JPH06301661A - 並列結合型リカレントニューラルネットワークの学習方式 - Google Patents

並列結合型リカレントニューラルネットワークの学習方式

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JPH06301661A
JPH06301661A JP5084976A JP8497693A JPH06301661A JP H06301661 A JPH06301661 A JP H06301661A JP 5084976 A JP5084976 A JP 5084976A JP 8497693 A JP8497693 A JP 8497693A JP H06301661 A JPH06301661 A JP H06301661A
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JP
Japan
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parallel
rnn
learning
stage
connection type
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JP5084976A
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English (en)
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Shigeru Kashiwagi
繁 柏木
Norio Suda
典雄 須田
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Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 誤差逆伝搬法(BP法)による学習を行い得
る並列結合型RNNの学習方式を提供するものである。 【構成】 完全結合型RNNの状態方程式に基づくBP
法による学習アルゴリズムを並列結合型RNNに導入す
る。ニューロ1及び出力ニューロ2、ニューロ3及び出
力ニューロ4、ニューロ5及び出力ニューロ6から成
り、対構成で完全結合された3つのユニットを並列接続
した並列結合型RNNにおいて、第3段目以降のユニッ
トに関する教師データ(第1段目のユニットの学習によ
り得られる)のウィンドゥ幅を変更すると共に、各段に
おける次段への移行を所定の評価関数に従わせることに
より、BP法による学習を実行可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、複数のニューロを完全
結合して成るユニットの複数個を並列に接続した並列結
合型リカレントニューラルネットワーク(以下、並列結
合型RNNと称する)の学習方法に関し、詳しくは誤差
逆伝搬法を用いた並列結合型RNNの学習方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、リカレントニューラルネットワー
ク(RNN)のネットワークを構成している各ユニット
間は、図7に示す如くランダムに結合されている。これ
は各ユニットが動的な非線形ユニットで構成されている
からで、その動作は以下に示す微分方程式(状態方程式
/数1、数2)で表される所定の時系列パターンを成し
ている。
【0003】
【数1】
【0004】
【数2】
【0005】但し、ここでxi、yi、Xiは、それぞれ
i番目のユニットの時刻tにおける内部状態、出力、外
部入力を表わすもので、wijはj番目のユニットから
i番目のユニットへの結合荷重を表わす。又、τiはi
番目のユニットの時定数であり、Nは総ユニット数であ
る。更に、特性関数f(x)には、通常非線形のシグモ
イド関数f(x)=tanh(x)か線形関数f(x)
=xかの何れかが選択される。
【0006】このようなRNNには図8に示す如く、各
ニューロ間が互いに隣接するもの同士で結合された完全
結合型のものがある。この完全結合型RNNの動作は、
以下に示す一般状態方程式(数3、数4)で表わされ
る。
【0007】
【数3】
【0008】
【数4】
【0009】但し、ここでxi、yi、Xiは、それぞれ
i番目ニューロにおける内部活性度、出力値、外部入力
を表わし、wijはj番目のニューロからi番目のニュー
ロへの結合係数を表わす。又τは内部活性度の時定数
で、Nは総ニューロ数である。更に、特性関数f(x)
には、ここでもシグモイド関数か線形関数かが選択され
る。
【0010】完全結合型RNNは、その状態が微分方程
式で表わされるので、時系列パターンの処理能力に優れ
る上、外部入力がない場合でも自励発振するという性質
を持つ。殊に、特性関数を線形関数にすると、2N個の
ニューロがあればN個の周波数成分を持つ複合減衰正弦
波(数5)を近似できるという能力がある。
【0011】
【数5】
【0012】一方、RNNには、複数のニューロを完全
結合して成るユニットの複数個を更に並列に接続した並
列結合型のものがある。即ち、並列結合型RNNは、
M、Nを2以上の自然数とした場合、N個のニューロで
構成された完全結合型RNNをM段用いて構成される。
例えば図9に示すものでは、3個のニューロで構成され
た完全結合型RNNを3段用いた構成になっている。並
列結合型RNNでは各段の完全結合型RNNにおいて1
周波数を出力ユニットから抽出し、このとき入力されて
いる教師信号と出力信号との間の差値を次段目への教師
信号用のデータとしている。更に、最終段では合成操作
を行ってN個の周波数成分を持つ複合減衰正弦波を近似
する。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】ところで、完全結合型
RNNの学習則には、最急降下法に基づく誤差逆伝搬法
(erorr Back Propagation/以
下、BP法と略す)が用いられる。このBP法の基本式
は次式(数6)で表わされる。
【0014】
【数6】
【0015】但し、E[w(t)]は時刻tにおける結
合係数w(t)の状態にある評価関数、y(t)は時刻
tにおける出力ユニットの出力値で、Y(t)は時刻t
における教師信号である。ここで、次式(数7)に従っ
て評価関数Eを最小とするように結合係数wijを更新し
て行くのがBP法である。
【0016】
【数7】
【0017】尚、この式において、結合係数の初期値は
小さな乱数で与えられる。
【0018】完全結合型RNNは、出力ニューロにその
他の全てのニューロが結合している為、BP法において
は全てのニューロに誤差が伝搬されることになる。従っ
て、完全結合型RNNは、このBP法という学習則を用
いると、その能力を充分に発揮することができる。
【0019】そこで、並列結合型RNNの場合、各段を
構成する完全結合型RNN自体の学習則にはBP法を採
用できるが、BP法によれば完全結合型RNNにおける
t=0での出力ユニットの出力と教師データとは初期状
態にあっては必ず一致し、2段目以降の完全結合型RN
Nにおけるt=0での出力ユニットの出力がy(0)=
0となってしまう。即ち、並列結合型RNNの場合、t
>0の動作状態では2段目以降の出力ユニットの出力が
全部y(t)=0となってしまう為、BP法による学習
を行い得ないという不便がある。
【0020】本発明は、かかる問題点を解決すべくなさ
れたもので、その技術的課題は、BP法による学習を行
い得る並列結合型RNNの学習方式を提供することにあ
る。
【0021】
【課題を解決するための手段および作用】本発明によれ
ば、出力ニューロを含む複数のニューロを完全結合して
成るユニットを複数単位で並列接続して構成されると共
に、学習則にBP法を用いた並列結合型RNNの学習方
法であって、BP法は完全結合型RNNの状態方程式に
基づいて、初期状態では複数のユニットのうち第1段目
のユニットに関する出力信号と入力された教師信号との
差で得られると共に、第2段目のユニットで参照される
教師データのウィンドゥ幅を変更して初期点と成し、進
行状態では該初期点より作動し、各段における次段への
移行を所定の評価関数に従って該評価関数が所定の評価
値未満である場合に行う並列結合型RNNの学習方法が
得られる。
【0022】又、本発明によれば、出力ニューロを含む
複数のニューロを完全結合して成るユニットを複数単位
で並列接続して構成されると共に、BP法を学習則とす
る並列結合型RNNが得られる。
【0023】
【実施例】以下に実施例を挙げ、本発明の並列結合型R
NNの学習方式について、図面を参照して詳細に説明す
る。図1は本発明の一実施例である並列結合型RNNの
基本構成を示したものである。
【0024】この並列結合型RNNは、ニューロ1及び
出力ニューロ2と、ニューロ3及び出力ニューロ4と、
ニューロ5及び出力ニューロ6とで対構成された3個の
完全結合型RNN(ユニット)を並列に接続して構成さ
れている。この並列結合型RNNにおいては、1段目の
ユニットの出力ニューロ2がデータアクセス端子P1に
接続され、2段目のユニットの出力ニューロ4がデータ
アクセス端子P2に接続され、3段目のユニットの出力
ニューロ5がデータアクセス端子P3に接続されてい
る。又、データアクセス端子の相互間、即ち、P1及び
P2と、P2及びP3との間は後述する教師データ(E
rror1、Error2)を伝送するためにそれぞれ
接続されている。
【0025】この並列結合型RNNは、BP法を導入す
べく構成されたものである。この為、初期状態では完全
結合型RNNの状態方程式に基づいて、第1段目のユニ
ットに関する出力信号とそのときに入力された教師信号
との差で得られ、且つ第2段目のユニットで参照される
教師データのウィンドゥ幅を変更し、所定時間ずらすこ
とによって初期点を得る。このウィンドゥ幅の変更方法
は、1段目のユニットで得られた教師データのt>0の
場合において、最初にd[Error1(T)]/dt
=0を満たす時間を第2段目のユニットの初期点とす
る。これにより求められた時間(初期点)をt=0とす
れば、BP法に基づく学習アルゴリズムを実行できる。
又、第2段目以降のユニットに対し、進行状態にあって
は初期点より作動し、各段における次段への移行を評価
関数Eが所定の評価値E1未満である場合に行わせる。
尚、評価関数Eを微分したものに対して別な評価値E2
を与え、例えば更にdE/dn<ε2である場合を上述
したE<ε1である判定に併用させて移行の目安にすれ
ば、学習の実行を一層安定させることができる。
【0026】そこで次に図2に示すフローチャートを参
照して、本発明の一実施例に係る並列結合型RNNにお
ける学習アルゴリズムを説明する。この学習方式では、
先ず完全結合型RNNの状態方程式(数3)において、
必要とする結合係数の初期化(通常は小さな乱数で与え
られる)を行って第1段目のユニットから教師データの
抽出(ステップS1)を行う。次に、この教師データの
t>0の場合におけるd[Error1(T)]/dt
=0を満たす時間を初期点とすることで、初期点の設定
(ステップS2)を行う。
【0027】引き続き、初期点より作動させてBP法に
よるRNN学習ルーチン(ステップS3)を第2段目の
ユニットから行う。次にRNN学習ルーチンで使用する
評価関数EがE<ε1またはE’(Eを微分したもの)
<ε2であるか否かを判定(ステップS4)し、この結
果、条件を満たしていなければRNN学習ルーチン(ス
テップS3)の前にリターンして学習を継続するが、条
件を満たしていればM=M+1(ステップS5)として
次段(第3段目)のユニットに移行する。これにより、
教師データ(Error2)が第3段目のユニットに伝
送される。この次段への移行に際し、更に最終段に到達
したか否かを判定(ステップS6)し、到達していなけ
れば最終段の直前段のユニットまで継続的に学習を行い
得るようにRNN学習ルーチン(ステップS3)の前に
リターンするが、到達していれば合成ルーチン(ステッ
プS7)を行ってから学習を完了する。
【0028】図3〜図5は、この学習方式によるユニッ
ト各段における教師信号と出力信号との関係を示したも
ので、図3は第1段目のユニットに関するものであり、
図4は第2段目のユニットに関するものであり、図5は
第3段目のユニットに関するものである。図3には教師
データに対するウィンドゥ幅の変更に伴う初期点の設定
による第1段目のユニットにおけるt=0の時間的ずれ
が示されている。図4には初期点作動による評価関数の
基づく複合減衰正弦波の近似化が行われている様子が示
され、図5には更に複合減衰正弦波の近似化が進められ
た様子が示されている。これらの図3〜図5からは、こ
の学習方式によれば、並列結合型RNNにおいてもBP
法を学習則に採用できることが判る。
【0029】図6は、この学習方式の最終処理である合
成波形と原波形との関係を示したものである。図6から
は、最終的な合成波形においても、充分に学習できてい
ることが判る。
【0030】尚、実施例ではニューロ及び出力ニューロ
が対構成で完全結合されたユニットを3段並列接続した
例を示したが、本発明は出力ニューロを含むN個のニュ
ーロで完全結合されたユニットをM段用いる場合にも適
用可能である。
【0031】
【発明の効果】以上に述べた通り、本発明によれば、完
全結合型RNNのユニットを複数並列接続した並列結合
型RNNにおいて、第2段目以降のユニットに関する教
師データのウィンドゥ幅を変更すると共に、各段におけ
る次段への移行を評価関数に従わせることにより、BP
法による学習を能力高く行い得るものとしている。特
に、ニューロ及び出力ニューロが完全結合されたユニッ
トを複数並列接続した並列結合型RNNの場合は、各ニ
ューロ間の結合数が少ないので、使用すべきコンピュー
タに対するメモリ数の減少化に寄付できる上、学習能力
も保証される為、コンピュータ業界に対して多大な貢献
が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る並列結合型RNNの基
本構成を示したものである。
【図2】図1に示す並列結合型RNNに係る学習アルゴ
リズムを示したフローチャートである。
【図3】図1に示す並列結合型RNNの第1段目ユニッ
トに係る教師信号と出力信号との関係を示した波形図で
ある。
【図4】図1に示す並列結合型RNNの第2段目ユニッ
トに係る教師信号と出力信号との関係を示した波形図で
ある。
【図5】図1に示す並列結合型RNNの第3段目ユニッ
トに係る教師信号と出力信号との関係を示した波形図で
ある。
【図6】図1に示す並列結合型RNNに係る合成波形と
原波形との関係を示した図である。
【図7】従来のRNNにおけるユニット構成を示した図
である。
【図8】従来の完全結合型RNNの基本構成を示した図
である。
【図9】従来の完全結合型RNNの基本構成(本発明に
も適用可能)を示した図である。
【符号の説明】
P1、P2、P3 データアクセス端子

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 出力ニューロを含む複数のニューロを完
    全結合して成るユニットを複数単位で並列続続して、構
    成されると共に学習則に誤差逆伝搬法を用いた並列結合
    型リカレントニューラルネットワークの学習方式であっ
    て、前記誤差逆伝搬法は完全結合型リカレントニューラ
    ルネットワークの状態方程式に基づいて、初期状態では
    前記複数のユニットのうちの第1段目のユニットに関す
    る出力信号と入力された教師信号との差で得られると共
    に、第2段目のユニットで参照される教師データのウィ
    ンドゥ幅を変更して初期点と成し、進行状態では該初期
    点より作動し、各段における次段への移行を所定の評価
    関数に従って該評価関数が所定の評価値未満である場合
    に行うことを特徴とする並列結合型リカレントニューラ
    ルネットワークの学習方式。
  2. 【請求項2】 出力ニューロを含む複数のニューロを完
    全結合して成るユニットを複数単位で並列接続して、構
    成されると共に誤差逆伝搬法を学習則とすることを特徴
    とする並列型リカレントニューラルネットワーク。
JP5084976A 1993-04-13 1993-04-13 並列結合型リカレントニューラルネットワークの学習方式 Pending JPH06301661A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030028992A (ko) * 2001-10-05 2003-04-11 주식회사 거성전자통신 병렬 유선 접속 방식에 의한 어학 실습 장치
CN110849627A (zh) * 2019-11-27 2020-02-28 哈尔滨理工大学 一种宽度迁移学习网络及基于宽度迁移学习网络的滚动轴承故障诊断方法

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