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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

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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

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IoT 時代のセンサーデータ技術

インフラ・プラント設備

ヘルスモニタリング プロセス監視

自動車・航空宇宙

テレマティクス、ヘルスモニタリング 走行安全・ADAS

ウェアラブル・ メディカル

バイタルサインモニター 在宅ケア・遠隔医療

気象、電力、災害予測 電力需要予測（EMS、電力取引）

気象・環境 モニタリング

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遠隔モニタリング、診断

ウェアラブル・メディカル

• 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

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

http://www.mathworks.com/tagteam/84870_92152v01_iSonea_UserStory_2015.pdf

5

リモートセンシング、異常検知例

！！！ 遠隔地の構造物や機器の異常

機器の健康状態、異常のリモート診断、モニタリング

インフラ・プラント設備

工場での生産工程の最適化

異常・変化点検知

観測データの異常 製造物/生成物の異常

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気象・環境 モニタリング

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過去のデータと様々なパラメータを使い未来の予測

• 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

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走行データ解析

ヘルスモニタリング

自動車・航空宇宙

自動車のアクセル・ブレーキパターンの解析

各車両のチャージ量（電源）のマッピング

• 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

http://www.mathworks.com/tagteam/52469_91597v00_daimler_upd.pdf

8

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 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

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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

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IoT 構築のチャレンジ

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

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

センサー

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

データ転送

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IoTを使った遠隔診断DEMO ～心電図のリモート(Cloud)診断～

心拍データのキャプチャ 特徴の抽出

生体信号モニタリング・デバイス

Amazon

Kinesis

Kinesis JAVA Client

Amazon

EC2 MATLAB

ニューラルネットワークによる 機械学習(MATLABからの実装)

MATLAB

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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

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アナリティクスの処理負荷とデータ量

入力

特徴抽出

特徴量

分類・解析 (機械学習など)

出力

データ量:大

処理負荷:小

データ量:中

処理負荷:中

データ量:小

処理負荷:中

データ量:小

処理負荷:大

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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

Database

ビデオデータ(保存用)

ギガバイト、テラバイト単位

時刻+検出結果

メタデータのみ

メガバイト単位

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

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アナリティクスフロー

計測器

データ

情報

知識

アクション

観測 • 検出 • 収集 • 状態 • データ取得

整理 • フィルタリング • 信号解析 • データ処理 • プロット

理解 • 分析 • 周波数 & 時間領域 • 予測分析 • 推定

意思決定 & 設計 • レポート & Apps • 拡張性のある展開 • 設計最適化

MPG Acceleration Displacement Weight Horsepow er

MP

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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

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IoT / M2M 全体像

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

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

センサー

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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

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

MPG Acceleration Displacement Weight Horsepow er

MP

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HWをダイレクト接続

(I2C, SPI, CAN, 測定機器類)

センサー

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IoT / M2M 開発フロー ②MATLAB/Simulinkによる、組み込み開発

MATLABへHWをダイレクト接続

(I2C, SPI, CAN, 測定機器類)

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

MPG Acceleration Displacement Weight Horsepow er

MP

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センサー

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IoT / M2M 開発フロー ②MATLAB/Simulinkによる、組み込み開発

実装

Cコード HDLコード 生成

設計

アルゴリズム 要求仕様

ソフトウェア

モデル

ハードウェア

モデル

統合

プログラマブル SoCなど

システムモデル

生成

生成

実装

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

モデルベースデザインフロー

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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

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

C/HDLコード生成 / 実装

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

MATLABコードの

Deploy (C, Java, .NET)

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IoT / M2M 全体像

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

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

RESTful API

(JSON、XML、画像、テキスト) TCP/IP

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

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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

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1970 Stanford Ph.D. thesis, with thousands of lines of Fortran code

MATLAB 複雑な事をシンプルに

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1970 Stanford Ph.D. thesis, with thousands of lines of Fortran code

MATLAB 複雑な事をシンプルに

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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

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MATLABの適用分野

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

業界

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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.

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アナリティクス向け各種ツール

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

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

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

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

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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 MATLAB デスクトップ

ローカル

デスクトップコンピュータ

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

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）

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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

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

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Datastore

Hadoopとの連携、MapReduceの実装

MATLAB

MapReduce

Code

HDFS

Node Data

MATLAB

Distributed

Computing

Server

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

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AWS EC2へのスケールアウト

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

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 + Parallel Computing ToolboxR

MATLAB Distributed Computing ServerR

JOBスケジューラ

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ITシステムとの統合

Web サーバ

アプリケーション サーバ

データベースサーバ

Pricing

Risk Analytics

Portfolio Optimization

MATLAB Production Server

MATLAB Compiler

Webアプリケーション

デスクトップアプリケーション

バッチアプリケーション

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

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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

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

テクノロジーリスク 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

MATLAB for Data Analytics / IoT

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