自律分散協調ユビキタスセンサネット ワーク技術を用いた適応型HEMSの

Shizuoka
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自律分散協調ユビキタスセンサネット
ワーク技術を用いた適応型HEMSの
構築に向けて
2009.5.12 ワイヤレス・テクノロジー・パーク2009
静岡大学 情報学部
峰野博史
[email protected]
0
資源エネルギー庁「日本のエネルギー2008」より
日本のエネルギー消費
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石油ショック以降，産業部門は省エネが進展
1980年代半ば以降，民生・運輸を中心に増加
1
資源エネルギー庁「電力需給の概要（H16）」より
品目別家庭用電力消費量積算の推移
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快適さを求めて家庭の電力消費は増加
生活の利便性・快適性を追求するライフスタイルの変化
高齢者比率上昇等の社会構造変化の影響
世帯数の増加，家電等の増加・大型化
2
2008.9月学内資料より
[参考]静大情報学部の高熱水費推移
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一般的なオフィスビルにおける電気使用量も，「空
調設備」，「照明設備」が約75%を占有
H18
H17
上下水道
上下水道
ガス
ガス
電気
電気
H20
H19
全体の約70%
以上は電気代
上下水道
上下水道
ガス
ガス
電気
電気
3
森ビルホームページより
[参考]BEMS（Building and Energy Management System）
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業務用ビルや工場、地域冷暖房と
いったエネルギー設備全体の省エ
ネ監視・省エネ制御を自動化・一元
化するシステム
エネルギー消費量の定常把握
ビル運営管理の合理化
例） 六本木ヒルズ森タワー
ガスから電気と熱を生み出し，そ
の排熱を地域冷暖房へ活用
BEMSによる運用管理
「大規模ｶﾞｽｺｰｼﾞｪﾈﾚｰｼｮﾝ＋
地域冷暖房」ｼｽﾃﾑ
蓄熱空調システム概念図
4
資源エネルギー庁（H16.4）資料より
HEMS（Home Energy Management System）
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住宅のエネルギー消費機器（家電機器，給湯器など）
を，ICTを活用して間接制御，自動制御するシステム
5
HEMSの分類とサービス例
分類
表示系
HEMS
制御系
HEMS
エネルギー
使用状況の
モニタリング
機器単独の
操作・機能
家庭内機器
全体の操作
HEMS機能
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商品・サービス（例）
電気使用量と料金の表示
省エネナビ
機器運転状況の表示
ｴﾈﾙｯｸﾘﾓｺﾝ，ｶﾗｰ電力ﾓﾆﾀ
省エネ方法のアドバイス
myTokyoGas
機器単独の遠隔操作
ﾎｯとﾈｯﾄｻｰﾋﾞｽ，ｱｲﾙｽ
機器単独の運転機能
霧ヶ峰（ﾑｰﾌﾞｱｲ，ﾏﾙﾁｿﾞｰﾝ空調）
ｴｺｷｭｰﾄ（学習制），ｴｺｳｨﾙ（学習）
ﾎｰﾑﾈｯﾄﾜｰｸによる遠隔操作
ﾘﾓｰﾄﾌﾟﾗｽ，FEMINITY
ﾎｰﾑﾈｯﾄﾜｰｸによるﾋﾟｰｸｶｯﾄ
エミットホームシステム
省エネナビ
エコキュート
エミットホームシステム
6
HEMS実用化研究の課題
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表示系HEMS（間接制御）： 5.2%～14.6%
エネルギー総量の表示，前月との比較・料金化等に
よって省エネ行動を喚起するのみ
制御系HEMS（自動制御）： 0.6%～3.3%
対象機器が家電機器（エアコン・照明・待機電力等）
の一部のみに限定，設定・制御も柔軟でない
根本的な問題は．．．
光熱費
の節約
快適な
生活
環境
問題
魅力
価格
持続性
7
既存建造物の消費電力測定の難しさ①
分電盤にセンサを取り付け消費電力量を測定
電力センサと表示器で構成（ﾃﾞｰﾀ１年分蓄積可）
コ:3
コ:3
エ:3 エ:5 エ:7 エ:9
コ:9
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コ:1
表示器
コ:1
電力セ
ンサ
コ:9
部屋番号
照 :照明
コ :コンセント
エ :エアコン
１４０３
１４０５
コ:5
１４０７
コ:5 コ:7
１４０１
１４０９
照:1 照:3,5 照:7,9
コ:7
表示器
コ:1 エ:1
WC
コ:1
エ:1 エ:3 エ:5 エ:7 エ:9
照:1 照:3,5 照:7,9
電力センサ
8
既存建造物の消費電力測定の難しさ②
設置工事一部完了（2008.10）
研究室内全分電盤の工事完了（
2008.12.21）
⇒ 全面計測開始（グラフ化は未）
以下は，研究室の照明のみの総消
費電力（2008.12.7～20）
日
(Wh)
月
(Wh)
2008/12/7
火
(Wh)
2008/12/8
(Wh)
2008/12/9
3500
3000
2500
500
0
0
2008/12/10
3500
3500
3500
3500
3500
3000
3000
3000
3000
3000
2000
2000
1407 1409
1500
1403 1405
1000
500
1500
1403 1405
1000
(Wh)
2008/12/14
1403 1405
1000
(Wh)
2008/12/15
1500
1403 1405
1000
(Wh)
2008/12/16
2008/12/11
10
12
14
16
18
20
1407 1409
1500
1403 1405
1000
2008/12/17
2500
1401
2000
1500
1000
1403 1405
1000
2008/12/18
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
(時)
(Wh)
2008/12/19
4000
4000
4000
4000
4000
3500
3500
3500
3500
3500
3500
3500
3000
3000
3000
3000
3000
3000
2000
1407 1409
1500
1403 1405
1000
2500
2500
500
1401
2000
2000
1407 1409
1500
1403 1405
1000
(時)
1403 1405
1000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
(時)
1500
1403 1405
1000
500
0
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
1500
1407 1409
(時)
2000
1500
1403 1405
1000
(時)
1500
1403 1405
1000
(時)
1407 1409
1500
1403 1405
1000
500
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
1401
2000
1407 1409
500
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
2008/12/20
2500
1401
2000
1407 1409
500
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
1401
(時)
3000
2500
2500
1401
2000
1407 1409
500
500
0
2500
1401
1403 1405
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
(Wh)
1407 1409
500
0
(時)
1401
2000
1500
1407 1409
500
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
(Wh)
3000
2500
1401
2008/12/13
3500
3000
4000
1401
(時)
4000
3500
2000
(時)
2008/12/12
4000
2500
22
土
(Wh)
4000
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
(時)
8
金
500
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
(時)
1407 1409
500
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
(時)
1500
6
(Wh)
2500
1401
2000
1407 1409
500
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
(Wh)
2000
1407 1409
500
0
2500
1401
4
木
(Wh)
4000
2500
2
拡大例
4000
1401
1403 1405
1000
4000
2500
1407 1409
1500
4000
1401
1401
2000
4000
2500
2008/12/12
4000
水
(Wh)
Shizuoka
Univ. JP
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
(時)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
(時)
9
適応型HEMSの提案
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魅力
専門化による既存設備への工事不要
どのベンダ製品にも容易に対応
省エネ＋αの付加価値（ヘルスケア，ライフログ等）
価格
機能限定でも劇的なコストダウン
予算に応じて必要な機能を段階的に導入可能
持続性
負担，不快を感じさせない（学習）
操作が容易
強制的でなく自由に生活できる
10
適応型HEMSの実現に向けて
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自律分散協調ユビキタスセンサネットワーク
文科省知的クラスター創成事業（第Ⅱ期）
浜松地域オプトロニクスクラスター構想
テーマ２：人間活動の支援環境の構築-③
H19～H21 or H23
PUCC（Peer-to-Peer Universal Computing Consortium）
異種混在通信プロトコルを相互に接続可能とするオー
バーレイネットワーク技術の研究開発・標準化活動
センサデバイス制御WG議長（2006.9～）
International CES, IEEE CCNC, CeBIT, CEATEC, etc.
H19 経産省情報大航海ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ（ﾓﾃﾞﾙｻｰﾋﾞｽの開発と
実証）「すこやかライフサポートサービス」
11
知的クラスター創成事業（第Ⅱ期）
自律分散協調ﾕﾋﾞｷﾀｽｾﾝｻﾈｯﾄﾜｰｸ
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センシングデータ・情報を分析し，自然な人間活動の支援
タイムリな状況検知や状況に合わせた情報提供
取得情報をサービス向上やネットワーク環境の改善につなげ，シ
ステム全体を常に変化する周囲状況や環境に応じて効率的・効果
的に順応
ﾏｲﾆﾝｸﾞｼｽﾃﾑ
防犯
都市・交通
防災
ユーザモデリング
タイムリ，
ライトタイム
自律分散協調制御
家庭
ショッ
ピング
医療
オフィス
空間利用効率の向上
工場
環境
ローカライゼーション
動的ソフトウェア
更新
教育
ﾕﾋﾞｷﾀｽｾﾝｻﾈｯﾄﾜｰｸ
時々刻々と変化する
情報のセンシング
12
自律分散協調ﾕﾋﾞｷﾀｽｾﾝｻﾈｯﾄﾜｰｸ
＜研究開発対象領域＞
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（主なキーワード）
a) アプリケーション
・快適省エネライフサポート
・ユビキタス情報シティ，etc.
b) マイニングシステム
・クラスタリング
・モデリング
・フィードバック
c) 自律分散協調制御
・動的ソフトウェア更新，制御
・ローカライゼーション，位置推定
ユビキタス
d)
センサネットワーク
・相互補完ネットワーク
・スマートアンテナ，省電力制御
13
システムアーキテクチャ概要と分担
S: センサノード
A: アクチュエータノード
R: ルータノード
T: 電源タップ
電力線
給湯器
ソフトウェア更新，位置
推定，家電制御
家電
Sleep制御によるセンサ
ノードの省電力化
S
S
S
S
Ａ
Ａ
T
T
Ａ
Ａ
PLC・ZigBee
相互補完
ネットワーク
R
IPv4/v6
ネットワーク
マイニング
サーバ
ガス
DB
Shizuoka
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無線
水道
R
S
S
S
スマートアンテナを
用いたノード間の
省電力無線通信
S
各種センサ情報のクラスタリ
ング，モデリング，マイニン
グによる快適省エネ制御
14
センシングデータと制御の流れ
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センサ
マイニングサーバ
ユーザインタフェース
トレンドグラフ
ソーシャルグラフ
将来予測
相関ルールの発見
クラスタリング
モデリング
快適省エネライフ制御
へのフィードバック
PLC・ZigBee相互補完
ネットワーク
収集
制御
自律分散ネットワーク構築
プロトコル変換
省エネ通信プロトコル
ローカライゼーション
ソフトウェア更新
供給電力制御
IR信号出力
※将来的には，様々な異種センサネットワークやホー
ムネットワークと連携できるようにし，各ネットワークで
自律分散協調していく
温度
照度
加速度
圧力
家電接続センサ
消費電気特性
IR信号
家電，アクチュ
エータなど
ＴＶ，HDDﾚｺｰﾀﾞ，
空調機，冷蔵庫，
電子ﾚﾝｼﾞ，室内灯，
ウォッシュレット，
電動ｼｬｯﾀｰ，
PC，ルータ，ハブ，
プリンタ，NAS，各
種充電器
15
自律分散協調ﾕﾋﾞｷﾀｽｾﾝｻﾉｰﾄﾞ例
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自律分散協調ユビキタスセンサノード
ワットチェッカーなど
ｾﾝｻ/ｱｸﾁｭｴｰﾀ
家電など
温度変化の見える化
ZigBee
ﾓｼﾞｭｰﾙ
メインボード
PLCﾓｼﾞｭｰﾙ
※将来的には低機能化・小型化
データ間の関連性を見える化
16
No New Wireネットワーク構築技術
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電力線通信（PLC：Power Line Communication）の課題
経路内ノイズ
• 電力線から放射される電磁波による不平衡経路の問題や，家電機器
等から発生する負荷ノイズや空中を伝搬する飛来ノイズ
信号減衰
• 電力線に接続された末端負荷，電線路長，電線路分岐による減衰
ISM帯無線通信（無線LAN，ZigBee，BTなど）の課題
電波干渉，隠れ端末問題
• 2.4GHz帯の電波特性による影響や無線通信機器増大
無線通信範囲
• 利用周波数帯特性による信号減衰や障害物による遮断
PLCやISM帯無線通信を併用して通信可能なエリアを相互に
補完し合うよう自律的に相互補完ネットワークを形成
17
相互補完ネットワークの利点
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カバレッジの拡大
通信不能経路を無線 or 電力
線通信（PLC）で相互補完
RF
RF
PLC
The
Wall
RF
RF
PLC
PLC
PLC
通信の信頼性向上
通信不能時，異なるメディアで
再送することで到達率の向上
メディア利用効率の向上
通信の方向，種類に応じて最適
な通信メディア選択
例）PLC→無線の順でブロード
キャストを行うことで，全ネットワ
ークへのブロードキャストを2ス
テップで実現
RF
PLC
RF
PLC
無線通信に失敗
RF
PLC
RF
PLC
PLC通信で再送
STEP1)
STEP2)
18
Z2Pネットワークアーキテクチャ
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サブネット間転送 … Z2Pルータ ⇔ Z2Pルータ
サブネット内転送 … Z2Pルータ ⇔ RFデバイス，PLCデバイス
非IP系でオーバーレイネットワークを形成
Subnet3
Subnet1
Subnet2
Subnet4
Z2Pルータ
Z2Pルータ
RFデバイス
0x02
0x01
ZigBee PAN1
RFデバイス
PLCデバイス
0x01
サブネット間
ルーティング
0x03
0x02
PLC Network 1
0x01
0x02
サブネット内
ルーティング
実フィールド
ネットワーク
ZigBee PAN2
19
Z2Pセンサノード試作開発ボード例（製品化）
Shizuoka
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ボード名
Z2Pアプリボード
ZigBeeモジュール
中速PLC評価ボード
センサボード
シリアル拡張ボード
20
自律分散協調ﾕﾋﾞｷﾀｽｾﾝｻﾉｰﾄﾞ種別1
デバイス名
ボードデザイン
Type:１
使用ボード
通信
センサ
Shizuoka
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駆動
Z2Pアプリボード
ZigBeeモジュール
コーディネータ
ZigBee
中速PLC
未搭載
中速PLC
未搭載
ZigBee
中速PLC
未搭載
AC電源
中速PLCボード
ルータ
シンク
Type:2
Z2Pアプリボード
中速PLCボード
AC電源
Z2Pアプリボード
ブリッジ
ZigBeeモジュール
AC電源
中速PLCボード
21
自律分散協調ﾕﾋﾞｷﾀｽｾﾝｻﾉｰﾄﾞ種別2
デバイス名
ボードデザイン
Type:１
使用ボード
通信
センサ
駆動
中速PLC
消費電力センサ
赤外線アクチュエータ
AC電源
中速PLC
消費電力センサ
赤外線アクチュエータ
温度センサ
照度センサ
人感センサ
AC電源
ZigBee
消費電力センサ
赤外線アクチュエータ
温度センサ
照度センサ
人感センサ
電池残量
電池駆動
Z2Pアプリボード
中速PLCボード
PLCセンサ/アク
チュエータノード
Shizuoka
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シリアル拡張ボード
Type:2
Z2Pアプリボード
中速PLCボード
シリアル拡張ボード
センサボード
センサボード
RFセンサ/アク
チュエータノード
ZigBeeモジュール
22
Z2P通信プロトコル基礎評価実験
Z2P通信プロトコル基礎評価項目検討（3/10）
基礎評価用テストプログラム開発（3/11）
Z2P通信プロトコル基礎評価
ZigBee通信基礎評価，中速PLC通信基礎評価（3/12-16）
Z2Pセンサネットワークレイアウト検討
Z2P通信プロトコル到達率評価（3/17-19）
Z2P通信プロトコル基礎評価結果まとめ（3/27）
Shizuoka
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実験風景
（3/12-19）
23
ZigBee通信基礎評価結果
Shizuoka
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実線： 通信可，信頼性60%以上のペア
破線： 通信可，信頼性60%未満 or タイムアウト発生箇所のペア
情報棟１号館３-５階（２エリアに分断）
情報棟２号館１-３階（３エリアに分断）
24
中速PLC通信基礎評価結果
Shizuoka
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実線： 通信可，信頼性60%以上のペア
破線： 通信可，信頼性60%未満 or タイムアウト発生箇所のペア
情報棟１号館３-５階（３エリアに分断）
情報棟２号館１-３階（６エリアに分断）
25
Z2Pネットワークレイアウト検討
情報棟１号館３-５階（Z2Pサブネット６個）
Shizuoka
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情報棟２号館１-３階（Z2Pサブネット５個）
26
Z2P通信基礎評価結果の分析
Shizuoka
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１号館３-５階のカバレッジ
ZigBee：65%（22/34）
PLC：46%（16/35）
⇒ Z2P：84%（17/19）
２号館１-３階のカバレッジ
ZigBee：35%（13/37）
PLC：29%（10/35）
⇒ Z2P：100%（19/19）
＜実験後ヒアリングによって確認された実験環境の特徴＞
１号館３-５階（S47施工）
ZigBee： 追耐震工事により北側面に約25cm厚の鉄筋コンクリート有り，南側
は柱のみのためフロア間のISM帯無線通信は比較的可能と考えられる
PLC： 各フロアに分電盤１つ有り，フロア内通信はある程度可能
Z2P： 研究室入居が多く，WLAN-AP，充電器等の影響を大きく受けたと考える
２号館１-３階（H11施工）
ZigBee： １号館に比べ耐震構造が充実しており，南北だけでなく中央にも鉄筋
コンクリート有り，よってフロア内のISM帯無線通信到達率が低かったと考える
PLC： 実は東側と西側と施工時期が異なり，各フロアに分電盤２つ有りのため
，フロア内通信の到達率が低かったと考える
Z2P： 講義室が多く，干渉や外部ノイズ等の影響が少なかったと考える
27
2008/11/13～20
データ収集基礎実験の様子１
Shizuoka
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センサノードの設置
カメラノード
センサノード
収集したデータ
DBMS
在籍時間記録表（紙）の例
カメラ撮影データ
28
2009/1/9～11
センサ・家電連携に向けた制御基礎実験２
Shizuoka
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実験環境
1501会議室（５階）
１号館５階会議室北側半分
エアコン設定温度：26度
センサノード数：3×6の格子
各日20時～24時で測定
センサノード
風
障害物
風
室内の状況
扇風機
扇風機
1/9（金）
×
×
1/10（土）
○
×
1/11（日）
○
○
1/11は，寒波のため測定開始時の気
温が他の日より約2度低かった
風
エアコン
出入口
障害物
部屋の北側半分を使用
29
室内の温度変化(1/１１（日）)
1/11（日）
障
扇
○
○
Shizuoka
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1/9に比べ，最初の
室温が2℃低かった
が，扇風機の送風
によって障害物の
後ろも急速に温まっ
ている
20時～21時
21時～22時
扇風機による送風
で，若干温度差を
解消できた
22時～23時
23時～24時
30
センシングデータ表示I/Fの開発
Shizuoka
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31
適応型HEMSの実現に向けて
Shizuoka
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自律分散協調ユビキタスセンサネットワークの拡張
センサ/アクチュエータネットワークをPUCC対応へ
OSGiバンドル化
自動制御対象物の拡充
ガス・灯油機器用の拡張モジュール開発
システム自身の省エネ化，低コスト化
ピークシフト充放電制御，スリープスケジューリング
快適性指標の導入
ISO7730規定のPMV（Predicted Mean Vote）を改良
適応型HEMSの実証実験
従来HEMSとの省エネ率比較
既存建造物での長期運用による課題抽出と対策
生活者の行動様式や好みを適応的に考慮した「快適な
生活」を損なわない省エネ機能の提供
32
研究開発・事業化ロードマップ
Shizuoka
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他プラットフォームとの相互連携環境の拡充
開発プラットフォームの改良（小型化，低コスト化など）
実証実験環境の拡充/開発ノウハウの提供
研究開発成果の実事業利用採用を目指す
H19
H20
H21
第一次自律分散協調系開発
個別要素技術開発
システム統合
H22
H23
第二次自律分散協調系開発
個別要素改良拡張
統合システム開発
各種試作ボード開発
仮運用実験
プロトシステム開発
・WTP2009発表
・DICOMO2009デモ
実事業へ採用
33