次世代AI技術「HetAESN」アーキテクチャを開発~高次元・マルチスケール時系列予測で従来モデルを凌駕する性能を達成~

2025-12-23 千葉工業大学,基礎生物学研究所,兵庫県立大学

千葉工業大学、基礎生物学研究所、兵庫県立大学の研究チームは、高次元かつマルチスケールな時系列データに対応する新しいリザバーコンピューティングモデル「Heterogeneous Assembly Echo State Network(HetAESN)」を開発した。HetAESNは、高次元入力を分割して並列処理するAssembly ESNを基盤とし、各サブリザバーに異なる時定数を割り当てることで、速い成分と遅い成分が混在する時系列への適応力を高めている。tc-VdPやHindmarsh-Roseモデルなどの予測課題において、従来のESNやAESNを統計的に有意に上回る精度を達成した。さらに遅延容量やマルチスケールファジィエントロピー解析から、モデル性能は「入力次元数」と「有効記憶範囲内の信号複雑性」のバランスに強く依存することが示された。本成果は、実世界の高次元・マルチスケール時系列処理に適した、汎用的で堅牢なエッジAI向けモデル設計に貢献する。

次世代AI技術「HetAESN」アーキテクチャを開発~高次元・マルチスケール時系列予測で従来モデルを凌駕する性能を達成~

<関連情報>

高次元マルチスケール時系列のための異種アセンブリエコー状態ネットワーク:遅延容量とマルチスケールファジィエントロピーによる動的解析 Heterogeneous Assembly Echo State Networks for High-Dimensional, Multiscale Time Series: Dynamic Analysis via Delay Capacity and Multiscale Fuzzy Entropy

Sota Yoshida; Takahiro Iinuma; Sou Nobukawa; Eiji Watanabe; Teijiro Isokawa
IEEE Access  Published:03 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1109/ACCESS.2025.3639721

Abstract

Reservoir computing (RC), particularly the echo state network (ESN), is an efficient framework for time-series processing. However, its conventional form often struggles with tasks characterized by high dimensionality and multiscale temporal dynamics. We propose the heterogeneous assembly ESN (HetAESN), a novel architecture that extends the assembly ESN (AESN) by incorporating temporal heterogeneity. HetAESN partitions high-dimensional input and assigns each sub-reservoir an optimized, distinct time constant, enabling it to adapt to the specific temporal properties of its input components. We validated HetAESN using time-series prediction tasks on three chaotic systems: the two-coupled van der Pol (tc-VdP), the Hindmarsh–Rose (HR), and the two-coupled Lorenz (tc-Lorenz). HetAESN achieved superior prediction accuracy compared to conventional ESN and AESN models for the tc-VdP and HR tasks. To analyze these results, we employed delay capacity and multiscale fuzzy entropy. Our analysis revealed that the model’s effectiveness critically depends on the balance between the task’s dimensionality and the signal’s complexity within the reservoir’s effective memory range. This study clarifies the crucial relationship between architectural design—specifically dimension splitting and multiscale adaptation—and the computational capability of RC models, paving the way for developing more robust, generalized architectures for processing high-dimensional, multiscale time series.

1601コンピュータ工学
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