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【ビジネス層向け】量子コンピュータ時代の製造業におけるDXセミナー~見える化、分析、予測、その先の最適化へ~~

 【ビジネス層向け】量子コンピュータ時代の製造業におけるDXセミナー~見える化、分析、予測、その先の最適化へ~~

2022年1月26日に開催された「製造業向け量子コンピュータ時代のDXセミナー ~見える化、分析、予測、その先の最適化へ~」の当日使用資料です。

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  1. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group Copyright © Fixstars

    Group 【ビジネス向け】 製造業向け量子コンピュータ時代のDXセミナー ~見える化、分析・予測、その先の最適化へ~
  2. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 本セミナーの位置づけ 2 

    弊社では、Amplifyセミナーを「ビジネス向け」と「プログラマー向け」に分けて定 期的に開催しております。社内関係者へも展開いただき、ご興味ある回への参加のご 検討をお願いいたします。(https://amplify.fixstars.com/ja/news/seminar) ビジネス向け プログラマー向け (シフト最適化) 1/26 プログラマー向け (生産計画最適化) 2/24 プログラマー向け (経路最適化) 3/23 ← 本日 4/20 ビジネス向け プログラマー向け (シフト最適化) 5/25 プログラマー向け (生産計画最適化) 6/22 プログラマー向け (経路最適化) 7/20 8/24 ビジネス向け プログラマー向け 組合せ最適化問題や量子アニーリング・イジングマシンの概要やビジネス上の効果を解説します 特定のテーマ・事例を用いて、問題設定、定式化、実装などのポイントを解説します  今後の予定
  3. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 本セミナーのゴール ⮚ 製造業に組合せ最適化問題がたくさんあることを知る

    ⮚ 組合せ最適化問題を解くためには、問題を数式化する必要があることを理 解する。中でも、最適化(最大化 or 最小化)したい対象を特定すること が出発点であることを理解する ⮚社内の身近な課題を、組合せ最適化問題として捉えることができるか考え てみる。社内の事業部やIT部門の方と話をしてみる 3 課題の抽出、問題の数式化、プログラムの実装などお客様 のステージやご要望に合わせて柔軟にお手伝いいたします ので、お気軽にお声がけください!
  4. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 本日のAgenda • 会社紹介(2分)

    • 組合せ最適化・イジングマシンの紹介(5分) • 最適化問題検討のフレームワーク及び製造業における事例の紹介(15分) • Fixstars Amplifyの紹介(15分) • 製造業におけるAmplify活用のデモ(15分) a. ロットまとめ b. シフト作成 4
  5. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group フィックスターズの概要 会社名 株式会社フィックスターズ

    本社所在地 東京都港区芝浦3-1-1 msb Tamachi 田町ステーションタワーN 28階 設立 2002年8月 上場区分 東証一部(証券コード:3687) 代表取締役社長 三木 聡 資本金 5億5,341万円(2020年9月現在) 社員数(連結) 253名(2020年9月現在) 主なお客様 キオクシア株式会社 株式会社ネクスティ エレクトロニクス 株式会社日立製作所 キヤノン株式会社 グループ体制 株式会社フィックスターズ 株式会社Fixstars Autonomous Technologies 株式会社ネクスティ エレクトロニクスとのJV 自動運転向けソフトウェア開発に特化 当社完全子会社 米国での営業及び開発を担当 概要 株式会社Sider 株式会社Smart Opinion 当社完全子会社 SaaS事業”Sider”を担当 プロディジーメディカル株式会社とのJV 乳がんAI画像診断支援事業を担当 Fixstars Solutions, Inc. オスカーテクノロジー株式会社 連結子会社 ソフトウェア自動並列化サービスを提供 株式会社Fixstars Amplify 当社完全子会社 量子コンピューティング関連のサービス事業を担当 2021/10/1 設立 6
  6. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group Copyright © Fixstars

    Group 量子アニーリング・イジングマシン と組合せ最適化問題
  7. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 量子アニーリング・イジングマシンと組合せ最適化問題 量子アニーリング・イジングマシン ⇒

    組合せ最適化問題を解くための専用マシン スケジューリング 配送計画 スマートシティー 集積回路設計 膨大な選択肢から、制約条件を満たし、ベストな選択肢を探索する(組合せ最適化問題) 参考: 慶應義塾大学 田中宗 准教授 「量子コンピュータ最前線とイジングマシンの可能性」 9
  8. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 10 目的関数: 制約条件:

    解を取得 定式化 実装 問題設定 膨大な解候補(組合せ)から最適解を選ぶ ・解候補一つ一つの計算は可能 ・候補数が膨大ですべての解候補を計算できない これを最小化(最大化)する解が最適 解が必ず満たすべき条件 解を用いた数式で表現 数式をPythonのプログラムで記述 Amplifyが最適解を探索 バイキングで最も安く 必要な栄養が取れる組合せは? 目的関数: 合計金額(最小化) 制約条件: 炭水化物:300g以上 タンパク質:150g以上 脂質:50g以上 (10g単位) 炭水化物 タンパク質 脂質 金額 ごはん 8g 1g 1g 10円 パン 7g 1g 2g 12円 ハンバーグ 1g 5g 4g 50円 焼き魚 1g 8g 1g 35円 組合せ最適化問題の例 ごはん:380g 焼き魚:140g 金 額:870円 最適メニュー 組合せ最適化問題は統一的なフレームワークで解くことができる
  9. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 最も効率的な生産スケジュールは? 12 製品製造工程順序の最適化

    October 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Machine 1 Machine 2 Machine 3 Machine 4 Machine 5 Machine 6 Machine 7 Machine 8 Machine 9 Machine 10 解を取得 定式化 実装 問題設定 目的関数:製造完了時間(最小化) ・段取り時間、納期、稼動率などを考慮 制約条件:機械数や製造可能な製品の制約 ・従来技術だと数時間かかることも ・Amplifyがより高速に妥当な解を提示 デモパートで 詳しくご紹介
  10. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 13 装置1 装置2

    装置x A B B B B B B C E E D A 電気機器製造メーカー A社様 複数の製品事業部から様々なプリント基盤の注文を受け、生産を行う部門 生産する基盤に応じて製造装置の部品や材料を交換する「段取り時間」 が必要。段取り時間を考慮した効率的な生産スケジュールを作成したい 従来は、専任者が、一日数回・毎回数十分かけて経験に基づいてスケジ ュールを作成。更なる生産性向上やノウハウ継承のため、生産スケジュ ール作成の自動化に着手 課 題 次期フェーズでは、Amplify の活用領域の拡大を検討中! 最適化未経験のご担当者様1人がプログラム試作開始 から約1~2ヵ月間取り組んでこの効果を実現 現在は試作段階で、実運用に向けてモデルを改良中! 効 果 段取りのための製造装置の停止回数の削減! (10%以上削減) 段取り時間 段取り時間 段取り時間 生産スケジュール作成の時間・コストの大幅な削減! (一日あたり数時間 → 数分)
  11. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 最も効率的な作業員のシフトは? 14 チーム編成とタスク割り当て

    解を取得 定式化 実装 問題設定 目的関数:業務要求の満足度最適化 ・スキルや業務時間平滑化、個人の希望などの考慮 制約条件:チーム人数や一人1タスクなどの制約 ・従来、ホワイトボードを使い、朝・夕30分程度ずつかけて作成 ・Amplifyが10秒で推薦配置を提示 デモパートで 詳しくご紹介
  12. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 最も効率的な部材や製品の搬送方法は? 15 AGV(無人搬送車)の待ち時間を最小化するリアルタイム経路選択

    解を取得 定式化 実装 問題設定 目的関数:各AGVの次の一定時間の待ち時間(最小化) 制約条件:各AGVが衝突しない、など ・Amplifyが他のAGVの行動を考慮し、次の最適動作をリアルタイムに指示 ・最短経路だけでなく、迂回・交差点制御なども実現
  13. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 16 Fixstars Amplify:

    メディア掲載 https://amplify.fixstars.com/ja/news/media 「はじめての量子プログラミング体験」(2021年6月号~2022年1月号まで連載)
  14. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 量子コンピュータとその周辺 1 量子コンピュータ

    IBM/Google/Rigetti/IonQ 2 イジングマシン 富士通/日立/東芝/Fixstars 3 量子 アニーリング D-Wave/NEC 1. 量子コンピュータ 量子ゲート方式 古典汎用コンピュータの上位互換。 量子力学の重ね合わせ状態を制御 する量子ゲートを操作し、特定の 問題を汎用的かつ高速に処理する。 2. イジングマシン 二値二次多項式模型 二次の多変数多項式で表される目 的関数の最適化問題 (QUBO) を扱 う 専用マシン。変数は0,1または±1。 統計物理学におけるイジング模型 (磁性体の性質を表す模型) に由来。 様々な実装により実現されている。 3. 量子アニーリング方式 量子焼きなまし法 イジングマシンの一種であり、量子 焼きなまし法の原理に基づいて動作 する。 量子イジング模型を物理的に搭載し たプロセッサで実現する。 自然計算により低エネルギー状態が 出力される。 Amplify AE 18
  15. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group クラウドサービス :Fixstars Amplify

    様々な量子コンピュータ・イジングマシンに対応したアプリケーションを開発出来る、クラウドプラットフォームです。 量子コンピューティング時代を見据え、シンプルで効率的な開発環境の提供を目指しています。 ・・・ 適用分野 (一例) 金融 物流 ライフサイエンス 様々なマシンに対応 各社が提供する量子アニーリング・イジングマシンを Fixstars Amplifyから利用することが出来ます。 シンプルで効率的なアプリ開発 複雑で専門性の高いプロセスを自動化し、効率的にマシ ンを使うための学習コストを、圧倒的に低くします。 PoCから実問題まで対応 大規模問題の入力と高速実行が可能で、PoCや実問題を視 野に入れたアプリケーション開発が行えます。 すぐに開発を開始可能 開発環境と実行環境がセットで提供されるため、すぐに 開発を開始することが出来ます。 主な特長 サービス概要 19
  16. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 二次計画問題 • 最適化問題の分類

    • 組合せ最適化問題 • 決定変数が離散値 (整数など) • 整数計画問題 (決定変数が整数) • 0-1整数計画問題 (決定変数が二値) • 連続最適化問題 • 決定変数が連続値 (実数など) • 量子アニーリング・イジングマシン Quadratic 二次形式 Unconstrained 制約条件なし Binary 0-1整数 (二値) Optimization 計画 𝑓 = ෍ 𝑖<𝑗 𝑄𝑖𝑗 𝑞𝑖 𝑞𝑗 + ෍ 𝑖 𝑄𝑖𝑖 𝑞𝑖 𝑞𝑖 ∈ 0,1 or 𝑞𝑖 ∈ ±1 問題設定 (入力・定数) 決定変数 (出力・変数) 評価値 (目的関数) • QUBO模型 (0-1整数二次計画問題) 20
  17. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group イジングマシンの実行手順 1. 数理モデル検討

    解きたい課題の「目的関数」「決定変数」「制約条件」を検討する 2. QUBO定式化 (論理) 「 2値決定変数+二次形式」で「目的関数」と「決定変数」を記述 (変換) する 「制約条件」は直接扱えないので「ペナルティ関数」で表現する 3. QUBO定式化 (物理) 各マシンの仕様や制限に準拠した形式にQUBO模型を変換する (例: 二次項に制約がある場合は「グラフマイナー埋め込み」問題を解く) 4. 入力データの準備 各マシンのSDKやAPI仕様に合わせてQUBO模型 (物理) をデータ化する 5. マシンの実行 マシンを実行して出力の変数値やエネルギー値(コスト値)を解析する 上記の逆の手順を辿り解きたい課題の「決定変数」を解釈する SWによる 支援と自動化 21
  18. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group Fixstars Amplify の特長

    – いつでも 開発環境と実行環境がセットのため すぐにプログラミングと実行が出来る – 誰でも ハードウェアや専門的な知識が不要 無料で開発がスタート可能 – 高速に 10万ビットクラスの大規模問題の 高速処理と高速実行が可能 – あらゆる 一般に公開されている全てのイジング マシンを利用可能 22
  19. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group Fixstars Amplify クラウドの構成

    Amplify クラウドが量子アニーリングマシン・イジ ングマシンの大規模実行環境を提供 Amplify SDK で書かれた最適化エンジンは 他社製も含め全ての商用イジングマシンで実行可能 量子アニーリング・ イジングマシン (Amplify AE) 組合せ最適化問題の定式化やマシンを高度に操るた めの最先端の技術や知見をライブラリ化したシンプ ルなインターフェースを提供 専門知識が不要で量子アニーリングイジングマシン を用いた最適化エンジンの開発に取り組める Amplify SDK 組合せ最適化問題を含むアプリケーションは Amplify SDK を用いることで効率的かつ簡便に組合 せ最適化の定式化が可能 研究・開発ではAmplifyクラウドは無償提供されるた め直ぐに開発をスタートできる アプリケーション 23
  20. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group Fixstars Amplifyによる課題解決 ◼

    イジングマシンのための革新的な開発環境 簡単 多くのマシンに対応 始めやすい ✓ SDKをインストールするだけ ですぐに使える (pip install amplify) ✓ ハードウェアの専門知識不要 でアプリケーションが開発で きる ✓ 進化の早いマシンの発展に追 従すべての量子アニーリング/ イジングマシンに対応 ✓ 10万ビット級のアニーリング マシン実行環境が利用可能 ✓ 研究・開発用途には開発環境 と実行環境が無償で利用可能 ✓ 多くのチュートリアル、サン プルコードを整備・拡充 多くの人が始めやすい開発プラットフォームを無料で提供 https://amplify.fixstars.com 25
  21. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group Amplify SDKのワークフロー ◼

    従来のプログラミングワークフローとの比較 実行方法 27
  22. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group Amplify SDKによるシンプルプログラミング 数独を解くサンプルアプリ

    富士通・デジタルアニーラの設定用コード SDKなし 最適化しても 200行以上 出典: Wikipdia SDKなし 59行 SDKあり 30行程度 SDKあり 1行 日立CMOSアニーリングマシンの設定用コード SDKなし 183行 SDKあり 1行 28
  23. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group Amplify Annealing Engine

    • NVIDIA GPU V100/A100 で動作 • 独自の並列化シミュレーテッドアニーリングアルゴリズム • WEB経由で計算機能を提供 • Amplify SDK の実装を直ぐに実行可能 • 社会課題への取り組み・PoC・検証が加速 • 商用マシンでは最大規模かつ最高速レベル • 64Kビット (全結合) / 100Kビット超 (疎結合) Amplify Cloud 30
  24. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group Amplify Annealing Engine

    ◼ 実問題やPoCを視野に入れたアプリケーション開発にも対応 研究・開発利用において無償提供 31
  25. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group Amplify 標準提供マシン 最先端の量子技術

    最先端の並列化技術 NVIDIA A100/V100 最大10万ビット以上 D-Wave Advantage 5000量子ビット 出典:https://www.nvidia.com/ja-jp/data-center/dgx-2/ 32
  26. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group Copyright © Fixstars

    Group 製造業におけるAmplify活用デモ ・ロットまとめ ・シフト作成
  27. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group ロットまとめ問題 34 品種

    ロット数 処理時間 (時間/ロット) A 30 2時間 B 10 3時間 C 40 1時間 D 20 1時間 製品:4品種 100個 1020通りの組合せ! 段取り時間 A→A 0時間 B→A 2時間 C→A 1時間 D→A 2時間 装置0 装置1 装置9 製造装置 10台 A A A B B B B B C A D 段取り 時間 段取り 時間 段取り 時間 A 同種のロットをできるだけまとめて生産したら 良さそうだけど、段取り時間もあるし、どうす るのが一番いいんだろう・・・ 【問題】10台の製造装置を使い4種の製品を合計100ロット作りたい。製造する品種を変更す るには、部品の交換するための段取り時間が必要。全ロットの生産が完了するまでの時間を最 短にするには、どの製品を、どの製造装置で、どういう順番で製造するのが最適か
  28. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group ① 各装置が同時に作れるのは1品種のみ ②

    各品種の合計生産数が予定数通り 生産時間と段取りの総生産時間の最小化 目的関数: 制約条件: 段取り時間を含めた総生産時間を最小化する 18時間で 生産完了 Amplify が10秒で 計算 ロットまとめ問題 解を取得 定式化 実装 問題設定 35 マシン10台、ロット100個
  29. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group #目的関数 for m

    in range(num_mac): for l in range(lmax): cost += coef * (lmax-l) * (t_proc*mac[m][l]).sum() # 処理時間 if (l>0): for fr in range(num_type): for to in range(num_type): cost += coef * (lmax-l) * ( t_switch[fr][to] * mac[m][l-1][fr] * mac[m][l][to] # 段取り時間 ) # 品種の1hot制約 for m in range(num_mac): for l in range(lmax): model += one_hot(mac[m][l]) # 品種の合計数制約 for t in range(num_type-1): # dummy品種は除く model += equal_to(sum_poly([mac[m][l][t] for m in range(num_mac) for l in range(lmax)]), num_lots[t]) ロットまとめ問題 Pythonによる実装イメージ 解を取得 定式化 実装 問題設定 36
  30. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 37 使う予定だったマシンが突然1台故障! マシン数を減らして再計算

    ロットAの追加発注!今日中に納期回答を ロット数を増やして再計算 マシン9台、ロット100個 マシン10台、ロット120個 具体的な活用シーン 21時間で 生産完了 23時間で 生産完了 活用シーン1 活用シーン2
  31. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 生産量増に伴いマシン増設検討 マシンやロット数を増やして再計算 マシン12台、ロット150個

    今月は注文が落ち着いているので稼働台数を 減らして省エネ 納期を守れる最小マシン数を計算 マシン5台、ロット55個 具体的な活用シーン 24時間で 生産完了 21時間で 生産完了 38 活用シーン3 活用シーン4
  32. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group シフト作成 【問題】業務で求められる役割・役職・スキルと個人の能力や要求を考慮した最適シフトとは 業務要求

    各従業員情報 ・ ・ ・ 要求管理者数 要求スキル量(各従業員が持つスキル値の合計) ライン 責任者 主任技師 合計 前工程 後工程 組立て 合計 LineA 1 1 2 8 4 5 17 LineB 1 1 2 6 9 3 18 LineC 1 1 2 7 6 5 18 合計 3 3 6 21 19 13 53 要求配置(0=NG, 1=OK, 2=要求) 従業員ID LineA LineB LineC 0 1 0 0 1 1 1 1 2 1 2 0 23 1 1 1 24 1 1 0 担当可能役職 スキル値(1=初級, 2=中級, 3=上級) 従業員ID 責任者 主任技師 技師 前工程 後工程 組立て 0 1 1 1 3 3 3 1 0 1 1 3 3 2 2 0 0 1 2 1 0 ・ ・ ・ ・ ・ ・ 23 0 0 1 0 0 2 24 0 0 1 1 0 1 マッチング 39
  33. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group ① 従業員は同時に1ラインのみに配置可 ②

    各ラインの要求管理職を配置することなど 目的関数: 制約条件: 製造業シフト割付 解を取得 定式化 実装 問題設定 各ラインの要求を満たすシフトの作成 複数の要求のバランス(充足率の平均の最大化、 分散の最小化、配置要求とのマッチングの最大化) 40 LineA LineB LineC 充足率
  34. Fixstars Corporation www.fixstars.com Copyright © Fixstars Group 42 Fixstars Amplify:

    オンラインデモ & チュートリアルページ https://amplify.fixstars.com/ja/demo