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2026年4月15日 (水)

高周波エンジニアのためのAI・機械学習入門(GPU編19)PythonとKeras3.0とscikit-rfを使ってTransformerで同軸コネクタがついたマイクロストリップライン(誘電率、L、C、線幅、厚みを振った)のSパラメータからTDRでは出せない複素特性インピーダンスを推定する。

DNN、CNNと来て今回はTransformer。

コードはこんな感じ。


import os
os.environ["KERAS_BACKEND"] = "jax"

import keras
import jax
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

plt.rcParams['font.family'] = 'Noto Sans CJK JP'

# JAXの高速化
jax.config.update("jax_enable_x64", False)
jax.config.update("jax_disable_jit", False)

# mixed precision (JAX + Keras3対応)
keras.mixed_precision.set_global_policy("mixed_float16")

# ==========================
# データ読み込み
# ==========================
data_label = np.load("complex_tl_data.npz")
data = data_label["data"]     # (N,200,5)
label = data_label["label"]   # (N,2)

x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(
    data, label, test_size=0.3, random_state=0
)

# ==========================
# ラベルのスケーリング
# ==========================
scaler_y = StandardScaler()
y_train_f = scaler_y.fit_transform(y_train)
y_test_f  = scaler_y.transform(y_test)

# ==========================
# Positional Encoding
# ==========================
def positional_encoding(seq_len, d_model):
    pos = np.arange(seq_len)[:, np.newaxis]
    i = np.arange(d_model)[np.newaxis, :]
    angle_rates = 1 / np.power(10000, (2 * (i // 2)) / np.float32(d_model))
    angle_rads = pos * angle_rates

    pe = np.zeros((seq_len, d_model))
    pe[:, 0::2] = np.sin(angle_rads[:, 0::2])
    pe[:, 1::2] = np.cos(angle_rads[:, 1::2])
    return keras.ops.convert_to_tensor(pe, dtype="float32")

# ==========================
# Transformer Encoder Block
# ==========================
def transformer_encoder(x, head_size, num_heads, ff_dim, dropout=0.1):
    # Self Attention
    attn_out = keras.layers.MultiHeadAttention(
        num_heads=num_heads,
        key_dim=head_size
    )(x, x)

    #attn_out = keras.layers.Dropout(dropout)(attn_out)
    x = keras.layers.LayerNormalization(epsilon=1e-6)(x + attn_out)

    # Feed Forwardネットワーク
    ffn = keras.layers.Dense(ff_dim, activation="relu")(x)
    ffn = keras.layers.Dense(x.shape[-1])(ffn)
    #ffn = keras.layers.Dropout(dropout)(ffn)

    x = keras.layers.LayerNormalization(epsilon=1e-6)(x + ffn)
    return x

# ==========================
# モデル定義
# ==========================
seq_len = 200
feat_dim = 5
embed_dim = 64

inputs = keras.Input(shape=(seq_len, feat_dim))

# 入力を高次元に射影
x = keras.layers.Dense(embed_dim)(inputs)

# Positional Encodingを加算
pe = positional_encoding(seq_len, embed_dim)
x = x + pe

# Transformer ブロック
x = transformer_encoder(x, head_size=64, num_heads=4, ff_dim=128)
#x = transformer_encoder(x, head_size=64, num_heads=4, ff_dim=128)


# 時系列次元を集約
x = keras.layers.GlobalAveragePooling1D()(x)

# 全結合
x = keras.layers.Dense(128, activation="relu")(x)
outputs = keras.layers.Dense(2)(x)

model = keras.Model(inputs, outputs)

model.compile(
    optimizer=keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-3),
    loss="mean_squared_error"
)

model.summary()

# ==========================
# 学習
# ==========================
batch_size = 64
epochs = 500

keras.utils.set_random_seed(1)

history = model.fit(
    x_train,
    y_train_f,
    batch_size=batch_size,
    epochs=epochs,
    validation_split=0.15,
)

# ==========================
# 予測
# ==========================
y_pred_f = model.predict(x_test)
y_pred = scaler_y.inverse_transform(y_pred_f)

metric = keras.metrics.R2Score()
metric.update_state(y_test, y_pred)
result = metric.result()
print(result)
error = np.abs((y_test - y_pred)/y_test*100)
print(error.mean(axis=0))

legend = ["Z0"]
fig, ax = plt.subplots(2, 2, figsize=(12,12))

maxrvalue = y_pred[:,0].max()
minrvalue = y_pred[:,0].min()
maxivalue = y_pred[:,1].max()
minivalue = y_pred[:,1].min()
ax[0, 0].scatter(y_pred[:,0], y_test[:,0], c="r", s=5)
ax[0, 0].plot([0,maxrvalue], [0,maxrvalue], "--", c="black")
ax[0, 0].set_xlabel("推定した値(実部)")
ax[0, 0].set_ylabel("実際の値(実部)")
ax[0, 0].set_xlim(minrvalue, maxrvalue)
ax[0, 0].set_ylim(minrvalue, maxrvalue)
ax[0, 0].grid()
ax[0, 0].legend([legend[0] + f" 平均誤差(実部){error.mean(axis=0)[0]:.2f}%"])
ax[1, 0].hist(error[:, 0], bins = 100)
ax[1, 0].set_xlabel("誤差[%](実部)")
ax[1, 0].set_ylabel("頻度")
ax[1, 0].grid()
ax[0, 1].scatter(y_pred[:,1], y_test[:,1], c="r", s=5)
ax[0, 1].plot([0,maxivalue], [0,maxivalue], "--", c="black")
ax[0, 1].set_xlabel("推定した値(虚部)")
ax[0, 1].set_ylabel("実際の値(虚部)")
ax[0, 1].set_xlim(minivalue, maxivalue)
ax[0, 1].set_ylim(minivalue, maxivalue)
ax[0, 1].grid()
ax[0, 1].legend([legend[0] + f" 平均誤差(虚部){error.mean(axis=0)[1]:.2f}%"])
ax[1, 1].hist(error[:, 1], bins = 100)
ax[1, 1].set_xlabel("誤差[%](虚部)")
ax[1, 1].set_ylabel("頻度")
ax[1, 1].grid()
fig.tight_layout()
plt.show()

結果はこちら。CNNと大体同じくらいになっている。時間は1.5倍くらいはかかる。

Gpucomplexz0transformer01

まあ今回もCNNを使うのが一番よさそうだ。

 

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