IoT時代のアナリティクス ～センサーデータからの価値発見～

IoT 時 代 のアナリティクス ~センサーデータからの 価 値 発 見 ~ MathWorks Japan アプリケーション エンジニアリング 部 (テクニカルコンピューティング) 部 長 大 谷 卓 也 2015 The MathWorks, Inc. 1

Agenda IoT 時 代 のセンサーデータ 解 析 ウェラブル インフラ 環 境 自 動 車 センサー 信 号 IoT / アナリティクス 構 築 のChallenge IoT システム 開 発 フロー MATLABでのデータアナリティクス 2

IoT 時 代 のセンサーデータ 技 術 ウェアラブル メディカル インフラ プラント 設 備 バイタルサインモニター 在 宅 ケア 遠 隔 医 療 気 象 環 境 モニタリング ヘルスモニタリング プロセス 監 視 自 動 車 航 空 宇 宙 気 象 電 力 災 害 予 測 電 力 需 要 予 測 (EMS 電 力 取 引 ) テレマティクス ヘルスモニタリング 走 行 安 全 ADAS 3

ウェアラブル メディカル 遠 隔 モニタリング 診 断 喘 息 の 発 生 及 び COPD( 慢 性 閉 塞 性 肺 疾 患 ) 検 知 スマートフォン 側 の 処 理 と クラウドベース 処 理 の 組 み 合 わせによる 診 断 http://www.mathworks.com/tagteam/84870_92152v01_isonea_userstory_2015.pdf 遠 隔 地 の 患 者 の ECGデータの 取 得 デバイス 側 でのデータ 前 処 理 トレンド ノイズ 除 去 サーバー クラウドによる 各 種 統 計 値 測 定 機 械 学 習 による 診 断 4

インフラ プラント 設 備 リモートセンシング 異 常 検 知 例 異 常 変 化 点 検 知 遠 隔 地 の 構 造 物 や 機 器 の 異 常!!! 観 測 データの 異 常 製 造 物 / 生 成 物 の 異 常 工 場 での 生 産 工 程 の 最 適 化 機 器 の 健 康 状 態 異 常 の リモート 診 断 モニタリング 5

気 象 環 境 モニタリング HVAC( 冷 暖 房 換 気 システム) に 向 けたクラウドベースの リアルタイム アナリティクス 気 象 データ 電 力 消 費 量 を 元 に 機 械 学 習 最 適 化 ビルの 電 力 消 費 量 を15-20% 削 減 http://www.mathworks.com/tagteam/82631_92267v00_buildingiq_userstory_final.pdf 過 去 のデータと 様 々なパラメータを 使 い 未 来 の 予 測 10/22 10/23 10/24 10/25 10/26 10/27 10/28 10/29 6

自 動 車 航 空 宇 宙 各 車 両 のチャージ 量 ( 電 源 )のマッピング 走 行 データ 解 析 ヘルスモニタリング http://www.mathworks.com/tagteam/52469_91597v00_daimler_upd.pdf 自 動 車 のアクセル ブレーキパターンの 解 析 社 内 ITシステムと 統 合 した 解 析 システム コンポーネントのパフォーマンス 予 測 メンテナンスコストの 最 小 化 7

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センサー 信 号 IoT 構 築 のChallenge 膨 大 なデータのハンドリング 大 量 のセンサーデバイス 限 られた 転 送 帯 域 コンピューティングリソース 消 費 電 力 の 全 体 最 適 化 (デバイス 側 での 処 理 と サーバー クラウド 側 処 理 のパーティショニング) 高 度 なアナリティクスの 開 発 非 同 期 サンプル 速 度 の 違 い 欠 損 データの 対 応 高 度 な 機 械 学 習 時 系 列 予 測 最 適 化 アルゴリズムの 実 装 ITインフラとの 統 合 9

IoT 構 築 のチャレンジ センサー データ 転 送 エッジデバイス 信 号 処 理 画 像 処 理 データ 圧 縮 組 み 込 みシステム(マイコン FPGA) データアグリゲータ データの 前 処 理 同 期 処 理 データベースアクセス 並 列 計 算 による 高 速 化 ネットワークのバンド 幅 V.S 消 費 電 力 V.S コンピューティングパワー V.S 開 発 時 間 工 数 データ 解 析 / 可 視 化 トレンド 解 析 異 常 検 出 データ 可 視 化 レポーティング 10

IoTを 使 った 遠 隔 診 断 DEMO ~ 心 電 図 のリモート(Cloud) 診 断 ~ 生 体 信 号 モニタリング デバイス MATLAB Amazon EC2 MATLAB Kinesis JAVA Client Amazon Kinesis ニューラルネットワークによる 機 械 学 習 (MATLABからの 実 装 ) 心 拍 データのキャプチャ 特 徴 の 抽 出 11

情 報 の 圧 縮 ( 時 系 列 センサー 例 ) ( 特 徴 量 の 抽 出 クラウドへ 送 信 ) 全 データ 送 信 @1k/s 4bytes x 1,000points = 4KB/s 特 徴 データ(QRS 例 )のみ 送 信 4bytes x 10points x 2(タイムスタンプ) = 80B/s 必 要 な 特 徴 量 のみ 送 信 することで 必 要 データ 帯 域 を 最 小 限 に デバイス10 万 台 の 例 : 400MB/s 8MB/s 12

アナリティクスの処理負荷とデータ量 入力 データ量:大 処理負荷:小 特徴抽出 データ量:中 処理負荷:中 特徴量 データ量:小 処理負荷:中 分類 解析 (機械学習など) データ量:小 処理負荷:大 出力 13

情 報 の 圧 縮 ( 監 視 カメラ イメージセンサー 例 ) ストリーミングでのコンピュータビジョン 処 理 時 刻 + 検 出 結 果 メタデータのみ メガバイト 単 位 Database ビデオデータ( 保 存 用 ) ギガバイト テラバイト 単 位 入 力 データをリアルタイム 処 理 し メタデータを 同 時 生 成 することに より 後 処 理 時 間 データ 転 送 時 間 を 削 減 14

アナリティクスフロー アクション 意思決定 & 設計 レポート & Apps 拡張性のある展開 設計最適化 知識 理解 分析 周波数 & 時間領域 予測分析 推定 情報 MPG Displacement Acceleration フィルタリング 信号解析 データ処理 プロット Weight 40 20 20 10 400 200 4000 2000 Horsepower 整理 200 150 100 50 20 MPG データ 40 10 20 Acceleration 200 400 2000 Displacement 4000 Weight 50 100150200 Horsepow er 観測 計測器 検出 収集 状態 データ取得 15

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IoT / M2M 全 体 像 データアグリゲータ データの 前 処 理 同 期 処 理 データベースアクセス センサー エッジデバイス 信 号 処 理 画 像 処 理 データ 圧 縮 組 み 込 みシステム(マイコン FPGA) データ 解 析 / 可 視 化 トレンド 解 析 異 常 検 出 データ 可 視 化 レポーティング 17

IoT / M2M 開発フロー ①MATLABによる アルゴリズム開発 全体システム設計 Weight Displacement Acceleration MPG 40 20 20 10 400 200 4000 Horsepower 2000 200 150 100 50 20 MPG 40 10 20 Acceleration 200 400 2000 Displacement 4000 Weight 50 100150200 Horsepow er HWをダイレクト接続 (I2C, SPI, CAN, 測定機器類) センサー 全体システムの動き確認 検討 データの同期方法検討 特徴抽出 機械学習の検討 トレンド解析 イベント 異常検出 大規模高速演算 HPC利用による 並列処理の検討 GPGPUによる高速処理 18

IoT / M2M 開発フロー ②MATLAB/Simulinkによる 組み込み開発 Weight Displacement Acceleration MPG 40 20 20 10 400 200 4000 Horsepower 2000 200 150 100 50 20 MPG 40 10 20 Acceleration 200 400 2000 Displacement 4000 Weight 50 100150200 Horsepow er MATLABへHWをダイレクト接続 (I2C, SPI, CAN, 測定機器類) センサー アルゴリズムの開発 データの同期方法検討 特徴抽出 機械学習の検討 トレンド解析 イベント 異常検出 19

IoT / M2M 開発フロー ②MATLAB/Simulinkによる 組み込み開発 アルゴリズム 要求仕様 設計 システムモデル ハードウェア モデル ソフトウェア モデル 生 成 Cコード アルゴリズムのパーティショニング アナログ vs. デジタル スピード vs. 容量/面積 FPGA vs. CPU 実装 生 成 生成 HDLコード 実 装 統合 プログラマブル SoCなど モデルベースデザインフロー 20

IoT / M2M 開 発 フロー 3エッジデバイス アグリゲータへのコードの 配 置 Deploy MATLABコードの Deploy (C, Java,.NET) データアグリゲータ データの 前 処 理 同 期 処 理 データベースアクセス C/HDLコード 生 成 / 実 装 エッジデバイス 信 号 処 理 画 像 処 理 データ 圧 縮 組 み 込 みシステム(マイコン FPGA) システムの 最 適 化 /バランス 配 置 エッジデバイス vs. サーバー ストリーミング vs. オフライン 21

IoT / M2M 全 体 像 TCP/IP RESTful API (JSON XML 画 像 テキスト) データアグリゲータ データの 前 処 理 同 期 処 理 データベースアクセス 全 体 のシステムレベルで 検 討 し パフォーマンスとコストの 最 適 化 エッジデバイス 信 号 処 理 画 像 処 理 データ 圧 縮 組 み 込 みシステム(マイコン FPGA) データ 解 析 / 可 視 化 トレンド 解 析 異 常 検 出 データ 可 視 化 レポーティング 22

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MATLAB 複 雑 な 事 をシンプルに 1970 Stanford Ph.D. thesis, with thousands of lines of Fortran code 24

MATLAB 複 雑 な 事 をシンプルに 1970 Stanford Ph.D. thesis, with thousands of lines of Fortran code 25

MATLAB テクニカルコンピューティングを 効 率 的 に 行 うためのプログラミング 環 境 アルゴリズム 開 発 向 けに 対 話 的 な プログラミング 環 境 を 提 供 強 力 なデータ 解 析 可 視 化 機 能 信 号 処 理 画 像 処 理 統 計 最 適 化 数 式 処 理 など 適 用 分 野 に 特 化 した アドオン 製 品 群 - Toolbox 外 部 のデータ アプリケーション 機 器 との 入 出 力 MathWorks 製 品 の 基 盤 26

MATLABの 適 用 分 野 業 界 航 空 宇 宙 / 防 衛 自 動 車 医 療 / 創 薬 化 学 / 石 油 通 信 コンピュータ / オフィス 機 器 教 育 電 機 / 半 導 体 金 融 工 業 オートメーション 計 測 エネルギー 27

プログラミング 言 語 としてのMATLAB 2014 年 7 月 IEEE Spectrumによる プログラミング 言 語 の 人 気 調 査 (12 種 類 の 項 目 での 結 果 ) 結 果 : MATLABがC, C++, Javaなどの 従 来 からの 汎 用 言 語 と 並 び 10 位 にランクイン Data sources: Google, CareerBuilder, IEEE Xplore, Github, and more. 28

アナリティクス 向 け 各 種 ツール Statistics and Machine Learning Toolbox 多 変 量 統 計 確 率 分 布 回 帰 と 分 散 分 析 機 械 学 習 実 験 計 画 Signal Processing Toolbox 信 号 生 成 時 間 領 域 解 析 フィルタ 設 計 解 析 アナログフィルタ ディジタルフィルタ スペクトル 解 析 線 形 予 測 Optimization Toolbox 滑 らかな 目 的 関 数 の 最 適 化 さまざまな 最 適 化 問 題 に 対 応 する 関 数 の 提 供 最 適 化 計 算 の 並 列 処 理 最 適 化 のためのGUI 環 境 Computer Vision System Toolbox カメラキャリブレーション 機 械 学 習 による 物 体 認 識 動 画 ストリーミング 処 理 トラッキング ステレオビジョン 3D 表 示 29

各 種 HW/SW 連 携 ツール Parallel Computing Toolbox MATLAB & Simulink と 連 携 した 並 列 処 理 最 大 512 並 列 をサポート GPU 計 算 対 話 的 な 並 列 計 算 実 行 ジョブおよびタスクの 制 御 デスクトップコンピュータ ローカル MATLAB デスクトップ Instrument Control Toolbox 測 定 器 へのアクセス オシロスコープ 信 号 発 生 器 スペアナ : シリアル 通 信 (RS-232など) Database Toolbox 各 種 データベースへの アクセス ODBC JDBC GUIを 用 いた 対 話 的 な アクセスとSQLの 作 成 Mapping Toolbox 2D/3D 地 図 表 示 WebMapService サーバへのアクセス デジタル 地 形 の 分 析 地 図 フォーマット 変 換 Web Map の 表 示 30

Big Data に 対 する 対 応 メモリとデータへのアクセス 64-bit プロセッササポート メモリ/Diskマップド 変 数 データベースアクセス 大 規 模 テキストサポート プログラミング 手 法 ストリーミング ブロック 処 理 CPU/GPUを 使 った 並 列 処 理 MapReduce プラットフォームサポート マルチコア GPU クラスタへの 対 応 クラウドコンピューティング Hadoop 31

Hadoopとの連携 MapReduceの実装 MATLAB Distributed Computing Server Datastore HDFS MATLAB MapReduce Code Node Data Node Data Node Data Map Reduce Map Reduce Map Reduce Hadoop 複雑なJAVAコードを書く必要なく MATLABコードをそのまま mapreduce, Hadoop環境に持って行き 並列化オプション MATLAB Distributed Computing Server 併用で 大規模並列処理が可能 32

AWS EC2へのスケールアウト MATLAB + Parallel Computing Toolbox R デスクトップクライアントにて マルチコアを 使 った MATLAB/Simulinkの 並 列 コンピューティング JOBスケジューラ 処 理 が 重 い 演 算 シミュレーション 時 EC2 上 にクラスタ 環 境 を 構 築 し 大 規 模 並 列 コンピューティングへ 拡 張 MATLAB Distributed Computing Server R 33

ITシステムとの 統 合 MATLAB Compiler Webアプリケーション Web サーバ MATLAB Production Server Portfolio Optimization デスクトップアプリケーション Pricing アプリケー ション サーバ Risk Analytics バッチアプリケーション データベースサーバ MATLAB Production Serverを 使 い 様 々なITサーバ 環 境 の 中 に MATLABを 組 み 込 むことが 可 能 です 34

MATLAB for Data Analytics / IoT チャレンジ MATLABソリューション IoT システム 設 計 最 適 化 思 考 を 止 めない 統 合 環 境 アイデアから 組 み 込 みデバイス アプリケーション 開 発 までの 統 合 環 境 データの 理 解 機 械 学 習 音 声 画 像 処 理 時 系 列 解 析 深 く 広 い 分 野 に 対 して 多 数 の 解 析 手 法 の 提 供 大 規 模 演 算 スケーラブルなコンピューティング 環 境 並 列 CPU,GPUを 使 った 高 速 処 理 IT 環 境 への 展 開 インテグレーション テクノロジーリスク デスクトップからIT 環 境 への 展 開 まで 同 じ 環 境 で 対 応 作 り 直 しが 発 生 しないスムーズなプロダクションへの 移 行 テクニカルサポート 付 きのハイクオリティなライブラリ プロダクションに 使 える 業 界 標 準 ライブラリ サポート トレーニング アドバイザリも 提 供 35

2015 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc. See www.mathworks.com/trademarks for a list of additional trademarks. Other product or brand names may be trademarks or registered trademarks of their respective holders. 36