用于創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的方法和裝置制造方法
【專利摘要】用于創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的方法和裝置。本發(fā)明涉及用于創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型、尤其是高斯過程模型的方法，具有下列步驟：提供從第一訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中確定的基于數(shù)據(jù)的第一部分模型；提供一個或多個另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組；其中針對所提供的另外的數(shù)據(jù)組中的每個執(zhí)行下列步驟：利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)確定差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組，所述差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組對應(yīng)于所涉及的另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的輸出值與如下函數(shù)值之差，所述函數(shù)值是基于數(shù)據(jù)的第一部分模型和之前確定的一個或多個另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型在所涉及的另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的每個測量點處的部分函數(shù)值之和的函數(shù)值；從所述差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中確定另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型。
【專利說明】用于創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于電機系統(tǒng)的控制設(shè)備、尤其是具有用于分析基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模 型、例如高斯過程模型的單獨計算單元的控制設(shè)備。 現(xiàn)有技術(shù)
[0002] 迄今為止，在控制設(shè)備中的函數(shù)模型、即線路模型和系統(tǒng)模型通過預(yù)先給定特征 域、特征曲線來實現(xiàn)模擬物理系統(tǒng)的功能。由用戶通過將模型參數(shù)與物理系統(tǒng)的實際情況 相匹配來適配這些模型。
[0003] -種替代方案是使用非參數(shù)化的基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型，利用所述函數(shù)模型可以在 基本上沒有參數(shù)預(yù)先給定的情況下模擬物理系統(tǒng)的功能。作為基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型，例如 可以使用基本上由超參數(shù)和取樣點（StUtzstelle)來定義的高斯過程模型?；跀?shù)據(jù)的函 數(shù)模型基于可在測試系統(tǒng)中確定的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來創(chuàng)建。高斯過程模型的取樣點可以對應(yīng)于訓(xùn) 練數(shù)據(jù)、選自訓(xùn)練數(shù)據(jù)或者從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中生成。
[0004] 尤其是局部效應(yīng)或許不能合理地由所創(chuàng)建的基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型來映射。如果已 經(jīng)基于初始訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的訓(xùn)練數(shù)據(jù)確定了基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型，則難以在已經(jīng)創(chuàng)建的基于 數(shù)據(jù)的函數(shù)模型中合理地考慮事后確定的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。但是通過在具有或沒有 基于數(shù)據(jù)的模型的超參數(shù)的變化的情況下單單聯(lián)合訓(xùn)練數(shù)據(jù)組，僅當(dāng)事后添加的訓(xùn)練數(shù)據(jù) 組的訓(xùn)練數(shù)據(jù)具有足夠數(shù)目的測量點時，才能合理地考慮到局部效應(yīng)。因此，附加的測量點 可能相對于初始訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的測量點而言具有足夠的比重。此外，要求事后添 加的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的測量點不與初始訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的已經(jīng)存在的測量點相抵觸，即與其具有相 對大的偏差。否則，獲得具有高測量噪聲并且因此針對局部效應(yīng)的范圍內(nèi)的函數(shù)值具有高 模型誤差的基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型。
[0005] 從現(xiàn)有技術(shù)中公知了具有微控制器和單獨的模型計算單元的控制設(shè)備，該模型計 算單元用于計算控制設(shè)備中的基于數(shù)據(jù)的模型。因此，例如從DE 10 2010 028 259 A1中 公知了具有附加的邏輯電路的控制設(shè)備，該邏輯電路被構(gòu)造為計算指數(shù)函數(shù)，以便支持尤 其是為了計算高斯過程模型所需的貝葉斯回歸方法的執(zhí)行。
[0006] 此外，從C. Plagemann，K. Kersting，W. Burgard 的"Nonstationary Gaussian Process Regression Using Point Estimates of Local Smoothness，'（ICML Proceedings, 第204-2116頁，2006)中公知了用于將另一訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的測量點添加到現(xiàn)有高斯過程模 型中的另一方法。但是該方法是低效的，這尤其是因為參數(shù)優(yōu)化是困難的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)本發(fā)明，規(guī)定有根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于基于基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型創(chuàng)建基 于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的方法、以及根據(jù)并列權(quán)利要求所述的用于計算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的 函數(shù)值的方法、裝置、控制設(shè)備以及計算機程序。
[0008] 本發(fā)明的另外的有利的擴展方案在從屬權(quán)利要求中予以說明。
[0009] 根據(jù)第一方面，規(guī)定了一種用于創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的方法。該方法包括下 列步驟： -提供或創(chuàng)建從第一訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中確定的基于數(shù)據(jù)的第一部分模型；以及 -提供一個或多個另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組； 其中針對所提供的另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中的每個執(zhí)行下列另外的步驟： ?利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)確定差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組，所述差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組對應(yīng)于所涉及的另外的訓(xùn) 練數(shù)據(jù)組的輸出值與如下函數(shù)值之差，所述函數(shù)值是基于數(shù)據(jù)的第一部分模型和之前確定 的一個或多個另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型在所涉及的另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的每個測量點處 的部分函數(shù)值之和的函數(shù)值； ?從差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中確定另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型；以及 ?從基于數(shù)據(jù)的第一部分模型和所確定的另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型中形成和。
[0010] 用于創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的上述方法的思想在于，將多個基于數(shù)據(jù)的部分模 型彼此加性連接，以便實現(xiàn)控制設(shè)備中的線路或系統(tǒng)模型。這使得能夠合理地表示作為單 獨的基于數(shù)據(jù)的部分模型被建模的局部效應(yīng)。上述方法提出，形成多個基于數(shù)據(jù)的部分模 型的加性鏈，其中基于每個另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型的基于數(shù)據(jù)的第一部分模型給定同 基于數(shù)據(jù)的第一部分模型的加性偏差或基于數(shù)據(jù)的第一部分模型與已經(jīng)被考慮的另外的 基于數(shù)據(jù)的部分模型之和。通過這種方式，尤其是由于基于數(shù)據(jù)的模型的通過超參數(shù)確定 的寬度來良好地對局部效應(yīng)建模，而不決定性地妨害基于數(shù)據(jù)的第一部分模型。
[0011] 多個基于數(shù)據(jù)的部分模型的加性聯(lián)合所具有的另外的優(yōu)點是，它們可以在具有附 加的模型計算單元的控制設(shè)備中以簡單方式被計算出。
[0012] 通過設(shè)置獨立地相繼計算多個基于數(shù)據(jù)的部分模型并將結(jié)果得到的部分結(jié)果相 加的模型計算單元，使得能夠基于上述加性函數(shù)模型簡單地確定函數(shù)值。通過避免計算單 元必須為每個單個部分模型的計算準(zhǔn)備模型計算單元，可以明顯加速相應(yīng)函數(shù)值的計算。
[0013] 此外，可以規(guī)定：所述另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組分別包含訓(xùn)練數(shù)據(jù)，所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)通過分 類或聚類方法被分配給局部效應(yīng)。
[0014] 該另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型尤其是可以從差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中被確定為使得其 在外插區(qū)域中返回到常數(shù)0。
[0015] 此外，基于數(shù)據(jù)的部分模型可以對應(yīng)于高斯過程模型，其中基于均值函數(shù)從相應(yīng) 差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中確定的所述一個或多個另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型為常數(shù)0。
[0016] 根據(jù)另一方面，規(guī)定了一種用于在控制設(shè)備中計算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的函數(shù)值 的方法，該控制設(shè)備具有計算單元和單獨的模型計算單元，其中基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型具有 多個部分模型。該方法包括下列步驟： 一向模型計算單元提供輸入數(shù)據(jù)； 一將給定存儲器單元中的第一配置數(shù)據(jù)的地址的計算地址傳送給DMA單元； 一從存儲器單元中調(diào)用第一配置數(shù)據(jù)，所述第一配置數(shù)據(jù)包含用于計算第一部分模型 的參數(shù)和取樣點數(shù)據(jù)，并且將第一配置數(shù)據(jù)傳送給模型計算單元； 一基于輸入數(shù)據(jù)確定第一部分模型的第一部分函數(shù)值；以及 一將第一部分函數(shù)值存儲在模型計算單元中的累加器中； 其中重復(fù)執(zhí)行下列步驟直到存在停止條件： ?從存儲器單元中調(diào)用另外的配置數(shù)據(jù)，所述另外的配置數(shù)據(jù)包含用于計算另外的部 分模型的參數(shù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并且將所涉及的另外的配置數(shù)據(jù)傳送給模型計算單元； ?基于輸入數(shù)據(jù)確定該另外的部分模型的另外的部分函數(shù)值；并且 ?將該另外的部分函數(shù)值與存儲在累加器中的值相加。
[0017] 首先提到的用于創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的方法與借助于DMA單元在模型計算 單元中的計算的組合使得能夠在模型計算單元中計算鏈?zhǔn)接嬎惴椒?，該鏈?zhǔn)接嬎惴椒ㄓ质?得能夠快速地執(zhí)行計算而不給計算單元增加負(fù)擔(dān)。
[0018] 此外，來自依賴于計算地址的存儲器區(qū)域的另外的配置數(shù)據(jù)尤其是可以通過給所 述計算地址施加預(yù)先給定的地址偏移量來調(diào)用。
[0019] 根據(jù)一個實施方式，停止條件可以通過調(diào)用另外的配置數(shù)據(jù)來給定。
[0020] 可以規(guī)定：停止條件規(guī)定，計算單元給定存儲在累加器中的值作為基于數(shù)據(jù)的函 數(shù)模型的函數(shù)值。
[0021] 尤其是可以執(zhí)行：從存儲器單元調(diào)用所述另外的配置數(shù)據(jù)；將所涉及的另外的配 置數(shù)據(jù)傳送給模型計算單元；以及開始通過DMA單元確定所述另外的部分模型的另外的部 分函數(shù)值。
[0022] 根據(jù)另一方面，規(guī)定一種用于創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的裝置、尤其是計算單元， 其中該裝置被構(gòu)造為： 一提供從第一訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中確定的基于數(shù)據(jù)的第一部分模型；以及 一提供一個或多個另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組； 其中該裝置還被構(gòu)造為為所提供的另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中的每個執(zhí)行下列步驟： ?利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)確定經(jīng)修改的另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組作為所涉及的另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的 輸出值與如下函數(shù)值之差，所述函數(shù)值是基于數(shù)據(jù)的第一部分模型和之前確定的另外的基 于數(shù)據(jù)的部分模型在所涉及的另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的每個測量點處的部分函數(shù)值之和的函 數(shù)值； ?從經(jīng)修改的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中確定另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型； ?其中該裝置還被構(gòu)造為形成基于數(shù)據(jù)的第一部分模型與所確定的另外的基于數(shù)據(jù)的 部分模型之和。
[0023] 根據(jù)另一方面，規(guī)定一種用于計算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的函數(shù)值的控制設(shè)備，其 中基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型具有多個部分模型，該控制設(shè)備包括： 一計算單元，其用于將計算地址傳送給DMA單元； 一單獨的模型計算單元，其用于基于輸入數(shù)據(jù)確定所提供的部分模型的部分函數(shù)值并 且將所述部分函數(shù)值與存儲在模型計算單元的累加器中的值相加； 一存儲器單元，其用于存儲第一配置數(shù)據(jù)和另外的配置數(shù)據(jù)，所述第一配置數(shù)據(jù)包含 用于計算第一部分模型的參數(shù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并且所述另外的配置數(shù)據(jù)包含用于計算一個或 多個另外的部分模型的參數(shù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)；以及 一 DMA單元，其被構(gòu)造為從存儲器單元中調(diào)用配置數(shù)據(jù)并將其傳送給模型計算單元。
[0024] 根據(jù)另外的方面，規(guī)定一種計算機程序，其被安排為執(zhí)行用于創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)的函 數(shù)模型的上述方法的所有步驟。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 下面根據(jù)附圖進一步闡述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。附圖： 圖1示出了解釋用于創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的方法的流程圖； 圖2示出了具有微控制器、模型計算單元和DMA單元的控制設(shè)備的示意圖； 圖3示出了解釋用于計算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的函數(shù)值的方法的流程圖，其中該函數(shù) 模型基于基于數(shù)據(jù)的加性部分模型； 圖4示出了用于借助于DMA單元進行訪問的存儲器使用的圖示；以及 圖5示出了用于以加性方式考慮基于數(shù)據(jù)的部分模型的部分函數(shù)結(jié)果的模型計算單 元的一部分。

【具體實施方式】
[0026] 首先根據(jù)圖1的流程圖描述一種方法，其中根據(jù)該方法，通過加性地施加多個基 于數(shù)據(jù)的部分模型來確定基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型、在所示實施例中為高斯過程模型。
[0027] 在步驟1中，根據(jù)超參數(shù)和取樣點提供基于數(shù)據(jù)的第一部分模型

【權(quán)利要求】
1. 一種用于創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型、尤其是高斯過程模型的方法，具有下列步驟： 一提供（S1)從第一訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中確定的基于數(shù)據(jù)的第一部分模型； 一提供（S2)-個或多個另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組；其中針對所提供的另外的數(shù)據(jù)組中的每 個執(zhí)行下列步驟： 利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)確定（S3)差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組，所述差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組對應(yīng) 于所涉及的另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的輸出值與如下函數(shù)值之差，所述函數(shù)值 是基于數(shù)據(jù)的第一部分模型和之前確定的一個或多個另外的基于數(shù)據(jù)的 部分模型在所涉及的另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的每個測量點處的部分函數(shù)值
之和的函數(shù)值； 從所述差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中確定（S4)另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型；以及 一形成（S5)基于數(shù)據(jù)的第一部分模型與所確定的另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型之和，以 便獲得該基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組分別包含訓(xùn)練數(shù)據(jù)，所述 訓(xùn)練數(shù)據(jù)通過分類或聚類方法被分配給局部效應(yīng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型從所述差分 訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中被確定為使得其在外插區(qū)域中返回到常數(shù)0。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其中基于數(shù)據(jù)的部分模型對應(yīng)于高斯過程模 型，并且其中基于均值函數(shù)從相應(yīng)的差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中確定的所述一個或多個另外的基于 數(shù)據(jù)的部分模型為常數(shù)0。
5. -種用于在控制設(shè)備（1)中計算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型、尤其是高斯過程模型的方 法，該控制設(shè)備具有計算單元（10)和單獨的模型計算單元（15)，其中所述基于數(shù)據(jù)的函數(shù) 模型具有多個部分模型，該方法具有下列步驟： 一向模型計算單元（15)提供輸入數(shù)據(jù)； 一將給定存儲器單元中的第一配置數(shù)據(jù)的地址的計算地址傳送給DMA單元（14); 一從存儲器單元（12)中調(diào)用第一配置數(shù)據(jù)，所述第一配置數(shù)據(jù)包含用于計算第一部分 模型的參數(shù)和取樣點數(shù)據(jù)，并且將第一配置數(shù)據(jù)傳送給模型計算單元（15); 一基于所述輸入數(shù)據(jù)確定第一部分模型的第一部分函數(shù)值；以及 一將第一部分函數(shù)值存儲在模型計算單元（15)中； 其中重復(fù)執(zhí)行下列步驟直到存在停止條件： 從存儲器單元（12)中調(diào)用另外的配置數(shù)據(jù)，所述另外的配置數(shù)據(jù)包含用于計算另外的 部分模型的參數(shù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并且將所涉及的另外的配置數(shù)據(jù)傳送給模型計算單元（15); ?基于輸入數(shù)據(jù)確定所述另外的部分模型的另外的部分函數(shù)值；以及 ?將所述另外的部分函數(shù)值與存儲在所述模型計算單元中的值相加。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述另外的配置數(shù)據(jù)從依賴于計算地址的存儲器 區(qū)域（21)中尤其是通過給計算地址施加預(yù)先給定的地址偏移量而被調(diào)用。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中通過所調(diào)用的另外的配置數(shù)據(jù)來給定停止條件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述停止條件規(guī)定：計算單元（10)給定存儲在模 型計算單元（15)中的值作為基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的函數(shù)值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5至8之一所述的方法，其中執(zhí)行從存儲器單元（12)中調(diào)用所述另外 的配置數(shù)據(jù)、將所涉及的另外的配置數(shù)據(jù)傳送給模型計算單元（15)、以及由DMA單元（14) 開始確定所述另外的部分模型的另外的部分函數(shù)值。
10. -種用于創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型、尤其是高斯過程模型的裝置、尤其是計算單 元，其中該裝置被構(gòu)造為： 一提供從第一訓(xùn)練數(shù)據(jù)中確定的基于數(shù)據(jù)的第一部分模型；以及 一提供一個或多個另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組； 其中該裝置還被構(gòu)造為為所提供的另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中的每個執(zhí)行下列步驟： 利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)確定差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組，所述差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組對應(yīng)于所涉及的另外的訓(xùn)練 數(shù)據(jù)組的輸出值與如下函數(shù)值之差，所述函數(shù)值是基于數(shù)據(jù)的第一部分模型和之前確定的 另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型在所涉及的另外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組的每個測量點處的部分函數(shù)值 之和的函數(shù)值； 從所述差分訓(xùn)練數(shù)據(jù)組中確定另外的基于數(shù)據(jù)的部分模型；并且 其中該裝置被構(gòu)造為形成基于數(shù)據(jù)的第一部分模型與所確定的另外的基于數(shù)據(jù)的部 分模型之和。
11. 一種用于計算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型、尤其是高斯過程模型的函數(shù)值的控制設(shè)備，其 中所述基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型具有多個部分模型，該控制設(shè)備包括： 一存儲器單元（12)，其用于存儲第一配置數(shù)據(jù)和另外的配置數(shù)據(jù)，所述第一配置數(shù)據(jù) 包含用于計算第一部分模型的參數(shù)和取樣點數(shù)據(jù)，并且所述另外的配置數(shù)據(jù)包含用于計算 一個或多個另外的部分模型的參數(shù)和取樣點數(shù)據(jù)； 一計算單元（10)，其用于將給定存儲器單元（10)中的第一配置數(shù)據(jù)的地址的計算地 址傳送給DMA單元（14); 一單獨的模型計算單元（15)，其用于基于所述輸入數(shù)據(jù)確定所提供的部分模型的部分 函數(shù)值并且將所述部分函數(shù)值與存儲在模型計算單元（15)中的值相加；以及 一 DMA單元（14)，其被構(gòu)造為從存儲器單元（12)中調(diào)用配置數(shù)據(jù)并將其傳送給模型計 算單元（15)。
12. -種計算機程序，其被構(gòu)造為執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的方法的所有步 驟。
13. -種電子存儲介質(zhì)，在該電子存儲介質(zhì)上存儲根據(jù)權(quán)利要求12所述的計算機程 序。
14. 一種電子控制設(shè)備，其具有根據(jù)權(quán)利要求13所述的電子存儲介質(zhì)。
【文檔編號】G05B13/04GK104102129SQ201410140034
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月10日
【發(fā)明者】H.馬克特, R.迪伊納, F.施特賴歇特, A.岡托羅, M.漢澤爾曼 申請人:羅伯特·博世有限公司