拓海先生、最近部署で「ベイズ最適化」という言葉が出てきて、部下に説明を求められました。正直、何がどう良いのかピンと来ません。要するに現場で役に立つ技術なのでしょうか。
素晴らしい着眼点ですね！まず結論を簡潔に申し上げますと、Bayesian optimization (BO) ベイズ最適化は試行回数やコストが高い実験や調整を効率化する技術で、特に相互に影響する要素がある複雑な現場で投資対効果を高められるんですよ。
なるほど、ただ試行回数を減らすという話であれば、うちの現場でも似たようなことをやっている気もします。具体的にはどのような場面で効くのですか。
いい質問です。BOは特に評価に時間や費用がかかる実験、例えば新材料の配合試験や設備のパラメータ調整などで効果を発揮します。ポイントは三つあります。まず、評価を最小限に抑えつつ最適解に近づけること、次に不確実性を扱えること、最後に既知の構造を取り込める点です。
既知の構造を取り込めるとはどういう意味ですか。うちの設備には流れや伝熱のような物理法則がありますが、そうした知識を活かせるのですか。
その通りです。論文で扱うのはGaussian Process (GP) ガウス過程を使った従来のブラックボックス型ではなく、既知の中核モデルと未知の部分を組み合わせるgrey-box modeling グレイボックスモデリングの考え方です。つまり、既に分かっている物理や相互接続の構造を残したまま、不確かな部分だけを効率的に学習させることが可能です。
それは魅力的ですね。ただ、実際に導入する際のコストや計算時間が心配です。これって要するに既存の知識を使えばデータの投入を減らせるが、計算量は増えるということですか。
お見事です、その理解で合っています。論文は二つのアプローチを比較しています。Monte Carlo based BO (MC-BO) と auxiliary-problem BO (OP-BO)、そして著者が提案するBayesian Optimization for Interconnected Systems (BOIS)で、BOISは局所的にラプラス近似 Laplace approximation を使い計算を簡潔化する方針を取っています。
局所近似ということは、全てを厳密に求めるよりも運用に耐える精度で解を出すという解釈で良いですか。また現場で扱うデータ量が少ないときでも有利なのか教えてください。
良い着眼点ですね、田中専務。BOISはまさに実用的なトレードオフを取る手法です。全体の確率分布を正確に求めるのではなく、関心のある点の周辺を正規分布と近似して扱うため、少ないサンプルで有用な意思決定が可能です。ただし、相互接続の数が増えると補助問題の次元が増え計算負荷が上がることに注意が必要です。
実務的にはどんな手順で始めれば良いですか。小さく始めて効果を示し、横展開する流れを描きたいのです。
大丈夫、一緒にやれば必ずできますよ。まずは三点を意識してください。第一に、小さな制御変数セットでBOISを試し、評価コストと得られる改善を数値で示すこと、第二に既知の物理モデルを明確に分離して不確実な部分だけにGPを当てること、第三に計算負荷を観測して、必要ならOP-BOやMC-BOと比較することです。
分かりました、ここまでの話を自分の言葉でまとめると、既に分かっている物理的構造は活かしつつ、不確かな要素を効率的に実験で探して最小限のコストで最適化する手法、そして規模が大きくなると計算負荷に注意が必要ということで間違いないですか。
