第4章 鉄道乗車券システムへの適用

第４章
鉄道乗車券システムへの適用
日 本 の 社 会 は ，少 子 高 齢 化 ，グ ロ ー バ ル 化 な ど の 大 き な 社 会 環 境 の 変 化 を 受 け て
い る ．こ の こ と は 鉄 道 事 業 に も 影 響 し て お り ，従 来 は 安 全 で 正 確 な 輸 送 を 行 え ば 良
か っ た も の が ，現 在 で は 安 全 性 ，快 適 性 ，利 便 性 な ど の 多 様 な 質 の 高 い ユ ー ザ ー ・
サ ー ビ ス を 求 め ら れ て い る ．一 方 で 鉄 道 輸 送 を 支 え る 重 要 な シ ス テ ム の 1 つ で あ る
自 動 出 改 札 シ ス テ ム （ AFC: Automatic Fare Collection system） は ， 異 種 シ ス テ
ム と の 共 存 ，異 種 ニ ー ズ と の 連 携 ，円 滑 な シ ス テ ム 更 新 な ど が 難 し い シ ス テ ム で あ
り ，こ れ ら の 改 善 と い う シ ス テ ム ニ ー ズ が 存 在 す る ．具 体 的 に は 高 密 度 輸 送 に お け
る ピ ー ク 時 の 乗 降 客 に 対 応 す る た め の 重 要 な 課 題 の 一 つ と し て「 自 動 改 札 機 の 処 理
速 度 向 上 」が あ る ．一 方 ，金 券 で あ る 乗 車 券 を 処 理 す る た め 信 頼 性 が 不 可 欠 で あ る ．
こ の た め ，高 速 処 理 と 高 信 頼 性 の 両 方 を 備 え た 乗 車 券 シ ス テ ム が 必 要 不 可 欠 で あ る ．
し か し ，従 来 の 磁 気 式 自 動 出 改 札 シ ス テ ム で は 駅 内 は 簡 易 な 集 中 シ ス テ ム 構 成 で 各
端 末 は 原 則 オ フ ラ イ ン 処 理 し て お り ，保 守 コ ス ト も 高 く ，拡 張 性 も 乏 し い も の で あ
る ．こ れ ら の 課 題 を 解 決 し ，更 に 乗 客 の 利 便 性 向 上 や メ ン テ ナ ン ス コ ス ト 低 減 の た
め に 新 し い 無 線 通 信 方 式 の IC カ ー ド 乗 車 券 シ ス テ ム の 開 発 が 必 要 と な っ た ( 図
4.1)．
図 4.1
鉄道ＩＣカード乗車券システムを取り巻く環境
こ の 新 し い シ ス テ ム に お い て は 拡 張 性 ，異 種 性 ，適 応 性 を 十 分 に 考 慮 し た シ ス テ
ム ア ー キ テ ク チ ャ で な け れ ば な ら な い ．高 密 度 輸 送 に お け る 旅 客 の 流 動 性 確 保 ，サ
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ー ビ ス の 継 続 は 必 須 で あ る ． こ の 新 し い 無 線 通 信 式 IC カ ー ド 乗 車 券 シ ス テ ム を 磁
気 式 AFC シ ス テ ム の 老 朽 取 替 え に あ わ せ て 導 入 す る こ と と し た が ， こ の シ ス テ ム
で は 無 線 通 信 に よ り 改 札 機 と の 処 理 を 行 う た め ，改 札 時 に 処 理 を 高 速 化 す る と デ ー
タ処理の信頼性が低下すると言う問題がある．
本 章 に お い て は ， 無 線 通 信 方 式 IC 乗 車 券 シ ス テ ム に お け る 高 速 処 理 性 と 高 信 頼
性 と い う 要 件 を 満 た す た め ，第 3 章 で 述 べ た ，自 律 分 散 ア シ ュ ア ラ ン ス 技 術 を 適 用
す る ．そ の 上 で ，そ れ ら の 有 効 性 を 実 証 す る ．具 体 的 に は 異 種 統 合 型 情 報 シ ス テ ム
の シ ス テ ム ア ー キ テ ク チ ャ 技 術 と 2 つ の ア シ ュ ア ラ ン ス 技 術 を 適 用 す る ．高 速 処 理
性 を 実 現 す る た め の IC カ ー ド と 自 動 改 札 機 に よ る 「 自 律 連 携 処 理 （ 運 賃 計 算 の 自
律 分 散 ア ル ゴ リ ズ ム ）」を 適 用 し ，さ ら に そ の 有 効 性 に つ い て モ デ ル 化 し ，比 較 検
討 を 行 い 証 明 す る ．ま た ，高 信 頼 化 の た め に 各 サ ブ シ ス テ ム で の「 自 律 分 散 整 合 化
技術」を導入する．また，システムのアシュアランス性評価という観点から，第 3
章 で 述 べ た「 機 能 信 頼 性 評 価 技 術 」を 適 用 し ，シ ス テ ム 稼 動 の 保 障 度 合 い を 評 価 す
るアシュアランス性評価を行い，その有効性を示した．
ま た ，シ ス テ ム 設 計 へ の 適 用 と し て 設 計 パ ラ メ ー タ の 最 適 値 を 求 め る 評 価 方 法 を
提 案 し ，こ れ に よ り ，ユ ー ザ ー に と っ て 最 適 な 状 態 で の 設 計 値（ 改 札 機 リ ー ダ ／ ラ
イタの通信エリアの大きさ）について自動改札機において検証した．
4.1
鉄道システム
4.1.1
輸送業からサービス業へ
通 勤 通 学 ，旅 行 に 行 く 際 に 利 用 す る 鉄 道 は ，各 線 が 平 常 通 り に 運 転 さ れ て い る こ
と が 当 た り 前 と な っ て い る ．も し ，少 し で も 遅 れ れ ば 多 く の ご 利 用 の お 客 様 に 大 き
な 迷 惑 を か け て し ま う こ と と な る ．ご 利 用 者 に と っ て は ，レ ー ル ，車 両 と 電 気 が あ
れば，そして駅員と乗務員がいれば電車は動くと思われている．
戦 後 ま も な く の 頃 は ，鉄 道 は 人 間 系 だ け で 動 い て い た ．す な わ ち ，電 話 で の 連 絡 ，
直 接 言 葉 に よ る 情 報 伝 達 で ，列 車 運 転 の 安 全 性 と 正 確 性 を 担 保 し て い た こ と に な る ．
し か し ，現 在 は 大 量 高 速 輸 送 の 時 代 で あ る ．Ｊ Ｒ 東 日 本 を 例 に と っ て み る と ，１ 日
当 た り 12300 本 の 列 車 を 運 転 し ，1600 万 人 を 輸 送 し て い る ．こ の た め に は ，23000
機 の 信 号 機 を 正 し く コ ン ト ロ ー ル し ，12000 台 の ポ イ ン ト を 正 確 に 転 換 し な け れ ば
ならない．
したがって，戦後の鉄道の歴史は輸送量の伸びに従い，この輸送を安全に行うこ
と を 目 的 と し て ，一 つ ず つ シ ス テ ム 化 し て き た も の と 言 え る ．そ の 結 果 ，世 界 で 一
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番正確で安全な鉄道となったのである．
し か し ，1975 年 以 降 輸 送 量 は ほ ぼ 横 ば い を 保 ち ，国 鉄 が 民 営 化 し て Ｊ Ｒ と な っ て
か ら ま た 少 し 伸 び て き て は い る が ，自 動 車 や 飛 行 機 と の 競 争 の 激 化 の 中 で は ，単 に
安 全 に 輸 送 す る だ け で な く ，よ り 便 利 で 快 適 に 目 的 地 ま で 行 け る こ と が 求 め ら れ て
い る ．こ れ は ，Ｊ Ｒ と な っ て か ら の 会 社 の 経 営 方 針 に も 反 映 さ れ ，新 型 車 両 の 導 入 ，
新 在 直 通 運 転 の 実 施 ，編 成 両 数 の 増 に よ る 混 雑 緩 和 な ど を 行 っ て き た ．つ ま り ，こ
れまでの単に人を運ぶ輸送業からお客様本位のサービス業へと脱皮したわけであ
る．
4.1.2
鉄道の安全を支えるシステム
1960 年 代 後 半 頃 の コ ン ピ ュ ー タ の 発 展 は 鉄 道 シ ス テ ム に も 大 き な 変 革 を も た ら
し た ．各 分 野 の 業 務 を コ ン ピ ュ ー タ に よ り シ ス テ ム 化 し ，業 務 の 効 率 化 と 安 全 性 の
向上を図ったのである．世界をリードしたのが日本の鉄道システムである．
そ の 代 表 的 な シ ス テ ム は 次 の ３ つ で あ る [58]．
・座席予約システム
MARS
1964.2～
・ヤード自動化システム
YACS
1968.9～
・新幹線運行管理システム
COMTRAC
1972.3～
MARS は ，そ れ ま で 人 手 で 販 売 し て い た 座 席 指 定 券 を 新 幹 線 の 開 業 に あ わ せ て ，コ
ンピュータにより発売できるようにしたもので，指定席数を飛躍的に増大できた．
YACS は ，貨 物 の 連 結・開 放 の 作 業 を 自 動 的 に 管 理 す る シ ス テ ム で あ り ，世 界 に 例
を見ないものであった．
COMTRAC は ， 後 述 す る 新 幹 線 の 輸 送 を コ ン ピ ュ ー タ に よ り 一 元 的 に 管 理 す る も の
である．
これらのシステムは中央集中システムとして開発され，当時，世界の先端をリー
ドするシステムであった．
1987 年 の 国 鉄 分 割 民 営 化 で Ｊ Ｒ に な っ て か ら は 経 営 の 基 本 方 針 と し て ， お 客 様 ・
地 域 ・ 社 会 に 貢 献 す る 「 生 活 創 造 企 業 」， 最 新 の 技 術 を 開 発 ・ 活 用 す る 「 未 来 志 向
企 業 」， 社 員 ・ 家 族 の 幸 福 を 実 現 す る 「 人 間 尊 重 企 業 」 を か か げ ， 東 京 圏 ， 新 幹 線
の シ ス テ ム を 見 直 し て ，高 速 化・快 適 化 を 図 り ，サ ー ビ ス レ ベ ル の 向 上 に 資 す る シ
ステムの開発に着手した．
技 術 革 新 時 代 に ふ さ わ し い サ ー ビ ス を 提 供 す る た め ，列 車 が 乱 れ た 時 で も き め 細
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か な 旅 客 サ ー ビ ス の 提 供 を 行 え ，さ ら に 早 く 平 常 ダ イ ヤ に 復 帰 で き る 機 能 を 有 す る ，
東 京 圏 輸 送 管 理 シ ス テ ム (ATOS)を 1996 年 に 中 央 線 に 導 入 し ， 以 後 逐 次 線 区 の 拡 大
を 行 っ て き て い る ．さ ら に ，こ の シ ス テ ム は ，安 全 性 の 確 保 ，指 令 業 務 の 軽 減 と 業
務 の 効 率 化 ，駅 業 務 の 省 力 化 ，保 守 作 業 管 理 な ど 社 員 の 働 き や す い 環 境 を 作 る こ と
も可能となっている．
一 方 ，新 幹 線 に お い て も ，新 幹 線 運 行 管 理 シ ス テ ム (COMTRAC)が 東 北・上 越 新 幹 線
開 業 時 か ら 設 備 さ れ て き た が ，北 陸 新 幹 線 へ の 対 応 を は じ め 新 し い 施 策 に 対 応 が で
き な い も の で あ っ た ．そ こ で 老 朽 取 り 替 え に 際 し て ，新 幹 線 の 業 務 全 体 を ネ ッ ト ワ
ー ク で 結 び ，情 報 の 共 有 化・一 元 化 を 行 う よ う に し ，ま た 運 行 管 理 は 危 険 分 散 と レ
ス ポ ン ス の 向 上 の た め 自 律 分 散 方 式 と し た ．こ の シ ス テ ム は ニ ュ ー 新 幹 線 総 合 シ ス
テ ム (COSMOS)と 呼 び ， 1995 年 に 使 用 開 始 し た ．
4.1.3
鉄道のサービスを支える自動改札システム
わが国に自動改札機（自動改札機には乗車券を改札する機能の機械と集札する機
能 の 機 械 ，そ し て 改 札・集 札 両 用 の 機 械 が あ る が こ こ で は 総 称 し て 自 動 改 札 機 と 呼
ぶ ） が 本 格 的 に 導 入 さ れ た の は ， 1971 年 頃 で あ る ． 導 入 に 先 立 っ て ， 乗 車 券 の 形
態 や ラ ッ シ ュ 時 の 問 題 に 対 応 す る た め の 研 究 が 1962 年 に 近 鉄 技 術 研 究 所 で 開 始 さ
れ た ． そ し て ， 1965 年 （ 昭 和 40 年 ） に 試 作 機 に よ る 実 験 が 行 わ れ た ． さ ら に 翌 年
の 1966 年 に は 試 作 機 を 近 鉄 「 あ べ の 橋 」 駅 に 仮 設 し て ， 定 期 券 の 実 地 試 験 が 行 わ
れ た ． そ の 後 ， 国 鉄 や 大 手 の 鉄 道 会 社 が 本 格 的 に 研 究 を 進 め ， 1967 年 大 阪 万 博 に
合わせて開業した阪急「北千里」駅にわが国初の実用機が導入された．
試作段階の自動改札機は，現在の乗車券のように裏に磁気材料を塗布したもので
は な く ，光 学 パ ン チ 式 や 磁 気 バ ー コ ー ド 式 が 用 い ら れ た ．す な わ ち ，定 期 券 に デ ー
タ を 穿 孔 し ，そ れ を 光 学 的 に 読 み 込 ん で 判 定 す る も の で ，情 報 量 と 耐 久 性 に 問 題 が
あ っ た ．最 終 的 に は 情 報 量 ，耐 久 性 ，耐 改 ざ ん 性 ，コ ス ト な ど の 面 で 優 れ て い る 磁
気 塗 膜 方 式 が 採 用 さ れ ， 現 在 も 改 良 を 加 え て ， IC カ ー ド 乗 車 券 が 登 場 し た 今 も 多
く利用されている．
一 方 ，乗 車 券 の 開 発 に 並 行 し て ，自 動 改 札 機 の 具 備 す べ き 機 能 の 検 討 も 行 わ れ た ．
その主なものは以下のとおりである．
① 有人改札口と同程度に通過旅客を処理可能なこと
② 乗車券の投入と取り出しが容易に行えること
③ 乗車券が旅客の歩行に合わせて高速に搬送できること
④ 乗車券の情報が迅速に判定できること
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⑤ 乗車券が無効な場合は安全に通過阻止が出来ること
当 時 か ら ，旅 客 の 流 動 性 を 安 全 に 実 現 す る た め ，高 速 処 理 と 信 頼 性 の 確 保 が 鉄 道
サービスにとって重要であることは今も同じである．
(1) 高 速 処 理 へ の 取 り 組 み
自 動 改 札 機 の 機 能 で 重 要 な の は 処 理 速 度 で あ る ，少 な く と も 改 札 機 内 を 歩 行 す る
人 の 速 度 １ ｍ ／ 秒 以 上 に し な け れ ば な ら な い [52]．
し か し ，当 時 の マ イ ク ロ エ レ ク ト ロ ニ ク ス 技 術 で は そ こ ま で の 高 速 化 は 出 来 な か っ
た ．そ の た め ，サ ン プ リ ン グ・チ ェ ッ ク 方 式 を 採 用 し ，見 か け の 処 理 速 度 を 確 保 す
る 方 法 と し た ．そ の 後 の 技 術 の 進 歩 に よ り ，現 在 で は ，磁 気 券 の 改 札 機 内 の 搬 送 速
度 は ， 2.5ｍ ／ 秒 に な っ て お り ， 人 が 早 足 で 改 札 機 を 通 過 し て も 磁 気 券 は 前 方 の 取
り出し口で待っている．
(2) 信 頼 性 へ の 取 り 組 み
乗 車 券 は 金 券 で あ る た め ，そ の 磁 気 情 報 を 正 確 に リ ー ド ／ ラ イ ト す る こ と は 重 要
な 機 能 で あ る ．し か し ，導 入 期 の 磁 気 券 は 記 録 密 度 や 磁 気 保 持 力 が 低 く 問 題 で あ っ
た ．記 録 密 度 が 低 い と 新 し い サ ー ビ ス を 付 加 す る 場 合 に 問 題 と な り ，磁 気 保 持 力 が
低 い と ハ ン ド バ ッ ク の 口 金 や そ の 他 の 磁 気 製 品 の 影 響 を 受 け ， 1987 年 頃 に は 磁 気
券 の 消 磁 に よ る ト ラ ブ ル が 利 用 者 の ３ ％ 程 度 に ま で 達 し ，大 き な 問 題 と な っ た ．な
ぜ な ら ，現 在 で も 自 動 改 札 機 の 障 害（ 異 常 券 ，券 詰 ま り ，機 器 障 害 な ど ）で ド ア が
閉 じ る 割 合 は 0.3％ 程 度 で あ り ，こ れ を 基 に 自 動 改 札 機 の 通 路 数 な ど の 設 計 を 行 っ
て い る か ら で あ る ．直 ぐ に 高 保 持 力 券 に 改 良 し た ．機 器 に は 当 た り が 少 な い こ と か
ら早期に実現し現在に至っている．
1990 年 代 に 入 る と ， 関 東 圏 で 自 動 化 札 シ ス テ ム が 積 極 的 に 導 入 さ れ ， そ の 後 10
年，自動改札機は社会生活にすっかり定着してきた．
そ し て ， 2001 年 か ら は こ れ ま で の 磁 気 券 と は 全 く 異 な る Ｉ Ｃ カ ー ド 利 用 し た 乗
車 券 シ ス テ ム が 導 入 さ れ た ．こ の シ ス テ ム の 実 用 化 ま で に は 前 述 の 自 動 改 札 シ ス テ
ム 特 有 の 問 題 点 を 解 決 す る た め ， そ の 開 発 に 十 数 年 を 費 や し て い る ． 現 在 （ 2006
年 10 月 末 ）で は ， 発 行 枚 数 が 1800 万 枚 を 超 え ，2001 年 11 月 の 導 入 後 5 年 を 経 過
し た が 大 き な ト ラ ブ ル も な く 順 調 に 稼 動 し て い る ．世 界 的 に 見 て も 注 目 さ れ て い る
システムである．
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4.2
異種統合型自律分散ＩＣカード乗車券システム
4.2.1
従来の磁気式自動改札システム
鉄 道 乗 車 券 シ ス テ ム の 特 徴 は ，多 く の 旅 客 利 用 が 特 定 ま た は 不 特 定 の 時 間 に 集 中
す る な ど 負 荷 変 動 が 大 き い た め ，「 自 動 改 札 機 の 高 速 処 理（ 旅 客 流 動 の 確 保 ）」が
必 須 で あ る ．ま た ，各 機 器 は 始 発 か ら 終 電 ま で 継 続 し て 使 用 さ れ る た め ，「 稼 働 時
間が長い（サービスの継続）」ことである．
図 4.2
従来の磁気式自動改札システム
図 4.2 に 従 来 の 磁 気 式 自 動 改 札 シ ス テ ム の シ ス テ ム 構 成 図 を 示 す ．各 機 器 の 基 本
は ス タ ン ド ア ロ ン で 機 能 す る ．各 機 器 は 駅 内 の 簡 易 な 集 中 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク と 接 続
さ れ て い る ．こ の た め ，拡 張 性 が 乏 し く ，保 守 コ ス ト も 高 い ，と い う 問 題 点 が あ る ．
4.2.2
(1)
異種統合型自律分散ＩＣカード乗車券システム（Ｓｕｉｃａ）
基本機能
鉄 道 乗 車 券 シ ス テ ム の 基 本 機 能 は「 運 賃 の 収 受 」と「 不 正 カ ー ド の チ ェ ッ ク 」で
ある．
図 4.3 に 異 種 統 合 型 自 律 分 散 Ｉ Ｃ 乗 車 券 シ ス テ ム の 機 器 構 成 図 を 示 す ．シ ス テ ム
は 「 IC カ ー ド 」 「 端 末 （ 自 動 改 札 機 な ど ） 」 「 駅 サ ー バ 」 「 セ ン タ ー サ ー バ 」 か
ら構成される. 機器の故障時も最低限のシステムの稼動が補償されないと駅が大
混 乱 し シ ス テ ム と し て は 利 用 不 可 で あ る . こ の た め ，「 自 律 分 散 シ ス テ ム ア ー キ テ
クチャ」としている．
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Ｉ Ｃ カ ー ド と 端 末（ リ ー ダ ／ ラ イ タ ）間 は 高 速 処 理 を 要 求 さ れ て い る た め ，運 賃
計 算 処 理 は 200msec，非 同 期 ， オ ン ラ イ ン リ ア ル タ イ ム の 制 御 シ ス テ ム で あ る ．こ
れにより，旅客の流動性の確保が図られている．
自 動 改 札 機 と 駅 サ ー バ ， セ ン タ ー サ ー バ 間 は 不 正 ID や 運 賃 デ ー タ が 1 時 間 か ら
1 日 の 周 期 で 送 受 信 さ れ る ， ネ ッ ト ワ ー ク 情 報 シ ス テ ム で あ る ． 運 賃 デ ー タ は IC
カ ー ド ，端 末 ，セ ン タ ー サ ー バ な ど に 一 定 量 が 蓄 積 さ れ ，情 報 の 確 実 性 ，整 合 性 を
図っている．
図 4.3
4.2.3
異種統合型自律分散ＩＣ乗車券システムの機器構成図
システム構成
図 4.5 に シ ス テ ム の 全 体 構 成 を 示 す ．こ の シ ス テ ム は 時 間 単 位 の 異 な る 3 つ の
デ ー タ フ ィ ー ル ド (DF)を 持 つ と い う 特 異 な 構 造 を し て い る ． DF1 に お い て 無 線 通
信 は 1 秒 以 内 に 行 わ れ る が ，DF2 で は デ ー タ は 1 時 間 毎 に 流 れ て い る ．DF3 で は 1
日 毎 と 1 時 間 毎 の 2 種 類 の 時 間 単 位 を 持 っ て い る ．こ れ ら の 時 間 単 位 は デ ー タ の 必
要性に応じてそれぞれ設定されており，高速性と高信頼性に寄与している．
図 4.4に Ｉ Ｃ カ ー ド と 端 末 間 の 詳 細 を 示 す . 端 末 で あ る 各 出 改 札 機 器 は Ｉ Ｃ カ ー
ド と の 間 で 無 線 通 信 を 行 う .Ｉ Ｃ カ ー ド は 内 容 コ ー ド（ Ｃ Ｃ：コ ン テ ン ツ コ ー ド ）が
付 い た デ ー タ を Ｄ Ｆ （ Data Field） に ブ ロ ー ド キ ャ ス ト し , 端 末 （ 改 札 機 ） は セ レ
ク ト し て デ ー タ の 収 集 ・ 処 理 を 行 っ て い る （ 図 4.4） .
各 端 末 と 駅 サ ー バ 間 は 駅 内 Ｌ Ａ Ｎ で 結 ば れ て お り ,デ ー タ フ ィ ー ル ド を 介 し て 自
律 分 散 処 理 を し て い る .駅 レ ベ ル で は ,駅 サ ー バ か ら Ｄ Ｆ に デ ー タ を ブ ロ ー ド キ ャ ス
ト し て お り ,各 端 末（ 自 動 改 札 機 , 自 動 券 売 機 な ど ）は セ レ ク ト し て デ ー タ を 受 け 不
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正カードチェックや運賃計算などの処理をしている. また, 各端末は自律して稼動
しており, 一部の端末が故障しても他の端末には，その影響を及ぼさないシステム
となっている. 駅サーバが故障した場合はセンターからのデータが来ないため一部
の機能が利用できないが, 各端末は一定量のデータを保存可能なため, 駅での出札
や 改 札 な ど の 業 務 処 理 は 継 続 可 能 で あ る . ま た ， 各 駅 サ ー バ は DF を 介 し て セ ン タ ー
サ ー バ と 結 ば れ て お り , 乗 客 が IC カ ー ド を 持 っ て 駅 サ ー バ が 正 常 な 他 の 駅 へ 移 動 し
た 場 合 は 駅 間 DFよ り デ ー タ を 取 得 し て お り , す べ て の 機 能 が 利 用 可 能 で あ る （ 図
4.5） [10,11,12,13].
図 4.4
IC カ ー ド と タ ー ミ ナ ル 間 の デ ー タ フ ィ ー ル ド
前 項 で も 述 べ た が ,IC カ ー ド 乗 車 券 シ ス テ ム は 端 末 で の 高 速 処 理 が 必 須 要 件 で あ
る た め , IC カ ー ド と 端 末 間 の Ｄ Ｆ 1 は 1 ／ 10 秒 単 位 で デ ー タ の 授 受 が な さ れ て い
る. また, 端末は前述のとおり一定量のデータ保存が可能であるため駅サーバ間と
の Ｄ Ｆ 2で は デ ー タ が 1 時 間 単 位 で 授 受 さ れ て い る . さ ら に 駅 サ ー バ に つ い て も 一 定
量のデータ保存が可能であるためセンターサーバ間とのＤＦ3 は1 日に1 回データ
の 授 受 が な さ れ て い る . こ の よ う に 「 秒 」 「 時 間 」 「 日 」 の 3 種 類 の 異 な る DF 群 を
「 時 間 差 異 種 Ｄ Ｆ 」 と 呼 ぶ [56]. こ の よ う に 自 律 分 散 型 IC 乗 車 券 シ ス テ ム は シ ス テ
ムニーズに合わせた「時間差異種ＤＦ 」により構成されているという特徴がある.
こ れ に よ り シ ス テ ム の 高 速 性 と 信 頼 性 の 確 保 を 可 能 と し て い る （ 図 4.5） .
ま た ， 各 Suica カ ー ド に は 固 有 の ID 番 号 （ Identification number） が 付 け ら れ
て お り ， Suica を 利 用 す る と 時 間 差 異 種 DF を 介 し た 各 機 器 に 履 歴 が 伝 達 さ れ バ ッ ク
アップ的に処理データを一定量蓄積（データのダム化）し, 障害時に対応する技術
が導入されている．これにより，一部の機器の故障時も最低限のシステムの稼動が
保 証 さ れ , 不 正 IC カ ー ド の 監 視 や , 詳 細 に つ い て は 後 述 す る が 改 札 機 と Ｉ Ｃ カ ー ド
との処理時に「データ抜け」が発生した場合でも，データの整合性を確保する「自
律分散整合化技術」が導入されている.
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図 4.5
異 種 統 合 型 自 律 分 散 型 IC カ ー ド 乗 車 券 シ ス テ ム の 構 成
IC カ ー ド の 処 理 デ ー タ は カ ー ド 内 に 一 定 量 （ 20 件 ） ， 端 末 に は 一 定 期 間 （ 3 日
間）蓄積可能となっている．各出改札機器端末で蓄積しているデータは一定時間毎
に DF2 に ブ ロ ー ド キ ャ ス ト さ れ 駅 サ ー バ は 必 要 な デ ー タ を 内 容 コ ー ド （ Ｃ Ｃ ） に よ
り 「 選 択 受 信 」 し , そ の デ ー タ を 蓄 積 す る ． さ ら に ， 駅 サ ー バ は DF3 へ デ ー タ を 一
定時間毎に送信する．センターサーバは同様にＣＣにより必要なデータだけ「選択
受 信 」 し , 一 定 期 間 （ 26 週 間 ） 分 が 蓄 積 さ れ る ． こ れ に よ り ， セ ン タ ー サ ー バ や 駅
サーバが故障した場合であっても，駅の出改札機器は一定期間（3 日間）稼動可能
となり，旅客サービスは継続される．復旧後は直ちに各段階で蓄積されたデータは
再送信され，データの欠落を防ぐことが出来る．
収集データから判明した不正カードに関する情報はリアルタイムで端末へ配信さ
れ，当該カードの利用を停止する．異種ＤＦを用いてのシステム監視により，セキ
ュ リ テ ィ ー も 大 幅 に 向 上 し て い る [57]．
4.2.4
ＩＣカード乗車券システムの課題と解決技術
以 上 に 述 べ た よ う に 磁 気 式 自 動 化 札 シ ス テ ム か ら ，設 備 更 新 に 合 わ せ て Ｉ Ｃ カ ー
ド 乗 車 券 シ ス テ ム を 開 発・導 入 し た が こ の 過 程 で い く つ か の 課 題 が あ っ た ．こ こ で
はその主なものとして，高速処理性と高信頼性について述べる．
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4.3
高速処理技術
改 札 機 に お い て カ ー ド の 不 正 判 定 と 運 賃 計 算 処 理 を 行 う が ，こ の 場 合 に 特 に 重 要
な の は 高 速 処 理 で あ る ．日 本 の 鉄 道 の 特 徴 は 朝 夕 の 猛 烈 な ラ ッ シ ュ で あ る ．こ う し
た 状 況 に お い て ， 旅 客 が 通 常 ， 駅 構 内 の 平 面 を 自 由 歩 行 す る 速 度 は １ .４ m/秒 で あ
る [46]． ま た ， 改 札 機 内 の 歩 行 速 度 は １ ． ０ ｍ /秒 で あ り [47]， こ の 速 度 で 通 過 す
る 人 の 動 作 に 自 動 改 札 機 の 処 理 ス ピ ー ド が 対 応 す る 必 要 が あ る ． [48,49,50,51]
高 速 処 理 は 鉄 道 乗 車 券 ス テ ム に と っ て 必 須 の 要 件 と な る ． 本 節 で は ， ま ず ， IC
カ ー ド と 改 札 機 の 高 速 処 理 の 課 題 を 説 明 す る ．こ の 課 題 を 解 決 す る た め に 第 ３ 章 で
提 案 し た ，高 速 処 理 技 術 を Suica 乗 車 券 シ ス テ ム に 導 入 し た の で ，こ の 技 術 の 有 効
性 の 評 価 を 行 う ．こ の た め に ，シ ス テ ム の モ デ ル 化 を 行 い ，シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ
り評価を行う．
4.3.1
システムの高速処理性の課題
磁 気 乗 車 券 と Ｉ Ｃ カ ー ド を 自 動 改 札 機 で 処 理 し た 場 合 の 比 較 を 図 4.6 に 示 す ．磁
気 式 と 非 接 触 IC カ ー ド 式 の 改 札 機 に よ る カ ー ド 処 理 の 違 い は 以 下 の よ う に な る ．
磁 気 式 で は ，改 札 機 に 乗 車 券 が 入 っ て く る と ，デ ー タ の「 読 み 出 し 」を 行 い ，そ れ
が正規の乗車券であるかを「判定」し，必要な事項を「書き込み」それを「確認」
す る と い う 4 段 階 を お よ そ 0.7 秒（ 実 測 値 ）で 処 理 し て い る ．こ れ に 対 し て ，非 接
触 IC カ ー ド で は ， ま ず ， カ ー ド が そ の 電 波 の 中 に 存 在 し て い る か ど う か の 「 存 在
確 認 」を し ，そ れ が 処 理 す る に 値 す る か ど う か の「 認 証 」を す る ．そ の 後 は デ ー タ
の 「 読 み 出 し 」「 判 定 」「 書 き 込 み 」「 再 確 認 」 を 行 う ． こ の よ う に ， 磁 気 式 で は 乗
車 券 を 投 入 し て か ら 放 出 す る ま で の 間 ， す な わ ち ， 改 札 機 内 の 1.15ｍ の 距 離 を 秒
速 １ ｍ で 歩 行 す る 1.15 秒 以 内 に 処 理 を す れ ば よ い ． し か し ， Ｉ Ｃ カ ー ド の 場 合 は
Ｉ Ｃ カ ー ド と リ ー ダ ／ ラ イ タ と の 通 信・処 理 エ リ ア が ，隣 接 改 札 機 へ の 影 響 や 技 術
的 問 題 か ら ，あ ま り 大 き く 取 れ な い た め 現 在 は 約 0.2ｍ の 半 球 状 に な っ て い る ．こ
の た め ， 処 理 時 間 は 歩 行 速 度 か ら 0.2sec 以 下 が 必 要 と な る ． こ の た め ， 自 動 改 札
機 の 処 理 が 最 難 関 技 術 と し て 十 数 年 研 究 を 続 け て き た [53,55]．
94
図 4.6
4.3.2
自動改札機による処理の比較
高速処理のための自律連携処理技術
前 述 の よ う に ハ ー ド ウ ェ ア に よ る 処 理 技 術 は 一 定 の 限 界 が あ る ．一 方 ，鉄 道 の 運
賃 は 駅 2 点 間 に よ っ て 決 定 す る た め ，こ の 処 理 を 図 4.7 に 示 す よ う に ，降 車 駅 で 行
う と 乗 車 経 路 に よ っ て は 複 雑 な 運 賃 計 算 と な り 処 理 時 間 が 長 く な り ，ス ム ー ズ な 旅
客 流 動 を 阻 害 す る 恐 れ が あ る ．こ の た め ，第 3 章 の ３ ．３ 節「 自 律 分 散 高 速 処 理 技
術 」で 提 案 し た ，自 律 分 散 シ ス テ ム ア ー キ テ ク チ ャ を 使 っ た 新 し い「 自 律 連 携 処 理
技 術（ 自 律 分 散 ア ル ゴ リ ズ ム ）」を 鉄 道 IC 乗 車 券 シ ス テ ム の 運 賃 計 算 処 理 に 導 入 し
高速処理を実現したのでその内容を以下に述べる．
図 4.7
運賃計算処理の高速化の考え方
95
(1)
運賃計算の自律連携処理（自律分散アルゴリズム）
図 4.8 は ， 改 札 機 で の 処 理 を 高 速 化 す る た め ， ３ ． ３ 節 の 「 自 律 連 携 処 理 技 術 」
を運賃計算に適用した場合の概要を示す．
X 駅 と Y 駅 間 有 効 の 定 期 券 を 所 持 す る 利 用 者 は ，定 期 区 間 外 の A 駅 で 切 符 を 購 入
し て 入 場 し ，同 じ く 定 期 券 区 間 外 の B 駅 で 出 場 す る 時 は 不 足 運 賃 を 精 算 す る 必 要 が
あ る ． こ の 処 理 は IC カ ー ド を 改 札 機 の R/W に か ざ す だ け で ， 必 要 な 運 賃 を 自 動 精
算 す る ．こ の 複 雑 な 計 算 が 降 車 駅 の 改 札 出 口 で 行 わ れ る 場 合 ，そ の 処 理 時 間 は 非 常
に 長 く な る ．し た が っ て ，処 理 時 間 を 短 縮 す る た め に ，乗 車 駅 に お け る 前 処 理（ 乗
車 時 に 予 め 定 期 区 間 内 の 乗 継 駅（ 仮 精 算 駅 ）お よ び 乗 車 駅 -乗 継 駅 間 の 運 賃 を IC カ
ー ド 内 に 記 録 す る ）と 降 車 駅 で の 後 処 理（ 乗 車 ル ー ト の 運 賃 を 計 算 ，比 較 し て ，最
安な運賃を確定する）と自律連携処理する．
具 体 的 に ，図 4.8 で は ，A 駅 改 札 機 入 場 時 に A 駅 か ら 最 短 の 定 期 区 間 内 駅（ J 駅 ）
を 選 択 し ，A-J 間 運 賃（ FAJ）と 共 に カ ー ド 内 に 書 き 込 み を 行 う ．そ し て ，B 駅 改 札
機 出 場 時 に は B 駅 か ら 最 短 の 定 期 区 間 内 駅（ K 駅 ）を 選 択 す る ．次 に「 A-B 間 運 賃 」
お よ び 「 A-J 間 運 賃 ＋ B-K 間 運 賃 」 を 比 較 し 安 価 な ル ー ト を 選 択 す る と 共 に カ ー ド
内処理を行う．
こ の よ う に 運 賃 計 算 を 各 駅 の 改 札 機 の ロ ー カ ル 情 報 と イ ン プ ッ ト 情 報（ 定 期 券 情
報 ）で ロ ー カ ル 処 理 し ，こ の 処 理 を 前 処 理 と 後 処 理 に 最 適 分 割 し て 計 算 し ，最 後 に
連 携 処 理 す る も の で あ る ．こ の 技 術 に よ り ，端 末 レ ベ ル（ 改 札 機 ）で の 処 理 時 間 を
大 幅 に 高 速 化 す る こ と が で き る [54]．
図 4.8
運賃計算の自律連携処理（自律分散アルゴリズム）
96
(2)
処理時間の定義
４ ． ２ ． ２ 項 で も 述 べ た が ， IC 乗 車 券 シ ス テ ム の 基 本 機 能 は ， 不 正 カ ー ド の チ
ェ ッ ク と 運 賃 計 算 処 理 で あ る ．図 4.8 に 示 す よ う に ，定 期 区 間 外 の Ａ 駅 か ら 乗 車 し
て Ｂ 駅 で 降 車 し た 場 合 に は 定 期 区 間 を 考 慮 し た 運 賃 が Ｂ 駅 で 精 算 さ れ る ．ま た ，Ａ ，
Ｂ両駅では不正カードのチェックが行われる．
シ ス テ ム の 基 本 処 理 に 必 要 な 処 理 時 間 を「 カ ー ド・端 末 に よ る 分 散 処 理 」の 場 合
と「 セ ン タ ー サ ー バ に よ る 集 中 処 理 」の 場 合 に つ い て 求 め る ．処 理 時 間 は「 不 正 カ
ードのチェック・処理」と「運賃計算」 および付帯する通信時間などに要する時
間の合計と定義する．
処 理 時 間 T = T1 + T2 + T0
(4.1)
T1： 不 正 カ ー ド の チ ェ ッ ク ・ 処 理 時 間
T2： 運 賃 計 算 処 理 時 間
T0： 通 信 な ど の 付 帯 処 理 の 時 間
①「カード・端末による分散処理」の場合
T AB = T A + T B
= T 1A + T 2A + T 0A + T 1B + T 2B + T 0B
(4.2)
T AB ： Ａ 駅 と Ｂ 駅 の 処 理 時 間 の 合 計
TA： Ａ 駅 で の 前 処 理 の 時 間
TB： Ｂ 駅 で の 後 処 理 の 時 間
②「センターサーバによる集中処理」の場合
T C = T 1C + T 2C + T 0C
(4.3)
TC： セ ン タ ー サ ー バ で の 処 理 時 間
97
4.3.3
処理フローとモデル化
４ ．３ ．２（ ２ ）節 で 定 義 し た 処 理 時 間 を 図 4.9 の 基 本 乗 車 パ タ ー ン に 合 わ せ て
分 散 処 理 の 場 合 と 集 中 処 理 の 場 合 に つ い て ，処 理 フ ロ ー と ，こ れ を モ デ ル 化 し た も
のを以下に示す．
図 4.9
(１ )
基本乗車パターン
分散処理
① Ａ 駅 の 処 理 フ ロ ー （ 図 4.10）
② Ｂ 駅 の 処 理 フ ロ ー （ 図 4.11）
③ Ａ 駅 の 処 理 モ デ ル （ 図 4.13）
④ Ｂ 駅 の 処 理 モ デ ル （ 図 4.14）
(２ )
集中処理
① 駅 ・ セ ン タ ー サ ー バ 間 の 処 理 フ ロ ー （ 図 4.12）
② 駅 ・ セ ン タ ー サ ー バ 間 の 処 理 モ デ ル （ 図 4.15）
98
図 4.10
分散処理：Ａ駅の処理フロー
99
図 4.11
分散処理：Ｂ駅の処理フロー
100
図 4.12
集中処理：駅・センタサーバ間の処理フロー
101
図 4.13
分散処理：Ａ駅の処理モデル
① Ａ 駅 で の 前 処 理 の 場 合 を 図 4.13 に 示 す ． こ の 場 合 の 処 理 時 間 は 以 下 の 式 で 表 さ
れる．
T A = T1 A + T 2 A + T 0 A = ( t 0 + t n ) + ( t s + t c ) + T 0 A
⎧
= ⎨t0 + β
⎩
= t0
∫
+ βt ∫
Suica start → now
1
Suica start → now
⎫
pdt ⋅ t 1 ⎬ + {γ ( j − 1 ) + δ ( n − 1 ) } + {T r ( D r ) + T wr ( D
⎭
pdt + γ j + δ n + T r ( D r ) + T wr ( D
wr
)− γ − δ
(4.4)
t0: ネ ガ ビ ッ ト チ ェ ッ ク 時 間
β: 不 正 カ ー ド 発 生 率
t n : カ ー ド ID チ ェ ッ ク 時 間
γ: 1 個 デ ー タ 検 索 時 間
ts: 運 賃 デ ー タ 検 索 時 間
δ: 2 つ デ ー タ 比 較 時 間
tc: 最 小 運 賃 デ ー タ 抽 出 時 間
p: ト ラ ン ザ ク シ ョ ン 数
t 1 : 一 個 ID チ ェ ッ ク 時 間
j: 総 駅 数
T r (Dr): カ ー ド 読 込 時 間
n: X～ Y 間 駅 数
T r (Dr): カ ー ド 書 込 時 間
102
wr
)}
図 4.14
分散処理：Ｂ駅の処理モデル
②同様にＢ駅の場合の処理時間は以下の式で表される．
TB = T1B + T2B + T0B = (t 0 + t n ) + (t s + t c + t sum 2 + t c + t 2 ) + T0B
t = now
⎧⎪
⎫⎪
= ⎨t 0 + β pdt ⋅ t1 ⎬ + {γ ( j − 1) + δ (n − 1) + t sum 2 + δ + t 2 } + {Tr ( Dr ) + Twr ( D wr )}
⎪⎩
⎪⎭
t =0
∫
∫
t = now
= t 0 + β t1 pdt + γ j + δ n + t sum 2 + t 2 − γ + Tr ( Dr ) + Twr ( D wr )
t =0
(4.5)
t sum2 : 2 つ 運 賃 デ ー タ 合 算 時 間 ， t 2 : 残 額 計 算 時 間
以 上 の 結 果 か ら ， 分 散 処 理 の 場 合 の 処 理 時 間 T AB = T A + T B で あ る ． 式 か ら も わ か
る よ う に ，処 理 時 間 は P：総 ト ラ ン ザ ク シ ョ ン 数 と j：総 駅 数 の 関 数 に な っ て い る ．
Ｐやｊが増加するとＴも増加する．
103
図 4.15
集中処理：駅・センタサーバ間の処理モデル
センターシステムで集中処理する場合はＡ駅入場時は不正カードチェックのみ
と し ，Ｂ 駅 出 場 時 に カ ー ド チ ェ ッ ク と 運 賃 計 算 処 理 を 行 う ，こ の 場 合 の 処 理 時 間 は
以下の式で表される．
TC = T1C + T2 C + T0 C
= ( t 0 '+ t n ' ) + ( t S '+ t C '+ t sum 2 '+ t C '+ t 2 ' ) + ( T0 + T1 )
= Tr ( D r ) + Twr ( D wr ) + Tr ' ( D r ) + TW ( p , nl , cw )
+ Twr ' ( D wr ) + TR ( p , nl ' , cr ) + t 0 '
+β
∫
t = now
pdt
t=0
⋅ t1 '+
γ ' j ( j − 1)
+ 2 δ ' ( n − 1)
2
+ t sum 2 '+ δ '+ t 2 '
= β t1 '
t = now
γ ' j2
γ'j
−
+ 2δ 'n
2
2
t=0
+ TW ( p , nl , cw ) + TR ( p , nl ' , cr )
∫
pdt +
(4.6)
+ Tr ( D r ) + Twr ( D wr ) + Tr ' ( D r ) + Twr ' ( D wr )
+ t 0 '− δ '+ t 2 '
Ｔ ｒ ’ (Ｄ ｒ ): 読 込 デ ー タ の 通 信 時 間 ， Ｔ ｗ ｒ ’ (Ｄ ｗ ｒ ): 書 込 デ ー タ の 通 信 時 間
104
こ こ で ， 待 ち 時 間 TW， TR は 以 下 の と お り で あ る ．
TW =
nl ! (1 − ρ )
ρ ( nl ρ ) nl
nl −1
⎧ ( nl ρ ) i
2
∑⎨
i=0
TR =
nl ' ! (1 − ρ ' )
+
i!
⎩
( nl ρ ) nl
nl ! (1 − ρ ) 2
ρ ' ( nl ' ρ ' ) nl '
nl ' − 1
⎧ ( nl ' ρ ' ) i
2
∑⎨
i=0
⎩
i!
+
⎫
⎬p
⎭
( nl ' ρ ' ) nl ' ⎫
⎬p
nl ' ! (1 − ρ ' ) 2 ⎭
(4.7)
p
nl ⋅ cw
p
ρ'=
nl '⋅cr
ρ =
nl: workstation の 回 線 数 (定 数 )
cw: workstation の 処 理 能 力
ρ : workstation の １ つ の 回 線 の 平 均 処 理 率 (定 数 ):
nl’: R/W の 回 線 数 (定 数 )
cr: R/W の 処 理 能 力 １ つ の 回 線 の 平 均 処 理 率 (定 数 )
ρ ’: R/W の １ つ の 回 線 の 平 均 処 理 率 (定 数 )
4.3.4
(1)
シミュレーションと評価
シミュレーション
４ ．３ ．３ 節 の 処 理 フ ロ ー と モ デ ル 化 か ら 処 理 時 間 に つ い て 導 き 出 し た 式 よ り 処
理 時 間 が「 駅 数 」及 び「 ト ラ ン ザ ク シ ョ ン 数 」に よ っ て ど の よ う に 変 化 す る か シ ミ
ュレーションを実施した．
こ こ で 実 際 の 鉄 道 線 区 を 想 定 し て ，駅 数 が 比 較 的 少 な い 場 合（ 十 数 駅 ）か ら 中 規
模（ 数 十 駅 ）大 規 模（ 数 百 駅 ）を 想 定 し て ，処 理 時 間 と 駅 数 の 関 係 を グ ラ フ 化 し た
も の が 図 4.16 で あ る ． 同 様 に ， 処 理 時 間 と ト ラ ン ザ ク シ ョ ン 数 の 関 係 を グ ラ フ 化
し た も の が 図 4.17 で あ る ． シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に あ た っ て は ， 表 4.1 の パ ラ メ ー タ
を使用した．
105
図 4.16
図 4.17
処理時間と駅数（集中・分散）
処理時間とトランザクション数（集中・分散）
106
表 4.1
シミュレーションにおけるパラメータ
分散
Tr(Dr)
Twr(Dwr)
Tr'(Dr)
Twr'(Dwr)
t0
t1
β
ts
tc
t sum2 +t 2
cw
cr
nl=nl'
集中
40
80
5
10
10
10
2
4
0.01 *
10
5
6
-
4
2
1
40 *
20 *
10 *
(*を 除 き 単 位 ms)
(2)
評価
前 項 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 か ら わ か る よ う に 駅 数 が 小 規 模 な 場 合（ 43 駅 以 下 ）
は 集 中 処 理 が 有 効 で あ る が 中 規 模 （ 43 駅 以 上 ） は 分 散 処 理 が 有 効 で あ る ．
ま た ，処 理 時 間 と ト ラ ン ザ ク シ ョ ン 数 の 関 係 で は ，ト ラ ン ザ ク シ ョ ン 数 が 少 な い 場
合（ 数 万 件 ）は 集 中 方 式 が 有 効 で あ る が ，多 い 場 合（ 42,700 ト ラ ン ザ ク シ ョ ン /day
以上）は分散方式が有効である．
こ れ ら の 結 果 か ら も わ か る よ う に「 自 律 連 携 処 理 技 術（ 自 律 分 散 ア ル ゴ リ ズ ム ）」
は 駅 数 が 多 く ，ト ラ ン ザ ク シ ョ ン 数 も 多 い ，都 市 型 の 鉄 道 な ど に は 有 効 な 技 術 で あ
る こ と が 証 明 さ れ た ．同 様 に ，端 末 数 が 多 く ，高 負 荷 ト ラ ン ザ ク シ ョ ン の 他 の シ ス
テ ム ，例 え ば ，イ ン タ ー ネ ッ ト の E-Comerce な ど で 順 次 サ ー ビ ス を 受 け る 場 合 に 割
引券を利用する場合としない場合の処理を高速に行うケースなどにも有効な技術
である．
107
4.4
システムの信頼性
本 節 で は , ま ず ，Ｉ Ｃ カ ー ド と 端 末 間 の 通 信 処 理 に 起 因 す る 問 題 点 を 明 ら か に し ，
こ の 対 応 と し て ，シ ス テ ム の 信 頼 性 を 確 保 す る 技 術 と し て ，「 自 律 分 散 整 合 化 技 術 」
の IC カ ー ド 乗 車 券 シ ス テ ム へ の 適 用 を 解 説 す る .そ の 後 ， 第 ３ 章 で 述 べ た 機 能 信 頼
性 評 価 技 術 に よ り ，自 律 分 散 整 合 化 技 術 の 有 効 性 を 評 価 す る ．比 較 対 象 と し て は , 整
合化技術を導入した自律分散システムと，整合化技術を用いないシステムとして従
来の集中管理型乗車券システムを扱う. まず, 各システムのモデル化を行い機能信
頼性の式を導出する. 最後にシミュレーションを行い, 結果の考察を行う.
4.4.1
(1)
ＩＣカードと端末間の通信処理
IC カ ー ド と 端 末 間 の 通 信 処 理
具体的に改札機によるカード処理がどのように行なわれているか述べる. まず,
カードがその電波の中に存在しているかどうかの存在確認をし, それが処理するに
値するかどうかの相互認証をする. その後は判定に必要なデータをカードから読み
取 り , 不 正 カ ー ド チ ェ ッ ク , 運 賃 計 算 ,SF 残 金 が 十 分 か 等 の 判 定 を 行 い , 結 果 の デ
ー タ を カ ー ド に 書 き 込 み , 最 後 に 再 確 認 を 行 な う （ 図 4.18） . 改 札 側 は 判 定 後 の デ
ー タ を 仮 デ ー タ と し て デ ー タ ベ ー ス に 登 録 を 行 い , 最 後 の 再 確 認 で カ ー ド か ら Ack
信 号 (更 新 完 了 応 答 ) が 返 っ て く る と , そ の 仮 デ ー タ を 確 定 デ ー タ と し て 確 定 す る .
図 4.18
IC カ ー ド と タ ー ミ ナ ル 間 の 処 理 :正 常 時
108
(2)
無線通信に起因する処理未了エラー
前 述 し た よ う に ，Suica シ ス テ ム で は カ ー ド 側 の デ ー タ 処 理 が 完 了 し た こ と を R/W
側が受け取って，処理を完了する仕組みである．しかし, リーダにカードを挿入し
て 使 用 す る 接 点 形 IC カ ー ド と は 異 な り , 非 接 触 式 で あ る が 故 に , カ ー ド の か ざ し
方等旅客の使用方法に依存してしまうという欠点を持つ. 一連の処理が完全に終了
する前にエリアの外にカードを出されてしまい処理未了になる場合がどうしても発
生する．以下にそのような処理未了エラーのパターンについて説明していく.
図 4.19
IC カ ー ド と タ ー ミ ナ ル 間 ： エ ラ ー e ０
ま ず 図 4.19に 示 す エ ラ ー e ０ は , デ ー タ 読 み 取 り を 完 了 す る 以 前 に , カ ー ド が エ
リ ア の 外 に 出 て し ま っ た 場 合 で あ る . R/W 側 に デ ー タ が 届 い て い な い の で 当 然 運 賃
計 算 な ど も 実 行 で き ず , カ ー ド 側 も R/W も 更 新 が な さ れ て い な い 状 態 に な る .
続 い て 図 4.20に 示 す エ ラ ー e １ は , デ ー タ 読 み 取 り 後 , 運 賃 計 算 結 果 を カ ー ド に 書
き 込 む 以 前 に カ ー ド が エ リ ア の 外 に 出 て し ま っ た 場 合 で あ る . R/W 側 に は 運 賃 計 算
結 果 の デ ー タ は あ る が カ ー ド か ら Ack 信 号 が 返 っ て こ な い た め デ ー タ を 仮 更 新 状 態
のまま確定できない状態になる.
109
図 4.20
IC カ ー ド と タ ー ミ ナ ル 間 ： エ ラ ー e １
図 4.21の エ ラ ー e ２ は , カ ー ド へ の 書 き 込 み は 成 功 し た が 最 後 の Ack 信 号 が 返 ら
な か っ た 場 合 で あ る . こ の エ ラ ー も R/W側 に は 運 賃 計 算 結 果 の デ ー タ は あ る が カ ー
ド か ら Ack 信 号 が 返 っ て こ な い た め デ ー タ を 仮 更 新 状 態 の ま ま 確 定 で き な い 状 態 に
な る . カ ー ド 側 の デ ー タ は 更 新 さ れ て い る が ， R/W 側 が 更 新 さ れ て い な い と い う 状
態の不整合が生じる．
図 4.21
IC カ ー ド と タ ー ミ ナ ル 間 ： エ ラ ー e ２
110
(3)
エラーに対しての従来技術での対応
これらのエラー発生に対して, システム側がどのように対処するかについて述べ
ていく. まず従来技術での対応の仕方について述べる. 各エラーと処理のパターン
を 表 4.2に 示 す . 従 来 技 術 で は R/W 側 (セ ン タ ー 側 ) を メ イ ン の デ ー タ ベ ー ス と し ,
カード側のデータはバックアップとしてシステムを構築していた. そして, カード
側 と R/W 側 の デ ー タ が 不 整 合 な 状 態 で の シ ス テ ム 稼 動 を 許 し て い な い .
本来, トランザクション処理では, 複数の処理がひとつの処理単位としてまとめ
ら れ , ト ラ ン ザ ク シ ョ ン と 呼 ば れ る 単 位 で 監 視 さ れ「 す べ て 成 功 」か「 す べ て 失 敗 」
のいずれかであることが保証されなければならない. 従来技術でのシステムで
は ,Ack 信 号 が 返 っ て こ な い 場 合 は 計 算 結 果 を 全 て 破 棄 し , 改 札 扉 を 閉 め る 事 に よ
って, トランザクションをアボートする. つまり, どちらか一方が失敗したらもう
片方も失敗させ, どちらも成功したときに, 初めて全体を成功としようとする. し
か し ,e2 の エ ラ ー の 場 合 , 既 に カ ー ド に は 書 き 込 ま れ て し ま っ て お り , ト ラ ン ザ ク
ションをアボートしようにも, 肝心のカードは通信エリア外にあるためその内容を
棄 却 さ せ る 事 が で き な い .こ の よ う な 状 態 に な っ た 時 は 窓 口 に 行 っ て カ ー ド の 内 容
を書き換えて復旧するしかない.
例 え ば ,A 駅 で 乗 車 し よ う と し て e ２ の エ ラ ー が 生 じ た 場 合 , カ ー ド に は A 駅 で
乗 車 し た と い う デ ー タ が 書 き 込 ま れ ,R/W 側 に は デ ー タ が 残 ら な い . も う 一 度 タ ッ
チ し て も R/W 側 か ら は , そ の カ ー ド は A 駅 か ら 乗 車 し た は ず な の に ,A 駅 か ら 乗 車
しようとしていると見えてしまう.
表 4.2
従来：発生するエラーと処理のパターン
111
4.4.2
自律分散整合化技術
正 常 処 理 (図 4.22)に 対 し ，第 ４ ．４ ．１ 項 で 述 べ た 処 理 未 了 エ ラ ー e ２ が 発 生 し た
場 合 は 端 末 側 に あ る デ ー タ を「 仮 一 件 明 細 デ ー タ 」と し て DF に 送 り サ ー バ 側 は そ れ
を 「 選 択 受 信 」 し 蓄 積 し て お く (図 4.23). 次 の 処 理 で 送 ら れ て き た デ ー タ と 前 の デ
ー タ と の 整 合 性 を 確 認 し ， 仮 デ ー タ か ら 確 定 デ ー タ へ 補 正 す る (図 4.24)． こ の 方 法
は各端末による部分処理を統合処理することによって，結果としてデータの信頼性
を 確 保 す る 技 術 で あ る [57]．
図 4.22
図 4.23
自 律 分 散 整 合 化 技 術 (1)： 正 常 時
自 律 分 散 整 合 化 技 術 (2)： デ ー タ 抜 け 時
112
図 4.24
自 律 分 散 整 合 化 技 術 (3)： デ ー タ の 補 正
113
(1)
整合化技術導入後のエラーに対しての対応
この自律分散整合化技術を導入した場合の処理のパターンについて説明する.
Suicaシ ス テ ム で は カ ー ド の デ ー タ を メ イ ン と し ,R/W 側 を バ ッ ク ア ッ プ と し て 捉 え
て い る . Ack 信 号 が 返 っ て 来 な い 場 合 , 端 末 側 に あ る デ ー タ を 「 仮 デ ー タ 」 と し て
登録しておき, 次回以降の処理が正常の場合には，正常なデータと前回の正常なデ
ー タ と か ら デ ー タ の 整 合 性 を 確 認 し ，仮 デ ー タ か ら 確 定 デ ー タ へ 補 正 す る（ 表 4.3）．
つ ま り ,Suica シ ス テ ム で は シ ス テ ム 稼 動 の 継 続 を 重 視 し て お り , Ack 信 号 が 返 っ
て来ない場合でも改札を通過させ, その後の使用時にその正当性を確認する.
こ の 技 術 に よ っ て , カ ー ド 側 に 正 常 に デ ー タ が 書 き 込 ま れ て い る 場 合 は Ack 信 号
が届かなくても旅客に意識させる事なく, 流動の阻害を防ぐ事ができる.
表 4.3
整合化技術導入後：発生するエラーと処理のパターン
整 合 化 技 術 導 入 前 と 導 入 後 の 各 サ ブ シ ス テ ム 間 の デ ー タ の 送 受 信 に つ い て 図 4.25
か ら 図 4.28に 示 す . 通 常 , セ ン タ ー サ ー バ は カ ー ド の デ ー タ を バ ッ ク ア ッ プ 的 に 保
存しておく. データ抜けが発生した場合は, 前後のデータから正当性を確認してか
ら 補 正 を 行 な う (図 4.25).
しかし, カードに保存できる件数を超えるデータ抜けが連続で発生した場合, 整
合 化 で き る 許 容 範 囲 を オ ー バ ー し た と 考 え , そ の カ ー ド の 使 用 を 禁 止 す る (図 4.26).
こ れ は カ ー ド 側 に 正 常 に 処 理 が 行 な わ れ た デ ー タ が 押 し 出 さ れ て 1つ も 残 っ て お ら
ず．非常に信頼性にかける状態にあるためである.
また, カード紛失時やなんらかの理由で不正カードが発覚した場合など緊急的に
セ ン タ ー か ら 各 駅 に そ の カ ー ド の 利 用 を 禁 止 す る ネ ガ デ ー タ が 送 ら れ る (図 4.27).
整合化技術を用いない従来の場合はデータ抜けが発生する度にカードの使用を停止
さ せ そ の 度 に 復 旧 作 業 を 行 な っ て い た (図 4.28).
114
図 4.25
各 サ ブ シ ス テ ム 間 の 通 信 (整 合 化 技 術 )
図 4.26
各 サ ブ シ ス テ ム 間 の 通 信 (整 合 化 技 術 )
115
図 4.27
各 サ ブ シ ス テ ム 間 の 通 信 (整 合 化 技 術 )
図 4.28
各 サ ブ シ ス テ ム 間 の 通 信 (従 来 )
116
4.4.3
システムのモデル化
「自律分散整合化技術」をＩＣカード乗車券システムに導入した場合のシステム
を「自律分散型システム」と呼ぶ．本節では３．４．４項で述べた「機能信頼性評
価 技 術 」 を 異 種 統 合 型 IC カ ー ド 乗 車 券 シ ス テ ム へ 適 用 し ， 「 自 律 分 散 整 合 化 技 術 」
のアシュアランス性を評価する. 自律分散型システムの評価の比較対象としては,
整合化技術を用いないシステムとして従来技術の「集中管理型システム」を扱う.
まず, 各システムのモデル化を行い機能信頼性の式を導出する. その後，次項４．
４．４でシミュレーションを行い, その結果の考察を行う.
(1)
システムのモデル化
システムの機能信頼性を評価するためのモデル化の前提として，機能量と機能達
成度について，以下のように定義する．
Ｉ Ｃ カ ー ド 乗 車 券 シ ス テ ム の 基 本 機 能 は ，不 正 カ ー ド の チ ェ ッ ク と 運 賃 計 算 処 理
である. このチェックと運賃計算処理はカード内データを基本に処理が行われるの
で , 各 サ ブ シ ス テ ム の 機 能 量 と し て ,「 カ ー ド 内 デ ー タ 」と「 サ ー バ 内 デ ー タ 」が 一
致 し た 状 態 の 時 ， そ の デ ー タ を 「 一 致 デ ー タ 」 と 定 義 す る . ま た ,Ｉ Ｃ 乗 車 券 シ ス
テ ム に 求 め ら れ る 機 能 達 成 度（ 式 3.14）を「 デ ー タ の 一 致 度 」(図 4.29) と 定 義 す る .
こ こ で「 デ ー タ の 一 致 度 」と は ,「 サ ー バ 」と「 カ － ド 」内 の デ ー タ が 一 致 し て い る
度合い（例えば「一致データ」の件数の割合など）を表すものである．
図 4.29
データの一致度
117
(2)
自律分散型システム
自 律 分 散 整 合 化 技 術 を 用 い た 自 律 分 散 シ ス テ ム の 機 能 信 頼 性 の モ デ ル を 図 4.30に
示す．各サブシステムは機能量として「一致データ」を持っている.
サブシステム中の粒１つが「一致データ」１つを表している. これまでにも述べ
て き た よ う に ,Suica シ ス テ ム で の セ ン タ ー サ ー バ は バ ッ ク ア ッ プ と し て デ ー タ を
蓄積し, 他のサービスや異常時に利用している.
図 4.30
(3)
自律分散型システムの機能信頼性モデル
集中管理型システム
図 4.31に 集 中 管 理 型 シ ス テ ム の 機 能 信 頼 性 モ デ ル を 示 す ． 運 賃 計 算 を 行 う の は 各
ターミナルであり, 複数のターミナルが連携する事によって集中管理型システムに
おけるセンターサーバの役割を果たしている. 集中管理型システムではターミナル
は R/Wの 機 能 し か 持 た ず 運 賃 計 算 ・ デ ー タ の 保 管 は セ ン タ ー サ ー バ が 全 て 行 な う .
図 4.31
集中管理型システムの機能信頼性モデル
118
4.4.4
(1)
機能量の定義
機能量の定義（基本）
機 能 量 は 「 3.5.3
機能信頼性評価技術」の定義より，以下のようになる．
状 態 Ⅹ の 下 で ，シ ス テ ム Ｓ が 達 成 す る 機 能 F(Ｓ ,Ⅹ )は 各 サ ブ シ ス テ ム が 持 つ 機 能
f i (S i ,Ⅹ )の 総 和 で あ り 次 式 で 定 義 す る ．
F (S , X ) =
∑ f (Si , X )
i
(3.12)
i∈ S
(2)
機能量の定義（ＩＣカード乗車券システム）
前 項 の 2つ の シ ス テ ム モ デ ル に お い て 機 能 信 頼 性 の 定 義 を 適 用 し た 場 合 ，各 数 式 が
ど う な る か を 示 す ．ま ず ,「 一 致 デ ー タ 」で あ る 機 能 量 は 以 下 の よ う に な る . 自 律 分
散型乗車券システムではカードと各ターミナルが持つデータを比較し, 集中管理型
シ ス テ ム で は 各 サ ブ シ ス テ ム で あ る ，カ ー ド と セ ン タ ー サ ー バ の デ ー タ を 比 較 す る .
状 態 X に お け る カ ー ド i と タ ー ミ ナ ル jが 持 つ 機 能 量 と 機 能 達 成 度 を そ れ ぞ れ
f (S Card( i ) , X) , f (S Termi nal ( j) , X) , f (S Server , X) と し て 定 義 す る ．
①自律分散型システムの機能量
・データベース一致データ
f (S Card( i ) , X) = α (i )
∑D
(4.8)
C( i ) T( j)
j∈Termi nal
f (S Ter min al ( j) , X) = α (i )
∑D
j∈Card
(4.9)
C( i ) T ( j )
α (i ) :サ ブ シ ス テ ム ｉ の ス テ ー タ ス デ ー タ が 論 理 的 に 正 し い か ど う か の 判 定 係 数
D C( i )T( j) :カ ー ド と タ ー ミ ナ ル 間 で 一 致 し て い る デ ー タ 数
②集中管理型システムの機能量
・データベース一致データ
f (S Card( i ) , X) = α (i )
∑D
(4.10)
C( i ) T ( j)
j∈Termi nal
f (S Server , X) = α (i )
∑D
j∈Card
(4.11)
C( i )S
α (i ) :サ ブ シ ス テ ム ｉ の ス テ ー タ ス デ ー タ が 論 理 的 に 正 し い か ど う か の 判 定 係 数
D C( i )S :カ ー ド と サ ー バ 間 で 一 致 し て い る デ ー タ 数
119
4.4.5
(1)
機能達成度の定義
機能達成度の定義（基本）
機 能 達 成 度 は 「 3.5.3
機能信頼性評価技術」の定義より，以下のようになる．
状 態 Ⅹ の も と で の「 サ ブ シ ス テ ム Si の 機 能 達 成 度：ψ i（ Si，Ｘ ）」と 呼 ぶ ．ま た ，
状 態 Ⅹ の 下 で の 「 シ ス テ ム Ｓ の 機 能 達 成 度 ： Ψ （ Ｓ ， Ｘ ）」 と 呼 ぶ ． 機 能 達 成 度 ψ i
（ Si， Ｘ ）， Ψ （ Ｓ ， Ｘ ） は 次 式 に よ り 定 義 す る ．
ψi (Si , X ) =
Ψ (S, X ) =
f i (Si , X )
F (S , X 0 )
(3.13)
∑ψ (Si, X )
i
(3.14)
i∈S
(2)
機能達成度の定義（ＩＣカード乗車券システム）
Ｉ Ｃ カ ー ド 乗 車 券 シ ス テ ム の 機 能 達 成 度 で あ る「 デ ー タ 一 致 度 」の 定 義 式 を 示 す .
自 律 分 散 型 シ ス テ ム に お け る カ ー ド i の 機 能 達 成 度 ψ (S Card ( i ) , X ) は 式 3.13と 式 4.8に
よ り 式 4.12と な る . ま た タ ー ミ ナ ル j の 機 能 達 成 度 ψ (S Termi nal ( j) , X) は 式 3.13と 式 4.9
よ り 式 4.13と 表 せ る . 同 様 に 集 中 管 理 型 シ ス テ ム に お け る カ ー ド i と セ ン タ ー サ ー
バ の 機 能 達 成 度 ψ (S Card ( i ) , X ) , ψ (S server , X ) は 式 4.14,式 4.15と な る .
①分散型システムの機能達成度
・データ一致度
α (i )
ψ (S Card ( i ) , X ) =
∑D
C( i )T( j)
j∈Termi nal
α (i )
ψ (S Ter min al ( j) , X) =
(4.12)
D ALL
∑D
j∈Card
C( i ) T ( j )
(4.13)
D ALL
α (i):サ ブ シ ス テ ム i の ス テ ー タ ス デ ー タ が 論 理 的 に 正 し い か ど う か の 判 定 係 数
D ALL :シ ス テ ム 内 デ ー タ 数
120
②集中管理型システムの機能達成度
・データ一致度
ψ (S Card ( i ) , X ) =
ψ (S server , X ) =
α (i )DC( i )S
(4.14)
D ALL
∑D
j∈Card
C( i )S
(4.15)
D ALL
α (i):サ ブ シ ス テ ム i の ス テ ー タ ス デ ー タ が 論 理 的 に 正 し い か ど う か の 判 定 係 数
D ALL :シ ス テ ム 内 デ ー タ 数
4.4.6
(1)
システム全体の機能信頼性
機能信頼性の定義（基本）
機能信頼性の評価に必要な「機能信頼度」と「平均機能信頼度（アシュアランス
度 ） は 「 3.5.3
機能信頼性評価技術」の定義より，以下のようになる．
時刻ｔでのシステムＳの機能達成度の期待値を，時刻ｔでの機能信頼度Ｒｔと呼
ぶ ．Ｒ ｔ は 機 能 達 成 度 と 期 待 値 Ｐ (Ⅹ |t)=Prob[Ⅹ |t]の 積 で 表 し ，次 式 に よ り 定 義 す
る ． な お ,期 待 値 Ｐ (Ⅹ |t)は 時 刻 ｔ ,状 態 Ⅹ の も と で シ ス テ ム Ｓ が 達 成 す る 機 能 が Ｆ
(Ｓ ,Ⅹ )と な る 確 率 で あ る ．
R t (t ) =
∑ Ψ (S, X ) ⋅ P(X | t )
(3.15)
X
シ ス テ ム 稼 動 の 保 証 度 合 を 評 価 す る ア シ ュ ア ラ ン ス 度 は 図 3.34 に 示 す よ う に 機
能 信 頼 度 の 所 定 期 間（ ミ ッ シ ョ ン 時 間 ）全 体 に わ た る「 平 均 機 能 信 頼 度 」と 定 義 し ，
次式で表す．
TM
Af = (1 / T M ) ⋅
∫ Rt (t )dt
(3.17)
0
ＴＭ
: ミッション時間
Ｒ ｔ (ｔ ) : 時 刻 t に お け る 機 能 信 頼 度
(2)
機能信頼性の定義（ＩＣカード乗車券システム）
ＩＣカード乗車券システムの機能信頼性がどうなるか考察する. これまでに述べ
た よ う に , エ ラ ー e0,e1 が 生 じ た 場 合 は 集 中 管 理 型 シ ス テ ム で も 整 合 化 技 術 を 用 い
た自律分散型システムでも救う事はできず, 改札扉を閉めてトランザクションをア
121
ボ ー ト す る し か な い . そ こ で 今 回 は , 正 常 に 処 理 が 行 な わ れ る か , エ ラ ー e2 が 発
生するかのどちらかしか生じないと仮定する. また, 各サブシステムの物理的なダ
ウン等「データ抜け」以外の障害は発生しないものとする. さらにモデルをシンプ
ルなものにするため, 平均的なユーザを想定しその平均的なカードに基づき各サブ
シ ス テ ム の 機 能 量 ,機 能 達 成 度 , シ ス テ ム 全 体 の 機 能 信 頼 性 を 求 め て い く .
表 4.4
利用例：集中管理型システム
前 日 ラ ス ト 1回 目 (乗 ) 2回 目 (降 ) 3回 目 (乗 ) 4回 目 (降 ) 5回 目 (乗 ) 6回 目 (降 )
OK
OK
OK
e2
OK
e２
OK
まず, 集中管理型システムにおけるシステム全体の機能信頼度を求める. 集中管理
型システムでは整合化技術を使用しない（データの不一致を許容しない）ため, エ
ラ ー e2 が 発 生 し た 場 合 , 旅 客 は 自 動 改 札 機 を 通 過 す る こ と が で き ず , 係 員 窓 口 で
デ ー タ を 修 正 し な け れ ば な ら な い . デ ー タ 不 一 致 が 発 生 し た 時 刻 gn， 修 正 す る ま で
に 要 す る 時 間 を ts と す る と , gn よ り tS の 時 間 だ け カ ー ド と サ ー バ の デ ー タ が 一 致
し て い な い た め , カ ー ド の 機 能 量 f ( S Card ( i ) , X ) は 0と な る .表 4.4の 例 で は ,3 回 目
(時 刻 g 3 )と 5 回 目 (時 刻 g 5 ) で デ ー タ 不 一 致 が 起 き た た め , そ れ ぞ れ 時 刻 g 3 + t s , g 5
+ t s に デ ー タ 修 正 が 完 了 す る ま で f ( S Card ( i ) , X ) = 0 と な っ て い る (図 4.32). そ の 影 響
に よ っ て サ ー バ の 機 能 量 f ( S Server , X ) も そ の 間 ( n- 1) ・ M に 低 下 す る .
122
図 4.32
集中管理型システムの機能達成度
式 4.14, 4.15と 先 ほ ど 求 め た 機 能 量 に よ り , カ ー ド の 機 能 達 成 度 と サ ー バ の 達 成 度
は 図 4.32 の よ う に な る . こ れ に よ り シ ス テ ム 全 体 の 機 能 達 成 度 Ψ ( S,X ) は 1 か
( n- 1)/2 n と な る . 機 能 信 頼 度 は こ の 機 能 達 成 度 Ψ ( S,X ) と 期 待 値 P ( X | t ) の 積 で
あ り (図 4.33),こ の 時 間 積 分 を ミ ッ シ ョ ン タ イ ム で 割 っ た も の が 平 均 機 能 信 頼 度 Ａ ｆ
式 3.17で あ る .
123
図 4.33
集中管理型システムの平均機能信頼度
最 終 的 に 集 中 管 理 型 シ ス テ ム の 平 均 機 能 信 頼 度 Ａ ｆ は 式 3.17よ り 次 式 と な る .
Af =
(1× TM − tS × q )+ ⎧⎨⎩⎛⎜⎝1 − n2+n1 × e ⎞⎟⎠ × tS × q ⎫⎬⎭
T
M
=
TM −
n +1
× e × tS × q
2n
TM
(4.16)
T M : ミ ッ シ ョ ン タ イ ム ， t s : ダ ウ ン タ イ ム ， q: タ ッ チ 回 数
e: エ ラ ー 発 生 確 率 ， n: デ ー タ 件 数
続 い て , 自 律 分 散 型 シ ス テ ム に お け る シ ス テ ム 全 体 の 機 能 信 頼 度 を 表 4.5の 例 か ら
求める. 自律分散型のシステムは整合化技術を用いるため, データ抜けをカードに
保 存 で き る 件 数 (n) ま で 許 容 で き る ． デ ー タ が 抜 け た 状 態 で 稼 動 を 継 続 す る こ と が
で き る が , 機 能 量 と し て は そ の 度 に 段 階 的 に 低 下 し て い く (図 4.34)． そ の 時 の 機 能
達 成 度 は 図 4.35の よ う に な り , 各 時 刻 に お け る 機 能 達 成 度 の 期 待 値 は 図 4.36と な る ．
表 4.5
利用例：自律分散型システム
前 日 ラ ス ト 1回 目 (乗 ) 2回 目 (降 ) 3回 目 (乗 ) 4回 目 (降 ) 5回 目 (乗 ) 6回 目 (降 )
OK
e2
e2
OK
124
e2
OK
OK
4.34
自律分散型システム：カードとターミナルの機能量
図 4.35
自律分散型システム機能達成度
125
図 4.36
自律分散型システムの平均機能信頼度
こ れ ら の 事 か ら 式 3.17よ り 平 均 機 能 信 頼 度 Ａ ｆ は 式 4.16と 同 様 に ,
q
∑ (g
A f = J =0
j
j+1 − g j )
∑ n −n k
k
j−k
j C k e (1 − e)
k =0
(4.17)
TM
g i : タ ッ チ 時 刻 ， n: カ ー ド 内 デ ー タ 件 数
となる.
4.4.7
(1)
シミュレーションと評価
シミュレーション
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 う に 当 た っ て ， 平 均 的 な ユ ー ザ を 考 え る ． 図 4.37 は 時 間
帯によって改札利用人数がどのように分布しているかを表す，ある駅での実測値で
あ る ． こ の デ ー タ か ら 支 配 的 な 駅 利 用 を 行 う ユ ー ザ を 想 定 し た （ 図 4.38）．
126
図 4.37
図 4.38
各時間帯における駅改札利用人数の分布
シミュレーションに用いるパラメータ：ユーザの利用方法
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 用 い た 核 パ ラ メ ー タ を 表 4.6 に ま と め た ． 今 回 は ， シ ス テ ム
構成とエラーが生じた後の処理の仕方によってどのような差が生じるかを明らかに
したいので，エラー発生確率は自律分散型と集中管理型で共に同じ値を用いた．こ
の 確 率 も Suica シ ス テ ム の フ ィ ー ル ド に お け る 実 測 値 を 用 い た ．
整合化処理はバックグラウンドでセンターサーバによって実行される．これまで
は ， 夜 中 に 1 度 行 わ れ る だ け で あ っ た が ， ト ラ ン ザ ク シ ョ ン 数 の 増 加 に 伴 い 2006
年 1 月からは日中に 2 回，夜中に 1 回行われるようになった．この整合化処理をい
つ行うかは重要な決定要素である．トランザクションのピーク時にデータ抜けが多
数生じる可能性が大きいので，その後に整合化処理を行うことが理想的だと考えら
れ る ．今 回 は 図 4.39 に 示 す 時 間 に 整 合 化 処 理 を 行 う も の と し て シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を
行った．
127
表 4.6
シミュレーションに利用するパラメータ
パラメータ
値
ミ ッ シ ョ ン タ イ ム (T M )
21 [hour]
ダ ウ ン タ イ ム (t S )
10 [min.]
タ ッ チ 回 数 (q)
4
エ ラ ー 発 生 確 率 (e)
0.4 [%]
乗車時間
30 [min.]
1 回 目 タ ッ チ 時 刻 (g 1 )
08:00
1 回 目 タ ッ チ 時 刻 (g 2 )
08:30
1 回 目 タ ッ チ 時 刻 (g 3 )
18:00
1 回 目 タ ッ チ 時 刻 (g 4 )
18:30
設計パラメータ
値
整合化処理の回数
1～ 3
カ ー ド 内 デ ー タ 保 持 件 数 (n)
1～ 40
図 4.39
整合化処理の回数
128
(2)
評価
前 節 ま で の 評 価 条 件 に 従 っ て シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 っ た 結 果 を 図 4.40 に 示 す ．
図 4.40
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 (デ ー タ 保 持 件 数 )
横軸がカードに保持されるデータ件数，縦軸がシステム全体の機能信頼性である．
IC 乗 車 券 シ ス テ ム に お け る 機 能 信 頼 性 は「 デ ー タ 一 致 度 」を 用 い て い る の で ，こ れ
はデータの信頼性を確保し，システムが安定的に稼動できることの性質を表してい
る．自律分散整合化技術はカードに保存されているデータ件数を許容範囲として，
それ以下のデータ不整合を補完することが出来る．カードが多くのデータを持つほ
ど，
「 デ ー タ 抜 け 」を た く さ ん 許 容 で き る と い う わ け で あ る ．シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果
からも，十分なデータ数を持たせれば自律分散型システムが高信頼となることがわ
か っ た ．た だ し ，デ ー タ 保 存 件 数 が 20 件 を 超 え た 辺 り か ら ，そ の 効 果 は 小 さ く な る ．
これはエラー発生確率の小ささに対して，必要以上のデータを持たせても効果がな
いという事である．コストの問題もあり，適切なデータ容量を決める事が重要であ
り ，評 価 の 結 果 ，現 在 の 設 計 地 で あ る 20 件 ，整 合 化 処 理 の 回 数 3 回 が 適 切 で あ る こ
とがわかった．
続いて，エラー発生確率を変化させた場合のシミュレーション結果を示す．図
4.41～ 4.43 は 整 合 化 処 理 を 行 う 自 律 分 散 型 で ， 図 4.44 は 整 合 化 処 理 を 行 わ な い 集
中管理型のシミュレーション結果である．
129
整合化処理1回
0.98
0.94
0.9
0.86
0.82
機能信頼性
0.78
0.74
0.7
0.66
95
80
0.62
0.58
65
50
0.54
デ ー タ保存件数
1
0.8
20
0.6
0.4
0.2
35
0
0.5
5
エラー 発生確率
図 4.41
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 (整 合 化 技 術 1 回 )
整合化処理2回
0.98
0.94
0.9
0.86
0.82
0.78
機能信頼性
0.74
0.7
0.66
95
0.62
80
65
0.58
50
0.54
デ ー タ保存件数
1
0.8
0.6
20
0.4
0.2
35
0
0.5
5
エラー 発生確率
図 4.42
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 (整 合 化 技 術 2 回 )
130
整合化処理3回
0.98
0.94
0.9
0.86
0.82
0.78
機能信頼性
0.74
0.7
0.66
95
0.62
80
65
0.58
50
0.54
デ ー タ保存件数
1
0.8
20
0.6
0.4
0.2
35
0
0.5
5
エラー 発生確率
図 4.43
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 (整 合 化 技 術 3 回 )
整合化処理なし
0.98
0.94
0.9
0.86
0.82
0.78
機能信頼性
0.74
0.7
0.66
95
0.62
80
65
0.58
50
0.54
35
デ ー タ保存件数
1
0.8
0.6
20
0.4
0.2
0
0.5
5
エラー 発生確率
図 4.44
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 (整 合 化 技 術 な し )
131
整合化処理3回
0.9999
0.9995
0.9991
機能信頼性
0.9987
0.9983
32
38
26
0.9979
20
デ ー タ保存件数
0.01
0.008
8
0.006
0.004
0
0.002
14
0.9975
2
エラー 発生確率
図 4.45
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 (整 合 化 技 術 3 回 )
整合化処理なし
0.9999
0.9995
0.9991
機能信頼性
0.9987
0.9983
38
32
26
0.9979
デー タ保存件数
0.01
0.008
8
0.006
0.004
0.002
14
0
0.9975
20
2
エラー 発生確率
図 4.46
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 (整 合 化 技 術 な し )
132
図 4.45 と 図 4.46 は エ ラ ー 発 生 確 率 の 範 囲 を 0-1%と し て 実 際 の 数 値 に 近 い も の を
用いてシミュレーションを行った場合である．
一見，整合化技術利用と利用なしでは，利用しない場合の方が機能信頼性が高い
ように見える．確かに，エラー発生確率が高いにも関わらず，データ容量が少ない
場合は低い機能信頼性となってしまうが，そのような場合でもカードに十分なデー
タを持たせる事によって集中管理型システムと比較してもかなり高い水準を維持す
る こ と が で き る (図 4.43, 4.44)．
このように，異種統合型ＩＣカード乗車券システムに「機能信頼性評価技術」を
適用し，システムのモデル化，機能信頼性の適用，その評価を行う事によって「異
種統合型情報サービスシステムアーキテクチャ」と「自律分散整合化技術」の有効
性が実証できることを示した．
133
4.5
最適システム設計値の算出とその評価手法
これまでに，異種統合型情報サービスシステムの高速処理性と高信頼性を実現し，シス
テムを安定稼動するために，「時間差異種データフィールド」による，異種統合型情報
サービスシステムの「システムアーキテクチャ」構築技術を提案した．このアーキテク
チャにより，高速処理を実現する技術として「自律分散連携処理技術」，高信頼性を実
現する技術として「自律分散整合化技術」を提案し，シミュレーションによりその有効
性を評価してきた．
本節では高速性と高信頼性の技術を実際のシステム設計に適用する方法について示
す．特に，ＩＣカードとリーダ／ライタ間の処理においては「通信エリアの大きさ」が
重要な設計パラメータになる．まず，システムのモデル化を行い，その評価方法を提案
し，シミュレーションにより設計パラメータの最適値を求める．
4.5.1
システムのモデル化
これまでも述べてきたように，非接触ＩＣカードシステムにおいては，システムの高
速性と高信頼性を確保し，アプリケーションニーズである，「流動性」と「システムの
継続性」を確保する必要がある．
特に重要な部分はＩＣカードとリーダ／ライタとの関係である．ＩＣカードはリーダ
／ライタの「通信エリア」内で処理がなされ，信頼性を阻害する要因として「データ抜
け」がある．エラー率がその一因であることなどの詳細については４．４節で述べた．
また，高速処理においては改札機の処理能力を無限に高速化できないことから，一定の
能力値において人が利用する場合，マンマシンインターフェイスの関係からどうしても
エラーが発生する．このように，高速性と高信頼性はエラー率によって変化する．この
エラー率は通信エリアの大きさに関係し，通信エリアの大きさは改札機の流動性に関係
する．ＩＣカードとリーダ／ライタ間の関係をモデル化したものを図 4.47 に示す．
図 4.47
ＩＣカードとリーダ／ライタ間の関係
134
ＩＣカードを人が手に持って移動する場合，通信エリア内を正常にカードが通過する
には，通過時間（エリア内滞在時間）以下で改札機はデータ処理をする必要がある．こ
の関係は次式のようになる．
tp ≤ t
(4.18)
tp：改札機の処理時間
t：カードの通信エリア滞在時間
改札機の処理能力はハードの性能値によって決まるが，本モデルにおいては改札機の処
理時間（処理能力）は「エリア内通過時間（カードがエリア内を通過する時間）」と等
しいもの，すなわち，tp＝t とする．
(1)
エリア内通過時間（実測値）
図 4.47 に示す，自動改札機の通信エリア内をカードが通過する時間（エリア内滞
在時間）の実測値を図 4.48 に示す．エリア内通過時間ｔで通過した人数の実測値で
ある．この場合，通信エリアの大きさはｒ＝0.1ｍである．
図 4.48
(2)
改札機 R/W の通信エリア内のカードの通過時間（実測値）
改札機 R/W の通信エリア内のカードの通過時間（近似式）
実測値は正規分布に近似可能であり，図 4.49 に示す．
135
図 4.49
改札機 R/W の通信エリア内のカードの通過時間（近似グラフ）
従って，エリア内通過時間ｔの確率は以下の式で表される．
f (t ) =
⎧ (t − µ )2 ⎫
exp⎨−
⎬
2σ 2 ⎭
2π σ
⎩
1
μ:tの平均値
4.5.2
（4.19）
σ:tの標準偏差
設計パラメータの評価方法
本項では設計パラメータの評価方法について「サービスの継続性（信頼性）」と「流
動性（処理性）
」の観点から述べる．４．２節の高速性の評価で述べたエラー率 e はプ
ロセスタイム（処理時間）ｔの関数であり，ｔは通信エリアｒの関数である．また，４．
３節で述べた機能信頼性による評価では機能信頼度Ｒt はエラー率 e の関数である．こ
の関係は以下のとおりである．
e = f(t)
(4.20)
t = f(r)
(4.21)
Rt = f(e)
(4.22)
この場合，詳細は後述するが，ｒによりｔが変化し，ｔが小さい（高速：通過人数は大）
と e は大きくなる．e が大きいと，Rt は小さく（信頼性が低下）なる．このように，エ
ラー率は通信エリアの関数である．
このため，「サービスの継続性（信頼性）」と「流動性（処理性）」を両立させる最適
な通信エリアの設計値を求めるためには，通過人数を最大にし，エラー率を最小にする
136
通信エリアの大きさを求める必要がある．
(1)
サービス継続性指数
図 4.49 と式 4.19 からエラー率 e とエリア内通過時間ｔとの関係は以下のとおりと
なる．エリア内通過時間が tｐ以下である割合は図 4.50 の面積 A で表せる．
図 4.50
エリア内通過時間の分布と確率
正規分布の面積は式 4.19 を積分し，以下の式 4.23 で表せる．
tp
F(t p ) = ∫ f (t )dt
(4.23)
0
改札機の処理能力が tp であると，面積 A は通過できないため，エラーとなる．従っ
て“tp”で改札機を通過できないエラーの発生する確率を e とすると e は右グラフの
面積比で表される．
e=A/(A+B)
(4.24)
ここで，エラーの発生しない確率を E とし，
「サービス継続指数」と定義する．
E は以下の式で表される．
E = 1− e =
∞
B
= ∫ f ( t )dt
A + B tp
(4.25)
また，これまでは通信エリアｒ＝0.1ｍの実測値から近似式を求めてきたが，この実
測データを使って，通信エリアを変化させた場合を図 4.51 に示す．この場合，人の
挙動は通信エリアが目には見えないために変わらないとした．
137
図 4.51
通信エリアの大きさによるエリア内通過時間の分布
図 4.51 からわかるように，ｒ（エリアの半径）が増加（大きくなる）と 面積 A
は減，面積 B は増する．このため， e が減少し，E は増加する．
(2)
流動性指数
通信エリアの大きさと改札機の流動性について以下に述べる．これまでにも述べ
てきたが，高速処理では通過人数が増加し，流動性は良くなる．しかし，信頼性が
低下し，この信頼性すなわちエラー率と通信エリアとの関係は前項でのべたとおり
である．
図 4.52 に改札機通過時のカードと人の関係を示す．
図 4.52
改札機〕通過時のカードと人の状態
138
① カードの流動性
図 4.52 に示すように，カードは通信エリア内に 45°で突入し，45°で出て行く
ものする．このとき，エリア内のカードの移動速度を VC とすると通過時間 tc は
以下の式で表される．
t =
2r
VC
(4.26)
ｔc が小さいほど，通過数は増加するため，カードの流動性を表す指数 Tc を以下
のように定義する．
T=
1
t
=
VC
2r
(4.27)
② 人の流動性
図 4.52 に示すように，改札機内を人が歩行して移動する場合はその通過時間は
以下の式で表される．
tG =
L
VG
(4.28)
改札機内の人の移動速度；VG
改札機の長さ； L
ｔG が小さいほど通過人数は増加するため，人の流動性を表す指数 TG を以下の
ように定義する．ただし，R/W での処理が終了すると改札機内には複数の人が同
時に滞在可能であるため，処理が改札機内に同時に滞在できる人数; n
とする
と以下の式となる．
TG =
1
tG
×n =
VG
×n
L
(4.29)
改札機の流動性を評価するため，以上の①カードの流動性と②人の流動性を合わせて，
以下のように「流動性指数 F」を定義する．
F=
VC
2r
L VC
T
=
=
TG
VG
2nr VG
×n
L
(4.30)
139
4.5.3
シミュレーションによる最適値の決定
前項で定義した，「サービス継続性指数 E」と「流動性指数 F」によるシミュレーシ
ョン結果を図 4.53 に示す．
但し，
Ｌ=1.0
n=2
ＶC=0.38
ＶG=1.4
μ=0.52
σ=0.14
図 4.53
シミュレーションの結果
図 4.53 からもわかるように，サービス継続指数は通信エリアの増加に伴って増加す
るが，ある時点から飽和していく．流動性指数は通信エリアの拡大に伴って，急激に減
少する．
シミュレーションの結果から，通信エリアの設計最適値は 0.072ｍである．現在，実
際に導入している R/W の通信エリアは約 0.09ｍであり，本シミュレーションでは，や
や信頼性が優位にあり，流動性が低下しているが，ほぼ現実と一致している．このため，
本シミュレーションの有効性は実証された．
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