2014.10.7(tue)...

サイバーフィールドサイバーフィールド

北海道大学大学院情報科学研究科

システム情報科学専攻

小野里雅彦

２０３０年エレクトロニクスの旅

2014.10.7(Tue)

－情報強化された実環境の実現にむけて－－情報強化された実環境の実現にむけて－

北海道大学情報科学研究科システム情報科学専攻小野里雅彦 (Masahiko Onosato)

本日の予定本日の予定

サイバーフィールド序論（１）（２０分）

３次元レーザースキャンのデモ（１０分）

サイバーフィールド序論（２）（２０分）

高度情報化社会と災害（１０分）

災害用係留型情報気球 InfoBalloon （１０分）

がれき工学（１０分）

質問の時間（５分）

小テスト（５分）


【cyber-】

サイバーフィールドとは？サイバーフィールドとは？

cybernetics1.The theory/science of communication and control in the animal and the machine.

2.The art/study of governing, controlling automatic processes and communication.

3.Technology related to computers and Internet. from Wikipedia

Norbert Wienerにより提唱

cyberattackcybercopcybercafecyberculture

cyberhumancybermallcyberpetcyberpunk

cybersecuritycybershoppingcyberterrorismcyberwidow

接頭語

cyberspace コンピュータ／ネットワーク内の仮想空間



【field】

mathematics electromagnetism ３D video

都市

工場

道路

農地

インフラ

人間が生活し，活動を行う場（場所，空間，施設）



【cyber field】サイバーフィールド(cyber field)とは都市環境，道路・港

湾・ダム，河川・海岸，農地・牧場，工場，災害現場などの

実フィールド（real field）の空間的構造と性質を反映した仮想フィールド (virtual field) を構築し，その両者を双対化(dual system)することで情報強化したもの．

VirtualWorks/北海道大学 Geo-Element/日本SGI


実・仮想の双対化実・仮想の双対化

実フィールド

仮想フィールド

人（概念世界）

実フィールド


人（概念世界）

従来の情報化アプローチサイバーフィールドアプローチ

観察

認識

計測

測定値

モデル構築パラメータ抽出モデル修正

計測

点群データ

計測データ

認識モデル構築

モデル

特徴量

指定

実フィールド


人間


サイバーフィールドの構成技術例サイバーフィールドの構成技術例

実フ

ィー

ルド

都市環境

道路・鉄道・港湾

河川・海岸・湖沼

農耕地・牧草地

建設現場・鉱業所

工場・造船所

仮想

フィ

ール

ド

対象モデリング

対象同定・認識

大規模データ処理

データベース

シミュレーション

プランニング災害・事故現場

確率統計的推定

リモートセンシング

3Dレーザ計測センサネットワーク

フィールドロボティクス

テレオペレーション

拡張現実感（AR)

【フィールド計測】

【フィールド適用】

【フ

ィー

ルド

情報

処理

】

【適

用領

域例

】


３次元レーザスキャナによる計測３次元レーザスキャナによる計測

Z+F社のデータを参照

Z+F Imager 5010C

計測距離

最大計測回数 1,016,000 pxl/sec0.3～187.3m

誤差

反射率 14%（黒）反射率 37%（灰）反射率 80%(白)

10m 25m 50m

0.4mm0.3mm0.2mm

0.6mm0.4mm0.3mm

2.2mm0.8mm0.5mm

角度精度 0.007度(１ｍ先の0.1mmを見込む角度)スキャン速度～50 rps

標準精度 preview 0:26 / high 6:44 / ultra high 53:20

100m

10mm3.3mm1.6mm


３次元レーザースキャンのデモ３次元レーザースキャンのデモ

３次元レーザスキャナDeltaSphere 3000

レーザ波長 780nm （近赤外光）レーザ出力最大8mW （連続出力変調）レーザスポット径 2.5mm(出射位置) 水平掃引範囲 360度上下掃引範囲 -55度～+90度（真上）最大計測距離 12 m 距離分解能 0.25 mm 角度分解能 0.015度計測可能点 25,000 点/秒計測制度 12mの距離で7mm ミラー回転速度最小 8Hz 水平最小回転角 1/15度

赤外レーザ光の距離計測を高速に全周に行うことで，身の回りの環境をまるごと３次元データにできます．



移動体計測地上設置空中計測

~2000m20mm~200 line/s

~500m25mm~100 line/s

~500m8mm/s~120 line/s

~100m10mm/s~100 line/s

Riegl社のデータを参照


http://www.mitsubishielectric.co.jp/pas/mms/


Building Rome in a DayBuilding Rome in a Day

Communications of the ACM Vol. 54 No. 10, Pages 105-112

Sameer Agarwal, Yasutaka Furukawa, Noah Snavely, Ian Simon, Brian Curless, Steven M. Seitz, Richard Szeliski

http://grail.cs.washington.edu/rome/

Photos ３D Points


自動車通行実績情報マップ自動車通行実績情報マップ

Google Crisis Response

http://www.google.com/intl/ja/crisisresponse/japanquake2011_traffic.html


拡張現実感（Augmented Reality）拡張現実感（Augmented Reality）

Google GLASS

XEONA / Hokkaido University


サイバーフィールドの応用領域例サイバーフィールドの応用領域例

製造

建築

土木

災害

安全文化

農林水産

運輸サービス

造船・航空機製造

プラント現況確認

仮想生産モデル

施工管理

修繕・修復

各種アセスメント

工事現場計測

河川改修

道路管理

災害現場計測

災害発生検出

復興計画支援

事故現場記録

犯罪現場記録

重要施設監視

鉄道保線

空港管理

港湾管理

精密農業

果樹園管理

森林管理

遺跡記録

有形文化財記録

芸術表現手段

カーナビゲーション

障害者行動支援

バーチャルトラベル

参考：第１次産業のためのフィールド情報学

食料生産フィールド

フィールド・センシング

リモートセンシング

リアルフィールド・インタフェース

フィールド・オペレーション

サイバーフィールド

構造化フィールド情報空間／時間／相

Σ

シス

テム

I/F

Σ Σ

GIS

シミュレータ

設計計画支援

事例収集

時空間データスキーマ／データモデル／データ変換／統計処理／検索

データソース（関連機関）

空間・時間・性質で分散する情報を集約して相互可能な体制へ

日照・気温作物生育状態栄養状態水質昆虫微生物

堆肥撒水除草農薬散布収穫

＜鳥の眼＞

＜虫の眼＞

気候変動降雨観測森林火災海水温分布流氷挙動土壌状態植生変化温室効果ガス

参考：第１次産業のためのフィールド情報学


サイバーフィールドの実現課題例サイバーフィールドの実現課題例

【フィールド計測】

【フィールド情報処理】

【フィールド適用】

【適用領域】

測定機械の高精度・高速化測定機械の低価格化測定機械のモジュール化とシステム化

大規模点群データ処理に対するアルゴリズム／ライブラリ整備計測データの”意味”処理の高度化計測データに基づく解析／計画／設計業務支援技術

サイバーフィールドに基づく拡張現実感UIFフィールドでの作業機械のインテリジェント化・無人化フィールド監視インテリジェントロボット

サイバーフィールドに基づく業務内容の変革と高度化サイバーフィールド教育プログラムの開発サイバーフィールド適用の効果測定手法の開発

高度情報化社会と災害高度情報化社会と災害


現代社会における情報現代社会における情報

現在の社会・・・・高度情報化社会

日々の生活において多量の情報を取得しています

日常の生活整備された安全な生活環境

習慣化した行動

"生存"に関わる情報＜＜付加的な情報ニュース，娯楽，…

災害の発生・・・・日常からの逸脱と生命の危機

必要な情報は少ない！


被災地の情報疎外：阪神淡路大震災の例被災地の情報疎外：阪神淡路大震災の例

既存の情報インフラのほとんどが機能不全に

掲示板，口コミが数少ない伝達手段


報道における被災者疎外報道における被災者疎外

マスメディアによる報道の配信先は被災地外

被災地／被災者は取材対象

空撮のためのヘリコプターの飛行の弊害騒音による救助活動と広報の妨害

心理的圧迫，疎外感

被害／危険／責任に集中する報道被災者／被災地の行動の支援でなく抑制


広域災害における情報の流れ広域災害における情報の流れ

救援者

行政組織

（中央）

報道機関

（現地）

被災地被災者

行政組織

（現地）

一般市民報道機関（中央）

連絡（電話等）報道（TV,ラジオ, 新聞等）

電送等

専用回

線等伝聞

広報

報道


被災者の行動連鎖被災者の行動連鎖

地震が発生し,被災者の住宅付近

で火災が発生

火災現場から北へ数百メートル

離れた避難所へ逃げると安全

行動連鎖

状況把握

行動パターンの決定

行動の具体化

行動の実行

現状に対して

何をすべきか

選択した行動を実行するために具体的に何が分からなければならないか

現在の事象は

どうなっているのか

火災現場から早く離れるために

避難をすることを決定

実行する行動が正確に分かっているか

避難所まで一刻も早く避難する


被災者の行動モデル被災者の行動モデル

潜在的行動者

準完全行動者

行動不能者

完全行動者事象を正確に捉え，それを元に意思決定を下し，具体的な行動を取ることができる．

事象に関する情報がないため，パニック状態に陥り，具体的な行動をとれない．

事象については判っているが，それに対する対処法が判らない．

事象に対する対処法は決定できているが，どこまで実行すればよいかわからない．

状況理解

対処法

行動

NO

NO

NO

YES

YES

YES


被災者に必要となる災害情報被災者に必要となる災害情報

ライフライン情報

被災者系情報

当日～2日 3日～2週間3週間以降

食料配給情報

道路交通情報

物資配給情報

救援要請情報

医療施設情報

安否確認情報

周辺被災状況情報

避難情報

安全情報

住居情報

サービス情報

救援支援情報

避難支援情報

生活支援情報

商業情報

行政情報


被災者系災害情報システムへの要件被災者系災害情報システムへの要件

同時多報性同時に多くの人に情報を提供できるかどうか

地域密着性地域毎にきめ細かい情報を提供できるかどうか

情報保持性同じ情報を継続して提供できるかどうか

情報速報性情報を迅速に提供できるかどうか

獲得容易性情報を得るのに特別な手段あるいは労力がいるかどうか

頑強性災害時に正常に機能するかどうか

係留型情報気球InfoBalloon被災地にいる人たちのための情報インフラを目指して

係留型情報気球InfoBalloon被災地にいる人たちのための情報インフラを目指して


InfoBalloon開発の始まりInfoBalloon開発の始まり1995.1.17 阪神淡路大震災…

情報インフラの破壊・機能不全

被災地の情報疎外

現代版・火の見櫓をつくる

もっとも情報が必要な人がもっとも情報を得られないのが現状です


InfoBalloon間通信

連続的監視

無線通信中継

ランドマーク

情報配信

災害に強い地域コミュニティのための情報収集配信システム

単独運用可能／長期連続運用／操作容易性／低コスト

InfoBalloonのコンセプトInfoBalloonのコンセプト

小学校などの学区ごとに避難所上空に係留


係留気球の連続運用の課題係留気球の連続運用の課題

カイツーン型係留気球

ヘリウムガスのリーク塩ビ系材料によるエンベロープの場合，数日で浮力が低下．ガスの追加・再充填が必要

気球本体の重量大エンベロープ，係留索の重量が大きい＝容積の割にペイロードと余剰浮力が小さい

風の影響大風下に流され，係留高度が維持できない

（2.8m球，50%余剰浮力，風速10m，50度）

エネルギ供給の困難さ地上からの有線での電力供給は，電線による重量増や電力損失，風の影響が大きい

係留に必要な空き地の確保多点係留や係留索の地上物との干渉回避のための広い空き地が都市部で確保できない．


InfoBalloon-IIIの開発：気球本体InfoBalloon-IIIの開発：気球本体

形状：扁平球ヘリウムガス容量２１ｍ３

（７立方メートルボンベ３本）

風の抗力を減少（球比較：約0.4倍）風向き変化に対する安定（回転対称）

翼効果による揚力発生

地上からの視認性の向上

構造：２層構造バロネット（内部加圧室）による内圧

調整と形状保持（ブロアファン）

機械的強度を持つエンベロープ（外皮）と，ガスバリア性の高い内皮の２層構造（２号機屋内実験では数ヶ月）

4000

2300

バロネット

EVOH樹脂フィルム（内膜）

ナイロン（外皮）

単位mm

風速の等高線プロット 0[deg]

迎え角10～20度で揚抗比約2.0

FLUENT6.1


InfoBalloon-IIIの開発：係留方式InfoBalloon-IIIの開発：係留方式係留索：３本並行ロープ気球外周から３本の並行ロープで係留

電力線支持用の補助ロープ

スペクトラ二重構造のカイトボーディング用ライン（強度１本あたり２７２ｋｇｆ）

地上支持部：ピボット係留法係留ロープ端を３角形のベースに固定

ベースは張力のバランスに応じて傾きが変化

気球本体の傾きが常に風に対して正の迎え角を持つ．（風上に底部を見せる）

係留に必要な地上面積は約５ｍ四方

2012年からより簡便な地上支持の方法を開発


InfoBalloon-IIIの開発：通信・電力InfoBalloon-IIIの開発：通信・電力通信： IEEE802.11b/n 地上と空中でのアクセスポイントを使用し

ての１対１通信

無指向性外部アンテナ設置（通信距離11Mbps 200m程度）

電力供給：高圧直流送電 150mの電力供給での電圧降下を防ぐた

め直流300Vで送電．送電ケーブルに高耐圧の極細テフロン同

軸ケーブル（φ1.3mm）使用気球機械部で，必要な電圧（3.3, 5.0, 7.0,

12.0, 15.0V)に降圧して機器に供給電力のロスは10%未満．約100Wを連続

供給．（地上でガソリン発電機使用）家庭用AC100V電源ケーブル家庭用AC100V電源ケーブル

極細テフロン同軸ケーブル極細テフロン同軸ケーブル

カイトボーディング用ラインカイトボーディング用ライン

電源・通信ユニット


InfoBalloonのフィールド実験InfoBalloonのフィールド実験北海道せたな町

（２００６～２０１４）係留方式の検討風向風速・傾斜データ計測気球格納庫テスト鳥瞰映像取得

山古志地区（２００６）大大特プロジェクトのデモピボット係留法のテスト

北大・札幌農場（２００７，２０１１）

風向風速・傾斜データ計測

InfoBalloon-III 三連ゴム気球 InfoBalloon-TETRA

山古志 50m

せたな 100m北大 50m格納庫せたな待機中



InfoBalloon-IIIの情報機材の例InfoBalloon-IIIの情報機材の例

搭載機器ＣＡＮＯＮＶＢ－Ｃ６０ＰＴＺ監視カメラ

（光学ズーム４０倍，最大水平画角５６度）

アクセスポイント（メルコ WLA-AWCG）無指向性外部アンテナ

電圧変換器（ＤＣ３００Ｖ→ＤＣ１３，７，５Ｖ）

地上機器直流高圧電源（ＡＣ１００Ｖ→ＤＣ３００Ｖ）アクセスポイント（メルコ WLA-AWCG）無指向性外部アンテナ

カメラ操作用ＰＣ（ＴＯＵＧＨＢＯＯＫＣＦ-３０）ガソリン発電機（ＡＣ１００Ｖ）


InfoBalloon-IIIによる鳥瞰映像生成InfoBalloon-IIIによる鳥瞰映像生成

仮想球面

InfoBalloon

投影範囲

撮影領域

カメラ位置気球から５４方向を撮影


（特徴点数2,541）

新規取得画像

新規取得画像の全方位画像への配置結果

InfoBalloon-IIIによる鳥瞰映像生成InfoBalloon-IIIによる鳥瞰映像生成


InfoBalloonの平時利用InfoBalloonの平時利用防犯・防災社会インフラ

農林水産業自然環境情報通信

InfoBalloon

通学路

イベント

火災（放火）

火山火口

崖崩れ

不法投棄

道路交通

送電線

パイプライン

土木工事

港湾監視

農作物生育

樹木生育

藻場生育

放牧監視

害獣監視

気象観測

野生動物監視

森林火災

流氷接岸

湖沼凍結

業務無線中継

空中通信仮設線

サイレン設置

信号灯

ランドマーク

（地上・空中）

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気球無線中継システム（SoftBank）気球無線中継システム（SoftBank）

http://www.softbankmobile.co.jp/ja/initiatives/wireless/technology/balloon/

気球無線中継システムは中継元基地局（以下

「親機」）と気球中継局（以下「子機」）で構成さ

れており、係留気球によって子機を高所に位置

させることで、カバーエリアを広げることができま

す。子機の位置と高度を安定させるためにス

クープ（気球下部の風を受ける幕状のもの）付き

の扁平型気球を用い、気球の空中姿勢を安定

させています※。実証実験では、気球を高度約

100mに揚げて係留し、郊外地で半径5km以上

のエリアで音声通信とSMS通信ができることを

確認しました。

移動通信網への接続として、（1）親機を移動

通信網へ直接接続する構成と、（2）通信衛星回

線を介して接続する構成を実現しています。通

信衛星回線を介する接続構成は周辺に親機が

ない場所でもサービスエリアを迅速に復旧する

ことができます。

本気球無線中継システムは災害時の臨時回線

としての利用に備え、全国の主要拠点に配備し

ています。

46

津波に対して津波に対して

利用可能，ただし課題多し.... 監視：海岸部で係留されていれば，接近する波頭や

海面上昇，津波地区侵入や遡上はいち早く監視できたと考える．

得た情報（映像等）をいかにして住民に知らせるか？

地上部が津波に襲われた時点でサービス停止

InfoBalloonの普及に至る道筋がまだまだ遠い．．．性能保証 → 利用形態策定 → 経済性向上（収支）→ 人員育成 → 平時運用

デーリー東北新聞社撮影：梶原昌之氏（八戸市）

がれき工学

～意図と秩序を失った人工物を知るための学問とは？～

がれき工学

～意図と秩序を失った人工物を知るための学問とは？～


人工物と私たちの暮らし人工物と私たちの暮らし

Photo by (c)Tomo.Yun URL: http://www.yunphoto.net


1995.1.17 阪神淡路大震災

破壊された人工環境による災害破壊された人工環境による災害

ソウル三豊デパート崩壊

上海マンション崩壊


がれきとはがれきとは

人工物の破壊により生じた構造物・・・

USA(WTC)

Awaji Kobe Kobe

Afghan India USA(WTC)

Awaji Kobe Kobe

意図されない偶然が生み出す”人工物”


がれきについての知見の欠如がれきについての知見の欠如

建造物のライフサイクル

構築

劣化

倒壊

解体撤去

解体撤去

工学の守備範囲

52

“がれき”に関する10の問い“がれき”に関する10の問いQ1 このブロックを除去してもがれきがくずれないか？

Q2 寝室はこのがれきの中のどこだ？

Q3 がれきの中のターゲット地点までこのロボットで行けるか？

Q4 この分岐点でいずれのパスを選択すべきか？

Q5 レスキューロボットの適切な寸法とは？

Q6 がれき内（上）を移動するにはいかなる機構が適しているか？

Q7 我が家は地震でどのように崩れるのか？

Q8 倒壊を防ぐためにどういった補強が有効なのか？

Q9 がれきを特徴付けるパラメータとはどういうものか？

Q10 地域・風土・文化等によりがれきはどう違うか？

USAR Team

Robot Operator

Robot Designer

Resident

Researcher


E-DiffenceE-Diffence独立行政法人防災科学技術研究所

大型構造物の震動破壊実験を行う大規模実験施設

震動台

実験準備棟油圧源棟実験棟震動台サイズ

20m×15m

最大搭載荷重

12MN

最大加速度

XY 900cm/s2

Z 1500cm/s2

最大速度

XY 200cm/s

Z 70cm/s

最大変位

XY ±100cm

Z ±50cm


E-DiffenceE-Diffence独立行政法人防災科学技術研究所

大型構造物の震動破壊実験を行う大規模実験施設


がれきに対する研究領域がれきに対する研究領域

倒壊対象論：がれきになる前倒壊物組成調査／倒壊物構造調査

がれき形成過程論：がれきができる過程倒壊負荷／がれき形成現象／人間（居住者）影響分析

がれき形態論：がれきの状態がれき特性／安定性判定／空間解析／構造推定

がれき内被災者探索論：被災者を捜すセンシング／到達経路計画／移動機構

がれき救出過程論：被災者を助け出すがれき安定除去／安全救出計画／がれきハンドリング

「がれき工学」小野里，倒壊家屋の瓦礫を対象としたモデリングとシミュレーション－レスキュー工学からの研究フレームワークの提案－，第１７回日本ロボット学会学術講演会予稿集，pp. 771-772, 1999.9

プロセスの流れ

プロセスの流れ


がれきデータを手に入れるには？がれきデータを手に入れるには？

ディジタルがれきモデル

ディジタル家屋モデル

倒壊プロセス

シミュレーション

実がれき

倒壊プロセス実験

実家屋モデル

地震災害

実家屋３次元レーザ計測

家屋モデルの作成法家屋モデルの作成法

furniture

exterior & interiorfoundation & framingfloor plan

setting

仮想がれきモデル仮想がれきモデル

wave pattern strength direction

Earthquake

House model

aging / defect furniture layout

joint parameterdecrement region

NVIDIAPhysX2.8.4


倒壊プロセスシミュレーション倒壊プロセスシミュレーション

損壊の激しい例

損壊の軽い例空間占有率：0.059包絡体体積：841.5

空間占有率：0.079包絡体体積：627.3

NVIDIA PhysXによる物理シミュレーション加震波形：岩手・宮城内陸地震(2008) 栗原市でのデータ使用

NS 415 gal, EW 689 gal, UD 281gal

加速度 1.5x


がれきモデルの構築と分析がれきモデルの構築と分析

⼤震災発⽣⼤震災発⽣

救助機器を⽤いた迅速な救助活動救助機器を⽤いた迅速な救助活動

がれきモデルがれきモデル

がれき計測簡易シミュレーション倒壊シミュレーション

がれきの定量的評価がれきの定量的評価

統計的に⾒たがれきの性質

救助計画の⽴案救助シミュレーションより良い救助機器の設計

救助計画の⽴案救助シミュレーションより良い救助機器の設計

61

「がれき」の違った側面「がれき」の違った側面

阪神淡路大震災（１９９５）木造倒壊家屋

救命救助活動の場

地震動が倒壊させる

東日本大震災（２０１１）津波で破壊され移動した人工物の集積

救助活動の機会は少ない

流体の力（浮力を含む）と浮遊物と衝突が破壊

３．１１後の「がれき工学」とは？

津波に押し流され、がれきで埋め尽くされた道路（１２日午前９時１６分、宮城県気仙沼市で）＝池谷美帆撮影 YOMIURI ONLINE


がれきで働くレスキューロボットへがれきで働くレスキューロボットへ


講義の最後のテスト講義の最後のテスト

問１

サイバーフィールド（実フィールドと仮想フィールドとが双対化したもの）を実現する構成技術のうち，自分が興味を持つものの上位３つを挙げ理由を述べなさい．

問２

災害情報システムに求められる要件のうち，火山災害防止に重要と考えるものを３つ挙げ，それぞれに理由を述べなさい．


おわりにおわりに

サイバーフィールドに象徴される実世界と仮想世界の連動は，急速に私たちの生活空間を情報化していきます．

サイバーフィールドは，これまでにない業務形態や生活様式を生み出す原動力に成り得ます．

その一方で，個人のプライバシーや社会のあり方に大きな負の影響を与える危険もはらんでいます．

人工物に囲まれ，高度情報化された私たちの社会は，大規模災害が発生した場合に，生活者のレベルにおいて，まだまだ脆弱です．

そうした脆弱な部分の存在に警鐘を常にならし，科学技術基盤を形成することが，大学等の責務です．

2014.10.7(tue)...

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