JP7710633B1 - Abnormality management device and abnormality management method - Google Patents
Abnormality management device and abnormality management methodInfo
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Abstract
【課題】異常信号の測定データが少ない場合であっても信号の異常を管理することを目的とする。
【解決手段】
異常管理装置1は、複数の信号の周波数スペクトルのうち、各周波数成分の強度が正常な周波数スペクトルを示す正常データを教師データとして、各周波数成分の強度が正常である事後確率を出力する確率モデルのパラメータを最尤推定により学習するように構成された第1学習部11と、学習された確率モデルにより推定される事後確率と、正常データの確率分布と、正常である事前確率とに基づいて、異常な強度の周波数成分を含む周波数スペクトルを示す異常データの確率分布を導出するように構成された導出部12とを備える。
【選択図】 図1
An object of the present invention is to manage signal abnormalities even when there is a small amount of measurement data for the abnormal signal.
[Solution]
The abnormality management device 1 includes a first learning unit 11 configured to learn parameters of a probability model that outputs the posterior probability that the intensity of each frequency component is normal by maximum likelihood estimation using normal data indicating a frequency spectrum in which the intensity of each frequency component is normal among the frequency spectra of a plurality of signals as teacher data, and a derivation unit 12 configured to derive a probability distribution of abnormal data indicating a frequency spectrum including frequency components of abnormal intensity based on the posterior probability estimated by the learned probability model, the probability distribution of the normal data, and the prior probability of normality.
[Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、異常管理装置、および異常管理方法に関する。 The present invention relates to an abnormality management device and an abnormality management method.
従来から、時系列信号の特徴を周波数領域で解析し、信号に含まれる異常を検出する技術が知られている。例えば、特許文献1は、正常信号および異常信号の両方の周波数スペクトルを学習データとして用いて構築した機械学習モデルにより、センサで測定された信号の異常を推定する技術を開示する。 Techniques have been known for some time that analyze the characteristics of a time series signal in the frequency domain and detect anomalies contained in the signal. For example, Patent Document 1 discloses a technique for estimating anomalies in a signal measured by a sensor using a machine learning model constructed using the frequency spectra of both normal and abnormal signals as learning data.
しかし、特許文献1に開示された技術では、異常を検出するのに十分な精度を有するモデルを構築するために、十分な数の異常信号を得る必要があり、長期間にわたって異常信号を蓄積しなければならなかった。また、統計的な手法により周波数スペクトルでの信号の異常を検出する場合においても、異常信号の測定データが大量に必要となる場合があった。 However, with the technology disclosed in Patent Document 1, in order to construct a model with sufficient accuracy to detect anomalies, it is necessary to obtain a sufficient number of abnormal signals, and the abnormal signals must be accumulated over a long period of time. Furthermore, even when detecting signal abnormalities in the frequency spectrum using statistical methods, a large amount of measurement data on abnormal signals may be required.
このように、従来の技術によれば、異常信号の測定データが少ない場合に信号の異常を管理することが困難な場合があった。 As such, with conventional technology, it can be difficult to manage signal abnormalities when there is little measurement data for abnormal signals.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、異常信号の測定データが少ない場合であっても信号の異常を管理することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to manage signal abnormalities even when there is little measurement data of the abnormal signal.
上述した課題を解決するために、本発明に係る異常管理装置は、複数の信号の周波数スペクトルのうち、各周波数成分の強度が正常な周波数スペクトルを示す正常データを教師データとして、各周波数成分の強度が正常である事後確率を出力する確率モデルのパラメータを最尤推定により学習するように構成された第1学習部と、学習された前記確率モデルにより推定される前記事後確率と、前記正常データの確率分布と、正常である事前確率とに基づいて、異常な強度の周波数成分を含む周波数スペクトルを示す異常データの確率分布を導出するように構成された導出部と、導出された前記異常データの確率分布に基づいて、前記異常データの周波数スペクトルを求めるように構成されたデータ処理部と、前記データ処理部により求められた前記異常データの周波数スペクトルを真の異常データとして、前記真の異常データに統計的に類似する疑似異常データを生成する生成器を学習するように構成された第2学習部と、第2学習部によって構築された学習済みの生成器を用いて生成された前記疑似異常データを記憶するように構成された記憶部とを備える。 In order to solve the above-mentioned problems, the abnormality management device according to the present invention includes a first learning unit configured to learn, by maximum likelihood estimation, parameters of a probability model that outputs a posterior probability that the intensity of each frequency component is normal, using normal data indicating a frequency spectrum in which the intensity of each frequency component is normal among the frequency spectra of a plurality of signals as teacher data; a derivation unit configured to derive a probability distribution of abnormal data indicating a frequency spectrum containing a frequency component of abnormal intensity based on the posterior probability estimated by the learned probability model, the probability distribution of the normal data, and the prior probability of normality; a data processing unit configured to obtain a frequency spectrum of the abnormal data based on the derived probability distribution of the abnormal data; a second learning unit configured to learn a generator that generates pseudo-abnormal data that is statistically similar to the true abnormal data, using the frequency spectrum of the abnormal data obtained by the data processing unit as true abnormal data; and a storage unit configured to store the pseudo-abnormal data generated using the learned generator constructed by the second learning unit.
また、本発明に係る異常管理装置において、さらに、管理対象の信号の周波数スペクトルを収集するように構成された収集部と、収集された前記管理対象の信号の周波数スペクトルが、前記記憶部に記憶されている前記疑似異常データと一致する場合に、前記管理対象の信号は異常な信号であると判定するように構成された判定部とを備えていてもよい。 The abnormality management device according to the present invention may further include a collection unit configured to collect a frequency spectrum of a signal to be managed, and a determination unit configured to determine that the signal to be managed is an abnormal signal when the collected frequency spectrum of the signal to be managed matches the pseudo-abnormal data stored in the storage unit.
また、本発明に係る異常管理装置において、さらに、前記判定部により前記異常な信号であると判定された場合に、前記異常な信号を測定した通信端末に異常が発生したことを外部に通知するように構成された通知部を備えていてもよい。 The abnormality management device according to the present invention may further include a notification unit configured to notify an external party that an abnormality has occurred in the communication terminal that measured the abnormal signal when the determination unit determines that the signal is abnormal.
また、本発明に係る異常管理装置において、前記第2学習部は、前記生成器と、前記生成器によって生成された前記疑似異常データと前記真の異常データとを識別する識別器とを有する生成モデルの敵対的学習を行ってもよい。 In addition, in the anomaly management device according to the present invention, the second learning unit may perform adversarial learning of a generative model having the generator and a classifier that distinguishes between the pseudo-anomalous data generated by the generator and the true anomalous data.
上述した課題を解決するために、本発明に係る異常管理方法は、複数の信号の周波数スペクトルのうち、各周波数成分の強度が正常な周波数スペクトルを示す正常データを教師データとして、各周波数成分の強度が正常である事後確率を出力する確率モデルのパラメータを最尤推定により学習する第1学習ステップと、学習された前記確率モデルにより推定される前記事後確率と、前記正常データの確率分布と、正常である事前確率とに基づいて、異常な強度の周波数成分を含む周波数スペクトルを示す異常データの確率分布を導出する導出ステップと、導出された前記異常データの確率分布に基づいて、前記異常データの周波数スペクトルを求めるデータ処理ステップと、前記データ処理ステップで求められた前記異常データの周波数スペクトルを真の異常データとして、前記真の異常データに統計的に類似する疑似異常データを生成する生成器を学習する第2学習ステップと、第2学習ステップで構築された学習済みの生成器を用いて生成された前記疑似異常データを記憶部に記憶する記憶ステップとを備える。 In order to solve the above-mentioned problems, the anomaly management method according to the present invention includes a first learning step of learning parameters of a probability model that outputs a posterior probability that the intensity of each frequency component is normal by maximum likelihood estimation, using normal data, which indicates a frequency spectrum in which the intensity of each frequency component is normal, among the frequency spectra of a plurality of signals, as teacher data; a derivation step of deriving a probability distribution of abnormal data indicating a frequency spectrum containing a frequency component of abnormal intensity based on the posterior probability estimated by the learned probability model, the probability distribution of the normal data, and the prior probability of normality; a data processing step of determining a frequency spectrum of the abnormal data based on the derived probability distribution of the abnormal data; a second learning step of learning a generator that generates pseudo-abnormal data that is statistically similar to the true abnormal data, using the frequency spectrum of the abnormal data determined in the data processing step as true abnormal data; and a storage step of storing the pseudo-abnormal data generated using the learned generator constructed in the second learning step in a storage unit.
また、本発明に係る異常管理方法において、さらに、管理対象の信号の周波数スペクトルを収集する収集ステップと、収集された前記管理対象の信号の周波数スペクトルが、前記記憶部に記憶されている前記疑似異常データと一致する場合に、前記管理対象の信号は異常な信号であると判定する判定ステップとを備えていてもよい。 The anomaly management method according to the present invention may further include a collection step of collecting a frequency spectrum of the signal to be managed, and a determination step of determining that the signal to be managed is an abnormal signal when the collected frequency spectrum of the signal to be managed matches the pseudo-abnormal data stored in the storage unit.
また、本発明に係る異常管理方法において、さらに、前記判定ステップで前記異常な信号であると判定された場合に、前記異常な信号を測定した通信端末に異常が発生したことを外部に通知する通知ステップを備えていてもよい。 The abnormality management method according to the present invention may further include a notification step of notifying an external party that an abnormality has occurred in the communication terminal that measured the abnormal signal if the determination step determines that the signal is abnormal.
また、本発明に係る異常管理方法において、前記第2学習ステップは、前記生成器と、前記生成器によって生成された前記疑似異常データと前記真の異常データとを識別する識別器とを有する生成モデルの敵対的学習を行ってもよい。 In addition, in the anomaly management method according to the present invention, the second learning step may involve adversarial learning of a generative model having the generator and a classifier that distinguishes between the pseudo-anomalous data generated by the generator and the true anomalous data.
本発明によれば、各周波数成分の強度が正常な周波数スペクトルを示す正常データを教師データとして、各周波数成分の強度が正常である事後確率を出力する確率モデルのパラメータを最尤推定により学習し、学習された確率モデルにより推定される事後確率と、正常データの確率分布と、正常である確率とに基づいて、異常な強度の周波数成分を含む周波数スペクトルを示す異常データの確率分布を導出する。そのため、異常信号の測定データが少ない場合であっても信号の異常を管理することができる。 According to the present invention, normal data showing a frequency spectrum in which the intensity of each frequency component is normal is used as training data, and parameters of a probability model that outputs the posterior probability that the intensity of each frequency component is normal are learned by maximum likelihood estimation, and a probability distribution of abnormal data showing a frequency spectrum containing frequency components of abnormal intensity is derived based on the posterior probability estimated by the learned probability model, the probability distribution of normal data, and the probability of normality. Therefore, signal abnormalities can be managed even when there is little measurement data of the abnormal signal.
以下、本発明の好適な実施の形態について、図1から図9を参照して詳細に説明する。 A preferred embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to Figures 1 to 9.
[通信制御システムの構成]
まず、図1を参照して、本発明の実施の形態に係る異常管理装置1を備える異常管理システムの概要について説明する。
[Configuration of communication control system]
First, with reference to FIG. 1, an overview of an abnormality management system including an abnormality management device 1 according to an embodiment of the present invention will be described.
異常管理システムは、異常管理装置1、および通信端末2を備える。異常管理装置1と通信端末2とは、ネットワークNWを介して接続される。本実施の形態に係る異常管理システムは、通信端末2が測定した信号の周波数スペクトルに基づいて、信号の異常を検出するための異常データのデータベースを構築する。 The abnormality management system includes an abnormality management device 1 and a communication terminal 2. The abnormality management device 1 and the communication terminal 2 are connected via a network NW. The abnormality management system according to this embodiment builds a database of abnormality data for detecting signal abnormalities based on the frequency spectrum of the signal measured by the communication terminal 2.
ネットワークNWは、例えば、LAN、WANまたはインターネット、ISDNなどの有線ネットワークや、無線LAN、LTE/4G、5G、6G無線通信システムを用いたモバイル通信ネットワーク、ブルートゥース(登録商標(Bluetooth))などの無線ネットワークを含むが、本発明の範囲は、それらに限定されるものではない。 The network NW includes, for example, wired networks such as LAN, WAN, the Internet, and ISDN, as well as wireless networks such as wireless LAN, mobile communication networks using LTE/4G, 5G, and 6G wireless communication systems, and Bluetooth (registered trademark), but the scope of the present invention is not limited to these.
通信端末2は、スマートフォンなどの携帯通信端末、タブレット型コンピュータ、ラップトップ型コンピュータ、ウェアラブルデバイスなどとして実現することができる。本実施の形態では、通信端末2は、n台(nは2以上の正の整数)存在する。通信端末2は、SIM(Subscriber Identity Module)を有し、SIMの契約プロファイルには、加入者識別番号(IMSI:International Mobile Subscriber Identity)などの識別子情報が含まれる、モバイル通信ネットワークに対応する端末を含む。 The communication terminal 2 can be realized as a mobile communication terminal such as a smartphone, a tablet computer, a laptop computer, a wearable device, or the like. In this embodiment, there are n communication terminals 2 (n is a positive integer of 2 or more). The communication terminals 2 include terminals compatible with a mobile communication network that have a SIM (Subscriber Identity Module), and the contract profile of the SIM includes identifier information such as a subscriber identification number (IMSI: International Mobile Subscriber Identity).
また、通信端末2は、IPアドレスを持ち、IoT端末として構成されるものを含む。通信端末2は、モバイル通信モジュール、および各種センサを備え、様々な物理量を検知し、電気信号として測定することができる。通信端末2は、測定した信号を、ネットワークNWを介して図示されないゲートウェイ等、または異常管理装置1に送信する。本実施の形態では、一例として、通信端末2がモバイル通信モジュールで定期的に測定し記録する、基地局から受信した信号の受信レベルや信号強度を異常管理の対象の信号とする。 The communication terminal 2 also includes a terminal having an IP address and configured as an IoT terminal. The communication terminal 2 is equipped with a mobile communication module and various sensors, and can detect various physical quantities and measure them as electrical signals. The communication terminal 2 transmits the measured signals to a gateway or the like (not shown) or to the abnormality management device 1 via the network NW. In this embodiment, as an example, the reception level and signal strength of signals received from base stations, which are periodically measured and recorded by the communication terminal 2 using the mobile communication module, are treated as signals subject to abnormality management.
図1の領域2aに示すように、通信端末2は、信号強度(「電力[dB]」)の時系列データを測定し、記録する。領域2aに示す、信号強度の波形データからは、信号強度の異常の発生を直接検出することが困難である。そのため、後述の異常管理装置1は、信号強度の時系列データを周波数領域のスペクトルに変換し、周波数成分を解析することで信号の異常検出を行う。 As shown in area 2a of FIG. 1, the communication terminal 2 measures and records time series data of signal strength ("power [dB]"). It is difficult to directly detect the occurrence of an abnormality in signal strength from the signal strength waveform data shown in area 2a. Therefore, the abnormality management device 1 described below converts the time series data of signal strength into a spectrum in the frequency domain and detects signal abnormalities by analyzing the frequency components.
図2は、異常な強度の周波数成分を含む周波数スペクトルを示す異常データを説明するための図である。図2の(a)は、横軸が周波数、縦軸が強度であり、曲線a1は、ある通信端末2により測定された信号の各周波数成分の強度が正常な周波数スペクトル、曲線b1は、別の通信端末2により測定された信号において、異常な強度の周波数成分を含む周波数スペクトルを示す。周波数の範囲cにおいて、正常な周波数スペクトルには存在しない、異常な周波数成分のピークが存在し、周波数成分の強度の異常が発生している。このような異常な強度の周波数成分が含まれる周波数スペクトルに係る信号を測定した通信端末2には、ハードウェアや設定の問題、あるいは、受信環境側の問題が発生している。例えば、通信端末2の通信モジュールの故障、測定ソフトウェアのバグや誤設定、内部ノイズ源による影響が発生している場合がある。したがって、異常な強度の周波数成分が含まれる周波数スペクトルに係る信号を測定した通信端末2には故障が発生しているものと考える。 Figure 2 is a diagram for explaining abnormal data showing a frequency spectrum containing a frequency component of abnormal intensity. In (a) of Figure 2, the horizontal axis is frequency and the vertical axis is intensity. Curve a1 shows a frequency spectrum in which the intensity of each frequency component of a signal measured by a certain communication terminal 2 is normal, and curve b1 shows a frequency spectrum containing a frequency component of abnormal intensity in a signal measured by another communication terminal 2. In the frequency range c, there is a peak of an abnormal frequency component that does not exist in the normal frequency spectrum, and an abnormality in the intensity of the frequency component occurs. A communication terminal 2 that has measured a signal related to a frequency spectrum containing such a frequency component of abnormal intensity has a problem with hardware or settings, or a problem on the receiving environment side. For example, there may be a failure of the communication module of the communication terminal 2, a bug or incorrect setting of the measurement software, or an influence due to an internal noise source. Therefore, it is considered that a failure has occurred in the communication terminal 2 that has measured a signal related to a frequency spectrum containing a frequency component of abnormal intensity.
[異常管理装置の機能ブロック]
次に、本実施の形態に係る異常管理装置1の機能ブロックについて、図1のブロック図を参照して説明する。図1に示すように、異常管理装置1は、収集部10、第1学習部11、導出部12、データ処理部13、第2学習部14、生成部15、記憶部16、判定部17、および通知部18を備える。
[Function block of the abnormality management device]
Next, functional blocks of the abnormality management device 1 according to this embodiment will be described with reference to the block diagram of Fig. 1. As shown in Fig. 1, the abnormality management device 1 includes a collection unit 10, a first learning unit 11, a derivation unit 12, a data processing unit 13, a second learning unit 14, a generation unit 15, a storage unit 16, a determination unit 17, and a notification unit 18.
収集部10は、ネットワークNWを介して、複数の通信端末2の各々で測定された信号の周波数スペクトルを収集する。あるいは、収集部10は、複数の通信端末2の各々で測定された信号の時系列データを収集し、収集した信号をフーリエ変換して、周波数スペクトルを得ることができる。信号の時系列データおよびその周波数スペクトルには、信号を測定した通信端末2の識別情報が関連付けられている。収集部10は、第1学習部11が学習に用いる各周波数成分の強度が正常な周波数スペクトルが一定数以上含まれる信号の周波数スペクトルを収集する。また、収集部10は、判定部17が異常判定の対象とする、管理対象の信号の周波数スペクトルを収集する。 The collection unit 10 collects frequency spectra of signals measured by each of the multiple communication terminals 2 via the network NW. Alternatively, the collection unit 10 can collect time series data of signals measured by each of the multiple communication terminals 2 and perform a Fourier transform on the collected signals to obtain frequency spectra. The time series data of the signal and its frequency spectrum are associated with identification information of the communication terminal 2 that measured the signal. The collection unit 10 collects frequency spectra of signals that include a certain number or more of frequency spectra with normal intensities for each frequency component used for learning by the first learning unit 11. The collection unit 10 also collects frequency spectra of signals under management that are subject to abnormality judgment by the judgment unit 17.
第1学習部11は、複数の信号の周波数スペクトルのうち、各周波数成分の強度が正常な周波数スペクトルを示す正常データを教師データとして、各周波数成分の強度が正常である事後確率を出力する確率モデルのパラメータを最尤推定により学習する。第1学習部11は、異常データが少ない状況において、正常データを用いて、確率モデルを最尤推定により学習する。第1学習部11は、正常データが一定以上含まれる複数の周波数スペクトルを教師データとして利用することができる。「強度」とは、各周波数成分の振幅、パワー、またはこれらに対応する物理量を含む概念であり、強度として電圧の値を用いる態様も含まれるものとする。 The first learning unit 11 uses normal data, which indicates a frequency spectrum in which the intensity of each frequency component is normal, among the frequency spectra of multiple signals, as training data, and learns parameters of a probability model that outputs the posterior probability that the intensity of each frequency component is normal, by maximum likelihood estimation. In a situation in which there is little abnormal data, the first learning unit 11 uses normal data to learn a probability model by maximum likelihood estimation. The first learning unit 11 can use multiple frequency spectra that contain a certain amount or more of normal data as training data. "Intensity" is a concept that includes the amplitude, power, or physical quantities corresponding to these of each frequency component, and also includes a mode in which a voltage value is used as intensity.
ここで、xをある観測地点である周波数成分の強度xであるとする。また、次式(1)に示すように、正常データの密度関数を、ρd(x)、異常データの密度関数をρg(x)とそれぞれ定義する。
上式(1)において、y=1は、正常のクラス、y=0は、異常のクラスを示す。したがって、ρd(x)は、正常クラスy=1に属する場合の強度xの出現傾向を示し、ρg(x)は、異常クラスy=0に属する場合の強度xの出現傾向を示す。ここで、図2の(b)は、横軸が強度、縦軸が確率分布を示し、図2の(a)の正常データa1および異常データb1の黒丸のデータポイントでの、正常データの密度関数(確率分布)a2、および異常データの密度関数(確率分布)b2を示す。図2の(b)の例では、正常データおよび異常データの確率分布はともに正規分布をとる。 In the above formula (1), y=1 indicates the normal class, and y=0 indicates the abnormal class. Therefore, ρd (x) indicates the appearance tendency of intensity x when belonging to normal class y=1, and ρg (x) indicates the appearance tendency of intensity x when belonging to abnormal class y=0. Here, FIG. 2B shows the horizontal axis of intensity and the vertical axis of probability distribution, and shows the density function (probability distribution) a2 of normal data and the density function (probability distribution) b2 of abnormal data at the data points of the black circles of normal data a1 and abnormal data b1 in FIG. 2A. In the example of FIG. 2B, both the probability distributions of normal data and abnormal data are normal distributions.
上式(1)の密度関数の密度比γ(x)は次式(2)で表される。
ここで、π=ρ(y=1)とすると、上式(3)は、さらに、次式(4)で表される。
そこで、はじめに観測値xが大量にある正常(y=1)である事後確率ρ(y=1|x)を求めることとする。正常データの事後確率ρ(y=1|x)が正規分布をとることを仮定すると次式(5)で示すように定義される。
さらに、確率モデルの出力f(xn)を、線形結合で表すと、次式(6)のように表すことができる。
さらに、学習したパラメータwに基づいて推定された強度f(xn)と、実際の正常な強度tn(教師信号)との誤差の平均は、次式(9)で示す正規分布の分散σ2の値になる。
このように、入力xに対して、線形結合で表す確率モデルが、強度が正常である事後確率を推定する場合に、各観測値tは、確率モデルの推定値f(xn)を平均とする正規分布に従っていると仮定する。全データ(xn,tn)に対して最尤推定を行うことで、確率モデルのパラメータwおよび誤差の分散σ2を推定する。また、上式(5)の正規分布の定義式から、正常データの密度関数ρd(x)が求まる。 In this way, when a probability model expressed by a linear combination estimates the posterior probability that the intensity is normal for an input x, it is assumed that each observed value t follows a normal distribution with the estimated value f( xn ) of the probability model as the mean. The parameter w of the probability model and the error variance σ2 are estimated by performing maximum likelihood estimation for all data ( xn , tn ). In addition, the density function ρd (x) of normal data is obtained from the definition of the normal distribution in the above formula (5).
ここで、正常データの事後確率ρ(y=1|x)を近似的に推定すると、ρ(y=1|x)≒qw(y=1|x)の関係となる。入力された強度xが正常である事後確率の推定値qw(y=1|x)に基づき、損失関数Uとして交差エントロピーを次式(10)のように定義する。
上式(10)の損失関数Uの収束値(最小値)は、次式(11)で表される。
導出部12は、上式(11)を変形して、次式(12)とし、異常データの密度関数ρg(x)を導出する。
上式(12)において、正常データの確率分布すなわち正常データの密度関数ρd(x)は、収集部10により収集された正常データから算出される。また、正常データの事前確率πは、異常データの事前確率(1-π)よりも非常に大きいため、例えば0.99と設定することができる。さらに、観測値xに対し、y=1であるときの対数尤度lnqw(y=1|x)は、上式(6)~(9)で示したように、大量の正常データ(教師信号)に基づいて最尤推定で求められる。このように、異常データが少ない場合であっても、正常データから異常データの確率分布を求めることができる。 In the above formula (12), the probability distribution of normal data, i.e., the density function ρ d (x) of normal data, is calculated from the normal data collected by the collection unit 10. In addition, the prior probability π of normal data is much larger than the prior probability (1-π) of abnormal data, and can be set to, for example, 0.99. Furthermore, for an observed value x, the log likelihood lnq w (y=1|x) when y=1 is obtained by maximum likelihood estimation based on a large amount of normal data (teacher signal), as shown in the above formulas (6) to (9). In this way, even if there is a small amount of abnormal data, the probability distribution of abnormal data can be obtained from normal data.
導出部12は、第1学習部11により学習された確率モデルにより推定される事後確率の推定値qw(y=1|x)と、正常データの密度関数ρd(x)と、正常である事前確率πとに基づいて、異常な強度を示す異常データの密度関数ρg(x)を導出する。 The derivation unit 12 derives a density function ρg (x) of abnormal data indicating abnormal intensity based on an estimate qw (y=1|x) of the posterior probability estimated by the probability model learned by the first learning unit 11, a density function ρd (x) of normal data, and a priori probability π of normality.
データ処理部13は、導出された異常データの確率分布に基づいて、異常データの周波数スペクトルを求める。データ処理部13は、上式(12)の異常データの密度関数ρg(x)を用いて、例えばランダムサンプリングによって異常状態における強度の値を生成し、周波数成分ごと順に並べることで、異常データに係る周波数スペクトルを得ることができる。また、データ処理部13は、図2の(a)の異常状態が発生している周波数の範囲cの任意の複数のデータポイントに対応する異常データの周波数スペクトルを求めることができる。 The data processing unit 13 obtains a frequency spectrum of the abnormal data based on the derived probability distribution of the abnormal data. The data processing unit 13 generates intensity values in an abnormal state by, for example, random sampling using the density function ρ g (x) of the abnormal data in the above formula (12), and arranges the values in order for each frequency component, thereby obtaining a frequency spectrum related to the abnormal data. The data processing unit 13 can also obtain a frequency spectrum of the abnormal data corresponding to any multiple data points in the frequency range c in which the abnormal state in FIG. 2(a) occurs.
第2学習部14は、データ処理部13により求められた異常データの周波数スペクトルを真の異常データとして、真の異常データに統計的に類似する疑似異常データを生成する生成器141を学習する。第2学習部14は、例えば、生成器141と、生成器141によって生成された疑似異常データと真の異常データとを識別する識別器142とを有する生成モデルの敵対的学習を行う。 The second learning unit 14 learns a generator 141 that generates pseudo-abnormal data that is statistically similar to true abnormal data, using the frequency spectrum of the abnormal data obtained by the data processing unit 13 as true abnormal data. The second learning unit 14 performs adversarial learning of a generative model that has, for example, the generator 141 and a classifier 142 that distinguishes between the pseudo-abnormal data generated by the generator 141 and true abnormal data.
第2学習部14は、図3に示すように、生成器141および識別器142を有するGAN(Generative Adversarial Network)を敵対的に学習させる。 As shown in FIG. 3, the second learning unit 14 performs adversarial learning on a GAN (Generative Adversarial Network) having a generator 141 and a discriminator 142.
図4および図5は、第2学習部14が用いるGANの生成器141および識別器142のニューラルネットワーク構成を模式的に表した図である。図4に示すように、生成器141は、入力層、隠れ層、および出力層を有するニューラルネットワークで構成される。生成器141は、ランダムな雑音から疑似異常データを生成するモデルである。生成器141の入力ノードには、例えば、ガウス雑音のベクトルがランダムにm個サンプルされて入力される(z1~zm)。 4 and 5 are diagrams showing schematic configurations of the neural network of the generator 141 and the classifier 142 of the GAN used by the second learning unit 14. As shown in FIG. 4, the generator 141 is configured of a neural network having an input layer, a hidden layer, and an output layer. The generator 141 is a model that generates pseudo abnormal data from random noise. For example, m randomly sampled Gaussian noise vectors (z 1 to z m ) are input to the input node of the generator 141.
生成器141は、入力と重みパラメータの積和演算および活性化関数によるしきい値処理を経て出力G(z)を出力する。生成器141からの出力G(z)は、真の異常データに類似するデータである。生成器141を構成するニューラルネットワークとしてCNNやResNetを用いることができる。 The generator 141 outputs the output G(z) after performing a product-sum operation on the input and weight parameters and threshold processing using an activation function. The output G(z) from the generator 141 is data that is similar to true abnormal data. CNN or ResNet can be used as the neural network that constitutes the generator 141.
図5に示す識別器142は、入力層、隠れ層、および出力層を有するニューラルネットワークで構成される。図5の例では、訓練データの入力として、第1学習部11による学習の結果、データ処理部14により求められた異常データの周波数スペクトルが与えられる。 The classifier 142 shown in FIG. 5 is composed of a neural network having an input layer, a hidden layer, and an output layer. In the example of FIG. 5, the frequency spectrum of the abnormal data obtained by the data processing unit 14 as a result of learning by the first learning unit 11 is provided as the input of the training data.
識別器142は、入力と重みパラメータの積和演算および活性化関数によるしきい値処理を経て、1または0の二値出力を出す。識別器142は、入力された真の異常データに係る訓練データを正しく真の異常データであると識別すると出力y=1を出力する。一方、入力された疑似異常データに係る訓練データを正しく疑似異常データであると識別すると出力y=0を出力する。このように、識別器142は、生成器141が生成したモデル分布を真の分布である訓練データのデータ分布から区別するモデルである。識別器142を構成するニューラルネットワークとしてCNNを用いることができる。 The discriminator 142 outputs a binary output of 1 or 0 after performing a product-sum operation on the input and weight parameters and threshold processing using an activation function. When the discriminator 142 correctly identifies the training data related to the input truly abnormal data as truly abnormal data, it outputs an output y=1. On the other hand, when the discriminator 142 correctly identifies the training data related to the input pseudo-abnormal data as pseudo-abnormal data, it outputs an output y=0. In this way, the discriminator 142 is a model that distinguishes the model distribution generated by the generator 141 from the data distribution of the training data, which is the true distribution. A CNN can be used as the neural network that constitutes the discriminator 142.
図3は、第2学習部14によるGANの敵対的学習を説明するためのブロック図である。第2学習部14が採用するGANの生成器141を関数G、識別器142を関数Dと表す。また、真の異常データをx、識別器142による出力である予測値はyと表し、正解ラベルをtと表す。正解ラベルtは、真の異常データに対して1、生成器141で生成された疑似異常データに対して0と設定される。このとき、識別器142は、二値分類問題として次式(13)の交差エントロピーECEで表すことができる。 3 is a block diagram for explaining the adversarial learning of GAN by the second learning unit 14. The generator 141 of the GAN adopted by the second learning unit 14 is represented as a function G, and the discriminator 142 is represented as a function D. Furthermore, true abnormal data is represented as x, the predicted value output by the discriminator 142 is represented as y, and the correct label is represented as t. The correct label t is set to 1 for true abnormal data and 0 for pseudo abnormal data generated by the generator 141. At this time, the discriminator 142 can be represented as a binary classification problem by the cross entropy E CE of the following equation (13).
上式(13)のブレース内の第1項が表すtnlnynにおいて、識別器142の予測値ynが、真の異常データの正解ラベルtn=1の値に近づくことが望ましい。一方、ブレース内の第2項が表す(1-tn)ln(1-yn)においては、識別器142の予測値ynが、疑似異常データと識別する正解ラベルの値(1-tn)=0に近づくことが望ましい。このように交差エントロピーECEは、予測値が正解ラベルの値に一致している場合に最大値となる。 In t n lny n represented by the first term in the braces in the above equation (13), it is desirable that the predicted value yn of the classifier 142 approaches the value of the correct label of truly anomalous data, t n = 1. On the other hand, in (1-t n ) ln (1-y n ), represented by the second term in the braces, it is desirable that the predicted value yn of the classifier 142 approaches the value of the correct label for classifying pseudo anomalous data, (1-t n ) = 0. In this way, the cross entropy E CE is maximum when the predicted value matches the value of the correct label.
ここで、GANを構成する生成器141は、パラメータwG,θGを有し、関数G(wG,θG)と表す。また、識別器142は、パラメータwD,θDを有し、関数D(wD,θD)と表す。上式(13)の交差エントロピーECEに基づいた生成器141と識別器142とを備えるGANの目的関数Eは、次式(14)で表すことができる。
上式(14)の第1項が表すED(x)=1lnD(wD,θD)は、識別器142が真の異常データを真の異常データであると識別する期待値である。上式(14)の第2項が表すED(x)=0ln(1-D(G(wG,θG),wD,θD))は、生成器141により生成された疑似異常データを識別器142が疑似異常データであると識別する期待値である。GANの学習では、目的関数Eのmin-max最適化により、生成器141と識別器142とを敵対的に学習する。したがって、識別器142をだますような疑似異常データを生成できるように生成器141を学習し、生成器141が生成した疑似異常データを疑似異常データであると識別するように識別器142を学習する。 E D(x)=1 lnD(w D , θ D ), which is the first term of the above formula (14), is the expected value at which the discriminator 142 discriminates true anomalous data as true anomalous data. E D(x)=0 ln(1-D(G(w G , θ G ), w D , θ D )), which is the second term of the above formula (14), is the expected value at which the discriminator 142 discriminates the pseudo anomalous data generated by the generator 141 as pseudo anomalous data. In GAN learning, the generator 141 and the discriminator 142 are trained in an adversarial manner by min-max optimization of the objective function E. Therefore, the generator 141 is trained so as to generate pseudo anomalous data that deceives the discriminator 142, and the discriminator 142 is trained so as to discriminate the pseudo anomalous data generated by the generator 141 as pseudo anomalous data.
識別器142の学習では、真の異常データが与えられた場合に、識別器142がy=1に近い出力を出すことで、上式(14)の目的関数Eの第1項を最大化する。一方、疑似異常データが与えられた場合に、識別器142がy=0に近い出力を出すことで目的関数Eの第2項を最大化するように学習が行われる。 In the learning of the classifier 142, when true abnormal data is given, the classifier 142 maximizes the first term of the objective function E in the above equation (14) by outputting an output close to y = 1. On the other hand, when pseudo abnormal data is given, the classifier 142 learns to maximize the second term of the objective function E by outputting an output close to y = 0.
生成器141の学習では、上式(14)のD(G(wG,θG),wD,θD)(図3のD(G(z)))が1に近くなるようなG(wG,θG)(図3のG(z))を出力することで、目的関数Eを最小化する。第2学習部14は、生成器141のパラメータと識別器142のパラメータとを交互に更新する学習手順を用いる。なお、第2学習部14による生成器141および識別器142の学習手順の詳細は後述する。 In the learning of the generator 141, the objective function E is minimized by outputting G( wG , θG ) (G(z) in FIG. 3) such that D(G( wG , θG), wD , θD ) (D(G( z )) in FIG. 3) in the above equation (14) becomes close to 1. The second learning unit 14 uses a learning procedure that alternately updates the parameters of the generator 141 and the parameters of the discriminator 142. Details of the learning procedure of the generator 141 and the discriminator 142 by the second learning unit 14 will be described later.
生成部15は、第2学習部14によってGANの目的関数Eが最適化された学習済みの生成器141’により、疑似異常データを生成する。 The generation unit 15 generates pseudo-abnormal data using a trained generator 141' in which the objective function E of the GAN has been optimized by the second learning unit 14.
記憶部16は、生成された疑似異常データを記憶する。記憶部16は、データ処理部13によって求められた真の異常データについても記憶する。 The memory unit 16 stores the generated pseudo-abnormal data. The memory unit 16 also stores the true abnormal data determined by the data processing unit 13.
判定部17は、収集部10によって収集された信号の周波数スペクトルが、記憶部16に記憶されている疑似異常データと一致する場合に、異常な信号であると判定する。より具体的には、信号の周波数スペクトルが記憶部16に記憶されている疑似異常データおよび真の異常データに一致する場合には、判定部17は周波数スペクトルの信号に関連付けられた通信端末2を特定する。 The determination unit 17 determines that the signal is abnormal when the frequency spectrum of the signal collected by the collection unit 10 matches the pseudo-abnormal data stored in the storage unit 16. More specifically, when the frequency spectrum of the signal matches the pseudo-abnormal data and the true abnormal data stored in the storage unit 16, the determination unit 17 identifies the communication terminal 2 associated with the signal of the frequency spectrum.
通知部18は、判定部17により異常な信号であると判定された場合に、判定対象の周波数スペクトルの信号を測定した通信端末2に異常が発生したことを、外部に通知する。通知部18は、外部に設けられた管理サーバにアラームを送出することができる。通知部18は、異常の発生が検出された通信装置2に、ネットワークNWを介して通知を送出してもよい。 When the determination unit 17 determines that the signal is abnormal, the notification unit 18 notifies the outside that an abnormality has occurred in the communication terminal 2 that measured the signal of the frequency spectrum to be determined. The notification unit 18 can send an alarm to an external management server. The notification unit 18 may also send a notification via the network NW to the communication device 2 in which the occurrence of the abnormality has been detected.
[異常管理装置のハードウェア構成]
次に、上述した機能を有する異常管理装置1を実現するハードウェア構成の一例について、図6を用いて説明する。
[Hardware configuration of the abnormality management device]
Next, an example of a hardware configuration for realizing the abnormality management device 1 having the above-mentioned functions will be described with reference to FIG.
図6に示すように、異常管理装置1は、例えば、バス101を介して接続されるプロセッサ102、主記憶装置103、通信インターフェース104、補助記憶装置105、入出力I/O106を備えるコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。さらに、異常管理装置1は、表示装置107を備える。 As shown in FIG. 6, the abnormality management device 1 can be realized by, for example, a computer including a processor 102, a main memory device 103, a communication interface 104, an auxiliary memory device 105, and an input/output I/O 106 connected via a bus 101, and a program that controls these hardware resources. Furthermore, the abnormality management device 1 includes a display device 107.
プロセッサ102は、CPU、GPU、FPGA、ASICなどによって実現される。 The processor 102 is realized by a CPU, GPU, FPGA, ASIC, etc.
主記憶装置103には、プロセッサ102が各種制御や演算を行うためのプログラムが予め格納されている。プロセッサ102と主記憶装置103とによって、図1に示した収集部10、第1学習部11、導出部12、データ処理部13、第2学習部14、生成部15、判定部17、および通知部18など異常管理装置1の各機能が実現される。 The main memory device 103 prestores programs that allow the processor 102 to perform various controls and calculations. The processor 102 and the main memory device 103 realize the various functions of the abnormality management device 1, such as the collection unit 10, the first learning unit 11, the derivation unit 12, the data processing unit 13, the second learning unit 14, the generation unit 15, the judgment unit 17, and the notification unit 18 shown in FIG. 1.
通信インターフェース104は、異常管理装置1と各種外部電子機器との間をネットワーク接続するためのインターフェース回路である。 The communication interface 104 is an interface circuit for network connection between the abnormality management device 1 and various external electronic devices.
補助記憶装置105は、読み書き可能な記憶媒体と、その記憶媒体に対してプログラムやデータなどの各種情報を読み書きするための駆動装置とで構成されている。補助記憶装置105には、記憶媒体としてハードディスクやフラッシュメモリなどの半導体メモリを使用することができる。 The auxiliary storage device 105 is composed of a readable/writable storage medium and a drive for reading and writing various information such as programs and data from the storage medium. The auxiliary storage device 105 can use semiconductor memory such as a hard disk or flash memory as the storage medium.
補助記憶装置105は、異常管理プログラムを格納するプログラム格納領域を有する。また、補助記憶装置105は、異常管理装置1が実行するGANの敵対的学習を行うための学習プログラムを格納するプログラム格納領域を有する。また、補助記憶装置105は、異常管理装置1が実行する第1学習プログラムを格納するプログラム格納領域を有する。補助記憶装置105によって、図1で説明した記憶部16が実現される。さらには、例えば、上述したデータやプログラムなどをバックアップするためのバックアップ領域などを有していてもよい。 The auxiliary storage device 105 has a program storage area for storing the anomaly management program. The auxiliary storage device 105 also has a program storage area for storing a learning program for performing adversarial learning of the GAN executed by the anomaly management device 1. The auxiliary storage device 105 also has a program storage area for storing the first learning program executed by the anomaly management device 1. The auxiliary storage device 105 realizes the memory unit 16 described in FIG. 1. Furthermore, for example, it may have a backup area for backing up the above-mentioned data, programs, etc.
入出力I/O106は、外部機器からの信号を入力したり、外部機器へ信号を出力したりする入出力装置である。 The input/output I/O 106 is an input/output device that inputs signals from external devices and outputs signals to external devices.
表示装置107は、有機ELディスプレイや液晶ディスプレイなどによって構成される。表示装置107は、真の異常データを画面表示させることができる。 The display device 107 is configured with an organic EL display, a liquid crystal display, or the like. The display device 107 can display true abnormal data on the screen.
[異常管理装置の動作]
次に、上述した構成を有する異常管理装置1の動作を、図7、8のフローチャートを参照して説明する。
[Operation of the abnormality management device]
Next, the operation of the abnormality management device 1 having the above-mentioned configuration will be described with reference to the flowcharts of FIGS.
図7に示すように、まず、収集部10は、正常データが一定数以上含まれる周波数スペクトルを収集する(ステップS1)。収集部10は、複数の信号の周波数スペクトルのうち、例えば、99%などが正常データである周波数スペクトルを収集する。収集部10は、ネットワークNWを介してゲートウェイまたは各通信端末2から、各通信端末2で測定された信号の時系列データを収集し、周波数スペクトルに変換することができる。 As shown in FIG. 7, first, the collection unit 10 collects frequency spectra that contain a certain number of normal data or more (step S1). The collection unit 10 collects frequency spectra of multiple signals, for example, frequency spectra in which 99% or more of the data is normal. The collection unit 10 can collect time series data of signals measured at each communication terminal 2 from the gateway or each communication terminal 2 via the network NW, and convert the data into a frequency spectrum.
次に、第1学習部11は、第1学習処理を行う(ステップS2)。その後、導出部12は、異常データの密度関数を導出する(ステップS3)。図8は、ステップS2およびステップS3をより詳細に説明するフローチャートである。図8のステップS30に示すように、第1学習部11は、ステップS1で収集された、一定上の割合で正常データが含まれる周波数スペクトルに基づいて、正常データを教師データとして、強度xが正常である事後確率の推定値qw(y=1|x)を出力する確率モデルのパラメータw,σ2を最尤推定により学習する(ステップS30)。 Next, the first learning unit 11 performs a first learning process (step S2). After that, the derivation unit 12 derives a density function of the abnormal data (step S3). FIG. 8 is a flowchart for explaining steps S2 and S3 in more detail. As shown in step S30 of FIG. 8, the first learning unit 11 learns the parameters w and σ 2 of a probabilistic model that outputs an estimate q w (y=1|x) of the posterior probability that the intensity x is normal, by maximum likelihood estimation, based on the frequency spectrum that includes normal data at a certain rate or higher, collected in step S1 , using the normal data as teacher data (step S30).
ステップS30では、第1学習部11は、上式(6)~(9)に従い、最尤推定による学習を行う。また、ステップS30では、第1学習部11は、最尤推定により推定されたパラメータw,σ2を有する確率モデルから、強度xが正常である事後確率の推定値qw(y=1|x)を求める。 In step S30, the first learning unit 11 performs learning by maximum likelihood estimation according to the above formulas (6) to (9). Also, in step S30, the first learning unit 11 obtains an estimate q w (y=1|x) of the posterior probability that the intensity x is normal from a probability model having parameters w and σ 2 estimated by maximum likelihood estimation.
さらに、第1学習部11は、各周波数成分の正常な強度xに基づいて、正常データの密度関数ρd(x)(正規分布)を推定する(ステップS31)。 Furthermore, the first learning unit 11 estimates a density function ρ d (x) (normal distribution) of normal data based on the normal intensity x of each frequency component (step S31).
次に、導出部12は、上式(12)に、ステップS30で求めた事後確率の対数尤度lnqw(y=1|x)、ステップS31で求めた正常データの密度関数ρd(x)、および正常データの事前確率π(例:0.99)を代入して、異常データの密度関数ρg(x)を導出する(ステップS33)。 Next, the derivation unit 12 substitutes the log-likelihood of the posterior probability lnqw (y=1|x) calculated in step S30, the density function ρd (x) of the normal data calculated in step S31, and the prior probability π (e.g., 0.99) of the normal data into the above equation (12) to derive the density function ρg (x) of the abnormal data (step S33).
その後、処理は、図7のステップS4に移行する。続いて、データ処理部13は、ステップS3で導出された異常データの密度関数ρg(x)に基づいて、異常データの周波数成分ごとの強度を順に並べて、周波数スペクトルを求める(ステップS4)。例えば、ステップS4では、各周波数成分での正規分布である密度関数ρg(x)より、中央値を中心に1万データを作成する。周波数成分の数が1,000個の場合は、(1万の1,000乗)個の周波数スペクトルを作成する。 After that, the process proceeds to step S4 in Fig. 7. Next, the data processing unit 13 sequentially arranges the intensities of the frequency components of the abnormal data based on the density function ρg (x) of the abnormal data derived in step S3 to obtain a frequency spectrum (step S4). For example, in step S4, 10,000 pieces of data are created centered on the median from the density function ρg (x), which is a normal distribution for each frequency component. If the number of frequency components is 1,000, (10,000 to the power of 10,000) frequency spectra are created.
続いて、第2学習部14は、ステップS4で求められた異常データの周波数スペクトルを真の異常データとして、真の異常データに統計的に類似する疑似異常データを生成する生成器141を学習する(ステップS5)(第2学習処理)。 Next, the second learning unit 14 learns a generator 141 that generates pseudo-abnormal data that is statistically similar to the true abnormal data, using the frequency spectrum of the abnormal data obtained in step S4 as the true abnormal data (step S5) (second learning process).
具体的には、第2学習部14は、ステップS4で得られた異常データの周波数スペクトルを真の異常データとして、真の異常データに類似する疑似異常データを生成する生成器141と、生成器141によって生成された疑似異常データと真の異常データとを識別する識別器142とを有するGANの敵対的学習を行う。なお、ステップS5での学習処理の詳細は後述する。 Specifically, the second learning unit 14 performs adversarial learning of a GAN having a generator 141 that generates pseudo-abnormal data similar to the true abnormal data, using the frequency spectrum of the abnormal data obtained in step S4 as the true abnormal data, and a discriminator 142 that distinguishes between the pseudo-abnormal data generated by the generator 141 and the true abnormal data. Details of the learning process in step S5 will be described later.
次に、生成部15は、学習済みの生成器141’により疑似異常データを生成する(ステップS6)。生成された疑似異常データは記憶部16に記憶される(ステップS7)。ステップS7では、GANの訓練データとして用いた真の異常データについても記憶部16に記憶する。 Next, the generation unit 15 generates pseudo-abnormal data using the trained generator 141' (step S6). The generated pseudo-abnormal data is stored in the storage unit 16 (step S7). In step S7, the true abnormal data used as training data for the GAN is also stored in the storage unit 16.
その後、収集部10は、管理対象の信号の周波数スペクトルを収集する(ステップS8)。次に、判定部17は、ステップS8で収集された信号の周波数スペクトルが、記憶部16に記憶されている疑似異常データまたは真の異常データと一致する場合には、異常な信号であると判定する(ステップS9)。ステップS9では、管理対象の信号の周波数スペクトルが、疑似異常データまたは真の異常データと完全に一致する場合の他、ある程度の許容範囲をもって一致する場合に、異常な信号であると判定することができる。その他にも、周波数スペクトルを周波数成分ごとに順に照合していき、例えば、図2の(a)の異常データの曲線b1における周波数成分の範囲cあるいはそれ以前の周波数成分で一致する場合に、異常な信号である判定することができる。判定部17は、異常な信号を測定した通信端末2を特定する。 Then, the collection unit 10 collects the frequency spectrum of the signal to be managed (step S8). Next, the determination unit 17 determines that the signal is abnormal if the frequency spectrum of the signal collected in step S8 matches the pseudo-abnormal data or true abnormal data stored in the storage unit 16 (step S9). In step S9, the frequency spectrum of the signal to be managed can be determined to be abnormal if it matches the pseudo-abnormal data or true abnormal data completely or within a certain tolerance range. In addition, the frequency spectrum is collated in order for each frequency component, and it can be determined that the signal is abnormal if it matches, for example, in the frequency component range c of the curve b1 of the abnormal data in FIG. 2(a) or a frequency component before that. The determination unit 17 identifies the communication terminal 2 that measured the abnormal signal.
次に、通知部18は、異常な信号であると判定された信号を測定した通信端末2において異常が発生したことを示す通知を、外部の管理サーバなどに対して行う(ステップS10)。 Next, the notification unit 18 notifies an external management server or the like that an abnormality has occurred in the communication terminal 2 that measured the signal determined to be an abnormal signal (step S10).
次に、図9を参照し、図7で説明した異常管理装置1の第2学習処理(ステップS5)を説明する。まず、第2学習部14は、真の異常データを訓練データ144として識別器142に入力し、真の異常データを真の異常データ(y=1)と識別するように、識別器142のパラメータwD,θDを学習し、更新する(ステップS20)。 Next, the second learning process (step S5) of the abnormality management device 1 described in Fig. 7 will be described with reference to Fig. 9. First, the second learning unit 14 inputs true abnormal data to the classifier 142 as training data 144, and learns and updates parameters wD and θD of the classifier 142 so as to classify the true abnormal data from true abnormal data (y = 1) (step S20).
ステップS20において、第2学習部14は、例えば、誤差逆伝播法などを用いて識別器142に真の異常データを学習させることができる。ステップS20により、真の異常データを真の異常データと識別することができる識別器142が事前に構築される。 In step S20, the second learning unit 14 can cause the classifier 142 to learn true abnormal data using, for example, the backpropagation method. In step S20, the classifier 142 that can distinguish true abnormal data from true abnormal data is constructed in advance.
次に、第2学習部14は、ガウス雑音を発生し、発生したガウス雑音のランダムなベクトルを生成器141に入力として与える(ステップS21)。続いて、生成器141は、与えられたガウス雑音に基づいて、入力zと重みパラメータwG,θGの積和演算および活性化関数によるしきい値処理を行い、疑似異常データG(z)を生成する(ステップS22)。 Next, the second learning unit 14 generates Gaussian noise and provides a random vector of the generated Gaussian noise as an input to the generator 141 (step S21). Next, the generator 141 performs a product-sum operation of the input z and the weight parameters wG and θG and threshold processing using an activation function based on the provided Gaussian noise to generate pseudo abnormal data G(z) (step S22).
次に、第2学習部14は識別器142の学習を行う。識別器142の学習は、生成器141のパラメータwD,θDを固定して行われる。まず、第2学習部14は、真の異常データを訓練データ144として識別器142に入力として与える。そして、第2学習部14は、上式(14)の目的関数Eが最大となるように、誤差逆伝播法などによりパラメータwD,θDを更新する(ステップS23)。なお、訓練データ144のラベルは1(真の異常データ)が設定されている。 Next, the second learning unit 14 trains the discriminator 142. The learning of the discriminator 142 is performed by fixing the parameters wD and θD of the generator 141. First, the second learning unit 14 provides true abnormal data as training data 144 as an input to the discriminator 142. Then, the second learning unit 14 updates the parameters wD and θD by the backpropagation method or the like so that the objective function E of the above formula (14) is maximized (step S23). The label of the training data 144 is set to 1 (true abnormal data).
次に、第2学習部14は、ステップS22で生成器141によって生成された疑似異常データを識別器142に入力として与え、上式(14)の目的関数Eが最大となるように、誤差逆伝播法などによりパラメータwD,θDを更新する(ステップS24)。すなわち、ステップS23およびステップS24では、上式(14)の目的関数Eを最大にするために、第1項はD(wD,θD)=1が出力され、第2項はD(G(wG,θG),wD,θD)=0となるように最適化が行われる。なお、訓練データ144には、ラベルは0(疑似異常データ)が設定されている。 Next, the second learning unit 14 provides the pseudo abnormal data generated by the generator 141 in step S22 as an input to the discriminator 142, and updates the parameters wD and θD by backpropagation or the like so as to maximize the objective function E in the above formula (14) (step S24). That is, in steps S23 and S24, in order to maximize the objective function E in the above formula (14), the first term is optimized so that D( wD , θD )=1 is output and the second term is optimized so that D(G( wG , θG ), wD , θD )=0. Note that the label 0 (pseudo abnormal data) is set for the training data 144.
ステップS23およびステップS24での識別器142の学習は、図3に示す第2学習部14のブロック図において、識別器142からの出力143に基づいて、目的関数Eのブロック145で識別器誤差が算出され、その後、識別器142へ誤差逆伝播されることを示す破線の矢印に対応する。 The learning of the classifier 142 in steps S23 and S24 corresponds to the dashed arrow in the block diagram of the second learning unit 14 shown in FIG. 3, which indicates that the classifier error is calculated in block 145 of the objective function E based on the output 143 from the classifier 142, and then the error is backpropagated to the classifier 142.
次に、第2学習部14は生成器141の学習を行う。生成器141の学習では、識別器142のパラメータが固定されて行われる。第2学習部14は、ランダムなガウス雑音を生成器141に与えた際に疑似異常データが生成されるように生成器141を学習する。具体的には、第2学習部14は、上式(14)の目的関数Eを最小とするために、誤差逆伝播法などによりパラメータwG,θGを更新する(ステップS25)。 Next, the second learning unit 14 learns the generator 141. The learning of the generator 141 is performed with the parameters of the discriminator 142 fixed. The second learning unit 14 learns the generator 141 so that pseudo abnormal data is generated when random Gaussian noise is given to the generator 141. Specifically, the second learning unit 14 updates the parameters w G and θ G by the backpropagation method or the like in order to minimize the objective function E of the above equation (14) (step S25).
ステップS25での学習は、図3の第2学習部14のブロック図において、生成器141へ誤差逆伝播されることを示す破線の矢印のフローに対応する。すなわち、ステップS25は、図3の生成器141で生成された疑似異常データが識別器142に入力され、その出力143から目的関数Eのブロック145で生成器誤差が算出され、さらには、生成器141へ誤差逆伝播される破線矢印のフローに対応する。 The learning in step S25 corresponds to the flow of the dashed arrow indicating backpropagation of error to the generator 141 in the block diagram of the second learning unit 14 in FIG. 3. That is, step S25 corresponds to the flow of the dashed arrow in which the pseudo-abnormal data generated by the generator 141 in FIG. 3 is input to the discriminator 142, the generator error is calculated from the output 143 in the block 145 of the objective function E, and the error is further backpropagated to the generator 141.
その後、目的関数Eの値がナッシュ均衡に到達して収束するまで(ステップS26:NO)、ステップS22からステップS25までの識別器142および生成器141の学習が繰り返し行われる。一方、目的関数Eの値が収束した場合(ステップS26:YES)、残りの真の異常データを順番に用いて、生成器141および識別器142の学習が行われるまで(ステップS27:NO)、ステップS20からステップS26までの処理が繰り返される。 Then, the learning of the discriminator 142 and the generator 141 from step S22 to step S25 is repeated until the value of the objective function E reaches a Nash equilibrium and converges (step S26: NO). On the other hand, if the value of the objective function E has converged (step S26: YES), the processing from step S20 to step S26 is repeated using the remaining true abnormal data in order until the generator 141 and the discriminator 142 are learned (step S27: NO).
その後、全ての真の異常データを用いて生成器141および識別器142の学習が行われた場合(ステップS27:YES)、第2学習部14は、学習済みの生成器141’を記憶部16に記憶する(ステップS28)。以上のステップS20からステップS28までの処理によって学習済みの生成器141’が構築される。さらにその後、処理は、図7のステップS6に移る。 After that, when the generator 141 and the discriminator 142 have been trained using all the true abnormal data (step S27: YES), the second learning unit 14 stores the trained generator 141' in the storage unit 16 (step S28). The trained generator 141' is constructed by the above processes from step S20 to step S28. After that, the process proceeds to step S6 in FIG. 7.
以上説明したように、本実施の形態に係る異常管理装置1によれば、正常データを教師データとして、強度が正常である事後確率を出力する確率モデルのパラメータを最尤推定により学習することで、強度が正常である事後確率を推定する。さらに、事後確率の推定値と、正常データの密度関数と、正常データの事前確率とに基づいて、異常データの密度関数を導出する。さらに、導出された異常データの密度関数から求められた、異常データの周波数スペクトルを生成モデルにおける真の異常データとして、真の異常データに類似する疑似異常データを生成する。生成された疑似異常データはデータベースとして真の異常データとともに記憶部16に記憶される。よって、異常信号の測定データが少ない場合であっても信号の異常を管理することができる。 As described above, according to the abnormality management device 1 of this embodiment, the posterior probability that the intensity is normal is estimated by learning the parameters of a probabilistic model that outputs the posterior probability that the intensity is normal using normal data as teacher data by maximum likelihood estimation. Furthermore, a density function of the abnormal data is derived based on the estimated value of the posterior probability, the density function of the normal data, and the prior probability of the normal data. Furthermore, the frequency spectrum of the abnormal data obtained from the derived density function of the abnormal data is used as the true abnormal data in the generation model, and pseudo-abnormal data similar to the true abnormal data is generated. The generated pseudo-abnormal data is stored in the memory unit 16 as a database together with the true abnormal data. Therefore, even if there is a small amount of measurement data of the abnormal signal, it is possible to manage signal abnormalities.
また、本実施の形態に係る異常管理装置1によれば、通信端末2ごとに測定された信号の周波数スペクトルを収集し、異常データの判定を行うため、異常が発生した通信端末2を特定した上で、アラームを発報する。そのため、通信端末2が配置されている場所で異常解析をしなくても、遠隔で通信端末2の故障を検知することができる。 In addition, the abnormality management device 1 according to this embodiment collects the frequency spectrum of the signal measured for each communication terminal 2 and judges the abnormal data, so that the communication terminal 2 in which an abnormality has occurred is identified and an alarm is issued. Therefore, a failure of the communication terminal 2 can be detected remotely without performing an abnormality analysis at the location where the communication terminal 2 is located.
また、本実施の形態に係る異常管理装置1によれば、学習済みの生成器141’によって生成された疑似異常データが示す周波数スペクトルの周波数成分ごとの強度と、実際に測定された信号の周波数スペクトルの周波数成分ごとの強度との比較を行うため、スペクトルの一部が一致する場合に、信号の異常を予測することが可能となる。 In addition, according to the abnormality management device 1 of this embodiment, the intensity of each frequency component of the frequency spectrum indicated by the pseudo abnormality data generated by the trained generator 141' is compared with the intensity of each frequency component of the frequency spectrum of the actually measured signal, so that it is possible to predict an abnormality in the signal when parts of the spectrum match.
また、説明した実施の形態では、通信端末2が測定する信号は信号強度の時系列データである場合を例示した。しかし、異常検出の対象となる時系列信号は、周波数解析が可能な信号であれば信号強度に限定されない。例えば、通信端末2は、生体センサを備え、ユーザの心拍、血圧、体温などの生体信号の時系列データを測定する構成であってもよい。あるいは、通信端末2は、振動センサ、音センサ、圧力センサなどの各種センサを備え、振動や音、圧力などの物理量の時系列データを測定することができる。 In the embodiment described above, the signal measured by the communication terminal 2 is time series data of signal strength. However, the time series signal that is the subject of anomaly detection is not limited to signal strength as long as it is a signal that can be subjected to frequency analysis. For example, the communication terminal 2 may be equipped with a biosensor and configured to measure time series data of biosignals such as the user's heart rate, blood pressure, and body temperature. Alternatively, the communication terminal 2 may be equipped with various sensors such as a vibration sensor, a sound sensor, and a pressure sensor, and can measure time series data of physical quantities such as vibration, sound, and pressure.
また、説明した実施の形態では、通信端末2はスマートフォンなどのSIMを備える端末、およびIPアドレスを持つIoT端末である場合を例示した。しかし、通信端末2は、測定した信号の時系列データを異常検出装置1に入力することができれば、通信機能を持たない従来型のデバイスであってもよい。 In the embodiment described above, the communication terminal 2 is exemplified as a terminal equipped with a SIM, such as a smartphone, and an IoT terminal having an IP address. However, the communication terminal 2 may be a conventional device without a communication function, as long as it is capable of inputting time series data of the measured signal to the anomaly detection device 1.
また、説明した実施の形態では、第2学習部14は、GANの学習を行う場合について説明した。しかし、生成器141の学習は、敵対的学習の他にもVAE(Variational Autoencoder)、拡散モデル、Energy-Based Models(EBMs)などで行うことができる。 In the embodiment described above, the second learning unit 14 is described as learning a GAN. However, the learning of the generator 141 can be performed using a VAE (Variational Autoencoder), a diffusion model, Energy-Based Models (EBMs), and the like in addition to adversarial learning.
以上、本発明の異常管理装置、および異常管理方法における実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。 The above describes the embodiments of the abnormality management device and abnormality management method of the present invention, but the present invention is not limited to the described embodiments, and various modifications that a person skilled in the art can imagine can be made within the scope of the invention described in the claims.
1…異常管理装置、2…通信端末、3…基地局、4…コアネットワーク、10…収集部、11…第1学習部、12…導出部、13…データ処理部、14…第2学習部、15…生成部、16…記憶部、17…判定部、18…通知部、101…バス、102…プロセッサ、103…主記憶装置、104…通信インターフェース、105…補助記憶装置、106…入出力I/O、107…表示装置、141…生成器、142…識別器、NW…ネットワーク。
1...abnormality management device, 2...communication terminal, 3...base station, 4...core network, 10...collection unit, 11...first learning unit, 12...derivation unit, 13...data processing unit, 14...second learning unit, 15...generation unit, 16...memory unit, 17...judgment unit, 18...notification unit, 101...bus, 102...processor, 103...main memory device, 104...communication interface, 105...auxiliary memory device, 106...input/output I/O, 107...display device, 141...generator, 142...identifier, NW...network.
Claims (8)
学習された前記確率モデルにより推定される前記事後確率と、前記正常データの確率分布と、正常である事前確率とに基づいて、異常な強度の周波数成分を含む周波数スペクトルを示す異常データの確率分布を導出するように構成された導出部と、
導出された前記異常データの確率分布に基づいて、前記異常データの周波数スペクトルを求めるように構成されたデータ処理部と、
前記データ処理部により求められた前記異常データの周波数スペクトルを真の異常データとして、前記真の異常データに統計的に類似する疑似異常データを生成する生成器を学習するように構成された第2学習部と、
前記第2学習部によって構築された学習済みの生成器を用いて生成された前記疑似異常データを記憶するように構成された記憶部と
を備える異常管理装置。 a first learning unit configured to learn, by maximum likelihood estimation, parameters of a probabilistic model that outputs a posterior probability that the intensity of each frequency component is normal, using normal data that indicates a frequency spectrum in which the intensity of each frequency component is normal among frequency spectra of a plurality of signals as teacher data;
a derivation unit configured to derive a probability distribution of abnormal data indicating a frequency spectrum including a frequency component of abnormal intensity based on the posterior probability estimated by the trained probability model, the probability distribution of the normal data, and a prior probability of normality;
A data processing unit configured to obtain a frequency spectrum of the abnormal data based on the derived probability distribution of the abnormal data;
a second learning unit configured to learn a generator that generates pseudo-abnormal data that is statistically similar to the true abnormal data by using the frequency spectrum of the abnormal data obtained by the data processing unit as true abnormal data;
and a memory unit configured to store the pseudo-abnormal data generated using the learned generator constructed by the second learning unit.
さらに、管理対象の信号の周波数スペクトルを収集するように構成された収集部と、
収集された前記管理対象の信号の周波数スペクトルが、前記記憶部に記憶されている前記疑似異常データと一致する場合に、前記管理対象の信号は異常な信号であると判定するように構成された判定部と
を備えることを特徴とする異常管理装置。 2. The abnormality management device according to claim 1,
a collection unit configured to collect a frequency spectrum of the signal to be managed;
and a judgment unit configured to judge that the signal to be managed is an abnormal signal when a frequency spectrum of the collected signal to be managed matches the pseudo-abnormal data stored in the memory unit.
さらに、前記判定部により前記異常な信号であると判定された場合に、前記異常な信号を測定した通信端末に異常が発生したことを外部に通知するように構成された通知部
を備える異常管理装置。 3. The abnormality management device according to claim 2,
The abnormality management device further comprises a notification unit configured to notify an external party that an abnormality has occurred in the communication terminal that measured the abnormal signal when the determination unit determines that the signal is abnormal.
前記第2学習部は、前記生成器と、前記生成器によって生成された前記疑似異常データと前記真の異常データとを識別する識別器とを有する生成モデルの敵対的学習を行う
ことを特徴とする異常管理装置。 2. The abnormality management device according to claim 1,
The second learning unit performs adversarial learning of a generative model having the generator and a classifier that distinguishes between the pseudo-anomalous data generated by the generator and the true anomaly data.
複数の信号の周波数スペクトルのうち、各周波数成分の強度が正常な周波数スペクトルを示す正常データを教師データとして、各周波数成分の強度が正常である事後確率を出力する確率モデルのパラメータを最尤推定により学習する第1学習ステップと、
学習された前記確率モデルにより推定される前記事後確率と、前記正常データの確率分布と、正常である事前確率とに基づいて、異常な強度の周波数成分を含む周波数スペクトルを示す異常データの確率分布を導出する導出ステップと、
導出された前記異常データの確率分布に基づいて、前記異常データの周波数スペクトルを求めるデータ処理ステップと、
前記データ処理ステップで求められた前記異常データの周波数スペクトルを真の異常データとして、前記真の異常データに統計的に類似する疑似異常データを生成する生成器を学習する第2学習ステップと、
前記第2学習ステップで構築された学習済みの生成器を用いて生成された前記疑似異常データを記憶部に記憶する記憶ステップと
を備える異常管理方法。 1. A computer-implemented anomaly management method, comprising:
a first learning step of learning parameters of a probabilistic model that outputs a posterior probability that the intensity of each frequency component is normal by maximum likelihood estimation using normal data that indicates a frequency spectrum in which the intensity of each frequency component is normal among the frequency spectra of a plurality of signals as training data;
a derivation step of deriving a probability distribution of abnormal data showing a frequency spectrum including a frequency component of abnormal intensity based on the posterior probability estimated by the trained probability model, the probability distribution of the normal data, and a prior probability of normality;
a data processing step of determining a frequency spectrum of the abnormal data based on the derived probability distribution of the abnormal data;
a second learning step of learning a generator that generates pseudo-abnormal data that is statistically similar to the true abnormal data by using the frequency spectrum of the abnormal data obtained in the data processing step as true abnormal data;
a storage step of storing in a storage unit the pseudo-abnormal data generated using the trained generator constructed in the second learning step.
さらに、管理対象の信号の周波数スペクトルを収集する収集ステップと、
収集された前記管理対象の信号の周波数スペクトルが、前記記憶部に記憶されている前記疑似異常データと一致する場合に、前記管理対象の信号は異常な信号であると判定する判定ステップと
を備えることを特徴とする異常管理方法。 The abnormality management method according to claim 5,
Further, a collection step of collecting a frequency spectrum of the signal to be managed;
and a determination step of determining that the signal to be managed is an abnormal signal if a frequency spectrum of the collected signal to be managed matches the pseudo-abnormal data stored in the memory unit.
さらに、前記判定ステップで前記異常な信号であると判定された場合に、前記異常な信号を測定した通信端末に異常が発生したことを外部に通知する通知ステップ
を備える異常管理方法。 The abnormality management method according to claim 6,
The abnormality management method further comprises a notification step of, when the determination step determines that the signal is abnormal, notifying an external party that an abnormality has occurred in the communication terminal that measured the abnormal signal.
前記第2学習ステップは、前記生成器と、前記生成器によって生成された前記疑似異常データと前記真の異常データとを識別する識別器とを有する生成モデルの敵対的学習を行う
ことを特徴とする異常管理方法。 The abnormality management method according to claim 5,
the second learning step performs adversarial learning of a generative model having the generator and a classifier that distinguishes between the pseudo anomaly data generated by the generator and the true anomaly data.
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