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高度道路交通システム(ITS)・車車間通信・ナビゲーション

交通信号制御

GreenSwirl:車両走行効率向上を目指した信号制御および経路案内方式

近年,大都市で深刻な交通渋滞が社会的問題となっている.特に渋滞を引き起こす原因の一つとして 非合理的な交通信号サイクルがある.信号制御の技術として GreenWave が中国の複数の都市で実験され てきたが,結果は満足できるものではなかった.GreenWave は一定速度で走行する車両は連続する交差点 を常に青信号で通過できる技術である.GreenWave の問題点として幹線道路のみに生成されるため,対向 車線と横断道路の妨害、入口と出口の渋滞などを引き起こしてしまうことが挙げられる.この問題点を解 決するために本稿では信号制御方式 GreenSwirl および経路案内方式 GreenDrive を提案する.提案手法で は複数の GreenWave 道路を渦巻き状に発生させ,GreenDrive 案内方式で道路を走行する時間を見積もり, 車両の平均走行時間を最小化する.提案手法の性能を評価するために交通流シミュレータ SUMO を用いて シミュレーションを行った.ニューヨーク市マンハッタン島の道路網で車両の走行時間短縮効果を計測し た結果,従来の手法と比べて提案手法は平均 10~70%程度,平均走行時間が短縮できたことを確認した.

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研究業績

  • Jiaxing Xu, Weihua Sun, Naoki Shibata and Minoru Ito : "GreenSwirl: Combining Traffic Signal Control and Route Guidance for Reducing Traffic Congestion," in Proc. of IEEE Vehicular Networking Conference 2014 (IEEE VNC 2014), pp. 179-186, 2014-12-15. [ PDF ]
  • 徐 家興, 孫 為華, 柴田 直樹, 伊藤 実 : GreenSwirl:車両走行効率向上を目指した信号制御および経路案内方式, DICOMO2014シンポジウム論文集, pp. 914 - 925, 2014.7.10.


ナビゲーション

駐車場でのナビゲーション

車両の渋滞は,従来より大きな社会問題であり,二酸化炭素 の排出等の環境への悪影響や,渋滞による社会活動の滞りなどによって, 社会に悪影響を及ぼしています.本研究では,スーパーマーケットなどの大型立体駐車場に焦点を当て,車車間 や路車間通信を用いて自動車のナビゲーションを行い,駐車場内での渋滞の解消および駐車待ち時間の低減を目標とします.

本研究では,導入コストを考慮し,低い普及率でも有効に機能する駐車場ナビゲーション手法を提案 します.提案手法では,場内の車両から送信されたデータを基に,サーバが駐車場 内の情報を入場車両に送信し,その情報を基に車両が自律分散的に駐車待ち時間 の期待値が最小となる経路を計算し,ドライバーに提示することで短い時間での 駐車を目指します.提案手法の有効性を評価するために奈良市内のショッピングセン ターを模した駐車場シミュレータを作成し,実際に実在の駐車場にて測定した入庫データを用いてシミュレー ションを行いました.その結果,比較対象手法と比べ,平均で20~50%程度駐車待ち 時間を削減可能であることを確認しました.


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電気自動車カーシェアリングのためのスケジューリング

本研究では EV とカーシェアリングを 組合せ,EV を効率的に運用するためのシステム EVTour を提案する.EVTour で は,ユーザは任意の目的地にて車両の利用返却ができ,残り電力量の少ない EV を乗り換えて移動を継続できる.提案手法は二つの算出部から構成され,ユーザ スケジュール算出部では,ユーザの予約内容(希望目的地や時間制約)を満たす 巡回経路及び乗車する EV 情報,充電場所を含むスケジュールを算出し提示する. 本研究では,このような環境でユーザの予約受理率最大化を目指す.しかし,想 定環境では,EV の分布が予約受理率を左右する重要な要因となる.そこで再配 置スケジュール算出部では予約可能な EV に余裕のある目的地から,EV が不足 している目的地への配車を決定し偏った車両分布を修正する.EVTour の有効性 を確認するためシミュレータを実装し,評価実験を行った.実験の結果,700 人 のユーザに対して EV340 台で 80 % 程度の予約受理率を達成した.また,従来手 法と比較し提案手法は少ない配車回数で高い予約受理率を達成することを確認し た.予約受理率は最大約 9 %程度,配車回数は最大 15 %程度の改善を確認した.


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歩行者を対象とするナビゲーション

オリジナル版 P-Tour

本研究では,観光のためのパーソナルナビゲーションシステム P-Tourを提案しています. P-Tour は,ユーザが出発地と出発時刻,帰着地と帰着時刻,複数の観光候補地と各地への立ち寄り希望度と時間制約(到着時間帯や滞在時間など)を設定すると,制限時間内で巡回可能かつ最も満足度が高くなるような巡回経路(幾つかの観光地を含む)と各観光地への到着・出発予定時刻を含むスケジュールを算出しユーザに提示する機能を提供します. P-Tour は決定したスケジュールに従い,GPSを備えた携帯端末を介し,ユーザにナビゲーション機能を提供します.提案するナビゲーション機能では,現在地を中心とする地図と次の目的地への経路の表示などの空間的な誘導に加え,各目的地での,滞在可能時間の表示や出発時刻の通知などの,時間的な誘導機能を提供します.遺伝的アルゴリズムを用いて準最適なスケジュールを高速に算出するアルゴリズムを設計・開発し,JAVA サーブレットとして実装しています.PCや携帯端末からウェブインタフェースを介してスケジュールの作成,ナビゲーション機能が利用できる.市販のカーナビゲーションシステム用のデジタル地図を用いた評価実験により,準最適なスケジュールを実用的時間で案内できることなどを確認しています.

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多目的性を考慮した観光スケジュール作成手法

本研究では,複数の評価基準を考慮しつつ,複数目的地を指定した時間制約を満たしながら効率よく巡回するスケジュールを作成する機能を持ち,かつそのスケジュールに基づいて経路案内を行うパーソナルナビゲーションシステムを提案する.一般に観光のスケジュールには,「多くの目的地を巡回したい」,「費用を少なくしたい」,「歩行距離を少なくしたい」など様々な要求が考えられる.しかし,これらの要求はしばしばトレードオフの関係にあり,同時に最適化できないことが多い.既存のナビゲーションシステムの多くは,経路の探索問題を単一目的最適化問題として定式化している.そのため,複数の競合する目的を取り扱いたい場合には,これらの評価基準の折衷の度合いに重み係数を設定し,単一評価関数に変換するなど事前に定式化しておく必要があった.しかし,望ましい重み係数はユーザによって異なり,また同じユーザであっても,時と場合によって異なることがある.そのため,この重み係数をユーザが直感的に指定するのは困難である.様々な重み係数に対して折衷案となる複数のスケジュールを求めることができれば,ユーザは提示された具体的なスケジュールを比較検討し,要求にあったスケジュールを直感的に選択できる.本研究では多目的最適化問題の概念を取り入れることによってこれを実現する巡回スケジュール作成機能を提案する.また従来の多くのナビゲーションシステムの経路案内機能は,単純に2転換の案内誌か行うことができず,提案システムが求めるような時間制約付きの巡回スケジュールに対する案内を行うことができない.そこで本研究では,巡回スケジュールの時間的な制約を考慮した,スケジュール案内機能を提案する.これはユーザのコンテキストの監視を行い,ユーザが予定からの遅れや経路からの逸脱などを検出し,ユーザに適切な案内を行うものである.提案機能を我々が提案している観光用パーソナルナビゲーションシステムP-Tourに組み込んだ.そして,国土地理院数値地図2500を用いた評価実験を行い,理想に近いスケジュールを高速に求めることができることを確認した.

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天候の変化を考慮した観光スケジュール作成手法

観光における旅行者の満足度は,大きく天候に左右され,晴天時と雨天時とでは適したスケジュールが異なります.さらに,天候が晴れから雨のように途中で移り変わる可能性を考慮すると,どのような天候の変化に対しても対応可能にするために算出すべきスケジュールの数は膨大になります.本研究では,天候が確率的にしか予測できない場合を想定した,任意の天気変化パターンに対応したスケジュール群を算出する問題を取り扱います.このスケジュール群は,出発地点を根として目的地ごとに分岐する木(スケジュール木と呼ぶ) で表現されます.この問題の目的は,スケジュール木によって示された確率的なスケジュールに対し,ユーザ満足度の期待値の総和を最大化することです.本研究では,この問題を解くためのGreedy 法および局所探索法に基づいた近似アルゴリズムを提案しています.このアルゴリズムは,まずGreedy 法により,初期のスケジュール木を作成し,部分木を単位とした目的地の置換を繰り返し行うことにより,ユーザ満足度が高いスケジュール木を生成します.提案手法により得られた解の最適性を評価するため,6 つの観光地を含む奈良市内観光インスタンスを用いて実験を行いました.その結果,全探索で18.3 時間かかるような問題に対して,4 秒以内で同一の解を発見できることを確認しています.


P-TourのGoogle Maps を利用した設計と実装

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P-Tour では,ユーザの入力した,出発地と出発時刻,帰着地と帰着時刻,複数の観光候補地と各地への立ち寄り希望度と時間制約(到着時間帯や滞在時間など)等の情報から,複数日程にまたがる観光スケジュールの自動算出を行うことが可能である.複数日程にわたる観光においては,観光候補地の数が多くなるために経路を算出するための時間が長くなるという問題の他に,ユーザに提示する観光候補地の数,および地図の広さが大きくなり,必要な情報の入力が煩雑になってしまうという別の問題が存在する.専門知識のないユーザでも直感的に必要な情報を入力できるためには,入力,および出力されたスケジュール確認のための高機能なGUI が必要である.また,このようなシステムの有用性を評価し,問題点を洗い出す上で,多数のユーザによる評価が重要である.本研究では,Google Maps API を利用した, P-Tour をWeb 上で使用可能にするためのインタフェースの設計・実装に関する詳細について評価する.

研究業績

  • 丸山敦史,柴田直樹,村田佳洋,安本慶一,伊藤 実:P-Tour:観光スケジュール作成支援とスケジュールに沿った経路案内を 行うパーソナルナビゲーションシステム,情報処理学会論文誌, Vol. 45,No. 12,pp. 2678 - 2687 (2004).[ PDF ]
  • Maruyama, A., Shibata, N., Murata, Y., Yasumoto, K. and Ito, M.: P-Tour: A Personal Navigation System for Tourism, Proc. of 11th World Congress on ITS (2004). [ PDF ]
  • Shiraishi, T., Nagata, M., Shibata, N., Murata, Y., Yasumoto, K. and Ito, M.: A Personal Navigation System with Functions to Compose Tour Schedules based on Multiple Conflicting Criteria, IPSJ Digital Courier, Vol.1, pp. 528-536 (2005). [ PDF ]
  • 木下隆正,永田宗伸,村田佳洋,柴田直樹,安本慶一,伊藤 実:複数日にわたる観光のためのパーソナルナビゲーションシステム,情報処理学会論文誌,Vol.47,No.12,pp. 3179-3187(2006).
  • Kinoshita, T., Nagata, M., Shibata, N., Murata, Y., Yasumoto, K. and Ito, M.: A Personal Navigation System for Sightseeing across Multiple Days, Proc. of the 3rd Int'l. Conf. on Mobile Computing and Ubiquitous Networking (ICMU2006), pp. 254-259 (2006).[ PDF ]
  • 永田宗伸,村田佳洋,柴田直樹,安本慶一,伊藤 実:分離・合流を伴うグループ観光スケジュール作成機能の提案,情報処理学会論文誌 数理モデル化と応用(TOM17),情報処理学会論文誌 数理モデル化と応用(TOM17),Vol.48,No.SIG56,pp.23-31 (2007).
  • Nagata, M., Shibata, N., Murata, Y., Yasumoto, K. and Ito, M.: A Method to Plan Group Tours with Joining and Forking, Proc. of SEAL2006, pp. 881-888 (2006) .[ PDF ]
  • 武 兵,村田佳洋,柴田直樹,安本慶一,伊藤 実:天候を考慮した観光スケジュール群の局所探索を用いた立案手法,情報処理学会DICOMO2009論文集(2009,to appear). [ PDF ]
  • Wu, B., Murata, Y., Shibata, N., Yasumoto, K., Ito, M.: A Method for Composing Tour Schedules Adaptive to Weather Change, Proc. of IEEE IV'09, pp. 1407-1412 (2009). [ PDF ]
  • 劒持 真弘, 孫 為華, 山内 由紀子, 柴田 直樹, 安本 慶一, 伊藤 実:"出庫予測に基づき入店所要時間を最小化する駐車場ナビゲーションの提案", 第44回高度交通システム研究発表会, 情報処理学会研究報告 Vol.2011-ITS-44 No.13, pp.1-8, 2011.3.9 [ PDF ]
  • Kenmotsu, M., Sun, W., Shibata, N., Yasumoto, K. and Ito, M. : "Parking Navigation for Alleviating Congestion in Multilevel Parking Facility," to appear in Proc. of 2012 IEEE 76th Vehicular Technology Conference (VTC2012-Fall).
  • 上田知幸, 孫為華, 柴田直樹, 伊藤実 : EVTour: 電気自動車の乗換スケジューリング法の提案, 情報処理学会研究報告, 研究報告数理モデル化と問題解決, 2014-MPS-97, No. 22, pp. 1 - 11, 2014-02-24 [ PDF ]

車車間情報伝搬

車車間通信を使った渋滞情報収集

本研究では,道路を走行する各車両が道路の混雑状況を自律的に収集し目的地への到着時刻を推測できるようにすることを目的として,車車間通信による情報管理・伝播方式を提案しています.提案方式では,対象道路網をエリアと呼ばれる部分領域に分割し,各エリアへの入口,出口の組で特定される経路ごとに,各車両がその経路を通過する時間を計測し,この情報を他の車両と車車間通信を用いて,交換,収集,集計することで,各経路に対する通過時間の統計情報を生成します.車車間通信による統計情報生成の際には,異なる車両を経由して同じデータが重複して受信され集計されるという問題が起こります.

その問題に対し,提案方式では,統計データを指定された時間間隔および車両台数ごとにブロック化して管理し,各ブロックに送信元車両のID リストから計算されるハッシュ値を付加することで,重複集計をある程度回避できるようにしています.また,統計情報が肥大化すると,各車両が限られた通信帯域のもとで全データを送信できなくなり,統計情報の伝播が制限されることが考えられます.提案方式では,統計情報を幾つかのカテゴリに分類し,重要なカテゴリの情報をより高い優先度で送ることで,その問題を実用上問題ない程度に解決しています.提案方式の有効性を評価するため,車車間通信のプロトコルおよび集計・管理システムを設計・実装し,交通流シミュレータNETSTREAM に組み込み,実験を行った結果,車車間通信を用いた統計情報の作成・交換が十分に可能であるということを確認しています.

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カーナビ経路情報を用いた車車間通信による長距離情報配信

VANET(Vehicular Ad Hoc Network)では,車両の高いモビリティのために断続的にネットワークが途絶するため,遠距離の特定地域へのデータを単純なマルチホップ通信で伝播することは困難である.本研究は,データの到着に即時性を要求しないアプリケーションを対象に,車車間通信に基づいた,各車両の移動予定経路情報を利用した情報伝播手法を提案する.提案手法では,カーナビに設定されている経路情報とGPS による現在位置情報を車車間通信で定期的に交換し,データの宛先に近づくと予測される車両にデータを中継する.シミュレーションによる実験の結果,提案手法はGeocast 等の既存手法に比べ,より少ない通信量で,最大2 倍程度のデータ到達率を示すことを確認した.

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マルチホップ車車間通信プロトコル GVgrid

近年,高度交通システムの普及を目指し,DSRC やVICS などの狭域通信器が徐々に路側や店舗などに設置されつつあります.しかし,これらインフラの完全な整備と展開には膨大なコストと年月がかかると予想されます.さらに,技術の進歩や革新に対し,維持整備の観点から機器の更新は安易にできないといった問題点も発生します.これに対し,固定インフラを用いない車車間マルチホップ通信技術を利用し,固定インフラが発する情報の配信範囲を拡大する補完的な役割を持たせたり,また極めて局所的な情報伝達に用いたりすることが考えられてきています.研究グループではマルチホップ車両間ネットワークにおいて安定した経路を提供するプロトコルGVGridを提案しています.

GVGridは,車車間マルチホップ通信により,例えばDSRC 路側機のような近距離無線基地局や,あるいは事故現場などに停止した緊急車両から,指定された地理領域内に存在する車両群へデータを送信するための経路をオンデマンドで構築するプロトコルです.これにより,そのような基地局がカバーしない任意の地点に対して最新の駐車場情報,交通誘導情報,事故情報,店舗情報など局所的かつリアルタイムな情報を送信するアプリケーションが容易に実現可能になることを目指しています. GVGridは,各車両がカーナビなどの電子地図を利用して道路形状を識別し,道路に沿って同一方向に移動する車両群からなる経路を構築することで,経路の耐切断性を向上させ,少ない経路維持コストでの通信を目指しています.さらに,それにより得られた経路の地理的形状を記憶し,経路切断時には記憶した経路になるべく近い経路を少ない経路再探索メッセージで発見できます. GVGrid のアプリケーション例として,事故情報を現場に流入する道路上の車両に配信して迂回を促す,付近の交差点で信号待ちをしている車両に広告を配信する,などが考えられます.

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研究業績

  • Shibata, N., Terauchi, T., Kitani, T., Yasumoto, K., Ito, M., Higashino, T.: A Method for Sharing Traffic Jam Information Using Inter-Vehicle Communication, Proc. of V2VCOM2006 (2006). [ PDF ]
  • 新川 崇,木谷友哉,柴田直樹,安本慶一,東野輝夫,伊藤 実:メッセージフェリーと車車間通信を併用した渋滞情報収集システムの情 報伝播効率の改善,情報処理学会論文誌,Vol.49,No.1,pp.189-198 (2008). [ PDF ]
  • Kitani, T., Shinkawa, T., Shibata, N., Yasumoto, K., Ito, M., and Higashino, T.: Efficient VANET-based Traffic Information Sharing using Buses on Regular Routes, Proc. of VTC2008-Spring, pp. 3031-3036 (2008).[ PDF ]
  • Weihua Sun, Hirozumi Yamaguchi, Koji Yukimasa and Shinji Kusumoto : "GVGrid: A QoS Routing Protocol for Vehicular Ad Hoc Networks", Proceedings of the 14th IEEE Int. Workshop on Quality of Service (IWQoS 2006), pp.130-139 (June 2006). [ PDF ]
  • 寺内 隆志, "車車間通信を用いた渋滞情報収集と目的地への到着時刻予測手法の提案" (修士論文), [ PDF ]


危険通知のための協調センシング

車車間通信による歩行者位置推定の高精度化

本研究では,歩行者の交通安全支援を行うことを目的として,指向性アンテナを搭載した複数車両の協調による歩行者位置追跡手法を提案しています.提案手法では,歩行者が定期的に発する固有ID を持つビーコンを,車載の指向性アンテナを用いて受信し,測定した到達方向および距離から各地点における歩行者の存在確率を推定します.各車両において推定した歩行者の位置の情報を車車間通信により他の複数車両と交換し重ね合わせることで推定精度の向上を図っています.また,時系列の位置推定情報から歩行者の移動方向を推定します.上記提案方式の有効性を評価するため,提案手法を実装し,ネットワークシミュレータQualNetにて実験を行ったその結果,車両が歩行者を検知してから実際に停止するまでの間に,同一歩行者のビーコン信号を15 回以上受信可能であることが確認できています.次に,受信ビーコン信号による測定結果を用いて歩行者位置を推定した結果,車両1 台での測定誤差10.7 メートルを,車車間通信を用いることで, 1.5 メートルに改善できました.また,歩行者の移動軌跡推定精度について,歩行者の移動方向を運転者が十分に把握できる精度が得られることを確認しています.

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交差点鳥瞰映像撮影方式

交差点内における事故を防止するためには,ドライバが死角車両の位置を把握することが有用である.交差点近辺の複数車両が撮影した交差点内の映像を車車間通信で交換することができれば,インフラなしに,自車両から死角となる交差点内の状況把握が可能となる.しかし,車車間通信に無線LANなどを使用する場合には,輻輳制御が重要な課題となる.そこで,交差点の複数車両が撮影映像を交換する手法を提案する.提案手法では,無線範囲内の通信帯域を効率良く使用し,高品質な映像を配信するため,交差点を格子領域に分割し予め各車両の撮影している映像の品質や格子領域,要求する格子領域などの情報を交換する.そして,撮影方向毎に,要求されている格子領域を高品質な映像で撮影している車両を選定する.提案手法を評価するために,ネットワークシミュレータ QualNet上,利用帯域内で交差点状況を再現し実験を行った.映像データの到達率や映像品質が必要なレベルに達したことを確認した.

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研究業績

  • Sawa, Y., Kitani, T., Shibata, N., Yasumoto, K., Ito, M.: A Method for Pedestrian Position Estimation using Inter-Vehicle Communication, Proc. of AutoNet2008 (2008). [ PDF ]
  • 澤 悠太,木谷友哉,柴田直樹,安本慶一,伊藤 実:指向性アンテナおよび車車間通信を用いた歩行者位置追跡手法とその評価,情報処理学会研究報告 2009-ITS-36,pp.31-38 (2009).[ PDF ]
  • 小谷和也, 孫為華, 木谷友哉, 柴田直樹, 安本慶一, 伊藤実, ``車車間通信による交差点鳥瞰映像ストリーミング手法の提案, 高度交通システム研究発表会, vol. 2009, no. 24, pp. 39-45, February 2009.[ PDF ]
  • 澤 悠太,"運転者に対する交通安全支援のための指向性アンテナおよび車車間通信を用いた歩行者の位置追跡手法" (修士論文), [ PDF ]
  • 小谷和也, "交差点映像の協調撮影と共有を目的とした車車間通信プロトコルの提案と評価" (修士論文), [ PDF ]