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LPWAを用いたIoTバスロケーションシステムとその応用に関する研究
名城大学大学院理工学研究科情報工学専攻鈴木研究室
183426019 保下拓也
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コミュニティバス 交通弱者のモビリティ確保や交通空白地帯の解消
地域住民の重要な移動手段 税金で費用を負担して運行
バスは定時運行が困難 天候や交通状況の影響 運行状況の把握が困難
バスサービスの利便性向上のため,バスロケーションシステムの導入が進んでいる
出展:http://www.kyoto-np.co.jp/top/article/20150402000064出典:http://shimin-kouryu.net/about/kururinbuss/
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バスロケーションシステム バスの位置情報を収集し,遅延情報や走行位置等の運行情報をバス停やWeb上で提供
2出展:http://qzss.go.jp/news/archive/necnexs_150610.html
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一般的なバスロケーションシステム 通信に 携帯電話網 を利用
既存のインフラを利用可能 通信端末をバスに設置するだけでシステムを導入可能
高額な通信コストが発生
3* 大谷達彦:バスロケーションシステムの運用に関する検討,JICEレポート,Vol.9,pp.33-38, 2009
継続的な運用が困難になる例多数
運用コスト750万円 / 年*
通信コスト(33 %)
その他
システムの導入が容易
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4
バス利用者の情報取得環境0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
20歳未満
20歳代
30歳代
40歳代
50歳代
60~64歳
65~74歳
75歳以上
従来の携帯電話 スマートフォン タブレット パソコン Webを利用していない
若年層・中年層
• スマートフォン• パソコン
高齢層
• 従来の携帯電話• Web利用無し
インターネットを利用できない人にも情報を提供する手段が必要
平成26年度東郷町住民アンケート
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デジタルサイネージを活用したバス停 京都市のバス停
バスロケーションシステムと連動したバス停 リアルタイムな情報を提供
時刻表 運行情報 周辺の観光情報
課題 高額な導入コスト
大型ディスプレイ 電源工事
設置場所が限定的 主要な駅 バスターミナル
出典:http://news.livedoor.com/article/detail/9897731/
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災害情報配信システム ICTを活用した災害情報配信
バス停等に設置されているデジタルサイネージを活用
課題 通常時と非常時で運用するシステムが異なる
運用マニュアルの不整備 操作方法の理解不足
節電要請のため未稼働 トラフィック増大による通信遅延
出典: http://www.mjpm-saiyo.com/moremjpm/area.html
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研究の目的
I. IoT技術を活用した新たなバスロケの開発 低コストで導入でき,かつ,継続運用できる仕組み 電子ペーパーを用いたスマートバス停の開発
II. 世界標準形式でバスロケデータをオープン化 日本国内に限らず,世界中から検索・利用可能に
III. 災害時情報配信システムへの展開 平時と災害時で共用可能な情報配信プラットフォーム
IoT技術を利用した新たなバスロケーションシステムの開発と災害時情報配信システムへの展開
より研究助成を受けて実施(2017年より3年間)
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LPWA(Low Power Wide Area) 世界的に注目を集めているIoT向け無線通信技術
低消費電力:ボタン電池1つで数年単位の動作 広域通信:数km~数十km 低コスト:端末1台当たりの通信料金が年100円~利用可能
http://businessnetwork.jp/Detail/tabid/65/artid/5106/Default.aspx
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IoTバスロケーションシステム* 公共のLPWAネットワークを利用
低運用コストでバスロケーションシステムを実現 他のIoTサービスと共用可能
クラウド型バス管理サーバ 電子ペーパーを利用したスマートバス停
9* T. Boshita, et al., IEEE ITSC 2018, pp. 933–938 (2018)
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IoTバスロケーションシステム* LPWAネットワークを利用 クラウド型バス管理サーバ
バス運行情報の生成,配信 管理用Webページの提供
電子ペーパーを利用したスマートバス停
10* T. Boshita, et al., IEEE ITSC 2018, pp. 933–938 (2018)
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IoTバスロケーションシステム* LPWAネットワークを利用 クラウド型バス管理サーバ 電子ペーパーを利用したスマートバス停
リアルタイムなバスの運行情報,地域情報などを提供 災害情報配信システムへの展開
11* T. Boshita, et al., IEEE ITSC 2018, pp. 933–938 (2018)
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スマートバス停 – 電子ペーパーの導入 低消費電力で動的にコンテンツを変更可能
太陽光下でも高い視認性 エナジーハーベストで稼働可能 近年,小型モデルの価格が低下
Visionect 13.3” (€1,000) WAVESHARE 6.0” & 7.5” ($35, $62)
電源供給の問題と導入コストの問題を解決
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スマートバス停 – バスロケ情報の提供 静的情報はバス停側で補完
スマートバス停にマイコンを設置 表示コンテンツを作成
事前に組み込む情報 レイアウト(HTML形式) ダイヤ情報(GTFS-JP形式)
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スマートバス停 – バスロケ情報の提供 静的情報はバス停側で補完
スマートバス停にマイコンを設置 表示コンテンツを作成
事前に組み込む情報 レイアウト(HTML形式) ダイヤ情報(GTFS-JP形式)
リアルタイムに変化する情報はLPWAで配信 JSON形式のファイルに保存 JavaScriptにより読み込み,
HTMLファイルに反映
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スマートバス停 – バスロケ情報の提供 静的情報はバス停側で補完
スマートバス停にマイコンを設置 表示コンテンツを作成
事前に組み込む情報 レイアウト(HTML形式) ダイヤ情報(GTFS-JP形式)
リアルタイムに変化する情報はLPWAで配信 JSON形式のファイルに保存 JavaScriptにより読み込み,
HTMLファイルに反映
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表示コンテンツ リアルタイム性の高い情報の提供
運行状況 現在走行位置 接近案内
英語対応 外国人観光客等でも利用可能
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スマートバス停の表示切替 表示コンテンツはWeb標準技術で作成
表示するページを変更するだけで,表示コンテンツの切替が可能
バス運行情報.html 災害・避難情報.html
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災害情報配信システムへの展開 スマートバス停を街中の情報配信スポットとして利用
平時 :バス運行情報,地域情報 災害時 :災害情報,避難所情報
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・平時と同様の操作方法・スマートフォンを利用できない状況でも情報を入手可能
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技術的課題
LoRaWANで一度に送信可能な最大データサイズ 11byte GPSから取得する情報のデータサイズ
時刻情報:10byte 緯度・経度情報:10+11=21byte 区切り文字:4byte
複数メッセージで送信しても,リアルタイム性が欠如 情報送信間隔は最短で4.4秒
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合計 35byte
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位置情報圧縮手法
1. バスロケで不要な情報を削除2. 位置情報を絶対値から相対値へ変換3. サーバ側で補完可能な情報を削除4. テキストデータをバイナリデータへ変換
204536.356,3507.5596,N,13702.2202,E
24429 25178
10100101101100100
11101101110011100010101011101100100101011
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位置情報の情報量および圧縮率
LoRaWANの制約11byte(=88bit)に収まる メッセージ識別情報を記載しても1回の送信で全ての情報を伝送可能
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圧縮前 [bit] 圧縮後 [bit]
時刻情報 80 17
緯度 72 16
北緯/南緯記号 8 0
経度 80 16
西経/東経記号 8 0
区切り文字 32 0
合計 280 49
情報圧縮率=17.5%
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実装 – 概要 位置情報の収集,運行情報の配信機能
車載器 位置情報の圧縮・送信,走行状態判別
クラウド型バス管理サーバ 運行情報配信
スマートバス停 バス運行情報表示機能
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実装 – 車載器 位置情報,走行状態送信機能
ジオフェンシングでバス停への接近を検知 圧縮した情報,走行状態を5秒間隔で送信
モジュール構成 LoRa通信モジュール,Raspberry Pi 3,GPSモジュール
Raspberry Pi 3LoRa通信モジュール
GPS モジュール
15 cm
13 cm
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実装 – クラウド型バス管理サーバ 遅延時間算出機能,運行情報配信機能
車載器から受信した情報をStorageに格納,蓄積 遅延時間の算出
バス運行情報を配信
バス HTTPTrigger BusDataManagement
StorageInformationDistribution
スマートバス停
Azure位置情報時刻情報走行状態次バス停
遅延時間接近状態現在位置
遅延時間 = 到着時刻 – 時刻表で設定されている到着時刻
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実装 – スマートバス停 表示機能
バス管理サーバから受信したバス運行情報を表示 モジュール構成
単結晶ソーラーパネル
電子ペーパーLoRa通信モジュール
ソーラー専用バッテリー
NP9-12
USB電源モジュール
Raspberry Pi Zero WH
チャージャーコントローラー
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動作検証 – 概要 スマートバス停への情報配信実験
目的 バス運行情報配信機能の動作検証 実際のバス運行状況が正しく反映されているか検証
実験環境 LoRaゲートウェイ:日進市役所本庁4階に設置 スマートバス停:日進市コミュニティバス「くるりんばす」図書館バス停に設置
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動作検証 – 結果
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評価 位置情報の圧縮率
既存手法との比較 LoRaWANを利用した位置情報収集実験
走行速度と情報受信率 既存バス路線環境における通信距離
コストに関する評価 導入コスト 運用コスト
スマートバス停に関する評価 表示処理の処理時間 消費電力 屋外での視認性 表示コンテンツのアクセシビリティ
既存システムとの比較
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評価 位置情報の圧縮率
既存手法との比較 LoRaWANを利用した位置情報収集実験
走行速度と情報受信率 既存バス路線環境における通信距離
コストに関する評価 導入コスト 運用コスト
スマートバス停に関する評価 表示処理の処理時間 消費電力 屋外での視認性 表示コンテンツのアクセシビリティ
既存システムとの比較
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評価 – コストの試算 条件
愛知県日進市のコミュニティバス「くるりんばす」をモデル 路線数:7 バス停数:161
各システムの設置ノード数 従来システム(docoです car for BUS*1)
車載器:7 バス停通信端末:161
提案システム(SORACOM社共有モデル*2) 車載器:7 バス停通信端末:161 LoRaゲートウェイ:4
*1 https://www.docomo-sys.co.jp/products/doco-car/service/busnavi/*2https://soracom.jp/services/air/lora/
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評価 - 導入コストの試算 ノードの設置台数と各ノードの単価から試算
従来システム 車載器 :2,900 [円]
– 携帯電話網を利用可能なGPS端末 バス停通信端末 :1,800 [円]
提案システム 車載器 :15,105 [円]
– LoRaデバイス,GPSモジュール,マイコン バス停通信端末 :7,980 [円] LoRaゲートウェイ :24,800 [円]
導入コストが約1,200,000円増加
310,100 円
1,489,715 円
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評価 – 通信コストの比較 月額通信料金
携帯電話通信料:980 [円/月/デバイス] LoRaWAN通信料:9,980 [円/月/ゲートウェイ]
各システムの通信コスト 従来システム:164,640 [円/月] 提案システム:39,920 [円/月]
02468
1012141618
携帯電話網 LoRaWAN
万円
75.75%削減
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評価 – コスト試算結果まとめ
導入コスト:約1,200,000円増加 他のIoTサービスと分散化し,削減できる可能性
通信コスト: 75.75% 削減 通信コストの差額分だけ費用を抑えることができる
約8か月運用すれば提案システムの方が安価に
導入コスト [円] 通信コスト [円]従来システム 310,100 164,640提案システム 1,489,715 39,920
長期運用を見据えた場合,提案システムは有用性が高い
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まとめ LPWAを用いたIoTバスロケーションシステムを提案
公共のLPWAネットワークを利用 従来のバスロケとは異なり高い汎用性
コストの比較 長期運用を見据えた場合,提案システムは有用
今後の課題 バス路線を用いた実証実験(二月下旬から三月初旬)
研究業績国際会議 :3件(IPSJ ICMU2018,IEEE ITSC2018,IEEE GCCE2019)国内発表 :5件(IPSJ DICOMO2018など)受賞歴 :4件(IPSJ DICOMO2018 優秀プレゼンテーション賞など)外部獲得資金:1件(NEC C&C財団国際会議論文発表者助成)