズ行列等)を得ることができ、目標の状態量を高精度に推定することができるとする。
According to
特許文献3は、目標観測情報入力器と、運動諸元相関器と、第一の相関グループ生成器と、を備える目標相関統合装置を開示する。目標観測情報入力器には、目標を捉えた目標観測装置からの目標情報が観測情報として入力される。運動諸元相関器は、前記観測情報が既管理目標と相関関係があるかを判断するために、既に管理している目標の予測位置を中心とした目標存在予測範囲内に前記観測情報が入るか否かの判定を行う。第一の相関グループ生成器は、運動諸元相関器の判定に従って相関があると予想される観測目標の観測情報と既管理目標の予測情報を1つの相関グループとして、第一の相関グループの生成を行う。
特許文献3は、これにより、ある程度同じような性質(位置・速度等)を持つ目標に関しては1つの目標として再統合することができるとする。 According to Japanese Patent Laid-Open No. 2002-200013, this enables targets having similar properties (position, velocity, etc.) to some extent to be reintegrated as one target.
しかし、上記特許文献1及び2の構成は、情報をターゲット毎に分類する処理を行わないので、ターゲットの状態量を推定する際に、当該ターゲットとは異なるターゲットに関する情報が混在することがある。これにより、ターゲットの状態量を精度良く推定することができなくなる場合があった。
However, the configurations of
上記特許文献3の構成は、取得した観測情報と既管理目標に関する情報とが類似する場合、正確な相関判定を行うことが難しくなり、正確な相関グループを生成することができなくなる場合がある点で改善の余地があった。
In the configuration of
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、取得した状態量データをターゲット毎の状態量データに精度良く分類することができる状態量データ分類装置及び状態量データ分類方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to classify acquired state quantity data into state quantity data for each target with high accuracy. is to provide
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。 The problems to be solved by the present invention are as described above. Next, the means for solving the problems and the effects thereof will be described.
本発明の第1の観点によれば、以下の構成の状態量データ分類装置が提供される。即ち、この状態量データ分類装置は、状態量データ取得部と、状態量データ分類部と、を備える。前記状態量データ取得部は、複数のセンサがターゲットの状態量を検出して出力した状態量データを取得する。前記状態量データ分類部は、前記状態量データ、及び、ターゲットを何らかの観点で複数に区分する場合に前記状態量データが何れの区分に属するターゲットに関するものかを示す区分所属情報を用いて、前記状態量データを分類する。前記状態量データ分類部は、互いに類似している状態量を示す状態量データを、同一のクラスタに分類し、区分所属情報が一致する状態量データを、同一のクラスタに分類し、区分所属情報が異なる状態量データを、異なるクラスタに分類する。前記状態量データ分類部が状態量データを分類するとき、それぞれのクラスタに分類された前記状態量データ同士の類似度と、前記区分所属情報が一致する複数の前記状態量データを異なるクラスタに分類する場合の、分類評価に関する第1罰則と、前記区分所属情報が異なる複数の前記状態量データを同一のクラスタに分類する場合の、分類評価に関する第2罰則と、が考慮される。 A first aspect of the present invention provides a state quantity data classification device having the following configuration. That is, this state quantity data classification device includes a state quantity data acquisition section and a state quantity data classification section. The state quantity data acquisition unit acquires state quantity data output by detecting the state quantity of the target by a plurality of sensors. The state quantity data classification unit uses the state quantity data and category affiliation information indicating to which category the state quantity data relates to the target when the target is classified into a plurality of categories from some point of view, to classify the Classify state quantity data. The state quantity data classifying unit classifies state quantity data indicating state quantities that are similar to each other into the same cluster, classifies state quantity data that have the same section belonging information into the same cluster, classifies the state quantity data into the same cluster, classifies the section belonging information state quantity data with different are classified into different clusters. When the state quantity data classifying unit classifies the state quantity data, a plurality of the state quantity data having the same degree of similarity between the state quantity data classified into each cluster and the classification belonging information are classified into different clusters. A first penalty regarding classification evaluation is taken into consideration when classifying a plurality of state quantity data having different classification affiliation information into the same cluster.
本発明の第2の観点によれば、以下の状態量データ分類方法が提供される。即ち、この状態量データ分類方法は、状態量データ取得工程と、状態量データ分類工程と、を含む。前記状態量データ取得工程では、複数のセンサがターゲットの状態量を検出して出力した状態量データを取得する。前記状態量データ分類工程では、前記状態量データ、及び、ターゲットを何らかの観点で複数に区分する場合に前記状態量データが何れの区分に属するターゲットに関するものかを示す区分所属情報を用いて、前記状態量データを分類する。前記状態量データ分類工程では、互いに類似している状態量を示す状態量データを、同一のクラスタに分類し、区分所属情報が一致する状態量データを、同一のクラスタに分類し、区分所属情報が異なる状態量データを、異なるクラスタに分類する。前記状態量データ分類工程で状態量データを分類するとき、それぞれのクラスタに分類された前記状態量データ同士の類似度と、前記区分所属情報が一致する複数の前記状態量データを異なるクラスタに分類する場合の、分類評価に関する第1罰則と、前記区分所属情報が異なる複数の前記状態量データを同一のクラスタに分類する場合の、分類評価に関する第2罰則と、が考慮される。 According to a second aspect of the present invention, the following state quantity data classification method is provided. That is, this state quantity data classification method includes a state quantity data acquisition step and a state quantity data classification step. In the state quantity data obtaining step, the state quantity data output by detecting the state quantity of the target by a plurality of sensors is obtained. In the state quantity data classification step, the state quantity data and category affiliation information indicating which category the state quantity data belongs to when the targets are classified into a plurality of categories from some point of view are used to classify the Classify state quantity data. In the state quantity data classification step, state quantity data indicating state quantities that are similar to each other are classified into the same cluster, state quantity data with matching section belonging information are classified into the same cluster, and the section belonging information is classified into the same cluster. state quantity data with different are classified into different clusters. When classifying the state quantity data in the state quantity data classifying step, the plurality of state quantity data having the same degree of similarity between the state quantity data classified into each cluster and the classification belonging information are classified into different clusters. A first penalty regarding classification evaluation is taken into consideration when classifying a plurality of state quantity data having different classification affiliation information into the same cluster.
これにより、状態量データの類似性に加えて、互いの状態量データに係るターゲットの区分所属情報が一致しているか否かも考慮することで、ターゲットの物理的な同一性の観点で状態量データを好適に分類することができる。状態量データ同士の類似度と、罰則と、を総合的に考慮した状態量データの分類を容易に行うことができる。 As a result, in addition to the similarity of the state quantity data, by considering whether or not the target category affiliation information related to each state quantity data matches, the state quantity data can be obtained from the viewpoint of the physical identity of the targets. can be suitably classified. It is possible to easily classify the state quantity data by comprehensively considering the degree of similarity between the state quantity data and the penalties.
本発明によれば、複数のセンサから取得した状態量データを、ターゲットの物理的な同一性の観点から精度良く分類することができる。 According to the present invention, state quantity data acquired from a plurality of sensors can be accurately classified from the viewpoint of physical identity of targets.
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。まず、第1実施形態について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る状態量データ分類装置1の全体的な構成を示すブロック図である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the first embodiment will be explained. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a state quantity
図1に示す状態量データ分類装置1は、図示しない航空機に備えられる。航空機は、周囲に存在する移動体であるターゲットを検知するための多数のセンサ2を備える。複数のセンサ2のそれぞれは、1又は複数のターゲットを検知する。以下の説明では、センサ2が検知したターゲットを検知ターゲットと呼ぶことがある。センサ2は、それぞれの検知ターゲットの状態量を取得する。
A state quantity
ターゲットとしては様々に考えられるが、例えば船舶、航空機を挙げることができる。本実施形態において、状態量とは、ターゲットの位置及び速度を意味する。センサ2の構成は特に限定しないが、例えばレーダ装置、光学センサ、音響センサ等を用いたものとすることが考えられる。複数のセンサ2は全て同一の構成のセンサとしても良いし、互いに異なる構成のセンサが含まれても良い。
Various targets are conceivable, and examples include ships and aircraft. In this embodiment, the state quantity means the position and velocity of the target. Although the configuration of the
それぞれのセンサ2はトラッキング機能を有しており、1又は複数の検知ターゲットを追尾することができる。それぞれのセンサ2は独立して動作するので、複数のセンサ2が追尾する検知ターゲットが物理的に同一である場合と、異なる場合と、の両方が考えられる。
Each
それぞれのセンサ2は、状態量データ分類装置1に電気的に接続される。状態量データ分類装置1には、検知ターゲットの状態量を検出した結果が、各センサ2から状態量データとして入力される。図2に示すように、状態量データ分類装置1は、各センサ2から入力された各検知ターゲットの状態量データを、ターゲットの物理的な同一性の観点から分類して統合することで整理し、1又は複数の物理的なターゲットの状態量を出力する。状態量データ分類装置1の出力結果は、適宜の表示装置にリアルタイムで表示される。これにより、航空機に搭乗するオペレータの状況認識、脅威判定及び行動判断等を支援し、正確性、迅速性の向上に寄与することができる。
Each
検知ターゲットについてセンサ2が検出した状態量データは、図1に示すように、状態量データ分類装置1に入力されると同時に、類識別情報生成部(区分所属情報生成部)3に入力される。
The state quantity data detected by the
類識別情報生成部3は、センサ2から入力された状態量データに対し、当該状態量データに係る検知ターゲットを物理的な同一性の観点から分類するための情報となる類識別情報(区分所属情報)を生成する。類識別情報は、ターゲットが有する何らかの属性、例えば、ターゲットの機体の種別、ターゲットの国籍等を示す情報である。類識別情報は、ターゲットを何らかの観点(機体の種別の観点、国籍の観点等)で複数に区分する場合に、当該ターゲットが何れの区分に属するかを示すものである。
The class identification
例を挙げて説明すると、あるセンサ2が光学カメラを用いた画像認識装置として構成され、当該画像認識装置が、洋上を航行する2つのターゲット(例えば、船舶)を画像認識により検知したとする。センサ2は、それぞれの検知ターゲットにつき、画像認識処理により得られた位置を取得する。また、センサ2は、所定時間前の画像で得られた位置と、今回の画像で得られた位置と、を比較することにより、検知ターゲットの速度を取得する。センサ2は、それぞれの検知ターゲットの状態量データ(具体的には、位置及び速度のデータ)を、状態量データ分類装置1に出力する。
To give an example, assume that a
更に、当該センサ2は、カメラ撮影画像から画像認識により切り出されたそれぞれの検知ターゲットの画像を、類識別情報生成部3に出力する。
Furthermore, the
類識別情報生成部3には、様々な種別の船舶の画像が登録されたデータベースが予め構築されている。類識別情報生成部3は、入力された画像をデータベースと照合することにより、船舶の種別を判定する。この例では、2つの検知ターゲットのうち一方が貨物船、他方が漁船であると判定されたとする。この場合、類識別情報生成部3は、センサ2が検知した2つのターゲットの状態量データのうち、一方の検知ターゲットの状態量データは機体種別の観点では貨物船に属する旨の類識別情報を生成し、他方の検知ターゲットの状態量データは機体種別の観点では漁船に属する旨の類識別情報を生成する。
A database in which images of ships of various types are registered is built in advance in the class identification
ターゲットを分類する観点は任意であり、上述した以外にも様々に考えられる。類識別情報生成部3は、ターゲットの分類の観点、及び、センサ2がターゲットを検知する方法等に応じて、様々な方法で類識別情報を生成する。
The point of view for classifying targets is arbitrary, and various points other than those described above are conceivable. The class identification
属する区分が異なれば、ターゲット同士も異なる。従って、類識別情報は、複数のセンサ2が追尾している検知ターゲット同士が物理的に同一であるか異なるかを判断する手掛かりとなる。具体的に言えば、あるセンサ2の検知ターゲットの状態量データが貨物船に属する旨の類識別情報が作成され、それとは別のセンサ2の検知ターゲットの状態量データが漁船に属する旨の類識別情報が作成された場合、2つの検知ターゲットが物理的に異なるターゲットを示している可能性が高いということができる。上記の判断を良好に行うために、類識別情報には、複数の観点による区分が含まれることが好ましい。
Different targets belong to different categories. Therefore, the class identification information serves as a clue for determining whether the detection targets tracked by the plurality of
類識別情報生成部3は、生成した類識別情報を状態量データ分類装置1に出力する。
The class identification
状態量データ分類装置1は、状態量データ入力部(状態量データ取得部)11と、データ前処理部21と、類識別情報入力部(区分所属情報取得部)31と、クラスタ解析部(状態量データ分類部)41と、ターゲット状態量推定部(ターゲット状態量取得部)71と、表示データ生成部81と、を備える。
The state quantity
具体的には、状態量データ分類装置1は公知のコンピュータとして構成されており、CPU、ROM、RAM、HDD等を備える。HDDには、本実施形態の状態量データ分類方法が含む状態量データ入力工程(状態量データ取得工程)、クラスタ解析工程(状態量データ分類工程)、ターゲット状態量推定工程(ターゲット状態量取得工程)、及び表示データ生成工程等を実現するためのプログラムが記憶されている。上記のハードウェアとソフトウェアの協働により、状態量データ分類装置1を、状態量データ入力部11、データ前処理部21、類識別情報入力部31、クラスタ解析部41、ターゲット状態量推定部71、及び表示データ生成部81として動作させることができる。
Specifically, the state quantity
図1の状態量データ入力部11には、それぞれのセンサ2がターゲットを検知して取得した状態量データが、センサ2から入力される。状態量データ入力部11は、取得した状態量データをデータ前処理部21に出力する。
State quantity data obtained by each
データ前処理部21は、状態量データをクラスタ解析部41により分類する前に、複数のセンサ2から取得した状態量データを互いに同期させる処理を行う。
The
詳細に説明すると、それぞれのセンサ2は独立して動作してターゲットを検知するので、図3(a)の概念図の丸印で示すように、各センサ2が状態量データを取得するタイミングは一致しない。そこで、データ前処理部21は、複数のセンサ2の間で状態量データを比較できるようにするために、各センサ2から取得した状態量データの時間推移から、図3(b)に示す等時間間隔でのタイミング(時刻t1,t2,・・・)における状態量データを推定する処理を行う。この処理は、公知のデータ補間手法に基づいて行うことができる。
More specifically, each
図1に示すデータ前処理部21は、このように、各センサ2から状態量データ分類装置1に入力した状態量データに対して、共通のタイミングでの状態量となるように前処理を行う。データ前処理部21は、前処理を行った状態量データをクラスタ解析部41に出力する。
The
類識別情報入力部31には、類識別情報生成部3が生成した類識別情報が入力される。類識別情報入力部31は、取得した類識別情報をクラスタ解析部41に出力する。
The class identification information generated by the class identification
クラスタ解析部41は、データ前処理部21から出力される複数の状態量データを分類する。
The
クラスタ解析部41は、それぞれのセンサ2毎に、かつ、センサ2が追尾した検知ターゲット毎に、データ前処理部21で前処理した状態量データを蓄積する。これにより、現在から所定時間以内の状態量データの時間推移を生成することができる。
The
本実施形態において、この状態量データの時間推移が、クラスタ解析部41によるクラスタリングの対象となる。以下の説明では、時間推移を含めた状態量データを単にサンプルxと呼ぶことがある。
In this embodiment, the temporal transition of this state quantity data is the object of clustering by the
クラスタ解析部41は、取得した各サンプルxを分類対象集合として、どのターゲット(物理的なターゲット)にどのサンプルxが属するのかをクラスタリングに基づいて解析することによって、各サンプルxを物理的なターゲット毎に分類する。
The
本実施形態において状態量データは位置及び速度を含んでいるので、それぞれの状態量データは、位置のx座標と、y座標と、z座標と、速度のx成分と、y成分と、z成分と、の6つの値の組合せで表すことができる。状態量データの時間推移として、例えば現在を含めて3回分の時間推移を対象とする場合、それぞれのサンプルxは6×3=18次元ベクトルとして表現することができる。クラスタ解析部41が行うクラスタリングは、18次元空間における各サンプルxの点を分類することに相当する。
In this embodiment, the state quantity data includes position and velocity. Therefore, the state quantity data are x-coordinate, y-coordinate, and z-coordinate of position, and x-, y-, and z-components of velocity. and can be represented by a combination of six values. As the time transition of the state quantity data, for example, when three time transitions including the present are targeted, each sample x can be expressed as a 6×3=18-dimensional vector. The clustering performed by the
本実施形態では、クラスタ解析部41は、後述の評価関数の値が最小となるように、非階層的手法に基づくクラスタリングを行う。クラスタリング手法としては、ファジーc-means法を変形した手法を用いる。ファジーc-means法は、良く知られているk-means法に対して、それぞれのサンプルがクラスタに所属する度合い(所属度)を曖昧に表す考え方を導入して拡張したものである。
In this embodiment, the
クラスタ解析部41は、初期データ処理部51と、探索部61と、を備える。
The
初期データ処理部51は、クラスタリングの初期化処理を行う。初期データ処理部51は、クラスタ中心初期化部52と、一致/不一致ペア作成部53と、を備える。
The initial
クラスタ中心初期化部52は、クラスタの数(クラスタ数C)を適宜の手法により定める。そして、クラスタ中心初期化部52は、クラスタ中心μの初期値を、クラスタ数Cと同じ数だけ設定する。それぞれのクラスタ中心μも各サンプルxと同様に18次元ベクトルとして表され、18次元空間における点を示す。本実施形態において、それぞれのクラスタ中心μの初期値はランダムに設定される。
The cluster
一致/不一致ペア作成部53は、互いに異なるセンサ2から入力されたサンプルxのうち、物理的に同一のターゲットを示している可能性が高いサンプルxのペア(以下、一致ペアと呼ぶことがある)を1又は複数作成する。
The match/mismatch
一致ペアは、サンプルx同士の類似性と、類識別情報の一致性(類似性)と、の両方を考慮して作成される。詳細に説明すると、2つのサンプルxが示す検知ターゲットの位置及び速度の時間推移が互いに類似している場合は、その2つのサンプルxは、物理的に同一のターゲットを示している可能性が高いということができる。また、類識別情報において同じ区分に属している2つのサンプルxは、物理的に同一のターゲットを示している可能性が高いということができる。一致/不一致ペア作成部53は、これらの観点から総合的に評価して、一致ペアを作成する。
Matching pairs are created in consideration of both the similarity between samples x and the matching (similarity) of class identification information. Specifically, if the position and velocity of the detection target indicated by two samples x are similar to each other over time, it is highly likely that the two samples x indicate the same physical target. It can be said that Also, it can be said that two samples x belonging to the same class in the class identification information are highly likely to physically indicate the same target. The matched/mismatched
また、一致/不一致ペア作成部53は、互いに異なるセンサ2から入力されたサンプルxのうち、物理的に異なるターゲットを示している可能性が高いサンプルxのペア(以下、不一致ペアと呼ぶことがある)を1又は複数作成する。
In addition, the match/mismatch
不一致ペアも一致ペアと同様に、状態量データの類似性と、類識別情報の一致性(類似性)と、の両方を考慮して作成される。詳細に説明すると、2つのサンプルxが示す検知ターゲットの位置及び速度の時間推移が互いに類似していない場合は、その2つのサンプルxは、物理的に異なるターゲットを示している可能性が高いということができる。また、類識別情報において異なる区分に属している2つのサンプルxは、物理的に異なるターゲットを示している可能性が高いということができる。一致/不一致ペア作成部53は、これらの観点から総合的に評価して、不一致ペアを作成する。
Similar to the matched pair, the mismatched pair is also created in consideration of both the similarity of the state quantity data and the matching (similarity) of the class identification information. More specifically, if the time transitions of the position and velocity of the detection target indicated by two samples x are not similar to each other, it is highly likely that the two samples x indicate physically different targets. be able to. Also, it can be said that two samples x belonging to different categories in the class identification information are highly likely to represent physically different targets. The matched/mismatched
探索部61は、分類の好ましさを定義する評価関数の値を最適化(具体的には、最小化)するように、サンプルxの好ましいクラスタリングを探索する。
The
上述したとおり、本実施形態の探索部61は、公知であるファジーc-means法を変形した手法を用いてクラスタリングを行っている。そこで、先に、基本となるファジーc-means法について簡単に説明する。
As described above, the searching
ファジーc-means法は、以下の式(1)に示す評価関数の値が小さくなる所属度uikを探索して求めることにより、クラスタリングを行う。 The fuzzy c-means method performs clustering by searching for and finding the degree of belonging u ik that reduces the value of the evaluation function shown in the following equation (1).
ここで、xiは、総数がN個あるうちi番目のサンプルである。uikは、i番目のサンプルxiがk番目のクラスタGkに所属する所属度であり、詳細は後述する。μkは、k番目のクラスタGkに関する上述のクラスタ中心である。Cは、クラスタGの総数である。本実施形態において、サンプルxiとクラスタ中心μkは何れも18次元ベクトルとして表される。 where x i is the i-th sample out of the total number of N samples. u ik is the degree of belonging of the i-th sample x i to the k-th cluster G k , details of which will be described later. μ k is the above cluster center for the k-th cluster G k . C is the total number of clusters G; In this embodiment, both the samples x i and the cluster centers μ k are represented as 18-dimensional vectors.
d2(xi,μk)は、i番目のサンプルxiとk番目のクラスタGkのクラスタ中心μkとの、18次元空間における距離(ユークリッド距離)の2乗を意味する。mは、所属度uikが与える影響の大きさを定めるパラメータであり、1より大きい値(例えば、2)となるように定められる。なお、サンプルxiとクラスタ中心μkとの距離は、ユークリッド距離に限られず、マハラノビス距離やL1距離等であっても良い。 d 2 ( xi , μ k ) means the square of the distance (Euclidean distance) between the i-th sample x i and the cluster center μ k of the k-th cluster G k in an 18-dimensional space. m is a parameter that determines the magnitude of the influence given by the degree of belonging u ik and is set to a value greater than 1 (eg, 2). Note that the distance between the sample x i and the cluster center μ k is not limited to the Euclidean distance, and may be the Mahalanobis distance, the L1 distance, or the like.
所属度uikとは、ファジー推論の概念であり、それぞれのサンプルxiがそれぞれのクラスタGkにどの程度所属するかを示す。各サンプルが複数のクラスタの何れか1つだけに完全に所属するのが前提であるk-means法と異なり、ファジーc-means法では、あるサンプルがあるクラスタに全く所属していない状態と、完全に所属している状態と、の間の中間の状態があると考え、この所属度を0以上1以下の数で表す。ファジーメンバシップ関数と同様に、あるサンプルがあるクラスタに全く所属していなければ所属度uは0であり、完全に所属していれば所属度uは1である。所属度uを用いることにより、あるサンプルが1番目のクラスタに0.1だけ所属すると同時に、2番目のクラスタには0.2だけ所属し、・・・というような曖昧な状況を柔軟に表現することができる。1つのサンプルxiについて、それぞれのクラスタGkに対する所属度uikを全クラスタについて加算した値は1となる。 The degree of belonging u ik is a concept of fuzzy inference, and indicates how much each sample x i belongs to each cluster G k . Unlike the k-means method, which assumes that each sample completely belongs to only one of a plurality of clusters, in the fuzzy c-means method, a sample does not belong to a certain cluster at all, It is assumed that there is an intermediate state between a state of complete affiliation and a state of affiliation, and this degree of affiliation is represented by a number from 0 to 1. Similar to the fuzzy membership function, membership u is 0 if a sample does not belong to a cluster at all, and 1 if it completely belongs. By using the degree of belonging u, a certain sample belongs to the first cluster by 0.1 and at the same time belongs to the second cluster by 0.2, and so on. can do. For one sample x i , a value of 1 is obtained by adding the degree of belonging u ik to each cluster G k for all clusters.
評価関数である上記の式(1)の右辺は、所属度uikのm乗で重み付けした、各サンプルxiと各クラスタ中心μkとの間の残差2乗和を実質的に意味している。ファジーc-means法では、与えられた各クラスタ中心μkに対して上記の残差2乗和を最小にするように、所属度uikを以下の式(2)に従って更新する。 The right-hand side of the above equation (1), which is the evaluation function, substantially means the residual sum of squares between each sample x i and each cluster center μ k weighted by the degree of belonging u ik raised to the mth power. ing. In the fuzzy c-means method, the degree of belonging u ik is updated according to the following equation (2) so as to minimize the residual sum of squares for each given cluster center μ k .
続いて、ファジーc-means法では、更新後の所属度uikに基づいて、クラスタ中心μkを以下の式(3)に従って更新する。 Subsequently, in the fuzzy c-means method, the cluster center μ k is updated according to the following equation (3) based on the updated degree of belonging u ik .
この式(3)は、あるクラスタGkのクラスタ中心μkは、全てのサンプルxiの、それぞれのサンプルxiが当該クラスタGkに所属する所属度uikのm乗を重みとする重み付け平均により得られることを示す。 In this formula (3), the cluster center μ k of a certain cluster G k is weighted by m-th power of the belonging degree u ik of all the samples x i that each sample x i belongs to the cluster G k . indicates that it is obtained by averaging.
ファジーc-means法では、所属度uikの更新と、クラスタ中心μkの更新とを、適宜の収束条件(例えば、それぞれのクラスタ中心μkが更新によっても殆ど変動しなくなること)が満たされるまで交互に反復する。収束条件が満たされれば、クラスタリングが完了する。 In the fuzzy c-means method, an appropriate convergence condition (for example, each cluster center μ k hardly changes due to updating) is satisfied for updating the degree of belonging u ik and updating the cluster center μ k . Repeat alternately until If the convergence condition is met, clustering is complete.
次に、上述の式(1)で示した評価関数の意味について説明する。 Next, the meaning of the evaluation function shown in the above equation (1) will be explained.
あるサンプルxiが、18次元空間において近くに位置するクラスタ中心μkのクラスタGkに所属する場合(言い換えれば、所属度uikが大きい場合)、評価関数の値は小さくなる。一方、あるサンプルxiが、18次元空間において遠くに位置するクラスタ中心μkのクラスタGkに所属する場合、評価関数の値は大きくなる。 If a certain sample x i belongs to a cluster G k with a cluster center μ k located nearby in the 18-dimensional space (in other words, if the degree of belonging u ik is large), the value of the evaluation function will be small. On the other hand, if a certain sample x i belongs to a cluster G k with a cluster center μ k located far in the 18-dimensional space, the value of the evaluation function will be large.
従って、18次元空間において、各クラスタ中心μkから近い範囲内に当該クラスタGkに所属するサンプルxiが密集していれば、評価関数の値は小さくなる。また、複数のクラスタ中心μkの何れからも遠い空間でサンプルxiが疎であれば、評価関数の値は小さくなる。 Therefore, in the 18-dimensional space, if the samples x i belonging to the cluster G k are concentrated within a range close to each cluster center μ k , the value of the evaluation function will be small. Also, if the sample x i is sparse in a space far from any of the plurality of cluster centers μ k , the value of the evaluation function will be small.
従って、評価関数の値が小さい程、類似しているサンプルxを同一のクラスタGに分類できており、また、類似していないサンプルxを異なるクラスタGに分類できているということができる。所属度uikの更新とクラスタ中心μkの更新とを繰り返して、評価関数の値が小さくなる所属度uikを探索することにより、上記のように類似度の観点で好ましいクラスタリングを得ることができる。 Therefore, it can be said that the smaller the value of the evaluation function, the more similar samples x can be classified into the same cluster G, and the more dissimilar samples x can be classified into different clusters G. By repeatedly updating the degree of belonging u ik and updating the cluster center μ k to search for the degree of belonging u ik that reduces the value of the evaluation function, it is possible to obtain clustering that is preferable from the viewpoint of similarity as described above. can.
次に、上記の説明を踏まえて、本実施形態のクラスタリング手法について説明する。本実施形態では、評価関数として、上記の式(1)に代えて、以下の式(4)を用いる。 Next, based on the above description, the clustering method of this embodiment will be described. In this embodiment, the following equation (4) is used as the evaluation function instead of the above equation (1).
ここで、(xi,xj)∈Mは、一致ペアを意味する。(xi,xj)∈Cは、不一致ペアを意味する。αは後述の罰則の重みを定めるパラメータであり、αが大きくなる程、罰則に敏感なクラスタリングになる。 where (x i , x j )εM means a matching pair. (x i , x j )εC denotes a mismatched pair. α is a parameter that determines the weight of penalties, which will be described later. As α increases, clustering becomes more sensitive to penalties.
この評価関数における右辺の第1項は、上述のc-means法の評価関数の式(1)の右辺と全く同じである。この第1項は、所属度uikのm乗で重み付けした、各サンプルxiと各クラスタ中心μkとの間の残差2乗和である。この項は、図4(a)に示すように、類似しているサンプルxを同一のクラスタGに分類し、また、類似していないサンプルxを異なるクラスタGに分類しようとすると、小さくなる。 The first term on the right side of this evaluation function is exactly the same as the right side of equation (1) of the evaluation function for the c-means method described above. The first term is the residual sum of squares between each sample x i and each cluster center μ k weighted by the degree of membership u ik to the mth power. This term becomes smaller when trying to classify similar samples x into the same cluster G and classify dissimilar samples x into different clusters G, as shown in FIG. 4(a).
なお、図4(a)ではそれぞれのクラスタGを破線で囲って示しているが、これは、破線で囲まれるサンプルxの当該クラスタGに対する所属度uikが比較的大きいことを示しているに留まり、完全に所属しているとは限らない。即ち、例えば「A1」という記号で示されているサンプルxはクラスタG1の破線で囲まれているが、これは、「A1」のサンプルxのクラスタG1に対する所属度は1に近い一方、他のクラスタG2,G3に対する所属度は0に近いことを意味している。 In FIG. 4A, each cluster G is surrounded by a dashed line, which indicates that the degree of belonging u ik to the cluster G of the sample x surrounded by the dashed line is relatively large. Remaining, not necessarily belonging completely. That is, for example, the sample x labeled "A1" is surrounded by the dashed line of cluster G1 , which means that while the degree of membership of sample x of "A1" to cluster G1 is close to 1, This means that the degrees of belonging to other clusters G 2 and G 3 are close to zero.
式(4)の右辺の第2項は、一致ペアをなす一方のサンプル(第1状態量データ)xiと他方のサンプル(第2状態量データ)xjをそれぞれ異なるクラスタGに分類しようとする場合に、第1罰則P1を加算するものである。 The second term on the right side of equation (4) is to classify one sample (first state quantity data) x i and the other sample (second state quantity data) x j forming a matched pair into different clusters G. In this case, the first penalty P1 is added.
一致ペアがクラスタリングの制約の一種であると考えると、この第1罰則P1は、同一ターゲットを示している可能性が高いサンプル(サンプルxiとサンプルxj)をそれぞれ異なるクラスタGに分類しようとする場合の罰則(制約違反の罰則)であるということができる。一致ペアに対して矛盾しないクラスタリングができれば、評価関数の第1罰則P1の項の値を小さくすることができる。 Considering that matching pairs are a type of clustering constraint, this first penalty P1 tries to classify samples (sample x i and sample x j ) that are likely to represent the same target into different clusters G. It can be said that it is a penalty (penalty for violation of constraints) in the case of If consistent clustering can be performed for matching pairs, the value of the first penalty P1 term of the evaluation function can be reduced.
具体的に説明すると、図4(b)の例では、一致/不一致ペア作成部53が、一致ペアとして、「A4」と「B1」、「B3」と「C1」、及び「C2」と「A1」というように、3組のサンプルxのペアを定めたとする。この状況で、図4(a)のように「B3」と「C1」を互いに異なるクラスタGに分類し、「C2」と「A1」を互いに異なるクラスタGに分類しようとすると、それに応じて評価関数の値は第1罰則P1により増加する。
Specifically, in the example of FIG. 4(b), the match/mismatch
式(4)に示すように、第1罰則P1の値は、あるクラスタGkに対して一致ペアのうち一方のサンプルxiとクラスタ中心μkとの間の残差2乗和の逆数と、それとは異なるクラスタGlに対して他方のサンプルxjとクラスタ中心μlとの間の残差2乗和の逆数と、の積を、互いに異なる2つのクラスタGk、Glのあらゆる組合せについて加算したものとして定義されている。 As shown in equation (4), the value of the first penalty P1 is the reciprocal of the residual sum of squares between one sample x i of the matched pair and the cluster center μ k for a given cluster G k . , and the reciprocal of the residual sum of squares between the other sample x j and the cluster center μ l for a different cluster G l , and any combination of two different clusters G k and G l is defined as the sum of
このことは、第1罰則P1の大きさが、サンプルxの位置とクラスタ中心μとの間の距離を考慮して定められることを意味している。即ち、第1罰則P1の値は、一致ペアに含まれる2つのサンプルxi,xjを互いに異なるクラスタGk,Glに分類する場合に、一方のサンプルxiとそれが分類されるクラスタGkのクラスタ中心μkとの距離が小さい程、また、他方のサンプルxjとそれが分類されるクラスタGlのクラスタ中心μlとの距離が小さい程、大きくなる。 This means that the magnitude of the first penalty P1 is determined considering the distance between the position of the sample x and the cluster center μ. That is, when classifying two samples xi and xj included in a matched pair into mutually different clusters Gk and Gl , the value of the first penalty P1 is set to The smaller the distance between the cluster center μ k of G k and the smaller the distance between the other sample x j and the cluster center μ l of the cluster G l into which it is classified, the larger.
式(4)の右辺の第3項は、不一致ペアをなす一方のサンプル(第3状態量データ)xiと他のサンプル(第4状態量データ)xjをそれぞれ同一のクラスタGに分類しようとする場合に、第2罰則P2を加算するものである。 The third term on the right side of equation (4) classifies one sample (third state quantity data) x i and the other sample (fourth state quantity data) x j forming a mismatched pair into the same cluster G , the second penalty P2 is added.
不一致ペアがクラスタリングの制約の一種であると考えると、この第2罰則P2は、異なるターゲットを示している可能性が高いサンプル(サンプルxiとサンプルxj)をそれぞれ同一のクラスタGに分類しようとする場合の罰則(制約違反の罰則)であるということができる。不一致ペアに対して矛盾しないクラスタリングができれば、評価関数の第2罰則P2の項の値を小さくすることができる。 Considering that mismatched pairs are a type of clustering constraint, this second penalty P2 tries to classify samples (sample x i and sample x j ) that are likely to represent different targets into the same cluster G. It can be said that it is a penalty (penalty for violation of constraints) in the case of If non-matching pairs can be clustered without contradiction, the value of the term of the second penalty P2 of the evaluation function can be reduced.
具体的に説明すると、図4(c)の例では、一致/不一致ペア作成部53が、不一致ペアとして、「C1」と「A2」、及び「A3」と「B3」というように、2組のサンプルxのペアを定めたとする。この状況で、図4(a)のように「A3」と「B3」を互いに同一のクラスタGに分類しようとすると、それに応じて評価関数の値は第2罰則P2により増加する。
Specifically, in the example of FIG. 4C, the matched/mismatched
式(4)に示すように、第2罰則P2の値は、あるクラスタGkに対して不一致ペアのうち一方のサンプルxiとクラスタ中心μkとの間の残差2乗和の逆数と、同一のクラスタGkに対して他方のサンプルxjとクラスタ中心μkとの間の残差2乗和の逆数と、の積を、全てのクラスタGkについて加算したものとして定義されている。 As shown in Equation (4), the value of the second penalty P2 is the reciprocal of the residual sum of squares between one sample x i of the mismatched pair and the cluster center μ k for a given cluster G k . , and the reciprocal of the residual sum of squares between the other sample x j and the cluster center μ k for the same cluster G k , summed for all clusters G k .
このことは、第2罰則P2の大きさが、サンプルxの位置とクラスタ中心μとの間の距離を考慮して定められることを意味している。即ち、第2罰則P2の値は、不一致ペアに含まれる2つのサンプルxi,xjを同一のクラスタGkに分類する場合に、一方のサンプルxiとそれが分類されるクラスタGkのクラスタ中心μkとの距離が小さい程、また、他方のサンプルxjとそれが分類されるクラスタGkのクラスタ中心μkとの距離が小さい程、大きくなる。 This means that the size of the second penalty P2 is determined by considering the distance between the position of the sample x and the cluster center μ. That is, when classifying two samples x i and x j included in a mismatched pair into the same cluster G k , the value of the second penalty P2 is The smaller the distance to the cluster center μ k , and the smaller the distance between the other sample x j and the cluster center μ k of the cluster G k into which it is classified, the larger it becomes.
本実施形態の状態量データ分類装置1において、探索部61は図1に示すように、所属度更新部62と、クラスタ中心更新部63と、収束判定部64と、を備える。
In the state quantity
所属度更新部62は、与えられた各クラスタ中心μkに対して、式(4)の評価関数を最小とするように所属度uikを計算する。詳細な数式は省略するが、所属度uikの更新は、上記の式(2)に対して第1罰則P1及び第2罰則P2を考慮して変形した式により行われる。
The degree of belonging
クラスタ中心更新部63は、更新後の所属度uikに基づいて、各クラスタGkのクラスタ中心μkを更新する。この更新は、上記の式(3)と全く同じ式により行うことができる。
The cluster
収束判定部64は、クラスタリングが収束したか否かを判定する。判定方法は様々であるが、上記のファジーc-means法と同様に、それぞれのクラスタ中心μkの18次元空間での位置が更新によっても所定距離以上変動しなくなれば、探索が収束したと判定することができる。ただし、これに限定されず、上述の式(4)に示す評価関数の値が閾値以下になったこと、又は、所属度uikが更新によっても所定閾値以上変動しなくなったこと等を、収束判定の条件とすることもできる。
The
探索部61は、収束判定部64によってクラスタリングが収束したと判定されるまで、所属度更新部62による所属度uikの更新と、クラスタ中心更新部63によるクラスタ中心μkの更新と、を交互に反復する。更新を繰り返すたび、式(4)の評価関数の値が小さくなっていく。これは、サンプルxの類似度と、第1罰則と、第2罰則と、を総合的に考慮した観点での好ましいクラスタリングに近づいていることを意味している。
The
収束判定部64によってクラスタリングが収束したと判定されると、クラスタリングが完了する。このクラスタリングにより、類識別情報の内容も考慮した上で、物理的に同一である検知ターゲットのサンプルx同士は同一のクラスタGに所属し、物理的に異なる検知ターゲットのサンプルx同士は異なるクラスタGに所属するように、サンプルxの分類が行われる。即ち、サンプルxを、ターゲットの物理的な同一性の観点から分類することができる。これは同時に、複数のセンサ2によりそれぞれ追尾され、物理的に同一であるかどうかが不明であった検知ターゲット同士を、ターゲットの物理的な同一性の観点で関連付けできることを意味する。
When the
クラスタリングの完了後、探索部61(クラスタ解析部41)は、それぞれのクラスタGkのクラスタ中心μk、及び、各サンプルxiが各クラスタGkに所属する所属度uikを、ターゲット状態量推定部71に出力する。
After clustering is completed, the search unit 61 (cluster analysis unit 41) converts the cluster center μ k of each cluster G k and the degree of belonging u ik to which each sample x i belongs to each cluster G k into the target state quantity Output to the
ターゲット状態量推定部71は、クラスタ解析部41によってクラスタG毎(言い換えれば、物理的な観点でのターゲット毎)に分類されたサンプルxを利用して、いわゆるトラックフュージョンを行う。即ち、図2に示すように、ターゲット状態量推定部71は、同一のクラスタGに含まれるサンプルxを総合することに基づいて、ターゲット毎の状態量を推定する。
The target state
クラスタ解析部41により得られたそれぞれのクラスタGkのクラスタ中心μkが示す18次元ベクトルは、それぞれの物理的なターゲットに係る状態量データを、時間推移を含めて示していると考えることができる。言い換えれば、クラスタ中心μkは、当該クラスタGkに所属するサンプルxを総合した代表値である。従って、ターゲット状態量推定部71は、クラスタ中心μkの18次元ベクトルから現在の状態量データを取り出し、これを、それぞれの物理的なターゲットについて推定された現在の位置及び速度としてそのまま出力することができる。
The 18-dimensional vector indicated by the cluster center μ k of each cluster G k obtained by the
ただし、それぞれのセンサ2による位置及び速度の検出誤差が様々に異なること等を考慮して、ターゲット状態量推定部71は、各サンプルxiが各クラスタGkに所属する所属度uikを用いて、物理的なターゲットについて位置及び速度を推定しても良い。また、ターゲット状態量推定部71は、カルマンフィルタやパーティクルフィルタ等を用いた公知の追尾フィルタを利用して、ターゲットの位置及び速度を推定することもできる。
However, considering that the position and velocity detection errors by the
表示データ生成部81は、ターゲット状態量推定部71が推定した結果を図略の表示装置に対してグラフィカルに表示させるための表示データを生成することができる。表示データ生成部81が生成したデータは、状態量データ分類装置1から表示装置にリアルタイムで出力される。
The display
表示データ生成部81が生成したデータは、例えば図5に示すように、自機の位置をシンボルS1によって示すとともに、状態量データ分類装置1がクラスタリングにより取得した物理的なターゲットの位置をシンボルS2,S3,S4によって示したものとすることができる。ターゲットの速度は、シンボルS2,S3,S4に付加された矢印の向き及び長さによって表現されている。多数のセンサ2がそれぞれターゲットを検知して出力した位置及び速度をそのまま表示するのではなく、物理的な同一性の観点から状態量データ分類装置1によって整理されたターゲットの位置及び速度が表示装置に表示されるので、オペレータが状況認識等をシンプルに行うことができる。
For example, as shown in FIG. 5, the data generated by the display
以上に説明したように、本実施形態の状態量データ分類装置1は、状態量データ入力部11と、クラスタ解析部41と、を備える。状態量データ入力部11は、複数のセンサ2がターゲットの状態量を検出して出力した状態量データを取得する。クラスタ解析部41は、状態量データ、及び、ターゲットを何らかの観点で複数に区分する場合に状態量データが何れの区分に属するターゲットに関するものかを示す類識別情報を用いて、時間推移を含めた状態量データ(サンプルx)を分類する。クラスタ解析部41は、互いに類似している状態量を示すサンプルxが、同一のクラスタGに分類され、類識別情報が一致するサンプルxが、同一のクラスタGに分類され、類識別情報が異なるサンプルxが、異なるクラスタGに分類されるように、サンプルxを分類する。
As described above, the state quantity
これにより、状態量データ(サンプルx)の類似性に加えて、互いの状態量データに係るターゲットの類識別情報が一致しているか否かも考慮することで、ターゲットの物理的な同一性の観点で状態量データを好適に分類することができる。 As a result, in addition to the similarity of the state quantity data (sample x), by considering whether or not the class identification information of the targets related to the state quantity data match each other, the physical identity of the target can be obtained. can suitably classify the state quantity data.
また、本実施形態の状態量データ分類装置1であって、クラスタ解析部41は、それぞれのクラスタGに分類されたサンプルx同士の類似度と、類識別情報が一致する複数のサンプルxを異なるクラスタGに分類する場合の第1罰則P1と、類識別情報が異なる複数のサンプルxを同一のクラスタGに分類する場合の第2罰則P2と、を考慮して、サンプルxを分類する。
Further, in the state quantity
これにより、サンプルx同士の類似度と、罰則と、を総合的に考慮したサンプルxの分類を容易に行うことができる。 This makes it possible to easily classify the samples x taking into consideration the degree of similarity between the samples x and penalties in a comprehensive manner.
また、本実施形態の状態量データ分類装置1において、評価関数である式(4)の第1項(類似度に基づく値)は、それぞれのクラスタGに分類されたサンプルx同士が類似する場合に小さくなる。式(4)の第2項(第1罰則P1に基づく値)は、類識別情報が一致する2つのサンプルxを異なるクラスタGに分類する場合に大きくなる。式(4)の第3項(第2罰則P2に基づく値)は、類識別情報が異なる2つのサンプルxを同一のクラスタGに分類する場合に大きくなる。クラスタ解析部41は、式(4)の第1項と、第2項と、第3項と、の和が小さくなるサンプルxの分類を探索する。
In addition, in the state quantity
これにより、簡単な計算で、総合的な観点でのサンプルxの分類を実現することができる。 This makes it possible to classify samples x from a comprehensive point of view with simple calculations.
また、本実施形態の状態量データ分類装置1において、第1罰則P1は、類識別情報が一致する2つのサンプルxを異なるクラスタGに分類する場合に、2つのうち一方のサンプルxとそれが分類されるクラスタGのクラスタ中心μとの距離が小さい程、また、他方のサンプルxとそれが分類されるクラスタGのクラスタ中心μとの距離が小さい程、厳しくなるように定められる。
Further, in the state quantity
これにより、第1罰則P1の重みを適切に定めることができる。 Thereby, the weight of the first penalty P1 can be determined appropriately.
また、本実施形態の状態量データ分類装置1であって、第2罰則P2は、類識別情報が異なる2つのサンプルxを同一のクラスタGに分類する場合に、2つのうち一方のサンプルxとそれが分類されるクラスタGのクラスタ中心μとの距離が小さい程、また、他方のサンプルxとそれが分類されるクラスタGのクラスタ中心μとの距離が小さい程、厳しくなるように定められる。
Further, in the state quantity
これにより、第2罰則P2の重みを適切に定めることができる。 Thereby, the weight of the second penalty P2 can be determined appropriately.
また、本実施形態の状態量データ分類装置1は、クラスタ解析部41によって同一のクラスタGに分類されたサンプルxに基づいて、当該クラスタGに対応するターゲットの状態量を取得するターゲット状態量推定部71を備える。
Further, the state quantity
これにより、クラスタリングの結果を利用して、ターゲットの状態量を適切に取得することができる。 As a result, the state quantity of the target can be obtained appropriately by using the clustering result.
また、本実施形態の状態量データ分類装置1は、状態量データ入力部11が取得した状態量データに基づいて、複数のセンサ2に共通のタイミングでの状態量データを求めるデータ前処理部21を備える。
In addition, the state quantity
これにより、複数のセンサ2が出力する状態量データから、共通のタイミングでの状態量データを求めることで、クラスタ解析部41が、分類のために状態量データ同士を適切に比較することができる。
Accordingly, by obtaining the state quantity data at the common timing from the state quantity data output by the plurality of
また、本実施形態では、以下の状態量データ入力工程と、状態量データ分類工程と、を含む状態量データ分類方法によって、状態量データの分類が行われている。状態量データ入力工程では、複数のセンサ2がターゲットの状態量を検出して出力した状態量データを取得する。状態量データ分類工程では、状態量データ、及び、ターゲットを何らかの観点で複数に区分する場合に状態量データが何れの区分に属するターゲットに関するものかを示す類識別情報を用いて、時間推移を含めた状態量データ(サンプルx)を分類する。状態量データ分類工程では、互いに類似している状態量を示すサンプルxが、同一のクラスタGに分類され、類識別情報が一致するサンプルxが、同一のクラスタGに分類され、類識別情報が異なるサンプルxが、異なるクラスタGに分類されるように、サンプルxを分類する。
Further, in the present embodiment, state quantity data is classified by a state quantity data classification method including the following state quantity data input step and state quantity data classification step. In the state quantity data input step, the plurality of
これにより、状態量データ(サンプルx)の類似性に加えて、互いの状態量データに係るターゲットの類識別情報が一致しているか否かも考慮することで、ターゲットの物理的な同一性の観点で状態量データを好適に分類することができる。 As a result, in addition to the similarity of the state quantity data (sample x), by considering whether or not the class identification information of the targets related to the state quantity data match each other, the physical identity of the target can be obtained. can suitably classify the state quantity data.
次に、本発明の第2実施形態を説明する。なお、本実施形態の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。 Next, a second embodiment of the invention will be described. In the description of this embodiment, the same or similar members as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals in the drawings, and description thereof may be omitted.
第2実施形態のクラスタリングでは、下記の式(5)を満たすC個のN次元のベクトルvi(i=1,2,・・・,C)を探索により求める。ただし、Cは、クラスタGの総数である。Nは、サンプルxの総数である。 In the clustering of the second embodiment, C N-dimensional vectors v i (i=1, 2, . . . , C) satisfying the following equation (5) are obtained by searching. where C is the total number of clusters G; N is the total number of samples x.
C個のN次元のベクトルviは、サンプルxがどのクラスタGに分類されるかを示すものである。それぞれのベクトルviのj番目の要素vijは、j番目のサンプルxjがi番目のクラスタGiに属するか否かを、1か0で表す。j番目のサンプルxjがi番目のクラスタGiに属する場合、vij=1であり、そうでなければ、vij=0である。本実施形態では、上述の第1実施形態とは異なり、vijが0と1の間の中間値をとることはない(vij∈{0,1})。全てのサンプルxは、必ず何れか1つのクラスタGに属する。従って、あるサンプルxjに着目したときに、当該サンプルxjがi番目のクラスタGiに属するか否かを表す値vijを、全てのクラスタGについて加算すると、1になる。 The C N-dimensional vectors v i indicate which cluster G the sample x belongs to. The j-th element v ij of each vector v i represents by 1 or 0 whether the j-th sample x j belongs to the i-th cluster G i . If the j-th sample x j belongs to the i-th cluster G i , then v ij =1, otherwise v ij =0. In this embodiment, unlike the first embodiment described above, v ij does not take intermediate values between 0 and 1 (v ij ε{0, 1}). All samples x belong to any one cluster G without fail. Therefore, when focusing on a certain sample x j , the value v ij representing whether or not the sample x j belongs to the i-th cluster G i is added for all clusters G to be 1.
vi tは、上述のベクトルviの転置ベクトルを示す。 v i t denotes the transposed vector of vector v i described above.
Dは、全てのサンプルxから取り出した2つのサンプルxの間の距離を示すN×Nの距離行列である。距離行列Dの要素であるdij=d(xi,xj)は、i番目のサンプルxiとj番目のサンプルxjとの、18次元空間における距離(例えば、ユークリッド距離)となっている。この距離dijが小さい場合は、サンプルxiとサンプルxjとが類似していることを意味する。 D is an N×N distance matrix that indicates the distance between two samples x taken from all samples x. An element of the distance matrix D, d ij =d(x i , x j ), is the distance (e.g., Euclidean distance) between the i-th sample x i and the j-th sample x j in an 18-dimensional space. there is If this distance d ij is small, it means that sample x i and sample x j are similar.
式(5)の中括弧の中が、本実施形態の評価関数に相当する。以下、この評価関数について説明する。 The inside of the curly braces in Equation (5) corresponds to the evaluation function of this embodiment. This evaluation function will be described below.
評価関数の第1項は、i番目のクラスタGiに関し、転置ベクトルvi tと、距離行列Dと、ベクトルviと、の積を求めて得られるスカラ値を、全てのクラスタGについて加算した値となっている。i番目のクラスタGiに関する上記のスカラ値は、当該クラスタGiに属する全てのサンプルxから取り出した2つのサンプルxの間の距離を、全ての2つの組合せについて加算した値に相当する。従って、第1項は、各クラスタGにおけるサンプルx間の距離の総和の合計値を意味する。この第1項は、評価関数の基本的な値となる。 The first term of the evaluation function is for all clusters G , the scalar value obtained by multiplying the transposed vector v i t , the distance matrix D, and the vector v i for the i-th cluster G i . value. The above scalar value for the i-th cluster G i corresponds to the sum of all two combinations of the distances between two samples x extracted from all samples x belonging to the cluster G i . Therefore, the first term means the total sum of the distances between samples x in each cluster G. This first term is the basic value of the evaluation function.
評価関数の第2項は、一致ペアをなす2つのサンプルxm,xnが、それぞれ異なるクラスタGに分類された場合に、第1罰則P1を与える項である。 The second term of the evaluation function is a term that gives a first penalty P1 when two samples xm and xn forming a matched pair are classified into different clusters G, respectively.
例えば、m番目のサンプルxmとn番目のサンプルxnが一致ペアとなっているにもかかわらず、m番目のサンプルxmは3番目のクラスタG3に、n番目のサンプルxnは4番目のクラスタG4に、それぞれ分類されたとする。この場合、vim・vjnの値は、i=3、j=4のときに1となり、それ以外のときは0となる。第1罰則P1の項の最も内側のΣは、全ての一致ペアのサンプルxm,xnについて、vim・vjn・dmnの値の総和を計算することを意味する。従って、当該Σの値は、一致ペアをなすにもかかわらず、一方がi番目のクラスタGiに分類され、他方がj番目のクラスタGjに分類された2つのサンプルxm,xnがあるときは、dmn、即ち、当該2つのサンプルxm,xnの間の距離d(xm,xn)と一致する。そうでないときは、上記Σの値はゼロとなる。外側の2つのΣは、互いに異なる2つのクラスタG(i番目のクラスタGiとj番目のクラスタGj)の全ての組合せについての総和を意味する。従って、第1罰則P1は、異なるクラスタGに分類された全ての一致ペアの2つのサンプルxm,xnの間の距離d(xm,xn)を合計した値を意味する。 For example, although the m-th sample x m and the n-th sample x n form a matched pair, the m-th sample x m is in the third cluster G 3 and the n-th sample x n is in the 4 Assume that they are classified into the th cluster G 4 . In this case, the value of v im ·v jn is 1 when i=3 and j=4, and 0 otherwise. The innermost Σ in the term of the first penalty P1 means to calculate the sum of the values of v im ·v jn ·d mn for all matched pair samples x m , x n . Therefore, although the value of Σ is a matched pair, two samples x m and x n , one of which is classified into the i-th cluster G i and the other into the j-th cluster G j , are When there is, it coincides with d mn , the distance d(x m , x n ) between the two samples x m , x n . Otherwise, the value of Σ is zero. The outer two Σ mean the sum of all combinations of two different clusters G (i-th cluster G i and j-th cluster G j ). Therefore, the first penalty P1 means the sum of the distances d(x m , x n ) between two samples x m , x n of all matching pairs classified into different clusters G.
第1罰則P1は、サンプルxmとサンプルxnの距離が大きい程、評価関数を大きく増加させる。従って、第1罰則P1は、サンプルx間の距離が大きい程、厳しく定められる罰則であるということができる。 The first penalty P1 greatly increases the evaluation function as the distance between the sample x m and the sample x n increases. Therefore, it can be said that the first penalty P1 is a penalty defined more severely as the distance between the samples x increases.
評価関数の第3項は、不一致ペアをなす2つのサンプルxk,xlが、同一のクラスタGに分類された場合に、第2罰則P2を与える項である。 The third term of the evaluation function is a term that gives a second penalty P2 when two samples xk and xl forming a mismatching pair are classified into the same cluster G. FIG.
例えば、k番目のサンプルxkとl番目のサンプルxlが不一致ペアとなっているにもかかわらず、k番目のサンプルxkとl番目のサンプルxlが何れも3番目のクラスタG3に分類されたとする。この場合、vik・vilの値は、i=3のときに1となり、それ以外のときは0となる。第2罰則P2の項の内側のΣの値は、全ての不一致ペアのサンプルxk,xlについて、vik・vil・(1/dkl)の値の総和を計算することを意味する。従って、当該Σの値は、不一致ペアをなすにもかかわらず、両方が何れもi番目のクラスタGiに分類された2つのサンプルxk,xlがあるときは、1/dkl、即ち、当該2つのサンプルxk,xlの間の距離d(xk,xl)の逆数と一致する。そうでないときは、上記Σの値はゼロとなる。外側のΣは、クラスタG(i番目のクラスタ)の全てについての総和を意味する。従って、第2罰則P2は、同一のクラスタGに分類された全ての不一致ペアの2つのサンプルxk,xlの間の距離d(xk,xl)の逆数を合計した値を意味する。 For example, although the k-th sample x k and the l-th sample x l form a mismatched pair, both the k-th sample x k and the l-th sample x l are in the third cluster G 3 Suppose it is classified. In this case, the value of v ik ·v il is 1 when i=3 and 0 otherwise. The value of Σ inside the second penalty P2 term means to calculate the sum of the values of v ik ·v il ·(1/d kl ) for all discordant pair samples x k , x l . . Therefore, the value of Σ is 1/d kl when there are two samples x k and x l both of which are classified into the i-th cluster G i , even though they form an inconsistent pair. , corresponds to the reciprocal of the distance d(x k , x l ) between the two samples x k , x l . Otherwise, the value of Σ is zero. The outer Σ means the sum over all clusters G (i-th cluster). Therefore, the second penalty P2 means the sum of the reciprocals of the distance d(x k , x l ) between two samples x k , x l of all mismatched pairs classified into the same cluster G. .
第2罰則P2は、サンプルxkとサンプルxlの距離が小さい程、評価関数を大きく増加させる。従って、第2罰則P2は、サンプルx間の距離が小さい程、厳しく定められる罰則であるということができる。 The second penalty P2 greatly increases the evaluation function as the distance between sample x k and sample x l decreases. Therefore, it can be said that the second penalty P2 is a penalty defined more severely as the distance between the samples x is smaller.
評価関数には、第1罰則P1及び第2罰則P2それぞれの影響を調整するための係数α1,α2が含まれている。それぞれの係数の大きさは、α1>0、α2>0の条件で適宜に設定することができる。 The evaluation function includes coefficients α 1 and α 2 for adjusting the effects of the first penalty P1 and the second penalty P2. The magnitude of each coefficient can be appropriately set under the conditions of α 1 >0 and α 2 >0.
本実施形態において、クラスタ解析部41は、C個のベクトルviを例えばランダムに定めた後、ベクトルviの内容を更新して評価関数の値を再計算することを繰り返しながら、上記の式(5)に示す評価関数の値が小さい値で収束するC個のベクトルvi(i=1,2,・・・,C)を探索する。これにより、サンプルxがどのクラスタGに属するかを求めることができる。
In the present embodiment, the
以上に説明したように、本実施形態によれば、第1罰則P1は、類識別情報が一致する2つのサンプルxを異なるクラスタGに分類する場合に、サンプルx間の距離が大きい程、厳しくなるように定められる。 As described above, according to the present embodiment, when two samples x having the same class identification information are classified into different clusters G, the greater the distance between the samples x, the more severe the first penalty P1. is determined to be
これにより、第1罰則P1の重みを適切に定めることができる。 Thereby, the weight of the first penalty P1 can be determined appropriately.
また、本実施形態によれば、第2罰則P2は、類識別情報が異なる2つのサンプルxを同一のクラスタGに分類する場合に、サンプルx間の距離が小さい程、厳しくなるように定められる。 Further, according to the present embodiment, when two samples x having different class identification information are classified into the same cluster G, the second penalty P2 is determined to be severer as the distance between the samples x is smaller. .
これにより、第2罰則P2の重みを適切に定めることができる。 Thereby, the weight of the second penalty P2 can be determined appropriately.
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the above configuration can be modified, for example, as follows.
上記の実施形態では、ターゲットの位置及び速度の時間推移を18次元ベクトルで表し、この18次元ベクトル(サンプルx)の集合を対象としてクラスタリングを行っている。しかしながら、状態量データをどのように表すかは任意であり、例えば、状態量データを、現在の位置及び速度に加えて加速度を含めた9次元ベクトルで表し、現在と過去の3回分の状態量データの推移として、9×3=27次元ベクトルの集合に対してクラスタリングを行っても良い。 In the above embodiment, the temporal transition of the position and velocity of the target is represented by an 18-dimensional vector, and clustering is performed on a set of these 18-dimensional vectors (samples x). However, how to represent the state quantity data is arbitrary. As data transition, clustering may be performed on a set of 9×3=27-dimensional vectors.
ターゲットの現在の位置及び速度のうち、z軸方向(即ち、高度方向)での位置、速度を省略し、4×3=12次元ベクトルの集合に対してクラスタリングを行っても良い。 Of the current positions and velocities of the target, the positions and velocities in the z-axis direction (that is, altitude direction) may be omitted, and clustering may be performed on a set of 4×3=12-dimensional vectors.
サンプルxに関し、現在を含めて何回分の状態量データの時間推移とするかは、任意に定めることができる。過去の所定時間における状態量の推移を含めず、現在の状態量データだけを高次元ベクトルで表したサンプルに対してクラスタリングを行っても良い。 Regarding the sample x, it is possible to arbitrarily determine how many times including the present time the state quantity data should be changed over time. Clustering may be performed on samples in which only the current state quantity data is represented by a high-dimensional vector without including the transition of the state quantity at a predetermined time in the past.
上記の実施形態では、一致ペア及び不一致ペアは、状態量データと、類識別情報と、の両方を考慮して作成される。しかしながらこれに代えて、一致ペア及び不一致ペアを、類識別情報の一致性(類似性)だけに基づいて作成することもできる。 In the above embodiment, matched pairs and mismatched pairs are created by considering both state quantity data and class identification information. Alternatively, however, matching and non-matching pairs can be created based solely on the matching (similarity) of class identifiers.
第1実施形態において、クラスタ中心初期化部52は、それぞれのクラスタGkのクラスタ中心μkをランダムに初期化することに代えて、例えば公知のk-means++法を用いて、複数のクラスタ中心μkが密集しないように定めることができる。この場合、良好なクラスタリング、及び、クラスタリングの早期の収束が期待できる。
In the first embodiment, instead of randomly initializing the cluster centers μ k of each cluster G k , the cluster
状態量データ分類装置1は、物理的な各ターゲットの現在の状態量だけでなく、過去の状態量の推移も含めて出力しても良い。この場合、表示装置にターゲットの移動軌跡を表示することができる。
The state quantity
状態量データ分類装置1は、入力された類識別情報に基づいて、物理的な各ターゲットについて推定した区分を出力するように構成しても良い。この場合、例えば、図5の表示画面においてシンボルS2の近くに、このシンボルS2に係るターゲットがX国の漁船である旨を表示することができる。
The state quantity
ファジーc-means法等に代えて、他の公知のクラスタリング手法、例えばk-means法でクラスタリングを行うこともできる。 Instead of the fuzzy c-means method or the like, other known clustering methods such as the k-means method can be used for clustering.
状態量データ分類装置1は、表示装置とは異なる外部の装置(例えば、記録装置)にクラスタリングの結果等を出力する出力部を備えてもよい。
The state quantity
状態量データ分類装置1は、航空機だけでなく、他の移動体又は地上施設に設けることができる。
The state quantity
状態量データ分類装置1が対象とするターゲットは様々であり、船舶、航空機、潜水艇、車両等とすることができる。ターゲットは、民間船、航空機、自動車等の民間分野に関するターゲットであっても良い。また、ターゲットは、艦艇、戦闘機、戦車等の軍事分野に関するターゲットであっても良い。
The state quantity
複数のセンサ2で検知したターゲットの状態量を、ターゲットの物理的な同一性の観点で分類して統合する構成は、例えば、移動体の自動運転、ロボットの自律移動等に適用することもできる。
A configuration that classifies and integrates the target state quantities detected by a plurality of
1 状態量データ分類装置
2 センサ
11 状態量データ入力部(状態量データ取得部)
41 クラスタ解析部(状態量データ分類部)
G クラスタ
1 state quantity
41 cluster analysis unit (state quantity data classification unit)
G cluster
Claims (7)
前記状態量データ、及び、ターゲットを何らかの観点で複数に区分する場合に前記状態量データが何れの区分に属するターゲットに関するものかを示す区分所属情報を用いて、前記状態量データを分類する状態量データ分類部と、
を備え、
前記状態量データ分類部は、
それぞれのクラスタに分類された前記状態量データ同士の類似度と、
前記区分所属情報が一致する複数の前記状態量データを異なるクラスタに分類する場合の、分類評価に関する第1罰則と、
前記区分所属情報が異なる複数の前記状態量データを同一のクラスタに分類する場合の、分類評価に関する第2罰則と、
を考慮して、
互いに類似している状態量を示す前記状態量データを、同一のクラスタに分類し、
前記区分所属情報が一致する前記状態量データを、同一のクラスタに分類し、
前記区分所属情報が異なる前記状態量データを、異なるクラスタに分類することを特徴とする状態量データ分類装置。 a state quantity data acquisition unit for acquiring state quantity data output by detecting the state quantity of the target by a plurality of sensors;
A state quantity for classifying the state quantity data by using the state quantity data and category affiliation information indicating which category the target belongs to when the targets are classified into a plurality of categories from some point of view. a data classifier;
with
The state quantity data classification unit
Similarity between the state quantity data classified into each cluster;
a first penalty relating to classification evaluation when classifying a plurality of the state quantity data having the same section belonging information into different clusters;
a second penalty regarding classification evaluation when classifying a plurality of state quantity data with different classification affiliation information into the same cluster;
in view of,
classifying the state quantity data indicating state quantities that are similar to each other into the same cluster;
classifying the state quantity data with the same category affiliation information into the same cluster;
A state quantity data classification device for classifying the state quantity data having different classification affiliation information into different clusters.
前記類似度に基づく値は、それぞれのクラスタに分類された前記状態量データ同士が類似する場合に小さくなり、
前記第1罰則に基づく値は、前記区分所属情報が一致する第1状態量データと第2状態量データを異なるクラスタに分類する場合に大きくなり、
前記第2罰則に基づく値は、前記区分所属情報が異なる第3状態量データと第4状態量データを同一のクラスタに分類する場合に大きくなり、
前記状態量データ分類部は、前記類似度に基づく値と、前記第1罰則に基づく値と、前記第2罰則に基づく値と、の和が小さくなる前記状態量データの分類を探索することを特徴とする状態量データ分類装置。 The state quantity data classification device according to claim 1 ,
The value based on the degree of similarity becomes small when the state quantity data classified into the respective clusters are similar to each other,
The value based on the first penalty increases when the first state quantity data and the second state quantity data with the same section affiliation information are classified into different clusters,
The value based on the second penalty increases when the third state quantity data and the fourth state quantity data having different classification affiliation information are classified into the same cluster,
The state quantity data classification unit searches for a classification of the state quantity data in which the sum of the value based on the degree of similarity, the value based on the first penalty, and the value based on the second penalty is small. A state quantity data classification device characterized by:
前記第1罰則は、前記区分所属情報が一致する第1状態量データと第2状態量データを異なるクラスタに分類する場合に、前記第1状態量データとそれが分類されるクラスタの中心との距離が小さい程、若しくは前記第2状態量データとそれが分類されるクラスタの中心との距離が小さい程、又は前記第1状態量データと前記第2状態量データとの距離が大きい程、厳しくなるように定められることを特徴とする状態量データ分類装置。 The state quantity data classification device according to claim 2 ,
When classifying the first state quantity data and the second state quantity data having the same classification affiliation information into different clusters, the first penalty is that the center of the cluster into which the first state quantity data and the first state quantity data are classified is classified. The smaller the distance, the smaller the distance between the second state quantity data and the center of the cluster into which it is classified, or the larger the distance between the first state quantity data and the second state quantity data, the stricter the A state quantity data classification device characterized by being defined as follows.
前記第2罰則は、前記区分所属情報が異なる第3状態量データと第4状態量データを同一のクラスタに分類する場合に、前記第3状態量データとそれが分類されるクラスタの中心との距離が小さい程、若しくは前記第4状態量データとそれが分類されるクラスタの中心との距離が小さい程、又は前記第3状態量データと前記第4状態量データとの距離が小さい程、厳しくなるように定められることを特徴とする状態量データ分類装置。 The state quantity data classification device according to any one of claims 1 to 3 ,
When classifying the third state quantity data and the fourth state quantity data having different classification affiliation information into the same cluster, the second penalty is that when the third state quantity data and the fourth state quantity data are classified into the same cluster, the third state quantity data and the center of the cluster into which the third state quantity data are classified The smaller the distance, the smaller the distance between the fourth state quantity data and the center of the cluster into which it is classified, the smaller the distance between the third state quantity data and the fourth state quantity data, the stricter the A state quantity data classification device characterized by being defined as follows.
前記状態量データ分類部によって同一のクラスタに分類された前記状態量データに基づいて、当該クラスタに対応するターゲットの状態量を取得するターゲット状態量取得部を備えることを特徴とする状態量データ分類装置。 The state quantity data classification device according to any one of claims 1 to 4 ,
A state quantity data classification comprising a target state quantity acquiring unit for acquiring a state quantity of a target corresponding to the cluster based on the state quantity data classified into the same cluster by the state quantity data classifying unit. Device.
前記状態量データ取得部が取得した前記状態量データに基づいて、複数の前記センサに共通のタイミングでの前記状態量データを求めるデータ前処理部を備えることを特徴とする状態量データ分類装置。 The state quantity data classification device according to any one of claims 1 to 5 ,
A state quantity data classification device, comprising a data preprocessing unit that obtains the state quantity data at a timing common to the plurality of sensors based on the state quantity data acquired by the state quantity data acquisition unit.
前記状態量データ、及び、ターゲットを何らかの観点で複数に区分する場合に前記状態量データが何れの区分に属するターゲットに関するものかを示す区分所属情報を用いて、前記状態量データを分類する状態量データ分類工程と、
を含み、
前記状態量データ分類工程では、
それぞれのクラスタに分類された前記状態量データ同士の類似度と、
前記区分所属情報が一致する複数の前記状態量データを異なるクラスタに分類する場合の、分類評価に関する第1罰則と、
前記区分所属情報が異なる複数の前記状態量データを同一のクラスタに分類する場合の、分類評価に関する第2罰則と、
を考慮して、
互いに類似している状態量を示す前記状態量データを、同一のクラスタに分類し、
前記区分所属情報が一致する前記状態量データを、同一のクラスタに分類し、
前記区分所属情報が異なる前記状態量データを、異なるクラスタに分類することを特徴とする状態量データ分類方法。 a state quantity data acquisition step of acquiring state quantity data output by detecting the state quantity of the target by a plurality of sensors;
A state quantity for classifying the state quantity data by using the state quantity data and category affiliation information indicating which category the target belongs to when the targets are classified into a plurality of categories from some point of view. a data classification step;
including
In the state quantity data classification step,
Similarity between the state quantity data classified into each cluster;
a first penalty relating to classification evaluation when classifying a plurality of the state quantity data having the same section belonging information into different clusters;
a second penalty regarding classification evaluation when classifying a plurality of state quantity data with different classification affiliation information into the same cluster;
in view of,
classifying the state quantity data indicating state quantities that are similar to each other into the same cluster;
classifying the state quantity data with the same category affiliation information into the same cluster;
A method of classifying state quantity data, wherein the state quantity data having different classification affiliation information are classified into different clusters.
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