JP6935837B1 - 機械学習装置及び機械学習システム - Google Patents

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Abstract

【課題】車両部品が交換された場合に、車両において用いられる機械学習モデルの推定精度が低下することを抑制する。【解決手段】機械学習装置は、機械学習モデルを用いて所定の情報を推定する推定部51と、機械学習モデルを更新する更新部52と、車両部品の交換を検知すると共に交換後の車両部品の識別情報を取得する部品情報取得部53とを備える。更新部は、機械学習モデルの入力データに関する車両部品が異なる構成の車両部品に交換された場合には、交換後の車両部品に対応する訓練データセットを用いて学習された新たな機械学習モデルをサーバ2から受信し、新たな機械学習モデルを車両に適用する。【選択図】図5

Description

本発明は機械学習装置及び機械学習システムに関する。
近年、AI(人工知能)技術の発達に伴い、車両において、ニューラルネットワークモデルのような機械学習モデルを用いた制御を行うことが検討されている。例えば、特許文献1に記載の機械学習システムでは、ニューラルネットワークモデルを用いて、内燃機関に設けられた排気浄化触媒の温度が推定される。
斯かるニューラルネットワークモデルの推定精度を向上させるためには、ニューラルネットワークモデルの学習を予め行う必要がある。例えば、特許文献1に記載されるように、サーバにおいてニューラルネットワークモデルの学習が行われ、学習済みのニューラルネットワークモデルがサーバから車両に送信される。
特開2019−183698号公報
ところで、車両の使用に伴い車両部品の劣化又は故障が生じると、車両部品の交換が行われる。また、より高性能の車両部品を車両に搭載するために車両部品の交換が行われることがある。
しかしながら、車両において用いられる機械学習モデルは、通常、交換前の車両部品の特性に適合されている。このため、車両部品の交換によって車両部品の特性が変化すると、機械学習モデルの推定精度が低下するおそれがある。
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、車両部品が交換された場合に、車両において用いられる機械学習モデルの推定精度が低下することを抑制することにある。
本開示の要旨は以下のとおりである。
(1)車両に設けられた機械学習装置であって、機械学習モデルを用いて所定の情報を推定する推定部と、前記機械学習モデルを更新する更新部と、車両部品の交換を検知すると共に交換後の車両部品の識別情報を取得する部品情報取得部とを備え、前記更新部は、前記機械学習モデルの入力データに関する車両部品が異なる構成の車両部品に交換された場合には、交換後の車両部品に対応する訓練データセットを用いて学習された新たな機械学習モデルをサーバから受信し、該新たな機械学習モデルを前記車両に適用する、機械学習装置。
(2)前記更新部は前記交換後の車両部品の識別情報及び前記車両の識別情報を前記サーバに送信し、前記新たな機械学習モデルは、前記車両の識別情報に対応する機械学習モデルである、上記(1)に記載の機械学習装置。
(3)前記機械学習モデルはニューラルネットワークモデルである、上記(1)又は(2)に記載の機械学習装置。
(4)サーバ及び車両を備える機械学習システムであって、前記サーバは、前記車両と通信可能な第1通信装置と、制御装置とを備え、前記車両は、前記サーバと通信可能な第2通信装置と、機械学習モデルを用いて所定の情報を推定する推定部と、前記機械学習モデルを更新する更新部と、車両部品の交換を検知すると共に交換後の車両部品の識別情報を取得する部品情報取得部とを備え、前記更新部は、前記機械学習モデルの入力データに関する車両部品が異なる構成の車両部品に交換された場合には、交換後の車両部品の識別情報を前記サーバに送信し、前記制御装置は、前記交換後の車両部品に対応する訓練データセットを用いて学習された新たな機械学習モデルを前記車両に送信し、前記更新部は前記新たな機械学習モデルを前記車両に適用する、機械学習システム。
本発明によれば、車両部品が交換された場合に、車両において用いられる機械学習モデルの推定精度が低下することを抑制することができる。
図1は、本発明の実施形態に係る機械学習システム1の概略的な構成図である。 図2は、図1の車両の構成の一部を概略的に示す図である。 図3は、図2のECUの機能ブロック図である。 図4は、単純な構成を有するニューラルネットワークモデルの一例を示す。 図5は、モデル更新処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図6は、モデル送信処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る機械学習システム1の概略的な構成図である。機械学習システム1はサーバ2及び車両3を備える。
図1に示されるように、サーバ2は、車両3の外部に設けられ、通信インターフェース21、ストレージ装置22、メモリ23及びプロセッサ24を備える。なお、サーバ2は、キーボード及びマウスのような入力装置、ディスプレイのような出力装置等を更に備えていてもよい。また、サーバ2は複数のコンピュータから構成されていてもよい。
通信インターフェース21は、車両3と通信可能であり、サーバ2が車両3と通信することを可能とする。具体的には、通信インターフェース21は、サーバ2を通信ネットワーク5に接続するためのインターフェース回路を有する。サーバ2は、通信インターフェース21、通信ネットワーク5及び無線基地局6を介して車両3と通信する。通信インターフェース21は通信装置の一例である。
ストレージ装置22は、例えば、ハードディスクドライブ(HDD)、ソリッドステートドライブ(SSD)、光記録媒体等を有する。ストレージ装置22は、各種データを記憶し、例えば、プロセッサ24が各種処理を実行するためのコンピュータプログラム等を記憶する。
メモリ23は、例えばランダムアクセスメモリ(RAM)のような半導体メモリを有する。メモリ23は、例えばプロセッサ24によって各種処理が実行されるときに使用される各種データ等を記憶する。
通信インターフェース21、ストレージ装置22及びメモリ23は、信号線を介してプロセッサ24に接続されている。プロセッサ24は、一つ又は複数のCPU及びその周辺回路を有し、各種処理を実行する。なお、プロセッサ24は、論理演算ユニット又は数値演算ユニットのような演算回路を更に有していてもよい。プロセッサ24は制御装置の一例である。
図2は、図1の車両3の構成の一部を概略的に示す図である。図2に示されるように、車両3は、アクチュエータ31、センサ32、通信モジュール33及び電子制御ユニット(ECU(Electronic Control Unit))40を備える。すなわち、アクチュエータ31、センサ32、通信モジュール33及びECU40は車両3に搭載されている。アクチュエータ31、センサ32及び通信モジュール33は、CAN(Controller Area Network)等の規格に準拠した車内ネットワークを介してECU40に通信可能に接続される。
アクチュエータ31は、車両3の走行に必要な作動部品であり、例えば、内燃機関の作動に必要な部品(点火プラグ、燃料噴射弁、スロットル弁駆動アクチュエータ、EGR制御弁等)、モータ、クラッチ等を含む。ECU40はアクチュエータ31を制御する。
センサ32は、車両3、内燃機関、バッテリ等の状態量を検出し、車速センサ、GPS受信機、アクセル開度センサ、エアフロメータ、空燃比センサ、クランク角センサ、トルクセンサ、電圧センサ、温度センサ等を含む。センサ32の出力はECU40に送信される。
アクチュエータ31及びセンサ32は、車両3に搭載された部品である車両部品を構成する。言い換えれば、車両部品はアクチュエータ31及びセンサ32を含む。
通信モジュール33は、車両3と車両3の外部との通信を可能とする機器である。通信モジュール33は、例えば、無線基地局6を介して通信ネットワーク5と通信可能なデータ通信モジュール(DCM(Data communication module))である。なお、通信モジュール33として、携帯端末(例えば、スマートフォン、タブレット端末、WiFiルータ等)が用いられてもよい。通信モジュール33は通信装置の一例である。
ECU40は、通信インターフェース41、メモリ42及びプロセッサ43を含み、車両3の各種制御を実行する。なお、本実施形態では、一つのECU40が設けられているが、機能毎に複数のECUが設けられていてもよい。
通信インターフェース41は、CAN等の規格に準拠した車内ネットワークにECU40を接続するためのインターフェース回路を有する。ECU40は、通信インターフェース41を介して、上述したような他の車載機器と通信する。
メモリ42は、例えば、揮発性の半導体メモリ(例えば、RAM)及び不揮発性の半導体メモリ(例えば、ROM)を有する。メモリ42は、プロセッサ43において実行されるプログラム、プロセッサ43によって各種処理が実行されるときに使用される各種データ等を記憶する。
プロセッサ43は、一つ又は複数のCPU(Central Processing Unit)及びその周辺回路を有し、各種処理を実行する。なお、プロセッサ43は、論理演算ユニット又は数値演算ユニットのような演算回路を更に有していてもよい。通信インターフェース41、メモリ42及びプロセッサ43は信号線を介して互いに接続されている。
本実施形態では、ECU40は機械学習装置として機能する。図3は、図2のECU40の機能ブロック図である。ECU40は、推定部51、更新部52及び部品情報取得部53を有する。推定部51、更新部52及び部品情報取得部53は、ECU40のメモリ42に記憶されたプログラムをECU40のプロセッサ43が実行することによって実現される機能ブロックである。
推定部51は機械学習モデルを用いて所定の情報を推定する。更新部52は、車両3において用いられる機械学習モデルを更新する。本実施形態では、機械学習モデルとして、複数の入力データ(説明変数とも称される)から少なくとも一つの出力データ(目的変数とも称される)を出力するニューラルネットワークモデルが用いられる。
最初に、図4を参照して、ニューラルネットワークモデルの概要について説明する。図4は、単純な構成を有するニューラルネットワークモデルの一例を示す。
図4における丸印は人工ニューロンを表す。人工ニューロンは、通常、ノード又はユニットと称される(本明細書では、「ノード」と称す)。図4において、L=1は入力層を示し、L=2及びL=3は隠れ層を示し、L=4は出力層を示している。なお、隠れ層は中間層とも称される。
図4において、x1及びx2は入力層(L=1)の各ノード及びそのノードからの出力値を示しており、yは出力層(L=4)のノード及びその出力値を示している。同様に、z1 (L=2) 2 (L=2)及びz3 (L=2)は隠れ層(L=2)の各ノード及びそのノードからの出力値を示しており、z1 (L=3)及びz2 (L=3)は隠れ層(L=3)の各ノード及びそのノードからの出力値を示している。
入力層の各ノードでは入力がそのまま出力される。一方、隠れ層(L=2)の各ノードには、入力層の各ノードの出力値x1及びx2が入力され、隠れ層(L=2)の各ノードでは、それぞれ対応する重みw及びバイアスbを用いて総入力値uが算出される。例えば、図4において隠れ層(L=2)のzk (L=2)(k=1、2、3)で示される各ノードにおいて算出される総入力値uk (L=2)は、次式のようになる(Mは入力層のノードの数)。
Figure 0006935837
次いで、この総入力値uk (L=2)は活性化関数fにより変換され、隠れ層(L=2)のzk (L=2)で示されるノードから、出力値zk (L=2)(=f(uk (L=2)))として出力される。一方、隠れ層(L=3)の各ノードには、隠れ層(L=2)の各ノードの出力値z1 (L=2) 2 (L=2)及びz3 (L=2)が入力され、隠れ層(L=3)の各ノードでは、それぞれ対応する重みw及びバイアスbを用いて総入力値u(=Σz・w+b)が算出される。この総入力値uは同様に活性化関数により変換され、隠れ層(L=3)の各ノードから、出力値z1 (L=3)、z2 (L=3)として出力される、活性化関数は例えばシグモイド関数σである。
また、出力層(L=4)のノードには、隠れ層(L=3)の各ノードの出力値z1 (L=3)及びz2 (L=3)が入力され、出力層のノードでは、それぞれ対応する重みw及びバイアスbを用いて総入力値u(Σz・w+b)が算出され、又はそれぞれ対応する重みwのみを用いて総入力値u(Σz・w)が算出される。例えば、出力層のノードでは活性化関数として恒等関数が用いられる。この場合、出力層のノードにおいて算出された総入力値uが、そのまま出力値yとして出力層のノードから出力される。
車両3において用いられるニューラルネットワークモデルはECU40のメモリ42又は車両3に設けられた他の記憶装置に記憶される。推定部51は、複数の入力データの値(入力値)をニューラルネットワークモデルに入力することによってニューラルネットワークモデルに少なくとも一つの出力データの値(出力値)を出力させる。このとき、各入力データの値として、例えば、センサ32の出力値、ECU40からアクチュエータ31への指令値、通信モジュール33を介して車両3の外部から取得した値、ECU40において算出された値等が用いられる。
推定部51は、ニューラルネットワークモデルから出力される出力データの値に相当する所定の情報を推定する。推定部51によって推定された所定の情報は車両3の制御に用いられる。なお、ニューラルネットワークモデルは回帰モデル及び分類モデルのいずれであってもよい。ニューラルネットワークモデルが回帰モデルである場合、出力データは、例えば、内燃機関の出力トルク、排気ガス中の所定成分(HC、NOx等)の濃度、バッテリの充電率(SOC:State Of Charge)等である。一方、ニューラルネットワークモデルが分類モデルである場合、出力データは、例えば、所定のセンサ32の異常判定結果、ハイブリッド車両における内燃機関の始動判定結果等である。入力データとして、出力データと相関する状態量が適宜選択される。
斯かるニューラルネットワークモデルの精度を向上させるためには、ニューラルネットワークモデルの学習を予め行う必要がある。このため、例えば、車両の生産工場等においてニューラルネットワークモデルの学習が行われる。
ニューラルネットワークモデルの学習では、複数の入力データの実測値と、これら実測値に対応する少なくとも一つの出力データの実測値(正解データ又は教師データ)との組合せから成る訓練データセットが用いられる。入力データ及び出力データの実測値は例えばエンジンベンチ等を用いて取得され、対応する実測値を組み合わせることによって訓練データセットが作成される。
ニューラルネットワークモデルの学習では、多数の訓練データセットを用いて、ニューラルネットワークモデルによって出力される出力データの値と出力データの実測値との差が小さくなるように、公知の誤差逆伝播法によってニューラルネットワークモデルのパラメータ(重みw及びバイアスb)を繰り返し更新する。この結果、ニューラルネットワークモデルが学習され、学習済みのニューラルネットワークモデルが生成される。生成された学習済みのニューラルネットワークモデルは、車両3の出荷前に、車両3のECU40に実装される。すなわち、学習済みのニューラルネットワークモデルの情報(モデルの構造、重みw、バイアスb等)がECU40のメモリ42又は車両3に設けられた別の記憶装置に記憶される。なお、学習済みのニューラルネットワークモデルは車両3の出荷後にサーバ2から車両3に送信されてもよい。
ところで、車両3の使用に伴いアクチュエータ31又はセンサ32のような車両部品の劣化又は故障が生じると、車両部品の交換が行われる。また、より高性能の車両部品を車両3に搭載するために車両部品の交換が行われることがある。
しかしながら、ECU40に実装されたニューラルネットワークモデルは、交換前の車両部品の特性に適合されている。このため、車両部品の交換によって車両部品の特性が変化すると、ニューラルネットワークモデルの推定精度が低下するおそれがある。
そこで、本実施形態では、部品情報取得部53は、車両部品の交換を検知し、交換後の車両部品の識別情報を取得する。また、更新部52は、ニューラルネットワークモデルの入力データに関する車両部品が異なる構成の車両部品に交換された場合には、交換後の車両部品に対応する訓練データセットを用いて学習された新たなニューラルネットワークモデルをサーバ2から受信し、新たなニューラルネットワークモデルを車両3に適用する。
具体的には、更新部52は、ニューラルネットワークモデルの入力データに関する車両部品が異なる構成の車両部品に交換された場合には、交換後の車両部品の識別情報をサーバ2に送信する。サーバ2のプロセッサ24は、交換後の車両部品の識別情報を車両3から受信すると、交換後の車両部品に対応する訓練データセットを用いて学習された新たなニューラルネットワークモデルを車両3に送信する。更新部52は、新たなニューラルネットワークモデルをサーバ2から受信すると、新たなニューラルネットワークモデルを車両3に適用する。
上述したように車両部品の交換に応じてニューラルネットワークモデルを更新することによって、車両部品が交換された場合に、車両3において用いられるニューラルネットワークモデルの推定精度が低下することを抑制することができる。
以下、図5及び図6のフローチャートを用いて、上述した制御について詳細に説明する。図5は、モデル更新処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは車両3のECU40によって所定の実行間隔で繰り返し実行される。
最初に、ステップS101において、部品情報取得部53は、交換フラグFが1であるか否かを判定する。交換フラグFは、車両部品が交換されたときに1に設定されるフラグであり、交換フラグFの初期値はゼロである。ステップS101において交換フラグFがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップS102に進む。
ステップS102では、部品情報取得部53は、ニューラルネットワークモデルの入力データに関する車両部品が異なる構成の車両部品に交換されたか否かを判定する。例えば、センサ32の出力値がニューラルネットワークモデルの入力データとして用いられる場合、センサ32は、ニューラルネットワークモデルの入力データに関する車両部品に相当する。また、ECU40からアクチュエータ31への指令値がニューラルネットワークモデルの入力データとして用いられる場合、アクチュエータ31は、ニューラルネットワークモデルの入力データに関する車両部品に相当する。また、異なる構成の車両部品には、交換前の車両部品と製造会社、品番、型番等が異なる車両部品が含まれる。
部品情報取得部53は、例えば、車両部品の識別情報(製造会社名、型番、シリアル番号、製造番号等)を読み取ることによって車両部品の交換を検知する。また、部品情報取得部53は、車両部品の出力波形、作動電圧等を検出することによって車両部品の交換を検知してもよい。また、作業者が車両部品の交換を車両3の入力装置(HMI等)に入力し、部品情報取得部53は入力装置への入力に基づいて車両部品の交換を検知してもよい。
ステップS102において車両部品が交換されなかったと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップS102において車両部品が交換されたと判定された場合、本制御ルーチンはステップS103に進む。ステップS103では、部品情報取得部53は車両部品の識別情報を取得する。
次いで、ステップS104において、部品情報取得部53は交換フラグFを1に設定する。
次いで、ステップS105において、更新部52は、通信モジュール33、無線基地局6及び通信ネットワーク5を介してサーバ2に交換後の車両部品の識別情報を送信する。
ステップS105の後、本制御ルーチンはステップS106に進む。一方、ステップS101において交換フラグFが1であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS102〜ステップS105をスキップしてステップS106に進む。
ステップS106では、更新部52は、サーバ2から新たなニューラルネットワークモデルを受信したか否かを判定する。新たなニューラルネットワークモデルを受信しなかったと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、新たなニューラルネットワークモデルを受信したと判定された場合、本制御ルーチンはステップS107に進む。
ステップS107では、更新部52は新たなニューラルネットワークモデルを車両3に適用する。言い換えれば、更新部52は、車両3において用いられるニューラルネットワークモデルを新たなニューラルネットワークモデルに更新する。すなわち、ECU40のメモリ42又は別の記憶装置に記憶されたニューラルネットワークモデルの情報が書き換えられる。
次いで、ステップS108において、更新部52は交換フラグFをゼロに設定する。ステップS108の後、本制御ルーチンは終了する。
図6は、モデル送信処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンはサーバ2のプロセッサ24によって所定の実行間隔で繰り返し実行される。
最初に、ステップS201において、プロセッサ24は、車両3から車両部品の識別情報を受信したか否かを判定する。車両部品の識別情報を受信しなかったと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、車両部品の識別情報を受信したと判定された場合、本制御ルーチンはステップS202に進む。
ステップS202では、プロセッサ24は、車両部品の識別情報に基づいて交換後の車両部品を特定し、交換後の車両部品に対応するニューラルネットワークモデルを特定する。具体的には、プロセッサ24は、サーバ2のストレージ装置22に記憶された複数のニューラルネットワークモデルから、交換後の車両部品に対応する訓練データセットを用いて学習されたニューラルネットワークモデルを抽出する。交換後の車両部品に対応する訓練データセットでは、交換後の車両部品の出力値、交換後の車両部品への指令値等が入力データの実測値の一つとして用いられる。
次いで、ステップS203において、プロセッサ24は、ステップS202において特定した新たなニューラルネットワークモデルを車両3に送信する。ステップS203の後、本制御ルーチンは終了する。
なお、図5のステップS105において、更新部52は交換後の車両部品の識別情報及び車両3の識別情報(車名、型式等)をサーバ2に送信し、図6のステップS203において、サーバ2のプロセッサ24は、新しいニューラルネットワークモデルとして、交換後の車両部品及び車両3の識別情報に対応するニューラルネットワークモデルを車両3に送信してもよい。このことによって、車両3の特性により適したニューラルネットワークモデルを車両3に適用することができ、ひいてはニューラルネットワークモデルの推定精度が低下することをより一層抑制することができる。
この場合、車両3の識別情報はECU40のメモリ42等に予め記憶される。また、サーバ2では、車両の種類毎に生成されたニューラルネットワークモデル、例えば、車両の種類毎に用意されたエンジンベンチ等を用いて取得された入力データ及び出力データの実測値から作成された訓練データセットを用いて学習されたニューラルネットワークモデルがサーバ2のストレージ装置22に予め記憶される。
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、車両3において用いられる機械学習モデルは、ランダムフォレスト、k近傍法、サポートベクターマシン等のニューラルネットワーク以外の機械学習モデルであってもよい。
1 機械学習システム
2 サーバ
21 通信インターフェース
24 プロセッサ
3 車両
33 通信モジュール
40 電子制御ユニット(ECU)
51 推定部
52 更新部
53 部品情報取得部

Claims (4)

  1. 車両に設けられた機械学習装置であって、
    機械学習モデルを用いて所定の情報を推定する推定部と、
    前記機械学習モデルを更新する更新部と、
    車両部品の交換を検知すると共に交換後の車両部品の識別情報を取得する部品情報取得部とを備え、
    前記更新部は、前記機械学習モデルの入力データに関する車両部品が異なる構成の車両部品に交換された場合には、交換後の車両部品に対応する訓練データセットを用いて学習された新たな機械学習モデルをサーバから受信し、該新たな機械学習モデルを前記車両に適用する、機械学習装置。
  2. 前記更新部は前記交換後の車両部品の識別情報及び前記車両の識別情報を前記サーバに送信し、前記新たな機械学習モデルは、前記車両の識別情報に対応する機械学習モデルである、請求項1に記載の機械学習装置。
  3. 前記機械学習モデルはニューラルネットワークモデルである、請求項1又は2に記載の機械学習装置。
  4. サーバ及び車両を備える機械学習システムであって、
    前記サーバは、
    前記車両と通信可能な第1通信装置と、
    制御装置と
    を備え、
    前記車両は、
    前記サーバと通信可能な第2通信装置と、
    機械学習モデルを用いて所定の情報を推定する推定部と、
    前記機械学習モデルを更新する更新部と、
    車両部品の交換を検知すると共に交換後の車両部品の識別情報を取得する部品情報取得部とを備え、
    前記更新部は、前記機械学習モデルの入力データに関する車両部品が異なる構成の車両部品に交換された場合には、交換後の車両部品の識別情報を前記サーバに送信し、
    前記制御装置は、前記交換後の車両部品に対応する訓練データセットを用いて学習された新たな機械学習モデルを前記車両に送信し、
    前記更新部は前記新たな機械学習モデルを前記車両に適用する、機械学習システム。
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