KR102576560B1 - Method and system for optimal design based on deep learning - Google Patents

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이형운
유영민
김진영
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

설계 대상의 데이터만을 이용하여 최적 설계를 산출하는 딥 러닝 기반 설계 최적화 방법 및 시스템을 개시한다. 본 발명에 따르면, 설계 최적화의 대상이 되는 제품 및 시스템에 대한 전문 지식 없이 데이터만을 이용하여 최적 설계를 산출할 수 있다. 또한 본 발명의 딥 러닝 기반 설계 최적화 방법은 모든 분야에 광범위하게 적용 가능하다.Disclosed is a deep learning-based design optimization method and system that calculates the optimal design using only design target data. According to the present invention, an optimal design can be calculated using only data without expert knowledge of the product or system that is the subject of design optimization. Additionally, the deep learning-based design optimization method of the present invention is widely applicable to all fields.

Description

딥 러닝 기반 설계 최적화 방법 및 시스템{Method and system for optimal design based on deep learning}Deep learning based design optimization method and system {Method and system for optimal design based on deep learning}

본 발명은 최적 설계를 자동화하기 위해 여러 가지 딥 러닝 기법과 유전 알고리즘을 이용한 설계 최적화 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a design optimization method and system using various deep learning techniques and genetic algorithms to automate optimal design.

최적 설계는 공학적 필요성 및 소비자에 의한 요구 사항(목적 함수)을 제약 조건 내에서 최대한 만족시키는 설계로 정의할 수 있으며, 설계 요구를 수학적으로 변환하는 (a) 정식화 과정과 (b) 최적화 과정으로 구성된다. 정식화 과정은 일반적으로 설계 변수의 정의, 목적 함수의 설정, 제한 조건의 도출이라는 과정을 거치게 되는데, 그 중 설계 변수 및 목적 함수를 구성하는 것은 상당한 수준의 전문성을 요한다. 예를 들어, 바람, 파도 등에 의한 저항을 최소한으로 받는 선박 형상을 설계하고자 할 경우, 유체 역학, 선체 구조 등에 대한 도메인 지식(domain knowledge)이 필요하다. 이는 공학 설계에 대한 진입 장벽을 야기하고 있으며, 시간이 지남에 따라 이 장벽은 더 높아질 것으로 생각된다. 또한, 해당 분야에 대한 전문 지식이 필요하다는 특성상 여러 분야에 걸쳐 범용적으로 적용할 수 있는 프레임워크가 존재하지 않고, 이는 전반적인 산업 구조의 비효율성으로 이어지고 있다.Optimal design can be defined as a design that satisfies engineering needs and consumer requirements (objective function) as much as possible within constraints, and consists of (a) a formalization process and (b) an optimization process that mathematically converts the design requirements. do. The formalization process generally goes through the process of defining design variables, setting objective functions, and deriving constraint conditions, of which configuring design variables and objective functions requires a significant level of expertise. For example, if you want to design a ship shape that minimizes resistance due to wind, waves, etc., domain knowledge about fluid dynamics, hull structure, etc. is required. This creates a barrier to entry into engineering design, and this barrier is expected to increase over time. In addition, due to the nature of requiring specialized knowledge in the field, there is no framework that can be universally applied across multiple fields, leading to inefficiency in the overall industrial structure.

본 발명에서는 최근 화두가 되고 있는 다양한 딥 러닝 기법들을 이용하여 상술한 정식화 과정의 전문성과 개별성이라는 문제를 해결하고, 이를 유전 알고리즘 기반의 최적화 과정과 연결시켜 전체적인 설계 프로세스를 자동적으로 수행하는 방법을 제안하고자 한다.In the present invention, we propose a method to solve the problems of expertise and individuality of the above-mentioned formalization process using various deep learning techniques, which have recently become hot topics, and to automatically perform the overall design process by connecting this with a genetic algorithm-based optimization process. I want to do it.

본 발명은, 설계 최적화의 대상이 되는 제품이나 시스템에 대한 전문 지식 없이 데이터만을 이용하여 설계를 최적화 할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a method and system that can optimize a design using only data without expert knowledge of the product or system that is the subject of design optimization.

본 발명의 일 예에 따른 딥 러닝 기반 설계 최적화 시스템은, 설계 모델을 생성할 대상에 대한 실제 데이터를 획득하는 실제 데이터 획득부; 상기 실제 데이터 획득부가 획득한 실제 데이터를 전달받아, 상기 실제 데이터를 이용하여 설계 변수를 추출하는 설계 변수 추출부; 상기 설계 변수 추출부가 추출한 설계 변수를 전달받아, 상기 설계 변수를 기반으로 목적함수를 구성하는 목적함수 구성부; 상기 설계 변수 추출부가 추출한 설계 변수와 상기 목적함수 구성부가 구성한 목적함수를 전달받아, 상기 목적함수와 상기 설계 변수를 이용하여 학습모델을 생성하는 학습모델 생성부; 상기 설계 변수 추출부가 추출한 설계 변수를 전달받아, 상기 설계 변수를 이용하여 최적 설계 변수를 추출하는 최적 설계 변수 추출부; 및 상기 학습모델 생성부가 생성한 학습모델과 상기 최적 설계 변수 추출부가 추출한 최적 설계 변수를 전달받고, 상기 학습모델에 상기 최적 설계 변수를 적용하여, 상기 대상의 최적 설계 모델을 생성하는 최적 설계 모델 생성부;를 포함할 수 있다.A deep learning-based design optimization system according to an example of the present invention includes an actual data acquisition unit that acquires actual data about an object to generate a design model; a design variable extraction unit that receives the actual data acquired by the actual data acquisition unit and extracts design variables using the actual data; an objective function constructor that receives the design variables extracted by the design variable extraction unit and constructs an objective function based on the design variables; a learning model generator that receives the design variables extracted by the design variable extraction unit and the objective function constructed by the objective function constructor, and generates a learning model using the objective function and the design variables; an optimal design variable extraction unit that receives the design variables extracted by the design variable extraction unit and extracts optimal design variables using the design variables; And generating an optimal design model that receives the learning model generated by the learning model generation unit and the optimal design variables extracted by the optimal design variable extraction unit, and applies the optimal design variables to the learning model to generate an optimal design model of the object. may include;

상기 설계 변수 추출부는, 오토인코더(AE, Autoencodr)를 이용하여 상기 설계 변수를 추출하고, 상기 목적함수 구성부는, 피드포워드 신경망(FNN, Feedforward neural network)를 이용하여 상기 목적함수를 구성하고, 상기 최적 설계 변수 추출부는, 유전 알고리즘(GA, Genetic algorithm)을 이용하여 상기 최적 설계 변수를 추출하고, 상기 학습 모델 생성부는, 조건부 적대적 생성 신경망(CGAN, Conditional GAN)을 이용하여 상기 학습모델을 생성하며, 상기 최적 설계 모델 생성부는, 상기 학습 모델 생성부가 생성한 학습모델에 상기 최적 설계 변수를 적용하여, 최적 설계 모델을 생성할 수 있다.The design variable extraction unit extracts the design variables using an autoencoder (AE, Autoencodr), and the objective function constructor configures the objective function using a feedforward neural network (FNN), The optimal design variable extraction unit extracts the optimal design variables using a genetic algorithm (GA), and the learning model generation unit generates the learning model using a conditional adversarial neural network (CGAN, Conditional GAN). , the optimal design model generator may generate an optimal design model by applying the optimal design variables to the learning model generated by the learning model generator.

상기 실제 데이터 획득부가 획득한 데이터를 전달받아, 상기 실제 데이터를 증강하여 가상 데이터를 생성하는 가상 데이터 생성부;를 더 포함하고, 상기 설계 변수 추출부는, 상기 실제 데이터 획득부가 획득한 실제 데이터와 상기 가상 데이터 획득부가 생성한 가상 데이터를 전달받아, 상기 실제 데이터 및 상기 가상 데이터를 이용하여 설계 변수를 추출할 수 있다.It further includes a virtual data generator that receives the data acquired by the real data acquisition unit and generates virtual data by augmenting the real data, wherein the design variable extractor is configured to combine the real data acquired by the real data acquisition unit and the Virtual data generated by the virtual data acquisition unit may be received, and design variables may be extracted using the real data and the virtual data.

상기 가상 데이터 생성부는, 적대적 생성 신경망(GAN, Generative adversarial network)을 이용하여 상기 가상 데이터를 생성할 수 있다.The virtual data generator may generate the virtual data using a generative adversarial network (GAN).

다른 대상에 대해 기 학습된 설계 모델을 저장하는 기 학습 설계 모델 저장부;를 더 포함하고, 상기 설계 모델 생성부는, 상기 기 학습 설계 모델 저장부로부터 전달받은 기 학습된 설계 모델을 전이 학습하여 상기 대상의 최적 설계 모델을 생성할 수 있다.It further includes a pre-learned design model storage unit that stores a pre-learned design model for another object, wherein the design model generator transfer-learns the pre-learned design model received from the pre-learned design model storage unit to The optimal design model of the target can be created.

상기 설계 모델 생성부는, 상기 기 학습 설계 모델 저장부로부터 상기 기 학습된 최적 설계 모델 생성시 학습된 가중치를 전달받고, 상기 가중치의 일부 또는 전부를 새로 생성할 상기 대상의 최적 설계 모델 학습에 적용하여, 상기 대상의 최적 설계 모델을 생성할 수 있다.The design model generator receives the learned weights when generating the pre-learned optimal design model from the pre-learned design model storage unit, and applies some or all of the weights to learning the optimal design model of the object to be newly created. , an optimal design model of the object can be created.

본 발명의 일 예에 따른 딥 러닝 기반 설계 최적화 방법은, 설계 모델을 생성할 대상에 대한 실제 데이터를 획득하는 단계; 상기 실제 데이터를 이용하여 설계 변수를 추출하는 단계; 상기 설계 변수를 기반으로 목적함수를 구성하는 단계; 상기 목적함수와 상기 설계 변수를 이용하여 학습모델을 생성하는 단계; 상기 설계 변수를 이용하여 최적 설계 변수를 추출하는 단계; 상기 학습모델에 상기 최적 설계 변수를 적용하여, 상기 대상의 최적 설계 모델을 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.A deep learning-based design optimization method according to an example of the present invention includes the steps of acquiring actual data about an object to generate a design model; extracting design variables using the actual data; Constructing an objective function based on the design variables; Generating a learning model using the objective function and the design variables; extracting optimal design variables using the design variables; Applying the optimal design variables to the learning model to generate an optimal design model of the object.

상기 설계 변수를 추출하는 단계는, 오토인코더(AE, Autoencodr)를 이용하여 상기 설계 변수를 추출하고, 상기 목적함수를 구성하는 단계는, 피드포워드 신경망(FNN, Feedforward neural network)를 이용하여 상기 목적함수를 구성하고, 상기 최적 설계 변수를 추출하는 단계는, 유전 알고리즘(GA, Genetic algorithm)을 이용하여 상기 최적 설계 변수를 추출하고, 상기 학습 모델을 생성하는 단계는, 조건부 적대적 생성 신경망(CGAN, Conditional GAN)을 이용하여 상기 학습모델을 생성하며, 상기 최적 설계 모델을 생성하는 단계는, 상기 학습 모델 생성부가 생성한 학습모델에 상기 최적 설계 변수를 적용하여, 최적 설계 모델을 생성할 수 있다.In the step of extracting the design variables, the design variables are extracted using an autoencoder (AE, Autoencodr), and in the step of configuring the objective function, the objective function is extracted using a feedforward neural network (FNN). The step of configuring the function and extracting the optimal design variables includes extracting the optimal design variables using a genetic algorithm (GA), and the step of generating the learning model includes using a conditional adversarial generative neural network (CGAN). The learning model is generated using Conditional GAN, and in the step of generating the optimal design model, the optimal design model can be generated by applying the optimal design variable to the learning model generated by the learning model generator.

상기 설계 변수를 추출하는 단계 이전에, 상기 실제 데이터를 증강하여 가상 데이터를 생성하는 가상 데이터 생성부;를 더 포함하고, 상기 설계 변수 추출하는 단계는, 상기 실제 데이터 및 상기 가상 데이터를 이용하여 설계 변수를 추출할 수 있다.Before the step of extracting the design variable, it further includes a virtual data generator that generates virtual data by augmenting the real data, wherein the step of extracting the design variable includes designing a design using the real data and the virtual data. Variables can be extracted.

상기 가상 데이터를 생성하는 단계는, 적대적 생성 신경망(GAN, Generative adversarial network)을 이용하여 상기 가상 데이터를 생성할 수 있다.In the step of generating the virtual data, the virtual data may be generated using a generative adversarial network (GAN).

상기 최적 설계 모델을 생성하는 단계 이전에, 다른 대상에 대해 기 학습된 설계 모델을 저장하는 단계;를 더 포함하고, 상기 최적 설계 모델을 생성하는 단계는, 상기 기 학습된 설계 모델을 전이 학습하여 상기 대상의 최적 설계 모델을 생성할 수 있다.Before the step of generating the optimal design model, it further includes the step of storing a previously learned design model for another object, wherein the step of generating the optimal design model includes transfer learning the pre-learned design model. An optimal design model of the object can be created.

상기 최적 설계 모델을 생성하는 단계는, 상기 기 학습된 최적 설계 모델 생성시 학습된 가중치를 전달받고, 상기 가중치의 일부 또는 전부를 새로 생성할 상기 대상의 최적 설계 모델 학습에 적용하여, 상기 대상의 최적 설계 모델을 생성할 수 있다.In the step of generating the optimal design model, the learned weights are received when generating the pre-learned optimal design model, and some or all of the weights are applied to learn the optimal design model of the object to be newly created, An optimal design model can be created.

본 발명에 따르면, 설계 최적화의 대상이 되는 제품 및 시스템에 대한 전문 지식 없이 설계 대상의 데이터만을 이용하여 설계 모델을 최적화 할 수 있다.According to the present invention, a design model can be optimized using only data on the design target without expert knowledge of the product or system that is the target of design optimization.

또한 본 발명의 딥 러닝 기반 설계 최적화 방법은 모든 분야에 광범위하게 적용 가능하다.Additionally, the deep learning-based design optimization method of the present invention is widely applicable to all fields.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 딥 러닝 기반 설계 최적화 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 딥 러닝 기반 설계 최적화 시스템의 구성도이다.
도 3은 AE의 구조를 나타내는 개념도이다.
도 4는 AE를 이용한 설계 변수 추출 개념도이다.
도 5는 GAN의 구조를 나타내는 개념도이다.
도 6은 GAN을 이용하여 데이터를 증강하는 개념도이다.
도 7은 실제 데이터와 가상 데이터를 이용하여 설계 변수를 추출하는 개념도이다
도 8, 9는 FNN을 이용한 목적 함수 구성을 나타낸 개념도이다
도 10은 CGAN의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 11은 GA를 이용한 최적 설계 변수를 도출하는 개념도이다.
도 12는 최적 설계 변수를 이용하여 최적 설계 모델을 생성하는 것을 나타내는 개념도
도 13은 전이학습의 개념도이다.
도 14는 최적 설계 모델 프로세스에서 구체적인 각 알고리즘(AE, GAN, FNN, GA, CGAN)을 함께 표시하여 나타낸 흐름도이다.
도 15는 차량 음향 시스템의 최적 설계 모델 생성 방법에 있어서, AE를 이용한 설계 변수 추출 단계를 나타낸다.
도 16은 차량 음향 시스템의 설계 최적화 방법에 있어서, 목적 함수를 구성하는 것을 나타낸다.
도 17은 설계 변수에 해당하는 컬러맵을 생성한 것을 나타낸다.
도 18은 GA를 이용하여 설계 변수의 최적값을 구하는 단계를 나타낸다.
도 19는 설계 변수의 최적값을 이용하여 차량 음향의 최적 설계를 산출하는 단계를 나타낸다.
1 is a flowchart of a deep learning-based design optimization method according to an example of the present invention.
Figure 2 is a configuration diagram of a deep learning-based design optimization system according to an example of the present invention.
Figure 3 is a conceptual diagram showing the structure of AE.
Figure 4 is a conceptual diagram of design variable extraction using AE.
Figure 5 is a conceptual diagram showing the structure of GAN.
Figure 6 is a conceptual diagram of data augmentation using GAN.
Figure 7 is a conceptual diagram of extracting design variables using real data and virtual data.
Figures 8 and 9 are conceptual diagrams showing the construction of the objective function using FNN.
Figure 10 is a conceptual diagram showing the structure of CGAN.
Figure 11 is a conceptual diagram for deriving optimal design variables using GA.
Figure 12 is a conceptual diagram showing the creation of an optimal design model using optimal design variables.
Figure 13 is a conceptual diagram of transfer learning.
Figure 14 is a flow chart showing each specific algorithm (AE, GAN, FNN, GA, CGAN) in the optimal design model process.
Figure 15 shows the design variable extraction step using AE in the method of generating an optimal design model for a vehicle sound system.
Figure 16 shows configuring an objective function in a method for optimizing the design of a vehicle sound system.
Figure 17 shows the creation of a color map corresponding to a design variable.
Figure 18 shows the steps for finding the optimal value of the design variable using GA.
Figure 19 shows steps for calculating the optimal design of vehicle acoustics using optimal values of design variables.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 딥 러닝 기반 설계 최적화 방법의 흐름도로서, 도 1을 참조하면 본 발명의 방법은, 설계 모델을 생성할 대상에 대한 실제 데이터를 획득하는 단계(S100); 실제 데이터를 이용하여 설계 변수를 추출하는 단계(S200); 설계 변수를 기반으로 목적함수를 구성하는 단계(S300); 목적함수와 설계 변수를 이용하여 학습모델을 생성하는 단계(S400); 설계 변수를 이용하여 최적 설계 변수를 추출하는 단계(S500); 학습모델에 최적 설계 변수를 적용하여, 대상의 최적 설계 모델을 생성하는 단계(S600);를 포함하며, 설계 변수를 추출하는 단계(S200) 이전에, 실제 데이터를 증강하여 가상 데이터를 생성하는 단계(S150);와, 최적 설계 모델을 생성하는 단계(S600) 이전에, 다른 대상에 대해 기 학습하여 기 학습된 설계 모델을 저장하는 단계(S700);를 더 포함할 수 있다.FIG. 1 is a flowchart of a deep learning-based design optimization method according to an example of the present invention. Referring to FIG. 1, the method of the present invention includes the steps of acquiring actual data for an object to generate a design model (S100); Extracting design variables using actual data (S200); Constructing an objective function based on design variables (S300); Creating a learning model using the objective function and design variables (S400); Extracting optimal design variables using design variables (S500); Applying optimal design variables to the learning model to generate an optimal design model of the target (S600); generating virtual data by augmenting real data before extracting design variables (S200). It may further include (S150); and, before the step of generating an optimal design model (S600), learning about another object and storing the previously learned design model (S700).

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 딥 러닝 기반 설계 최적화 시스템의 구성도로서, 도 2를 참조하면 본 발명의 시스템은, 설계 모델을 생성할 대상에 대한 실제 데이터를 획득하는 실제 데이터 획득부(100); 실제 데이터 획득부가 획득한 실제 데이터를 전달받아, 실제 데이터를 이용하여 설계 변수를 추출하는 설계 변수 추출부(200); 설계 변수 추출부가 추출한 설계 변수를 전달받아, 설계 변수를 기반으로 목적함수를 구성하는 목적함수 구성부(300); 설계 변수 추출부가 추출한 설계 변수와 상기 목적함수 구성부가 구성한 목적함수를 전달받아, 목적함수와 상기 설계 변수를 이용하여 학습모델을 생성하는 학습모델 생성부(400); 설계 변수 추출부가 추출한 설계 변수를 전달받아, 설계 변수를 이용하여 최적 설계 변수를 추출하는 최적 설계 변수 추출부(500); 및 학습모델 생성부가 생성한 학습모델과 상기 최적 설계 변수 추출부가 추출한 최적 설계 변수를 전달받고, 학습모델에 최적 설계 변수를 적용하여, 대상의 최적 설계 모델을 생성하는 최적 설계 모델 생성부(600);를 포함하며, 실제 데이터 획득부(100)가 획득한 데이터를 전달받아, 실제 데이터를 증강하여 가상 데이터를 생성하는 가상 데이터 생성부(150);와, 다른 대상에 대해 기 학습된 설계 모델을 저장하는 기 학습 설계 모델 저장부(700);를 더 포함할 수 있다. Figure 2 is a configuration diagram of a deep learning-based design optimization system according to an example of the present invention. Referring to Figure 2, the system of the present invention includes an actual data acquisition unit ( 100); a design variable extraction unit 200 that receives the actual data acquired by the actual data acquisition unit and extracts design variables using the actual data; An objective function configuration unit 300 that receives the design variables extracted by the design variable extraction unit and constructs an objective function based on the design variables; A learning model generator 400 that receives the design variables extracted by the design variable extraction unit and the objective function constructed by the objective function configuration unit, and generates a learning model using the objective function and the design variables; An optimal design variable extraction unit 500 that receives the design variables extracted by the design variable extraction unit and extracts optimal design variables using the design variables; and an optimal design model generation unit 600 that receives the learning model generated by the learning model generation unit and the optimal design variables extracted by the optimal design variable extraction unit, and applies the optimal design variables to the learning model to generate an optimal design model of the target. ; and a virtual data generator 150 that receives the data acquired by the real data acquisition unit 100 and generates virtual data by augmenting the real data; and a design model previously learned for another object. It may further include a storage unit 700 for storing the existing learning design model.

이하에서는 구체적으로 도 3 내지 도 14를 참조하여, 각 단계별로 본 발명에 따른 딥 러닝 기반 설계 모델 최적화 방법 및 시스템에 대해 설명한다.Hereinafter, with specific reference to FIGS. 3 to 14, the deep learning-based design model optimization method and system according to the present invention will be described in each step.

(1) 설계 모델을 생성할 대상에 대한 실제 데이터를 획득하는 단계(S100)(1) Obtaining actual data about the object to create a design model (S100)

도 2에 도시된 바와 같이, 실제 데이터 획득부(100)는 설계 모델을 생성하고자 할 대상에 대한 실제 데이터를 획득할 수 있다.As shown in FIG. 2, the actual data acquisition unit 100 may acquire actual data about an object for which a design model is to be created.

(2) 실제 데이터를 이용하여 설계 변수를 추출하는 단계(S200)(2) Step of extracting design variables using actual data (S200)

설계 변수 추출부(200)는 실제 데이터 획득부(100)가 획득한 실제 데이터를 전달받아, 실제 데이터를 이용하여 설계 변수를 추출할 수 있다. 설계 변수는 설계 대상인 제품의 두께, 길이, 형상, 재료 물성치 등 설계자가 결정해야 할 모든 변수를 뜻한다. 설계 변수는 (a) 서로 독립적으로 (b) 가능한 적게 설정하는 것이 원칙이라고 할 수 있다. 주어진 시스템에 대해서 이러한 조건을 만족시키는 설계 변수를 정의하는 것은 그 자체로 복잡한 과정이며, 설계자의 많은 경험과 지식을 필요로 한다. 본 발명에서는 딥 러닝 알고리즘 중 하나인 오토인코더(Autoencoder, AE)를 이용하여 설계 대상의 데이터로부터 설계 변수를 추출하고자 한다.The design variable extraction unit 200 may receive the actual data acquired by the actual data acquisition unit 100 and extract design variables using the actual data. Design variables refer to all variables that the designer must determine, such as the thickness, length, shape, and material properties of the product being designed. It can be said that the principle is to set design variables (a) independently of each other and (b) as small as possible. Defining design variables that satisfy these conditions for a given system is a complex process in itself and requires a lot of experience and knowledge from the designer. In the present invention, we intend to extract design variables from data of the design target using Autoencoder (AE), one of the deep learning algorithms.

도 3은 AE의 구조를 나타내는 개념도이며, 도 4는 AE를 이용한 설계 변수 추출 개념도이다.Figure 3 is a conceptual diagram showing the structure of AE, and Figure 4 is a conceptual diagram of design variable extraction using AE.

AE 모델은 크게 데이터를 압축하는 인코더(Encoder)와 압축된 데이터를 원래대로 복원하는 디코더(Decoder)로 이루어져 있다. 데이터를

Figure 112020126816684-pat00001
, encoder 함수를 f, decoder 함수를 g라고 했을 때,
Figure 112020126816684-pat00002
값을 최소화하는 latent 값
Figure 112020126816684-pat00003
을 구하는 것이 AE의 목적이다. 즉, ZX의 차원 축소 결과라고 할 수 있으며, 이는 자연히 위에서 언급된 조건 (a), (b)를 만족하게 된다. 본 발명에서는 Z를 설계 변수로 선정 한다.The AE model largely consists of an encoder that compresses data and a decoder that restores the compressed data to its original state. data
Figure 112020126816684-pat00001
, when the encoder function is called f and the decoder function is called g ,
Figure 112020126816684-pat00002
latent value that minimizes the value
Figure 112020126816684-pat00003
The purpose of AE is to find . In other words, Z can be said to be the result of dimensionality reduction of X , which naturally satisfies the conditions (a) and (b) mentioned above. In the present invention, Z is selected as a design variable.

AE를 사용하였을 때의 또 다른 장점은 다차원 데이터, 즉 이미지(2차원) 또는 형상(3차원)으로부터도 설계 변수를 쉽게 추출할 수 있다는 점이다. 이때 는 벡터가 아닌 행렬 또는 텐서(tensor)로 표현되며, 도 3의 완전연결층(Fully-connected layer)을 합성곱층(Convolutional layer)로 대체함으로써 효율적인 연산을 수행할 수 있다.Another advantage of using AE is that design variables can be easily extracted from multidimensional data, that is, images (2D) or shapes (3D). At this time is expressed as a matrix or tensor rather than a vector, and efficient operations can be performed by replacing the fully-connected layer in FIG. 3 with a convolutional layer.

(2-1) 설계 변수를 추출하는 단계 이전에, 실제 데이터를 증강하여 가상 데이터를 생성하는 단계(S150)(2-1) Before extracting design variables, generating virtual data by augmenting real data (S150)

가상 데이터 생성부(150)는 실제 데이터 획득부(100)가 획득한 데이터를 전달받아, 실제 데이터를 증강하여 가상 데이터를 생성할 수 있다. 본 발명에 따른 설계 최적화 방법의 나머지 과정은 모두 AE로 도출한 설계 변수 를 기반으로 하여 이루어지기 때문에 설계 변수의 정의 과정은 매우 중요하다고 할 수 있다. AE에서는 데이터를 이용하여 설계 변수를 추출하기 때문에 AE 모델을 구축하는데 사용되는 데이터의 질 뿐 아니라 양이 매우 중요하다. 이는 보유한 데이터의 양이 부족할 경우 정교한 설계 변수를 추출하는데 문제가 될 수 있다는 것을 뜻하며, 이러한 문제점을 해결하기 위해 데이터의 양을 늘리는 과정이 필요할 수 있다. 이를 데이터 증강이라고 하며, 이를 위한 방법으로 생성적 적대 신경망(Generative adversarial network, GAN)을 적용한다. GAN은 생성 모델(Generative model)로써, 다른 알고리즘에 비해 질 좋은 데이터를 만들어내는 것으로 알려져 있다.The virtual data generator 150 may receive data acquired by the real data acquisition unit 100 and augment the real data to generate virtual data. The remaining processes of the design optimization method according to the present invention are all design variables derived through AE. Since it is based on , the process of defining design variables can be said to be very important. In AE, design variables are extracted using data, so not only the quality but also the quantity of data used to build the AE model is very important. This means that there may be problems in extracting sophisticated design variables if the amount of data held is insufficient, and the process of increasing the amount of data may be necessary to solve this problem. This is called data augmentation, and a generative adversarial network (GAN) is applied as a method for this. GAN is a generative model and is known to produce high-quality data compared to other algorithms.

도 5는 GAN의 구조를 나타내는 개념도이고, 도 6은 GAN을 이용하여 데이터를 증강하는 개념도이다.Figure 5 is a conceptual diagram showing the structure of GAN, and Figure 6 is a conceptual diagram of data augmentation using GAN.

GAN은 판별기(D, discriminator)와 생성기(G, generator)라는 두 개의 신경망으로 구성되어 있다. 생성기(G)는 임의의 노이즈로부터 가상의 데이터를 만들어내고, 판별기(D)는 실제 데이터와 가상 데이터를 받아서 이들을 구별하는 역할을 수행한다. 두 신경망은 제로섬 게임(Zero-sum game)을 한다고 할 수 있는데, 생성기는 실제와 구별이 안 되는 정교한 가상 데이터를 만들려 판별기를 속이려고 하고 판별기는 속지 않고 실제와 가상 데이터를 정확히 구별하려고 하기 때문이다. 이러한 상황의 내쉬 균형점(Nash equilibrium, NE)은, 생성기가 실제와 구별이 되지 않는 가상 데이터를 만들어내고, 판별기는 모든 데이터에 대해 실제일 확률을 50%로 계산할 때의 지점이 된다.GAN consists of two neural networks: a discriminator (D) and a generator (G). The generator (G) creates virtual data from random noise, and the discriminator (D) receives real data and virtual data and distinguishes them. The two neural networks can be said to play a zero-sum game, as the generator tries to fool the discriminator by creating sophisticated virtual data that is indistinguishable from real data, and the discriminator is not fooled and tries to accurately distinguish between real and virtual data. . The Nash equilibrium (NE) in this situation is the point when the generator creates virtual data that is indistinguishable from real data, and the discriminator calculates a 50% probability that all data is real.

도 7은 실제 데이터와 가상 데이터를 이용하여 설계 변수를 추출하는 개념도이다. 설계 변수 추출부(200)는, 실제 데이터 및 상기 가상 데이터를 이용하여 설계 변수를 추출할 수 있다. 이와 같이, GAN 알고리즘을 이용하여 실제 데이터와 동일한 분포를 갖는 가상 데이터를 만들어내고, 가상 데이터를 AE 모델 구축에 사용함으로써 데이터가 부족할 경우에도 정교한 설계 변수를 추출할 수 있다. Figure 7 is a conceptual diagram of extracting design variables using real data and virtual data. The design variable extraction unit 200 may extract design variables using real data and the virtual data. In this way, by using the GAN algorithm to create virtual data with the same distribution as real data and using the virtual data to build an AE model, sophisticated design variables can be extracted even when data is insufficient.

(3) 설계 변수를 기반으로 목적 함수를 구성하는 단계(S300)(3) Constructing the objective function based on the design variables (S300)

목적함수 구성부(300)는 설계 변수 추출부(200)가 추출한 설계 변수를 전달받아, 설계 변수를 기반으로 목적함수를 구성할 수 있다. 목적 함수는 여러 가지 설계 중 최적의 설계를 결정하기 위한 기준이 된다. 예를 들어, 제품 가격, 에너지 소모량, 최대 응력 등이 목적 함수로 많이 사용되고 있다. 본 발명에서는 일반적인 피드포워드 신경망(FNN, Feedforward Neural Network)을 이용하여 목적 함수를 구축하는 것을 제안하고자 한다. 목적 함수는 AE에서 추출한 설계 변수

Figure 112020126816684-pat00006
를 입력받아 목적값 y를 출력하는 구조의 FNN 모델로 구성된다.The objective function constructor 300 may receive the design variables extracted by the design variable extractor 200 and construct an objective function based on the design variables. The objective function serves as a standard for determining the optimal design among various designs. For example, product price, energy consumption, maximum stress, etc. are widely used as objective functions. In the present invention, we propose to construct an objective function using a general feedforward neural network (FNN). The objective function is the design variables extracted from AE
Figure 112020126816684-pat00006
It consists of an FNN model with a structure that receives input and outputs the target value y .

도 8, 9는 FNN을 이용한 목적 함수 구성을 나타낸 개념도이다. 이를 참조하면, 출력층(output layer)의 노드가 한 개로써, 목적 함수가 한 개일 경우를 나타낸다. 목적 함수가 두 개 이상인 다목적 함수의 경우 출력층의 노드 개수를 그에 맞게 조정하여 표현할 수 있다. 도메인 지식이 필요하지 않다는 점 외에 이 또한 본 발명의 장점이라고 할 수 있다.Figures 8 and 9 are conceptual diagrams showing the construction of the objective function using FNN. Referring to this, it represents the case where there is one node of the output layer and there is one objective function. In the case of a multipurpose function with two or more objective functions, it can be expressed by adjusting the number of nodes in the output layer accordingly. In addition to not requiring domain knowledge, this can also be said to be an advantage of the present invention.

(4) 목적함수와 설계변수를 기반으로 학습 모델을 생성하는 단계(S400)(4) Step of creating a learning model based on the objective function and design variables (S400)

학습모델 생성부(400)는, 설계 변수 추출부(200)가 추출한 설계 변수와 목적함수 구성부(300)가 구성한 목적함수를 전달받아, 목적함수와 설계 변수를 이용하여 학습모델을 생성할 수 있다. 본 발명에서 제안하는 방법은 end-to-end 프로세스를 목적으로 하기 때문에, 설계 변수의 값이 주어졌을 때, 그에 해당하는 설계를 도출해 내는 과정이 필요하다. 이를 위해서, 조건부 생성적 적대 신경망(Conditional generative adversarial network, CGAN)이라는 딥러닝 기법을 사용한다.The learning model generator 400 receives the design variables extracted by the design variable extraction unit 200 and the objective function constructed by the objective function constructor 300, and can generate a learning model using the objective function and design variables. there is. Since the method proposed in the present invention aims at an end-to-end process, when the value of a design variable is given, a process of deriving the corresponding design is necessary. For this purpose, a deep learning technique called conditional generative adversarial network (CGAN) is used.

도 10은 CGAN의 구조를 나타낸 개념도이다. CGAN은 데이터 증강 단계(S150)에서 사용된 GAN을 수정한 것이다. 일반적인 GAN의 경우 생성되는 데이터의 모드를 조절할 수 없다. 본 단계(S500)의 목표는, 임의의 설계를 만들어내는 것이 아닌, 주어진 설계 변수의 값에 해당하는 설계를 만들어내는 것이기 때문에 일반적인 GAN을 적용하는 것은 적합하지 않다. CGAN에서는 판별기와 생성기의 입력값에 데이터의 라벨(label)을 추가함으로써 생성되는 데이터의 모드를 조절할 수 있다. 여기서는 설계 변수가 라벨이 된다. Figure 10 is a conceptual diagram showing the structure of CGAN. CGAN is a modified version of the GAN used in the data augmentation step (S150). In the case of a general GAN, the mode of generated data cannot be adjusted. Since the goal of this step (S500) is not to create a random design, but to create a design corresponding to the value of the given design variable, it is not appropriate to apply a general GAN. In CGAN, the mode of the generated data can be adjusted by adding data labels to the input values of the discriminator and generator. Here, the design variable becomes the label.

도 10의 생성기는 설계 변수 를 입력받아서 그에 해당하는 가상의 설계

Figure 112020126816684-pat00008
를 만들어내고, 판별기는 생성기가 만들어낸
Figure 112020126816684-pat00009
를 실제 설계와 구별하는 역할을 수행한다. CGAN에서도 생성기의 입력값으로 랜덤 노이즈가 들어가기 때문에 주어진 설계 변수에 해당하는 다수개의 다양한 설계를 도출할 수 있다. 설계자는 설계 대상을 소비하는 소비자를 고려하여 다양한 설계 중 최적 설계를 선택할 수 있다.The generator in Figure 10 has design variables Receive input and create a corresponding virtual design
Figure 112020126816684-pat00008
and the discriminator is created by the generator.
Figure 112020126816684-pat00009
It plays a role in distinguishing the design from the actual design. In CGAN, random noise is input to the generator, so a number of different designs corresponding to given design variables can be derived. Designers can select the optimal design among various designs by considering the consumers who consume the design object.

(5) 설계 변수를 이용하여 최적 설계 변수를 추출하는 단계(S500)(5) Extracting optimal design variables using design variables (S500)

최적 설계 변수 추출부(500)는, 설계 변수 추출부(200)가 추출한 설계 변수를 전달받아, 설계 변수를 이용하여 최적 설계 변수를 추출할 수 있다. 도 11은 GA를 이용한 최적 설계 변수를 도출하는 개념도로서, 본 발명에서는 Z의 최적해(Zopt), 즉 설계 변수의 최적값을 구하는 방법으로 유전 알고리즘(Genetic algorithm, GA)을 사용한다. GA는 진화 연산의 대표적인 방법으로, 이름에서도 알 수 있듯이 생물체가 환경에 적응하면서 진화해가는 과정을 모방하여 최적해를 찾아내는 방법이다. GA에서는 구하고자 하는 해를 염색체로 표시한다. 여기서 염색체는 설계 변수가 되며, 염색체는 여러 개의 유전자로 구성된다. GA에서는 여러 염색체로 이루어진 해 집단을 생성한 뒤, 목적 함수와 제한 조건을 기반으로 한 염색체 각각의 적합도를 계산한다. 적합도가 충분하지 않은 염색체들에 대해서는 유전자의 교차, 돌연변이 등을 통해 적합도가 향상된 염색체를 구한다. 본 과정을 반복하게 되면, 주어진 제한 조건에 대해 목적 함수를 최대화하는 해 집단, 즉 설계 변수의 최적값을 구할 수 있다.The optimal design variable extraction unit 500 may receive the design variables extracted by the design variable extraction unit 200 and extract optimal design variables using the design variables. Figure 11 is a conceptual diagram for deriving optimal design variables using GA. In the present invention, a genetic algorithm (GA) is used as a method of obtaining the optimal solution (Zopt) of Z , that is, the optimal value of the design variable. GA is a representative method of evolutionary computation, and as the name suggests, it is a method of finding the optimal solution by imitating the process of organisms evolving while adapting to the environment. In GA, the solution to be found is expressed as a chromosome. Here, the chromosome becomes the design variable, and the chromosome is composed of several genes. In GA, a solution population consisting of several chromosomes is created and then the fitness of each chromosome is calculated based on the objective function and constraints. For chromosomes with insufficient fitness, chromosomes with improved fitness are obtained through gene crossover or mutation. By repeating this process, the solution group that maximizes the objective function for given constraints, that is, the optimal value of the design variable, can be obtained.

(6) 최적 설계 변수를 이용하여 대상의 설계 모델을 생성하는 단계(S600)(6) Creating a design model of the target using optimal design variables (S600)

최적 설계 모델 생성부(600)는, 학습모델 생성부(400)가 생성한 학습모델과 최적 설계 변수 추출부(500)가 추출한 최적 설계 변수를 전달받고, 학습모델에 최적 설계 변수를 적용하여, 대상의 최적 설계 모델을 생성할 수 있다.The optimal design model generation unit 600 receives the learning model generated by the learning model generation unit 400 and the optimal design variables extracted by the optimal design variable extraction unit 500, and applies the optimal design variables to the learning model, The optimal design model of the target can be created.

도 12는 최적 설계 변수를 이용하여 최적 설계 모델을 생성하는 것을 나타내는 개념도로서, 본 발명에서는 GA를 이용하여 최적해(Zopt), 즉 최적 설계 변수를 구한 이후, 이를 (4) 단계에서 학습된 학습모델인 CGAN 생성기에 입력하고, 설계 변수의 최적값에 대응되는 최적 설계 모델 G(R|Zopt)를 도출해 낼 수 있다.Figure 12 is a conceptual diagram showing the creation of an optimal design model using optimal design variables. In the present invention, after obtaining the optimal solution (Z opt ), that is, the optimal design variable, using GA, it is learned in step (4). It can be input into the CGAN generator, which is a model, and the optimal design model G(R|Zopt) corresponding to the optimal value of the design variable can be derived.

(7) 최적 설계 모델을 생성하는 단계(S600) 이전에, 다른 대상에 대해 기 학습하여 기 학습된 설계 모델을 저장하는 단계(S700)(7) Before the step of generating the optimal design model (S600), the step of learning about other objects and saving the already learned design model (S700)

기 학습 설계 모델 저장부(700)는 다른 대상에 대해 기 학습된 설계 모델을 저장할 수 있으며, 이때 설계 모델 생성부(600)는, 기 학습 설계 모델 저장부(700)로부터 전달받은 기 학습 설계 모델을 전이 학습하여 대상의 최적 설계 모델을 생성할 수 있다.The pre-learned design model storage unit 700 may store a pre-learned design model for another object, and at this time, the design model generator 600 may store the pre-learned design model received from the pre-learned design model storage unit 700. The optimal design model of the target can be created by transfer learning.

본 발명에서는, 해결하고자 하는 최적 설계 문제(New B model)에서의 정답이 소량만 존재하는 반면, 해결하고자 하는 문제와 비슷한 문제(Pretrained A model)에는 정답이 대량으로 존재할 수 경우, 전이학습을 적용하여 문제 해결이 가능하다.In the present invention, transfer learning is applied when there are only a small number of correct answers to the optimal design problem to be solved (New B model), while there may be a large number of correct answers to a problem similar to the problem to be solved (Pretrained A model). This makes it possible to solve the problem.

도 13은 전이학습의 개념도로서, 앞에서 설명한 최적 설계 모델 프로세스에서의 CGAN 모델을 통해 최종적인 최적 설계 모델이 생성되면, 이와 유사한 공학적 시스템 모델에 전이학습을 적용하여 새로운 최적 설계 모델 결과의 도출이 가능하다. 이는 처음부터 다시 모델을 학습시켜 최적 설계 문제를 해결하는 것이 아닌, 기존의 학습된 CGAN 모델에서의 가중치를 일부 또는 전체를 가져와 학습을 시키는 것으로써, 다른 모델에 대한 최적 설계 문제를 해결함에 있어 학습 비용이 개선되는 효과가 있다. 즉, 기존에 구성한 최적 설계 프로세스에서 전이학습 개념을 도입하여 최적 설계 프로세스를 구성하는 데 있어 적용 모델의 다양성 및 학습 비용의 개선을 동시에 이룰 수 있다.Figure 13 is a conceptual diagram of transfer learning. Once the final optimal design model is created through the CGAN model in the optimal design model process described above, transfer learning can be applied to a similar engineering system model to derive a new optimal design model result. do. This does not solve the optimal design problem by learning the model again from scratch, but rather takes some or all of the weights from the existing learned CGAN model and trains them, thereby learning in solving the optimal design problem for other models. This has the effect of improving costs. In other words, by introducing the transfer learning concept in the existing optimal design process, it is possible to simultaneously improve the diversity of applied models and the learning cost in configuring the optimal design process.

도 14는 최적 설계 모델 프로세스에서 구체적인 각 알고리즘(AE, GAN, FNN, GA, CGAN)을 함께 표시하여 나타낸 흐름도이다.Figure 14 is a flow chart showing each specific algorithm (AE, GAN, FNN, GA, CGAN) in the optimal design model process.

이하에서는 도 15 내지 도 19를 참조하여, 본 발명에 따른 딥 러닝 기반 설계 최적화 방법을 차량 음향 시스템에 적용한 실시예를 통해 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 15 to 19, the deep learning-based design optimization method according to the present invention will be described through an example in which it is applied to a vehicle sound system.

차량 음향 시스템에서는 수많은 파라미터가 엔진 소리의 발생에 영향을 끼치게 된다. 이 중 기여도가 큰 인자를 선정하여 원하는 조건을 만족시키는 음향을 설계하는 것은 최적 설계에 대한 지식뿐만 아니라 내연 기관, 음향학에 대한 전문적인 지식도 필요하다. AE를 이용하게 되면 이러한 전문적인 지식 없이도 데이터만을 이용하여 쉽게 설계 변수를 추출할 수 있다. 차량 음향은 주파수 영역으로의 푸리에 변환 및 시각화 과정을 거쳐 컬러맵(colormap)이라는 이미지 데이터로 변환된다. In vehicle sound systems, numerous parameters affect the generation of engine sounds. Among these, selecting highly contributing factors and designing acoustics that satisfy the desired conditions requires not only knowledge of optimal design but also specialized knowledge of internal combustion engines and acoustics. By using AE, design variables can be easily extracted using only data without such specialized knowledge. Vehicle sound is converted into image data called a colormap through Fourier transform into the frequency domain and visualization process.

도 15는 차량 음향 시스템의 설계 최적화 방법에 있어서, AE를 이용한 설계 변수 추출 단계(S200)를 나타낸다. 도 15를 참조하면, 컬러맵 이미지가 encoder를 거쳐 압축된 뒤 decoder를 거쳐 원래의 이미지로 복원되는 과정을 나타내고 있다. 이때, encoder의 결과로 나온 노드의 값들이 해당 음향 컬러맵에 해당하는 설계 변수가 된다.Figure 15 shows the design variable extraction step (S200) using AE in the design optimization method of a vehicle sound system. Referring to Figure 15, it shows the process in which a color map image is compressed through an encoder and then restored to the original image through a decoder. At this time, the node values resulting from the encoder become design variables corresponding to the corresponding acoustic color map.

설계 변수 추출을 완료한 다음의 단계는 목적 함수를 구성한다(S300). 각 설계 변수를 FNN의 입력값으로, 설계 변수에 해당하는 목적값을 FNN의 출력값으로 설정함으로써 목적 함수를 설정할 수 있다. The next step after completing design variable extraction is to construct the objective function (S300). The objective function can be set by setting each design variable as the input value of the FNN and the objective value corresponding to the design variable as the output value of the FNN.

도 16은 차량 음향 시스템의 설계 최적화 방법에 있어서, 목적 함수를 구성하는 것을 나타낸다. 예를 들어, 30대 남성을 타겟으로 하는 차량 음향을 만드는 것이 목적이라고 할 때, 각 소리에 대한 30대 남성들의 선호도를 설문 조사를 통해 확보한 뒤, 이를 점수화하여 FNN 모델의 출력값으로 설정할 수 있다. 이 목적 함수의 입력값은 상기 각 소리(차량 음향)에 대해 AE로 추출한 설계 변수, 출력값은 상기 입력값에 해당하는 점수가 된다. 이는 다시 설문 조사를 진행하지 않아도 새로운 차량 음향에 대해 타겟 소비자층에 대한 선호도를 추정할 수 있다는 장점이 있다. Figure 16 shows configuring an objective function in a method for optimizing the design of a vehicle sound system. For example, if the goal is to create vehicle sounds targeting men in their 30s, the preferences of men in their 30s for each sound can be obtained through a survey, then scored and set as the output value of the FNN model. . The input value of this objective function is the design variable extracted by AE for each sound (vehicle sound), and the output value is the score corresponding to the input value. This has the advantage of being able to estimate the preferences of target consumers for new vehicle acoustics without having to conduct another survey.

이후, 목적 함수를 기초로 학습 모델인 CGAN을 학습시켜 학습 모델을 생성한다(S400). 도 17은 설계 변수에 해당하는 컬러맵을 생성한 것을 나타낸 것으로, 추출한 설계 변수와 그에 해당하는 차량 음향 컬러맵을 이용하여 CGAN을 학습시킨다(학습모델). CGAN 모델에는 랜덤 노이즈가 들어가므로 해당 설계 변수에 대한 여러 컬러맵을 생성할 수 있게 한다.Afterwards, a learning model is created by training CGAN, a learning model, based on the objective function (S400). Figure 17 shows the creation of a color map corresponding to a design variable, and CGAN is trained using the extracted design variable and the corresponding vehicle sound color map (learning model). Since random noise is included in the CGAN model, it allows the creation of multiple color maps for the design variables.

다음으로는, GA를 이용하여 최적 설계 변수를 구한다. 도 18은 GA를 이용하여 최적 설계 변수를 구하는 단계를 나타내는 개념도로서, GA에서는 설계 변수에 해당하는 염색체를 초기에 여러 개 생성한 뒤, 교차, 돌연변이 등의 진화 연산을 이용하여 주어진 제한 조건 내에서 목적 함수를 최대화하는 최적해를 찾아낸다.Next, the optimal design variables are obtained using GA. Figure 18 is a conceptual diagram showing the steps to obtain optimal design variables using GA. In GA, several chromosomes corresponding to the design variables are initially created, and then, within given constraints, using evolutionary operations such as crossover and mutation. Find the optimal solution that maximizes the objective function.

이후, GA에서 추출한 최적해를 위에서 학습된 학습모델인 CGAN 생성기에 입력하여, 30대 남성이 가장 선호하는 차량 음향을 도출할 수 있다(S400). 도 19는 최적 설계 변수에 해당하는 차량 음향 도출을 나타내는 개념도이다.Afterwards, the optimal solution extracted from GA can be input into the CGAN generator, which is the learning model learned above, to derive the vehicle sound most preferred by men in their 30s (S400). Figure 19 is a conceptual diagram showing the derivation of vehicle acoustics corresponding to optimal design variables.

도 17 참조하면, 설계 변수와 그에 해당하는 차량 음향 컬러맵을 이용하여 CGAN을 학습시킬 수 있다. CGAN 모델에는 랜덤 노이즈가 들어가므로 설계 변수에 해당하는 여러 컬러맵을 생성할 수 있게 된다.Referring to Figure 17, CGAN can be learned using design variables and the corresponding vehicle sound color map. Since random noise is included in the CGAN model, multiple color maps corresponding to design variables can be generated.

도 18은 GA를 이용하여 설계 변수의 최적값을 구하는 단계를 나타낸다(S500). GA에서는 설계 변수에 해당하는 염색체를 초기에 여러 개 생성한 뒤, 교차, 돌연변이 등의 진화 연산을 이용하여 주어진 제한 조건 내에서 목적 함수를 최대화하는 최적해를 찾아낸다.Figure 18 shows the step of finding the optimal value of the design variable using GA (S500). In GA, several chromosomes corresponding to design variables are initially created, and then evolutionary operations such as crossover and mutation are used to find the optimal solution that maximizes the objective function within given constraints.

도 19는 설계 변수의 최적해 즉, 설계 변수의 최적값을 이용하여 차량 음향의 최적 설계를 산출하는 단계를 나타낸다(S600). 여기서는, GA를 추출한 설계 변수의 최적값을 기 학습된 CGAN의 생성기에 입력함으로써 30대 남성이 가장 선호하는 차량 음향을 도출할 수 있다.Figure 19 shows the step of calculating the optimal design of the vehicle sound using the optimal solution of the design variable, that is, the optimal value of the design variable (S600). Here, the vehicle sound most preferred by men in their 30s can be derived by inputting the optimal values of the design variables from which GA was extracted into the previously learned CGAN generator.

상기 과정에서 알 수 있듯이, 본 발명의 딥 러닝 기반 설계 최적화 방법에 따라 설계하는 경우, 차량 음향 시스템의 최적 설계 과정에서 음향학, 차량 엔진 등에 대한 전문적인 지식이 사용되지 않았다는 것을 알 수 있다. 차량 음향의 최적 설계에 사용된 것은 차량 음향의 소리 데이터뿐이다. 이에 따라, 상술한 설계 최적화 방법을 Python 등의 프로그래밍 언어를 이용해 패키지화한다면 모든 분야에 대해, 이제 막 산업계에 들어오는 초보 엔지니어들도 모두 쉽게 적용할 수 있다.As can be seen from the above process, when designing according to the deep learning-based design optimization method of the present invention, it can be seen that expert knowledge on acoustics, vehicle engines, etc. was not used in the optimal design process of the vehicle sound system. The only thing used for optimal design of vehicle acoustics is the sound data of vehicle acoustics. Accordingly, if the above-described design optimization method is packaged using a programming language such as Python, it can be easily applied to all fields, even by novice engineers just entering the industry.

이상과 같이, 기술적인 측면에서 본 발명은 딥 러닝 기술을 이용하여 도메인 지식의 필요성을 크게 낮추는 것이 핵심이라고 할 수 있다. 현 시점에서 효과성이 여러 차례 입증된 알고리즘(AE, FNN, GAN, GA 등)을 공학 설계라는 관점에서 해석하여 각각의 특성이 극대화될 수 있도록 설계의 각 단계에 적용하였고 특히, 설계 과정에서 가장 큰 전문성을 요하는 설계 변수 추출을 AE로 대체하고, AE를 적용할 때의 가장 문제가 될 수 있는 데이터의 양을 증가시킬 수 있는 방법으로서 GAN을 제시했다는 점에서 의의가 있다.As described above, from a technical perspective, the key to the present invention is to greatly reduce the need for domain knowledge by using deep learning technology. At present, algorithms (AE, FNN, GAN, GA, etc.) whose effectiveness has been proven several times were analyzed from the perspective of engineering design and applied to each stage of design to maximize each characteristic. It is significant in that it replaces design variable extraction, which requires great expertise, with AE and presents GAN as a method that can increase the amount of data, which can be the most problematic issue when applying AE.

산업적인 측면에서, 본 발명은 제품 설계 등에서의 산업 구조의 비효율성을 크게 해소할 수 있다. 초보 엔지니어가 설계 과정에 본격적으로 투입되기 위해서는 기본 지식을 쌓기 위한 상당한 기간이 필요하다. 과학 기술이 점점 발전하고 있다는 점을 고려해볼 때, 이 기간은 점점 길어질 것으로 예상된다. 그에 따라 제품이 생산되기까지의 과정이 점차 길어지게 되며, 이는 산업 구조의 경쟁력 약화로 이어진다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하는 데 도움이 될 수 있다. From an industrial aspect, the present invention can greatly eliminate inefficiencies in industrial structures in product design, etc. In order for novice engineers to participate in the design process in earnest, they need a considerable period of time to build basic knowledge. Considering that science and technology are advancing, this period is expected to become longer. As a result, the process until a product is produced becomes increasingly longer, which leads to a weakening of the competitiveness of the industrial structure. The present invention can help solve these problems.

또한, 도메인 지식이 필요하다는 것은 분야 간 교류가 어렵게 만드는 요인으로서 각 분야에 맞는 설계 방법이 필요하게 되고, 특정 산업계에서 새로운 설계 방법을 개발했다 하더라도 이를 다른 분야에 바로 적용하기가 힘들다는 문제가 있다. 본 발명은 범용적으로 적용 가능한 최적화 설계 방법을 제시함으로써, 각 분야가 활발히 교류하면서 동시에 발전할 수 있는 기반을 마련하는 데 도움이 될 수 있다.In addition, the need for domain knowledge is a factor that makes exchange between fields difficult, so design methods tailored to each field are needed, and even if a new design method is developed in a specific industry, there is a problem that it is difficult to immediately apply it to other fields. . By presenting a universally applicable optimization design method, the present invention can help lay the foundation for active exchange and simultaneous development in each field.

이상 본 발명의 설명을 위하여 예시로 든 실시예는 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태로 조합이 가능하다. 따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 특징이 있다고 할 것이다.The embodiments exemplified above for description of the present invention are only one embodiment in which the present invention is embodied, and can be combined in various forms to realize the gist of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and as claimed in the claims below, various modifications can be made by anyone skilled in the art without departing from the gist of the invention. It will be said that the technical features of the present invention exist to the extent possible.

Claims (12)

딥 러닝 기반 설계 최적화 시스템으로서,
설계 모델을 생성할 대상에 대한 실제 데이터를 획득하는 실제 데이터 획득부;
상기 실제 데이터 획득부로부터 실제 데이터를 전달받고, 생성기(generator)와 판별기(discriminator)를 포함하는 적대적 생성 신경망(GAN, Generative adversarial network)을 이용하여, 상기 생성기가 가상의 데이터를 생성하고 상기 판별기가 상기 실제 데이터와 상기 가상의 데이터 중 실제일 확률이 50%인 데이터를 계산하는 방식으로 상기 실제 데이터를 증강하여 가상 데이터를 생성하는 가상 데이터 생성부;
상기 실제 데이터 획득부와 상기 가상 데이터 생성부로부터 각각 상기 실제 데이터와 상기 가상 데이터를 전달받고, 데이터를 압축하는 인코더(Encoder)와 압축된 데이터를 복원하는 디코더(Decoder)를 포함하는 오토인코더(AE, Autoencodr)를 이용하여, 상기 실제 데이터와 상기 가상 데이터를 , encoder 함수를 f, decoder 함수를 g라고 할 때, 값을 최소화하는 latent 값 을 구하여 설계 변수를 추출하는 설계 변수 추출부;
상기 설계 변수 추출부로부터 상기 설계 변수를 전달받고, 피드포워드 신경망(FNN, Feedforward neural network)을 이용하여, 상기 설계 변수인 를 입력받아 목적값 y인 목적함수를 출력하여 목적함수를 구성하는 목적함수 구성부;
상기 설계 변수 추출부와 상기 목적함수 구성부로부터 각각 상기 설계 변수와 상기 목적함수를 전달받고, 상기 가상 데이터 생성부에서 사용된 적대적 생성 신경망(GAN)의 판별기와 생성기의 입력값에 설계 변수인 데이터 라벨(label)을 추가하여 생성되는 데이터의 모드를 조절 가능하도록 해당 적대적 생성 신경망(GAN)을 수정한 조건부 적대적 생성 신경망(CGAN, Conditional GAN)을 이용하여, 상기 생성기가 상기 설계 변수인 z 및 랜덤 노이즈를 입력받아 그에 대응되는 가상의 설계 모델을 생성하고, 상기 판별기가 상기 생성기가 만들어낸 상기 가상의 설계 모델을 실제 설계 모델과 구별하여 학습모델을 생성하는 학습모델 생성부;
상기 설계 변수 추출부로부터 상기 설계 변수를 전달받고, 유전 알고리즘(GA, Genetic algorithm)을 이용하여, 구하고자 하는 해를 상기 설계 변수에 해당하며 여러 유전자로 구성된 염색체로 표시하고, 여러 염색체로 이루어진 해 집단을 생성한 뒤, 상기 목적함수와 제한 조건을 기반으로 한 염색체 각각의 적합도를 계산하고, 상기 제한 조건에 대해 상기 목적함수를 최대화하는 해 집단인 상기 설계 변수의 최적값에 해당하는 최적 설계 변수를 추출하는 최적 설계 변수 추출부; 및
상기 학습모델 생성부와 상기 최적 설계 변수 추출부로부터 각각 상기 학습모델과 상기 최적 설계 변수를 전달받고, 상기 학습모델인 조건부 적대적 생성 신경망(CGAN)에 상기 최적 설계 변수를 입력하여 최적 설계 모델을 생성하는 최적 설계 모델 생성부;를 포함하며,
다른 대상에 대해 기 학습된 설계 모델을 저장하는 기 학습 설계 모델 저장부;를 더 포함하고,
상기 최적 설계 모델 생성부는,
상기 기 학습 설계 모델 저장부로부터 전달받은 기 학습된 설계 모델을 전이 학습 하여 상기 대상의 최적 설계 모델을 생성하되, 상기 기 학습된 최적 설계 모델 생성시 학습된 가중치를 전달받고, 상기 가중치의 일부 또는 전부를 새로 생성할 상기 대상의 최적 설계 모델 학습에 적용하여, 상기 최적 설계 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는, 딥 러닝 기반 설계 최적화 시스템.
(여기서, m, n은 각각 자연수이다)
As a deep learning-based design optimization system,
an actual data acquisition unit that acquires actual data about the object for which a design model is to be created;
Real data is received from the real data acquisition unit, and using a generative adversarial network (GAN) including a generator and a discriminator, the generator generates virtual data and determines the discriminator. a virtual data generator that generates virtual data by augmenting the real data by calculating data that has a 50% probability of being real among the real data and the virtual data;
An autoencoder (AE) that receives the real data and the virtual data from the real data acquisition unit and the virtual data generation unit, respectively, and includes an encoder that compresses the data and a decoder that restores the compressed data. , Autoencodr) to combine the real data and the virtual data. , when the encoder function is called f and the decoder function is called g , latent value that minimizes the value A design variable extraction unit that obtains and extracts design variables;
Receives the design variable from the design variable extractor, uses a feedforward neural network (FNN), and obtains the design variable An objective function configuration unit that configures an objective function by receiving input and outputting an objective function with an objective value y ;
Data that receives the design variables and the objective function from the design variable extracting unit and the objective function constructing unit, respectively, and is a design variable in the input values of the discriminator and generator of the adversarial generative neural network (GAN) used in the virtual data generating unit Using a conditional adversarial generative neural network (CGAN, Conditional GAN), which modifies the corresponding adversarial generative neural network (GAN) to adjust the mode of data generated by adding a label, the generator generates the design variables z and random. a learning model generator in which noise is input and a virtual design model corresponding thereto is generated, and the discriminator distinguishes the virtual design model created by the generator from an actual design model to generate a learning model;
The design variable is received from the design variable extraction unit, and using a genetic algorithm (GA), the solution to be obtained is expressed as a chromosome corresponding to the design variable and composed of several genes, and the solution composed of several chromosomes is displayed. After creating a group, the fitness of each chromosome is calculated based on the objective function and constraint conditions, and an optimal design variable corresponding to the optimal value of the design variable, which is the solution group that maximizes the objective function for the constraint conditions. An optimal design variable extraction unit that extracts; and
Receives the learning model and the optimal design variables from the learning model generation unit and the optimal design variable extraction unit, respectively, and inputs the optimal design variables into the conditional adversarial generative neural network (CGAN), which is the learning model, to generate an optimal design model. It includes an optimal design model generation unit,
It further includes a previously learned design model storage unit that stores a previously learned design model for another object,
The optimal design model generation unit,
An optimal design model of the target is generated by transfer learning the previously learned design model received from the pre-learned design model storage unit, and when generating the pre-learned optimal design model, learned weights are received, and a portion of the weights or A deep learning-based design optimization system, characterized in that it generates the optimal design model by applying it to learning the optimal design model of the object to be newly created.
(Here, m and n are each natural numbers)
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 딥 러닝 기반 설계 최적화 시스템을 이용한 딥 러닝 기반 설계 최적화 방법으로서, 상기 시스템이,
설계 모델을 생성할 대상에 대한 실제 데이터를 획득하는 단계;
상기 실제 데이터를 전달받고, 생성기(generator)와 판별기(discriminator)를 포함하는 적대적 생성 신경망(GAN, Generative adversarial network)을 이용하여, 상기 생성기가 가상의 데이터를 생성하고 상기 판별기가 상기 실제 데이터와 상기 가상의 데이터 중 실제일 확률이 50%인 데이터를 계산하는 방식으로 상기 실제 데이터를 증강하여 가상 데이터를 생성하는 단계;
상기 실제 데이터와 상기 가상 데이터를 전달받고, 데이터를 압축하는 인코더(Encoder)와 압축된 데이터를 복원하는 디코더(Decoder)를 포함하는 오토인코더(AE, Autoencodr)를 이용하여, 상기 실제 데이터와 상기 가상 데이터를 , encoder 함수를 f, decoder 함수를 g라고 할 때, 값을 최소화하는 latent 값 을 구하여 설계 변수를 추출하는 단계;
상기 설계 변수를 전달받고, 피드포워드 신경망(FNN, Feedforward neural network)을 이용하여, 상기 설계 변수인 를 입력받아 목적값 y인 목적함수를 출력하여 목적함수를 구성하는 단계;
상기 설계 변수와 상기 목적함수를 전달받고, 상기 가상 데이터 생성 단계에서 사용된 적대적 생성 신경망(GAN)의 판별기와 생성기의 입력값에 설계 변수인 데이터 라벨(label)을 추가하여 생성되는 데이터의 모드를 조절 가능하도록 해당 적대적 생성 신경망(GAN)을 수정한 조건부 적대적 생성 신경망(CGAN, Conditional GAN)을 이용하여, 상기 생성기가 상기 설계 변수인 z 및 랜덤 노이즈를 입력받아 그에 대응되는 가상의 설계 모델을 생성하고, 상기 판별기가 상기 생성기가 만들어낸 상기 가상의 설계 모델을 실제 설계 모델과 구별하여 학습모델을 생성하는 단계;
상기 설계 변수를 전달받고, 유전 알고리즘(GA, Genetic algorithm)을 이용하여, 구하고자 하는 해를 상기 설계 변수에 해당하며 여러 유전자로 구성된 염색체로 표시하고, 여러 염색체로 이루어진 해 집단을 생성한 뒤, 상기 목적함수와 제한 조건을 기반으로 한 염색체 각각의 적합도를 계산하고, 상기 제한 조건에 대해 상기 목적함수를 최대화하는 해 집단인 상기 설계 변수의 최적값에 해당하는 최적 설계 변수를 추출하는 단계; 및
상기 학습모델과 상기 최적 설계 변수를 전달받고, 상기 학습모델인 조건부 적대적 생성 신경망(CGAN)에 상기 최적 설계 변수를 입력하여 최적 설계 모델을 생성하는 단계;를 포함하며,
다른 대상에 대해 기 학습된 설계 모델을 저장하는 단계;를 더 포함하고,
상기 최적 설계 모델을 생성하는 단계에서는,
상기 기 학습 설계 모델 저장부로부터 전달받은 기 학습된 설계 모델을 전이 학습 하여 상기 대상의 최적 설계 모델을 생성하되, 상기 기 학습된 최적 설계 모델 생성시 학습된 가중치를 전달받고, 상기 가중치의 일부 또는 전부를 새로 생성할 상기 대상의 최적 설계 모델 학습에 적용하여, 상기 최적 설계 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는, 딥 러닝 기반 설계 최적화 방법.
(여기서, m, n은 각각 자연수이다)
A deep learning-based design optimization method using a deep learning-based design optimization system, the system comprising:
Obtaining actual data about the object for which a design model is to be created;
The real data is received, and using a generative adversarial network (GAN) including a generator and a discriminator, the generator generates virtual data and the discriminator matches the real data and the discriminator. generating virtual data by augmenting the real data by calculating data with a 50% probability of being real among the virtual data;
Using an autoencoder (AE, Autoencoder) that receives the real data and the virtual data and includes an encoder that compresses the data and a decoder that restores the compressed data, the real data and the virtual data are received. data , when the encoder function is called f and the decoder function is called g , latent value that minimizes the value Obtaining and extracting design variables;
After receiving the design variable, using a feedforward neural network (FNN), the design variable Constructing an objective function by receiving input and outputting an objective function with an objective value y ;
The mode of data generated by receiving the design variables and the objective function and adding a data label, which is a design variable, to the input values of the discriminator and generator of the adversarial neural network (GAN) used in the virtual data generation step Using a conditional adversarial generative neural network (CGAN, Conditional GAN) that modifies the adversarial generative neural network (GAN) to be adjustable, the generator receives the design variables z and random noise and generates a virtual design model corresponding thereto. and the discriminator distinguishing the virtual design model created by the generator from the actual design model to generate a learning model;
After receiving the design variables and using a genetic algorithm (GA), the solution to be obtained is expressed as a chromosome composed of several genes corresponding to the design variable, and a solution group composed of several chromosomes is generated, calculating the fitness of each chromosome based on the objective function and constraint conditions, and extracting an optimal design variable corresponding to the optimal value of the design variable, which is a solution group that maximizes the objective function for the constraint conditions; and
Receiving the learning model and the optimal design variables, and inputting the optimal design variables into a conditional adversarial generative neural network (CGAN), which is the learning model, to generate an optimal design model,
Further comprising: storing a previously learned design model for another target,
In the step of generating the optimal design model,
An optimal design model of the target is generated by transfer learning the previously learned design model received from the pre-learned design model storage unit, and when generating the pre-learned optimal design model, learned weights are received, and a portion of the weights or A deep learning-based design optimization method, characterized in that the optimal design model is generated by applying it to learning the optimal design model of the object to be newly created.
(Here, m and n are each natural numbers)
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