京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21327号 / 理博第4423号 / 新制||理||1635(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科数学・数理解析専攻 / (主査)准教授 COLLINS,Benoit Vincent Pierre, 教授 泉 正己, 教授 日野 正訓 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

In electronic warfare, one of the key technologies is radar. Radar is used to detect and identify unknown aerial, nautical or land-based objects. An attribute of of a pulsed radar signal is the Pulse Repetition Interval (PRI) which is the time interval between pulses in a pulse train. In a passive radar receiver system, the PRI can be used to recognize the emitter system. Correct classification of emitter systems is a crucial part of Electronic Support Measures (ESM) and Radar Warning Receivers (RWR) in order to deploy appropriate measures depending on the emitter system. Inaccurate predictions of emitter systems can have lethal consequences and variables such as time and confidence in the predictions are essential for an effective predictive method. Due to the classified nature of military systems and techniques, there are no industry standard systems or techniques that perform quick and accurate classifications of emitter systems based on PRI. Therefore, methods that allows for fast and accurate predictions based on PRI is highly desirable and worthy of research. This thesis explores and compares the capabilities of two machine learning methods for the task of classifying emitters based on received PRI. The first method is an attention based model which performs well throughout all levels of realistic noise and is quick to learn and even quicker to give accurate predictions. The second method is a K-Nearest Neighbor (KNN) implementation that, while performing well for noise-free PRI, finds its performance degrading as the amount of noise increases. An additional outcome of this thesis is the development of a system to generate samples in an automated fashion. The attention based model performs well, achieving a macro avarage F1-score of 63% in the 59-class recognition task whereas the performance of the KNN is lower, achieving a macro avarage F1-score of 43%. Future research could be conducted with the purpose of designing a better attention based model for producing higher and more confident predictions and designing algorithms to reduce the time complexity of the KNN implementation. / En av de viktigaste teknikerna inom telektrig är radarn. Radar används för att upptäcka och identifiera okända, luftburna, sjögående eller landbaserade förmål. En komponent av radar är Pulsrepetitionsinterval (Pulse Repetition Intervall, PRI) som beskrivs som tidsintervallet mellan två inkommande pulser. I ett radarvarnar system (Radar Warning Receiver, RWR) kan PRI användas för att identifiera radarsystem. Korrekt identifiering av radarsystem är en viktig uppgift för elektroniska understödsmedel (Electronic Support Measures, ESM) med syfte att tillsätta lämpliga medel beroende på radarsystemet i fråga. Icke tillförlitlig identifiering av radarsystem kan ha dödliga konsekvenser och variabler som tid och säkerhet i identifieringen är avgörande för ett effektivt system. Då dokumentation och specifikationer för militära system i regel är hemligstämplade är det svårt att utröna någon typ av industristandard för att utföra snabb och säker klassificering av radarsystem baserat på PRI. Därför är det av stort intresse detta område och möjligheterna för sådana lösningar utforskas. Detta examensarbete utforskar och jämför förmågorna hos två maskininlärningsmetoder i avseende att korrekt identifiera radarsändare baserat på genererat PRI. Den första metoden är ett djupt neuralt nätverk som använder sig av tekniken ”attention”. Det djupa nätverket presterar bra för alla brusnivåer och lär sig snabbt att känna igen attributen hos PRI som kännetecknar vilken radarsändare och som efter träning dessutom är snabb på att korrekt identifiera PRI. Den andra metoden är en K-Nearest Neighbor implementation som förvisso presterar bra på icke brusig data men vars förmåga försämras allt eftersom brusnivåerna ökar. Ett ytterligare resultat av arbetet är utvecklingen och implementationen av en metod för att specificera PRI och sedan generera PRI efter specifikation. Attention modellen genererar bra prediktioner för data bestående av 59 klasser, med ett F1-score snitt om 63% medan KNN-implementationen för samma uppgift har en lägre träffsäkerhet med ett F1-score snitt om 43%. Vidare forskning kan innefatta utökad utveckling av det djupa, neurala nätverket i syfte att förbättra dess förmåga för identifiering och metoder för att minimera tidsåtgången för KNN implementationen.

In Sweden, there is a strong and growing interest in solar power. In recent years, photovoltaic (PV) system installations have increased dramatically and a large part are distributed grid connected PV systems i.e. rooftop installations. Currently the electricity export rate is significantly lower than the import rate which has made the amount of self-consumed PV electricity a critical factor when assessing the system profitability. Self-consumption (SC) is calculated using hourly or sub-hourly timesteps and is highly dependent on the solar patterns of the location of interest, the PV system configuration and the building load. As this varies for all potential installations it is difficult to make estimations without having historical data of both load and local irradiance, which is often hard to acquire or not available. A method to predict SC using commonly available information at the planning phase is therefore preferred.  There is a scarcity of documented SC data and only a few reports treating the subject of mapping or predicting SC. Therefore, this thesis is investigating the possibility of utilizing machine learning to create models able to predict the SC using the inputs: Annual load, annual PV production, tilt angle and azimuth angle of the modules, and the latitude. With the programming language Python, seven models are created using regression techniques, using real load data and simulated PV data from the south of Sweden, and evaluated using coefficient of determination (R2) and mean absolute error (MAE). The techniques are Linear Regression, Polynomial regression, Ridge Regression, Lasso regression, K-Nearest Neighbors (kNN), Random Forest, Multi-Layer Perceptron (MLP), as well as the only other SC prediction model found in the literature. A parametric analysis of the models is conducted, removing one variable at a time to assess the model’s dependence on each variable.  The results are promising, with five out of eight models achieving an R2 value above 0.9 and can be considered good for predicting SC. The best performing model, Random Forest, has an R2 of 0.985 and a MAE of 0.0148. The parametric analysis also shows that while more input data is helpful, using only annual load and PV production is sufficient to make good predictions. This can only be stated for model performance for the southern region of Sweden, however, and are not applicable to areas outside the latitudes or country tested. / I Sverige finns ett starkt och växande intresse för solenergi. De senaste åren har antalet solcellsanläggningar ökat dramatiskt och en stor del är distribuerade nätanslutna solcellssystem, dvs takinstallationer. För närvarande är elexportpriset betydligt lägre än importpriset, vilket har gjort mängden egenanvänd solel till en kritisk faktor vid bedömningen av systemets lönsamhet. Egenanvändning (EA) beräknas med tidssteg upp till en timmes längd och är i hög grad beroende av solstrålningsmönstret för platsen av intresse, PV-systemkonfigurationen och byggnadens energibehov. Eftersom detta varierar för alla potentiella installationer är det svårt att göra uppskattningar utan att ha historiska data om både energibehov och lokal solstrålning, vilket ofta inte är tillgängligt. En metod för att förutsäga EA med allmän tillgänglig information är därför att föredra.  Det finns en brist på dokumenterad EA-data och endast ett fåtal rapporter som behandlar kartläggning och prediktion av EA. I denna uppsats undersöks möjligheten att använda maskininlärning för att skapa modeller som kan förutsäga EA. De variabler som ingår är årlig energiförbrukning, årlig solcellsproduktion, lutningsvinkel och azimutvinkel för modulerna och latitud. Med programmeringsspråket Python skapas sju modeller med hjälp av olika regressionstekniker, där energiförbruknings- och simulerad solelproduktionsdata från södra Sverige används. Modellerna utvärderas med hjälp av determinationskoefficienten (R2) och mean absolute error (MAE). Teknikerna som används är linjär regression, polynomregression, Ridge regression, Lasso regression, K-nearest neighbor regression, Random Forest regression, Multi-Layer Perceptron regression. En additionell linjär regressions-modell skapas även med samma metodik som används i en tidigare publicerad rapport. En parametrisk analys av modellerna genomförs, där en variabel exkluderas åt gången för att bedöma modellens beroende av varje enskild variabel.  Resultaten är mycket lovande, där fem av de åtta undersökta modeller uppnår ett R2-värde över 0,9. Den bästa modellen, Random Forest, har ett R2 på 0,985 och ett MAE på 0,0148. Den parametriska analysen visar också att även om ingångsdata är till hjälp, är det tillräckligt att använda årlig energiförbrukning och årlig solcellsproduktion för att göra bra förutsägelser. Det måste dock påpekas att modellprestandan endast är tillförlitlig för södra Sverige, från var beräkningsdata är hämtad, och inte tillämplig för områden utanför de valda latituderna eller land.

In Sweden the installed capacity of the residential PV systems is increasing every year. The lack of feed-in-tariff-scheme makes the techno-economic optimization of the PV systems mainly based on the self-consumption. The calculation of this parameter involves hourly building loads and hourly PV generation. This data cannot be obtained easily from households. A predictive model based on already available data would be preferred and needed in this case. The already available machine learning models can be suitable and have been tested but the amount of literature in this topic is fairly low. The machine learning models are using a dataset which includes real measurement data of building loads and simulated PV generation data and the calculated self-consumption data based on these two inputs. The simulation of PV generation can be based on Typical Meteorological Year (TMY) weather file or on measured weather data. The TMY file can be generated quicker and more easily, but it is only spatially matched to the building load, while the measured data is matched temporally and spatially. This thesis investigates if the usage of TMY file leads to any major impact on the performance of the regression models by comparing it to the measured weather file model. In this model the buildings are single-family houses from south Sweden region.  The different building types can have different load profiles which can affect the performance of the model. Because of the different load profiles, the effect of using TMY file may have more significant impact. This thesis also compares the impact of the TMY file usage in the case of multifamily houses and also compares the two building types by performance of the machine learning models. The PV and battery prices are decreasing from year to year. The subsidies in Sweden offer a significant tax credit on battery investments with PV systems. This can make the batteries profitable. Lastly this thesis evaluates the performance of the machine learning models after adding the battery to the system for both TMY and measured data. Also, the optimal system is predicted based on the self-consumption, PV generation and battery size.  The models have high accuracy, the random forest model is above 0.9 R2for all cases. The results confirm that using the TMY file only leads to marginal errors, and it can be used for the training of the models. The battery model has promising results with above 0.9 R2 for four models: random forest, k-NN, MLP and polynomial. The prediction of the optimal system model has promising results as well for the polynomial model with 18% error in predicted payback time compared to the reference. / I Sverige ökar den installerade kapaciteten för solcellsanläggningarna för bostäder varje år. Bristen på inmatningssystem gör att den tekniska ekonomiska optimeringen av solcellssystemen huvudsakligen bygger på egen konsumtion. Beräkningen av denna parameter omfattar byggnadsbelastningar per timme och PV-generering per timme. Dessa uppgifter kan inte lätt erhållas från hushållen. En prediktiv modell baserad på redan tillgängliga data skulle vara att föredra och behövas i detta fall. De redan tillgängliga maskininlärningsmodellerna kan vara lämpliga och redan testade men mängden litteratur i detta ämne är ganska låg. Maskininlärningsmodellerna använder en datauppsättning som inkluderar verkliga mätdata från byggnader och simulerad PV-genereringsdata och den beräknade egenförbrukningsdata baserad på dessa två indata. Simuleringen av PV-generering kan baseras på väderfilen Typical Meteorological Year (TMY) eller på uppmätta väderdata. TMY-filen kan genereras snabbare och enklare, men den anpassas endast rumsligt till byggnadsbelastningen, medan uppmätta data är temporärt och rumsligt. Denna avhandling undersöker om användningen av TMY-fil leder till någon större påverkan på prestandan genom att jämföra den med den uppmätta väderfilsmodellen. I denna modell är byggnaderna småhus från södra Sverige. De olika byggnadstyperna kan ha olika belastningsprofiler vilket kan påverka modellens prestanda. På grund av dessa olika belastningsprofiler kan effekten av att använda TMY-fil ha mer betydande inverkan. Den här avhandlingen jämför också effekten av TMY-filanvändningen i fallet med flerfamiljshus och jämför också de två byggnadstyperna efter prestanda för maskininlärningsmodellerna. PV- och batteripriserna minskar från år till år. Subventionerna i Sverige ger en betydande skattelättnad på batteriinvesteringar med solcellssystem. Detta kan göra batterierna lönsamma. Slutligen utvärderar denna avhandling prestandan för maskininlärningsmodellerna efter att ha lagt till batteriet i systemet för både TMY och uppmätta data. Det optimala systemet förutsägs också baserat på egen förbrukning, årlig byggnadsbelastning, årlig PV-generering och batteristorlek. Modellerna har hög noggrannhet, den slumpmässiga skogsmodellen är över 0,9 R2 för alla fall. Resultaten bekräftar att användningen av TMY-filen endast leder till marginella fel, och den kan användas för träning av modellerna. Batterimodellen har lovande resultat med över 0,9 R2 för fyra modeller: random skog, k-NN, MLP och polynom. Förutsägelsen av den optimala systemmodellen har också lovande resultat för polynommodellen med 18 % fel i förutspådd återbetalningstid jämfört med referensen.

As all genres of popular music, classical music consists of many different subgenres. The aim of this work is to recognize those subgenres from orchestral recordings. It is focused on the time period from the very end of 16th century to the beginning of 20th century, which means that Baroque era, Classical era and Romantic era are researched. The Music Information Retrieval (MIR) method was used to classify chosen subgenres. In the first phase of MIR method, parameters were extracted from musical recordings and were evaluated. Only the best parameters were used as input data for machine learning classifiers, to be specific: kNN (K-Nearest Neighbor), LDA (Linear Discriminant Analysis), GMM (Gaussian Mixture Models) and SVM (Support Vector Machines). In the final chapter, all the best results are summarized. According to the results, there is significant difference between the Baroque era and the other researched eras. This significant difference led to better identification of the Baroque era recordings. On the contrary, Classical era ended up to be relatively similar to Romantic era and therefore all classifiers had less success in identification of recordings from this era. The results are in line with music theory and characteristics of chosen musical eras.

This work deals with the diagnosis of Parkinson's disease by analyzing the speech signal. At the beginning of this work there is described speech signal production. The following is a description of the speech signal analysis, its preparation and subsequent feature extraction. Next there is described Parkinson's disease and change of the speech signal by this disability. The following describes the symptoms, which are used for the diagnosis of Parkinson's disease (FCR, VSA, VOT, etc.). Another part of the work deals with the selection and reduction symptoms using the learning algorithms (SVM, ANN, k-NN) and their subsequent evaluation. In the last part of the thesis is described a program to count symptoms. Further is described selection and the end evaluated all the result.